Nghiên cứu thiết kế hệ thống sấy hồng ngoại cho mít với năng suất 1000kg

Nghiên cứu thiết kế hệ thống sấy bức xạ hồng ngoại cho năng suất 1000kg nguyên liệu mít mẻ, tối ưu hóa hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

• Tác giả: Trần Hoàng Long
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tấn Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Sấy Hồng Ngoại Cho Mít Với Năng Suất 1000Kg
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về nguyên liệu và quá trình sấy vật liệu ẩm
• 1.1.1. Tổng quan về nguyên liệu
• 1.1.2. Đặc điểm hình thái
• 1.1.3. Các sản phẩm được tận dụng từ mít
• 1.1.4. Một số lợi ích từ mít
• 2. CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: Kết quả tính toán, thiết kế máy sấy hồng ngoại
• 4. CHƯƠNG 4: Bản vẽ thiết kế và vận hành hệ thống sấy
• 5. CHƯƠNG 5
• 6. CHƯƠNG 6
• 7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU KHAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống sấy hồng ngoại cho mít

Hệ thống sấy hồng ngoại cho mít với năng suất 1000kg là một giải pháp hiệu quả trong việc bảo quản và chế biến nông sản. Công nghệ này không chỉ giúp duy trì chất lượng sản phẩm mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc áp dụng công nghệ sấy hồng ngoại mang lại nhiều lợi ích cho ngành nông nghiệp, đặc biệt là trong việc chế biến mít.

1.1. Đặc điểm của mít và lợi ích từ việc sấy hồng ngoại

Mít là một loại trái cây giàu dinh dưỡng, chứa nhiều vitamin và khoáng chất. Sấy hồng ngoại giúp bảo toàn hương vị và giá trị dinh dưỡng của mít, đồng thời giảm thiểu sự oxy hóa và kéo dài thời gian bảo quản.

1.2. Quy trình sấy hồng ngoại cho mít

Quy trình sấy hồng ngoại bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, điều chỉnh nhiệt độ và thời gian sấy. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được sản phẩm mít sấy chất lượng cao.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế hệ thống sấy hồng ngoại

Mặc dù công nghệ sấy hồng ngoại mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong quá trình thiết kế và vận hành hệ thống. Các vấn đề như chi phí đầu tư, hiệu suất năng lượng và khả năng điều khiển tự động cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Chi phí đầu tư cho hệ thống sấy hồng ngoại

Chi phí đầu tư cho hệ thống sấy hồng ngoại có thể cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, lợi ích lâu dài từ việc tiết kiệm năng lượng và tăng năng suất sản xuất có thể bù đắp cho chi phí này.

2.2. Hiệu suất năng lượng trong quá trình sấy

Hiệu suất năng lượng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống sấy. Cần tối ưu hóa các thông số kỹ thuật để đảm bảo rằng năng lượng tiêu thụ là hợp lý và hiệu quả nhất.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống sấy hồng ngoại cho mít

Thiết kế hệ thống sấy hồng ngoại cho mít cần dựa trên các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

3.1. Các bước tính toán thiết kế hệ thống sấy

Quá trình tính toán thiết kế bao gồm việc xác định các thông số kỹ thuật như kích thước buồng sấy, công suất và nhiệt độ sấy. Những yếu tố này cần được tính toán chính xác để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.

3.2. Lựa chọn thiết bị sấy phù hợp

Việc lựa chọn thiết bị sấy phù hợp là rất quan trọng. Các thiết bị cần phải đáp ứng được yêu cầu về năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời phải dễ dàng bảo trì và vận hành.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống sấy hồng ngoại cho mít

Hệ thống sấy hồng ngoại không chỉ được áp dụng trong sản xuất mà còn có thể được sử dụng trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới. Việc ứng dụng công nghệ này sẽ mở ra nhiều cơ hội cho ngành chế biến thực phẩm.

4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu cho thấy rằng sản phẩm mít sấy hồng ngoại có chất lượng tốt hơn so với các phương pháp sấy khác. Điều này đã được chứng minh qua các thử nghiệm thực tế và phản hồi từ người tiêu dùng.

4.2. Tiềm năng xuất khẩu sản phẩm mít sấy

Sản phẩm mít sấy hồng ngoại có tiềm năng xuất khẩu cao nhờ vào chất lượng vượt trội và khả năng bảo quản lâu dài. Điều này mở ra cơ hội cho các doanh nghiệp trong việc mở rộng thị trường.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống sấy hồng ngoại cho mít

Hệ thống sấy hồng ngoại cho mít với năng suất 1000kg là một giải pháp hiệu quả cho ngành chế biến thực phẩm. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho người sản xuất và người tiêu dùng.

