TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU CHUỐI
Đặc điểm của chuối
Cây chuối, thuộc họ Musaceae và bộ Scitamineae, có nguồn gốc từ hai loại chuối dại là Musa acuminata và Musa balbisiana Loại cây này được trồng với nhiều mục đích, bao gồm thực phẩm, dược phẩm và lấy sợi Theo các nhà thực vật học, họ Musaceae có nguồn gốc từ vùng Đông Dương, Indonesia, Philippines, Nhật Bản và các đảo Thái Bình Dương Hiện nay, chuối được trồng rộng rãi ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, từ 30 độ vĩ Bắc đến 30 độ vĩ Nam Tại Việt Nam, cây chuối đã được trồng từ lâu, nhưng trước đây thường phát triển tự nhiên với chất lượng và năng suất thấp Gần đây, sản phẩm chuối đã bắt đầu xuất khẩu sang một số thị trường quốc tế, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể.
Thành phần hóa học của chuối
Chuối là loại quả giàu dinh dưỡng, với 70-80% nước và 20-30% chất khô chủ yếu là đường, trong đó đường khử chiếm 55% Hàm lượng protein trong chuối thấp, chỉ từ 1-1,8%, bao gồm 17 amino acid chủ yếu là histidin, trong khi chất béo gần như không có Acid trong chuối chiếm 0,2%, chủ yếu là acid malic và acid oxalic, mang lại vị chua dịu Mặc dù hàm lượng vitamin như carotene, vitamin B1, C, acid pantothenic, acid folic, và inositol thấp hơn so với nhiều loại trái cây khác, nhưng chúng vẫn có sự cân đối Chuối cũng chứa muối khoáng, pectin và hợp chất polyphenol, với hàm lượng khoáng chất đáng kể.
Bảng 1.1 Thành phần hóa của chuối (trong 100g)
Thành phần hóa học Chuối xanh Chuối chín
(nguồn: Theo ED informatics và The banana nutrition group (UK))
Công dụng của chuối
Chuối là một loại trái cây không chỉ giàu năng lượng nhờ chứa lượng đường cao mà còn được biết đến như một phương thuốc chữa bệnh hiệu quả Với nhiều giá trị dinh dưỡng thiết yếu, chuối mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe.
Chuối là một loại trái cây tuyệt vời giúp cải thiện hệ tiêu hóa và phục hồi chức năng ruột Ngoài ra, chuối còn có tác dụng giảm thiểu tình trạng táo bón Khi bị tiêu chảy, cơ thể mất đi nhiều chất điện giải quan trọng, nhưng việc ăn chuối có thể giúp khôi phục lại lượng điện giải do trong chuối chứa nhiều kali.
Axit béo trong chuối xanh hỗ trợ nuôi dưỡng các tế bào niêm mạc dạ dày, giúp tăng cường khả năng hấp thụ canxi Việc hấp thụ canxi hiệu quả là rất quan trọng cho sự phát triển khỏe mạnh của hệ xương.
Chất amino acid tryptophan có trong chuối được chuyển đổi thành serotonin, giúp giảm triệu chứng trầm cảm và cải thiện tâm trạng Do đó, chuối là một phương thuốc hiệu quả để giảm căng thẳng và chống lại stress.
- Ăn chuối thường xuyên giúp giảm nguy cơ thoái hóa điểm vàng, một trong những nguyên nhân gây giảm thị lực ở người cao tuổi
Chuối là lựa chọn lý tưởng để giảm nguy cơ huyết áp cao và đột quỵ nhờ vào hàm lượng kali cao và natri thấp.
- Chuối cũng rất giàu các hợp chất phenolic giúp chống lão hóa, vì thể ăn chuối thường xuyên còn giúp ngăn ngừa nguy cơ ung thư thận
- Do hàm lƣợng sắt cao nên chuối giúp tăng thành phần hemoglobin trong máu và giảm thiểu bệnh thiếu máu.
Tính chất vật lý cơ bản của chuối
Nhiệt dung riêng: c = 1,0269 kJ/kg.độ
Hệ số dẫn nhiệt : = 0,52 W/m.độ
Kích thước của quả chuối: Đường kính: 2 – 5 cm
3 Độ ẩm vật liệu sấy
+ Độ ẩm của chuối trước khi đưa vào hầm sấy 1 = 70% + Độ ẩm của chuối sau khi ra khỏi hầm sấy 2 = 20%
Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất chuối sấy
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT SẤY
Định nghĩa về sấy
Sấy là quá trình loại bỏ nước khỏi vật liệu thông qua nhiệt, sử dụng các phương pháp như dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ, hoặc năng lượng điện trường tần số cao để cung cấp nhiệt cho vật liệu ẩm.
Mục đích của quá trình sấy
- Giảm khối lƣợng của vật liệu
- Tăng khả năng bảo quản
- Tăng giá trị giữ đƣợc những đặc tính tốt đặc trƣng của sản phẩm: độ giòn, dai, màu sắc, hương vị của sản phẩm
Tĩnh lực học của quá trình sấy
Trong tĩnh lực học, mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy và tác nhân sấy được xác định thông qua phương trình cân bằng vật chất và năng lượng Điều này giúp xác định thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy và nhiệt cần thiết Hỗn hợp không khí và hơi nước được gọi là hỗn hợp không khí ẩm, và có một số khái niệm đặc trưng liên quan đến hỗn hợp này.
