Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh kinh tế - xã hội ngày càng phát triển, mức thu nhập của người dân được nâng cao kéo theo nhu cầu tiêu thụ thực phẩm tiện lợi, chế biến sẵn gia tăng mạnh mẽ. Vấn đề bảo quản và chế biến sâu nông sản thô sau thu hoạch trở thành mắt xích quan trọng trong chuỗi cung ứng thực phẩm nhằm kéo dài thời gian sử dụng, nâng cao giá trị gia tăng và giảm thiểu hao hụt sau thu hoạch. Trong số các kỹ thuật chế biến, công nghệ sấy đóng vai trò chủ đạo trong việc làm giảm hàm lượng ẩm của sản phẩm xuống mức thích hợp, từ đó ức chế sự phát triển của vi sinh vật, làm chậm các phản ứng sinh hóa và tạo điều kiện thuận lợi cho việc đóng gói, lưu kho cũng như vận chuyển.

Quả mít (Artocarpus) là loại trái cây nhiệt đới đặc trưng, phân bố rộng rãi tại khu vực Đông Nam Á và Việt Nam, được người tiêu dùng ưa chuộng nhờ hương vị ngọt thơm đặc trưng cùng hàm lượng dinh dưỡng cao (giàu carbohydrate, vitamin C, tiền vitamin A và các khoáng chất như kali, magie, sắt). Tuy nhiên, trên thực tế hiện nay, nhiều sản phẩm mít sấy trên thị trường có chất lượng không đồng đều, dễ bị biến màu, suy giảm hương vị do quy trình và công nghệ sấy chưa tối ưu, gây tổn thất lớn về chi phí đầu tư và nguyên liệu. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài "Tính toán, thiết kế hệ thống hầm sấy mít năng suất sản phẩm 100kg/h" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về nguyên liệu mít và phân loại các giống mít phù hợp cho chế biến sấy công nghiệp.
  2. Phân tích nguyên lý sấy và lựa chọn phương án công nghệ, thiết bị sấy phù hợp với đặc tính cơ lý - hóa học của quả mít.
  3. Tính toán cân bằng vật liệu cho hệ thống sấy với năng suất sản phẩm yêu cầu $100\text{ kg/h}$.
  4. Thiết lập chế độ sấy lý thuyết và sấy thực tế trên đồ thị ẩm ($I-d$).
  5. Tính toán kích thước hình học chi tiết của hầm sấy, kết cấu xe goòng và khay sấy.
  6. Tính toán cân bằng nhiệt, xác định các tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che và thiết bị phụ trợ để xác định hiệu suất nhiệt.
  7. Tính toán, lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt caloriphe khí - hơi và hệ thống quạt vận chuyển tác nhân sấy.

Đồ án được thực hiện trong khuôn khổ học phần Đồ án I Quá trình và Thiết bị Công nghệ Thực phẩm tại Bộ môn Quá trình - Thiết bị Công nghệ Sinh học & Công nghệ Thực phẩm, Viện Công nghệ Sinh học & Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (tháng 06/2021). Đối tượng nghiên cứu trực tiếp là quả mít nghệ Việt Nam và hệ thống sấy hầm làm việc theo phương thức đối lưu liên tục.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý ứng dụng

Quá trình sấy thực phẩm bản chất là một quá trình truyền nhiệt và truyền khối phức tạp, đồng thời diễn ra sự chuyển pha của nước từ thể lỏng sang thể hơi bên trong lòng vật liệu và khuếch tán ra môi trường không khí xung quanh. Động lực của quá trình chuyển khối là hiệu số giữa áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy và áp suất riêng phần của hơi nước trong dòng tác nhân sấy. Quá trình sấy chỉ diễn ra thuận lợi khi áp suất hơi nước bề mặt lớn hơn áp suất hơi nước trong môi trường không khí xung quanh.

Nghiên cứu ứng dụng các định luật nhiệt động lực học và kỹ thuật sấy kinh điển:

  • Lý thuyết không khí ẩm và đồ thị $I-d$: Dùng để xác định các thông số trạng thái của không khí ẩm (nhiệt độ $t$, độ ẩm tương đối $\varphi$, lượng chứa ẩm $d$, entanpy $I$, khối lượng riêng $\rho$) tại các điểm nút của chu trình sấy: trạng thái không khí ngoài trời (điểm A), sau khi qua thiết bị gia nhiệt caloriphe (điểm B) và sau khi ra khỏi hầm sấy (điểm C).
  • Phương trình cân bằng vật liệu: Dựa trên nguyên lý bảo toàn khối lượng chất khô tuyệt đối trong suốt quá trình bốc hơi nước: $G_1(100 - W_1) = G_2(100 - W_2)$.
  • Phương trình cân bằng nhiệt và truyền nhiệt đa lớp: Tính toán dòng nhiệt trao đổi đối lưu cưỡng bức giữa tác nhân sấy với vách trong hầm sấy, dẫn nhiệt qua các lớp kết cấu bao che (gạch đỏ, bông thủy tinh cách nhiệt, bê tông cốt thép) và trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên từ mặt ngoài hầm sấy ra môi trường xung quanh thông qua các chuẩn số đồng dạng nhiệt động học ($Gr, Pr, Nu$).
  • Thủy lực học đường ống và buồng sấy: Xác định chế độ chảy của dòng khí qua chuẩn số Reynolds ($Re$), hệ số ma sát $\lambda$, từ đó tính toán trở lực ma sát dọc đường ống và trở lực cục bộ tại các vị trí cút cong, kênh dẫn khí trong hầm.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

