TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU CHUỐI
Đặc điểm của chuối
Cây chuối, thuộc họ Musaceae và bộ Scitamineae, có nguồn gốc từ hai loại chuối dại là Musa acuminata và Musa balbisiana, được trồng với nhiều mục đích như lương thực, thực phẩm, dược phẩm và lấy sợi Theo các nhà thực vật học, họ Musaceae xuất phát từ vùng Đông Dương, Indonesia, Philippines, Nhật Bản và các đảo Thái Bình Dương, hiện nay được trồng rộng rãi ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, từ 30 độ Bắc đến 30 độ Nam Tại Việt Nam, cây chuối đã được trồng từ lâu, nhưng trước đây thường phát triển tự nhiên, ít được chăm sóc, dẫn đến năng suất và chất lượng thấp Gần đây, sản phẩm chuối Việt Nam đã được xuất khẩu sang nhiều nước, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể.
Thành phần hóa học của chuối
Chuối là loại quả giàu chất dinh dưỡng, chuối chín chứa 70 – 80% nước, 20 – 30% chất khô chủ yếu là đường, trong đó đường khử chiếm 55% Hàm lượng protein thấp 1
Chuối chứa 1,8% protein, chủ yếu là histidin, và hàm lượng chất béo rất thấp Acid trong chuối chiếm 0,2%, với các loại acid chủ yếu là acid malic và acid oxalic, mang lại vị chua dịu cho trái cây này Mặc dù hàm lượng vitamin trong chuối thấp hơn so với nhiều loại quả khác, nhưng nó vẫn cung cấp một lượng cân đối các vitamin như carotene, vitamin B1, C, acid panthotenic, acid folic và inositol Bên cạnh đó, chuối còn chứa muối khoáng, pectin và hợp chất polyphenol, với các khoáng chất chiếm hàm lượng đáng kể.
Bảng 1.1 Thành phần hóa của chuối (trong 100g)
Thành phần hóa học Chuối xanh Chuối chín
(nguồn: Theo ED informatics và The banana nutrition group (UK))
Công dụng của chuối
Chuối là một phương thuốc tự nhiên hiệu quả và cũng là nguồn thực phẩm giàu năng lượng nhờ chứa lượng đường cao Với các giá trị dinh dưỡng thiết yếu, loại trái cây này mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe.
Chuối là thực phẩm tuyệt vời cho hệ tiêu hóa, giúp cải thiện chức năng ruột và giảm thiểu tình trạng táo bón Ngoài ra, khi bị tiêu chảy, việc ăn chuối sẽ giúp cơ thể bổ sung lại lượng điện giải, đặc biệt là kali, mà chúng ta mất đi.
Axit béo có trong chuối xanh đóng vai trò quan trọng trong việc nuôi dưỡng tế bào niêm mạc dạ dày, giúp tăng cường khả năng hấp thụ canxi Việc hấp thụ canxi hiệu quả là rất cần thiết cho sự phát triển khỏe mạnh của hệ xương.
Chất amino acid tryptophan có trong chuối được chuyển hóa thành serotonin, giúp giảm triệu chứng trầm cảm và cải thiện tâm trạng Do đó, chuối là một phương thuốc hiệu quả để giảm căng thẳng và chống lại stress.
- Ăn chuối thường xuyên giúp giảm nguy cơ thoái hóa điểm vàng, một trong những nguyên nhân gây giảm thị lực ở người cao tuổi.
Chuối là một lựa chọn tuyệt vời để giảm nguy cơ huyết áp cao và đột quỵ nhờ vào hàm lượng kali cao và natri thấp.
- Chuối cũng rất giàu các hợp chất phenolic giúp chống lão hóa, vì thể ăn chuối thường xuyên còn giúp ngăn ngừa nguy cơ ung thư thận.
- Do hàm lƣợng sắt cao nên chuối giúp tăng thành phần hemoglobin trong máu và giảm thiểu bệnh thiếu máu.
Tính chất vật lý cơ bản của chuối
Nhiệt dung riêng: c = 1,0269 kJ/kg.độ
Hệ số dẫn nhiệt : = 0,52 W/m.độ
Kích thước của quả chuối: Đường kính: 2 – 5 cm
Khối lƣợng: 50 – 200 gr Độ ẩm vật liệu sấy
+ Độ ẩm của chuối trước khi đưa vào hầm sấy 1 = 70%+ Độ ẩm của chuối sau khi ra khỏi hầm sấy 2 = 20%
Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất chuối sấy
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT SẤY
Định nghĩa về sấy
Sấy là quá trình loại bỏ nước khỏi vật liệu thông qua nhiệt Nhiệt được truyền đến vật liệu ẩm bằng các phương pháp như dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc năng lượng điện trường tần số cao.