- Độ ẩm tuyệt đối (hàm ẩm) của không khí, là lượng hơi nước, chứa trong 1 kg không khí khô ̅ (kg hơi nước/ kg không khí khô)
Độ ẩm tương đối của không khí, hay còn gọi là độ bão hòa hơi nước, được định nghĩa là tỷ lệ giữa áp suất riêng phần của hơi nước (pA) và áp suất hơi bão hòa của nước ở nhiệt độ bầu khô (PA) Độ ẩm tương đối được ký hiệu là Khi lượng hơi nước trong không khí tăng lên đến mức bão hòa, tức là pA bằng PA, thì độ ẩm tương đối đạt giá trị cực đại là 1.
Giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối có quan hệ như sau: ̅
(2.1) với P là áp suất tổng có cùng đơn vị với P A
Điểm sương là nhiệt độ giới hạn trong quá trình làm lạnh hỗn hợp không khí ẩm chưa bão hòa, khi hàm ẩm không đổi Khi nhiệt độ của hỗn hợp khí giảm dần, áp suất hơi nước (P A) cũng giảm theo, cho đến khi hỗn hợp đạt trạng thái bão hòa (hàm ẩm = 1) Nhiệt độ tương ứng với trạng thái bão hòa được gọi là nhiệt độ điểm sương, ký hiệu là t s.
- Nhiệt độ bầu khô: t k là nhiệt độ của hỗn hợp khí đƣợc xác định bằng nhiệt kế thông thường
Nhiệt độ bầu ướt là nhiệt độ ổn định đạt được khi nước bốc hơi vào không khí chưa bão hòa hơi nước trong điều kiện nhiệt độ nhất định Thông số này đặc trưng cho khả năng cấp nhiệt của không khí để làm bay hơi nước.
Nhiệt độ bầu ướt được đo bằng nhiệt kế thông thường có bọc vải ướt ở bầu thủy ngân, và nó phản ánh mức độ ẩm của không khí cho đến khi đạt trạng thái bão hòa hơi nước.
Thể tích của hỗn hợp không khí ẩm, ký hiệu là v H, được tính cho 1kg không khí khô (kkk) ở nhiệt độ và áp suất xác định, có đơn vị là m³/kg kkk Hằng số khí lý tưởng R được sử dụng trong công thức này có giá trị là 287 J/kg.K.
T – nhiệt độ tuyệt đối của không khí, K
P – áp suất tổng của hỗn hợp không khí ẩm, N/m 2
P A = p A – áp suất riêng phần của hơi nước, N/m 2
Enthalpy của hỗn hợp không khí ẩm được xác định bằng tổng enthalpy của không khí và hơi nước trong hỗn hợp Đối với hỗn hợp không khí ẩm chứa 1kg không khí khô, enthalpy được tính bằng công thức ̅ , J/kg kkk (2.3), trong đó C k là nhiệt dung riêng của không khí khô (J/kg o C) và t là nhiệt độ của không khí (o C).
H A – enthalpy của hơi nước ở nhiệt độ t, J/kg được xác định theo công thức sau:
H h = r o + C h t = (2493 + 1,97t).10 3 , J/kg (2.4) với: r o = 2493.10 3 – enthalpy của hơi nước ở 0 o C, J/kg
C h = 1,97.10 3 – nhiệt dung riêng của hơi nước, J/kg o C
Thay (2.4) vào (2.3) và lấy nhiệt dung riêng của không khí là 1000 J/kg o C sẽ đƣợc:
H = 1000t + ̅(2493 + 1,97t).10 3 , J/kg kkk (2.5) hay H = (100 + 1,97.10 3 ̅) t + 2493.103 ̅ , J/kg kkk (2.6)
Thành phần trong dấu ngoặc (1000 + 1,97.10 3 ̅) là nhiệt dung riêng của không khí ẩm có hàm ẩm là ̅.
Động lực học của quá trình sấy
Trong động lực học, việc nghiên cứu mối quan hệ giữa độ ẩm vật liệu và thời gian cùng các thông số quá trình là rất quan trọng Các yếu tố như tính chất, cấu trúc, kích thước vật liệu và điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy sẽ ảnh hưởng đến chế độ sấy Từ đó, chúng ta có thể xác định tốc độ và thời gian sấy phù hợp để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình này.
Quá trình sấy được đặc trưng bởi sự di chuyển của độ ẩm bên trong vật liệu, cùng với động lực thúc đẩy quá trình này và sự chuyển giao độ ẩm từ bề mặt vật ra môi trường xung quanh.
Khi vật liệu được đốt nóng, áp suất hơi nước trong vật tăng lên Nếu áp suất hơi trong môi trường xung quanh giữ nguyên, độ chênh lệch áp suất sẽ gia tăng, từ đó thúc đẩy quá trình sấy Đây là nguyên tắc cơ bản của các thiết bị sấy bức xạ và thiết bị sấy bằng dòng điện cao tầng.