Tác giả sử dụng các phương pháp kỹ thuật chuyên ngành:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, đối chiếu dữ liệu thành phần dinh dưỡng và tính chất vật lý của các giống mít trồng tại Việt Nam.
  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Sử dụng các công thức giải tích trong sổ tay quá trình thiết bị và giáo trình kỹ thuật sấy để xác lập kích thước thiết bị chính và thiết bị phụ.
  • Phương pháp lặp và kiểm tra sai số: Giả thiết nhiệt độ vách tường và vận tốc dòng khí trong hầm, sau đó tiến hành tính toán lặp và so sánh sai số tương đối (yêu cầu sai số $\le 5%$) để đảm bảo độ tin cậy của kết quả thiết kế nhiệt.
  • Nguồn dữ liệu tham khảo: Dữ liệu chuẩn từ Bảng thành phần thực phẩm Việt Nam (NXB Y học), Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất (Tập 1 & Tập 2), cùng các tài liệu chuyên ngành của PGS. TSKH. Trần Văn Phú, PGS. TS. Hoàng Văn Chước và PGS. TS. Tôn Thất Minh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về nguyên liệu

Chương này trình bày chi tiết về nguồn gốc sinh học, phân bố địa lý, đặc điểm hình thái học, giá trị dinh dưỡng và phân loại các giống mít phục vụ sản xuất công nghiệp:

  • Nguồn gốc và phân bố: Mít thuộc họ Dâu tằm (Moraceae), có nguồn gốc từ Ấn Độ và Bangladesh, phát triển tốt ở khí hậu nhiệt đới nóng ẩm. Tại Việt Nam, mít được canh tác tập trung tại khu vực Đông Nam Bộ và Tây Nguyên (các tỉnh Lâm Đồng, Bình Dương, Bình Phước, Đồng Nai, Tây Ninh, Đắk Lắk...).
  • Cấu tạo quả mít: Quả mít có dạng hình bầu dục, kích thước $30 - 60\text{ cm} \times 20 - 30\text{ cm}$, vỏ dày $1 - 1{,}3\text{ cm}$ có gai nhỏ. Cấu trúc quả gồm vỏ, cùi, xơ, múi và hạt. Múi mít chín có màu vàng tươi tự nhiên, chiều dài $6 - 10\text{ cm}$, chiều rộng $2 - 4\text{ cm}$, bề dày phần thịt múi $1 - 3\text{ cm}$. Hạt mít có chiều dài $2 - 4\text{ cm}$, vỏ hạt màu nâu sáng có màng trắng bao bọc.
  • Giá trị dinh dưỡng: Thịt quả mít chứa hàm lượng chất dinh dưỡng phong phú. Cụ thể, thành phần trong $100\text{g}$ mít dai tươi được công bố như sau:
Thành phần dinh dưỡng Hàm lượng Thành phần dinh dưỡng Hàm lượng
Nước $85{,}4\text{ g}$ Magie $37\text{ mg}$
Năng lượng $50\text{ Kcal}$ Mangan $0{,}15\text{ mg}$
Protein $0{,}3\text{ g}$ Photpho $28\text{ mg}$
Chất đường bột (Glucid) $11{,}2\text{ g}$ Kali $368\text{ mg}$
Canxi $21\text{ mg}$ Natri $3\text{ mg}$
Sắt $0{,}4\text{ mg}$ Kẽm $0{,}67\text{ mg}$
Vitamin C $5\text{ mg}$ Vitamin B1 $0{,}04\text{ mg}$
Vitamin PP $0{,}108\text{ mg}$ Beta-caroten $180\text{ }\mu\text{g}$
  • Phân loại và lựa chọn nguyên liệu: Mít được phân thành ba nhóm chính:
    1. Mít tố nữ: Quả nhỏ hình trứng dài, múi ướt mềm, hạt to, có mùi thơm nồng pha lẫn hương sầu riêng.
    2. Mít mật (mít ướt): Khi chín múi và xơ nhão như bột, nhiều nước, không phù hợp cho chế biến sấy khô, chủ yếu dùng ăn tươi hoặc làm nước giải khát.
    3. Mít dai (mít khô): Gồm các giống mít Thái, mít dừa và mít nghệ. Trong đó, giống Mít nghệ cao sản dòng M99-I và giống MDN06 được lựa chọn làm nguyên liệu chính cho hệ thống sấy nhờ các ưu điểm vượt trội: khả năng chịu hạn tốt, tỷ lệ múi/cơm quả cao ($40 - 48%$), thịt múi dày, giòn, ngọt đậm và đặc biệt múi có lớp vỏ lụa tự nhiên giúp giữ nguyên màu vàng óng sau khi sấy khô.

