Sau q trình thiết kế tính tốn hệ thống sấy tơi đã chế tạo thành cơng mơ hình máy sấy hồng ngoại. Đây là một loại thiết bị tƣơng đối mới, phạm vi sử dụng rộng rãi, thích hợp cho việc sấy nhiều loại nơng sản thực phẩm đặc biệt là các sản phẩm có giá trị dinh dƣỡng cao.
Hình 4.4. Một số hình ảnh của hệ thống sấy hồng ngoại 4.6. Tự động điều khiển hệ thống sấy 4.6. Tự động điều khiển hệ thống sấy
Các linh kiện điện và điện tử sử dụng cho việc chế tạo hệ thống điều khiển của máy sấy hồng ngoại bao gồm: CB, Relay trung gian, relay nhiệt độ, thermostat, cơng tắc xoay, dimor, bóng đèn hồng ngoại, motor xoay khay sấy.
Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển
Hình 4.5. Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống sấy hồng ngoại
Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển
Khi đóng CB thì rơ le nhiệt độ của vật liệu sấy, tác nhân sấy, bức xạ, ẩm kế bắt đầu hoạt động, các tiếp điểm của rơ le nhiệt độ bức xạ đồng thời đèn báo sáng.
Để giảm cƣờng độ bức xạ tồn bộ 20 bóng đèn hồng ngoại, các đèn này hoặc nối trực tiếp với nguồn điện hoặc nối thông qua R1 để giảm mức 1 hoặc nối thông qua 2R1 để giảm mức 2. Mô tơ quay giảm tốc độ khi nối với R2 và giảm tiếp mức 2 khi nối với 2R2. Khi nhiệt độ buồng sấy lớn hơn nhiệt độ t1 (mức nhiệt độ cài đặt) Th1 tác động chuyển mạch giảm cƣờng độ bức xạ từ mức tối đa xuống mức 1 đồng thời kích hoạt Th2. Th2 sẽ điều khiển nhiệt độ buồng sấy ở mức cài đặt t2 nếu nhiệt độ buồng sấy lớn hơn t2 thì Th2 chuyển mạch, toàn bộ đèn sẽ nối với 2R1 làm giảm cƣờng độ bức xạ, mô tơ nối với 2R2 sẽ chuyển về tốc độ thấp nhất. khi nhiệt độ buồng sấy giảm đến mức dƣới Th1 sẽ đóng mạch và cƣờng độ bức xạ tăng mức tối đa và mô tơ quay với tốc độ lớn nhất. Cách điều chỉnh này tuy nhảy cấp nhƣng cấp nhảy ở một mức độ yêu cầu vừa đủ vẫn có khả năng điều chỉnh nhiệt độ buồng sấy ổn định và tốc độ quay của khay sấy ổn định theo mức độ cƣờng độ bức xạ của đèn hồng ngoại.
4.7. Tính kiểm tra chất lƣợng hệ thống sấy 4.7.1. Phía vật liệu sấy (mít) 4.7.1. Phía vật liệu sấy (mít)
Tiến hành đo kích thƣớc và khối lƣợng các múi mít Thái đã tách hạt, kết quả nhƣ sau:
Bảng 4.11. Số liệu thực tế của mít về kích thƣớc và khối lƣợng sau khi tách hạt Số múi Khối lƣợng (g) Chiều dài (cm) đƣờng kính 1 (cm) đƣờng kính 2 (cm) 5 137,48825 31 22 12,5 Hình 4.6. Trọng lƣợng và kích thƣớc thực tế của múi mít
Qua đó có thể xem một múi mít trung bình có kích thƣớc nhƣ hình nón cụt và khối lƣợng nhƣ sau:
- Đƣờng kính 1 trung bình: d1 = 2,5 cm - Đƣờng kính 2 trung bình: d2 = 4,4 cm - Chiều dài trung bình: l = 6,2 cm - Khối lƣợng trung bình: m = 27,5 g Diện tích bề mặt mỗi múi:
2 2 2 2 2 1 2 1 2 ( ) (2,5 4, 4) .2,5 .4, 4 . . . .6, 2 87,31 2 4 4 2 4 4 d d d d f l cm
Khối lƣợng vật liệu cần sấy: 10 kg
Tổng số múi mít cần thiết: n = 10000/27,5 = 363 múi
Tổng diện tích bề mặt các múi mít: F = n.f = 363.87,31/10000 = 3,169 m2 Các thơng số tính tốn:
- Nhiệt độ vật liệu ban đầu: 1 = 25C
- Nhiệt độ vật liệu cần duy trì trong quá trình sấy: 2 = 63,43C - Hằng số Stefan-Boltzmann: = 5,67.10-8
W/(m2K4) - Hệ số hấp thụ của vật liệu: = 0,85
- Thời gian sấy: 7,13 h
Nhiệt lƣợng cần cung cấp để duy trì nhiệt độ vật liệu trong quá trình sấy:
8 4 4 4 4 2 1 0,85.5, 67.10 .3,169. (63, 43 273) (25 273) .7,13.3600 . . .( ). 1000 19309 kJ VL Q F
Nhƣ vậy: QVL < Q1 + Q2 + Q3 nên đảm bảo cung cấp đủ nhiệt cho vật liệu sấy trong quá trình sấy.
Tổng tổn thất trong q trình sấy theo tính tốn ở mục 3 và 4: Q4 + Q5 =19275 kJ Tổng nhiệt lƣợng cần thiết cho quá trình sấy: Q’ = 19309 + 19275 = 38584 kJ
Trong phần thiết kế, tổng nhiệt lƣợng mà các bóng đèn cung cấp (Q = 40679,2 kJ) lớn hơn Q’ nên đảm bảo cung cấp đủ nhiệt lƣợng cho quá trình sấy.
4.7.2. Về phía nguồn phát hồng ngoại (bóng đèn)
Tổng số bóng lắp đặt: 20 bóng
Thơng số bóng đèn hồng ngoại Philip nhƣ sau: - Mã bóng đèn: R95-E
- Cơng suất điện: 100W
- Hiệu suất nhiệt: 92 % (trong phần thiết kế chọn d = 88%) - Nhiệt độ phát tại tâm: 2500 K
- Bƣớc sóng: 0,78-1,4 mm - Đƣờng kính bầu bóng: 95 mm - Chiều dài tối đa: 130 mm
- Khối lƣợng: 53,5 g
Tổng công suất điện: P = 20.100 = 2000 W Tổng lƣợng nhiệt phát ra trong quá trình sấy:
. . 0,88.2000.7,13.3600
45175, 68 1000 1000
d P
Q kJ
Nhận xét: Tổng nhiệt lƣợng do các bóng đèn phát ra lớn hơn so với tổng nhiệt lƣợng cần thiết (do cần bố trí thêm các bóng để đảm bảo mật độ dịng nhiệt phân bố đều) nên trong q trình sấy cần xem xét điều chỉnh cơng suất của các bóng đèn.
Mật độ dịng nhiệt: 6400 W/m2
Tổng diện tích chứa vật liệu của 4 khay: 1,13 m2 Thời gian để nhiệt độ vật liệu đạt 63,43C:
0
45175, 68
0, 243 14,59 phút 6, 4.1,13.7,13.3600 h
4.8. Mô phỏng và thảo luận
4.8.1. Mô phỏng các hàm mục tiêu cần nghiên cứu trên đồ thị 3D và 2D
Mơ phỏng các mơ hình tốn với x2 =0,127 hay Z2 = 7.13h mô tả về chi phí năng lƣợng cho 1kg sản phẩm mít sấy y1 (kWh/kg); độ ẩm của sản phẩm mít sau khi sấy là y2 (%); độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate là y3 (%) trong hệ trục tọa độ 3D và 2D (x1 = -2, -1, 0, 1, 2). Kết quả đƣợc trình bày ở hình 4.7, 4.8, 4.9, 4.10, 4.11 và 4.12
Hình 4.9.Quan hệ giữa y2 và x1, x3 trong 3D Hình 4.10.Đồ thị so sánh kết quả TN và PTHQ của y2
Hình 4.11. Quan hệ giữa y3 và x1, x3 trong 3D Hình 4.12. Đồ thị so sánh kết quả TN và PTHQ của y3
Qua đồ thị 3D và 2D đã cho thấy, sự biến đổi chi phí năng lƣợng cho 1kg sản phẩm mít sấy y1(kWh/kg); độ ẩm của sản phẩm mít sau khi sấy là y2 (%); độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate là y3(%) theo nhiệt độ môi trƣờng sấy, thời gian và cƣờng độ bức xạ hồng ngoại theo quy luật phi tuyến khá phức tạp, nếu tiến hành sấy khơng đúng chế độ tối ƣu thì độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate lớn, chất lƣợng sản phẩm sau khi sấy giảm, khơng cịn giá trị về mặt dinh dƣỡng. Bên cạnh đó độ ẩm sản phẩm cũng không đạt yêu cầu nhƣ mong muốn.
Theo [15], [16] và theo ý kiến các chuyên gia thì độ ẩm sản phẩm mít sau khi sấy bằng bức xạ hồng ngoại theo yêu cầu bảo quản phải dƣới 10,0%. Đây là độ ẩm giới hạn điều kiện sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật. Nếu độ ẩm trên 10,0% thì hoạt độ của nƣớc trong sản phẩm mít sấy đủ để cho vi sinh vật sinh trƣởng và phát triển làm hƣ sản phẩm trong quá trình bảo quản. Nếu độ ẩm dƣới 10,0% thì hoạt độ của nƣớc trong sản phẩm mít sấy khơng đủ điều kiện để cho vi sinh vật sinh trƣởng và phát triển. Nhƣ vậy, sản phẩm mít sấy kéo dài thời gian bảo quản.
sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại
Tiến hành sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại tại nghiệm tối ƣu của bài toán (3.5), với nhiệt độ môi trƣờng sấy là Z1opt = 63,430C; thời gian quá trình sấy là Z2opt = 7,13h; cƣờng độ bức xạ riêng là Z3opt = 6,40kW/m2. Sản phẩm sau khi đem đi phân tích xác định chi phí năng lƣợng cho 1kg sản phẩm mít sấy y1Ex= 3,43kWh/kg; độ ẩm của sản phẩm mít sau khi sấy là y2Ex= 5,12%; độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate là y3Ex = 6,27 %.
Khi giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu đã tìm đƣợc: x1opt = x1S = 0,686 (Z1opt = 63,430C); x2opt =x1S = 0,127 (Z2opt = 7,13h); x3opt = x3S =1,396 (Z3opt = 6,40kW/m2), tƣơng ứng có chi phí năng lƣợng cho 1kg sản phẩm mít sấy y1pS = 3,46 kWh/kg; độ ẩm của sản phẩm mít sau khi sấy là y2pS
= 5,13%; độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate là y3pS = 7,72%. Trong khi đó thực nghiệm tiến hành sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại tại các thông số công nghệ tối ƣu (Z1opt, Z2opt, Z3opt) cũng đã xác định đƣợc: chi phí năng lƣợng cho 1kg sản phẩm mít sấy bằng bức xạ hồng ngoại y1Ex= f1(x1opt, x2opt, x3opt) =3,43kWh/kg, độ ẩm của sản phẩm mít sau khi sấy là y2Ex= f2(x1opt, x2opt, x3opt) = 5,12%; độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate là y3Ex= f3(x1opt, x2opt, x3opt) = 6,27%. Lý giải về độ tổn thất carbohydrat nhƣ sau:
Trong mít tƣơi, hàm lƣợng Carbohydrate chiếm 25,2% tức là cứ 100g mít tƣơi thì có 25,2g Carbohydrate. Nếu sấy 100g mít tƣơi thì sẽ thu đƣợc sản phẩm là:
16 , 29 13 , 5 100 34 , 72 100 100 100 100 2 1 1 2 W W G G g
Theo kết quả kiểm định của Trung tâm sắc ký Hải Đăng là phần trăm carbohydrat là 81% (xem phụ lục). Tức là trong 29,16g mít sẽ chứa: 29,16 x 0,81 = 23,16g Carbohydrat. Vậy lƣợng Carbohyrate bị mất đi trong quá trình sấy là: 25,2 – 23,16 = 1,58g tức là giảm 6,27%. Kết quả này phù hợp với bài toán tối ƣu.