Khi vật liệu sấy không được đốt nóng, nhưng áp suất hơi nước của môi trường xung quanh được giảm, quá trình sấy sẽ diễn ra một cách tự nhiên Đây là nguyên tắc cơ bản của các phương pháp sấy như sấy đẳng nhiệt, sấy chân không và sấy thăng hoa.
Một số nhân tố ảnh hưởng tới tốc độ sấy
2.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí
Việc nâng cao nhiệt độ trong quá trình làm khô có thể tăng tốc độ làm khô do giảm lượng nước trong nguyên liệu, nhưng cần phải tuân thủ giới hạn nhiệt độ để không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Nhiệt độ quá cao có thể làm nguyên liệu bị chín và tạo ra lớp màng cứng, cản trở sự di chuyển của nước từ bên trong ra ngoài Ngược lại, nếu nhiệt độ quá thấp, quá trình làm khô sẽ chậm lại, dẫn đến thối rữa nguyên liệu Nhiệt độ sấy thích hợp phụ thuộc vào độ dày, kết cấu của thịt quả và các yếu tố khác Khi nhiệt độ sấy vượt quá 60°C, protein có thể bị biến tính, và nếu trên 90°C, fructaza bắt đầu caramen hóa, tạo ra melanoidin có màu và mùi thơm Nhiệt độ quá cao có thể gây cháy nguyên liệu, làm mất giá trị dinh dưỡng và cảm quan Trong quá trình làm khô, sự cân bằng giữa khuếch tán nội và ngoại bị phá vỡ, dẫn đến hiện tượng tạo vỏ cứng, ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình làm khô.
2.5.2 Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí
Tốc độ chuyển động của không khí đóng vai trò quan trọng trong quá trình sấy Tốc độ gió quá lớn có thể làm mất nhiệt lượng trên nguyên liệu, trong khi tốc độ quá nhỏ sẽ làm chậm quá trình sấy Do đó, việc duy trì một tốc độ gió thích hợp, đặc biệt là trong giai đoạn đầu của quá trình làm khô, là rất cần thiết để đảm bảo hiệu quả sấy tối ưu.
Hướng gió có tác động đáng kể đến quá trình làm khô nguyên liệu Khi gió thổi song song với bề mặt nguyên liệu, tốc độ làm khô diễn ra nhanh chóng Ngược lại, nếu gió thổi trực tiếp vào nguyên liệu, hiệu quả làm khô sẽ bị giảm.
7 với góc 45 0 thì tốc độ làm khô tương đối chậm, còn thổi thẳng vuông góc với nguyên liệu thì tốc độ làm khô rất chậm
2.5.3 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của không khí Độ ẩm tương đối của không khí cũng là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình làm khô, độ ẩm của không khí càng lớn quá trình làm khô sẽ chậm lại Các nhà bác học Liên Xô và các nước khác đã chứng minh rằng: độ ẩm tương đối của không khí lớn hơn 65% thì quá trình sấy sẽ chậm lại rõ rệt, còn độ ẩm tương đối của không khí khoảng 80% trở lên thì quá trình làm khô sẽ dừng lại và bắt đầu xảy ra hiện tƣợng ngƣợc lại, tức là nguyên liệu sẽ hút ẩm trở lại Để cân bằng ẩm, khuếch tán nội phù hợp với khuếch tán ngoại và tránh hiện tƣợng tạo màng cứng, người ta áp dụng phương pháp làm khô gián đoạn tức là vừa sấy vừa ủ Làm khô trong điều tự nhiên khó đạt được độ ẩm tương đối của không khí 50% đến 60% do nước ta khí hậu nhiệt đới thường có độ ẩm cao Do đó, một trong những phương pháp để làm giảm độ ẩm của không khí có thể tiến hành làm lạnh để cho hơi nước ngưng tụ lại Khi hạ thấp nhiệt độ của không khí dưới điểm sương hơi nước sẽ ngƣng tụ, đồng thời hàm ẩm tuyệt đối của không khí cũng đƣợc hạ thấp Nhƣ vậy để làm khô không khí người ta áp dụng phương pháp làm lạnh
2.5.4 Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu
Kích thước của nguyên liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình sấy Nguyên liệu nhỏ và mỏng sẽ giúp tăng tốc độ sấy, tuy nhiên, nếu kích thước quá nhỏ và mỏng, nguyên liệu có thể bị cong và dễ gãy vỡ.
Tốc độ sấy trong cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất khí quyển tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt S và tỷ lệ nghịch với chiều dày nguyên liệu δ.
S : diện tích bề mặt bay hơi của nguyên liệu δ : chiều dày của nguyên liệu
B : hệ số bay hơi đặc trƣng cho bề mặt nguyên liệu
2.5.5 Ảnh hưởng của quá trình ủ ẩm
Quá trình ủ ẩm có vai trò quan trọng trong việc đồng bộ hóa tốc độ khuếch tán nội và ngoại, từ đó tăng cường hiệu quả làm khô Việc này giúp cải thiện nhanh chóng quá trình làm khô sản phẩm.
