Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống sấy sản phẩm mít bằng bức xạ hồng ngoại ở điều kiện tối ưu với năng suất nhỏ 10kg nguyên liệu mẻ

TĨM TẮT Nghiên cứu thực nghiệm q trình sấy sản phẩm mít xạ hồng ngoại nhằm giải đƣợc mục tiêu xác định thông số công nghệ tối ƣu trình sấy để tiến hành sấy tạo sản phẩm có chất lƣợng tốt, độ ẩm đạt yêu cầu, chi phí lƣợng thấp, qua giúp nâng cao giá trị kinh tế sản phẩm mít sấy phục vụ cho tiêu dùng xuất Dựa thông số tối ƣu tìm đƣợc tiến hành thiết kế chế tạo hệ thống sấy mít xạ hồng ngoại với suất 10kg/mẻ Sau thực nghiệm sấy hệ thống chế tạo đƣợc tiến hành theo chế độ tối ƣu để kiểm chứng chất lƣợng sản phẩm, hiệu sử dụng lƣợng độ ẩm sản phẩm Đề tài luận văn “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống sấy sản phẩm mít xạ hồng ngoại điều kiện tối ưu với suất nhỏ 10kg/mẻ” nhằm hỗ trợ cho việc xác định chế độ sấy thích hợp cơng nghệ sấy mít xạ hồng ngoại, đặc biệt đề tài cịn phục vụ cho cơng nghệ chế tạo máy sấy hồng ngoại sở có đƣợc thơng số tối ƣu q trình sấy Luận văn đạt đƣợc kết nhƣ sau: Nghiên cứu lý thuyết tổng quan trình sấy hồng ngoại, xác định đƣợc trình sấy hồng ngoại phù hợp để sấy mít Nghiên cứu thực nghiệm theo quy hoạch trực giao cấp tối ƣu hóa theo phƣơng pháp điểm khơng tƣởng xác định đƣợc thông số công nghệ tối ƣu cho q trình sấy hồng ngoại sản phẩm mít gồm: nhiệt độ buồng sấy 63,43C, thời gian sấy 7,13 cƣờng độ xạ hồng ngoại 6,40 kW/m2 Dựa thông số công nghệ tối ƣu tiến hành thiết kế chế tạo hệ thống sấy hồng ngoại sản phẩm mít với suất nhập liệu 10kg/mẻ, kích thƣớc buồng sấy (dài x rộng x cao) 800mm x 800mm x 1000mm, tổng cơng suất bóng đèn hồng ngoại 2000W Các thực nghiệm đƣợc tiến hành hệ thống sấy chế tạo chế độ tối ƣu cho thấy chi phí lƣợng đạt 1,46 kWh/kg, độ ẩm sản phẩm 5,13% iv độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate đạt 6,27% Kết phù hợp với giá trị tính đƣợc từ tốn tối ƣu Sản phẩm mít đƣợc sấy máy sấy hồng ngoại máy sấy đối lƣu khơng khí nóng nhằm so sánh chất lƣợng sản phẩm sấy Kết cho thấy trình sấy hồng ngoại có độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate thấp so với sấy khơng khí nóng Kết nghiên cứu luận văn làm sở để nghiên cứu, thiết kế máy sấy hồng ngoại cho loại rau, củ, khác nhằm tối ƣu chế độ cơng nghệ, giảm chi phí lƣợng tăng chất lƣợng sản phẩm sấy v ABSTRACT Experimental reseach on the drying of jackfruit by infrared radiation to solve the objective is to determine the optimal technological parameters of the drying process to produce good quality product, good moisture content and low energy cost, thereby enhancing the economic value of dried jackfruit product for consumption and export Based on the optimal technological parameters, the design and manufacture of infrared dryer with the capacity of 10kg jackfruit per batch will be carried out Then, the drying experiments on the system will be conducted in the optimal mode to verify the quality of the product, energy efficiency and final moisture content The thesis "Research, design and manufacture the infrared radiation drying system for jackfruit in optimal conditions with small capacity of 10kg / batch" supports the determination of appropriate drying mode in infrared drying