(Đồ án hcmute) tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa cấp nhiệt cho quá trình sấy bằng bơm nhiệt với năng suất 35kg ẩm ngưng mẻ

Nhờ sấy ở nhiệt độ thấp và áp suất chân không nên thực phẩm tránh được sự oxy hóa do không khí và nhiệt độ, tránh được những phản ứng do thủy giải, phản ứng nhiệt phân, protein và acid a

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẢM

S K L 0 0 9 9 8 6

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

35KG ẨM NGƯNG/MẺ

GVHD: TS NGUYỄN TẤN DŨNG SVTH: LÊ THỊ ANH THƯ

MSSV: 13116144

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lê Thị Anh Thư

- Phương pháp nghiên cứu tính toán và thiết kế

- Tiến hành tính toán và thiết kế hệ thống sấy thăng hoa

- Kết luận và kiến nghị

3 Ngày giao nhiệm vụ khóa luận: 20/01/2017

4 Ngày hoàn thành khóa luận: 20/07/2017

5 Họ và tên người hướng dẫn: TS Nguyễn Tấn Dũng

Phần hướng dẫn: toàn bộ khóa luận

Nội dung và yêu cầu khóa luận tốt nghiệp đã được thông qua bởi

i

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt bốn năm học tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, em đã được

sự dạy dỗ ân cần và giúp đỡ của các thầy cô giáo trong trường, đặc biệt là các thầy cô giáo trong khoa Công Nghệ Hóa – Thực Phẩm Em xin chân thành cảm ơn:

 Toàn thể giáo viên trong trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã dạy dỗ, giúp

đỡ em trong suốt quá trình học tập

 Toàn thể thầy cô giáo trong khoa Công Nghệ Hóa – Thực Phẩm đã cung cấp cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập

 Gia đình và bạn bè đã động viên, khích lệ em trong suốt thời gian học đại học

 Đặc biệt, em xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo: TS Nguyễn Tấn Dũng Thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình

Trong quá trình tính toán, thiết kế đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô để em có thêm những kiến thức

bổ ích làm hành trang bước vào đời

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đƣợc trình bày trong khóa luận tốt nghiệp là do chính tôi thực hiện Tôi xin cam đoan các nội dung đƣợc tham khảo trong khóa luận tốt nghiệp đã đƣợc trích dẫn chính xác và đầy đủ theo qui định

Ngày tháng năm 2017

Ký tên

iii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm

Bộ môn Công nghệ Thực phẩm

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU ĐÁNH GIÁ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

KHÓA 2017

(NGƯỜI HƯỚNG DẪN)

1 Tên khóa luận: Tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa cấp nhiệt cho quá trình sấy

bằng bơm nhiệt với năng suất 35kg ẩm ngưng/mẻ

2 Mã số khóa luận: 2017 - 13116144

3 Họ và tên sinh viên: Lê Thị Anh Thư

4 Mã số sinh viên: 13116144

5 Họ và tên người hướng dẫn: TS Nguyễn Tấn Dũng

6 Hình thức luận văn:

Tổng số trang:………; Số chương:……… ; Số bảng:………; Số hình:…… ……

Số tài liệu tham khảo:……… ; Phần mềm tính toán:………

Bộ cục:………

Hành văn:……….………

Sử dụng thuật ngữ chuyên môn:………

7 Những ưu điểm của khóa luận: Mục tiêu:……….……….……

Nội dung:……….……….……

Phương pháp:……… ………

Kết quả và biện luận:……….…… ……

Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và triển vọng của đề tài:……… … ……

8 Những thiếu sót của khóa luận:

iv

9 Đề nghị của người hướng dẫn

Được bảo vệ  Bổ sung thêm để được bảo vệ 

Không được bảo vệ  Bảo vệ vào đợt khác 

10 Đánh giá của người hướng dẫn:

Điểm đánh giá

Giá trị khoa học (khái niệm, phạm trù, cách tiếp cận , có

hay không có sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại)

25

Giá trị công nghệ (công nghệ, qui trình, sản, cách tiếp cận

…) hoặc cách thức lựa chọn và thiết kế, phương pháp tính

cân bằng vật chất

25

Khả năng ứng dụng (qui mô nhỏ, qui mô sản xuất ) 10

Khả năng chuyển giao công nghệ 5

Hình thức trình bày (đẹp, rõ ràng, tài liệu tham khảo đầy

Các dữ kiện nghiên cứu (độ tin cậy, cách xử lý số liệu ) 20

Ghi chú: Xếp loại (theo điểm trung bình cuối cùng): Xuất sắc: 95-100 điểm; Tốt: 85-94 điểm; Khá: 70-84

điểm; Đạt: 50-69 điểm; Không đạt: < 50 điểm

11.Ý kiến và kiến nghị khác:

Ngày tháng năm 2017

Người hướng dẫn

v

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm

Bộ môn Công nghệ Thực phẩm

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU ĐÁNH GIÁ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

KHÓA 2017

(NGƯỜI PHẢN BIỆN)

1 Tên khóa luận: Tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa cấp nhiệt cho quá trình sấy

bằng bơm nhiệt với năng suất 35kg ẩm ngưng/mẻ

2 Mã số khóa luận: 2017 - 13116144

3 Họ và tên sinh viên: Lê Thị Anh Thư

4 Mã số sinh viên: 13116144

5 Họ và tên người hướng dẫn: TS Nguyễn Tấn Dũng

6 Hình thức luận văn:

Tổng số trang:………; Số chương:……… ; Số bảng:………; Số hình:…… ……

Số tài liệu tham khảo:……… ; Phần mềm tính toán:………

Bộ cục:………

Hành văn:……….………

Sử dụng thuật ngữ chuyên môn:………

7 Những ưu điểm của khóa luận: Mục tiêu:……….……….……

Nội dung:……….……….……

Phương pháp:……… ………

Kết quả và biện luận:……….…… ……

Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và triển vọng của đề tài:……… … ……

8 Những thiếu sót của khóa luận:

vi

9 Đề nghị của người hướng dẫn

Được bảo vệ  Bổ sung thêm để được bảo vệ 

Không được bảo vệ  Bảo vệ vào đợt khác 

10 Đánh giá của người hướng dẫn:

Điểm đánh giá

Giá trị khoa học (khái niệm, phạm trù, cách tiếp cận , có

hay không có sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại)

25

Giá trị công nghệ (công nghệ, qui trình, sản, cách tiếp cận

…) hoặc cách thức lựa chọn và thiết kế, phương pháp tính

cân bằng vật chất

25

Khả năng ứng dụng (qui mô nhỏ, qui mô sản xuất ) 10

Khả năng chuyển giao công nghệ 5

Hình thức trình bày (đẹp, rõ ràng, tài liệu tham khảo đầy

Các dữ kiện nghiên cứu (độ tin cậy, cách xử lý số liệu ) 20

Ghi chú: Xếp loại (theo điểm trung bình cuối cùng): Xuất sắc: 95-100 điểm; Tốt: 85-94 điểm; Khá: 70-84

điểm; Đạt: 50-69 điểm; Không đạt: < 50 điểm

11.Ý kiến và kiến nghị khác:

Ngày tháng năm 2017

Người hướng dẫn

5 Đánh giá của thành viên hội đồng:

giá

1

Giá trị khoa học (khái niệm, phạm trù, cách tiếp cận , có

hay không có sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại) 25

Giá trị công nghệ (công nghệ, qui trình, sản, cách tiếp cận

…) hoặc cách thức lựa chọn và thiết kế, phương pháp tính

cân bằng vật chất

25

2

Khả năng ứng dụng (qui mô nhỏ, qui mô sản xuất ) 5

Khả năng chuyển giao công nghệ 5

3

Hình thức trình bày (đẹp, rõ ràng, tài liệu tham khảo đầy

Các dữ kiện nghiên cứu (độ tin cậy, cách xử lý số liệu ) 10

viii

4

Hình thức, bố cục (đẹp, rõ ràng, tài liệu tham khảo đầy

Khả năng trả lời các câu hỏi 10

Ghi chú: Xếp loại (theo điểm trung bình cuối cùng): Xuất sắc: 95-100 điểm; Tốt: 85-94 điểm; Khá: 70-84 điểm; Đạt:

50-69 điểm; Không đạt: < 50 điểm

10.Ý kiến và kiến nghị khác:

Ngày tháng năm 2017 Thành viên Hội đồng

ix

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ iii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ v

PHIẾU ĐÁNH GIÁ vii

MỤC LỤC ix

MỤC LỤC HÌNH xi

MỤC LỤC BẢNG xii

GIỚI THIỆU xiii

MỞ ĐẦU xiv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 GIỚI THIỆU VỀ SẤY THĂNG HOA 1

1.1.1 Khái niệm về sấy thăng hoa 1

1.1.2 Ưu nhược điểm của phương pháp sấy thăng hoa 1

1.1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ sấy thăng hoa trên thế giới 2

1.1.4 Tình hình nghiên cứu công nghệ sấy thăng hoa ở Việt Nam 2

1.2 QUÁ TRÌNH SẤY THĂNG HOA 3

1.2.1 Các giai đoạn sấy thăng hoa 3

1.2.2 Giai đoạn làm lạnh – đông lạnh 3

1.2.3 Giai đoạn thăng hoa 4

1.2.4 Giai đoạn làm bay hơi ẩm còn lại 4

1.3 BIẾN ĐỔI CỦA NGUYÊN LIỆU SAU KHI SẤY 5

1.4 ỨNG DỤNG CỦA SẤY THĂNG HOA 5

1.5 CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA 5

1.5.1 Cấu tạo buồng thăng hoa 5

1.5.2 Cấu tạo thiết bị ngưng tụ - đóng băng 6

1.5.3 Bơm chân không 7

1.6 HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA 8

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 10

2.1 PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN 10

2.2 PHƯƠNG PHÁP CHỌN KIỂU DÁNG THIẾT BỊ BUỒNG SẤY 11

2.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 12

2.3.1 Phương pháp tính toán vật chất 12

x

2.3.2 Phương pháp tính toán năng lượng 12

2.3.3 Phương pháp tính toán sức bền kết cấu thiết bị 12

2.4 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 14

2.5 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 14

2.5.1 Phương pháp thiết kế mạch điện động lực cho hệ thống sấy thăng hoa kết hợp bơm nhiệt 14

2.5.2 Phương pháp thiết kế mạch điện điều khiển cho hệ thống sấy thăng hoa kết hợp bơm nhiệt 15

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA 16

3.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA KẾT HỢP BƠM NHIỆT 16

3.1.1 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa cần nghiên cứu 16

3.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy thăng hoa cấp nhiệt cho quá trình sấy bằng thiết bị hồi nhiệt của bơm nhiệt 18

3.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH ĐÔNG SẢN PHẨM 19

3.2.1 Tính toán buồng lạnh đông 20

3.2.2 Tính toán phụ tải lạnh cho quá trình lạnh đông sản phẩm 24

3.2.3 Tính toán phụ tải lạnh của thiết bị hóa (hay ngưng tụ - đóng băng) hơi ẩm thăng hoa thoát ra từ sản phẩm sấy 39

3.2.4 Xây dựng sơ đồ nguyên lí làm việc cho hệ thống lạnh trong hệ thống sấy thăng hoa

46

3.2.5 Tính toán chọn máy nén lắp đặt phù hợp với năng suất lạnh 46

3.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA HỆ THỐNG LẠNH ĐÔNG SẢN PHẨM 51

3.3.1 Tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ 51

3.3.2 Tính toán, thiết kế thiết bị bay hơi 66

3.3.3 Tính toán thiết kế bình trung gian 71

3.3.4 Tính toán chọn van tiết lưu 75

3.3.5 Tính toán chọn đường ống 77

3.4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA 79

3.4.1 Tính toán thiết kế buồng thăng hoa 79

3.4.2 Tính toán thiết kế thiết bị hóa đá (hay thiết bị ngưng tụ - đóng băng) 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97

KẾT LUẬN 97

KIẾN NGHỊ 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

DANH MỤC BẢN VẼ 99

xi

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Đồ thị biểu hiện quá trình sấy thăng hoa 3

Hình 1.2.Cấu tạo buồng thăng hoa của hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông 6

Hình 1.3.Cấu tạo thiết bị ngưng tụ - đóng băng 7

Hình 1.4 Bơm chân không 8

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa 8

Hình 2.1 Sơ đồ logic tiếp cận hệ thống của đối tượng công nghệ cần nghiên cứu 10

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy thăng hoa cấp nhiệt cho quá trình sấy bằng thiết bị hồi nhiệt của bơm nhiệt 17

Hình 3.2 Kết cấu buồng sấy thăng hoa 22

Hình 3.3 Hai nắp chỏm cầu của bồn lạnh đông 31

Hình 3.4 Cấu tạo lớp vỏ ba lớp của buồng lạnh đông 32

Hình 3.5 Chu trình lạnh hai cấp nén, bình trung gian có ống xoắn, làm mát hoàn toàn, có hai lần tiết lưu 34

Hình 3.6 Đồ thị P – h của R404a 37

Hình 3.7 Đồ thị nhiệt động chu trình lạnh hai cấp nén 38

Hình 3.8 Phân tích quá trình quá tuyết trên giản đồ ba pha của nước 41

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy thăng hoa cấp nhiệt cho quá trình sấy bằng thiết bị hồi nhiệt của bơm nhiệt 46

Hình 3.10 Sơ đồ chi tiết thiết bị hồi nhiệt của bơm nhiệt 55

xii

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 3.1 Các thông số trạng thái của chu trình hệ thống lạnh cần thiết kế, chế tạo

36

Bảng 3.2 Kết quả tính toán kích thước buồng sấy 93

Bảng 3.3 Kết quả tính toán tấm truyền nhiệt 93

Bảng 3.4 Kết quả tính toán chọn máy nén ở hệ thống lạnh cấp đông 93

Bảng 3.5 Kết quả tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt 94

Bảng 3.6 Kết quả tính toán thiết kế bình trung gian 94

Bảng 3.7 Kết quả tính toán chọn van tiết lưu 95

Bảng 3.8 Kết quả tính toán chọn đường ống 95

Bảng 3.9 Kết quả tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ - đóng băng 95

xiii

GIỚI THIỆU

Từ xa xưa trong lao động và sản xuất con người đã biết đến phương thức phơi khô

để bảo quản và chế biến những gì con người trồng cấy và đánh bắt được Phơi khô chỉ là sử dụng ánh sáng mặt trời để làm giảm lượng nước trong thưc phẩm Nhưng trong thời đại tiên tiến hiện nay, có rất nhiều phương pháp để bảo quản thực phẩm mà phương pháp gần giống với phương pháp phơi khô đó là sấy Sấy sử dụng nhiều máy móc hiện đại, công suất lớn, không phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường

Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi hơi nước ra khỏi vật liệu Dưới thời đại công nghiệp hiện nay, sấy được xem là một quá trình công nghệ ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành công, nông nghiệp với mục đích như bảo quản tốt vật liệu, để giảm năng lượng tiêu tốn trong quá trình vận chuyển vật liệu, hay là để đảm bảo các thông số kỹ thuật cho các quá trình chế biến tiếp theo

Việc tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu là cả một quá trình công nghệ được tính toán một cách tỉ mỉ nhằm đem lại sản phẩm đạt chất lượng cao sau khi sấy Đồng thời là quá trình tiêu tốn năng lượng và chi phí vận hành thấp

Tùy vào từng kiểu vật liệu mà ta có những cách sấy khác nhau, chính vì thế nên nảy sinh nhiều kỹ thuật sấy ra đời như: hệ thống sấy thùng quay, hệ thống sấy tiếp xúc, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy tầng sôi Bên cạnh các kỹ thuật sấy này thì kỹ thuật sấy thăng hoa là một bước tiến mới trong nền công nghiệp sấy của nhân loại, nó giúp con người có những cách bảo quản sản phẩm có tính ưu việt nhất định trong chi phí và thời hạn bảo quản thực phẩm được lâu, bảo tồn được nguyên vẹn cấu trúc, màu sắc và hình dạng sản phẩm Một yếu tố quan trọng bậc nhất trong kỹ thuật sấy thăng hoa làm không làm tổn thương đến các dưỡng chất dễ bị hư hỏng như vitamin, protein, hoạt tính của enzyme, sắc tố

Kỹ thuật sấy thăng hoa có những tính ưu việt trên nhưng ở Việt Nam kỹ thuật sấy thăng hoa ứng dụng trong ngành công nghệ chế biến thực phẩm vẫn còn rất ít Đối với các

kĩ sư ngành công nghệ thực phẩm như chúng em, quá trình sấy là rất quan trọng, là một trong những quá trình cơ bản trong chế biến vì thế nên việc tìm hiểu và ứng dụng về kỹ thuật sấy thăng hoa là rất cần thiết

2 MỤC TIÊU CỦA NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu, tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa cấp nhiệt cho quá trình sấy bằng bơm nhiệt với năng suất 35kg ẩm ngưng/mẻ dựa trên phương pháp lý thuyết

Khẳng định tính ưu việt của phương pháp sấy thăng hoa, là một trong những phương pháp sấy hiện đại nhất và sử dụng được cho các loại nguyên liệu

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Khi tính toán thiết kế hệ thống sấy thăng hoa thì dùng phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

xv

- Sử dụng các công cụ toán hoc, đồ họa để hỗ trợ cho việc tính toán và lựa chọn thiết bị phù hợp

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỒ ÁN

- Tổng quan về phương pháp sấy thăng hoa

- Phương pháp nghiên cứu và tính toán thiết bị

- Tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa

1

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU VỀ SẤY THĂNG HOA

1.1.1 Khái niệm về sấy thăng hoa

Khi tách nước ra khỏi thực phẩm nhờ sự chuyển pha trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất chân không, nhiệt độ và áp suất này phải nhỏ hơn nhiệt độ và áp suất của trạng thái ba thể (0,00890C, 4,58mmHg), quá trình này gọi

là quá trình sấy thăng hoa Nhờ sấy ở nhiệt độ thấp và áp suất chân không nên thực phẩm tránh được sự oxy hóa do không khí và nhiệt độ, tránh được những phản ứng do thủy giải, phản ứng nhiệt phân, protein và acid amin không thay thế, vitamin không bị phá hủy Do

đó, cấu trúc phân tử của sản phẩm hầu như được bảo toàn, sản phẩm có độ xốp tính chất lưu biến rất tốt, màu sắc, mùi vị, hình dáng và các chất có hoạt tính sinh học giữ được ở mức độ cao nhất so với các phương pháp khác Sản phẩm có độ xốp cao nên có tính chất hoàn nguyên khi cho sản phẩm vào nước, (Nguyễn Tấn Dũng, 2006-2008)[4]

1.1.2 Ưu nhược điểm của phương pháp sấy thăng hoa

1.1.2.1 Ưu điểm

Quá trình dịch chuyển ẩm trong sấy thăng hoa khác với các hệ thống sấy khác Khi thăng hoa các phân tử nước không va chạm nhau, nhờ đó mà sấy thăng hoa có một ưu điểm rất lớn là bảo toàn được chất lượng sinh học của sản phẩm sấy [2, 4]

Giữ được mùi thơm, hương vị, các vitamin và protein [4]

Giữ được hình dạng, cấu trúc và màu sắc ban đầu của sản phẩm [4]

Một yếu tố nổi bật khác trong sấy thăng hoa là cấu trúc cứng rắn tạo ra trong quá trình lạnh đông, ngăn cản sự biến dạng cấu trúc sau khi sấy Đây cũng là lý do giải thích sản phẩm sấy thăng hoa có đặc tính hút nước trở lại nhanh hơn so với sản phẩm sấy thông thường [2, 4]

Thực phẩm sau khi sấy xong bao gói kín bảo quản ở nhiệt độ thường trong một thời gian dài mà không gây hư hỏng Giảm tối thiểu chi phí bảo quản [4]

Hàm lượng nước còn lại trong sản phẩm rất thấp, chỉ khoảng từ 4 ÷ 8% có khi chỉ khoảng từ 2 ÷ 4%, thực phẩm rất khô [2]

2

1.1.2.2 Nhược điểm

Nhược điểm lớn nhất của hệ thống sấy thăng hoa là chi phí sấy của sản phẩm cao,

hệ thống phức tạp, giá thành thiết bị cao, cồng kềnh, vận hành phức tạp do đó đòi hỏi công nhân có trình độ chuyên môn cao [2, 4]

1.1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ sấy thăng hoa trên thế giới

Lịch sử công nghệ sấy thăng hoa luôn gắn liền với lịch sử phát triển của ngành công nghệ nhiệt – lạnh và ngành vật lý chân không Chính vì vậy, tuy đã phát hiện về hiện tượng thăng hoa rất sớm nhưng chưa có một cơ sở lý thuyết khoa học thăng hoa nào ra đời trong suốt khoảng thời gian dài [2]

Năm 1921, Kỹ sư người Nga đã phát minh ra cách làm khô sản phẩm bằng cách hạ thấp nhiệt độ sản phẩm xuống làm ẩm trong thực phẩm đóng băng sau đó tạo độ chân không cho môi trường chứa sản phẩm để cho ẩm đóng băng thăng hoa từ thể rắn sang thể hơi Tuy nhiên công nghệ sấy thăng hoa chưa đựơc phát triển mới chỉ hình thành lên cơ sở

lý thuyết khoa học [4]

Năm 1950-1960, các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công hệ thống máy sấy thăng hoa hoàn chỉnh, sau đó là các nước Nga, Pháp, Anh,… cũng đã chế tạo thành công

hệ thống sấy thăng hoa với nhiều dạng khác nhau [2]

Năm 1980, các nhà cơ khí chế tạo của Đức đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống máy sấy thăng hoa công nghiệp hiện đại bậc nhất thế giới với hệ điều khiển thông minh [4]

Năm 1984, các nhà khoa học Nhật Bản đi tu nghiệp ở Mỹ về họ đã thiết kế chế tạo thành công hệ thống máy sấy thăng hoa công nghiệp tự động điều khiển theo chương trình được lập trình sẵn trên máy tính [1]

Cho đến nay, công nghệ sấy thăng hoa đã phát triển tương đối hoàn thiện và nhiều quốc gia trên thế giới chế tạo thành công do chuyền giao và mua công nghệ của các nước

có nền công nghiệp tiên tiến [4]