Chương II: Tổng quan về công nghệ và thiết bị

Chương II đi sâu vào phân tích cơ sở công nghệ sấy thực phẩm, so sánh các dạng thiết bị sấy công nghiệp và đưa ra phương án thiết kế tối ưu:

  • Khái niệm và mục đích: Quá trình sấy nhằm mục đích tách ẩm để hạ hoạt độ của nước, ức chế vi sinh vật gây thối hỏng, giảm trọng lượng vận chuyển và nâng cao giá trị cảm quan của mít.
  • Phân loại phương pháp sấy: So sánh giữa sấy tự nhiên (phụ thuộc thời tiết, diện tích phơi lớn, năng suất thấp, khó kiểm soát vệ sinh) và sấy nhân tạo (sấy đối lưu, sấy tiếp xúc, sấy bức xạ hồng ngoại, sấy cao tần, sấy thăng hoa).
  • Phân tích các dạng thiết bị sấy đối lưu:
    • Buồng sấy/Tủ sấy: Cấu tạo đơn giản, dung lượng nhỏ, làm việc theo chu kỳ, khó cơ giới hóa, chỉ thích hợp cho quy mô hộ gia đình hoặc cơ sở thủ công.
    • Sấy tháp: Chuyên dùng cho sấy hạt cứng (lúa, ngô, đậu) có độ ẩm ban đầu không quá cao.
    • Sấy thùng quay: Thích hợp cho vật liệu dạng cục, hạt hoặc bột nhão có thể đảo trộn mạnh; tuy nhiên mít dễ bị gãy nát, giảm chất lượng cảm quan nếu sấy bằng thùng quay.
    • Sấy phun: Chuyên dùng cho dịch thể hoặc huyền phù để tạo bột hòa tan (sữa, cà phê).
    • Hầm sấy kiểu xe goòng: Năng suất cao, vật liệu được nạp vào và ra khỏi hầm liên tục theo chu kỳ di chuyển của xe goòng, mức độ cơ giới hóa cao, giữ nguyên vẹn hình thái múi mít, rất phù hợp cho quy mô công nghiệp vừa và lớn.
  • Lựa chọn giải pháp công nghệ:
    • Phương pháp sấy: Sấy đối lưu liên tục với tác nhân sấy là không khí nóng chuyển động qua các tầng khay chứa vật liệu.
    • Tác nhân sấy: Không khí nóng sạch (loại bỏ phương án khói lò vì nguy cơ gây độc và ô nhiễm muội than; loại bỏ hơi quá nhiệt vì chi phí vận hành cao).
    • Thiết bị gia nhiệt: Sử dụng bộ trao đổi nhiệt caloriphe khí - hơi dùng nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa, đảm bảo tính kinh tế, vệ sinh và dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ.

Chương III: Tính toán và thiết kế hệ thống sấy hầm – sấy mít

Chương III là phần nội dung trọng tâm của đồ án, trình bày toàn bộ chuỗi tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, kết cấu thiết bị và lựa chọn thiết bị phụ trợ.

1. Thông số ban đầu của bài toán thiết kế

  • Vật liệu sấy: Mít nghệ tươi thái lát.
  • Năng suất sản phẩm ra khỏi hầm: $G_2 = 100\text{ kg/h}$.
  • Độ ẩm nguyên liệu ban đầu: $W_1 = 78%$.
  • Độ ẩm sản phẩm yêu cầu sau sấy: $W_2 = 20%$.
  • Nhiệt độ vật liệu vào hầm: $t_{v1} = 25^\circ\text{C}$.
  • Nhiệt độ tác nhân sấy vào hầm: $t_1 = 70^\circ\text{C}$.
  • Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi hầm: $t_2 = 36^\circ\text{C}$.
  • Trạng thái không khí ngoài trời: $t_0 = 25^\circ\text{C}$, $\varphi_0 = 85%$.
  • Thời gian sấy một mẻ: $\tau = 9\text{ giờ}$.