8 người ta gọi là làm khô gián đoạn
2.5.6 Ảnh hưởng của bản thân nguyên liệu
Tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu, việc chọn chế độ làm khô phù hợp là rất quan trọng Cần xem xét các thành phần hóa học của nguyên liệu như nước, lipid, protein, chất khoáng, vitamin, cũng như kết cấu của thịt quả, có thể là chắc hoặc lỏng.
TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ SẤY HẦM
Cấu tạo thiết bị sấy hầm
Hầm sấy thường có chiều dài từ 10 đến 15 mét, với những hầm sấy dài nhất có thể lên tới 60 mét Kích thước của tiết diện hầm sấy phụ thuộc vào kích thước của xe goòng và khay Tại Việt Nam, chiều cao của hầm sấy thường khoảng
Hầm sấy có kích thước chiều dài từ 1200 đến 1500mm và chiều ngang khoảng 1200-1300mm, được xây dựng bằng gạch đỏ có thể có hoặc không có cách nhiệt Trần hầm sấy được đổ bằng bê tông nhẹ và có cách nhiệt Trên xe goòng, thường bố trí từ 10 đến 15 khay, mỗi khay có diện tích khoảng 1m², với mật độ VLS trên khay dao động từ 2 đến 5 kg/m².
Caloriphe trong thiết bị sấy hầm thường là caloriphe khí – khói hoặc khí – hơi, được lắp đặt trên nóc hầm sấy Có ba phương pháp chính để đưa tác nhân vào hầm sấy: từ trên xuống, từ hai bên, và từ một đầu của tiết diện hầm sấy.
Xe goòng di chuyển trong hầm sấy theo chiều ngược lại với tác nhân, có thể được cơ giới hóa bằng tời đẩy hoặc tời kéo Tại Việt Nam, việc sử dụng tời đẩy trong hệ thống TBS chưa được quy chuẩn hóa, do đó trong thiết kế cần tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo tời có đủ khả năng kéo hoặc đẩy, đồng thời khắc phục mọi trở lực trong quá trình di chuyển của xe goòng.
Thuyết minh quy trình
Chuối được xếp lên các khay và sau đó các khay này được đặt vào xe goòng Các xe goòng sẽ được chuyển vào hầm sấy một cách thuận tiện nhờ vào bộ phận tời kéo Khi hầm sấy được đóng cửa, tác nhân sấy sẽ được đưa vào và quá trình sấy bắt đầu Sau mỗi 15 phút, cửa vào và cửa ra của hầm sấy sẽ được mở để kéo xe goòng ra ngoài và đồng thời đẩy xe goòng mới vào hầm.
Tác nhân sấy là không khí bên ngoài được đưa vào caloriphe nhờ quạt đẩy, sau đó không khí này được đốt nóng đến nhiệt độ cần thiết với chất tải nhiệt là hơi nước Không khí nóng sau đó được dẫn vào hầm sấy, nơi nhiệt độ được điều chỉnh phù hợp với vật liệu cần sấy, đảm bảo không vượt quá nhiệt độ tối đa mà vật liệu có thể chịu Trong hầm sấy, không khí nóng đi xuyên qua các lỗ lưới để thực hiện quá trình sấy hiệu quả.
Khay đựng vật liệu được thiết kế để tiếp xúc đều với vật liệu sấy, giúp ẩm của vật liệu bốc hơi nhờ nhiệt từ dòng khí nóng Quạt hút được lắp đặt ở cuối hầm sấy, có nhiệm vụ hút tác nhân sấy ra khỏi hầm và thải ra ngoài.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
Vật liệu sấy
Bảng 4.1 Thông số vật liệu sấy
Nhiệt độ chuối vào hầm t 1 = 90 o C
Nhiệt độ chuối ra khỏi hầm t 2 = 40 o C
Khối lƣợng riêng của chuối ρ 0 = 977 kg Độ ẩm ban đầu = 70% Độ ẩm sau khi sấy = 2% Đường kính lát chuối d = 30mm = 0,03m
Bề dày lát chuối h = 10mm = 0,01m Độ ẩm cân bằng W cb = 19%
Năng suất nguyên liệu: 1000kg/h
G 2 = G 1 kg/h ( CT 5.3,trang 56, [6] ) Tác nhân sấy là không khí Các thông số ứng với trạng thái của không khí trong quá trình sấy là:
Trạng thái A: Trước khi vào Caloriphe
Phân áp suất bão hòa tương ứng với
Phân áp suất bão hòa tương ứng với
( ) (CT 7.4, trang 978, [6]) Độ ẩm tương đối
Phân áp suất bão hòa tương ứng với
( ) (trang 44, [7] ) Độ ẩm tương đối
(CT 5.6, trang 57, [6]) Độ ẩm thỏa mãn nên ta chọn phù hợp
Ta có: Tra đồ thị I-d ta đƣợc
A: hệ số ẩm kế ( CT 2.37a, trang 32,[13])
Chọn vận tốc tác nhân sấy là v = 0,5 m/s ( bảng 6.12, trang 94,[6])
Vì v ≥ 0,5 m/s nên theo thực nghiệm (CT 2.37b, trang 32,[13]) e
Từ A, α suy ra: Đường kính chuối d = 3 cm, chiều dày chuối h = 1 cm
Tốc độ sấy đẳng tốc:
(CT 5, trang 63, [14]) Độ ẩm cân bằng: W cb = 19% Độ ẩm tới hạn:
(CT 5.26, trang 103,[13]) Thời gian sấy:
Thực tế không khí chuyển động trên vật liệu không đƣợc đồng đều, vì vậy thời
14 gian sấy lý thuyết cần phải tăng lên từ 1,5 đếm 2 lần
Cân bằng vật chất
Năng suất tính theo nguyên liệu vào:
Lƣợng không khí khô tổn thất:
Thể tích không khí ẩm tại trạng thái (t1) cho 1kg không khí khô là v₀ = 1,089 m³/kgKKK Do đó, lưu lượng thể tích của tác nhân sấy được xác định dựa trên giá trị này.