5.1. Tóm tắt lợi ích của hệ thống sấy hồng ngoại

Hệ thống sấy hồng ngoại giúp bảo toàn chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí sản xuất. Đây là những yếu tố quan trọng trong việc nâng cao giá trị sản phẩm nông sản.

5.2. Định hướng phát triển công nghệ sấy hồng ngoại

Trong tương lai, công nghệ sấy hồng ngoại sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển để cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có thế mạnh sản xuất nông nghiệp nhiệt đới, trong đó mít là loại cây ăn trái phổ biến với sản lượng lớn, phân bố rộng rãi từ Nam ra Bắc với nhiều giống có giá trị thương phẩm cao như mít Thái siêu sớm, mít ruột đỏ, mít Malaysia hay mít không hạt. Tuy nhiên, việc tổn thất sau thu hoạch và áp lực tiêu thụ quả tươi khi vào chính vụ đặt ra yêu cầu cấp thiết về công nghệ chế biến và bảo quản nông sản. Các sản phẩm mít sấy hiện nay đang có nhu cầu tiêu thụ nội địa cao và tiềm năng xuất khẩu lớn. Dù vậy, phương pháp sấy đối lưu thông thường thường đòi hỏi thời gian kéo dài, dễ làm biến đổi màu sắc, hương vị và tổn thất hàm lượng vi chất dinh dưỡng do tác động của nhiệt độ cao và oxy hóa.

Phương pháp sấy bức xạ bằng tia hồng ngoại khắc phục được các nhược điểm này. Tia hồng ngoại có khả năng thâm nhập sâu vào vật liệu ẩm từ 3 ÷ 5 mm, tạo ra hiện tượng nhiệt độ bên trong khối vật liệu cao hơn nhiệt độ bề mặt. Sự đồng pha giữa gradient nhiệt độ và gradient độ ẩm thúc đẩy dòng ẩm dịch chuyển nhanh chóng từ tâm ra bề mặt rồi thoát vào môi trường, đặc biệt phát huy hiệu quả cao đối với các vật liệu dạng lát mỏng có chiều dày nhỏ hơn 10 ÷ 12 mm. Chất lượng sản phẩm sấy hồng ngoại chỉ biến đổi khoảng 10 ÷ 15% so với trước khi sấy, giữ được hương thơm, vị ngọt tự nhiên, màu sắc và hàm lượng vitamin mà không cần sử dụng phụ gia hay hóa chất bảo quản. Nhằm đáp ứng yêu cầu sản xuất ở quy mô bán công nghiệp, tác giả Trần Hoàng Long đã thực hiện đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Thực phẩm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh với đề tài: "Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống sấy bằng bức xạ hồng ngoại, với năng suất 1000kg nguyên liệu mít/mẻ", dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Tấn Dũng.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Xác lập chế độ công nghệ sấy hồng ngoại nhằm tạo ra sản phẩm mít sấy có chất lượng tốt, mang lại hiệu quả kinh tế và tiềm năng xuất khẩu cao.
2. Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất mít sấy hồng ngoại có khả năng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất thực phẩm.
3. Tính toán và thiết kế hệ thống máy sấy hồng ngoại đạt năng suất 1000 kg nguyên liệu mít/mẻ, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và độ bền cơ lý.
4. Tính toán, thiết kế hệ thống đo lường và điều khiển tự động tích hợp công nghệ kết nối Internet vạn vật (IoT) để giám sát và vận hành thiết bị qua mạng Internet.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu sấy là múi mít tươi (Artocarpus heterophyllus); mô hình hệ thống thiết bị sấy bức xạ hồng ngoại và hệ thống điều khiển tự động.
• Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và thiết kế chi tiết hệ thống sấy bức xạ hồng ngoại ở quy mô công suất 1000 kg nguyên liệu/mẻ; thiết kế tủ điện điều khiển và đánh giá sơ bộ các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của công trình dựa trên lý thuyết sấy vật liệu ẩm và truyền nhiệt bức xạ trong công nghệ thực phẩm:

• Phân loại vật liệu ẩm theo quan điểm hóa lý của A.V. Lykov: Mít được xếp vào nhóm vật keo xốp mao dẫn, mang đặc tính đàn hồi của hệ keo và mạng lưới mao dẫn phức tạp. Khi hút ẩm mao dẫn trương nở, khi sấy khô bị co ngót nhưng vẫn giữ được độ mềm dẻo nhất định nếu điều khiển nhiệt độ hợp lý.
• Cơ sở truyền nhiệt bức xạ: Sử dụng lý thuyết phát xạ của vật đen tuyệt đối, quy luật hấp thụ và phân bố bước sóng bức xạ hồng ngoại theo tiêu chuẩn DIN 5031, tập trung vào khả năng xuyên thấu của tia hồng ngoại trong cấu trúc tế bào thực vật (độ sâu 3 ÷ 5 mm).
• Cơ sở động học và tĩnh học quá trình sấy: Phân tích các dạng liên kết của nước trong thực phẩm (ẩm tự do, ẩm liên kết mao dẫn, ẩm hấp phụ và thẩm thấu), phân tích các giai đoạn sấy đẳng tốc và giảm tốc thông qua đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy.
• Đối chiếu công nghệ: Văn bản so sánh nguyên lý và hiệu quả của sấy hồng ngoại với các phương pháp khác gồm sấy tự nhiên, sấy đối lưu nóng, sấy thăng hoa (dựa trên giản đồ pha P-T của nước ở điểm ba thể $T_0 = 0,0098^\circ\text{C}$, $P_0 = 4,58\text{ mmHg}$), sấy chân không và sấy bơm nhiệt.

Phương pháp sấy	Ưu điểm chính	Nhược điểm chính
Sấy tự nhiên (năng lượng mặt trời)	Chi phí đầu tư và vận hành thấp, không đòi hỏi nguồn năng lượng lớn.	Phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết, tốn mặt bằng và nhân công, khó kiểm soát chất lượng.
Sấy đối lưu không khí nóng	Kết cấu đơn giản, chi phí chế tạo thấp, dễ vận hành ở nhiều quy mô.	Thời gian sấy dài, vật liệu dễ bị co ngót và oxy hóa bề mặt do tiếp xúc nhiệt kéo dài.
Sấy thăng hoa	Sản phẩm giữ nguyên hình dạng, màu sắc và hàm lượng dinh dưỡng tối đa.	Chi phí thiết bị và tiêu hao điện năng rất lớn, vận hành ở áp suất và nhiệt độ âm sâu.
Sấy bức xạ hồng ngoại	Bức xạ truyền nhiệt trực tiếp, tốc độ bay hơi ẩm nhanh, chất lượng giữ lại 85 ÷ 90%.	Đòi hỏi tính toán chiều dày lát cắt đồng đều (< 10 ÷ 12 mm), yêu cầu điều khiển chính xác.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện bao gồm:

• Phương pháp tiếp cận hệ thống: Khảo sát mối liên kết hữu cơ giữa các yếu tố: nguyên liệu mít đầu vào, nguồn phát bức xạ, môi trường buồng sấy, hệ thống đối lưu thải ẩm và cơ cấu điều khiển tự động.
• Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: Thu thập, sàng lọc các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về thành phần hóa sinh của mít và công nghệ bức xạ nhiệt.
• Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Ứng dụng các phương trình cân bằng vật chất để xác định lượng ẩm bốc hơi, phương trình cân bằng năng lượng để tính nhiệt tải cho buồng sấy; tính toán cơ học để xác định kết cấu bền vững của khung vỏ, cánh quạt và các cụm chi tiết máy; sử dụng phần mềm hỗ trợ kỹ thuật và vẽ kỹ thuật công nghiệp.
• Phương pháp thực nghiệm: Xác định các miền thông số sấy tối ưu thông qua bố trí thí nghiệm biến thiên các thông số công nghệ nhiệt độ, khoảng cách bức xạ và thời gian sấy ($x_1, x_2, x_3$).

Nguồn dữ liệu:

• Dữ liệu về thông số vật lý của mít lấy từ công bố của Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự (2013): độ ẩm ban đầu $W = 80,13%$, nhiệt dung riêng $C_{ck} = 1,3\text{ kJ/kg.K}$, khối lượng riêng $\rho = 1030\text{ kg/m}^3$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 0,51\text{ W/m.K}$.
• Dữ liệu thành phần hóa học của 100g mít chín từ nghiên cứu của Swami và cộng sự (2012): nước 72,0 ÷ 94,0 g; protein 1,2 ÷ 1,9 g; carbohydrate 16 ÷ 25,4 g; chất xơ 1 ÷ 1,5 g; kali 191 ÷ 407 mg; canxi 20 ÷ 37 mg; phốt pho 38 ÷ 41 mg; vitamin A 175 ÷ 540 IU; niacin 4 mg/100g; năng lượng cung cấp xấp xỉ 2 MJ/kg.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương này hệ thống hóa toàn diện các dữ liệu về nguyên liệu mít và cơ sở khoa học của kỹ thuật sấy thực phẩm:

• Về nguyên liệu: Mô tả đặc điểm hình thái cây mít (Artocarpus heterophyllus), cấu tạo quả phức gồm vỏ gai, xơ và múi mít; tổng hợp các giống mít chủ lực tại Việt Nam; phân tích thành phần hóa học gồm carbohydrate, protein, khoáng đa lượng, vi lượng và hàm lượng sắc tố carotenoid (như all-trans-lutein đạt 37,02 g/100g thịt quả, all-trans-neoxanthin 8,87 g/100g theo de Faria và cộng sự).
• Về công nghệ sấy: Trình bày định nghĩa bản chất quá trình sấy là sự tách ẩm dưới tác dụng của gradient ẩm và gradient nhiệt độ; phân loại vật liệu sấy theo A.V. Lykov; làm rõ cơ chế truyền nhiệt bức xạ hồng ngoại và so sánh ưu nhược điểm của sấy hồng ngoại với các giải pháp công nghệ hiện hành.
• Đề xuất sơ bộ sơ đồ quy trình công nghệ chế biến sản phẩm mít sấy hồng ngoại, khẳng định tính khả thi của việc thiết kế hệ thống sấy năng suất lớn nhằm đáp ứng chế biến nông sản sau thu hoạch.

Chương 2. Phương pháp nghiên cứu, tính toán, thiết kế

Nội dung chương 2 thiết lập cơ sở phương pháp luận và các công cụ toán học phục vụ thiết kế máy:

• Giới thiệu sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy hồng ngoại ký hiệu DS, giải thích nguyên lý phối hợp giữa nguồn phát bức xạ nhiệt hồng ngoại và luồng không khí cưỡng bức để cuốn ẩm bề mặt thoát ra ngoài buồng sấy.
• Xây dựng mô hình tiếp cận hệ thống, chia hệ thống sấy thành các phân hệ chức năng: phân hệ chứa và đỡ vật liệu, phân hệ phát xạ nhiệt, phân hệ thông gió thoát ẩm và phân hệ điều khiển.
• Thiết lập hệ thống phương trình cân bằng vật chất nhằm tính toán chính xác lượng nguyên liệu vào, lượng bốc hơi ẩm của 1000 kg mít từ độ ẩm ban đầu 80,13% xuống độ ẩm an toàn bảo quản.
• Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng nhằm tính toán tổng nhiệt tải cung cấp cho hệ thống, bao gồm nhiệt lượng đốt nóng vật liệu, nhiệt lượng làm bay hơi ẩm liên kết và ẩm tự do, cùng lượng nhiệt thất thoát qua vỏ buồng sấy ra môi trường.
• Đưa ra các công thức tính toán kiểm nghiệm độ bền cơ học cho các chi tiết chịu lực, vỏ máy, cánh quạt và hệ thống giá đỡ khay sấy.

Chương 3. Kết quả tính toán, thiết kế máy sấy hồng ngoại

Chương này trình bày các bảng tính toán và kết quả cụ thể về kích thước, công suất của thiết bị:

• Xác định các thông số đầu vào phục vụ thiết kế: Năng suất 1000 kg nguyên liệu mít tươi/mẻ, độ ẩm ban đầu của mít lấy theo thực nghiệm là 80,13%, các hệ số nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của nguyên liệu.
• Tính toán thể tích chứa sản phẩm: Xác định diện tích bề mặt trải liệu của các khay sấy đảm bảo chiều dày lớp múi mít không vượt quá 10 ÷ 12 mm nhằm tối ưu hóa độ đâm xuyên của bức xạ hồng ngoại.
• Tính toán kích thước hình học của buồng sấy: Xác định chiều dài, chiều rộng, chiều cao tổng thể của buồng sấy, thể tích làm việc hữu ích và khoảng cách bố trí giữa các tầng khay với các nguồn phát bức xạ hồng ngoại.
• Tính toán nhiệt lượng và nhiệt tải của hệ thống: Tính toán tổng nhiệt lượng cần thiết cho một mẻ sấy, từ đó lựa chọn công suất lắp đặt của giàn đèn phát tia hồng ngoại và lưu lượng gió cần thiết của quạt thông gió để thải ẩm liên tục.

Chương 4. Xây dựng bản vẽ kỹ thuật

Chương 4 hoàn thiện hồ sơ thiết kế cơ khí thông qua hệ thống bản vẽ chi tiết các cụm thiết bị:

• Thể hiện bản vẽ kết cấu tổng thể vỏ ngoài máy sấy hồng ngoại với lớp vật liệu cách nhiệt nhằm giảm tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh.
• Bản vẽ chi tiết cụm bẫy thông gió và đường ống dẫn gió, đảm bảo lưu thông không khí có kiểm soát và ngăn hiện tượng thất thoát nhiệt quá mức.
• Bản vẽ chi tiết lợi cửa và cánh cửa buồng sấy, thiết kế kết cấu gioăng kín nhiệt và cơ cấu khóa gài an toàn.
• Bản vẽ kết cấu hệ thống khay sấy dạng lưới phẳng, cho phép tia bức xạ hồng ngoại tiếp xúc đều cả hai mặt vật liệu và tạo điều kiện cho luồng khí lưu thông tốt.
• Bản vẽ lưng buồng sấy, các tấm vách ngăn dẫn dòng không khí, cụm quạt ly tâm và cánh quạt ly tâm chịu nhiệt.
• Bản vẽ bố trí thiết bị bên trong tủ điện điều khiển và các bản vẽ chi tiết cơ khí lắp ghép của toàn bộ máy sấy.

Chương 5. Hệ thống đo lường và điều khiển tự động

Nội dung chương này giải quyết bài toán tự động hóa quá trình vận hành hệ thống sấy:

• Hệ thống hóa các khái niệm, cấu trúc của hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp thực phẩm.
• Phân tích và lựa chọn các nguyên tắc điều khiển thích hợp cho máy sấy: nguyên tắc điều khiển bù nhiễu, nguyên tắc điều khiển phối hợp, hệ thống điều khiển tự thích nghi và cấu trúc điều khiển phân cấp.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển tự động cho máy sấy hồng ngoại, sử dụng các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm bố trí tại các vị trí đặc trưng trong buồng sấy để đưa tín hiệu về bộ xử lý trung tâm.
• Tích hợp công nghệ IoT (Internet of Things), cho phép thiết bị truyền dữ liệu nhiệt ẩm theo thời gian thực về máy chủ hoặc thiết bị cầm tay thông qua mạng Internet, hỗ trợ vận hành và giám sát từ xa.
• Xây dựng sơ đồ mạch điện động lực cấp nguồn cho giàn điện trở/đèn hồng ngoại, động cơ quạt ly tâm và mạch điều khiển bảo vệ an toàn chống quá tải, ngắn mạch.

Chương 6. Tính toán kinh tế

Chương 6 tiến hành hạch toán kinh tế và xác định tính khả thi tài chính của dự án thiết kế:

• Lập dự toán chi phí đầu tư thiết bị: Tổng hợp chi phí vật tư gia công cơ khí (thép, inox, bông cách nhiệt), chi phí linh kiện bức xạ hồng ngoại, động cơ quạt, hệ thống cảm biến và thiết bị điện điều khiển.
• Xác định chi phí lắp đặt, kiểm định và chạy thử hệ thống.
• Tính toán chi phí bảo dưỡng định kỳ và sửa chữa thiết bị trong quá trình khai thác.
• Xác lập định mức tiêu hao nguyên liệu mít tươi và sản lượng mít sấy thành phẩm thu được trong một năm vận hành.
• Hạch toán chi phí biến đổi hàng năm: Chi phí tiêu thụ điện năng của hệ thống sấy, chi phí nhân công vận hành trực tiếp, chi phí bao bì và các khoản thuế liên quan.
• Xác định tổng chi phí sản xuất trong 1 năm, tính toán giá thành đơn vị sản phẩm mít sấy và ước lượng thời gian hoàn vốn đầu tư của dây chuyền thiết bị.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống sấy bức xạ hồng ngoại năng suất 1000 kg mít/mẻ được thiết kế thành một khối tích hợp giữa cơ khí nhiệt và điều khiển tự động:

• Kết cấu buồng sấy: Khung buồng sấy được chế tạo vững chắc, vỏ ngoài gồm 2 lớp kim loại, ở giữa chèn vật liệu cách nhiệt để hạn chế truyền nhiệt qua thành buồng. Cửa máy sấy có kết cấu lợi cửa và gioăng đệm kín khít. Không gian bên trong buồng sấy chia thành các khoang chứa khay sấy với các tấm vách ngăn dẫn hướng luồng khí.
• Hệ thống khay sấy và phân bố bức xạ: Toàn bộ 1000 kg mít nguyên liệu được chia đều lên hệ thống khay sấy dạng lưới kim loại, xếp thành nhiều tầng với khoảng cách tính toán chuẩn xác so với các nguồn phát bức xạ hồng ngoại. Cách bố trí này đảm bảo trường bức xạ phân bố đồng đều lên toàn bộ bề mặt sản phẩm, chiều sâu thâm nhập 3 ÷ 5 mm của tia hồng ngoại bao phủ trọn vẹn bề dày lát mít.
• Hệ thống thông gió và thải ẩm: Thiết bị sử dụng quạt ly tâm công nghiệp kết hợp với cụm ống dẫn khí và bẫy thông gió. Quạt ly tâm tạo lưu lượng gió cưỡng bức vừa đủ để mang hơi ẩm thoát ra từ bề mặt vật liệu đưa ra môi trường bên ngoài mà không làm suy giảm đột ngột nhiệt độ bề mặt của sản phẩm sấy.
• Hệ thống tự động điều khiển và IoT: Trung tâm điều khiển là tủ điện điều khiển tích hợp bộ vi xử lý và hệ thống rơ le, khởi động từ của mạch động lực. Các cảm biến thu nhận liên tục nhiệt độ và độ ẩm trong buồng sấy. Thuật toán điều khiển tự thích nghi và bù nhiễu tự động điều chỉnh công suất phát của giàn đèn hồng ngoại và đóng/mở van bẫy thông gió. Module IoT kết nối Internet truyền dữ liệu vận hành về hệ thống giám sát từ xa, cho phép người vận hành theo dõi trạng thái thiết bị mà không cần túc trực thường xuyên tại hiện trường.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được của đồ án tốt nghiệp:

• Hoàn thành đầy đủ các phép tính cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho hệ thống sấy bức xạ hồng ngoại quy mô 1000 kg mít tươi/mẻ, xác định chính xác tổng nhiệt tải $Q$ cần cấp và công suất tiêu thụ điện của các cụm thiết bị.
• Thiết lập thành công hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh gồm bản vẽ vỏ ngoài máy sấy, hệ thống khay sấy, bẫy thông gió, ống dẫn gió, vách ngăn buồng sấy, quạt ly tâm, cánh quạt, cửa và lợi cửa buồng sấy, cùng bản vẽ bố trí tủ điện.
• Thiết kế hệ thống điều khiển tự động thông minh có tích hợp công nghệ IoT, đáp ứng yêu cầu giám sát từ xa quá trình sấy, kiểm soát ổn định nhiệt độ và độ ẩm làm việc.
• Hoàn thành bảng tính toán hiệu quả kinh tế: làm rõ chi phí đầu tư ban đầu, chi phí điện năng, định mức nguyên liệu mít, giá thành sản phẩm trên một đơn vị khối lượng và thời gian hoàn vốn của hệ thống.

Đóng góp của đồ án:

• Về mặt khoa học: Đồ án cung cấp tài liệu kỹ thuật có phương pháp luận rõ ràng trong việc tính toán thiết kế máy sấy bức xạ hồng ngoại năng suất lớn cho nhóm vật liệu keo xốp mao dẫn; làm rõ cơ chế thoát ẩm dưới tác động của bức xạ hồng ngoại kết hợp đối lưu cưỡng bức.
• Về mặt thực tiễn: Đưa ra mẫu thiết kế máy sấy hoàn chỉnh có tính khả thi chế tạo cao, phục vụ trực tiếp cho hoạt động nghiên cứu, giảng dạy tại các trường đại học kỹ thuật và có thể chuyển giao công nghệ ứng dụng vào các cơ sở chế biến nông sản thực phẩm quy mô vừa và lớn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Nội dung đồ án chủ yếu tập trung vào phần tính toán lý thuyết, thiết kế bản vẽ cơ khí, sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và hạch toán kinh tế dự toán. Tác giả tự nhận định hệ thống vẫn đang trong quá trình đi vào hoàn thiện, chưa thể hiện số liệu vận hành thực nghiệm dài hạn của máy sấy sau chế tạo ở quy mô đủ tải 1000 kg.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Tiến hành chế tạo thử nghiệm mô hình thực tế, tiến hành sấy thử nghiệm nguyên liệu mít ở các chế độ nhiệt độ và bước sóng khác nhau để thu thập số liệu thực nghiệm về đường cong động học sấy và chất lượng sản phẩm sấy (hàm lượng vitamin C, độ giòn, màu sắc).
• Tiếp tục hiệu chỉnh các thông số vận hành của hệ thống quạt và bẫy thông gió nhằm tối ưu hóa suất tiêu hao năng lượng trên một kilôgam ẩm bốc hơi.
• Hoàn thiện phần mềm giao diện điều khiển IoT trên nền tảng ứng dụng di động hoặc web để nâng cao độ ổn định và tính tiện dụng khi triển khai vào sản xuất công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Cơ khí chế tạo máy và Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp liên quan đến công nghệ sau thu hoạch và tính toán thiết bị sấy.
• Các kỹ sư thiết kế thiết bị chế biến thực phẩm tại các doanh nghiệp nông sản cần dữ liệu tính toán mẫu về cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và kết cấu cơ khí của máy sấy bức xạ hồng ngoại công suất lớn.
• Phần đáng tham khảo nhất trong công trình là Chương 2 và Chương 3 với phương pháp luận tính toán nhiệt tải, kích thước buồng sấy dựa trên các thông số nhiệt vật lý thực tế của mít, cùng Chương 4 và Chương 5 cung cấp hệ thống bản vẽ chi tiết các cụm máy và sơ đồ mạch điều khiển ứng dụng IoT.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên lý sấy bức xạ hồng ngoại có ưu điểm gì nổi bật đối với nguyên liệu mít dạng lát mỏng? Tia hồng ngoại có bước sóng phù hợp có khả năng thâm nhập sâu vào khối mít từ 3 ÷ 5 mm, làm cho nhiệt độ bên trong lớp vật liệu cao hơn nhiệt độ bề mặt. Hiện tượng này làm cho cả gradient độ ẩm và gradient nhiệt độ cùng chiều hướng từ trong ra ngoài, gia tăng mạnh tốc độ thoát ẩm. Đối với các lát mít có chiều dày dưới 10 ÷ 12 mm, phương pháp này rút ngắn thời gian sấy và giữ được 85 ÷ 90% chất lượng ban đầu (độ biến đổi chỉ 10 ÷ 15%), bảo tồn hương vị, độ ngọt và vitamin mà không cần dùng hóa chất.

