Upload
khanhlinh
View
45
Download
15
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Phương pháp sấy lạnh nông sản.
Citation preview
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH
1. KHÁI NIỆM VỀ BƠM NHIỆT
1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA BƠM NHIỆT
Bơm nhiệt có quá trình phát triển lâu dài, bắt đầu từ khi Nicholas Carnot đề xuất
những khái niệm chung đầu tiên. Một dòng nhiệt thông thường di chuyển từ một vùng
nóng đến một vùng lạnh, Carnot đưa ra lập luận rằng một thiết bị có thể được sử dụng
để đảo ngược quá trình tự nhiên và bơm nhiệt sẽ điều chỉnh dòng nhiệt từ một vùng
lạnh đến một vùng ấm hơn.
Đầu những năm 1850, Lord Kelvin đã phát triển các lý thuyết về bơm nhiệt bằng cách
lập luận rằng các thiết bị làm lạnh có thể được sử dụng để gia nhiệt. Các nhà khoa học
và các kỹ sư đã cố gắng chế tạo ra một bơm nhiệt nhưng không một mô hình nào thành
công cho đến giữa những năm 30 khi những bơm nhiệt sử dụng theo mục đích cá nhân
được lắp đặt. Việc lắp đặt các bơm nhiệt gia tăng đáng kể sau thế chiến II, người ta
nhận thấy rằng bơm nhiệt có thể được thương mại hóa nếu hoàn tất lý thuyết và đảm
bảo chất lượng sản phẩm. Sản phẩm bơm nhiệt đầu tiên được bán vào năm 1952.
Từ khi xẩy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại bước
vào một bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cở cho các ứng
dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường.
Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí,
sấy, hút ẩm, đun nước…
1
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt:
Hình 1.1 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt
1.2 HỆ THỐNG SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
1.2.1 Giới thiệu về hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt
Sự thay đổi môi trường trong những năm gần đây, đặc biệt những năm cuối thế kỉ rất
đáng lo ngại. Những bước tiến nhanh chóng của khoa học và kỹ thuật, cùng với sự
thay đổi toàn diện về lối sống của xã hội hiện đại, đã gây nên sự tổn hại to lớn đối với
các nguồn tài nguyên cũng như đối với sự cân bằng sinh thái. Hiện tại, những yêu cầu
đặt ra đối với nền văn minh hiện đại là việc thõa mãn nhu cầu ngày càng cao đối với
các nguồn năng lượng đang cạn kiệt trên trái đất. Sự phát triển của kỹ thuật và nghiên
cứu khoa học tự nhiên có thể sẽ mang lại câu trả lời thõa đáng nhất. Trọng tâm hiện
nay là sự thay đổi dần dần theo hướng đòi hỏi đáp ứng cả vấn đề cân bằng sinh thái và
môi trường sống.
Sấy là một thiết bị hoạt động chủ yếu trong ngành thực phẩm - nông nghiệp, nó gây
nên sự ô nhiễm rất lớn đối với môi trường. Việc khử từng phần hay toàn bộ nước từ
2
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
vật liệu là rất phức tạp và yêu cầu một nguồn lượng năng lượng lớn. Các yếu tố ảnh
hưởng đến quá trình này như thời gian chu trình, chất lượng sản phẩm, độ cảm nhiệt,
vv... Kỹ thuật sấy có thể đáp ứng được cả yêu cầu về kinh tế và bảo vệ môi trường
sống phát triển rất chậm bởi nhiều yếu tố. Việc ứng dụng nghiên cứu sử dụng bơm
nhiệt trong quá trình sấy được chú ý, từ đó tìm ra các ứng dụng khác nhau của kỹ thuật
sấy lạnh sử dụng để thay thế những phương pháp sấy truyền thống từ đó đem đến
những lợi ích trong tương lại.
