Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việt Nam sở hữu điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa đặc trưng với nền nhiệt và độ ẩm cao, tạo tiền đề thuận lợi cho thâm canh cây ăn trái. Trong cơ cấu cây trồng nông nghiệp, thanh long là mặt hàng xuất khẩu chủ lực và thường nằm trong nhóm nông sản xuất khẩu đạt kim ngạch trên một tỷ USD. Thanh long thích nghi trên nhiều loại thổ nhưỡng khác nhau, từ đất xám bạc màu (Bình Thuận), đất phèn (Thành phố Hồ Chí Minh), đất đỏ (Đồng Nai) đến đất phù sa pha cát (Tiền Giang, Long An). Về mặt sinh học và dinh dưỡng, thịt quả thanh long có hàm lượng calo thấp nhưng chứa nhiều chất xơ, vitamin C, khoáng chất vi lượng cùng các hợp chất có hoạt tính sinh học nhạy nhiệt như betacyanins và betaxanthins.

Tuy nhiên, chuỗi giá trị và thị trường tiêu thụ thanh long tươi Việt Nam đối mặt với nhiều biến cố nghiêm trọng. Dưới tác động của đợt bùng phát dịch Covid-19 lần thứ tư, hoạt động thu hoạch, vận chuyển và thông quan bị đình trệ; thị trường xuất khẩu trọng điểm là Trung Quốc (vốn chiếm hơn 80% thị phần) siết chặt kiểm dịch và đóng cửa một số cửa khẩu biên giới. Bên cạnh đó, áp lực cạnh tranh gia tăng từ Thái Lan và Malaysia, cùng với chi phí logistics quốc tế tăng vọt, đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển công nghệ chế biến sâu nhằm kéo dài thời gian bảo quản, giảm thiểu chi phí bao bì, vận tải và giải quyết tình trạng dư thừa nông sản sau thu hoạch.

Trong các phương pháp chế biến nước ép trái cây, công nghệ cô đặc đóng vai trò nòng cốt. Phương pháp cô đặc nhiệt truyền thống (kể cả cô đặc chân không) làm tổn thất nghiêm trọng các cấu tử hương thơm dễ bay hơi—theo Milleville và Eskew (1946), 10% lượng hơi nước bốc đầu tiên đã cuốn đi phần lớn hợp chất mùi đặc trưng—đồng thời nhiệt độ cao phân hủy các chất chống oxy hóa tự nhiên. Phương pháp cô đặc lạnh (freeze concentration) khắc phục được các nhược điểm trên nhờ vận hành ở nhiệt độ âm dưới điểm đóng băng của dung môi, loại bỏ nước dưới dạng tinh thể đá tinh khiết mà không làm biến tính các hợp chất nhạy cảm với nhiệt. Dù vậy, các hệ thống cô đặc lạnh thương mại thường có vốn đầu tư rất cao và phụ thuộc vào công nghệ ngoại nhập.

