Đồ án HCMUTE: Nghiên cứu và thiết kế máy sấy phun năng suất 5 lít/h

Đồ án nghiên cứu hcmute nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo máy sấy phun năng suất sấy 5 l h, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán toán học.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Công
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Hoàng Du
• 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 Chế Tạo Máy Sấy Phun Năng Suất 5 Lít/H
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Mục tiêu của đề tài
• 0.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 0.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẤY PHUN
• 1.1.1. Định nghĩa
• 1.1.2. Ứng dụng công nghệ sấy phun
• 1.2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SẤY PHUN
• 1.2.1. Tình hình phát triển công nghệ sấy phun trên thế giới
• 1.2.2. Tình hình phát triển công nghệ sấy phun ở Việt Nam
• 1.3. Một số thiết bị sấy phun được sử dụng trong phòng thí nghiệm
• 1.3.1. Hệ thống sấy phun GEA Mobile minor
• 1.3.2. Hệ thống sấy phun Mini Spray Dryer B-290
• 1.4. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH SẤY PHUN
• 2. CHƯƠNG II: QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ HỆ THỐNG SẤY PHUN
• 2.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG MÁY SẤY PHUN
• 2.2. CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN
• 2.2.1. Cơ cấu phun sương
• 2.2.2. Hệ thống thu hồi bột
• 2.3. QUY TRÌNH TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3. CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY SẤY PHUN
• 3.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY PHUN
• 3.1.1. Tính cân bằng vật chất
• 3.1.2. Xác định cơ cấu phun
• 3.1.3. Tính toán kích thước thiết bị
• 3.1.4. Xác định vận tốc sấy - thời gian sấy
• 3.1.5. Tính cân bằng năng lượng
• 3.1.6. Tính toán quá trình sấy thực
• 3.2. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
• 3.2.1. Tính toán hệ thống thu hồi bột
• 3.2.2. Tính toán calorifer
• 4. CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ BẢN VẼ GIA CÔNG, MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. THIẾT KẾ BẢN VẼ GIA CÔNG CƠ KHÍ
• 4.1.1. Thiết kế đầu phun
• 4.1.2. Thiết kế buồng sấy
• 4.1.3. Thiết kế đường ống
• 4.1.4. Thiết kế cyclone
• 4.2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN
• 4.2.1. Mạch động lực
• 4.2.2. Mạch điều khiển
• 4.2.3. An toàn về điện
• 4.3. KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH MÁY SẤY PHUN
• 4.3.1. Khảo sát Thực nghiệm
• 4.3.2. Hiệu chỉnh máy sấy phun
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về máy sấy phun

Máy sấy phun là thiết bị quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm, đặc biệt trong việc sản xuất bột từ các nguyên liệu lỏng. Máy sấy phun hoạt động dựa trên nguyên lý phun nguyên liệu thành hạt sương vào môi trường không khí nóng, giúp nước trong nguyên liệu bay hơi nhanh chóng. Quá trình này không chỉ giúp giảm độ ẩm mà còn bảo toàn các chất dinh dưỡng có trong nguyên liệu. Năng suất máy sấy được thiết kế cho nghiên cứu này là 5 lít/h, phù hợp với nhu cầu của các phòng thí nghiệm và doanh nghiệp nhỏ tại Việt Nam. Việc chế tạo máy sấy phun này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn tạo điều kiện cho việc nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới trong ngành thực phẩm.

1.1. Lợi ích của máy sấy phun

Máy sấy phun mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp thực phẩm. Đầu tiên, nó giúp tạo ra các sản phẩm bột mịn với độ ẩm thấp, kéo dài thời gian bảo quản và giảm chi phí vận chuyển. Thứ hai, ứng dụng máy sấy trong sản xuất thực phẩm như sữa bột, cà phê hòa tan, và các sản phẩm dinh dưỡng khác đã chứng minh hiệu quả cao trong việc bảo toàn chất lượng sản phẩm. Cuối cùng, máy sấy phun còn giúp tăng cường khả năng tiếp xúc nhiệt, từ đó nâng cao hiệu suất thu hồi sản phẩm, điều này rất quan trọng trong sản xuất quy mô lớn.

II. Quy trình thiết kế máy sấy phun

Quy trình thiết kế máy sấy phun bao gồm nhiều bước quan trọng, từ tính toán đến chế tạo. Đầu tiên, cần xác định các thông số kỹ thuật như kích thước buồng sấy, tốc độ phun, và nhiệt độ tác nhân sấy. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất máy sấy. Tiếp theo, việc tính toán cân bằng vật chất và năng lượng là rất cần thiết để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả. Cuối cùng, thiết kế mạch điện điều khiển cũng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng nguyên liệu, đảm bảo quá trình sấy diễn ra ổn định.

2.1. Tính toán thiết kế

Tính toán thiết kế máy sấy phun bao gồm việc xác định các thông số như kích thước buồng sấy và tốc độ phun. Các thông số này cần được tính toán dựa trên loại nguyên liệu và yêu cầu sản phẩm cuối cùng. Việc xác định năng suất máy sấy cũng rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến khả năng sản xuất và hiệu quả kinh tế. Các công thức tính toán cần được áp dụng chính xác để đảm bảo rằng thiết bị có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện thực tế.

