Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu kinh tế của Việt Nam, sản xuất nông nghiệp giữ một tỷ trọng đáng kể. Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế thu được từ các mặt hàng nông sản chưa thực sự tương xứng với tiềm năng sẵn có. Một trong những nguyên nhân chủ yếu là các khâu thu hoạch, bảo quản và công nghệ chế biến sau thu hoạch còn bộc lộ nhiều hạn chế, dẫn đến việc suy giảm phẩm chất và giá trị thương phẩm khi đưa ra thị trường tiêu thụ.

Đối với các sản phẩm nông sản nói chung và nguyên liệu chè (trà) nói riêng, sấy là một công đoạn công nghệ then chốt nhằm tách bớt lượng ẩm nội tại trong vật liệu. Quá trình làm giảm hàm ẩm không chỉ ức chế sự phát triển của vi sinh vật gây hại và nấm mốc, đình chỉ các hoạt động enzyme không mong muốn sau giai đoạn lên men, mà còn giúp giảm khối lượng vật liệu, tạo thuận lợi cho khâu đóng gói, vận chuyển và kéo dài thời hạn bảo quản. Đặc thù khí hậu Việt Nam là nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, do đó việc nghiên cứu, tính toán và thiết kế các hệ thống sấy công nghiệp chuyên dụng cho nông sản mang tính cấp thiết kỹ thuật rõ rệt.

Mục tiêu tổng quát của đồ án là thiết kế hoàn chỉnh hệ thống thiết bị sấy băng tải nhiều tầng chuyên dụng để sấy trà, đạt năng suất 300 kg thành phẩm khô/giờ, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ ẩm và cảm quan của ngành chế biến chè.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật được xác định cụ thể theo 6 nội dung:

  1. Tổng quan về nguyên liệu chè, công nghệ chế biến và các phương pháp, thiết bị sấy liên quan.
  2. Đề xuất quy trình công nghệ sấy trà phù hợp với yêu cầu chất lượng sản phẩm.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy, thời gian sấy.
  4. Tính toán thiết kế kết cấu, kích thước và động lực học của thiết bị sấy chính (buồng sấy, băng tải, hệ thống truyền động).
  5. Tính toán cân bằng năng lượng, xác định tiêu hao nhiệt và tổn thất nhiệt trong quá trình sấy thực tế.
  6. Tính toán, lựa chọn các thiết bị phụ trợ (calorife gia nhiệt, cyclone thu hồi bụi, hệ thống quạt và mạng đường ống dẫn khí).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình sấy và hệ thống thiết bị sấy băng tải 3 tầng dùng để làm khô lá trà sau giai đoạn lên men.
  • Phạm vi thông số đầu vào: Năng suất sản phẩm sấy $G_2 = 300\text{ kg/h}$; độ ẩm nguyên liệu ban đầu $W_1 = 65%$; độ ẩm sản phẩm sau sấy đạt tiêu chuẩn bảo quản $W_2 = 5%$; tác nhân sấy là không khí nóng ở áp suất khí quyển $B = 1\text{ atm} = 1{,}013\text{ bar}$; nhiệt độ không khí môi trường vào calorife $t_0 = 30^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $\varphi_0 = 85%$.
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Đồ án môn học Máy và Thiết bị (Mã môn học: PWPD322703) được thực hiện từ ngày 23/02/2024 đến ngày 30/05/2024 tại Bộ môn Công nghệ Hóa học, 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 áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết nhiệt động lực học của quá trình sấy và truyền khối trong hệ dị thể pha rắn - khí:

