BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ HUỲNH THẾ HUY PHẠM THỊ THÙY LY KHẢO NGHIỆM SẤY NẤM MÈO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY CHÂN KHÔNG, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY CHÂN KHÔNG NĂNG SUẤT 75 KGMẺ Tp. Hồ Chí Minh Tháng 08 năm 2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ KHẢO NGHIỆM SẤY NẤM MÈO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY CHÂN KHÔNG, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY CHÂN KHÔNG NĂNG SUẤT 75 KGMẺ Chuyên nghành: Cơ khí bảo quản và chế biến nông sản thực phẩm Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Hùng ThS. Nguyễn Văn Xuân Sinh viên thực hiện: Huỳnh Thế Huy Phạm Thị Thùy Ly Tp. Hồ Chí Minh Tháng 08 năm 2007 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING NONG LAM UNIVERSITY FACULTY OF ENGINEERINGI TECHNOLOGY EXPERIMENTALISING DRY PEZIZA BY VACUUM DRYING METHOD, CALCUATING – DESIGNING VACUUM DRYER WITH CAPACITY OF 75 KGBATCH Speciality: Engineering for preserving and processing Agricultural products Supervisor: Student: Doctor. Nguyen Van Hung Huynh The Huy Master. Nguyen Van Xuan Pham Thi Thuy Ly Tp. Hồ Chí Minh Tháng 08 năm 2007 LỜI CẢM TẠ Chúng con xin gởi đến bố mẹ những người đã sinh thành và nuôi dưỡng để chúng con được ngày hôm nay, lời biết ơn trân trọng nhất. Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh, các thầy cô khoa Cơ Khí Công Nghệ đã tận tình chỉ bảo, dạy dỗ, truyền đạt những kiến thức quý báo trong suốt quá trình học tập, phấn đấu tại trường là hành trang chúng em bước vào đời. Đặc biệt chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS. Nguyễn Văn Hùng và thầy ThS. Nguyễn Văn Xuân đã tận tình hướng đẫn, chỉ bảo chúng em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Xin cảm ơn các bạn lớp Công nghệ thực phẩm 29 và các bạn lớp Cơ khí 29B đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài. TÓM TẮT Nuôi trồng nấm mèo trong những năm gần đây đang phát triển ở Việt Nam. Nhưng nấm mèo chỉ được phơi khô là chủ yếu, phương pháp bảo quản bằng sấy chưa được áp dụng chủ yếu với nấm mèo. Để đảm bảo yêu cầu chất lượng sản phẩm của nấm khô như: nàu sắc, độ sạch, độ thẳng… mà phương pháp khô không đáp ứng được và đảm bảo giá trị kinh tế chúng tôi thực hiện đề tài “Khảo nghiệm sấy nấm mèo bằng phương pháp sấy chân không, tính toán, thiết kế máy sấy nấm mèo năng suất 75 kgmẻ” với nội dung cụ thể như sau. Khảo nghiệm sấy nấm mèo trên máy sấy chân không thí nghiệm có sẳn tại xưởng bộ môn Cơ điện tử khoa Cơ khí – Công nghệ, từ đó chọn ra nhiệt độ sấy và chế độ sấy thích hợp cho nấm mèo. Tính toán thiết kế máy sấy nấm mèo kiểu chân không năng suất 75 kgmẻ. SV thực hiện đề tài: GV hướng dẫn đề tài: Huỳnh Thế Huy TS. Nguyễn Văn Hùng Phạm Thị Thùy Ly ThS. Nguyễn Văn Xuân SUMMARY Growing peziza is developing in Viet Nam in recent years. However, peziza is almost dryed. Method of preservation by drying hasn’t been still applied for peziza. To assure request about quality of product of dry peziza as: color, clean, plane and to assure value of economy; We carry out the thesis “Experimentalising dry peziza by vacuum drying method, calculating – designing vacuum dryer with capacity of 75 kgbatch” The thesis contain: experimentalising dry peziza depend on the experimental vacuum dryer at workshop of falculty of engineering and technology. After that, selecting a suitable temperature of drying and regulation of drying for peziza. Calculating – designing vacuum dryer with capacity of 75 kgbatch Student: Supervisor Huynh The Huy Doctor. Nguyen Van Hung Phan Thi Thuy Ly Master. Nguyen Van Xuan MỤC LỤC LỞI CẢM TẠ _____________________________________________________ i TÓM TẮC _______________________________________________________ ii MỤC LỤC _______________________________________________________ iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT __________________________________ vi DANH MỤC CÁC BẢNG __________________________________________ vii DANH MỤC CÁC HÌNH __________________________________________ viii Chương 1: MỞ ĐẦU _______________________________________________ 1 Chương 2: TRA CỨU TÀI LIỆU SÁCH BÁO PHỤC VỤ ĐỀ TÀI _________ 3 2.1 Tổng quan về nấm ____________________________________________ 3 2.1.1 Đặc điểm sinh học của nấm mộc nhĩ ________________________ 3 2.1.2 Phân bố _______________________________________________ 3 2.1.3 Thành phần hóa học trong nấm _____________________________ 4 2.1.4 Cấu tạo sinh học ________________________________________ 4 2.4.5 Giá trị sử dụng _________________________________________ 5 2.2 Đại cương về sấy _____________________________________________ 5 2.2.1 Khái niệm về sấy _______________________________________ 5 2.2.2 Các dạng liên kết ẩm của vật liệu sấy ________________________ 6 2.2.3 Đặc tính xốp của vật liệu _________________________________ 7 2.2.4 Các phương pháp sấy và thiết bị sấy hiện nay _________________ 7 2.2.5 Chọn thiết bị sấy thích hợp ________________________________ 8 2.2.6 Nội dung tính toán thiết bị sấy _____________________________ 9 2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị trong máy sấy chân không ___________ 9 2.3.1 Nguyên lý cơ bản của phương pháp sấy chân không ____________ 9 2.3.2 Khái niệm bức xạ ______________________________________ 10 2.2.3 Tương tác tia bức xạ, vật thể _____________________________ 10 2.3.4 Cường độ bức xạ _______________________________________ 11 2.3.5 Trao đổi nhiệt bức xạ ___________________________________ 12 2.3.6 Tính toán và chọn bơm chân không ________________________ 16 2.3.7 Tính toán và chọn bộ phận ngưng tụ _______________________ 18 2.4 Các hệ thống hút chân không trong thiết bị sấy chân không __________ 18 2.4.1 Bơm chân không kiểu Pittong ____________________________ 19 2.4.2 Bơm chân không khiểu roto ______________________________ 19 2.4.3 Bơm chân không kiểu phun tia ____________________________ 20 2.4.4 Bơm chân không kiểu khuyết tán __________________________ 21 2.5 Giới thiệu 3 mẫu máy sấy chân không ___________________________ 23 2.5.1 Máy sấy chân không kiểu khay ___________________________ 23 2.5.2 Máy sấy gỗ chân không _________________________________ 24 2.5.3 Máy sây chân không SPT200 ____________________________ 25 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN ______________________ 27 3.1 Phương pháp _______________________________________________ 27 3.1.1 Phương pháp khảo nghiệm _______________________________ 27 3.1.2 Phương pháp thiết kế ___________________________________ 27 3.2 Phương tiện ________________________________________________ 27 3.2.1 Thời gian và địa điểm ______________________________________ 27 3.2.2 Đối tượng ____________________________________________ 27 3.2.3 Qui trình khảo nghiệm __________________________________ 27 3.2.4 Dụng cụ thí nghiệm ____________________________________ 28 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ______________________________ 29 4.1 Kết quả khảo nghiệm sấy nấm mèo trên máy sấy mẫu _______________ 29 4.1.1 Mục đích khảo nhiệm ___________________________________ 29 4.1.2 Bố trí thí nghiệm _______________________________________ 29 4.1.3 Qui trình khảo nghiệm __________________________________ 30 4.2 Tính toán thiết kế máy _______________________________________ 40 4.2.1 Các dữ liệu ban đầu ____________________________________ 40 4.2.2 Lựa chọn mô hình thiết kế máy ___________________________ 40 4.2.3 Tính toán buồng sấy ____________________________________ 42 4.2.4 Tính toán, chọn bơm chân không __________________________ 42 4.2.5 Tính toán nhiệt buồng sấy ________________________________ 44 4.2.6 Tính toán dàn ngưng tụ __________________________________ 46 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ______________________________ 50 5.1 Kết luận ___________________________________________________ 50 5.2 Kiến nghị __________________________________________________ 50 TÀI LIÊU THAM KHẢO __________________________________________ 51 PHỤ LỤC _______________________________________________________ 53 Các bảng số liệu sấy nấm __________________________________________ 53 Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện đề tài ______________________ 65 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT : Độ ẩm không khí. W : Độ ẩm vật liệu. PN : Áp suất hơi nước. Wk : Độ ẩm cân bằng cuối cùng. F : Diện tích. q : Nhiệt lượng. d : Chiều dày vách truyền nhiệt. twi : Nhiệt độ trên bề mặt thứ i. P : Áp suất. V : Thể tích. : Hệ số dẫn nhiệt. Q0 : Năng lượng toàn phần của tia bức xạ. QA : Năng lượng bị vật hấp thu. QR : Phần năng lượng phản xạ. QD : Phần năng lượng truyền qua vật. A : Hệ số háp thụ của vật. D : Hệ số phản xạ của vật. w : Cường độ bốc ẩm. L : Độ dẫn khí. l : Chiều dài ống dẫn khí. Sb : Năng suất bơm chân không. St : Năng suất hút khí của hệ thống. Sb : Tốc độ hút khí của bơm. : Thời gian hút. G : Năng suất bốc ẩm. m : Khối lượng vật liệu sấy ban đầu. S : Diện tích mặt thoáng bốc ẩm. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 : Sự phụ thuộc ẩm độ cân bằng của vật liệu và ẩm đột tương đối của không khí. Hình 2.2 : Sự phân phối năng lượng bức xạ. Hình 2.3 : Sơ đồ minh họa định luật Krichhof. Hình 2.4 : Trao đổi nhiệt giữa hai vách song song. Hình 2.5 : Trao đổi nhiệt giữa hai vật bọc nhau. Hình 2.6 : Dẫn nhiệt qua vách phẳng. Hình 2.7 : Dẫn nhiệt qua vách trụ. Hình 2.8 : Cấu tạo máy bơm chân không kiểu roto. Hình 2.9 : Sơ đồ nguyên lý bơm khuyết tán. Hình 2.10 : Mô hình máy sây chân không kiểu khay. Hình 2.11 : Sơ đồ máy sấy gỗ chân không. Hình 2.12 : Sơ đồ máy sây chân không SPT – 200. Hình3.1 : Sơ đồ đo nhiệt độ buồng sấy Hình 4.1 : Đồ thị giảm ẩm trung bình của các chế độ sấy theo thời gian. Hình 4.2 : Đồ thị gia tăng công suất theo thời gian. Hình 4.3 : Mô hình máy sấy. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 : Bảng giá trị dinh dưỡng của mộc nhĩ đen. Bảng 2.2 : Bảng phổ các sóng điện từ. Bảng 2.3 : Bảng mức độ chân không yêu cầu thông thường trong các quá trình công nghiệp . Bảng 4.1 : Bảng kết quả khảo nghiệm sấy. Bảng 4.2 : Bảng công suất máy sấy để đạt độ chân không Chương 1: MỞ ĐẦU Kỹ thuật chân không được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm đầu thế kỷ XX. Nhưng cho đến khi bơm chân không khuếch tán ra đời thì kỹ thuật chân không cao mới được ứng dụng rộng rãi trong các nghành như: dùng để sản xuất đèn thắp sáng, đèn điện tủ trong công nghiệp kỹ thuật, ứng dụng trong kỹ thuật luyện kim, chế tạo máy hóa chất, quang học, công nghiệp thực phẩm, trong y dược, kỹ thuật lạnh… Ngày nay, các hệ chân không đã đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong các công trình nghiên cứu khoa học như lò phản ứng nhiệt hạch, các máy gia tốc. Ở Việt Nam công nghệ chân không đã được ứng dụng vào một số nghành sản xuất như: trong công nghiệp sấy gỗ, công nghiệp thực phẩm, trong công nghiệp y học… Trong công nghiệp thực phẩm để bảo quản nông sản thực phẩm, đồng thời làm tăng giá trị về mặt hàng hóa người ta áp dụng nhưng công nghệ mới nhất như: sấy thăng hoa, sấy chân không… Ưu điểm của sấy chân không là nhờ vào giảm nhiệt độ điểm sôi của nước nên có thể sấy sản phẩm sấy ở nhiệt độ thấp, vì thế sản phẩm sau khi sấy còn giữ được màu sắc mùi vị, các yếu tố vi lượng… chất lượng sấy được đánh giá cao so với phương pháp sấy khô thông thường khác. Đó cũng là lý do để chúng tôi lựa chọn phương pháp sấy chân không để sấy nấm mèo. Vì ở môi trường chân không nấm sẽ ít bị xoăn và không bị mất các thành phần vi lượng của nó. Được sự đồng ý của khoa Cơ Khí Công Nghệ và sự hướng dẫn của hai thầy: TS Nguyễn Văn Hùng và ThS Nguyễn Văn Xuân chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Khảo nghiệm sấy nấm mèo bằng phương pháp sấy chân không, tính toán, thiết kế máy sấy nấm mèo năng suất 75 kgmẻ” Tuy nhiên công nghệ sấy chân không còn khá non trẻ ở nước ta đặc biệt ứng dụng công nghệ đó để sấy nấm xuất khẩu. Các tài liệu nói về công nghệ này cũng còn rất hạn chế. Vì vậy trong quá tình thực hiện đề tài, với khả năng và trình độ có hạn, đề tài chắc chắn khó tránh khỏi những sai sót. Rất mong được sự gói ý của quý thầy cô và các bạn để đề tài được tốt hơn. Chương 2: TRA CỨU TÀI LIỆU SÁCH BÁO PHỤC VỤ ĐỀ TÀI: 2.1 Tổng quan về nấm: 2.1.1 Đặc điểm sinh học của nấm mộc nhĩ (nấm mèo): 5 Nấm mộc nhĩ hay còn gọi là nấm mèo là tên chung để chỉ các loại nấm ăn được thuộc chi Auricularia. Chi này thuộc họ Auriculariaceae, bộ Auriculariales, lớp phụ Auriculariomycetidae, lớp Hymenomycetes, nghành phụ Baridiomyeotina, nghành nấm thật Eumycota, giới nấm Mycota hay Fungi, có cả thảy 20 loài nhưng chỉ có 6 loài mộc nhĩ thông dụng: Mộc nhĩ đen: (hắc mộc nhĩ, Wood Ear, Jew’s Ear) tên khoa học là Auricularia auricula (L.ex Hook) underew. Mộc nhĩ lông: (mao mộc nhĩ, Hairy Jew’s Ear) tên khoa học là Auricularia polytricha (Mort) Sacc. Mộc nhĩ sừng: (giác mộc nhĩ, Corneus Wood Ear) tên khoa học là Auricularia cornea Spreny. Mộc nhĩ nhăn (sô mộc nhĩ, sô nhĩ, Wrinkle Wood Ear) tên khoa học là Auricularia delicata Henn. Mộc nhĩ hình khiên (thuần nhĩ mộc nhĩ, mộc nhĩ da, Pelt Ear Fungus) tên khoa học là Auriculari Bloyd. Mộc nhĩ vàng nâu (hạt hoàng mộc nhĩ, Purple Wood Ear, Fuscous) tên khoa học là Auricularia fuscosuccinea Earl. 2.1.2 Phân bố: 5 Mộc nhĩ đứng hàng thứ 7 trong số các loài nấm ăn được buôn bán trên thế giới, Trung Quốc là nước có sản lượng cao nhất. Mộc nhĩ được thu hái từ thiên nhiên nhưng cũng được nuôi trồng nhân tạo từ cách đây rất lâu. Ban đầu là lấy bào tử từ mộc nhĩ tự nhiên rồi cho lan truyền vào khúc gỗ. Mãi tới thập kỹ 70 của thế kỷ XX việc nuôi trồng mộc nhĩ theo phương pháp cấy giống thuần chủng mới được triển khai và nhờ đó mới thu được sản phẩm cao và chất lượng ổn định. Ở Việt Nam thuộc khí hậu nhiệt đới gió mùa nên thích hợp với điều kiện sinh trưởng của mộc nhĩ. Mộc nhĩ được nuôi trồng ở nhiều địa phương và đặc biệt là ở Đồng Nai, nấm mèo được trồng nhiều ở các huyện như: Trảng Boom, Xuân Lộc… thuộc tỉnh Đồng Nai. 2.1.3 Thành phần hóa học trong nấm: 5 Mộc nhĩ là loài thực phẩm ngon và có giá trị dinh dưỡng cao. Bảng 2.1: Bảng giá trị dinh dưỡng của mộc nhĩ đen: Thành phần g hoặc mg100g mộc nhĩ khô Nước 10,9 g Protein 10,6 g Lipit 0,2 g Hydrat cacbon 65,5 g Năng lượng 306 kcal Xenlulô 70 g Chất khoáng 5,8 g Canxi 357 mg Photpho 201 mg Sắt 185 mg Carote 0,03 mg Vitamin B1 0,15 mg Vitamin B2 0,55 mg Axit micotinic 2,7 mg 2.1.4 Cấu tạo sinh học: 5 Cắt ngang một phiến mộc nhĩ và quan sát dưới kính hiển vi thấy có các cấu trúc như sau: Lớp lông mềm (zona polisa) dày không quá 85100 mm. Lớp sợi dày (zona compacta) dày 6575 mm. Lớp thượng tầng dưới lớp sợi dày (zona subcompacta superrioris) dày 115 130 mm. Lớp thượng tầng xốp (laxa superioris) Lớp tủy (medulla) Lớp hạ tầng dưới lớp sợi dày (zona subcompacta inferioris) dày 100120 mm. Lớp bào tử (hymerium) dày khoảng 150 mm. Tất cả các cấu trúc này đều do các sợi nấm (khuẩn tỷ) liên kết lại mà tạo thành. Sợi nấm có kích thước bề ngang khác nhau ở các lớp. Sợi nấm có lớp lông mềm có kích thước 35 mm, ở lớp thượng tầng dưới lớp sợi dày 375 mm, ở lớp thượng tầng xốp 38 5 mm, ở lớp tủy 6105 mm, ở tầng trung gian 5105 mm... 2.1.5 Giá trị sử dụng: 5 Ngoài giá trị thực phẩm mộc nhĩ còn có giá trị dược liệu. Các nhà khoa học Trung Quốc xác định mộc nhĩ có tác dụng kháng ung thư. Nhà khoa học Mỹ Hammerschmit (1980) phát hiện nếu ăn mộc nhĩ thường xuyên có thể giảm việc ngưng tụ máu, làm giảm xơ vữa động mạch. Trong mộc nhĩ đã phát hiện thấy có chất 9 D ribofuranosyl ademin có tác dụng chống sự tụ tập của tiểu cầu. 2.2 Đại cương về sấy: 2.2.1 Khái niệm về sấy: 1 Sấy là quá trình tách nước hoặc hơi nước ra khỏi vật liệu chứa ẩm bằng phương pháp nhiệt. Trong quá trình sấy diễn ra hai quá trình: Quá trình truyền nhiệt: Nhiệt lượng dùng để tách ẩm được truyền từ nguồn nhiệt đến vật liệu cần sấy qua các kiểu dẫn truyền, đối lưu hoặc bức xạ. Quá trình truyền khối: Ẩm lượng trong vật liệu sấy sẽ được truyền ra ngoài qua quá trình bốc hơi nhờ sự chênh lệch về ẩm độ giữa vật liệu sấy và môi trường xung quanh. Quá trình vận chuyển nhiệt và ẩm, khi sấy xảy ra từ từ và ẩm độ vật liệu sẽ giảm do bốc ẩm vào môi trường tác nhân sấy xung quanh. Việc hạ thấp độ ẩm của vật liệu chỉ có thể thực hiện cho đến khi không còn có thể đẩy ẩm ra ngoài. 2.2.2 Các dạng liên kết ẩm của vật liệu sấy: Quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy phụ thuộc rất lớn vào dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu. Liên kết càng vững càng khó tách ẩm và ngược lại. Có nhiều dạng liên kết giữa ẩm với vật liệu bởi vậy có nhiều cách để phân loại khác nhau: Theo A.Robinder có ba dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu là: Liên kết hóa học. Liên kết hóa lý. Liên kết cơ lý. Liên kết hóa học thì năng lượng liên kết rất lớn. Bởi vậy với năng lượng nhiệt của quá trình sấy không đủ để tách ẩm loại này. Muốn tách ẩm ở loại này người ta phải nung ở nhiệt độ cao hoặc bằng các phản ứng hóa học. Liên kết hóa lý được phân ra ẩm liên kết hấp thụ và ẩm liên kết hóa lý: Ẩm liên kết hấp thụ là loại ẩm được giữ lại trên bề mặt và trong các mao quản của vật liệu bằng lực hấp thụ Van der Waals, lực mao quản. Ẩm liên kết thẩm thấu (còn gọi là ẩm trương) bị giữ lại trong mạng lưới tinh thể hay các lưới sàng thẩm thấu bằng các lực liên kết thẩm thấu. Khi tách ẩm liên kết hấp thụ thì tiêu tốn năng lượng lớn hơn khi tách ẩm liên kết thẩm thấu. Nói chung với năng lượng nhiệt của quá trình sấy có thể tách được ẩm của liên kết hóa lý này. Ẩm liên kết cơ lý là loại ẩm được giữ lại trên bề mặt của vật liệu trong các mao quản bằng các lực kết dính với năng lượng liên kết rất bé. Bởi vậy với năng lượng của quá trình tách bằng cơ học như: ly tâm, ép, vắt có thể tách được một phần của ẩm này. Còn với năng lượng nhiệt của quá trình sấy có thể tách được hoàn toàn. Ngoài ra người ta còn phân ra ẩm trong vật liệu sấy gồm có ẩm tự do và ẩm liên kết: Ẩm tự do là ẩm có tốc độ bay hơi bằng tốc độ bay hơi của nước ở bề mặt tự do. Do đó khi trong vật liệu có ẩm liên kết tự do thì áp suất hơi riêng phần trên vật liệu pvl bằng áp suất hơi bảo hòa pbh trên bề mặt tự do. Ẩm liên kết thì ngược lại có pvl < pbh. Năng lượng liên kết loại ẩm này với vật liệu tương đối lớn, với năng lượng nhiệt của quá trình sấy chỉ tách được một phần của lượng ẩm này. 2.2.3 Đặc tính xốp của vật liệu: 2 Xốp là đặc tính chung của vật liệu ẩm. Vật xốp là vật thể bên trong chứa các khoảng trống rỗng chứa khí. Do có các khoảng trống này vật liệu sẽ hấp thụ ẩm. Tùy theo độ lớn, hình dạng và sự phân bố của các hang xốp mà sự liên kết ẩm, tính chất lan truyền của ẩm sẽ khác nhau. Vì vậy khi sấy khô chúng cũng phải chọn các phương pháp thích hợp. 2.2.4 Các phương pháp sấy và thiết bị sấy hiện nay: 2 Thiết bị sấy là thiết bị nhằm thực hiện các quá trình làm khô vật liệu, các chi tiết hay các sản phẩm nhất định, làm cho chúng khô và đạt đến độ ẩm nhất định theo yêu cầu. Trong các quá trình sấy, chất lỏng chứa trong vật liệu sấy thường là nước. Tuy vậy trong kỹ thuật sấy cũng gặp trường hợp sấy các sản phẩm bị ẩm ướt bởi các chất lỏng hữu cơ như sơn, các vật đánh xi… Phương pháp sấy chia ra làm 2 loại lớn là sấy tự nhiên và sấy bằng thiết bị. Sấy tự nhiên là quá trình phơi vật liệu ngoài trời. phương pháp này sử dụng nguồn nhiệt bức xạ của mặt trời và ẩm bay ra được không khí mang đi (nhiều khi được hỗ trợ bằng gió tự nhiên). Phương pháp sấy tự nhiên có ưu điểm là đơn giản, đầu tư vốn ít, bề mặt trao đổi nhiệt lớn, dòng nhiệt bức xạ từ mặt trời tới vật có mật độ lớn (tới 1000 Wm2). Tuy vậy sấy tự nhiên có nhược điểm là: Khó thực hiện cơ giới hóa, chi phí lao động nhiều. Nhiệt độ thấp nên cường độ sấy không cao. Sản phẩm dễ bị ô nhiểm do bụi và sinh vật, vi sinh vật. Chiếm diện tích mặt bằng sản xuất lớn. Nhiều sản phẩm nếu sấy tự nhiên sẽ cho chất lượng sản phẩm không đạt yêu cầu. Các phương pháp sấy nhân tạo được thực hiện trong thiết bị sấy. Có nhiều phương pháp sấy nhân tạo khác nhau, căn cứ vào phương pháp cung cấp nhiệt có thể chia ra làm các loại sau: Phương pháp sấy đối lưu: Nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy là nhiệt truyền từ môi chất sấy đến vật liệu bằng truyền nhiệt đối lưu. Phương pháp sấy bức xạ: Trong phương pháp sấy này nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy thực hiện bằng bức xạ từ một bề mặt nào đó đến vật sấy. Phương pháp sấy tiếp xúc: Trong phương pháp này người ta cung cấp nhiệt cho vật sấy bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp với bề mặt nguồn nhiệt. Phương pháp sấy thăng hoa: Phương pháp này thực hiện bằng cách làm lạnh vật đồng thời hút chân không để cho vật đạt đến trạng thái thăng hoa của nước. Ẩm thoát ra khỏi vật nhờ quát trình thăng hoa. Mỗi phương pháp sấy kể trên được thực hiện trong nhiều kiểu thiết bị sấy khác nhau. Ví dụ: Sấy đối lưu được thực hiện trong nhiều thiết bị sấy như: thiết bị sấy hầm, sấy bằng khí động, thiết bị sấy kiểu tháp, thiết bị sấy thùng quay, thiết bị sấy tầng sôi, thiết bị sấy kiểu khí động… Phương pháp sấy bức xạ có thể thực hiện trong thiết bị sấy bức xạ dùng đèn hồng ngoại, thiết bị sấy bức xạ dùng nhiên liệu khí, dùng dây điện trở… Phương pháp sấy tiếp xúc có thể thực hiện trong các thiết bị như: thiết bị sấy tiếp xúc với bề mặt nóng, thiết bị sấy tiếp xúc kiểu tang quay, thiết bị sấy tiếp xúc trong chất lỏng… 2.2.5 Chọn thiết bị sấy thích hợp: 1 Do nhu cầu về năng lượng nên chọn thiết bị sấy thích hợp sẽ có ý nghĩa về mặt kinh tế và theo yêu cầu tốt nhất có thể đạt đối với từng loại nông sản. Việc chọn một thiết bị sấy cũng như chọn các dụng cụ khác, thường qua các bước: Loại bỏ những loại không thích hợp. So sánh những loại thích hợp với nhau. Sấy thí nghiệm với các loại đã chọn, quan sát và theo dõi quá trình sấy. Xác định ưu khuyết điểm cuối cùng của thiết bị sấy đã chọn. Trong việc so sánh lựa chọn thì những điểm sau đây là quyết định: Tính chất yêu cầu của sản phẩm. Thành phần hóa học của sản phẩm, đăc biệt với những sản phẩm nhạy với nhiệt. Loại thiết bị phụ đi kèm. Vấn đề tận dụng nhiệt một cách hợp lý. Các vấn đề địa điểm sản lượng, phương tiện vận chuyển… 2.2.6 Nội dung tính toán thiết bị sấy: 1 Các thiết bị sấy thường có yêu cầu chung là khả năng bốc ẩm cao nhất, sản phẩm khô đều, bảo đảm chất lượng sản phẩm sấy, có đủ điều kiện để điều chỉnh các thông số của các quá trình sấy một cách dể dàng, có khả năng thích ứng với các sản phẩm sấy khác nhau nhưng đồng thời phải kinh tế nhất. Các yêu cầu của thiết bị sấy phần lớn phụ thuộc vào chế độ sấy, cấu tạo thiết bị sấy, một số lựa chọn trong khi tính toán. Vì vậy khi tính toán một thiết bị sấy nào đó cần phải chú ý chọn thiết bị, chế độ sấy và phương pháp sấy thích hợp nhất. Khi tính toán các thiết bị sấy ta cần phải lựa chọn các số liệu sau: Số liệu về thiết bị sấy: gồm năng suất,các loại tác nhân sấy, phương pháp cấp nhiệt, cách đun nóng tác nhân sấy (nếu có). Chế độ sấy: các thông số không khí bên ngoài và tác nhân sấy, nhiệt độ sấy cho phép cực đại, độ ẩm, vận tốc tác nhân sấy nếu có, thời gian sấy. Sản phẩm sấy: cần lưu ý độ ẩm ban đầu và độ ẩm cuối, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, kích thước lớn nhất, bé nhất của sản phẩm sấy. 2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán các thiết bị trong máy sấy chân không: 2.3.1 Nguyên lý cơ bản của phương pháp sấy chân không: 10 Nguyên lý cơ bản của phương pháp sấy chân không là sự phụ thuộc áp suất điểm sôi của nước. Nếu làm giảm áp suất trong một thiết bị chân không xuống đến một áp suất mà ở đó nước trong vật liệu cần sấy bắt đầu sôi, sẽ tạo ra một chênh lệch áp suất rất lớn và qua đó hình thành nên một dòng ẩm chuyển động trong vật liệu theo hướng từ trong ra ngoài bề mặt. Đều đó có nghĩa là ở một áp suất nhất định nước sẽ có một điểm sôi nhất định. Do vậy khi hút chân không sẽ làm cho áp suất trong vật liệu sấy giảm đi và đến mức nhiệt độ sôi vật liệu đạt đến nhiệt độ sôi của nước. Ở đều kiện áp suất ấy, nước trong vật liệu sẽ hóa hơi và làm tăng áp suất trong vật liệu, tạo điều kiện thúc đẩy quá trình di chuyển ẩm từ trong ra ngoài bề mặt hay bốc hơi ở đấy. Dưới điều kiện chân không, quá trình bay hơi nước sẽ diễn ra nhanh chóng và vật liệu sẽ khô rất nhanh, rút ngắn dáng kể thời gian sấy. 2.3.2 Khái niệm bức xạ: 11 Vật chất có cấu tạo từ các hạt nguyên tử hay phân tử, các hạt này luôn chuyển động, vì vậy phát sinh ra sóng điện từ và sóng đó truyền ra không gian xung quanh. Hiện tượng này gọi là bức xạ. Vậy: “ Bức xạ là hiện tượng phát sinh và truyền năng lượng dưới dạng sóng điện từ” Bảng 2.2: Bảng phổ các sóng điện từ Độ dày sóng (m) Loại sóng 0 – 1010 1011 107 5109 – 4107 4 107 – 8107 8107 103 >1 Tia Tia X Tia tử ngoại Ánh sáng thấy được Tia hồng ngoại Sóng vô tuyến Trong số các loại sóng kể trên, những tia có độ dài sóng trong khoảng m 7 4 10 10 có thể biến đổi dễ dàng thành nhiệt năng nên người ta còn gọi đó là những tia “tia nhiệt”. Hiện tượng bức xạ những tia nhiệt được gọi là “tia bức xạ”. 2.3.3 Tương tác tia bức xạ, vật thể:11 Một tia sóng gặp một vật cản thì trong trường hợp tổng quát, năng lượng Q của nó tách ra thành 3 phần (hình 2.2) Một phần QA bị vật thể hấp thụ. Một phần QR được vật thể phản xạ lại cho môi trường Một phần QD truyền xuyên qua vật thể. Sự bảo tồn năng lượng cho : Q = QA + QR +QD I = (QAQ) + (QRQ) + (QDQ) Đặt QAQ = A : độ đen QRQ = R : độ trắng QDQ = D : độ trong Vậy A +R + D = 1 Khi A = 1, vật được gọi là vật đen tuyệt đối. Khi R = 1, vật được gọi là trắng tuyệt đối. Khi D = 1, vật được gọi là trong tuyệt đối. Trong thực tế không có vật đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối hay trong tuyệt đối mà chỉ có những vật xám. 2.3.4 Cường độ bức xạ: 11 Xét phần bề mặt vật thể có diện tích A, qua diện tích này vật bức xạ năng lượng dQ. Người ta định nghĩa khả năng bức xạ năng lượng E là năng lượng bức xạ qua đơn vị diện tích bề mặt. dA dQ E , Wm2 Năng lượng này là của vô số tia có độ dài từ 0 . Nếu ta xét một số các tia nằm trong khoảng d thì năng lượng bức xạ tương ứng với tia đó là dE. Từ đó người ta định nghĩa cường độ bức xạ hay khả năng bức xạ đơn sắc theo như biểu thức sau: Q Q Q Q A R D Hình 2.2: Söï phaân phoái naêng löôïng böùc xaï d dE E , Wm3 Định luật Kirchhof: 12 Xét một vật đen có nhiệt độ T0, khả năng bức xạ E0 và 1 vật xám có nhiệt độ T1, khả năng bức xạ E1, hệ số hấp thụ A1. Năng lượng bức xạ của vật đen chiếu lên vật xám là E0 sẽ bị vật xám hấp thụ một phần là A1E0, phần còn lại (1A1)E0 phản xạ trở lại vật đen hấp thu toàn bộ. Năng lượng búc xạ của vật xám là E1 chiếu lên vật đen và bị vật đen hấp thu toàn bộ. Như vậy, theo định luật nhiệt động 2, năng lương nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa 2 vật là: Q= E1 – A.E0 Ở điều khiện cân bằng nhiệt động (tức T0 = T1), ta có: Q = E1 – A1.E0 = 0 0 1 1 E EA Nếu thay các chất xám khác nhau, xét tương tự ta có qua hệ: 0 2 2 E EA , 0 3 2 E EA Tổng quát ta có: .... 