Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quả dứa (Ananas comosus, hay còn gọi là khóm, thơm) là một trong những loại cây ăn trái nhiệt đới quan trọng, xếp thứ ba trên thế giới về sản lượng chỉ sau chuối và cây có múi. Tại Việt Nam, cây dứa phân bố trải dài từ Phú Thọ đến Kiên Giang, trong đó Tiền Giang dẫn đầu cả nước về sản lượng. Toàn quốc hiện có khoảng 39,9 nghìn ha trồng dứa với sản lượng đạt 477,4 nghìn tấn, đưa Việt Nam vào nhóm 10 quốc gia sản xuất dứa hàng đầu thế giới. Dù vậy, kim ngạch xuất khẩu dứa của Việt Nam mới chỉ chiếm khoảng 2% sản lượng toàn cầu, chưa tương xứng với tiềm năng sản xuất sẵn có.

Phần lớn sản lượng dứa hiện nay được tiêu thụ ở dạng quả tươi hoặc chế biến thành nước ép đóng hộp, các sản phẩm chế biến sâu còn hạn chế. Tình trạng này dẫn đến việc dứa tươi thường xuyên bị ứ đọng vào mùa thu hoạch rộ, gây sụt giảm giá trị kinh tế. Việc phát triển công nghệ chế biến dứa sấy (bao gồm dứa sấy khô và dứa sấy dẻo) là giải pháp giúp đa dạng hóa sản phẩm, tận dụng nguồn nguyên liệu dứa dạt có giá thành thấp không đạt tiêu chuẩn xuất khẩu tươi, đồng thời đáp ứng thị hiếu tiêu dùng các sản phẩm tự nhiên, ít dầu mỡ và chất bảo quản.

Tuy nhiên, dứa là loại nông sản mẫn cảm với nhiệt độ do chứa nhiều đường khử, axit hữu cơ (axit citric, axit malic), vitamin C, vitamin B1 và enzyme bromelin. Nếu sấy ở nhiệt độ cao (trên 60°C), protein trong quả sẽ bị biến tính; khi nhiệt độ vượt quá 90°C, đường fructose sẽ bị caramen hóa, sinh ra phản ứng tạo hợp chất melanoidin làm sẫm màu và mất hương vị đặc trưng. Vì vậy, yêu cầu công nghệ đặt ra là phải sử dụng phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp để giữ nguyên màu sắc, mùi vị và hàm lượng dinh dưỡng của sản phẩm.

Đề tài "Tính toán, thiết kế hệ thống sấy bơm nhiệt sấy thơm 200kg khô/mẻ" do sinh viên Hồ Dương Tuấn Đạt thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Nam Quyền tại Khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 10/2022) nhằm giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể sau:

  1. Mục tiêu nghiên cứu:

    • Tính toán, thiết kế mô hình hệ thống sấy lạnh bằng bơm nhiệt nén hơi cho quả dứa.
    • Định hướng chế tạo mô hình máy và đánh giá khả năng làm việc của máy về các chỉ tiêu: năng suất sấy và chi phí vận hành.

  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:

    • Xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy gồm nhiệt độ (°C), độ ẩm tương đối (φ%), và lưu lượng/tốc độ gió tuần hoàn trong buồng sấy.
    • Xây dựng và biểu diễn chu trình sấy lý thuyết trên giản đồ trắc ẩm ($I-d$).
    • Tính toán cân bằng nhiệt, xác định tổng nhiệt lượng cung cấp và năng suất lạnh cần thiết của hệ thống lạnh ($Q_0$).
    • Tính toán, lựa chọn các thiết bị chính trong hệ thống lạnh: máy nén lạnh, thiết bị ngưng tụ (dàn nóng), thiết bị bay hơi (dàn lạnh khử ẩm), và cơ cấu tiết lưu.
    • Thiết kế kết cấu cơ khí của hệ thống gồm buồng sấy, khung đỡ và khay sấy.
    • Phân tích mối quan hệ giữa các thông số lý thuyết và thực tế như khả năng tách ẩm, thời gian sấy một mẻ, nhiệt độ và vận tốc gió buồng sấy.