2. Cân bằng vật liệu

Dựa trên phương trình bảo toàn chất khô:

  • Khối lượng nguyên liệu mít tươi cần nạp vào buồng sấy trong một giờ: $$G_1 = G_2 \cdot \frac{100 - W_2}{100 - W_1} = 100 \cdot \frac{100 - 20}{100 - 78} = 363{,}63\text{ kg/h}$$
  • Lượng ẩm cần bốc hơi trong $1\text{ giờ}$: $$W = G_1 - G_2 = 363{,}63 - 100 = 263{,}63\text{ kg/h}$$

3. Tính toán quá trình sấy lý thuyết

Trạng thái của không khí ẩm được tính toán giải tích qua ba điểm nút nhiệt động:

  • Trạng thái không khí ngoài trời (Điểm A): $t_0 = 25^\circ\text{C}$, $\varphi_0 = 85%$, áp suất hơi bão hòa $P_{bh0} = 0{,}0315\text{ bar}$, lượng chứa ẩm $d_0 = 0{,}0173\text{ kg ẩm/kgKK}$, entanpy $I_0 = 69{,}026\text{ kJ/kgKK}$.
  • Trạng thái không khí sau caloriphe (Điểm B): Gia nhiệt đẳng dung ẩm ($d_1 = d_0 = 0{,}0173\text{ kg/kgKK}$) đến $t_1 = 70^\circ\text{C}$, áp suất bão hòa $P_{bh1} = 0{,}3073\text{ bar}$, độ ẩm tương đối $\varphi_1 = 8{,}72%$, entanpy $I_1 = 115{,}6361\text{ kJ/kgKK}$, khối lượng riêng $\rho_1 = 0{,}9818\text{ kg/m}^3$.
  • Trạng thái không khí ra khỏi hầm sấy lý thuyết (Điểm C): Quá trình sấy đẳng entanpy ($I_2 = I_1 = 115{,}6361\text{ kJ/kgKK}$) ở nhiệt độ $t_2 = 36^\circ\text{C}$, áp suất bão hòa $P_{bh2} = 0{,}059\text{ bar}$, lượng chứa ẩm $d_2 = 0{,}0310\text{ kg/kgKK}$, độ ẩm tương đối $\varphi_2 = 79{,}87%$, khối lượng riêng $\rho_2 = 1{,}0669\text{ kg/m}^3$.
  • Các đại lượng tiêu hao lý thuyết:
    • Lượng không khí khô tiêu hao riêng: $l_0 = \frac{1}{d_2 - d_0} = 72{,}8724\text{ kgKK/kg ẩm}$.
    • Tổng lượng không khí khô tiêu hao: $L_0 = 19211{,}8251\text{ kg/h}$.
    • Lưu lượng thể tích không khí: $V_0 = 18755{,}2558\text{ m}^3\text{/h}$.
    • Nhiệt lượng tiêu tốn riêng: $q_0 = l_0(I_1 - I_0) = 3396{,}5894\text{ kJ/kg ẩm}$.
    • Tổng nhiệt lượng tiêu tốn: $Q_0 = 895464{,}4813\text{ kJ/h}$.

Thiết kế kỹ thuật và thông số hệ thống

1. Kích thước hình học khay, xe goòng và hầm sấy

  • Khay đựng vật liệu: Sử dụng khay bằng nhôm ($\rho_{Al} = 2700\text{ kg/m}^3$, $C_{Al} = 0{,}86\text{ kJ/kg.K}$) nhằm tăng hiệu quả truyền nhiệt và giảm khối lượng. Kích thước khay: dài $L_k = 1000\text{ mm}$, rộng $B_k = 500\text{ mm}$, cao $H_k = 20\text{ mm}$, chiều dày thành và đáy khay $1{,}5\text{ mm}$. Đáy khay được đục $5147$ lỗ tròn $\varnothing 5\text{ mm}$ xếp so le với bước lỗ $5\text{ mm}$ để tác nhân sấy lưu thông xuyên qua lớp vật liệu. Khối lượng một khay là $m_k = 1{,}8589\text{ kg}$, sức chứa $8\text{ kg}$ nguyên liệu mít/khay.
  • Xe goòng vận chuyển: Kết cấu khung xe hàn từ thép góc L và thép hộp CT3 ($\rho_{th} = 7850\text{ kg/m}^3$, $C_{th} = 0{,}5\text{ kJ/kg.K}$). Mỗi xe goòng gồm $15\text{ tầng}$, mỗi tầng đặt $2\text{ khay}$ (tổng cộng $30\text{ khay/xe}$, khoảng cách giữa các tầng là $100\text{ mm}$). Khối lượng khung xe là $89{,}832\text{ kg}$; xe trang bị $4\text{ bánh xe}$ thép đặc ($\varnothing 100\text{ mm}$, dày $50\text{ mm}$, khối lượng $12{,}3245\text{ kg}$). Khối lượng tổng của xe goòng $m_{xe} = 102{,}1565\text{ kg}$. Kích thước bao xe goòng: dài $1{,}08\text{ m} \times$ rộng $1{,}08\text{ m} \times$ cao $1{,}70\text{ m}$.
  • Quy mô hầm sấy:
    • Khối lượng vật liệu nạp trên mỗi xe: $G_{vls} = 30 \times 8 = 240\text{ kg}$.
    • Tổng số xe goòng bố trí trong hầm: $n = \frac{363{,}63 \times 9}{240} \approx 14\text{ xe}$.
    • Số hầm sấy: $Z = 1\text{ hầm}$.
    • Kích thước lọt lòng của hầm: Chiều dài $L_H = 14 \times 1{,}08 + 2 \times 1{,}0 = 17{,}12\text{ m}$ (đã cộng $2\text{ m}$ chiều dài bổ sung hai đầu để đảo gió); Chiều rộng $B_H = 1{,}08 + 2 \times 0{,}05 = 1{,}18\text{ m}$; Chiều cao $H_H = 1{,}70 + 0{,}05 = 1{,}75\text{ m}$.
    • Kết cấu bao che: Tường gạch đỏ dày $\delta_1 = 250\text{ mm}$ ($\lambda_1 = 0{,}7\text{ W/m.K}$); nền bê tông dày $150\text{ mm}$; trần ốp tấm nhôm có lớp cách nhiệt bông thủy tinh dày $\delta_2 = 150\text{ mm}$ ($\lambda_2 = 0{,}12\text{ W/m.K}$) và lớp bảo vệ bê tông cốt thép dày $\delta_3 = 100\text{ mm}$ ($\lambda_3 = 1{,}55\text{ W/m.K}$).
    • Kích thước phủ bì của hầm: $L_h = 17{,}12\text{ m} \times B_h = 1{,}68\text{ m} \times H_h = 2{,}00\text{ m}$.