  • Nguyên lý chuyển khối và truyền nhiệt: Quá trình sấy là quá trình đồng thời giữa truyền nhiệt từ môi trường vào vật liệu và khuếch tán ẩm từ trong lòng vật liệu ra bề mặt rồi bay hơi vào môi trường xung quanh qua 4 giai đoạn nối tiếp. Động lực học quá trình chịu chi phối bởi chênh lệch áp suất hơi nước riêng phần giữa bề mặt vật liệu và dòng tác nhân sấy.
  • Lý thuyết không khí ẩm và đồ thị $I\text{-}d$: Ứng dụng các phương trình nhiệt động để xác định áp suất hơi bão hòa ($P_{bh}$), độ ẩm tương đối ($\varphi$), hàm ẩm ($d$), enthalpy ($I$) và thể tích riêng ($v$) của không khí ẩm tại các trạng thái trước calorife, sau calorife và sau buồng sấy.
  • Mô hình động học sấy vật liệu xốp: Sử dụng phương trình thời gian sấy tổng quát dựa trên độ ẩm tới hạn ($U_{th}$), độ ẩm cân bằng ($U^*$) và cường độ sấy thực nghiệm ($N$) được xác định từ số liệu thực nghiệm chế biến chè.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

  1. Phương pháp giải tích cân bằng vật chất: Thiết lập phương trình bảo toàn khối lượng pha khô tuyệt đối để xác định lượng ẩm bốc hơi, lượng nguyên liệu ướt ban đầu và lượng tác nhân sấy khô cần thiết.
  2. Phương pháp giải tích cân bằng nhiệt năng: Phân tích tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh qua kết cấu bao che (tường phẳng đứng, trần phẳng ngang, nền tiếp xúc, cửa làm việc), nhiệt tổn thất do vật liệu và cơ cấu vận chuyển mang ra, từ đó xác định lượng nhiệt bổ sung ($\Delta$) và công suất nhiệt thực tế cần cấp cho calorife.
  3. Phương pháp tính toán cơ khí và truyền động: Tính toán sức cản chuyển động, lực kéo băng tải, công suất động cơ, phân phối tỷ số truyền qua hộp giảm tốc hai cấp, thiết kế bộ truyền đai giữa các tầng băng và xác định độ bền trục theo tiêu chuẩn cơ học máy.
  4. Phương pháp thủy lực đường ống: Tính toán tổn thất áp suất dọc đường và trở lực cục bộ trên toàn tuyến khí động để chọn quạt đẩy, quạt hút và thiết bị lắng bụi cyclone.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án được trích xuất từ các tài liệu chuyên ngành: Giáo trình Kỹ thuật sấy nông sản, Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2), Kỹ thuật chế biến chè (I. Đ. Traxop) cùng hệ thống bảng tra cứu thông số vật lý của vật liệu xây dựng, cơ khí và nhiệt ẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này tổng hợp các đặc tính thực vật học, thành phần hóa học của cây chè (Camellia sinensis) và phân tích dây chuyền công nghệ sản xuất trà đen/trà xanh gồm 6 công đoạn:

  1. Thu hái: Lựa chọn búp và 2-3 lá non.
  2. Làm héo: Phơi trong phòng thông thoáng 4–8 giờ, đảo 1 lần/giờ nhằm loại bỏ ẩm dư thừa và dịch chuyển cấu trúc màng tế bào.
  3. Sao trà và diệt men: Xử lý trong tôn quay ở nhiệt độ $280\text{–}300^\circ\text{C}$ trong 2–3 phút nhằm đình chỉ hoạt tính enzyme, đưa hàm ẩm về mức $62\text{–}64%$.
  4. Vò trà: Làm dập $30\text{–}35%$ tế bào lá trong thời gian 10–30 phút để giải phóng dịch tế bào lên bề mặt lá.
  5. Sấy trà: Gia nhiệt ở nhiệt độ $95\text{–}105^\circ\text{C}$ nhằm cố định chất lượng, đưa hàm ẩm về $3\text{–}5%$.
  6. Đóng gói và bảo quản: Bao gói kín trong điều kiện tránh ẩm và ánh sáng.

