Đồ án HCMUTE: Tính toán và thiết kế hệ thống sấy lạnh rau quả năng suất 2 tấn

Đồ án nghiên cứu hcmute tính toán thiết kế hệ thống sấy lạnh rau quả với năng suất 2 tấn mẻ, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán toán học.

• Tác giả: Phimmavong Khiany
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tấn Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Sấy Lạnh Rau Quả Năng Suất 2 Tấn
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Quá trình sấy
• 1.1.1. Định nghĩa
• 1.1.2. Các phương pháp sấy
• 1.1.2.1. Phân loại phương pháp sấy theo cách cấp nhiệt
• 1.1.2.1.1. Phương pháp sấy đối lưu
• 1.1.2.1.2. Phương pháp sấy bức xạ
• 1.1.2.1.3. Phương pháp sấy tiếp xúc
• 1.1.2.1.4. Phương pháp sấy dùng điện trường cao tần
• 1.1.2.2. Phân loại phương pháp sấy theo chế độ thải ẩm
• 1.1.2.2.1. Phương pháp sấy dưới áp suất khí quyển
• 1.1.2.2.2. Phương pháp sấy chân không
• 1.1.2.3. Phân loại phương pháp sấy theo cách xử lý không khí
• 1.1.2.3.1. Phương pháp sấy dùng nhiệt
• 1.1.2.3.2. Phương pháp sấy dùng xử lý ẩm (hút ẩm)
• 1.1.2.3.3. Phương pháp kết hợp gia nhiệt và hút ẩm
• 1.1.2.3.3.1. Dùng chất hút ẩm rắn
• 1.1.2.3.3.2. Dùng bơm nhiệt để hút ẩm và gia nhiệt
• 1.1.3. Cơ sở khoa học của quá trình sấy lạnh
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY LẠNH RAU QUẢ
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• DANH SÁCH PHỤ LỤC
• KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Hệ thống sấy lạnh rau quả Tổng quan và cơ sở lý thuyết

Phần này trình bày tổng quan về hệ thống sấy lạnh rau quả, tập trung vào cơ sở khoa học của quá trình sấy lạnh. Sấy lạnh là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu bằng cách giảm độ ẩm tương đối trong không khí, tạo ra sự chênh lệch áp suất hơi nước. Ưu điểm của sấy lạnh rau quả công nghiệp là giữ được màu sắc, mùi vị và thành phần dinh dưỡng. Đề tài tập trung vào thiết kế hệ thống sấy lạnh năng suất 2 tấn rau quả/ngày, phù hợp khí hậu Việt Nam. Nghiên cứu này góp phần phát triển công nghệ sấy lạnh rau quả trong nước, giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu đắt tiền. Giải pháp sấy lạnh rau quả được đề xuất dựa trên các nguyên lý vật lý và kỹ thuật hiện đại. Quy trình sấy lạnh rau quả được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Ứng dụng sấy lạnh rau quả rộng rãi trong bảo quản và chế biến thực phẩm.

1.1. Cơ sở khoa học quá trình sấy lạnh

Quá trình sấy lạnh dựa trên nguyên lý giảm độ ẩm tương đối của không khí để tạo ra sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa sản phẩm và môi trường. Điều này dẫn đến sự bay hơi nước từ sản phẩm, làm cho sản phẩm khô. Cơ sở khoa học của quá trình sấy lạnh bao gồm các khía cạnh vật lý, hóa học và sinh học. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sấy lạnh gồm: nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng không khí, thời gian sấy và đặc tính của sản phẩm. Công nghệ sấy lạnh rau quả tối ưu cần cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố này. Vật liệu sấy (rau quả) có các đặc tính ảnh hưởng đến quá trình sấy, cần được xác định chính xác. Sấy lạnh rau quả giữ chất lượng là mục tiêu quan trọng, đòi hỏi hiểu biết sâu rộng về các quá trình vật lý và hóa học diễn ra trong quá trình sấy. Hiểu rõ sự liên kết ẩm trong vật liệu sấy giúp tối ưu hóa hiệu quả sấy. Phân loại không khí ẩm và các thông số của không khí ẩm cần được nghiên cứu kỹ để thiết kế hệ thống phù hợp. Sơ đồ thiết bị của hệ thống sấy lạnh minh họa quá trình hoạt động của hệ thống.

1.2. Các phương pháp sấy và lựa chọn thiết bị

Đề tài so sánh các phương pháp sấy rau quả, bao gồm sấy lạnh, sấy nóng, sấy thăng hoa, và các phương pháp khác. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng. Sấy lạnh rau quả giữ chất lượng tốt hơn các phương pháp khác. Việc lựa chọn thiết bị sấy rau quả phụ thuộc vào năng suất, loại sản phẩm và yêu cầu về chất lượng. Thiết kế máy sấy rau quả cần tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Thiết kế hệ thống sấy lạnh tiết kiệm năng lượng là một mục tiêu quan trọng. Phân tích ưu nhược điểm sấy lạnh so với các phương pháp khác. So sánh các phương pháp sấy rau quả cho thấy sấy lạnh có nhiều ưu điểm về chất lượng sản phẩm. Lựa chọn thiết bị sấy rau quả thích hợp ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kinh tế và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế hệ thống sấy lạnh phù hợp với điều kiện Việt Nam. Tính toán năng suất sấy rau quả là phần quan trọng trong thiết kế.