  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Quả dứa thái lát chế biến sấy dẻo và chu trình nhiệt động học của hệ thống sấy bơm nhiệt nén hơi tuần hoàn khí kín.
    • Phạm vi thiết kế: Tính toán cho mẻ sấy có khối lượng nguyên liệu đầu vào $G_1 = 200\text{ kg}$ dứa tươi/mẻ; thời gian sấy thiết kế $T = 8\text{ giờ/mẻ}$; điều kiện môi trường xung quanh tham chiếu tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh với nhiệt độ trung bình $t_0 = 27{,}5^\circ\text{C}$, áp suất khí quyển $B = 760\text{ mmHg}$ ($1{,}0133\text{ bar}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

Hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt nén hơi dựa trên nguyên lý chu trình nhiệt động ngược chiều của máy lạnh kết hợp sử dụng cả hai nguồn nhiệt:

  • Dàn bay hơi (dàn lạnh) được dùng để làm lạnh tác nhân sấy xuống dưới nhiệt độ điểm sương, làm ngưng tụ và tách ẩm ra khỏi dòng không khí.
  • Dàn ngưng tụ (dàn nóng) tận dụng nhiệt lượng thải ra từ chu trình nén hơi để gia nhiệt không khí khô sau khi ra khỏi dàn lạnh lên nhiệt độ sấy yêu cầu ($t_2 = 45^\circ\text{C}$).

Dòng tác nhân sấy sau đó đi vào buồng sấy, nhận ẩm từ vật liệu sấy theo quá trình biến đổi trạng thái đẳng entanpi lý thuyết ($I_2 \approx I_3$), rồi quay trở lại dàn lạnh để tiếp tục chu trình tuần hoàn kín.

Hệ số truyền nhiệt của bơm nhiệt được xác định theo biểu thức nhiệt động học: $$\mu = \frac{q_k}{l} = \frac{q_0 + l}{l} = 1 + \frac{q_0}{l} = 1 + \varepsilon$$ Trong đó:

  • $q_k$: Nhiệt lượng thải ra tại thiết bị ngưng tụ ($\text{kJ/kg}$).
  • $q_0$: Nhiệt lượng thu vào từ môi trường tại thiết bị bay hơi ($\text{kJ/kg}$).
  • $l$: Công tiêu tốn cho máy nén ($\text{kJ/kg}$).
  • $\varepsilon$: Hệ số làm lạnh của chu trình ($\varepsilon = q_0 / l$).

Vì $\varepsilon > 0$, hệ số bơm nhiệt $\mu$ luôn lớn hơn 1, chứng minh tính ưu việt về hiệu quả sử dụng năng lượng nhiệt của bơm nhiệt so với các phương pháp gia nhiệt bằng điện trở thuần túy.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật

Tác giả áp dụng các phương pháp kỹ thuật tiêu chuẩn trong ngành nhiệt - lạnh và máy chế biến bảo quản nông sản:

  • Phương pháp phân tích nhiệt động học và trắc ẩm: Sử dụng đồ thị trắc ẩm $I-d$ để xác định các điểm nút trạng thái của không khí qua dàn lạnh, dàn nóng và buồng sấy; tính toán lưu lượng không khí khô cần thiết ($L_0$) và lượng ẩm bốc hơi ($G_{H_2O}$).
  • Phương pháp cân bằng nhiệt và truyền nhiệt: Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt toàn phần cho buồng sấy: $$Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 + Q_5$$ để xác định tổn thất nhiệt qua vách buồng sấy, nhiệt đốt nóng vật liệu, nhiệt đốt nóng kết cấu kim loại và nhiệt ẩn hóa hơi nước.
  • Phương pháp tính toán thiết kế máy lạnh công nghiệp: Xác định chu trình môi chất lạnh trên đồ thị $P-h$, tính thể tích hút thực tế của máy nén, công suất nén chỉ thị, công suất ma sát, công suất động cơ dẫn động và diện tích truyền nhiệt của dàn trao đổi nhiệt.

