Nghiên Cứu, Thiết Kế và Chế Tạo Tủ Hấp Cơm Công Nghiệp

Nghiên cứu và thiết kế tủ hấp cơm công nghiệp là một lĩnh vực quan trọng trong ngành… 95 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2023.

• Tác giả: Trần Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Hiến
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Chế Tạo Tủ Hấp Cơm Công Nghiệp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TỦ HẤP CƠM CÔNG NGHIỆP
• ABSTRACT RESEARCH, DESIGN AND PRODUCTION OF INDUSTRIAL RICE STEAM
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
• 1.2.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kết cấu của luận văn tốt nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 2.1. Giới thiệu sơ lược về nguyên liệu để hấp. Các loại gạo phổ biến hiện này
• 2.2. Công dụng của hạt gạo. Tổng quan về tình hình nghiên cứu theo lĩnh vực đề tài
• 2.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Khảo sát, phân tích về tủ hấp cơm. Tủ hấp cơm là gì?
• 3.2. Sơ lược về tủ hấp cơm công nghiệp
• 3.3. Khảo sát thiết kế tủ hấp cơm công nghiệp
• 3.4. Khi nấu cơm thủ công theo hộ gia đình
• 3.5. Khi nấu cơm trong các bếp ăn công nghiệp
• 3.6. Cơ sở lý thuyết của quá trình truyền nhiệt
• 3.7. Cơ sở lý thuyết truyền nhiệt theo phương thức đối lưu
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 4.1. Tổng quan về doanh nghiệp và yêu cầu của doanh nghiệp
• 4.1.1. Giới thiệu về doanh nghiệp
• 4.1.2. Yêu cầu của doanh nghiệp
• 4.2. Sơ đồ nguyên lý, thông số của tủ hấp cơm sau khi thiết kế
• 4.3. So sánh các phương án thiết kế và đưa ra lựa chọn tối ưu cho tủ
• 4.4. Thiết kế bộ phận cửa tủ hấp cơm
• 4.5. Bộ phần vỏ tủ
• 4.6. Bộ phận lòng tủ
• 4.7. Bộ phận khung tủ
• 4.8. Bộ phân giá đỡ khay cơm
• 4.9. Bộ phận cấp nước cho tủ
• 4.10. Bộ phận thanh gia nhiệt cho tủ
• 4.11. Bộ phận vách bảo ôn cho tủ
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHỌN CÁC BỘ PHẬN CỦA TỦ
• 5.1. Lựa chọn vật liệu
• 5.2. Tính toán, thiết kế chọn các bộ phận
• 5.3. Thiết kế lòng tủ hấp
• 5.4. Tính toán công suất chọn điện trở
• 5.5. Lượng nhiệt cung cấp cho 5 khay cơm
• 5.6. Thời gian để hỗn hợp gạo + nước trong 5 khay đạt được 100°C
• 5.7. Thời gian để lượng nước trong lòng tủ đạt được 100°C dẫn đến bốc hơi
• 5.8. Tổng thời gian cho 1 lần nấu. Tính toán tổn thất nhiệt vào môi trường
• 5.9. Tổng thất nhiệt qua thành tủ (2 mặt bên, mặt sau, mặt trên)
• 5.10. Tổng thất nhiệt qua cửa tủ
• 5.11. Tổn thất nhiệt truyền qua đáy tủ
• 5.12. Tổng nhiệt lượng tổn thất ra môi trường
• 5.13. Nhiệt lượng tổn thất vào khay cơm Inox
• 5.14. Sản lượng nhiệt sinh ra
• 5.15. Ứng dụng Solidworks để kiểm tra độ bền cho khung tủ
• 6. CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
• 6.1. Chế tạo các bộ phận tủ hấp cơm
• 6.1.1. Chế tạo khung tủ
• 6.1.2. Chế tạo thanh xương U
• 6.1.3. Chế tạo lòng tủ
• 6.1.4. Chế tạo giá đỡ
• 6.1.5. Chế tạo tủ điện
• 6.1.6. Chế tạo nắp tủ điện
• 6.1.7. Chế tạo cửa tủ
• 6.2. Lắp điện trở, phao cơ, phao xả tràn, gioăng cao su cho tủ
• 6.3. Gắn tấm cách nhiệt vào cho tủ
• 6.4. Hoàn thiện tủ hấp cơm
• 6.5. Thiết kế bộ điều khiển
• 6.6. Hoàn thiện tủ và chạy thực nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• XÁC NHẬN CỦA ĐƠN VỊ CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu và Thiết Kế Tủ Hấp Cơm Công Nghiệp

Nghiên cứu và thiết kế tủ hấp cơm công nghiệp là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghệ chế tạo máy. Tủ hấp cơm công nghiệp không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao năng suất trong các bếp ăn lớn. Đề tài này sẽ đi sâu vào các khía cạnh kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn của tủ hấp cơm công nghiệp.

