Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sấy bơm nhiệt một số sản phẩm kém chịu nhiệt

Luận văn thạc sĩ khoa học BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN ĐÌNH CÔNG NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH SẤY BƠM NHIỆT MỘT SỐ SẢN PHẨM KÉM CHỊU NHIỆT Chuyên ngành: Quá trình thiết bị Công nghệ sinh học – Công nghệ thực phẩm LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ SINH HỌC – CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN MINH HỆ Hà Nội 2011 Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học MỤC LỤC MỤC LỤC Error! Bookmark not defined LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined LỜI MỞ ĐẦU .Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC BẢNG Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ SƠ ĐỒ Error! Bookmark not defined Phần : TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined I.1 – Tình hình nghiên cứu nước : Error! Bookmark not defined I.2 – Tình hình nghiên cứu nước: Error! Bookmark not defined I.3 – Đặt vấn đề: Error! Bookmark not defined Phần : TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH SẤY BƠM NHIỆTError! Bookm II.1 – Yêu cầu thiết bị nghiên cứu cần thiết kế:Error! Bookmark not defined II.2 – Cơ sở lý thuyết : Error! Bookmark not defined II.2.1 – Chu trình làm việc tác nhân lạnh : .Error! Bookmark not defined II.2.2 – Chu trình làm việc tác nhân sấy: Error! Bookmark not defined II.3 – Tính toán thông số thiết bị: Error! Bookmark not defined II.3.1 - Các thông số tính toán Error! Bookmark not defined II.3.2 - Xây dựng trình sấy lý thuyết đồ thị I-dError! Bookmark not defined II.3.3 – Tính nhiệt trình sấy thực: Error! Bookmark not defined II.3.4 – Tính chọn bơm nhiệt: .Error! Bookmark not defined II.4 – Tích hợp hệ điều khiển tự động cho máy sấy:.Error! Bookmark not defined II.4.1 – Cấu trúc hệ thống điều khiển: Error! Bookmark not defined II.4.2 – Thiế kế điện điều khiển cho máy sấy: Error! Bookmark not defined II.4.3 – Lập trình điều khiển cho máy sấy: Error! Bookmark not defined Phần : TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH SẤY BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .Error! Bookmark not defined III.1 – Đặt vấn đề: .Error! Bookmark not defined III.1.1 – Các yếu tố ảnh hưởng đến trình sấy bơm nhiệt:Error! Bookmark not define III.1.2 – Mục đích nghiên cứu: .Error! Bookmark not defined Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học III.1.3 – Xác định yếu tố ảnh hưởng chính: Error! Bookmark not defined III.2 – Tiến hành thí nghiệm: Error! Bookmark not defined III.2.1 – Dụng cụ thiết bị sử dụng thí nghiệm:Error! Bookmark not defined III.2.2 – Xử lý nguyên liệu trước sấy: Cùi dừaError! Bookmark not defined III.3 – Tiến hành thí nghiệm xây dựng mô hình thực nghiệm:Error! Bookmark not defin III.3.1 – Xây dựng ma trận thực nghiệm: .Error! Bookmark not defined III.3.2 – Tiến hành thí nghiệm lập bảng số liệu:Error! Bookmark not defined III.4 – Quy hoạch thực nghiệm bậc ba yếu tố Error! Bookmark not defined III.4.1 – Phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc mộtError! Bookmark not defined III.4.2 – Kết thí nghiệm Error! Bookmark not defined III.5 – Quy hoạch thực nghiệm bậc ba yếu tố Error! Bookmark not defined III.5.1 – Phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc 2Error! Bookmark not defined III.5.2 Mô hình thực nghiệm bậc Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo .Error! Bookmark not defined Phụ lục Error! Bookmark not defined Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Đình