Mục đích của quá trình sấy
- Giảm khối lƣợng của vật liệu
- Tăng khả năng bảo quản
- Tăng giá trị giữ đƣợc những đặc tính tốt đặc trƣng của sản phẩm: độ giòn, dai, màu sắc, hương vị của sản phẩm
Tĩnh lực học của quá trình sấy
Trong tĩnh lực học, mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy và tác nhân sấy được xác định thông qua phương trình cân bằng vật chất và năng lượng Điều này cho phép xác định thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy.
Hỗn hợp không khí và hơi nước được gọi là hỗn hợp không khí ẩm Dưới đây là một số khái niệm đặc trưng liên quan đến hỗn hợp không khí ẩm.
- Độ ẩm tuyệt đối (hàm ẩm) của không khí, là lượng hơi nước, chứa trong 1 kg không khí khô ̅ (kg hơi nước/ kg không khí khô).
Độ ẩm tương đối của không khí, hay còn gọi là độ bão hòa hơi nước, được định nghĩa bằng tỷ lệ pA/PA, trong đó pA là áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm và PA là áp suất hơi bão hòa của nước ở nhiệt độ bầu khô Độ ẩm tương đối được ký hiệu là Khi lượng hơi nước trong không khí tăng đến mức bão hòa (pA = PA), độ ẩm tương đối đạt giá trị tối đa là 1 Mối quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối được thể hiện qua công thức ̅ với P là áp suất tổng có cùng đơn vị với PA.
Điểm sương là nhiệt độ giới hạn trong quá trình làm lạnh không khí ẩm với hàm ẩm không đổi Khi hỗn hợp không khí ẩm chưa bão hòa hơi nước được làm lạnh, nhiệt độ của nó giảm dần cho đến khi đạt trạng thái bão hòa, tức là hàm ẩm ̅ bằng 1 Nhiệt độ tương ứng với trạng thái bão hòa này được gọi là nhiệt độ điểm sương và được ký hiệu là ts.
- Nhiệt độ bầu khô: tk là nhiệt độ của hỗn hợp khí đƣợc xác định bằng nhiệt kế thông thường.
Nhiệt độ bầu ướt là nhiệt độ ổn định đạt được khi một lượng nhỏ nước bốc hơi vào hỗn hợp khí chưa bão hòa hơi nước trong điều kiện đoạn nhiệt Thông số này đặc trưng cho khả năng cấp nhiệt của không khí để làm bay hơi nước.
Nhiệt độ bầu ướt được xác định khi vật liệu ẩm đạt đến trạng thái bão hòa hơi nước, và thường được đo bằng nhiệt kế thông thường với bầu thủy ngân được bọc bằng vải ướt.
Thể tích của hỗn hợp không khí ẩm (vH) được xác định cho 1kg không khí khô (kkk) ở nhiệt độ và áp suất cố định, với đơn vị đo là m³/kg kkk Hằng số khí lý tưởng được sử dụng trong tính toán là R = 287 J/kg.K.
T – nhiệt độ tuyệt đối của không khí, K
P – áp suất tổng của hỗn hợp không khí ẩm, N/m 2
PA = pA – áp suất riêng phần của hơi nước, N/m 2
Enthalpy của hỗn hợp không khí ẩm, ký hiệu là H, được tính bằng tổng enthalpy của không khí và hơi nước trong hỗn hợp Đối với hỗn hợp không khí ẩm chứa 1kg không khí khô, enthalpy được biểu diễn bằng công thức ̅ , J/kg kkk (2.3), trong đó Ck là nhiệt dung riêng của không khí khô.
J/kg o C t – nhiệt độ của không khí, o C
HA – enthalpy của hơi nước ở nhiệt độ t, J/kg được xác định theo công thức sau:
Hh = ro + Cht = (2493 + 1,97t).10 3 , J/kg (2.4) với: ro = 2493.10 3 – enthalpy của hơi nước ở 0 o C, J/kg
C h = 1,97.10 3 – nhiệt dung riêng của hơi nước, J/kg o C
Thay (2.4) vào (2.3) và lấy nhiệt dung riêng của không khí là 1000 J/kg o C sẽ đƣợc:
H = 1000t + ̅ (2493 + 1,97t).103 , J/kg kkk (2.5) hay H = (100 + 1,97.10 3 ̅ ) t + 2493.103 ̅ , J/kg kkk (2.6)
Thành phần trong dấu ngoặc (1000 + 1,97.10 3 ̅ ) là nhiệt dung riêng của không khí ẩm có hàm ẩm là ̅
Động lực học của quá trình sấy
Trong động lực học, việc nghiên cứu mối quan hệ giữa sự biến thiên độ ẩm của vật liệu và thời gian cùng các thông số quá trình là rất quan trọng Những yếu tố như tính chất và cấu trúc của vật liệu, kích thước của chúng, cũng như điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy sẽ được xem xét Từ đó, có thể xác định chế độ sấy, tốc độ sấy và thời gian sấy phù hợp, đảm bảo hiệu quả tối ưu trong quá trình sấy.
Quá trình sấy đặc trưng bởi sự dịch chuyển ẩm bên trong vật thể, với động lực chính là sự di chuyển ẩm từ bề mặt vật ra môi trường xung quanh.