Nguồn dữ liệu sử dụng

  • Thông số nhiệt vật lý của dứa: Khối lượng riêng $\rho_{tl} = 679{,}41\text{ kg/m}^3$ (trong văn bản có lúc dẫn $697{,}41\text{ kg/m}^3$), nhiệt dung riêng $C_{vls} = 3{,}43\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$.
  • Dữ liệu khí hậu Thành phố Hồ Chí Minh: Nhiệt độ trung bình $t_0 = 27{,}5^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $\varphi_0 = 79{,}5%$.
  • Dữ liệu nhiệt động học của môi chất R22 và bảng tra hơi nước bão hòa: Nhiệt ẩn hóa hơi của nước ở $45^\circ\text{C}$ là $r_n = 2394\text{ kJ/kg}$.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế dạng buồng sấy khay tĩnh tuần hoàn gió kín với các cụm kết cấu và thông số kỹ thuật được tính toán cụ thể:

1. Kết cấu buồng sấy và hệ thống giá đỡ khay

Buồng sấy được thiết kế để chứa đủ 200 kg dứa tươi đã qua sơ chế, thái lát tròn độ dày 5–7 mm, đường kính lát dứa trung bình 70 mm.

Hạng mục kết cấu Kích thước thiết kế Vật liệu chế tạo Đặc tính kỹ thuật
Khay sấy $1500 \times 1500\text{ mm}$ Inox 304 Khung hộp vuông $10 \times 10\text{ mm}$, dày 1 mm. Lưới đan ô vuông $10 \times 10\text{ mm}$, sợi đường kính 1 mm. Khối lượng 1 khay: 2,726 kg.
Khung đỡ khay $1550 \times 1540 \times 1900\text{ mm}$ Inox 304 Hộp $20 \times 20\text{ mm}$, bố trí 28 giá đỡ chữ L ($15 \times 15\text{ mm}$, dày 1,5 mm). Khoảng cách giữa các tầng khay $d = 100\text{ mm}$. Trang bị 4 bánh xe chịu nhiệt cao $h = 108\text{ mm}$.
Vỏ buồng sấy $1850 \times 1800 \times 2000\text{ mm}$ Vách 3 lớp Gồm 2 lớp inox 304 dày 1 mm ở mặt trong và ngoài; lớp giữa cách nhiệt bằng bông thủy tinh dày 30 mm ($\lambda_2 = 0{,}045\text{ W/m}\cdot\text{K}$). Diện tích xung quanh $F = 14{,}6\text{ m}^2$.

2. Cân bằng nhiệt và phụ tải nhiệt của hệ thống

Tổng nhiệt lượng cấp cho quá trình sấy được tính toán chi tiết qua 5 thành phần:

Thành phần nhiệt lượng Ký hiệu Giá trị tính toán (kW) Tỷ lệ (%) Ghi chú kỹ thuật
Nhiệt lượng hóa hơi nước $Q_1$ 13,80 43,8% Lượng ẩm tách trong 8 giờ là 166 kg ($20{,}75\text{ kg/h}$), $r_n = 2394\text{ kJ/kg}$.
Tổn thất do bức xạ nhiệt $Q_2$ 1,54 4,8% Tính theo định luật Stefan-Boltzmann với hệ số bức xạ inox $\varepsilon = 0{,}9$, $C_0 = 5{,}67\text{ W/m}^2\text{K}^4$.
Gia nhiệt vật liệu sấy $Q_3$ 13,33 42,3% Đốt nóng 200 kg dứa từ $27{,}5^\circ\text{C}$ lên $45^\circ\text{C}$ trong 15 phút đầu.
Làm nóng khay, khung, buồng $Q_4$ 2,45 7,7% Gia nhiệt kết cấu inox tổng khối lượng $G = 83{,}27\text{ kg}$ khung khay và $168{,}6\text{ kg}$ vỏ buồng trong 15 phút.
Tổn thất do dẫn nhiệt qua vách $Q_5$ 0,38 1,4% Truyền nhiệt qua vách 3 lớp có cách nhiệt bông thủy tinh.
Tổng nhiệt lượng cần cấp $Q$ 31,50 100,0% Công suất nhiệt yêu cầu cung cấp cho buồng sấy.

