Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chuỗi giá trị nông sản và công nghệ thực phẩm, công đoạn làm khô đóng vai trò thiết yếu nhằm giảm thiểu tổn thất sau thu hoạch, ngăn chặn sự suy giảm phẩm chất do hoạt động của vi sinh vật và các phản ứng sinh hóa, đồng thời tối ưu hóa chi phí vận chuyển và lưu kho thông qua việc giảm khối lượng nguyên liệu. Đậu xanh (Vigna radiata) là loại nông sản có giá trị dinh dưỡng cao, tuy nhiên do tính chất thu hoạch mùa vụ và điều kiện khí hậu nóng ẩm tại Việt Nam, sản phẩm dễ bị ẩm mốc nếu không được xử lý kịp thời.

Đồ án môn học Kỹ thuật Thực phẩm (Mã số đề tài: 24) tại Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM do sinh viên Nguyễn Phúc Khang và Nguyễn Khánh Hòa thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Tiền Tiến Nam (thời gian thực hiện từ 18/10/2021 đến 05/01/2022) tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật: "Tính toán thiết kế thiết bị sấy thùng quay sấy đậu xanh 3 tấn nguyên liệu/giờ".

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về quá trình sấy, đặc tính nguyên liệu đậu xanh và phân tích lựa chọn phương pháp sấy tối ưu hóa năng suất.
  2. Lựa chọn và giải trình chế độ nhiệt độ sấy phù hợp nhằm bảo toàn giá trị cảm quan và thành phần dinh dưỡng của hạt đậu.
  3. Tính toán cân bằng vật chất để xác định chính xác lượng ẩm cần tách, năng suất thành phẩm và lượng vật liệu khô tuyệt đối.
  4. Tính toán cân bằng năng lượng nhằm xác định lượng tác nhân sấy và nhiệt lượng tiêu hao cho toàn bộ quá trình.
  5. Xác định các thông số kích thước hình học, kết cấu cơ khí và kiểm tra độ bền của thiết bị chính (thùng sấy quay).
  6. Tính toán thiết kế các thiết bị phụ trợ đi kèm: buồng đốt than ghi phẳng, thiết bị trao đổi nhiệt caloriphe khí - khói, bộ phận truyền động, cánh đảo vật liệu và cyclon thu hồi bụi.
  7. Lập bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh gồm sơ đồ nguyên lý hệ thống và bản vẽ kết cấu thiết bị chính trên khổ giấy A1.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn cho một trạm sấy công nghiệp đặt tại tỉnh Bình Phước, xử lý nguyên liệu dạng hạt rời với công suất 3 tấn/giờ, độ ẩm ban đầu của đậu xanh là 22% và yêu cầu độ ẩm sau khi sấy đạt 13%. Nguồn cấp nhiệt được lựa chọn là buồng đốt than đá gia nhiệt gián tiếp cho không khí qua bộ trao đổi nhiệt caloriphe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Hệ thống thiết kế dựa trên nền tảng của lý thuyết truyền nhiệt - truyền khối trong công nghệ sấy đối lưu và kỹ thuật cơ khí thiết bị thực phẩm:

  • Khung lý thuyết:

    • Phương trình cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng cho hệ thống nhiệt động hở.
    • Lý thuyết sấy đối lưu không khí nóng: Quá trình bay hơi ẩm bề mặt và khuếch tán ẩm nội tại của vật liệu hạt ẩm dạng mao dẫn xốp.
    • Mô hình tính toán nhiệt động không khí ẩm trên đồ thị Ramzin ($I-d$).
    • Lý thuyết truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp kết hợp đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức và bức xạ nhiệt.
    • Lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu rắn (than antraxit) và tính toán thành phần thể tích khói lò.
    • Tiêu chuẩn tính toán sức bền thân thiết bị hóa chất - thực phẩm làm việc dưới áp suất khí quyển.

  • Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

    • Phương pháp giải tích kỹ thuật: Áp dụng các công thức kinh nghiệm và phương trình giải tích tiêu chuẩn của ngành máy hóa chất - thực phẩm để tính toán các thông số công nghệ, kích thước hình học và tổn thất năng lượng.
    • Phương pháp tra cứu và chuẩn hóa thông số: Tra cứu hệ số nhiệt vật lý, nhiệt dung riêng, độ đen vật liệu, hệ số cấp nhiệt từ các sổ tay kỹ thuật truyền nhiệt và quá trình thiết bị.
    • Phương pháp kiểm tra bền cơ học: Tính toán chiều dày tối thiểu của thân thùng theo ứng suất kéo cho phép và các hệ số ăn mòn, bào mòn cơ học, sai lệch chế tạo.

