Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghiệp chế biến thực phẩm, cô đặc là quá trình công nghệ quan trọng nhằm làm bay hơi một phần dung môi (thường là nước) ra khỏi dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất làm việc. Mục đích của quá trình này là làm tăng nồng độ chất khô, kéo dài thời gian bảo quản, giảm khối lượng và thể tích nhằm tiết kiệm chi phí bao bì, vận chuyển, đồng thời chuẩn bị nguyên liệu cho các công đoạn tiếp theo như sấy phun hay kết tinh. Tuy nhiên, phần lớn các nguyên liệu thực phẩm (nước ép trái cây, sữa, dịch cà phê, nước mía đường) đều chứa các thành phần mẫn cảm với nhiệt như vitamin, enzyme, hợp chất màu, chất thơm và đường khử. Khi gia nhiệt ở áp suất khí quyển (nhiệt độ sôi xấp xỉ $100^\circ\text{C}$), các phản ứng phân hủy nhiệt như caramen hóa, phản ứng Maillard tạo melanoidin sẫm màu, cùng hiện tượng thủy phân saccharose sẽ xảy ra mạnh, làm suy giảm nghiêm trọng giá trị cảm quan và giá trị dinh dưỡng của thành phẩm. Cô đặc chân không ở áp suất thấp ($p < 1\text{ atm}$) là giải pháp kỹ thuật tối ưu giúp hạ nhiệt độ sôi của dung dịch xuống dưới $60^\circ\text{C}$, hạn chế tối đa tác động tiêu cực của nhiệt độ lên chất lượng sản phẩm.

Tại Việt Nam, các dây chuyền cô đặc chân không công nghiệp phần lớn phải nhập khẩu nguyên chiếc từ nước ngoài với chi phí đầu tư lớn. Trong công tác đào tạo đại học và nghiên cứu khoa học chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, việc trang bị các mô hình thiết bị cô đặc chân không quy mô phòng thí nghiệm còn rất hạn chế do rào cản chi phí. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, đề tài "Tính toán - thiết kế - chế tạo thiết bị cô đặc chân không một nồi làm việc gián đoạn dung tích 5 lít" được thực hiện nhằm cung cấp một hệ thống thiết bị thực nghiệm hoàn chỉnh, đáp ứng mục tiêu học tập và nghiên cứu.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết truyền nhiệt, bốc hơi và tính toán thiết kế chi tiết hệ thống thiết bị cô đặc chân không một nồi làm việc gián đoạn với dung tích 5 lít/mẻ, phù hợp điều kiện phòng thí nghiệm.
  2. Ứng dụng giải pháp trao đổi nhiệt bằng hệ thống ống xoắn ruột gà (coil tube) đặt chìm trong nồi cô đặc nhằm đảm bảo phân bố nhiệt đồng đều trong điều kiện chân không, kết cấu gọn gàng và khả thi trong gia công cơ khí quy mô nhỏ.
  3. Thiết kế, lắp ráp và tích hợp hệ thống điều khiển bán tự động, sử dụng các bộ điều khiển nhiệt độ kết nối cảm biến nhiệt và thiết bị đóng ngắt điện nhằm tự động hóa quá trình cấp nhiệt, ngắt nhiệt và duy trì áp suất chân không an toàn, tiết kiệm điện năng.
  4. Gia công, chế tạo hoàn thiện thiết bị và tiến hành chạy thực nghiệm kiểm chứng với dung dịch nước mía đường và nước ép dứa tươi, đánh giá khả năng bốc hơi cùng các chỉ tiêu cảm quan (màu sắc, mùi vị) của sản phẩm sau cô đặc.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thiết bị cô đặc chân không một nồi, làm việc theo chu kỳ gián đoạn (batch process), dung tích làm việc tối đa 5 lít dung dịch/mẻ.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tính toán cơ - nhiệt, chế tạo cơ khí, lắp ráp hệ thống điều khiển điện và khảo sát thực nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm tại Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động lực học, quá trình truyền nhiệt - truyền khối và hóa lý dung dịch thực phẩm:

  • Nguyên lý bốc hơi chân không: Điểm sôi của chất lỏng phụ thuộc trực tiếp vào áp suất trên bề mặt thoáng. Khi giảm áp suất làm việc (tạo độ chân không), nhiệt độ sôi của dung dịch giảm mạnh.
Độ chân không ($\text{mmHg}$) Nhiệt độ sôi của nước ($^\circ\text{C}$) Độ chân không ($\text{mmHg}$) Nhiệt độ sôi của nước ($^\circ\text{C}$)
$0$ $100{,}0$ $526$ $70{,}0$
$126$ $95{,}0$ $572{,}5$ $65{,}0$
$234$ $90{,}0$ $610$ $60{,}0$
$326$ $85{,}0$ $642$ $55{,}0$
$405$ $80{,}0$ $667{,}6$ $50{,}0$
$430$ $75{,}0$ $690$ $44{,}5$
  • Tổn thất nhiệt độ sôi: Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch đường luôn cao hơn nhiệt độ sôi của nước nguyên chất ở cùng áp suất do nồng độ chất khô hòa tan (tổn thất nồng độ $\Delta'$) và do chiều cao cột chất lỏng thủy tĩnh (tổn thất thủy tĩnh $\Delta''$).
  • Phương trình cân bằng vật chất: Xác định lượng hơi thứ bốc ra ($W$) và lượng sản phẩm đặc ($G_2$) thu được dựa trên phương trình bảo toàn khối lượng cấu tử khô: $$G_1 \cdot x_1 = G_2 \cdot x_2 = (G_1 - W) \cdot x_2$$ Trong đó: $G_1, G_2$ là khối lượng dung dịch đầu và cuối ($\text{kg}$); $x_1, x_2$ là nồng độ chất khô ban đầu và nồng độ chất khô mong muốn ($%$).
  • Phương trình cân bằng năng lượng (nhiệt lượng): Xác định lượng nhiệt cần cấp từ nguồn nước nóng qua ống xoắn để gia nhiệt dung dịch từ nhiệt độ ban đầu ($30^\circ\text{C}$) lên nhiệt độ sôi và bốc hơi lượng dung môi cần thiết: $$Q = G_1 \cdot c_1 \cdot (t_s - t_1) + W \cdot r + Q_{tt}$$ Trong đó: $c_1$ là nhiệt dung riêng của dung dịch; $r$ là ẩn nhiệt hóa hơi ở áp suất chân không; $Q_{tt}$ là nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh.
  • Tính toán truyền nhiệt ống xoắn: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt $F$ được tính qua hệ số truyền nhiệt tổng quát $K$: $$F = \frac{Q}{K \cdot \Delta t_{log} \cdot \tau}$$

Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán cơ khí xác định chiều dày thân nồi, kích thước đáy nón, nắp phẳng, chiều dài và số vòng của ống xoắn gia nhiệt, ống xoắn ngưng tụ theo tiêu chuẩn tính toán thiết bị hóa chất - thực phẩm.
  • Phương pháp gia công cơ khí: Ứng dụng các công nghệ cắt gọt kim loại (cưa đĩa, cưa tay), uốn ống inox định hình (phương pháp uốn kéo và trục lăn), kỹ thuật hàn ghép inox (hàn TIG) và xử lý mài, đánh bóng bề mặt mối hàn đạt độ nhám yêu cầu nhằm đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm và chống bám cặn.
  • Phương pháp tự động hóa điều khiển: Thiết kế mạch điện điều khiển nhiệt độ và áp suất, sử dụng các thiết bị đo lường gồm bộ điều khiển Delta DTB, cảm biến nhiệt điện trở Pt100/Pt1000, bộ điều khiển áp suất SMC-Pressure, kết hợp cùng hệ thống khởi động từ (công tắc tơ), rơ-le trung gian và nút ấn điều khiển.
  • Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành cô đặc kiểm chứng trên hai hệ mẫu:
    1. Dung dịch nước mía đường: Nồng độ ban đầu $10%$, cô đặc đến nồng độ cuối $60%$, thể tích 5 lít.
    2. Dung dịch nước ép dứa tươi: Khảo sát khả năng bảo toàn cảm quan (màu vàng tự nhiên, mùi thơm este đặc trưng) và đánh giá độ ổn định hoạt động của toàn hệ thống.

Thiết kế và triển khai hệ thống thiết bị

Hệ thống thiết bị cô đặc chân không một nồi gián đoạn được thiết kế đồng bộ, bao gồm các cụm phân hệ chính: Nồi cô đặc chân không, Nồi gia nhiệt cấp nước nóng, Bơm tuần hoàn nước nóng, Bình ngưng tụ ống xoắn, Bình tụ bọt và Bơm hút chân không vòng dầu.