III. Ứng dụng thực tiễn của máy sấy phun

Máy sấy phun có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành thực phẩm và dược phẩm. Trong ngành thực phẩm, nó được sử dụng để sản xuất các sản phẩm như sữa bột, cà phê hòa tan, và các loại bột gia vị. Ứng dụng máy sấy không chỉ giúp tạo ra sản phẩm chất lượng cao mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất. Trong ngành dược phẩm, máy sấy phun được sử dụng để sản xuất các loại thuốc dạng bột, giúp bảo quản các hoạt chất nhạy cảm với nhiệt độ. Điều này cho thấy máy sấy phun không chỉ có giá trị trong sản xuất mà còn trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

3.1. Tác động đến ngành công nghiệp thực phẩm

Máy sấy phun đã có tác động lớn đến ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt trong việc sản xuất các sản phẩm bột. Việc sử dụng máy sấy phun giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu lãng phí và tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường. Các doanh nghiệp có thể sản xuất các sản phẩm bột với độ ẩm thấp, kéo dài thời gian bảo quản và giảm chi phí vận chuyển. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về sản phẩm chất lượng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, dược phẩm và công nghệ sinh học, sấy phun là phương pháp then chốt nhằm chuyển hóa nguyên liệu dạng lỏng thành dạng bột mịn (như sữa bột, cà phê hòa tan, chế phẩm enzyme, bột protein) với thời gian tiếp xúc nhiệt ngắn, giúp bảo toàn các hoạt chất sinh học và dinh dưỡng mẫn cảm với nhiệt độ. Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp lớn đã ứng dụng công nghệ này trong dây chuyền sản xuất quy mô công nghiệp (như Vinamilk, Vinacafe), đồng thời một số trường đại học cũng đưa thiết bị sấy phun vào phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học.

Tuy nhiên, rào cản lớn nhất hiện nay là chi phí nhập khẩu thiết bị từ nước ngoài rất cao: dao động từ 18.000 đến 50.000 USD đối với thiết bị quy mô phòng thí nghiệm và từ 100.000 đến 200.000 USD đối với hệ thống công nghiệp. Hơn nữa, việc chuyển giao công nghệ và bảo trì thiết bị từ các nhà cung cấp nước ngoài gặp nhiều khó khăn. Nhằm từng bước làm chủ công nghệ và tạo ra thiết bị phục vụ đào tạo, nghiên cứu với chi phí phù hợp, tác giả đã thực hiện đề tài "Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo máy sấy phun năng suất sấy 5 l/h".

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể gồm:

1. Nghiên cứu tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị sấy phun công suất nhỏ (năng suất 5 L/h) phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm, làm tiền đề phát triển các model ứng dụng cho sản xuất vừa và nhỏ.
2. Thiết kế thiết bị có khả năng sấy đa dạng các loại nguyên liệu thực phẩm (sữa bò tươi, dịch cà phê, dịch sữa dừa, dịch chiết chứa hợp chất sinh học) đảm bảo thời gian tiếp xúc nhiệt ngắn để hạn chế biến tính sản phẩm.
3. Ứng dụng cơ cấu phun ly tâm nhằm tăng khả năng phân tán sương, nâng cao diện tích tiếp xúc nhiệt, xử lý được dung dịch có độ nhớt cao, chống tắc nghẽn đầu phun và nâng cao hiệu suất thu hồi bột.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị máy sấy phun công suất nhỏ quy mô phòng thí nghiệm.
• Phạm vi nghiên cứu: Tính toán, thiết kế và gia công chế tạo hoàn chỉnh máy sấy phun năng suất nhập liệu 5 L/h; thiết kế tủ điện và mạch điều khiển thông số sấy; khảo sát vận hành thực nghiệm trên ba đối tượng thực phẩm gồm sữa bò tươi, dịch cà phê hòa tan và dịch sữa dừa tại TP. Hồ Chí Minh trong thời gian 6 tháng (hoàn thành tháng 07/2016).
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Khóa luận cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về tính chất nhiệt - vật lý của vật liệu trong điều kiện bốc hơi ẩm siêu tốc; kiểm chứng các mô hình nhiệt động lực học phân tán dòng sương; đồng thời tạo ra một hệ thống thiết bị thực tế phục vụ giảng dạy, nghiên cứu tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng tính toán dựa trên lý thuyết truyền nhiệt, truyền khối và động học sấy vật liệu ẩm:

• Cơ sở khoa học về ẩm và không khí ẩm: Định nghĩa độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối, độ chứa ẩm $d$, và độ ẩm cân bằng $u_c$ thông qua mối quan hệ đẳng nhiệt hút - nhả ẩm; ứng dụng đồ thị nhiệt ẩm $h-d$ của không khí ẩm ở áp suất khí quyển $P = 760\text{ mmHg}$ ($0,1\text{ MPa}$) để xác định trạng thái tác nhân sấy đầu vào, buồng sấy và đầu ra.
• Nhiệt động học quá trình sấy phun: Khảo sát các yếu tố công nghệ chi phối quá trình gồm nồng độ chất khô của nguyên liệu (tiêu chuẩn sấy sữa 45–52%), nhiệt độ tác nhân sấy tại cửa vào (170–230°C) và cửa ra (76–100°C), quy luật phân tán kích thước hạt sương và diện tích bề mặt truyền nhiệt riêng.
• Lý thuyết phân tách pha khí - rắn bằng Cyclone: Ứng dụng mô hình xoáy tâm ly tâm; đánh giá dựa trên hai đại lượng giới hạn là "đường kính tới hạn" (lý thuyết 15 µm, thực tế 105 µm cho hiệu suất thu hồi 100%) và "đường kính bán tới hạn" (5 µm cho hiệu suất thu hồi 50%).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