0 ( ) 2 2 1 1 E f T EA EA EA n n () Quan hệ giữa công thức () chính là nội dung của định luật Kirchoof: Trong điều kiện cân bằng nhiệt động, tỷ số giữa khả năng bức xạ và hệ số hấp thụ của vật xám đều bằng nhau và bằng khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối E0. Nhận xét: T A = 1 0 A1 T 1 E0 A1.E 0 (1A1).E 0 E 1 Hình 2.3: Sô ñoà minh hoïa ñònh luaät Krichhof Từ () ta có thể viết: E0 f (T ) EA hay: A T C T C EE 4 0 4 0 100 . 100 . 2.3.5 Trao đổi nhiệt bức xạ: ♦ Trao đổi nhiệt giữa hai vách song song: 11 Xét hai vách phẳng song song có kích thước vô cùng lớn, giữa chúng là môi trường trong suốt. Những thông số của các vách lần lượt là T1, A1 và T2, A2 (giả sử rằng T1>T2). Mỗi vách bức xạ ra một năng lương tổng cộng (còn gọi là năng lượng hiệu dụng) là E1hd. Năng lượng này gồm có: Phần năng lượng bức xạ do bản thân vách E1. Sau khi nhận năng lượng bức xạ E2hd từ vật kia nó sẽ hấp thu một phần 1, E2hd và phản xạ phần còn lại (1 1). E2hd. Vậy ta có: E1hd = E1 + (1 1).E2hd Tương tự cho vách thứ hai: E2hd = E2 + (1 2 ).E1hd Và lượng nhiệt trao đổi cho mỗi đơn vị diện tích là: q12 = E1hd – E2hd Giả hệ 3 phương trình ta có: 1 2 1 2 1 2 2 1 12 E E q E 1 E1hd 2E1hd (1 2 E2hd 1E2hd E 2hd E 2 (1 2 E1hd Hình 2.4: Trao ñoåi nhieät giöõa hai vaùch song song 1 1 1 ( ) 1 2 4 2 4 1 12 T T q ♦ Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau: 11 Năng lượng trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau sẽ là: 4 2 4 1 2 1 1 1 0 1 12 100 100 1 1 1 T T FF C F Q , W Gọi 1 1 1 1 2 2 1 1 12 FF Thì: 4 2 4 1 12 12 0 1 100 100 T T Q C F , W T F T F Hình 2.5 : Trao đổi nhiệt giữ hai vật bọc nhau. ♦ Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng: 11 Xét một vách phẳng đồng nhất, đẳng hướng có chiều dày l, có dài và chiều cao vô cùng lớn. một mặt vách có nhiệt độ t1. mặt kia có nhiệt độ t2 (giả sử t1>t2). Vậy có sự dẫn nhiệt sảy ra trong vách. Khi ấy ta có thể xem nhiệt độ một điểm của vách chỉ phụ thuộc khoảng cách từ điểm đó đến mặt ngoài của vách trong trường hợp sự dẫn nhiệt ổn định, lượng nhiệt nhận bằng lượng nhiệt truyền đi, nhiệt độ sẽ không thay đổi theo thời gian và ta có trường nhiệt độ ổn định. Với hệ trục tọa độ như hình 2.6: t f (x) Trong trường hợp này, mặt đẳng nhiệt vuông góc với trục x và phương pháp tuyến trùng với phương x, tn trở thành dx dt Công thức Fourrier viết lại là: dx dt q k hay qdx kdt Để xác định mật độ dòng truyền nhiệt qua vách ta lấy tích phân biều thức này từ 0 đến 1: 2 1 1 0 . t t q dx kdt xem q và k như là hằng số ta có: q.l = k.( t1 t2 ) hay (t1 t2 ) kl q Sự phân bố nhiệt độ trong vách được xác định bằng cách lấy tích phân từ 0 đến 1 đẳng thức: 2 1 1 0 . t t q dx kdt qx k(t tt ) hay x t1 ql t vậy t thay đổi theo tuyến tính x. Khi so sánh sự truyền nhiệt qua vách và sự dẫn nhiệt, ta thấy như sau: Yếu tố so sánh Truyền nhiệt qua vách Dẫn nhiệt Động lực của quá trình Kết quả phát sinh Sự chênh lệch nhiệt độ t . Dòng nhiệt q t kl q Sự chênh lệch điện thế V Dòng điện I VR I dx R T T q q T 1 2 Hình 2.6: Daãn nhieät qua vaùch phaúng Công thức biểu diễn Vậy giữa hai hiện tượng này có những sự đồng nhất nhất định. Từ đó ta đưa ra khái niệm “nhiệt trở”. Đại lượng này được định nghĩa như sau: lk q t t R 1 2 , m2.độ.W1 ♦ Dẫn nhiệt qua vách trụ: 8 Ta khảo sát sự dẫn nhiệt qua vách trụ có đường kính trong d1 = 2r1, đường kính ngoài d2 = 2r2 giữ không đổi. Hệ số dẫn nhiệt qua vách trụ ( const) với tọa độ như hình 2.7. Trường nhiệt độ ở đây là một chiều, nhiệt độ trong vách trụ chỉ biến đổi theo phương bán kính. r4 r1 r2r3 1 23 r3 r1r2 t 1 t2 t dr t o x o x Hình 2.7: Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ Dựa vào định luật Fourrier: dr dt r dr dt Q F 2. r Q dr dt 21 Nhiệt lượng dẫn qua vách trụ trên một đơn vị chiều dài: 1 2 2 1 ln 2 . L t w t w rr t QL q , wm 1 2 2 1 1 1 1 ln . . t w t w rr r t QF q , wm2 1 2 2 1 2 2 2 ln . . tw tw rr r t QF q , wm2 Quan hệ giữa qL, q1, q2 được xác định như sau: Q qL.L q1..d1.L q2..d 2.L hoặc: qL .d1.q1 .d 2.q2 Tương tự cho vách trụ nhiều lớp, nhiệt lượng truyền bằng dẫn nhiệt qua vách trụ nhiều lớp ứng với một đơn vị chiều dài của vách phẳng: n i i i L r r t q 1 1 1 ln 2 1 , wm 2.3.6 Tính và chọn bơm chân không: 10 Để chọn bơm chân không có công suất phù hợp với năng suất của máy ta cần xác định được lưu lượng hút trung bình, độ giảm áp suất chân không yêu cầu và công suất của nguồn động lực. Trên cơ sở độ chân không yêu cầu, dựa vào đặc tính của bơm chân không có trên thị trường để chọn bơm chân không cho phù hợp. Nếu gọi V là thể tích không khí chứa trong buồng chứa p1, p2 là áp suất đầu và áp suất cuối. T1,T2 là nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối trong buồng. Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có: Khối lượng không khí trong buồng trước khi hút: 1 1 1 RT PV m , kg Khối lượng không khí trong buồng sau khi hút: 2 2 2 RT P V m , kg Ta được lượng không khí lấy đi: VR PT PT m m m 1 2 2 1 2 2 , kg Thể tích không khí được lấy đi: m V kk , m 3 Trong đó, 1,165 kgm3 là khối lượng riêng của không khí. Lưu lượng trung bình của không khí qua bơm: Vt Q kk , m3s Với t là thời gian hút đến độ chân không yêu cầu. Công suất bơm: đo n m N đo n N 1000. . . . , kW Trong đó: N đo.n công suất tính trong quá trình đoạn nhiệt. 1 . 1 1 1 2 . 1 1 k k đo n PP P Q k k N , kW k: hệ số đoạn nhiệt của không khí, k = 1,4. Q1: năng suất hút của máy, (m3s) đo.n : hệ số hiệu dụng đẳng nhiệt. m : hệ số hiệu dụng tính đến tổn thất ma sát. 0,5 0,6 . đă n m . 0,6 0,7 . đo n m Khi 1,5 2 1 PP thì bơm phải được làm mát bằng nước. 2.3.7 Tính toán bộ phận ngưng tụ: 10 Năng suất giải nhiệt của dàn ngưng: Qngưng = mkkCkpp( t1 t2 ). kJ Trong đó: mkk : lượng không khí ẩm khi đi qua dàn ngưng khi hút chân không Vkk: là lượng không khí đi qua dàn ngưng khi bơm hút chân không. C pkk: là nhiệt dung riêng của không khí. t1 là nhiệt độ ra khỏi dàn ngưng của không khí. t2 là nhiệt độ không khí nóng và dàn ngưng. Phương trình cân bằng nhiệt giữa nước làm mát và không khí nóng qua dàn ngưng: Q = Qkk = mnCn(tratvao) vao n n kk ra t m C Q t 0 C Tính độ chênh lệch nhiệt độ trung bình loragit chọn trong trường hợp các môi chất chuyển động ngược chiều theo công thức: min max max min ln tt t t t Với: tmax t2 tnuoc 0C tmin t2 tra 0C Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị: k t Q F , m 2 2.4 Các hệ thống hút chân không trong thiết bị sấy chân không: 7 Việc tạo chân không trong máy sấy chân không nhằm làm tăng sự chênh lệch áp suất giữa buồng sấy và môi trường bên ngoài để tăng tốc độ bốc hơi ẩm của vật liệu sấy. Việc định mức độ chân không tùy thuộc vào từng sản phẩm sấy. Các kiểu máy hút chân không về nguyên tắc không có gì khác so với các kiểu máy nén khí, chỉ khác ở phạm vi áp suất làm việc và độ nén cao. Các bơm hút chân không hút khí ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển một chút và đẩy khí ra ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển. Với các bơm chân khônng 90% và nén tới áp suất p2 = 1,1 at thì độ nén bằng: p1p2 = 11 Năng suất bơm không cố định và giảm theo sự giảm của áp suất hút, vì thế khi chọn bơm phải căn cứ vào cả năng suất và độ chân không tối đa mà bơm tạo được. 2.4.1 Bơm chân không kiểu pittong: Giới hạn áp suất của bơm chân không kiểu pittong phụ thuộc chủ yếu vào độ khít của pittong trong xilanh và hệ số khoảng hại. Bơm chân không kiểu pittong được ứng dụng trong công nghiệp hoá học, thực phẩm. Bơm có năng suất tương đối cao từ (45÷3500) m3h (qui định về điều kiện nhiệt độ và áp suất trước khi vào ống hút). Bơm gồm có hai loại: loại khô và loại ướt. Loại khô chỉ hút khí, loại ướt hút cả hỗn hợp khí và chất lỏng. Ngoài ra cũng còn phân loại bơm chân không kiểu pittong theo vị trí pittong:Loại nằm ngang và loại thẳng đứng. Loại nằm ngang một cấp tác dụng kép có số vòng quay từ 160 200 vòngphút tạo nên độ chân không khoảng 700 mmHg. Loại thẳng đứng là loại hiện đại hơn vì làm việc với số vòng quay lớn hơn và độ chân không cao hơn. 2.4.2 Bơm chân không kiểu roto: Hình 2.8: Cấu tạo bơm chân không kiểu roto. 1. Vỏ bơm 2. Ống dẫn nước vào 3. Đường hút 4. Cánh Roto 5. Đường đẩy 6. Vòng bi Để làm bơm chân không kiểu roto người ta có thể dùng tất cả các loại máy nén và thổi khí kiểu roto như loại có tấm trượt, loại hai guồng quay hoặc dùng bơm chân không loại vòng chất lỏng. Bơm chân không loại có tấm trượt có năng suất trong giới hạn 200 6000 m3h và giới hạn áp suất đạt được từ 0,1 – 0,3 mmHg. Nhờ số vòng quay lớn nên có thể đạt được vận tốc hút khí cao đến 100 líth tại áp suất khí quyển. Bơm chân không loại hai guồng có số vòng quay lớn hơn từ 1000 – 2000 vòngphút và tạo được độ chân không khá cao: áp suất tuyệt đối còn từ 11103 mmHg. Nếu lắp thêm một bơm chân không kiểu phun để bổ sung thì bơm chân không kiểu hai guồng quay một cấp có thể tạo được áp suất tới hạn đến 5 10 3 5 10 4 mmHg , còn loại hai cấp thì áp suất giới hạn