II. Thiết kế hệ thống sấy lạnh 2 tấn Phương pháp và tính toán

Phần này tập trung vào thiết kế hệ thống sấy lạnh với năng suất 2 tấn rau quả/mẻ. Tính toán năng suất sấy là bước quan trọng. Phương pháp nghiên cứu tính toán bao gồm cân bằng vật chất và năng lượng. Sơ đồ tính toán thiết kế hệ thống sấy lạnh được trình bày chi tiết. Phương pháp tính cân bằng vật chất và phương pháp tính cân bằng năng lượng được áp dụng để xác định các thông số thiết kế. Quá trình sấy lý thuyết và quá trình sấy thực tế được phân tích. Thiết kế hệ thống sấy lạnh rau quả yêu cầu tính toán chính xác các thông số kỹ thuật.

2.1. Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng

Tính cân bằng vật chất xác định lượng nước cần loại bỏ và lượng không khí cần thiết. Tính toán quá trình sấy lý thuyết và đồ thị h-d quá trình sấy lý thuyết được sử dụng để xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy. Xác định lưu lượng không khí trong quá trình sấy là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả sấy. Tính cân bằng nhiệt trong quá trình sấy lý thuyết giúp xác định các thông số thiết kế hệ thống. Tính toán quá trình sấy thực tế và đồ thị h-d quá trình sấy thực tế được sử dụng để xác định các thông số thực tế của quá trình sấy. Tính cân bằng năng lượng trong quá trình sấy thực tế giúp xác định công suất của thiết bị. Tự động điều khiển hệ thống sấy giúp tối ưu hóa quá trình sấy và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

2.2. Thiết kế các thành phần hệ thống

Thiết kế buồng sấy bao gồm xác định kích thước, thể tích và vật liệu. Xác định các kích thước cơ bản của thiết bị là bước quan trọng trong thiết kế hệ thống. Thể tích chứa sản phẩm của buồng sấy và thể tích buồng sấy cần thiết kế chế tạo được tính toán dựa trên năng suất yêu cầu. Kích thước buồng sấy cần thiết kế chế tạo được xác định dựa trên các thông số tính toán. Tính toán lắp đặt động cơ máy nén bao gồm việc xác định công suất, lưu lượng môi chất và các thông số khác. Tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và thiết bị hồi nhiệt được thực hiện dựa trên các phương pháp tính toán nhiệt động lực học. Tính toán chọn van tiết lưu, đường ống và quạt đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả. Tính tổng trở lực và công suất quạt cần được tính toán để chọn quạt phù hợp. Mô hình hệ thống sấy lạnh minh họa cấu trúc và hoạt động của hệ thống.

III. Kết quả và bàn luận

Phần này trình bày kết quả tính toán hệ thống sấy lạnh, bao gồm các thông số thiết kế của các thành phần hệ thống. Mô hình hệ thống sấy lạnh được xây dựng dựa trên kết quả tính toán. Xây dựng quy trình công nghệ sấy lạnh mít là một ví dụ cụ thể cho ứng dụng sấy lạnh rau quả. Thuyết minh quy trình công nghệ giải thích chi tiết các bước trong quy trình. Kết quả nghiên cứu tính toán được phân tích và đánh giá. An toàn vệ sinh hệ thống sấy được xem xét để đảm bảo an toàn thực phẩm.

3.1. Phân tích kết quả và đánh giá

Kết quả tính toán hệ thống sấy lạnh cho thấy hệ thống đáp ứng được yêu cầu về năng suất và chất lượng. Kết quả tính toán buồng sấy, máy nén, thiết bị trao đổi nhiệt và đường ống được trình bày chi tiết. Phân tích ưu điểm và nhược điểm của hệ thống được thực hiện. Đầu tư hệ thống sấy lạnh rau quả cần được cân nhắc kỹ lưỡng. Tìm nhà cung cấp hệ thống sấy lạnh là bước quan trọng sau khi thiết kế hoàn thiện. Xu hướng sấy lạnh rau quả cho thấy công nghệ này ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Nghiên cứu hệ thống sấy lạnh rau quả này góp phần phát triển ngành công nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam.

3.2. Ứng dụng thực tiễn và kiến nghị

Ứng dụng sấy lạnh rau quả có tiềm năng lớn trong bảo quản và chế biến nông sản. Sấy lạnh rau quả giúp giữ chất lượng tốt hơn so với các phương pháp sấy truyền thống. Chi phí thiết kế hệ thống sấy cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo tính khả thi kinh tế. Vận hành hệ thống sấy lạnh cần tuân thủ các quy trình kỹ thuật để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Bảo trì hệ thống sấy lạnh thường xuyên giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị và đảm bảo hoạt động ổn định. Tiêu chuẩn thiết kế hệ thống sấy cần được tuân thủ để đảm bảo chất lượng và an toàn. Những ưu điểm của hệ thống sấy lạnh được nhấn mạnh. Những nhược điểm của hệ thống sấy lạnh cần được khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo. Đề xuất các giải pháp để cải tiến hệ thống và nâng cao hiệu quả.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành nông nghiệp Việt Nam ghi nhận sự phát triển mạnh mẽ từ việc ứng dụng các thành tựu khoa học – kỹ thuật hiện đại như công nghệ sinh học, công nghệ gen và công nghệ tế bào, tạo ra nguồn nông sản dồi dào với chất lượng cao. Tuy nhiên, vấn đề chế biến và bảo quản sau thu hoạch phục vụ tiêu dùng nội địa và xuất khẩu trong bối cảnh hội nhập kinh tế quốc tế đặt ra yêu cầu khắt khe về chất lượng sản phẩm. Đối với các loại rau quả, quá trình sấy ở nhiệt độ cao truyền thống thường làm tổn thương và phá hủy các hoạt chất sinh học, làm biến đổi màu sắc, mùi vị, đồng thời làm suy giảm hàm lượng vitamin và protein. Phương pháp sấy lạnh sử dụng tác nhân sấy có độ ẩm tương đối thấp ở dải nhiệt độ phù hợp là giải pháp kỹ thuật đáp ứng được các tiêu chuẩn bảo toàn chất lượng nông sản. Mặc dù công nghệ này có nhiều ưu điểm, các hệ thống sấy lạnh nhập khẩu từ nước ngoài hiện có giá thành rất cao, gây khó khăn cho việc đầu tư đại trà.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 4 nhiệm vụ cụ thể:

1. Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu và ứng dụng của hệ thống sấy lạnh, tạo tiền đề phát triển hệ thống ở quy mô lớn hơn và hoàn thiện hơn.
2. Khẳng định tính ưu việt của sản phẩm sấy lạnh so với công nghệ sấy ở nhiệt độ cao.
3. Nghiên cứu tính toán và thiết kế hệ thống sấy lạnh rau quả với năng suất 2 tấn/mẻ, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam.
4. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho toàn bộ dây chuyền sấy.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống sấy lạnh ứng dụng trong chế biến rau quả (với đối tượng vật liệu sấy thực nghiệm quy trình là quả mít). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán, thiết kế hệ thống trên cơ sở lý thuyết kỹ thuật cho quy mô năng suất 2 tấn/mẻ, không tiến hành chế tạo mô hình thực tế do hạn chế về mặt chi phí đầu tư thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết về kỹ thuật sấy, nhiệt động lực học không khí ẩm và chu trình máy lạnh:

• Cơ sở khoa học của quá trình sấy lạnh: Quá trình sấy lạnh dựa trên nguyên tắc tạo ra sự chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa bề mặt vật liệu sấy ($p_u$) và tác nhân sấy ($p_h$) bằng cách giảm độ chứa hơi $d$ của không khí. Không khí sau khi được tách ẩm qua dàn lạnh sẽ có độ ẩm tương đối cao và nhiệt độ thấp, sau đó được gia nhiệt đẳng dung ẩm qua dàn nóng của máy lạnh lên khoảng 40°C để tạo ra tác nhân sấy có độ khô cao trước khi đưa vào buồng sấy.
• Lý thuyết về liên kết ẩm và vật liệu ẩm: Phân loại các dạng liên kết ẩm trong vật liệu gồm liên kết hóa - lý (bền vững, không thể tách bằng phương pháp sấy thông thường) và liên kết cơ - lý (gồm liên kết hấp phụ, liên kết mao dẫn và liên kết thẩm thấu). Kỹ thuật sấy cung cấp năng lượng để phá vỡ các liên kết cơ - lý này.
• Nhiệt động học không khí ẩm: Ứng dụng các thông số trạng thái của không khí ẩm gồm độ ẩm tuyệt đối ($\rho$), độ ẩm tương đối ($\varphi$), độ chứa hơi ($d$), entanpi ($h$), nhiệt độ đọng sương ($t_s$) và nhiệt độ nhiệt kế ướt ($t_M$), biểu diễn trên đồ thị nhiệt động $h-d$ (I-d).
• Phương pháp tính toán kỹ thuật:
  • Phương pháp cân bằng vật chất: Xác định lượng ẩm cần tách, lượng vật liệu khô và khối lượng sản phẩm sau sấy dựa trên độ ẩm ban đầu và độ ẩm cuối.
  • Phương pháp cân bằng năng lượng: Tính toán quá trình sấy lý thuyết và quá trình sấy thực tế, xác định nhiệt lượng tiêu hao và lưu lượng không khí tuần hoàn.
  • Phương pháp tính toán nhiệt và chu trình lạnh: Sử dụng đồ thị nhiệt động $\lg P - h$ của môi chất lạnh R22 cho chu trình máy nén một cấp có thiết bị hồi nhiệt để tính toán công suất máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và bình hồi nhiệt.
  • Phương pháp thiết kế điện - điều khiển: Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển tự động cho hệ thống.
• Nguồn dữ liệu: Số liệu thành phần hóa học của múi mít, thông số khí tượng tại Việt Nam, bảng tra nhiệt động môi chất lạnh R22 và bảng tra thông số không khí ẩm.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống sấy lạnh rau quả năng suất 2 tấn/mẻ được thiết kế theo sơ đồ tổ hợp chu trình nhiệt - lạnh khép kín, bao gồm các cụm khối chức năng chính:

[Buồng sấy & Xe goòng] <--- (Không khí khô, ~40°C) <--- [Thiết bị ngưng tụ (Dàn nóng)]
        |                                                              ^
        v                                                              |
[Thiết bị bay hơi (Dàn lạnh)] ---> (Không khí khử ẩm) -----------------+
  (Ngưng tụ ẩm thải ra ngoài)

• Buồng sấy và cơ cấu chứa sản phẩm: Buồng sấy dạng hầm cách nhiệt, bên trong bố trí hệ thống đường ray và các xe goòng chứa các khay sấy nông sản, đảm bảo phân bố dòng khí sấy đồng đều qua các lớp vật liệu.
• Hệ thống máy nén lạnh: Máy nén 1 cấp sử dụng môi chất R22, có nhiệm vụ hút hơi môi chất từ thiết bị bay hơi qua bình hồi nhiệt và nén lên áp suất ngưng tụ đưa vào thiết bị ngưng tụ.
• Cụm thiết bị trao đổi nhiệt:
  • Thiết bị bay hơi (TBBH): Dàn lạnh không khí đối lưu cưỡng bức có cánh nhôm bọc ống đồng, làm lạnh không khí xuống dưới nhiệt độ đọng sương để ngưng tụ hơi nước và xả ra ngoài qua ống xi phông.
  • Thiết bị ngưng tụ (TBNT): Dàn nóng không khí đối lưu cưỡng bức, tận dụng nhiệt ngưng tụ của môi chất R22 để gia nhiệt không khí tác nhân sấy lên nhiệt độ sấy công nghệ (~40°C).
  • Thiết bị hồi nhiệt (THNH): Dạng bình ống xoắn, thực hiện trao đổi nhiệt ngược dòng giữa lỏng cao áp từ bình chứa và hơi hạ áp từ dàn bay hơi nhằm tăng độ quá lạnh của lỏng trước khi vào van tiết lưu và làm quá nhiệt hơi hút về máy nén, ngăn chặn hiện tượng ngập lỏng.
• Thiết bị phụ trợ và đường ống: Bình tách lỏng đặt trên đường hút, bình chứa cao áp đặt sau bình ngưng, van tiết lưu tự động, hệ thống quạt thổi/hút và đường ống dẫn gió có tính toán trở lực.
• Hệ thống điều khiển tự động: Tích hợp tủ điện gồm mạch động lực cấp nguồn cho máy nén, động cơ quạt dàn nóng, quạt dàn lạnh, quạt tuần hoàn buồng sấy và mạch điều khiển tự động ổn định nhiệt độ, độ ẩm và thời gian sấy theo từng giai đoạn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về các phương pháp sấy (đối lưu, bức xạ, tiếp xúc, cao tần, chân không, thăng hoa), nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy lạnh trên đồ thị nhiệt động $h-d$, cấu tạo các thiết bị chính trong hệ thống lạnh (máy nén pittông/trục vít, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi, bình hồi nhiệt, bình tách lỏng, bình chứa cao áp). Chương này cũng phân tích đặc tính thực vật học, sinh hóa của quả mít và các đại lượng vật lý đặc trưng của vật ẩm, cùng các dạng liên kết ẩm (hấp phụ, mao dẫn, thẩm thấu). Đồng thời, tác giả tổng thuật các công trình nghiên cứu sấy lạnh trong nước: hệ thống sấy bơm nhiệt tổ hợp của Đại học Bách khoa Hà Nội, mô hình sấy lạnh gỗ dùng bơm nhiệt và thiết bị sấy bơm nhiệt do Viện Công nghệ Hóa học (ThS. Hoàng Tiến Cường) chế tạo.

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

Chương 2 trình bày sơ đồ khối và trình tự thiết kế hệ thống sấy lạnh gồm: tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng quá trình sấy lý thuyết và sấy thực, tính chọn máy nén, tính toán thiết kế bề mặt truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi, bình hồi nhiệt và thiết kế hệ thống điều khiển tự động. Các công thức xác định lưu lượng không khí, công suất lạnh, công nén chỉ thị, công ma sát và công suất động cơ được thiết lập chi tiết.

Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống sấy lạnh rau quả

Chương 3 thực hiện tính toán chi tiết cho hệ thống sấy 2 tấn mít/mẻ. Nội dung tính toán bao gồm: xác định kích thước buồng sấy và số lượng xe goòng; xác định các điểm trạng thái của không khí trên đồ thị $h-d$ cho quá trình sấy lý thuyết và thực tế; tính toán chu trình lạnh một cấp có thiết bị hồi nhiệt sử dụng môi chất R22 trên đồ thị $\lg P - h$; tính toán diện tích trao đổi nhiệt của TBNT và TBBH; tính chọn van tiết lưu, đường kính ống hút, ống đẩy và đường ống dẫn tác nhân sấy; tính toán tổng trở lực khí động và chọn công suất quạt gió; thiết kế sơ đồ mạch điện động lực và mạch điều khiển tự động cho toàn bộ hệ thống.