Khi vật liệu được đốt nóng, áp suất hơi nước trong vật sẽ tăng lên Nếu áp suất hơi trong môi trường xung quanh không thay đổi, sự chênh lệch áp suất sẽ gia tăng, từ đó thúc đẩy quá trình sấy Điều này chính là nguyên lý hoạt động của các thiết bị sấy bức xạ và sấy bằng dòng điện cao tầng.
Nếu vật liệu sấy không được đốt nóng mà giảm áp suất hơi nước của môi trường xung quanh, quá trình sấy sẽ diễn ra một cách động lực Đây là nguyên tắc cơ bản của các phương pháp sấy đẳng nhiệt, sấy chân không và sấy thăng hoa.
Một số nhân tố ảnh hưởng tới tốc độ sấy
2.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí
Trong quá trình làm khô, việc nâng cao nhiệt độ có thể tăng nhanh tốc độ làm khô do giảm lượng nước trong nguyên liệu, nhưng cần phải giữ nhiệt độ trong giới hạn cho phép để tránh ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm Nhiệt độ quá cao có thể làm nguyên liệu bị chín và tạo lớp màng cứng, cản trở sự thoát nước, trong khi nhiệt độ quá thấp sẽ làm chậm quá trình khô, dẫn đến thối rữa Nhiệt độ sấy phù hợp phụ thuộc vào độ dày của nguyên liệu và cấu trúc của nó Khi sấy ở nhiệt độ trên 60°C, protein sẽ bị biến tính, và trên 90°C, fructaza sẽ bắt đầu caramen hóa, tạo ra melanoidin và các phản ứng hóa học khác Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng, nguyên liệu có thể bị cháy, làm mất giá trị dinh dưỡng và cảm quan Quá trình làm khô cũng làm mất cân bằng giữa khuếch tán nội và ngoại, dẫn đến hiện tượng tạo vỏ cứng, ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình sấy.
2.5.2 Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí
Tốc độ chuyển động của không khí đóng vai trò quan trọng trong quá trình sấy, vì tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ đều gây bất lợi Tốc độ gió cao làm khó giữ nhiệt lượng cần thiết cho nguyên liệu, trong khi tốc độ gió thấp làm chậm quá trình sấy Do đó, việc duy trì một tốc độ gió phù hợp, đặc biệt là trong giai đoạn đầu của quá trình làm khô, là rất cần thiết.
Hướng gió có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình làm khô nguyên liệu Khi gió thổi song song với bề mặt nguyên liệu, tốc độ làm khô diễn ra rất nhanh Ngược lại, nếu gió thổi tới nguyên liệu với góc 45 độ, tốc độ làm khô sẽ chậm hơn Trong trường hợp gió thổi vuông góc với nguyên liệu, quá trình làm khô sẽ diễn ra rất chậm.
2.5.3 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của không khí Độ ẩm tương đối của không khí cũng là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình làm khô, độ ẩm của không khí càng lớn quá trình làm khô sẽ chậm lại Các nhà bác học Liên Xô và các nước khác đã chứng minh rằng: độ ẩm tương đối của không khí lớn hơn 65% thì quá trình sấy sẽ chậm lại rõ rệt, còn độ ẩm tương đối của không khí khoảng 80% trở lên thì quá trình làm khô sẽ dừng lại và bắt đầu xảy ra hiện tƣợng ngƣợc lại, tức là nguyên liệu sẽ hút ẩm trở lại. Để cân bằng ẩm, khuếch tán nội phù hợp với khuếch tán ngoại và tránh hiện tƣợng tạo màng cứng, người ta áp dụng phương pháp làm khô gián đoạn tức là vừa sấy vừa ủ Làm khô trong điều tự nhiên khó đạt được độ ẩm tương đối của không khí 50% đến 60% do nước ta khí hậu nhiệt đới thường có độ ẩm cao Do đó, một trong những phương pháp để làm giảm độ ẩm của không khí có thể tiến hành làm lạnh để cho hơi nước ngưng tụ lại Khi hạ thấp nhiệt độ của không khí dưới điểm sương hơi nước sẽ ngƣng tụ, đồng thời hàm ẩm tuyệt đối của không khí cũng đƣợc hạ thấp Nhƣ vậy để làm khô không khí người ta áp dụng phương pháp làm lạnh.
2.5.4 Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu
Kích thước của nguyên liệu có ảnh hưởng lớn đến quá trình sấy Nguyên liệu nhỏ và mỏng sẽ sấy nhanh hơn, nhưng nếu kích thước quá nhỏ và mỏng, nguyên liệu có thể bị cong và dễ gãy vỡ.
Tốc độ sấy trong cùng một điều kiện về nhiệt độ và áp suất khí quyển tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt S và tỷ lệ nghịch với chiều dày nguyên liệu δ.
S : diện tích bề mặt bay hơi của nguyên liệu. δ : chiều dày của nguyên liệu.