Chương 1 cũng dẫn chứng bảng số liệu về sự biến đổi các thành phần hóa sinh quan trọng trong quá trình sấy:

Thành phần hóa học Giai đoạn lá trà lên men Giai đoạn bán thành phẩm Mức độ biến đổi
Nitơ hòa tan ($\text{mg}$) 21,63 20,05 Giảm $1{,}58\text{ mg}$
Cafein ($\text{mg}$) 2,89 2,60 Giảm do bay hơi/thăng hoa
Nitơ amoniac ($\text{mg}$) 1,19 0,67 Giảm $0{,}52\text{ mg}$
Hidropectin ($%$) 2,73 1,74 Giảm mạnh
Vitamin C ($\text{g/kg}$ chất khô) 2,64 1,81 Giảm do tác động nhiệt

Tác giả so sánh 6 hệ thống sấy công nghiệp (sấy hầm, sấy khí thổi, sấy tầng sôi, sấy thùng quay, sấy phun, sấy băng tải) và khẳng định sấy băng tải là giải pháp tối ưu cho lá trà nhờ khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác, vận hành liên tục, đảo trộn đều liệu khi chuyển tầng mà không phá hủy cấu trúc cơ học của búp chè.

Chương 2: Sơ đồ công nghệ và quy trình

Trình bày sơ đồ dây chuyền sấy khép kín:

  • Lá trà sau lên men (độ ẩm $65%$) từ bồn chứa được gầu tải đưa vào phễu nhập liệu có tang quay chống nghẽn và thanh gạt định mức chiều dày lớp vật liệu ($h = 0{,}15\text{ m}$).
  • Liệu được rải đều lên tầng băng tải thứ nhất, di chuyển đến cuối tầng rồi đổ xuống tầng thứ hai và tiếp tục chuyển xuống tầng thứ ba, tạo sự đảo trộn tự nhiên giúp tăng bề mặt tiếp xúc truyền nhiệt ẩm.
  • Tác nhân sấy là không khí ngoài trời ($30^\circ\text{C}$, $85%$) được quạt đẩy đưa qua calorife hơi nước để gia nhiệt lên $100^\circ\text{C}$, sau đó cấp vào buồng sấy tiếp xúc với vật liệu.
  • Dòng khí sau khi hấp thụ ẩm rời buồng sấy ở nhiệt độ $40^\circ\text{C}$ được quạt hút kéo qua cyclone đơn loại LIH-24 để tách các mảnh vụn lá trà cuốn theo dòng khí trước khi thải ra ngoài môi trường. Sản phẩm trà sau khi rời tầng băng tải cuối đạt độ ẩm $5%$.

Chương 3: Tính toán cân bằng vật chất

Chương 3 tiến hành xác định các thông số nhiệt động của tác nhân sấy tại 3 điểm trạng thái và tính toán cân bằng vật chất:

Đại lượng / Trạng thái Điểm A (Vào calorife) Điểm B (Sau calorife) Điểm C (Sau buồng sấy - Lý thuyết)
Nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$) 30 100 40
Độ ẩm tương đối $\varphi$ ($%$) 85 3,59 97,8
Hàm ẩm $d$ ($\text{kg ẩm/kg kkk}$) 0,0228 0,0228 0,0472
Enthalpy $I$ ($\text{kJ/kg kkk}$) 88,38 161,60 161,60
Thể tích riêng $v$ ($\text{m}^3\text{/kg}$) 0,907 1,117 0,975

Kết quả cân bằng vật chất:

  • Lượng vật liệu khô tuyệt đối: $G_k = G_2(1 - W_2) = 300 \times (1 - 0{,}05) = 285\text{ kg/h}$.
  • Lượng ẩm cần tách: $W = G_2 \frac{W_1 - W_2}{1 - W_1} = 300 \times \frac{0{,}65 - 0{,}05}{1 - 0{,}65} = 514{,}29\text{ kg/h}$.
  • Lượng nguyên liệu ướt đầu vào: $G_1 = G_2 + W = 814{,}29\text{ kg/h}$.
  • Tiêu hao không khí khô riêng lý thuyết: $l = \frac{1}{d_2 - d_0} = \frac{1}{0{,}0472 - 0{,}0228} = 40{,}98\text{ kg kkk/kg ẩm}$.
  • Tổng lưu lượng không khí khô lý thuyết: $L_0 = l \times W = 21.075\text{ kg kkk/h}$.