V = 1,089 = 33528,33 m 3 /h (trang 102,[6]) Lƣợng không khí khô cần bốc hơi 1kg ẩm vật liệu:
Chọn kích thước xe goòng:
Chiều cao toàn bộ của xe: h x = 2 m Chiều cao làm việc của xe: h 1 = 1,8 m
Tính số khay trong mỗi xe goòng:
Khoảng cách giữa 2 tầng khay: h 2 = 0,1m
Số tầng khay trong 1 xe:
Số khay trong 1 tầng xe: m = 2 khay
Số khay trong 1 xe goòng: s = m.n = 2.18 = 36 khay
Tính khối lƣợng xe goòng
Cần 6 thanh đúng 1,8 m, 4 thanh ngang 2m, 4 thanh dọc 1,5m Các thanh làm bằng inox 304 có kích thước 30x30x1,5mm
Tiết diện cắt ngang của 1 thanh:
(0,03 0,03) – (0,0285 0,0285) = 8,775.10 -5 m 2 Khối lƣợng riêng của inox 304: 7,93.10 3 kg/m 3
Khối lƣợng bánh xe goòng:
Bánh xe goòng có đường kính 80mm, nặng 2kg/bánh
Mỗi bánh cần 2 ổ bi (0,5kg/ổ) và một miếng cao su chịu va đập (0,02kg/miếng)
Vậy khối lƣợng bánh xe goòng là:
Khối lƣợng xe goòng: 17,26 + 12,08 = 29,34 kg
Chọn kích thước khay sấy là:
- Chiều dày thành khay: 15mm
- Chiều dày đáy khay: 2mm
Khối lƣợng vật liệu sấy trên một khay là : 40kg nguyên liệu
Lƣợng chuối trên mỗi xe goòng: g v = 40.36= 1440 kg chuối
Số xe goòng cần thiết :
Khung khay làm bằng inox 304 kích thước 15x15x2mm
Tiết diện ngang khung khay:
(0,015.0,015) – (0,013.0,013) = 5,6.10 -5 m 2 Khung có 2 thanh dài 1,5m ; 2 thanh ngang 1m
Khối lƣợng riêng của inox 304: 7,93.10 3 kg/m 3
Khối lƣợng thép cho một khay:
Mỗi khay có tấm lưới ở đáy, kích thước là 20x20mm, làm bằng thép không gỉ, kích thước tấm lưới 1,5x1m ; khối lượng 1,2kg/tấm
Tổng khối lƣợng khay trên một xe:
3,42 36 = 123,12 kg Khối lƣợng một xe goòng chƣa chứa chuối:
G x ,26 + 12,08 + 123,12= 152,46 kg Khối lƣợng xe goòng có chở chuối:
Với L 1 , L 2 là khoảng trống ở hai đầu hầm, thường lấy L 1 + L 2 = 0,5l x = 0,5 2 = 1 m
Hầm sấy đƣợc xây bằng gạch đỏ có chiều dày 0,25m và một lớp bông thủy tinh cách nhiệt dày 0,1m Vậy chiều dày của tường bao hầm: δ1 = 0,35m
Chiều rộng phủ bì của hầm:
B = B h + 2.δ 1 = 1,6 + 2.0,35 = 2,3 m Trần hầm sấy có lớp bê tông cốt thép thường dày δ2 = 0,3m và một lớp bông thủy tinh cách nhiệt có bề dày δ 3 = 0,1m
Chiều cao phủ bì của hầm:
H = H h + ( δ 2 + δ 3 ) = 2,05 + (0,3 + 0,1 ) = 2,45 m Hầm sấy gồm 2 cửa vào và ra, mỗi cửa gồm 3 lớp:
2 lớp phía ngoài cửa làm bằng thép có bề 25mm
1 lớp ở giữa làm bằng bông thủy tinh để cách nhiệt bề dày 100mm
Khoảng cách giữa các xe goòng là 40mm
Chiều dài phủ bì của hầm:
Cân bằng năng lƣợng
Tính toán nhiệt cho hầm sấy
Chúng ta tính tổng nhiệt lƣợng cần tiêu tốn cho quá trình sấy
4.3.1 Nhiệt lượng có ích để bốc hơi 1kg ẩm
C pa : nhiệt dung riêng của hơi nước: C pa = 1,842kJ/kgđộ r = 2500kJ/kgđộ nhiệt ẩm hóa hơi t 2 : nhiệt độ của tác nhân sấy khi đi ra t2 = 40 o C
: nhiệt độ của môi trường = 30 0 C
C a : nhiệt dung riêng của nước C a = 4,18kJ/kg.độ q 1 = (2500 + 1,842.40 ) – 4,18.30 = 2448,3 kJ/kgẩm Nhiệt lƣợng cần thiết để bốc hơi W kg ẩm trong 1 giờ sẽ là:
4.3.2 Tổn thất nhiệt do 1kg vật liệu sấy mang đi
Theo kinh nghiệm trong lĩnh vực sấy nông sản, nhiệt độ của vật liệu sau khi sấy thường thấp hơn nhiệt độ của tác nhân sấy từ 5-10 độ C Trong hệ thống sấy hầm, vật liệu và tác nhân sấy di chuyển ngược chiều với nhau.