3. Tính toán các điểm nút chu trình sấy trên đồ thị I-d

Các thông số không khí tại các điểm nút trạng thái trong hệ thống được xác định tại áp suất khí quyển $1{,}0133\text{ bar}$:

Điểm nút Vị trí trạng thái Nhiệt độ $t$ (°C) Độ ẩm $\varphi$ (%) Phân áp suất hơi $P_b$ (bar) Dung ẩm $d$ (kg/kg kkk) Entanpi $I$ (kJ/kg kkk)
0 Không khí môi trường ngoài 27,5 79,5 0,0365 0,018 73,70
1 Sau dàn lạnh khử ẩm 10,0 100,0 0,0120 0,007 30,00
2 Sau dàn nóng (bộ gia nhiệt) 45,0 11,8 0,0950 0,007 63,30
3 Ra khỏi buồng sấy 30,0 55,7 0,0420 0,015 63,30
4 Trong dàn lạnh (lý thuyết) 20,0 100,0 0,0230 0,015 58,15
  • Lượng không khí khô cần để bốc hơi 1 kg ẩm: $l = 125\text{ kg kkk/kg ẩm}$.
  • Tổng lưu lượng không khí khô cung cấp cho quá trình sấy: $L_0 = 20.750\text{ kg kkk/h}$.
  • Lượng nước ngưng tụ thu hồi tại dàn lạnh: $G_{nt} = 166\text{ kg/mẻ}$.

4. Tính chọn thiết bị hệ thống lạnh (Bơm nhiệt)

Hệ thống sấy sử dụng môi chất làm việc là gas R22 (đoạn đầu văn bản có đề cập thêm R410a, nhưng toàn bộ phần tính chọn máy nén và dàn trao đổi nhiệt được thực hiện trên môi chất R22):

  • Thông số chu trình lạnh một cấp:
    • Nhiệt độ bay hơi của môi chất: $t_0 = 3^\circ\text{C}$ (áp suất bay hơi $P_s = 5{,}8447\text{ bar}$).
    • Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: $t_k = 50^\circ\text{C}$ (áp suất ngưng tụ $P_k = 19{,}433\text{ bar}$).
    • Độ quá nhiệt hơi hút: $\Delta t_{qn} = 8^\circ\text{C}$; nhiệt độ quá lạnh lỏng: $\Delta t_{ql} = 5^\circ\text{C}$.
    • Năng suất lạnh cần thiết kế: $Q_0 = 24\text{ kW}$.
  • Thông số máy nén lạnh:
    • Tỷ số nén phù hợp chu trình máy nén 1 cấp.
    • Công suất nén đoạn nhiệt: $N_s = 5{,}014\text{ kW}$.
    • Công hữu ích của máy nén: $N_e = N_{ms} + N_i = 5{,}987\text{ kW}$.
    • Thiết bị được lựa chọn: Block máy nén lạnh Copeland 8Hp có mã hiệu ZR94-TFD-522.
  • Dàn ngưng tụ (Dàn nóng):
    • Sử dụng loại dàn ống trao đổi nhiệt bằng ống đồng cánh nhôm, giải nhiệt bằng không khí đối lưu cưỡng bức.
    • Công suất trao đổi nhiệt dàn ngưng: $Q_k = 28{,}8\text{ kW}$.
    • Nhiệt độ không khí vào dàn $t_{kk}' = 10^\circ\text{C}$, nhiệt độ không khí ra khỏi dàn $t_{kk}'' = 45^\circ\text{C}$.
    • Lưu lượng môi chất qua dàn: $m_{tt} = 0{,}167\text{ kg/s}$; vận tốc không khí đầu vào dàn: $v = 1{,}068\text{ m/s}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này nêu bật tầm quan trọng của vấn đề dinh dưỡng và vai trò của rau quả đối với sức khỏe con người. Tác giả chỉ ra thực trạng sản xuất và tiêu thụ dứa tươi hiện nay đang gặp khó khăn do đầu ra đơn điệu, chủ yếu tiêu thụ ăn tươi hoặc làm nước ép. Phương án chế biến dứa sấy (khô và dẻo) được đề xuất nhằm đa dạng hóa sản phẩm, tận dụng quả dứa dạt, giá rẻ, giải quyết bài toán dôi dư nguyên liệu. Trên cơ sở đó, tác giả xác định đề tài tính toán thiết kế máy sấy bơm nhiệt công suất $200\text{ kg/mẻ}$ (trong phần mở đầu có ghi nhầm cụm từ "hạt tiêu khô/mẻ", tuy nhiên toàn bộ nội dung tính toán và mục tiêu xuyên suốt đều là dứa/thơm), đồng thời xác lập mục tiêu thiết kế, yêu cầu xác định thông số nhiệt ẩm, mô hình hóa giản đồ trắc ẩm và chọn thiết bị máy lạnh.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 cung cấp cơ sở dữ liệu chuyên ngành gồm 5 nội dung chính:

  • Đặc điểm thực vật và thành phần hóa học của cây dứa: Mô tả chi tiết hình thái thân, lá, chồi (chồi ngọn, chồi thân, chồi cuống, chồi ngầm), rễ, cấu tạo cụm hoa và quả kép. Phân loại 3 giống dứa chính: Queen (thịt vàng đậm, thơm, ngọt, quả nhỏ), Cayen (quả to, mắt nông, nhiều nước, chuyên chế biến công nghiệp), Spanish (quả to, mắt sâu, chua). Phân loại theo 4 cấp độ chín từ Độ 0 (dứa xanh, độ cứng $>4\text{ kG/cm}^2$) đến Độ 3 (dứa quá chín, mềm nhũn). Nêu thành phần dinh dưỡng trong 100g dứa (25 kcal, 85,3g nước, 16mg vitamin C, 16mg Ca, đường, khoáng và enzyme bromelin).
  • Tình hình sản xuất, chế biến dứa: Số liệu thị trường thế giới đạt gần 20 triệu tấn (dẫn đầu là Philippines, Brazil). Việt Nam đạt 477,4 nghìn tấn, đứng thứ 10 thế giới nhưng xuất khẩu chỉ đạt 41 triệu USD năm 2012 (chiếm 2% sản lượng toàn cầu).
  • Yêu cầu công nghệ và quy trình dứa sấy dẻo: Sơ đồ dây chuyền công nghệ gồm: $$\text{Dứa nguyên liệu} \rightarrow \text{Làm sạch} \rightarrow \text{Phân loại} \rightarrow \text{Gọt vỏ} \rightarrow \text{Cắt, thái} \rightarrow \text{Chần, hấp} \rightarrow \text{Xử lý hóa học} \rightarrow \text{Sấy} \rightarrow \text{Làm nguội} \rightarrow \text{Đóng gói}$$
  • Các yếu tố ảnh hưởng quá trình sấy: Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ sấy (trên 60°C làm biến tính protein, trên 90°C gây caramen hóa), độ ẩm không khí, tốc độ gió cưỡng bức (tối ưu từ 0,4 đến 4,0 m/s) và độ dày lát thái dứa.
  • Tổng quan kỹ thuật sấy và lựa chọn công nghệ: Trình bày lý thuyết sấy nóng (đối lưu, tiếp xúc, bức xạ) và sấy lạnh (nhiệt độ thấp, sấy chân không, sấy thăng hoa). Tác giả so sánh chi tiết ưu nhược điểm giữa bơm nhiệt với sấy nóng, sấy chân không, sấy thăng hoa và sấy hấp phụ. Kết luận chọn hệ thống sấy lạnh bơm nhiệt nén hơi vì dung tích buồng sấy có thể mở rộng lớn ($300\div400\text{ m}^2$), chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn sấy thăng hoa/chân không, phụ tùng và môi chất sẵn có trên thị trường Việt Nam.
  • Nguyên lý bơm nhiệt trong sấy: Phân tích chu trình ngược chiều gồm 4 quá trình (nén đoạn nhiệt 1-2, ngưng tụ đẳng áp 2-3, tiết lưu đẳng entanpi 3-4, bay hơi đẳng áp 4-1), chứng minh hệ số bơm nhiệt $\mu > 1$ luôn mang lại lợi ích năng lượng.