Trong một máy sấy đối lưu không khí nóng, không khí được gia nhiệt lên đến nhiệt độ
sấy (bằng cách sử dụng bộ gia nhiệt điện hoặc bộ gia nhiệt sử dụng nhiên liệu) để làm
tăng tốc độ truyền nhiệt trong quá trình sấy. Điều này làm tăng áp suất hơi nước bên
ngoài và tốc độ khuếch tán ẩm trong trong vật liệu theo hướng thoát ra bề mặt vật liệu,
từ đó lượng ẩm này sẽ khếch tán vào trong dòng tác nhân sấy. Trong môi trường đối
lưu, độ ẩm tuyệt đối của tác nhân sấy phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Việc sử
dụng bơm nhiệt để hút ẩm trong quá trình sấy hoàn toàn có thể điều khiển hoàn toàn cả
thành phần ẩm và nhiệt độ tác nhân sấy, cũng như lấy lại được nhiệt ẩn bay hơi của
nước từ dòng thải.
Bơm nhiệt có thể thay đổi nhiệt độ từ thấp đến cao, theo yêu cầu làm việc của thiết bị,
từ đó nó có thể cung cấp các chế độ làm việc khác nhau. Loại bơm nhiệt phổ biến nhất
hoạt động hoạt động theo một chu trình nén - hơi bao gồm các thiết bị chính: dàn bay
hơi, máy nén, dàn ngưng tụ và van giãn nở (hình 1.2)
Qh = Qc + W
Tc < Th
Hình 1.1: Nguyên lý truyền nhiệt của bơm
nhiệt
3
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Van giãn nở
Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của một bơm nhiệt
Quá trình truyền nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đổi pha làm việc của môi chất
lạnh. Môi chất lạnh trong giàn bay hơi hấp thụ nhiệt và bay hơi ở nhiệt độ thấp và áp
suất thấp. Khi hơi môi chất lạnh ngưng tụ ở nhiệt độ cao, áp suất cao tại dàn ngưng tụ,
nó thải nhiệt ở áp suất cao hơn. Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng
bơm nhiệt làm lạnh không khí của quá trình đến điểm bão hòa, và sau đó ngưng tụ
nước (khử ẩm), do đó làm tăng khả năng sấy của không khí. Trong quá trình này chỉ
tuần hoàn mức nhiệt thấp (nhiệt hiện và nhiệt ẩn) từ không khí. Cấu trúc của dàn bay
hơi và dàn ngưng tụ được bố trí như hình vẽ (hình 1.3).
4
Dàn
bay
hơi
Dàn
ngư
ng tụ
Máy nén
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Hình 1.3: Hai phương thức trao đổi nhiệt thông qua buồng sấy. Mũi tên lớn chỉ dòng
tác nhân qua buồng sấy
Trong trường hợp thứ nhất (hình 1.3a), máy sấy lạnh hoạt động vừa như một máy khử
ẩm và một bộ gia nhiệt không khí. Trong cách bố trí thứ hai, dàn bay hơi được xen vào
dòng không khí ẩm trong khi không khí sạch lại được đưa vào toàn bộ dàn ngưng tụ.
Việc sắp xếp theo kiểu này, nhiệt ẩn (cùng với một lượng lớn nhiệt hiện) được hồi lưu
bằng cách khử ẩm của khí thải và truyền cho không khí của quá trình thông qua dàn
ngưng tụ. Mô hình này thích hợp khi không khí môi trường khô (độ ẩm tương đối
thấp), nhưng nó lại không kinh tế trong quá trình sấy, bởi vì dòng khí thải tương tự
như không khí bên trong. Trong cả hai mô hình trên, khí thải từ buồng sấy có thể được
hồi lưu lại đi đến dàn bay hơi nghĩa là không khí có thể tuần hoàn toàn bộ hay từng
phần.