                  
                                   [Bình Tụ Bọt/Tách Khí]
                                [Bơm Chân Không Vòng Dầu]

Thông số kết cấu và kích thước chế tạo các thiết bị chính

Toàn bộ các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu và hơi thứ đều được gia công chế tạo từ thép không gỉ (Inox SUS 304) nhằm chống ăn mòn và đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.

Thiết bị / Bộ phận Đặc tính kỹ thuật và kích thước chế tạo Chức năng công nghệ
Nồi cô đặc chính - Thân hình trụ đứng, đáy hình nón, nắp phẳng tháo lắp.
- Chiều cao thân: $H = 0{,}3\text{ m}$ ($300\text{ mm}$).
- Đường kính trong: $D = 0{,}2\text{ m}$ ($200\text{ mm}$).
- Bên trong lắp ống xoắn ruột gà trao đổi nhiệt.
- Đáy nón lắp van xả sản phẩm đặc.		 Chứa dung dịch cô đặc (tối đa 5 lít), thực hiện trao đổi nhiệt gián tiếp với nước nóng trong ống xoắn để bốc hơi dung môi ở áp suất chân không.
Nồi gia nhiệt nước - Thân trụ đứng: Chiều cao $H = 0{,}2\text{ m}$, đường kính $D = 0{,}25\text{ m}$.
- Nguồn nhiệt: Điện trở đốt nóng dạng chữ U (vỏ kim loại bọc ngoài, cách điện bằng MgO/cát thạch anh).		 Đun nóng nước lên nhiệt độ cài đặt ($80 - 90^\circ\text{C}$) để cung cấp tác nhân nhiệt cho nồi cô đặc.
Bơm tuần hoàn nước nóng - Loại bơm: Bơm ly tâm tăng áp chuyên dụng chịu nhiệt.
- Khả năng chịu nhiệt độ môi chất liên tục $> 90^\circ\text{C}$.		 Vận chuyển nước nóng liên tục theo chu trình khép kín giữa nồi gia nhiệt và ống xoắn nồi cô đặc.
Thiết bị ngưng tụ - Thiết bị hình trụ đứng bằng inox, bên trong bố trí hệ thống ống xoắn giải nhiệt.
- Môi chất làm mát: Nước lạnh tuần hoàn qua ống xoắn nhờ bơm ly tâm.		 Chuyển pha dòng hơi thứ bốc lên từ nồi cô đặc thành pha lỏng và gom vào bình chứa nước ngưng.
Thiết bị tụ bọt (tách giọt) - Thân trụ đứng, đáy nón, bên trong có vách ngăn chuyển hướng dòng khí. Thu hồi các giọt lỏng/bọt mịn bị lôi cuốn theo hơi thứ, bảo vệ bơm chân không khỏi hiện tượng va đập thủy lực.
Bơm hút chân không - Loại bơm: Bơm chân không vòng dầu (oil-sealed rotary vane).
- Trang bị bộ lọc tách dầu, van một chiều chống chảy ngược dầu.		 Hút khí không ngưng, hạ áp suất hệ thống xuống mức áp suất chân không yêu cầu ($p < 1\text{ atm}$).

Thiết kế hệ thống điện và tự động hóa

Hệ thống điện được phân tách rõ ràng thành mạch động lực và mạch điều khiển:

  • Mạch động lực: Cung cấp nguồn cho thanh điện trở nung nóng, động cơ bơm nước nóng và động cơ bơm hút chân không, bảo vệ ngắn mạch và quá tải qua Aptomat (CB) và khởi động từ.
  • Mạch điều khiển tự động: Sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ Delta DTB nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt Pt100/Pt1000 gắn tại nồi gia nhiệt và nồi cô đặc. Khi nhiệt độ nước hoặc dung dịch đạt ngưỡng cài đặt, bộ điều khiển xuất tín hiệu ngắt nguồn thanh điện trở hoặc bơm tuần hoàn, giúp duy trì nhiệt độ sôi ổn định và tiết kiệm điện năng. Bộ điều khiển áp suất SMC giám sát độ chân không, tự động ngắt/bật bơm chân không theo dải áp suất công nghệ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về công nghệ cô đặc thực phẩm, bản chất vật lý của quá trình bốc hơi theo thuyết động học phân tử, phân tích ba thông số kỹ thuật cốt lõi: Nhiệt độ sôi, thời gian cô đặc và cường độ bốc hơi. Tác giả phân loại chi tiết các dạng thiết bị cô đặc công nghiệp (tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức, màng mỏng rơi/leo, thiết bị có bao hơi, cánh khuấy rô-to), so sánh hiệu quả truyền nhiệt giữa hệ thống cô đặc một nồi và nhiều nồi. Bên cạnh đó, chương này tổng quan sâu về tính chất hóa sinh của hai đối tượng nghiên cứu:

  • Đường mía: Thành phần nước mía ($70 - 75%$ nước, $9 - 15%$ đường, chủ yếu là saccharose $70 - 88%$), cơ chế phản ứng nghịch đảo đường dưới tác dụng của acid/nhiệt, phản ứng sẫm màu Maillard giữa đường khử và acid amin, hiện tượng caramen hóa ở nhiệt độ cao và ảnh hưởng của các hợp chất vô cơ ($\text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}, \text{SiO}_2$) đến quá trình đóng cặn truyền nhiệt.
  • Quả dứa (Ananas comosus): Giá trị dinh dưỡng (100g dứa chứa $47{,}8\text{ mg}$ Vitamin C, $13{,}12\text{ g}$ carbohydrate, enzyme bromelain), tính mẫn cảm nhiệt của hợp chất hương este và màu sắc quả dứa tươi.

Chương 2. Phương pháp tính toán, thiết kế, chế tạo

Chương 2 trình bày quy trình tính toán công nghệ và lựa chọn giải pháp kỹ thuật:

  • Đề xuất ý tưởng thiết kế hệ thống cô đặc chân không một nồi gián đoạn dung tích 5 lít gia nhiệt bằng ống xoắn.
  • Xác lập quy trình tính toán nhiệt động: Khái niệm dẫn nhiệt, hệ số cấp nhiệt ($\alpha$), hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$), phương pháp xác định nhiệt độ sôi của dung dịch đường theo nồng độ.
  • Trình bày chi tiết các phương pháp gia công cơ khí: Quy trình uốn ống inox tạo hình xoắn ốc (uốn kéo - quay và uốn trục lăn), quy trình hàn ghép mí Inox SUS 304, kỹ thuật mài phẳng và đánh bóng mối hàn.
  • Xác định cấu hình điều khiển tự động: Nguyên lý hoạt động của khí cụ điện (nút ấn, công tắc tơ, rơ-le điện từ), cấu tạo và sơ đồ chân kết nối của bộ điều khiển nhiệt độ Delta DTB, cảm biến Pt100/Pt1000 và cảm biến áp suất SMC.

Chương 3. Tính toán, thiết kế, chế tạo và thảo luận

Chương 3 là phần trọng tâm của khóa luận, phản ánh toàn bộ kết quả tính toán số học, bản vẽ kỹ thuật, quá trình gia công thực tế và dữ liệu thử nghiệm:

  • Tính toán cân bằng vật chất: Với mẻ nạp $V_1 = 5\text{ lít}$ nước mía ($x_1 = 10%$, khối lượng riêng tương ứng), nồng độ sản phẩm đích $x_2 = 60%$, tính toán xác định lượng hơi thứ bốc ra $W$ và thể tích sản phẩm đặc còn lại sau cô đặc.
  • Tính toán cân bằng năng lượng và truyền nhiệt: Xác định tổng lượng nhiệt $Q$ cần cung cấp, hiệu số nhiệt độ hữu ích $\Delta t_{log}$, tính toán hệ số truyền nhiệt $K$ qua từng giai đoạn tăng nồng độ, từ đó suy ra diện tích bề mặt ống xoắn và kích thước chế tạo nồi cô đặc ($H = 0{,}3\text{ m}, D = 0{,}2\text{ m}$), nồi gia nhiệt ($H = 0{,}2\text{ m}, D = 0{,}25\text{ m}$).
  • Tính chọn thiết bị phụ: Tính toán công suất bơm tuần hoàn nước nóng, diện tích làm mát bình ngưng tụ ống xoắn, thể tích bình tách bọt và chọn công suất bơm chân không vòng dầu phù hợp.
  • Kết quả chế tạo và đấu nối điện: Trình bày bản vẽ chi tiết, hình ảnh thực tế của thiết bị sau gia công mài bóng, sơ đồ đấu dây mạch động lực và mạch điều khiển hoàn thiện.
  • Khảo sát thực nghiệm và hiệu chỉnh: Vận hành hệ thống với mẫu nước mía và nước dứa tươi. Đánh giá sự biến thiên nhiệt độ sôi theo nồng độ chất khô và độ chân không, hiệu chỉnh độ nhạy cảm biến nhiệt và áp suất.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính từ thực nghiệm và chế tạo

