Có nhiều phương pháp sấy như: sấy bơm nhiệt, sấy tầng sôi,… nhưng phươngpháp sấy phun là phương pháp được lựa chọn trong sản xuất bột chanh dây bởinhiều ưu điểm của nó như: tính chất, ch
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU SẤY
Giới thiệu về nguyên liệu sấy
Chanh dây là cây dễ trồng, ưa đất khô ráo và cần ít nước, có thể phát triển tốt trên đất sỏi đá hoặc đất cát Cây đạt độ trưởng thành sau khoảng 12 tháng tuổi, có thể dài tới 15 m và cho thu hoạch tốt trong vòng 5-6 năm Chanh dây leo bằng tua cuốn đơn mọc ở phía đối diện lá, tua cuốn dài khoảng 20-40 cm, giúp cây bám và phát triển trên giàn hoặc tường nhà.
Lá của chanh dây hình chân vịt với thùy mọc so le, kích thước 6-15 cm. Cuống lá dài 2-5 cm Viền lá có răng cưa nhỏ, tròn đầu.
Hình 1.1 Lá chanh dây [Nguồn: greensculpture.vn]
Hoa chanh dây là hoa đơn, mọc từ nách lá, hoa đẹp và thơm, có đường kính 7,5-10 cm với cuống dài 2-5 cm Hoa của cây chanh dây có năm cánh màu trắng ánh tím, tạo ra một bông hoa màu trắng xen tím Mỗi hoa mang 5 nhị đực với 5 chỉ dính nhau thành ống ở đáy và tách rời ở phần mang bao phấn Hoa được thụ phấn nhờ một số loài côn trùng như: ong nghệ,… và sẽ đậu quả Nhưng nếu cây tự thụ phấn thì không có quả.
Hoa chanh dây có tác dụng an thần nhẹ và có khả năng “ru” ngủ Hoa chanh dây đã và đang được nhiều nước dùng để điều trị cho những trẻ em dễ bị kích động hoặc có vấn đề bất ổn về thần kinh, chữa bệnh hen suyễn, rối loạn tiêu hóa, chứng mất ngủ và những khó chịu của hội chứng tiền mãn kinh.
Hình 1.2 Hoa chanh dây [Nguồn:perfumista.vn]
Trái chanh dây hình cầu hoặc bầu dục, có kích thước 4,5-7 cm, màu tím sậm hoặc vàng chanh và tự rụng khi chín Vỏ quả bóng, trơn láng, mỏng và cứng; phần trung bì màu xanh, nội bì màu trắng Trái mang nhiều hạt, có cơm mềm và hương thơm rất quyến rũ Dịch quả chiếm khoảng 40% trọng lượng quả Dịch quả chứa nhiều axit, có thể cô đặc với đường để chế biến nước giải khát, rượu và mứt.
Chanh dây có hàm lượng đường vừa phải, khoảng 8,5 g gluxit/100 g, thấp hơn một số loại trái cây thông thường khác (trung bình 9-12 g/100 g), và phần lớn đường này là fructose có độ ngọt cao nên vẫn cho vị ngọt tự nhiên Bên cạnh đó, chanh dây còn chứa một tỷ lệ protein, lipid, khoáng chất và vi chất như sắt, photpho, kẽm, cùng với nhiều loại vitamin, đặc biệt là vitamin C và chất xơ Về nguồn năng lượng, chanh dây tương đương với xoài và sơ ri.
Nguồn gốc và phân loại
Chanh dây còn gọi là: lạc tiên, chùm bao, chanh leo, mát mát, dây mát, mê ly,…
- Tên khoa học là: Passiflora edulis
Hiện có hơn 400 loài, trong đó có khoảng 60 loài cho trái ăn được Tên tiếng anh là: Passion Fruit
Chanh dây là một cây leo nhiệt đới có nguồn gốc từ miền nam Brazil, sau đó được mang sang Úc và Châu Âu từ thế kỷ XIX Đây là loại cây ăn quả có tiềm năng lớn ở các nước đang phát triển Ở Việt Nam, chanh dây được trồng phổ biến tại Đà Lạt và ở đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt tại Cần Thơ, An Giang và Kiên Giang.
Chanh dây vào Việt Nam có hai giống, phân biệt bằng xuất xứ và màu vỏ: giống chanh dây vỏ vàng có nguồn gốc từ Sri Lanka, Uganda và Hawaii; giống chanh dây vỏ tím có nguồn gốc từ Australia và Đài Loan [13].
Có 4 loại chanh dây phổ biến:
- Chanh dây tím (Passiflora edulis)
+ Nguồn gốc: miền Nam Brazil, Paraguay và miền Bắc Argentina.
+ Đặc điểm: khi chín vỏ có màu tím đậm, quả tròn hoặc hình quả trứng.
+ Kích thước: nhỏ hơn chanh dây vàng, to bằng quả chanh lớn.
- Chanh dây vàng (Passiflora edulis flavicarpa)
+ Nguồn gốc: vùng Amazon của Brazil.
+ Đặc điểm: khi chín vỏ có màu vàng sáng, hình dạng tương tự nhưng dài hơn so với chanh dây tím.
+ Kích thước: to hơn chanh dây tím, gần bằng trái bưởi nhỏ.
- Chanh dây chuối (Passiflora tripartita) + Nguồn gốc: Nam Mỹ
+ Đặc điểm: thân hình thon dài bầu dục, nhìn giống như một trái chuối Khi non vỏ có màu xanh và dần chuyển sang vàng, vàng nâu khi chín.
+ Kích thước: chiều dài trái có thể lên tới hơn 12 cm.
- Chanh dây khổng lồ (Giant Passionfruit)
+ Đặc điểm: quả thon dài, hình trứng, vỏ mỏng màu xanh, ruột có màu trắng hoặc hơi vàng.
+ Kích thước: đường kính 12-15 cm, dài 10-30 cm.
Hình 1.7 Chanh dây khổng lồ [13]
Nhưng ở Việt Nam thường thấy hai loại phổ biến nhất là: Passiflora edulis (quả tím) và Passiflora edulis flavicarpa (quả vàng).
Black Knight là giống cây cho quả có màu tím đậm và hương thơm tuyệt vời Quả có kích thước và hình dạng như một quả trứng to, phù hợp cho mục đích thưởng thức và trang trí vườn Đây là loại cây dây leo khỏe mạnh, mọc chen chúc trên giàn và cho quả rất sai Tán lá mịn đẹp của Black Knight cũng thêm nét thanh nhã cho khu vườn của bạn.
+ Kahuna: quả tím, rất lớn, có vị hơi chua, thơm, dùng uống rất ngon, cây có khả năng tự sinh sản, khỏe mạnh, tán lá to.
+ Edgehill: có nguồn gốc ở Vista, Calif Quả tương tự như loại Black
Knight, nhưng mọc to khỏe và có trái lớn hơn Ở miền Nam California, nó là một trong những loại cây trồng ngoài trời được ưa chuộng nhất.
Frederick là loại quả có hình oval to, màu tím xanh pha một chút đỏ, vị chua nhẹ và rất ngon khi ăn ngay; nước ép từ Frederick còn tuyệt vời hơn Cây Frederick tự ra quả, cực kỳ khỏe mạnh, mang lại nhiều lợi ích và được xem là chắc chắn hơn Passiflora edulis flavicarpa.
+ Paul Ecke: có nguồn gốc ở Encinitas, Calif Trái có kích thước trung bình, rất ngon, thích hợp để uống hay ăn ngay, cây chắc, rất sai quả
+ Purpe Giant: quả rất lớn, tía đậm khi chín.
Red Rover là giống quả có hình hơi tròn, kích thước từ vừa đến lớn, vỏ đỏ sáng hấp dẫn và vị chua thơm đặc trưng Quả ngon khi ăn liền hoặc ép nước, mang lại hương vị tươi ngon và sự sảng khoái ngay khi thưởng thức Cây Red Rover rất khỏe và chắc, có khả năng tự sinh sản, phù hợp cho trồng tại vườn nhà hoặc quy mô sản xuất nhỏ và cho thu hoạch ổn định.
Brazilian Golden là loại quả có màu vàng tươi, quả lớn và vị hơi chua, cây rất khỏe cho năng suất ổn định Để cho quả đạt chất lượng, cây cần sự giao phấn giữa hoa; chăm sóc đúng cách và điều kiện thụ phấn phù hợp là rất quan trọng Hoa của Brazilian Golden thơm, màu trắng có phần ở giữa hơi đậm và nở vào giữa mùa hè Vụ mùa bắt đầu từ cuối tháng 8 hoặc đầu tháng 9 tùy vùng miền, cho thời gian thu hoạch quả kéo dài từ cuối tháng 8.