Do đó nhiệt dung riêng của chuối ra khỏi hầm sấy là:
Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi: kJ/kg ẩm (CT 7.15, trang 100, [6])
4.3.3 Tổn thất nhiệt do thiết bị truyền tải
Nhiệt độ của khay sấy và xe goòng khi vào hầm sấy là 30°C, tương đương với nhiệt độ môi trường Khi ra khỏi hầm sấy, nhiệt độ của khay sấy và xe goòng đạt khoảng 90°C, gần bằng nhiệt độ sấy Khối lượng của khay sấy và xe goòng được xác định lần lượt.
G k = 3,42 kg; G x = 29,34 kg Nhiệt dung riêng của vật liệu chế tạo xe và khay (thép không gỉ):
C k = C x = 0,51 kJ/kg.K Tổn thất nhiệt do khay sấy mang đi : k = x S = 6 36 = 216 khay q k = n k G k C k (t k2 – t k1 )
Tổn thất nhiệt do xe goòng mang đi : x = 6 q x = n x G x C x (t X2 – t X1 )
q TBTT = q k + q x = 43,83 + 26,29 = 70,12 kJ/kg ẩm (trang 103,[6])
4.3.4 Tổn thất ra môi trường
Tổn thất qua 2 bên tường
Do lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực bao giờ cũng lớn
20 hơn Do đó ta giả thiết tốc độ trong quá trình sấy thực là
Ta sẽ kiểm tra lại giả thuyết này sau khi đã tìm đƣợc v
Hệ số trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy và tường bên k được xác định dựa trên kinh nghiệm Hệ số này có thể tính toán bằng công thức cụ thể cho hệ thống hầm sấy, giúp tối ưu hóa quá trình sấy.
Bằng phương pháp tính lập ta có:
( ) (CT 6.11, trang 74,[6]) Chọn : nhiệt độ tường trong
Nhiệt độ bề mặt tường được xác định theo định luật Fourier, trong đó hệ số dẫn nhiệt của gạch là 0,7 W/m².độ và bề dày của tường cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán nhiệt độ này.
Chênh lệch nhiệt độ giữa mặt ngoài của tường với môi trường
Nhiệt độ xác định là:
Từ nhiệt độ này ta đƣợc các thông số không khí:
Hệ số giãn nở thể tích:
Nội suy ở khoảng [30,40] (Bảng I.255,trang 318,[8])
Do đó, chuẩn số Gratkov
: Hệ số giãn nở thể tích
: chiều cao phủ bì của hầm sấy
Hệ số C và n phụ thuộc vào tích số Gr.Pr = 2,036.10 10 0,7 = 1,4252.10 10 > 2.10 7 ( chế độ xoáy) Nên ta xác định đƣợc C = 0,135, n
Hệ số truyền nhiệt là
(trang 23, [9]) Dòng truyền nhiệt từ bề mặt của tường vào môi trường:
Nhƣ vậy sai số giữa và
Sai số này cho phép chúng ta xem kết quả trên là đáng tin cậy
Tường được xây bằng gạch đỏ dày 0,25m và bông thủy tinh cách nhiệt dày 0,1m, có hệ số dẫn nhiệt là 0,7 W/m.độ Dựa vào các thông số này, ta có thể xác định hệ số truyền nhiệt k cho tường.
Do đó tổn thất qua 2 tường bên bằng:
Trần hầm sấy được cấu tạo với lớp bê tông dày 0,3m và lớp bông thủy tinh cách nhiệt dày 0,1m Hệ số dẫn nhiệt của bê tông là 1,55W/m.độ, trong khi bông thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt là 0,06 W/m.độ.
