Bài tập lớn: kỹ thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn A - LỜI MỞ ĐẦU: Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng trong rất nhiều ngành công nông nghiệp. Trong công nghiệp chế biến nông lâm, hải sản kỹ thuật sấy đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới với gần 80% dân số làm nghề nông nên các loại nông sản thực phẩm đa dạng, phong phú và có sản lượng rất lớn. Vì vậy, nghiên cứu phát triển công nghệ sấy các loại nông sản thực phẩm có thể coi là nhiệm vụ chiến lược trong sự nghiệp phát triển kinh tế. Trước đây, nông sản thực phẩm được phơi dưới ánh nắng mặt trời nên sản phẩm thu được thường có chất lượng thấp, thời gian phơi sấy lâu và bị phụ thuộc vào thời tiết. Công nghệ sấy phát triển cho ta tạo ra các sản phẩm có giá trị và chất lượng cao Trong bài tập lớn này, đề tài của chúng tôi có nhiệm vụ: nghiên cứu công nghệ sấy lạnh và tính toán thiết kế hệ thống sấy hầm dùng để sấy 500 kg thuốc lá/ mẻ. Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ, thiết kế hệ thống sấy mang tính chất đào sâu chuyên nghành. Do kiến thức và tài liệu tham khảo còn hạn chế, nên chúng tôi không thể tránh khỏi sai sót trong quá trình thiết kế. Chúng tôi, mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của Thầy Giáo Hà Văn Tuấn để chúng tôi có thể hoàn thành tốt bài tập lớn này, trong thời gian som nhất Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: 1. Hồ Sỹ Tuần 2. Tạ Quốc Vũ 3. Trần Việt 4. Trần Ngọc Vĩnh 5. Lê Cường Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 1 Bài tập lớn: kỹ thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn MỤC LỤC Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 2 Bài tập lớn: kỹ thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn B - NỘI DUNG CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH I.Giới thiệu về công nghệ sấy lạnh Phương pháp sấy lạnh là ứng dụng công nghệ sáy nhiệt độ thấp để bảo quản và chế biến nông sản, thực phẩm. Phương pháp này được thực hiện bằng cách giảm độ ẩm tương đối trong không khí để tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hơi nức trong không khí và hơi nước trong nông sản, thực phẩm. Bằng cách này độ ẩm sẽ tách ra khỏi nông sản, thực phẩm và đi vào không khí. Khi làm lạnh không khí trong thiết bị trao đổi nhiệt xuống thấp hơn nhiệt độ đọng sương, không khí bảo hòa ẩm sẽ ngưng đọng và tách ra khỏi không khí. Không khí sau đó đi qua dàn nóng sẽ sấy khô nông sản, thực phẩm. Ưu điểm của công nghệ này sấy lạnh có thể xây dựng được từng quy trình công nghệ sấy hợp lý đối với từng loại rau, củ, quả. Sau khi sấy, nông sản thực phẩm giữ được nguyên màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng thất thoát không đáng kể (khoảng 5%), nói cách khác là không làm biến chất sản phẩm, đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm của Việt Nam và các chỉ tiêu kỹ thuật. II.Các hệ thống sấy lạnh 1. Hệ thống sấy có nhiệt độ sấy lạnh 0C < t < t Việt Nam là một nước có khí hậu nóng ẩm, vì thế hút ẩm và sấy lạnh là những công nghệ đặc biệt phù hợp với các loại nông sản thực phẩm mà vẫn đảm bảo được chất lượng như hàm lượng dinh dưỡng, màu sắc, mùi vị cho sản phẩm. Đối với các sản phẩm như củ cà rốt, thì là, hành môi trường chế biến những sản phẩm này yêu cầu về nhiệt độ không được quá 25 C và độ ẩm phải nhỏ hơn 45 - 50%. Do đó sấy lạnh là giải pháp hữu hiệu nhất để thực hiện chức năng hút ẩm và sấy lạnh. Tính mới của công nghệ này là quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp, tạo môi trường nhiệt độ cùng chiều với môi trường độ ẩm để tăng cường độ sấy. Mặt khác, máy lạnh này được bảo vệ hành trình hút ẩm theo phương thức đơn giản, an toàn và dễ thực hiện. Ngoài ra, công nghệ này có nhiều ưu điểm kĩ thuật khác như: hút ẩm nhưng không làm tăng nhiệt độ môi trường. Không chỉ có các ưu điểm về kĩ thuật thông thường, công nghệ này còn có một ưu điểm đặc biệt khác là giá thành lắp đặt rẻ hơn rất nhiều so với các thiết bị ngoại nhập (giảm được 46% chi phí), nguồn nguyên nhiên liệu sử dụng cũng thấp hơn các công nghệ sấy khác (giảm 45%). Riêng chất lượng, sau khi ứng dụng sản xuất tại Viện Công nghệ thực thẩm cho thấy: củ cà rốt vẫn giữ được màu đỏ tự nhiên, bóng thẳng, củ cải trắng ngà, thẳng và xốp, hành xanh tự nhiên, giữ nguyên mùi thơm, thì là xanh tự nhiên, mùi thơm mạnh. Với các mặt ưu điểm trên thì công nghệ hút ẩm và sấy lạnh bằng bơm nhiệt này có khả năng ứng dụng rất cao cho nhiều loại sản phẩm khác nhau như nông sản (cà rốt, hành, dược liệu …). Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 3 Bài tập lớn: kỹ thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn 2. Hệ thống sấy thăng hoa Sấy thăng hoa là phương pháp sấy bằng cách hạ thấp nhiệt độ sản phẩm sấy xuống dưới điểm đông lạnh (dưới -10oC) và được đặt trong bình chân không có áp suất gần với áp suất chân không tuyệt đối, khi đó nước thoát ra khỏi sản phẩm sấy ở trạng thái rắn, tức là thăng hoa ẩm. Mô hình hệ thống thiết bị sấy thăng hoa gồm 5 bộ phận: bình thăng hoa, bình ngưng của máy lạnh, máy nén của máy lạnh, bình ngưng-đóng băng, bơm chân không. Pương pháp sấy thăng hoa thực hiện bằng cách làm lạnh vật đồng thời hút chân không để cho vật sấy đạt đến trạng thái thăng hoa của nước. Âm thoát ra khỏi vật nhờ quá trình thăng hoa. a. Giới thiệu hệ thống máy sấy thăng hoa  Thông số kỹ thuật: - Năng suất 10 kg nguyên liệu/mẻ. - Nhiệt độ lạnh đông (-45 ÷ -25) C, nhiệt độ thăng hoa (-45 ÷ 35) C - Áp suất buồng thăng hoa là 0.008 mmHg.  Tính năng: - Sấy ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp, sản phẩm giữ được tính chất ban đầu của nguyên liệu như: Protein, lipid, gluxit, vitamin,… màu sắc và mùi vị không bị phá hủy, đây là ưu điểm vượt trội mà không có phương pháp nào có thể làm được. - Hệ thống tự động hóa hoàn toàn bằng máy tính. - Quá trình lạnh đông sản phẩm trược tiếp ngay trong buồng thăng hoa. - Thời gian sấy rút ngắn xuống khoảng (10 - 14)h/mẻ do truyền nhiệt trong quá trình sấy bằng bức xạ nhiệt. - Thiết bị chế tạo trong nước nên giá thành khoảng bằng ¼ so với thiết bị ngọai nhập cùng năng suất.  Ứng dụng: Sản xuất và bảo quản các loại thực phẩm cao cấp, thực phẩm chức năng, các phế phẩm sinh học, dược phẩm,  Lĩnh vực áp dụng: - Công nghệ hóa học và thực phẩm. - Công nghệ sinh học, công nghệ emzyne, công nghệ tế bào. - Y học, phân tích,… - Trong các phòng thí ngiệm nghiên cứu.  Sản phẩm tiêu biểu: - Sấy thăng hoa cho các loại thực phẩm cao cấp. - Thực phẩm chức năng, vắc xin.  Hệ thống sấy thăng hoa luôn có 4 bộ phận chính - Bộ phận lanh đông ( dối với tất cả các loại máy STH có trên thị trường thì bộ phận này tách rời khỏi hệ thống, nó được lạnh đông bằng hệ thống lạnh riêng). - Buồng thăng hoa chứa sản phẩm sấy. - Hệ chân không. Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 4 Bài tập lớn: kỹ thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn - Hệ thông tự động điều khiển.  Quá trình sấy thăng hoa (STH) luôn trải qua 3 giai đoạn nối tiếp nhau: - Giai đoạn 1: lạnh đông sản phẩm ở nhiệt độ (-45 ÷ -25) C - Giai đoạn 2: sấy thăng hoa ở nhiệt độ (-45 ÷ 0) C, ở áp suất 0.008 mmHg. - Giai đoạn 3: sấy chân không ở nhiệt độ (0 ÷ 25) C, ở áp suất 0.008 mmHg. b.Sơ đồ cấu tạo Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 5 Bài tập lớn: kỹ thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn Bình thăng hoa (buồng sấy thăng hoa) Thường có cấu tạo hình trụ có đáy và nắp là các chỏm cầu. Nắp đậy có roăng chèn kín vì bình làm việc ở chế độ chân không 1 ÷ 0.1 mmHg. Vật liệu để trên khay đặt trên các giá cố định trong buồng sấy. Nhiệt cấp cho quá trình thăng hoa thực hiện bằng bức xạ từ những hộp kim loại dẹt đặt xen kẽ với các khay vật liệu. Chất tải nhiệt là nước được bơm vào các hộp kim loại. Đồng thời với nhiệt bức xạ ở phần vật liệu tiếp xúc với khay xảy ra quá trình dẫn nhiệt từ bề mặt tới vật liệu. Bình ngưng Bình ngưng có nhiệm vụ ngưng tụ hơi ẩm thoát ra và làm đóng băng ẩm này trong quá trình sấy, bình ngưng sẽ giảm nhẹ sự làm việc của bơm chân không. Bơm chân không Bơm chân không có nhiệm vụ hút khí tạo ra chân không ban đầu cho bình thăng hoa và trong thời gian sấy có nhiệm vụ hút hết khí không ngưng, bảo đảm sự làm việc của thiết bị. Hệ thống làm lạnh Hệ thống làm lạnh: nhiệm vụ của hệ thống làm lạnh là làm lạnh sản phẩm đến nhiệt độ yêu cầu (dưới điểm 3 thể) và làm lạnh bình ngưng để ngưng tụ và đóng băng ẩm thoát ra, tạo điều kiện duy trì chân không và chế độ làm việc trong hệ thống. c. Nguyên lý hoạt động Phương pháp sấy thăng hoa do kỹ sư G.I. Laappa-Stajenhexki phát minh năm 1921. Sấy thăng hoa thực hiện ở điều kiện áp suất và nhiệt độ thấp. Chế độ làm việc (áp suất và nhiệt độ) thấp hơn điểm 3 thể của nước (nhiệt độ 0,0098 C, áp suất 4,58mmHg). Ở áp suất nhất định nhiệt độ thăng hoa của vật chất là không đổi. Khi áp suất tăng thì nhiệt độ thăng hoa cũng tăng. Trong quá trình thăng hoa nhiệt lượng để bay hơi ẩm khoảng 672 ÷ 677 kcal/kg (nhiệt độ từ -100 ÷ 0 C). Ưu điểm của phương pháp sấy thăng hoa là: sấy ở nhiệt độ thấp nên giữ được các tính chất tươi sống của sản phẩm. Nếu dung để sấy thực phẩm sẽ giữ được chất lượng và hương vị của sản phẩm, không bị mất các vitamin,và tiêu hao năng lượng để bay hơi ẩm thấp. Tuy vậy sấy thăng hoa có nhược điểm là giá thành thiết bị cao: tiêu hao năng lượng lớn, tiêu hao điện năng lớn. Chỉ đứng sau kiểu sấy bằng dòng điện cao tần. Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 6 Bài tập lớn: kỹ thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn Quá trình sấy thăng hoa có 3 giai đoạn: Giai đoạn làm lạnh sản phẩm. Trong giai đoạn này do hút chân không làm áp suất trong buồng sấy giảm, ẩm thoát ra chiếm khoảng 10 ÷ 15%. Việc bay hơi ẩm làm cho vật liệu nhệt độ sấy giảm xuống dưới điểm 3 thể có thể làm lạnh vật liệu trong buồng lạnh riêng. Giai đoạn thăng hoa. Giai đoạn này chế dộ nhiệt trong buồng sấy đã ở chế độ thăng hoa. Ẩm trong vật dưới dạng rắn sẽ thăng hoa thành hơi và thoát ra khỏi vật. hơi ẩm này sẽ đến bình ngưng và ngưng lại thành lỏng sau đó thành băng bám trên thành ống. Trong giai đoạn này nhiệt độ vật không đổi. Giai đoạn bay hơi ẩm còn lại. Tronga giai đoạn này nhiệt độ của vật tăng lên. Ẩm trong vật là ẩm liên kết và ở trạng thái lỏng. Quá trinhd sấy ở giai đoạn này giống như quá trình sấy ở các thiết bị sấy chân không thông thường. Nhiệt độ trong buồng sấy lúc nào cũng cao hơn giai đoạn thăng hoa. d. Tính nhiệt các thiết bị cơ bản của hệ thống sấy thăng hoa Tính toán nhiệt quá trính sấy thăng hoa. Tiêu hao nhiệt trong sấy thăng hoa được xác định bằng phương trình: Q = Q + Q + Q - (Q’ + Q”), Trong đó: Q - nhiệt tiêu hao trong quá trình làm lạnh Q - nhiệt tiêu thụ trong quá trình thăng hoa Q - nhiệt để bay hơi ẩm còn lại Q’ - nhiệt toả ra của vật liệu trong quá trình làm lạnh từ nhiệt đô đầu đến nhiệt độ thăng hoa Q” - nhiệt toả ra trong chu kỳ bay hơi ẩm khi hút chân không. Vì Q’ + Q” dung để tiêu hao tong quá trình bay hơi ẩm khi hút chân không nên ta có: Q = Q’ + Q” Vì vậy”: Q = Q + Q Nhiệt trong buống sấy truyền đến vật bằng bức xạ là chủ yếu (75 ÷ 85). Nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt và đối lưu nhỏ vì vậy trong tính toán lấy truyền nhiệt bức xạ làm cơ sở, nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt và đối lưu chỉ được tính thêm bằng hệ số k = 1,2 ÷ 1,25. Do vậy diện tích bề mặt gia nhiệt là: 4 4 1 2 .4,9 ( ) ( ) 100 100 qd Q F T T K H ε =   −     Trong đó: H- hệ số tương hỗ giữ hai bề mặt song song H = 1. Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 7 Bài tập lớn: kỹ thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn d 1 1 2 2 1 1 1 ( 1) q F F ε ε ε = + − Trong đó: F - bề mặt tấm gia nhiệt. F - bề mặt vật liệu tiếp thu bức xạ. Tính toán bình ngưng Bình ngưng làm nhiệm vụ ngưng tụ và đóng băng ẩm thoát ra. Nhiệt toả ra trong bình ngưng là: Q = W’(r + r ) + W’C ( t - t ) Ở đây: W’ - lượng ẩm cần ngưng tụ r - nhiệt ngưng tụ bay hơi r - nhiệt đông đặc của nước C - nhiệt dung riêng của hơi t , t - nhiệt độ của hơi và của băng Mặt khác theo phương trình truyền nhiệt thì: Q = KF ∆t Ở đây: F - diện tích bề mặt ống trong bình ngưng ∆t - chênh nhiệt độ giữa hơi NH và hơi nước trong bình ngưng. 1 2 1 1 1 ct b ct b K δ δ α λ λ α = + + + Ở đây: δ , δ - chiều dày vách ống và chiều dày lớp băng Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của NH lỏng sôi trong ống là: α = 4,2( 1+ 0,007t )q Trong công thức này trị số mật độ dòng nhiệt q chưa biết, cần giả thiết sơ bộ sau đó kiểm tra lại. t là nhiệt độ bề mặt ống bình ngưng. Hệ số trao đổi nhiệt của hơi nước ngưng tụ bên ngoài ống của bình ngưng được xác định theo công thức: 2 2,75 ' 3600 q g λ α µ = 1.1 ( ) c b c T T T − − Trong đó: λ - hệ số dẫn nhiệt của hơi nước trong bình ngưng µ - độ nhớt động lực, q’- cường độ ngưng tụ của hơi, T - nhiệt độ bảo hoà của hơi trong bình ngưng, T - nhiệt độ của băng, Ta có: Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 8 Bài tập lớn: kỹ thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn q’ = Ở đây: W - lượng ẩm cần ngưng tụ n - số lượng bình ngưng F - diện tích bề mặt một bình ngưng Băng bám trên bề mặt làm xấu quá trình truyền nhiệt vì vậy có thể dung nhiều bình ngưng làm việc luân phiên để xả băng. Việc xả băng dung hơi NH nóng 30 ÷ 25 C (như việc xả đá của máy lạnh thông thường), hoặc dung hơi thoát từ quá trình sấy ở giai đoạn III thổi trực tiếp vào băng. Nhiệt làm tan bằng là: Q = Gr + GC( t - t ) + GC( t - t ) Ở đây: G - khối lượng băng, r - nhiệt đông đặc của nước, r = 80 kcal/kg C - nhiệt dung riêng của băng, C = 0,52 kcal/kgK t - nhiệt độ nước, t - nhiệt độ băng, G - khối lượng ống của bình ngưng, T, t - nhiệt độ đầu và cuối của ống, C - nhiệt dung riêng của ống, Khối lượng băng xác định theo công thức G = Fδρ, Trong đó: F - bề mặt bắm băng, δ - chiều dày lớp băng, ρ - khối lượng riêng của băng, Hệ số truyenf nhiệt từ hơi NH tới băng là: 1 1 1 a b a b K δ δ α λ λ = + + Ở đây: α - hệ số trao đổi nhiệt đối lưu từ hơi NH tới bề mặt ống: 2 2 3 1 1,177 F r q γ λ α µ = 1 3 1 1,177 F q α β = Trong đó: r - nhiệt hoá hơi của NH , γ - trọng lượng riêng của NH , λ - hệ số dẫn nhiệt của hơi NH, µ - độ nhớt động lực của NH, q - phụ tải nhiệt của bình ngưng trong điều liện làm viêc định mức q = Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 9 Bài tập lớn: kỹ thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn Q - nhiệt truyền cho bình ngưng, Thời gian xả băng là: T = , Q - nhiệt độ cần thiết để xả băng, ∆t - độ chênh nhiệt độ giữa hơi nóng và băng Xác định thời gian hút chân không Thời gian hút chân không là: T = K 2,3lg , Trong đó: V - thể tích bình thăng hoa, B - tốc độ hút thực của bơm, P - áp suất khí quyển, P - áp suất cần thiết trong bình thăng hoa, P - áp suất giới hạn tạo nên được của bơm, K - hệ số dự phòng 3. Hệ thống sấy chân không Phương pháp sấy chân không được áp dụng để sấy các loại vật liệu có chứa nhiều hàm lượng tinh dầu, hương hoa, dược phẩm; các nông sản thực phẩm có yêu cầu nhiệt độ sấy thấp nhằm giữ nguyên chất lượng và màu sắc, không gây phá hủy, biến tính các chất; và đặc biệt phương pháp sấy chân không được dùng để sấy các loại vật liệu khô chậm khó sấy (như gỗ sồi, gỗ giẻ ), các loại gỗ quí nhằm mang lại chất lượng sản phẩm sấy cao đáp ứng được các yêu cầu sử dụng trong và ngoài nước, rút ngắn đáng kể thời gian sấy,và đặc biệt là có khả năng tiến hành sấy ở nhiệt độ sấy thấp hơn nhiệt độ môi trường. Do đó sản phẩm sấy chân không giữ được hầu như đầy đủ các tính chất ban đầu của vật liệu, sản phẩm bảo quản lâu và ít bị tác động bởi điều kiện bên ngoài. Tuy có nhiều ưu điểm nhưng phương pháp sấy chân không vẫn còn chưa được sử dụng phổ biến trong công nghệ sấy nước nhà. Bởi do giá thành thiết bị cao, vận hành phức tạp, rất khó đảm bảo độ kín cho một hệ thống chân không lớn. Do đó phương pháp sấy này chỉ được áp dụng với quy mô nhỏ, dùng sấy những loại vật liệu quí hiếm, khô chậm, khó sấy và có yêu cầu cao về chất lượng. Một hệ thống sấy chân không thường được cấu tạo từ buồng sấy, thiết bị ngưng tụ và bơm chân không. Nguyên lý cơ bản của phương pháp sấy chân không đó là sự phụ thuộc vào áp suất điểm sôi của nước. Nếu làm giảm (hạ thấp) áp suất trong một thiết bị chân không xuống đến áp suất mà ở đấy nước trong vật bắt đầu sôi và bốc hơi sẽ tạo nên một dòng chênh lệch áp suất đáng kể dọc theo bề mặt vật, làm hình thành nên một dòng ẩm chuyển động trong vật liệu theo hướng từ trong ra bề mặt vật. Điều này có nghĩa là ở một áp suất nhất định nước sẽ có một điểm sôi nhất định, do vậy khi hút chân không sẽ làm cho áp suất trong vật giảm đi và đến mức nhiệt độ vật (cũng là nhiệt độ của nước trong vật) đạt đến nhiệt độ sôi của nước ở áp suất đấy, nước trong vật sẽ hóa hơi và làm tăng áp suất trong vật Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 10 . tốt bài tập lớn này, trong thời gian som nhất Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: 1. Hồ Sỹ Tuần 2. Tạ Quốc Vũ 3. Trần Việt 4. Trần Ngọc Vĩnh 5. Lê Cường Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 1 Bài tập lớn:. thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn MỤC LỤC Nhóm sinh viện thực hiện: 12 trang 2 Bài tập lớn: kỹ thuật sấy GVHD: Hà Văn Tuấn B - NỘI DUNG CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH I.Giới thiệu về công nghệ. truyền nhiệt vì vậy có thể dung nhiều bình ngưng làm việc luân phiên để xả băng. Việc xả băng dung hơi NH nóng 30 ÷ 25 C (như việc xả đá của máy lạnh thông thường), hoặc dung hơi thoát từ quá trình