Động học quá trình sấy được xác định từ hệ 3 phương trình thời gian sấy thực nghiệm, tính được độ ẩm tới hạn $U_{th} = 79{,}57%$, độ ẩm cân bằng $U^* = 0{,}38%$ và hệ số cường độ sấy $N = 528{,}52\text{ kg ẩm/(kg vật liệu khô)}$. Từ đó tính toán được thời gian sấy cần thiết để hạ độ ẩm từ $U_0 = 150%$ xuống $U_2 = 5{,}26%$ (tính theo chất khô) là $\tau = 0{,}4997\text{ giờ} = 29{,}98\text{ phút} \approx 30\text{ phút}$.

Chương 4: Thiết bị chính

Chương này thực hiện thiết kế kích thước không gian và các cụm chi tiết cơ khí của buồng sấy và băng tải:

  • Thông số băng tải: Khối lượng riêng của trà ẩm $\rho_1 = 65{,}64\text{ kg/m}^3$; lưu lượng thể tích vật liệu $V_1 = 12{,}41\text{ m}^3\text{/h}$. Với chiều rộng băng $B = 1{,}3\text{ m}$, chiều dày lớp liệu $h = 0{,}15\text{ m}$, vận tốc dịch chuyển $\omega = 0{,}4\text{ m/phút}$ ($v = 0{,}0183\text{ m/s}$), tổng chiều dài băng tải tính được là $L_b = 32{,}82\text{ m} \approx 33\text{ m}$. Hệ thống được chia làm $i = 3$ tầng, mỗi tầng dài $11\text{ m}$. Vật liệu băng tải là Inox đục lỗ dày $1\text{ mm}$.
  • Con lăn và trục: Sử dụng 153 con lăn đỡ băng bằng thép CT3 (đường kính $d = 60\text{ mm}$, dài $1500\text{ mm}$), bố trí khoảng cách nhánh có tải $L_t = 0{,}325\text{ m}$ (34 con lăn/tầng) và nhánh không tải $L_o = 0{,}65\text{ m}$ (17 con lăn/tầng). Bánh lăn tang dẫn đường kính $150\text{ mm}$. Đường kính trục băng tải tính toán $d = 42\text{ mm}$ (thép CT5) có gắn mấu chống trượt kích thước $20 \times 10 \times 10\text{ mm}$.
  • Kích thước buồng sấy: Buồng công tác dài $L_h = 12{,}0\text{ m}$, rộng $B_h = 1{,}6\text{ m}$, cao $H_h = 2{,}0\text{ m}$. Kích thước phủ bì (kể cả kết cấu tường và trần thép CT03 dày $50\text{ mm}$ kèm lớp bông thủy tinh cách nhiệt dày $50\text{ mm}$) là: dài $L = 12{,}2\text{ m}$, rộng $B = 1{,}8\text{ m}$, cao $H = 2{,}1\text{ m}$.
  • Vận tốc khí trong hầm: Tiết diện tự do giữa hai tầng băng $F_{td} = 0{,}8\text{ m}^2$, lưu lượng thể tích khí trung bình $V_0 = 22.044{,}45\text{ m}^3\text{/h}$, vận tốc dòng khí lý thuyết qua buồng sấy đạt $\omega_k = 7{,}65\text{ m/s}$ (vận tốc thực tế chọn $7{,}7\text{ m/s}$).
  • Hệ thống dẫn động: Khối lượng băng Inox $m_{băng} = 338{,}91\text{ kg}$; công suất kéo trên băng tải $N = 0{,}134\text{ kW}$. Hiệu suất chung của hệ thống $\eta = 0{,}817$, công suất cần thiết $N_{ct} = 0{,}164\text{ kW}$. Chọn động cơ điện xoay chiều A02-41-8 có công suất định mức $N_{đc} = 2{,}2\text{ kW}$, tốc độ quay $n_{đc} = 720\text{ vòng/phút}$. Tỷ số truyền chung $i = 411{,}43$ được phân phối cho hộp giảm tốc hai cấp (cấp nhanh $i_{bn} = 16{,}65$, cấp chậm $i_{bt} = 24{,}71$). Bộ truyền đai giữa các tầng băng dùng đai vải cao su đường kính bánh đai $D_1 = D_2 = 900\text{ mm}$, bề rộng đai $b = 50\text{ mm}$, chiều dày đai $13{,}5\text{ mm}$, khoảng cách trục $A = 1{,}26\text{ m}$, chiều dài đai $L = 5{,}35\text{ m}$.

