Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Công nghệ sấy phun là phương pháp làm khô chuyên dụng nhằm chuyển đổi nguyên liệu từ dạng lỏng, nhũ tương hoặc huyền phù thành dạng bột mịn thông qua quá trình phân tán sương trong môi trường không khí nóng. Tại khu vực phía Nam, Thành phố Hồ Chí Minh là trung tâm đào tạo lớn với 17 trường đại học và cao đẳng có đào tạo khối ngành công nghệ thực phẩm và các lĩnh vực liên quan. Tuy nhiên, theo khảo sát của tác giả tại thời điểm thực hiện đề tài (năm 2016), chỉ có ba cơ sở đào tạo được trang bị hệ thống máy sấy phun ở quy mô phòng thí nghiệm phục vụ thực hành và nghiên cứu mẫu, bao gồm: Trường Đại học Bách Khoa (ĐHQG TP.HCM), Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
Thực trạng này dẫn đến nhu cầu rất lớn về trang thiết bị sấy phun tại các cơ sở đào tạo và doanh nghiệp sản xuất thực phẩm. Phần lớn các thiết bị sấy phun đang sử dụng tại Việt Nam đều phải nhập khẩu từ các quốc gia phát triển với chi phí đầu tư cao, gây khó khăn cho việc trang bị rộng rãi. Bên cạnh đó, máy nhập khẩu gây trở ngại lớn trong công tác bảo trì, sửa chữa và thay thế linh kiện khi phát sinh sự cố kỹ thuật. Về mặt vận hành, các hệ thống sấy phun sử dụng cơ cấu vòi phun áp lực hoặc vòi phun khí nén thường xuyên gặp hiện tượng tắc nghẽn đường dẫn nạp liệu, khiến quá trình vận hành bị gián đoạn và hiệu suất thu hồi sản phẩm chưa tối ưu. Nhiều đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phải chi trả kinh phí lớn để thuê mướn thiết bị đo đạc tại các trung tâm bên ngoài.
Trước tình hình thực tiễn đó, đề tài khóa luận tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
- Nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về nhiệt động học không khí ẩm, động học quá trình sấy phun và cấu tạo các cụm chức năng trong hệ thống sấy phun.
- Thực hiện tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho hệ thống sấy phun quy mô phòng thí nghiệm dựa trên nguồn nguyên liệu chuẩn là sữa bò tươi.
- Thiết kế chi tiết các bộ phận cơ khí chính: buồng sấy đứng đáy côn, cơ cấu phân tán sương dạng đĩa phun ly tâm, bộ thu hồi sản phẩm dạng xyclon (cyclone), calorifer gia nhiệt bằng điện trở và quạt hút ly tâm.
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện động lực và mạch điều khiển nhiệt độ, điều khiển tốc độ đĩa phun qua biến tần.
- Chế tạo thực nghiệm hoàn chỉnh hệ thống thiết bị và vận hành khảo sát chế độ sấy trên ba loại nguyên liệu thực phẩm thực tế.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được xác lập rõ ràng:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thiết bị sấy phun quy mô phòng thí nghiệm tích hợp cơ cấu phân tán dịch lỏng bằng đĩa phun ly tâm; các loại dịch thực phẩm lỏng khảo sát gồm sữa bò tươi, dịch cà phê hòa tan và dịch chiết nấm linh chi.
- Phạm vi không gian: Nghiên cứu, thiết kế, gia công chế tạo và chạy thử nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
- Phạm vi thông số tính toán: Các thông số nhiệt động của môi trường không khí tính theo điều kiện khí hậu ngoài trời tại TP.HCM với nhiệt độ trung bình $t_0 = 30^\circ\text{C}$ và độ ẩm tương đối $\varphi_0 = 77%$; năng suất nạp liệu tính toán lý thuyết là $5\text{ lít/h}$ dịch sữa bò tươi (độ ẩm ban đầu $55%$, độ ẩm sản phẩm sau sấy $3%$).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận xây dựng nội dung dựa trên nền tảng nhiệt động học kỹ thuật và lý thuyết truyền nhiệt - truyền khối trong công nghệ hóa học và thực phẩm:
- Nhiệt động học không khí ẩm: Hệ thống xem không khí ẩm là hỗn hợp khí lý tưởng tuân theo định luật Dalton ($p = p_k + p_h$) và các phương trình trạng thái khí lý tưởng. Các thông số trạng thái cơ bản được xác định gồm độ ẩm tuyệt đối $\omega$, độ ẩm tương đối $\varphi$, độ chứa hơi $d$ và entanpy $I$. Quá trình biến đổi nhiệt ẩm của tác nhân sấy được phân tích trực quan qua đồ thị Ramzin ($I-d$) ở hệ trục xiên $135^\circ$ và hệ trục tọa độ vuông góc, phục vụ việc tra cứu nhiệt độ bầu ướt ($t_ư$) và nhiệt độ điểm sương ($t_s$).
