Tính toán và thiết kế hệ thống sấy khô rau công suất 1000kgh

Lời nói đầuNước ta là một nước có nền nông nghiệp rất phát triển với sản lượng xuất khẩunông sản rất lớn với mặt hàng rất phong phú, trải dài từ các loại hạt ngũ cốc đến rau Vì sự thiết

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TS Trần Lệ Thu (GVHD)

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

Đề tài: Tính toán và thiết kế hệ thống sấy

khô rau công suất 1000kg/h

(Hệ: Đại Học)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2017

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TS Trần Lệ Thu (GVHD)

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

Đề tài: Tính toán và thiết kế hệ thống sấy

khô rau công suất 1000kg/h

(Hệ: Đại Học)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2017

MỤC LỤC

Lời nói đầu 4

PHẦN 1 TỔNG QUAN 7

1.1 Cơ sở lý thuyết của thiết bị chính 7

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chính 13

1.3 Các thiết bị và mô tả đặc tính của từng thiết bị 14

1.4 Các hãng có thiết bị tương ứng (nếu có) 16

1.5 Ứng dụng trong chế biến thực phẩm 18

1.6 Các tài liệu tham khảo và website 19

PHẦN 2 TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ 20

2.1 Các thông số ban đầu và lựa chọn tiêu chuẩn 20

2.1.1 Tính toán lượng ẩm cần thiết cho từng giai đoạn sấy 20

2.1.2 Tính toán lượng nhiệt cho quá trình sấy 21

2.1.3 Tính toán nhiệt tỏa ra ở bình ngưng đóng băng 22

2.1.4 Tính toán và chọn máy lạnh cho hệ thống sấy 23

2.2 Sơ đồ công nghệ và giải thích công nghệ 30

2.3 Tính toán cho thiết bị chính 31

2.3.1 Tính toán bình thăng hoa 31

2.3.2 Tính toán cho bình ngưng – đóng băng 36

2.4 Sơ đồ thiết bị và giải thích thiết bị 42

2.5 Sơ đồ bố trí mặt bằng và diễn giải 44

2.6 Tài liệu tham khảo 46

PHỤ LỤC 2 BẢN VẼ THIẾT BỊ CHÍNH (Bản in A3 - Autocad kèm theo đúng tiêu chuẩn vẽ kỹ thuật) 47

Lời nói đầu

Nước ta là một nước có nền nông nghiệp rất phát triển với sản lượng xuất khẩunông sản rất lớn với mặt hàng rất phong phú, trải dài từ các loại hạt ngũ cốc đến rau

Vì sự thiết yếu của công nghệ sấy trong các sản phẩm nông sản nên chúng emxin chọn đề tài sấy thăng hoa rau quả để giúp mọi người có cái nhìn khái quát hơn

về công nghệ sấy thăng hoa này Tuy sấy thăng hoa có giá thành cao nhưng khôngthể phủ nhận thành phẩm của quá trình sấy này hơn hẳn các loại sấy khác

Trong quá trình thu thập tài liêu, nghiên cứu cũng như biên soạn không thể siếunhững sai sót, do đó mong mọi người thông cảm và rất hân hạnh nhận được nhữngđóng góp chân thành từ mọi người

Xin chân thành cảm ơn

Danh mục bảng

Bảng 1.1 So sánh sấy truyền thống và sấy thăng hoa .8Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật máy sấy thăng hoa 120kg/mẻ 17Bảng 2.1 Thông số chu trình lạnh 26

Danh mục hình

Hình 1.1 Mít sấy lạnh 7

Hình 1.2 Giản đồ trạng thái nước 9

Hình 1.3 Biểu đồ các giai đoạn điển hình 11

Hình 1.4 Cấu tạo bình thăng hoa 18

Hình 1.5 Cấu tạo bình ngưng đóng băng 16

Hình 1.6 Máy sấy thăng hoa công ty Nhất Phú Thái 16

Hình 1.7 Máy sấy sầu riêng, trái cây đông khô chân không 18

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống lạnh 24

Hình 2.2 Chu trình máy lạnh trên đồ thị lgh-p 25

Hình 2.3 Hình mô tả khay trong bình thăng hoa 34

Hình 2.4 Hình đáy và nắp 36

Hình 2.5 Hình đáy và nắp 41

Hình 2.6 Sơ đồ thiết bị sấy thăng hoa 42

PHẦN 1 TỔNG QUAN

1.1 Cơ sở lý thuyết của thiết bị chính

1.1.1 Giới thiệu chung về sấy đông khô

Sấy đông khô (sấy thăng hoa) là một kỹ thuật được gọi là làm khô lạnh hay còngọi là kỹ thuật khử nước hoặc dung môi khác từ sản phẩm đông lạnh bằng quá trìnhthăng hoa Sự thăng hoa xảy ra khi chất lỏng đông lạnh ở thể rắn chuyển trực tiếpsang thể hơi mà bỏ qua pha lỏng Ngược lại với quá trình sấy truyền thống từ phalỏng thường làm thay đổi chất lượng của sản phẩm và phương pháp này chỉ có thể

áp dụng được với một số vật liệu sấy dễ dàng Và vì trong sấy thăng hoa vật liệusấy không đi qua giai đoạn pha lỏng, do đó sản phẩm sau sấy ổn định, dễ sử dụng

và có tính mỹ quan cao

Hình 1.1 Mít sấy lạnhThường được sử dụng để bảo quản các loại vật liệu chung và thực phẩm nóiriêng, giúp thuận tiện hơn cho vận tải, cũng như giữ được các phẩm chất của sảnphẩm ban đầu Ngoài ra còn có nhiều lĩnh vực khác như: điều chế mẫu cảm ứngnhiệt, nghiên cứu tiêu bản thực vật, ổn định các vật liệu sống như nuôi cấy vikhuẩn, lưu trữ lâu dài các mẫu HPLC, bảo quản tiêu bản động vật cho trưng bài tạibảo tàng,