Chương 5: Tính toán cân bằng năng lượng

Nhiệt tiêu hao cho quá trình sấy lý thuyết: $Q_0 = L_0(I_1 - I_0) = 21.075 \times (161{,}60 - 88{,}38) = 1.543.111{,}5\text{ kJ/h}$ (tương đương $428{,}64\text{ kW}$); tiêu hao nhiệt riêng lý thuyết $q_0 = 3000{,}47\text{ kJ/kg ẩm}$.

Tính toán chi tiết các tổn thất nhiệt trong quá trình sấy thực tế:

  • Tổn thất do vật liệu sấy mang ra: $q_{vl} = 9{,}53\text{ kJ/kg ẩm}$ (với nhiệt dung riêng của trà ra $C_{vl} = 1{,}6343\text{ kJ/kg.độ}$).
  • Tổn thất để đun nóng bộ phận vận chuyển: $q_{vc} = 2% q_0 = 60{,}00\text{ kJ/kg ẩm}$.
  • Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che ra môi trường ($q_{xq}$):
    • Qua tường buồng sấy ($F_t = 38{,}4\text{ m}^2$, $K_t = 0{,}75\text{ W/m}^2\text{.độ}$): $q_t = 6{,}22\text{ kJ/kg ẩm}$.
    • Qua trần buồng sấy ($F_{tr} = 19{,}2\text{ m}^2$, $K_{tr} = 0{,}92\text{ W/m}^2\text{.độ}$): $q_{tr} = 3{,}81\text{ kJ/kg ẩm}$.
    • Qua nền buồng sấy ($F_n = 19{,}2\text{ m}^2$, $q_{n0} = 44{,}2\text{ W/m}^2$): $q_n = 5{,}94\text{ kJ/kg ẩm}$.
    • Qua cửa hầm sấy ($F_c = 6{,}4\text{ m}^2$, $K_c = 1{,}59\text{ W/m}^2\text{.độ}$): $q_c = 2{,}20\text{ kJ/kg ẩm}$.
    • Do mở cửa phục vụ xuất nhập liệu: $q_{mc} = 10%(q_t + q_n) = 1{,}216\text{ kJ/kg ẩm}$.
    • Tổn thất nhiệt động học: $q_{đh} = 0{,}092\text{ kJ/kg ẩm}$.
    • Tổng tổn thất nhiệt ra môi trường: $q_{xq} = 19{,}386\text{ kJ/kg ẩm}$.

Cân bằng nhiệt quá trình sấy thực tế:

  • Lượng nhiệt bổ sung: $\Delta = C_a t_{vlđ} - q_{xq} - q_{vl} - q_{vc} = (4{,}186 \times 30) - 19{,}386 - 9{,}53 - 60 = 36{,}664\text{ kJ/kg ẩm}$.
  • Trạng thái khí thải thực tế: Hàm ẩm $d_2' = 0{,}047\text{ kg ẩm/kg kkk}$, độ ẩm tương đối $\varphi_2' = 97{,}3%$.
  • Tiêu hao không khí khô thực tế: $l' = 41{,}32\text{ kg kkk/kg ẩm}$; tổng lượng không khí khô $L' = 21.251\text{ kg kkk/h}$.
  • Tiêu hao nhiệt riêng thực tế: $q = q_0 - \Delta = 3000{,}47 - 36{,}664 = 2963{,}806\text{ kJ/kg ẩm}$.
  • Tổng công suất nhiệt cung cấp cho hệ thống: $Q = q \times W = 2963{,}806 \times 514{,}29 = 1.524.255\text{ kJ/h} = 423{,}4\text{ kW}$.
  • Phân phối nhiệt lượng: Nhiệt có ích để bốc hơi ẩm $q_1 = 2448{,}1\text{ kJ/kg ẩm}$; nhiệt do tác nhân sấy mang đi $q_{TNS} = 432{,}2\text{ kJ/kg ẩm}$; tổng nhiệt lượng có ích và tổn thất $q' = 2969{,}22\text{ kJ/kg ẩm}$.

Chương 6: Thiết bị phụ

Chương này thực hiện tính toán thủy lực và lựa chọn các thiết bị phụ trợ trong hệ thống:

  • Calorife khí - hơi: Tính toán diện tích bề mặt truyền nhiệt sử dụng nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa ngưng tụ trong ống chùm có cánh, xác định hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ bên trong ống $\alpha_1$ và hệ số cấp nhiệt đối lưu cưỡng bức của không khí bên ngoài ống $\alpha_2$, xác định vận tốc thực tế của dòng khí qua calorife.
  • Thiết bị thu hồi bụi Cyclone: Lựa chọn cyclone đơn nhóm LIH-24 để xử lý dòng khí thải mang theo bụi cám và vụn lá chè, tính toán các kích thước hình học cơ bản nhằm đảm bảo hiệu suất phân ly hạt rắn.
  • Trở lực hệ thống và chọn quạt: Tính toán tổng trở lực khí động gồm 13 thành phần trở lực ma sát dọc đường ống và trở lực cục bộ (đoạn miệng quạt, cút ngoặt trục khuỷu, trong calorife, buồng sấy, cyclone, các đoạn đột mở và đột thu). Hệ thống lựa chọn 2 quạt công nghiệp riêng biệt: một quạt đẩy đặt trước calorife và một quạt hút đặt sau cyclone.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật chính

Thông số kỹ thuật Giá trị tính toán Đơn vị
Năng suất sản phẩm khô ($G_2$) 300 $\text{kg/h}$
Lượng ẩm bốc hơi ($W$) 514,29 $\text{kg/h}$
Lưu lượng nguyên liệu ướt vào ($G_1$) 814,29 $\text{kg/h}$
Thời gian sấy ($\tau$) 30 $\text{phút}$
Số tầng băng tải ($i$) 3 tầng
Chiều dài mỗi tầng băng ($L_b$) / Chiều rộng băng ($B$) 11,0 / 1,3 $\text{m}$
Chiều dày lớp trà trên băng ($h$) 0,15 $\text{m}$
Vận tốc chuyển động của băng tải ($v$) 0,0183 $\text{m/s}$
Kích thước phủ bì buồng sấy ($L \times B \times H$) $12{,}2 \times 1{,}8 \times 2{,}1$ $\text{m}$
Tổng số con lăn đỡ băng (thép CT3, $\phi 60$) 153 con lăn
Động cơ điện dẫn động băng tải A02-41-8 (2,2 kW; 720 v/ph) –
Nhiệt độ tác nhân vào ($t_1$) / ra ($t_2$) 100 / 40 $^\circ\text{C}$
Lưu lượng không khí khô thực tế ($L'$) 21.251 $\text{kg kkk/h}$
Công suất nhiệt thực tế cung cấp ($Q$) 423,4 $\text{kW}$
Tiêu hao nhiệt riêng thực tế ($q$) 2963,81 $\text{kJ/kg ẩm}$

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Xây dựng hoàn chỉnh chuỗi tính toán kỹ thuật từ cân bằng vật chất, động học sấy, kết cấu cơ khí đến cân bằng năng lượng cho hệ thống sấy băng tải chuyên dụng cho nguyên liệu chè năng suất $300\text{ kg khô/h}$.
  • Đề xuất giải pháp bố trí 3 tầng băng tải Inox đục lỗ giúp tối ưu diện tích mặt bằng nhà xưởng (chiều dài buồng sấy chỉ $12{,}2\text{ m}$ thay vì $33\text{ m}$ nếu trải đơn tầng), đồng thời tạo cơ chế tự đảo trộn liệu khi rơi giữa các tầng nhằm nâng cao độ đồng đều nhiệt ẩm mà không làm nát vụn búp trà.
  • Thiết lập bảng cân bằng nhiệt chi tiết, lượng hóa đầy đủ 6 nguồn tổn thất nhiệt ra môi trường bao che và xác định chính xác điểm làm việc thực tế của dòng tác nhân sấy trên đồ thị $I\text{-}d$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

  • Các tính toán truyền nhiệt và trở lực khí động dựa trên các giả thiết dòng chảy lý thuyết một chiều và phân bố nhiệt đồng nhất, chưa xét đến hiện tượng xoáy cục bộ và sự phân tầng nhiệt độ phức tạp theo phương đứng trong không gian buồng sấy 3 tầng.
  • Chưa tiến hành khảo sát thực nghiệm đối chứng mô hình vật lý thu nhỏ để đánh giá trực tiếp sự hao hụt các hoạt chất sinh học (catechin, tannin, vitamin C) theo thời gian sấy thực tế.
  • Hệ thống điều khiển chưa được thiết kế chi tiết về mạch tự động hóa (cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, biến tần điều chỉnh tốc độ băng tải và lưu lượng gió).

Hướng phát triển

  • Ứng dụng công cụ mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) để khảo sát trường vận tốc, nhiệt độ và độ ẩm 3D bên trong buồng sấy, từ đó tối ưu hóa vị trí đặt các cánh hướng dòng và miệng thổi/hút khí.
  • Nghiên cứu thiết kế bổ sung hệ thống thu hồi nhiệt thải từ dòng khí sau cyclone để gia nhiệt sơ bộ cho không khí cấp vào calorife, nâng cao hiệu quả năng lượng của toàn hệ thống.
  • Xây dựng hệ thống điều khiển tự động vòng kín dựa trên thuật toán PLC/SCADA để tự động điều chỉnh tốc độ băng tải theo độ ẩm biến thiên của nguyên liệu đầu vào.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Máy và Thiết bị Công nghiệp: Tham khảo quy trình tính toán nhiệt - chuyển khối chuẩn tắc cho hệ thống sấy đối lưu; phương pháp tính toán động học thời gian sấy dựa trên độ ẩm tới hạn và độ ẩm cân bằng; phương pháp tính toán bền và động lực học cơ khí cho cơ cấu băng tải nhiều tầng.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống sấy nông sản: Sử dụng các công thức và số liệu thực nghiệm về trở lực khí động, thông số calorife hơi nước, kích thước cyclone nhóm LIH-24 và kết cấu bảo ôn buồng sấy bằng thép CT03 kết hợp bông thủy tinh để áp dụng vào các dự án thiết kế thiết bị sấy thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Thời gian sấy trà trong hệ thống được xác định bằng phương pháp nào và kết quả là bao nhiêu?
Thời gian sấy được xác định bằng phương pháp giải tích động học sấy dựa trên số liệu thực nghiệm của I. Đ. Traxop. Tác giả giải hệ 3 phương trình thực nghiệm để tìm ra độ ẩm tới hạn $U_{th} = 79{,}57%$, độ ẩm cân bằng $U^* = 0{,}38%$ và hệ số cường độ sấy $N = 528{,}52\text{ kg ẩm/(kg vật liệu khô)}$. Thời gian sấy tính toán để hạ độ ẩm từ $150%$ xuống $5{,}26%$ (theo chất khô) là $\tau = 29{,}98\text{ phút} \approx 30\text{ phút}$.