1.1.4 Tình hình nghiên cứu công nghệ sấy thăng hoa ở Việt Nam

Ở Việt Nam, khi Mỹ đến Việt Nam họ đã mang theo công nghệ này vào với mục đích phục vụ chiến tranh Sau ngày đất nước thống nhất công nghệ này không còn được tiếp tục nghiên cứu và phát triển [2]

3

Hiện nay, công nghệ sấy thăng hoa này đã được nhiều nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu và phát triển, bởi vì hướng ứng dụng của công nghệ này không chỉ trong các ngành công nghệ sinh học, y dược mà cả ngành công nghệ chế biến thực phẩm [1]

1.2 QUÁ TRÌNH SẤY THĂNG HOA

1.2.1 Các giai đoạn sấy thăng hoa

Khi phân tích quá trình làm việc công nghệ sấy thăng hoa thì có thể phân tích quá trình công nghệ này làm ba giai đoạn [2]:

- Giai đoạn 1: là giai đoạn cấp đông sản phẩm, để chuyển toàn bộ ẩm trong thực phẩm từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn

- Giai đoạn 2: là giai đoạn thăng hoa, ẩm trong thực phẩm từ trạng thái rắn thăng hoa sang trạng thái hơi không thông qua trạng thái lỏng

- Giai đoạn 3: là giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại chưa thăng hoa hết hoặc không đóng băng trong giai đoạn lạnh đông cho đến khi thực phẩm khô có độ ẩm đạt yêu cầu

Hình 1.1 Đồ thị biểu hiện quá trình sấy thăng hoa

1.2.2 Giai đoạn làm lạnh – đông lạnh

Trong giai đoạn này vật liệu sấy được làm lạnh từ nhiệt độ môi trường khoảng (20÷25)0C xuống nhiệt độ (-45 ÷ -40)0C Ở nhiệt độ này hầu như nước trong thực phẩm đóng băng gần như hoàn toàn, cần chú ý ứng mỗi loại thực phẩm khác nhau sẽ có nhiệt độ lạnh đông khác nhau, nhưng phải đảm bảo cho sự đông kết của nước bên trong phải đạt (85

÷ 92)% Ở giai đoạn này lượng ẩm thoát ra rất ít chủ yếu là sự bay hơi và thăng hoa nước

4

trên bề mặt thực phẩm, sự thoát ẩm này là do sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí không gian sấy và lớp không khí sát bề mặt thực phẩm,ngoài ra do chênh lệch nhiệt độ thực phẩm lạnh đông với nhiệt độ môi trường lạnh đông đây cũng là nguyên nhân làm bay hơi ẩm để có xu hướng đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt Lượng ẩm thoát ra ở giai đoạn này khoảng (4 ÷ 10)% Tuy nhiên, nếu giai đoạn này vừa cấp lạnh đông vừa hút chân không cho buồng sấy thăng hoa do sự chênh lệch áp suất riêng phần hơi nước ở thực phẩm và môi trường sấy lớn hơn dẫn đến lượng ẩm thoát ra nhiều hơn khoảng (10 ÷ 15) % [2, 4]

Có 2 cách làm lạnh đông vật liệu sấy: Cách thứ nhất sử dụng thiết bị lạnh đông thông thường hoặc nitơ lỏng để làm lạnh đông sản phẩm bên ngoài buồng sấy thăng hoa Cách thứ hai là vật liệu sấy tự lạnh đông ngay trong buồng sấy thăng hoa khi buồng sấy được hút chân không [2,4]

Trong giai đoạn này sản phẩm cần được làm lạnh đông rất nhanh để hình thành các tinh thể băng nhỏ ít gây hư hại đến cấu trúc tế bào của sản phẩm Đối với sản phẩm dạng lỏng, phương pháp làm lạnh đông chậm được sử dụng để băng tạo thành từng lớp, các lớp này tạo nên các kênh giúp cho hơi nước dịch chuyển dễ dàng [2, 4]

1.2.3 Giai đoạn thăng hoa

Sau khi sản phẩm đạt tới nhiệt độ cấp đông, ngừng cấp đông cho thực phẩm và kết thúc giai đoạn cấp đông, lúc này bơm chân không bắt đầu làm việc áp suất buồng sấy hạ rất nhanh tạo môi trường sấy là môi trường chân không Giai đoạn này nước trong thực phẩm lạnh đông bắt đầu thăng hoa mãnh liệt Ở cuối giai đoạn này nhiệt độ thực phẩm sấy thăng hoa tăng đến 00

C [4]

1.2.4 Giai đoạn làm bay hơi ẩm còn lại

Chỉ thực hiện khi kết thúc giai đoạn sấy thăng hoa mà độ ẩm sản phẩm chưa đạt yêu cầu

Sau giai đoạn thăng hoa do trạng thái của nước trong vật liệu nằm trên 3 điểm thể nên ẩm trên vật liệu trở về dạng lỏng Vì khi đó áp suất trong bình thăng hoa vẫn được duy trì bé hơn áp suất khí trời nhờ bơm chân không và vật liệu sấy vẫn tiếp tục được gia nhiệt nên ẩm vẫn không ngừng biến đổi từ dạng lỏng sang dạng hơi và đi vào không gian bình thăng hoa Như vậy giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại chính là quá trình sấy chân không bình thường [4]

5

1.3 BIẾN ĐỔI CỦA NGUYÊN LIỆU SAU KHI SẤY

Sản phẩm sấy thăng hoa có thời hạn sử dụng rất lâu trong điều kiện bao gói phù hợp và có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng Bởi vì hoạt độ nước trong sản phẩm thường rất thấp (dưới 0,3) Với hoạt độ của nước thấp như vậy, các enzyme và vi sinh vật gần như

bị ức chế hoàn toàn Thời gian bảo quản của một số sản phẩm sấy thăng hoa đã được báo cáo có thời hạn sử dụng lên đến 50 năm Các sản phẩm cuối cùng giữ lại 98% chất dinh dưỡng và cân nặng ít hơn nhiều so với trước khi sấy [11]

Thực phẩm sấy thăng hoa gần như giữ lại được các đặc tính của nguyên liệu ban đầu đồng thời sự tổn thất về mặt chất lượng thường ở mức thấp nhất Sản phẩm chẳng những giữ lại tối đa các đặc tính về chất lượng mà các hợp chất có hoạt tính sinh học cũng được bảo vệ một cách tốt nhất [11]

1.4 ỨNG DỤNG CỦA SẤY THĂNG HOA

Sấy thăng hoa là sấy ở nhiệt độ thấp thấp hơn điểm ba thể vì vậy nó rất cần thiết cho các ngành như: Y học dùng để sản xuất vắc xin và dùng đẻ sản xuất máu khô, công nghệ sinh học, công nghệ enzyme, công nghệ tế bào và gen, công nghệ bảo quản và đặc biệt hướng tương lai sẽ áp dụng trong ngành công nghệ thực phẩm [4]

1.5 CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA

Thông thường một hệ thống sấy thăng hoa nhất thiết phải có các thiết bị cơ bản sau đây [4]:

 Buồng sấy thăng hoa

 Thiết bị ngưng tụ - đóng băng hay còn gọi thiết bị hóa đá

 Hệ bơm chân không

Ngoài các thiết bị cơ bản trên, hệ thống sấy thăng hoa phải có các hệ thống thiết bị bắt buộc đi kèm theo đó là một hệ thống lạnh cấp lạnh cho thiết bị ngưng tụ - đóng băng và một hệ thống lạnh đông thực phẩm sấy