- Đặc tính nhiệt vật lý của vật liệu ẩm: Tác giả sử dụng các đại lượng về độ ẩm tương đối ($W$), độ ẩm tuyệt đối ($W_k$), hệ số dẫn nhiệt ($\lambda$), độ nhớt động lực học ($\mu$), sức căng bề mặt ($\sigma$) và mối quan hệ cân bằng ẩm giữa vật liệu ẩm với môi trường không khí ẩm ($u_c = f(\varphi)$).
- Động học quá trình sấy phun: Khảo sát sự khuếch tán ẩm do chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước, chia quá trình bốc ẩm của giọt lỏng thành ba giai đoạn kế tiếp: giai đoạn tách nước tự do bề mặt (biến thiên phi tuyến tính bậc 2), giai đoạn sấy đẳng tốc (quá trình khuếch tán nội và ngoại đồng thời, biến thiên tuyến tính bậc 1) và giai đoạn nhả ẩm hấp phụ (biến thiên phi tuyến tính bậc cao đến khi đạt độ ẩm cân bằng).
- Cơ sở phân tán và thu hồi hạt: Lý thuyết phân tán dịch thể bằng lực ly tâm qua đĩa quay tốc độ cao (tạo dải kích thước hạt $1 \div 600\ \mu\text{m}$, góc phun mở rộng đến $180^\circ$); lý thuyết lắng xoáy tâm trong xyclon với các thông số đường kính tới hạn lý thuyết ($15\ \mu\text{m}$ đối với sữa bột, thực tế khoảng $105\ \mu\text{m}$) và đường kính bán tới hạn (khoảng $5\ \mu\text{m}$).
Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua các bước tính toán và thực nghiệm:
- Phương pháp tính toán cân bằng công nghệ: Thiết lập hệ phương trình cân bằng vật chất để xác định lượng ẩm bốc hơi ($G_n$) và khối lượng thành phẩm ($G_2$); thiết lập cân bằng nhiệt lượng để xác định nhiệt tiêu hao cho quá trình đun nóng vật liệu, nhiệt bốc hơi ẩm, nhiệt tổn thất và lưu lượng dòng tác nhân sấy cần cung cấp.
- Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí: Tính kích thước đường kính buồng sấy dựa trên bán kính tán phun của cơ cấu đĩa ly tâm ($R_\varphi$), tính toán tỷ lệ chiều cao - đường kính buồng sấy hình trụ đáy côn, tính toán kích thước hình học xyclon và công suất quạt ly tâm.
- Phương pháp thực nghiệm chế tạo và kiểm tra: Gia công kim loại tấm, lắp ráp thân buồng cách nhiệt, lắp đặt cụm đĩa quay, kết nối tủ điện điều khiển sử dụng rơ le nhiệt, bộ điều khiển nhiệt độ chuyên dụng và biến tần LS; sau đó chạy thử nghiệm không tải và có tải với mẫu thực tế để hiệu chỉnh chế độ công nghệ.
Dữ liệu tính toán ban đầu được trích xuất từ các tài liệu quy chuẩn kỹ thuật và nghiên cứu thực phẩm: nhiệt độ môi trường TP.HCM ($30^\circ\text{C}$, $\varphi_0 = 77%$), khối lượng riêng sữa nạp liệu $\rho_{dt} = 1142,6\text{ kg/m}^3$, khối lượng riêng sữa bột khô $\rho_b = 1427,55\text{ kg/m}^3$, nhiệt dung riêng sữa cô đặc $C_{cđ} = 2,94\text{ kJ/kg}^\circ\text{C}$, nhiệt dung riêng bột sữa $C_b = 1,44\text{ kJ/kg}^\circ\text{C}$.