2. Tổng lượng nhiệt và lưu lượng không khí khô cần cung cấp cho hệ thống trong điều kiện sấy thực tế là bao nhiêu?
Trong điều kiện sấy thực tế có tính đến các tổn thất nhiệt, tổng lưu lượng không khí khô cần cấp là $L' = 21.251\text{ kg kkk/h}$ (tiêu hao riêng $l' = 41{,}32\text{ kg kkk/kg ẩm}$). Tổng công suất nhiệt cung cấp cho calorife là $Q = 1.524.255\text{ kJ/h}$ (tương đương $423{,}4\text{ kW}$), tiêu hao nhiệt riêng thực tế là $q = 2963{,}81\text{ kJ/kg ẩm}$.

3. Kết cấu buồng sấy và băng tải được thiết kế với kích thước và vật liệu như thế nào?
Hệ thống gồm 3 tầng băng tải làm bằng lưới Inox đục lỗ dày $1\text{ mm}$, mỗi tầng dài $11\text{ m}$, rộng $1{,}3\text{ m}$. Băng tải được đỡ bởi 153 con lăn thép CT3 đường kính $60\text{ mm}$. Buồng sấy có kích thước phủ bì dài $12{,}2\text{ m}$, rộng $1{,}8\text{ m}$, cao $2{,}1\text{ m}$; kết cấu vỏ làm bằng thép CT03 dày $50\text{ mm}$ bọc lớp cách nhiệt bông thủy tinh dày $50\text{ mm}$.

4. Hệ thống dẫn động băng tải sử dụng loại động cơ và cơ cấu phân phối truyền động nào?
Hệ thống sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha loại A02-41-8 có công suất định mức $2{,}2\text{ kW}$, tốc độ quay $720\text{ vòng/phút}$. Tỷ số truyền chung $i = 411{,}43$ được phân phối qua hộp giảm tốc 2 cấp (cấp nhanh $i_{bn} = 16{,}65$, cấp chậm $i_{bt} = 24{,}71$) và bộ truyền đai vải cao su đường kính bánh đai $D = 900\text{ mm}$, bề rộng đai $50\text{ mm}$ để truyền động đồng tốc giữa các tầng băng.

5. Những thiết bị phụ trợ nào được lựa chọn để hoàn thiện dây chuyền sấy?
Dây chuyền tích hợp một thiết bị trao đổi nhiệt calorife dạng ống chùm có cánh dùng hơi nước bão hòa để gia nhiệt không khí lên $100^\circ\text{C}$, một cyclone đơn loại LIH-24 đặt ở cuối buồng sấy để lắng thu hồi bụi cám và vụn lá chè, cùng hệ thống hai quạt ly tâm (một quạt đẩy trước calorife và một quạt hút sau cyclone).

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế hệ thống sấy băng tải 3 tầng sấy trà năng suất 300 kg khô/giờ theo đúng nhiệm vụ môn học Máy và Thiết bị. Toàn bộ các thông số nhiệt động của tác nhân sấy, kích thước hình học buồng sấy, kết cấu cơ khí dẫn động và các thiết bị phụ trợ (calorife, cyclone, quạt) đều được tính toán và lựa chọn dựa trên cơ sở khoa học và tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kết quả thiết kế đảm bảo các yêu cầu về công nghệ sấy nông sản, duy trì chất lượng cảm quan và thành phần dinh dưỡng của sản phẩm chè sau sấy.