Chương 4: Kết quả và bàn luận

Chương 4 tổng hợp các bảng thông số kỹ thuật thu được sau quá trình tính toán thiết kế cho buồng sấy, xe goòng, máy nén, các thiết bị trao đổi nhiệt, đường ống và quạt gió. Tác giả giới thiệu bản vẽ mô hình hệ thống sấy lạnh và xây dựng quy trình công nghệ sấy lạnh mít hoàn chỉnh từ khâu nguyên liệu, phân loại, bóc tách múi, xử lý, xếp khay, cài đặt chế độ sấy đến thu hồi sản phẩm mít sấy lạnh.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật và quy trình công nghệ

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ các hạng mục tính toán thiết kế cho hệ thống sấy lạnh rau quả năng suất 2 tấn/mẻ. Các kết quả tính toán chính được tổng hợp thành các nhóm thông số:

Hạng mục thiết bị / Thông số	Kết quả tính toán thiết kế
Năng suất hệ thống	2 tấn nguyên liệu/mẻ
Đối tượng sấy thử nghiệm	Mít (độ ẩm múi ban đầu 70–80%)
Môi chất lạnh sử dụng	R22
Chu trình nhiệt động	Chu trình máy nén 1 cấp có thiết bị hồi nhiệt
Hệ thống buồng sấy & vận chuyển	Buồng sấy dạng hầm cách nhiệt, phân chia kích thước phù hợp hệ thống xe goòng và khay sấy
Thiết bị trao đổi nhiệt chính	Thiết bị ngưng tụ đối lưu cưỡng bức; Thiết bị bay hơi đối lưu cưỡng bức; Bình hồi nhiệt kiểu ống xoắn
Hệ thống điều khiển	Mạch động lực và mạch điều khiển tự động kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và thời gian sấy

Bên cạnh các thông số cơ khí - nhiệt lạnh, đồ án đã xác lập quy trình công nghệ sấy lạnh mít gồm các công đoạn:

• Thu nhận và phân loại nguyên liệu mít chín.
• Xử lý cơ học (bổ quả, tách múi, bỏ hạt, làm sạch xơ).
• Xử lý sơ bộ và xếp đều múi mít lên các khay sấy của xe goòng.
• Đưa xe goòng vào buồng sấy, đóng kín và vận hành hệ thống theo chế độ nhiệt sấy khoảng 40°C kết hợp khử ẩm liên tục.
• Làm nguội, kiểm tra độ ẩm thành phẩm và đóng gói bảo quản.

Thành phần dinh dưỡng tham chiếu của nguyên liệu múi mít trong đồ án được xác định như sau:

Thành phần dinh dưỡng	Tỷ lệ (%)
Độ ẩm	70 – 80 %
Gluxit	22,8 %
Khoáng	3,6 %
Protid	1,7 %

Đóng góp của đề tài

• Bổ sung tài liệu tính toán thiết kế chi tiết về hệ thống sấy lạnh năng suất lớn (2 tấn/mẻ) vào kho tàng nghiên cứu kỹ thuật sấy trong nước.
• Đưa ra giải pháp công nghệ có tính ứng dụng cao, phục vụ định hướng chế tạo thiết bị nội địa nhằm thay thế các dây chuyền nhập khẩu đắt tiền.
• Cung cấp tài liệu tham khảo có tính hệ thống cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo về các công nghệ sấy chân không và sấy thăng hoa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Đề tài hoàn toàn dừng lại ở mức độ tính toán và thiết kế trên mô hình lý thuyết, chưa tiến hành gia công chế tạo mô hình thực nghiệm và chưa chạy thử nghiệm tải thực tế do chi phí đầu tư thiết bị sấy lạnh công nghiệp quá cao.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Huy động nguồn lực kinh phí để chế tạo thử nghiệm mô hình hệ thống sấy lạnh thực tế nhằm kiểm chứng các thông số tính toán lý thuyết và độ tổn thất áp suất, nhiệt lượng thực tế.
  • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển tự động theo thời gian thực đối với nhiều loại nông sản khác nhau ngoài mít.
  • Sử dụng kết quả tính toán nhiệt - lạnh của đồ án làm cơ sở phát triển sang các hệ thống sấy tiên tiến hơn như sấy thăng hoa và sấy chân không.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích đối với:

• Sinh viên và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Nhiệt - Máy lạnh, Kỹ thuật Cơ khí Chế biến Nông sản: tham khảo phương pháp luận tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt quá trình sấy, tra cứu đồ thị $h-d$ và $\lg P - h$.
• Kỹ sư thiết kế và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy chế biến nông sản: tham khảo sơ đồ nguyên lý chu trình lạnh có hồi nhiệt, cách tính chọn công suất máy nén R22, thiết kế dàn ngưng tụ, dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức và sơ đồ mạch điện điều khiển tự động hệ thống sấy.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý tách ẩm của hệ thống sấy lạnh trong đồ án được thực hiện như thế nào?
Tác nhân sấy là không khí ẩm được đưa qua thiết bị bay hơi (dàn lạnh) để hạ nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ đọng sương, làm cho hơi nước ngưng tụ thành giọt lỏng và thải ra ngoài. Sau đó, không khí khô có nhiệt độ thấp được đưa qua thiết bị ngưng tụ (dàn nóng) để gia nhiệt đẳng dung ẩm lên nhiệt độ công nghệ khoảng 40°C trước khi thổi vào buồng sấy nhằm tăng khả năng nhận ẩm từ vật liệu.