Thiết kế và chế tạo hệ thống
Khóa luận thuộc dạng đề tài tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị kỹ thuật thực nghiệm. Hệ thống máy sấy phun hoàn chỉnh được thiết kế và lắp ráp với các cụm kết cấu cụ thể:
1. Kiến trúc tổng thể và các cụm thiết bị chính
Hệ thống hoạt động theo nguyên lý dòng tác nhân sấy và nguyên liệu chuyển động cùng chiều từ trên xuống dưới, gồm các cụm bộ phận:
- Buồng sấy: Thiết kế hình trụ đứng, phần đáy dạng côn để thu gom hạt bột. Thân buồng có kích thước chiều cao $1,1\text{ m}$ và đường kính buồng $0,6\text{ m}$. Kết cấu vỏ buồng được gia công kèm lớp bảo ôn cách nhiệt nhằm hạn chế tối đa tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh. Kích thước buồng được tính toán bảo đảm các giọt lỏng sau khi tán sương kịp bốc hơi khô bề mặt trước khi chạm vào thành trong, tránh gây bám dính.
- Cơ cấu đĩa phun ly tâm: Được bố trí trên đỉnh buồng sấy, dẫn động quay nhờ động cơ điều khiển thông qua biến tần LS. Tốc độ quay của đĩa đạt $10.000\text{ vòng/phút}$. Đầu phun dạng đĩa có các rãnh tán sương bố trí quanh biên, tạo lực văng ly tâm cực lớn giúp xé nhỏ dòng dịch thể thành các hạt sương kích thước micron với góc phun rộng, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ tắc nghẽn so với đầu phun áp lực.
- Bộ phận gia nhiệt không khí (Heater điện): Sử dụng các thanh điện trở nhiệt (electric heater) công suất lớn để nâng nhiệt độ dòng không khí từ nhiệt độ môi trường ($30^\circ\text{C}$) lên nhiệt độ sấy yêu cầu ($180^\circ\text{C}$). Không khí nóng sau khi gia nhiệt được dẫn vào nắp buồng sấy và phân phối đều vào vùng chuyển động của các hạt sương.
- Bộ phận thu hồi sản phẩm (Xyclon lắng xoáy tâm): Không khí ẩm mang theo bột mịn từ đáy buồng sấy được hút vào xyclon theo phương tiếp tuyến. Quỹ đạo xoắn ốc tạo lực ly tâm lắng các hạt bột xuống bình thu nhận mẫu ở đáy, trong khi dòng khí ẩm thoát ra ngoài qua ống trung tâm trên đỉnh xyclon.
- Hệ thống quạt hút: Sử dụng quạt ly tâm có cánh cong về phía sau, bố trí tại vị trí phía sau xyclon thu hồi sản phẩm. Quạt đóng vai trò tạo lưu lượng tác nhân sấy $115\text{ m}^3/\text{h}$ và duy trì áp suất chân không cho toàn bộ hệ thống buồng sấy - xyclon.
2. Hệ thống điện và điều khiển
- Mạch động lực: Cung cấp nguồn cho động cơ quạt hút ly tâm, điện trở gia nhiệt calorifer và động cơ dẫn động đĩa phun ly tâm.
- Mạch điều khiển: Sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ kết hợp cảm biến nhiệt độ gắn tại đường khí vào ($T_{\text{inlet}}$) và khí ra ($T_{\text{outlet}}$) cùng rơ le đóng cắt dòng điện qua heater để duy trì nhiệt độ sấy ổn định. Tốc độ quay của cơ cấu đĩa phun được điều khiển và tinh chỉnh chính xác nhờ biến tần LS.