+ Golden Giant: cây có quả màu vàng, to, có nguồn gốc từ Úc.
Bên cạnh các dạng quả đã nêu còn có nhiều loại quả lai—là kết quả của việc ghép giống này với giống khác hoặc ghép giữa các dạng khác nhau Quả lai có đặc điểm gần giống với quả thường nhưng thể hiện một số ưu điểm vượt trội như màu sắc đẹp hơn, hương thơm mạnh hơn và độ acid thấp hơn Tùy theo địa phương và nguồn gốc mà quả lai có những tên gọi khác nhau [13].
Thành phần hóa học của chanh dây
1.3.1 Thành phần cấu tạo quả chanh dây
Bảng 1.1 Thành phần cấu tạo quả chanh dây [12]
Trong vỏ chanh dây vàng và tím đều có hàm lượng carbohydrate cao, ít chất có thể trích ly bằng ether và lượng protein thô vừa phải.
Bảng 1.2 Thành phần cấu tạo của vỏ quả chanh dây khô [12]
Chất xơ không hóa tan
Phân tích thành phần vỏ tươi của hai loại chanh dây cho thấy vỏ chứa tinh bột ở mức 0,75–1,36%, đường tổng cộng 1,64% gồm saccharose, glucose và fructose, chất béo 0,005–0,16%, phosphorus 0,03–0,06%, silica 0,01–0,04%, kali 0,60–0,78%, và axit hữu cơ (axit citric, axit malic) khoảng 0,15% Các kết quả này được ghi nhận trong các nghiên cứu tham khảo [9], [12].
Bảng 1.3 Thành phần các loại protein có trong vỏ quả chanh dây [12]
- Carbohydrate: lượng carbohydrate tổng số khoảng 15-20%, mức độ khác nhau ít giữa 2 loại quả tím và vàng.
Đường là thành phần cung cấp năng lượng chính trong quả chanh dây, gồm ba loại đường chính: glucose, fructose và saccharose; glucose và fructose chiếm phần lớn, trong khi saccharose ở hàm lượng thấp hơn Hàm lượng đường quyết định độ ngọt của chanh dây, ảnh hưởng đến cảm nhận vị ngọt khi tiêu thụ và ứng dụng trong chế biến thực phẩm.
Tinh bột hiện diện ở hàm lượng cao trong dịch quả chanh dây; nước chanh dây ép có hàm lượng tinh bột từ 0,5–3% Nhiệt độ hồ hóa tinh bột ở mức thấp ảnh hưởng đến quá trình xử lý nhiệt trong sản xuất và chế biến chanh dây [13].
Bảng 1.4 Hàm lượng đường của 2 loại quả (%) trong tổng đường [12]
Bảng 1.5 Khoảng PH và hàm lượng acid tổng của hai loại chanh dây
Khoảng PH của dịch quả
Acid toàn phần của dịch quả (%) (quy về acid citric)
Thành phần của hạt chanh dây sau khi được sấy khô như sau:
Bảng 1.6 Thành phần của hạt chanh dây khô [12]
Tro hòa tan trong HCL
Bảng 1.7 Thành phần acid béo trong dầu từ hạt chanh dây [12]
Giá trị dinh dưỡng
Quả chanh dây chứa lượng phospho đáng kể và chỉ với một quả chanh dây lớn hoặc hai quả nhỏ mỗi ngày đã có thể đáp ứng khoảng 10% nhu cầu phospho mà cơ thể cần Chất phospho là thành phần thiết yếu cho sự hình thành và duy trì xương, răng khỏe mạnh và tham gia vào nhiều quá trình trao đổi chất, giúp cơ thể hoạt động hiệu quả hơn.
Chanh dây có thể cung cấp năng lượng cho cơ thể Bạn có khoảng 84 calo cho 100g quả hoặc 1 quả chanh dây 60g sẽ cho khoảng 70 calo.
Quả chanh dây chứa lượng sắt đáng kể, là nguồn bổ sung sắt tự nhiên cho cơ thể Với khoảng 100g quả chanh dây, bạn có thể cung cấp khoảng 10% nhu cầu sắt hàng ngày, giúp hình thành hồng cầu và hỗ trợ chống mệt mỏi Việc bổ sung sắt từ quả chanh dây góp phần ngừa thiếu máu và tăng cường sức khỏe tổng thể trong chế độ ăn uống cân bằng.
Mỗi quả chứa khoảng 348 mg kali trên 100 g quả Lượng kali này giúp cân bằng nồng độ natri trong cơ thể và khi dùng ở mức vừa phải có thể hỗ trợ giảm nguy cơ tăng huyết áp.
Chanh dây chứa nhiều chất xơ giúp tăng nhu động ruột và hỗ trợ tiêu hóa Với trên 10 g chất xơ cho mỗi 100 g quả, chanh dây là một trong những loại quả có hàm lượng chất xơ cao nhất, chỉ sau hạnh nhân và dừa.
Trong quả chanh dây có chứa nhiều vitamin C Chỉ cần 2 quả có thể cung cấp 30-35% nhu cầu hàng ngày cho cơ thể, ngoài ra là nguồn cung cấp vitamin
Bảng 1.8 Giá trị dinh dưỡng trong 100g phần ăn được của chanh dây tím
Tác dụng của chanh dây
Trong thảo dược, toàn bộ thân chanh dây được phơi khô và dùng làm thảo dược an thần để điều trị chứng mất ngủ Ở châu Âu, lá khô và thân chanh dây được cắt nhỏ và thường trộn với lá chè để uống.
Trong thực phẩm: người ta sử dụng chanh dây để làm nước giải khát vào mùa hè, món tráng miệng, bánh kem, chế biến món ăn,…
Cây chanh dây không chỉ được trồng thành giàn để thu hái quả mà còn làm bóng mát và tạo cảnh quan cho không gian sống [13].
Các sản phẩm từ chanh dây
Dịch quả chanh dây cô đặc được dùng làm phụ liệu bổ sung nhằm cải thiện hương vị và tăng giá trị cảm quan cho các sản phẩm thực phẩm như nước sốt, kem, nước giải khát, cocktail, bánh cookies và kẹo Với đặc tính hương vị đặc trưng, sản phẩm này giúp nâng cao chất lượng và sự hấp dẫn của món ăn và đồ uống Ở cả các nước công nghiệp lẫn đang phát triển, chanh dây được sử dụng phổ biến để làm nước uống, và trong thời gian tới nó được xem là một loại nước quả mới có tiềm năng cạnh tranh với thị trường Mỹ.
Trong quá trình chiết xuất dịch quả để sử dụng, khoảng 2/3 khối lượng nguyên liệu ban đầu bị thải ra, trong đó 90% là vỏ và 10% là hạt Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về việc tận dụng nguồn phế liệu này, nhằm giảm lãng phí và tăng giá trị dinh dưỡng của sản phẩm Vỏ chanh dây được nhận diện là nguồn thức ăn gia súc có lợi cho các động vật nuôi lấy sữa Ở Hawaii, vỏ chanh dây khô, không qua ngâm vôi, chiếm tới 22% khẩu phần ăn hàng ngày của gia súc.
Hạt chanh dây được dùng để ép dầu có hàm lượng axit béo cao, tương tự dầu đậu phộng và dầu hướng dương Dầu từ hạt chanh dây chứa 8,9% axit béo no và 84,9% axit béo không no, nên được đánh giá cao về khả năng đẩy mạnh tăng trưởng và cải thiện tiêu hóa khi được sử dụng ở mức 5% trong khẩu phần ăn của người Nam An và khẩu phần ăn kiêng.
Hình 1.8 Bột chanh dây [Nguồn: kinhdoanhcafe.com]
Hình 1.9 Sản phẩm mứt chanh dây [Nguồn: vitagrico.vn]
Hình 1.10 Sản phẩm nước ép từ chanh dây [Nguồn: shopcongnghethucpham.com]
Hình 1.11 Sản phẩm chanh dây sấy dẻo [Nguồn: Thegioimonngon.vn]
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SẤY
Khái niệm
Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt, nhằm loại bỏ độ ẩm và tạo ra sản phẩm có độ khô mong muốn Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi vật liệu nhờ sự khuếch tán từ vùng ẩm cao sang vùng ẩm thấp hơn và được đẩy lên bề mặt để bay hơi nhờ nhiệt độ cũng như sự lưu thông của không khí xung quanh Hiệu quả sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, thời gian sấy, đặc tính vật liệu (độ ẩm ban đầu, cấu trúc, khả năng hút ẩm), áp suất và lưu lượng khí, cùng với quá trình khuếch tán nước từ bên trong vật liệu ra bề mặt và quá trình bay hơi trên bề mặt.
- Chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu.
- Chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh.
Quá trình sấy phải được thiết kế và vận hành đúng chuẩn kỹ thuật để đảm bảo sản phẩm sấy đạt chất lượng cao đồng thời giữ nguyên màu sắc và hương vị tự nhiên của nguyên liệu Việc tối ưu hóa tiêu thụ nhiên liệu giúp giảm hao phí và nâng cao hiệu quả năng lượng cho cả quá trình, trong khi chi phí vận hành được kiểm soát ở mức hợp lý, giúp giá thành sản phẩm cạnh tranh trên thị trường.
Mục đích
- Tăng thời gian bảo quản, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật và các phản ứng sinh hóa.
- Làm giảm khối lượng vật liệu (giảm công chuyên chở).
- Tạo hình cho sản phẩm.
- Tăng độ bền cho sản phẩm.
- Tăng tính cảm quan cho sản phẩm [1].
Các phương pháp sấy
Dùng năng lượng có sẵn như năng lượng gió, năng lượng mặt trời để thực hiện quá trình sấy. Ưu điểm:
- Đơn giản, tiết kiệm nhiên liệu, bề mặt trao đổi nhiệt lớn, dòng nhiệt bức xạ từ nhiệt tới mặt trời có mật độ lớn (1000 W/m 2 ).
- Khó cơ giới hóa, tốn nhân công và mặt bằng xây dựng.
- Khó điều chỉnh các thông số trong quá trình sấy.
- Sản phẩm dễ bị nhiễm vi sinh vật và bụi.
- Nhiều sản phẩm sấy tự nhiên không đạt yêu cầu và chất lượng [1], [17].
2.3.2 Sấy nhân tạo Để khắc phục những nhược điểm của phương pháp sấy tự nhiên thì trong công nghiệp hiện nay các thiết bị sấy được ứng dụng rộng rãi Sấy nhân tạo thì chúng ta phải cung cấp nhiệt lượng từ bên ngoài cho vật ẩm, tức là dùng tác nhân sấy được gia nhiệt như: khói lò, không khí nóng hoặc hơi, … sấy nhân tạo được thực hiện nhanh và độ ẩm vật liệu sau khi sấy nhỏ hơn rất nhiều so với sấy tự nhiên Dựa vào phương pháp cấp nhiệt có thể chia ra nhiều dạng:
Sấy đối lưu là quá trình sử dụng tác nhân sấy là không khí nóng hoặc khói lò có nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc dòng chảy được điều chỉnh phù hợp để luân chuyển qua bề mặt vật liệu sấy Nhờ luồng tác nhân sấy đi qua vật liệu, nước ẩm trong vật liệu được làm bay hơi và bị đưa ra ngoài theo dòng không khí hoặc khói lò Việc kiểm soát đúng nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ dòng chảy giúp tối ưu hóa hiệu quả sấy và đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Sấy tiếp xúc là một phương pháp sấy gián tiếp, trong đó tác nhân sấy không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy mà truyền nhiệt cho vật liệu thông qua một vách ngăn hoặc tấm chắn Với cơ chế nhiệt truyền qua vách ngăn, vật liệu được làm khô nhờ nguồn nhiệt từ phía tác nhân sấy mà không có tiếp xúc vật lý, giúp giảm nguy cơ ô nhiễm và bảo toàn tính chất sản phẩm Phương pháp này phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp yêu cầu kiểm soát vệ sinh và an toàn chất lượng, đồng thời cho phép kiểm soát tốc độ sấy và đồng đều nhiệt độ trên bề mặt vật liệu.
- Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vật liệu sấy.
Sấy bằng dòng điện cao tần là phương pháp sấy sử dụng năng lượng điện trường có tần số cao để làm nóng đồng đều toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu sấy Nhờ kích thích điện trường ở tần số cao, quá trình sấy diễn ra nhanh hơn, giảm thiểu mất nhiệt và tăng hiệu quả sản xuất Phương pháp này phù hợp với nhiều loại vật liệu và lớp vật liệu có chiều dày khác nhau, cho kết quả sấy đồng nhất và chất lượng sản phẩm cao.
Phương pháp sấy thăng hoa được thực hiện trong môi trường có độ chân không cực cao và nhiệt độ rất thấp, khiến ẩm độ tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi mà không qua trạng thái lỏng [1], [17].
Bản chất của quá trình sấy
Bản chất của quá trình sấy là cung cấp năng lượng để biến đổi trạng thái pha lỏng trong vật liệu thành hơi.
Hầu hết các vật liệu trong quá trình sản xuất đều chứa pha lỏng là nước và người ta thường gọi là ẩm.
Quá trình sấy chia làm hai giai đoạn:
Quá trình khuếch tán ẩm từ bên trong vật liệu ra bề mặt ngoài và quá trình chuyển hơi nước từ bề mặt ra môi trường xung quanh là hai giai đoạn liên tiếp được thúc đẩy bởi sự chênh lệch ẩm giữa vật liệu và môi trường; ẩm di chuyển từ vùng có độ ẩm cao sang vùng có độ ẩm thấp cho tới khi đạt cân bằng, từ đó ảnh hưởng đến độ ẩm và sự ổn định của kết cấu.
Quá trình chuyển pha xảy ra khi áp suất hơi trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí xung quanh [1], [17] Điều này tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa bề mặt và môi trường bên ngoài, kích hoạt quá trình bay hơi của vật liệu và định hình tốc độ chuyển pha Việc nhận biết và đo lường sự chênh lệch giữa áp suất hơi tại bề mặt và áp suất hơi của môi trường xung quanh là cơ sở để dự báo và kiểm soát quá trình chuyển pha trong các ứng dụng thực tiễn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sấy
- Bản chất của vật liệu sấy: cấu trúc, thành phần hóa học, đặc tính liên kết ẩm, …
Hình dạng vật liệu sấy, kích thước mẫu sấy và bề dày lớp vật liệu là các yếu tố then chốt quyết định hiệu quả sấy Diện tích bề mặt riêng của vật liệu càng lớn thì tiếp xúc với môi trường sấy càng nhiều, từ đó tốc độ sấy càng nhanh Để tối ưu quá trình sấy, cần cân nhắc kỹ lưỡng hình dạng và kích thước mẫu sấy cùng độ mỏng của lớp vật liệu sao cho diện tích bề mặt tiếp xúc được tối ưu mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm.
- Độ ẩm đầu, độ ẩm cuối và độ ẩm tới hạn của vật liệu.
- Độ ẩm, nhiệt độ, tốc độ của tác nhân sấy.
- Cấu tạo thiết bị sấy, phương thức và chế độ sấy.
Chênh lệch giữa nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của tác nhân sấy ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình sấy Khi nhiệt độ cuối của tác nhân sấy cao hơn, nhiệt độ trung bình của luồng không khí tăng lên, từ đó tốc độ sấy được tăng và thời gian xử lý ngắn đi Việc tối ưu hóa sự khác biệt này giúp cải thiện trao đổi nhiệt, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Tác nhân sấy
Các loại tác nhân sấy:
Không khí ẩm là tác nhân sấy phổ biến nhất, có thể dùng cho hầu hết các loại sản phẩm và không làm ô nhiễm hay đổi mùi vị sau khi sấy Tuy nhiên, khi dùng không khí ẩm làm tác nhân sấy cần trang bị bộ gia nhiệt không khí (calorife) bằng khí – hơi hoặc khí – khói, và nhiệt độ sấy không nên quá cao, thường dưới 500°C; nhiệt độ cao sẽ buộc phải chế tạo trao đổi nhiệt bằng thép, hợp kim hoặc gốm sứ với chi phí cao.
- Khói lò: khói lò được dùng làm tác nhân sấy có thể nâng nhiệt độ lên đến
Ở nhiệt độ 1000°C có thể đạt được mà không cần thiết bị gia nhiệt, nhưng sẽ khiến vật liệu sấy bị ô nhiễm và sinh ra mùi khói Do đó, phương pháp này thích hợp chỉ cho các vật liệu không sợ ô nhiễm, như gỗ, đồ gốm và một số loại hạt có vỏ.
Hơi quá nhiệt là tác nhân sấy được dùng cho các loại sản phẩm dễ cháy nổ và có khả năng chịu được nhiệt độ cao Vì vậy, sấy bằng hơi quá nhiệt thường ở nhiệt độ lớn hơn 100oC khi sấy ở áp suất khí quyển.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT CHANH DÂY 18 3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ
Thuyết minh quy trình
Mục đích của quy trình lựa chọn nguyên liệu là loại trừ những nguyên liệu không đạt quy cách, nhiễm sâu bệnh, mốc và thối hỏng, nhằm đảm bảo chất lượng và an toàn cho sản phẩm Quá trình này còn phân loại để nguyên liệu đồng đều về kích thước, hình dáng, màu sắc và độ chín, giúp tăng tính đồng nhất và tối ưu hóa quá trình chế biến.