Do đó tổn thất qua trần là:
Hầm sấy gồm 2 cửa vào và ra, mỗi cửa gồm 3 lớp:
2 lớp phía ngoài cửa làm bằng thép có bề 25mm:
1 lớp ở giữa làm bằng bông thủy tinh để cách nhiệt bề dày 200mm:
Ta có hệ số dẫn nhiệt của thép và bông thủy tinh cách nhiệt lần lƣợt là: λ4 = 0,5 W/m.độ ( tra bảng I.126, trang 128, [8]), λ 5 = 0,06 W/m.độ.(tra Phụ lục 2, [15])
Do đó tổn thất qua 2 cửa là:
Giả thiết hầm sấy xây cách tường bao 2m, nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy là
65 o C Theo bảng 6.1, trang 74, [6], ta có: = 41,5 W/m 2
Do đó tổn thất qua nền là:
(trang 104,[6]) Vậy tổng tổn thất ra môi trường q mt :
TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY THỰC
Thông số trạng thái TNS sau quá trình sấy thực:
Lƣợng không khí khô thực tế:
Thiết lập bảng cân bằng nhiệt:
(trang 105,[6]) Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi:
Tổng nhiệt lƣợng theo tính toán:
Nhiệt lƣợng caloriphe cần cung cấp q:
(trang 105,[6]) Theo nguyên tắc cân bằng nhiệt thì nhƣng do sai số trong quá trình tính toán nên
→ Sai số chấp nhận đƣợc
Bảng 5.1 Cân bằng nhiệt của hệ thống sấy
STT Đại lƣợng Ký hiệu kJ/kgẩm %
2 Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy 16,6
3 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi 1
4 Tổn thất nhiệt do TBTT 2,27
5 Tổn thất nhiệt ra môi trường 27,732 0,93
6 Tổng nhiệt theo tính toán 100
7 Tổng nhiệt lƣợng tiêu hao 100
Qua bảng cân bằng nhiệt cho thấy
Tổn thất nhiệt trong quá trình sấy chủ yếu đến từ ba nguồn: vật liệu sấy mang đi chiếm 1%, tổn thất ra môi trường là 0,93%, và tổn thất do thiết bị thu hồi nhiệt (TBTT) mang đi là 2,27% Tổng cộng, các tổn thất này chỉ chiếm khoảng 4,2% Trong thực tế, khi thiết kế hệ thống sấy hầm, có thể ước lượng tổng các tổn thất này vào khoảng 10%.
- Hiệu suất nhiệt của hầm sấy:
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Tính toán thiết kế caloriphe
Caloriphe kiểu khí hơi ống cánh được thiết kế để sử dụng năng lượng từ hơi nước bão hòa, trong đó nước bão hòa ngưng tụ trong ống Nhiệt độ yêu cầu được đạt được nhờ sự truyền nhiệt từ không khí nóng chuyển động bên ngoài các chùm ống.
6.1.1 Các thông số cơ bản yêu cầu để thiết kế caloriphe
Để đáp ứng yêu cầu của HTS về việc nâng nhiệt độ của tác nhân sấy từ 30°C lên 90°C, chúng ta lựa chọn nhiệt độ của hơi bão hòa là t' = 120°C nhằm đảm bảo đạt được mục tiêu đề ra.
Nhiệt độ ngƣng tụ là t N = 120 o C Áp suất ngƣng tụ là P N = 0,199 Mpa = 1,99 bar
Công suất nhiệt của Caloriphe:
Công suất nhiệt của Caloriphe được tính toán là 1928881,25 kJ/h, tương đương với 536 kW Hiệu suất của Caloriphe đạt 90%, với 10% tổn thất do bụi bẩn và sự ăn mòn của vật liệu theo thời gian Do đó, công suất nhiệt cần thiết để hơi nước truyền cho TNS sẽ được xác định dựa trên các yếu tố này.
Q caloriphe = 1,1 536 = 589,6 kW Nhiệt ẩn ngưng tụ của hơi nước ở nhiệt độ ngưng t N = 120 o C là:
Lƣợng hơi vào caloriphe yêu cầu là:
6.1.2 Tính toán thiết kế caloriphe
6.1.2.1 Diện tích trao đổi nhiệt F của caloriphe
Chọn ống thép dẫn hơi có:
- Hệ số dẫn nhiệt : Đường kính ngoài
- Chọn cánh đƣợc làm bằng đồng có:
- Số cánh trên một ống :
√ Tốc độ của tác nhân sấy đi vào caloriphe:
Tốc độ không khí tại khe hẹp của cánh:
Với nhiệt độ trung bình của không khí qua caloriphe:
Ta tra ra đƣợc các thông số không khí nhƣ sau (Phụ lục
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của cánh:
Từ biểu đồ ( ), từ biểu đồ 2.31, trang 109, [12],ta tra ra đƣợc
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tương đương:
Hệ số trao đổi nhiệt của hơi nước trong ống:
Độ chênh lệch nhiệt độ giữa hơi ngưng và nhiệt độ vách trong ống là rất lớn, tuy nhiên giá trị này lại rất nhỏ Chúng ta sẽ kiểm tra lại giả thiết này để xác định tính chính xác của nó.