2. Bảng tổng hợp kích thước hệ thống

Bộ phận Dài ($L$) Rộng ($B$) Cao ($H$) Khối lượng
Khay sấy nhôm đục lỗ $1{,}00\text{ m}$ $0{,}50\text{ m}$ $0{,}02\text{ m}$ $1{,}8589\text{ kg}$
Khung xe goòng $1{,}08\text{ m}$ $1{,}08\text{ m}$ $1{,}56\text{ m}$ $89{,}8320\text{ kg}$
Xe goòng hoàn chỉnh $1{,}08\text{ m}$ $1{,}08\text{ m}$ $1{,}70\text{ m}$ $102{,}1565\text{ kg}$
Không gian trong hầm $17{,}12\text{ m}$ $1{,}18\text{ m}$ $1{,}75\text{ m}$ $14\text{ xe goòng}$
Kích thước phủ bì hầm $17{,}12\text{ m}$ $1{,}68\text{ m}$ $2{,}00\text{ m}$ Kết cấu đa lớp

3. Tính toán nhiệt và tổn thất của quá trình sấy thực

  • Tổn thất nhiệt do vật liệu mang đi ($Q_v$): Với nhiệt độ mít ra khỏi hầm $t_{v2} = 60^\circ\text{C}$ và nhiệt dung riêng của mít $C_v = 2{,}42\text{ kJ/kg.K}$, nhiệt tổn thất là $Q_v = 8470\text{ kJ/h}$ ứng với $q_{vls} = 32{,}1435\text{ kJ/kg ẩm}$ (theo bảng cân bằng là $36{,}3180\text{ kJ/kg ẩm}$).
  • Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển mang đi ($Q_{tb}$):
    • Tổn thất do $14\text{ xe goòng}$: $Q_{xe} = 3482{,}6080\text{ kJ/h}$.
    • Tổn thất do $420\text{ khay nhôm}$: $Q_k = 3469{,}9917\text{ kJ/h}$.
    • Tổng tổn thất thiết bị: $Q_{tb} = 6952{,}5996\text{ kJ/h}$ ứng với $q_{tb} = 26{,}3719\text{ kJ/kg ẩm}$ (theo bảng cân bằng là $29{,}4908\text{ kJ/kg ẩm}$).
  • Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che ra môi trường ($Q_m$):
    • Tổn thất qua $2\text{ tường bên}$ (hệ số truyền nhiệt $K = 1{,}41\text{ W/m}^2\text{.K}$, diện tích $F = 60\text{ m}^2$): $Q_t = 8487{,}3031\text{ kJ/h}$.
    • Tổn thất qua trần hầm sấy: $Q_{tr} = 1273{,}0380\text{ kJ/h}$.
    • Tổn thất qua $2\text{ cửa hầm}$ (kết cấu thép + bông thủy tinh): $Q_c = 1248{,}2862\text{ kJ/h}$.
    • Tổn thất truyền nhiệt qua nền đất bê tông ($q_n = 43{,}5\text{ W/m}^2$): $Q_n = 3163{,}5706\text{ kJ/h}$.
    • Tổng tổn thất ra môi trường: $Q_m = 15692{,}0148\text{ kJ/h}$ ứng với $q_m = 67{,}252\text{ kJ/kg ẩm}$.
  • Tổn thất nhiệt riêng và thông số sấy thực:
    • Tổng tổn thất nhiệt riêng: $q_{\text{tổng}} = 133{,}0608\text{ kJ/kg ẩm}$.
    • Hiệu số nhiệt riêng: $\Delta = C_n \cdot t_0 - q_{\text{tổng}} = 4{,}18 \times 25 - 133{,}0608 = -28{,}5608\text{ kJ/kg ẩm} < 0$, dẫn đến entanpy điểm $C'$ tăng ($I_2' > I_1$).
    • Trạng thái khí thực sau sấy (Điểm $C'$): $t_2 = 36^\circ\text{C}$, $d_2' = 0{,}0309\text{ kg/kgKK}$, $\varphi_2' = 79{,}74%$, entanpy $I_2' = 115{,}443\text{ kJ/kgKK}$.
    • Tiêu hao không khí khô thực tế: $l_{tt} = 73{,}1663\text{ kgKK/kg ẩm}$; tổng lưu lượng không khí khô $L_{tt} = 19289{,}2891\text{ kg/h}$.
    • Vận tốc dòng khí trung bình trong hầm sấy: $v = 3{,}0841\text{ m/s}$ (sai số so với giả thiết $3\text{ m/s}$ là $2{,}73% \le 5%$, hoàn toàn thỏa mãn).
    • Nhiệt lượng có ích để bốc hơi ẩm: $q_1 = 2461{,}6620\text{ kJ/kg ẩm}$.
    • Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang ra ngoài: $q_2 = 833{,}3752\text{ kJ/kg ẩm}$.
    • Tổng nhiệt tiêu hao thực tế: $q_{tt} = 3410{,}2848\text{ kJ/kg ẩm}$.
    • Hiệu suất nhiệt của hệ thống sấy: $$\eta = \frac{q_1}{q_{tt}} = \frac{2461{,}6620}{3410{,}2848} = 72{,}18%$$

4. Tính chọn thiết bị phụ trợ (Caloriphe và Quạt)

  • Caloriphe khí - hơi:
    • Kiểu thiết bị: Ống chùm có cánh đặt nằm ngang, hơi nước bão hòa ngưng tụ trong ống ở áp suất $5\text{ bar}$ ($t_h = 151{,}87^\circ\text{C}$, $i_h'' = 2748{,}7\text{ kJ/kg}$, entanpy nước ngưng $i' = 640{,}42\text{ kJ/kg}$), không khí chuyển động ngoài ống.
    • Công suất nhiệt yêu cầu: $Q_{cal} = 262{,}8875\text{ kW}$ (hiệu suất nhiệt caloriphe $\eta_s = 0{,}95$).
    • Lượng hơi nước bão hòa tiêu hao: $D = 448{,}8943\text{ kg/h}$.
    • Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit: $\Delta t_{tb} = 102{,}7326^\circ\text{C}$.
    • Hệ số truyền nhiệt thiết bị: $k = 24{,}6\text{ W/m}^2\text{.K}$ (tương ứng lưu tốc khí giả thiết $\rho v = 6\text{ kg/m}^2\text{.s}$, lưu tốc thực tế đạt $5{,}9337\text{ kg/m}^2\text{.s}$, sai số $1{,}1%$).
    • Diện tích truyền nhiệt tính toán: $F = 98{,}8\text{ m}^2$.
    • Lựa chọn thiết bị chuẩn: Chọn Caloriphe KФ14 kiểu II có diện tích bề mặt trao đổi nhiệt $F = 99\text{ m}^2$ (diện tích tiết diện cho khí đi qua $f = 0{,}903\text{ m}^2$, kích thước hình học $1720 \times 1152 \times 240\text{ mm}$).
  • Tính toán trở lực và chọn quạt:
    • Trở lực ống hút từ miệng quạt đến caloriphe ($l_1 = 0{,}8\text{ m}, d_1 = 0{,}5\text{ m}, \omega_1 = 21{,}788\text{ m/s}, Re = 701479$): $\Delta p_1 = 6{,}4976\text{ N/m}^2$.
    • Trở lực ống đẩy từ caloriphe đến cút cong ($l_2 = 0{,}8\text{ m}, d_2 = 0{,}4\text{ m}, \omega_2 = 41{,}93\text{ m/s}, Re = 837752$): $\Delta p_2 = 25{,}7563\text{ N/m}^2$.
    • Trở lực cục bộ qua 2 cút cong $90^\circ$ vào hầm: $\Delta p_3 = 348{,}1988\text{ N/m}^2$.
    • Trở lực dòng khí lưu thông qua các kênh trong hầm sấy: $\Delta p_4 = 51{,}36\text{ N/m}^2$.
    • Tổng trở lực của toàn hệ thống sấy: $$\Delta P = \Delta p_1 + \Delta p_2 + \Delta p_3 + \Delta p_4 = 431{,}8127\text{ N/m}^2$$
    • Thông số chọn quạt: Dựa trên lưu lượng thể tích tác nhân sấy $V_0 = 17394{,}97\text{ m}^3\text{/h}$, tổng áp suất $\Delta P = 431{,}8127\text{ N/m}^2$, hệ số dự phòng công suất $k = 1{,}2$ và hiệu suất quạt $\eta = 0{,}6$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn diện nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cho hệ thống hầm sấy mít với các kết quả cụ thể:

  • Bộ thông số kỹ thuật - công nghệ hoàn chỉnh: Xác lập chính xác tỷ lệ tiêu hao vật liệu ($363{,}63\text{ kg}$ mít tươi nạp vào để thu được $100\text{ kg}$ sản phẩm mít sấy $20%$ ẩm/giờ, tách bỏ $263{,}63\text{ kg}$ ẩm/giờ) trong chu kỳ sấy $9\text{ giờ}$ ở dải nhiệt độ tác nhân $70^\circ\text{C} \rightarrow 36^\circ\text{C}$.
  • Thiết kế hình học và kết cấu chi tiết: Quy cách hóa kích thước hầm ($17{,}12 \times 1{,}68 \times 2{,}00\text{ m}$), $14\text{ xe goòng}$ chứa $420\text{ khay nhôm}$ đục lỗ $5\text{ mm}$ với tỷ lệ phân bố khí đồng đều ($v = 3{,}084\text{ m/s}$).
  • Đánh giá cân bằng năng lượng chính xác: Chứng minh hệ thống đạt hiệu suất nhiệt cao ($72{,}18%$), tiêu hao nhiệt thực tế $3410{,}28\text{ kJ/kg ẩm}$, đồng thời tính toán chi tiết quy cách thiết bị trao đổi nhiệt caloriphe khí - hơi KФ14 ($F = 99\text{ m}^2$) tiêu thụ $448{,}89\text{ kg}$ hơi nước bão hòa $5\text{ bar/h}$.
  • Khả năng ứng dụng thực tiễn: Hệ thống sử dụng các loại vật liệu xây dựng và cơ khí sẵn có trong nước (gạch đỏ, tôn trần, bông thủy tinh, nhôm, thép CT3), có chi phí chế tạo hợp lý, vận hành an toàn vệ sinh thực phẩm và hoàn toàn phù hợp để lắp đặt tại các nhà máy chế biến nông sản tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đồ án dừng lại ở mức độ tính toán thiết kế lý thuyết và giải tích nhiệt - thủy lực dựa trên các công thức bán thực nghiệm và hệ số kinh nghiệm từ sổ tay tra cứu, chưa có điều kiện chế tạo mô hình thực nghiệm để đo đạc thực tế sự phân bố vận tốc gió và độ ẩm dọc theo chiều dài $17{,}12\text{ m}$ của hầm sấy.
    • Quá trình sấy hầm dài có hiện tượng chênh lệch nhiệt độ giữa đầu hầm ($70^\circ\text{C}$) và cuối hầm ($36^\circ\text{C}$), có thể ảnh hưởng đến độ đồng đều về độ ẩm của sản phẩm giữa các xe goòng nếu không thực hiện đảo chiều gió hoặc đảo xe định kỳ.
    • Thiết kế đòi hỏi nhà máy phải có sẵn nguồn cung cấp hơi nước bão hòa ổn định ở áp suất $5\text{ bar}$ từ lò hơi phụ trợ.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Nghiên cứu bố trí hệ thống van đảo chiều gió hoặc thiết kế hầm sấy nhiều vùng nhiệt độ nhằm nâng cao hơn nữa độ đồng đều của sản phẩm.
    • Tích hợp hệ thống tự động hóa đo lường và điều khiển (SCADA/PLC) để tự động điều chỉnh lưu lượng hơi vào caloriphe và tốc độ quạt theo độ ẩm thực tế của tác nhân sấy tại cửa thải.

Giá trị tham khảo

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

  • Sinh viên và giảng viên: Ngành Công nghệ Thực phẩm, Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hóa chất - Thực phẩm, Kỹ thuật Nhiệt - Năng lượng tham khảo phương pháp và trình tự các bước thực hiện một đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp kỹ thuật sấy.
  • Kỹ sư thiết kế và cán bộ kỹ thuật: Tham khảo phương pháp tính toán truyền nhiệt qua kết cấu bao che phức hợp có kiểm tra đối lưu tự nhiên ngoài trời bằng các chuẩn số $Gr, Pr, Nu$; phương pháp tính chọn chi tiết diện tích truyền nhiệt caloriphe ống chùm có cánh và thủy lực đường ống quạt gió.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đồ án lại lựa chọn giống mít nghệ để thiết kế hệ thống sấy mà không chọn mít mật hay mít tố nữ?
Mít nghệ cao sản (dòng M99-I hoặc MDN06) có các đặc tính cơ lý và công nghệ vượt trội: tỷ lệ thịt múi cao ($40 - 48%$), múi dày, giòn, lượng nước ít hơn mít mật. Đặc biệt, múi mít nghệ giữ được lớp vỏ lụa tự nhiên không bị biến đổi khi sấy, giúp sản phẩm mít sấy giữ được màu vàng tươi nguyên bản và cấu trúc giòn xốp, trong khi mít mật có múi nhão, nhiều nước và mít tố nữ có múi mềm, hạt lớn không phù hợp cho sấy lát công nghiệp.

