Luận văn: Tính toán, thiết kế hệ thống sấy đối lưu thông minh tiệt trùng UV

Tài liệu nghiên cứu Đồ án: Hệ thống sấy đối lưu thông minh tiệt trùng tia UV mang tính hệ thống, nâng cao năng lực chuyên môn hỗ trợ đào tạo hiệu quả

• Tác giả: Trần Thuận Lợi
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tấn Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ hóa học và Thực phẩm
• Đề tài: Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống sấy đối lưu thông minh tiệt trùng bằng tia cực tím năng suất 12 kg nguyên liệu hạt sen/mẻ
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Sấy Đối Lưu Thông Minh Tiệt Trùng Tia UV

Hệ thống sấy đối lưu thông minh tiệt trùng tia UV là một giải pháp công nghệ tiên tiến được phát triển để xử lý các sản phẩm nông sản, đặc biệt là hạt sen, với độ chính xác cao và hiệu quả tối ưu. Đồ án này kết hợp ba công nghệ quan trọng: sấy đối lưu, tiệt trùng bằng tia cực tím (UV), và hệ thống điều khiển tự động thông minh. Công suất sản xuất đạt 12 kg nguyên liệu hạt sen/mẻ, đáp ứng nhu cầu của các nhà máy chế biến thực phẩm hiện đại. Công nghệ này không chỉ bảo tồn dinh dưỡng sản phẩm mà còn giảm thời gian sấy và tiêu thụ năng lượng đáng kể, mang lại lợi ích kinh tế cao.

1.1. Nguyên lý hoạt động của Sấy Đối Lưu

Sấy đối lưu là quá trình sử dụng luồng khí nóng để loại bỏ độ ẩm từ sản phẩm. Không khí nóng được tuần hoàn liên tục, tăng hiệu suất trao đổi nhiệt và giảm thời gian sấy. Phương pháp này bảo tồn tốt các thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm so với các phương pháp sấy truyền thống.

1.2. Công nghệ Tiệt Trùng Tia Cực Tím UV

Tia cực tím UV có khả năng diệt khuẩn và mầm bệnh hiệu quả mà không cần sử dụng hóa chất. Công nghệ này được tích hợp vào buồng sấy để đảm bảo sản phẩm sau sấy đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm cao nhất, phù hợp với yêu cầu xuất khẩu quốc tế.

II. Quy Trình Tính Toán và Thiết Kế Hệ Thống

Quy trình tính toán hệ thống sấy đối lưu thông minh bao gồm nhiều bước quan trọng được thực hiện một cách khoa học và chính xác. Đầu tiên, các thông số tối ưu cần thiết được xác định dựa trên đặc tính của hạt sen. Sau đó, các tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng được thực hiện để xác định công suất nhiệt cần thiết. Tính toán kích thước buồng sấy dựa trên thể tích sản phẩm cần xử lý và điều kiện sấy mong muốn. Cuối cùng, các thiết bị phụ trợ như quạt cấp gió, hệ thống gia nhiệt được chọn lựa phù hợp.

2.1. Cân Bằng Vật Chất và Năng Lượng

Cân bằng vật chất xác định lượng nước cần loại bỏ từ sản phẩm và thể tích không khí cần thiết. Cân bằng năng lượng tính toán nhiệt lượng cần thiết bao gồm: nhiệt làm bay hơi ẩm, nhiệt làm nóng nguyên liệu, nhiệt thiết bị phụ, và hao phí nhiệt ra môi trường. Những tính toán này đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

2.2. Thiết Kế Buồng Sấy và Lựa Chọn Thiết Bị

Kích thước buồng sấy được thiết kế dựa trên thể tích chứa sản phẩm và điều kiện lưu thông khí tối ưu. Quạt cấp gió được chọn lựa để đảm bảo luồng khí đều và ổn định. Hệ thống gia nhiệt được định cỡ dựa trên nhu cầu công suất nhiệt tổng cộng, đảm bảo nhiệt độ sấy đạt được và duy trì ổn định trong suốt quá trình.

III. Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Thông Minh

Hệ thống điều khiển tự động là bộ não của máy sấy, quản lý toàn bộ quá trình hoạt động. Hệ thống này bao gồm các sensor đo nhiệt độ, độ ẩm, các công tắc điều khiển và bộ xử lý trung tâm. Điều khiển tự động cho phép duy trì những điều kiện sấy tối ưu mà không cần can thiệp thủ công, giảm sai sót và tăng chất lượng sản phẩm. Sơ đồ điều khiển được thiết kế chi tiết với các mạch điện an toàn, các thiết bị bảo vệ quá dòng, quá nhiệt. Hệ thống này cũng cho phép theo dõi các thông số hoạt động và ghi lại dữ liệu quá trình sấy.

3.1. Các Cảm Biến và Thiết Bị Đo Lường

Cảm biến nhiệt độ theo dõi nhiệt độ trong buồng sấy và không khí cấp vào. Cảm biến độ ẩm đo độ ẩm của sản phẩm để xác định thời điểm kết thúc quá trình sấy. Các cảm biến này được tích hợp với bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) để tự động điều chỉnh các thiết bị hoạt động và duy trì điều kiện tối ưu.

3.2. An Toàn và Bảo Vệ Hệ Thống

Hệ thống bảo vệ bao gồm các thiết bị ngắt mạch tự động khi xảy ra sự cố quá dòng hoặc quá nhiệt. Các van an toàn được lắp đặt để ngăn chặn áp suất thặng dư. Hệ thống cảnh báo thông báo kịp thời nếu các thông số vượt quá giới hạn cho phép, đảm bảo an toàn cho thiết bị và người vận hành.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm và Ứng Dụng Thực Tế

Sau khi hoàn thành thiết kế và chế tạo, đồ án thực hiện các bài thử nghiệm toàn diện để xác định chế độ công nghệ sấy tối ưu. Các bài thử nghiệm cổ điển được tiến hành để tìm ra các thông số tốt nhất về nhiệt độ, thời gian sấy, và tốc độ lưu thông khí. Kết quả cho thấy hệ thống đạt hiệu suất cao, sản phẩm sau sấy có chất lượng tốt với độ ẩm kiểm soát chính xác. Chi phí năng lượng giảm đáng kể so với các phương pháp sấy truyền thống, làm cho máy sấy này rất hiệu quả về kinh tế. Hệ thống có thể được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy chế biến thực phẩm, đặc biệt là chế biến hạt sen và các sản phẩm nông sản khác.

4.1. Kết Quả Chạy Thử Nghiệm

Các bài thử nghiệm được tiến hành với các điều kiện khác nhau để xác định điểm tối ưu. Kết quả cho thấy hệ thống đạt độ chính xác cao trong kiểm soát nhiệt độ ±2°C. Thời gian sấy hạt sen từ độ ẩm ban đầu 12-14% xuống 6-8% mất khoảng 8-10 giờ, giảm 30% so với phương pháp sấy thông thường. Chất lượng sản phẩm sau sấy được cải thiện đáng kể, đạt tiêu chuẩn xuất khẩu.

4.2. Hướng Dẫn Vận Hành và Bảo Dưỡng

Đồ án cung cấp hướng dẫn chi tiết về vận hành máy từ khởi động ban đầu, lập trình điều kiện sấy, theo dõi quá trình, đến ngắt máy an toàn. Bảo dưỡng định kỳ bao gồm kiểm tra các kết nối điện, làm sạch bộ lọc không khí, và kiểm tra các cảm biến. Tuân thủ các hướng dẫn này đảm bảo máy hoạt động ổn định lâu dài và sản phẩm luôn đạt chất lượng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu, tài liệu tham khảo, danh sách bảng biểu và danh sách hình ảnh, danh mục chữ viết tắt, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục. Nguyễn Tấn Dũng Trang 5 Khóa luận tốt nghiệp CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về sen Hình 1.1 Cây sen trong vùng Đồng Tháp Mƣời Cây sen có thân hình trụ (ngó sen) và rễ mập (củ sen) sống lâu năm. Lá mọc dài trên mặt nƣớc. Hoa to có nhiều cánh xếp tròn đều màu hồng trắng.

Hoa có nhiều nhị (tua sen) màu vàng và những lá noãn rời, những lá noãn này sẽ hình thành quả gắn trên một đế hoa hình nón ngƣợc màu xanh (gƣơng sen). Tất cả bộ phận của sen đều có thể sử dụng làm thuốc. Lá sen có tính hàn, lợi tiểu và cầm máu. Lá đƣợc sử dụng để điều trị các bệnh nhƣ tiêu chảy, sốt cao, trĩ, tiểu gắt và bệnh phong.

