Nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống chiên chân không năng suất 20kg nguyên liệu khoai tây mẻ

TĨM TẮT Trong nghiên cứu này, chúng tơi tính toán, thiết kế chế tạo hệ thống chiên chân không suất 20 kg nguyên liệu khoai tây/mẻ Với số liệu tóm tắt sau: Chi tiết Buồng chiên Lớp cách nhiệt Khung nhập liệu Cửa nhập liệu Giỏ nhập liệu Ống dẫn khí Bơm chân khơng Máy nén Dàn nóng Hệ thống ngưng tụ ẩm Bình tách lỏng Thơng số - Đường kính trong: 560 mm - Chiều cao: 1150 mm - Độ dày: mm - Bề dày: mm - Đường kính trong: 560 mm - Chiều cao: 700 mm - Hình vng có cạnh 350 mm - Đường kính x chiều cao: 540 x 240 mm - Độ dày: mm - Đường kính: 20 mm - N= 2Hp/3 pha/220V/f = 50 Hz - Công suất điện HP - Công suất điện HP - Đường kính trong: 270 mm - Chiều dài: 380 mm - Số lượng ống: 209 ống - Chiều cao thân trụ: 300 mm - Đường kính 170 mm - Chiều cao phễu: 99 mm - Góc nghiêng nón: 45o Các thông số ban đầu sử dụng cho q trình tính tốn: độ ẩm ban đầu độ ẩm cuối nguyên liệu khoai tây 89% 5%, khối lượng riêng nguyên liệu khoai tây 1034 kg/m3, nhiệt độ chiên: khảo sát 80°C, 90°C, 100°C thời gian chiên giả định phút, 10 phút, 12 phút , áp suất chân không buồng chiên 680 mmHg, thơng số khơng khí TP.HCM tmt = 30°C; w = 74%; d ≈ 0,0202 kg/kgkk; h = 81,76 kJ/kgkkk Toàn hệ thống điều khiển tự động Hệ thống cảm biến điều khiển nhiệt độ thiết kế phù hợp tự động đóng, mở trình gia nhiệt nhiệt độ đạt yêu cầu, tiết kiệm điện Sau chế tạo, tiến hành chiên mẫu nguyên liệu khoai tây để kiểm tra hiệu chỉnh thiết bị, mẫu chiên theo chế độ phù hợp, đảm bảo tính chất cảm quan, màu sắc phù hợp hương vị đặc trưng MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 ĐẶT VẤN ĐỀ MỤC TIÊU 3 ĐỐI TƯỢNG VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC Ý NGHĨA THỰC TIỄN BỐ CỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CHIÊN CHÂN KHÔNG 1.1 Tổng quan chiên 1.1.1 Cơ sở khoa học chiên 1.1.2 Phân loại phương pháp chiên 1.1.2.1 Chiên bề mặt (Pan frying) 1.1.2.3 Chiên bề sâu (Deep frying) 1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình chiên 1.1.4 Một số thiết bị chiên thị trường 1.1.4.1 Thiết bị chiên theo mẻ 1.1.4.2 Thiết bị chiên liên tục 10 1.2 Các biến đổi nguyên vật liệu diễn trình chiên 14 1.2.1 Biến đổi vật lý 14 1.2.2 Biến đổi hoá lý 15 1.2.3 Biến đổi hoá học 16 1.2.4 Biến đổi sinh học hoá sinh 19 1.3 Phân tích lựa chọn phương pháp chiên 20 1.4 Công nghệ chiên chân không 22 1.4.1 Giới thiệu chiên chân không 22 1.4.1.1 Định nghĩa 22 1.4.1.2 Nguyên lý hoạt động trình chiên chân khơng 22 1.4.1.3 Các giai đoạn kỹ thuật chiên chân không 23 1.4.1.4 Tình hình nghiên cứu công nghệ chiên chân không 26 1.4.1.4.1 Tình hình