3. Thông số kỹ thuật của hệ thống thiết bị chế tạo
Dưới đây là bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật chính của hệ thống thiết bị sấy phun được tính toán và chế tạo trong khóa luận:
| Hạng mục thông số |
Giá trị tính toán thiết kế |
Giá trị vận hành thực nghiệm |
Đơn vị |
| Chiều cao buồng sấy |
1,1 |
1,1 |
$\text{m}$ |
| Đường kính buồng sấy |
0,6 |
0,6 |
$\text{m}$ |
| Cơ cấu tạo sương |
Đĩa ly tâm nhiều rãnh |
Đĩa ly tâm nhiều rãnh |
— |
| Tốc độ quay đĩa phun |
10.000 |
10.000 |
$\text{vòng/phút}$ |
| Năng suất nạp liệu |
5,0 (lý thuyết sữa) |
3,0 (thực nghiệm) |
$\text{lít/h}$ |
| Nhiệt độ khí nóng đầu vào ($T_{\text{inlet}}$) |
180 |
180 |
$^\circ\text{C}$ |
| Nhiệt độ khí thoát đầu ra ($T_{\text{outlet}}$) |
80 |
$70 \div 90$ |
$^\circ\text{C}$ |
| Lưu lượng không khí nóng |
— |
115 |
$\text{m}^3/\text{h}$ |
| Phương thức gia nhiệt |
Điện trở (Heater điện) |
Điện trở (Heater điện) |
— |
| Thiết bị thu hồi bụi bột |
Xyclon lắng xoáy tâm |
Xyclon lắng xoáy tâm |
— |
| Thiết bị tạo lưu lượng khí |
Quạt hút ly tâm |
Quạt ly tâm cánh cong sau |
— |
| Thiết bị điều chỉnh tốc độ đĩa |
Biến tần LS |
Biến tần LS |
— |
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Chương này tổng kết có hệ thống cơ sở lý luận và tình hình công nghệ sấy phun:
- Trình bày lịch sử phát triển máy sấy phun từ sáng chế đầu tiên của Samuel Percy tại Hoa Kỳ năm 1872 (bằng sáng chế số 125406), thiết bị thương mại đầu tiên cho sản phẩm nhạy cảm nhiệt và thiết bị công nghiệp lắp đặt năm 1905 tại công ty Merril Soul. Phân tích sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sấy phun trong ngành sữa sau Chiến tranh thế giới thứ hai và các ứng dụng hiện đại trong thực phẩm, hóa chất và dược phẩm.
- Đánh giá thực trạng công nghệ trong nước, nêu rõ Việt Nam ứng dụng kỹ thuật này khoảng 50 năm trở lại đây nhưng quy mô còn đơn giản, thiết bị đa số nhập khẩu nguyên chiếc (như dòng YPG tạo hạt áp lực cao, dòng LPG phun ly tâm).
- Nêu rõ nguyên lý sấy phun qua ba giai đoạn: phân tán lỏng thành sương mịn, hòa trộn bốc hơi nước nhanh trong dòng khí nóng, và tách thu hồi bột thành phẩm.
- Phân tích ưu nhược điểm công nghệ: ưu điểm sấy nhanh trong vài giây, giữ phẩm chất sản phẩm nhạy nhiệt, bột tan tốt ($90 \div 100%$), độ ẩm thấp ($3 \div 4%$); nhược điểm chi phí thiết bị cao, tiêu hao năng lượng tách ẩm lớn.
- Khái quát lý thuyết nhiệt động không khí ẩm, phương trình khí lý tưởng, đồ thị $I-d$, các thông số vật liệu ẩm, động lực học sấy qua ba giai đoạn (AB, BC, CD), cấu tạo ba loại cơ cấu phun (áp lực $100 \div 300\text{ kg/cm}^2$, khí động, đĩa ly tâm), buồng sấy (cùng chiều, ngược chiều, hỗn hợp), kết cấu xyclon và phân loại các dạng calorifer (hơi, dầu, gas, điện).
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ THIẾT BỊ – CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG, TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ
Chương II thể hiện toàn bộ quy trình tính toán công nghệ và kết cấu cơ khí qua 7 bước:
- Thiết lập thông số ban đầu với dịch sữa bò tươi: năng suất $G_t = 5\text{ lít/h}$, khối lượng riêng $\rho_{dt} = 1142,6\text{ kg/m}^3$ tương ứng lưu lượng khối lượng $G_1 = 5,713\text{ kg/h}$; độ ẩm ban đầu $W_1 = 55%$; độ ẩm bột thành phẩm $W_2 = 3%$; nhiệt độ nạp liệu $40^\circ\text{C}$; nhiệt độ khí nóng vào $180^\circ\text{C}$, khí ra $80^\circ\text{C}$.
- Tính toán cân bằng vật chất: lượng chất khô được bảo toàn $G_0 = G_1(100 - W_1)/(100 - W_2) = 2,65\text{ kg/h}$ thành phẩm; lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy đạt $G_n = G_1 - G_2 = 5,713 - 2,65 = 3,063\text{ kg ẩm/h}$.