Mục đích của quá trình xử lý nguyên liệu sau khi thu mua là loại bỏ các tạp chất còn bám trên bề mặt vỏ quả, như bụi, đất cát và thuốc trừ sâu Ta cần rửa nguyên liệu để ngăn các tạp chất này lẫn vào ruột quả, làm ảnh hưởng xấu đến tính chất sản phẩm và đồng thời giảm thiểu sự hiện diện của vi sinh vật ngoài vỏ quả có thể xâm nhập bên trong.
Mục đích: chuẩn bị cho quá trình tiếp theo, loại bỏ những phần quả không sử dụng được như cuống, vỏ.
3.2.4 Chỉnh PH bằng Na 2 CO 3 10%
Mục đích: chỉnh khối pH của khối ruột quả đến giá trị thích hợp để tạo điều kiện cho enzyme pectinase hoạt động tốt.
Mục đích của phương pháp là phân cắt chuỗi pectin trong thịt quả thành các đoạn ngắn hơn nhằm giảm độ nhớt của dịch quả, làm dịch quả trong và sáng hơn, hỗ trợ việc tách hạt dễ dàng và từ đó tăng năng suất thu nhận dịch quả trong quá trình lọc.
Mục đích của quá trình là tách hạt và các phần bã có kích thước lớn ra khỏi dịch quả, từ đó làm trong dịch quả và giảm tối đa các cặn có thể gây ảnh hưởng xấu đến quá trình sấy phun sau này Việc loại bỏ hạt và bã lớn giúp nâng cao độ trong của dịch quả, giảm hàm lượng chất rắn không tan và ngăn ngừa sự hình thành cặn trong quá trình sấy, từ đó cải thiện hiệu suất sấy phun và chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Mục đích: điều chỉnh dịch quả đến nồng độ chất khô thích hợp để tăng hiệu suất thu hồi cho quá trình sấy.
Theo mục đích của quá trình, việc trộn thêm chất độn hay chất mang vào dịch quả giúp tăng chất lượng khô của sản phẩm, giảm chi phí cô đặc và hình thành cấu trúc dạng bột mịn, từ đó nâng cao hiệu suất thu hồi của quá trình sấy Đồng thời ở giai đoạn này có thể phối trộn thêm chất bảo quản, chất màu và hương liệu để cải thiện tính ổn định, màu sắc và hương vị cho sản phẩm cuối cùng, đáp ứng các yêu cầu về chất lượng và thẩm mỹ.
Quá trình này nhằm cấp nhiệt để làm bốc hơi nhanh lượng nước có trong dung dịch sau phối trộn, từ đó tạo ra sản phẩm ở dạng bột mịn mà không cần nghiền thêm Sản phẩm thu được có độ hút ẩm thấp, giúp bảo quản lâu dài và ổn định chất lượng Việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian phù hợp tối ưu hóa quá trình sản xuất, tăng hiệu quả và giảm chi phí bảo quản.
Mục đích: phối trộn thêm đường và các phụ gia cần thiết để tăng thêm mùi vị cho sản phẩm, tạo sự hấp dẫn cho sản phẩm.
Chọn phương thức sấy, thiết bị sấy và chế độ sấy
3.2.1 Phương thức sấy Để sấy dịch chanh dây nên dùng phương thức sấy nhân tạo được sử dụng phổ biến nhất đó là phương pháp sấy đối lưu Sấy đối lưu là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy Phương pháp này có nhiều ưu điểm vượt trội như: sản phẩm được sấy đều, năng suất và hiệu quả cao,
Trong sấy đối lưu, tác nhân sấy có thể là không khí nóng, khói lò hoặc hơi quá nhiệt Tuy nhiên, khi sấy dịch quả chanh dây, tác nhân sấy phải sạch vì sản phẩm sau khi sấy được con người sử dụng Vì vậy, ta chọn tác nhân sấy là không khí đã lọc sạch và được cấp nhiệt bởi hệ thống calorifer, nguồn nhiệt cung cấp cho calorifer là từ quá trình ngưng tụ hơi nước bão hòa Ở trường hợp này, ta chọn tác nhân sấy đi cùng chiều với vật liệu sấy.
Vì bột chanh dây sau sấy cần hòa tan dễ dàng, ta chọn sấy phun—một dạng của phương thức sấy đối lưu được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Sấy phun là công nghệ sấy chủ lực nhờ khả năng chuyển từ dạng lỏng sang dạng bột một cách đơn giản, đồng thời dễ kiểm soát nhiệt độ và định hình hạt sản phẩm một cách chính xác Thiết bị sấy phun mang lại hiệu quả sấy nhanh và đồng đều cho nguyên liệu dạng huyền phù Tuy nhiên, nó không thích hợp với nguyên liệu ở dạng hạt tròn và lát mỏng.
Chế độ sấy trong thiết bị sấy phun phụ thuộc vào hai yếu tố nhiệt độ: nhiệt độ tác nhân sấy vào thùng sấy (T1) và nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thùng sấy (T2) Để bảo toàn hương vị, màu sắc và các thành phần có trong sữa, ta lựa chọn chế độ sấy phù hợp dựa trên sự phối hợp của T1 và T2 cùng với điều kiện vận hành của thiết bị.
- Nhiệt độ tác nhân sấy vào: t 1 = 170 o C
- Nhiệt độ tác nhân sấy ra: t 2 = 80 o C
- Độ ẩm tương đối môi trường: φ 0 = 81%
Giới thiệu về thiết bị sấy phun
3.3.1 Cấu tạo máy sấy phun
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống sấy phun [17]
3 Thùng chứa nguyên liệu cần sấy.
6 Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí thoát ra.
7 Cyclon vận chuyển sản phẩm.
8 Hệ thống quạt hút và màng lọc.
Dịch chanh dây ban đầu được lọc gạn và tiêu chuẩn hóa ở nhiệt độ cao 110 ℃
- 130 ℃ trong khoảng 5-10 phút Sau đó được cô đặc đạt độ khô 65% trong điều kiện chân không rồi được đưa vào thiết bị sấy phun Dịch chanh dây được phun thành những hạt bụi nhỏ nhờ cơ cấu phun (5) và được làm khô trong phòng sấy.Không khí sau khi qua bộ phận lọc được quạt đẩy đưa vào calorifer (2) để tiến hành gia nhiệt lên 170 ℃ và thổi vào buồng sấy (1) Dịch được bơm cao áp bơm từ bồn chứa tới vòi phun và được phun vào trong tháp dưới dạng những hạt bụi nhỏ Trong thành bột chanh dây rơi xuống dưới Nhiệt độ sấy sẽ giảm dần và khi vật liệu ra khỏi thùng sấy thì nhiệt độ còn 80 ℃
Không khí trong tháp sấy được quạt hút ra ngoài qua cyclon (8) để thu lại những hạt sản phẩm nhỏ bị cuốn theo dòng khí, nó được trộn với sản phẩm từ trong tháp sấy nhờ ống vận chuyển khí động qua cyclon (8) và được lấy ra ngoài liên tục.
3.3.3 Ưu điểm và nhược điểm Ưu điểm
- Có thể điều khiển được tỷ trọng sản phẩm.
- Bột sau khi sấy có độ hòa tan cao (90-100%), độ ẩm thấp (3-4%).
- Vận hành liên tục và có thể tự động hoàn toàn.
- Chi phí nhân công thấp.
- Vận hành bảo dưỡng đơn giản.
- Thiết kế đa dạng cho từng loại sản phẩm, từng loại quy mô nhà máy.
- Áp dụng được cho các sản phẩm bền nhiệt và không bền nhiệt, nguyên liệu ở dung dịch, gel, hồ vữa, huyền phù,…
- Chất lượng bột được bảo đảm trong suốt quá trình sấy.
- Vật liệu hầu như không tiếp xúc với bề mặt kim loại của thiết bị.
- Chi phí đầu tư cao.
- Yêu cầu độ ẩm ban đầu cao để đảm bảo nguyên liệu có thể bơm đến thiết bị tạo giọt lỏng.
- Chi phí năng lượng cao (để tách ẩm).
- Thất thoát các chất dễ bay hơi cao hơn [17].
TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Các ký hiệu
G 1 , G 2 : Lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi mấy sấy (kg/h)
W 1 , W 2 : Độ ẩm của vật liệu trước và sau khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu ướt.
