CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.2. NGHIÊN CỨU SƠ CHẾ RONG NHO TIỀN BẢO QUẢN
3.2.3. Nghiên cứu thiết kế thiết bị dùng cho nuôi phục hồi rong nho ở quy mô pilot
* Phân tích đánh giá giải pháp kỹ thuật
- Rong nho có đặc tính cấu trúc mềm, dễ bị tổn thương cơ học do vậy ứng dụng nguyên lý động cơ học là không phù hợp.
- Rong nho có 2 đặc điểm khác biệt so với rau quả khác: (i) thời gian sơ chế kéo dài (gần 3 ngày). (ii) Trong thời gian nuôi lại rong tiếp tục sinh trưởng để lành vết thương do đó rong cần được cung cấp các chất dinh dưỡng có sẵn trong nước biển tự nhiên. Do vậy hệ thống thiết bị sơ chế xử lý rong nho được đề xuất như sau:
* Đề xuất nguyên tắc hoạt động của hệ thống thiết bị nuôi phục hồi rong nho - Hệ thống hoạt động theo nguyên tắc bể làm việc tĩnh với quá trình động bằng sự lưu chuyển của dòng nước tuần hoàn kèm theo quá trình sục khí. Kết cấu bể kiểu tiết diện ngang là hình chữ nhật, đáy cung tròn không có gờ cạnh để đảm bảo cho các
“tiểu cầu hay phần nho” không bị rụng gẫy trong quá trình nuôi phục hồi.
- Tận dụng dòng lưu chuyển của bơm tuần hoàn để lắp nối tiếp các thiết bị lọc nhằm thu hồi các tạp chất nảy sinh trong quá trình nuôi lại.
- Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp bằng ống xoắn kiểu đứng và tổ hợp thiết bị lạnh, nối tiếp trên đường tuần hoàn nước để kiểm soát nhiệt độ nguồn nước nuôi theo yêu cầu công nghệ.
- Sử dụng bộ gia nhiệt bằng điện gắn kết hợp với bộ trao đổi nhiệt lạnh, trong trường hợp nhiệt độ môi trường thấp hơn nhiệt độ yêu cầu, có thể chuyển đổi chế độ 2 chiều nóng - lạnh.
- Kết cấu tổ hợp máy nén khí chia làm 3 cấp có thể điều khiển năng suất ở 3 mức cấp khí 1/3, 2/3 và 3/3 tùy theo mức oxy hòa tan cần thiết và khối lượng rong nho tại mỗi thời điểm.
- Sử dụng hệ thống chiếu sáng đèn led để cung cấp ánh sáng cho môi trường nuôi khi ánh sáng bị thiếu.
- Nồng độ muối được kiểm soát nhờ sensor cảm biến và hiển thị, có thể điều chỉnh thủ công để đạt được nồng độ yêu cầu.
Thông số kỹ thuật chính của thiết bị:
+ Nhiệt độ : +200C ÷ + 320C.
+ Nồng độ muối : 0 ÷ 10%.
+ Nồng độ khí oxy hòa tan: 0 ÷ 20mg/lít.
3.2.3.2. Xác định một số kích thước cơ bản của hệ thống thiết bị nuôi phục hồi rong nho, năng suất 1000kg nguyên liệu/mẻ
* Kích thước buồng làm việc của thiết bị:
- Tính toán thể tích buồng nuôi phục hồi của thiết bị tính theo công thức:
(3.3)
Trong đó: hệ số η được xác định thực nghiệm kết hợp kinh nghiệm thực tế sản xuất đối với quá trình xử lý nguyên liệu rong nho phục vụ chế biến với η = 207 kg/m3.
- Thể tích thực của thiết bị: VTT = 1,1.V = 5,3 m3 (3.4)
Lựa chọn kiểu kết cấu buồng làm việc của thiết bị có tiết diện mặt chiếu bằng dạng hình chữ nhật (5920mm x 1000mm). Kết cấu đáy dạng cuốn cong có bán kính (R
= 950mm). Từ các số liệu tính toán và lựa chọn trên có thể xác định được diện tích tiết diện ngang của buồng nuôi:
(3.5)
Từ diện tích cơ sở của tiết diện mặt cắt ngang B với kết cấu đã lựa chọn trên ta có thể tính toán, lựa chọn các kích thước cơ bản của bể nuôi và kiểm tra lại diện tích tiết diện ngang như sau:
+ Chiều rộng mặt cắt ngang: 1000 mm (đã chọn ở trên);
+ Để đảm bảo thuận tiện trong quá trình thao tác nạp, vớt nguyên liệu, Luận án chọn chiều cao của mặt cắt ngang (phần hình chữ nhật) là: 750 mm, độ cao của mặt cong H = 200 mm;
+ Với các kích thước đã lựa chọn Luận án tính được diện tích của mặt cắt ngang (phần hình chữ nhật): SCN=1.0,75= 0,75m2
+ Diện tích của phần đáy cong được tính như sau:
t q
c S S
S (3.6)
- Trong đó: Sc - là diện tích phần đáy cong; Sq - diện tích hình dải quạt; St - diện tích hình tam giác.
Ta có: 2
2 2
5274 , 0 67 360 .
95 , 0 . 14 , 67 3 360 .
.R m
Sq
375 2
, 2 0
75 , 0 .
1 m
St
Thay các số đã tính toán vào công thức (3.6) ta được:
Sc=0,5274-0,375=0,1524m2 (3.7) Diện tích thực của tiết diện mặt cắt ngang là Bt ta thấy:
Bt=SCN+Sc=0,75+0,1524=0,9024 m2 (3.8)
So sánh (3.8) và (3.5) ta thấy Bt > B vậy kích thước bể đã lựa chọn, tính toán là phù hợp với yêu cầu đặt ra. Biên dạng và kích thước của bể được thể hiện cụ thể trên hình 3.17
Hình 3.17. Tiết diện mặt cắt ngang của buồng thiết bị nuôi phục hồi rong nho ở quy mô pilot
1000
1080
750
1070
950
200
200 R950
67
* Kết cấu và kích thước khung chịu lực cho buồng nuôi của thiết bị nuôi phục hồi rong nho ở quy mô pilot
Hình 3.18. Kích thước cơ bản khung chịu lực buồng nuôi của thiết bị nuôi phục hồi rong nho
Khung đỡ có chiều dài 6000 mm, rộng 1080 mm. Cấu tạo của khung gồm các thanh dọc, ngang, đứng và các thanh giằng. Tất cả các thanh được chế tạo bằng thép hộp 80x40x1,5, vật liệu Inox SU304. Để đảm bảo độ cứng, vững của thiết bị Luận án bố trí 7 chân đứng dọc theo chiều dài của bể.
Đáy bể được đỡ bằng các tấm đỡ cắt theo bán kính cong của đáy bể nên đảm bảo liên kết chắc chắn, hình thức đẹp.
Ở mỗi khoang của bể có hàn các khung viền bằng Inox SU304 để giữ panel bảo ôn ở hai bên cạnh vừa đảm bảo kỹ thuật và mỹ thuật.
Các chi tiết được liên kết với nhau bằng phương pháp hàn, sử dụng phương pháp hàn TIG nhằm đảm bảo mối hàn đẹp và bền.
* Kết cấu và kích thước khung giá đỡ phần thiết bị động lực:
Hình 3.19. Kích thước cơ bản của khung giá đỡ thiết bị động lực
6000
1150 750
960 1000 1000 1000 1000 960
530
430
400
600
900
1500 1690
1500
110 400
400
430
1240 400
Khung có chiều dài 1690 mm, rộng 900 mm, cao 1500 mm. Cấu tạo của khung gồm các thanh dọc, ngang, đứng và các thanh giằng. Tất cả các thanh được chế tạo bằng thép hộp 50x50x1,5, vật liệu inox SU304. Các chi tiết được liên kết với nhau bằng phương pháp hàn, sử dụng phương pháp hàn TIG nhằm đảm bảo mối hàn đẹp và bền.
3.2.3.3. Lựa chọn vật liệu chế tạo và các thiết bị phụ trợ
- Trong trường hợp cụ thể của thiết bị sơ chế, nuôi lại rong nho, tác nhân có nguy cơ tác động đến ăn mòn là nước muối có nồng độ khoảng 30- 35‰. Để đảm bảo độ bền cho thiết bị trong quá trình làm việc Luận án lựa chọn:
1) Phần bể chứa của buồng nuôi tiếp xúc trực tiếp với nước muối bằng vật liệu inox SU304, dày 3 mm;
2) Các đường ống tuần hoàn nước mặn và cấp khí sục bằng vật liệu inox SU304, dày 2,5 mm;
3) Vật liệu khung chịu lực đỡ buồng nuôi dạng inox hộp inox SU304 dày 1,5 mm;
4) Vật liệu cách nhiệt dạng Panel độ dày 40mm, bề mặt ngoài bằng tôn kẽm sơn tĩnh điện.
Dựa trên tính toán thiết kế Luận án chọn cụm thiết bị làm lạnh sử dụng tác nhân lạnh R22 của Hãng Maneurop - Đanfoss với chế độ làm việc (tbh = 50C, tn= 350C) tương ứng máy nén được lựa chọn loại MT28 có công suất lạnh P.F = 8,64 kW (tính toán chọn năng suất lạnh ở trang 6, phụ lục 2), công suất điện P.A = 1,9 kW, nguồn điện sử dụng: 1 pha/ 220V/50Hz. Tương ứng thiết bị gia nhiệt dạng điện trở nhiệt công suất 5,6kW. Bộ điều khiển nhiệt độ được lựa chọn loại FOX – 2005 của Hàn Quốc, có thể hoạt động 2 chiều nóng lạnh tùy theo yêu cầu công nghệ.
Thiết bị cấp khí gồm 03 máy bơm khí, công suất 180W, lưu lượng 10m3/phút. Bộ cảm biến nồng độ khí oxy hòa tan HANA HI 8410 của Hãng sản xuất là Extech - Mỹ có giới hạn độ từ 0 - 20mg/lít. Thiết lập được nguyên lý hoạt động với 3 chế độ điều chỉnh năng suất cấp khí 1/3, 2/3, 3/3.
Tính toán lựa chọn được thiết bị đo và hiển thị nồng độ muối Hãng Lutron - Đài Loan hiệu YK-31SA, với giới hạn đo từ 0 - 10%. Nguyên lý chuẩn độ nồng độ muối bằng thủ công.
Cụm thiết bị cấp nguồn sáng gồm 18 đèn led máng nhôm, mỗi đèn 5000lumen được phân bố chiếu đều trên bề mặt buồng làm việc (6000 x 1000 mm). Các đèn được
nối song song với nguồn điện 24V, để điều khiển cường độ ánh sáng được sử dụng 01 chiết áp điện trở nối tiếp trên mạch cấp nguồn tổng. Đo cường độ ánh sáng bằng máy đo cầm tay Sper Scientific 850008 – Đài Loan, thang đo từ 0-40klux. Độ chính xác: ± 4% + 2 chữ số.
Thông số kỹ thuật của bơm tuần hoàn phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của thiết bị sơ chế xử lý nguyên liệu rong nho năng suất 1000kg/mẻ: Lưu lượng 8 m3/giờ (tính toán lưu lượng ở trang 6, phụ lục 2), động cơ điện hai cực: +1 pha ~ 230V/50Hz, công suất 2HP của hãng Pentax. Thiết bị điều chỉnh lưu lượng nước phù hợp dạng thiết bị điều chỉnh và hiển thị lưu lượng làm việc theo nguyên lý điều chỉnh trở lực.
Giải pháp điều chỉnh lưu lượng khí sục của hệ thống thiết bị sơ chế và xử lý rong nho năng suất 1000 kg/h với phạm vi điều chỉnh từ 5-10 m3/phút.
3.2.3.4. Kết quả tính toán thiết kế hệ thống điện động lực và điều khiển
* Chức năng và yêu cầu của các thiết bị điện động lực
- Nguyên liệu rong nho sau thu hoạch được sơ chế sơ bộ bằng thủ công nhằm lọc bỏ tạp chất thô, những nhánh quả bị dập gãy và sâu bệnh cũng như vi sinh vật trước khi đưa vào thiết bị nuôi phục hồi.
- Công đoạn sơ chế làm sạch và nuôi phục hồi rong nho được thực hiện trong thiết bị nuôi phục hồi với các bước chính:
+ Bước 1: Cấp nước biển đó qua lọc sơ bộ vào thiết bị xử lý với mức ẵ thể tớch buồng làm việc, chuẩn độ nồng độ muối theo yêu cầu công nghệ bằng thiết bị đo và bổ sung muối bán tự động, đồng thời với quá trình tuần hoàn nước cho đến khi đạt nồng độ yêu cầu thì dừng chế độ bổ sung muối.
+ Bước 2: Tiến hành sục khí và điều chỉnh nhiệt độ nước phù hợp với yêu cầu công nghệ bằng vận hành hệ thống cấp khí và hệ thống điều chỉnh nhiệt độ nóng – lạnh (tùy theo điều kiện nhiệt độ môi trường so với nhiệt độ yêu cầu công nghệ từ 200C - 300C)
+ Bước 3: Tiến hành cấp liệu vào thiết bị nuôi phục hồi và duy trì các chế độ sục khí, điều chỉnh nhiệt độ và tuần hoàn nước.
+ Bước 4: Sau khi đã nạp nguyên liệu với mức tối đa 1000kg/mẻ, chuẩn mức nước cách mép trên khoảng 50mm, chuẩn nồng độ muối lần cuối, chế độ sục khí, điều
chỉnh mức ánh sáng phù hợp, cấp nguồn đèn UV Aquapro 21w có bước sóng của bức xạ cực tím 225-275nm, lọc 1350 lít/h, hoạt động để xử lý vi sinh của nguồn nước.
+ Bước 5: Theo dõi quá trình làm việc của hệ thống trong thời gian làm việc từ 18 - 20 giờ, kiểm tra mẫu nguyên liệu đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu công nghệ bảo quản tươi hoặc chế biến tiếp theo trước khi kết thúc quá trình. Từ kết quả nghiên cứu và lựa chọn thiết bị, Luận án tổng hợp các thiết bị lắp đặt trong tủ điện và các thông số kỹ thuật của rơle nhiệt và rơle điện từ trung gian ở phụ lục 2.
3.2.3.5. Chế tạo, chạy thử và hiệu chỉnh các thông số của thiết bị nuôi phục hồi rong nho nguyên liệu.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
- Hệ thống lạnh sẽ làm lạnh, kiểm soát duy trì nhiệt độ nước biển trong khoảng nhiệt độ 280C ± 20C. Tại dàn lạnh ống xoắn kiểu đứng được cách nhiệt bằng PU (poly urethane) (hình 3.22). Tại thiết bị này còn được lắp đặt điện trở gia nhiệt trong trường hợp nhiệt độ môi trường dưới 28°C, khi đó hệ thống lạnh sẽ ngừng hoạt động và điện trở được cấp điện sinh nhiệt làm nóng nước biển trước khi đi vào bể sơ chế biến.
- Nước biển sau khi làm sạch được bơm qua hệ thống làm lạnh để duy trì nhiệt độ thích hợp cho quá trình sơ chế rong nho là (28 2)°C, sau đó sẽ được bơm vào bể sơ chế (Hình 3.21). Tại bể sơ chế, hệ thống sục khí sẽ cung cấp khí tạo điều kiện cho oxy hòa tan trong nước và giúp cho rong, nước biển di chuyển tuần hoàn từ dưới lên trên. Do vậy, phần rong nho phía dưới sẽ được di chuyển lên phía trên và tiếp xúc với ánh sáng để làm cho quá trình quang hợp của rong tăng lên, giúp rong phục hồi “sức khỏe”. Chính quá trình di chuyển của rong trong nước sẽ làm các chất bẩn bám trên rong bị tách ra khỏi rong và rong sẽ được làm sạch. Khi chất bẩn tách ra khỏi rong làm nước nuôi rong bị bẩn, người sử dụng sẽ bật hệ thống bơm lọc nước tuần hoàn để bơm nước biển dơ ra khỏi bể và bơm nước đã được lọc sạch trở lại bể. Như vậy, nước biển trong bể luôn được di chuyển trong bể sơ chế và thỉnh thoảng được bơm lọc tuần hoàn khi nước nuôi bị dơ.
Dựa vào hệ số chiếm chỗ của rong trong buồng sơ chế (207kg/m3), Luận án tính toán được năng suất của bể là 1000kg/mẻ. Tuy nhiên, thực tế sơ chế rong cho thấy: đặc
điểm của rong nho mềm, có nhiều tiểu cầu vì vậy việc bố trí mật độ rong trong buồng sơ chế lớn như tính toán ban đầu đã làm tiểu cầu của rong gãy rụng nhiều. Mặt khác, mật độ rong cao nên rong có xu hướng bám tụ vào nhau thành khối, rong không di chuyển được trong bể khi nuôi phục hồi vì vậy rong hạn chế tiếp xúc ánh sáng, kết quả là màu sắc của rong xanh không đều và tỷ lệ rong lành vết thương thấp (<80%). Vì vậy, Luận án cố định các thông số kỹ thuật của thiết bị như thiết kế ban đầu nhưng điều chỉnh năng suất của thiết bị là 300kg/mẻ - tương đương gần 60kg/m3 (kết quả khảo sát ở bảng 3.14 phụ lục 3).
Như vậy, trong quá trình hoạt động, nhiệt độ của nước biển trong bể sơ chế luôn được kiểm soát, hàm lượng oxy hòa tan, nồng độ muối của nước trong bể và cường độ chiếu sáng của hệ thống đèn gắn trên nhằm đảm bảo các điều kiện thích hợp cho rong quang hợp, sinh trường và “hồi phục sức khỏe”.
Hình 3.20. Nguyên lý của hệ thống sơ chế rong nho Ghi chú:
MN: Máy nén kín F2: Bộ phận lọc nước HS: Điện trở gia nhiệt
DN: Dàn nóng làm mát bằng không khí (Gree) Filter: Phin lọc sấy
DL: Thiết bị ống chùm vỏ bọc nằm ngang ống mao
RV: Van xả đáy
P: Bơm điều chỉnh được lưu lượng BTL: Bộ tiết lưu
90
Hình 3.21. Bể sơ chế rong nho (Ghi chú: FS: Công tác phao)
Hình 3.22. Thiết bị làm lạnh nước biển kiểu ống xoắn
Hình 3.23. Thiết bị nuôi phục hồi rong nho, năng suất 300kg nguyên liệu/mẻ
Hình 3.24. Cụm tổ hợp các cơ cấu điều khiển của hệ thống thiết bị nuôi phục hồi rong nho