Các thông số nhiệt vật lý nào của mít được sử dụng làm cơ sở tính toán nhiệt tải trong đồ án? Tác giả sử dụng các thông số nhiệt vật lý của mít do PGS.TS. Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự công bố năm 2013, bao gồm: độ ẩm ban đầu của mít tươi $W = 80,13%$; nhiệt dung riêng của chất khô $C_{ck} = 1,3\text{ kJ/kg.K}$; trọng lượng riêng (khối lượng riêng) $\rho = 1030\text{ kg/m}^3$; và hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 0,51\text{ W/m.K}$.

Hệ thống sấy trong đồ án bao gồm những cụm chi tiết cơ khí chính nào trên bản vẽ kỹ thuật? Các cụm thiết bị cơ khí chính được thiết kế chi tiết tại Chương 4 bao gồm: Vỏ ngoài máy sấy hồng ngoại có cách nhiệt; cánh cửa và lợi cửa máy sấy; hệ thống khay sấy lưới; tấm vách ngăn buồng sấy; lưng buồng sấy; cụm bẫy thông gió; đường ống thông gió; quạt ly tâm cùng cánh quạt ly tâm; và tủ điện chứa thiết bị điều khiển.

Giải pháp điều khiển tự động của hệ thống sấy này có điểm gì đặc biệt so với các thiết bị sấy truyền thống? Hệ thống điều khiển được thiết kế dựa trên các nguyên tắc điều khiển tiên tiến như điều khiển phối hợp, bù nhiễu và tự thích nghi để duy trì ổn định chế độ sấy. Điểm đặc biệt là hệ thống được tích hợp công nghệ Internet vạn vật (IoT), cho phép truyền dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm qua Internet để giám sát, điều khiển trạng thái làm việc từ xa, giúp tiết kiệm chi phí nhân công vận hành.

Hiệu quả kinh tế của hệ thống sấy được đánh giá thông qua các chỉ tiêu nào trong Chương 6? Tác giả tiến hành tính toán các chỉ tiêu tài chính cụ thể gồm: Chi phí đầu tư thiết bị và thi công lắp đặt; chi phí bảo dưỡng, sửa chữa; định mức tiêu hao nguyên liệu mít tươi so với sản phẩm khô thu được; chi phí tiêu thụ điện năng của giàn nhiệt và quạt; chi phí nhân công; chi phí thuế; tổng chi phí làm ra sản phẩm trong 1 năm; giá thành sản phẩm trên đơn vị khối lượng; và thời gian hoàn vốn đầu tư.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống sấy bằng bức xạ hồng ngoại, với năng suất 1000kg nguyên liệu mít/mẻ" của tác giả Trần Hoàng Long đã giải quyết đồng bộ và hoàn chỉnh nhiệm vụ tính toán công nghệ, thiết kế cơ khí và thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa tích hợp IoT cho một thiết bị chế biến nông sản quy mô lớn. Các phép tính nhiệt tải và cân bằng vật chất được xây dựng chặt chẽ dựa trên các thông số nhiệt vật lý thực tế của nguyên liệu mít tươi, kết hợp với hệ thống bản vẽ chi tiết các cụm buồng sấy, quạt ly tâm và tủ điện có tính ứng dụng cao. Dù việc kiểm nghiệm thực nghiệm trên máy thực tế vẫn đang trong giai đoạn tiếp tục hoàn thiện, công trình đã cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật vững chắc, đóng góp giải pháp thiết thực cho công tác nghiên cứu, đào tạo cũng như chuyển giao công nghệ sấy hồng ngoại vào sản xuất thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về nguyên liệu và quá trình sấy vật liệu ẩm 1.1 Tổng quan về nguyên liệu Mít được trồng trọt lan rộng khắp Nam và Đông Nam Á cho đến thời kỳ chế độ thuộc địa khi đó nó tiếp tục được giới thiệu sang những nơi khác. Tổng hợp tài liệu về sự phân bố của cây mít từ các báo cáo đã công bố cho thấy từ 3 quốc gia bản địa Ấn Độ, Bangladesh, Malaysia cây mít đã được di thực và trồng phổ biến tại 79 quốc gia khác của châu Á,châu Phi, châu Mỹ và châu Đại Dương (Haq; 2006). Hiện nay cây Mít được trồng phổ biến ở các vùng nhiệt đới châu Á như: Ấn Độ,Bangladesh, Nepal, Srilanca, Campuchia, Việt Nam, Thái Lan, Malaysia, Indonesia, Philippines.