• Phương pháp tính toán nhiệt kỹ thuật: Lập phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng để xác định lượng ẩm bốc hơi, lưu lượng không khí sấy lý thuyết và thực tế, tổn thất nhiệt và công suất gia nhiệt cần thiết.
• Phương pháp thiết kế cơ khí và điều khiển: Sử dụng bản vẽ kỹ thuật cơ khí xác định kết cấu buồng sấy, đĩa phun ly tâm, cyclone và đường ống; thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển sử dụng rơ le bán dẫn (SSR) và biến tần.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Đo đạc các thông số vận hành thực tế và phân tích độ ẩm thành phẩm sau sấy bằng phương pháp sấy đến khối lượng không đổi.

Nguồn dữ liệu tính toán ban đầu được thu thập từ điều kiện khí hậu thực tế tại TP. Hồ Chí Minh (nhiệt độ môi trường $t_0 = 30^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $\varphi_0 = 77%$), kết hợp các bảng số liệu nhiệt vật lý chuẩn của sữa bò tươi và không khí ẩm từ tài liệu chuyên ngành.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống sấy phun 5 L/h được tính toán, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh theo quy trình kỹ thuật 8 bước nghiêm ngặt:

Bước thực hiện	Nội dung tính toán & Triển khai kỹ thuật
Bước 1: Lựa chọn thông số	Chọn $G_t = 5\text{ L/h}$; $t_0 = 30^\circ\text{C}, \varphi_0 = 77%$; $t_1 = 180^\circ\text{C}$; $W_1 = 55%$; $W_2 = 3%$.
Bước 2: Cân bằng vật chất	Xác định lượng ẩm bay hơi $W$, lưu lượng không khí khô cần cấp cho hệ thống.
Bước 3: Kích thước thiết bị	Tính toán bán kính tán phun đĩa ly tâm để định kích thước buồng sấy ($D = 0,6\text{ m}; H = 1,1\text{ m}$).
Bước 4: Động học sấy	Tính toán vận tốc chuyển động của hạt sương và thời gian sấy bốc hơi ẩm trong buồng.
Bước 5 & 6: Cân bằng năng lượng	Tính toán quá trình sấy thực, tính tổn thất nhiệt qua vách buồng sấy và xác định công suất nhiệt.
Bước 7: Thiết bị phụ trợ	Thiết kế, tính chọn calorifer điện trở (6 kW), cyclone lắng xoáy tâm, quạt hút ly tâm.
Bước 8: Gia công & Mạch điện	Chế tạo cơ khí buồng sấy, đĩa phun, cyclone; đấu nối tủ điện điều khiển nhiệt và tốc độ động cơ.

Các cụm kết cấu kỹ thuật chính của hệ thống:

• Cơ cấu tạo sương: Sử dụng đầu phun đĩa ly tâm dẫn động bằng động cơ spindle tốc độ cao, nguyên liệu được nạp vào tâm đĩa và phân tán 180° thành các giọt mịn (1–600 µm), hạn chế hoàn toàn hiện tượng tắc nghẽn so với đầu phun áp lực.
• Buồng sấy: Thiết kế hình trụ đứng, đáy côn, đường kính trong 0,6 m, chiều cao thân 1,1 m, bố trí dòng tác nhân sấy và nguyên liệu chuyển động cùng chiều (co-current contact).
• Bộ gia nhiệt (Calorifer): Bộ sấy không khí bằng điện gồm 3 thanh điện trở chữ U có cánh tản nhiệt, tổng công suất 6 kW; bên trong bọc dây mai xo nung nóng được cách điện và truyền nhiệt bằng bột periclaz (MgO) chịu nhiệt.
• Hệ thống thu hồi bột: Một cyclone lắng xoáy tâm thu hồi bột từ dòng khí thoát, phía sau cyclone bố trí quạt hút ly tâm tạo áp suất âm giúp định hướng dòng khí và hỗ trợ lưu thông tác nhân sấy.
• Hệ thống điện và điều khiển: Tủ điện gồm mạch động lực và mạch điều khiển riêng biệt; sử dụng Rơ le bán dẫn Solid State Relay (Omron G3PA-240B-VD 40A) kết hợp cảm biến nhiệt độ để ổn định nhiệt độ sấy calorifer; sử dụng biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ đĩa phun spindle và lưu lượng quạt hút thông qua biến trở ngoài.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan tài liệu

Chương này tổng kết lịch sử phát triển của công nghệ sấy phun từ sáng chế đầu tiên của Samuel Percy năm 1872 (bằng sáng chế số 125406), máy sấy công nghiệp đầu tiên của Merril Soul (Mỹ) năm 1905, đến sự bùng nổ của ngành sấy sữa sau Chiến tranh Thế giới II. Tại Việt Nam, công nghệ được ghi nhận từ năm 1969 với nhà máy cà phê Coronel tại Biên Hòa (vận hành thành công năm 1977, lắp dây chuyền sấy phun 800 tấn/năm năm 1998).