2. Môi chất lạnh và dạng chu trình nhiệt động nào được lựa chọn để tính toán hệ thống?
Đồ án lựa chọn môi chất lạnh R22 kết hợp với chu trình máy lạnh một cấp có tích hợp thiết bị hồi nhiệt. Quá trình tính toán chu trình được thực hiện trên đồ thị nhiệt động $\lg P - h$.

3. Thiết bị hồi nhiệt trong hệ thống có cấu tạo và vai trò gì?
Thiết bị hồi nhiệt có cấu tạo dạng bình ống xoắn được bọc cách nhiệt, bên trong cho dòng lỏng cao áp chảy trong ống xoắn trao đổi nhiệt với dòng hơi hạ áp chảy ngoài ống. Thiết bị này giúp làm quá lạnh chất lỏng trước khi qua van tiết lưu (tránh hiện tượng bốc hơi sớm) và làm quá nhiệt hơi hút về máy nén (ngăn ngừa hiện tượng ngập lỏng, va đập thủy lực).

4. Đối tượng nông sản nào được chọn làm mẫu để xây dựng quy trình sấy và thành phần cơ bản gồm những gì?
Vật liệu sấy được chọn là quả mít (chi Artocarpus, họ Moraceae). Phần múi mít chiếm khoảng 45% khối lượng quả, có thành phần dinh dưỡng gồm: độ ẩm 70–80%, Gluxit 22,8%, Khoáng 3,6% và Protid 1,7%.

5. Vì sao đồ án chỉ thực hiện tính toán thiết kế trên lý thuyết mà không chế tạo mô hình thực tế?
Do chi phí để gia công, mua sắm linh kiện nhiệt lạnh công nghiệp và lắp đặt hoàn chỉnh một hệ thống sấy lạnh quy mô 2 tấn/mẻ rất cao, vượt quá khả năng tài chính của một đồ án tốt nghiệp thông thường, nên tác giả giới hạn phạm vi nghiên cứu ở việc thiết kế và tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh trên lý thuyết.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phimmavong Khiany do TS. Nguyễn Tấn Dũng hướng dẫn đã hoàn thành toàn diện việc tính toán thiết kế hệ thống sấy lạnh rau quả năng suất 2 tấn/mẻ sử dụng môi chất R22. Công trình đã giải quyết trọn vẹn từ cơ sở lý thuyết nhiệt ẩm, cân bằng vật chất - năng lượng, tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt, máy nén, quạt gió, bình hồi nhiệt cho đến thiết kế mạch điện điều khiển tự động và quy trình công nghệ sấy mít. Mặc dù dừng lại ở mức độ thiết kế lý thuyết do rào cản chi phí chế tạo, kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác nghiên cứu, đào tạo và định hướng chế tạo thiết bị sấy lạnh trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Quá trình sấy 1. Định nghĩa Quá trình sấy là quá trình làm khô một vật thể bằng phương pháp bay hơi. Đối tượng của quá trình sấy là các vật ẩm là những vật thể có chứa một lượng chất lỏng nhất định.

Chất lỏng chứa trong vật ẩm thường là nước. Một số ít vật ẩm chứa chất lỏng khác là dung môi hữu cơ, ví dụ: sơn vecni…Qua định nghĩa ta thấy quá trình sấy yêu cầu các tác động cơ bản đến vật ẩm là: - Cấp nhiệt cho vật ẩm làm cho ẩm trong vật hóa hơi - Lấy hơi ẩm ra khỏi vật và thải vào môi trường Ở đây quá trình hóa hơi của ẩm lỏng trong vật là bay hơi nên có thể xảy ra ở bất kỳ nhiệt độ nào. Các phương pháp sấy Như đã trình bày ở trên, để sấy khô một vật ẩm cần hai tác động cơ bản: một là gia nhiệt cho vật làm cho ẩm trong vật hóa hơi (cụ thể là bay hơi ở bất kỳ nhiệt độ nào), hai là làm cho ẩm thoát ra khỏi vật và thải vào môi trường. Để cấp nhiệt cho vật có thể dùng các phương pháp sau: dẫn nhiệt (cho vật ẩm tiếp xúc với bề mặt có nhiệt độ cao hơn), trao đổi nhiệt đối lưu (cho vật ẩm tiếp xúc với chất lỏng hay khí có nhiệt độ cao hơn), trao đổi nhiệt bức xạ (dùng các nguồn bức xạ cấp nhiệt cho vật), dùng điện trường cao tần để nung nóng vật.