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu khí tượng tiêu chuẩn tại khu vực Bình Phước (nhiệt độ môi trường $t_0 = 25^\circ\text{C}$); các bảng thông số nhiệt động của không khí ẩm, khói lò và tính chất cơ lý của thép CT3, than đá.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan lý thuyết

Chương này tổng kết cơ sở lý thuyết về quá trình sấy, phân loại các phương thức sấy tự nhiên và nhân tạo (đối lưu, tiếp xúc, bức xạ, cao tần). Trên cơ sở phân tích cấu trúc hạt và thành phần hóa học của đậu xanh, nhóm tác giả luận chứng việc lựa chọn thiết bị sấy thùng quay. Đây là giải pháp phù hợp cho vật liệu hạt rời nhờ khả năng xáo trộn liên tục, diện tích tiếp xúc giữa pha rắn và pha khí lớn, vận hành liên tục và năng suất cao. Sơ đồ công nghệ tổng thể được thiết lập bao gồm: quạt hút, buồng đốt than, caloriphe khí - khói, thùng sấy quay nghiêng có cánh đảo, cyclon lắng bụi và các cơ cấu cấp - tháo liệu liên tục.

Chương 2: Tính cân bằng vật chất của quá trình

Từ yêu cầu công nghệ xử lý $G_1 = 3000\text{ kg/h}$ đậu xanh từ độ ẩm $w_1 = 22%$ xuống $w_2 = 13%$, các chỉ số vật chất cơ bản được thiết lập:

$$\text{Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ: } W = G_1 \times \frac{w_1 - w_2}{100 - w_2} = 3000 \times \frac{22 - 13}{100 - 13} \approx 310,345\text{ kg ẩm/h}$$

$$\text{Năng suất sản phẩm sau sấy: } G_2 = G_1 - W = 3000 - 310,345 = 2689,655\text{ kg/h}$$

$$\text{Lượng chất khô tuyệt đối: } G_k = G_1 \times (1 - w_1) = 3000 \times (1 - 0,22) = 2340\text{ kg/h}$$

Chương 3: Tính cân bằng năng lượng

Chương này khảo sát các điểm trạng thái của tác nhân sấy (không khí) trong quá trình sấy lý thuyết và thực tế:

  • Trạng thái A (Ngoài trời): Nhiệt độ $t_0 = 25^\circ\text{C}$.
  • Trạng thái B (Sau caloriphe): Được gia nhiệt lên nhiệt độ sấy $t_1 = 55^\circ\text{C}$ (mức nhiệt độ bảo đảm không làm biến tính sâu protein và giữ chất lượng hạt).
  • Trạng thái C (Ra khỏi thùng sấy): Tác nhân sấy sau khi nhận ẩm thoát ra ở nhiệt độ $t_2 = 33^\circ\text{C}$.
  • Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và môi trường ngoài được xác định: $\Delta t_{tb} = 16,64^\circ\text{C}$.
  • Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh tính trên $1\text{ kg}$ ẩm bốc hơi qua kết cấu bao che là $q_{xq} = 41,7\text{ J/kg ẩm}$.

Chương 4: Tính toán thiết bị chính

Nội dung chương tập trung xác định kích thước cơ sở và kiểm tra bền nhiệt - cơ của thùng sấy:

  • Kích thước thùng: Đường kính trong $D_T = 2,4\text{ m}$, chiều dài $L_t = 12\text{ m}$, đường kính ngoài $D_{ng} = 2,436\text{ m}$, đường kính trung bình $D_{tb} = 2,418\text{ m}$.
  • Diện tích truyền nhiệt bề mặt: $F = 100,3\text{ m}^2$.
  • Các thông số truyền nhiệt qua vách:
    • Hệ số cấp nhiệt bên trong thùng từ tác nhân sấy đến bề mặt trong: $\alpha_1 = 5,99\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Hệ số cấp nhiệt đối lưu bên ngoài: $\alpha_2' = 1,071\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Hệ số cấp nhiệt bức xạ từ vỏ ngoài: $\alpha_2'' = 5,075\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Hệ số cấp nhiệt tổng hợp mặt ngoài: $\alpha_2 = \alpha_2' + \alpha_2'' = 6,146\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Hệ số truyền nhiệt tổng quát qua lớp thép và lớp cách nhiệt: $k = 2,154\text{ W/m}^2\text{K}$.
  • Tính toán độ bền: Thân thùng chế tạo từ thép CT3 có ứng suất cho phép $[\sigma] = 133\text{ N/mm}^2$. Bề dày tính toán $S' = 0,45\text{ mm}$, tổng dung sai bổ sung $C = 7,2\text{ mm}$ (bao gồm ăn mòn $C_a = 0$, mài mòn cơ học $C_b = 1\text{ mm}$, sai lệch gia công $C_c = 0,8\text{ mm}$, quy chuẩn $C_o = 5,4\text{ mm}$). Bề dày thực tế được chọn là $S = 8\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện làm việc an toàn với áp suất cho phép $[p] = 0,84\text{ N/mm}^2$.

Chương 5: Tính toán thiết bị phụ

Chương 5 hoàn thiện các cụm thiết bị trong dây chuyền:

  • Buồng đốt than: Sử dụng buồng đốt thủ công ghi phẳng đốt than antraxit (C: 57%, H: 4,6%, O: 2,6%, N: 0,2%, S: 1,6%, Tro: 19%, Nước: 15%). Hệ số không khí thừa buồng đốt $\alpha_{bđ} = 1,5$. Khói lò sau buồng đốt đạt nhiệt độ $947,714^\circ\text{C}$, thể tích riêng khói $\nu_1' = 3,74\text{ m}^3/\text{kg}$. Suất tiêu hao than tính toán là $m = 0,24\text{ kg than/kg ẩm}$. Diện tích mặt ghi $F = 1,3\text{ m}^2$, tỷ lệ mắt ghi $f/F = 0,15$. Kích thước buồng đốt: chiều cao $H = 1,35\text{ m}$, chiều rộng $N = 1,35\text{ m}$, chiều dài $L = 0,9\text{ m}$.
  • Caloriphe khí - khói: Loại chùm ống thép CT2 ($\lambda = 57\text{ W/mK}$) đặt so le. Kích thước ống: chiều dài $L = 1,2\text{ m}$, đường kính ngoài $d_2 = 0,057\text{ m}$, đường kính trong $d_1 = 0,05\text{ m}$, bề dày vách $\delta = 0,0035\text{ m}$, bước ống ngang và dọc $s_1 = s_2 = 0,1\text{ m}$. Nhiệt độ khói vào caloriphe $t_{kv} = 250^\circ\text{C}$, không khí vào $t_{kkv} = 25^\circ\text{C}$ và ra đạt $t_{kr} = 55^\circ\text{C}$. Lưu lượng khói khô cần thiết $L_1' = 1140,6\text{ kg/h}$ ($0,317\text{ kg/s}$).
  • Bộ phận truyền động và phụ trợ: Tính toán công suất quay thùng, tỷ số truyền, bộ truyền bánh răng, vành đai đỡ con lăn, cơ cấu cánh đảo phân bố vật liệu bên trong và cyclon lắng bụi nhóm LIH-24 để thu hồi hạt mịn bị cuốn theo dòng khí thải.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống sấy thùng quay được tổ chức thành một dây chuyền làm việc liên tục khép kín. Các thông số thiết kế kỹ thuật chính được tổng hợp trong bảng sau:

Hạng mục thông số Ký hiệu / Quy cách Giá trị thiết kế Đơn vị
Năng suất nhập liệu ban đầu $G_1$ 3000 $\text{kg/h}$
Năng suất thành phẩm đầu ra $G_2$ 2689,655 $\text{kg/h}$
Lượng ẩm bốc hơi toàn phần $W$ 310,345 $\text{kg/h}$
Độ ẩm nguyên liệu vào / ra $w_1 / w_2$ 22 / 13 $%$
Nhiệt độ không khí ngoài trời $t_0$ 25 $^\circ\text{C}$
Nhiệt độ tác nhân sấy vào thùng $t_1$ 55 $^\circ\text{C}$
Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thùng $t_2$ 33 $^\circ\text{C}$
Đường kính trong thân thùng $D_T$ 2,4 $\text{m}$
Chiều dài thân thùng $L_t$ 12 $\text{m}$
Bề dày vỏ thép thùng sấy (CT3) $S$ 8 $\text{mm}$
Bề mặt truyền nhiệt vỏ thùng $F$ 100,3 $\text{m}^2$
Hệ số truyền nhiệt tổng quát vách $k$ 2,154 $\text{W/m}^2\text{K}$
Nhiệt lượng mất mát qua vỏ bao che $q_{xq}$ 41,7 $\text{J/kg ẩm}$
Nhiệt độ khói lò sau buồng đốt $T_1'$ 947,714 $^\circ\text{C}$
Suất tiêu hao nhiên liệu than $m$ 0,24 $\text{kg than/kg ẩm}$
Diện tích mặt ghi buồng đốt $F_{ghi}$ 1,3 $\text{m}^2$
Kích thước buồng đốt ($H \times N \times L$) - $1,35 \times 1,35 \times 0,9$ $\text{m}$
Quy cách ống caloriphe ($L \times d_2 \times d_1$) - $1,2 \times 0,057 \times 0,05$ $\text{m}$
Lưu lượng khói khô qua caloriphe $L_1'$ 1140,6 $\text{kg/h}$
Thiết bị thu hồi bụi Model Cyclon LIH-24 -

Dây chuyền vận hành theo nguyên lý: Đậu xanh ẩm được nạp liên tục vào đầu cao của thùng sấy đặt nghiêng. Khi thùng quay, các cánh đảo bên trong nâng và rải đều hạt đậu thành màn rơi qua tiết diện thùng. Không khí sạch ngoài trời được quạt hút đưa qua dàn ống chùm caloriphe, nhận nhiệt gián tiếp từ khói lò than để nâng lên $55^\circ\text{C}$ rồi thổi vào thùng sấy tiếp xúc trực tiếp với màn hạt.

Phương thức gia nhiệt gián tiếp qua caloriphe loại trừ hoàn toàn nguy cơ nhiễm bẩn bụi tro và khí độc ($SO_2, CO$) vào thực phẩm. Khí thải mang ẩm sau khi qua thùng sấy được dẫn qua cyclon LIH-24 nhằm lắng giữ và thu hồi triệt để phần bụi cám, hạt mịn trước khi xả ra môi trường.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật:

    • Xây dựng hoàn chỉnh chuỗi tính toán kỹ thuật từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng đến kết cấu cơ - nhiệt cho hệ thống sấy đậu xanh năng suất lớn (3 tấn/h), đáp ứng yêu cầu hạ độ ẩm từ 22% về 13% đạt chuẩn bảo quản.
    • Tối ưu hóa chế độ nhiệt ở mức $55^\circ\text{C}$, giúp duy trì tỷ lệ nảy mầm, hạn chế nứt vỡ hạt và tránh suy giảm protein hạt đậu.
    • Đạt mức tiêu hao nhiên liệu than tương đối thấp ($0,24\text{ kg than/kg ẩm}$ tách ra), bảo đảm tính khả thi về mặt năng lượng.
    • Kết cấu thùng quay tỷ lệ $L/D = 5$ ($12\text{ m} / 2,4\text{ m}$) và hệ số truyền nhiệt qua vách $k = 2,154\text{ W/m}^2\text{K}$ giúp hạn chế tối đa thất thoát nhiệt ra môi trường xung quanh.

  • Đóng góp chuyên môn:

    • Cung cấp tài liệu thiết kế hệ thống hoàn chỉnh với các bước tính toán kiểm tra bền cho vỏ thiết bị chịu mài mòn cơ học ($C_b = 1\text{ mm}$) và các tính toán chi tiết cho cụm trao đổi nhiệt caloriphe khí - khói.
    • Đề xuất mô hình sấy quy mô công nghiệp có khả năng ứng dụng thực tế cho các hợp tác xã, doanh nghiệp chế biến nông sản tại khu vực Đông Nam Bộ (Bình Phước).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế được ghi nhận từ nội dung thiết kế:

    • Buồng đốt sử dụng kết cấu ghi phẳng thủ công, đòi hỏi nhân công tiếp than và cào xỉ định kỳ, gây dao động nhiệt độ khói lò và khó duy trì chế độ cấp nhiệt hoàn toàn ổn định.
    • Tính toán thiết kế chủ yếu dựa trên các thông số trung bình tĩnh và hệ số thực nghiệm trong tài liệu tra cứu, chưa có mô hình mô phỏng động học sấy chi tiết theo thời gian thực tế trong từng phân đoạn của thùng quay.
    • Hệ thống chưa tích hợp cơ cấu tự động hóa điều khiển tốc độ cấp liệu và lưu lượng gió theo độ ẩm biến thiên của nguyên liệu đầu vào.