Tác giả phân tích thông số kỹ thuật của hai dòng máy sấy phun chuẩn phòng thí nghiệm nhập ngoại để làm cơ sở đối chuẩn thiết kế:

Thông số kỹ thuật	GEA Mobile Minor (Niro - Đan Mạch)	Mini Spray Dryer B-290 (Buchi - Thụy Sĩ)
Năng suất tách ẩm	1 – 7 kg ẩm/h	1 kg ẩm/h
Nhiệt độ khí vào tối đa	350°C	220°C
Cơ cấu phun sương	Đĩa ly tâm 24 rãnh (tối đa 31.000 vòng/phút)	Vòi phun áp lực (tích hợp kim đẩy làm sạch)
Áp suất khí nén	0 – 6 bar	5 – 8 bar
Kích thước (W x H x D)	1800 x 1300 x 1920 mm	650 x 1100 x 700 mm

Chương I cũng làm rõ cơ sở khoa học của quá trình tạo sương và diện tích tiếp xúc nhiệt: khi phân tán 1 m³ chất lỏng thành các hạt đường kính 100 µm, số lượng hạt đạt $1,986 \times 10^{12}$ hạt với tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt tăng lên tới 31.000 m².

Chương II: Quá trình - Thiết bị hệ thống sấy phun

Nội dung chương trình bày chi tiết nguyên lý vận hành toàn hệ thống và đánh giá ưu nhược điểm của 3 dạng cơ cấu phun sương:

Cơ cấu phun	Kích thước hạt ($\mu\text{m}$)	Mức tiêu hao năng lượng (kW) theo công suất nhập liệu	Ưu điểm & Nhược điểm chính
Áp lực	10 ÷ 800	0,4 kW (250 kg/h) – 4,0 kW (2000 kg/h)	Tiết kiệm năng lượng nhất; dễ tắc nghẽn, không sấy được dịch huyền phù đặc.
Khí động	5 ÷ 300	10,0 kW (250 kg/h) – 80,0 kW (2000 kg/h)	Sấy được dịch nhớt cao; tiêu tốn nhiều khí nén ($0,5\text{ m}^3$ khí/kg dịch), chi phí năng lượng rất lớn.
Ly tâm	1 ÷ 600	8,0 kW (250 kg/h) – 30,0 kW (2000 kg/h)	Hạt đồng đều cao, không tắc nghẽn, sấy được dịch nhớt; buồng sấy yêu cầu đường kính lớn.

Chương này cũng phân tích 3 phương thức tiếp xúc khí - hạt: cùng chiều (co-current - tối ưu cho thực phẩm mẫn cảm nhiệt), ngược chiều (counter-current - dùng cho bột thô, tỷ trọng cao), và hỗn hợp (mixed flow). Đồng thời, chương II mô tả cấu tạo thanh điện trở calorifer (sử dụng dây mai xo hợp kim Ni-Cr hoặc Fe-Cr, bột cách điện chịu nhiệt MgO periclaz) và chuẩn hóa sơ đồ thuật toán thiết kế gồm 8 bước.

Chương III: Tính toán thiết kế chế tạo máy sấy phun

Chương III tập trung toàn bộ các bước tính toán công nghệ cho đối tượng nguyên liệu chuẩn là dịch sữa bò tươi (thành phần ban đầu: 87,8% nước, 3,5% chất béo, 3% protein, 5% carbohydrate, 0,7% khoáng chất; cô đặc lên 30% chất khô và phối trộn maltodextrin đạt độ ẩm vào sấy $W_1 = 55%$).

Các kết quả tính toán thiết kế xác định:

• Năng suất nhập liệu: $G_t = 5\text{ L/h}$; Độ ẩm thành phẩm mục tiêu: $W_2 = 3%$.
• Nhiệt độ tác nhân sấy vào buồng: $t_1 = 180^\circ\text{C}$; Nhiệt độ nguyên liệu nạp: $t_{v1} = 40^\circ\text{C}$.
• Kích thước buồng sấy chế tạo: Buồng hình trụ đáy nón có đường kính $D = 0,6\text{ m}$, chiều cao $H = 1,1\text{ m}$.
• Tính chọn cơ cấu phun: Động cơ spindle tốc độ cao điều chỉnh vô cấp, dẫn động đĩa phun ly tâm tạo bán kính tán phun phù hợp đường kính buồng.
• Tính chọn thiết bị gia nhiệt và phụ trợ: Calorifer điện công suất $6\text{ kW}$ (3 thanh chữ U có cánh tản nhiệt); tính toán kích thước hình học chi tiết của cyclone thu hồi bột và quạt hút ly tâm.

Chương IV: Thiết kế bản vẽ gia công, mạch điện điều khiển

Chương IV trình bày hệ thống bản vẽ chế tạo cơ khí và sơ đồ điện điều khiển:

• Gia công cơ khí: Bản vẽ chi tiết đầu phun ly tâm, thân buồng sấy, nắp buồng sấy, khớp nối nắp - thân, chân đế chịu lực, hệ thống đường ống dẫn khí và bản vẽ chi tiết nắp/thân buồng cyclone.
• Thiết kế mạch điện: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển nhiệt độ sử dụng rơ le bán dẫn Solid State Relay (Omron G3PA-240B-VD 40A) đóng cắt cấp nguồn cho heater; mạch điều khiển động cơ spindle đĩa phun và quạt hút thông qua biến tần điều khiển bằng biến trở chiết áp ngoài.
• Khảo sát thực nghiệm & Hiệu chỉnh: Vận hành sấy thử nghiệm trên ba đối tượng nguyên liệu: sữa bò tươi, dịch cà phê hòa tan và dịch sữa dừa. Tiến hành hiệu chỉnh lưu lượng bơm nhập liệu, tốc độ vòng quay đĩa phun và nhiệt độ sấy để đảm bảo độ ẩm bột thành phẩm đạt chuẩn.

---

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế, gia công chế tạo và chạy thử nghiệm thực tế hệ thống máy sấy phun với các số liệu kỹ thuật cụ thể:

Hạng mục / Thông số	Kết quả tính toán & Chế tạo thực tế
Năng suất nhập liệu ($G_t$)	5 L/h
Kích thước buồng sấy	Đường kính $D = 0,6\text{ m}$; Chiều cao $H = 1,1\text{ m}$
Cơ cấu tạo sương	Đĩa phun ly tâm dẫn động bằng động cơ spindle tốc độ cao
Công suất bộ gia nhiệt (Calorifer)	6 kW (3 thanh điện trở chữ U có cánh tản nhiệt, bọc cách điện MgO)
Thiết bị thu hồi sản phẩm	1 Cyclone lắng xoáy tâm + 1 quạt hút ly tâm bố trí sau cyclone
Hệ thống điều khiển	Tủ điện điều khiển nhiệt (SSR Omron G3PA-240B-VD 40A), biến tần điều chỉnh quạt & motor
Độ ẩm bột sữa bò sau sấy	Dưới 5% (đáp ứng tiêu chuẩn bảo quản bột thực phẩm)
Độ ẩm bột cà phê hòa tan sau sấy	Dưới 5%
Độ ẩm bột sữa dừa sau sấy	Dưới 5%

Giải pháp và cải tiến kỹ thuật đề xuất:

• Lựa chọn cơ cấu phun ly tâm thay cho vòi phun áp lực, giúp loại bỏ triệt để hiện tượng tắc nghẽn đầu phun khi xử lý dịch nguyên liệu thực phẩm có nồng độ chất khô và độ nhớt cao hoặc có bổ sung chất mang vi bao (maltodextrin).
• Ứng dụng biến tần kết hợp biến trở ngoài giúp người vận hành linh hoạt điều chỉnh vận tốc vòng quay đĩa phun và lưu lượng khí hút, từ đó làm chủ được kích thước hạt sương và thời gian lưu của sản phẩm trong buồng sấy.
• Tích hợp rơ le bán dẫn SSR vào mạch điều khiển thanh đốt calorifer giúp duy trì độ ổn định nhiệt độ sấy chính xác ở mức 180°C mà không gây sốc nhiệt hoặc hỏng hóc tiếp điểm cơ khí.

Đóng góp về mặt học thuật và thực tiễn:

• Khóa luận đã nội địa hóa thành công việc chế tạo hệ thống thiết bị sấy phun quy mô 5 L/h trong nước với chi phí chế tạo thấp hơn nhiều so với việc nhập khẩu thiết bị ngoại nhập (18.000 – 50.000 USD).
• Đóng góp bộ hồ sơ tính toán nhiệt - cơ khí và bản vẽ thiết kế hoàn chỉnh, làm cơ sở khoa học và kỹ thuật phục vụ trực tiếp cho hoạt động giảng dạy, thực tập và nghiên cứu công nghệ sấy tại các trường đại học khối kỹ thuật.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và kết quả thực nghiệm được công bố trong văn bản, đề tài tồn tại một số hạn chế và hướng mở rộng:

• Hạn chế:
  • Thiết bị được tính toán chế tạo lần đầu trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp với nguồn lực và thời gian có hạn (6 tháng), năng suất giới hạn ở mức 5 L/h quy mô phòng thí nghiệm.
  • Các đánh giá thực nghiệm mới tập trung vào chỉ tiêu hàm ẩm tổng thể của bột thành phẩm (< 5%), chưa thực hiện khảo sát sâu về phân bố kích thước hạt bột thực tế, tỷ trọng xốp, độ hòa tan cũng như mức độ bảo toàn chi tiết của từng hoạt chất sinh học sau sấy.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Tối ưu hóa kết cấu cơ khí và hoàn thiện hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn toàn (tích hợp PLC hoặc vi điều khiển giám sát độ ẩm khí thoát và nhiệt độ tự động).
  • Sử dụng mô hình thiết bị 5 L/h hiện tại làm tiền đề khoa học để tính toán, phóng đại quy mô chế tạo các model máy sấy phun công suất lớn hơn, hướng tới ứng dụng sản xuất thực tế tại các doanh nghiệp chế biến vừa và nhỏ tại Việt Nam.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cao đối với:

• Sinh viên, học viên cao học ngành Công nghệ Thực phẩm và Kỹ thuật Hóa học: Cung cấp tài liệu thực tế về quy trình tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt và động học sấy cho hệ thống sấy phun nhiều pha lỏng - khí.
• Sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Nhiệt - Máy thực phẩm / Cơ khí chế tạo: Cung cấp nguồn tham khảo giá trị về phương pháp xác định kích thước buồng sấy theo bán kính tán phun, phương pháp tính chọn công suất calorifer điện trở bọc MgO, bản vẽ kết cấu chi tiết cyclone và sơ đồ mạch điều khiển dùng biến tần, rơ le bán dẫn SSR.
• Các phòng thí nghiệm và cơ sở sản xuất quy mô nhỏ: Làm tài liệu định hướng để tự gia công, chế tạo hoặc bảo trì, nâng cấp hệ thống sấy phun công suất nhỏ phục vụ tạo mẫu sản phẩm bột thực phẩm và dược phẩm.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Thông số kích thước hình học chính của buồng sấy được chế tạo trong khóa luận là bao nhiêu?
Buồng sấy được thiết kế và gia công có dạng hình trụ đứng đáy côn, với đường kính trong $D = 0,6\text{ m}$ và chiều cao thân $H = 1,1\text{ m}$, được tính toán dựa trên bán kính tán sương của đĩa phun ly tâm để tránh hiện tượng hạt ướt bám dính vào thành thiết bị.

2. Tại sao tác giả lại chọn cơ cấu phun ly tâm thay vì vòi phun áp lực hay vòi phun khí động?
Cơ cấu phun ly tâm tạo ra các hạt sương có độ đồng nhất cao, làm việc tốt với các dung dịch có độ nhớt cao hoặc dịch huyền phù mịn, triệt tiêu hiện tượng tắc nghẽn lỗ phun thường gặp ở vòi phun áp lực, đồng thời tiêu tốn ít năng lượng hơn đáng kể so với vòi phun khí động (chỉ cần 8–30 kW so với 10–80 kW ở quy mô công nghiệp).

3. Bộ gia nhiệt calorifer trong thiết bị sử dụng nguồn nhiệt nào và có cấu tạo ra sao?
Calorifer sử dụng nguồn nhiệt điện với tổng công suất 6 kW, gồm 3 thanh điện trở chữ U có cánh tản nhiệt. Bên trong mỗi thanh đốt có dây mai xo hợp kim được định vị và cách điện an toàn bằng bột khoáng periclaz (MgO) có hệ số dẫn nhiệt cao và khả năng chịu nhiệt lớn.

4. Mạch điều khiển nhiệt độ và động cơ của hệ thống bao gồm những thiết bị then chốt nào?
Mạch điều khiển sử dụng Rơ le bán dẫn Solid State Relay (Omron G3PA-240B-VD 40A) kết hợp cảm biến nhiệt độ để đóng ngắt chính xác nguồn cấp nhiệt cho thanh đốt heater, và sử dụng biến tần điều khiển bằng chiết áp biến trở ngoài để điều chỉnh tốc độ động cơ spindle đĩa phun và quạt hút ly tâm.

5. Kết quả sấy thực nghiệm trên các loại nguyên liệu nào và độ ẩm bột thành phẩm đạt bao nhiêu?
Thiết bị đã được vận hành sấy thực nghiệm thành công trên 3 đối tượng thực phẩm thông dụng là sữa bò tươi, dịch cà phê hòa tan và dịch sữa dừa; toàn bộ sản phẩm bột thu được sau sấy đều đạt độ ẩm dưới 5%, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật bảo quản bột thực phẩm.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Xuân Công đã hoàn thành xuất sắc việc tính toán lý thuyết, thiết kế cơ khí và chế tạo thực tế hệ thống máy sấy phun năng suất 5 L/h sử dụng đĩa phun ly tâm và bộ gia nhiệt calorifer điện 6 kW. Thiết bị được tích hợp hệ thống tủ điện điều khiển nhiệt độ bằng rơ le bán dẫn SSR Omron và biến tần điều chỉnh tốc độ, vận hành ổn định và đạt độ ẩm sản phẩm dưới 5% khi sấy thực nghiệm sữa tươi, cà phê hòa tan và sữa dừa. Đề tài khẳng định tính khả thi trong việc làm chủ công nghệ và chế tạo thiết bị sấy phun chi phí thấp trong nước, đóng góp tài liệu kỹ thuật có giá trị cao cho công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẤY PHUN 1. Định nghĩa Sấy phun là một phương pháp sản xuất bột từ chất lỏng hay dung dịch bằng cách phun dòng nguyên liệu thành hạt sương vào môi trường có sự đối lưu không khí nóng và do đó ẩm trong nguyên liệu sẽ được bốc hơi một cách nhanh chóng. Do thời gian tiếp xúc nhiệt ngắn và trong quá trình sấy sử dụng vật liệu vi bao để bảo vệ các chất nhạy cảm với nhiệt độ nên đây được xem là một phương pháp sấy phù hợp đối với nhiều loại nguyên liệu có hoạt tính sinh học.

Ứng dụng công nghệ sấy phun Hiện nay, sấy phun được ứng dụng trong khá nhiều lĩnh vực như: thực phẩm, dược phẩm, hóa học và cả trong xây dựng. Trong thực phẩm, công nghệ sấy phun không thể thiếu trong sản xuất các sản phẩm dạng bột mịn như sữa bột, bột cà phê, bột trà xanh, bột các loại quản ngũ cốc, các loại gia vị, hương liệu, tinh bột và các dẫn xuất tinh bột, vitamin, enzyme, chất tạo màu… Trong y học, quá trình sấy phun được sử dụng sản xuất các loại thuốc dạng bột mịn. Trong lĩnh vực công nghiệp hóa chất, sấy phun được áp dụng để sản xuất nhôm chlorohydrate, amoni nitrat, amoni phosphate, magnesium hydroxide, oxit kẽm, kẽm sulfat, bột tẩy, cacbua (titan, silicon, tantali, niobi), chất xúc tác cho các phản ứng hóa chất vô cơ và hữu cơ, kim loại gốm, chất tẩy rửa, thuốc nhuộm và bột màu. Trong ngành xây dựng, kỹ thuật này được ứng dụng để sản xuất màu sơn, vật liệu gốm, bột ceramic và một số dạng xi măng với năng suất cao và làm việc theo nguyên tắc liên tục.