technology, especially the thesis also serves the technology of manufacturing infrared dryer on the basis of the optimal parameters of drying process The thesis has obtained the main results, as follows: Theoretical overview of the infrared radiation drying process, identified the infrared drying process is suitable for jackfruit product Experimental reseach on the 2-level orthogonal experimental plan, combined with multi-objective optimization according to Utopian Point Method (UPM) was determined the optimal parameters in the jackfruit infrared drying process: the temperature of the drying chamber was 63,43C, the drying time was 7,13 hours and the infrared radiation intensity was 6,40 kW/m2 Based on the optimal technological parameters, the jackfruit infrared dryer was designed and manufactured with the capacity 10kg per batch, the dimension of dryer (length x width x height) 800mm x 800mm x 1000mm and the total power of infrared lamps 2000W The experiments were carried out on the dryer in the optimal conditions, the results were the energy consumption for 1kg final product reached 1.46 kWh/kg, the final moisture content was 5.13% and the loss of carbonhydrate vi in final product reached 6.27% The result matches the values calculated from the optimal problem Jackfruit product was dried on the infrared dryer and the hot air convection dryer to compare the quality of the dried product Results showed that the infrared drying process had lower loss of carbohydrate than the hot air drying process The research results of the thesis can be used as a basis for studying and designing infrared dryer for other vegetables and fruits in order to optimize the technology, reduce energy cost and increase the quality of dried product vii MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt ix Danh sách bảng x Danh sách hình xi CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nguyên liệu mít 1.1.1 Tên gọi tên khoa học 1.1.2 Nguồn gốc phân bố, sinh trƣởng phát triển 1.1.3 Thành phần hóa học, hóa lý 1.1.4 Giá trị mít 1.1.5 Các yếu tố tác động làm hƣ nguyên liệu 12 1.1.6 Sản phẩm từ mít 13 1.2 Một số kết nghiên cứu nƣớc liên quan sấy hồng ngoại 14 1.2.1 Các nghiên cứu nƣớc 14 1.2.2 Các nghiên cứu nƣớc 16 1.2.3 Thảo luận đề xuất mơ hình sấy 17 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ SẤY HỒNG NGOẠI 18 2.1 Sấy vật liệu ẩm 18 2.2 Các phƣơng pháp sấy vật liệu ẩm 18 2.2.1 Phƣơng pháp sấy nóng 18 2.2.2 Phƣơng pháp sấy lạnh 20 2.2.3 Tác nhân sấy 23 viii 2.2.4 Vật liệu ẩm dạng liên kết nƣớc với vật liệu ẩm 23 2.2.5 Một số tính chất nhiệt vật lý vật liệu ẩm liên quan đến trình sấy 27 2.2.6 Động học trình sấy 29 2.3 Phƣơng pháp sấy xạ hồng ngoại 32 2.3.1 Đặc điểm xạ hồng ngoại 32 2.3.2 Sấy xạ hồng ngoại 33 2.3.3 Cơ chế sấy khô vật liệu ẩm xạ hồng ngoại 33 2.3.4 Công nghệ sấy xạ hồng ngoại 34 2.3.5 Hệ thống thiết bị sấy hồng ngoại 35 2.4 Các biến đổi sản phẩm trình sấy 37 2.4.1 Biến đổi vật lý 37 2.4.2 Biến đổi hóa học 38 2.4.3 Biến đổi sinh học hóa sinh 39 2.5 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình sấy hồng ngoại 39 2.5.1 Yếu tố nguyên liệu 39 2.5.2 Yếu tố tác nhân sấy 39 2.5.3 Yếu tố thiết bị sấy 40 2.6 Quy trình cơng nghệ sấy mít xạ hồng ngoại cần nghiên cứu 40 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO 42 3.1 Phƣơng pháp tiếp cận 42 3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 42 3.2.1 Phƣơng pháp xác định thông số công nghệ hàm mục tiêu 43 3.2.2 Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm 44 3.2.3 Phƣơng pháp Mô hình hóa thiết lập tốn tối ƣu đa mục tiêu 47 3.2.4 Tối ƣu hóa giải tốn tối ƣu đa mục tiêu nghiên cứu công nghệ sấy hồng ngoại 55 3.3 Phƣơng pháp tính tốn thiết kế 57 3.3.1 Phƣơng pháp tính tốn 57 3.3.2 Phƣơng pháp thiết kế 58 ix 3.4 Phƣơng pháp chế tạo 58 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG SẤY 59 4.1 Xác định lựa chọn thông số tối ƣu cần thiết cho tính tốn thiết kế 59 4.1.1 Mơ hình thực nghiệm đa yếu tố 59 4.1.2 Xác định miền cực trị thực nghiệm 60 4.1.3 Bài toán tối ƣu mục tiêu: 63 4.1.4 Bài toán tối ƣu đa mục tiêu: 63 4.2 Tính tốn thiết kế chế tạo hệ thống sấy 65 4.2.1 Các thơng số cần thiết cho q trình tính tốn thiết kế 65 4.2.2 Tính tốn thiết kế không gian sấy 66 4.2.3 Tính nhiệt tải cho hệ thống sấy 67 4.3 Tổng nhiệt lƣợng cần thiết cho trình sấy 73 4.4 Thiết kế hệ thống sấy hồng ngoại 74 4.5 Chế tạo hệ thống sấy 74 4.6 Tự động điều khiển hệ thống sấy 74 4.7 Tính kiểm tra chất lƣợng hệ thống sấy 75 4.7.1 Phía vật liệu sấy (mít) 75 4.7.2 Về phía nguồn phát hồng ngoại (bóng đèn) 77 4.8 Mô thảo luận 78 4.8.1 Mô hàm mục tiêu cần nghiên cứu đồ thị 3D 2D 78 4.8.2 Thực nghiệm kiểm chứng lại thông số công nghệ tối ƣu q trình sấy mít xạ hồng ngoại 79 4.8.3 Xác định thông số công nghệ tối ƣu ảnh hƣởng đến q trình bảo quản sản phẩm mít phục vụ cho tiêu dùng xuất 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC 91 x KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT a (m2/s) - Hệ số dẫn nhiệt độ vật liệu; cp (kJ/(kg.K)) - Nhiệt dung riêng; K (W/(m2.K)) - Hệ số truyền nhiệt; G (kg) - Khối lƣợng T (0C) - nhiệt độ;  (kg/m3) - Khối lƣợng riêng;  (W/(m.K) - Hệ số dẫn nhiệt;  (m) - Bề dày  (W/(m2.K) - Hệ số tỏa nhiệt Xtpj - Tỷ lệ thành phần chất nguyên liệu sấy; HTS - Hệ thống sấy; HTL - Hệ thống lạnh; TNS - Tác nhân sấy; VLS - Vật liệu sấy; BTTƢ - Bài toán tối ƣu; NDR - Nhiệt dung riêng; HSDN - Hệ số dẫn nhiệt; HSKT - Hệ số khuếch tán; HSTN - Hệ số tỏa nhiệt; PTHQ - Phƣơng trình hồi qui ĐTCN - Đối tƣợng công nghệ TN - Thực nghiệm xi DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1 Thành phần hóa học 100g thịt mít tƣơi [1], [2] Bảng 1.2 Thành phần Vitamin cơm mít tƣơi [8] Bảng 1.3 Thành phần chất khống có thịt mít tƣơi [8] Bảng 1.4 Thông số hóa lý mít Bảng 1.5 Giá trị dinh dƣỡng mít (100g thịt mít tƣơi) [9] 10 Bảng 1.6 Thành phần dinh dƣỡng hạt mít 10 Bảng 1.7 So sánh thành phần dinh dƣỡng mít với chuối xoài 11 Bảng 3.1.Các mức yếu tố cơng nghệ ảnh hƣởng đến q trình sấy hồng 52 Bảng 3.2 Các biến ma trận quy hoạch cấu trúc tâm hai yếu tố 52 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật máy sấy lạnh làm thí nghiệm 59 Bảng 4.2 Thí nghiệm thăm dị số 60 Bảng 4.3 Thí nghiệm thăm dị số 60 Bảng 4.4 Thí nghiệm thăm dò số 60 Bảng 4.5 Miền thực nghiệm đa yếu tố trình sấy hồng ngoại 61 Bảng 4.6 Số liệu thực nghiệm y1 (kWh/kg), y2 (%) y3 (%) theo ma trận thực nghiệm trực giao cấp 2; k = 3, no = 61 Bảng 4.7 Nghiệm tối ƣu toán tối ƣu mục tiêu (4.4) 63 Bảng 4.8 Nghiệm toán tối ƣu đa mục tiêu (4.4) 65 Bảng 4.9 Nhiệt dung riêng thành phần thực phẩm theo nhiệt độ 68 (−40 ≤ t ≤ 150°C) [26] 68 Bảng 4.10 Thành phần chất mít (25C) 68 Bảng 4.12 Các thơng số cơng nghệ q trình sấy xạ hồng ngoại sản phẩm mít dùng bảo quản 82 xii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Quả mít Hình 1.2 Cơm mít Hình 1.3 Các sản phẩm từ mít 14 Hình 2.1 Đƣờng cong sấy đƣờng cong nhiệt độ sấy 30 Hình 2.2 Đƣờng cong tốc độ sấy 31 Hình 2.3 Thiết bị sấy xạ hồng ngoại dạng băng tải 36 Hình 2.4 Cách bố trí đèn hồng ngoại hệ thống sấy 36 Hình 2.5 Quy trình cơng nghệ sấy mít xạ hồng ngoại 40 Hình 3.1 Bài tốn hộp đen 47 Hình 3.2 Sơ đồ đối tƣợng công nghệ đa mục tiêu 48 Hình 3.3 Ảnh hƣởng yếu tố tác động đến trình sấy hồng ngoại 51 Hình 3.4 Khơng gian hàm mục tiêu BTTƢ hai mục tiêu 54 Hình 3.5 Sơ đồ đối tƣợng cơng nghệ mục tiêu 56 Hình 3.6 Sơ đồ đối tƣợng cơng nghệ đa mục tiêu 57 Hình 4.1 Máy sấy hồng ngoại thực nghiệm đa yếu tố sấy hồng ngoại 59 Hình 4.2 Thịt mít sau tách hạt sơ mít thực tế 66 Hình 4.3 Đƣờng tia nhiệt xạ 70 Hình 4.4 Một số hình ảnh hệ thống sấy hồng ngoại 74 Hình 4.5 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống sấy hồng ngoại 75 Hình 4.6 Trọng lƣợng kích thƣớc thực tế múi mít 76 Hình 4.7 Quan hệ y1, x1, x3 3D 78 Hình 4.8.Đồ thị so sánh kết TN PTHQ y1 78 Hình 4.9.Quan hệ y2 x1, x3 3D 78 Hình 4.10.Đồ thị so sánh kết TN PTHQ y2 79 Hình 4.11 Quan hệ y3 x1, x3 3D 78 Hình 4.12 Đồ thị so sánh kết TN PTHQ y3 79 xiii Tính có ý nghĩa hệ số nhận nhận nhận nhận loại nhận loại nhận nhận nhận Phụ lục Kết thí nghiệm tâm phƣơng án hàm y3 STT Giá trị y03 10,02 9,54 9,74 9,51 y03 y03  y03  y03  y03  9,703 0,319 -0,166 0,038 -0,191 0,1016 0,0275 0,0015 0,0366 0,167 Phƣơng sai tái hiện, Sth2 Phụ lục Bảng tính tốn xác định phƣơng sai tƣơng thích hàm y3 N x0 x1 x2 x3 y3 y3 1 1 8,82 8,407 102     y3  y3    0,173 2 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1,414 -1,414 0 0 0 0 -1 -1 1 -1 -1 0 1,414 -1,414 0 0 0 1 -1 -1 -1 -1 0 0 1,414 -1,414 0 0 10,74 7,78 10,48 12,34 13,34 12,57 13,54 9,23 11,48 11,40 9,05 7,70 14,18 10,02 9,54 9,74 9,51 10,695 7,709 9,997 12,925 13,889 12,227 13,191 9,332 11,631 10,847 9,860 8,345 13,798 9,648 9,648 9,648 9,648     y3i  y31     i 1  18 Phụ lục 10 Bản vẽ thiết kế hệ thống sấy hồng ngoại 103 0,002 0,005 0,234 0,339 0,305 0,119 0,122 0,010 0,024 0,304 0,652 0,415 0,145 0,140 0,012 0,009 0,018 3,030 104 105 Phụ lục 11 Kết thử nghiệm sản phẩm mít sấy mẫu (Sấy xạ hồng ngoại) 106 Phụ lục 12 Kết thử nghiệm sản phẩm mít sấy mẫu (Sấy khơng khí nóng) 107 Phụ lục 13 Bài báo khoa học 108 109 110 111 112 113 114 115 116 ... nghệ sấy hồng ngoại mít tối ƣu tìm đƣợc, nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống sấy sản phẩm mít xạ hồng ngoại với suất nhỏ 10kg nguyên liệu/ mẻ Đối tƣợng & phạm vi nghiên cứu  Đối tƣợng nghiên cứu: ... nghệ sấy hồng ngoại sản phẩm mít  Giới hạn nghiên cứu: xác lập chế độ cơng nghệ thích hợp sấy mít xạ hồng ngoại, tính tốn thiết kế chế tạo hệ thống sấy sản phẩm mít xạ hồng ngoại điều kiện tối. .. nhỏ 10kg nguyên liệu/ mẻ dựa vào thông số công nghệ tối ƣu  Chế tạo hệ thống sấy sản phẩm mít xạ hồng ngoại với suất nhỏ 10kg nguyên liệu/ mẻ  Thực nghiệm hệ thống sấy chế tạo chế độ tối ƣu để