2. Các thông số nhiệt độ và độ ẩm chính trong chu trình sấy được xác định như thế nào?
Hệ thống hoạt động với các thông số: Không khí ngoài trời $t_0 = 25^\circ\text{C}, \varphi_0 = 85%$; sau caloriphe được gia nhiệt lên $t_1 = 70^\circ\text{C}, \varphi_1 = 8{,}72%$; sau khi qua hầm sấy tác nhân hạ nhiệt xuống $t_2 = 36^\circ\text{C}, \varphi_2' = 79{,}74%$. Nguyên liệu mít tươi có độ ẩm ban đầu $W_1 = 78%$, sau thời gian sấy $9\text{ giờ}$ đạt độ ẩm bảo quản $W_2 = 20%$.

3. Quy mô kết cấu của hầm sấy và hệ thống xe goòng được bố trí ra sao để đạt năng suất 100 kg sản phẩm/h?
Để đạt năng suất $100\text{ kg}$ sản phẩm/h (tương đương nạp $363{,}63\text{ kg}$ mít tươi/h trong chu kỳ sấy $9\text{ giờ}$), hệ thống bố trí $1\text{ hầm sấy}$ dài $17{,}12\text{ m}$, rộng $1{,}18\text{ m}$, cao $1{,}75\text{ m}$. Trong hầm chứa $14\text{ xe goòng}$ nối tiếp; mỗi xe gồm $15\text{ tầng}$ chứa $30\text{ khay nhôm}$ đục lỗ $\varnothing 5\text{ mm}$, mỗi khay chứa $8\text{ kg}$ mít tươi (tổng tải trọng một xe là $240\text{ kg}$ nguyên liệu).

4. Hiệu suất nhiệt của hệ thống sấy đạt bao nhiêu và các nguồn tiêu hao nhiệt chính là gì?
Hiệu suất nhiệt của hệ thống sấy đạt $\eta = 72{,}18%$. Tổng nhiệt lượng tiêu hao thực tế là $q_{tt} = 3410{,}2848\text{ kJ/kg ẩm}$, trong đó nhiệt lượng có ích để bốc hơi ẩm là $q_1 = 2461{,}6620\text{ kJ/kg ẩm}$. Các tổn thất nhiệt gồm có: tổn thất do tác nhân sấy mang ra ngoài ($q_2 = 833{,}3752\text{ kJ/kg ẩm}$), tổn thất qua vỏ bao che hầm sấy ra môi trường ($q_m = 67{,}252\text{ kJ/kg ẩm}$), tổn thất do vật liệu sấy mang đi ($q_{vls} = 32{,}1435\text{ kJ/kg ẩm}$) và tổn thất do thiết bị vận chuyển xe, khay ($q_{tb} = 26{,}3719\text{ kJ/kg ẩm}$).

5. Thiết bị gia nhiệt caloriphe và quạt gió được lựa chọn với các thông số kỹ thuật nào?
Caloriphe sử dụng loại khí - hơi ống chùm có cánh mã hiệu KФ14 kiểu II có diện tích trao đổi nhiệt bề mặt $F = 99\text{ m}^2$, tiêu thụ $448{,}8943\text{ kg/h}$ hơi nước bão hòa ở áp suất $5\text{ bar}$ ($151{,}87^\circ\text{C}$). Quạt cấp gió được tính toán để đáp ứng lưu lượng không khí khô thực tế $L_{tt} = 19289{,}2891\text{ kg/h}$ ($V_0 \approx 17395\text{ m}^3\text{/h}$) và vượt qua tổng trở lực toàn hệ thống $\Delta P = 431{,}8127\text{ N/m}^2$ (với hệ số dự phòng $k = 1{,}2$ và hiệu suất $\eta = 0{,}6$).

Kết luận

Đồ án "Tính toán, thiết kế hệ thống hầm sấy mít năng suất sản phẩm 100kg/h" của tác giả Hà Thị Quý đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán công nghệ và kỹ thuật thiết kế hệ thống sấy nông sản quy mô công nghiệp. Bằng phương pháp tính toán giải tích nhiệt động học và truyền khối chính xác, công trình đã xây dựng đầy đủ các thông số cân bằng vật chất, kích thước hình học thiết bị chính (hầm sấy, xe goòng, khay sấy) và lựa chọn đồng bộ các thiết bị phụ trợ (caloriphe KФ14, quạt gió). Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi cao của công nghệ sấy đối lưu bằng không khí nóng trong việc nâng cao chất lượng mít sấy, tối ưu hóa chi phí năng lượng với hiệu suất nhiệt đạt $72{,}18%$, đóng góp giải pháp kỹ thuật thiết thực cho ngành chế biến và bảo quản nông sản sau thu hoạch tại Việt Nam.