Trong sản xuất hàng tiêu dùng như bột giặt còn đối với lĩnh vực điện, sấy phun áp dụng cho vật liệu cách điện bao gồm phun khô oxit nhôm. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SẤY PHUN 1. Tình hình phát triển công nghệ sấy phun trên thế giới Nhà khoa học người Mỹ Samuel Percy đã nghiên cứu công nghệ sấy phun từ những năm 1860 và nhận được bằng sáng chế cho công nghệ này vào năm 1872, bằng sáng chế số 125406 có tựa đề "Improvement in Drying and Concentrating Liquid Substances by Atomizing”. Ông là người đầu tiên mô tả nguyên lý của quá trình sấy phun và ông được 4 do an xem như là người phát minh ra công nghệ sấy phun.

Ý tưởng cơ bản đầu tiên của sấy phun là sản xuất các sản phẩm dạng bột bằng cách phân tán nguyên liệu ở dạng lỏng thành các hạt sương và làm bay hơi nước nhanh chóng do diện tích bề mặt tiếp xúc của nguyên liệu và không khí nóng tăng lên đáng kể. Máy sấy phun được xây dựng đầu tiên vào năm 1878 nhưng đến năm 1905, máy sấy phun công nghiệp đầu tiên được lắp đặt cho một công ty Merril Soul, Mỹ. Sau chiến tranh thế giới II, nhu cầu sữa tăng cao thúc đẩy sự phát triển ngành công nghiệp sữa. Nhờ đó mà nhiều nguồn kinh phí đã được sử dụng để mang đến những tiến bộ đáng kể trong công nghiệp sấy phun sữa bột.

Kể từ thời điểm đó, quá trình sấy phun đã được chú trọng phát triển để ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm sản xuất xà phòng bột và chất tẩy rửa, sữa bột, cà phê hòa tan, tinh bột ngũ cốc, sản xuất phân bón và các loại nhựa polymer dạng bột. Nó cũng được sử dụng như là một quá trình công nghệ giúp giữ lại các thuộc tính chức năng độc đáo của các tá dược như lactose, mannitol. Hiện nay ở các nước phát triển trên thế giới, công nghệ sấy phun được áp dụng trong hầu hết các nghành sản xuất khác nhau như sấy bột nông sản, thực phẩm dinh dưỡng, dược phẩm, hoá chất, .Công nghệ sấy phun ở các nước này đạt đến trình độ tương đối cao với đa dạng chủng loại về kết cấu, kiểu dáng, quá trình sấy được điều khiển hoàn toàn tự động đem lại hiệu quả kinh tế cao. Chất lượng của các sản phẩm sấy khá cao và chi phí năng lượng cho một khối lượng sản phẩm tương đối thấp.

Tình hình phát triển công nghệ sấy phun ở Việt Nam Trước năm 1975, thị trường cà phê hòa tan ở Việt Nam còn khá nghèo nàn về chủng loại và ít được nhà đầu tư quan tâm. Tuy nhiên hiện nay thị trường này đã chiếm 1/3 tỷ trọng sản lượng cà phê được tiêu thụ. Năm 1969, Marcel Coronel đã khởi công xây dựng nhà máy cà phê Coronel tại khu kỹ nghệ Biên Hòa với mục đích giảm thiểu chi phí vận chuyển cà phê về Pháp. Toàn bộ máy móc được nhập khẩu từ Đức.

Tuy nhiên, cho đến tận năm 1975, nhà máy vẫn chưa chạy thử thành công do máy móc, thiết bị không đồng bộ, lao động kỹ thuật còn thiếu và hoàn cảnh chiến tranh. Tháng 4 năm 1977, mẻ cà phê hòa tan đầu tiên được sản xuất thành công. Năm 1998, nhà máy xây 5 do an dựng thêm một dây chuyền sản xuất cà phê hòa tan công nghệ sấy phun. Dây chuyền này có công suất thiết kế 800 tấn/năm.

Sữa bột được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước phát triển. Việt nam cũng là một trong những nước tiêu thụ sữa bột lớn và sữa ngoại ở Việt Nam có giá đắt đỏ. Giá sữa ở Việt Nam đắt gấp đôi sữa nước ngoài do việc nhập khẩu nguyên liệu có vấn đề. Đó là có rất ít đầu mối được nhập khẩu mặt hàng này nên giá đầu ra và giá đầu vào để sản xuất sữa thành phẩm cũng rất khó kiểm soát.

Như vậy ở Việt Nam, công nghệ sấy phun mới được đưa vào ứng dụng trong khoảng hơn 50 năm và đạt được nhiều thành tựu. Hiện nay, tại Việt Nam công nghệ này được ứng dụng nhiều nhất trong ngành sản suất sữa bột hay bột cà phê hòa tan. Đối với ngành công nghiệp sữa, một số tập đoàn lớn như Friesland Campina Việt Nam phải nhập khẩu thêm sữa bột từ Hà Lan do nguồn cung tại Việt Nam không đáp ứng được nhu cầu rất lớn hiện nay. Mặt khác, chúng ta chưa làm chủ được công nghệ này, chủ yếu nhập khẩu từ nước ngoài để đưa vào sản suất.