5
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Bơm nhiệt bước đầu được nghiên cứu với tác dụng khử ẩm, nhưng sau cuộc khủng
hoảng năng lượng những năm 70. Khả năng ứng dụng trong việc sấy nông sản phẩm
ngày càng được chú ý đến nhiều hơn. Ứng dụng của bơm nhiệt trong nông nghiệp bắt
đầu với việc sử dụng như thiết bị gia nhiệt. Những nghiên cứu và phát triển sau đó đã
đạt được kết quả với việc phát triển quá trình sấy sử dụng bơm nhiệt. Bằng nhiều cách
khác nhau, như là sử dụng một van điều chỉnh áp suất, trao đổi nhiệt, điều khiển lưu
lượng dòng khí, thay đổi tốc độ máy nén,vv… được thực hiện tùy thuộc vào các yêu
cầu thực tế, nguyên lý hoạt động máy sấy sử dụng bơm nhiệt. Trong thương mại việc
sử dụng các máy sấy lạnh để sấy hỗ trợ đã được nhắc đến tại nhiều nước ở Châu Âu
(NaUy, Pháp và Hà Lan), Châu Á và Autralia, ở đây công nghệ này được ứng dụng
chủ yếu trong các quy trình chế biến thực phẩm.
Việc sử dụng bơm nhiệt với quy mô rộng lớn vẫn chưa được cụ thể hóa trong nông
nghiệp. Một trong những yếu tố cản trở việc sử dụng kỹ thuật này là chi phí đầu tư. Vì
chi phí đầu vào cao và thời gian sử dụng ngắn, cho nên hiện nay các loại máy sấy khác
vẫn chiếm ưu thế. Hơn nữa, các sản phẩm ra đời phải đảm bảo tính đổi lẫn và dễ sữa
chữa, kỹ thuật sấy sử dụng bơm nhiệt có tiềm năng đáp ứng được các ứng dụng khác
nhau trong môi trường sản xuất nông nghiệp.
1.2.1 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG SẤY LẠNH
Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ
chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp
suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm. Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề
mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí
có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ
hơn phía bên trong vật. Nói khác đi, ở đây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có
cùng dấu nên gradient nhiệt độ không kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy
nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong lòng vật
ra ngoài để bay hơi làm khô vật. Khi đó ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ
6
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
bề mặt vào môi trường có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn nhiệt độ môi trường hoặc cũng có
thể nhỏ hơn 0oC.
Hình1.5: Sơ đổ hệ thống sấy lạnh
1.2.1.1 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0oC
a. Hệ thống sấy thăng hoa
Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn biến
thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa. Để tạo ra quá trình thăng hoa, vật liệu sấy
phải được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t < 0 0C và áp suất
tác nhân sấy bao quanh vật p < 620 Pa. Từ đó, vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng để
ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí và vào môi trường. Như vậy, trong các hệ
thống sấy thăng hoa phải tạo được chân không trong vật liệu sấy và làm lạnh vật
xuống dưới 0oC.
Ưu điểm: Phương pháp gần như bảo toàn được chất lượng sinh, hóa học của
sản phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính,…
Nhược điểm:
-Chi phí đầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh (để kết
đông sản phẩm và làm ngưng kết hơi nước)
7
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
-Hệ thống cồng kềnh nên vận hành phức tạp, chi phí vận hành và bảo dưỡng lớn.
Sấy thăng hoa thường được ứng dụng để sấy sản phẩm quý, dễ biến chất do nhiệt như:
máu, vắc xin,…
b. Hệ thống sấy chân không
Phương pháp sấy chân không là phương pháp tạo ra môi trường gần như chân không
trong buồng sấy, nghĩa là nhiệt độ vật liệu t < 0oC, áp suất tác nhân sấy bao quanh vật
p > 610 Pa. Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước trong vật liệu sấy ở thể rắn
sẽ chuyển sang thể lỏng, sau đó mới chuyển sang thể hơi và đi vào môi trường.
Ưu điểm: Phương pháp này giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện
vệ sinh.
Nhược điểm: Hệ thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp.