Rõ ràng kết quả đã cho thấy, các thông số cơng nghệ sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại tối ƣu ảnh hƣởng đến chi phí năng lƣợng, độ ẩm và độ tổn thất carbohydrate của sản phẩm mít sấy hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm. Vì thế, kết quả này có thể
triển khai ứng dụng trong bảo quản mít phục vụ cho tiêu dùng và xuất khẩu.
Nguyên nhân tổn thất về hàm lƣợng carbohydrate là do khi sấy dƣới tác dụng của nhiệt độ, tiếp xúc với khơng khí trong mơi trƣờng sấy trong suốt cả quá trình thời gian sấy sẽ xảy ra sự biến đổi các thành phần carbohydrate. Bên cạnh đó, khi nƣớc bay hơi sẽ làm biến đổi cấu trúc, biến đổi tính chất hóa lý, thành phần hóa học của sản phẩm mít sấy, cuối cùng tất cả đều dẫn đến hàm lƣợng của chúng bị hao hụt sau khi sấy.
Với chi phí năng lƣợng, độ ẩm và độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate của sản phẩm mít sấy bằng bức xạ hồng ngoại là hoàn toàn phù hợp với yêu cầu công nghệ sấy hồng ngoại. Nhƣ vậy, các thông số cơng nghệ đã tìm đƣợc từ việc giải bài tốn tối ƣu đa mục tiêu hồn tồn có thể triển khai ứng dụng trong bảo quản mít bằng phƣơng pháp sấy hồng ngoại. Đồng thời, các mơ hình tốn hồn tồn có thể ứng dụng để mơ tả chi phí năng lƣợng cho 1kg sản phẩm mít sấy, độ ẩm của sản phẩm mít sau khi sấy, độ tổn thất hàm lƣợng của sản phẩm mít sau khi sấy [1], [15], [16].
4.8.3. Xác định các thông số cơng nghệ tối ƣu ảnh hƣởng đến q trình bảo quản sản phẩm mít phục vụ cho tiêu dùng và xuất khẩu. sản phẩm mít phục vụ cho tiêu dùng và xuất khẩu.
Kết quả xây dựng mơ hình tốn về mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu nhƣ: chi phí năng lƣợng cho 1kg sản phẩm mít sau khi sấy y1(kWh/kg), độ ẩm sản phẩm mít sau khi sấy y2(%), độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate của sản phẩm mít sau khi sấy y3(%) với các yếu tố cơng nghệ ảnh hƣởng đến q trình sấy bằng bức xạ hồng ngoại nhƣ: nhiệt độ môi trƣờng sấy Z1(0C); thời gian của quá trình sấy Z2 (h) và cƣờng độ bức xạ riêng của bức xạ hồng ngoại Z3(kW/m2). Dựa trên các mối quan hệ đó đã xây dựng và giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu của quá trình sấy bằng bức xạ hồng ngoại. Kết quả, đã xác định các thông số công nghệ tối ƣu của quá trình sấy bằng bức xạ hồng ngoại nhƣ sau [1], [15], [16]:
Bảng 4.12. Các thơng số cơng nghệ q trình sấy bằng bức xạ hồng ngoại sản phẩm mít dùng trong bảo quản
Thông số công nghệ Ký hiệu và đơn vị tính Giá trị
Nhiệt độ mơi trƣờng sấy bức xạ Z1 (0C) 63,43
Thời gian của quá trình sấy bằng bức xạ hồng
ngoại Z2 (h) 7,13
Cƣờng độ bức xạ hồng ngoại tính trên một đơn vị
diện tích Z3 (kW/m
2
) 6,40
Chi phí năng lƣợng cho 1kg sản phẩm mít sấy khơ
bằng bức xạ hồng ngoại y1, (kWh/kg) 3,46
Độ ẩm của sản phẩm mít sau khi sấy khơ y2, (%) 5,13
Độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate của sản phẩm mít sau khi sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại
y3 (%) 6,27
So với kết quả thực nghiệm thì tất cả giá trị của các hàm mục tiêu đã thỏa mãn tất cả các yêu cầu mà công nghệ đã đặt ra.
Độ ẩm của sản phẩm 5,13 dƣới 6,0% với độ ẩm này nó đã đảm bảo khả năng bảo quản của sản phẩm mít sau khi sấy, đồng thời kéo dài thời tiêu thụ và xuất khẩu. Chi phí năng lƣợng 3,46 kWh/kg đạt tới mức thấp nhất, vì thế giá thành sản phẩm mít sau khi sấy cũng giảm, thuận lợi cho việc tiêu thụ sản phẩm.
Độ tổn thất carbohydrate 6,27% đạt tới mức thấp nhất, dƣới 10%. Vì vậy, sản phẩm có chất lƣợng rất tốt.
Qua quá trình làm thực nghiệm sản phẩm mít sấy đối lƣu ở chế độ tối ƣu, tƣơng ứng sẽ có chi phí năng lƣợng cho 1kg sản phẩm là 4,17kWh/kg, độ ẩm sản phẩm đạt 6,5%, độ tổn thất carbohydrate sau khi sấy đối lƣu là 19,8% (xem phụ lục 12). Kết quả đã cho thấy, sấy đối lƣu bằng khơng khí nóng thơng thƣờng, sản phẩm làm ra có chi phí năng lƣợng cao hơn sấy hồng ngoại, có nghĩa giá thành cao hơn, độ ẩm 6,5% chƣa thỏa mãn yêu cầu đặt ra, độ tổn thất carbohydrate lớn hơn nhiều so với sấy hồng
ngoại, chất lƣợng sản phẩm sau khi sấy giảm. Nhƣ vậy, so sánh giữa hai kết quả trên chúng ta có thể dễ dàng kết luận đƣợc rằng, sấy mít bằng phƣơng pháp sấy hồng ngoại tốt hơn nhiều so với sấy bằng phƣơng pháp đối lƣu. Sản phẩm cho chất lƣợng tốt hơn, khả năng bảo quản cũng tốt hơn và giá thành thấp hơn.
Theo nghiên cứu [15], [16] và các chuyên gia công nghệ thực phẩm, nếu sản phẩm sấy có độ ẩm dƣới 6,0% thì khả năng bảo quản của chúng tốt hơn, thời gian bảo quản dài hơn. Vì khi thực phẩm có độ ẩm dƣới 6,0% thì hoạt độ nƣớc trong sản phẩm giảm, môi trƣờng khô khan không đủ điều kiện để cho vi sinh vật sinh trƣởng và phát triển, lên men, thủy phân làm hƣ hỏng sản phẩm. Chính vì vậy, sản phẩm mít sau khi sấy dƣới 6,0% là bảo quản rất tốt, thời gian bảo quản có thể kéo dài.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu công nghệ sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại ứng dụng trong bảo quản tiêu dùng và xuất khẩu đã ra một số kết luận sau:
1. Phân tích thành phần hóa học cơ bản của sản phẩm mít (cơm mít), làm cơ sở cho việc đánh giá chất lƣợng sản phẩm trƣớc và sau quá trình sấy bằng bức xạ hồng ngoại.
2. Đã xây dựng đƣợc mơ hình tốn mơ tả khá tốt về mối quan hệ giữa chi phí năng lƣợng, độ ẩm, độ tổn thất hàm lƣợng carbohydrate của sản phẩm mít với các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sấy bằng bức xạ hồng ngoại.
3. Đã xây dựng bài toán tối ƣu đa mục tiêu mô tả cho q trình sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại. Giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu này đã xác định chế độ cơng nghệ sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại.
4. Đã xác định đƣợc các yếu tố công nghệ tối ƣu ảnh hƣởng đến quá trình sấy, đồng thời xây dựng đƣợc quy trình cơng nghệ sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại thỏa mãn yêu cầu bảo quản.
5. Đã chế tạo đƣợc hệ thống sấy bức xạ hồng ngoại sản phẩm mít.
6. Đã tiến hành làm thực nghiệm sau đó đem kết quả đi phân tích và so sánh