Hạt sen trị nôn hay làm dịu phản ứng co giật của hệ thống tiêu hóa, hạt sen chính đƣợc sử dụng chữa trị bệnh tiêu chảy mãn tính, tăng tiết dịch và khí hƣ cũng nhƣ có tác dụng làm giảm đau, rất hiệu quả trong việc trị mất ngủ và đau tim. Tâm sen có tác dụng an thần, trị mất ngủ, sốt cao với thần kinh căng thẳng, cao huyết áp. Gƣơng sen chứa protein, carbonhydrat và mang lƣợng nhỏ alkaloid Nelumbine sử dụng để cầm máu. Nhụy sen có tác dụng bổ thận, rất hữu ích trong điều trị rối loạn tuyến nội tiết sinh dục.

Nguyễn Tấn Dũng Trang 6 Khóa luận tốt nghiệp Hạt sen đƣợc sử dụng phổ biến trong nƣớc cũng nhƣ nhiều nƣớc trên thế giới để làm thức ăn, ngoài ra nó cũng là một vị thuốc qúy đƣợc con ngƣời biết đến từ lâu. Ở nƣớc ta nó đƣợc chế biến thành nhiều món ăn bổ dƣỡng và những bài thuốc trị bệnh hiệu quả. Vì vậy giá trị kinh tế mà sen mang lại rất cao, tuy nhiên thời gian sử dụng và bảo quả của hạt sen lại rất ít. Do đó cần có biện pháp bảo quản hạt sen để nâng cao giá trị kinh tế.2 Phân bố sinh thái và tiềm năng phát triển Ở Việt Nam cây sen mọc hoang dại rất nhiều tập trung chủ yếu ở vùng Đồng Tháp Mƣời thuộc các tỉnh Đồng Tháp, Long An và An Giang.

Sen mọc trong trạng thái tự nhiên đã có từ rất lâu đời. Hàng trăm hecta sen mọc tập trung đã góp phần tạo nên hệ sinh thái đa dạng của vùng ngập nƣớc Đồng Tháp Mƣời, nơi đây có Vƣờn Quốc Gia Tràm Chim khu Ramsar (khu bảo tồn đất ngập nƣớc có tầm quan trọng quốc tế, đặc biệt nhƣ là nơi cƣ trú của các loài chim nƣớc) thứ 2000 của thế giới. Đồng Tháp là tỉnh có diện tích trồng sen lấy hạt lớn nhất nƣớc với diện tích hơn 750 ha tập trung ở 2 huyện Cao Lãnh và Tháp Mƣời, trồng sen trở thành mô hình sống chung với lũ rất lý tƣởng. Sen đƣợc trồng luân canh trên đất ruộng với mật độ 2000 cây/ha vừa kiếm thêm thu nhập trái vụ vừa có thể cải tạo đất cho mùa vụ năm sau.

Sau khi trồng 3 tháng mùa thu hoạch gƣơng sen bắt đầu và kéo dài 2 tháng. Năng suất bình quân 30.000 gƣơng sen/ha, bán với giá tại vƣờn 300-500 đồng/gƣơng lãi 8-9 triệu đồng/ha do chi phí đầu tƣ thấp. Trong khi hạt sen đƣợc lấy ra từ gƣơng sau khi tách vỏ và tách lấy tim bán với giá 100.000 đồng/kg mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn, nhƣng thời gian bảo quản lại không đƣợc lâu chỉ chƣa đầy một tuần, trong khi tim sen đem phơi khô đem làm trà cũng đem lại nguồn thu nhập không nhỏ cho ngƣời nông dân. Với lợi thế phát triển dựa vào cây sen, tỉnh Đồng Tháp đang đẩy mạnh các nghiên cứu khoa học để phát triển các sản phẩm về sen nhằm nâng cao năng suất cũng nhƣ gia tăng giá trị kinh tế cho cây sen tỉnh nhà và một trong những nhiệm vụ đặt ra là phải có biện pháp bảo quản hạt sen đƣợc lâu hơn để nâng cao giá trị kinh tế.

Nguyễn Tấn Dũng Trang 7 Khóa luận tốt nghiệp 1.3 Thành phần hóa học Bảng 1.1 Thành phần dinh dƣỡng có trong 100g hạt sen tƣơi Thành phần dinh dƣỡng Đơn vị Hàm lƣợng Nƣớc g 57,9 Năng lƣợng Kcal 161 Protein kJ 9,5 Lipid g 0,5 Glucid g 29,5 Celluloza g 0,8 Tro g 1,8 1.4 Sự biến đổi dinh dƣỡng Bảng 1.2 Thành phần dinh dƣỡng có trong 100g hạt sen khô Thành phần dinh dƣỡng Đơn vị Hàm lƣợng Nƣớc g 14,0 Năng lƣợng Kcal 334 Protein kJ 20,0 Lipid g 2,4 Glucid g 58,0 Celluloza g 2,2 Tro g 3,4 GVHD TS. Nguyễn Tấn Dũng Trang 8 Khóa luận tốt nghiệp 1.5 Quy trình sản xuất hạt sen sấy Nguyên liệu Bóc vỏ, lấy tâm sen Rửa sạch Chần Cấp đông Sấy giòn Để nguội Đóng gói Hình 1.2 Quy trình sản xuất hạt sen sấy Nguyên liệu: hạt sen tƣơi (hoặc hạt sen khô) đƣợc tuyển chọn kỹ càng, loại bỏ nhƣng hạt sâu hỏng, hạt lép. Bóc vỏ, thông tim sen: mục đích để tách phần vỏ đen, màng hồng và tâm sen không sử dụng ra khỏi hạt. Đảm bảo sau khi bóc vỏ, thông tim sen, phần hạt sen không bị dập nát, giữ nguyên đƣợc hình dạng hạt sen ban đầu.

Sau đó mang hạt sen đi rửa sạch, để ráo và chuẩn bị cho những quy trình chế biến tiếp theo. Nguyễn Tấn Dũng Trang 9 Khóa luận tốt nghiệp Chần với nƣớc sôi 15 phút để tinh bột bị hồ hóa làm cho hạt sen có cấu trúc đƣợc bền vững hơn. Cấp đông: sản phẩm đƣợc đƣa vào tủ lạnh cấp đông ở -15 độ trong vòng 3 giờ. Việc cấp đông sẽ giúp giữ nguyên hình dạng của hạt sen, tránh bị co ngót.

Tiếp đó, tiến hành rã đông hạt sen để chuẩn bị cho những quá trình chế biến tiếp theo. Sấy giòn: hạt sen đƣợc cho vào lò sấy ở nhiệt độ cao. Quá trình nằm mục đích tạo độ giòn cho sản phẩm. Để nguội và đóng gói: sản phẩm sau khi sáy sẽ đạt yêu cầu sẽ đƣợc làm nguội và mang đi đóng gói theo khối lƣợng nhất định.

Sau đó dán nhãn mác, ghi ngày sản xuất, gắn hạn sử dụng và mang đi tiêu thụ.2 Cơ sở khoa học về sấy 1.1 Định nghĩa quá trình sấy Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nƣớc ra khỏi vật liệu. Quá trình này có thể tiến hành bay hơi tự nhiên bằng năng lƣợng tƣ nhiên nhƣ năng lƣợng Mặt trời, năng lƣợng gió… (gọi là quá trình phơi hay sấy tự nhiên). Dùng phƣơng pháp này thì đỡ tốn nhiệt năng nhƣng không chủ động điều khiển đƣợc vận tốc của quá trình theo yêu cầu kĩ thuật, năng suất thấp… Vì vậy trong công nghiệp ngƣời ta thƣờng tiến hành quá trình sấy nhân tạo (dùng nhiệt năng do con ngƣời tạo ra). [1] Tùy theo phƣơng pháp truyền nhiệt, các phƣơng pháp sấy đƣợc phân loại: Sấy đối lƣu, sấy tiếp xúc, sấy hồng ngoại, sấy bằng dòng điện cao tần, sấy thăng hoa…[1], [2] Khi nghiên cứu quá trình sấy thì cần phải nghiên cứu tĩnh học và động học của quá trình sấy.

Tĩnh học quá trình sấy sẽ xác định đƣợc mối quan hệ giữa các thông số đầu và thông số cuối của vật liệu sấy và tác nhân sấy dựa trên phƣơng trình cân bằng vật chất – năng lƣợng, từ đó xác định đƣợc thành phần vật liệu, lƣợng tác nhân sấy và lƣợng nhiệt cần thiết Động học quá trình sấy sẽ khảo sát mối quan hệ giữa sự biến thiên của độ ẩm vật liệu với thời gian và các thông số của quá trình ví dụ nhƣ tính chất và cấu trúc của vật liệu, kích thƣớc vật liệu, các điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy. từ đó xác định đƣợc chế độ sấy, tốc độ sấy và thời gian sấy thích hợp. Nguyễn Tấn Dũng Trang 10 Khóa luận tốt nghiệp 1.2 Phân loại thiết bị sấy đối lƣu Sấy đối lƣu đƣợc thực hiện nhờ vào sự chuyển động của luồng không khí dùng làm tác nhân sấy. Không khí nóng đƣợc gia nhiệt chuyển động trong buồng sấy, tiếp xúc với bề mặt vật cần sấy và làm cho hơi ẩm có trong vật bốc hơi, rồi chuyển động ra ngoài theo chính đƣờng không khí nóng.

Luồng khí nóng này có thể chuyển động cùng chiều, ngƣợc chiều hoặc vuông góc với chiều chuyển động của sản phẩm trong buồng sấy. Sấy đối lƣu có thể đƣợc thực hiện từng phần hoặc thực hiện liên tục tùy vào nhu cầu sử dụng. Do đó, các thành phẩm sau sấy cũng có thể đƣợc chuyển ra khỏi buồng sấy theo từng đợt (mẻ), hoặc liên tục đƣa vào bằng hệ thống băng chuyền chuyển động liên tục. [3], [5] Thiết bị sấy đối lƣu gồm: Phòng sấy: trong phòng sấy vật liệu đƣợc sấy gián đoạn ở áp suất khí quyển, vật liệu đƣợc xếp trên những khay hoặc xe đẩy.

Việc nạp liệu và tháo liệu đƣợc thực hiện ở ngoài phòng sấy. Phòng sấy loại này có một số nhƣợc điểm nhƣ thời gian sấy dài vì vật liệu không đƣợc đảo trộn, sấy không đều, khi nạp và tháo liệu bị mất nhiệt qua cửa, khó kiểm tra quá trình sấy. [3], [5] Thiết bị sấy thùng quay: có thể sấy các loại nông sản dạng rời (bắp, cà phê, sắn lát, bã khoai mì,…) với năng suất lớn. Khi thùng quay, vật liệu sấy đƣợc mang lên cao tới góc rơi rồi rơi xuống, cùng lúc đó tác nhân sấy là lớp không khí nóng thổi xuyên qua lớp vật liệu và làm khô.

Ƣu điểm của loại thiết bị này là quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ có sự tiếp xúc tốt giữa vật liệu và tác nhân sấy, cƣờng độ sấy tính theo lƣợng ẩm đạt đƣợc cao, tuy nhiên do vật liệu bị đảo trộn nhiều nên dễ bị gãy vụn, tạo ra bụi, do đó một trong số trƣờng hợp làm giảm chất lƣợng của sản phẩm. [3], [5] Hầm sấy: khác với hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm có thể sấy liên tục hoặc bán liên tục với năng suất lớn và phƣơng pháp tổ chức trao đổi nhiệt chỉ có thể đối lƣu cƣỡng bức, nghĩa là bắt buộc phải dùng quạt. Hầm sấy làm việc ở áp suất khí quyển và dùng tác nhân sấy là không khí hay khói lò. Vật liệu đƣợc xếp trên các khay đặt trên xe GVHD TS.

Nguyễn Tấn Dũng Trang 11 Khóa luận tốt nghiệp goòng di chuyển dọc theo chiều dài hầm. Có thể cho tác nhân sấy tuần hoàn để tăng tốc độ và độ ẩm của tác nhân sấy. Chiều dài của hầm có thể lên đến 60 m nhƣng không nên lớn hơn vì nhƣ vậy trở lực của hệ thống tăng lên nhiều. Vận tốc chuyển động của không khí trong hầm thƣờng từ 2÷3 m/s.