So với các phương pháp bảo quản khác:

Trong quá trình sấy thông thường, nhiệt là nguyên nhân gây tổn thấy về hươngthơm và chất lượng dinh dưỡng Tuy vậy, sấy thăng hoa làm giảm hoạt độ của nước

là không dùng nhiệt tác động lên thực phẩm, nên vẫn giữ được hương thơm và chấtlượng sản phẩm tốt hơn

Trong quá trình sấy thăng hoa, chi phí cho hệ thống tạo áp suất chân không vàlàm lạnh rất lớn Cùng với vốn đầu tư ban đầu làm cho chi phí sấy thăng hoa và côđặc thực phẩm tăng cao

Ưu điểm: sấy thăng hoa có ưu điểm lớn so với các phương pháp sấy khác như

sản phẩm có chất lượng cao (giữ nguyên màu sắc, cấu trúc, hương vị, tính thủyhóa), giữ gìn hoạt tính sinh học, không làm mấy các vitamin Tiêu hao năng lượng

để bay hơi hàm ẩm thấp

Nhược điểm: giá thành thiết bị cao, vận hành cần có trình độ kỹ thuật cao, tiêu

thụ điện năng lớn

Bảng 1.1 So sánh sấy truyền thống và sấy thăng hoa

- Khử nước chậm và không hoàn toàn

- Những phần sấy khô là rắn hay lỗ

xốp thường có mật độ cao hơn nguyên

- Khư nước rất nhanh

- Những phẩn được sấy khô và xốp cómật độ thấp hơn nguyên liệu

- Hương vị được giữ lại bình thường

- Màu bình thường

- Giữ được dinh dưỡng

- Giá sản phẩm cao, có thể gấp 4 lầnsấy khô thông thường

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

1.1.2.1 Các quá trình chuyển pha của nước

Hiểu được quá trình chuyển pha của nước trong quá trình sấy đông khô rau quả

là một điều cần thiết Quá trình chuyển pha của nước giữa lỏng – rắn – hơi được mô

tả ở “Giản đồ trạng thái của nước”

Hình 1.2 Giản đồ trạng thái của nước

- Ở điều kiện áp suất không đổi (tại M), khi cấp nhiệt để nhiệt độ của nướctăng từ TM đến TG thì trạng thái của nước diễn ra theo M – G, tức lỏng ra hơi Hiệntượng này thường xảy ra trong các quá trình sấy vật liệu ẩm

- Trường hợp nếu áp suất giảm xuống dưới 760mmHg, quá trình sẽ diễn ratheo đường M – L, đây là hiện tượng xuất hiện trong quá trình sấy chân không

- Ở điều kiện áp suất tại M không đổi, nhiệt độ nước giảm từ TM xuống TN =

TR = TH thì trạng thái pha của nước diễn ra theo M –N (tức lỏng sang rắn) Hiệntượng này thường xảy ra trong quá trình lạnh đông

- Ở điều kiện áp suất PR = const < PO =4,58mmHg, tại R nước ở trạng thái rắn

và có nhiệt độ là TH=TR Ứng với mỗi giá trị nhiệt độ nước đá là TH sẽ có một giá trị

áp suất thăng hoa tương ứng là PH và ngược lại Nếu đặt nước đá trong môi trường

có áp suất là PR, PH < PR < 4,58mmHg, tương ứng nhiệt độ thăng hoa của nước đá là

Tth = TF > TH Khi đó nước đá chưa thể thăng hoa ngay (R) mà nó phải thực hiệnmột giai đoạn truyền nhiệt đốt nóng (RF), để nâng nhiệt độ TR = TH lên đến TF, lúc

đó nước đá mới bắt đầu thăng hoa, quá trình sẽ đi theo đường R-Q và cần mộtlượng nhiệt cấp vào Q, do đó tiêu tón năng lượng và thời gian để nâng nhiệt trướckhi thăng hoa Nếu đặt nước đá trong môi trường có áp suất là PD, PD<PH

<4,58mmHg, tương ứng sẽ có nhiệt độ thăng hoa của nước đá là TD < TH khi đónước đá sẽ thăng hoa tại điểm H

1.1.2.2 Các giai đoạn cơ bản

Quá trình sấy thăng hoa có 3 giai đoạn chính: giai đoạn làm lạnh, giai đoạn sấy

sơ cấp và giai đoạn sấy thứ cấp

Giai đoạn 1 – Giai đoạn Tiền đông:

Mục đích chính của quá trình để chuẩn bị cho quá trình thăng hoa tiếp theo, đểsản phẩm ở nhiệt độ lạnh -10 đến -15oC

Sản phẩm được làm lạnh nhanh dẫn đến sự hình thành các tinh thể băng nhỏ,hữu ích cho việc bảo toàn cấu trúc của sản phẩm, nhưng lại khó hơn để thực hiệnsấy đông khô hơn Quá trình làm lạnh chậm tạo ra các tinh thể băng lớn hơn và hạnchế các lớp băng trong sản phẩm trong suốt quá trình sấy

Cấu trúc sản phẩm sấy sẽ quyết định phương thức lạnh đông Phần lớn sản phẩmsấy thăng hoa đề có thành phần chủ yếu là nước, dung môi và chất hòa tan Đối vớisản phẩm sấy đông khô cần lưu ý hệ eutectic – hỗn hợp của các hợp chất đóng băng