Để lấy ẩm ra khỏi vật và thải vào môi trường có thể dùng nhiều biện pháp như: dùng môi chất sấy, dùng máy hút chân không, khi sấy ở nhiệt độ cao hơn 1000C hơi ẩm thoát ra có áp suất cao hơn áp suất khí quyển sẽ tự thoát vào môi trường. Khi dùng môi chất sấy làm nhiệm vụ thải ẩm, do môi chất sấy tiếp xúc với vật ẩm, ẩm sẽ thoát ra do 3 lực tác động: do chênh lệch nồng độ ẩm trên bề mặt vật và môi chất sấy, do chênh lệch nhiệt độ giữa ẩm thoát ra và môi chất chất sấy sinh ra lực khuếch tán nhiệt, do chênh lệch phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật ẩm và trong môi chất sấy. 1 do an Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Tấn Dũng Khi dùng bơm chân không làm nhiệm vụ thải ẩm, hơi ẩm được bơm chân không hút đi và thải vào môi trường.

Có thể sử dụng thiết bị ngưng tụ hơi (hay ngưng kết) làm cho ẩm ngưng thành lỏng (hoặc rắn và thải vào môi trường bằng cách xả (ứng dụng vào trong sấy thăng hoa)). Thường dùng máy hút chân không kết hợp với thiết bị ngưng tụ hay ngưng kết ẩm để thải ẩm. Phân loại phương pháp sấy theo cách cấp nhiệt 1- Phương pháp sấy đối lưu Trong phương pháp này việc cấp nhiệt cho vật ẩm thực hiện bằng cách trao đổi nhiệt đối lưu (tự nhiên hay cưỡng bức). Trường hợp này môi chất sấy làm nhiệm vụ cấp nhiệt 2- Phương pháp sấy bức xạ Trong phương pháp này việc gia nhiệt cho vật ẩm thực hiện bằng trao đổi nhiệt bức xạ.

Người ta dùng đèn hồng ngoại hay các bề mặt rắn có nhiệt độ cao hơn để bức xạ nhiệt tới vật ẩm. Trường hợp này môi chất sấy không làm nhiệm vụ gia nhiệt cho vật ẩm. 3- Phương pháp sấy tiếp xúc Trong phương pháp sấy này việc cấp nhiệt cho vật liệu sấy thực hiện bằng dẫn nhiệt do vật sấy tiếp xúc với bề mặt có nhiệt độ cao hơn. 4- Phương pháp sấy dùng điện trường cao tần Trong phương pháp này người ta để vật ẩm trong điện trường tần số cao.

Vật ẩm sẽ được nóng lên. Trường hợp này môi chất sấy không làm nhiệm vụ gia nhiệt cho vật 1. Phân loại phương pháp sấy theo chế độ thải ẩm 1- Phương pháp sấy dưới áp suất khí quyển Trong phương pháp sấy này áp suất trong buồng sấy bằng áp suất khí quyển. Việc thoát ẩm do môi chất sấy đảm nhiệm hoặc sấy ở nhiệt độ cao hơn 1000C, ẩm tự thoát vào môi trường 2- Phương pháp sấy chân không Trong phương pháp này áp suất trong buồng sấy nhỏ hơn áp suất khí quyển vì vậy không thể dùng môi chất sấy làm nhiệm vụ thải ẩm.

Việc thải ẩm dùng máy hút chân không hoặc kết hợp với thiết bị ngưng tụ hay ngưng kết ẩm. Trường hợp chỉ dùng máy hút chân không thì máy 2 do an Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Tấn Dũng hút chân không đảm nhiệm hút toàn bộ hơi ẩm thoát ra từ vật thể vào môi trường. Trong trường hợp dùng kết hợp máy hút chân không với thiết bị ngưng tụ hay ngưng kết ẩm thì máy hút chân không có nhiệm vụ tạo chân không ban đầu (lúc khởi động máy) và hút khí không ngưng khi thiết bị làm việc còn thiết bị ngưng tụ hay ngưng kết ẩm làm nhiệm vụ thải ẩm có nghĩa là toàn bộ ẩm thoát ra ngưng kết thành tuyết và được thải ra ngoài dưới dạng lỏng.

Khi sấy chân không dưới điểm ba thể của nước (p = 4,58 mmHg; t = 0,00980C) ẩm trong vật ở thể rắn và ở vùng thăng hoa của chế độ nhiệt nên việc hóa hơi ẩm là quá trình thăng hoa. Ẩm thoát ra sẽ ngưng thành băng tuyết trong thiết bị ngưng kết ẩm và thải ra ngoài bằng cách xả băng. Trường hợp này gọi là phương pháp sấy thăng hoa. Phân loại phương pháp sấy theo cách xử xý không khí Khi dùng không khí làm môi chất sấy cần xử lý không khí trước khi đưa vào buồng sấy.

Có hai hướng xử lý không khí là gia nhiệt và khử ẩm (hoặc tăng ẩm) có nghĩa là xử lý nhiệt ẩm. Căn cứ vào cách xử lý không khí ta có các phương pháp sấy sau: 1- Phương pháp sấy dùng nhiệt Trong phương pháp này người ta phải gia nhiệt không khí rồi đưa vào buồng sấy hoặc gia nhiệt không khí ngay trong buồng sấy. Phương pháp sấy đối lưu là một phương pháp sấy dùng xử lý nhiệt. Khi gia nhiệt cho không khí, nhiệt độ không khí tăng lên, độ ẩm tương đối giảm còn độ chứa hơi không đổi.