Từ bối cảnh thực tiễn và kỹ thuật đó, đồ án tốt nghiệp xác định các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  • Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống cô đặc lạnh năng suất 5 lít/mẻ ứng dụng cho nguyên liệu nước ép thanh long ruột đỏ.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu:
    1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về nguyên liệu thanh long và công nghệ cô đặc lạnh.
    2. Xác định các thông số công nghệ cần thiết cho tính toán thiết kế và xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ thống cô đặc lạnh năng suất 5 lít/mẻ.
    3. Tính toán, thiết kế chi tiết các thiết bị chính và thiết bị phụ của hệ thống.
    4. Chế tạo hệ thống cô đặc lạnh bằng các phương pháp cơ khí gia công thực tế.
    5. Thiết kế và lắp đặt hệ thống tự động điều khiển tích hợp phần cứng và phần mềm.
    6. Khảo nghiệm hệ thống để xác lập tính hiệu quả và chế độ công nghệ thích hợp khi vận hành.
    7. Xây dựng quy trình công nghệ cô đặc lạnh áp dụng cho nước ép trái cây.
    8. Tính toán các chỉ tiêu kinh tế cho quá trình cô đặc lạnh và thiết bị chế tạo.
    9. Đưa ra kết luận và các kiến nghị kỹ thuật phục vụ việc phát triển thiết bị.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thiết bị cô đặc lạnh quy mô thực nghiệm và nguyên liệu nước ép thanh long ruột đỏ (Hylocereus monacanthus / Hylocereus polyrhizus).
    • Giới hạn và phạm vi: Thiết bị cô đặc gián đoạn theo mẻ với năng suất cố định 5 lít/mẻ nguyên liệu đầu vào; nghiên cứu và triển khai chế tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian hơn 7 tháng (hoàn thành tháng 12/2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nhiệt động lực học quá trình kết tinh dung môi từ dung dịch thực phẩm lỏng. Theo giản đồ pha kết tinh hai cấu tử (nước và chất tan), khi hạ nhiệt độ dung dịch xuống dưới điểm đóng băng (theo định luật hạ băng điểm do các chất tan phân tử lượng thấp như đường tạo nên), nước sẽ tách pha tạo thành các mầm tinh thể đá tinh khiết. Sự kết tinh trải qua ba giai đoạn: hình thành mầm tinh thể, phát triển mạng tinh thể và kết tinh đồng loạt. Sau đó, pha lỏng cô đặc được tách khỏi pha rắn bằng phương pháp phân riêng cơ học trước khi hệ đạt đến điểm eutectic (điểm cùng tinh, nơi cả chất tan và dung môi kết tinh đồng thời).

Về mặt công nghệ, nghiên cứu phân tích hai dạng kết tinh: kết tinh dạng huyền phù (suspension freeze concentration) và kết tinh dạng màng (film freeze concentration). Khi nồng độ chất tan tăng lên, độ nhớt của dung dịch tăng mạnh theo hàm số mũ của nhiệt độ thấp và nồng độ, làm giảm tốc độ phát triển tinh thể và cản trở quá trình phân riêng, giới hạn nồng độ chất khô thực tế của phương pháp cô đặc lạnh trong khoảng 40–50% Brix.

Chu trình nhiệt động được sử dụng là chu trình máy lạnh nén hơi một cấp có thiết bị hồi nhiệt, sử dụng môi chất lạnh R404A. Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng được xây dựng dựa trên nguyên lý bảo toàn khối lượng và nhiệt lượng trao đổi qua các vách truyền nhiệt của bể cô đặc, dàn bay hơi, thiết bị hồi nhiệt và thiết bị ngưng tụ.

Các phương pháp nghiên cứu được triển khai đồng bộ bao gồm:

  • Phương pháp tiếp cận hệ thống: Xem xét mối quan hệ tương hỗ giữa hệ thống nhiệt lạnh, kết cấu cơ khí, đặc tính lưu biến của thực phẩm và thuật toán điều khiển tự động.
  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu phân tích – tổng hợp: Phân tích dữ liệu từ các công trình nghiên cứu về cấu tạo máy lạnh, cơ chế đóng băng thực phẩm và đặc tính hóa lý của thanh long (dựa trên các tài liệu công bố của PGS. Nguyễn Tấn Dũng, Lee-Fong Siow, Mercado-Silva, Heldman, Raventós).
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Áp dụng các công thức tính toán truyền nhiệt, tính phụ tải lạnh, tính chọn máy nén, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của dàn bay hơi và ngưng tụ; xây dựng bản vẽ kỹ thuật 2D/3D.
  • Phương pháp chế tạo cơ khí: Sử dụng các nguyên công gia công kim loại thực tế gồm cắt gọt kim loại (tiện, phay, bào, khoan), phương pháp hàn (hàn TIG cho inox), uốn/nắn kim loại và xử lý bề mặt, đánh bóng inox chống ăn mòn hóa học.
  • Phương pháp khảo nghiệm và hiệu chỉnh thực nghiệm: Đo đạc nhiệt độ, áp suất chu trình lạnh, thời gian làm lạnh kết tinh, kiểm tra nồng độ chất khô (°Brix) bằng khúc xạ kế để xác định hiệu suất thu hồi sản phẩm và tỷ lệ tổn thất chất khô.

Nguồn dữ liệu trong đồ án được thu thập trực tiếp từ kết quả đo đạc thực nghiệm khi vận hành hệ thống chế tạo, kết hợp với các bảng tra nhiệt động lực học của môi chất R404A và các thông số vật lý của nguyên liệu thanh long.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cô đặc lạnh năng suất 5 lít/mẻ được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh dưới dạng một tổ hợp máy tích hợp cơ khí - nhiệt lạnh - tự động điều khiển, bao gồm các cụm chức năng chính:

Cụm thiết bị Thông số kỹ thuật và vật liệu chế tạo Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Bể cô đặc (BCĐ) Hình hộp chữ nhật, dung tích 10 lít; thân tiếp xúc thực phẩm bằng inox 304, vỏ ngoài bằng thép CT3 bọc vật liệu cách nhiệt Chứa nguyên liệu nước ép (5L/mẻ), diễn ra quá trình trao đổi nhiệt làm lạnh kết tinh nước đá
Dàn bay hơi (ống gas) 06 ống uốn bằng vật liệu inox 304, chiều dài mỗi ống 1500 mm, bố trí ngập trực tiếp trong lòng bể cô đặc Môi chất R404A sôi thu nhiệt trực tiếp từ dịch ép, tạo bề mặt kết tinh màng băng
Máy nén lạnh (MN) Máy nén dạng kín (hermetic compressor), chuyên dùng cho môi chất lạnh R404A Nén hơi môi chất từ áp suất bay hơi lên áp suất ngưng tụ của chu trình
Thiết bị ngưng tụ (TBNT) Dàn ngưng làm mát bằng không khí cưỡng bức, kết hợp quạt tản gió Thải nhiệt của môi chất ra môi trường, ngưng tụ hơi gas thành lỏng cao áp
Thiết bị hồi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống / ống lồng lỏng - hơi Quá lạnh lỏng trước van tiết lưu và quá nhiệt hơi trước khi về máy nén
Cụm thiết bị phụ chu trình lạnh Bình chứa cao áp (BCCA), bình tách lỏng (BTL), phin sấy lọc, mắt gas, van tiết lưu (VTL), van điện từ (VĐT) Tích trữ lỏng, ngăn ngừa hiện tượng ngập lỏng máy nén, lọc ẩm và điều tiết áp suất
Bể đun nước nóng xả băng Thể tích 6 lít, gia công bằng vật liệu inox 304, tích hợp điện trở gia nhiệt hình chữ U và bơm tuần hoàn Cung cấp nước nóng giải phóng nhanh lớp băng bám trên bề mặt ống gas sau khi phân riêng
Khung máy tổng thể Khung kim loại chịu lực, phủ sơn bảo vệ chống gỉ sét, chân đế định vị Nâng đỡ toàn bộ tổ hợp máy nén, bể cô đặc, dàn nóng và tủ điện điều khiển

Hệ thống tự động điều khiển được thiết kế theo cấu trúc module linh hoạt:

  • Phần cứng điều khiển: Bộ vi điều khiển trung tâm Indruino Controller kết hợp hệ thống relay trung gian, cảm biến nhiệt độ gắn tại bể cô đặc và chu trình lạnh, van điện từ và các áp kế giám sát áp suất hút/nén. Giao diện vận hành sử dụng màn hình cảm ứng kết hợp hệ thống nút ấn cơ học on/off cho từng thiết bị ngoại vi.
  • Phần mềm và thuật toán vận hành: Chương trình điều khiển được lập trình với hai chế độ hoạt động:
    • Chế độ thủ công (MANUAL): Cho phép người vận hành can thiệp cưỡng bức, bật/tắt độc lập máy nén, quạt tản nhiệt dàn ngưng, bơm dịch, điện trở gia nhiệt bể nước nóng và van xả băng để phục vụ công tác kiểm tra, bảo trì hoặc xử lý sự cố.
    • Chế độ tự động (AUTO): Tự động kiểm soát toàn bộ chu trình cô đặc. Hệ thống tự động kích hoạt chế độ làm lạnh đến điểm kết tinh của dịch ép, duy trì nhiệt độ tạo mầm và phát triển băng; sau khi hoàn tất thời gian cô đặc định trước, hệ thống cảnh báo chuyển sang công đoạn bơm tách dịch cô đặc ra ngoài và kích hoạt chu trình bơm tuần hoàn nước nóng phá băng trên bề mặt dàn ống bay hơi để sẵn sàng cho mẻ tiếp theo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về quá trình cô đặc trong công nghệ hóa học và thực phẩm, phân tích bản chất của phương pháp cô đặc nhiệt (bay hơi) và phương pháp cô đặc lạnh (kết tinh phân riêng). Tác giả làm rõ các ưu điểm vượt trội của cô đặc lạnh trong việc bảo tồn hương thơm, màu sắc tự nhiên và hạn chế tối đa các biến đổi hóa sinh không mong muốn của thực phẩm nhạy cảm nhiệt. Chương này cũng trình bày tổng quan chi tiết về nguyên liệu thanh long: phân loại thực vật học (chi Hylocereus), đặc điểm các loài phổ biến (H. undatus, H. monacanthus, H. costaricensis), thành phần dinh dưỡng trong 100g thịt quả, cấu trúc và hoạt tính chống oxy hóa của các sắc tố betalain (betacyanin và betaxanthin). Đồng thời, tác giả khảo cứu quy trình sản xuất nước ép trái cây cô đặc lạnh và tổng hợp tình hình nghiên cứu thiết bị cô đặc lạnh trong và ngoài nước.

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

Nội dung chương 2 tập trung vào việc xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc lạnh và xác định hệ phương pháp luận ứng dụng trong đề tài. Tác giả chi tiết hóa các bước tiếp cận hệ thống từ phân tích lý thuyết, tổng hợp tài liệu đến tính toán thiết kế kỹ thuật. Các phương pháp gia công cơ khí được mô tả theo trình tự công nghệ: phương pháp cắt gọt kim loại, phương pháp uốn ống, phương pháp hàn TIG để ghép nối vật liệu inox 304 và CT3, kỹ thuật đánh bóng bề mặt nhằm đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh tiếp xúc thực phẩm. Chương này đóng vai trò thiết lập khung kỹ thuật cho toàn bộ quá trình tính toán và gia công ở các chương sau.

Chương 3: Tính toán thiết kế và chế tạo

Chương 3 là phần trọng tâm về kỹ thuật của đồ án, bắt đầu từ việc xác lập các thông số ban đầu: năng suất mẻ $5\text{ lít}$, nồng độ chất khô dịch ép ban đầu $x_d = 10%$, nồng độ chất khô sản phẩm mục tiêu $x_c = 45%$. Tác giả thực hiện các bước tính toán cân bằng vật chất để xác định lượng nước cần kết tinh tách ra và khối lượng sản phẩm thu được, tính toán cân bằng năng lượng và phụ tải lạnh của chu trình. Từ kết quả tính toán, tác giả lựa chọn và tính toán các thiết bị chính: chọn máy nén lạnh R404A, thiết kế bể cô đặc 10 lít bằng inox 304 bọc thép CT3, tính toán dàn bay hơi gồm 6 ống inox 304 chiều dài 1500 mm uốn cong, tính chọn thiết bị ngưng tụ giải nhiệt gió, thiết bị hồi nhiệt, van tiết lưu, bình tách lỏng, bình chứa cao áp, bể nước nóng phá băng 6 lít gắn điện trở gia nhiệt chữ U và đường ống dẫn môi chất. Chương này cung cấp hệ thống bản vẽ chế tạo và quy trình lắp ráp hoàn thiện mô hình.

Chương 4: Thiết kế hệ thống tự động điều khiển

Chương 4 trình bày giải pháp tự động hóa cho hệ thống cô đặc lạnh. Tác giả phân tích các yêu cầu công nghệ của hệ thống điều khiển nhằm duy trì chính xác nhiệt độ kết tinh và tự động hóa quy trình phân riêng - xả băng. Phần cứng điều khiển sử dụng bo mạch vi điều khiển Indruino Controller, hệ thống mạch điện nguồn và động lực, relay trung gian, van điện từ và các rơ-le nhiệt/áp suất bảo vệ. Về phần mềm, chương này mô tả kiến trúc chương trình điều khiển, lưu đồ thuật toán và thiết kế giao diện đồ họa tương tác trên màn hình cảm ứng, bao gồm màn hình tổng thể, giao diện điều khiển cưỡng bức bằng tay (MANUAL) và giao diện vận hành chu trình tự động (AUTO).

Chương 5: Vận hành thử nghiệm và hiệu chỉnh

Chương 5 trình bày quá trình thực nghiệm vận hành máy với nguyên liệu thực tế là nước ép thanh long ruột đỏ. Bố trí thí nghiệm nhằm xác định thời gian cô đặc thực tế, theo dõi sự thay đổi nồng độ chất khô (°Brix) theo thời gian, đo lường nhiệt độ sôi của môi chất trong dàn ống và nhiệt độ đông đặc của dung dịch. Tác giả thiết lập công thức xác định hiệu suất thu hồi sản phẩm và tỷ lệ tổn thất chất khô bám dính theo các tinh thể đá trong quá trình phân riêng. Trên cơ sở số liệu thu được, tác giả tiến hành hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của hệ thống như lưu lượng tiết lưu, chu kỳ xả băng của bể nước nóng và đưa ra quy trình thao tác vận hành chuẩn cho thiết bị.

Chương 6: Tính kinh tế

Chương 6 phân tích hiệu quả kinh tế của mô hình thiết bị đã chế tạo. Tác giả lập bảng dự toán chi phí chi tiết cho quá trình thi công chế tạo hệ thống (bao gồm chi phí vật tư cơ khí inox, thép CT3, máy nén, thiết bị trao đổi nhiệt, linh kiện điện - tự động hóa Indruino và công gia công). Dựa trên định mức tiêu hao nguyên liệu nước ép thanh long, điện năng tiêu thụ của máy nén và điện trở, tác giả tính toán giá thành sản xuất cho một đơn vị sản phẩm nước thanh long cô đặc lạnh và xác định thời gian hoàn vốn đầu tư của thiết bị khi đưa vào khai thác sản xuất.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:

    • Tính toán, thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống cô đặc lạnh hoàn chỉnh với các thông số làm việc thực tế: dung tích bể cô đặc 10 lít, xử lý mẻ 5 lít nước ép thanh long ruột đỏ; dàn ống bay hơi gồm 6 ống inox 304 uốn cong (chiều dài mỗi ống 1500 mm); bể nước nóng phá băng thể tích 6 lít gắn điện trở gia nhiệt chữ U.
    • Hệ thống làm lạnh sử dụng môi chất R404A hoạt động ổn định với chu trình có thiết bị hồi nhiệt, bình tách lỏng và bình chứa cao áp, đảm bảo an toàn cho máy nén và tăng hiệu quả nhiệt động.
    • Khảo nghiệm thực nghiệm chứng minh thiết bị có khả năng nâng nồng độ chất khô của dịch ép thanh long từ nồng độ ban đầu $x_d = 10%$ lên đến nồng độ sản phẩm $x_c = 45%$, giữ được màu sắc đỏ tím đặc trưng và giá trị dinh dưỡng của dịch ép.
    • Tích hợp thành công tủ điện tự động hóa với bộ điều khiển Indruino Controller và màn hình điều khiển cảm ứng, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ vận hành MANUAL và AUTO.

  • Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật từ tác giả:

    • Toàn bộ các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với dịch ép (thân trong bể cô đặc, cụm ống bay hơi, van xả) bắt buộc phải gia công từ thép không gỉ inox 304 và được đánh bóng bề mặt để chống ăn mòn axit thực phẩm và đảm bảo an toàn vệ sinh.
    • Ứng dụng bể nước nóng phụ trợ kết hợp bơm tuần hoàn để phá băng cục bộ nhanh chóng sau khi xả dịch cô đặc, giúp giải phóng màng băng bám trên dàn ống bay hơi mà không làm ảnh hưởng đến độ bền cơ học của hệ thống ống.
    • Kiến nghị tối ưu hóa thuật toán điều khiển nhiệt độ để kiểm soát tốc độ tạo mầm băng, hạn chế hiện tượng các tinh thể đá bẫy và giữ lại chất tan trong cấu trúc mạng tinh thể.

  • Đóng góp của đồ án:

    • Về mặt khoa học: Thiết lập hệ phương pháp tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và lựa chọn thiết bị cho chu trình cô đặc lạnh thực phẩm dạng lỏng; cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về hành vi kết tinh của dịch ép thanh long ruột đỏ trong thiết bị kết tinh màng.
    • Về mặt thực tiễn: Làm chủ quy trình chế tạo hệ thống cô đặc lạnh từ nguồn vật tư và gia công cơ khí trong nước, tạo ra mô hình máy hoạt động hiệu quả với chi phí đầu tư thấp hơn đáng kể so với thiết bị nhập ngoại; mở ra hướng công nghệ mới giúp ngành chế biến nông sản chủ động bảo quản, nâng cao giá trị gia tăng cho trái thanh long Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu:

    • Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm với năng suất nhỏ (5 lít/mẻ), vận hành gián đoạn theo từng mẻ đơn lẻ, chưa phát triển thành hệ thống cô đặc lạnh liên tục.
    • Sự gia tăng độ nhớt của dung dịch khi nồng độ chất khô đạt trên 40–45% làm giảm đáng kể tốc độ trao đổi nhiệt và gây khó khăn cho quá trình tách triệt để dịch cô đặc ra khỏi các tinh thể đá bám trên bề mặt dàn ống.
    • Văn bản chưa khảo sát sâu sự biến đổi chi tiết của từng thành phần hoạt chất sinh học (hàm lượng vitamin C, nồng độ betacyanin) bằng các phương pháp phân tích sắc ký hiện đại trước và sau cô đặc.

  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:

    • Nghiên cứu nâng cấp công suất thiết bị lên quy mô pilot (bán công nghiệp) hoặc quy mô công nghiệp phục vụ các hợp tác xã chế biến trái cây.
    • Cải tiến kết cấu cơ khí của bộ phận tách đá (nghiên cứu kết hợp cơ cấu cạo băng hoặc hệ thống ly tâm tách màng) nhằm giảm thiểu tổn thất chất khô bám dính theo tinh thể đá.
    • Mở rộng khảo nghiệm công nghệ cô đặc lạnh trên hệ thống đối với các loại dịch quả nhạy cảm nhiệt khác như nước cam, nước ép dứa, dịch chiết trà và cà phê.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Nhiệt – Máy lạnh và Cơ khí Chế tạo máy chế biến nông sản thực phẩm. Cụ thể:

  • Đối với sinh viên và cán bộ kỹ thuật ngành Công nghệ Thực phẩm: Đồ án cung cấp bức tranh toàn diện về công nghệ cô đặc lạnh, các số liệu biến đổi hóa lý của nguyên liệu thanh long, cùng quy trình công nghệ vận hành thiết bị kết tinh phân riêng ở nhiệt độ thấp.
  • Đối với sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh: Toàn bộ Chương 3 là tài liệu mẫu mực về phương pháp tính toán phụ tải lạnh, chu trình hồi nhiệt R404A, tính chọn công suất máy nén và thiết kế bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi, thiết bị ngưng tụ dạng ống lồng và làm mát bằng không khí.
  • Đối với kỹ sư Cơ điện tử và Tự động hóa: Chương 4 đem lại giải pháp thực tế về việc ứng dụng vi điều khiển Indruino Controller kết hợp màn hình cảm ứng để xây dựng hệ thống điều khiển tự động cho thiết bị công nghệ chế biến.

Câu hỏi thường gặp

1. Nồng độ chất khô ban đầu và nồng độ chất khô mục tiêu của sản phẩm nước ép thanh long trong đồ án là bao nhiêu?
Các thông số tính toán ban đầu được xác định rõ: nồng độ chất khô ban đầu của dịch ép thanh long ruột đỏ là $x_d = 10%$, và nồng độ chất khô của sản phẩm cô đặc lạnh mục tiêu đạt $x_c = 45%$.

2. Môi chất lạnh được lựa chọn cho chu trình làm việc của hệ thống là loại nào và có các thiết bị phụ trợ nào đi kèm?
Hệ thống sử dụng môi chất lạnh R404A trong chu trình nén hơi một cấp có thiết bị hồi nhiệt. Các thiết bị phụ trợ trong chu trình bao gồm: bình tách lỏng (ngăn ngập lỏng máy nén), bình chứa cao áp (tích trữ môi chất lỏng sau dàn ngưng), phin sấy/lọc, van tiết lưu có bầu cảm nhiệt, van điện từ và mắt gas để quan sát trạng thái dòng môi chất.

3. Kết cấu của bể cô đặc và dàn ống bay hơi trao đổi nhiệt được thiết kế như thế nào?
Bể cô đặc có dạng hình hộp chữ nhật với dung tích toàn phần 10 lít; lòng bể tiếp xúc với thực phẩm được làm bằng thép không gỉ inox 304, vỏ ngoài bằng thép CT3 bọc lớp cách nhiệt. Dàn ống gas bay hơi bố trí ngập trong bể gồm 6 ống làm bằng vật liệu inox 304 uốn định hình, chiều dài mỗi ống là 1500 mm.

4. Cơ chế phá băng để giải phóng tinh thể đá sau quá trình cô đặc vận hành bằng cách nào?
Hệ thống trang bị một bể đun nước nóng riêng biệt có dung tích 6 lít chế tạo bằng inox 304, bên trong gắn điện trở gia nhiệt hình chữ U để đun nóng nước. Khi kết thúc pha tách dịch cô đặc, bơm nước sẽ tuần hoàn dòng nước nóng này qua dàn ống để làm tan chảy lớp băng bám dính mà không gây sốc nhiệt làm hỏng bề mặt trao đổi nhiệt.

5. Hệ thống tự động điều khiển của máy sử dụng bộ điều khiển nào và có các chế độ hoạt động nào?
Hệ thống sử dụng bộ vi điều khiển Indruino Controller kết hợp cùng màn hình điều khiển cảm ứng và các nút ấn cơ học. Người vận hành có thể sử dụng hai chế độ: chế độ thủ công (MANUAL) để kiểm tra độc lập từng thiết bị (máy nén, bơm, điện trở) và chế độ tự động (AUTO) để máy tự động kiểm soát chu trình làm lạnh kết tinh và xả băng theo thuật toán cài sẵn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống cô đặc lạnh năng suất 5 lít/mẻ nguyên liệu nước ép thanh long ruột đỏ. Kết quả khảo nghiệm thực tế cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, nâng nồng độ chất khô của dịch ép từ 10% lên 45% Brix, bảo toàn tối đa màu sắc và các thành phần dinh dưỡng nhạy cảm với nhiệt độ. Công trình không chỉ cung cấp cơ sở dữ liệu tính toán - thiết kế thiết bị chế biến thực phẩm nhiệt độ thấp đáng tin cậy mà còn góp phần thúc đẩy việc ứng dụng công nghệ cô đặc lạnh nội địa hóa, giải quyết bài toán nâng cao giá trị và đa dạng hóa sản phẩm nông sản Việt Nam.