B : hệ số bay hơi đặc trƣng cho bề mặt nguyên liệu. người ta gọi là làm khô gián đoạn.
2.5.6 Ảnh hưởng của bản thân nguyên liệu
Khi chọn chế độ làm khô thực phẩm, cần xem xét đặc điểm của nguyên liệu, bao gồm thành phần hóa học như nước, lipid, protein, chất khoáng, vitamin, cũng như kết cấu của thịt quả, có thể chắc hoặc lỏng.
TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ SẤY HẦM
Cấu tạo thiết bị sấy hầm
Hầm sấy thường có chiều dài từ 10 đến 15 mét, nhưng có thể kéo dài tới 60 mét Kích thước của tiết diện hầm sấy phụ thuộc vào kích thước của xe goòng và khay Tại Việt Nam, chiều cao của hầm sấy thường khoảng
Hầm sấy có kích thước chiều dài từ 1200 đến 1500mm và chiều ngang khoảng 1200-1300mm, được xây dựng bằng gạch đỏ có thể có hoặc không có cách nhiệt Trần của hầm sấy được đổ bằng bê tông nhẹ và có cách nhiệt Trên xe goòng, thường bố trí từ 10 đến 15 khay, mỗi khay có diện tích khoảng 1m², với mật độ vật liệu lâm sản (VLS) trên khay dao động từ 2 đến 5 kg/m².
Caloriphe trong thiết bị sấy hầm chủ yếu là caloriphe khí – khói hoặc khí – hơi, được lắp đặt trên nóc hầm sấy Có ba phương pháp đưa tác nhân vào hầm sấy: từ trên xuống, từ hai bên hoặc từ một đầu của tiết diện hầm sấy.
Xe goòng di chuyển trong hầm sấy theo chiều ngược với tác nhân, có thể được cơ giới hóa bằng tời đẩy hoặc tời kéo Tại Việt Nam, việc sử dụng tời đẩy trong hệ thống tải băng (TBS) chưa có quy chuẩn cụ thể, do đó trong thiết kế cần tính toán và lựa chọn tời sao cho đủ khả năng kéo hoặc đẩy, đồng thời khắc phục mọi trở lực trong quá trình di chuyển của xe goòng.
Thuyết minh quy trình
Nguyên liệu chuối được xếp lên các khay và chuyển vào hầm sấy bằng xe goòng Nhờ có bộ phận tời kéo, việc vận chuyển xe goòng trở nên thuận tiện Sau khi đóng cửa hầm, tác nhân sấy được đưa vào và quá trình sấy bắt đầu Mỗi 15 phút, cửa vào và cửa ra của hầm sấy được mở để kéo xe goòng ra ngoài và đưa xe goòng mới vào.
Tác nhân sấy là không khí bên ngoài được đưa vào caloriphe thông qua quạt đẩy Tại đây, không khí được đốt nóng đến nhiệt độ cần thiết, giúp ẩm của vật liệu bốc hơi nhờ nhiệt từ dòng khí nóng Caloriphe sử dụng chất tải của khay đựng vật liệu và tiếp xúc đều với vật liệu sấy Cuối hầm sấy, quạt hút được đặt để loại bỏ tác nhân sấy ra ngoài.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
Vật liệu sấy
Bảng 4.1 Thông số vật liệu sấy
Nhiệt độ chuối vào hầm t1 = 90 o C
Nhiệt độ chuối ra khỏi hầm t 2 = 40 o C
Khối lƣợng riêng của chuối ρ0 = 977 kg Độ ẩm ban đầu = 70% Độ ẩm sau khi sấy = 2% Đường kính lát chuối d = 30mm = 0,03m
Bề dày lát chuối h = 10mm = 0,01m Độ ẩm cân bằng Wcb = 19%
Năng suất nguyên liệu: 1000kg/h G1 = 1000 kg/h
Tác nhân sấy là không khí Các thông số ứng với trạng thái của không khí trong quá trình sấy là:
Trạng thái A: Trước khi vào Caloriphe
Phân áp suất bão hòa tương ứng với
Phân áp suất bão hòa tương ứng với
(CT 7.4, trang 978, [6]) Độ ẩm tương đối
Phân áp suất bão hòa tương ứng với
(trang 44, [7] ) Độ ẩm tương đối
(CT 5.6, trang 57, [6]) Độ ẩm thỏa mãn
Cường độ bay hơi nên ta chọn phù hợp Tra đồ thị I-d ta đƣợc
A: hệ số ẩm kế ( CT 2.37a, trang 32,[13])
Chọn vận tốc tác nhân sấy là v = 0,5 m/s ( bảng 6.12, trang 94,[6])
Vì v ≥ 0,5 m/s nên theo thực nghiệm (CT 2.37b, trang 32,[13]) e.
Từ A, α suy ra: Đường kính chuối d = 3 cm, chiều dày chuối h = 1 cm.