-Phương pháp sấy chân không thường chỉ sấy các loại vật liệu sấy là các sản
phẩm quý, dễ biến chất.
-Do tính phức tạp và không kinh tế nên các hệ thống sấy thăng hoa và hệ thống
sấy chân không chỉ dùng để sấy những vật liệu quí hiếm, không chịu được
nhiệt độ cao. Vì vậy, các hệ thống sấy này là những hệ thống sấy chuyên dùng,
không phổ biến.
1.2.1.2 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0oC
Với những hệ thống sấy mà nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ
nhiệt độ môi trường, tác nhân sấy thường là không khí được khử ẩm bằng phương
pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ, sau đó nó được đốt nóng hoặc làm
lạnh đến các nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy. Khi đó do phân áp suất hơi
nước trong tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy mà ẩm
từ dạng lỏng bay hơi đi vào tác nhân sấy. Như vậy, quy luật dịch chuyển ẩm trong lòng
8
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
vật và từ bề mặt vật vào môi trường trong các hệ thống sấy lạnh loại này hoàn toàn
giống như trong các hệ thống sấy nóng. Điều khác nhau ở đây là cách giảm pam bằng
cách đốt nóng tác nhân sấy (d = const) để tăng áp suất bão hoà dẫn đến giảm độ ẩm
tương đối φ. Trong khi đó, với các hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ tác nhân sấy bằng
nhiệt độ môi trường thì ta sẽ tìm cách giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy p am
bằng cách giảm lượng chứa ẩm d kết hợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp
thụ) hoặc đốt nóng (sau khử ẩm bằng lạnh).
Ưu điểm:
- Năng suất hút ẩm của phương pháp này khá lớn.
- Khả năng giữ chất lượng, hàm lượng dinh dưỡng sản phẩm cũng khá tốt (phụ
thuộc vào nhiệt độ sấy).
Nhược điểm:
-Chi phí đầu tư ban đầu khá lớn do phải sử dụng cả máy hút ẩm chuyên dụng và
máy lạnh
-Chất hút ẩm phải thay thế theo định kì
-Vận hành khá phức tạp nên chi phí vận hành lớn
-Điện năng tiêu tốn lớn do cần chạy máy lạnh và đốt nóng dây điện trở để hoàn
nguyên chất hấp thụ.
-Lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông số để phù hợp với công nghệ
-Trong môi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp thụ, tuổi thọ thiết
bị giảm.
b. Phương pháp dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp
Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt để tạo ra môi
trường sấy. Nhiệt độ môi trường sấy có thể điều chỉnh trong giới hạn khá rộng từ nhiệt
độ xấp xỉ môi trường đến nhiệt độ âm, tùy thuộc yêu cầu của vật liệu sấy. Khác với các
9
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
thiết bị nhiệt lạnh khác, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khô và hút ẩm thì cả dàn nóng
và dàn lạnh đều được sử dụng hữu ích nên năng suất tiêu thụ ở đây có thể được tận
dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ không khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ
môi trường hoặc thấp hơn.
Ưu điểm:
-Khả năng giữ màu sắc, mùi vị và vitamin đều tốt
-Tiết kiệm năng lương nhờ sử dụng cả năng lượng dàn nóng và dàn lạnh, hiệu
quả sử dụng nhiệt cao
-Bảo vệ môi trường, vận hành an toàn.
-Có khả năng điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy tùy thuộc vào yêu cầu và khả
năng chịu nhiệt của từng loại sản phẩm nhờ thay đổi công suất nhiệt của dàn
ngưng trong
-Công suất khá lớn
-Chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp sấy lạnh khác
-Vận hành đơn giản.
Nhược điểm:
-Thời gian sấy thường khá lâu do độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu
sấy và tác nhân sấy không lớn.
-Phải có giải pháp xả băng sau một thời gian làm việc.