ở nhiệt độ thấp hơn so với nước bao quanh Trong vật liệu sấy, khi được làm lạnh,huyền phù sẽ ngậm nước đã được đông lạnh, nồng độ chất tan trong mẫu lúc nàythay đổi Khi nước bị đông thành băng và tách khỏi huyền phù, sẽ tạo ra các vùng

có nồng độ chất tan lớn hơn Những vùng này có nhiệt độ đóng băng thấp hơn nướchay gọi là nhiệt độ đóng băng tế bào Mặc dù cảm quan bên ngoài vật liệu đã đóngbăng do có các tinh thể xuất hiện, nhưng thực tế vẫn chưa biết được nó đã đóngbăng hoàn toàn cho đến khi tất cả các chất tan trong hỗn hợp bị đóng băng Hỗnhợp các chất tan có nống độ khác nhau trong dung môi tạo thành hệ eutectic củahỗn hợp huyền phù Chỉ khi tất cả hỗn hợp eutectic bị đóng băng thì hỗn hợp huyềnphù mới bị đóng băng thực sự Tại nhiệt độ đó được gọi là nhiệt độ eutectic

Và yêu cầu quan trọng của giai đoạn này chính là làm lạnh đông sản phẩm đếndưới nhiệt độ eutectic trước khi bắt đầu quá trình sấy

Có 2 cách làm lạnh đông vật liệu sấy Cách thứ nhất sử dụng thiết bị làm lạnhđông thông thường hoặc nitơ lỏng để làm lạnh đông ngay trong buồng sấy thănghoa Trong giai đoạn này có khoảng 10-15% trên toàn bộ ẩm thoát ra khỏi vật liệusấy

Sản phẩm cần được làm lạnh đông rất nhanh để hình thành các tinh thể băng nhỏ

ít gây hư hại đến cấu trúc tế bào của sản phẩm Đối với sản phẩm dạng lỏng,phương pháp làm lạnh đông chậm được sử dụng để băng tạo thành từng lớp, các lớpnày tạo nên các kênh giúp cho hơi nước dịch chuyển dễ dàng

Giai đoạn 2 – Giai đoạn Sấy thăng hoa:

Trong giai đoạn này, nhờ dòng nhiệt chủ yếu là bức xạ từ các tấm bức xạ, nướcđang đóng băng trong vật liệu sấy sẽ thăng hoa mạnh và không bị tan ra Độ ẩm củavật liệu sấy giảm rất nhanh

Sau giai đoạn lạnh đông sản phẩm, cần thiết lập các điều kiện để tách loại băngnước khỏi sản phẩm bằng cách thăng hoa, sản phẩm thu được khô có cấu trúc đượcbảo toàn Cần điều khiển chính xác 2 thông số nhiệt độ và áp suất Áp suất hơi nước

sẽ được giữ dưới 4,58 mmHg 0,0098oC đối với nước đá và dưới nhiệt độ kết tinh Tkt

và 4,58 mmHg với ẩm kết tinh trong vật liệu sấy Sự thăng hoa băng nước từ sảnphẩm lạnh đông dựa trên sự khác biệt về áp suất hơi của sản phẩm so với áp suấthơi của bình ngưng tụ băng nước Các phân tử sẽ di chuyển trong mẫu từ nơi có ápsuất cao đến vùng có áp suất thấp hơn Cần lưu ý xác định nhiệt độ mà tại đó mộtsản phẩm bị lạnh đông được câm bằng giữa nhiệt độ để duy trì tính toàn vẹn của sảnphẩm lạnh đông và nhiệt độ để duy trì tối đa áp suất hơi của sản phẩm, sự cân bằngnày là yếu tố then chốt để tối ưu hóa quá trình sấy

Với áp suất và nhiệt độ nêu trêm thì băng rắn sẽ thăng hoa trực tiếp thành hơi

mà không bị tan chảy hơi nước tiếp tục được tách ra khỏi sản phẩm bằng cách giữcho áp suất trong buồng sấy thăng hoa thấp hơn áp suất hơi nước trên bề mặt củabăng, đồng thời tách hơi nước bằng máy bơm chân không và ngưng tụ nó lại bằngcác ống xoắn hoặc các bản dẹt lạnh hay hóa chất Khi quá trình sấy tiếp diễn, bêntrong sản phẩm sẽ tiếp tục thăng hoa, làm sản phẩm được sấy khô Hơi nước dichuyển ra khỏi sản phẩm qua các kênh và đến bình ngưng, sau đó thàng băng bámtrên mặt ống

Nhiệt có thể được cung cấp bằng nhiều cách Phương pháp cấp nhiệt trực tiếpthông qua kệ dẫn nhiệt, được áp dụng khi dùng trong sấy khay Phương pháp khác

là sử dụng nhiệt môi trường xung quanh như trong phương pháp sấy với manifold(giá chia mẫu)

Hình 1.3 Biểu đồ các giai đoạn điển hình

Đồ thị các giai đoạn điển hình được chỉ ra trên hình Các sản phẩm hầu hếtđược đông lạnh tốt dưới điểm eutectic (điểm A), sau đó nhiệt độ được tăng lên ngaydưới ngưỡng nhiệt độ tới hạn (điểm B) và đồng thời áp suất bị giảm Tại thời điểmnày quá trình sấy thăng hoa bắt đầu Quan trọng trong giai đoạn sấy thăng hoa làphải tạo được điều kiện để thúc đẩy các phân tử nước ra khỏi sản phẩm một cách tự

do Do vậy, một máy bơm chân không thường được sử dụng để thúc đẩy quá trình

đó, có tác dụng làm giảm áp suất của môi trường xung quanh sản phẩm (điểm C).Một bộ phận cần thiết khác là hệ thống ngưng tụ, hay còn gọi là bẫy lạnh để ngưng

tự hơi nước tách ra từ sản phẩm lạnh đông Bẫy lạnh làm ngưng kết tất cả các hơingưng tụ, gồm các phân tử nước, và bơm chân không loại bỏ tất cả các khí khôngngưng tụ

Yếu tố quan trọng trong hệ thống sấy thăng hoa là năng lượng Nhiệt lươngđược cung cấp dưới dạng nhiệt và cần được kiểm soát một cách cẩn thận, vì nhiệtthoát nhiều hơn so với quá trình làm lạnh bay hơi trong hệ thống có thể làm tăngnhiệt sản phẩm đến mức vượt quá nhiệt độ phá vỡ cấu trúc hoặc nhiệt độ eutecticcủa sản phẩm

Giai đoạn 3 – Giai đoạn sấy thứ cấp (Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại)

Mục đích của giai đoạn là loại bỏ nước còn tồn lưu, vì băng đã bị loại bỏ tronggiai đoạn sấy thăng hoa, để sản phẩm khô hoàn toàn, giai đoạn này đóng vai trò hếtsức quan trọng trong việc bảo quản và ổn định sản phẩm

Sau khi kết thúc giai đoạn 2, và tất cả băng đã thăng hoa, tuy nhiên vẫn còn ẩmliên kết tồn tại bên trong vật sấy Cảm quan bên ngoài sản phẩm đã khô Nhưngthực tế ẩm còn lại tương đối cao khoảng 7-8% Giai đoạn sấy thức cấp này tại nhiệt

độ cao hơn là quá trình cần thiết để bốc hơi ẩm liên kết còn lại đạt hiệu suất tối đanhất Quá trình này gọi là sự giải hấp đẳng nhiệt vì ẩm liên kêt sẽ được bay hơi khỏisản phẩm

Giai đoạn này thường được duy trì tại nhiệt độ sản phẩm cao hơn nhiệt độ môitrường xung quanh nhưng phải phù hợp với độ nhạy nhiệt của sản phẩm Do ở giaiđoạn thăng hoa trước, trạng thái của nước nằm trên điểm 3 thể nên ẩm trong vật liệusấy trở về dạng lỏng Vì khi đó áp suất trong bình thăng hoa vẫn được duy trì béhơn áp suất khí trời nhờ bơm chân không và vật liệu sấy vẫn tiếp tục được gia nhiệtnên ẩm vẫn không ngừng biến từ dạng lỏng lên dạng hơi và đi vào không gian bìnhthăng hoa Như vậy, giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại chính là quá trình sấy chân khôngbình thường

Khi kết thúc hoạt động, lượng nước cuối cùng còn lại trong sản phẩm cực kỳthấp, từ khoảng 1% đến 4%

1.1.3 Biến đổi nguyên liệu

Sản phẩm sấy thăng hoa có thời hạn sử dụng rất lâu trong điều kiện bao gói phùhợp và có thể bảo quản ở nhiệt độ phòng nơi khô thoáng Do hoạt độ nước trongsản phẩm sau sấy còn rất thấp nên các vi sinh vật gần như bị ức chế hoàn toàn.Thực phẩm sấy thăng hoa gần như giữ lại được các đặc tính của nguyên liệu ban

đầu đồng thời sự tổn thất về mặt chất lượng thường ở mức thấp nhất Sản phẩm giữlại tối đa các đặc tính về chất lượng mà các hợp chất có hoạt tính sinh học cũngđược bảo vệ một cách tốt nhất

Với cá hồi nghiên cứu cho thấy tỷ lệ co rút thể tích dưới 10%, màu sắc giảmnhưng sau khi ngậm nước có sự phục hồi lại màu sắc đáng kể, hút nước nhanh đểđạt được tỷ lệ hút nước tối đa ở 800C (thuận lợi khi sử dụng như thành phần trongsoup) Có cấu trúc xốp, dòn phù hợp với sản phẩm snack ăn liền

Với các sản phẩm phải có dộ khô cao và cần độ hòa tan tốt như sữa bột thì độ

ẩm còn lại 4-6% và hình dạng ban đầu vần được giữ nguyên, kích thước thay đổikhông rõ rệt

Các chất dễ bay hơi không bị cuốn vào hơi nước sinh ra trong thăng hoa màđược giữ lại tại khung sản phẩm Có đến 80-90% mùi được giữ lại

Kết cấu của sản phẩm ít bị co và không bị hiện tượng cứng lớp bề mặt Cấu trúcxốp của sản phẩm cho phép quá trình làm ướt trở lại nhanh chóng và an toàn vàngược lại nó dễ vỡ và cần bảo vệ để tránh bị hư hại cơ học Sản phẩm vẫn có nhưngthay đổi nhỏ về dinh dưỡng: chất lượng protein, tinh bột và các hidrocacbon khác;

vì cấu trúc xốp nên sản phẩm dễ bị oxy xâm nhập và gây oxy hóa lipit Vì vậy, sảnphẩm cần được bao gói trong điều kiện không khí cẩn thận Trong sấy thăng hoavitamin không bị thất thoát hay biến đổi nhiều

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chính

Phương thức truyền nhiệt trong quá trình thăng hoa của nước đá kết tinh bên trong sản phẩm

Môi trường sấy thăng hoa sản phẩm luôn có áp suất nhỏ hơn 4,58 mmHg, nhiệt

độ sản phẩm nhỏ hơn nhiệt độ kết tinh của ẩm bên trong sản phẩm (dưới 0,0098oC,

có nghĩa là dưới điểm ba thể) Như vậy, môi trường sấy gần như chân không tuyệtđối, quá trình truyền nhiệt tách ẩm chỉ xảy ra theo hai phương thức bức xạ và dẫntruyền, còn đối lưu xem như bằng không

-Bức xạ từ nguồn cấp, thường là giá truyền nhiệt ở kệ trên đến sản phẩm lạnhđông đặt trên giá truyền nhiệt ở kệ dưới để thực hiện quá trình thăng hoa

-Dẫn truyền từ các giá truyền nhiệt mà sản phẩm đặt lên trên cùng một kệ đếnsản phẩm lạnh đông để thực hiện quá trình thăng hoa

Quá trình thăng hoa là quá trình chuyển pha từ rắn sang hơi, với nước đá đôngđặc từ từ nguyên chất thì nhiệt độ thăng hoa nước đá là không đổi tại một áp suấtxác định, còn với nước đá đông đặc từ dung dịch trong vật liệu thì nhiệt độ thănghoa của nước đá cũng thay đổi tại một áp suất nhất định, phụ thuộc vào nồng độ củadung dịch

Áp suất của môi trường sấy thăng hoa

Ứng với mỗi giá trị áp suất thì sẽ có một giá trị nhiệt độ xác định Vì thế, cầnchọn được áp suất môi trường phù hợp với nhiệt độ ẩm kết tinh trong sản phẩm khitiến hành sấy Nếu chọn áp suất không phù hợp với nhiệt độ lạnh đông thích hợpcủa sản phẩm thì khi cấp nhiệt vào chưa thể làm ẩm kết tinh thăng hoa ngày, mà cần

có thời gian nâng nhiệt của sản phẩm, khi đó ẩm kết tinh mới bắt đầu thăng hoa.Như vậy sẽ tốn mọt lượng nhiệt và thời gian đốt nóng, dẫn đến làm chi phí nănglượng tăng, đồng thời sẽ làm cho một phần ẩm kết tinh bị tan chảy, ảnh hưởng đếnchất lượng sản phẩm Ngược lại, nếu chọn áp suất thăng hoa phù hợp thì khi sấykhông cần phải cấp nhiệt, ẩm kết tinh sẽ thăng hoa ngay mà không bị tan chảy, lúc

đó nhiệt cấp vào sẽ làm tăng động lực của quá trình tách ẩm, rút ngắn thời gian sấythăng hoa và đảm bảo được chất lượng sản phẩm

Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa

Nhiệt cấp vào làm tăng nhiệt độ môi trường sấy và nhiệt độ của giá truyền nhiệt,tạo động lực cho quá trình sấy thăng hoa, do sự chênh lệch nhiệt giữa nhiệt môitrường sấy, giá truyền nhiệt với nhiệt độ sản phẩm lạnh đông mà làm cho quá trìnhsấy thăng hoa nhanh hơn, rút ngắn thời gian sáy, tiết kiệm năng lượng

Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa và giá truyền nhiệt dao động trong khoảng-45oC đến 35oC, nhiệt độ sản phẩm phải nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ kết tinh của ẩmbên trong sản phẩm Nếu cấp nhiệt không đúng, nhiệt độ môi trường sấy tăng, trên

35oC khi đó nhiệt độ sản phẩm tăng, một khi đã vượt quá nhiệt độ kết tinh nướcđóng băng sẽ tan chảy và phá vỡ hệ thăng hoa, lúc này chuyển thành sấy chânkhông nhiệt độ thấy chứ không phải sấy thăng hoa Vì thế ảnh hưởng đến chấtlượng sản phẩm: tính hoàn nguyên và các đặc tính lưu biến của sản phẩm

Kích thước hình học của sản phẩm

Quá trình cấp nhiệt và tách ẩm trong sấy thăng hoa tuân theo quy luật thăng hoanước đá từ bề ngoài vào bên trong, vì vậy nó phụ thuộc vào áp suất lỗ mao quản mànước kết tinh thành đã, nếu lỗ mao quản cạn hay bề dày sản phẩm mỏng thì khảnăng thăng hoa dễ dàng, ẩm dể tách ra nhanh hơn, thời gian rút ngắn Nếu lỗ maoquản sâu hay bề mặt sản phẩm dày sẽ khó tác ẩm hơn, thời gian sấy kéo dài

Thời gian của quá trình sấy

Thời gian là một trong những yếu tố công nghệ quyết định đến độ ẩm, chấtlượng và chi phí năng lượng của sản phẩm sấy thăng hoa Khi thời gian ngắn thì độ

ẩm sản phẩm sẽ không đạt yêu cầu, không đáp ứng được khả năng bảo quản Khithời gian kéo dài sẽ làm chi phí tăng Hoặc khi thời gian sấy thăng hoa ngắn, thờigian sấy chân không kéo dài thì chất lượng sản phẩm sau khi sấy giảm

Nguyên nhân là do cơ chế tách ẩm ở giai đoạn sấy thăng hoa từ pha rắn sangpha hơi ở nhiệt độ thấp khác với cơ chế tách ẩm ở giai đoạn sấy chân không từ phalỏng sang pha hơi ở nhiệt độ cao, nên ảnh hưởng đến khả năng hoàn nguyên của sảnphẩm, làm thay đổi chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm sấy thăng hoa

1.3 Các thiết bị và mô tả đặc tính của từng thiết bị

1.3.1 Cấu tạo hệ thống sấy thăng hoa

Trong hệ thống sấy thăng hoa tuần hoàn được sử dụng trong công nghiệp thựcphẩm Vật liệu sấy được làm lạnh đến một nhiệt độ thích hợp trong các kho lạnhsâu rồi được đưa vào bình thăng hoa Bình thăng hoa được nối với bơm chân không

qua bình ngưng đóng băng Bình ngưng đóng băng được làm lạnh bởi một máy lạnhamoniac gồm máy nén, giàn ngưng, bình tách lỏng và bình chứa amoniac Nhờ bìnhngưng đóng băng mà ẩm thoát ra từ vật liệu sấy được tách ra dưới dạng băng đểmáy hút chân không làm việc với không khí khô Điều này làm cho bơm chânkhông làm việc nhẹ nhàng và giảm chi phí điện năng cho cả hệ thống

Các thiết bị chính của hệ thống sấy thăng hoa gồm có 4 bộ phận chính sau:

- Buồng sấy thăng hoa: cũng là buồng cấp đông sản phẩm (nếu hệ thống tựcấp đông), nếu năng suất lớn thì phải có hệ thống lạnh đông sản phẩm riêng

- Hệ thống lạnh chạy cho buồng hóa đá và buồng cấp đông sản phẩm

- Hệ chân không kết nối với buồng hóa đá và buồng sấy

- Hệ thống đo lường và điều khiển quá trình sấy thăng hoa

Các máy sấy thăng hoa bao gồm một buồn chân không có chứa các khay đựngsản phẩm và thiết bị đun nóng để cấp nhiệt cho quá trình thăng hoa Các ống xoắnruột gà lạnh hoặc các bản dẹt lạnh được sử dụng để ngưng tụ hơi nước trực tiếpthành băng Chúng được gắn với thiết bị tự động làm tan băng để giữ cho bề mặtcủa các dây xoắn ruột gà được trống tối đa cho việc ngưng tụ hơi nước Đây là việccần thiết vì phần lớn năng lượng đầu vào được dùng làm lạnh đông ở các thiết bịngưng tụ

1.3.2 Cấu tạo của hai thiết bị chính trong sấy thăng hoa

Bình thăng hoa: Bình thăng hoa là một hình trụ tròn nằm ngang Một đáy được

hàn liền với hình trụ còn đáy kia là một chỏm cầu được gắn kết với than hình trụbằng bulong để đưa vật liệu sấy vào ra Đỉnh bình thăng hoa có một mặt bích để nốivới bơm chân không qua bình ngưng-đóng băng Phía trong bình thăng hoa người ta

bố trí các hộp kim loại xen kẽ nhau Trên các hộp đó là các khay chứa vật liệu sấy.Trong các hộp là nước nóng chuyền động Do nhiệt độ trong bình thăng hoa rất thấp

và có một độ chân không rất lớn nên truyền nhiệt giữa các thành hộp chứa nướcnóng với vật liệu sấy chủ yếu xảy ra nhờ bức xạ nhiệt

Hình 1.4 Cấu tạo bình thăng hoa

Bình ngưng – đóng băng: cấu tạo bình ngưng – đóng băng là một thiết bị trao

đổi nhiệt dạng ống Nó là một hình trụ đứng, trong đó bố trí các ống có đường kính51/57 mm được gắn kết với nhau và với hình trụ nhờ hai mặt sàng Hỗn hợp hơinước và không khí được bơm chân không hút từ bình

thăng hoa qua một lưới phân phối phía dưới đi vào

trong các ống Amoniac đưa vào trên mặt sàn và chứa

đầy không gian giữa các ống ở đây hỗn hợp hơi nước

– không khí được làm lạnh và hơi nước trong hỗn hợp

đó ngưng tụ lại bám vào các thành trong của ống, còn

không khí khô qua bơm chân không để thải vào khí

quyển Ngược lại, amoniac lỏng nhận nhiệt của hỗn

hợp hơi nước – không khí để bay hơi và qua bình tách

lỏng về máy nén của máy lạnh

Hình 1.5 Cấu tạo bình ngưng đóng băng

1.4 Các hãng có thiết bị tương ứng (nếu có)

Máy sấy thăng hoa 120kg/mẻ NPT-LY10 Công ty TNHH Nhất Phú Thái:

Hình 1.6 Máy sấy thăng hoa công ty Nhất Phú Thái

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật Máy sấy thăng hoa 120kg/mẻ

-Máy sấy sầu riêng trái cây đông khô chân không

Hình 1.7 Máy sấy sầu riêng, trái cây đông khô chân khôngMáy sấy chân không là máy sấy tiên tiến công nghệ cao, nó làm cho nước trongvật liệu đông lạnh bằng nhiệt độ thấp, sau đó theo các điều kiện chân không, nódùng bức xạ nhiệt để thăng hoa băng đá sang khí gas trực tiếp Sau khi ẩm đã đi ra,

nó dùng bẫy lạnh và thiết bị chân không hút hết ẩm Đây là một sự kết hợp áp dụngcông nghệ dựa trên đa ngành phát triển, gồm điện lạnh, sưởi ấm, hút chân không,điện, Có ứng dụng rộng rãi như sản phẩm hóa chất, sinh học, sản phẩm y tế, cácloại thảo mộc, các sản phẩm nông nghiệp (rau, trái cây, thực phẩm biển, )

1.5 Ứng dụng trong chế biến thực phẩm

Sấy thăng hoa được áp dụng rộng rãi trong thực phẩm:

- Sấy khô rau, nấm, cà rốt, ngô ngọt, rau chân vịt, rau cần, hạt đậu Hà Lan,cải bắp, nấm hương, ớt đỏ, hành, tỏi tây, mộc nhĩ, rau mùi, măng tây,

- Thịt bò, thịt lợn lát, thịt gà, thịt vịt

- Tôm sú, cá mực, cá con, cua

- Sữa ong chúa, bột hoa, cao xương cá, tinh dầu tỏi, dầu linh chi, dầu nấmhương

- Dâu tây, chuối, dứa, kiwi,

1.6 Các tài liệu tham khảo và website

[1] Sách “Kỹ thuật sấy” của tác giả Trần Văn Phú, Nhà xuất bản Giáo dục ViệtNam

[2] Thư viện điện tử Wikipidia

https://translate.google.com.vn/translate?hl=vi&sl=en&u=https://en.wikipedia.org/wiki/Freeze-drying&prev=search

[3] Bài báo khoa học của thầy Nguyễn Tấn Dũng, Khoa CNHH&TP, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật TpHCM

http://saythanghoa.asia/

http://saythanghoa.asia/san-pham-say

huong-den-qua-trinh-say-thang-hoa

http://saythanghoa.asia/co-so-khoa-hoc/37-co-so-khoa-hoc/1773-cap-nhiet-anh-http://saythanghoa.asia/co-so-khoa-hoc

PHẦN 2 TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ

2.1 Các thông số ban đầu và lựa chọn tiêu chuẩn

Trong quá trình tính toàn và thiết kế hệ thống sấy, phần tính toán nhiệt cho quátrình sấy là một phần rất quan trọng trong quá trình thiết kế Sau khi tính toán nhiệtchúng ta mới tính toán và chọn các thiết bị cần thiết cho hệ thống sấy như máy lạnh,bơm chân không, tính kích thước bình thăng hoa, bình ngưng tụ ẩm và các thiết bịkhác…

Các thông số ban đầu của vật liệu sấy ( rau):

- Độ ẩm tương đối của các loại rau khoảng 85% ÷ 95% Ở đây ta chọn “raumùi” có độ ẩm tương đối là ω1 = 89% Độ ẩm tương đối của rau sau khisấy phải đạt từ 5% đến 7% mới bảo quản được lâu, ở đây ta sấy đến độ ẩmtương đối của rau là ω2 = 5%

Độ ẩm tuyệt đối của rau trước quá trình sấy là: ωk1 = 89%

Độ ẩm tuyệt đối của rau sau quá trình sấy là: ωk2 = 5,26%

- Thời gian sấy là một yếu tố hết sức quan trọng, tùy vào từng loại sản phẩm

mà thời gian sấy sẽ khác nhau Do vậy khi sấy sản phẩm khác nhau cần ướclượng thời gian sấy để đảm bảo chất lượng đạt yêu cầu, sau đó đặt thời giansấy cố định cho từng loại sản phẩm cụ thể Đối với các loại rau và củ tháimỏng thời gian sấy từ 4 ÷ 7 h Ở đây ta đặt thời gian sấy cho rau mùi là 4 h

Thời gian sấy: τ = 4 (h)

- Khối lượng vật liệu đi vào hệ thống trong một mẻ G1 = 4000 (kg/ mẻ)

- Thời gian và khối lượng ẩm cần bốc trong từng giai đoạn:

+ Quá trình làm lạnh:

Thời gian trong giai đoạn làm lạnh là: τ1 = 0,5 (h)

Phần trăm khối lượng ẩm cần bốc hơi trong quá trình làm lạnh là 15%

+ Quá trình thăng hoa:

Thời gian trong giai đoạn thăng hoa là: τ2 = 2,5 (h)

Phần trăm khối lượng ẩm cần bốc hơi trong quá trình thăng hoa là 65%

+ Quá trình thải ẩm dư:

Thời gian trong giai đoạn thải ẩm dư là: τ3 = 1 (h)

Phần trăm khối lượng ẩm cần bốc hơi trong quá trình thải ẩm dư là 20%

- Nhiệt độ thăng hoa là tth = - 100C

- Nhiệt độ môi trường là tmt = 200C

2.1.1 Tính toán lượng ẩm cần thiết cho từng giai đoạn sấy

- Khối lượng ẩm cần bốc hơi cho cả quá trình sấy:

Theo công thức (7-7) sách tính toán và thiết kế hệ thống sấy [1]

Ga = G1

ω k 1−ω k 2

1+ω k 1

Trong đó:

Ga: là khối lượng ẩm cần bốc hơi trong cả quá trình sấy

ωk1: là độ ẩm tuyệt đối của vật liệu trước quá trình sấy

ωk2: là độ ẩm tuyệt đối của vật liệu sau khi sấy

G1: khối lượng vật liệu sấy vào hệ thống trong một mẻ

Thay các giá trị vào ta được:

Ga = 4000 8,09−0,05261+8,09 = 3536,8 (kg)

- Tính toán lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn làm lạnh trong một giờ:

Ta có công thức sau: W1 = G τ a 1

1 (kg/h)Trong đó: W1 là lượng ẩm cần bốc hơi trong giai đoạn làm lạnh trong một giờ

Ga1 là lượng ẩm cần bốc hơi trong giai đoạn làm lạnh

Ga1 = Ga 15% = 3536,810015 = 530,52 (kg)Thay số vào ta được: W1 = 530,520,5 = 1061,04 (kg/h)

- Tính toán lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn thăng hoa trong một giờ

Tương tự như trên ta có:

Ga2 = 3536,810065 = 2298,92 (kg)

W2 = 2298,922,5 = 919,568 (kg)

- Tính toán lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn bốc hơi ẩm dư trong một giờ

Tương tự như trên ta có:

Ga3 = 3536,810020 = 707,36 (kg)

W3 = 707,361 = 707,36 (kg)

2.1.2 Tính toán lượng nhiệt cho quá trình sấy

2.1.2.1 Tính toán nhiệt bình thăng hoa

Khác với các thiết bị sấy khác, trong bình thăng hoa không có tổn thất nhiệt do:

- Thiết bị truyền tải, nên Qct = 0 (kJ)

- Tổn thất ra môi trường, nên Qmt = 0 (kJ)

- Tổn thất do tác nhân sấy mang đi Qtns = 0 (kJ)

Như vậy nhiệt lượng tiêu hao trong hệ thống sấy thăng hoa gồm:

- Nhiệt lượng cần làm lạnh vật liệu sấy từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độthăng hoa Q1

- Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình sấy thăng hoa Qth

- Nhiệt lượng cần thiết để bay hơi ẩm còn lại sau thăng hoa Qd

- Nhiệt lượng vật lý để đưa vật liệu sấy từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độthăng hoa là Q’

- Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình đông đặc Q’’

Từ đó ta thấy phương trình cân bằng nhiệt cho hệ thống sấy thăng hoa theo côngthức (15-1) [1]:

2.1.2.3 Nhiệt lượng cần thiết trong giai đoạn bay hơi ẩm dư

Ta có nhiệt lượng cần thiết trong giai đoạn bay hơi ẩm dư được tính như sau:

Qd = qbh τ3 (kJ)Với qbh là nhiệt lượng cần thiết để bay hơi ẩm dư trong một giờ

qbh = r W3 (kJ/h)Như chúng ta đã thấy ẩm còn lại trong giai đoạn này tồn tại dứi dạng lỏng dovậy nhiệt hóa hơi lấy r = 591 kcakl/kg = 2471,326 kJ/kg

qbh = 2471,326 707,36 = 1748117,159 (kJ/h)

Qd = 1748117,159 1 = 1748117,159 (kJ)

2.1.2.4 Tổng nhiệt lượng cần thiết cho cả quá trình sấy

Q = Qth + Qd = 5709340,233 + 1748117,159 =7457457,392 (kJ/h)Hay ta có:

q = G Q

a = 7457457,3923536,8 = 2108,5324 (kJ/kg ẩm)

2.1.3 Tính toán nhiệt tỏa ra ở bình ngưng đóng băng

Bình ngưng – đóng băng là thiết bị trao đổi nhiệt ở dạng chùm ống Phía ngoàiống là quá trình NH3 bay hơi và phía trong hỗn hợp nước – không khí không nhữngthực hiện quá trình ngưng mà còn cả quá trình đóng băng Do đó nhiệt lượng tỏa ratrong bình đóng băng là:

Theo công thức (15-9) [1]

Qn = Wb {( r + rđ) + Cpa( th – tb )} (kJ)Trong đó:

- Wb là lượng ẩm đóng băng, kg/h

- r và rđ tương ứng là nhiệt ẩm hóa hơi và nhiệt đông đặc của nước, kJ/kg

- Cpa là nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kg.K

- t và tb tương ứng là nhiệt độ hơi nước và nhiệt độ băng, 0C

Chọn các nhiệt độ như sau:

- Nhiệt độ bay hơi NH3: tbh = - 200C

- Nhiệt độ băng: tb = -160C

- Nhiệt độ môi trường: th = 200C

Theo bảng 3 nước và hơi bảo hòa [3]

- Nhiệt ẩm hóa hơi của nước: r = 2500 kJ/kg

- Nhiệt đông đặc của nước: rđ = 333,37 kJ/kg

- Lượng ẩm đóng băng: Wb = 1061,04 kg/h

Thay số vào ta được nhiệt lượng tỏa ra trong bình ngưng – đóng băng:

Qn = 1061,04 {(2500 + 333,37) + 1,842 (20 + 16)}

= 3076678,589 (kJ/h) Hay Qn = 854,6329414 (kW)

2.1.4 Tính toán và chọn máy lạnh cho hệ thống sấy

Đối với hệ thống sấy thăng hoa việc chọn máy lạnh có ý nghĩa rất quan trọng vìđối với hệ thống sấy thăng hoa thì máy lạnh là thiết bị lớn nhất

2.1.4.1 Chọn các thông số của chế độ làm việc

a Nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh

Môi chất lạnh trong hệ thống này ta chọn là NH3 với nhiệt độ bay hơi của môichất lạnh là t0 = -200C

b Nhiệt độ ngưng tụ ở bình ngưng

Nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường làm mát của thiết bị Đốivới thiết bị làm mát bằng nước thì ta có:

tk = tw2 + ∆tk

trong đó:

- tk là nhiệt độ ngưng tụ

- tw2 là nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng

- ∆tk hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu khoảng từ 30C đến 50C

Chọn nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng là 300C

Tk = 30 + 5 = 350C , với ∆tk = 50C

c Nhiệt độ quá lạnh t ql

Ngày nay do thiết bị quá lạnh làm cho máy thêm cồng kềnh, tiêu tốn vật tư tăng,giá thành tăng mà hiệu quả đem lại không cao nên các máy lạnh hầu như không còntrang bị thiết bị quá lạnh

TL: van thiết lưu

BH: thiết bị bay hơi

Nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh: