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 Đây là cây trồng đa mục đích, được sử dụng làm lương thực, thực phẩm, lấy sợi và dược phẩm 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, chuối được trồng rộng rãi ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, từ 30 độ vĩ Bắc đến 30 độ vĩ 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 chất lượng và năng suất thấp Gần đây, sản phẩm chuối đã được xuất khẩu sang một số thị trường quốc tế, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể.
Thành phần hóa học của chuối
Chuối là loại quả giàu dinh dưỡng, với 70-80% là nước và 20-30% là chất khô chủ yếu là đường, trong đó đường khử chiếm 55% Hàm lượng protein thấp, khoảng 1-1,8%, gồm 17 amino acid chủ yếu là histidin, và chất béo trong chuối không đáng kể Acid trong chuối chiếm 0,2%, chủ yếu là acid malic và acid oxalic, mang lại độ chua dịu Mặc dù hàm lượng vitamin như carotene, vitamin B1, C, acid pantothenic, acid folic và inositol thấp hơn so với các loại quả khác, nhưng chúng được cân đối Chuối còn chứa muối khoáng, pectin và hợp chất polyphenol, với hàm lượng khoáng chất 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 không chỉ là một loại trái cây giàu năng lượng nhờ vào lượng đường cao mà còn được coi là một phương thuốc chữa bệnh hiệu quả Với các giá trị dinh dưỡng thiết yếu, chuối mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe.
Chuối là một thực phẩm tuyệt vời cho hệ tiêu hóa, giúp cải thiện chức năng ruột và giảm thiểu tình trạng táo bón Khi bị tiêu chảy, cơ thể mất đi nhiều chất điện giải quan trọng, và ăn chuối có thể giúp khôi phục lại lượng kali cần thiết, hỗ trợ quá trình hồi phục sức khỏe.
Axit béo trong chuối xanh hỗ trợ 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 đổi 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 hỗ trợ 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 lựa chọn lý tưởng 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
Khối lƣợng riêng: = 977 kg/m 3 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 Dài: 8 – 20 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
Rửa hóa chất ( lần 1) Bóc vỏ Đóng gói
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT SẤY
Định nghĩa về sấy
Sấy là quá trình loại bỏ nước khỏi vật liệu thông qua việc bốc hơi, sử dụng nhiệt để làm khô Nhiệt được cung cấp cho vật liệu ẩm thông qua 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 – năng lượng Điều này giúp xác định thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy và lượng nhiệt cần thiết Hỗn hợp không khí và hơi nước được gọi là hỗn hợp không khí ẩm, và có một số khái niệm đặc trưng liên quan đến hỗn hợp này.
- 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 độ bão hòa hơi nước, được định nghĩa bằng tỷ lệ p A / P A, trong đó p A là áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm và P A là áp suất hơi bão hòa của nước ở nhiệt độ bầu khô Kí hiệu của độ ẩm tương đối là Khi lượng hơi nước trong không khí đạt đến mức bão hòa (p A = P A), độ ẩm tương đối đạt cực đại là 1 Mối quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối được thể hiện qua công thức ̅ (2.1), với P là áp suất tổng có cùng đơn vị với P A.
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 được làm lạnh, nhiệt độ giảm dần cho đến khi đạt trạng thái bão hòa (hàm ẩm = 1) Nhiệt độ này, ký hiệu là t s, tương ứng với điểm mà hỗn hợp không khí đạt trạng thái bão hòa hơi nước.
- Nhiệt độ bầu khô: t k 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 nước bốc hơi vào không khí chưa bão hòa Đây là thông số quan trọng thể hiện khả năng cấp nhiệt của không khí để làm bay hơi nước từ vật liệu ẩm đến khi không khí đạt trạng thái bão hòa Để đo nhiệt độ bầu ướt, người ta thường sử dụng nhiệt kế có bọc vải ướt ở bầu thủy ngân.
Thể tích của hỗn hợp không khí ẩm, ký hiệu là v H, được xác định cho 1kg không khí khô (kkk) ở nhiệt độ và áp suất cố định, có đơn vị là m³/kg kkk Hằng số khí lý tưởng R được sử dụng trong tính toán này là 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
P A = p A – áp suất riêng phần của hơi nước, N/m 2
Enthalpy của hỗn hợp không khí ẩm, ký hiệu là H, được xác định bằng tổng số enthalpy của không khí và hơi nước trong hỗn hợp Đối với trường hợp có chứa 1kg không khí khô, enthalpy của hỗn hợp không khí ẩm được tính bằng công thức: ̅ , J/kg kkk (2.3), trong đó C k là nhiệt dung riêng của không khí khô (J/kg o C) và t là nhiệt độ của không khí (o C).
H A – enthalpy của hơi nước ở nhiệt độ t, J/kg được xác định theo công thức sau:
H h = r o + C h t = (2493 + 1,97t).10 3 , J/kg (2.4) với: r o = 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).10 3 , 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 độ ẩm vật liệu và thời gian là rất quan trọng Các yếu tố như tính chất và cấu trúc của vật liệu, kích thước, cũng như điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy sẽ được xem xét Từ những phân tích này, chúng ta có thể xác định chế độ sấy, tốc độ sấy và thời gian sấy phù hợp cho từng loại vật liệu.
Quá trình sấy đặc trưng bởi sự dịch chuyển ẩm bên trong vật liệu, được thúc đẩy bởi động lực dịch chuyển, cùng với quá trình ẩm từ bề mặt vật liệu thoát ra môi trường xung quanh.
Khi vật liệu được đốt nóng, áp suất hơi nước trong vật tăng lên Nếu áp suất hơi trong môi trường xung quanh không thay đổi, độ chênh lệch áp suất sẽ gia tăng, từ đó thúc đẩy quá trình sấy Đây là nguyên lý hoạt động của các thiết bị sấy bức xạ và thiết bị 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 cơ sở cho 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
Việc nâng cao nhiệt độ trong quá trình làm khô nguyên liệu có thể tăng nhanh tốc độ làm khô, nhưng cần phải ở mức giới hạn cho phép để tránh ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Nhiệt độ quá cao có thể làm nguyên liệu chín và tạo ra lớp màng cứng, cản trở sự di chuyển của nước từ bên trong ra ngoài Ngược lại, nếu nhiệt độ quá thấp, quá trình làm khô sẽ chậm lại, dẫn đến thối rữa nguyên liệu Nhiệt độ sấy thích hợp phụ thuộc vào độ dày của bán thành phẩm và cấu trúc của thịt quả Khi sấy ở nhiệt độ trên 60°C, protein có thể bị biến tính, và nếu vượt quá 90°C, fructaza sẽ bắt đầu caramen hóa, tạo ra melanoidin, gây ảnh hưởng đến màu sắc và mùi vị sản phẩm Nhiệt độ quá cao còn có thể dẫn đến cháy, làm mất giá trị dinh dưỡng và cảm quan Quá trình làm khô cũng bị ảnh hưởng bởi sự mất cân bằng giữa khuếch tán nội và ngoại, với tốc độ khuếch tán ngoại lớn nhưng khuếch tán nội chậm lại, dẫn đến hiện tượng tạo vỏ cứng.
2.5.2 Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí
Tốc độ chuyển động của không khí ảnh hưởng đáng kể đến quá trình sấy, với tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ đều không có lợi Tốc độ gió cao làm khó giữ nhiệt lượng trên nguyên liệu, trong khi tốc độ quá thấp khiến quá trình sấy diễn ra chậm Do đó, cần thiết phải duy trì một tốc độ gió phù hợp, đặc biệt là trong giai đoạn đầu của quá trình làm khô.
Hướng gió 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 nhanh chóng Ngược lại, nếu gió thổi tới nguyên liệu với góc 45 độ, tốc độ làm khô sẽ chậm hơn Đặc biệt, khi gió thổi vuông góc với nguyên liệu, quá trình làm khô 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 ảnh hưởng đáng kể đến quá trình sấy Nguyên liệu nhỏ và mỏng sẽ có tốc độ sấy nhanh hơn, tuy nhiên, nếu kích thước quá bé và quá mỏng, nguyên liệu sẽ dễ bị cong và gãy vỡ.
Trong cùng một điều kiện sấy (nhiệt độ và áp suất khí quyển), tốc độ sấy 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
2.5.5 Ảnh hưởng của quá trình ủ ẩm
Quá trình ủ ẩm giúp đồng bộ hóa tốc độ khuếch tán nội và ngoại, từ đó tăng tốc độ làm khô Hình thức làm khô này được gọi là làm khô gián đoạn.
2.5.6 Ảnh hưởng của bản thân nguyên liệu
Tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu, việc chọn chế độ làm khô cần được điều chỉnh cho phù hợp Cần xem xét các thành phần hóa học của nguyên liệu như nước, lipit, protein, chất khoáng và vitamin, cũng như kết cấu của thịt quả, có thể là chắc hoặc lỏng.
TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ SẤY HẦM
Cấu tạo thiết bị sấy hầm
Hầm sấy thường có chiều dài từ 10-15m, với những hầm dài nhất có thể đạt đến 60m Tiết diện của 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 hoặc không có cách nhiệt Trần của hầm sấy được đổ bằng bê tông nhẹ có tính năng cách nhiệt Trên xe goòng, thường được bố trí từ 10 đến 15 khay, mỗi khay có diện tích khoảng 1m², với mật độ VLS trên mỗi 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 của 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 lại với tác nhân, có thể được cơ giới hóa bằng tời đẩy hoặc tời kéo Tại Việt Nam, việc quy chuẩn tời đẩy trong hệ thống TBS vẫn chưa được thực hiện, do đó khi thiết kế, cần phải tính toán kỹ lưỡng để chọn tời có khả năng kéo hoặc đẩy đủ mạnh, 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 khay và chuyển vào xe goòng, sau đó được đưa vào hầm sấy một cách thuận tiện nhờ bộ phận tời kéo Khi hầm sấy được đóng lại, quá trình sấy bắt đầu với tác nhân sấy được đưa vào Mỗi 15 phút, cửa vào và cửa ra của hầm sấy sẽ được mở để kéo xe goòng ra ngoài và đồng thời đẩy xe goòng mới vào trong hầm.
Tác nhân sấy được tạo ra bằng cách đưa không khí bên ngoài vào caloriphe thông qua quạt đẩy, nơi không khí được đốt nóng đến nhiệt độ cần thiết bằng hơi nước Không khí nóng sau đó được dẫn vào hầm sấy, với nhiệt độ được điều chỉnh phù hợp với vật liệu sấy, đảm bảo không vượt quá giới hạn chịu nhiệt của chúng Trong hầm sấy, không khí nóng đi qua các lỗ lưới của khay chứa vật liệu, tiếp xúc đều và giúp ẩm của vật liệu bốc hơi Cuối cùng, quạt hút được đặt ở cuối hầm sấy 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 khi vào hầm sấy là 90°C và nhiệt độ ra là 40°C Khối lượng riêng của chuối được xác định là 977 kg/m³ Độ ẩm ban đầu của chuối là 70%, sau khi sấy, độ ẩm giảm xuống còn 2% Đường kính của lát chuối được cắt là 30mm, tương đương với 0,03m.
Bề dày lát chuối h = 10mm = 0,01m Độ ẩm cân bằng W cb = 19%
Năng suất nguyên liệu: 1000kg/h
G 2 = G 1 kg/h ( CT 5.3,trang 56, [6] ) 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
Trạng thái B: Chọn 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 nên ta chọn phù hợp
Ta có: Tra đồ thị I-d ta đƣợc Cường độ bay hơi
→ (CT 2.36, trang 32,[13]) 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: W cb = 19% Độ ẩm tới hạn: (CT 5.26, trang 103,[13])
Thực tế không khí chuyển động trên vật liệu không đƣợc đồng đều, vì vậy thời 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:
( CT 5.3,trang 56, [6] ) Lƣợng ẩm bốc hơi:
W = G 1 – G 2 = 1000 – 375 = 625 (kg ẩm/h) ( CT 7.2, trang 98, [6]) Lƣợng không khí khô tổn thất:
Thể tích không khí ẩm tại trạng thái (t 1 , ) tương ứng với 1kg không khí khô là v o = 1,089 m³/kgKKK (theo Phụ lục 5, trang 257, [6]) 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: h x = 2 m Chiều cao làm việc của xe: h 1 = 1,8 m
Tính số khay trong mỗi xe goòng:
Khoảng cách giữa 2 tầng khay: h 2 = 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)
Vậy khối lƣợng bánh xe goòng là:
Khối lƣợng xe goòng: 17,26 + 12,08 = 29,34 kg
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: g v = 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
Tổng khối lƣợng khay trên một xe:
3,42 36 = 123,12 kg Khối lƣợng một xe goòng chƣa chứa chuối:
G x ,26 + 12,08 + 123,12= 152,46 kg Khối lƣợng xe goòng có chở chuối:
Với L 1 , L 2 là khoảng trống ở hai đầu hầm, thường lấy L 1 + L 2 = 0,5l x = 0,5 2 = 1 m
B h = b x + 2 0,05 = 1,5 + 2 0,05 = 1,6 m (CT 7.13, trang 99,[6]) Chiều cao hầm sấy:
H h = h x + 0,05 = 2 + 0,05 = 2,05 m (CT 7.14, trang 100, [6]) 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: δ 1 = 0,35m
Chiều rộng phủ bì của hầm:
B = B h + 2.δ 1 = 1,6 + 2.0,35 = 2,3 m Trần hầm sấy có lớp bê tông cốt thép thường dày δ 2 = 0,3m và một lớp bông thủy tinh cách nhiệt có bề dày δ 3 = 0,1m
Chiều cao phủ bì của hầm:
H = H h + ( δ 2 + δ 3 ) = 2,05 + (0,3 + 0,1 ) = 2,45 m 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 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
C pa : nhiệt dung riêng của hơi nước: C pa = 1,842kJ/kgđộ r = 2500kJ/kgđộ nhiệt ẩm hóa hơi t 2 : nhiệt độ của tác nhân sấy khi đi ra t 2 = 40 o C
: nhiệt độ của môi trường = 30 0 C
C a : nhiệt dung riêng của nước C a = 4,18kJ/kg.độ q 1 = (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 với nhau.
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°C, trong khi khi ra khỏi hầm sấy, nhiệt độ đạt gần 90°C Khối lượng của khay sấy và xe goòng được xác định lần lượt trong quá trình này.
G k = 3,42 kg; G x = 29,34 kg Nhiệt dung riêng của vật liệu chế tạo xe và khay (thép không gỉ):
C k = C x = 0,51 kJ/kg.K Tổn thất nhiệt do khay sấy mang đi : k = x S = 6 36 = 216 khay q k = = n k G k C k (t k2 – t k1 )
Tổn thất nhiệt do xe goòng mang đi : x = 6 q x = = n x G x C W x (t X2 – t X1 ) = -
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
Tổn thất qua 2 bên tường (trang 103,[6])
Trong quá trình sấy thực, lưu lượng thể tích của tác nhân sấy luôn lớn hơn, do đó, chúng ta giả thiết rằng tốc độ trong quá trình sấy thực là không đổi.
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 dựa trên kinh nghiệm Hệ số này được tính toán theo công thức cụ thể cho hệ thống hầm sấy, giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy và bề mặt tường.
Bằng phương pháp tính lập ta có:
( ) (CT 6.11, trang 74,[6]) Chọn : nhiệt độ tường trong
Nhiệt độ bề mặt tường được xác định theo định luật Fourier, trong đó hệ số dẫn nhiệt của gạch là 0,7 W/m².độ và bề dày của tường cũng ảnh hưởng đến chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt tường và môi trường xung quanh.
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 : Gia tốc trọng trường : 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
(trang 23, [9]) 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 dày 0,25m, kết hợp với bông thủy tinh cách nhiệt dày 0,1m, có hệ số dẫn nhiệt 0,7 W/m.độ Dựa vào bảng I.126, trang 128, [8], ta có thể xác định hệ số truyền nhiệt k cho tường.
Do đó tổn thất qua 2 tường bên bằng:
Tổn thất nhiệt qua trần hầm sấy được xác định với diện tích trần và cấu trúc gồm 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: λ 4 = 0,5 W/m.độ ( tra bảng I.126, trang 128, [8]), λ 5 = 0,06 W/m.độ.(tra Phụ lục 2, [15])
Do đó tổn thất qua 2 cửa là:
Tổn thất qua nền Diện tích nền là: F n = 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:
(trang 104,[6]) Vậy tổng tổn thất ra môi trường q mt :
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:
(trang 105,[6]) Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi:
Tổng nhiệt lƣợng theo tính toán:
Nhiệt lƣợng caloriphe cần cung cấp q:
(trang 105,[6]) Theo nguyên tắc cân bằng nhiệt thì nhƣng do sai số trong quá trình tính toán nên
→ Sai số chấp nhận đƣợc
Bảng 5.1 Cân bằng nhiệt của hệ thống sấy
STT Đại lƣợng Ký hiệu kJ/kgẩm %
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 trong quá trình sấy được phân loại thành ba loại chính: tổn thất do vật liệu sấy mang đi chỉ chiếm 1%, tổn thất ra môi trường là 0,93%, và tổn thất do thiết bị thu hồi nhiệt (TBTT) mang đi là 2,27% Tổng cộng, các tổn thất này chỉ chiếm 4,2%, mặc dù việc tính toán rất phức tạp Trong thực tế, khi thiết kế hệ thống sấy hầm, có thể ước lượng tổng các tổn thất này vào khoảng 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 Nước bão hòa ngưng tụ trong ống, trong khi không khí nóng chuyển động bên ngoài các chùm ống nhận nhiệt, giúp đạt được nhiệt độ yêu cầu.
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 t N = 120 o C Áp suất ngƣng tụ là P N = 0,199 Mpa = 1,99 bar Công suất nhiệt của Caloriphe:
Công suất của Caloriphe được tính toán là 1928881,25 kJ/h, tương đương với 536 kW Hiệu suất của thiết bị này là 90%, điều này có nghĩa là có khoảng 10% năng lượng bị mất do bụi bẩn và sự ăn mòn của vật liệu theo thời gian Do đó, công suất nhiệt mà hơi nước cần truyền cho TNS là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Q caloriphe = 1,1 536 = 589,6 kW Nhiệt ẩn ngưng tụ của hơi nước ở nhiệt độ ngưng t N = 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 của nó lại rất nhỏ Chúng ta sẽ tiến hành kiểm tra lại giả thiết này để xác định tính chính xác của nó.
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 F 1 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:
(trang 221, [6]) 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,
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:
(CT II.4 trang 359,[8]) > 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 gờ nhám của ống, do đó, độ nhám của khu vực này không ảnh hưởng 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:
Trở lực do calorifer 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 là một yếu tố quan trọng, với đường kính ống d = 28mm Số dãy ống chùm theo phương chuyển động được xác định là 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
- Vùng 2: khu vực nhám 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 này nằm giữa vùng nhẵn thủy lực và vùng nhám, với hệ số ma sát phụ thuộc vào số Reynold 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:
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 của quạt:
Hiệu suất truyền động bánh đai: (trang 463, [8]) Công suất trên trục động cơ điện:
(trang 464, CT II.23b, [8]) 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 = P 0 + Pc 732,2 + 4686,6 = 98418,8 (N) Công suất của động cơ
N đ =(P.v)/(60000.η đ )= 98418,8.12/(60000.0,85)#,16 (kW) Với v = 12 vòng/phút: vận tốc xe goòng