nghiên cứu nước 27 1.4.1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 29 1.4.2 Ứng dụng chiên chân không sản xuất thực phẩm 29 1.5 Ưu nhược điểm công nghệ chiên chân không 32 1.5.1 Ưu điểm chiên chân không 32 1.5.1.1 Bảo toàn hợp chất có lợi 32 1.5.1.2 Giảm thiểu tạo hợp chất độc hại 34 1.5.1.3 Bảo toàn chất lượng dầu 35 1.5.1.4 Giảm hấp thụ dầu thực phẩm chiên chân không 35 1.5.2 Nhược điểm chiên chân không 36 1.6 Hệ thống thiết bị chiên chân không 36 NGUYÊN LIỆU CHIÊN – KHOAI TÂY 39 2.1 Tổng quan khoai tây 39 2.1.1 Giới thiệu khoai tây 39 2.1.2 Tình hình trồng trọt phân bố sản lượng khoai tây 40 2.1.3 Phân loại 42 2.1.4 Đặc điểm sinh học, thích nghi khoai tây 47 2.1.5 Thành phần hoá học củ khoai tây 49 2.1.5.1 Chất khô 50 2.1.5.2 Tinh bột 51 2.1.5.3 Đường 51 2.1.5.4 Pectin 52 2.1.5.5 Cellulose 52 2.1.5.6 Hemicellulose 52 2.1.5.7 Protein hợp chất chứa nitơ 52 2.1.5.8 Lipid 53 2.1.5.9 Vitamin 53 2.1.5.10 Chất khoáng 53 2.1.5.11 Acid hữu 54 2.1.5.12 Các glycosid (chất đắng) 54 2.1.5.13 Các chất màu 55 2.1.6 Độc tính khoai tây 55 2.1.7 Công dụng khoai tây 56 2.1.7.1 Lợi ích sức khoẻ khoai tây 56 2.1.7.2 Khoai tây với dinh dưỡng học 57 2.1.7.3 Công dụng khác 59 2.2 Khoai tây chiên 60 2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình sản xuất khoai tây chiên 61 2.2.1.1 Giống khoai tây 61 2.2.1.2 Độ trưởng thành 62 2.2.1.3 Nhân tố trồng trọt 62 2.2.1.4 Hàm lượng đường khử thành phần khác 62 2.2.2 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng khoai tây chiên 63 2.2.2.1 Tiêu chuẩn nguyên liệu khoai tây 63 2.2.2.2 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng khoai tây chiên 63 2.3 Quy trình chế biến khoai tây chiên chân không 64 2.3.1 Sơ đồ quy trình 64 2.3.2 Thuyết minh quy trình 65 2.3.2.3 Gọt vỏ 66 2.3.2.6 Làm dầu 70 2.3.2.7 Đóng gói 71 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 73 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ VÀ CÁC U CẦU TÍNH TỐN CỦA HỆ THỐNG CHIÊN CHÂN KHÔNG 73 1.1 Sơ đồ nguyên lý 73 1.2 Các u cầu tính tốn 75 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 76 2.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống 76 2.2 Phương pháp nghiên cứu tài liệu phân tích tổng hợp 78 2.3 Phương pháp đánh giá chất lượng sản phẩm hiệu chỉnh thông số máy thực nghiệm 79 2.3.1 Đánh giá dựa số peroxide 79 2.3.2 Đánh giá cảm quan sản phẩm 81 CHƯƠNG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ .84 TÍNH TỐN THIẾT BỊ 84 1.1 Các thông số nguyên liệu 84 1.2 Thực nghiệm 84 1.3 Tính tốn cân vật chất 85 1.4 Tính toán cân lượng 86 1.5 Tính tốn thiết bị 87 1.5.1 Thiết kế buồng chiên 87 1.5.2 Thiết kế khoang nhập liệu 88 1.5.3 Thiết kế cửa nhập liệu 88 1.5.4 Thiết kế nắp thiết bị 88 1.5.5 Thiết kế khung đặt giỏ nguyên liệu 88 1.5.6 Tính tốn bề dày thiết bị chiên 89 1.5.7 Tính tốn bề dày lớp cách nhiệt thân thiết bị 90 1.5.8 Tính tốn đường kính ống dẫn khí 91 1.6 Tính tốn lựa chọn bơm chân khơng 92 1.7 Tính tốn phụ tải lạnh 93 1.8 Tính tốn hệ thống ngưng tụ ẩm 94 1.9 Tính tốn chọn chu trình lạnh 98 1.10 Tính tốn chọn máy nén lạnh 100 1.11 Tính tốn diện tích trao đổi nhiệt dàn nóng 102 1.12 Tính tốn chọn thiết bị phụ 103 1.13 Bình tách lỏng 103 XÂY DỰNG BẢN VẼ 105 2.1 Bản vẽ thiết kế máy chiên hệ thống chiên chân không 105 2.2 Bản vẽ thiết kế cụm trục visme hệ thống chiên chân không 105 2.3 Bản vẽ thiết kế chi tiết nồi chiên hệ thống chiên chân không 105 2.2 Bản vẽ thiết kế thân ống buồng chiên hệ thống chiên chân không 105 2.5 Bản vẽ thiết kế cụm chi tiết buồng chiên hệ thống chiên chân không 105 2.6 Bản vẽ thiết kế cửa buồng chiên hệ thống chiên chân không 105 2.7 Bản vẽ thiết kế thiết bị tách lỏng hệ thống chiên chân không 105 2.8 Bản vẽ thiết kế thiết bị ly tâm hệ thống chiên chân không 105 2.9 Bản vẽ thiết kế thiết bị ngưng tụ hệ thống chiên chân không 106 2.10 Bản vẽ thiết kế thiết bị ngưng tụ hệ thống chiên chân không 106 CHẾ TẠO HỆ THỐNG CHIÊN CHÂN KHÔNG 106 3.1 Quy trình chế tạo mơ hình hệ thống chiên chân khơng 106 3.2 Hệ thống chế tạo hoàn chỉnh 110 3.2.1 Hệ thống nồi chiên chân không 111 3.2.2 Hệ thống làm lạnh 112 3.2.2.1 Bình ngưng ẩm cho nồi chiên 112 3.2.2.2 Hệ thống máy nén dàn nóng 112 3.2.3 Hệ thống tách dầu 113 3.2.4 Hệ thống bơm chân không 114 3.2.5 Thiết bị ly tâm 115 3.2.6 Tủ điện 115 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 117 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CHIÊN CHÂN KHÔNG 117 1.1 Nguyên tắc 117 1.2 Thiết kế phần động lực hệ thống chiên chân không 118 1.3 Thiết kế phần điều khiển hệ thống chiên chân không 119 CHƯƠNG TRÌNH TỰ ĐỘNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHIÊN CHÂN KHÔNG 120 CHƯƠNG KHẢO NGHIỆM THỰC TẾ, HIỆU CHỈNH THIẾT BỊ CHIÊN CHÂN KHÔNG 121 Khảo nghiệm thực tế 121 1.1 Mục đích 121 1.2 Bố trí thí nghiệm 121 1.2.1 Đánh giá cảm quan 121 1.2.2 Đánh giá dựa số Peroxide 123 1.3 Kết bàn luận 123 1.3.1 Kết thí nghiệm cảm quan 123 1.3.2 Đánh giá số peroxide 129 HIỆU CHỈNH THIẾT BỊ 129 CHƯƠNG TÍNH TỐN KINH TẾ 136 TÍNH TỐN KINH TẾ CHO HỆ THỐNG CHIÊN CHÂN KHƠNG VÀ SẢN PHẨM 136 1.1 Chi phí chế tạo hệ thống chiên chân không: 136 1.2 Tính tốn kinh tế cho sản phẩm 137 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 139 PHỤ LỤC .141 PHỤ LỤC ĐỒ THỊ P-H CỦA R22 141 PHỤ LỤC BẢNG GIÁ TRỊ TỚI HAN STUDENT TΑ(N) 142 PHỤ LỤC KHOẢNG CÁCH CÓ NGHĨA CỦA CHUẨN TSTUDENT Ở MỨC Ý NGHĨA Α=5% 143 