Khi không khí tiếp xúc với vật sẽ truyền nhiệt cho vật để ẩm bốc hơi, đồng thời do không khí có độ ẩm tương đối thấp nên chênh lệch phân áp suất hơi ở bề mặt vật và không khí sẽ đủ lớn làm cho ẩm thoát ra dễ dàng. Chênh lệch nhiệt độ giữa vật và không khí càng lớn tốc độ bốc hơi ẩm càng lớn, thời gian sấy càng nhỏ, vật khô càng nhanh. Tuy nhiên còn phụ thuộc vào quá trình truyền ẩm bên trong vật sấy. 2- Phương pháp sấy dùng xử lý ẩm (hút ẩm) Trong phương pháp này người ta xử lý không khí bằng cách hút ẩm.

Không khí được hút ẩm, độ chứa hơi giảm làm cho độ ẩm tương đối giảm (nhiệt độ có thể không đổi) dẫn đến nhiệt độ nhiệt kế ướt giảm tức là tăng độ chênh t  t k  t u. Trị số  t tăng sẽ tăng cường truyền nhiệt từ không khí tới vật làm cho ẩm bốc hơi thoát vào không khí dưới tác động của chênh lệch phân áp suất hơi nước ở bề mặt vật và không khí. Phương pháp này có nhược điểm là chỉ sấy 3 do an Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Tấn Dũng được ẩm tự do, việc sấy ẩm liên kết rất khó khăn.

Mặc khác do nhiệt độ không khí không cao, thời gian sấy dài nên vật sấy dễ hỏng do vi khuẩn. Vì vậy phương pháp này chỉ dùng để sấy một số vật liệu sấy không bị ôi thiu, mốc ở nhiệt độ môi trường. Để khử ẩm của không khí có thể dùng hai cách: - Dùng các chất hút ẩm rắn: Chất hút ẩm rắn như silicagen…có thể dùng để hút ẩm không khí trước khi đưa vào buồng sấy hoặc hút ẩm không khí ngay trong buồng sấy - Dùng máy hút ẩm Dùng máy hút ẩm để duy trì độ ẩm tương đối của không khí trong buồng sấy có giá trị thích hợp nhằm duy trì quá trình truyền nhiệt, bốc hơi ẩm ở vật sấy và thoát ẩm vào môi trường. 3- Phương pháp kết hợp gia nhiệt và hút ẩm - Dùng chất hút ẩm rắn Không khí được thổi qua lớp chất hút ẩm rắn để giảm độ chứa hơi, sau đó qua calorife để gia nhiệt rồi đưa vào buồng sấy.

Dùng phương pháp này không khí vào buồng sấy có nhiệt độ cao và độ ẩm tương đối thấp nên khi tiếp xúc với vật sấy sẽ tăng đáng kể tốc độ bốc hơi ẩm giảm thời gian sấy. Tuy vậy phương pháp này không thích hợp với vật liệu không cho phép nứt, cong vênh và vật liệu dày. - Dùng bơm nhiệt để hút ẩm và gia nhiệt Dùng bơm nhiệt trong phương pháp này rất thích hợp. Không khí được đưa qua dàn lạnh, hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ và thoát ra ngoài làm cho độ chứa hơi giảm.

Sau đó không khí qua dàn nóng của bơm nhiệt để gia nhiệt đẳng dung ẩm làm cho nhiệt độ tăng lên, độ ẩm tương đối giảm. Dùng phương pháp này ta có thể duy trì nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí thích hợp. Tuy nhiên dùng phương pháp này nhiệt độ môi chất sấy thấp thường gần nhiệt độ môi trường vì vậy chỉ thích hợp với một số vật liệu, không sấy được các vật liệu dễ bị vi khuẩn làm hỏng ở nhiệt độ môi trường: ôi, thiu, mốc… 1. Cơ sở khoa học của quá trình sấy lạnh 4 do an Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.

Nguyễn Tấn Dũng Trong phương pháp sấy lạnh người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy (VLS) và tác nhân sấy (TNS) bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong TNS nhờ giảm độ chứa ẩm d. Với HTS này, TNS thông thường là không khí trước hết được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc khử ẩm hấp phụ, sau đó được đốt nóng (nếu khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh) hoặc được làm lạnh (nếu khử ẩm bằng phương pháp hấp phụ) đến nhiệt độ mà yêu cầu công nghệ đặt ra rồi cho đi qua vật liệu sấy. Khi đó do phân áp suất trong TNS bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật nên ẩm từ dạng lỏng trên bề mặt VLS bay hơi vào TNS, kéo theo sự dịch chuyển ẩm trong lòng vật ra bề mặt. Như vậy, quy luật dịch chuyển ẩm trong HTS lạnh hoàn toàn giống như trong các hệ thống sấy đối lưu nói chung.

Điều khác nhau ở đây chỉ là cách giảm phân áp suất hơi nước trong TNS. Hệ thống thiết bị sấy lạnh 1. Sơ đồ thiết bị của hệ thống sấy lạnh Không khí thải (3) TBBH TBNT Không khí (2) ngoài trời (1) (A) (0) TBHN MN Hình 1.