1.3 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG SẤY LẠNH
SỬ DỤNG BƠM NHIỆT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Việc sử dụng bơm nhiệt trong công nghiệp cũng như dân dụng để sấy, sưởi, hút ẩm,
điều hòa không khí,… đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên thế giới. Sau
đây là tổng quan một số công trình nghiên cứu:
1.3.1 Các tác giả trong nước
10
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Tác giả Phạm Văn Tùy và các công sự đã tiến hành nghiên cứu và đã ứng dụng thành
công hệ thống bơm nhiệt để sấy lạnh kẹo Jelly, kẹo Chew, Caramel, kẹo Cứng… tại
công ty bánh kẹo Hải Hà.
Năm 1997, 1998 các tác giả đã thiết kế lần lượt hai hệ thống lạnh theo nguyên lý bơm
nhiệt nhiệt độ thấp kiểu môđun. Để sấy kẹo Jelly với năng suất 1100 kg/ngày và 1400
kg/ngày hiện nay vẫn còn được sử dụng cho phòng sấy lạnh số 2 và số 3 Nhà máy thực
phẩm Việt Trì- Công ty cổ phần bánh kẹo Hải Hà. Thông số nhiệt độ không khí buồng
sấy 22-280C, độ ẩm 30-40%. Sơ đồ nguyên lý hệ thống như hình vẽ:
Một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền sản xuất kẹo Caramem của Cộng Hòa
Liên Bang Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ cho phân xưởng kẹo caramem và
hệ thống bơm nhiệt hút ẩm công suất lạnh 120.000 Btu/h sử dụng 4 máy lạnh Trane
TTK 530 công suất mỗi máy là 30.000 Btu/h hiện nay đang sử dụng cho phòng bao
gói kẹo cứng thuộc Xí nghiệp Công ty CP Bánh kẹo Hải Hà đã được lắp đặt từ năm
1999.
Qua thực tế sử dụng, thấy rằng ngoài ưu điểm rẻ tiền (giảm khoảng 50% vốn đầu tư)
và tiết kiệm năng lượng (điện năng tiêu thụ giảm gần 50%) so với phương án dùng
máy hút ẩm, các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh này hoạt động ổn định, liên tục và giảm
chi phí bảo dưỡng. Tuy nhiên, nó còn có nhược điểm là cồng kềnh, sử dụng nhiều quạt
và động cơ xen kẽ, trong hệ thống nhiều bụi bột nên phải bảo dưỡng động cơ lại phải
thực hiện trong không gian hẹp, khó thao tác.
Để khắc phục những nhược điểm trên năm 2005 nhóm tác giả đã thiết kế chế tạo máy
sấy lạnh cho phòng sấy lạnh số 1 theo nguyên lý bơm nhiệt kiểu nguyên khối BK-
BSH18A.
So với công nghệ dùng các bơm nhiệt kiểu mô đun thì BK-BSH18A có thiết bị xử lý
không khí được chế tạo dạng tổ hợp gọn có thể đặt ngoài nhà, trong nhà hay trong
buồng sấy và tốc độ không khí có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu của vật liệu sấy
khác nhau.
11
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Việc sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp để hút ẩm và sấy lạnh có nhiều ưu điểm và rất
có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điều kiện khí hậu nóng ẩm phù hợp với thực tế tại
Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể. Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt
phù hợp với những sản phẩm cần giữ trạng thái, màu, mùi, chất dinh dưỡng và không
cho phép sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn. Các hệ thống hút ẩm và đặc biệt là các hệ
thống sấy lạnh có cấu trúc luôn thay đổi phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu sấy, cấu
trúc của dàn lạnh sử dụng, … nên không có một cấu trúc chung cho tất cả các đối
tượng sấy, tuy nhiên vẫn có chung nguyên tắc và phương pháp tính toán thiết kế. Do
đó, cần phải tiếp tục những nghiên cứu cơ bản, đầy đủ về các quá trình, các giới hạn
kỹ thuật và các vấn đề tự động điều chỉnh không chế liên hoàn nhiệt độ và độ ẩm của
tác nhân sấy cũng như của vật liệu sấy.
1.3.2 Các tác giả nước ngoài
Macio N. Kohayakawa và các công sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu
tố như: vận tốc gió Var, chiều dày của vật liệu L đến hệ số khuếch tán quá trình sấy Def
trong hệ thống sấy xoài bằng bơm nhiệt. Môi chất lạnh sử dụng trong hệ thống là R22.
Hệ thống sấy xoài sử dụng hai dàn ngưng trong để gia nhiệt cho không khí. Nhiệt độ
không khí trong quá trình thí nghiệm thay đổi từ 40oC đến 56oC. Vận tốc gió thay đổi
từ 1,6 m/s đến 4,4 m/s, chiều dày vật liệu sấy thay đổi từ 5,8 mm đến 14,2 mm. Khối
lượng vật liệu sấy ở mỗi mẽ là 300g, thời gian sấy là 8h/mẻ. Dựa vào các quan hệ lý
thuyết tính toán hệ số khuếch tán, sử dụng phương pháp quy hoạch trực giao và kết
hợp với số liệu thực nghiệm, các tác giả đã xây dựng được phương trình hồi qui xác
định hệ số khuếch tán Def như sau:
Def=4,2625 - 0,61922.Var + 0,380538.Var2 + 1,012517.L – 0,90343.Var.L (1.1)
Phương trình (1.1) cho thấy rằng ảnh hưởng đồng thời của hai thông số cũng như mức
độ ảnh hưởng của chúng đến hệ số khuếch tán Def. Ở đây, ảnh hưởng của tốc độ gió
Var là lớn nhất, sau đó đến chiều dày của vật liệu sấy. Phương trình (1.1) cũng cho biết
ảnh hưởng lẫn nhau giữa hai thông số thông qua mối liên hệ chéo nhau giữa chúng.
12
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Tuy nhiên, phương trình này không đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm sấy mặc
dù ảnh hưởng của chúng là lớn đến hệ số khuếch tán. Điều này cũng được chính tác
giả khẳng định trong nghiên cứu của mình. Do vậy, cần có những nghiên cứu đánh giá
về ảnh hưởng của các yếu tố này.
Phani K.Adapa, Greg J.Schoenau và Shahab Sokhansanj đã tiến hành nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm quá trình sấy bằng bơm nhiệt đối với các vật liệu đặc biệt. Các
tác giả đã tiến hành thiết lập các quan hệ tính toán lý thuyết quá trình sấy lớp mỏng.
Các tác giả đã thiết lập phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng chất, truyền nhiệt
và truyền ẩm giữa vật liệu và không khí cho một phân tố thể tích vật liệu sấy như sau:
Phương trình truyền ẩm:
(1.2)
Trong đó:
- M : độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy tại thời điểm t
- Me : độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy, được xác định bằng thực nghiệm
- t : thời gian sấy, s
- k : hằng số sấy [1/s], được xác định như sau: (1.3)
Giải phương trình (1.2) ta xác định được độ ẩm của vật liệu khi sấy tại thời điểm t như
sau:
(1.4)
Với M0 : độ ẩm của vậ liệu sấy tại thời điểm t0 = 0
Phương trình cân bằng chất:
(1.5)
13
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Với:
W - độ chứa hơi của không khí
x – chiều dày của vật liệu sấy
Gp – lưu lượng vật liệu sấy chuyển động qua băng tải, kg/m.s
Ga – lưu lượng không khí chuyển động qua băng tải, kg/m2.s
y – quãng đường dịch chuyển của vật liệu sấy, m
Giải phương trình (1.5), thu được công thức xác định sự thay đổi của độ chứa hơi W
theo chiều dày vật liệu sấy (giả thiết tính chất của vật liệu sấy là đồng đều theo phương
dịch chuyển y):
(1.6)
Phương trình cân bằng năng lượng:
(1.7)
Trong đó:
- Ta : nhiệt độ của không khí sấy, 0C
- Tg : nhiệt độ của vật liệu sấy, 0C
- hcv : hệ số truyền nhiệt thể tích, kJ/m3.ph.K
- Cpa : nhiệt dung riêng của không khí khô, kJ/kgK
- Cpw : nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kgK
Giải phương trình (1.7), xác định được nhiệt độ không khí tại đầu ra:
14
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Với:
Ta0
– Nhiệt độ không khí tại vị trí ban đầu x0 = 0,
0
C
Phương trình truyền nhiệt:
Trong đó:
Lg: nhiệt ẩn hóa hơi của nước trong vật liệu sấy, kJ/kg
Cpg
: Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kJ/kgK
Cpl: nhiệt dung riêng của nước, kJ/kgK
Giải phương trình (1.9) ta sẽ tìm được sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu sấy:
15
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
ở đây:
1.4 ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ TRUYỀN CHẤT CỦA
QUÁ TRÌNH SẤY LẠNH
Trong kỹ thuật sấy lạnh, thế sấy của không khí tăng nhờ quá trình tách ẩm ở dàn bốc
hơi và quá trình gia nhiệt bằng chính dàn ngưng tụ trong các máy lạnh. Yếu tố có tính
quyết định ở đây là quá trình làm lạnh không khí trong dàn lạnh, từ đây sẽ nhận được
không khí có nhiệt độ và độ chứa hơi (d) nhỏ đảm bảo cho quá trình truyền nhiệt,
truyền chất giữa vật sấy và tác nhân sấy trong buồng sấy xẩy ra ở điều kiện gradient
nhiệt độ và gradient áp suất cùng chiều, không có giai đoạn nào xẩy ra hiệu ứng
Luikov A.V. cản trở quá trình sấy như trong phương pháp sấy nóng. Vì vậy, ngoài việc
tính toán, thiết kế hệ thống nói chung thì điều tối cần thiết là chế độ làm việc của dàn
lạnh hay nói cách khác là khả năng tối ưu nhất của dàn lạnh có tầm quan trọng đặc
biệt.
Trong kỹ thuật sấy lạnh, để tăng cường tách ẩm cho hệ thống, không khí sấy trải qua
giai đoạn tách ẩm ở dàn lạnh, vì thể ẩm trong không khí có thể tồn tại ở ba dạng hơi,
lỏng và rắn, với dung ẩm ở dạng hơi dh, dạng lỏng dl và dạng rắn dr, entanpi H của
không khí ẩm:
16
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
H= tb + (2500+1,93tb)dh + 4,18d1tb + (-335+2,1 tb)dr , kJ/kgkk (1.11)
Trong quá trình khử ẩm ở dàn lạnh, chiều dài đường đi của dòng không khí là yếu tố
có tính quyết định, theo đó mà lưu lượng thể tích không khí cũng như công suất nhiệt
- trao đổi sẽ thay đổi, không khí được làm lạnh đến nhiệt
độ điểm sương ts. Trên một đơn vị dài quan hệ truyền nhiệt, truyền chất này có thể
biểu diễn dưới dạng:
Trong đó
c’ – nhiệt dung riêng thể tích của không khí ẩm ở nhiệt độ khí quyển (c =1,23
kJ/m3K).
r – Nhiệt ngưng tụ (r=2500 kJ/kg đối với hơi nước ở 00C).
- là nước ngưng theo đường (ứng với 1m3
không khí ẩm khi nhiệt độ giảm đi 1K) và thay đổi nhanh qua nhiệt độ theo biểu
thức:
(1.13)
Trong đó:
- Ph: áp suất hơi bão hòa của hơi nước tương ứng với nhiệt độ của không khí ẩm.