PHỤ LỤC ĐẶC TÍNH CỦA NƯỚC VÀ HƠI NƯỚC Ở TRẠNG THÁI BÃO HÒA (THEO ÁP SUẤT) 144 PHỤ LỤC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM PEROXIDE MẪU KHOAI TÂY CHIÊN THƯỜNG 145 PHỤ LỤC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM PEROXIDE MẪU KHOAI TÂY CHIÊN CHÂN KHÔNG 146 PHỤ LỤC 7: BẢN VẼ MÁY CHIÊN CHÂN KHÔNG 147 PHỤ LỤC 8: BẢN VẼ CHI TIẾT CỤM TRỤC VISME 148 PHỤ LỤC 9: BẢN VẼ CHI TIẾT NỒI CHIÊN 149 PHỤ LỤC 10: BẢN VẼ CHI TIẾT THÂN ỐNG BUỒNG CHIÊN 150 PHỤ LỤC 11: BẢN VẼ CỤM CHI TIẾT BUỒNG CHIÊN 151 PHỤ LỤC 12: BẢN VẼ CHI TIẾT CỬA BUỒNG CHIÊN 152 PHỤ LỤC 13: BẢN VẼ THIẾT BỊ TÁCH LỎNG 153 PHỤ LỤC 14: BẢN VẼ THIẾT BỊ LY TÂM 154 PHỤ LỤC 15: BẢN VẼ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 155 PHỤ LỤC 16: BẢN VẼ MẶT CẮT THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 156 PHỤ LỤC 17 CHƯƠNG TRÌNH TỰ ĐỘNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHIÊN CHÂN KHÔNG 157 TÀI LIỆU THAM KHẢO .164 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Truyền nhiệt truyền khối chiên bề mặt chiên bề sâu Hình 1.2 Ảnh hưởng áp suất chân khơng đến độ ẩm khoai tây chiên trình chiên .9 Hình 1.3 Thiết bị chiên theo mẻ .10 Hình 1.4 Thiết bị chiên bề sâu liên tục .11 Hình0.5 Các cách xếp băng tải khác nhau: (a) sản phẩm mềm, khơng (ví dụ que cá); (b) sản phẩm chiên xù; (c) sản phẩm số lượng lớn, khơ, ( ví dụ bán thành phẩm snack); (d) mục đích kép (ví dụ đậu phộng snack) .12 Hình 1.6 Thiết bị chiên bề sâu liên tục .13 Hình 1.7 Nguyên liệu khoai tây trước sau chiên 14 Hình 1.8 Các q trình vật lý hóa học diễn trình chiên 15 Hình 1.9 Sự thủy phân chất béo 17 Hình 1.10 Sự oxy hóa chất béo 18 Hình 1.11 Sự polymer hóa chất béo 18 Hình 1.12 Các phương pháp chiên .20 Hình 1.13 Độ ẩm giảm theo thời gian chiên .24 Hình 1.14 Quá trình thay đổi nhiệt độ trung tâm bề mặt khoai tây chiên trình chiên chân không 130 0C (độ dày lát = 2,6 mm) 26 Hình 1.15 Một số sản phẩm chiên chân không thị trường .30 Hình 1.16 Trái chiên chân không .31 Hình 1.17 Sản phẩm khoai tây chiên lát mỏng (potato chip) 31 Hình 1.18 So sánh lát táo chiên, củ cải đỏ, cà rốt khoai tây chiên điều kiện chiên chân không chiên điều kiện thường 34 Hình 1.19 Mơ hình hệ thống chiên chân không 36 Hình 1.20 Sơ đồ hệ thống thiết bị điều khiển 37 Hình 1.21 Hệ thống chiên chân khơng TWIN-100 38 Hình 1.22 Phân bố khoai tây tự nhiên Bắc – Nam Hoa Kỳ (Correll, D.S, 1962) 40 Hình 1.23 Bản đồ phân bố vùng trồng khoai tây Việt Nam 42 Hình 1.24 Khoai tây trắng - khoai tây nâu - khoai tây đỏ .43 Hình 1.25 Một số giống khoai tây ruột vàng 44 Hình 1.26 Giống khoai tây Eben 45 Hình 1.27 Giống khoai lang ruột tím 45 Hình 1.28 Cây, hoa, củ, khoai tây .48 Hình 1.29 Một số loại củ khoai tây 48 Hình 1.30 Mầm khoai tây gây độc 56 Hình 1.31 Khoai tây chiên với dạng tạo hình 60 Hình 1.32 Sơ đồ quy trình sản xuất khoai tây chiên chân không .65 Hình 1.33 Mơ tả qúa trình rửa xối 65 Hình 1.34 Khoai tây sau gọt vỏ 66 Hình 1.35 Khoai tây sau cắt lát 67 Hình 1.36: Sự so sánh sinh acrylamide phương pháp chiên thông thường chiên chân không 69 Hình 1.37 Thành phẩm khoai tây sau chiên chân không 70 Hình 1.38: Sản phẩm khoai tây chiên hoàn chỉnh 71 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống chiên chân không .73 Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu xác lập chế độ công nghệ chiên chân không .77 Hình 2.3 Quy trình xác định số peroxide 80 Hình 3.1 Kích thước buồng chiên .87 Hình 3.2 Chế tạo thiết bị chiên chân khơng 107 Hình 3.3 Thiết kế bảng điện điều khiển hệ thống chiên chân khơng 108 Hình 3.4 Hệ thống chiên chân khơng hồn chỉnh 110 Hình 3.5 Nồi chiên chân không 111 Hình 3.6 Giỏ chiên 112 Hình 3.7 Bình ngưng ẩm cho nồi chiên 112 Hình 3.8 Máy nén 113 Hình 3.9 Dàn nóng 113 Hình 3.10 Đồng hồ cao áp thấp áp 113 Hình 3.11 Bình tách lỏng 114 Hình 3.12 Bơm chân không 114 Hình 3.13 Thiết bị ly tâm 115 Hình 3.14 Tủ điện 116 Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống tự động điều khiển thông minh .117 Hình 4.2 Quy tắc hoạt động tự động hệ thống chiên chân không 118 Hình 4.3 Mạch điện động lực hệ thống chiên chân không .118 Hình 4.4 Mạch điều khiển nhiệt độ .119 Hình 4.5 Mạch điều khiển dàn lạnh 119 Hình 4.6 Mạch điều khiển áp suất 120 Hình 5.1 Các sản phẩm khoai tây chiên thu sau khảo sát 122 Hình 5.2 Sản phẩm khoai tây yêu thích 128 Hình 5.3 Màn hình cảm ứng hệ thống chiên chân không .130 Hình 5.4 Thiết bị đèn hệ thống chiên chân không .131 Hình 5.5 Quy trình cơng nghệ chiên chân khơng 132 Hình 5.6 Khoai tây nguyên liệu 133 Hình 5.7 Sản phẩm khoai tây chiên hoàn thiện 135 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số sản phẩm từ chuyển hóa chất béo trình chiên 15 Bảng 1.2 Sản xuất khoai tây, theo vùng năm 2011 nguồn FAOSTAT 41 Bảng 1.3 Phân loại khoai tây theo màu vỏ .43 Bảng 1.4 Một giống khoai tây thông dụng Việt Nam (Trần Danh Sửu, 2017) .45 Bảng 1.5 Thành phần hoá học khoai tây (Krokida, 2000) 49 Bảng 1.6 Thành phần chất khoáng gồm cấu tử sau: (theo % chất khô tro) 53 Bảng 1.7 Chỉ số cảm quan khoai tây chiên .63 Bảng 1.8 Chỉ tiêu vi sinh vật 72 Bảng 2.1 Bậc đánh giá chất lượng TCVN 3215:79 81 Bảng 3.1 Các thông số 84 Bảng 3.2 Kết thực nghiệm 84 Bảng 3.3 Giá trị C, n = f(Ra) 95 Bảng 3.4 Các thơng số chu trình lạnh .100 Bảng 3.5 Bảng tổng kết số liệu tính tốn 104 Bảng 5.1 Danh sách mẫu cảm quan 122 Bảng 5.2 Mã hoá mẫu cảm quan 123 Bảng 5.3 Kết đánh giá cảm quan .123 Bảng 5.4 Phương sai .127 Bảng 5.5 Điểm cảm quan theo thứ tự giảm dần mẫu 127 Bảng 5.6 Sự khác độ yêu thích mẫu 128 Bảng 5.7 Kết độ yêu thích mẫu 128 Bảng 5.8 Kết đo số peroxide 129 Bảng 5.9 Hiệu chỉnh thiết bị 129 Bảng 6.1 Bảng chi phí chế tạo hế thống chiên chân không 136 Phụ lục 17 Chương trình tự động đo lường điều khiển hệ thống chiên chân không #include #include "ModbusRtu.h" #include #include #define temp1_pin #define temp2_pin #define Y0 30 #define Y1 31 #define Y2 32 #define Y3 33 #define Y2 32 #define Y5 35 #define Y6 36 #define Y7 37 #define Cap_nhiet Y0 #define Run_quat Y1 #define Bom_chan_khong Y2 #define Dc_up Y5 #define Dc_down Y2 OneWire ds1(temp1_pin); OneWire ds2(temp2_pin); #define machine_waitting #define machine_Auto #define machine_Manual #define machine_stopping #define ready_run float Pres; 157 int ADC_value; static float Pset,Hset,Vset,Tset; byte PID_en=0; double Setpoint, Input, Output; double Kp=80, Ki=20, Kd=120; PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT); int WindowSize = 5000; unsigned long windowStartTime; uint8_t machine_status; boolean Auto = false , Run = false ,Stop = false, cap_nhiet = false; float temper_setting, temper_dau_display,temper_ngungtu_display,temper,temper1; unsigned int ap_suat_setting , cycle_uv_setting,ap_suat_display ; int time_dc_setting ,time_setting , time_display,time_run_UV = 0,time_UV = 0; float v,f; long count2,count3,time_dc; //modbus rtu -Modbus slave(1,3,7); int8_t state = 0; //// unsigned long tempus; //// uint16_t au16data[16]; //// unsigned long count=millis(); int temp1; byte count_time = 0; void setup() { Serial.begin(9600); io_setup(); slave.begin(9600); //// 158 tempus = millis() + 100; pinMode(7,OUTPUT); PID_en = 0; } void hmi_poll() { temper_setting = au16data[1]; ap_suat_setting = au16data[2]; time_setting = au16data[3]; time_dc_setting = au16data[9]; au16data[2] = temper_dau_display*10; au16data[5] = temper_ngungtu_display*10; au16data[6] = Pres*10; au16data[7] = (time_display/60); type_s = 1; break; case 0x28: //Serial.println(" Chip = DS18B20"); type_s = 0; break; case 0x22: //Serial.println(" Chip = DS1822"); type_s = 0; break; default: //Serial.println("Device is not a DS18x20 family device."); return; } 159 ds1.reset(); ds1.select(addr); ds1.write(0x22, 1); delay(750); // start conversion, with parasite power on at the end // maybe 750ms is enough, maybe not // we might a ds.depower() here, but the reset will take care of it present = ds1.reset(); ds1.select(addr); ds1.write(0xBE); // Read Scratchpad for ( i = 0; i < 9; i++) { // we need bytes data[i] = ds1.read(); } int16_t raw = (data[1]