W: Độ ẩm được tách ra khỏi vật liệu khi đi qua máy sấy (kg/h)
L: Lượng không khí khô tuyệt đối đi qua máy sấy (kg/h) d 0 : Hàm ẩm của không khí trước khi vào calorifer sưởi (kg/kgkkk) d 1 , d 2 : Hàm ẩm của không khí trước khi vào máy sấy và sau khi ra khỏi máy sấy (kg/kgkkk)
Các thông số ban đầu
[3]) φ 0 = 0,81 t 1 = 170 o C t 2 = 80 o C t vl 1 = 30 o C t vl 2 = 75 o C Độ ẩm tương đối (Bảng VII.1/T99, [3])
Trong quá trình sấy, các yếu tố nhiệt độ quan trọng cần được kiểm soát gồm: nhiệt độ sấy vào buồng sấy ( o C) xác định điều kiện nhiệt cho vật liệu khi bắt đầu quá trình; nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thiết bị sấy ( o C) cho biết nhiệt lượng đi ra khỏi hệ thống mang theo, ảnh hưởng đến hiệu quả sấy; nhiệt độ vật liệu khi đưa vào thiết bị ( o C) phản ánh trạng thái ban đầu của mẫu trước khi sấy; nhiệt độ vật liệu khi đưa ra khỏi thiết bị ( o C) cho biết nhiệt độ cuối cùng của sản phẩm sau sấy, quyết định độ ẩm và chất lượng sản phẩm Việc nắm vững và điều khiển bốn tham số này giúp tối ưu quá trình sấy, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Cân bằng vật liệu của quá trình sấy
Phương trình cân bằng vật liệu chung
Lượng vật liệu đưa vào thiết bị sấy
Lượng ẩm tách ra trong quá trình sấy
Các thông số của không khí
4.4.1 Các thông số trạng thái của không khí
4.4.1.1 Trạng thái của không khí trước khi vào calorifer Để tối ưu hóa quá trình vận hành thiết bị, ở đây ta chọn nhiệt độ t 0 = 25 o C và độ ẩm φ 0 = 0.81 Áp suất khí quyển: P kq = 1 at
T2 = 80 o C => Pbh2 = 0,483 at Phân áp suất bão hòa hơi nước theo nhiệt độ
Với t 0 = 25 o C, tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ => P bh0 = 0,0323 at (Bảng I.250/312, [2]) Độ chứa ẩm d 0 =0,622×
+ φ 0 : Độ ẩm tương đối của không khí
+ P: Áp suất khí quyển, P = 1at = 0,981 (bar) = 735,6 (mmHg)
+ P bh0 : Phân áp suất bão hào của hơi nước
Entanpy của không khí ẩm
+ C pk : Nhiệt dung riêng của không khí khô, C pk = 1,006 (KJ/kg 0 K)
+ C ph : Nhiệt dung riêng của hơi nước, C ph = 1,842 (KJ/kg 0 K)
+ r: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước, r = 2500 (KJ/kg)
Thể tích riêng của không khí ẩm
+ R: Hằng số khí, R = 8314 (J/kmol.độ)
+ M: Khối lượng của không khí, M = 29 (kg/kmol)
+ P: Áp suất khí quyển (N/m 2 ), B = 1at = 0,981 (bar) = 735,6 (mmHg)
+ P bh0 : Phân áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí (N/m 2 )
4.4.1.2 Trạng thái của không khí sau khi vào calorife
Khi qua calorife không khí chỉ thay đổi nhiệt độ còn hàm ẩm không thay đổi. d 1 =d 0 =0.0167 (kg/kgkkk) Độ ẩm tương đối của không khí T 1 φ × P d 1 = 0,622 × P− 1 φ 1 × 1 P 1
Thể tích riêng của không khí ẩm
4.4.1.3 Trạng thái không khí sau khi ra khỏi máy sấy
Vì entanpy của quá trình không đổi nê ta có I 2 =I 1 !8(KJ/kgkkk) Độ chứa ẩm
d 2 = 2500+1,842× t 2 = 2500+1,842× 80 Độ ẩm tương đối của không khí φ 2 = d 2 × P
Lượng không khí khô cần thiết để làm bốc hơi 1kg ẩm trong vật liệu l = L =
Lượng không khí tiêu hao trong quá trình sấy
Lượng vật liệu khô tuyệt đối
Tính nhiệt độ điểm sương
- Nhiệt độ đọng sương là nhiệt độ tại đó mà không khí đã bị làm lạnh xuống dưới mức bão hòa, gây nên hiện tượng đọng sương.
Xác định nhiệt độ điểm sương giúp xác định giới hạn làm nguội của không khí ẩm, từ đó ta xác định nhiệt độ của không khí sau sấy Nhiệt độ của không khí sau sấy không được quá thấp vì sẽ có hiện tượng đọng sương trên bề mặt vật liệu nhưng cũng không được quá cao vì sẽ làm cho sản phẩm không đạt yêu cầu và tiêu tốn nhiều năng lượng Việc cân đối giữa ngưỡng đọng sương và hiệu quả sấy là yếu tố then chốt để tối ưu chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng.
Tra bảng I.250/312, [2] kết hợp với nội suy
Nhiệt độ điểm sương tại P bhts = 0,077 là t s @,05℃
Vì sấy phun quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ khá cao nên với nhiệt độ đọng sương như vậy hoàn toàn chấp nhận được.
Bảng 4.1 Bảng tổng kết cho vật liệu sấy Đại lượng
G 1: Khối lượng vật liệu vào thùng sấy (kg/h)
G 2: Khối lượng vật liệu ra khỏi thùng sấy (kg/h)
W 1: Độ ẩm vật liệu vào (%)
W 2 : Độ ẩm vật liệu ra (%)
W: Lượng ẩm được tách ra (kg ẩm/h) l : Lượng không khí khô để bốc hơi 1kg ẩm (kgkkk/kg ẩm)
G k : Lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg/h) 210,042
Bảng 4.2 Bảng tổng kết cho tác nhân sấy
Trước khi vào calorifeSau khi ra khỏi calorifeSau khi ra khỏi buồng sấy
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Các thông số ban đầu
Chọn vòi phun sương dạng cơ khí có đường kính lỗ phun là d c =5 ×10 −3 (m) , góc phân tán tia α P 0
Giả thiết vận tốc không khí trong tháp là ω=0,38 m/s
Vòi phun
Đường kính trung bình của giọt vật liệu được tính theo công thức: d tb = b
Trong đó: b: Hệ số phụ thuộc cấu tạo của vòi phun
= 3,14 ×5 10 −3 ×30 10 −3 × 3600 + μ 1 :Độ nhớt của dịch chanh dây đưa vào sấy, μ 1 0
Buồng sấy
Buồng sấy phun là nơi hòa trộn giữa mẫu sấy ở dạng sương mù và tác nhân sấy là không khí nóng Mẫu sấy được phun thành các giọt mỏng và gặp không khí nóng để bay hơi nước nhanh chóng bên trong buồng Mặc dù có nhiều hình dạng, buồng sấy phun phổ biến nhất là hình trụ đứng với đáy hình nón Kích thước của buồng sấy (chiều cao, đường kính và các thông số thiết kế khác) được thiết kế dựa trên kích thước của các hạt lỏng và quỹ đạo chuyển động của chúng, tức là phụ thuộc vào loại cơ cấu phun sương được sử dụng.
5.3.1 Xác định đường kính thiết bị
Bán kính tán phun được xác định theo công thức:
+ ρ 1 : Tỉ trọng của dung dịch (kg/m 3 ) (800-1200)
+ ω : Vận tốc dòng khí chuyển động trong thiết bị (m/s)
+ r : Ẩn nhiệt hóa hơi ẩm
+ C 1 ,C 2 : Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy ở nhiệt độ T 1 ,T 2 (J/Kg.độ)
C 1 C79 (KJ/kg.độ) + C tb : Nhiệt dung riêng trung bình
+ ϑ : Độ nhớt của không khí
R p =d tb × 889,981=1.384(m) Đường kính tháp phun
Chọn đường kính buồng sấy D T =3(m)
5.3.2 Xác định chiều cao thiết bị
Tỉ số chiều cao buồng sấy và đường kính bên trong H =1,1−1,25
Vậy chọn chiều cao của tháp là H = 4 (m) gồm 2 phần: Phần thân hình trụ cao 2,5 (m), phần đáy côn có chiều cao là 1,5 (m)
5.3.3 Xác định thời gian sấy
Thể tích riêng v k1 ,v k 2tương ứng với nhiệt độ T 1 , T 2 được tính theo công thức. v ki =4.64 10 −3 ×(0,622+ d i )× (273+t i ) (m 3 /kgkkk)
Thay vào công thức, ta có: v k 1 =4.64 10 −3 ×(0,622+0,0167 )× (273+170)=1,313 (m 3 /kgkkk) v k 2 =4.64 10 −3 ×(0,622+0,052) ×(273+80)=1,104(m 3 /kgkkk)
Tốc độ trung bình của tác nhân sấy khi D T =3 ¿m) ω =
Tốc độ lơ lửng của hạt trong thiết bị ở 125 ℃ : v k &,044 ×10 −6 ( m 2 /s) ω 1 = R e × v k = 7,39 × 26,044 10 6 =0,124 (m/s)(CT T 183 , [7 ]) d tb 1,555.10 −3
Vận tốc thực của dòng khí chuyển động trong tháp phun là:
Kiểm tra vận tốc không khí đi trong tháp so với lựa chọn ban đầu.
