Nghiên cứu và thiết kế hệ thống chiên chân không năng suất 12kg tại HCMUTE

Đồ án toán học nghiên cứu hcmute nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống chiên chân không với năng suất 12kg nguyên, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu

• Tác giả: Đỗ Văn Đạt
• Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Tấn Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu, Tính Toán, Thiết Kế Và Chế Tạo Hệ Thống Chiên Chân Không Với Năng Suất 12Kg Nguyên Liệu/Mẻ
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC KÍ HIỆU
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Đặt vấn đề
• 0.2. Mục tiêu
• 0.3. Đối tượng và giới hạn nghiên cứu
• 0.4. Nội dung đồ án
• 0.5. Phương pháp nghiên cứu
• 0.6. Ý nghĩa khoa học
• 0.7. Ý nghĩa thực tiễn
• 0.8. Bố cục
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về chuối
• 1.2. Thành phần dinh dưỡng của chuối
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO NGHIỆM THỰC TẾ, HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG CHIÊN CHÂN KHÔNG VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Mục đích khảo nghiệm
• 4.2. Bố trí thí nghiệm
• 4.3. Kết quả và bàn luận
• 4.4. Hiệu chỉnh thiết bị
• 4.5. Quy trình công chuối chiên chân không
• 4.6. Sơ đồ quy trình
• 4.7. Thuyết minh quy trình
• 4.8. Tính kinh tế của hệ thống chiên chân không và sản phẩm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hệ thống chiên chân không Tổng quan và mục tiêu nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp này tập trung vào nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống chiên chân không với năng suất 12kg nguyên liệu/mẻ. Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới, có tiềm năng lớn trong nông nghiệp nhưng chế biến và bảo quản thực phẩm còn hạn chế. Công nghệ chiên chân không ứng dụng vào chế biến thực phẩm giúp giữ được chất dinh dưỡng, giảm thiểu nguy cơ sức khỏe từ dầu chiên truyền thống. Mục tiêu chính là thiết kế hệ thống chiên chân không 12kg, cụ thể là với nguyên liệu chuối, đảm bảo chất lượng sản phẩm và giảm chi phí bằng cách thay thế thiết bị nhập khẩu. Khóa luận đề cập đến việc ứng dụng công nghệ thực phẩm hiện đại để tạo ra sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng. Nghiên cứu hướng đến tối ưu hóa quy trình chiên chân không, giảm hao hụt nguyên liệu và đảm bảo an toàn thực phẩm. Hệ thống chiên chân không thực phẩm được thiết kế nhằm tạo ra sản phẩm ăn liền, giàu dinh dưỡng, đồng thời giải quyết vấn đề bảo quản sau thu hoạch.

1.1. Lựa chọn nguyên liệu và giới hạn nghiên cứu

Nguyên liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu là chuối. Hệ thống chiên chân không 12kg được thiết kế với năng suất cụ thể này, phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm. Nghiên cứu tập trung vào chuối nhưng việc mở rộng sang các nguyên liệu khác cần nghiên cứu và tính toán lại các thông số. Thiết kế máy chiên chân không này chỉ áp dụng cho nguyên liệu đã xác định với chế độ và thông số đã tính toán. Sản phẩm chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu, thí nghiệm. Mọi thay đổi về quy mô sản xuất, năng suất, nguyên liệu đều cần tính toán lại. Chi phí nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi cho phép của trường đại học.

1.2. Phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa

Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Tài liệu tham khảo bao gồm các công trình về chiên chân không công nghiệp, kỹ thuật chân không, chế tạo máy, và điều khiển tự động hóa. Nghiên cứu khoa học HCMUTE đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập quy trình công nghệ, tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống chiên chân không. Nghiên cứu sinh HCMUTE đã thực hiện nghiên cứu này. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn, tạo ra hệ thống có giá thành thấp hơn so với nhập khẩu, phục vụ nhu cầu sản xuất và nghiên cứu. Ứng dụng công nghệ chế biến thực phẩm tiên tiến góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế. Thiết kế CAD hệ thống chiên chân không được sử dụng để hỗ trợ quá trình thiết kế.

II. Thiết kế và chế tạo hệ thống chiên chân không 12kg

Phần này trình bày chi tiết quá trình thiết kế hệ thống chiên chân không. Tính toán thiết bị chiên chân không bao gồm việc xác định kích thước bồn chiên, công suất điện trở, lựa chọn bơm chân không, thiết kế hệ thống ngưng ẩm. Vật liệu chính sử dụng là inox 304, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Mẫu hệ thống chiên chân không được mô tả rõ ràng, bao gồm các thành phần chính như bồn chiên, hệ thống điều khiển nhiệt độ và áp suất, và hệ thống chân không. Vật liệu hệ thống chiên chân không được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo độ bền và an toàn. Phân tích hệ thống chiên chân không cho thấy hiệu quả của hệ thống trong việc giảm hao hụt nguyên liệu và bảo quản chất lượng sản phẩm. Chi phí hệ thống chiên chân không được tính toán kỹ lưỡng nhằm đảm bảo tính kinh tế.

2.1. Tính toán và lựa chọn thông số

Quá trình tính toán hệ thống chiên chân không bao gồm cân bằng vật chất và năng lượng. Các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất, thời gian chiên được xác định dựa trên đặc tính của nguyên liệu chuối. Kiểm soát nhiệt độ hệ thống chiên và kiểm soát áp suất hệ thống chiên là hai yếu tố quan trọng. Quy trình chiên chân không được mô phỏng và tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất. Cân bằng năng lượng hệ thống chiên được tính toán cẩn thận để đảm bảo hiệu suất năng lượng. Công nghệ chiên chân không hiện đại được áp dụng trong quá trình tính toán. Các phần mềm mô phỏng được sử dụng để hỗ trợ quá trình tính toán.

2.2. Chế tạo và lắp đặt hệ thống

Quá trình chế tạo hệ thống chiên chân không được thực hiện dựa trên bản vẽ thiết kế. Các kỹ thuật gia công truyền thống và hiện đại được kết hợp để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Mô phỏng hệ thống chiên chân không giúp dự đoán và khắc phục các vấn đề kỹ thuật trước khi chế tạo. Hệ thống chiên chân không HCMUTE được chế tạo tại HCMUTE. Việc lắp đặt hệ thống chiên chân không được thực hiện theo trình tự logic để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Kiểm tra hệ thống chiên chân không được thực hiện sau khi lắp đặt hoàn chỉnh để đảm bảo an toàn và chất lượng. Quá trình chế tạo được giám sát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật.

III. Khảo nghiệm và đánh giá

Phần này trình bày quá trình khảo nghiệm hệ thống chiên chân không. Các thí nghiệm được thiết kế để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Chất lượng sản phẩm sau chiên được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu cảm quan và vật lý. Giảm hao hụt thực phẩm khi chiên là một chỉ tiêu quan trọng. Kết quả khảo nghiệm cho thấy hiệu quả của chiên chân không tiết kiệm năng lượng. Chiên chân không chất lượng cao giúp cho sản phẩm có chất lượng tốt hơn so với phương pháp chiên truyền thống. Báo cáo nghiên cứu hệ thống chiên chân không tổng hợp kết quả nghiên cứu.

3.1. Thiết lập chế độ chiên và đánh giá sản phẩm

Chế độ chiên chân không được tối ưu hóa dựa trên kết quả khảo nghiệm. So sánh phương pháp chiên truyền thống và chiên chân không cho thấy sự vượt trội của phương pháp chân không về chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng. Tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm được đảm bảo trong suốt quá trình khảo nghiệm. Quản lý chất lượng thực phẩm được thực hiện chặt chẽ. Phân tích kết quả khảo nghiệm cho thấy sự hiệu quả của hệ thống. Dữ liệu khảo nghiệm hệ thống chiên chân không được phân tích bằng các phương pháp thống kê. Luận văn hệ thống chiên chân không trình bày chi tiết kết quả khảo nghiệm.

3.2. Đánh giá kinh tế và kiến nghị

Tính kinh tế hệ thống chiên chân không được phân tích dựa trên chi phí đầu tư và hiệu quả sản xuất. Hệ thống chiên chân không tự động giúp giảm chi phí nhân công. So sánh với các hệ thống tương tự cho thấy tính cạnh tranh cao của hệ thống. Xu hướng công nghệ chiên hiện đại được đề cập đến. Kết luận nhấn mạnh giá trị và ứng dụng thực tiễn của hệ thống. Kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc mở rộng quy mô sản xuất và áp dụng cho nhiều loại nguyên liệu khác. Giảng viên hướng dẫn HCMUTE đã đóng góp tích cực cho nghiên cứu này.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việt Nam sở hữu điều kiện khí hậu nhiệt đới thuận lợi cho việc phát triển nông nghiệp và sản xuất nhiều chủng loại rau quả. Tuy nhiên, khâu chế biến và bảo quản nông sản sau thu hoạch vẫn còn nhiều mặt hạn chế; hàng hóa nông sản xuất khẩu phần lớn tồn tại ở dạng tươi hoặc chỉ trải qua sơ chế thô sơ, dẫn đến giá trị thương phẩm thấp và làm suy giảm khả năng cạnh tranh trên thị trường trong nước lẫn quốc tế. Để gia tăng giá trị kinh tế cho nông sản, các giải pháp chế biến sâu như sấy, cô đặc nước ép, làm mứt và chế biến các sản phẩm chiên giòn từ củ quả đóng vai trò thiết yếu.