  • Chế tạo thành công hệ thống thiết bị cô đặc chân không một nồi làm việc gián đoạn với thông số vận hành thực tế:
    • Dung tích nạp liệu mỗi mẻ: Tối đa $5\text{ lít}$.
    • Kích thước nồi cô đặc chính: Đường kính trong $D = 200\text{ mm}$, chiều cao $H = 300\text{ mm}$, đáy nón tích hợp van xả đáy.
    • Kích thước nồi đun nước nóng: Đường kính $D = 250\text{ mm}$, chiều cao $H = 200\text{ mm}$, gia nhiệt bằng thanh điện trở chữ U.
    • Bộ phận ngưng tụ và tụ bọt hoạt động ổn định, ngưng tụ triệt để hơi thứ và ngăn ngừa hoàn toàn hiện tượng nước/bọt cuốn vào buồng bơm chân không.
  • Về chỉ tiêu công nghệ và chất lượng sản phẩm thực nghiệm:
    • Dung dịch nước mía đường được cô đặc thành công từ nồng độ ban đầu $10%$ lên $60%$, dịch đặc thu được có độ nhớt cao, màu vàng sáng tự nhiên, không xuất hiện hiện tượng sẫm màu do caramen hóa hay mùi cháy khét.
    • Thử nghiệm trên nước ép dứa tươi cho kết quả tốt về mặt cảm quan: Giữ được màu vàng tươi đặc trưng và mùi hương thơm tự nhiên của quả dứa chín, không bị tổn thất mùi như phương pháp cô đặc hở thông thường.
  • Hệ thống điều khiển nhiệt độ (Delta DTB + Pt1000) và áp suất (SMC) vận hành chính xác, tự động ngắt thanh nhiệt khi đạt nhiệt độ cài đặt, đảm bảo an toàn thiết bị và tối ưu hóa điện năng tiêu thụ.

Đóng góp của đề tài

  • Đóng góp học thuật và đào tạo: Cung cấp một bộ tài liệu tính toán cơ - nhiệt hoàn chỉnh cho thiết bị cô đặc ống xoắn chìm quy mô phòng thí nghiệm; chế tạo thành công mô hình trực quan phục vụ công tác giảng dạy thực hành môn Quá trình và Thiết bị Công nghệ Thực phẩm, giúp sinh viên tiếp cận trực tiếp cấu tạo và nguyên lý vận hành thiết bị chân không.
  • Đóng góp thực tiễn: Khẳng định tính khả thi của việc gia công, chế tạo thiết bị cô đặc chân không quy mô nhỏ bằng vật liệu Inox SUS 304 và linh kiện tự động hóa trong nước với chi phí thấp hơn nhiều so với thiết bị nhập ngoại, làm tiền đề để nâng cấp lên các hệ thống bán công nghiệp phục vụ các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống làm việc theo phương thức gián đoạn (từng mẻ), sau mỗi mẻ 5 lít phải xả áp chân không để tháo sản phẩm và nạp mẻ mới, chưa thể vận hành liên tục.
  • Cấp nhiệt gián tiếp qua nước nóng tuần hoàn tuy an toàn và dễ chế tạo nhưng hệ số cấp nhiệt thấp hơn so với phương pháp sử dụng hơi nước bão hòa áp lực.
  • Hệ thống điều khiển mới dừng lại ở mức điều khiển độc lập nhiệt độ và áp suất kiểu On/Off, chưa tích hợp hệ thống đo nồng độ chất khô ($^\circ\text{Bx}$) trực tuyến (online refractometer) để tự động dừng quá trình cô đặc khi đạt nồng độ đích.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp thêm bộ điều khiển lập trình PLC kết hợp màn hình cảm ứng HMI để giám sát toàn bộ các thông số áp suất, nhiệt độ, nồng độ dung dịch theo thời gian thực và tự động hóa chu trình xả liệu.
  • Bổ sung bộ phận thu hồi hương (aroma recovery unit) trên đường hơi thứ ngưng tụ nhằm tách và hoàn nguyên tinh dầu thơm cho các loại nước quả cao cấp.
  • Nghiên cứu cải tiến kết cấu buồng bốc và cấp liệu liên tục để mở rộng dải công suất lên quy mô pilot ($20 - 50\text{ lít/giờ}$).