1.5.1 Cấu tạo buồng thăng hoa

Tùy theo từng loại hệ thống sấy thăng hoa, như hệ thống thăng hoa lạnh đông riêng thực phẩm sấy, hệ thống sấy thăng hoa có giai đoạn lạnh đông thực phẩm sấy ngay trong buồng thăng hoa, hệ thống thăng hoa liên tục và tùy theo yêu cầu thiết kế chế tạo mà cấu tạo buồng thăng hoa có những cấu tạo khác nhau, nói chung rất đa dạng và phong phú Tuy nhiên dù thiết kế, chế tạo phương pháp nào đi nữa thì buồng thăng hoa phải đạt những tiêu chuẩn kỹ thuật sấy sau đây [4]:

6

 Buồng thăng hoa phải kín tuyệt đối khi hút chân không

 Không gian đặt thực phẩm sấy phải có mật độ sản phẩm sấy là lớn nhất và cường độ bay hơi lớn nhất

 Khả năng truyền nhiệt trong quá trình sấy thăng hoa và sấy nhiệt trong môi trường chân không là lớn nhất

 Sử dụng phương pháp truyền nhiệt phải đạt hiệu quả nhất

Hình 1.2 Cấu tạo buồng thăng hoa của hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông

1.5.2 Cấu tạo thiết bị ngưng tụ - đóng băng

Thông thường trong hệ thống sấy thăng hoa, cấu tạo thiết bị ngưng tụ - đóng băng thường được cấu tạo hai dạng cơ bản:

 Thiết bị ngưng tụ - đóng băng không có bộ phận cào – nạo tuyết

 Thiết bị ngưng tụ - đóng băng có bộ phận cào – nạo tuyết

Vai trò của thiết bị ngưng tụ - đóng băng trong hệ thống sấy thăng hoa rất quan trọng, hơi ẩm bốc ra từ sản phẩm được làm lạnh để hóa tuyết trước khi bơm chân không hút ra ngoài nó đảm bảo bơm chân không làm việc ổn định, không gây va đập thủy lực dẫn đến làm bơm hư hỏng Ngoài ra làm nhiệt độ bơm chân không ổn định, cường độ bay hơi trong quá trình sấy tăng ổn định, bởi vì nhiệt độ thiết bị ngưng tụ - đóng băng ổn định [4]

Cấu tạo thiết bị ngưng tụ - đóng băng không có bộ phận cào – nạo tuyết thông thường có hai loại, loại thứ nhất được cấu tạo các ống trao đổi nhiệt dạng ống chùm, xếp song song nhau và môi chất lạnh đi trong ống còn hơi ẩm đi ngoài ống như vậy hơi nước sẽ hóa tuyết bám trên bề mặt ngoài của ống trao đổi nhiệt, loại thứ hai được cấu tạo các ống

7

trao đổi nhiệt vòng xoắn ốc và thường có từ 2 đến 4 vòng xoắn lồng vào nhau, tuy theo công suất của hệ thống sấy thăng hoa mà số vòng xoắn lồng vào nhau sẽ được tính toán và

bố trí phù hợp với diện tích trao đổi nhiệt trong quá trình hóa tuyết [4]

Hình 1.3 Cấu tạo thiết bị ngưng tụ - đóng băng

1.5.3 Bơm chân không

Vấn đề tạo môi trường chân không trong quá trình sấy thăng hoa là rất quan trọng, bởi vì cường độ bay hơi ẩm phụ thuộc chủ yếu vào độ chênh lệch áp suất riêng phần hơi

ẩm và hơi ẩm trên bề mặt của thực phẩm sấy

Yêu cầu về độ chân không của môi trường sấy có hai yêu cầu cơ bản sau đây [4]:

 Áp suất chân không của môi trường sấy phải nhỏ hơn áp suất điểm ba thể tức là

áp suất môi trường sấy nhỏ hơn 4,58 mmHg, nhưng để rút ngắn thời gian thăng hoa, rút ngắn thời gian sấy thì phải tăng cường độ bay hơi

 Thời gian hút khí trong môi trường sấy từ áp suất khí quyển đến áp suất chân không (0,01 ÷1) mmHg phải đủ nhỏ, đây là yêu cầu rất quan trọng trong công nghệ sấy thăng hoa, bởi vì nó giữ cho nhiệt độ sản phẩm không bị giao động tăng lên trong thời gian tạo ra môi trường chân không, thông thường thời gian này phải nằm trong khoảng từ 30 giây đến 2,5 phút

8

Hình 1.4 Bơm chân không

1.6 HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa

1-Buồng thăng hoa; 2-van; 3-Xyfon; 4-Bể chứa nước nóng; 5-thiết bị ngưng tụ - đóng băng; 6-Bình tách lỏng; 7-Giàn ngưng tụ; 8-Bình chứa cao áp; 9-Bình nén lạnh, 10-Bơm chân không; 11,12,13-Động cơ điện; 14-Bơm nước; 15-Phin lọc; 16-Tấm gia nhiệt; 17- Chân không kế; 18-Van điều chỉnh; 19-Khay chứa thực phẩm sấy; 20-Tấm gia nhiệt dưới; 21-Bộ điều chỉnh nhiệt; 22-Cụm van điện từ,van tiết lưu và phin lọc

Trong hệ sấy này, vật liệu sấy được làm lạnh đến một nhiệt độ thích hợp trong các kho lạnh sâu, thường là từ -10 ÷ -400C, rồi được đưa vào buồng thăng hoa (1) Buồng thăng hoa một mặt được nối với bơm chân không (10) qua bình ngưng tụ - đóng băng (5) Bình ngưng tụ - đóng băng (5) được làm lạnh bởi một máy lạnh amoniac gồm máy nén (9),

9

giàn ngưng (7), bình tách lỏng (6) và bình chứa amoniac (8) Nhờ bình ngưng tụ - đóng băng (5) mà ẩm thoát ra từ vật liệu sấy được tách ra dưới dạng băng để máy hút chân không (10) làm việc với không khí khô Điều đó không những tạo cho bơm chân không làm việc nhẹ nhàng mà theo tính toán trong thực tế thì chi phí điện năng cho cả hệ thống sẽ giảm Mặt khác buồng thăng hoa (1) được nối với một hệ thống cung cấp nước nóng từ bình chứa (4) làm nguồn gia nhiệt cho vật liệu sấy [1]

Kết luận: Ở chương 1 cho thấy được tình hình phát triển của công nghệ sấy thăng hoa ở

trong nước và ngoài nước, bên cạnh đó chúng ta biết được ưu điểm và nhược điểm cũng như ứng dụng của công nghệ này Đặc biệt là trong những năm lại đây công nghệ sấy thăng hoa được ứng dụng rộng rãi vào ngành công nghệ thực phẩm vì thế việc tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống sấy thăng hoa mới và cải tiến hơn là điều rất là cần thiết

10

CHƯƠNG 2

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

2.1 PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN

Hình 2.1 Sơ đồ logic tiếp cận hệ thống của đối tượng công nghệ cần nghiên cứu

Phương pháp phân tích và tiếp cận hệ thống là một phương pháp luận dùng để nghiên cứu, tác động lên đối tượng công nghệ cần xem xét với một cách nhìn toàn diện,

11

nhằm giải quyết các vấn đề đặt ra trên cơ sở xem đối tượng công nghệ đó là một hệ thống

Hệ thống có thể được phân hoạch hoặc tích hợp, thực thể nhận được từ sự phân hoạch hay tích hợp cũng được xem là một hệ thống Quá trình nghiên cứu đối tượng công nghệ sẽ được tiến hành thực hiện hàng loạt các tác vụ cần thiết, nhằm giải quyết các mục tiêu đặt ra

và trong suốt quá trình nghiên cứu mọi vấn đề công nghệ cần được giải quyết và thực hiện

theo một sơ đồ logic chặt chẽ được mô tả ở hình 2.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống đóng

vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu tìm kiếm công nghệ thích hợp, tìm kiếm các thông

số công nghệ, các tham số động học cần thiết cho tính toán thiết kế, chế tạo và ứng dụng vào sản xuất thực tế [2]

Qua việc tổng hợp, phân tích các kết quả nghiên cứu ở Chương 1 đã cho thấy, khả

năng ứng dụng sấy thăng hoa trong bảo quản các sản phẩm cao cấp sẽ làm tăng thêm giá trị của sản phẩm Việc tối ưu hóa quá trình sấy thăng hoa nhằm mục đích tiết kiệm mặt năng lượng, giảm chi phí giá thành cho sản phẩm Tuy nhiên, vẫn chưa tiết kiệm tối đa về mặt năng lượng, vì chưa nghiên cứu sử dụng bơm nhiệt, cấp nhiệt cho quá trình sấy tiết kiệm được năng lượng thải ra ở thiết bị ngưng tụ môi chất lạnh của hệ thống lạnh chạy cho buồng hóa đá (buồng ngưng tụ đóng băng) [2]

Để giải quyết vấn đề đó, dự án sản xuất thử nghiệm đã thực hiện nhiệm vụ, nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa kết hợp bơm nhiệt, nhằm mục đích tạo ra sản phẩm công nghệ cao, tiết kiệm được năng lượng, giảm giá thành sản phẩm, tăng khả năng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất [2]

2.2 PHƯƠNG PHÁP CHỌN KIỂU DÁNG THIẾT BỊ BUỒNG SẤY

 Trong hệ thống sấy thăng hoa thì buồng sấy là một trong những thiết bị quan trọng nhất Do môi trường sấy là môi trường chân không gần như tuyệt đối, vì thế buồng sấy luôn phải chịu áp lực tối thiểu phải là 1kg/cm2 và chúng được xếp vào là loại thiết bị chịu áp lực Do vậy, tính toán thiết kế chọn kiểu dáng buồng sấy là dạng hình trụ, có khả năng chịu áp lực cao, an toàn cho việc vận hành hệ thống sấy [2]

 Chọn kiểu dáng thiết bị với nguyên tắc: đối với thiết bị chân không việc làm kín

là quan trọng nhất, còn với diện tích sấy ta có thể khắc phục dễ dàng bằng cách tăng đường kính và chiều dài thiết bị [2]

 Chọn kiểu dáng cửa trên nguyên tắc cửa phải làm kín tốt, cửa tháo lắp nhanh, vận hành đơn giản [2]

 Năng suất của thiết bị: là bao nhiêu kg ẩm bốc ra và ngưng tụ lại trong một mẻ,

có nghĩa (kg nước ngưng/mẻ)

 Thời gian sấy trong một mẻ

 Độ ẩm ban đầu của nguyên liệu đưa vào sấy

 Độ ẩm sản phẩm đạt yêu cầu

2.3.2 Phương pháp tính toán năng lượng

Phương pháp tính toán nhiệt: để thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra, đề tài đã lựa chọn phương pháp nghiên cứu giữa thực nghiệm và lý thuyết:

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: để xác lập chế độ công nghệ sấy tối ưu cho sản phẩm đại diện là sữa ong chúa, nhằm tìm kiếm các thông số công nghệ, các tham

số kỹ thuật cần thiết cho tính toán thiết kế, cũng như dựa trên những kinh nghiệm thực tế được kế thừa từ những kết quả nghiên cứu, sản phẩm đã có từ trước

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: ứng các thông số công nghệ, cũng như các tham số kỹ thuật vừa tìm được, đồng thời áp dụng các định luật, các phương trình cân bằng năng lượng, kết hợp với tính toán cân bằng vật chất ở mục 2.1.1 của hệ thống sấy để tính toán thiết kế hệ thống sấy

2.3.3 Phương pháp tính toán sức bền kết cấu thiết bị

Tính toán sức bền kết cấu thiết bị: kích thước, vỏ thiết bị, bulong giá kẹp sử dụng các công thức dưới đây:

Công thức & số liệu Tên công thức Tài liệu tham khảo

của vật liệu

Hồ Lê Viên, Tính toán, thiết

kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, NXB KHKT 2006

13

kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, NXB KHKT 2006

Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất, tập 2 NXB KHKT 2006

Hồ Lê Viên, Tính toán, thiết

kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, NXB KHKT 2006

Hồ Lê Viên, Tính toán, thiết

kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, NXB KHKT 2006

Hồ Lê Viên, Tính toán, thiết

kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, NXB KHKT 2006

0, 95

Viên, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, NXB KHKT 2006

2.[ ] .(

[ ]

(

) )

a

a

S p

D S

c c

Công thức 5.11, trang 97-

Hồ Lê Viên, Tính toán, thiết

kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, NXB

W =

2

b.h

6

Momen chống uốn Thái Thế Hùng – chủ biên -

Tuyển tập các bài toán giải sẵn môn sức bền vật liệu NXB KHKT, 2006

Hà Văn Vui & Nguyễn chỉ Sáng – sổ tay thiết kế cơ khí – tập 2

2.4 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

Từ các số liệu đã được tính toán ở mục 2.3 và kiểu dáng thiết bị đã lựa chọn ở mục

2.1, nhóm nghiên cứu đã tiến hành xây dựng các bản vẽ thiết kế chi tiết để chế tạo các thiết

bị trong hệ thống sấy thăng hoa, các bản vẽ lắp, …v.v với sự hỗ trợ phần mềm Autocad

2007

2.5 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

2.5.1 Phương pháp thiết kế mạch điện động lực cho hệ thống sấy thăng hoa kết hợp bơm nhiệt

Sử dụng phương pháp tiếp cận kỹ thuật hệ thống để phân tích đối tượng công nghệ, xác định các yêu cầu cần thiết của hệ thống sấy thăng hoa kết hợp với bơm nhiệt (N.T.P.Hà, 2002; N.T Dũng, 2007)

Sử dụng phương pháp đại số Boole: Khi xây dựng mạch điện của hệ thống tự động điều khiển cần phải sử dụng các toán tử (các phần tử logic), toán hạn (phép tính của đại số Boole), định luật De Morgan và các phép biến đổi của đại số boole, v.v để thành lập một hàm logic, hàm logic này được gọi là hàm điều khiển của mạch điện, trong đó trạng thái các tiếp điểm được biểu diễn dưới dạng hệ nhị phân, thường trạng thái đóng được biểu diễn

là 1, còn trạng thái mở biểu diễn là 0, với cách diễn đạt mô hình toán trạng thái các tiếp điểm dưới dạng hệ nhị phân 0 và 1 được gọi là logic mạch (N.T Dũng, 2007) Mạch điện

Nguyên tắc thành lập mạch điện là dựa vào yêu cầu, điều kiện được đặt ra trước, từ

đó thành lập thuật toán (giải thuật) điều khiển quy trình công nghệ của hệ thống sấy, xây dựng thành một hàm logic điều khiển Nói chung việc thành lập mạch điện của hệ thống tự động điều khiển rất sức phức tạp, nếu như không phân tích hết nội dung yêu cầu, điều kiện đặt ra trước thì khi xây dựng thành hàm logic điều khiển sẽ bị lỗi dẫn đến quá trình điều khiển công nghệ không được, một số trường hợp chính mạch điện hệ thống tự động điều khiển này sẽ làm hư máy móc thiết bị công nghệ

Để xây dựng hàm logic điều khiển thì cần phải trình tự tiến hành theo các bước sau (N T Dũng, 2007)

Bước 1: Viết tất cả các yêu cầu, điều kiện theo yêu cầu của công nghệ đặt ra

Bước 2: Thiết lập các tín hiệu dựa trên các yêu cầu, điều kiện ở bước 1

Bước 3: Lập bảng yêu cầu phụ

Bước 4: Lập bảng biến số và biến trạng thái

Bước 5: Lập hàm logic và tối giản hàm logic

Bước 6: Vẽ mạch điện hay thiết kế có tiếp điểm và không có tiếp điểm

16

CHƯƠNG 3

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA

3.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA KẾT HỢP BƠM NHIỆT

3.1.1 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa cần nghiên cứu

Đối với tất cả các hệ thống sấy thăng hoa, mà các hãng trên thế giới chế tạo, cấp nhiệt cho quá trình sấy thăng hoa đều sử dụng một nguồn nhiệt riêng (như điện trở đốt nóng trực tiếp, hay gián tiếp bằng chất tải nhiệt), vì thế tiêu tốn rất nhiều năng lượng trong

suốt quá trình sấy Trong khi đó, hệ thống sấy thăng hoa ở Hình 1.5 nguồn nhiệt lấy ra từ

thiết bị hóa đá (12) để làm đóng băng ẩm bốc ra trong quá trình thăng hoa từ sản phẩm, thải ra ở thiết bị ngưng tụ (3) ra ngoài môi trường, thật lãng phí và ô nhiễm môi trường

Để tối ưu hóa về mặt năng lượng (tiết kiệm được năng lượng) thì nên sử dụng nguồn năng lượng thải ra ở thiết bị ngưng tụ (3) cấp trở lại cho quá trình sấy trong buồng thăng hoa (14) Muốn vậy đòi hỏi phải có nhiều nghiên cứu, chế tạo ra thiết bị để thu nhận năng lượng thải ra ở thiết bị ngưng tụ (3) sau đó sử dụng năng lượng này gia nhiệt cho quá trình sấy thăng hoa Tuy nhiên, việc nghiên cứu chế tạo thiết bị để thu nhận năng lượng thải ra ở thiết bị ngưng tụ (3) cấp cho quá trình sấy thăng hoa nhằm tiết kiệm năng lượng cho đến nay vẫn chưa có một công trình nghiên cứu nào đã công bố hay đề cập đến

Mục đích của dự án này là đề xuất giải pháp thu nhận năng lượng thải ra ở thiết bị ngưng tụ để cấp nhiệt cho quá trình sấy thăng hoa, nhằm tiết kiệm chi phí năng lượng cho quá trình sấy thăng hoa

Để thực hiện mục đích trên, dự án đề xuất chế tạo một thiết bị hồi nhiệt thu nhận năng lượng ở thiết bị ngưng tụ bằng chất tải nhiệt là nước, để cấp nhiệt cho quá trình sấy thăng hoa Như vậy, hệ thống sấy thăng hoa sẽ tận dụng được lượng nhiệt thải ở thiết bị ngưng tụ để đun nóng nước, nước nóng này được bơm vào giá truyền nhiệt, cấp cho quá trình sấy, tiết kiệm được năng lượng

Vì vậy, hệ thống sấy thăng hoa này sử dụng thiết bị hồi nhiệt để thu hồi nhiệt thải ở thiết bị ngưng tụ chạy cho thiết bị hóa đá, đồng thời lấy nhiệt thu được cấp cho quá trình sấy thăng hoa được gọi là hệ thống sấy thăng kết hợp với bơm nhiệt với năng suất thiết kế

17

theo yêu cầu của dự án là 35kg nước ngưng/24 giờ Sơ đồ nguyên lý làm việc của chúng

được đề xuất như trên hình 3.1 như sau:

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy thăng hoa cấp nhiệt cho quá trình sấy bằng

thiết bị hồi nhiệt của bơm nhiệt

Chú thích: (1): Máy nén cao áp; (2): Bình tách dầu; (3): Thiết bị ngưng tụ (dàn

ngưng 2); (4): Bình chứa lỏng cao áp; (5): Phin lọc; (6): Mắt gas; (7): Van điện từ; (8): Van tiết lưu; (9): Bình tách lỏng thấp áp; (10): Máy nén hạ áp; (11): Bình trung gian; (12): Thiết

bị hóa đá (ngưng tụ đóng băng); (13): Bơm chân không; (14): Buồng sấy thăng hoa cũng là buồng lạnh đông; (15): Giá truyền nhiệt & đặt sản phẩm sấy; (16): Đường xả nước ở bình hóa đá; (17): Bộ trao đổi nhiệt của thiết bị hồi nhiệt (dàn ngưng 1); (18): Bể nước của thiết

bị hồi nhiệt; (19): Bơm nước cấp nhiệt cho giá truyền nhiệt (15); (20): Bộ đốt phụ; Pk: Đồng hồ đo áp lực cao; PTG: Đồng hồ đo áp lực trung gian; P0: Đồng hồ đo áp lực thấp;

PCK: Đồng hồ đo áp lực chân không

CTG: cụm Phin lọc (5), Mắt gas (6), Van điện từ (7), Van tiết lưu (8) kết nối với

bình trung gian (11);

CBTH: cụm Phin lọc (5), Mắt gas (6), Van điện từ (7), Van tiết lưu (8) kết nối với

buồng sấy thăng hoa (14);

18

CTBHĐ: cụm Phin lọc (5), Mắt gas (6), Van điện từ (7), Van tiết lưu (8) kết nối

với thiết bị hóa đá (12)

3.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy thăng hoa cấp nhiệt cho quá trình sấy bằng thiết bị hồi nhiệt của bơm nhiệt

Tương tự như hệ thống sấy thăng hoa thông thường ở hình 1.11, sản phẩm sấy đặt ở

trong các khay sấy, đưa vào buống thăng hoa (14), đặt trên các giá truyền nhiệt (15), sau

đó đóng cửa buồng sấy lại

 Giai đoạn 1: cũng là giai đoạn lạnh đông hay cấp đông sản phẩm, hệ thống lạnh hoạt động, lúc CTBHĐ& bơm chân không (13) chưa hoạt động; tại buồng sấy thăng

hoa (14) môi chất lạnh ở thiết bị bay hơi (là các giá truyền nhiệt) nhận nhiệt của sản phẩm

để làm nhiệt nhiệt độ sản phẩm thực hiện quá trình bay hơi đẳng áp (P0 = const), hơi này được máy nén hạ áp (10) hút về theo đường (a), (b) đi qua bình tách lỏng (9) để tách lỏng trước khi nén đa biến (hay đoạn nhiệt) theo đường (b), (c) vào bình trung gian (11) để làm mát hoàn toàn hơi môi chất lạnh nén lên trong điều kiện đẳng áp (PTG = const), sau đó được máy nén cáo áp (1) hút về nén đa biến (hay đoạn nhiệt) theo đường (d), (e) lên thiết

bị hồi nhiệt (dàn ngưng 1) (17) & (18), trước khi về thiết bị hồi nhiệt (17) & (18) nó được tách dầu ở bình tách dầu (2), tại thiết bị hồi nhiệt hơi môi chất lạnh có nhiệt độ cao và năng lượng cao giải nhiệt cho chất tải nhiệt là nước để đun nóng nước để thực hiện quá trình chuyển pha môi chất lạnh từ hơi sang lỏng trong điều kiện đẳng áp (PK = const), ở giai đoạn này do chưa lấy nước nóng cấp nhiệt cho quá trình sấy nên nước trong bể (18) lưu động ra vào để giữ nhiệt độ với mục đích làm cho quá trình giải nhiệt tốt Sau khi ra khỏi thiết bị hồi nhiệt (17) & (18), môi chất lạnh đưa về thiết bị ngưng tụ (3) theo đường (f), (g)

để tiếp tục giải nhiệt ngưng tụ & làm quá lạnh môi chất lạnh bằng môi trường không khí, làm tăng năng suất lạnh cho hệ thống, tăng hiệu quả làm lạnh trong giai đoạn cấp đông Môi chất lạnh sau khi ngưng tụ & quá lạnh ở trạng thái lỏng đưa về bình chứa lỏng cao áp (4) theo đường (g), (h) Tại đây lỏng được chia làm hai đường, đường thứ nhất theo (h), (i)

đi đến CTG, tiếtlưu vào bình trung gian (11) nhằm hai mục đích: một là làm mát hoàn toàn

hơi môi chất lạnh từ máy nén hạ áp (10) nén lên, hai là làm quá lạnh lỏng môi chất lạnh đi trong ống xoắn nằm phía dưới bình trung gian (11) theo đường thứ hai (h), (j) Môi chất

lạnh sau khi ra khỏi ống xoắn bình trung gian (11) được đưa đến CBTH theo đường (k),

(l), tiết lưu vào thiết bị bay hơi (là các giá truyền nhiệt) (15) để thực hiện quá trình lạnh đông sản phẩm Chu trình lạnh cứ tiếp tục như thế lấy nhiệt ở buồng sấy thăng hoa thải ra ở

19

thiết bị hồi nhiệt (17), (18) và thiết bị ngưng tụ (3), quá trình này kết thúc khi nhiệt độ sản phẩm đạt tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp, nước trong sản phẩm kết tinh hoàn toàn & chuyển qua giai đoạn tiếp theo

 Giai đoạn 2 & 3: cũng là giai đoạn sấy thăng hoa & giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp (nếu có), lúc này khóa CBTH bằng van điện từ (7) trong cụm này, ngừng cấp

môi chất lạnh cho buồng sấy thăng hoa, không cho môi chất lạnh đi theo (k), (l) nữa,

ngừng hoạt động CBTH, ngưng quá trình lưu động nước ra, vào ở bể hồi nhiệt (18), để tập trung đun nóng nước, đồng thời mở CTBHĐ bằng van điện từ (7) trong cụm này, lúc này

môi chất lạnh theo đường (k), (m) cấp thiết bị hóa đá (12) để thực hiện quá trình làm lạnh, lúc này bơm chân không (13) hoạt động Khi bơm chân không hoạt động sẽ hạ áp suất môi trường sấy trong buồng thăng hoa (14) dưới điểm ba thể, khi này nước trong sản phẩm ở trạng thái rắn sẽ thăng hoa thành hơi, hơi này được bơm chân không (13) hút đi ra khỏi buồng sấy thăng hoa (14) tới thiết bị hóa đá (12) theo đường (w), tại đây nó được làm lạnh

và hóa đá, nếu không bơm chân không (13) sẽ hút ra, tại cửa bơm chân không (13) nó sẽ ngưng tụ thành lỏng làm hư bơm chân không, mặt khác thiết bị hóa đá (12) làm ổn định áp suất môi trường sấy thăng hoa (14) dưới điểm ba thể Tới giai đoạn này hệ thống lạnh có nhiệm vụ lấy nhiệt ở thiết bị hóa đá (12) để chuyển hơi ẩm bốc ra từ sản phẩm thành tuyết (đá) bám trên thành trao đổi nhiệt của thiết bị hóa đá (12) Môi chất lạnh sau khi vào thiết

bị hóa đá (12), nhận nhiệt hơi ẩm thực hiện quá trình bay hơi đẳng áp (P0 = const), sau đó được máy nén hạ áp (10) hút về nén lên bình trung gian theo đường (n), (b) & được tách lỏng ở bình tách lỏng (9), chu trình lạnh cứ tiếp tục như vậy, nó sẽ lấy nhiệt ở thiết bị hóa

đá (12) thải ra cho chất tải nhiệt là nước ở thiết bị hồi nhiệt (17), (18) để đun nóng nước &

ở thiết bị ngưng tụ (3) để ngưng tụ một phần còn lại & làm quá lạnh môi chất lạnh trước khi đi về bình chứa lỏng cao áp (4) Song song với quá trình sấy thăng hoa, bơm nước (19) hoạt đông đưa nước nóng từ bể (18) vào các giá truyền nhiệt (15) theo đường (o), (p), sau khi gia nhiệt xong ở các giá truyền nhiệt (15), nước lại hồi về bể hồi nhiệt để nhận nhiệt theo đường (q), (r), quá trình cứ tuần hoàn như thế Quá trình sấy kết thúc khi độ ẩm sản phẩm đạt độ ẩm yêu cầu, thường (2  4)%

3.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH ĐÔNG SẢN PHẨM

Theo yêu cầu công nghệ đặt ra là hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông, vì vậy buồng cấp đông cũng chính là buồng thăng hoa sản phẩm, (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)[2]

Trong đó: xj là tỉ lệ của vật liệu sinh học tương ưng với độ ẩm Wj(%), như vậy độ

ẩm trung bình của vật liệu sinh học được xác định, (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)[2]:

Giải phương trình (3.2) sẽ tìm được: G = 54 kg nguyên liệu/mẻ

 Năng suất lạnh đông cũng là năng suất sấy thăng hoa là Gsp = 54 kg nguyên liệu/mẻ

 Chọn nguyên liệu sấy là vật liệu sinh học sữa ong chúa

 Theo sách (Nguyễn Tấn Dũng, 2016) [2] thì kết quả cho thấy điều kiện tối ưu trong quá trình lạnh đông sữa ong chúa dùng trong sấy thăng hoa là:

- Thời gian cấp đông theo yêu cầu là: τ = 1,63 h/mẻ = 3600 x 1,63 = 5868s/mẻ

- Nhiệt độ buồng lạnh đông là tf2 = -40,460C

- Nhiệt độ trung bình sản phẩm sau khi lạnh đông để nước trong sản phẩm đóng băng hoàn toàn là tfopt = -18,330C

- Bề dày sản phẩm trong khay inox là 15 mm

3.2.1.2 Thể tích và kích thước buồng sấy thăng hoa

Số khay inox chứa nguyên liệu để lạnh đông và sấy thăng hoa được xác định như sau (Nguyễn Tấn Dũng, 2016) [2]:

- Chiều dài của khay là ak = 500 mm = 0,5m

- Chiều rộng của khay là bk = 250 mm = 0,25m

- Chiều cao của khay là hk = 30 mm =0,03m

- Bề dày lớp nguyên liệu trong khay là δ = 15 mm = 0,015m

Thể tích của mỗi khay là,(Nguyễn Tấn Dũng,2016)[2]:

Vk = ak x bk x hk = 0,5.0,25.0,03 = 0,00375 m3 (3.4)

Thể tích nguyên liệu chứa trong mỗi khay là, (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)[2]:

Vnglk = a x b x δ = 0,5.0,25.0,015 = 0,001875 m3 (3.5) Như vậy, số khay inox đặt trong buồng lạnh đông là:

Buồng lạnh đông sản phẩm được thiết kế ở dạng hình trụ có đường kính trong là D1

(m), đường kính ngoài là D2 (m), chiều dài L (m)

Mỗi tấm truyền nhiệt chứa nt = 4 khay inox, vì thế, để 4 khay lọt lồng trong diện tích của tấm truyền nhiệt khi:

Chiều rộng tấm truyền nhiệt: