Đồ án thiết kế hệ thống sấy nước cam môn Kỹ thuật nhiệt | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

lOMoAR cPSD| 59421307
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ
KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐỒ ÁN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY TIẾP XÚC SẤY NƯỚC CAM 30 lít/h
NGUYỄN NGỌC CƯỜNG
Cuong.nn214611@sis.hust.edu.vn
Ngành Kỹ thuật nhiệt
Giảng viên hướng dẫn : Đặng Trần Thọ Mã lớp học : 751342 Kỳ học : 2024.2 Hà Nội, 2025
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI
HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
-------------o0o-------------
THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY
Họ và tên: Nguyễn Ngọc Cường Khoá: 66
Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY TIẾP XÚC, SẤY NƯỚC CAM
I. Những số liệu ban đầu:
* Năng suất: G2 = 30 lít/h
* Địa điệm lắp đặt: Hà Giang
* Phương án cấp nhiệt: Sử dụng điện
II. Nội dung thiết kế:
1. Tìm hiểu về Vật liệu sấy, Công nghệ sấy và xác định chế độ sấy;
2. Tính quá trình sấy lý thuyết, thiết kế sơ bộ kích thước và kết cấu HTS;
3. Tính cân bằng nhiệt ẩm và tính quá trình sấy thực;
4. Thiết kế chi tiết hệ thống sấy, tính thiết kế, tính chọn thiết bị phụ;
5. Tóm tắt và kết luận. III. Bản vẽ
1. Bản vẽ tổng thể hệ thống sấy (Mặt bằng, Nguyên lý...)
2. Các bản vẽ chi tiết (Cấu tạo hệ thống, Thiết bị sấy...)
IV. Thời gian thiết kế:
Ngày giao đầu đề: 17/02/2025 Ngày hoàn thành: 05/06/2025
V. Cán bộ hướng dẫn: PGS. Đặng Trần Thọ
Hà nội, ngày 17 tháng 02 năm 2025 Cán bộ hướng dẫn
PGS. Đặng Trần Thọ LỜI NÓI ĐẦU
Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và nông nghiệp hiện đại, công nghệ bảo
quản và chế biến thực phẩm giữ vai trò ngày càng quan trọng trong việc nâng cao giá trị
sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường. Đặc biệt, nước cam – một sản phẩm giàu dinh
dưỡng và phổ biến – cần được bảo quản một cách hiệu quả để giữ nguyên chất lượng và
giá trị dinh dưỡng vốn có. Việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống sấy tiếp xúc cho nước cam
là một giải pháp quan trọng nhằm đáp ứng mục tiêu này.
Đồ án “Thiết kế hệ thống sấy tiếp xúc nước cam” được thực hiện với mục tiêu đảm
bảo chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí năng lượng. Đây là cơ hội để bản thân em
áp dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn, đồng thời rèn luyện kỹ năng thiết kế, tính
toán và phân tích trong lĩnh vực kỹ thuật thực phẩm.
Trong quá trình thực hiện, em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình từ PGS.TS
Đặng Trần Thọ. Sự hỗ trợ quý báu từ thầy, bao gồm những kiến thức chuyên môn sâu
rộng và các kinh nghiệm thực tiễn phong phú, đã giúp tôi hoàn thiện đồ án này. Em xin
bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy đã dành thời gian và tâm huyết để hướng dẫn em trong
suốt quá trình thực hiện.
Mặc dù đã nỗ lực hết sức, nhưng với kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án
không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những góp ý từ thầy cô và
những người có chuyên môn để hoàn thiện hơn nữa công trình nghiên cứu này. Trân trọng cảm ơn!
Sinh viên thực hiện Nguyễn Ngọc Cường MỤC LỤC
Chương 1. TỔNG QUAN..................................................................................................4 1.1.
VẬT LIỆU SẤY.................................................................................................4 1.1.1.
Khái niệm và phân loại......................................................................................................4
1.1.1.1. Khái niệm.....................................................................................................................4
1.1.1.2. Phân loại.........................................................................................................................4
1.1.1.3. Quá trình sản xuất nước cam........................................................................................6 1.1.2.
Đặc trưng và vai trò của nước cam..................................................................................7
1.1.2.1. Đặc trưng..................................................................................................................7
1.1.2.2. Vai trò.......................................................................................................................7 1.1.3.
Tính chất lý hóa của nước cam.........................................................................................8
1.1.3.1. Thành phần hóa học của nước cam.............................................................................8
1.1.3.2. Thông số nhiệt vật lý của nước cam.....................................................................8 1.1.4.
Tình hình sản xuất, tiêu thụ nước cam trên thế giới và tại Việt Nam............................9
1.1.4.1. Tình hình sản xuất, tiêu thụ trên thế giới.................................................................9
1.1.4.2. Tình hình sản xuất, tiêu thụ tại Việt Nam....................................................................10 1.2.
CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ SẤY.....................................................11 1.2.1.
Hệ thống sấy phun...........................................................................................................11 1.2.2.
Hệ thống sấy thăng hoa...................................................................................................12 1.2.3.
Hệ thống sấy trục cán......................................................................................................13 1.2.4.
Hệ thống sấy kiểu chảo....................................................................................................13 1.3.
LỰA CHỌN HỆ THỐNG SẤY VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SẤY PHÙ HỢP..................14 1.3.1.
Phân tích lựa chọn hệ thống sấy.....................................................................................14 1.3.2.
Xác định chế độ sấy.........................................................................................................15
Chương 2. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT.....................................................17 2.1.
TÍNH LƯỢNG ẨM BAY HƠI............................................................................17 2.2.
TÍNH TOÁN THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA KHÔNG KHÍ CẤP VÀO...................18 2.3.
TÍNH LƯỢNG NHIỆT CẦN CẤP CHO QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT..................22 2.4.
THIẾT KẾ SƠ BỘ KÍCH THƯỚC CỦA HỆ THỐNG VÀ THIẾT BỊ SẤY.................23 2.4.1.
Thiết kế kích thước đáy nồi.............................................................................................23 2.4.2.
Thiết kế kích thước nắp nồi............................................................................................24 2.4.3.
Thiết kế kích thước thân nồi...........................................................................................25
Chương 3. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY THỰC..............................................................27 3.1.
TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT ẨM...........................................................................27 3.1.1.
Phương trình cân bằng nhiệt ẩm....................................................................................27 3.1.2.
Tính toán nhiệt.................................................................................................................28
3.1.2.1. Lượng nhiệt do sản phẩm sấy mang đi.......................................................................28
3.1.2.2. Tổn thất nhiệt do trao đổi nhiệt ở đáy chứa vật liệu.................................................28
3.1.2.3. Lượng nhiệt không khí trao đổi nhiệt với nước cam............................................30
3.1.2.4. Lượng nhiệt thiết bị sấy nhận được.........................................................................31
3.1.2.5. Lượng nhiệt từ thiết bị gia nhiệt điện trở..........................................................................32
Chương 4. THIẾT KẾ, TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ...................................................33 4.1.
THIẾT KẾ, TÍNH CHỌN HỆ THỐNG BƠM NHIỆT.............................................33 4.1.1.
Chọn điều kiện làm việc của chu trình...........................................................................33 4.1.2.
Tính chọn máy nén..........................................................................................................34 4.1.3.
Chọn van tiết lưu.............................................................................................................39 4.1.4.
Tính thiết kế dàn ngưng tụ..............................................................................................40
4.1.4.1. Thiết kế dàn ngưng tụ phụ..........................................................................................41
4.1.4.2. Thiết kế dàn ngưng tụ chính..................................................................................51 4.1.5.
Tính thiết kế dàn bay hơi................................................................................................55 4.2.
TÍNH CHỌN CÁNH KHUẤY............................................................................63 4.3.
TÍNH CHỌN QUẠT CẤP KHÔNG KHÍ..............................................................65 4.4.
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ GIA NHIỆT ĐIỆN TRỞ..................................................65
Chương 5. TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN...............................................................................65 5.1.
TÓM TẮT......................................................................................................65
5.2. KẾT LUẬN.....................................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................66
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1.VẬT LIỆU SẤY
1.1.1. Khái niệm và phân loại
1.1.1.1. Khái niệm
Cam (tên khoa học là Citrus sinensis rutaceae) là một trong những loại trái cây có
múi, được lai tạo từ quả bưởi và quả chanh. Cam chứa rất nhiều vitamin C và các chất
dinh dưỡng khác, quả thường có hình tròn hoặc hơi dẹt, đa dạng kích thước từ nhỏ đến
lớn. Vỏ cam thường chứa nhiều tinh dầu thơm, khi chín có màu cam sáng đến cam đỏ có
loài có màu xanh, vỏ nhẵn hoặc sần sùi. Thịt cam chia thành nhiều múi nhỏ mọng nước
chứa các tép cam, tùy thuộc vào giống cam khác nhau mà thịt có vị ngọt hoặc chua. Hạt
cam nhỏ nằm bên trong các múi, một số loại cam không có hạt.
1.1.1.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại cam như phân loại theo nguồn gốc, mục đích sử dụng,…Ở
đồ án này phân loại theo màu sắc vỏ và thịt quả, cụ thể: a. Cam sành
Cam sành (hình 1.1) có vỏ sần, màu xanh và vàng khi chín, nước cam ngọt, thơm,
có vị chua nhẹ. Loại cam này thích hợp với khí hậu nhiệt đới, nhu cầu nội địa cao và có
tiềm năng xuất khẩu. Ứng dụng chủ yếu là làm nước ép. Hình 1.1. Cam sành b. Cam Xoàn
Cam Xoàn (hình 1.2) có kích thước nhỏ, vỏ mỏng và màu xanh vàng, ruột có vị
ngọt và thơm, phù hợp với khí hậu ở Việt Nam. Loại cam này có thể ăn tươi hoặc làm quà tặng.
c. Cam V2
Cam V2 (hình 1.3) có vỏ mỏng và màu cam sáng, mọng nước và có vị ngọt đậm.
Loại này có thời điểm thu hoạch muộn, thích hợp với nhu cầu trái vụ nên có giá rất cao.
Hàm lượng nước cao nên nó rất phù hợp để sản xuất nước ép. Hình 1.2. Cam Xoàn Hình 1.3. Cam V2
d. Cam ruột đỏ (Cara)
Cam Cara (hình 1.4) có ruột màu đỏ hồng, không có hạt, vị ngọt đậm, ít chua, hàm
lượng lycopene (chất chống oxy hóa) cao. Loại cam này hấp dẫn về thẩm mỹ và dinh
dưỡng và giá trị kinh tế cao. Nó có thể dùng để trang trí hoặc làm ép cao cấp.
Hình 1.4. Cam ruột đỏ (Cara)
e. Cam máu (Blood Orange)
Cam này có ruột màu đỏ sẫm, vị ngọt pha một ít chua, hàm lượng chống oxy hóa
cao. Do có màu sắc độc đáo và lợi ích sức khỏe nên cam máu (hình 1.5) có giá trị rất cao
trên thị trường. Loại quả này có thể dùng để làm nước ép, chế biến trong thực phẩm cao cấp. Hình 1.5. Cam máu
1.1.1.3. Quá trình sản xuất nước cam
Nước cam là loại nước trái cây phổ biến nhất, được sản xuất nhiều và tiêu thụ rộng
rãi nhất trên thế giới. Ban đầu người ta chế biến nước ép để tiêu thụ hết sản lượng quả dư
thừa, nhưng hiện nay nhiều nơi trồng chủ yếu để sản xuất nước ép. Việc chế biến thành
nước ép vừa để nâng cao lợi ích về mặt kinh tế và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người tiêu
dùng. Quá trình sản xuất nước cam nguyên chất được thể hiện như hình 1.6 dưới đây.
Hình 1.6. Các bước sản xuất nước cam ép
Quả tươi sau khi thu hoạch được vận chuyển đến các nhà máy chế biến nước ép.
Tại nhà máy, quá trình tiếp nhận bao gồm các bước sau: Rửa trước, tách cuống, phân loại
trước, lấy mẫu, bảo quản, rửa lần cuối và đánh giá cuối cùng. Những quả đạt chất lượng
yêu cầu tiếp tục được đưa vào các máy chiết xuất nước cam còn lại những quả thối, hỏng
và không đạt yêu cầu sẽ được tận dụng làm thức ăn chăn nuôi. Trong quá trình chiết xuất
nước ép, người ta thường sử dụng hai loại máy ép là máy ép kiểu vắt và máy ép kiểu doa.
Sản phẩm phụ là vỏ, xác bã, hạt được đưa đến nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi và dầu
vỏ được thu hồi từ nhũ dầu thu được từ quá trình ép. Mục tiêu của quá trình chiết xuất là
thu được nhiều nước ép nhất có thể và ngăn không cho xác bã, hạt, dầu và các thành phần
khác của quả lẫn vào nước ép. Nhứng thứ kể trên có thể làm vị của nước ép trở nên đắng
hoặc gây ra các khuyết tật trong quá trình bảo quản sau này. Sản phẩm thu được từ máy
ép là nước ép cùng với tép hoặc phần thịt. Nước ép chứa tép và thịt quả được trích một
phần đưa vào quá trình xử lý tép và thịt quả giữ được phần tép và thịt quả dùng làm sản
phẩm như nước ép “có tép” hoặc chế biến riêng sử dụng trong các sản phẩm như mứt,
thạch, thực phẩm bổ sung. Phần còn lại trải qua quá trình làm trong để thu được nước ép
nguyên chất. Phần tép và thịt quả thu được khi làm trong sẽ được xử lý để thu hồi phần
nước ép và dinh dưỡng còn sót lại.
1.1.2. Đặc trưng và vai trò của nước cam
1.1.2.1. Đặc trưng
Nước cam là loại nước trái cây dễ làm và có vị tươi ngon dễ chịu, phù hợp với mọi
lứa tuổi. Hương vị là sự kết hợp giữa vị ngọt tự nhiên và độ chua thanh mát làm nên hương
vị đặc trưng của nước cam. Nước cam có mùi hương thơm mát, tự nhiên dễ nhận biết và
mang lại cảm giác thư giãn. Màu sắc phụ thuộc vào loại cam và độ chín, thông thường là màu vàng cam.
Ở nhiệt độ môi trường từ 20 – 25°C, nước cam sẽ bị hỏng sau khoảng 2 – 3 giờ,
nhưng nếu đưa vào trong tủ lạnh ở nhiệt độ 0 – 4°C thì chất lượng được đảm bảo trong 24
– 48 giờ. Sau 48h, khi xuất hiện các bọt khí, nước cam bị hỏng và có vị chua hoặc đắng,
bắt đầu xuất hiện mùi chua hoặc lên men (mùi rượu) và đổi màu từ cam tươi sáng thành
cam đậm hơn hoặc bị đục.
Nước cam có độ nhảy cảm về nhiệt cao. Hàm lượng Axit Ascorbic (vitamin C) có
trong nước cam bắt đầu giảm khi nhiệt độ nước cam lớn hơn 50°C và giảm mạnh ở 70°C
[1]. Ở 70°C, màu sắc của nước cam giảm đáng kể do hàm lượng β – carotene và
Zeaxanthin là hai sắc tố ảnh hưởng đến màu sắc giảm lần lượt 27% và 22% [2].
1.1.2.2. Vai trò
Nước cam là loại nước trái cây phổ biến trên thế giới nhờ những công dụng và lợi
ích tuyệt với mà nó mang lại cho con người.
Đầu tiên, nước cam cung cấp rất nhiều dinh dưỡng cho cơ thể và hỗ trợ sức khỏe
cho con người. Là nguồn vitamin C tự nhiên giúp ngăn ngừa thiếu máu, tăng cường hệ
miễn dịch, bảo vệ cơ thể khỏi bệnh cảm cúm và nhiễm trùng, chứa khoáng chất quan trọng
như Kali, Magie và Canxi hỗ trợ sức khỏe tim mạch, xương khớp và cơ bắp. Trong nước
cam còn có chất chống oxy hóa như Flavonoid và Carotenoid giúp bảo vệ tế bào khỏi tổn
thương, ngăn ngừa lão hóa và bệnh mãn tính. Uống nước cam có thể cải thiện hệ tiêu hóa
do axit tự nhiên trong cam kích thích enzyme tiêu hóa, hỗ trợ quá trình hấp thu dinh dưỡng.
Nước cam là thức uống tươi mát, luôn là sự lựa chọn hoàn hảo để giải khát trong
những ngày nóng bức. Nó giúp cung cấp năng lượng cho cơ thể sau khi vận động hoặc làm việc căng thẳng.
Trong nấu ăn và chế biến thực phẩm, nước cam là nguyên liệu phổ biến, thường
dùng làm nước sốt, món tráng miệng,…và giúp tăng hương vị cho các món ăn, đặc biệt là salad.
1.1.3. Tính chất lý hóa của nước cam
1.1.3.1. Thành phần hóa học của nước cam
Theo [3], thành phần hóa học của nước cam được trình bày ở bảng bảng 1.1.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của nước cam STT Thành phần Hàm lượng, [%] 1 Nước 87 2 Cacbonhydrat 11,3 3 Protein 1 4 Chất xơ 0,2 5 Chất béo 0,2 6 Còn lại (phần bã) 0,4
1.1.3.2. Thông số nhiệt vật lý của nước cam
a. Độ ẩm tương đối ω
Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa khối lượng ẩm và khối lượng của toàn bộ vật liệu
ẩm. Độ ẩm tương đối có thứ nguyên là %. Nếu độ ẩm tương đối ω = 0% thì ta có vật khô
tuyệt đối. Công thức xác định độ ẩm tưởng đối [4]: Ga ω= .100% G (1.1) ¿ ¿
Do thành phần trong nước gồm chủ yếu là nước (87%) và cacbonhydrat (11,3%)
nên để đơn giản hơn trong việc xác định các thông số nhiệt vật lý, ta coi phần khô của vật liệu ẩm là cacbonhydrat.
b. Khối lượng riêng ρ
Khối lượng riêng có thứ nguyên là kg/m3 và được xác định bằng công thức [4]:
ρ=ρk .(1−ω)+ρa.ω (1.2) ¿ ¿
Theo [5], khối lượng riêng của phần khô ρ và khối lượng riêng của phần ẩm k ρa
được xác định bằng công thức thực nghiệm:
ρk=1599,1−0,36589.tvl (1.3) ¿ ¿
ρa=997,18−3,1439.10−3.t vl+3,7574.10−3 .t2vl (¿1.4)
c. Nhiệt dung riêng C
Nhiệt dung riêng cho biết lượng nhiệt cần để nâng 1kg vật chất lên 1K. Nhiệt dung
riêng của nước cam được xác định bằng công thức [4]:
C=C k . (1−ω)+C a.ω (1.5)
Theo [5], nhiệt dung riêng của phần khô C và nhiệt dung riêng của phần ẩm k C a
được xác định bằng công thức thực nghiệm:
Ck=1548,8+1,9625.t vl−5,9399.10−3 .t2vl (1.6)
Ca=4176,2−0,0909.tvl+5,4731.10−3 .t2vl (1.7)
d. Hệ số dẫn nhiệt λ
Hệ số dẫn nhiệt của một vật chất là tốc độ truyền nhiệt nhanh nhất giữa các mặt
đẳng nhiệt và có thứ nguyên là W/mK. Công thức xác định theo mô hình song song [5]:
λ=λk . (1−ρωk ). ρ+λa . ωρ.aρ (1.8)
Theo [5], hệ số dẫn nhiệt của phần khô λk và hệ số dẫn nhiệt của phần ẩm λa được
xác định bằng công thức thực nghiệm: λ
k=0,20141+1,3874.10−3 .tvl−4,3312.10−6 .t2vl (1.9) λ
a=0,57109−1,762.10−3 .tvl−6,7036.10−6 .t2vl (1.10)
1.1.4. Tình hình sản xuất, tiêu thụ nước cam trên thế giới và tại Việt Nam
1.1.4.1. Tình hình sản xuất, tiêu thụ trên thế giới a. Sản xuất
Cam được trồng ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới trên khắp thế giới, các nước
trồng cam được thể hiện ở hình 1.7. Cây có thể phát triển trong nhiều điều kiện đất khác
nhau, từ đất cát cực kỳ đến đất sét pha khá nặng, mặc dù chúng phát triển tốt nhất ở các loại đất trung gian.
Mỗi năm trên thế giới sản xuất khoảng 70 triệu tấn cam. Một phần ba số cam sản
xuất được chế biến thành nhiều sản phẩm khác, còn lại sẽ được tiêu thụ dưới dạng trái
tươi. Florida và Brazil là những quốc gia sản xuất nước ép lớn nhất trên thế giới vì các
giống cam ở vùng này thích hợp để chế biến không phải để tiêu thụ trực tiếp. b. Tiêu thụ
Nước cam được tiêu thụ chiếm tỷ lệ cao ở Bắc Mỹ và châu Âu. Tại châu Á hay
châu Phi, tiêu thụ nước cam đang tăng nhờ sự phổ biến của sản phẩm đóng hộp.
Giá của nước ép tại Brazil tăng mạnh do sản lượng cam giảm mạnh khiến thị trường
hoảng loạn. Trên sàn giao dịch liên lục địa (ICE) tại New York, giá cam cô đặc đạt mức
cao kỷ lục 10,83 USD/kg vào tháng cuối tháng 5 năm 2024. Tình trạng thiếu hụt nước
cam nghiêm trọng sẽ khiến cho giá cả tăng đột biến và ảnh hưởng đến người tiêu dùng.
Hình 1.7. Các vùng trồng cam chính trên thế giới
1.1.4.2. Tình hình sản xuất, tiêu thụ tại Việt Nam a. Sản xuất
Việt Nam là quốc gia có điều kiện khí hậu thuận lợi để trồng cam với các vùng nổi
tiếng như Hà Giang (Cam sành), Hòa Bình (Cam Cao Phong), Nghệ An (Cam Vinh). Do
vậy nguồn nguyên liệu cung cấp cho sản xuất nước cam luôn sẵn sàng. Sản phẩm nước
cam ở Việt Nam chủ yếu được đóng chai, đóng hộp, sản phẩm dạng cô đặc được dùng cho
xuất khẩu nhưng còn hạn chế. Các nhà máy sản xuất nước cam đóng hộp (Tân Hiệp Phát,
Vinamilk, Lavie,…) và cam cô đặc (Jimei Việt Nam) chủ yếu tập trung ở miền Nam (Đồng
Nai, Hậu Giang) và một số tỉnh miền Bắc. b. Tiêu thụ
Ở Việt Nam, người tiêu dùng có xu hướng sử dụng nước cam đóng hộp hoặc nước
cam đóng chai vì tính tiện lợi. Vì lợi ích rất lớn về sức khỏe mà nước cam mang lại nên
nhu cầu tiêu thụ nước cam đang ngày một tăng ở các thành phố lớn. Nước cam cô đặc chủ
yếu được xuất khẩu sang những môi trường lân cận nhu Campuchia, Lào và một số nước châu Á.
Tại các quán vỉa vè, giá bán nước cam ép nguyên chất có giá khoảng 10.000
VND/chai 200ml. Với nước cam đóng chai hoặc lon, một chai nước cam ép Vinamilk
dung tích 1l có giá 60.500 VND, một thùng 24 lon 320ml nước cam ép Twister Tropicana
có giá 170.500 VND. Giá nước cam cô đặc dao động từ 100.000 – 140.000 VND/lít. Còn
với bột cam, mỗi kg bột cam được bán từ 200.000 – 360.000 VND.
1.2.CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ SẤY
1.2.1. Hệ thống sấy phun
Hệ thống sấy phun là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy các vật liệu dạng dung dịch
lỏng hoặc huyền phù và sản phẩm thu được dạng bột mịn. Hệ thống này được ứng dụng
trong công nghệ sản xuất sữa bột, bột đậu lành, bột trứng,…Trong công nghiệp nhẹ thì
sấy phun được sử dụng để sấy bột giặt, hạt nhựa,…Do hệ thống sấy phun được sử sụng
nhiều trong công nghệ thực phẩm, cho ra các sản phẩm có thể dùng được ngay nên yêu
cầu rất khắt khe về điều kiện vệ sinh.
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy phun
Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy phun được trình bày ở hình 1.8. Cấu tạo của
hệ thống này bao gồm một bơm dịch thể, một buồng sấy hình trụ, các vòi phun được bố
trí bên trong buồng sấy và Cyclon để thu hồi sản phẩn bay theo tác nhân sấy. Vật liệu sấy
được đưa vào buồng sấy dưới dạng sương mù, phun càng tơi bao nhiêu thì sản phẩm sấy
càng mịn bấy nhiêu. Tác nhân sấy được gia nhiệt trong thiết bị gia nhiệt và phun vào cùng
với vật liệu sấy trong khoang sấy. Tại đây giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy thực hiện việc
trao đổi nhiệt ẩm làm giảm độ ẩm của vật liệu sấy. Tác nhân sấy sau khi trao đổi nhiệt -
ẩm với vật liệu sấy đi ra ngoài nhưng mang theo một lượng lớn sản phẩm sấy nên được
cho qua Cyclon để thực hiện việc tách sản phẩm sấy với tác nhân sấy. Lượng sản phẩm
sấy tách ra được thu hồi lại và thải tác nhân sấy ra ngoài.
Hệ thống sấy phun phù hợp sấy những vật liệu sấy có độ nhảy cảm với nhiệt độ và
giữ được hương vị, màu sắc và dinh dưỡng của vật liệu sấy, đặc biệt như các vật liệu có
hàm lượng dinh dưỡng cao như sữa, nước cam, mật ong,…Hệ thống này được có hiệu
suất cao do tốc độ sấy nhanh và quá trình vận hành liên tục và tự động hóa giúp giảm thời
gian và chi phí lao động. Bên cạnh đó, hệ thống sấy phun cũng có những nhược điểm nhất
định. Hệ thống cần thiết bị máy móc hiện đại, công nghệ cao và giá thành cao cho nên
không phù hợp cho quy mô sản xuất nhỏ. Trước khi đưa vào hệ thống, vật liệu sấy cần
được xử lý, không có cặn lớn để tránh việc tắc nghẽn vòi phun hoặc ảnh hưởng đến chất lượng bột.
1.2.2. Hệ thống sấy thăng hoa
Hiện nay trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược và hóa học, hệ thống sấy
thăng hoa được dùng khá phổ biến. Khác với những hệ thống sấy khác hóa hơi ẩm từ trạng
thái lỏng thì hệ thống sấy này tác ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn sang hơi nhờ quá trình thăng hoa.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy được trình bày ở hình 1.9. Cấu tạo của hệ thống
sấy thăng hoa bao gồm một hệ thống bơm nhiệt, thiết bị gia nhiệt kiểu điện trở, buồng sấy
chứa thiết bị bay hơi của hệ thống bơm nhiệt, bơm chân không. Ban đầu, dòng môi chất
lạnh đi qua dàn bay hơi chính để làm đông vật liệu bên trong buồng sấy. Sau đó, bơm chân
không hoạt động làm giảm áp suất bên trong buồng sấy xuống để điểm trạng thái của ẩm
bên trong vật liệu thấp hơn điểm 3 thể. Sau đó được cấp nhiệt bởi thiết bị gia nhiệt kiểu
điện trở, lúc này nước ở trạng thái rắn sẽ hóa thành hơi và tách khỏi vật liệu. Lúc này
không khí được bơm chân không đưa ra ngoài chứa nhiều ẩm, điều này gây ra va đập thủy
lực trong bơm chân không dẫn đến giảm tuổi thọ của bơm, do vậy dàn bay hơi phụ sẽ giúp
ngưng ẩm bên trong không khí lại trước khi được đưa qua bơm chân không.
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy thăng hoa
Trong toàn bộ quá trình sấy, nhiệt độ của vật liệu và bên trong buồng sấy rất thấp
(từ -40°C đến -10°C) nên các chất dinh dưỡng và hương vị của vật liệu gần như được giữ
nguyên hoàn toàn. Màu sắc của vật liệu cũng không thay đổi do không xảy ra các phản
ứng oxy hóa hay caramen hóa. Do vậy hệ thống này rất lý tưởng để sấy các sản phẩm dễ
hư hỏng hoặc nhạy cảm với nhiệt độ. Để thu được sản phẩm có chất lượng như vậy, cần
hệ thống có công nghệ cao, do vậy chi phí đầu tư cho thiết bị và vận hành hệ thống này
rất lớn. Bên cạnh đó, thời gian sấy dài (từ 8 – 24 giờ) sẽ làm giảm năng suất so với các
phương pháp sấy khác nên hệ thống sấy này chỉ phù hợp để sấy những vật liệu có giá trị
kinh tế cao. Hàm lượng đường cao ở một số vật liệu như nước trái cây có thể ảnh hưởng
đến hiệu quả của quá trình sấy thăng hoa do đường có thể gây dính và kết tụ trong quá trình sấy.
1.2.3. Hệ thống sấy trục cán
Hệ thống sấy trục cán, hay còn gọi là hệ thống sấy tang quay là hệ thống sấy kiểu
tiếp xúc. Hệ thống này sử dụng để sấy các loại bột nhão, ứng dụng vào các ngành công
nghiệp sản xuất sữa bột hoặc nước mắm khô.
Cấu tạo của hệ thống sấy này (hình 1.10) bao gồm cửa xả nước ngưng (1), cửa cấp
hơi nước nóng (2), vỏ thiết bị (3), tang quay (4), cửa thoát hơi (5), bộ phận truyền động
(6) (7) (8), động cơ (9). Vật liệu sấy bám vào bề mặt ngoài một trình trụ quay liên tục nhờ
động cơ và bộ phận truyền động, được gia nhiệt bởi chất tải nhiệt bên trong. Chất tải nhiệt
có thể là nước nóng, hơi nước hoặc khí nóng. Vật liệu sấy được cán mỏng có chiều dày
khoảng 1 – 2mm nhận nhiệt bằng dẫn nhiện từ bề tang và thải ẩm trực tiếp ra xung quanh.
Khi vật liệu đã đạt độ ẩm yêu cầu, người ta bố trí hệ thống dao gạt vật liệu sấy khỏi bề mặt tang quay.
Hình 1.10. Cấu tạo hệ thống sấy trục cán
Hệ thống sấy trục quay này có kích thước gọn gàng, không chiếm quá nhiều diện
tích. Do vật liệu sấy được cán đều và tiếp xúc đều trên bề mặt tang quay nên sản phẩm thu
được sẽ có độ khô đồng nhất. Để sấy khô được những vật liệu dạng bột nhão hoặc lỏng có
hàm lượng ẩm cao, tốc độ quay của tang rất chậm dẫn đến năng suất thấp. Mặt ngoài của
tang quay phải có độ tròn và độ bóng cao, chiều dày phải đều nên khó chế tạo.
1.2.4. Hệ thống sấy kiểu chảo
Hệ thống sấy kiểu chảo là hệ thống giảm thủy phần của dung dịch bằng cách cấp
nhiệt qua thiết bị chứa dung dịch làm nước bay hơi. Hệ thống này được sử dụng để cô đặc
các dung dịch hữu cơ cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Phổ biến nhất là công
nghiệp hóa chất điển hình như cô đặc nước muối, dung dịch xút và lĩnh vực công nghệ
thực phẩm như cô đặc nước mắm, sữa tươi, nước ép trái cây, nước sốt,…
Cấu tạo của hệ thống này gồm nồi chứa vật liệu, thiết bị gia nhiệt kiểu tấm bọc
quanh nồi chứa, bơm cấp vật liệu, đáy thu sản phẩm, thiết bị khuấy đảo, hệ thống bơm
nhiệt xử lý không khí. Nguyên lý vận hành của hệ thống được trình bày ở hình 1.11. Thiết
bị gia nhiệt tiếp xúc với mặt ngoài của thân, vật liệu được bơm vào buồng và tiếp xúc với
mặt trong của thân. Nhiệt sinh ra từ thiết bị gia nhiệt truyền từ mặt ngoài vào mặt trong
của thân và đến vật liệu. Thiết bị khuấy đảo giúp quá trình trao đổi nhiệt giữa vật liệu và
bề mặt trong của thân được đồng đều hơn. Khi thủy phần của vật liệu đã đạt yêu cầu, sản
phẩm sấy được thu ở dưới đáy buồng. Không khí được làm lạnh nhờ dàn bay hơi trong hệ
thống bơm nhiệt. Khi nhiệt độ không khí thấp hơn nhiệt độ điểm sương, không khí sẽ ở
trạng thái bão hòa. Nếu tiếp tục được làm lạnh, ẩm sẽ tách ra khỏi không khí và ngưng lại
trên dàn bay hơi và độ chứa hơi của không khí sẽ giảm. Sau khi được tách ẩm, không khí
sẽ đi qua dàn ngưng tụ để tăng nhiệt độ lên trước khi đi vào thiết bị sấy. Không khí có độ
chứa hơi thấp sẽ hấp thụ ẩm trong thiết bị sấy đi ra ngoài.
Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy kiểu chảo
Hệ thống này có thể vận hành liên tục hoặc gián đoạn. Chi phí đầu tư, vận hành
thấp , được sử dụng nhiều cho quy mô sản xuất vừa và nhỏ. Hệ thống này không phù hợp
với vật liệu có độ nhớt cao vì có thể làm giảm khả năng truyền nhiệt do có hệ số truyền
nhiệt nhỏ và có thể tạo ra lớp cách nhiệt trên bề mặt trao đổi nhiệt. Độ nhớt cao cũng có
nguy cơ tắc nghẽn ở các đường ống, thiết bị khuấy đảo tốn năng lượng hơn.
1.3.LỰA CHỌN HỆ THỐNG SẤY VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SẤY PHÙ HỢP
1.3.1. Phân tích lựa chọn hệ thống sấy
Để lựa chọn được hệ thống sấy tối ưu nhất, ta đi so sánh các hệ thống sấy bằng tiêu
chí năng suất, chi phí và chất lượng sản phẩm sấy.
Về năng suất, hệ thống sấy phun có năng suất lớn nhất trong 4 hệ thống do có thể
vận hành liên tục và thời gian sấy khá thấp. Hệ thống sấy trục cán cũng vận hành liên tục
nhưng tốc độ sấy khá chậm nên năng suất thấp hơn. Hệ thống sấy kiểu chảo có thời gian
sấy khá lâu nên năng suất thấp hơn hệ thống sấy trục cán. Năng suất thấp nhất là hệ thống
sấy thăng hoa khi vận hành gián đoạn và có thời gian sấy lâu.
Với cùng một năng suất nhất định, chi phí đầu tư và vận hành hệ thống sấy thăng
hoa luôn là lớn nhất. Hệ thống sấy phun có chi phí đầu tư gần bằng hệ thống sấy thăng
hoa và có chi phí vận hàng thấp hơn khá nhiều. Hệ thống sấy trục cán và hệ thống sấy kiểu
chảo có chi phí đầu tư thấp hơn so với hai hệ thống còn lại.
Hệ thống sấy thăng hoa có chất lượng sản phẩm tốt nhất, gần như giữ nguyên
hương vị, màu sắc và giá trị dinh dưỡng của vật liệu sấy. Đứng thứ hai là hệ thống sấy
kiểu chảo và hệ thống sấy phun do sấy ở nhiệt độ khá cao, điều này sẽ làm hương vị, màu
sắc và thành phần dinh dưỡng giảm nhẹ nhưng vẫn đảm bảo chất lượng yêu cầu. Cuối
cùng, hệ thống sấy trục cán thu được sản phẩm có màu sậm hơn và mất khá nhiều giá trị
dinh dưỡng của vật liệu.
Như vậy, ta chọn hệ thống sấy kiểu chảo vì có năng suất trung bình cùng với chi
phí đầu tư khá thấp và tiết kiệm năng lượng tối đa khi tận dụng được cả hai nguồn nhiệt
nóng và lạnh của bơm nhiệt mà sản phẩm thu được vẫn đạt chất lượng yêu cầu.
1.3.2. Xác định chế độ sấy
Chế độ sấy bao gồm những thông số sau: độ ẩm của vật liệu sấy vào, độ ẩm của
vật liệu sấy ra, nhiệt độ vật liệu sấy, thời gian sấy. Từ bảng 1.1, ta chọn thủy phần của
nước cam trước khi sấy là 87%. Nước cam cô đặc ở 72°Brix (thủy phần 28%) không bị
hư hỏng nhanh bởi những vi sinh vật ưa thẩm thấu cao cho nên không cần thêm quá trình
thanh trùng [6]. Do vậy, chọn thủy phần của nước cam sau quá trình sấy là 25% vì sau quá
trình sấy nước cam có thể nhận thêm ẩm từ môi trường.
Theo QCVN 02 : 2009, ở Hà Giang nhiệt độ không khí trung bình năm là 22,7°C
và độ ẩm trung bình năm là 85% nên chọn nhiệt độ không khí cũng như nhiệt độ ban đầu
của nước cam cho quá trình tính toán là 23°C và độ ẩm không khí là 85%. Theo [2], hàm
lượng các chất dinh dưỡng và các sắc tố bên trong nước cam đều giảm khi nhiệt độ tăng,
nhiệt độ ở 60°C là hiệu quả nhất trong việc bảo quản hình thức nước cam nên chọn nhiệt
độ bề mặt tiếp xúc với nước cam là 60°C.
Theo Mactech, thời gian sấy cam khi dùng tác nhân sấy có nhiệt độ 65°C là 12 giờ,
nên ta chọn thời gian cho quá trình sấy là 12 giờ . Chế độ sấy phù hợp cho sấy tiếp xúc
nước cam được trình bày ở bảng 1.2. Bảng 1.2. Chế độ sấy của nước cam STT Thông số Giá trị Thứ nguyên 1
Thủy phần nước cam trước khi vào thiết bị sấy, ω1 87 [%] 2
Thủy phần nước cam sau khi ra thiết bị sấy, ω2 25 [%] 3
Nhiệt độ ban đầu của vật nước cam, tv1 23 [°C] 4 Nhiệt độ không khí, t0 23 [°C] 5
Độ ẩm tương đối của không khí, φ0 85 [%] 6
Nhiệt độ bề mặt tiếp xúc với nước cam, tw 60 [°C] 7 Năng suất sấy, G2 30 [lít/h] 8 Thời gian sấy 12 [h]
Chương 2. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT
2.1.TÍNH LƯỢNG ẨM BAY HƠI
Trước khi đi vào tính toán, ta cần xác định các thông số nhiệt vật lý của nước cam.
Vì trong quá trình sấy nhiệt độ của nước cam thay đổi theo thời gian nên để đơn giản cho
quá trình tính toán ta tính toán các thông số tại nhiệt độ trung bình.
Từ công thức (1.2), (1.3) và (1.4) ta xác định được khối lượng riêng của nước cam.
Từ công thức (1.5), (1.6) và (1.7) ta xác định được nhiệt dung riêng của nước cam. Từ
công thức (1.8), (1.9) và (1.10) ta xác định được hệ số dẫn nhiệt của nước cam. Thông số
nhiệt vật lý ở nhiệt độ trung bình và độ ẩm trung bình được trình bày ở bảng 2.1. Bảng
2.3. Thông số nhiệt vật lý của nước cam STT Thông số Giá trị Thứ nguyên 1 Khối lượng riêng, ρv 1079 [kg/m3] 2 Nhiệt dung riêng, Cv 3,849 [kJ/kgK] 3 Hệ số dẫn nhiệt, λv 0,477 [W/mK] 4
Nhiệt dung riêng của ẩm trong nước cam, Ca 4,182 [kJ/kgK]
Năng suất sấy được quy đổi sang năng suất khối lượng bằng:
G2=30.10−3.1079=32,37kg/h
Theo [4] [7], lượng ẩm bay hơi trong một giờ được xác định bằng công thức:
W=G1−G2=G2
ω11−−ωω12 (2.1) Trong đó:
• G , – Lượng vật liệu cấp vào thiết bị sấy và năng suất sấy, kg/h 1 G2
• W - Lượng ẩm cần bay hơi trong một giờ, kgh/h
• ω , – Độ ẩm tương đối của nước cam trước và sau quá trình sấy, %, được xác 1 ω2 định ở bảng 1.2