Tốc độ sấy đẳng tốc:
(CT 5, trang 63, [14]) Độ ẩm cân bằng: Wcb= 19% Độ ẩm tới hạn: (CT 5.26, trang 103,[13])
(CT3, trang 44,[14]) gian sấy lý thuyết cần phải tăng lên từ 1,5 đếm 2 lần.
Cân bằng vật chất
Năng suất tính theo nguyên liệu vào:
Lƣợng không khí khô tổn thất:
Thể tích không khí ẩm tại trạng thái (t1) cho 1kg không khí khô là vo = 1,089 m³/kgKKK Do đó, lưu lượng thể tích của tác nhân sấy được tính toán dựa trên giá trị này.
V = 1,089 = 33528,33 m 3 /h (trang 102,[6]) Lƣợng không khí khô cần bốc hơi 1kg ẩm vật liệu:
Chọn kích thước xe goòng:
Chiều cao toàn bộ của xe: hx = 2 m Chiều cao làm việc của xe: h1 = 1,8 m.
Tính số khay trong mỗi xe goòng: Khoảng cách giữa 2 tầng khay: h2 = 0,1m.
Số tầng khay trong 1 xe:
Số khay trong 1 tầng xe: m = 2 khay.
Số khay trong 1 xe goòng: s = m.n = 2.18 = 36 khay.
Tính khối lƣợng xe goòng
Cần 6 thanh đúng 1,8 m, 4 thanh ngang 2m, 4 thanh dọc 1,5m Các thanh làm bằng inox 304 có kích thước 30x30x1,5mm
Tiết diện cắt ngang của 1 thanh:
(0,03 0,03) – (0,0285 0,0285) = 8,775.10 -5 m 2 Khối lƣợng riêng của inox 304: 7,93.10 3 kg/m 3
Khối lƣợng bánh xe goòng:
Bánh xe goòng có đường kính 80mm, nặng 2kg/bánh.
Mỗi bánh cần 2 ổ bi (0,5kg/ổ) và một miếng cao su chịu va đập (0,02kg/miếng).
Khay đựng vật liệu: Chọn kích thước khay sấy là:
- Chiều dày thành khay: 15mm
- Chiều dày đáy khay: 2mm
Khối lƣợng vật liệu sấy trên một khay là : 40kg nguyên liệu
Lƣợng chuối trên mỗi xe goòng: gv = 40.36= 1440 kg chuối.
Số xe goòng cần thiết :
Khung khay làm bằng inox 304 kích thước 15x15x2mm
Tiết diện ngang khung khay:
(0,015.0,015) – (0,013.0,013) = 5,6.10 -5 m 2 Khung có 2 thanh dài 1,5m ; 2 thanh ngang 1m
Khối lƣợng riêng của inox 304: 7,93.10 3 kg/m 3
Khối lƣợng thép cho một khay:
Mỗi khay có tấm lưới ở đáy, kích thước là 20x20mm, làm bằng thép không gỉ, kích thước tấm lưới 1,5x1m ; khối lượng 1,2kg/tấm Khối lượng một khay:
Tổng khối lƣợng khay trên một xe:
3,42 36 = 123,12 kg Khối lƣợng một xe goòng chƣa chứa chuối:
Gx ,26 + 12,08 + 123,12= 152,46 kg Khối lƣợng xe goòng có chở chuối:
Lh = nx.lx + L1 + L2 (CT 7.12, trang 99,[6]) Với L1, L2 là khoảng trống ở hai đầu hầm, thường lấy L1 + L2 = 0,5lx = 0,5 2 = 1 m Lh = 6.2 + 1 = 13 m Chiều rộng hầm sấy:
Hầm sấy đƣợc xây bằng gạch đỏ có chiều dày 0,25m và một lớp bông thủy tinh cách nhiệt dày 0,1m Vậy chiều dày của tường bao hầm: δ1 = 0,35m
Chiều rộng phủ bì của hầm:
B = Bh + 2.δ1 = 1,6 + 2.0,35 = 2,3 m Trần hầm sấy có lớp bê tông cốt thép thường dày δ2 = 0,3m và một lớp bông thủy tinh cách nhiệt có bề dày δ3 = 0,1m
Chiều cao phủ bì của hầm:
1 lớp ở giữa làm bằng bông thủy tinh để cách nhiệt bề dày 100mm
Khoảng cách giữa các xe goòng là 40mm
Chiều dài phủ bì của hầm:
Cân bằng năng lƣợng
Tính toán nhiệt cho hầm sấy
Chúng ta tính tổng nhiệt lƣợng cần tiêu tốn cho quá trình sấy
4.3.1 Nhiệt lượng có ích để bốc hơi 1kg ẩm
Cpa: nhiệt dung riêng của hơi nước: Cpa 1,842kJ/kgđộ r = 2500kJ/kgđộ nhiệt ẩm hóa hơi t2: nhiệt độ của tác nhân sấy khi đi ra t2 = 40 o C
: nhiệt độ của môi trường = 30 0 C
Ca: nhiệt dung riêng của nước Ca = 4,18kJ/kg.độ q1 = (2500 + 1,842.40 ) – 4,18.30 = 2448,3 kJ/kgẩm Nhiệt lƣợng cần thiết để bốc hơi W kg ẩm trong 1 giờ sẽ là:
4.3.2 Tổn thất nhiệt do 1kg vật liệu sấy mang đi
Theo kinh nghiệm trong sấy nông sản, nhiệt độ của vật liệu sau khi sấy thường thấp hơn nhiệt độ của tác nhân sấy từ 5-10 độ C Trong hệ thống sấy hầm, vật liệu và tác nhân sấy di chuyển ngược chiều nhau, giúp tối ưu hóa quá trình sấy.
