Với công suất nhiệt cần cho quá trình sấy: Qth = 0,17 kW Chọn công suất điện trở sấy Qs = 0,2 kW
Chọn điện trở dây công suất 200 W Công suất trên mỗi mét dây: qr = 25 W/m
36
CHƢƠNG 4: HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 4.1. Hệ thống thí nghiệm
Dựa vào kết quả tính toán lý thuyết với thông số nhƣ bảng 4.1 và sơ đồ nguyên lý mô hình máy sấy nhƣ bảng hình 4.1. Nhóm tác giả đã tiến hành xây dựng mô hình thực tế nhƣ hình 4.2.
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật các thiết bị trong hệ thống
STT THIẾT BỊ THÔNG SỐ GIÁ TRỊ
1 Buồng sấy Kích thƣớc 400 723 3mm
2 Thiết bị bay hơi Chiều dài ống đồng 40m
3 Máy nén Công suất 1HP
4 Thiết bị ngƣng tụ Diện tích trao đổi nhiệt 5,4m2 5 Van tiết lƣu Kích thƣớc đƣờng ống
kết nối 10 & 12 6 Van điện từ Kích thƣớc đƣờng ống kết nối 10 7 Van Chặn Kích thƣớc đƣờng ống kết nối 12 8 Phim lọc Kích thƣớc đƣờng ống kết nối 10 9 Mắt xem gas Kích thƣớc đƣờng ống kết nối 10 10 Bình chứa cao áp Kích thƣớc đƣờng ống kết nối 10 11 Bình tách lỏng Kích thƣớc đƣờng ống kết nối 12 12 Rơ le áp suất kép Kích thƣớc đƣờng ống kết nối 6 13 Đồng hồ đo áp suất cao và áp suất thấp Kích thƣớc đƣờng ống kết nối 6 14 Tủ điện Kích thƣớc 500×400×200mm 15 Khung lắp đặt thiết bị Kích thƣớc thép ống 25 25 2mm
37
* Nguyên lý hệ thống
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống thống sấy thăng hoa
1-Máy nén, 2-Dàn nóng, 3-Bình chứa cao áp, 4-Phin lọc, 5-Mắt xem gas, 6-Van điện từ, 7-Van tiết lưu, 8-Buồng sấy (dàn lạnh quấn ngoài), 9-Bình tách lỏng, 10-Relay áp
38
* Nguyên lí làm việc của hệ thống
Giai đoạn cấp đông: Hệ thống thuộc loại hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông (cấp đông trực tiếp trong buồng sấy). Do đó thực phẩm đƣợc đƣa trực tiếp vào buồng sấy để cấp đông, bơm chân không lúc này chƣa hoạt động, dàn nóng và máy nén hoạt động, van điện từ mở ra và van tiết lƣu hoạt động cấp môi chất cho dàn lạnh để làm lạnh thực phẩm. Khi buồng cấp đông đạt nhiệt độ (-250C), thực phẩm đƣợc cấp đông đúng với nhiệt độ yêu cầu thì chuyển sang giai đoạn sấy thăng hoa.
Giai đoạn sấy thăng hoa: Bơm chân không làm việc, rút không khí trong buồng ra ngoài. Sau khi áp suất trong buồng đạt mức yêu cầu (-1000mbar), điện trở bắt đầu làm việc gia nhiệt cho thực phẩm trong buồng sấy và duy trì nhiệt độ môi trƣờng sấy theo yêu cầu kỹ thuật(tb<00C). Cùng lúc đó, hệ thống cấp đông cũng hoạt động để làm đóng băng lƣợng ẩm thoát ra từ thực phẩm để tránh làm hỏng bơm chân không. Sau khi thăng hoa một thời gian(23h), áp suất riêng phần của ẩm trong vật liệu sấy tăng lên, ẩm lúc này dạng lỏng, quá trình thăng hoa kết thúc, chuyển sang quá trình sấy chân không.
Giai đoạn sấy còn lại: Quá trình sấy đƣợc tiến hành cho đến khi nhiệt độ buồng thăng hoa bằng nhiệt độ môi trƣờng (300C), độ ẩm đạt yêu cầu(10%) thì quá trình sấy thăng hoa kết thúc, điện trở, hệ thống lạnh và bơm chân không ngừng hoạt động.
39
Hình 4.2: Mô hình máy sấy thăng hoa
1 – Buồng sấy; 2 – Dàn lạnh; 3 – Đồng hồ đo áp suất; 4 – Rơ le áp suất; 5–Dàn ngưng; 6 – Van chặn ; 7– Van tiết lưu; 8 – Máy nén; 9 – Mắt xem gas; 10 – Van điện từ; 11 – Phin lọc; 12 – Bình chứa cao áp; 13 – Bình tách lỏng; 14 – Tủ điện; 15 – Bơm chân không;16 – Khung máy .
40
4.2. Thông số thực tế thiết bị
Từ hình 4.3 đến hình 4.13 mô tả thông số kỹ thuật của các thiết bị trong mô hình thí nghiệm.
Buồng sấy hình trụ tròn, có 1 mặt đáy đƣợc hàn kín vào trong thân buồng, mặt đáy còn lại là cánh cửa làm bằng inox 304 đƣợc gắn thêm một lớp mica hình trụ(dày 7mm, đƣờng kính mặt mica d = 200mm) để quan sát sự biến đổi của vật liệu sấy trong quá trình thí nghiệm. STT Thông số Giá trị 1 Chiều dài 723 mm 2 Đƣờng kính trong 400 mm 3 Thể tích buồng 0,122 m3 4 Độ dày vách buồng 3 mm
5 Độ dày bảo ôn 60 mm
6 Vật liệu Inox 304
41 Khay sấy dạng hình hộp chữ nhật khuyết một mặt phía trên, là nơi để để bố trí vật liệu sấy và cũng vị trí trung gian để cấp nhiệt cho vật liệu sấy trong quá trình thăng hoa. STT Thông số Giá trị 1 Chiều dài 600 mm 2 Chiều cao 40 mm 3 Rộng 260 mm 4 Độ dày 1 mm 5 Số khay 4 6 Vật liệu Inox 304
Hình 4.4: Thông số kỹ thuật khay chứa vật liệu sấy
Máy nén dùng cho hệ thống thí nghiệm là máy nén kín, một cấp dạng piston trƣợt.
STT Thông số Giá trị 1 Công suất 1 HP 2 Môi chất R404A 3 Điện Áp 220V/50Hz 4 Dòng điện định mức 4A
42 Thiết bị ngƣng tụ đƣợc chọn là thiết bị ngƣng tụ đối lƣu không khí cƣỡng bức.
STT Thông số Giá trị 1 Công suất 0,7 kW 2 Diện tích TĐN 9,8 m2 3 Kích thƣớc 400*500*150 mm 4 Công suất tiêu thụ quạt 70W 5 Đƣờng kính quạt 400mm 6 Điện áp quạt 220V/50Hz
Hình 4.6: Thông số kỹ thuật thiết bị ngưng tụ
Dàn lạnh đƣợc bố trí bằng phƣờng pháp quấn quanh buồng để tăng cƣờng khả năng trao đổi nhiệt và phân bố nhiệt đều cho cả buồng sấy.
STT Thông số Giá trị 1 Công suất 0,37 kW 2 Chiều dài ống 40 m 3 Đƣờng kính trong 10 mm Hình 4.7: Thông số kỹ thuật dàn lạnh
43 Bơm chân không chọn cho hệ thống thí nghiệm là bơm chân không vòng dầu, có van 1 chiều trên đƣờng hút. STT Thông số Giá trị 1 Năng suất hút 100 lít/phút 2 Áp hút tối đa 5 Pa 3 Điện áp làm việc 220V/50H z
Hình 4.8: Thông số kỹ thuật bơm chân không
Điện trở sấy dạng dây dẫn, nhiệt độ tối đa 600C, đƣợc bố trí đều trên tấm mica trong.
STT Thông số Giá trị 1 Tổng công suất 0,24 kW 2 Độ dài dây 8 m 3 Điện áp làm việc 220V/50Hz
44 Đƣờng ống hút, ống đẩy và ống lỏng Bảng 4.2: Thông số đường ống STT Thông số Giá trị 1 Đƣờng kính trong ống đẩy 12 mm 2 Đƣờng kính trong ống hút 10 mm 3 Đƣờng kính trong ống lỏng 8 mm
Van tiết lƣu nhiệt của hãng Danfoss dạng cân bằng ngoài, môi chất làm việc là R404A.
STT Thông số Giá trị
1 Họ van TES-2
2 Công suất lạnh
1HP 3 Kim van Kim số 0 4 Dải nhiệt
độ làm việc
-40 đến 400C
45 Bình tách lỏng chọn cho hệ thống thực nhiệm là bình tách lỏng dạng khô, làm nhiệm vụ tách lỏng ra khỏi hơi về đầu hút máy nén, đảo bảo an toàn cho máy nén.
STT Thông Số Giá trị 1 Công suất 1HP 2 Đƣờng kính ống hơi ra 12mm 3 Đƣờng kính ống lỏng và hơi vào 12mm Hình 4.11: Thông số kỹ thuật bình tách lỏng
Bình chứa cao áp chọn cho hệ thống thí nghiệm là bình chứa cao áp dạng đứng, nhiệm vụ đảm bảo cấp dịch lỏng ổn định cho van tiết lƣu.
STT Thông số Giá trị 1 Công suất 1HP 2 Đƣờng kính ống vào 10mm 3 Đƣờng kính ống ra 10mm
46 Van điện từ dùng cho hệ thống thí nghiệm là van điện từ dạng đóng nhờ trọng lực.
STT Thông số Giá trị 1 Điện áp làm việc 220V/50Hz 2 Đƣờng kính ống vào 10mm 3 Đƣờng kính ống ra 10mm
Hình 4.13: Thông số kỹ thuật van điện từ
4.3. Hệ thống điều khiển.
Mô hình thiết kế đảm bảo các nguyên lý điều khiển nhƣ:
Bảo vệ sự cố áp suất thấp và sự cố áp suất cao cho máy nén
Bảo vệ sự cố quá tải cho hệ thống hệ thống
Thứ tự hoạt động các thiết bị: Dàn ngƣng và van điện từ hoạt động đầu tiên , sau một khoảng thời gian (3 phút) máy nén bắt đầu hoạt động, sau khi quá trình cấp đông cho vật liệu sấy đạt yêu cầu, khi đó bơm chân không hoạt động. Sau một thời gian (30 phút), độ chân không trong buồng đạt yêu cầu, điện trở hoạt động.
Hệ thống vận hành ở chế độ tự động.
Từ yêu cầu điều khiển cho hệ thống sấy nhƣ trên, tiến hành thiết kế mạch điện điều khiển và mạch động lực nhƣ hình 4.15 và hình 4.16.
47
Hình 4.14: Mạch động lực
kWh: Công tơ điện; Comp: Máy nén; Cond: Quạt dàn ngƣng; Pump: Bơm chân không; Res: Điện trở
48 Hình 4. 15 : M ạch đ iề u khi ể n
49
*Vận hành hệ thống sấy
Hình 4. 16: Thể hiện sự bố trí các thiết bị điện bên ngoài tủ điện.
Tủ điện bao gồm: Đồng hồ đo cƣờng độ dòng điện, đồng hồ đo điện áp và 2 cảm biến nhiệt độ.
Comp – Đèn báo máy nén hoạt động; Vacuu – Đèn báo bơm chân không hoạt động Resis – Đèn báo điện trở hoạt động; Comp LP – Đèn báo sự cố áp suất thấp;
Comp HP – Đèn báo sự cố áp suất cao; Start – Nút nhấn khởi động hệ thống Stop – Nút nhấn dừng hệ thống; Emergency – Nút dừng khẩn cấp.
Hệ thống đƣợc thiết kế hoạt động ở chế độ tự động, do đó nếu muốn khởi động hệ thống sấy, nhấn vào nút “Start” trên tủ điện, hệ thống sẽ thực hiện quá trình sấy theo thời gian đã cài đặt. Trong trƣờng hợp muốn dừng hệ thống, nhấn nút “Stop”. Khi có sự cố sẩy ra, muốn dừng hệ thống và ngắt điện tất cả các thiết bị trong hệ thống, nhấn nút “Emergency”.
4.4. Nội dung và mục đích thí nghiệm.
Với mô hình máy sấy thăng hoa sau khi chế tạo, tiến hành thí nghiệm đối với sản phẩm chuối sứ với khối lƣợng ban đầu G1 = 1,5kg, độ ẩm ban đầu W1 = 70% và độ ẩm yêu cầu sau quá trình sấy W2 = 10%.
50 Nội dung thí nghiệm gồm 2 phần:
*Thí nghiệm 1: Xác định thời gian cấp đông cho sản phầm sấy
Theo nghiên cứu tài liệu và quan sát cảm quan bên ngoài vật liệu sấy, nhiệt độ của vật liệu sấy sau quá trình cấp đông để quá trình thăng hoa diễn ra thuận lợi là -180C. Tiến hành thí nghiệm cấp đông sản phẩm, quan sát cảm quan bên ngoài sản phẩm và quan sát nhiệt độ hiển thị trên đồng hồ đo sau đó xác định thời gian cấp đông phù hợp.
*Thí nghiệm 2: Xác định thời gian sấy cho sản phẩm sấy.
Do đặc thù mô hình không thể đo độ ẩm vật liệu trong suốt quá trình sấy cho nên không thể tiến hành thí nghiệm theo phƣơng pháp thông thƣờng mà chỉ có thể đo đƣợc độ ẩm của vật liệu trƣớc và sau quá trình sấy. Cho nên nhóm tiến hành thí nghiệm bằng phƣơng pháp thực hiện các mẻ sấy với thời gian khác nhau để xác định thời gian sấy phù hợp. Từ thời gian cấp đông đã xác định đƣợc trong phần thí nghệm 1, tiến hành thực hiện thí nghiệm theo thời gian trong bảng 4.17.
Bảng 4.3: Thời gian thực hiện các mẻ sấy
STT Tên gọi Thời gian sấy
1 Mẻ 15 20 giờ
2 Mẻ 17 22 giờ
3 Mẻ 19 24 giờ
4 Mẻ 21 26 giờ
5 Mẻ 23 28 giờ
*Thí nghiệm 3: Theo dõi các thông của số hệ thống trong quá trình sấy. Trong thời gian thực hiện quá trình sấy cần xác các thông số:
Nhiệt độ môi trƣờng (Tmt), độ ẩm môi trƣờng (RH), áp suất ngƣng tụ (Pk), nhiệt độ ngƣng tụ (Tk), áp suất bay hơi (Po), nhiệt đồ bay hơi (To), nhiệt độ không khí trong buồng (Tb), áp suất chân không trong buồng (Pck).
Từ các số liệu thu thập đƣợc sau quá trình thí nghiệm, tiến hành so sánh các thống số làm việc của hệ thống với các hệ thống sấy bên ngoài thị trƣờng để tối ƣu hệ thống.
Các thiết bị đo sử dụng trong quá trình thí nghiệm:
Đồng hồ đo áp suất cao và áp suất thấp: Hãng VAB, sai số ± 5%
Công tơ điện: Hãng GELEX, cấp chính xác class 2
Máy đo độ ẩm: Hãng Benetech, sai số ± 1%
51
Cảm biến nhiệt độ: Hãng Ewelly, sai số ± 10C
4.5. Quy trình sấy chuối
Quy trình sấy chuối đối với mô hình sấy thăng hoa vừa chế tạo đƣợc thực hiện theo sơ đồ hình 4.22.
Hình 4.17: Quy trình sấy chuối
Chuẩn bị vật liệu sấy: Vật liệu sấy là chuối sứ, có độ chín vừa phải để có thể thái thành lát mỏng.
Bóc vỏ, thái lát: Sau khi bóc vỏ chuối ra, thái chuối theo chiều ngang thành từng lát, mỗi lát có bề dày 4mm
52
Tiến hành sấy: Quá trình sấy bao gồm: xếp chuối vào khay sau đƣa khay vào buồng sấy và bố trí cảm biến nhiệt độ. Đóng kín của buồng sấy và nhấn nút khởi động hệ thống sấy.
Phân loại sản phẩm sấy: Sau quá trình sấy, dùng cảm biến nhiệt độ do độ ẩm chuối sau khi sấy sau đó loại bỏ những sản phẩm không đạt độ ẩm yêu cầu.
Đóng gói: Những sản phẩm đạt yêu cầu về độ ẩm sẽ đƣợc đƣa vào túi, hút chân không, đóng kín và bảo quản.
53
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 5.1. Kết quả thí nghiệm và nhận xét
Dƣới đây là hình ảnh vật liệu sấy trƣớc và sau quá trình thí nghiệm thực hiện tại xƣởng nhiệt – điện lạnh của khoa cơ khí động lực. Thời gian thực hiện các mẻ sấy lần lƣợt là 15 giờ, 17 giờ, 19 giờ, 21 giờ và 23 giờ.
* Vật liệu trƣớc khi sấy
Hình 5.1: Vật liệu trước quá trình thí nghiệm
* Thành phẩm sau khi sấy
54
Hình 5.3: Thành phẩm sau quá trình thí nghiệm mẻ sấy 17h
55
Hình 5.5: Thành phẩm sau quá trình thí nghiệm mẻ sấy 21h
56 Sau quá trình thí nghiệm, xác định đƣợc thời gian cấp đông phù hợp cho sản phẩm sấy chuối sứ là 5h.
Tiến hành thí nghiệm 5 mẻ sấy:
Đối với mẻ sấy 15h và cấp đông 5h, bắt đầu từ 7h ngày 09/07/2019 đến 3h ngày 10/07/2019.
Đối với mẻ sấy 17h và đông 5h, bắt đầu từ 20h30 ngày 18/07/2019 đến 18h30 ngày 19/07/2019.
Đối với mẻ sấy 19h và cấp đông 5h, bắt đầu từ 7h30 ngày 10/07/2019 đến 7h30 ngày 11/07/2019.
Đối với mẻ sấy 21h và cấp đông 5h, bắt đầu từ 14h15 ngày 19/07/2019 đến 16h15 ngày 20/07/2019.
Đối với mẻ sấy 23h và cấp đông 5h, bắt đầu từ 13h ngày 11/07/2019 đến 17h ngày 12/07/2019.
Thu đƣợc các số liệu tƣơng quan thể hiện thông qua các đồ thị bên dƣới.
*Tƣơng quan giữa thời gian sấy với độ ẩm cuối quá trình sấy và điện năng tiêu thụ
Hình 5.7: Đồ thị thể hiện tương quan giữa thời gian sấy với độ ẩm cuối quá trình và điện năng tiêu thụ
57 W1 – Độ ẩm vật liệu trƣớc khi sấy (%)
W2 – Độ ẩm vật liệu sau khi sấy (%)
E – Tiêu thụ điện năng cho toàn bộ quá trình (kWh)
Nhận xét: Độ ẩm ban đầu W1 của vật liệu sấy trong 5 mẻ đều ở mức 70%, độ ẩm của vật liệu sau quá trình sấy W2 ở các mẻ 15h, 17h, 19h, 21h, 23h lần lƣợt giảm còn 30%, 24%, 16%, 12% và 8,7%. Điện năng tiêu thụ E qua mỗi mẻ cũng tăng dần, cụ thể: các mẻ sấy 15h, 17h, 19h, 21h và 23h tƣơng ứng mức điện năng tiêu thụ là 15,7kWh, 17,5kWh, 19,2kW, 21,4kWh và 23,8kWh. Qua 5 mẻ sấy với thời gian cấp đông cố định 5 giờ và thời gian sấy tăng dần cho thấy: Thời gian sấy thích hợp nhất là 23 giờ. Độ ẩm lúc này đạt mức yêu cầu (W2 = 10%).