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt: Tham khảo phương pháp thiết lập phương trình cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, các bước tính toán hệ số truyền nhiệt $K$, tính diện tích bề mặt ống xoắn và quy trình thiết kế cơ khí thiết bị vỏ mỏng làm việc dưới áp suất chân không.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử: Tham khảo quy trình gia công uốn ống inox xoắn ruột gà, kỹ thuật hàn ghép inox vi sinh, cùng sơ đồ mạch động lực và mạch điều khiển tích hợp cảm biến nhiệt độ Pt100 và điều khiển áp suất SMC.
  • Kỹ sư và các cơ sở chế biến nông sản thực phẩm quy mô vừa và nhỏ: Tham khảo mô hình thiết bị cô đặc chân không nhiệt độ thấp chi phí thấp để ứng dụng chế biến các sản phẩm nhạy cảm nhiệt như mật ong, siro hoa quả, cao dược liệu, dịch chiết cà phê.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao thiết bị sử dụng nguồn gia nhiệt bằng nước nóng tuần hoàn qua ống xoắn thay vì dùng hơi đốt bão hòa hay bao hơi ngoài?

Trong quy mô phòng thí nghiệm (mẻ 5 lít), việc trang bị nồi hơi bão hòa áp lực đòi hỏi chi phí lớn và yêu cầu an toàn nghiêm ngặt. Gia nhiệt bằng nước nóng tuần hoàn bằng điện trở chữ U và bơm ly tâm qua ống xoắn chìm mang lại kết cấu gọn nhẹ, kiểm soát nhiệt độ êm dịu ($80 - 90^\circ\text{C}$), tránh hiện tượng quá nhiệt cục bộ trên bề mặt truyền nhiệt gây cháy khét nguyên liệu.

2. Kích thước hình học cơ bản của nồi cô đặc và nồi gia nhiệt được chế tạo là bao nhiêu?

Nồi cô đặc chính có thân hình trụ đứng đường kính trong $D = 0{,}2\text{ m}$ ($200\text{ mm}$), chiều cao $H = 0{,}3\text{ m}$ ($300\text{ mm}$), đáy hình nón. Nồi gia nhiệt cấp nước nóng có đường kính trong $D = 0{,}25\text{ m}$ ($250\text{ mm}$) và chiều cao $H = 0{,}2\text{ m}$ ($200\text{ mm}$).

3. Thiết bị tụ bọt có vai trò gì trong hệ thống cô đặc chân không này?

Khi dung dịch sôi mạnh dưới áp suất chân không, bọt và các hạt sương lỏng rất dễ bị dòng hơi thứ cuốn theo. Bình tụ bọt có đáy nón và vách ngăn chuyển hướng dòng khí, giúp tách triệt để các giọt lỏng còn sót lại sau bình ngưng, ngăn ngừa nước và bọt lọt vào buồng bơm chân không vòng dầu, hạn chế hiện tượng va đập thủy lực và làm hỏng dầu bơm.

4. Kết quả cô đặc thực nghiệm trên mẫu nước mía đường và nước dứa đạt được như thế nào?

Mẫu nước mía được cô đặc từ nồng độ $10%$ lên $60%$, dịch sản phẩm giữ được màu sắc tự nhiên, không bị hóa nâu caramen và không mất mùi đường. Mẫu nước ép dứa tươi sau cô đặc giữ được màu vàng tươi sáng và hương thơm este tự nhiên đặc trưng của dứa chín.

5. Hệ thống điều khiển tự động của thiết bị sử dụng những linh kiện chính nào?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ Delta DTB nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt Pt100/Pt1000 để đóng/ngắt thanh nhiệt điện trở, bộ điều khiển áp suất SMC-Pressure để kiểm soát áp suất chân không, cùng các khí cụ điện gồm Aptomat (CB), khởi động từ (công tắc tơ), rơ-le điện từ trung gian và nút ấn thao tác.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu đặt ra từ tính toán lý thuyết, thiết kế cơ - nhiệt, chế tạo cơ khí đến tích hợp hệ thống điều khiển tự động cho thiết bị cô đặc chân không một nồi làm việc gián đoạn dung tích 5 lít. Thiết bị hoạt động ổn định, duy trì độ chân không tốt, ngưng tụ hơi thứ hiệu quả và bảo toàn xuất sắc các chỉ tiêu cảm quan của nước mía đường và nước ép dứa. Công trình là tài liệu kỹ thuật có độ tin cậy cao, đóng góp một mô hình thiết bị thực nghiệm giá trị phục vụ công tác nghiên cứu, đào tạo và định hướng ứng dụng trong chế biến thực phẩm quy mô vừa và nhỏ.