1.1. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu tủ hấp cơm công nghiệp

Sự phát triển của ngành ẩm thực yêu cầu các thiết bị nấu ăn phải đáp ứng nhu cầu ngày càng cao. Tủ hấp cơm công nghiệp ra đời nhằm giải quyết các vấn đề như thời gian nấu lâu và chất lượng cơm không đồng đều.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức vào thực tiễn mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị cho doanh nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.

II. Vấn đề và Thách thức trong Thiết Kế Tủ Hấp Cơm

Thiết kế tủ hấp cơm công nghiệp gặp nhiều thách thức như yêu cầu về công suất, tiết kiệm năng lượng và độ bền của sản phẩm. Các vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo tủ hoạt động hiệu quả.

2.1. Các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế

Cần tính toán chính xác công suất và khả năng giữ nhiệt của tủ để đảm bảo cơm chín đều và nhanh chóng.

2.2. Thách thức về chi phí sản xuất

Giảm chi phí sản xuất mà vẫn đảm bảo chất lượng là một trong những thách thức lớn nhất trong quá trình thiết kế tủ hấp cơm.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu và Thiết Kế Tủ Hấp Cơm

Phương pháp nghiên cứu và thiết kế tủ hấp cơm công nghiệp bao gồm việc khảo sát thị trường, phân tích yêu cầu của doanh nghiệp và áp dụng các phần mềm thiết kế hiện đại.

3.1. Khảo sát và phân tích thị trường

Nghiên cứu các loại tủ hấp cơm hiện có trên thị trường để đưa ra giải pháp thiết kế tối ưu nhất.

3.2. Sử dụng phần mềm thiết kế

Áp dụng các phần mềm như Solidworks và AutoCAD để thiết kế và mô phỏng tủ hấp cơm.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu

Sau khi hoàn thành thiết kế, tủ hấp cơm công nghiệp sẽ được đưa vào sử dụng thực tế tại các bếp ăn lớn, giúp nâng cao hiệu quả công việc.

4.1. Kết quả thử nghiệm tủ hấp cơm

Kết quả thử nghiệm cho thấy tủ hấp cơm hoạt động ổn định, nấu cơm chín đều và tiết kiệm thời gian.

4.2. Ứng dụng trong các bếp ăn công nghiệp

Tủ hấp cơm công nghiệp đã được áp dụng tại nhiều bếp ăn lớn, giúp giảm thiểu thời gian và công sức cho nhân viên.

V. Kết Luận và Tương Lai của Tủ Hấp Cơm Công Nghiệp

Tủ hấp cơm công nghiệp không chỉ là một thiết bị nấu ăn mà còn là giải pháp tối ưu cho các bếp ăn lớn. Tương lai của thiết bị này hứa hẹn sẽ còn phát triển hơn nữa với công nghệ tiên tiến.

5.1. Đánh giá hiệu quả của tủ hấp cơm

Tủ hấp cơm đã chứng minh được hiệu quả trong việc nâng cao năng suất và chất lượng cơm.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến để tủ hấp cơm công nghiệp ngày càng hoàn thiện hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại các cơ sở ẩm thực quy mô lớn, bếp ăn tập thể khu công nghiệp, bệnh viện, trường học và doanh trại, các thiết bị nấu cơm truyền thống bằng gas hoặc nồi cơm điện công nghiệp bộc lộ nhiều hạn chế về diện tích chiếm dụng, khả năng điều tiết lượng nước và độ đồng đều của chất lượng cơm. Khi phải phục vụ đồng thời hàng trăm suất ăn, việc vận hành nhiều nồi cơm công nghiệp dung tích nhỏ làm gia tăng chi phí nhân công, tiêu tốn thời gian và dễ phát sinh hiện tượng cơm sống, sượng, nhão hoặc khê cháy ở đáy nồi.

Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tủ hấp cơm công nghiệp" (Mã số đề tài: 22223DT53, lưu trữ: SKL010948) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Trần Hoàng Anh, Trần Quốc Anh và Nguyễn Anh Dũng dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Quang Hiến tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 07/2023). Nghiên cứu xuất phát từ bài toán thực tế của Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA nhằm hoàn thiện công đoạn hấp cơm trong chuỗi dây chuyền chế biến sản xuất cơm cháy chà bông thương mại.

Hệ thống mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu, đề xuất phương án lựa chọn loại biến trở công suất phù hợp và tối ưu cho tủ hấp.
2. Thiết kế và chế tạo tủ hấp cơm công nghiệp đạt năng suất và chất lượng cao hơn sản phẩm hiện có, nhằm giảm thời gian vận hành và sức lao động.
3. Tính toán công suất điện trở, xác định tổn thất nhiệt truyền qua vách tủ, đáy tủ, cửa tủ, tính thời gian cho một mẻ nấu và sản lượng nhiệt sinh ra.
4. Xây dựng bộ bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh gồm bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp.
5. Gia công, chế tạo các chi tiết cơ khí và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thiết bị thực tế.
6. Chạy thử nghiệm thực tế qua nhiều mẻ nấu, thu thập dữ liệu vận hành để đánh giá chất lượng cơm thành phẩm và hiệu chỉnh thiết bị.

Mục tiêu kỹ thuật định lượng bao gồm: thiết bị vận hành ổn định; hạt cơm chín đều, dẻo và giữ trọn hương vị; năng suất đạt 15 đến 20 kg gạo cho mỗi lần nấu; giá thành chế tạo thực tế dưới 12 triệu đồng.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Giống gạo ST25 và nguyên lý làm việc của cơ cấu tủ hấp cơm công nghiệp bằng hơi nước bão hòa.
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong thiết kế tủ hấp cơm 5 khay với năng suất 15 kg gạo ST25 cho mỗi lần nấu; kích thước thiết bị theo tính toán thực tế là 950 x 720 x 610 mm (chiều dài trung bình 72 cm, chiều rộng 61 cm, chiều cao 95 cm); chu kỳ làm việc 2 ca mỗi ngày.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án tập trung vào bản chất nhiệt động học của quá trình hấp cách thủy, trong đó năng lượng nhiệt từ hơi nước bão hòa ở không gian kín truyền vào hạt gạo để làm chín tinh bột. Tác giả vận dụng các định luật truyền nhiệt thực nghiệm, trọng tâm là phương thức đối lưu nhiệt giữa chất lỏng và hơi nước. Quá trình đối lưu tự nhiên diễn ra khi các phần tử nước nóng ở đáy buồng đốt giảm khối lượng riêng, dịch chuyển lên trên dưới tác dụng của lực đẩy Ác-si-mét, nhường chỗ cho các phần tử nước lạnh có khối lượng riêng lớn hơn chìm xuống. Năng lượng trao đổi được xác định qua hệ số tỏa nhiệt đối lưu $\alpha$ ($W/m^2\cdot K$), nhiệt dung riêng của các chất tham gia, cùng hệ số dẫn nhiệt của vách ngăn cách nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp 3 hình thức:

• Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Khai thác các giáo trình chuyên ngành cơ khí, kỹ thuật truyền nhiệt, kỹ thuật điện, bảng tra cứu thông số vật lý không khí, bảng nước và hơi bão hòa; khảo sát dữ liệu các đề tài tốt nghiệp tiền nhiệm và các sản phẩm thương mại trên thị trường (như TONGHENG, ITO, Cơ khí Viễn Đông, Bếp Hà Đông).
• Phương pháp quan sát: Khảo sát thực tế quy trình nấu tại các bếp ăn công nghiệp và xưởng sản xuất thiết bị để so sánh các giải pháp bố trí cửa, vách bảo ôn, hệ thống cấp xả nước và khay chứa.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình thực tế, vận hành chạy thử nghiệm qua 4 lần với các điều kiện khối lượng gạo ST25, tỷ lệ nước và thời gian cấp nhiệt khác nhau nhằm đo đạc nhiệt độ, kiểm soát tổn thất nhiệt và đánh giá độ nở, độ chín của cơm.

Dữ liệu tính toán dựa trên các bảng tra cứu nhiệt vật lý tiêu chuẩn kết hợp việc ứng dụng phần mềm kỹ thuật gồm AutoCAD để vẽ sơ đồ 2D, Autodesk Inventor dựng mô hình 3D và SolidWorks Simulation để mô phỏng ứng suất tĩnh, độ chuyển vị và hệ số an toàn cho khung tủ.

Thiết kế và triển khai

Thiết bị được thiết kế dựa trên nguyên lý cấp nhiệt gián tiếp bằng hơi nước bão hòa trong không gian kín. Nước được tự động cấp vào khoang đáy thông qua cụm phao cơ ngắt tự động bằng Inox 304 kết nối nguồn nước cấp. Khi mực nước đạt mức định chuẩn, thanh điện trở chùm công suất 9 kW (nguồn điện 380V ba pha) ngâm ngập trong nước được kích hoạt để chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng. Nước sôi bốc hơi bay lên khoang chứa các khay cơm; áp suất và nhiệt lượng hơi nước tích tụ trong lòng tủ kín làm sôi lượng nước trong khay gạo, thúc đẩy quá trình hồ hóa tinh bột làm cơm chín đều từ trên xuống dưới.

Quá trình phân tích và lựa chọn phương án thiết kế cho các cụm kết cấu cơ khí chính được tổng hợp chi tiết trong bảng so sánh sau:

Bộ phận kết cấu	Các phương án so sánh	Phương án lựa chọn	Cơ sở kỹ thuật lựa chọn
Cửa tủ	Phương án 1: Cửa gập 2 cánh Phương án 2: Cửa gập 1 cánh	Cửa gập 1 cánh	Giảm chi phí gia công, cấu tạo bản lề đơn giản, dễ dàng lắp đặt hệ thống gioăng cao su chịu nhiệt chống thất thoát hơi nước
Vỏ ngoài tủ	Phương án 1: Thép tấm Inox 304 dày 1-2 mm Phương án 2: Thép tấm cán nguội SPCC dày 1-2 mm	Thép tấm SPCC	Tiết kiệm chi phí vật tư, gia công chấn gấp và đột lỗ lắp ghép thuận tiện, bề mặt sơn tĩnh điện bảo vệ
Lòng tủ	Phương án 1: Thép tấm Inox 304 dày 1-2 mm Phương án 2: Thép tấm SPCC dày 1-2 mm	Thép tấm Inox 304	Chống oxy hóa và rỉ sét tuyệt đối trong môi trường hơi nước nhiệt độ cao, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm
Khung tủ	Phương án 1: Thép Inox hộp 20x20 mm, dày 1.5 mm Phương án 2: Thép hộp mạ kẽm 20x20 mm, dày 1.5 mm	Thép Inox hộp	Độ cứng vững cao, khả năng chịu tải trọng lớn, chống gỉ sét lâu dài dưới tác động của nhiệt ẩm rò rỉ
Giá đỡ khay	Phương án 1: Thép V Inox 304 25x25 mm, dày 2 mm Phương án 2: Inox tấm dập định hình	Thép V Inox 304	Chịu lực uốn tốt khi đỡ 5 khay cơm nặng, liên kết hàn chắc chắn, giá thành vật liệu và gia công thấp
Bộ phận cấp nước	Phương án 1: Cụm phao cơ tự ngắt Inox 304 Phương án 2: Cảm biến đo mực nước nóng lò hơi	Phao cơ Inox 304	Hoạt động tin cậy không phụ thuộc mạch điện tử, kết cấu cơ khí bền bỉ trong môi trường sôi, chi phí thấp, dễ thay thế
Thanh gia nhiệt	Phương án 1: Điện trở nước (U kép ngâm nước) Phương án 2: Thanh điện trở sấy có cánh tản nhiệt	Điện trở ngâm nước	Tốc độ truyền nhiệt vào chất lỏng nhanh nhất, hiệu suất chuyển đổi nhiệt cao, tránh cháy thanh nhiệt
Vách bảo ôn	Phương án 1: Bông thủy tinh cách nhiệt Phương án 2: Bông gốm Ceramic chịu nhiệt	Bông thủy tinh cách nhiệt	Hệ số dẫn nhiệt thấp, khả năng giữ nhiệt tốt trong dải 100°C của tủ cơm, chi phí rẻ hơn bông gốm

Trong quy trình triển khai tính toán:

• Nhóm tác giả xác định lượng nhiệt cần thiết để đưa hỗn hợp 15 kg gạo ST25 và lượng nước tương ứng trong 5 khay (kích thước mỗi khay 60 x 40 x 5 cm) từ nhiệt độ ban đầu lên 100°C.
• Xác định nhiệt lượng làm sôi lượng nước dự trữ ở đáy lòng tủ và tổn thất nhiệt qua các vách biên (2 mặt bên, mặt sau, nóc tủ), tổn thất qua cửa tủ, qua đáy và nhiệt lượng hấp thụ bởi 5 khay chứa bằng Inox.
• Từ đó, công suất thanh nhiệt được tính chọn ở mức 9 kW nhằm đảm bảo tổng thời gian sôi và nấu chín hoàn toàn dao động từ 40 đến 45 phút.
• Khung chịu lực được mô phỏng phần tử hữu hạn trên SolidWorks Simulation dưới tải trọng tĩnh phân bố của lòng tủ, nước và 5 khay cơm đầy; kết quả kiểm tra ứng suất cực đại nhỏ hơn giới hạn chảy của vật liệu Inox, chuyển vị biến dạng nằm trong giới hạn cho phép và hệ số an toàn đạt yêu cầu chịu lực.

Hệ thống điều khiển bao gồm tủ điện lắp đặt mạch động lực và mạch điều khiển với aptomat bảo vệ, khởi động từ, rơ le nhiệt, đèn báo pha và công tắc vận hành.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương này làm rõ tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của các bếp ăn công nghiệp và hợp đồng phối hợp chế tạo thiết bị cho xưởng sản xuất cơm cháy chà bông của Công ty CODIA. Tác giả trình bày ý nghĩa khoa học và thực tiễn, xác định mục tiêu chế tạo tủ hấp 5 khay đạt năng suất 15 kg gạo ST25/lần, thời gian nấu 40 - 45 phút, chi phí chế tạo dưới 12 triệu đồng. Đồng thời, chương 1 vạch rõ đối tượng, phạm vi kích thước 950 x 720 x 610 mm cùng cấu trúc 7 chương của đồ án tốt nghiệp.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Chương 2 giới thiệu tổng quan về hạt gạo và các giống gạo thông dụng tại Việt Nam gồm ST25, gạo nếp ngỗng và gạo lứt đen; trong đó nhấn mạnh các đặc tính cơ lý, phẩm cấp đoạt giải quốc tế của gạo thơm ST25 phục vụ làm nguyên liệu thực nghiệm. Phần tổng quan kỹ thuật khảo sát các dòng tủ hấp công nghiệp quốc tế (máy hấp TONGHENG, hệ thống tủ ITO Commercial Solution) và trong nước (Cơ khí Viễn Đông, Bếp Hà Đông), chỉ ra rằng thiết bị ngoại nhập có giá thành rất cao và công suất quá lớn, chưa tương thích tối ưu với các cơ sở chế biến thực phẩm quy mô vừa và nhỏ.

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung chương 3 phân tích quy trình nấu cơm thủ công tại hộ gia đình (năng suất 1 đến 1.8 kg/nồi) và đối chiếu với yêu cầu nấu quy mô lớn (20 kg/mẻ) trong bếp ăn công nghiệp. Tác giả trình bày bản chất cơ cấu hấp cách thủy bằng hơi bão hòa, phân tích quy luật đối lưu chất lỏng và chất khí dưới tác động của trường nhiệt độ và lực đẩy Ác-si-mét, thiết lập cơ sở toán học về hệ số tỏa nhiệt đối lưu $\alpha$ ($W/m^2\cdot K$) cùng các bảng số liệu tra cứu về tính chất vật lý của không khí, nước và hơi bão hòa.

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Chương này trình bày chi tiết về đối tác đặt hàng là Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA và các yêu cầu kỹ thuật cho dây chuyền cơm cháy chà bông. Tác giả thiết lập sơ đồ nguyên lý làm việc và bảng thông số kỹ thuật tổng thể (kích thước 950 x 720 x 610 mm, điện trở 9 kW, điện áp 380V, 5 khay 60 x 40 x 5 cm). Điểm trọng tâm của chương là việc lập bảng so sánh ưu - nhược điểm để đưa ra quyết định chọn lựa phương án tối ưu cho 8 bộ phận kết cấu: cửa 1 cánh, vỏ ngoài thép SPCC, lòng tủ Inox 304, khung thép hộp Inox, giá đỡ khay V Inox 304, phao cấp nước cơ học Inox 304, thanh điện trở chùm đun nước và lớp vách bảo ôn bông thủy tinh.

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHỌN CÁC BỘ PHẬN CỦA TỦ

Chương 5 tập trung vào toàn bộ các phép tính nhiệt học và cơ học. Tác giả tính toán kích thước lòng tủ, diện tích các bề mặt tỏa nhiệt; tính toán nhiệt lượng cung cấp cho hỗn hợp gạo và nước trong 5 khay đạt 100°C; tính thời gian làm sôi lượng nước bốc hơi ở đáy; tính toán lượng nhiệt tổn thất qua thành tủ (2 mặt bên, mặt sau, nóc), qua cửa tủ, qua đáy tủ và tổn thất vào khối lượng bản thân của 5 khay Inox. Dựa trên tổng nhiệt lượng yêu cầu, tác giả tính chọn công suất điện trở 9 kW để đáp ứng chu kỳ nấu 40 - 45 phút. Cuối chương, tác giả dùng phần mềm SolidWorks Simulation thiết lập tải trọng kiểm tra ứng suất, độ võng chuyển vị và hệ số an toàn của kết cấu khung thân tủ.

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM

Chương 6 mô tả chi tiết quy trình gia công chế tạo thực tế các chi tiết: cắt phôi, hàn khung sườn tủ, dập chấn thanh xương chữ U, hàn lòng tủ Inox, hàn cụm giá đỡ khay, gia công vỏ tủ điện và nắp tủ điện, chế tạo cánh cửa tủ. Tiếp đó là quá trình lắp ráp phao cơ cấp nước, thanh điện trở U kép, gioăng cao su làm kín, chèn các tấm bông thủy tinh cách nhiệt vào khe vách và đấu nối tủ điện điều khiển theo sơ đồ mạch động lực. Chương này công bố kết quả của 4 lần chạy thực nghiệm nấu cơm ST25 thực tế (lần 1 đến lần 4) với các bảng ghi nhận thông số thời gian, lượng điện tiêu thụ và hình ảnh đánh giá chất lượng hạt cơm sau từng lần nấu.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả cụ thể về mặt thiết kế chế tạo và thực nghiệm kiểm chứng:

• Chế tạo hoàn chỉnh 01 mô hình tủ hấp cơm công nghiệp thực tế với thông số kỹ thuật đúng theo thiết kế: kích thước bao 950 x 720 x 610 mm, lòng tủ chứa 5 tầng giá đỡ tương ứng 5 khay cơm kích thước 60 x 40 x 5 cm, hệ thống gia nhiệt bằng điện trở chùm công suất 9 kW sử dụng nguồn điện ba pha 380V.
• Kết quả thực nghiệm qua 4 đợt chạy máy cho thấy thiết bị vận hành ổn định, thời gian gia nhiệt và nấu chín hoàn toàn 15 kg gạo ST25 đạt mức 40 đến 45 phút mỗi mẻ. Cơm chín đều từ khay trên cùng đến khay dưới cùng, hạt cơm nở xốp, dẻo, giữ được mùi thơm đặc trưng của gạo ST25, không xuất hiện hiện tượng sượng hạt, nhão bề mặt hoặc cháy khê vón cục ở đáy khay.
• Đề xuất giải pháp kết hợp vật liệu tối ưu chi phí: sử dụng thép tấm cán nguội SPCC cho vỏ ngoài bao che và chỉ dùng Inox 304 cho các bộ phận tiếp xúc nhiệt ẩm và thực phẩm (lòng tủ, khay cơm, phao cơ, giá đỡ). Giải pháp này giúp kiểm soát tổng giá thành chế tạo máy ở mức dưới 12 triệu đồng, đáp ứng trực tiếp yêu cầu tài chính của doanh nghiệp chế biến thực phẩm quy mô vừa và nhỏ.
• Sản phẩm được nghiệm thu kỹ thuật và chuyển giao trực tiếp cho Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA để tích hợp vào công đoạn nấu chín nguyên liệu trong dây chuyền sản xuất cơm cháy chà bông khép kín.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được xác định từ phạm vi và kết quả thực nghiệm:

• Tính cơ động của thiết bị chưa cao do phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn cấp điện 380V công suất lớn cố định tại nhà xưởng.
• Cụm cấp nước sử dụng cơ cấu phao cơ Inox 304 tuy đơn giản và tiết kiệm chi phí nhưng khi vận hành dài hạn trong môi trường nhiệt độ cao và áp suất hơi nước liên tục có thể phát sinh hiện tượng nhờn ren, hở gioăng van chặn dẫn đến rò rỉ nước.
• Lớp vỏ ngoài bằng thép SPCC đòi hỏi người vận hành phải bảo quản và lau chùi vệ sinh cẩn thận để tránh nguy cơ ố vàng hoặc rỉ sét bề mặt do môi trường bếp có độ ẩm cao.
• Dữ liệu thực nghiệm của đồ án chủ yếu tập trung đánh giá trên một loại nguyên liệu duy nhất là giống gạo ST25.

Hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

• Nghiên cứu thay thế phao cơ bằng hệ thống cảm biến mức nước điện tử chịu nhiệt cao kết hợp van điện từ nhằm tăng độ chính xác và cảnh báo tự động khi mất nguồn nước cấp.
• Mở rộng thực nghiệm hấp trên các loại gạo khác (gạo nếp, gạo lứt) và các loại thực phẩm khác như bánh bao, giò chả, thủy hải sản để tối ưu hóa biểu đồ nhiệt cho từng loại nguyên liệu.
• Nâng cấp tủ điều khiển sang hệ thống vi điều khiển hoặc PLC mini có tích hợp cảm biến nhiệt độ buồng hấp, cho phép cài đặt hẹn giờ nấu và tự động chuyển sang chế độ ủ giữ nhiệt sau khi kết thúc chu trình.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Công nghệ Nhiệt - Điện lạnh và Kỹ thuật Thực phẩm đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết bị gia nhiệt thực phẩm. Phần đáng tham khảo nhất của công trình là phương pháp tính toán cân bằng nhiệt chi tiết (xác định nhiệt lượng hữu ích, nhiệt lượng bốc hơi và các thành phần tổn thất nhiệt qua từng bề mặt vách tủ), quy trình phân tích lựa chọn vật liệu kỹ thuật kết hợp giữa thép SPCC và Inox 304 nhằm hạ giá thành chế tạo, cùng phương pháp ứng dụng phần mềm SolidWorks Simulation để mô phỏng tải trọng tĩnh kiểm tra độ bền khung sườn cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Tủ hấp cơm trong đề tài được thiết kế nhằm phục vụ công đoạn nào trong thực tế sản xuất?
Tủ hấp được thiết kế chuyên biệt để đảm nhận công đoạn hấp chín nguyên liệu gạo ST25 trong dây chuyền sản xuất cơm cháy chà bông thương phẩm của Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA, trước khi cơm được chuyển sang các công đoạn đánh tơi, định hình ép bánh, sấy, chiên và đóng gói.

2. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn vật liệu thép tấm SPCC cho vỏ ngoài thay vì dùng toàn bộ bằng Inox 304?
Việc sử dụng thép cán nguội SPCC dày 1-2 mm cho vỏ ngoài nhằm mục tiêu tối ưu hóa chi phí chế tạo để đưa giá thành tổng thể xuống dưới mức 12 triệu đồng theo yêu cầu của đối tác. Thép SPCC dễ gia công chấn dập, có chi phí thấp hơn nhiều so với Inox, trong khi yêu cầu chống ăn mòn và vệ sinh an toàn thực phẩm đã được đảm bảo tuyệt đối ở lòng tủ bên trong nhờ lớp Inox 304.

3. Kích thước và thông số kỹ thuật chính thức của tủ hấp sau khi hoàn thiện là bao nhiêu?
Thiết bị có kích thước phủ bì thực tế là 950 x 720 x 610 mm, gồm 5 tầng chứa 5 khay cơm kích thước 60 x 40 x 5 cm. Hệ thống sử dụng nguồn điện ba pha 380V, thanh nhiệt biến trở công suất 9 kW, cho năng suất đạt 15 kg gạo ST25 mỗi mẻ với thời gian nấu từ 40 đến 45 phút.

4. Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng phần mềm kỹ thuật nào để kiểm tra kết cấu khung tủ trước khi chế tạo?
Tác giả đã sử dụng phần mềm SolidWorks Simulation để thực hiện bài toán mô phỏng phần tử hữu hạn, kiểm tra độ bền tĩnh của khung thép Inox hộp dưới tác dụng của trọng lượng bản thân tủ, nước và tải trọng 5 khay cơm. Kết quả mô phỏng cung cấp các trường ứng suất Von Mises, biểu đồ chuyển vị và hệ số an toàn của khung máy.

5. Cơ chế cấp nước và an toàn nhiệt của tủ vận hành ra sao?
Hệ thống sử dụng một cụm phao cơ tự ngắt bằng Inox 304 bố trí tại khoang đáy để tự động mở van dẫn nước vào buồng đun và tự ngắt khi mực nước đạt ngưỡng quy định, đảm bảo thanh điện trở luôn ngập hoàn toàn trong nước để tránh cháy điện trở do cạn nước. Thân tủ được bọc một lớp bông thủy tinh cách nhiệt ở giữa vách trong và vỏ ngoài nhằm hạn chế truyền nhiệt thất thoát ra môi trường xung quanh.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tủ hấp cơm công nghiệp" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán từ tính toán lý thuyết truyền nhiệt, thiết kế cơ khí 3D đến chế tạo thực tế một mẫu tủ hấp 5 khay năng suất 15 kg gạo/mẻ. Thiết bị vận hành ổn định bằng nguồn điện 380V với thanh nhiệt 9 kW, giúp rút ngắn thời gian nấu còn 40 - 45 phút và đảm bảo chất lượng cơm chín đồng đều, đạt chuẩn vệ sinh thực phẩm. Sản phẩm không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra với chi phí dưới 12 triệu đồng mà còn được bàn giao, ứng dụng thực tế vào dây chuyền sản xuất của Công ty CODIA.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Tính cấp thiết của đề tài - Hiện nay, các thiết bị nấu cơm tiến tiến đã len lỏi vào bên trong các quán ăn, nhà hàng, những bếp ăn công nghiệp. Phổ biến nhất vẫn là nồi cơm điện, nồi cơm sử dụng gas và lớn hơn nữa là các nồi cơm công nghiệp. Nhưng với yêu cầu ngày một cao của xã hội ngày liệu các thiết bị như nồi cơm công nghiệp có thể đáp ứng được những yêu cầu và giải quyết được các vấn đề khó khăn của các quán ăn, nhà hàng.

Vì vậy tủ nấu cơm công nghiệp đã ra đời mang đến nhiều lợi ích cho các mô hình kinh doanh bếp ăn. - Đối với các nhà hàng, khách sạn kinh doanh ẩm thực quy mô lớn hay các bếp ăn tập thể như: Căn tin trường học các cấp, các khu công nghiệp, bếp ăn nhà xưởng cho công nhân, bệnh viện, doanh trại quân đội…Thì các thiết bị nồi cơm điện hay nồi cơm gas là chưa đủ để phục vụ cùng 1 lúc với số lượng lớn vài chục đến vài trăm người ăn, cụ thể:  Nồi cơm điện, nồi cơm gas hay nồi cơm công nghiệp có hình dáng khá cồng kềnh chiếm điện tích và di chuyển khá khó khăn.  Nấu được các thiết bị trên cần đòi hỏi người phải có kinh nghiệm già dặn, giúp định lượng được lượng gạo và nước bỏ vào trong nồi.  Khi sử dụng lâu thì nấu sẽ không còn được ngon, lớp cơm dưới nồi sẽ bị khô cháy dẫn dến không ăn được gây lãng phí.

 Một lần nấu được số lượng ít, mấy chục kg gạo trong nồi khó có thể định lượng được nước và hay dẫn đến tình trạng cơm sống, nhão hay bị khô, vất vả cho người nấu.1 Nồi cơm điện công nghiệp 50 lít 1 - Nếu để ý kỹ chúng ta sẽ thấy, nồi cơm công nghiệp được sử dụng khá phổ biến trong các quán ăn bình dân quy mô nhỏ, nếu sử dụng để phục vụ số lượng đông người thì cần phải 2, 3 chiếc cùng 1 lúc có lúc nhiều hơn như vậy rất tốn rất nhiều thời gian, thao tác lặp lại, thực hiện nhiều lần, tốn rất nhiều về chi phí, nhân công và sức lực. - Nhận thấy được những khó khăn, bất tiện trong việc nấu cơm và cùng lúc này với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, những công nghệ tiên tiến mới nhất xuất hiện. Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA đã đề xuất dự án làm tủ hấp cơm cùng với sự tin tưởng của giáo viên hướng dẫn nhóm đã được giao cho nhiệm vụ thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tủ hấp cơm công nghiệp” đây sẽ là một thiết bị thiết thực, với nhiều chức năng, tiện ích và có ứng dụng rộng rãi, độ bền cao, mang tính hiện đại cùng với công suất hoạt động mạnh mẽ hơn để đáp ứng nhu cầu trên. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 1.

Ý nghĩa khoa học - Đề tài tạo cho người thực hiện có cơ hội để vận dụng những kiến thức đã được học đưa vào thực tế từ đó nhận ra được những thiếu sót của bản thân, đồng thời cũng tạo điều kiện để học hỏi, nâng cao khả năng sáng tạo hơn trong quá trình làm việc. - Đề tài cũng tạo điều kiện để nghiên cứu, chế tạo tủ với yêu cầu của khách hàng là tiết kiệm thời gian, nâng cao năng suất nhưng sản phẩm cho ra vẫn đạt yêu cầu.