Chênh lệch so với ban đầu
Vậy lựa chọn ban đầu là hợp lý Thể tích của buồng sấy
Tiết diện của thiết bị sấy
Tính bền cho thiết bị chính
Chiều cao phần trụ của thân Đường kính thiết bị
Các thông số của thép X18H10T
Hệ số hiệu chỉnh Ứng suất cho phép giới hạn bền:
[ σ k ] =η × σ k =1 × 540.10 6 8.10 6 ( N /m 2 ) (CT XIII 1/T 355 ,[3]) n k 2,6 Ứng suất cho phép giới hạn chảy
+ n k ,n c là hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo, giới hạn bền cháy. n k =2,6 n c =1,5
Do đó bề dày của thân hình trụ được tính theo công thức:
+ D t : Đường kính trong thiết bị
+ φ h : Hệ số bền mối hàn
+ P: Áp suất trong thiết bị Đại lượng bổ sung được tính theo công thức:
+ C 1 : Hệ số bổ dung do ăn mòn C 1 =1(mm)
+ C 2: Hệ số bổ sung do bào của môi trường Do trong thiết bị không có các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn nên bỏ qua C 2
+ C 3 : Hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày Đối với thép X18H10T, chọn C 3 =0,18(mm) (Tra bảng XIII.9/364, [3])
Chọn bề dày thực của tháp sấy là số nguyên và lớn hơn S đã tính và tiến hành kiểm tra ứng suất theo áp suất thử.
Kiểm tra bề dày của tháp: σ =
+ P th : Áp suất thử thủy lực, tra bảng
+ P 1 : Áp suất thủy tĩnh của nước
Vậy bề dày của tháp sấy là 6 (mm)
5.4.2 Đáy và nắp thiết bị
Chọn nắp phẳng, đáy dạng nón ở đáy góc là 60 0
Chiều dày của đáy và nắp chọn bằng chiều dày thân, S=6 (mm).
Bảng 5.1 Tổng kết thiết bị chính Đại lượng Đường kính thiết bị (m)
Tiết diện của buồng sấy ( m 2)
Bề dày của tháp (mm)
TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Tính cân bằng nhiệt lượng
Các ký hiệu t vl 1 : Nhiệt độ vật liệu trước khi vào sấy, t vl 1 =t mt 0 ℃ t vl 2 : Nhiệt độ vật liệu sau khi ra khỏi máy sấy, t vl 2 u ℃ t vl 2 =t 2 −(5−10 ℃ )−5u ℃
C vl : Nhiệt dung riêng của vật liệu, (KJ/kg 0 K), coi như không đổi trước và sau khi sấy: C vl 1 =C vl 2 =C vl
C k : Nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối, C k =3,95(KJ/kg 0 K)
C n : Nhiệt dung riêng của nước, (KJ/Kg 0 K), C n =4,18(KJ/kg 0 K)
0K) Nhiệt lượng tiêu hao chung
(CT7.15/T131, [8]) Nhiệt lượng tiêu hao riêng q= Q
Tổn thất nhiệt ở tháp sấy
6.2.1 Tính hệ số cấp nhiệt tổng quát từ trong đến thành thiết bị α 1 α 1 =k ׿¿
+ α ' 1 : Hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu cưỡng bức (W/ m 2độ)
+ α ' 2 : Hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu tự nhiên (W/ m 2 độ)
+ k: Hệ số điều chỉnh tính đến độ nhám, k = 1,25
Xác định hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu cưỡng bức theo công thức: α ' 1 = N u × λ
Nhiệt độ trung bình của không khí trong máy sấy t tb = t 1 + 2 t 2 = 170 2 +80 = 125 ℃
Xác định chỉ số Nuselt
+ ε 1 : Hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng tỉ số giữa chiều cao H và đường kính D của ống.
Tra bảng V.2/15 [3] kết hợp nội suy
Xác định hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu tự nhiên theo công thức: α } rsub {1} = {{N} rsub {u } ×λ} over {D ¿
+ β : Hệ số giãn nở thể tích
+ ∆ t : Hiệu số nhiệt độ giữa tác nhân sấy vào và tác nhân sấy ra
6.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt của tường môi trường xung quanh α 2 =α ' 2 +α 2 ¿
+ α ' 2: Hệ số cấp nhiệt mặt ngoài của máy sấy do đối lưu tự nhiên.
+ α } 2 :¿Hệ số cấp nhiệt do bức xạ
Hệ số cấp nhiệt từ ngoài thành thiết bị đến môi trường xung quanh mô tả mức độ trao đổi nhiệt giữa bề mặt ngoài của thiết bị và không khí quanh đó Giả sử nhiệt độ của không khí trong xưởng là t_k (℃) và nhiệt độ của lớp thép bảo vệ ngoài thành thiết bị là t_n (℃) Theo công thức t_tb = t_n + t_k, nhiệt độ tổng tại bề mặt ngoài được xác định bằng tổng của nhiệt độ lớp thép bảo vệ và nhiệt độ không khí trong xưởng, từ đó ảnh hưởng đến giá trị của hệ số cấp nhiệt và hiệu suất truyền nhiệt của hệ thống.
2 = Ở nhiệt độ này, ta có: λ=2,78.10 −2 (W/ m 2 độ)
Hệ số cấp nhiệt do bức xạ α } rsub {2} = {ε} rsub {n} × {C} rsub {0} × {left [{left ({{T} rsub {1}} over {100} right )} ^ {4}
+ ε n : Mức độ đen của vật, với hệ thống thép chọn ε n =0.85
+ C 0 : Hệ số cấp nhiệt của vật đen tuyệt đối, chọn C 0 =5,7
+ T 1 : Nhiệt độ tường ngoài tiếp xúc không khí
Thay vào ta có: α } rsub {2} =0.85×5,7× {left [{left ({331} over {100} right )} ^ {4} - {left ({298} over {100} right
Hệ số cấp nhiệt từ bề ngoài thiết bị vào không khí α 2 =α ' 2 +α } 2 =2,376+6,045=8,421 ¿ (W/ m 2 độ)
6.2.3 Tính bề dày lớp cách nhiệt
Chọn vật liệu cách nhiệt cho tháp là bông thủy tinh, hệ số dẫn nhiệt là λ 2 =0,037(W/m.độ ) (Tra bảng I.126/128, [2])
Bề dày của lớp cách nhiệt là b 2
Bề dày thiết bị là b 1 =5(mm), bề dày lớp vỏ bảo vệ là b 3 =1(mm), làm bằng vật liệu thép không rỉ có λ 1 =λ 3 #,2(W /m 2 độ)
Lượng nhiệt truyền từ trong tháp do cấp nhiệt q=π × D T × α 1 × ( t tb −t 2 ) ¿ 3.14 ×3 × 5,738× (125−80 )$32,338 (W/m)
+ t w 1 ,t w 2 : nhiệt độ bên trong và bên ngoài thành thiết bị xem t w 1 t w 2 ℃ + t w 3 ,t w 4 : nhiệt độ bề trong và bề ngoài lớp vỏ bảo vệ xem t w 3 t w 4 X℃
+ D tb : Đường kính trung bình của thiết bị khi kể cả lớp cách nhiệt
Hệ số truyền nhiệt tổng quát từ lòng thiết bị ra môi trường xung quanh là: ¿ 1
6.2.4 Tính diện tích bề mặt xung quanh máy sấy
Diện tích về mặt trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với môi trường xung quanhChênh lệch nhiệt độ trung bình giữa môi trường trong thiết bị và môi
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh tính theo 1kg ẩm
(CT7.41/142, [10]) q mt = Q W mt = 14394,859 178,9 = 80,463 (KJ/kg)
Tính toán quá trình sấy thực tế
6.3.1 Sự khác biệt giữa quá trình sấy lý thuyết và sấy thực tế
Nhiệt lượng bổ sung thực tế
Giả sử nhiệt tổn thất ra môi trường là 10% tổng lượng nhiệt q m % × L× ( I 2 −I 0 ) % ×5068,24 × (218−67,67 ) ¿
Ta thấy ∆ < 0, tức là quá trình sấy bị mất nhiệt và cần bổ sung thêm nhiệt để đun nóng và bù đắp nhiệt mất do sản phẩm mang ra khỏi hệ thống Vì vậy, quá trình sấy thực tế sẽ khác với quá trình sấy lý thuyết, cụ thể là lượng nhiệt được cung cấp cho quá trình sấy thực tế lớn hơn so với lượng nhiệt tính toán trong mô hình lý thuyết.
6.3.2 Xác định các thông số của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực
Nhiệt dung riêng dẫn xuất của tác nhân sấy trước khi sấy
C dx ( d 1 )=C pk +C pa ×d 1 ¿ 1,006+1,842 ×0,0167=1,037(KJ/kgkkk)
Lượng ẩm chứa d 2 của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực
Enthanpy của không khí ẩm
I 2 =C pk ×t 2 + d 2 ×i 2 (CT 7.33/138 ,[10]) ¿ 1,006 ×80+ 0,049× 2647,36 ¿ 210,201 (kg/kgkkk) Độ ẩm tương đối φ 2 = ¿ 0,124,4 %
Lượng tác nhân sấy cần thiết cho quá trình sấy thực tế
Lượng tác nhân sấy thực tế
Thể tích riêng của không khí ẩm
Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy thực tế q=l ' × ( I 1 −I 0 )0,96 ×(218−67,67)F54,217 (KJ/kg ẩm)
Nhiệt lượng có ích i 2 %00+1,842 ×t 2 q 1 =i 2 −C n ×t vl 1 &47,36−4,18 ×30%21,96 (KJ/kg ẩm)
Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi q 2 =l ' ×C dx ( d 1) × ( t 2 −t 0 )0,96 ×1,037 ×(80−25) ¿ 1765,804 (KJ/kg ẩm)
Tổng nhiệt lượng có ích và nhiệt lượng tổn thất q ' =q 1 +q 2 +q v + q m ¿ 2521,96+1765,804+76,190852 + 331,844 ¿ 4695,799 (KJ/kg ẩm)
Về nguyên tắc, nhiệt lượng tiêu hao q bằng tổng nhiệt lượng có ích và nhiệt lượng tổn thất Đây phản ánh sự bảo toàn năng lượng trong quá trình diễn ra Tuy nhiên, do nhiều lý do trong quá trình tính toán, việc làm tròn số có thể gây ra sai số và khiến kết quả thực tế khác với lý thuyết.
- Sai số tương đối ε = ∆ qq
Sai số này là cho phép trong tính toán
Các thông số lựa chọn là hợp lý
Bảng 6.1 Tổng kết tính toán cân bằng nhiệt lượng
1 Lưu lượng tác nhân sấy
2 Nhiệt lượng tiêu hao riêng
3 Nhiệt lượng bổ sung thực tế
5 Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy
6 Tổn thất nhiệt do vật liệu
7 Tổn thất nhiệt ra môi trường
8 Tổng nhiệt lượng có ích và tổn thất
TÍNH CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ
Tính calorife cấp nhiệt
Calorife dung trong máy sấy có nhiều loại Ở đây, ta chọn loại calorife khí- hơi, thiết bị truyền nhiệt ống chum có cánh gân.
Hơi nước bão hòa ngưng tụ đi trong ống và không khí chuyển động bên ngoài ống.
Nhiệt độ không khí vào calorife bằng nhiệt độ môi trường t ' 2 =t 0 % ℃
Nhiệt độ không khí ra khỏi calorife bằng nhiệt độ không khí vào máy sấy t ' 2 =t 1 0 ℃
7.1.1 Chọn các kích thước truyền nhiệt
Chọn ống truyền nhiệt làm bằng đồng, có hệ số dẫn nhiệt λ85 (W/m.độ)
(Bang I.123/T125, [2]) Đường kính ngoài của ống: d ng =0,04 (m) Đường kính trong của ống: d tr =0,03( m)
Chiều dày của ống: δ = d ng −d tr = 0,04−0,03 =0,005(m)
Chiều cao của ống: H’=1,4 (m) Đường kính của gân: d g =1,4 × d ng =1,4 × 0,04=0,056
Bước ống thường thấy f 1 =(1,2 ÷ 1,5) D ng
Chiều cao của gân: h g = d g −d ng = 0,056−0,04 =0,008 ( m )
Số gân trên một ống: m g = l
Tổng chiều dài của gân: l g =m× δ ' =0,002×140=0,28 (m)
Tổng chiều dài không gân: l kg =l−l g =1,4−0,28=1,12 (m)
7.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt K
Chọn chất tải nhiệt đi trong ống là hơi nước bão hòa có áp suất là P = 14 bar
( Bảng I.250/T313, [2]) Nhiệt độ bão hòa tương ứng là t bh 4 ℃ Ẩn nhiệt ngưng tụ r = 1968.10 3 (J/kg)
Chọn nhiệt độ của hơi nước khi ra
Khí và hơi chuyển động cùng chiều
Hiệu suất calorife thường từ 0,75-0,85 Chọn η=0,85
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa khí và hơi
7.1.2.1 Tính hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa đến thành ống bên trong α = 2,04
A: Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng ngưng tụ
Chọn nhiệt độ tại thành ống truyền nhiệt là
Suy ra: Hệ số A = 199 (Tra bang T29, [3])
∆ t : Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ nước ngưng ( nhiệt độ bão hòa) và nhiệt độ phía mặt đường tiếp xúc với hơi ngưng tụ.
Thay các số liệu vào ta có: α 1 =2,04 ×199 × √ 173,58(W /m 4 1968 × 10 3 2 độ) 1,4 ×
Vậy nhiệt lượng riêng là: q 1 =α 1 × ∆ t173,58× 0,35c60,75 (W/ m 2 ¿
7.1.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt bên ngoài ống
Chọn tốc độ dòng khí qua calorife w kk =6 (m/s)
Không khí bên ngoài ống trong calorife có các thông số sau:
Nhiệt độ bằng nhiệt độ trung bình t = 25+170
Hệ số dẫn nhiệt độ: a=3,318 ×10 −5 ¿)
Hệ số dẫn nhiệt: λ=3,186 ×10 −2 (W/m.đô)) Độ nhớt động: υ!,8 ×10 −6 (m 2 /s)
Chuẩn số Nuselt ( Tính cho trường hợp dòng chảy ngang qua bao bên ngoài ống chum gân):
+ d ng : Đường kính ngoài ống , d ng =0,04 (m)
Chọn cách sắp xếp ống là thẳng hang, nên ta có: C=0,116
P r a 3,318 ×10 −5 =0,657 Thay vào công thức ta có:
+ F bm : bê măṭngoai toan bô )cua ông kê ca bê măṭgân tinh cho môṭđơn vi chiêu dai cua ông, m 2
+ F tr : bê măṭtrong cua ông tinh cho 1 đơn vi chiêu dai cua ông (m 2 ).
∑ r t : Tông nhiêṭtrơ cua tương va cac lơp căṇ bân.
Diêṇ tich bê măṭtrong cua 1 ông:
Diêṇ tich bên ngoai 1 ông:
Diêṇ tich phân co gân:
Diêṇ tich phân không gân:
Suy ra: Diêṇ tich bên ngoai cua 1 ông:
Tổng nhiệt trở của tường:
Thay số vào công thức trên ta có K = 33,907 (W/m 2 đô)) q 2 =K ×∆ t tb 3,907 ×193,65e63,379( W /m 2 ) Δ q= q
Vậy các thông số đã chọn là hợp lí
7.1.3 Tính toán các ống truyền nhiệt và calorifer
Diêṇ tich bê măṭtrung binh cua 1 ông:
Tông sô ông truyên nhiêṭtrong calorifer: n= F
Chon sô ông xêp theo hang dọc la 19 ông (n 1 = 15).
Chon sô ông xêp theo hang ngang la: n 2 = 285:15 = 19 ông
Khoang cach giưa cac ông: x = 0,05 (m)
+ L=1,4 (m): chiều cao ống truyền nhiệt.
+ H ch : chiều cao của lớp chắn, chọn H ch =0,15 (m)
Tính và chọn cyclon
Không khi vao xyclon chinh la không khi sau khi ra khoi may sây, co cac thông sô như sau: t = 80 0 C
Lưu lương không khi vao cyclon:
Gọi ∆ P cyclon là trở lực của cyclon thì:
Tốc độ quy ước: ω q = √ 2× ∆ P cyclon (m/s)(CT III 48/ T 522 ,[2]) ζ × ρ k
Với là hệ số phụ thuộc vào kiểu cyclon.
Chon loai cyclon của viện NIOGAS thi ξ0 suy ra ω q =3,85 Đương kinh cua cyclon:
Bảng 7.1: Các kích thước cơ bản của cyclon (Bảng III.3/T522, [2]) Đườn Chiều g kính cửa vào
Tính trở lực và chọn quạt
Trong hệ thống sấy, ta cần dùng quạt để tạo ra áp suất động nhằm đẩy không khí vào hệ thống và duy trì luồng khí liên tục Việc điều chỉnh áp suất và lưu lượng không khí giúp tối ưu quá trình sấy, tăng hiệu quả và rút ngắn thời gian xử lý Đồng thời cần khắc phục các trở lực trên đường ống bằng cách tối ưu thiết kế đường ống, sắp đặt quạt ở vị trí phù hợp và bảo trì định kỳ để đảm bảo lưu lượng và áp suất ổn định Nhờ đó, hệ thống sấy vận hành an toàn, tiết kiệm năng lượng và đạt hiệu suất cao.
- Quat hút đê hút không khi tư ngoài vào bộ lọc không khí sau đó đưa qua calorifer vao thung sây.
- Quat hut ơ cuôi hê )thông đê hut không khi thai vao cyclon loc bui.
Tính trở lực từ quạt đến calorifer
Chọn đường kính ống dẫn φ = 0,3 (m)
Khoảng cách từ quạt đến calorife l = 1,5 (m)
Khối lượng riêng của không khí vào calorife ρ 25°C = 1,185 (kg/m 3 ) Độ nhớt của không khí vào calorife υ = 15,53×10 -6 (m 2 /s)
Vận tốc không khí trong ống dẫn. ω= 4× L' ρ×π ×φ
Vì Re > 4.10 3 => đây là chế độ chảy xoáy (rối).
Chuyển động chảy xoáy chia làm 3 khu vực:
Khu vực nhẵn thủy lực học được đặc trưng bởi lớp màng chảy phủ kín gờ nhám của thành ống, do đó độ nhám không ảnh hưởng đến hệ số ma sát Nhờ hiện tượng này, dòng chảy trong khu vực nhẵn thủy lực học duy trì trạng thái ổn định và hệ số ma sát không phụ thuộc vào độ nhám bề mặt.
Trị số Reynolds giới hạn trên được xác định theo công thức sau:
Với ε =0,01 mm là độ nhám tuyệt đối.
Re gh 784984,815 Re 4.10 3 => đây là chế độ chảy xoáy (rối).
Giá trị hệ số ma sát được tính theo công thức: λ 3 =0,1 × ( 1,46× φ ε + 100 R e ) 0,25 (CT II 64 /T 380 , [2]) ¿ 0,1 × ( 1,46 × 0,001 300 + 329204,819 100 ) 0,25 =0,0198(W /m độ)
- Trở lực trong thiết bị sấy
Nhiệt độ trung bình của không khí trong máy sấy t tb =170+80
Khối lượng riêng của không khí vào calorife ρ 125°C = 0,888 (kg/m 3 ) Độ nhớt của không khí vào calorife υ = 23,06×10 -6 (m 2 /s)
Vận tốc không khí trong ống dẫn. ω=
- Trở lực đột thu đột mở vào ra thiết bị sấy
Tiết diện của tháp sấy:
Với tỷ lệ trên tra bảng và nội suy tá có: ζ =0,5
Xem trở lực đột thu bằng trở lực đột mở vậy tổng trở lực đột thu và đột mở được tính theo biểu thức sau:
Trở lực từ buồng sấy đến cyclon được xác định dựa trên các tham số của đường ống dẫn: đường kính d = 0,26 m và khoảng cách từ buồng sấy đến cyclon l = 4 m Tại 80 °C, khối lượng riêng của không khí ρ80°C ≈ 1 kg/m³ và độ nhớt động của không khí μ80°C ≈ 1,067 × 10^-5 Pa·s Vận tốc không khí trong ống dẫn được tính bằng công thức ω = 4 × L' × ρ × π × d², trong đó L' là chiều dài hiệu dụng của đoạn ống và ρ là khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ làm việc.
Hệ số ma sát λ 6 =0,1 × ( 1,46× φ + ¿ 0,1 × ( 1,46 × 0,01 300 + 357819,338 100 ) 0,25 =0,013 (W /m độ)
Hệ số trở lực qua xyclon được tính theo công thức sau:
+ ∑ ξ : là hệ số trở lực phụ thuộc vào kiểu xyclon; tra bảng ta có x = 100
+ r: là khối lượng riêng của không khíρ
- Trở lực đoạn ống từ cyclon đến quạt
Chọn đường kính ống dẫn: d=0.26(m)
Khoảng cách từ buồng sấy đến cyclon: l=2(m)
Khối lượng riêng của không khí ở 80 ℃ , ρ 80℃ =1 ( kg / m 3 ) Độ nhớt của không khí , υ 80℃ !,067 ×10 −6 ¿)
Vận tốc không khí trong ống dẫn. ω=
Vậy tổng trở lực là:
Tính và chọn quạt
Quạt đẩy đặt trước calorife
Lưu lượng không khí được đẩy vào
+ V là thể tích riêng của không khí ngoài trời (m 3 /kgkkk)
+ L’ là lượng tác nhân sấy thực tế (kgkkk/h) Áp suất làm việc toàn phần
+ H p : là trở lực của toàn hệ thống (N/ m 2 ¿
+ t 0 : Nhiệt độ làm việc lúc đầu của không khí, t o % ℃
+ B: Áp suất làm tại chỗ làm việc, B = 735,6 mmHg
+ ρ : Khối lượng riêng của không khí ở điều kiện làm việc, ρ=1,2 (kg/m 3 )
+ ρ k : Khối lượng riêng của khí ở điều kiện làm việc, ρ k =1,185
(kg/m 3 ) Thay số vào ta có:
Để chọn quạt phù hợp với hệ thống, ta xác định trước áp suất làm việc và lưu lượng không khí cần cấp vào quá trình, sau đó tham chiếu đồ thị đặc tuyến của quạt (T485 [2]) để đánh giá các lựa chọn Với các thông số này, ta chọn quạt II4-70 N 0 7 có hiệu suất khoảng 0,58, đảm bảo đáp ứng đúng lưu lượng và áp suất yêu cầu đồng thời tối ưu hóa hiệu quả năng lượng.
Công suất trên trục động cơ điện:
+ η q =0,63là hiệu suất của quạt
+ η tr =0,95 là hiệu suất truyền động qua bánh đai
Công suất thiết lập của động cơ điện:
+ K: hệ số dự trữ Với N > 5 ta chọn k = 1,15
Vậy công suất của động cơ mối quạt:
Quạt hút đặt sau cyclon
+ H p : là trở lực của toàn hệ thống (N/ m 2 ¿
+ t 0 : Nhiệt độ làm việc lúc đầu của không khí, t 2 ℃
+ B: Áp suất làm tại chỗ làm việc, B = 735,6 mmHg
+ ρ : Khối lượng riêng của không khí ở điều kiện làm việc, ρ=1,2 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của khí ở điều kiện làm việc được xác định là ρ_k = 0,986 kg/m^3 Dựa vào áp suất làm việc và lưu lượng không khí cần cho quạt, căn cứ đồ thị đặc tuyến của quạt (T 485 [1]), ta chọn quạt II4-70 N 0 7 với hiệu suất khoảng 0,58.
Công suất trên trục động cơ điện:
+ η q =0,63là hiệu suất của quạt
+ η tr =0,95 là hiệu suất truyền động qua bánh đai
Công suất thiết lập của động cơ điện:
+ K: hệ số dự trữ Với N > 5 ta chọn k 3 = 1,1 (Bảng II.48/464, [2])
Vậy công suất của động cơ mối quạt:
Tính và chọn bơm
Áp suất toàn phần do bơm tạo ra
+ P 2 , P 1: áp suất trên bề mặt chất lỏng trong không gian đẩy và hút (P 1 = 1 at, P2 = 50 at).
+ H 0: chiều cao nâng chất lỏng H 0 =6(m)
+ h m : áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và đẩy (h m
Thay vào công thức ta tính được H = 637,423 (N/m 2 )
Lưu lượng dịch quả chanh dây theo lý thuyết
Dựa vào năng suất ta chọn bơm pittông thẳng đứng, nhãn hiệu bơm M –
Công suất của bơm là:
+ η : Hiệu suất chung của bơm, η=0,85
+ ρ : Khối lượng riêng của chất lỏng, ρ0(kg/m 3 )
Với công suất bơm N = 1,046 (kW) để bơm làm việc an toàn cho hệ số dự trữ β=1,5
Vậy công suất động cơ