  • Hướng phát triển tiếp theo:

    • Nghiên cứu nâng cấp buồng đốt than ghi phẳng sang buồng đốt tầng sôi hoặc chuyển đổi sang đầu đốt sinh khối (trấu, mùn cưa, viên nén biomass) nhằm nâng cao mức độ cơ giới hóa và giảm phát thải môi trường.
    • Tích hợp hệ thống cảm biến độ ẩm online và biến tần điều khiển vận tốc quay của thùng sấy cùng lưu lượng quạt gió.
    • Tiến hành chế tạo mô hình thử nghiệm pilot để kiểm chứng thực nghiệm các hệ số bay hơi ẩm thực tế của hạt đậu xanh tại vùng nguyên liệu.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị thực tiễn và học thuật phục vụ trực tiếp cho các nhóm đối tượng:

  1. Sinh viên và giảng viên chuyên ngành: Là tài liệu tham khảo chuẩn mực cho sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt trong các học phần Đồ án Quá trình và Thiết bị, Công nghệ Sau thu hoạch.
  2. Kỹ sư thiết kế cơ khí thực phẩm: Cung cấp đầy đủ công thức, trình tự tính toán caloriphe khí - khói và phương pháp kiểm tra bền thân vỏ thiết bị chịu áp suất và mài mòn.
  3. Doanh nghiệp chế biến bảo quản nông sản: Cung cấp thông số công nghệ nền tảng để xây dựng báo cáo khả thi, dự trù chi phí thiết bị và tiêu hao nguyên nhiên liệu cho trạm sơ chế đậu xanh công suất 20 - 30 tấn/ngày.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất bốc hơi ẩm và lượng sản phẩm thu được của hệ thống trong một giờ vận hành là bao nhiêu?
Với công suất nạp liệu ban đầu 3 tấn/h ($3000\text{ kg/h}$) ở độ ẩm 22% sấy về độ ẩm 13%, lượng nước bốc hơi cần tách là $310,345\text{ kg ẩm/h}$, thu được $2689,655\text{ kg/h}$ đậu xanh thành phẩm khô và khối lượng chất khô tuyệt đối ổn định ở mức $2340\text{ kg/h}$.

2. Tại sao nhiệt độ tác nhân sấy vào thùng lại chọn là $55^\circ\text{C}$?
Nhiệt độ $55^\circ\text{C}$ là ngưỡng nhiệt tối ưu cho các loại hạt họ đậu nhằm bảo đảm quá trình bay hơi ẩm diễn ra liên tục mà không làm chín tinh bột, nứt vỏ cơ học hay biến tính làm giảm độ hòa tan của protein, đồng thời giữ được màu sắc tự nhiên và tỷ lệ nảy mầm của hạt giống.

3. Thân thùng sấy được chế tạo bằng vật liệu gì và độ dày bao nhiêu?
Thân thùng sấy được chế tạo từ thép CT3 với độ dày thực tế là $S = 8\text{ mm}$ (sau khi đã tính toán chiều dày tối thiểu chịu lực $0,45\text{ mm}$ và cộng thêm $7,2\text{ mm}$ dự phòng cho bào mòn cơ học, sai lệch chế tạo và dung sai quy chuẩn), bề mặt ngoài được bọc lớp cách nhiệt $5\text{ mm}$.

4. Suất tiêu hao nhiên liệu của buồng đốt than được tính toán như thế nào?
Hệ thống sử dụng buồng đốt than antraxit ghi phẳng với hệ số không khí thừa $\alpha_{bđ} = 1,5$, nhiệt độ khói lò sau buồng đốt đạt $947,714^\circ\text{C}$. Suất tiêu hao than tính toán là $m = 0,24\text{ kg than/kg ẩm}$ bốc hơi.

5. Vì sao hệ thống bắt buộc phải dùng thiết bị caloriphe khí - khói gián tiếp?
Do sản phẩm sấy là đậu xanh phục vụ tiêu dùng trực tiếp và chế biến thực phẩm, việc sử dụng caloriphe ống chùm ngăn không cho dòng khói chứa bụi than, khí lưu huỳnh ($SO_2$) tiếp xúc với hạt, bảo đảm tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm cho nông sản thành phẩm.

Kết luận

Đồ án "Tính toán thiết kế thiết bị sấy thùng quay sấy đậu xanh 3 tấn nguyên liệu/giờ" đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán cơ sở kỹ thuật từ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng đến kết cấu cơ khí chi tiết cho dây chuyền chế biến nông sản quy mô công nghiệp. Việc áp dụng phương thức sấy thùng quay đảo trộn liên tục kết hợp gia nhiệt gián tiếp qua caloriphe khí - khói ($55^\circ\text{C}$) chứng minh tính hiệu quả trong việc bảo toàn chất lượng hạt đậu và tối ưu hóa chi phí năng lượng ($0,24\text{ kg than/kg ẩm}$). Đây là giải pháp công nghệ có tính khả thi cao, góp phần giải quyết bài toán giảm thiểu thất thoát sau thu hoạch và nâng cao giá trị sử dụng nguồn tài nguyên nông sản tại Việt Nam.