- Tính toán kích thước thiết bị chính: xác định bán kính văng tán sương $R_\varphi$ của đĩa ly tâm để quy định đường kính buồng sấy $0,6\text{ m}$, chiều cao buồng sấy $1,1\text{ m}$, thiết kế nắp buồng sấy, bề dày lớp cách nhiệt thân buồng.
- Tính toán thiết bị phụ: xác định kích thước xyclon đơn thu hồi bột, tính chọn quạt hút ly tâm, bơm nạp liệu và công suất gia nhiệt của heater điện.
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN
Chương này tập trung vào phần điều khiển và cấp nguồn cho máy:
- Lựa chọn và thống kê các thiết bị điện sử dụng: bộ điều khiển nhiệt độ, cảm biến nhiệt, rơ le công suất, các thiết bị bảo vệ đóng cắt và biến tần LS chuyên dụng.
- Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch động lực cung cấp điện năng cho cụm điện trở heater, động cơ quạt hút và động cơ đĩa phun.
- Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển nhiệt độ tự động, duy trì nhiệt độ tác nhân sấy ở mức $180^\circ\text{C}$.
- Thiết kế mạch điều khiển tốc độ vòng quay động cơ đĩa phun ly tâm thông qua biến tần LS.
- Tính toán tổng điện năng tiêu thụ cho toàn bộ hệ thống thiết bị và xây dựng bản hướng dẫn chi tiết quy trình khởi động, điều khiển vận hành và dừng máy an toàn.
CHƯƠNG IV: XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC
Chương IV trình bày các kết quả thử nghiệm vận hành hệ thống trên các mẫu sản phẩm cụ thể:
- Xác định chế độ làm việc tối ưu cho sản phẩm sữa bò tươi: nồng độ chất khô thích hợp, nhiệt độ sấy đầu vào $180^\circ\text{C}$, tốc độ đĩa phun $10.000\text{ vòng/phút}$.
- Xác định chế độ làm việc đối với sản phẩm cà phê hòa tan: khảo sát nhiệt độ, tốc độ nạp liệu và trạng thái tạo hạt của dịch cà phê.
- Mở rộng khảo sát chế độ sấy tạo bột đối với sản phẩm dịch chiết nấm linh chi.
- Phân tích hình thái và trạng thái bột thu được tại bình chứa của xyclon ở các dải nhiệt độ vận hành khác nhau.
CHƯƠNG V: AN TOÀN LAO ĐỘNG PHÒNG CHỮA CHÁY
Chương này đưa ra các quy tắc vận hành an toàn trong môi trường phòng thí nghiệm:
- Các biện pháp phòng ngừa nguy cơ chập cháy điện, quy định nối đất an toàn cho vỏ thiết bị và tủ điện.
- Biện pháp an toàn nhiệt đối với hệ thống gia nhiệt điện trở và vỏ buồng sấy nhiệt độ cao ($180^\circ\text{C}$).
- An toàn cơ khí đối với cụm đĩa quay tốc độ cao ($10.000\text{ vòng/phút}$), các cơ cấu che chắn chuyển động.
- Phòng ngừa nguy cơ nổ bụi và cháy nổ bột thực phẩm mịn trong xyclon và đường ống thoát khí.
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về tính toán thiết kế, mức độ hoàn thiện của máy sấy phun thực tế và đưa ra các đề xuất hoàn thiện công nghệ ở những giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả kỹ thuật chính
- Tính toán hoàn chỉnh các phương trình cân bằng vật chất và năng lượng cho hệ thống sấy phun với nguyên liệu chuẩn sữa tươi: xử lý thành công bài toán tách $3,063\text{ kg ẩm/h}$ để thu được $2,65\text{ kg/h}$ bột sữa có độ ẩm $3%$ từ $5\text{ lít/h}$ ($5,713\text{ kg/h}$) sữa nguyên liệu $55%$ ẩm.
- Chế tạo thành công mô hình máy sấy phun thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm với kích thước nhỏ gọn: buồng sấy cao $1,1\text{ m}$, đường kính $0,6\text{ m}$, nắp tháo lắp linh hoạt, vỏ bọc cách nhiệt bảo đảm an toàn.
- Hệ thống thiết bị vận hành ổn định trong điều kiện thực tế với các thông số đo đạc cụ thể:
- Tốc độ sấy thực tế: $3\text{ lít nguyên liệu/h}$.
- Tốc độ quay của đĩa ly tâm: $10.000\text{ vòng/phút}$ (điều khiển qua biến tần LS).
- Nhiệt độ tác nhân sấy đầu vào: $180^\circ\text{C}$.
- Nhiệt độ khí thoát dao động trong khoảng $70 \div 90^\circ\text{C}$ (giá trị tính toán $80^\circ\text{C}$).
- Lưu lượng không khí nóng: $115\text{ m}^3/\text{h}$.
- Chạy thử nghiệm và thu hồi sản phẩm bột khô thành công trên 3 đối tượng thực phẩm thông dụng: sữa bò tươi, cà phê hòa tan và dịch chiết bột nấm linh chi.
2. Giải pháp và kiến nghị của tác giả
- Ứng dụng cơ cấu đĩa phun ly tâm thay cho vòi phun áp lực và khí nén, giúp giải quyết triệt để tình trạng nghẽn nguyên liệu đối với các loại dịch huyền phù mịn hoặc dung dịch có độ nhớt tăng khi cô đặc.
- Bố trí quạt hút ly tâm phía sau xyclon để tạo chế độ áp suất âm, hỗ trợ quá trình thu hồi bột mịn và hạn chế việc thoát bụi ra môi trường buồng thí nghiệm.
- Sử dụng biến tần để linh hoạt thay đổi tốc độ quay của đĩa phun, cho phép người dùng điều chỉnh kích thước hạt sương phù hợp với từng loại nguyên liệu khác nhau.
3. Đóng góp của đề tài
- Tác giả tự thiết kế và gia công chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống sấy phun đĩa ly tâm quy mô phòng thí nghiệm ngay tại xưởng trong nước, chủ động hoàn toàn về công nghệ cơ khí và sơ đồ mạch điện điều khiển.
- Cung cấp một thiết bị thực nghiệm trực quan, chi phí thấp, dễ dàng sửa chữa và thay thế linh kiện tại chỗ, phục vụ trực tiếp cho công tác giảng dạy thực hành môn học và nghiên cứu khoa học của sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Thực phẩm.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận chỉ ra một số hạn chế và hướng mở rộng xuất phát từ quá trình chế tạo và phạm vi nghiên cứu thực nghiệm:
- Hạn chế:
- Năng suất sấy vận hành thực tế đạt $3\text{ lít/h}$, thấp hơn so với năng suất tính toán thiết kế ban đầu ($5\text{ lít/h}$).
- Hệ thống sử dụng cấu hình quạt đơn đặt phía sau xyclon tạo áp lực chân không cao trong buồng sấy, điều này có thể làm tăng lượng bột sản phẩm kích thước siêu mịn bị cuốn theo dòng khí thoát ra ngoài, ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi của xyclon (do xyclon chỉ thu hồi tối ưu hạt có kích thước lớn hơn đường kính tới hạn).
- Sử dụng heater đốt nóng bằng điện trở có chi phí điện năng tiêu thụ tương đối cao, chỉ phù hợp ở quy mô phòng thí nghiệm hoặc quy mô pilot, khó áp dụng kinh tế ở quy mô sản xuất lớn.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Cải tiến và tối ưu hóa hệ thống quạt (nghiên cứu kết hợp hai quạt: một quạt thổi trước heater và một quạt hút sau xyclon) để kiểm soát tốt hơn áp suất làm việc trong buồng sấy.
- Nghiên cứu bổ sung bộ lọc túi vải hoặc hệ thống lắng tĩnh điện sau xyclon nhằm thu hồi triệt để các hạt bột siêu mịn có kích thước dưới đường kính bán tới hạn ($5\ \mu\text{m}$).
- Tiếp tục khảo sát tối ưu hóa chế độ sấy trên nhiều loại nguyên liệu thực phẩm và dược phẩm nhạy nhiệt khác nhau.
Giá trị tham khảo
Tài liệu khóa luận có giá trị thực tiễn và học thuật rõ ràng đối với các nhóm đối tượng:
- Sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm và Kỹ thuật Hóa học: Nguồn tài liệu tham khảo chi tiết về các bước tính toán công nghệ sấy phun, bài toán cân bằng vật chất - năng lượng truyền nhiệt truyền khối và phương pháp xác định thông số không khí ẩm trên đồ thị $I-d$.
- Sinh viên và kỹ sư ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử: Tham khảo bản vẽ kết cấu buồng sấy đứng đáy côn, nắp phân phối khí, bản vẽ chi tiết xyclon đơn và sơ đồ đấu nối mạch điện biến tần LS, bộ điều khiển nhiệt độ cho thiết bị nhiệt.
- Phần nội dung đáng tham khảo nhất:
- Quy trình 7 bước tính toán thiết kế hệ thống sấy phun tại Chương II kèm các công thức tính toán cân bằng vật chất cho sữa tươi.
- Sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển nhiệt độ, mạch biến tần tại Chương III.
Câu hỏi thường gặp
1. Kích thước hình học cơ bản của buồng sấy được chế tạo trong khóa luận là bao nhiêu?
Buồng sấy được chế tạo theo kết cấu hình trụ đứng có đáy dạng côn, với kích thước chiều cao buồng là $1,1\text{ m}$ và đường kính buồng là $0,6\text{ m}$, bên ngoài có bọc lớp vật liệu bảo ôn cách nhiệt.
2. Cơ cấu phun sương nào được lựa chọn và các thông số vận hành thực nghiệm là gì?
Hệ thống sử dụng cơ cấu đĩa phun ly tâm nhiều rãnh. Trong các đợt chạy thực nghiệm, đĩa quay với tốc độ $10.000\text{ vòng/phút}$ nhờ động cơ điều khiển qua biến tần LS, năng suất nạp liệu đạt $3\text{ lít/h}$, nhiệt độ tác nhân sấy đầu vào duy trì ở mức $180^\circ\text{C}$ và lưu lượng dòng khí nóng là $115\text{ m}^3/\text{h}$.
3. Khóa luận sử dụng nguyên liệu chuẩn nào để tính toán thiết kế và kết quả cân bằng vật chất ra sao?
Tác giả sử dụng dịch sữa bò tươi với các thông số thiết kế: năng suất nạp liệu $5\text{ lít/h}$ ($5,713\text{ kg/h}$), độ ẩm ban đầu $55%$, độ ẩm thành phẩm sau sấy $3%$. Kết quả tính toán cân bằng vật chất xác định được lượng ẩm cần bốc hơi là $G_n = 3,063\text{ kg ẩm/h}$ và lượng bột sản phẩm thu được là $G_2 = 2,65\text{ kg/h}$.
4. Thiết bị chế tạo đã được kiểm nghiệm thực tế thành công trên những sản phẩm nào?
Hệ thống sấy phun đã được vận hành thử nghiệm có tải và thu hồi sản phẩm dạng bột khô thành công trên 3 loại nguyên liệu thực phẩm: sữa bò tươi, cà phê hòa tan và dịch chiết bột nấm linh chi.
5. Tại sao tác giả lại chọn cơ cấu phun ly tâm thay vì vòi phun áp lực hay vòi phun khí động?
Theo phân tích của tác giả, đầu phun áp lực và khí nén thường xuyên xảy ra sự cố tắc nghẽn đường ống nạp liệu khi sấy dịch có độ nhớt cao hoặc dạng huyền phù, làm gián đoạn vận hành. Đĩa phun ly tâm có ưu điểm tạo hạt sương với độ đồng nhất cao, năng suất làm việc lớn và hầu như không bị tắc nghẽn.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Cao Nhân Nghĩa đã giải quyết trọn vẹn bài toán từ tính toán lý thuyết, thiết kế cơ khí - điện đến gia công chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy sấy phun đĩa ly tâm quy mô phòng thí nghiệm. Thiết bị có buồng sấy cao $1,1\text{ m}$, đường kính $0,6\text{ m}$, vận hành ổn định ở năng suất $3\text{ lít/h}$, nhiệt độ sấy $180^\circ\text{C}$ và tốc độ đĩa $10.000\text{ vòng/phút}$. Thử nghiệm thực tế thành công trên sữa bò, cà phê hòa tan và nấm linh chi đã khẳng định tính khả thi của mô hình chế tạo trong nước. Đề tài đóng góp một giải pháp thiết bị chi phí hợp lý, phục vụ thiết thực cho hoạt động giảng dạy, thực hành và nghiên cứu công nghệ thực phẩm.
