Đề tài Thiết kế hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại để sấy Thanh long thái lát

TỔNG QUAN

THANH LONG

1.1.1 Khái niệm và phân loại a Khái niệm

Thanh Long [1] (tên trong tiếng Anh là Pitahaya, Pitaya hay Dragon fruit), thuộc họ xương rồng (nên còn gọi là Cactus pear), có nguồn gốc từ Mehico và Colombia Thanh Long được người Pháp đem vào Việt Nam trên 100 năm nay nhưng đến cuối thập kỉ XX mới phát triển mạnh Trong nước ta, Thanh Long được trồng nhiều và có sản lượng đứng đầu, tập trung nhiều ở ba tỉnh là Bình Thuận, Tiền Giang và Long An Ở phía Bắc, mặc dù có khí hậu lạnh nhưng được đưa vào trồng ở một số nơi như Lạng Sơn, Vĩnh Phúc, Hải Dương, Quảng Ninh, Thanh Hóa và Hà Nội b Phân loại

Theo [1], [2], quả Thanh Long ở Việt Nam có 4 loại phổ biến với đặc điểm như sau: Thanh Long ruột màu trắng với vỏ hồng hay đỏ: loại này được trồng phổ biến ở các tỉnh Nam Bộ nhưng thương hiệu nổi tiếng nhất là ở Bình Thuận Loại này sinh trưởng và phát triển tốt ở những nơi có cường độ ánh sáng cao và toàn phần, được trồng ở nhiều loại đất khác nhau Hình ảnh loại Thanh Long này được mô tả trong hình 1.1

Hình 1.1 Thanh Long ruột trắng vỏ hồng hoặc đỏ

Thanh Long ruột đỏ với vỏ hồng hay đỏ: giống này có nguồn gốc từ Đài Loan, được đưa vào trồng khảo nghiệm, bước đầu được đánh giá là cho kết quả khá Loại Thanh Long này ưa ánh sáng, rễ bàng và ưa cạn nên thích hợp trồng ở nơi thông thoáng, không bị che quá 30% diện tích chiếu sáng, tránh ngập úng khi mưa lũ, nước không bị nhiễm mặn hoặc phèn Dưới sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta có thể trồng Thanh Long ruột đỏ cho ra quả quanh năm Quả Thanh Long rất sai, quả trung bình nặng 300-700gram, kích thước 15-25cm, ruột đỏ, ăn ngọt, mát, cùi thịt dày chứa nhiều nước, mùi thơm thoang thoảng,

SVTH: Nguyễn Thị Tuyên P a g e | 7 có hàm lượng dinh dưỡng cao, giàu vitamin và chất khoáng… Hình ảnh của loại Thanh Long này như trong hình 1.2

Hình 1.2 Thanh Long ruột đỏ vỏ hồng hay đỏ

Thanh Long ruột trắng với vỏ vàng: là một loại giống có giá trị kinh tế rất cao trong thời điểm hiện tại, thuộc họ xương rồng, có gai nhỏ, rễ có khả năng bám vào cây, tường rào Loại Thanh Long này có tuổi thọ cao, ra quả sau hơn 2 năm trồng bằng hom Hình 1.3 là loại Thanh Long ruột trắng vỏ vàng

Hình 1.3 Thanh Long ruột trắng vỏ vàng

Loại Thanh Long ruột trắng vỏ vàng này sinh trưởng tương đối, thân nhỉ và mảnh khác biệt so với các loại Thanh Long khác Giống này chịu hạn, mặn, phèn nên thường được lựa chọn trồng ở những vùng đất hạn chế điều kiện trồng Quả nhỏ, trung bình 1kg có khoảng

2 đến 3 quả, tùy theo điều kiện trồng Về hình dáng quả vỏ vàng, ruột trắng có nhiều hạt, tai có gai, vị ngọt hơn hẳn so với Thanh Long vỏ đỏ ruột trắng

Thanh Long ruột tím với vỏ đỏ hay hồng: Thanh Long ruột tím trồng được ở những nơi có điều kiện sống khắc nghiệt, kể cả những nơi đất bị khô hạn, nhiễm mặn, phèn, ít sâu bệnh Hoa trắng nở quanh năm liên tục Quả trung bình nặng 300 đến 400 gram, điều kiện chăm sóc thuận lợi cây có thể cho quả đạt tới trọng lượng 800 đến 1000 gram Vỏ có màu đỏ hoặc hồng, tai xanh, phần ruột màu tím hồng Vì thế có nơi gọi là Thanh Long ruột hồng, cũng có nơi gọi là Thanh Long ruột tím Hình ảnh Thanh Long ruột tím như hình 1.4

Hình 1.4 Thanh Long ruột tím vỏ đỏ hoặc hồng

1.1.2 Vai trò của Thanh Long

Thanh Long là loại trái cây phổ biến ở các nước nhiệt đới, có chứa nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể chúng ta Từ việc hỗ trợ giảm cân, giảm các dấu hiệu lão hóa, mang lại làn da trẻ trung, khỏe mạnh cho đến việc tăng cường hệ miễn dịch của bạn, chống lại các tế bào ung thư Theo [3], đây là một loại trái cây mang lại nhiều giá trị sức khỏe:

Vitamin C: từ lâu đây được xem như là “thần dược” trong cải thiện các vấn đề lão hóa Các nghiên cứu đã tìm thấy mối tương quan giữa tăng lượng vitamin C và giảm nguy cơ ung thư

Betalains: có thể chống lại hiện tượng oxy hóa và có khả năng ức chế tế bào ung thư Betalains là một nhóm các sắc tố màu đỏ, thường được tìm thấy trong các loại trái cây, chính nó tạo ra màu đỏ của ruột Thanh Long Ngoài ra, nó còn xuất hiện để quét sạch các gốc peroxynitrate (ONOO-) có khả năng làm hư hỏng DNA của bạn

Carotenoids: Beta-carotene và lycopene là các sắc tố thực vật mang lại cho Thanh Long màu sắc rực rỡ Chế độ ăn giàu carotenoids có liên quan đến việc giảm nguy cơ ung thư và tim mạch

Thanh Long giàu chất xơ: (là carbohydrate không tiêu hóa) mang lại nhiều lợi ích sức khỏe, có thể đóng vai trò bảo vệ, chống lại bệnh tim, kiểm soát bệnh tiểu đường và duy trì

SVTH: Nguyễn Thị Tuyên P a g e | 9 trọng lượng cơ thể cân đối Hàm lượng chất xơ cao của Thanh Long giúp bạn đáp ứng được các đề xuất chất xơ cần thiết hàng ngày

Bảo vệ sức khỏe đường ruột: ruột là nơi cư trú của khoảng 100 nghìn vi sinh vật đa dạng, bao gồm 400 loài vi khuẩn Cộng đồng vi sinh vật này ảnh hưởng nhiều đến sức khỏe của bạn Các nghiên cứu cho rằng Thanh Long có chứa prebiotic, nó có khả năng cải thiện sự cân bằng của vi khuẩn đường ruột Thanh Long chủ yếu thúc đẩy sự phát triển của hai họ lợi khuẩn là: vi khuẩn axit lactic và bifidobacterial Tiêu thụ thường xuyên prebiotic, bạn có thể giảm nguy cơ nhiễm trùng đường tiêu hóa và tiêu chảy

Tăng cường hệ thống miễn dịch của bạn: khả năng chống nhiễm trùng của cơ thể bạn được xác định bởi một số yếu tố khác nhau bao gồm cả chế độ ăn uống của bạn Vitamin C và carotenoids trong Thanh Long có thể tăng cường hệ thống miễn dịch và ngăn ngừa nhiễm trùng bằng cách bảo vệ các tế bào bạch cầu của bạn khỏi bị hư hại Là chất oxy hóa mạnh, vitamin C và carotenoids trong Thanh Long có thể vô hiệu hóa các gốc tự do và bảo vệ tế bào bạch cầu của bạn khỏe mạnh

CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ SẤY THANH LONG

Quá trình sấy là quá trình tách ẩm, chủ yếu là tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu sấy để thải vào môi trường, ẩm có trong vật liệu sấy nhận được năng lượng theo một phương thức nào đó để tác khỏi vật liệu sấy và dịch chuyển từ trong long vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi tường bao quanh ( còn gọi là quá trình làm khô vật liệu sấy Quá trình sấy không chỉ là quá trình tách nước và hơi ra khỏi vât liệu sấy một cách thuần túy mà là một quá trình công nghệ phức tạp, là một khâu quan trọng trong dây truyền công nghệ, được sử dngj ở nhiều ngành chế biến các loại nông, lâm , hải sản Sản phẩm sau khi sấy đòi hỏi phải đảm bảo chất lượng theo một chỉ tiêu nào đó với chi phí năng lượng tối thiểu

Dựa vào trạng thái tác nhân sấy hay cách tạo ra động lực quá trình dịch chuyển nước ra khỏi vật liệu ẩm mà chúng ta có 2 phương pháp sấy:

- Phương pháp sấy lạnh a Phương pháp sấy nóng

Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy được đốt nóng, do tác nhân sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối giảm dẫn đến phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy giảm Mặt khác, do nhiệt độ tác nhân sấy tăng lên nên mật độ hơi trong các mao quản tăng, nên phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu cũng tăng theo công thức

𝑃0𝑃𝑟} Trong đó: 𝑃 𝑟 : áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m 2

𝑃 0 : áp suất trên bề mặt thoáng, N/m 2 δ: sức căng bề mặt thoáng, N/m 2

Ph : mật độ hơi trên cột dịch thể trong ống mao dẫn, kg/m 3

P0: mật độ dịch thể, kg/m 3

Do có sự phân áp suất giữa bề mặt vật liệu sấy và tác nhân sấy nên có sự dịch chuyển ẩm từ trong lòng VLS ra bề mặt và đi vào môi trường

Phân loại phương pháp sấy nóng:

Hệ thống sấy đối lưu; vật liệu sấy sẽ tiếp xúc lượng nhiệt bằng cách đối lưu nhận từ không khí nóng hoặc khói lò Hệ thống sấy đối lưu gồm: hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy khí động, hệ thống sấy hầm…

Hệ thống sấy bức xạ: vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để dẫn ẩm dịch chuyển từ trong long vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường Người ta tạo ra độ chênh lệch phân áp suất giữa vật liệu sấy và môi trường bằng cách đốt nóng vật

Hệ thống sấy tiếp xúc: vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng Trong hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô, hệ thống sấy tang…

Hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường: khi vật liệu sấy đặt trong môi trường điện từ thì trong vật liệu sấy xuất hiện các dòng điện và chính dòng điện này sẽ đốt nóng vật Ưu điểm của phương pháp sấy nóng: thời gian sấy ngắn hơn so với phương pháp sấy lạnh; năng suất cao và chi phí đầu tư thấp; nguồn nhiệt dùng để sấy nóng có thể tận dùng từ các lò, hơi nước nóng, hay các nguồn điện từ dầu mỏ… cho đến điện năng; tuổi thọ hệ thống sấy nóng cao và sửa chữa đơn giản; giá cả sản phẩm sấy nóng rẻ hơn sản phẩm sấy lạnh

Nhược điểm của phương pháp sấy nóng: chỉ sấy được các vật liệu sấy không yêu cầu cao về nhiệt độ; sản phẩm sau khi sấy thường hay biến màu và chất lượng không cao; gây mất nhiều chất dinh dưỡng b Phương pháp sấy lạnh

Trong phương pháp sấy lạnh người ta tạo ra độ chênh áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước tronng tác nhân sấy nhờ giảm độ chứa ẩm Mối quan hệ được biểu hiện qua công thức (1.1)

Trong đó: B là áp suất môi trường

Hệ thống sấy lạnh ở t> 0 o C: với hệ thống sấy này, nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ vật liệu sấy xấp xỉ bằng nhiệt độ môi trường Trước hết không khí được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp thụ Sau đó được đốt nóng hay làm lạnh đến nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy Khi đó, phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy nên ẩm từ dạng lỏng sẽ bay hơi và đi vào tác nhân sấy Điểm khác nhau giữa 2 phương pháp sấy là: trong phương pháp sấy nóng đối lưu, người ta giảm Ph bằng cách đốt nóng tác nhân sấy ( d = const) để tăng áp suất bão hòa dẫn đến giảm độ ẩm tương đối φ Còn trong phương pháp lạnh có nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường, người ta tìm cách giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy bằng cách giảm lượng chứa ẩm d khi không khí qua dàn lạnh Ưu điểm của phương pháp sấy lạnh: các chỉ tiêu về chất lượng, dinh dưỡng, vitamin, mùi vị và màu sắc đều đạt rất cao; thích hợp với các yêu cầu chất lượng cao, đòi hỏi phải sấy ở nhiệt độ thấp; khả năng bảo quản lâu hơn và ít bị tác động bên ngoài; quá trình sấy kín nên không bị phụ thuộc vào môi trường bên ngoài

Nhược điểm của phương pháp sấy lạnh: giá thành thiết bị đầu tư và tiêu hao điện năng lớn, giá thành sản phẩm cao; vận hành phức tạp, người vận hành phải có trình độ chuyên môn; không phù hợp với các vật liệu dễ bị ôi thui, mốc vì nhiệt độ sấy thường gần bằng nhiệt độ môi trường; dễ tắc nghẽn thiết bị làm lạnh do cuốn hút các vật liệu sấy

1.2.2 Công nghệ sấy Thanh Long phổ biến a Sấy Thanh Long bằng công nghệ sấy nhiệt

Công nghệ sấy nhiệt là công nghệ sấy phổ biến nhất hiện nay, sự dụng nhiệt đô cao giúp nước bên trong trái cây bay hơi nhanh hơn Theo lý thuyết, nhiệt độ sôi của nước là

100 o C nên nhiệt độ sấy trong công nghệ sấy này chỉ cần dưới 100 o C, nhiệt độ càng gần 100 o C thì khả năng bay hơi càng nhanh Công nghệ sấy nhiệt được mình họa dưới hình 1.9

Hình 1.9 Công nghệ sấy nhiệt Cấu tạo: hiện nay trên thị trường có nhiều loại máy sấy nóng với nhiều mẫu mã, cấu tạo đa dạng, tuy nhiên nhìn chung máy sấy nóng thông thường sẽ được cấu thành từ những bộ phận sau:

LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ CHẾ ĐỘ SẤY

1.3.1 Lựa chọn thiết bị sấy

Qua quá trình phân tích các công nghệ sấy trong phần 1.2.2, ta có thể thấy mỗi công nghệ sấy đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Đối với hệ thống sấy Thanh Long thái lát năng suất của hệ thống sấy G2 = 100kg/h, giải pháp sấy bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại sẽ đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về chất lượng, tiết kiệm thời gian và năng lượng Ưu điểm của phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp bằng nguyên lý bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại là giữ được màu sắc tự nhiên của sản phẩm Do kết hợp hồng ngoại có tốc độ truyền nhiệt lớn, khả năng trao đổi nhiệt tốt hơn, dễ điều chỉnh được nguồn nhiệt và nhiệt độ trên bề mwatj sản phẩm nên rút ngắn được thời gian sấy Ngoài ra phương pháp này có chi phí rẻ hơn so với phương pháp sấy chân không do nguồn bức xạ hồng nhiệt rẻ

Hình ảnh thiết bị sấy bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại được mô tả như trong hình 1.14, ngoài ra thiết bị cũng có thể được tích hợp thêm công nghệ khử khuẩn bằng tia cực tím UV-

C giúp đảm bảo vệ sinh an toàn cho sản phẩm sau khi sấy, hệ thống UV này nhỏ gọn và dễ hoạt động, điện năng tiêu thụ và chi phí vận hành thấp, không cần biện pháp phòng ngừa an toàn đặc biệt khi vận hành

Hình 1.14 Thiết bị sấy bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại Cấu tạo:

14 Quạt dàn ngưng tụ phụ

Nguyên lý hoạt động: không khí đi qua giá đỡ nguyên liệu, làm cho lượng ẩm chứa trong không khí ẩm tăng lên do ẩm từ vật liệu sấy bay hơi vào, sau đó đi qua dàn lạnh và không khí ẩm được làm lạnh đến nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương làm cho ẩm chứa trong không khí ẩm ngưng tụ trên bề mặt dàn lạnh và chảy vào máng hứng, lượng nước ngưng tụ trên chính là lượng ẩm thoát ra từ vật liệu sấy Không khí sau khi qua dàn lạnh được tách ẩm và hạ nhiệt độ xuống rồi đi vào dàn nóng, nhiệt độ được tăng lên nhưng hàm ẩm vẫn không đổi, đồng thời đèn hồng ngoại gia nhiệt được quạt ly tâm lồng sóc thồi vào buồng sấy sau đó được đi vào giá đỡ nguyên liệu và quá trình sấy tiếp tục được lặp lại như trên Khi nhiệt độ sấ y trong phòng lớn, rơ-le nhiệt độ sẽ tác động tới van điện từ mở ra để thải bớt nhiệt qua dàn ngưng phụ để điều chỉnh nhiệt độ trong buồng sấy được ổn định Ưu điểm của phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp bằng nguyên lý bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại là tạo dòng truyền ẩm thuận, chế độ sấy dịu, không tạo màng;vật liệu sấy tiếp xúc đều với tác nhân sấy, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra tốt hơn; thời gian sấy ngắn; tiết kiệm năng lượng Với công nghệ sấy kết hợp này, sản phẩm sấy giữ được màu sắc và mùi vị tự nhiên của sản phẩm Do kết hợp hồng ngoại có tốc độ truyền nhiệt lớn, khả năng trao đổi nhiệt tốt hơn, dễ điều chỉnh được nguồn nhiệt và nhiệt độ trên bề mặt sản phẩm nên rút ngắn được thời gian sấy Ngoài ra, phương pháp này còn có chi phí rẻ hơn so với phương pháp sấy chân không do nguồn bức xạ hồng nhiệt rẻ

Mục đích khi chọn hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại này, ta đồng thời kết hợp được ưu điểm của cả hai phương pháp sấy Sấy bơm nhiệt giúp cho không khí được tách ẩm và nâng nhiệt độ làm cho áp suất riêng phần hơi nước không khí nhỉ, chênh lệch gradient độ ẩm lớn, nhờ đó thức đẩy quá trình khuếch tán ngoại Sấy bằng bức xạ hồng ngoại do nhiệt bức xạ hồng ngoại cao, xuyên thấu vào bên trong vật liệu sấy làm nóng từ trong ra ngoài làm cho gradient nhiệt độ tăng, thức đẩy quá trình khuếch tán nội đẩy nhanh quá trình sấy Hai dòng ẩm, một đi từ tâm sản phẩm di chuyển ra bề mặt nhờ bức xạ hồng ngoại, một từ bề mặt di chuyển ra không khí bên ngoài nhờ bơm nhiệt Hau dòng ẩm diễn ra cùng chiều giúp đẩy nhanh quá trình khuếch tán tách ẩm, tăng tốc độ sấy, giảm thười gian sấy, điều này có ý nghĩa lớn khi sấy các sản phẩm nóng , thủy sản, giảm nhiệt độ sản phẩm và thời gian sấy ngắn hơn, do đó tránh được sự biến tính của sản phẩm, giữ được màu sắc tự nhiên, mùi vị, khả năng phụ hồi trở lại tốt, nâng cao chất lượng sản phẩm

Bên cạnh đó, phương pháp sấy kín giúp cho sản phẩm sau khi sấy không bị lây nhiễm vi sinh vật từ bên ngoài vào

1.3.2 Lựa chọn, xác định chế độ sấy

Yêu cầu đề tài đưa ra là thiết kế hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp tia hồng ngoại để sấy Thanh Long thái lát với năng suất G2 = 100 kg/ h sử dụng phương án cấp nhiệt là năng lượng điện

Căn cứ vào chế độ làm việc của thiết bị sấy bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại và vật liệu sấy yêu cầu là Thanh Long thái lát, cùng với thiết bị sấy thanh long thực tiễn nghiên cứu [2], kết hợp với yêu cầu đề tài ta chọn chế độ sấy như trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Chế độ sấy Thanh Long của hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp tia hồng ngoại

STT Đại lượng Kí hiệu Giá trị

1 Độ ẩm VLS trước khi vào thiết bị sấy ω1 87%

2 Độ ẩm vật liệu sấy sau thiết bị sấy ω2 15%

3 Nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị t1 50 o C

4 Nhiệt độ không khí vào môi trường t 26 o C

TÍNH QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT

TÍNH LƯỢNG ẨM BAY HƠI

Đồ án thiết kế hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại để sấy Thanh Long thái lát đặt ở Đồng Nai với năng suất G2 = 100 kg/h Ở Chương 1 ta đã xác định các thông số như sau: Độ ẩm Thanh Long trước khi sấy: ω1 = 87%; Độ ẩm Thanh Long sau khi sấy: ω2 = 15%;

Nhiệt dung riêng Cp = 3800 J/kg.K

Thời gian sấy: 8 giờ/mẻ;

Nhiệt độ tác nhân sấy trước và sau quá trình sấy lần lượt là t2 = 26 o C và t3 = 35 o C Theo [4] ta có lượng ẩm bay hơi tronng 1 giờ được tính theo công thức (2.1):

W – Lượng ẩm bay hơi, [kg ẩm/h];

G2 – lượng vật liệu khô ra khỏi máy sấy hay năng suất thiết bị, [kg/h]

𝜔1 – độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy, [%];

𝜔2– độ ẩm của vật liệu sau khi sấy, [%]

Thay các số liệu đã biết vào công thức (2.1), xác định được giá trị lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ:

Vật liệu sấy cấp vào hệ thống sấy trong 1 giờ:

XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẤY THANH LONG

Với thanh long sấy được sản xuất từ 100% thanh long tươi, hoàn toàn không thêm phụ gia, không chất bảo quản, rất tốt cho sức khỏe Nên quy trình công nghệ sấy thanh long gồm 3 giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1: chuẩn bị vật liệu sấy;

Giai đoạn 2: thực hiện quá trình sấy;

Giai đoạn 3:lấy vật liệu sấy ra ngoài và đóng gói

2.2.1 Giai đoạn 1: Chuẩn bị vật liệu sấy

- Bỏ vỏ: dùng dao để tách sạch vỏ Mục đích loại bỏ phần không ăn được của trái thanh long, tạo thuận lợi cho quá trình chế biến tiếp theo

- Cắt miếng: dùng dao cắt thanh long thành những miếng tròn hoặc bán tròn có độ dày 0,5 cm Mục đích để miếng thanh long có kích thước và chiều dày đồng đều thuận lợi cho các quá trình chế biến sau, đặc biệt là công đoạn sấy

- Ngâm thẩm thấu: sau khi bỏ vỏ cắt miếng thì ta tiến hành ngâm tiếp thanh long vào dung dịch đường Tỉ lệ nước ngâm nguyên liệu sao cho dung dịch ngâm thẩm thấu ngập bề mặt nguyên liệu Mục đích sử dụng dung dịch đường có nồng độ cao, tạo ra áp suất thẩm thấu cao, ngăn cản sự hoạt động của vi sinh vật, tách một phần nước ra khỏi nguyên liệu giúp sấy nhanh hơn, đồng thời tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm sấy

- Rửa: sau khi ngâm thẩm thấu xong thì lấy thanh long ra nhúng nhanh qua nước sạch Mục đích loại bỏ lớp đường trên bề mặt nguyên liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sấy, giảm bớt độ dính sau khi sấy

- Làm ráo: dùng giấy thấm khô thanh long khi thanh long đã được nhúng qua nước sạch Mục đích làm ráo nước trên bề mặt thanh long khi nhúng thanh long vào nước ở công đoạn trên

- Sắp xếp thanh long lên xe goong: xếp các miếng thanh long dàn đều trên khay sấy chiểm khoảng 70 -80% diện tích khay sấy Mục đích phân bố đều các miếng thanh long đã được thái lái giúp cho quá trình sấy nhanh chóng hơn

2.2.2 Giai đoạn 2: Thực hiện quá trình sấy

Với lựa chọn hệ thống sấy Thanh Long bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại như đã phân tích ở chương I, ta có thể sấy theo 2 chế độ là:

- Chế độ sấy bơm nhiệt;

- Chế độ sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại

Tuy nhiên ở đây ta chỉ tập trung vào chế độ sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại Quá biến đổi không khí ẩm biểu diễn trong đồ thị I-d cụ thể như trong hình 2.1

Hình 2.1 Quá trình biến đổi không khí ẩm trên đồ thị I-d Điểm 0: trạng thái không khí ngoài trời;

SVTH: Nguyễn Thị Tuyên P a g e | 27 Điểm 1: trạng thái không khí sau dàn lạnh; Điểm 2: trạng thái không khí sau dàn nóng Điểm 3: trạng thái không khí sau đèn hồng ngoại và sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm sấy Các quá trình diễn ra :

-0-1: quá trình tách ẩm và hạ nhiệt độ không khí

-1-2: quá trình gia nhiệt không khí bằng bơm nhiệt

-2-2’: quá trình không khí sau khi được gia nhiệt bằng đèn hồng ngoại và cuối quá trình sấy

Không khí từ môi trường được đưa vào buồng sấy, sau đó không khí được dàn lạnh làm giảm nhiệt độ và tách ẩm, không khí sau khi được tách ẩm và hạ nhiệt độ thì tiếp tục đi qua dàn nóng để nhận nhiệt từ dàn nóng nâng mức nhiệt lên cao rồi được quạt gió thổi đi qua vật liệu sấy để nhận nhiệt và cùng lúc này không khí sẽ được nhận nhiệt từ bức xạ hồng ngoại có nghĩa là không khí trong phòng sấy vừa nhận nhiệt từ sản phẩm sấy vừa nhận nhiệt từ bức xạ Sau khi sấy xong thì không khí sẽ đi qua lưới lọc và về lại dàn lạnh để được tách ẩm giảm nhiệt độ tiếp Khi mà nhiệt độ trong phòng sấy đủ nhiệt độ thì bộ điều khiển trung tâm sẽ điều khiển cho van điện từ mở ra để cho gas qua dàn nóng phụ giảm tải nhiệt trong phòng sấy hoặc điều khiển cho máy nén chạy biến tần

2.2.3 Giai đoạn 3: Lấy vật liệu sấy ra ngoài và đóng gói

Sau khi kết thúc quá trình sấy, các xe goong sẽ được đưa ra ngoài Thanh long thái lát sau khi hạ nhiệt sẽ được kiểm tra và sàng lọc những miếng không đạt yêu cầu, sau đó sẽ được đóng gói.

XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA TÁC NHÂN SẤY

2.3.1 Xác định các thông số điểm nút

Theo [7], các thông số tại các điểm nút được xác định như sau:

Phân áp suất bão hòa:

235,5 + 𝑡) [𝑏𝑎𝑟] (2.2) Độ chứa hơi lý thuyết

Khối lượng riêng của không khí:

Dựa vào các công thức (2.2), (2.3), (2.4), (2.5) đã đưa ra ở trên để xác định thông số trạng thái tại các điểm của tác nhân sấy a Xác định thông số điểm 0

Nhiệt độ bên ngoài môi trường được xác định theo nhiệt độ trung bình cả năm tại Đồng Nai Chọn t0 = 26 o C và 𝜑 0 = 80%, xác định được thông số tại trạng thái 1 có giá trị như sau

Phân áp suất bão hòa của không khí tại t1 = 26 o C:

235,5 + 26) = 0,0334 [bar] Độ chứa hơi lý thuyết của không khí tại trạng thái ban đầu:

I0 = 1,004t0 + d0(2500 + 1,842t0) = 1,004.26+0,017(2500+1,842.26) = 69,42 [kJ/kg] b Xác định thông số điểm 1

Với t1 = 20 o C và 𝜑 1 = 90 %, xác định được thông số tại trạng thái 1 có giá trị như sau Áp suất bão hòa của không khí tại t1= 20 o C:

Phân áp suất bão hòa của không khí tại t1 = 20 o C:

235,5 + 20) = 0,0233 [bar] Độ chứa hơi lý thuyết của không khí tại trạng thái ban đầu:

1 − 0,9.0,0223 = 0,013 [𝑘𝑔 ẩ𝑚/𝑘𝑔 𝑘𝑘] Enthalpy của không khí tại điểm 1’:

I 1 = 1,004𝑡 1 + 𝑑 1 (2500 + 1,842𝑡 1 ) =1,004.20 + 0.013.( 2500 + 1,842 20) = 53,06 [kJ/kg] c Xác định thông số tại điểm 2

Do quá trình 1-2 là quá trình gia nhiệt tác nhân sấy thông qua dàn nóng của bơm nhiệt nên d2 = d1 = 0,013 [kg ẩm/ kgkk] Áp suất bão hòa của không khí tại điểm 2:

235,5 + 45) = 0,095[𝑏𝑎𝑟] Độ ẩm tương đối của không khí tại trạng thái 2:

Enthalpy của không khí tại trạng thái 2:

SVTH: Nguyễn Thị Tuyên P a g e | 29 d Xác định thông số trạng thái tại điểm 2’

Với t2’ = 60 o C; d2’ = d2 = 0,013 [kg ẩm/kgkk], xác định được các thông số Áp suất bão hòa của không khí tại trạng thái 2’:

235,5 + 60) = 0,197[𝑏𝑎𝑟] Độ ẩm tương đối của không khí tại trạng thái 2’:

Enthalpy của không khí tại trạng thái 2’:

= 94,18 [kJ/kg] e Xác định thông số tại trạng thái 3

Với t3 = 55 o C; I3 = I2’ = 94,18 [kJ/kg] Độ chứa hơi lý thuyết tại điểm 3:

2500 + 1,842.55 = 0,015[𝑘𝑔ẩ𝑚/𝑘𝑔𝑘𝑘] Áp suất bão hòa của không khí tại trạng thái 3:

235,5 + 55) = 0,156[𝑏𝑎𝑟] Độ ẩm tương đối của không khí tại trạng thái 2’:

2.3.2 Quá trình sấy lý thuyết

Tổng hợp kết quả tính toán các thông số trạng thái của TNS trong quá trinh sấy lý thuyết được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các thông số của không khí ẩm Điểm t ( o C) 

TÍNH LƯỢNG KHÔNG KHÍ, LƯỢNG NHIỆT CẦN CẤP CHO QUÁ TRÌNH SẤY

2.4.1.Tiêu hao không khí lý thuyết

Lượng không khí khô cần thiết để bay hơi 1 kg ẩm

Lượng không khí khô cần thiết trong quá trình sấy

2.4.2 Tiêu hao nhiệt lý thuyết

Lượng nhiệt mà đèn hồng ngoại tỏa ra

STT Đại lượng Kí hiệu Giá trị Đơn vị

1 Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi

1 kg ẩm l 0 500 Kgkk/kg ẩm

2 Lưu lượng không khí khô cần cho quá trình sấy

3 Lượng nhiệt đèn hồng ngoại tỏa ra q hn.lt 7710 kJ/kg ẩm

TÍNH QUÁ TRÌNH SẤY THỰC

TÍNH KÍCH THƯỚC VÀ KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ

Thiết bị sấy sử dụng xe goong làm thiết bị chuyền tải Xe được làm bao gồm 1 khung lớn và các khay sấy Khung xe và khay sấy được làm bằng Inox 304, đây là một loại hợp kim phổ biến dùng trong công nghệ thực phẩm, do tính không bị biến đổi trong điều kiện môi trường khắc nghiệt nên việc sử dụng vật liệu Inox 304 làm khay sấy và khung xe goong sẽ đảm bảo an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng Hình ảnh xe goong được sử dụng trong thực tế như trong hình 3.1

Chọn khối lượng Thanh Long trên mỗi khay sấy là 10kg Thanh Long đã qua bước sơ chế, cắt lát mỏng 5mm ngang thân quả Với khối lượng vật liệu sấy ban đầu yêu cầu là

5230 kg, tổng số khay sấy cần sử dụng là

Diện tích của 1 tấm lưới được xác định như sau

Khối lượng thanh long trên 1 lưới;

F là tổng diện tích bề mặt thanh long trên 1 khay sấy [ m 2 ]; δtl là độ dày của lớp thanh long xếp trên 1 khay sấy [m] Chọn δtl = 5mm = 0,005m; gi là khối lượng thanh long trên 1 khay sấy; gi = 10 [kg]; ρtl là khối lượng riêng của thanh long; a là hệ số hiệu chỉnh Chọn a = 0,95

Thay giá trị các đại lượng vào các công thức trên, ta xác định được:

Thể tích thanh long trên mỗi khay

Từ đó ta xác định được tổng diện tích bề mặt của thanh long trên 1 khay sấy

0,005 = 1,96[𝑚 2 ] Với tổng diện tích bề mặt thanh long xác định được là 1,96 m 2 , ta lựa chọn làm khay sấy có kích thước (dài x rộng x dày) là 1000x2000x30mm Khay sấy có cấu tạo gồm lưới và khung bọc 4 viền xung quanh, viền này rộng 25mm có tác dụng giúp khay sấy chắc chắn hơn Giá đỡ khay sấy là các khung chữ V có chiều dài 2000m Mô tả cụ thể cấu tạo khay sấy như trong hình 3.2

Hình 3.2 Cấu tạo và kích thước khay sấy

Thiết kế mỗi xe goong có 16 khay , khoảng cách giữa các khay là 100mm, bánh xe cao 100mm Số xe goong cần thiết để sấy 5230 kg thanh long là:

Do cần có khoảng cách nhất định giữa mép khay sấy với khung xe để lấy khay sấy ra dễ dàng, lấy khoảng cách giữa khay sấy và khung là 25mm , kích thước xe goong được xác định như sau:

Chiều cao xe goong: 16 x 30 + 17 x 100 + 100 = 2280 [mm];

Chiều rộng xe goong: 1000 + 50 = 1050[mm];

Khoảng cách từ xe đến trần buồng sấy là 100 [mm];

Xếp xe goong trong buồng sấy thành 3 hàng theo chiều ngang, mỗi hàng 11 xe, mỗi hàng xe cách nhau 100mm, các xe goong trên 1 hàng cách nhau 100mm, các xe ở ngoài cùng của hàng cách tường buồng 100mm, kênh dẫn khí theo chiều rộng buồng sấy có kích thước 500mm Kích thước sơ bộ bên trong buồng sấy được xác định:

Vách và trần của buồng sấy được làm dày 100mm Kích thước bên ngoài buồng sấy được xác định là:

TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT CHO THIẾT BỊ SẤY

3.2.1 Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy

Trong quá trình sấy thực tế luôn xuất hiện thất thoát về nhiệt Cân bằng nhiệt trong quá trình sấy được thể hiện như trong hình 3

Hình 3.3 Cân bằng nhiệt trong quá trình sấy

Theo [7], phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy được viết như sau:

• Q - Nhiệt lượng cung cấp để gia nhiệt tác nhân sấy;

• 𝑄 𝑏𝑠 - Nhiệt lượng bổ sung, ở đây nhiệt lượng bổ sung bằng 0;

• 𝑊 𝐶 𝑛 𝑡 𝑚1 = 𝑄 1 - Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào;

• 𝐺 2 𝐶 𝑚 (𝑡 𝑚2 − 𝑡 𝑚1 ) = 𝑄 𝑚 - Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang ra;

• 𝑄 5 = 𝐾 𝐹 𝛥𝑡 - Nhiệt tổn thất ra môi trường theo kết cấu bao che;

• 𝐺 𝑣𝑐 𝐶 𝑣𝑐 (𝑡 𝑚2 − 𝑡 𝑚1 ) = 𝑄 𝑣𝑐 - Nhiệt lượng tổn thất theo thiết bị vận chuyển;

• 𝐿 (𝐼 3 − 𝐼 1 ) = 𝑄 2 - Nhiệt tổn thất do tác nhân sấy;

Chia cả 2 vế phương trình (3.1) cho W ta được

=> 𝑙 (𝐼 3 − 𝐼 1′ ) = 𝑙 (𝐼 3 − 𝐼 1′ ) + 𝑞 𝑚 + 𝑞 5 + 𝑞 𝑣𝑐 − 𝑡 𝑚1 𝐶 𝑛 Đặt: 𝑡 𝑚1 𝐶 𝑛 − (𝑞 𝑚 + 𝑞 5 + 𝑞 𝑣𝑐 ) = ∆ - tổn thất nhiệt để làm bay hơi 1kg ẩm

→ 𝑞 = 𝑙 ∆𝐼 − ∆ Trong đó Δ là nhiệt lượng bổ sung – nhiệt lượng tổn thất chung

3.2.2 Tính toán tổn thất nhiệt a Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi

Nhiệt tổn thất do vật liệu sấy mang đi được xác định bởi công thứ

G2: lượng vật liệu ra khỏi thiết bị [kg/h];

Cv: nhiệt dung riêng của vật liệu sấy ra khỏi thiết bị;

Cp: nhiệt dung riêng tuyệt đối của thanh long, Cp = 3,800 [kJ/kgK];

Ca: nhiệt dung riêng của nước, Ca = 4,1868 [kJ/kgK]; ω2: độ ẩm của thanh long sau khi ra khỏi thiết bị sấy, ω2 = 15%

Thay các thông số vào công thức, xác định được nhiệt dung riêng của thanh long khi ra khỏi thiết bị sấy:

Nhiệt tổn thất do vật liệu sấy mang đi là:

553,85= 13,24[𝑘𝐽/𝑘𝑔𝑎] b Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt vào môi trường

Bên cạnh tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi, nhiệt tổn thất còn do sự tỏa nhiệt vào môi trường Tổn thất này được mô tả như hình 3

Hình 3.4 Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt vào môi trường

Nhiệt độ bên ngoài buồng sấy: 𝑡 𝑓2 = 𝑡 0 = 26 ℃;

Nhiệt độ bên trong buồng sấy:

2 = 47,5 ℃ Buồng sấy có tường làm bằng 2 lớp inox có chiều dày δ = 0,015 – 0,016 m, hệ số dẫn nhiệt λ = 50 W/mK Lớp bông thủy tinh có chiều dày δ = 0,05m, hệ số dẫn nhiệt λ = 0,063 W/mK

Nhiệt tổn thất ra môi trường được tính theo công thức

F: diện tích xung quanh buồng sấy, F = (6,8 + 8,5) 2 3,16 = 96,696 [m 2 ]; Δt: độ chênh nhiệt độ bên trong và bên ngoài buồng sấy, o C;

𝛼 1 : hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của môi trường sấy đến vách thiết bị, W/m 2 K;

𝛼 2 : hệ số trao đổi nhiệt đối lưu từ bề mặt ngoài thiết bị đến môi trường, W/m 2 K;

𝛿 𝑖 , 𝜆 𝑖 : chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của các lớp của vỏ thiết bị Để xác định 𝛼 1 và 𝛼 2 ta dùng phương pháp lặp

Với vận tốc gió trong buồng sấy chọn là 2m/s, khi sấy đối lưu cưỡng bức 𝛼 1 < 5m/s

𝛿(𝑡 𝑤1 − 𝑡 𝑤2 ) = 𝛼 2 (𝑡 𝑤2 – 𝑡 𝑓2 ) Giả sử nhiệt độ vách trong buồng sấy là tw1 = 50 o C, mật độ dòng nhiệt truyền qua:

𝑞 = 14,5 (55 − 50) = 29 [𝑊/𝑚 2 ] Nhiệt độ vách ngoài tường đượng xác định theo công thức

Tra bảng thông số vật lý của không khí với 𝑡 𝑚 = 27,99 ℃, các thông số có giá trị như sau:

(15,92 10 −6 ) 2 (27,99 + 273) = 1,13 10 10 Xét Gr.Pr = 0,701 1,13.10 10 = 7,92 10 9 thuộc khoảng (2.10 7 – 10 13 )

Thay giá trị C, n, Gr, Pr vào công thức Nusselt:

Hệ số tỏa nhiệt 𝛼 2 xác định được là

Do kết quả so sánh được rất nhỏ nên kết quả tính toán ở trên có thể chấp nhận được

Từ đó xác định được hệ số truyền nhiệt:

Nhiệt tổn thất ra ngoài môi trường:

Nhiệt lượng tổn thất ra ngoài môi trường trong quá trình sấy:

553,85 = 24458,81[𝐽/𝑘𝑔𝑎] = 24,459[𝑘𝐽/𝑘𝑔𝑎] c Tổn thất nhiệt để làm nóng lưới sấy

Như kết quả đã chọn ở mục 3.1 lưới sấy có kích thước 1000x2000 mm, lưới sấy có bề dày δ = 1mm Hệ thống sấy gồm 33x16 = 528 khay sấy Tổng diện tích khay sấy là:

𝐹 𝑘 = 𝐹 𝑛 = 1 2 528 = 1056 [𝑚 2 ] Khối lượng inox để làm khay sấy là:

Nhiệt lượng tổn thất để làm nóng lưới sấy:

553,85 = 219,23[𝑘𝐽/𝑘𝑔𝑎] d Nhiệt hữu ích do vật ẩm mang vào

𝑞 1 = 𝐶 𝑎 𝑡 𝑣1 Trong đó Ca là nhiệt dung riêng của nước, lấy Ca = 4,1868 [kJ/kgK]

Nhiệt hữu ích do vật liệu sấy mang vào:

Tổn thất nhiệt của quá trình :

TÍNH QUÁ TRÌNH SẤY THỰC

Hình 3 Quá trình thay đổi trạng thái của không khí ẩm trên đồ thị I-d

Tính toán thông số trạng thái của không khí ẩm trong quá trình sấy thực

Tại điểm 0 ,1 và 2 thông số trạng thái không khí không thay đổi so với quá trình sấy lý thuyết Tại điểm 3: trạng thái không khí sau khi gia nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại và cuối quá trình sấy

Nhiệt độ sấy t3 = 55 o C, dựa vào đồ thị quá trìn sấy thực ta suy ra được;

Thay vào vào biểu thức trên, ta được:

= 0,018 Entanpi của không khí ẩm:

I3’ = 1,004 t3’ + d3’(2500 + 1,842 t3’) = 1,004.55 + 0,018(2500 + 1,842.55) = 102,04[kJ/kgK] Độ ẩm của không khí:

THIẾT LẬP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG VÀ TÍNH HIỆU SUẤT NHIỆT CỦA HỆ THỐNG

Tổng hợp kết quả tính toán các thông số trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực được trình bày trong bảng 3.1

Bảng 3.1 Thông số trạng thái của tác nhân sấy Điểm Đại lượng 𝒕 [℃] 𝝋 [%] d[kga/kgkk] I[kJ/kgkk] p[bar]

0 Trạng thái không khí ngoài trời 26 80 0,017 69,42 0,0334

1 Trạng thái không khí sau dàn lạnh 20 90 0,013 53,06 0,0233

2 Trạng thái không khí sau dàn nóng 40 21 0,013 78,96 0,085

3 Trạng thái không khí sau quá trình sấy 55 17 0,018 102,04 0,156

Tính toán nhiệt quá trình sấy thực

Lượng không khí khô cần cấp để làm bay hơi 1kg ẩm:

Lượng không khí khô tuần hoàn trong quá trình sấy:

Lượng không khí khô tuần hoàn trong 1s:

Nhiệt do dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1kg ẩm:

Nhiệt do đèn hồng ngoại tỏa ra

Công suất dàn ngưng của bơm nhiệt

Lượng ẩm ngưng tụ được từ ngưng tụ 1kg ẩm:

Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm:

Lượng nhiệt dàn lạnh thu được :

Năng suất lạnh dàn lạnh cung cấp để làm lạnh :

TÍNH THIẾT KẾ, TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ

BỐ TRÍ HỆ THỐNG SẤY

4.1.1 Sơ đồ công nghệ hệ thống sấy

Máy sấy bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại được thiết kế chế tại theo như hình 4.1

Hình 4.1 Sơ đồ công nghệ của hệ thống sấy

Thiết bị sấy được thiết kế và chế tạo để sấy nóng sản với năng suất 100kg/h Thiết bị sử dụng chu trình bơm nhiệt máy nén với môi chất lạnh là R22 Dàn bay hơi của thiết bị với nhiệm vụ làm lạnh tách ẩm từ tác nhân sấy trong buồng sấy Nhiệt tỏa ra từ dàn ngưng tụ của thiết bị được tận dụng để gia nhiệt làm nóng cho tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy Quạt trong buồng sấy được chọn là loại quạt lồng sóc có cột áp thích hợp để thực hiện quá trình sấy đối lưu, bộ phận tiết lưu được chọn là loại ống mao đơn giản Ngoài ra thiết bị còn bao gồm hệ thống đèn hồng ngoại cung cấp nhiệt cho buồng sấy khi sấy thực phẩm

4.1.2 Bố trí mặt bằng hệ thống sấy

Hình 4.2 Bố trí mặt bằng hệ thống sấy

4.1.3 Bố trí thiết bị sấy

Thiết bị trong hệ thống sấy được bố trí như trong hình 4.3

Hình 4.3 Bố trí thiết bị trong hệ thống sấy

TÍNH THIẾT KẾ, TÍNH CHỌN HỆ THỐNG BƠM NHIỆT

4.2.1 Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt a Môi chất

Lựa chọn môi chất cho bơm nhiệt cần phải đảm bảo các yêu cầu tính chất hóa học, vật lý, tính kinh tế, và phải có nhiệt độ sôi phù hợp Ngày nay người ta thường sử dụng các môi chất như: R22, R32, R410, R12, R502… Do hệ thống làm việc ở nhiệt độ cao nên ta càn chọn loại môi chất có nhiệt độ sôi cao So sánh khả năng ứng dụng rộng rãi và ưu điểm nổi bật của các môi chất, ta lựa chọn R314a b Máy nén lạnh

Máy nén lạnh là một trong những bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt Tất cả các dạng máy nén lạnh đều được ứng dụng trong bơm nhiệt, đặc biệt quan trọng là máy nén piston trượt, máy nén trục vít, máy nén tuabin Một máy nén bơm nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suất cao kể cả trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải c Các thiết bị trao đổi nhiệt

Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơ nhiệt là thiết bị bay hơi và thiêt bị ngưng tụ Thiết bị ngưng tụ và bay hơi của bơm nhiệt bao gồm các dạng: ống chum, ống đứng và ống kiểu tấm Các phương pháp tính toán cho thiết bị trao đổi nhiệt cũng giống như chế độ điều hòa nhiệt độ

4.2.2 Các thông số nhiệt của môi chất a Nhiệt độ ngưng tụ

Dàn ngưng của bơm nhiệt có nhiệm vụ gia nhiệt cho không khí nên môi trường làm mát dàn ngưng chính là tác nhân sấy Nhiệt độ ngưng tụ được xác định bằng công thức 4.1

𝑡 𝑤2 : nhiệt độ ra khỏi dàn ngưng, tw2 = 45[ o C];

∆ 𝑡 : hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu Đối với dàn ngưng giải nhiệt bằng gió, Δt ( 5÷10 o C) ta chọn Δt = 10[ o C];

Như vậy, nhiệt độ ngưng tụ có giá trị tk = 45+10 = 55[ o C] b Nhiệt độ bay hơi Để tránh hiện tưởng xả tuyết làm gián đoạn cho hệ thống sấy, ta chọn nhiệt độ bay hơi t0 = 0[ o C] c Nhiệt độ hơi hút Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng, người ta phải đảm bảo hơi hút vào máy nén nhất thiết là hơi quá nhiệt Nhiệt độ hơi hút được xác định bằng công thức (4.2)

𝑡 ℎ = 𝑡 0 + 𝛥𝑡 ℎ (4.2) Trong đó th : nhiệt độ hơi hút [ o C]; t0 : nhiệt độ bay hơi [ o C]; Δth : hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu, với môi chất R22, ta chọn Δth = 10 [ o C]

Từ đó nhiệt độ hơi hút được xác định là th = 0 + 10 = 10 [ o C]

4.2.3 Xác định chu trình a Chọn chu trình

Với nhiệt độ bay hơi t0 và nhiệt độ ngưng tụ tk đã chọn ở mục 4.2.2, tra bảng tính chất nhiệt động của R314a ở trạng thái bão hòa, ta có : t0 = 0 [ o C] => p0 = 2,9 [bar] tk = 55 [ o C] =>pk = 14,8 [bar]

Từ áp suất tra được, xác định được tỉ số nén:

Do π = 5,1 < 12 nên ta chọn máy nén 1 cấp có hồi nhiệt b Sơ đồ nguyên lý làm việc

Sơ đồ nguyên lý làm việc của chu trình được mô tả dưới hình 4.4

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý

Nguyên lý làm việc: hơi sau thiết bị bay hơi ở trạng thái (6), đi qua thiết bị hồi nhiệt nhận nhiệt lỏng cao áp trước khi tiết lưu, được quá nhiệt đạt trạng thái điểm (1) sau đó được máy nén hút về, nén đoạn nhiệt lên thành hơi có nhiệt độ cao, áo suất cao ở trạng thái (2), rồi tiếp tục đi vào thiết bị ngưng tụ nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường làm mát, ngưng tụ thành lỏng cao áp trạng thái (3) Sau đó đi vào thiết bị hồi hiệt nhả nhiệt cho ơi trước khi hút về máy nén và được quá lạnh đạt trạng thái (4) Rồi tiếp tục đi qua thiết bị tiết lưu, tiết lưu giảm áp, giảm nhiệt đạt trạng thái (5) Sau đó đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt của đối tượng cần làm lạnh, sôi hóa hơi, hơi sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi trạng thái (6) đi qua thiết bị hồi nhiệt được quá nhiệt lại và được máy nén hút về Chu trình cứ thế tiếp diễn c Xây dựng đồ thị

Biểu diễn quá trình làm việc của chu trình trên đồ thị log p-i như trong hình 4.5

Hình 4.5 Đồ thị log p-i Các quá trình:

1-1’: quá nhiệt hơi môi chất trước khi vào máy nén;

2-3: quá trình ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ;

3-3’: quá trình làm lạnh trước khi tiết lưu;

3’-4: quá trình giảm áp suất ở van tiết lưu;

4-1: quá trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bị bay hơi d Lập bảng thông số tại các điểm nút trên đồ thị log p-i

Từ các thông số làm việc tại các điểm nút, sử dụng bảng hơi bão hòa R314a và đồ thị xác định được các thông số nhiệt động tại các điểm nút của chu trình Các thông số cụ thể được trình bày trong bảng 4.1

Bảng 4.1 Bảng thông số các điểm nút của chu trình Điểm t[ o C] p[bar] I[kJ/kg] s[kJ/kgK] v[m 3 /s]

Giả sử hiệu suất không thuận nghịch 𝜂 𝑠 = 0,7, khi đó entanpy tại trạng thái 2r là:

Nhiệt độ điểm 3’ được xác định theo phương trình cân bằng nhiệt trong thiết bị hồi nhiệt với giả thiết bỏ qua các tổn thất

Với I3’ = 269,67 [kJ/kg] và P3’ = P3 = 14,84[bar], sử dụng phần mềm coolpack xác định được nhiệt độ t3’ = 50 o C Như vậy độ quá lạnh là:

Lưu lượng môi chất lạnh trong hệ thống thực:

Năng suất lạnh khối lượng riêng: 𝑞 0 = 𝑖 1′ − 𝑖 4 = 406,2 − 269,67 = 136,53 [ 𝑘𝐽

𝑘𝑔] Công suất dàn ngưng tụ :

Thể tích hút lý thuyết trong hệ thống thực:

Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt:

Hệ số bơm nhiệt của hệ thống:

4.2.4 Tính thiết kế, tính chọn các thiết bị trao đổi nhiệt a Tính thiết kế dàn ngưng phụ

Thiết bị ngưng tụ của bơm nhiệt có công dụng gia nhiệt cho không khí trước khi vào buồng sấy từ trạng thái bão hòa sau dàn lạnh đến nhiệt độ và độ ẩm yêu cầu trong quá trình sấy Việc sử dụng dàn ngưng của bơm nhiệt để thay thế cho thiết bị gia nhiệt sẽ làm giảm chi phí điện năng của hệ thống, qua đó làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành của hệ thống sấy dùng bơm nhiệt

Ta chọn loại dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí đối lưu cưỡng bức Cấu tạo gồm một dàn ống trao đổi nhiệt bằng thép hoặc ống đồng có cánh nhôm hoặc sắt bên ngoài, bước cánh nằm trong khoảng 3 – 10 mm Cấu tạo của thiết bị như hình 4.6:

Hình 4.6 Dàn ngưng cho hệ thống bơm nhiệt Chọn ống cho dàn ngưng: Do môi chất là Freon R134a nên ta chọn ống đồng cánh nhóm để làm ống dẫn môi chất trong dàn ngưng Tham khảo kích thước dàn ngưng tại xưởng nhiệt lạnh ta có các thông số như sau:

Chọn ống : d2/d1 = 18/16 [mm]; Ống xếp song song với bước ống ngang: s1 = 34 [mm], bước ống dọc s2 = 34[mm]; Chiều dài đoạn ống l = 3 [m]

Chiều dày δc = 0,5 [mm]; Đường kính cánh dc = 32 [mm]

Các thông số đã xác đinh trước:

Công suất dàn ngưng: Qk = 819,71 [kW]

Nhiệt độ không khí vào dàn: tkk’ = t2 = 10 [ o C];

Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn: tkk’’ = 45 [ o C];

Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 55 [ o C];

Lưu lượng môi chất qua dàn ngưng: G = 11,04 [kg/s];

Lưu lượng không khí qua dàn: Gkk’ = 3,85 [kg/s]

Tốc độ không khí đầu vào của dàn: ω = 2 [m/s]

Diện tích trao đổi nhiệt của dàn ngưng được xác định theo công thức (4.3)

Qk: phụ tải nhiệt yêu cầu của thiết bị ngưng tụ , [W]; k: hệ số truyền nhiệt, [W/m 2 K]; Δtk: độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, [K]; qkf: mật độ dòng nhiệt, [W/m 2 ]

• Tính độ chênh nhiệt độ trung bình logarit

Khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit được tính theo công thức (4.4)

Từ đó tính được độ chênh nhiệt độ trung bình ∆𝑡 𝑡𝑏 = 23,27 [𝐾]

• Xác định hệ số truyền nhiệt k

Do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,2