Ngoài ra, giá thành của hệ thống sấy phun tương đối cao chưa phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta. Vì vậy, việc phát triển các ngành sản phẩm liên quan, các nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sấy phun tại Việt Nam không phổ biến. Vì vậy, việc đẩy nhanh quá trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy phun vào trong sản xuất để đạt năng suất cao và chất lượng tốt nhằm nâng cao tính cạnh tranh cho sản phẩm của nước ta là việc làm rất cần thiết. Một số thiết bị sấy phun được sử dụng trong phòng thí nghiệm 1.

Hệ thống sấy phun GEA Mobile minor Hệ thống sấy phun GEA MOBILE MINOR (Hình 1.1) do hãng Niro (Đan Mạch) sản xuất có dạng bán công nghiệp. Buồng sấy có thân hình trụ, đáy hình côn được làm từ thép không gỉ AISI 316. Cơ cấu phun sương dạng đĩa li tâm, trên đĩa có 24 rãnh nhỏ hình chữ nhật. Đĩa quay được là nhờ việc nén khí vào trong tua bin, tua bin quay làm cho đĩa quay, không khí qua đầu lọc, được đốt nóng nhờ điện trở ở caloriphere và đi vào buồng sấy theo phương tiếp tuyến, nhiệt độ của không khí được điều chỉnh bằng cảm biến tự động.

6 do an Hệ thống sử dụng bơm nhu động để nhập liệu. Bơm hoạt động theo nguyên tắc: khi roto quay, các trục trên roto sẽ ép ống dẫn nhập liệu lại tạo ra áp lực để đẩy dung dịch về phía trước. Các thông số cơ bản của thiết bị GEA MOBILE MINOR được thể hiện ở bảng 1. 1: Thông số kỹ thuật GEA Mobile minor 1 – 7 kg ẩm/h Năng suất tách ẩm 350oC Nhiệt độ tối đa đầu vào: 0 – 6 bar Áp suất khí nén 31000 vòng/phút Tốc độ quay tối đa đĩa phun 1800 x 1300 x 1920 mm Kích thước (W x H x D) Hình 1.

1: GEA Mobile minor 1. Hệ thống sấy phun Mini Spray Dryer B-290 Hệ thống máy sấy phun Mini Spray Dryer B-290 do hãng Buchi (Thụy Sĩ) sản xuất được sử dụng trong phòng thí nghiệm. Buồng sấy và cyclone được làm bằng thủy tinh chịu nhiệt. Cơ cấu phun sương dạng vòi phun áp lực.

Vòi phun được tích hợp với kim đẩy qua lỗ phun nhằm làm sạch vòi phun trong trường hợp tắc nghẽn. Ngoài ra, hệ thống sử dụng bơm nhu động để nhập liệu. Các thông số cơ bản của thiết bị Mini Spray Dryer B-290 được thể hiện ở bảng 1. 2: Thông số kỹ thuật máy Mini Spray Dryer B-290 Năng suất tách ẩm 1 kg ẩm/h Lưu lượng khí vào < 35 m3/h Nhiệt độ tối đa đầu vào 220 oC Áp suất khí nén 5 – 8 bar Kích thước (W x H x D) 650 x 1100 x 700 mm Hình 1.

2: Mini Spray Dryer B-290 7 do an 1. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH SẤY PHUN 1. Một số khái niệm cơ bản 1. Vật liệu ẩm Trong vật liệu ẩm gồm có vật chất rắn, lỏng và khí.

Vì khối lượng của chất khí rất nhỏ có thể bỏ qua, nên vật ẩm được xem như gồm hai thành phần là chất rắn và chất lỏng (hay còn gọi là ẩm). Độ ẩm của vật có thể được biểu thị qua độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối và độ chứa ẩm Độ ẩm tuyệt đối là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Công thức xác định độ ẩm tuyệt đối là: 𝐺𝑛 𝜔0 = .100 (%) [1-1] 𝐺𝑘 Trong đó: Gn: khối lượng ẩm chứa trong vật liệu (kg) Gk: khối lượng vật khô tuyệt đối (kg) Độ ẩm tuyệt đối có giá trị từ 0 % đến ∞. Vật có độ ẩm tuyệt đối 0 % là vật khô tuyệt đối và vật có độ ẩm ∞ là nước.

Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng của vât ẩm, ký hiệu độ ẩm tương đối như sau: 𝐺 𝜔 = 𝑛.100 (%) [1-2] 𝐺 Trong đó: G – khối lượng vật ẩm: G = Gn + Gk [kg] Độ ẩm tương đối có giá trị từ 0 – 100%. Vật có độ ẩm toàn phần 0% là vật khô tuyệt đối và 100% là nước. Độ chứa ẩm (độ chứa hơi) là tỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Độ chứa ẩm ký hiệu là d.

𝑘 [1-3] 𝐺𝑘 𝑃𝑘 𝑉/𝑅𝑘 𝑇 𝑃𝑘 𝑅𝑛 Trong đó: Rk = 8314/29 ≈ 287; Rn = 8314/18 ≈ 462; Pk = 𝛽 – Pn ; Pn = 𝜑0 .Phbh 8 do an Áp suất khí quyển 𝛽 = 760 mmHg = 760/(7,5.