Công Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học LỜI MỞ ĐẦU Một thành tựu quan trọng lịch sử loài người tìm khả tách nước thực phẩm Thời gian đầu việc tách nước làm khô sử dụng ánh sáng mặt trời, ngày với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật có nhiều phương pháp thiết bị thực việc làm khô hay gọi sấy khô Trong thập kỷ vừa qua có nỗ lực đáng kể việc tìm hiểu biến đổi hóa học sinh học trình sấy khô nhằm đưa phương pháp sấy tốt Đã có nhiều phương pháp sấy đưa phương pháp sấy đem lại hiệu chất lượng cao cho sản phẩm sấy sấy bơm nhiệt Sấy bơm nhiệt phương pháp sấy đối lưu không khí có sử dụng thêm hệ thống lạnh Không khí khô cung cấp liên tục cho sản phẩm để tách ẩm Không khí ẩm qua dàn bay bơm nhiệt nước ngưng tụ, nhả nhiệt cho tác nhân lạnh sôi bay dàn bay Lượng nhiệt sử dụng làm lạnh không khí sấy sau qua dàn ngưng tụ bơm nhiệt Do đó, lượng nhiệt phục hồi trình nhả từ dàn ngưng tụ chu trình tác nhân lạnh sử dụng để gia nhiệt lại cho không khí buồng sấy Việc sử dụng máy sấy bơm nhiệt mang lại số lợi hẳn so với phương pháp sấy nhiệt thông thường cho sản phẩm thực phẩm sấy, bao gồm việc sử dụng lượng có hiệu cao, sản phẩm có chất lượng tốt hơn, khả hoạt động độc lập không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết xung quanh, tác động ảnh hưởng tới môi trường Thêm vào đó, chất ngưng tụ thu hồi lại cất giữ cách thích hợp khả phục hồi giá trị thành phần bay từ dàn ngưng tụ Một lý cải tiến chất lượng sản phẩm sấy bơm nhiệt khả hoạt động nhiệt độ thấp Nếu máy sấy bơm nhiệt sử dung nhiệt độ thấp (100 C – 600 C) cho sản phẩm thực phẩm có chất lượng cao Ngoài có khả sử dụng sấy bơm nhiệt với việc giảm bớt áp suất để đạt sản phẩm có chất lượng cao hơn.Việc loại bỏ nước dạng lỏng dễ dạng cho phép lượng nhiệt ẩn trình hóa thu giữ Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học được, lượng nhỏ suất nhiệt bị ngưng tụ Các chi phí lượng sấy thường diễn tả “ tỷ lệ tách ẩm riêng phần ” hay gọi hệ số SMER Hệ số SMER theo thiết kế máy sấy bơm nhiệt nằm khoảng từ – kg/kWh SMER phương pháp sấy nóng 0,95 kg/kWh Một bảng so sánh máy sấy bơm nhiệt với sấy chân không sấy không khí nóng thể bảng : Tham số Sấy khí nóng Sấy chân không Sấy bơm nhiệt SMER(kg/kWh) 0,12 – 1,28 0,72 – 1,2 1–4 Hiệu suất sấy 35 – 40 70 95 Dải nhiệt độ làm việc 40 – 90 30 – 60 10 – 65 Dải độ ẩm làm việc Có thể điều chỉnh Thấp 10 – 65 Vốn đầu tư Thấp Cao Vừa phải Chi phí vận hành Cao Rất cao Thấp Bảng so sánh số phương pháp sấy Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng II.1: Xây dựng bảng cân nhiệt Bảng III.1: Thí nghiệm I Bảng III.2: Thí nghiệm II Bảng III.3: Thí nghiệm III Bảng III.4: Thí nghiệm IV Bảng III.5: Thí nghiệm V Bảng III.6: Thí nghiệm VI Bảng III.7: Thí nghiệm VII Bảng III.8: Thí nghiệm VIII 10 Bảng III.9: Thí nghiệm IX 11 Bảng III.10: Ma trận thực nghiệm yếu tố đầy đủ 23 12 Bảng III.11: Ma trận thực nghiệm kết thí nghiệm 13 Bảng III.12: Bảng giá trị điểnm thí nghiệm 14 Bảng III.13: Các giá trị α, β 15 Bảng III.14: Ma trận thực nghiệm cấp ba yếu tố 16 Bảng III.15: Tính toán hệ số hồi quy 17 Bảng III.16: Tính toán số để xác định hệ số có nghĩa phương trình hồi quy 18 Bảng III.17: Xác định hệ số hồi quy có nghĩa 19 Bảng III.18: Kiểm tra tính thích ứng mô hình Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ SƠ ĐỒ Hình I.1: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt đại Hình II.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bơm nhiệt Hình II.2: Chu trình vòng ngược máy lạnh nén cấp trêm đồ thị logP – i Hình II.3: Đồ thị I – d biểu diễn chu trình tác nhân sấy Hình II.4: Cấu trúc hệ điều khiển Hình II.5: Cấu trúc điều khiển nhiệt độ Hình II.6: Cấu trúc điều khiển tốc độ gió Hình II.7: Cấu trúc điều khiển công suất lạnh Hình II.8: Giao diện điều khiển giám sát trình máy tính 10 Hình II.9: Thuật toán điều khiển 11 Hình III.1: Đồ thị độ ẩm cùi dừa theo thời gian thí nghiệm I 12 Hình III.2: Đồ thị độ ẩm cùi dừa theo thời gian thí nghiệm II 13 Hình III.3: Đồ thị độ ẩm cùi dừa theo thời gian thí nghiệm III 14 Hình III.4: Đồ thị độ ẩm cùi dừa theo thời gian thí nghiệm IV 15 Hình III.5: Đồ thị độ ẩm cùi dừa theo thời gian thí nghiệm V 16 Hình III.6: Đồ thị độ ẩm cùi dừa theo thời gian thí nghiệm VI 17 Hình III.7: Đồ thị độ ẩm cùi dừa theo thời gian thí nghiệm VII 18 Hình III.8: Đồ thị độ ẩm cùi dừa theo thời gian thí nghiệm VIII 19 Hình III.9: Đồ thị độ ẩm cùi dừa theo thời gian thí nghiệm IX 20 Hình III.10: Mô tả toạ độ cực tối ưu Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Phần : TỔNG QUAN I.1 – Tình hình nghiên cứu nước : Hình I.1: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt đại Hiện phương pháp sấy bơm nhiệt ứng dụng rộng rãi nhiều nước giới Với tính vượt trội so với phương pháp sấy khác, đảm bảo chất lượng sản phẩm, tiết kiệm lượng, trình sấy không phụ thuộc vào ảnh hưởng môi trường xunh quanh… Một loạt nghiên cứu ứng dụng sấy bơm nhiệt sản phẩm rau tiến hành như: + Những máy sấy bơm nhiệt thích hợp với vật liệu có tính chịu nhiệt điều kiện làm khô dễ điều khiển Ở Na Uy ứng dụng nghành công nghiệp sấy cá táo ứng dụng thành công làm khô sản phẩm : cá, phụ Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học phẩm từ cá, hoa quả, rau, bơ sữa, chế phẩm sinh học, chất có tính linh động với nhiệt chịu nhiệt Việc làm khô đưa đến sản phẩm cuối có chất lượng cao, thể tính năng: độ rắn, xốp, đặc, hydrat hóa, màu sắc, mùi vị, tính khác + Sấy hạt giống sử dụng bơm nhiệt: (Somchart Soponronnarit, Somboon Wetchacama, Tanin Kanphukdee School of enery and materials – King Mongkut’s University of technology Thonburi – Suksawat 48Rd, Bangkok 10140 – Thailand) Mục tiêu thí nghiệm mô tả, xây dựng kiểm tra máy sấy bơm nhiệt cho sấy lúa giống làm việc với số máy sấy khác Trong nghiên cứu này, hat giống sấy khô không khí trời từ độ ẩm ban đầu 13,5% w.b đến 22,2% w.b xuống độ ẩm cuối khoảng 12% w.b, nhiệt độ khí làm khô đầu vào khoảng 430C, cụ thể lưu lương không khí m3/min-m3 hạt giống tỷ lệ bỏ qua không khí máy bốc 0%, 30%, 50% Những ảnh hưởng tổn thất liên quan đến tiêu thụ lượng, kiểm tra số COPhp, SMER, MER Kết thử nghiệm cho thấy chí số COPhp, SMER tăng lên tối đa tỷ lệ bỏ qua không khí 0%, giảm tăng tỷ lệ bỏ qua không khí Chất lượng hạt giống tốt với điều kiện nảy mầm chế độ phơi nắng sấy bơm nhiệt 98% 97% điều kiện sinh trưởng chế độ phơi nắng sấy bơm nhiệt 96% 95% tương ứng Ước lượng chi phí làm khô hạt giống với độ ẩm ban đầu 22,2 %w.b độ ẩm cuối 12,4 %, tìm thấy tổng số chi phí làm khô 2,81 Baht/kg nước bay 0,63 baht chi phí cho lượng, 0,41 baht chi phi cho bảo trì, 1,77 baht chi phí cố định (1USD = 40 Baht) I.2 – Tình hình nghiên cứu nước: Ở Việt Nam năm gần công nghệ sấy bơm nhiệt bắt đầu quan tâm đầu tư nghiên cứu + Máy sấy DAIKA hiệu DK-EL5 đưa vào Việt nam năm 1998 sử dụng sấy hạt nông sản chủ yếu lúa cải tiến phù hợp với khí hậu môi trường Việt nam Nguyên lý sấy bơm nhiệt có tác nhân sấy không hồi lưu (Chu trình hở) Học viên : Nguyễn Đình Công 10 Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học KẾT LUẬN Đã tính toán, thiết kế, chế tạo thành công máy sấy bơm nhiệt phục vụ nghiên cứu Máy hoạt động tốt đảm bảo thông số kỹ thuật theo thiết kế Tiến hành thí nghiệm sấy khỏa sát ảnh hưởng thông số nhiệt độ, tốc độ tác nhân sấy, công suât lạnh tách ẩm đến trình sấy cùi dừa Kết cho thấy chất lượng sản phẩm đảm bảo thiết lập mô hình toán cho trình sấy, sở triển khai nghiên cứu sản phẩm khác Đã xác lập phương trình thời gian sấy cùi dừa phụ thuộc vào thông số nhiệt độ sấy, tốc độ tuần hoàn tác nhân sấy, công suất lạnh tách ẩm Y = 358 – 9,4T – 55,65ω – 0,71A + 0,625Aω + 0,105T2 Ta xác định chế độ sấy tối ưu với hàm mục tiêu thời gian sấy Từ hàm mục tiêu ta thấy ảnh hưởng thông số nhiệt độ độc lập, thông số tốc độ tác nhân sấy công suất lạnh có ảnh hường phụ thuộc lẫn Dựa vào mô hình ta tìm điểm tối ưu trình sấy cùi dừa: T = 45oC, ω = 0,817m/s, A = 91 % Từ mô hình sấy ta thấy ảnh hưởng công suất lạnh đến trình sấy không hoàn toàn độc lập mà phụ thuộc vào tốc độ tuần hoàn tác nhân sấy, điều hoàn toàn phù hợp với thực tế Học viên : Nguyễn Đình Công 72 Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Tài liệu tham khảo – TS Nguyễn Minh Hệ Tự động hoá trình công nghệ sinh học thực phẩm Bài giảng, , ĐHBK Hà nội – Nguyễn Văn May Máy lạnh điều hòa không khí.Nhà xuất KHKT, Hà Nội, 2007 – Nguyễn Văn May Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Nhà xuất KHKT, Hà Nội, 2007 – PGS TS Lê Nguyên Đương Bài giảng kỹ thuật sấy ĐHBK Hà nội – Hà Mạnh Thư Đồ thị môn kỹ thuật nhiệt ĐHBK Hà nội – PGS.TSKH Trần Văn Phú (1999), Tính toán thiết kế hệ thống sấy, Nhà xuất Khoa học - Kỹ thuật – Nguyễn Minh Tuyển, Quy hoạch thực nghiệm, Nhà xuất khoa học kỹ thuật – M Shafiur Rahman Handbook of Food Preservation – Somchart Soponronnarit Seed drying using a heat pump Học viên : Nguyễn Đình Công 73 Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Phụ lục Học viên : Nguyễn Đình Công 74 Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Phụ lục L1 N AP K 6 L1' R_QTNS R_MN Auto R_TQ 6 R_VD11 R_VD12 R_VD13 R_BH2 R_NT2 10 10 10 10 10 QBH2 QNT2 R_VD2 Man 10 10 10 10 Start R_St Stop DN 13 24VDC R_Au 13 R_St 14 MN BTQTNS BTTQ VD11 VD12 14 N Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP VD13 VD2 Luận văn thạc sĩ khoa học Phụ lục L1 N AP K 6 L1' R_QTNS R_MN Auto R_TQ 6 R_VD11 R_VD12 R_VD13 R_BH2 R_NT2 10 10 10 10 10 QBH2 QNT2 R_VD2 Man 10 10 10 10 Start R_St Stop DN 13 24VDC R_Au 13 R_St 14 MN BTQTNS BTTQ VD11 VD12 14 N Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP VD13 VD2 Luận văn thạc sĩ khoa học Phụ lục L1 N AP K L1' R_QTNS R_MN Auto R_TQ 6 R_VD11 R_VD12 R_VD13 R_BH2 R_NT2 6 10 10 10 10 QBH2 QNT2 R_VD2 Man 10 10 10 10 10 Start R_St Stop DN 13 24VDC R_Au 13 R_St 14 MN BTQTNS BTTQ VD11 VD12 14 N Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP VD13 VD2 Luận văn thạc sĩ khoa học Phụ lục Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP Luận văn thạc sĩ khoa học Học viên : Nguyễn Đình Công Lớp QTTB CNSH - CNTP ... sản phẩm sấy sấy bơm nhiệt Sấy bơm nhiệt phương pháp sấy đối lưu không khí có sử dụng thêm hệ thống lạnh Không khí khô cung cấp liên tục cho sản phẩm để tách ẩm Không khí ẩm qua dàn bay bơm nhiệt. .. bay từ dàn ngưng tụ Một lý cải tiến chất lượng sản phẩm sấy bơm nhiệt khả hoạt động nhiệt độ thấp Nếu máy sấy bơm nhiệt sử dung nhiệt độ thấp (100 C – 600 C) cho sản phẩm thực phẩm có chất lượng... kg/kWh Một bảng so sánh máy sấy bơm nhiệt với sấy chân không sấy không khí nóng thể bảng : Tham số Sấy khí nóng Sấy chân không Sấy bơm nhiệt SMER(kg/kWh) 0,12 – 1,28 0,72 – 1,2 1–4 Hiệu suất sấy