Ở Úc, mít được trồng chủ yếu tại các vùng nhiệt đới phía bắc Queensland và xung quanh khu vực Darwin thuộc Lãnh thổ phía Bắc Úc. Cây Mít cũng được tìm thấy trên khắp châu Phi (như ở Cameroon, Uganda, Tanzania, Madagascar, và đảo quốc Mauritius), cũng như ởnhiều nước nhiệt đới Nam và Trung Mỹ như Brazil, Jamaica, Nam Florida. Quả Mít và các sảnphẩm từ Mít là một mặt hàng thực phẩm phổ biến trên khắp các châu lục khi giao thương quốc tế ngày càng mở rộng. Cây mít SVTH: Trần Hoàng Long Trang 25 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.

Nguyễn Tấn Dũng 1. Đặc điểm hình thái Đặc điểm thân: Mít là loài cây thân gỗ, kích cỡ thân từ trung bình đến rất to thường có đường kính khoảng 80 120 cm nhưng có thể lớn hơn nhiều ở những cây già. Chiều cao cây mít dao động từ 10 - 20m, đôi khi đạt tới 30m. Mít có một rễ cọc dài và các rễ bao xung quanh dày đặc.

Rễ bao quanh hình nón khi cây còn nhỏ và đạt đường kính từ 3,5 - 6,7m sau năm năm. (Vũ Công Hậu, 2000) Đặc điểm lá: Lá mít là lá đơn mọc cách. Lá mọc xen kẽ trên cành ngang nhưng có xu hướng xoắn ốc trên các nhánh phía trên với kiểu sắp xếp lá 2/5. Có hiện diện các lá kèm lớn hình trứng đính thành mo ôm cành, dài khoảng 4 -8cm và rộng 1 – 3cm.

Phiến lá dày và có các hình dạng như: trái xoan rộng, hình thuôn, trứng ngược hoặc elip. Các phiến lá phẳng, nhăn hoặc với các cạnh lá hướng lên. Đỉnh lá tù, tròn hoặc có đầu ngắn. Từ điểm rộng nhất, lá thon dần đến cuống lá.

Cuống lá có màu xanh đậm, dài từ 1 - 5 cm và có rãnh ở mặt đối diện của cuống (Vũ Công Hậu, 2000) Hình 1. Cành mít, lá mít Artocarpus heterophyllus (J. Williams và cộng sự 2006) SVTH: Trần Hoàng Long Trang 26 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng Đặc điểm cụm hoa và hoa mít: Mít là loài có hoa đực và hoa cái riêng rẽ cùng mọc trên một cây, các cụm hoa đực và hoa cái được sinh ra riêng biệt trên các nách lá, trên thân cây hoặc trên các cành già (Vũ Công Hậu, 2000) Đặc điểm quả mít: Quả mít là một quả tụ lớn còn gọi là quả phức màu vàng dài 30 – 100 cm và đường kính 25 – 50 cm, hình trụ tròn đến hình quả lê treo trên một cuống.

Bề mặt quả có nhiều gai nhỏ hình chóp nhô ra, trừ lớp vỏ gai, phần còn lại của quả mít hầu như ăn được. Múi mít có phần thịt mềm, là thành phần chính để ăn từ quả mít. Các bao hoa của từng quả thật riêng lẻ phát triển thành các múi và bao quanh các hạt, mỗi thịt múi và hạt là một quả riêng lẻ. Thịt múi có màu vàng trắng hoặc vàng và vàng nhạt (Vũ Công Hậu, 2000) Trong múi mít đa số có hạt và đôi khi không có do hạt bị thoái hóa.