Do đó nhiệt dung riêng của chuối ra khỏi hầm sấy là:
Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi: kJ/kg ẩm (CT 7.15, trang 100, [6])
4.3.3 Tổn thất nhiệt do thiết bị truyền tải
Nhiệt độ của khay sấy và xe goòng khi vào hầm sấy là 30 oC, tương đương với nhiệt độ môi trường Khi ra khỏi hầm sấy, nhiệt độ của khay sấy và xe goòng tăng lên gần 90 oC, gần bằng nhiệt độ sấy Khối lượng của khay sấy và xe goòng có sự khác biệt đáng kể.
Gk = 3,42 kg; Gx = 29,34 kg Nhiệt dung riêng của vật liệu chế tạo xe và khay (thép không gỉ):
Ck = Cx = 0,51 kJ/kg.K Tổn thất nhiệt do khay sấy mang đi : k= x S = 6 36 = 216 khay qk = = n k G k C k (t k2 – t k1 ) - = 4,31 kJ/kg ẩm
Tổn thất nhiệt do xe goòng mang đi : x= 6 qx = = n x G x C x (t X2 – t X1 ) - = 1,03 kJ/kg ẩm
q TBTT = q k + q x = 43,83 + 26,29 = 70,12 kJ/kg ẩm (trang 103,[6])
4.3.4 Tổn thất ra môi trường
hơn Do đó ta giả thiết tốc độ trong quá trình sấy thực là
Ta sẽ kiểm tra lại giả thuyết này sau khi đã tìm đƣợc v.
Hệ số trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy và tường bên k được xác định theo kinh nghiệm, với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa tác nhân sấy và tường hầm sấy được tính toán theo công thức cụ thể.
Bằng phương pháp tính lập ta có:
Chọn : nhiệt độ tường trong
* Nhiệt độ mặt ngoài của tường , theo hệ quả của định luật Furier, ta có: là hệ số dẫn nhiệt của gạch, là bề dày của tường
Chênh lệch nhiệt độ giữa mặt ngoài của tường với môi trường
Nhiệt độ xác định là:
Từ nhiệt độ này ta đƣợc các thông số không khí:
Hệ số giãn nở thể tích:
Nội suy ở khoảng [30,40] (Bảng I.255,trang 318,[8])
Do đó, chuẩn số Gratkov
: Hệ số giãn nở thể tích
: chiều cao phủ bì của hầm sấy
Hệ số C và n phụ thuộc vào tích số Gr.Pr = 2,036.10 10 0,7 = 1,4252.10 10 > 2.10 7 ( chế độ xoáy) Nên ta xác định đƣợc C = 0,135, n Hệ số truyền nhiệt là
Dòng truyền nhiệt từ bề mặt của tường vào môi trường:
Nhƣ vậy sai số giữa và
Sai số này cho phép chúng ta xem kết quả trên là đáng tin cậy
Tường được xây bằng gạch đỏ với độ dày 0,25m và bông thủy tinh cách nhiệt dày 0,1m, có hệ số dẫn nhiệt là 0,7 W/m.độ Dựa vào thông tin từ bảng I.126, trang 128, ta có thể xác định hệ số truyền nhiệt k cho cấu trúc này.
Do đó tổn thất qua 2 tường bên bằng:
Tổn thất qua trần Diện tích trần là
Trần hầm sấy được cấu tạo với lớp bê tông dày 0,3m và lớp bông thủy tinh cách nhiệt dày 0,1m Hệ số dẫn nhiệt của bê tông là 1,55 W/m.độ, trong khi bông thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt là 0,06 W/m.độ.
Do đó tổn thất qua trần là:
Hầm sấy gồm 2 cửa vào và ra, mỗi cửa gồm 3 lớp:
2 lớp phía ngoài cửa làm bằng thép có bề 25mm:
1 lớp ở giữa làm bằng bông thủy tinh để cách nhiệt bề dày 200mm:
Ta có hệ số dẫn nhiệt của thép và bông thủy tinh cách nhiệt lần lƣợt là: λ4 = 0,5 W/m.độ ( tra bảng I.126, trang 128, [8]), λ5 = 0,06 W/m.độ.(tra Phụ lục 2, [15])
Do đó tổn thất qua 2 cửa là:
Diện tích nền là: Fn = B.L = 2,3.13,51,05 m 2
Giả thiết hầm sấy xây cách tường bao 2m, nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy là
65 o C Theo bảng 6.1, trang 74, [6], ta có: = 41,5 W/m 2
Do đó tổn thất qua nền là:
Vậy tổng tổn thất ra môi trường qmt :
TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY THỰC
Thông số trạng thái TNS sau quá trình sấy thực:
Lƣợng không khí khô thực tế:
Thiết lập bảng cân bằng nhiệt:
Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi:
Tổng nhiệt lƣợng theo tính toán:
Nhiệt lƣợng caloriphe cần cung cấp q:
Theo nguyên tắc cân bằng nhiệt thì nhƣng do sai số trong quá trình tính toán nên
Bảng 5.1 Cân bằng nhiệt của hệ thống sấy
2 Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy 16,6
3 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi 1
4 Tổn thất nhiệt do TBTT 2,27
5 Tổn thất nhiệt ra môi trường 27,732 0,93
6 Tổng nhiệt theo tính toán 100
7 Tổng nhiệt lƣợng tiêu hao 100
Qua bảng cân bằng nhiệt cho thấy
- Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi chỉ chiếm 1%, tổn thất ra môi trường 0,93
Tổn thất do thiết bị và tổn thất từ quá trình truyền nhiệt trong hệ thống sấy hầm là 2,27%, tổng cộng các tổn thất này chỉ chiếm 4,2% Trong thực tế, khi thiết kế hệ thống sấy hầm, có thể ước lượng tổng ba loại tổn thất này khoảng trên dưới 10%.
- Hiệu suất nhiệt của hầm sấy:
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Tính toán thiết kế caloriphe
Caloriphe kiểu khí hơi ống cánh được thiết kế để sử dụng năng lượng từ hơi nước bão hòa Trong hệ thống này, nước bão hòa ngưng tụ trong ống, trong khi không khí nóng chuyển động bên ngoài các chùm ống sẽ nhận nhiệt để đạt được nhiệt độ mong muốn.
6.1.1 Các thông số cơ bản yêu cầu để thiết kế caloriphe
Để đáp ứng yêu cầu của HTS về việc nâng nhiệt độ của tác nhân sấy từ 30 o C lên 90 o C, chúng ta đã chọn nhiệt độ của hơi bão hòa là t' = 120 o C nhằm đảm bảo hiệu quả sấy tối ưu.
Nhiệt độ ngƣng tụ là tN = 120 o C Áp suất ngƣng tụ là PN = 0,199 Mpa = 1,99 bar
Công suất nhiệt của Caloriphe:
Hiệu suất của Caloriphe đạt 90%, với 10% tổn thất do bụi bẩn và sự ăn mòn của vật liệu theo thời gian Do đó, công suất nhiệt cần truyền cho TNS từ hơi nước sẽ được tính toán dựa trên hiệu suất này.
Qcaloriphe = 1,1 536 = 589,6 kW Nhiệt ẩn ngưng tụ của hơi nước ở nhiệt độ ngưng tN = 120 o C là:
Lƣợng hơi vào caloriphe yêu cầu là:
6.1.2 Tính toán thiết kế caloriphe
6.1.2.1 Diện tích trao đổi nhiệt F của caloriphe
Chọn ống thép dẫn hơi có:
- Hệ số dẫn nhiệt : Đường kính ngoài
- Chọn cánh đƣợc làm bằng đồng có:
- Số cánh trên một ống :
Tốc độ của tác nhân sấy đi vào caloriphe:
Tốc độ không khí tại khe hẹp của cánh:
Với nhiệt độ trung bình của không khí qua caloriphe:
Ta tra ra đƣợc các thông số không khí nhƣ sau (Phụ lục
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của cánh:
Từ biểu đồ ( ), từ biểu đồ 2.31, trang 109, [12],ta tra ra đƣợc
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tương đương:
Hệ số trao đổi nhiệt của hơi nước trong ống:
Độ chênh lệch nhiệt độ giữa hơi ngưng và nhiệt độ vách trong của ống rất lớn, nhưng giá trị thực tế lại rất nhỏ Chúng ta sẽ kiểm tra lại giả thiết này để đảm bảo tính chính xác của thông tin.
Với hơi nước bão hòa ngưng ở nhiệt độ (bảng I.249, trang 311,[8]), ta có các thông số vật lý của nước ngưng bão hòa như sau:
Do đó có thể tính hệ số truyền nhiệt qua ống ứng với bề mặt không làm cánh F1 theo công thức tính hệ số truyền nhiệt qua vách phẳng
Kiểm tra lại tốc độ giả thiết:
Mật độ dòng nhiệt truyền qua caloriphe:
Về nguyên tắc mật độ dòng nhiệt phải bằng mật độ dòng truyền nhiệt do hơi ngƣng Do đó: chênh lệch không nhiều nên giả thiết là hợp lý
Diện tích bề mặt các ống:
Chọn số hàng ống , khi đó số ống trên 1 hàng là:
→ Ta chọn 24 ống trên một hàng Tổng số ống của caloriphe:
Tính và chọn quạt
6.2.1 Tính trở lực của toàn bộ quá trình
Trở lực từ miệng quạt đến caloriphe
Chọn đường ống dẫn làm bằng tôn sơn có độ nhám (bảng II.15 trang 381, [8])
Chọn ống nối từ quạt đến caloriphe có đường kính d = 0,4 m và chiều dài = 1m Vận tốc khí đi trong ống là:
> 10 4 suy ra không khí đi trong ống theo chế độ chảy xoáy ([trang 360,8])
Chuyển động xoáy chia làm 3 vùng:
Vùng 1 trong nhẵn thủy lực học đặc trưng bởi lớp màng chảy dòng bao phủ hoàn toàn gờ nhám của ống, do đó, độ nhám của khu vực này không tác động đến hệ số ma sát.
- Vùng 2: khu vực nhám, khu vực này hệ số ma sát phụ thuộc vào độ nhám mà không phụ thuộc vào chuẩn số Reynol
- Vùng 3: khu vực nằm giữa khu vực nhẵn và khu vực nhám ứng với
Vậy hệ số ma sát đƣợc tính theo CT II.64 trang 380, [8]
Vậy trở lực trên ống từ miệng quạt đến caloriphe:
Nhiệt độ trung bình của không khí nóng trong caloriphe là
Tại nhiệt độ này tra bảng
Vận tốc không khí trong caloriphe là:
Re > 10 4 vậy không khí chuyển động theo chế độ xoáy Do ống sắp theo kiểu bàn cờ, vì
Trong đó: : khoảng cách giữa các trục ống theo phương cắt ngang của dòng chuyển động ( theo chiều rộng của dòng),
: khoảng cách giữa các trục ống dọc theo phương chuyển động của dòng ( theo độ sâu của dòng ), d: đường kính ống, d = 28mm
NênVới z là số dãy ống chùm theo phương chuyển động, z = 12 dãy ống
Vậy trở lực do caloriphe là:
Trở lực đường ống dẫn không khí từ caloriphe đến hầm sấy:
Chọn đường ống dài Đường kính ống
Vận tốc khí đi trong ống là:
Ta có: (phụ lục VI, [6])
Re > 10 4 : vậy không khí chuyển động theo chế độ xoáy
Chuyển động chảy xoáy chia làm 3 vùng:
- Vùng 1: nhẵn thủy lực học Chỉ số Reynol đƣợc xác định
30 Đặc trƣng của vùng này ( giống ở trên )
Chỉ số Reynol khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
- Vùng 3: khu vực quá độ
Vùng chuyển tiếp giữa vùng nhẵn thủy lực và vùng nhám có hệ số ma sát phụ thuộc vào số Reynolds và độ nhám của thành ống.
Khí ở khu vực quá độ:
Vậy trở lực trên đường ống dẫn khí từ caloriphe đến phòng sấy là:
Trở lực tại góc co: Hệ số trở lực tại góc:
R: bán kính góc co, R=0,4 m d: đường kính ống dẫn, d=0,4m Vậy trở lực tại góc co là:
Trở lực hầm sấy: Ta có thể chọn
Vậy tổng trở lực của cả hệ thống:
Ta có: Áp suất làm việc toàn phần:
Với: : trở lực tính toán của hệ thống
: nhiệt độ làm việc của hỗn hợp khí
: áp suất tại chỗ đặt quạt khối lƣợng của khí ở đktc khối lƣợng của khí ở điệu kiện làm việc
Dựa vào đồ thị đặc tuyến của quạt ly tâm II.9/57-N 0 8 (trang 490, [8])
Hiệu suất truyền động bánh đai: (trang 463, [8])
Công suất trên trục động cơ điện:
Công suất thiết lập đối với động cơ điện:
Với : là hệ số dự trữ
N = 282,67 kW chọn (bảng II.48, trang 464,[8])
Cả hai quạt đều sử dụng quạt ly tâm loại II.9/57-N 0 8 với cùng một hiệu suất
Tính và chọn động cơ tời kéo
Khối lƣợng của 1 xe goòng chứa chuối :
M = 1592,46kg Trọng lƣợng của 1 xe goòng có chở chuối:
M 9,81 92,46.9,81= 15622,0326 (N) Trọng lƣợng của 6 xe goòng
Ta có tổng các lực cản bằng 5% trọng lƣợng xe
Pc = 0,05 93732,2 = 4686,6 (N) Tổng lực kéo của động cơ
P = P0 + Pc 732,2 + 4686,6 = 98418,8 (N) Công suất của động cơ
Nđ=(P.v)/(60000.ηđ )= 98418,8.12/(60000.0,85)#,16 (kW) Với v = 12 vòng/phút: vận tốc xe goòng