Chương 3: Tính toán các quá trình sấy và thiết kế máy

Chương 3 trình bày các bước tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí chi tiết:

  • Xác định thông số ban đầu: Nguyên liệu 200 kg tươi/mẻ, thời gian sấy 8 giờ, $t_0 = 27{,}5^\circ\text{C}$, $\rho_{tl} = 679{,}41\text{ kg/m}^3$, $C_{p} = 3{,}43\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$.
  • Xây dựng quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d: Xác định đầy đủ thông số 5 điểm nút (Điểm 0 ngoài trời; Điểm 1 sau dàn lạnh $10^\circ\text{C}$, $\varphi=100%$; Điểm 2 sau dàn nóng $45^\circ\text{C}$, $\varphi=11{,}8%$; Điểm 3 ra khỏi buồng sấy $30^\circ\text{C}$, $\varphi=55{,}7%$; Điểm 4 trong dàn lạnh $20^\circ\text{C}$, $\varphi=100%$).
  • Tính toán kết cấu máy: Thiết kế chi tiết kích thước khay sấy ($1500 \times 1500\text{ mm}$ lưới inox đan), khung đỡ khay ($1550 \times 1540 \times 1900\text{ mm}$ có bánh xe), và buồng sấy 3 lớp ($1850 \times 1800 \times 2000\text{ mm}$).
  • Cân bằng nhiệt toàn phần: Xác định tổng nhiệt lượng $Q = 31{,}5\text{ kW}$, trong đó nhiệt hóa hơi $Q_1 = 13{,}8\text{ kW}$ và nhiệt gia nhiệt dứa $Q_3 = 13{,}33\text{ kW}$ chiếm tỷ trọng chủ yếu.
  • Tính chọn thiết bị hệ thống lạnh: Xác định lưu lượng không khí khô tuần hoàn $L_0 = 20.750\text{ kg kkk/h}$, năng suất lạnh $Q_0 = 24\text{ kW}$. Chọn môi chất R22, tính chu trình nhiệt động tại nhiệt độ bay hơi $3^\circ\text{C}$ và nhiệt độ ngưng tụ $50^\circ\text{C}$. Tính công hữu ích máy nén $N_e = 5{,}987\text{ kW}$, lựa chọn block máy nén Copeland 8Hp model ZR94-TFD-522. Thiết kế dàn ngưng tụ ống đồng cánh nhôm công suất $Q_k = 28{,}8\text{ kW}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán thiết kế chính

  1. Bộ thông số nhiệt - ẩm của chu trình sấy:

    • Nhiệt độ sấy vào buồng sấy: $t_2 = 45^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $\varphi_2 = 11{,}8%$.
    • Nhiệt độ không khí sau dàn lạnh tách ẩm: $t_1 = 10^\circ\text{C}$, độ ẩm $\varphi_1 = 100%$.
    • Lượng nước tách ra từ 200 kg dứa tươi trong một mẻ (8 giờ): 166 kg ẩm (tương đương năng suất bốc hơi trung bình $20{,}75\text{ kg ẩm/h}$).
    • Lưu lượng không khí khô tuần hoàn cưỡng bức: $20.750\text{ kg kkk/h}$ ($5{,}76\text{ kg kkk/s}$).

  2. Kết quả cân bằng năng lượng và lựa chọn thiết bị:

    • Tổng nhu cầu cấp nhiệt cho buồng sấy: $Q = 31{,}5\text{ kW}$.
    • Năng suất lạnh yêu cầu của dàn bay hơi: $Q_0 = 24\text{ kW}$.
    • Đã chọn hoàn chỉnh block máy nén lạnh công nghiệp Copeland 8Hp mã hiệu ZR94-TFD-522 với công suất hữu ích $5{,}987\text{ kW}$.
    • Xác định thông số dàn ngưng tụ ống đồng cánh nhôm giải nhiệt không khí cưỡng bức với công suất nhiệt $Q_k = 28{,}8\text{ kW}$, vận tốc gió thổi qua dàn đạt $1{,}068\text{ m/s}$.

  3. Bản vẽ kích thước kết cấu:

    • Kích thước buồng sấy: $1850 \times 1800 \times 2000\text{ mm}$ (dài $\times$ rộng $\times$ cao), cách nhiệt bằng bông thủy tinh 30 mm bọc giữa 2 lớp vỏ inox 304 dày 1 mm.
    • Kích thước khung giá đỡ khay: $1550 \times 1540 \times 1900\text{ mm}$, chứa 14 tầng khay xếp chồng với bước khay $100\text{ mm}$.
    • Kích thước mỗi khay: $1500 \times 1500\text{ mm}$ làm bằng inox 304, tấm lưới đan ô vuông $10 \times 10\text{ mm}$.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Thiết lập chu trình sấy khép kín hoàn toàn, tận dụng nhiệt ngưng tụ để gia nhiệt không khí sấy thay cho điện trở nhiệt, giúp tiết kiệm đáng kể điện năng vận hành so với hệ thống sấy nhiệt đối lưu truyền thống.
  • Cung cấp tài liệu tính toán đồng bộ từ thông số nguyên liệu dứa nhiệt đới, cân bằng nhiệt buồng sấy đến tính chọn chu trình lạnh và thiết bị cơ điện thực tế có mã hiệu thương mại tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong tài liệu:

  • Hạn chế:
    • Đề tài mới dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết và thiết kế hệ thống; chưa trình bày kết quả thực nghiệm chế tạo thực tế mô hình máy cũng như số liệu đo đạc thực tế về mức tiêu thụ điện năng và chất lượng cảm quan của sản phẩm sau sấy.
    • Văn bản có một số điểm không đồng nhất về mặt biên tập: phần đầu đặt vấn đề ghi nhầm cụm từ "200 kg hạt tiêu khô/mẻ" (sau đó toàn bộ số liệu đều tính cho dứa); phần lựa chọn môi chất ban đầu đề cập R410a nhưng toàn bộ phần tính chu trình nhiệt động và chọn thiết bị lại chuyển sang sử dụng R22.
    • Các thông số tổn thất áp lực đường ống, tính chọn cụ thể cho quạt gió tuần hoàn và van tiết lưu chưa được trình bày chi tiết trong phần văn bản này.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Chế tạo mô hình thực tế theo các kích thước và thông số thiết bị đã tính toán.
    • Thực nghiệm sấy dứa trên mô hình để xác định đường cong sấy thực tế, đối chứng sai lệch giữa lý thuyết và vận hành thực tế.
    • Nghiên cứu chuyển đổi sang môi chất lạnh thân thiện với môi trường hơn để thay thế R22 (do R22 có tác động xấu đến tầng ôzôn và hiệu ứng nhà kính).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên các ngành: Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh, Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Kỹ thuật Sau thu hoạch khi làm đồ án môn học Thiết bị sấy, đồ án Hệ thống lạnh hoặc khóa luận tốt nghiệp về sấy bơm nhiệt.
  • Kỹ sư cơ khí và chế biến thực phẩm: Có thể sử dụng trực tiếp các công thức cân bằng nhiệt, phương pháp tra đồ thị trắc ẩm $I-d$ và chu trình máy nén một cấp để áp dụng tính toán cho các hệ thống sấy lạnh nông sản có đặc tính tương tự dứa (như xoài, chuối, thanh long, mít).
  • Phần đáng tham khảo nhất: Bảng tính toán chi tiết 5 thành phần nhiệt lượng ($Q_1$ đến $Q_5$), bảng thông số 5 điểm nút trắc ẩm của không khí tuần hoàn và các bước tính công suất động cơ máy nén Copeland từ các hệ số tổn thất cơ khí, chỉ thị thể tích.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công nghệ sấy bơm nhiệt nén hơi lại phù hợp với quả dứa hơn sấy đối lưu nhiệt nóng?
Trả lời: Quả dứa chứa nhiều vitamin C, khoáng chất và đặc biệt là đường fructose cùng protein. Khi sấy nóng ở nhiệt độ trên 60°C, protein bị biến tính; trên 90°C, đường fructose bị caramen hóa làm cháy và đổi màu sản phẩm. Bơm nhiệt nén hơi cho phép sấy ở nhiệt độ thấp ($45^\circ\text{C}$) và độ ẩm không khí rất khô ($\varphi = 11{,}8%$), giúp dứa giữ được màu sắc vàng tự nhiên, mùi vị thơm ngọt và hoạt tính sinh học của dưỡng chất.

2. Tổng nhiệt lượng cần cung cấp cho hệ thống sấy dứa 200 kg/mẻ là bao nhiêu và thành phần nào chiếm tỷ trọng lớn nhất?
Trả lời: Tổng nhiệt lượng tính toán cần cung cấp là $Q = 31{,}5\text{ kW}$. Trong đó, hai thành phần chiếm tỷ trọng lớn nhất là: nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi 166 kg nước trong 8 giờ ($Q_1 = 13{,}8\text{ kW}$, chiếm 43,8%) và nhiệt lượng để gia nhiệt khối dứa từ $27{,}5^\circ\text{C}$ lên $45^\circ\text{C}$ ($Q_3 = 13{,}33\text{ kW}$, chiếm 42,3%).

3. Tác giả đã tính chọn loại máy nén lạnh nào cho hệ thống?
Trả lời: Qua tính toán công suất nén đoạn nhiệt $N_s = 5{,}014\text{ kW}$ và công suất hữu ích của máy nén $N_e = 5{,}987\text{ kW}$, tác giả đã chọn block máy nén xoắn ốc Copeland công suất 8 Hp mã hiệu ZR94-TFD-522, hoạt động với chu trình một cấp sử dụng môi chất R22.

4. Kích thước và vật liệu chế tạo buồng sấy được thiết kế như thế nào?
Trả lời: Buồng sấy có kích thước phủ bì $1850 \times 1800 \times 2000\text{ mm}$ (dài $\times$ rộng $\times$ cao). Vách buồng có kết cấu 3 lớp gồm 2 lớp inox 304 dày 1 mm ở mặt trong và ngoài, kẹp ở giữa là lớp bông thủy tinh cách nhiệt dày 30 mm nhằm giảm thiểu tổn thất nhiệt dẫn truyền qua vách ($Q_5$ chỉ chiếm 0,38 kW, tương đương 1,4%).

5. Lượng không khí khô cần tuần hoàn trong hệ thống là bao nhiêu để bốc hơi được 166 kg ẩm trong 8 giờ?
Trả lời: Tỷ lưu lượng không khí khô yêu cầu là $l = 125\text{ kg kkk/kg ẩm}$. Để bốc hơi hết 166 kg ẩm của mẻ sấy, tổng lưu lượng không khí khô cung cấp cho hệ thống là $L_0 = 20.750\text{ kg kkk/h}$ (tương đương khoảng $5{,}76\text{ kg kkk/s}$).

Kết luận

Đồ án môn học của sinh viên Hồ Dương Tuấn Đạt đã hoàn thành việc tính toán thiết kế chi tiết hệ thống sấy dứa bằng bơm nhiệt nén hơi quy mô 200 kg tươi/mẻ với thời gian sấy 8 giờ. Bằng việc xây dựng thành công chu trình nhiệt ẩm trên đồ thị $I-d$ và chu trình máy lạnh R22 trên đồ thị $P-h$, tác giả đã xác định chính xác tổng công suất nhiệt yêu cầu $31{,}5\text{ kW}$, năng suất lạnh $24\text{ kW}$ và lựa chọn block máy nén Copeland 8Hp ZR94-TFD-522 cùng kết cấu buồng sấy inox 3 lớp cách nhiệt tiêu chuẩn. Kết quả nghiên cứu là tài liệu thiết kế cơ khí - nhiệt lạnh có giá trị ứng dụng cao cho việc chế tạo thiết bị chế biến nông sản sấy dẻo ở quy mô vừa và nhỏ.