Chiên là phương pháp chế biến nhiệt truyền thống được ứng dụng rộng rãi. Mặc dù vậy, khi chiên các loại rau củ quả ở nhiệt độ cao trong điều kiện áp suất khí quyển, các hợp chất có hoạt tính sinh học như vitamin, sắc tố, enzyme, protein và hợp chất mùi tự nhiên rất dễ bị nhiệt phân hủy. Đồng thời, dầu chiên ở nhiệt độ cao có nguy cơ bị oxy hóa mạnh, hình thành các gốc tự do, hợp chất peroxide và các độc chất gây hại cho sức khỏe người tiêu dùng. Nhằm giải quyết triệt để các nhược điểm này, công nghệ chiên chân không được lựa chọn nhờ khả năng hạ thấp nhiệt độ sôi của nước, giảm thiểu thất thoát dinh dưỡng và kiểm soát hàm lượng chất béo trong sản phẩm. Đề tài tập trung nghiên cứu trên nguyên liệu chuối nhằm kéo dài thời gian bảo quản sau thu hoạch và đa dạng hóa sản phẩm ăn liền.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống chiên chân không đạt năng suất 12 kg nguyên liệu (chuối)/mẻ nhằm tạo ra sản phẩm đạt chất lượng, thay thế thiết bị ngoại nhập và giảm chi phí đầu tư.
2. Xác lập các thông số công nghệ ban đầu, tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và thiết kế bản vẽ chi tiết các cụm thiết bị cơ khí, nhiệt lạnh và điều khiển.
3. Lựa chọn vật liệu phù hợp và chế tạo thực tế hệ thống máy chiên chân không bảo đảm yêu cầu làm việc an toàn trong môi trường áp suất âm.
4. Vận hành khảo nghiệm thực tế, hiệu chỉnh hệ thống, xác lập chế độ chiên tối ưu và xây dựng quy trình công nghệ sản xuất chuối chiên chân không.
5. Đánh giá sơ bộ tính kinh tế của hệ thống thiết bị và chi phí sản xuất sản phẩm chuối chiên chân không.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Nguyên liệu chuối chín; công nghệ chiên chân không thực phẩm; quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị chiên chân không.
• Giới hạn nghiên cứu: Hệ thống được thiết kế và tính toán riêng cho nguyên liệu chuối với năng suất 12 kg/mẻ; thiết bị được thử nghiệm và vận hành ở quy mô phòng thí nghiệm phục vụ mục đích học tập, nghiên cứu và thử nghiệm công nghệ; kinh phí chế tạo giới hạn trong phạm vi đề tài nghiên cứu tốt nghiệp đại học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng trong đồ án:

• Bản chất động học quá trình chiên: Quá trình truyền nhiệt và truyền khối đồng thời giữa dầu và nguyên liệu thực phẩm. Trong chiên ngập dầu thông thường, khoảng 80% lượng chất béo bám lại trên bề mặt và 20% hấp thu vào cấu trúc mao quản bên trong sản phẩm.
• Nguyên lý công nghệ chiên chân không: Quá trình diễn ra trong môi trường áp suất âm (áp suất chân không dưới 600 mmHg), giúp hạ nhiệt độ sôi của nước trong nguyên liệu xuống dưới 100°C, từ đó cho phép thực hiện quá trình chiên ở nhiệt độ thấp hơn áp suất khí quyển. Quá trình này giúp ức chế phản ứng oxy hóa chất béo do nồng độ oxy thấp và ức chế sự hình thành chất độc acrylamide (vốn hình thành từ asparagine và đường khử ở nhiệt độ trên 120°C).
• Cơ sở lý thuyết về chất béo chiên: Phân tích thành phần hóa học, đặc tính của dầu thực vật (dầu dừa, dầu cọ, dầu phộng, dầu đậu nành), mỡ động vật và shortening (chất béo đã qua hydro hóa có nhiệt độ nóng chảy 48–51°C, độ ẩm không quá 0,15%). Kiểm soát chất lượng dầu qua ba chỉ số cơ bản: chỉ số acid (AV), chỉ số iod (IV) và chỉ số peroxit (PV).

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

• Phương pháp tiếp cận hệ thống: Phân tích toàn diện mối liên hệ tương hỗ giữa các cụm thành phần gồm buồng chiên, bộ phận gia nhiệt, cơ cấu nâng hạ giỏ liệu, bình ngưng tụ ẩm, cụm bơm hút chân không và hệ thống mạch điện tự động điều khiển.
• Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Thu thập và tổng hợp các tài liệu chuyên ngành về kỹ thuật chân không, truyền nhiệt – truyền khối, kỹ thuật nhiệt lạnh và cơ khí chế tạo máy thực phẩm.
• Phương pháp tính toán kỹ thuật: Áp dụng phương trình cân bằng vật chất để xác định lượng ẩm bốc hơi từ chuối; phương trình cân bằng nhiệt lượng để tính toán phụ tải nhiệt, công suất điện trở và phụ tải lạnh ngưng ẩm; sử dụng các công cụ toán học hỗ trợ thiết kế.
• Phương pháp gia công cơ khí: Kết hợp phương pháp cơ khí truyền thống (tiện, phay, bào, hàn TIG) và các phương pháp gia công tiên tiến để chế tạo các chi tiết áp lực bằng thép không gỉ Inox 304.
• Phương pháp thực nghiệm: Bố trí các mẻ chiên khảo nghiệm ở các dải nhiệt độ, áp suất và thời gian khác nhau; đánh giá chất lượng cảm quan sản phẩm bằng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA); xác định chỉ số peroxit; đo lường độ cứng, độ giãn nở và kích thước đường kính lỗ khí của lát chuối sau chiên.

Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thành phần dinh dưỡng và tính chất cơ lý của chuối nguyên liệu (độ ẩm ban đầu 77%, khối lượng riêng $\rho = 977\text{ kg/m}^3$); các bảng số liệu nhiệt động học của hơi nước bão hòa; các thông số trạng thái nút chu trình lạnh và bảng thành phần acid béo của các loại chất béo từ các công trình nghiên cứu đã công bố.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống chiên chân không được tính toán, thiết kế hợp bộ và gia công chế tạo với sự phối hợp hỗ trợ kỹ thuật của Công ty Cổ phần Kỹ thuật Khang Thịnh. Kết cấu của hệ thống bao gồm các cụm cơ khí, thiết bị nhiệt - lạnh và mạch điều khiển:

Cụm thiết bị / Bộ phận	Kích thước và thông số kỹ thuật	Vật liệu / Đặc điểm kết cấu
Bồn chiên dầu	Dạng hình trụ, kích thước $\varnothing 400 \times 350\text{ mm}$	Thép không gỉ Inox 304, bọc lớp bọt foam cách nhiệt dày $40\text{ mm}$
Bộ phận gia nhiệt	2 điện trở mắc song song, tổng công suất $5\text{ kW}$	Đặt chìm dưới đáy bồn chiên, cấp nhiệt trực tiếp cho dầu
Thân trên buồng chiên	Dạng hình trụ, kích thước $\varnothing 400 \times 770\text{ mm}$	Thép không gỉ Inox 304; có cửa nhập liệu hình vuông $300 \times 300\text{ mm}$
Giỏ chứa nguyên liệu	Dạng hình trụ, kích thước $\varnothing 380 \times 190\text{ mm}$	Thép không gỉ Inox 304 dập lỗ, chứa tối đa $12\text{ kg}$ chuối/mẻ
Cơ cấu nâng hạ giỏ	Dạng hình trụ, kích thước $\varnothing 270 \times 350\text{ mm}$	Cơ cấu ròng rọc cơ khí, nâng giỏ thoát khỏi dầu trước khi xả áp
Thiết bị ngưng ẩm (dàn lạnh)	Dạng hình trụ, kích thước $\varnothing 300 \times 400\text{ mm}$	Thép không gỉ Inox 304, bọc lớp bọt foam cách nhiệt dày $20\text{ mm}$
Cụm bơm chân không	Gồm 2 bơm chân không, tổng công suất $1\text{ HP}$	Đấu nối phối hợp nhằm tạo và duy trì áp suất làm việc $0{,}2\text{ atm}$
Hệ thống điều khiển	Tích hợp mạch nhiệt độ, mạch áp suất, rơ le	Sử dụng màn hình cảm ứng giám sát và hệ thống đèn báo tín hiệu

Quy trình tính toán công nghệ và lựa chọn thiết bị phụ trợ:

• Tính toán nhiệt và cơ khí: Xác định bề dày lớp foam cách nhiệt bồn chiên ($40\text{ mm}$) và bình ngưng tụ ($20\text{ mm}$) nhằm ngăn ngừa đọng sương và hạn chế tổn thất nhiệt ra môi trường. Tính toán đường kính ống dẫn khí bảo đảm lưu lượng và tốc độ chuyển động thích hợp của dòng hơi ẩm thoát ra từ buồng chiên.
• Tính toán hệ thống lạnh ngưng tụ ẩm: Xác định phụ tải nhiệt làm lạnh ngưng tụ toàn bộ lượng hơi ẩm bốc ra từ $12\text{ kg}$ nguyên liệu; thiết lập các điểm nút chu trình lạnh; tính chọn máy nén lạnh, dàn ngưng tụ chính (dàn nóng), bình tách lỏng và van tiết lưu phù hợp với công suất làm việc của hệ thống.
• Thiết kế hệ thống điều khiển: Xây dựng các mạch vòng khống chế nhiệt độ dầu chiên thông qua cảm biến nhiệt và điều khiển đóng ngắt nguồn điện trở; mạch vòng khống chế áp suất thông qua rơ le áp suất và van điều khiển chân không, bảo đảm buồng chiên duy trì ổn định ở áp suất chân không $0{,}2\text{ atm}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở dữ liệu về nguyên liệu chuối, chất béo chiên và công nghệ chiên chân không:

• Khái quát về chuối: Phân loại 3 giống chuối chủ lực gồm chuối tiêu (chuối già), chuối goòng (chuối tây, chuối sứ, chuối Xiêm) và chuối bom. Bảng thành phần dinh dưỡng trong 100g chuối cung cấp 89 calo, 75% nước, 1,1g protein, 22,8g carbohydrate, 12,2g đường, 2,6g chất xơ, các vitamin (A, C, E, B1, B2) và khoáng chất (Ca, Fe, Mg, P, K, Na, Zn).
• Đánh giá chất lượng chất béo dùng để chiên: Cung cấp số liệu thành phần acid béo, tỷ lệ triglyceride và điểm đông đặc của dầu dừa, dầu cọ, dầu phộng, dầu đậu nành, mỡ động vật và shortening. Nêu rõ các chỉ tiêu kiểm tra chất lượng dầu (chỉ số acid, chỉ số iod, chỉ số peroxit) cùng quy trình công nghệ xử lý dầu đã qua sử dụng (lắng, ly tâm tách cặn ở 45000 vòng/phút, tẩy màu bằng than hoạt tính/silicagel và khử mùi trong thiết bị chưng cất chân không ở 90–100°C).
• Công nghệ chiên chân không: Tóm lược lịch sử phát triển từ năm 1991, các bằng sáng chế năm 1993, thiết bị công nghiệp năm 1994 và cải tiến chiên theo mẻ năm 2000. Phân tích ưu thế của chiên chân không trong việc hạn chế acrylamide, duy trì màu sắc, cấu trúc và hạn chế oxy hóa. Trình bày cơ chế điều áp sau khi chiên và ảnh hưởng của hiện tượng hút dầu (hàm lượng dầu hấp thu bên trong chiếm 14%, bám trên bề mặt chiếm 86%).

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu, tính toán và thiết kế

Chương 2 trình bày trình tự và cơ sở phương pháp luận được sử dụng:

• Phương pháp tiếp cận hệ thống và phương pháp tổng hợp tài liệu chuyên ngành.
• Cơ sở lý thuyết phương pháp tính toán: Thiết lập phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng; áp dụng các công cụ toán học phục vụ thiết kế cơ khí và thiết bị nhiệt.
• Tổng kết phương pháp gia công: So sánh giữa gia công truyền thống và các kỹ thuật gia công tiên tiến (phương pháp cơ khí, điện hóa, hóa học, nhiệt điện).
• Nguyên lý tự động điều khiển: Phân loại hệ thống tự động, cấu tạo các khối cơ bản, vai trò của rơ le trung gian và sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nhiệt độ, mạch điều khiển áp suất chân không.

Chương 3: Tính toán thiết kế và chế tạo

Chương 3 tập trung toàn bộ dữ liệu tính toán kỹ thuật và quy trình chế tạo máy:

• Xác lập các thông số cơ bản của chuối: Khối lượng riêng $\rho = 977\text{ kg/m}^3$, độ ẩm ban đầu $W_1 = 77%$, độ ẩm cuối $W_2 = 5%$.
• Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng: Xác định lượng ẩm cần bốc hơi từ $12\text{ kg}$ chuối/mẻ; tính toán lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình nâng nhiệt dầu và làm bay hơi ẩm để chọn 2 điện trở đun nóng có tổng công suất $5\text{ kW}$.
• Thiết kế thiết bị chiên: Kích thước bồn chiên $\varnothing 400 \times 350\text{ mm}$, thân buồng chiên $\varnothing 400 \times 770\text{ mm}$, cửa nhập liệu $300 \times 300\text{ mm}$, giỏ đựng chuối $\varnothing 380 \times 190\text{ mm}$, ròng rọc nâng hạ $\varnothing 270 \times 350\text{ mm}$, bề dày lớp cách nhiệt foam $40\text{ mm}$.
• Tính chọn bơm chân không: Chọn 2 bơm chân không với tổng công suất $1\text{ HP}$ nhằm bảo đảm áp suất làm việc ổn định $0{,}2\text{ atm}$.
• Thiết kế hệ thống nhiệt lạnh: Tính toán phụ tải lạnh ngưng ẩm, lập bảng thông số trạng thái tại các điểm nút chu trình, tính chọn máy nén lạnh, dàn ngưng tụ chính (dàn nóng), bình tách lỏng và van tiết lưu; kích thước thiết bị ngưng ẩm $\varnothing 300 \times 400\text{ mm}$ với foam cách nhiệt dày $20\text{ mm}$.
• Lập bảng lựa chọn vật liệu cho từng chi tiết (Inox 304, foam polyurethane), xây dựng tập bản vẽ chế tạo và triển khai quy trình gia công, lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống.

Chương 4: Khảo nghiệm thực tế, hiệu chỉnh hệ thống chiên chân không và thảo luận

Chương 4 kiểm nghiệm thực tế khả năng vận hành của máy và chất lượng sản phẩm:

• Thiết lập bố trí thí nghiệm: Chế tạo mẫu chuối chiên ở các chế độ nhiệt độ, thời gian và áp suất khác nhau.
• Đánh giá cảm quan và phân tích dữ liệu: Sử dụng bảng kết quả cảm quan, phân tích phương sai (ANOVA) và lập bảng xếp hạng điểm trung bình của các mẫu sản phẩm nhằm xác lập chế độ chiên thích hợp nhất.
• Đo lường hóa lý: Phân tích chỉ số peroxit của sản phẩm sau chiên nhằm khẳng định mức độ ôi hóa chất béo ở mức thấp; đo đạc sự thay đổi độ cứng và mức độ giãn nở theo nhiệt độ chiên; biến thiên độ cứng theo thời gian chiên; khảo sát kích thước đường kính lỗ khí theo thời gian và nhiệt độ chiên.
• Hiệu chỉnh thiết bị: Điều chỉnh độ kín khít của hệ thống van, gioăng làm kín và tối ưu hóa mạch điều khiển tự động.
• Xây dựng quy trình công nghệ: Thiết lập sơ đồ và thuyết minh chi tiết quy trình công nghệ chuối chiên chân không (từ khâu chọn nguyên liệu, sơ chế, cắt lát, chiên chân không ở $110^\circ\text{C}$, $0{,}2\text{ atm}$, 30 phút, tách dầu đến đóng gói).
• Đánh giá kinh tế: Tính toán chi phí chế tạo hệ thống thiết bị và hạch toán giá thành sản phẩm chuối chiên chân không.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu từ văn bản:

• Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống chiên chân không bán tự động đạt năng suất thiết kế $12\text{ kg}$ chuối nguyên liệu/mẻ với các cụm thiết bị đồng bộ: bồn chiên $\varnothing 400 \times 350\text{ mm}$, lớp foam dày $40\text{ mm}$, 2 điện trở $5\text{ kW}$; thân trên $\varnothing 400 \times 770\text{ mm}$; giỏ nhập liệu $\varnothing 380 \times 190\text{ mm}$; cơ cấu ròng rọc nâng hạ $\varnothing 270 \times 350\text{ mm}$; thiết bị ngưng ẩm $\varnothing 300 \times 400\text{ mm}$ bọc foam $20\text{ mm}$; và 2 bơm chân không tổng công suất $1\text{ HP}$.
• Xác lập chế độ vận hành công nghệ ổn định cho chuối chiên: nhiệt độ dầu ban đầu $30^\circ\text{C}$, nhiệt độ chiên $110^\circ\text{C}$, áp suất làm việc $0{,}2\text{ atm}$, thời gian chiên 30 phút; làm giảm độ ẩm chuối từ $77%$ ban đầu xuống còn $5%$ ở sản phẩm cuối.
• Khảo nghiệm thực nghiệm chứng minh chuối chiên chân không có màu sắc vàng sáng tự nhiên, cấu trúc xốp giòn; các chỉ số cảm quan được kiểm chứng qua phân tích ANOVA; chỉ số peroxit nằm trong ngưỡng an toàn cho sức khỏe.

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật của tác giả:

• Thiết kế cơ cấu ròng rọc cho phép nâng giỏ nguyên liệu lên khỏi bề mặt dầu trước khi tiến hành công đoạn điều áp xả buồng chiên về áp suất khí quyển, giúp giảm thiểu hiện tượng dầu bị hút ngược vào mao quản nguyên liệu khi hơi nước ngưng tụ.
• Đề xuất hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất chuối chiên chân không khép kín và khuyến nghị nghiên cứu bổ sung cơ cấu ly tâm tách dầu ngay trong môi trường chân không để giải quyết lượng dầu bám bề mặt (chiếm tới 86% lượng dầu dư).

Đóng góp của đồ án:

• Về mặt khoa học: Đóng góp dữ liệu tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và thiết kế chi tiết hệ thống thiết bị nhiệt - lạnh kết hợp chân không phục vụ công nghệ thực phẩm; làm cơ sở khoa học cho việc xác lập chế độ chiên chân không trên các loại nông sản nhiệt đới.
• Về mặt thực tiễn: Hệ thống được chế tạo hoàn chỉnh với chi phí thực tế chỉ bằng khoảng 1/3 so với các dòng máy nhập ngoại có cùng công suất, giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư thiết bị cho các cơ sở chế biến thực phẩm trong nước; phục vụ trực tiếp cho hoạt động giảng dạy, học tập và thí nghiệm của sinh viên và giảng viên tại trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Hệ thống thiết bị mới được khảo nghiệm và vận hành ở quy mô phòng thí nghiệm, năng suất giới hạn ở mức $12\text{ kg}$ chuối/mẻ.
• Các thông số tính toán động học và chế độ chiên mới tập trung tối ưu hóa chuyên biệt cho một đối tượng nguyên liệu là chuối; chưa thiết lập thông số vận hành cho các loại rau củ khác.
• Thiết bị chưa tích hợp cơ cấu ly tâm cưỡng bức tách dầu bên trong chân không mà chỉ dựa trên thao tác cơ cấu ròng rọc nâng hạ giỏ thủ công.
• Kinh phí nghiên cứu và chế tạo còn giới hạn trong điều kiện đồ án tốt nghiệp đại học.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Nghiên cứu mở rộng quy mô thiết bị, tăng năng suất mẻ hoặc phát triển hệ thống chiên chân không hoạt động liên tục phục vụ sản xuất công nghiệp.
• Tính toán và khảo nghiệm xác lập chế độ chiên chân không thích hợp cho các nguồn nguyên liệu nông sản khác như mít, khoai lang, cà rốt, nấm.
• Thiết kế tích hợp thêm cụm ly tâm tách dầu tự động ngay trong buồng chân không trước giai đoạn điều áp nhằm giảm triệt để hàm lượng dầu trong thành phẩm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho các nhóm đối tượng:

• Giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh: Cung cấp tài liệu mẫu về phương pháp tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, kỹ thuật tính chọn máy nén, dàn ngưng tụ ẩm và bơm hút chân không phục vụ đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp.
• Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy chế biến thực phẩm: Tham khảo bản vẽ kết cấu, cách bố trí buồng chiên hai lớp Inox 304 có lớp foam cách nhiệt, cấu tạo cơ cấu nâng hạ ròng rọc và sơ đồ mạch điện điều khiển nhiệt độ, áp suất bán tự động.
• Doanh nghiệp và cơ sở chế biến nông sản quy mô vừa và nhỏ: Cung cấp căn cứ kỹ thuật và giải pháp công nghệ chế tạo thiết bị chiên chân không với mức chi phí đầu tư thấp (bằng 1/3 thiết bị ngoại nhập) nhằm ứng dụng vào sản xuất thực tế snack chuối giòn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đồ án lựa chọn áp suất chiên ở mức 0,2 atm và nhiệt độ 110°C thay vì chiên ở áp suất khí quyển?

Ở áp suất chân không 0,2 atm (thấp hơn nhiều so với giới hạn 600 mmHg), nhiệt độ sôi của nước giảm xuống đáng kể, cho phép ẩm tự do trong chuối bốc hơi nhanh chóng ở nhiệt độ thấp 110°C (trong khi chiên ngập dầu khí quyển thường đòi hỏi 120–180°C). Nhiệt độ thấp kết hợp với môi trường yếm khí giúp giữ được màu sắc tự nhiên, bảo toàn các vitamin, khoáng chất, ngăn ngừa phản ứng hình thành độc tố acrylamide (sinh ra từ asparagine và đường khử ở nhiệt độ trên 120°C) và ức chế sự oxy hóa dầu chiên.

Hệ thống chiên chân không chế tạo trong đồ án bao gồm những cụm thiết bị cơ bản nào và kích thước ra sao?

Hệ thống gồm các cụm chính: bồn chiên hình trụ kích thước $\varnothing 400 \times 350\text{ mm}$ bằng Inox 304 có foam cách nhiệt dày $40\text{ mm}$, chứa 2 điện trở tổng công suất $5\text{ kW}$; phần thân trên hình trụ kích thước $\varnothing 400 \times 770\text{ mm}$ có cửa nhập liệu vuông $300 \times 300\text{ mm}$; giỏ nhập liệu $\varnothing 380 \times 190\text{ mm}$; cơ cấu ròng rọc nâng hạ $\varnothing 270 \times 350\text{ mm}$; bình ngưng ẩm $\varnothing 300 \times 400\text{ mm}$ bọc foam dày $20\text{ mm}$; 2 bơm chân không tổng công suất $1\text{ HP}$; và hệ thống mạch điện điều khiển áp suất, nhiệt độ hiển thị qua màn hình cảm ứng.

Cơ chế hấp thu dầu của sản phẩm diễn ra như thế nào và tại sao giai đoạn điều áp lại đóng vai trò quan trọng?

Theo các nghiên cứu được trích dẫn trong đồ án, trong quá trình chiên ngập dầu, phần lớn lượng dầu (khoảng 80–86%) bám trên bề mặt sản phẩm và chỉ 14–20% hấp thu vào bên trong. Ở giai đoạn kết thúc quá trình chiên, khi tiến hành điều áp để đưa áp suất buồng chiên trở về áp suất khí quyển, nhiệt độ không đổi làm hơi nước ngưng tụ đột ngột tạo ra sự chênh lệch áp suất lớn, hút lớp dầu bám ở bề mặt vào sâu trong các lỗ xốp mao quản. Do đó, cần có cơ cấu nâng giỏ chứa sản phẩm lên khỏi dầu trước khi xả áp để hạn chế tối đa lượng dầu ngấm vào thành phẩm.

Các chỉ số nào được sử dụng để kiểm soát chất lượng của dầu trong quá trình chiên?

Đồ án sử dụng 3 chỉ số chính để kiểm tra chất lượng chất béo:

1. Chỉ số acid (AV): số mg KOH cần thiết để trung hòa các acid béo tự do trong 1g chất béo, phản ánh mức độ thủy phân và hư hỏng của dầu (yêu cầu dầu chiên không vượt quá 2, tương đương không quá 1% acid oleic).
2. Chỉ số iod (IV): số gam iod có thể kết hợp với các triglyceride không no trong 100g chất béo, đặc trưng cho mức độ không no của dầu.
3. Chỉ số peroxit (PV): hàm lượng hydroperoxide có trong 1kg chất béo, đặc trưng cho mức độ oxy hóa và ôi chua của chất béo.

Thông số độ ẩm và các đặc tính cơ lý của chuối biến đổi như thế nào sau quá trình chiên chân không?

Trước khi chiên, chuối nguyên liệu có độ ẩm ban đầu là 77% và khối lượng riêng là 977 kg/m³. Sau 30 phút chiên ở 110°C dưới áp suất 0,2 atm, lượng ẩm bốc hơi qua hệ thống ngưng tụ đưa độ ẩm cuối của chuối xuống đạt 5%. Khảo nghiệm thực tế tại Chương 4 ghi nhận sự biến đổi rõ rệt về độ cứng, mức độ giãn nở thể tích và đường kính lỗ xốp khí của lát chuối phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ và thời gian chiên, tạo nên cấu trúc giòn xốp đặc trưng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đỗ Văn Đạt và Nguyễn Chí Lâm dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tấn Dũng đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu, tính toán lý thuyết, thiết kế cơ điện - nhiệt lạnh và chế tạo thực nghiệm hệ thống chiên chân không năng suất 12 kg chuối/mẻ. Hệ thống vận hành ổn định ở điều kiện áp suất 0,2 atm và nhiệt độ 110°C, tách ẩm thành công đưa độ ẩm nguyên liệu từ 77% xuống 5% trong 30 phút, bảo đảm các tiêu chuẩn cảm quan và kiểm soát chỉ số peroxit ở mức thấp. Công trình mang lại giá trị thực tiễn nổi bật khi hạ giá thành chế tạo xuống chỉ bằng 1/3 so với thiết bị ngoại nhập, tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ chiên chân không vào chế biến và bảo quản nông sản tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Việt Nam là một nƣớc có khí hậu nhiệt đới thuận lợi cho việc phát triển ngành nông nghiệp, là nơi trồng nhiều loại rau quả. Tuy nhiên khâu chế biến cũng nhƣ bảo quản thực phẩm còn kém, hàng hóa nông nghiệp xuất khẩu chủ yếu là dạng tƣơi và chế biến thô sơ, đơn giản nên chất lƣợng thấp, giá thành thấp, không mạng lại giá trị cao, từ đó mất đi thi trƣờng trong và cả ngoài nƣớc. Để nâng cao giá trị của rau quả thì không những tiêu thụ rau quả tƣơi mà còn tạo ra các loại sản phẩm khác từ rau quả nhƣ: thực phẩm rau qua sấy, nƣớc ép rau quả đƣợc tuyệt trùng, mức trái cấy, các phẩm chiên các loại củ quả,… Chiên là phƣơng chế biến thực phẩm có từ lâu đời. Đặc biệt với thị trƣờng thức ăn nhanh đang ngày càng đƣợc những tần lớp ngƣời lao động bận rộn lựa chọn, thì chiên rất thích hợp để xử lý thực phẩm một cách nhanh chóng và đảm bảo đƣợc tính cảm quan đối với ngƣời dùng.

Nhƣng với các loại rau, củ, quả,… khi chiên ở nhiệt độ cao làm phá huỷ các chất hoạt tính sinh học nhƣ hoocmon, màu, mùi vị, men, vitamin, protein… và làm thay đổi chất lƣợng sản phẩm, đồng thời với nhiệt độ cao thì dầu chiên mang đến những mối nguy khôn lƣờng cho ngƣời sử dụng với sự sản sinh hàng loạt độc tố, sự oxi hóa dầu tạo ra các gốc tự do nguy hiểm cho sức khỏe, đồng thời vấn đề chất báo cáo làm nguy hại đến sức khỏe và vóc dáng. Vì thế, để đảm bảo cho các chất dinh dƣỡng có trong rau quả, giảm các nguy hiểm về sức khỏe và giá trị về mặt cảm quan so với phƣơng pháp chiên thông thƣờng thì phƣơng pháp chiên chân không các loại rau quả đáp ứng tốt những yêu cầu đó. Với mục tiêu tạo ra sản phẩm ăn liền, giữ đƣợc hàm lƣợng chất dinh dƣỡng, đặc biệt giải quyết vấn đề bảo quản sau khi thu hoạch của trái chuối, và nhằm tạo ra một sản phẩm thỏa mãn nhu cầu và tính đa dạng sản phẩm cho sự lựa chọn của ngƣời tiêu dùng, phục vụ việc học tập nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật sản xuất thực phẩm hiện đại để tạo ra những sản phẩm có chất lƣợng cao về mặt cảm quan cũng nhƣ về mặt giá trị dinh dƣỡng nên nhóm quyết định chọn đề tài là: “NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ Trang 1 do an Khóa luận tốt nghiệp GVHD: T.S NGUYỄN TẤN DŨNG CHẾ TẠO HỆ THỐNG CHIÊN CHÂN KHÔNG NĂNG SUẤT 12KG NGUYÊN LIỆU (CHUỐI)/MẺ”. Mục tiêu Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống chiên chân không với năng suất 12kg chuối/mẻ nhằm tạo ra sản phẩm có chất lƣợng đồng thời thay thế thiết bị ngoại nhập, giảm chi phí sản xuất.

Từ các thông số sau quá trình tính toán lựa chọn và các bản vẽ chi tiết về hệ thống cũng nhƣ việc lựa chọn các vật liệu cần thiết chế tạo thành công hệ thống chiên chân không đạt năng suất theo yêu cầu. Hệ thống có thể chạy an toàn cho ra các sản phẩm có chất lƣợng mong muốn phục vụ nhu cầu học tập nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế. Đối tƣợng và giới hạn nghiên cứu  Đối tƣợng nghiên cứu Nguyên liệu khảo sát: chuối Nghiên cứu về công nghệ chiên chân không  Giới hạn nghiên cứu Đồ án tập trung nghiên cứu tính toán chế tạo cho hệ thống có năng suất 12kg, chỉ thích hợp nhất cho các nguyên liệu đề ra với chế độ và thống số đƣợc tính toán cụ thể.