Với hơi nước bão hòa ngưng ở nhiệt độ (bảng I.249, trang 311,[8]), ta có các thông số vật lý của nước ngưng bão hòa như sau:
Do đó có thể tính hệ số truyền nhiệt qua ống ứng với bề mặt không làm cánh F 1 theo công thức tính hệ số truyền nhiệt qua vách phẳng
Kiểm tra lại tốc độ giả thiết:
Mật độ dòng nhiệt truyền qua caloriphe:
Về nguyên tắc mật độ dòng nhiệt phải bằng mật độ dòng truyền nhiệt do hơi ngƣng Do đó: chênh lệch không nhiều nên giả thiết là hợp lý
Diện tích bề mặt các ống:
(trang 221, [6]) Chọn số hàng ống , khi đó số ống trên 1 hàng là:
→ Ta chọn 24 ống trên một hàng
Tổng số ống của caloriphe:
Tính và chọn quạt
6.2.1 Tính trở lực của toàn bộ quá trình
Trở lực từ miệng quạt đến caloriphe
Chọn đường ống dẫn làm bằng tôn sơn có độ nhám (bảng II.15 trang 381,
Chọn ống nối từ quạt đến caloriphe có đường kính d = 0,4 m và chiều dài = 1m Vận tốc khí đi trong ống là:
> 10 4 suy ra không khí đi trong ống theo chế độ chảy xoáy ([trang 360,8])
Chuyển động xoáy chia làm 3 vùng:
Vùng 1 trong nhẵn thủy lực học có đặc trưng là lớp màng chảy dòng bao phủ hoàn toàn gờ nhám của ống, do đó, độ nhám của khu vực này không ảnh hưởng đến hệ số ma sát.
- Vùng 2: khu vực nhám, khu vực này hệ số ma sát phụ thuộc vào độ nhám mà không phụ thuộc vào chuẩn số Reynol
- Vùng 3: khu vực nằm giữa khu vực nhẵn và khu vực nhám ứng với
Vậy hệ số ma sát đƣợc tính theo CT II.64 trang 380, [8]
Vậy trở lực trên ống từ miệng quạt đến caloriphe:
Nhiệt độ trung bình của không khí nóng trong caloriphe là
Tại nhiệt độ này tra bảng
Vận tốc không khí trong caloriphe là:
Re > 10 4 vậy không khí chuyển động theo chế độ xoáy
Do ống sắp theo kiểu bàn cờ, vì
Trong đó: : khoảng cách giữa các trục ống theo phương cắt ngang của dòng chuyển động ( theo chiều rộng của dòng),
: khoảng cách giữa các trục ống dọc theo phương chuyển động của dòng ( theo độ sâu của dòng ), d: đường kính ống, d = 28mm
Với z là số dãy ống chùm theo phương chuyển động, z = 12 dãy ống
Vậy trở lực do caloriphe là:
Trở lực đường ống dẫn không khí từ caloriphe đến hầm sấy:
Chọn đường ống dài Đường kính ống
Vận tốc khí đi trong ống là:
Ta có: (phụ lục VI, [6])
Re > 10 4 : vậy không khí chuyển động theo chế độ xoáy
Chuyển động chảy xoáy chia làm 3 vùng:
- Vùng 1: nhẵn thủy lực học
Chỉ số Reynol đƣợc xác định
31 Đặc trƣng của vùng này ( giống ở trên )
Chỉ số Reynol khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
- Vùng 3: khu vực quá độ
Vùng chuyển tiếp giữa vùng nhẵn thủy lực và vùng nhám có hệ số ma sát phụ thuộc vào số Reynol và độ nhám của thành ống.
Khí ở khu vực quá độ:
Vậy trở lực trên đường ống dẫn khí từ caloriphe đến phòng sấy là:
Trở lực tại góc co:
Hệ số trở lực tại góc:
R: bán kính góc co, R=0,4 m d: đường kính ống dẫn, d=0,4m
Vậy trở lực tại góc co là:
Vậy tổng trở lực của cả hệ thống:
Ta có: Áp suất làm việc toàn phần:
Với: : trở lực tính toán của hệ thống
: nhiệt độ làm việc của hỗn hợp khí
: áp suất tại chỗ đặt quạt khối lƣợng của khí ở đktc khối lƣợng của khí ở điệu kiện làm việc
Dựa vào đồ thị đặc tuyến của quạt ly tâm II.9/57-N 0 8 (trang 490, [8])
Hiệu suất truyền động bánh đai: (trang 463, [8])
Công suất trên trục động cơ điện:
(trang 464, CT II.23b, [8]) Công suất thiết lập đối với động cơ điện:
Với : là hệ số dự trữ
N = 282,67 kW chọn (bảng II.48, trang 464,[8])
Cả hai quạt đều sử dụng quạt ly tâm loại II.9/57-N 0 8 với cùng một hiệu suất
Tính và chọn động cơ tời kéo
Khối lƣợng của 1 xe goòng chứa chuối :
M = 1592,46kg Trọng lƣợng của 1 xe goòng có chở chuối:
M 9,81 92,46.9,81= 15622,0326 (N) Trọng lƣợng của 6 xe goòng
Ta có tổng các lực cản bằng 5% trọng lƣợng xe
Pc = 0,05 93732,2 = 4686,6 (N) Tổng lực kéo của động cơ
P = P 0 + Pc 732,2 + 4686,6 = 98418,8 (N) Công suất của động cơ
N đ =(P.v)/(60000.ηđ )= 98418,8.12/(60000.0,85)#,16 (kW) Với v = 12 vòng/phút: vận tốc xe goòng