- Hằng số R đối với hơi nước trong không khí ẩm: R=8314/18=861,89 J/kgK
Mặt khác có thể tính nhiệt lượng do không khí truyền cho môi chất lạnh tương ứng với
mỗi đơn vị dài của thiết bị bay hơi bơm nhiệt:
17
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Với K1 là hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi [W/mK].
Từ các cơ sở trên ta có quan hệ:
(1.15) với
Là thông số đặc trưng cho công suất của thiết bị bốc hơi của bơm nhiệt (thường
khoảng 1kJ/m3K), X[m] là chiều sâu của thiết bị bốc hơi, X0 [m] là khoảng cách từ đầu
thiết bị vào thiết bị bốc hơi đến điểm xuất hiện quá trình ngưng đọng ẩm, T s là nhiệt độ
đọng sương, các chỉ số 1 và 2 là kí hiệu đầu vào và ra của không khí qua thiết bị bốc
hơi.
1.5 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY RAU QUẢ VỚI PHƯƠNG PHÁP
SẤY LẠNH
Sấy là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật. Tuy nhiên, sấy là một quá trình
công nghệ đòi hỏi sau khi sấy, vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng
lượng ít và chi phí vận hành thấp. Có hai phương pháp sấy:
1.5.1 Phương pháp sấy nóng
Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy được đốt nóng. Do tác nhân
sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất hơi nước p am
trong tác nhân sấy giảm. Mặt khác do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên nên mật độ hơi
trong các mao quản tăng và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật cũng tăng theo công
thức:
18
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
φ = = exp (1.16)
Trong đó:
Pr - áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m2
Po - áp suất trên bề mặt thoáng, N/m2
Δ - Sức căng bề mặt thoáng,N/m2
- mật độ hơi trên cột dịch thể trong ống mao dẫn, kg/m3
- mật độ dịch thể, kg/m3
Như vậy trong hệ thống sấy nóng có hai cách để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước
giữa vật liệu sấy và môi trường:
Giảm phân áp suất của hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách đốt nóng.
Tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy.
Tóm lại, nhờ đốt nóng cả tác nhân sấy và vật liệu sấy hoặc chỉ đốt nóng vật liệu sấy
mà hiệu số giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật Phb và phân áp suất hơi nước
trong tác nhân sấy Ph tăng lên dẫn đến quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu
sấy ra bề mặt và đi vào môi trường.
Do đó, hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo phương pháp cung cấp nhiệt:
Hệ thống sấy đối lưu: Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể
nóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò. Hệ thống sấy đối lưu
gồm: hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động….
Hệ thống sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng. Như vậy
trong hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng
phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy. Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ
thống sấy lô, hệ thống sấy tang…
19
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Hệ thống sấy bức xạ: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để dẫn ẩm
dịch chuyển từ lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường. Ở đây
người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường
bằng cách đốt nóng vật.
Hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ
trường: Khi vật liệu sấy đặt trong môi trường điện từ thì trong vật xuất hiện
các dòng điện và chính dòng điện này sẽ đốt nóng vật.
Ưu điểm của phương pháp sấy nóng:
Thời gian sấy bằng các phương pháp sấy nóng ngắn hơn so với phương pháp
sấy lạnh.
Năng suất cao và chi phí ban đầu thấp.
Nguồn năng lượng sử dụng cho phương pháp sấy nóng có thể là khói thải, hơi
nước nóng, hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, rác thải,... cho đến điện
năng.
Thời gian làm việc của hệ thống cũng rất cao.
Nhược điểm
Chỉ sấy được các vật sấy không cần có các yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ.
Sản phẩm sấy thường hay bị biến màu và chất lượng không cao.
1.5.2 Phương pháp sấy lạnh
Trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh áp suất hơi nước giữa vật liệu
sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy P h nhờ
giảm độ chứa ẩm d. Mối quan hệ đó được thể hiện theo công thức:
Ph = (1.17)
20
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Trong đó: B - áp suất môi trường (áp suất khí trời).
Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể
trên dưới nhiệt độ môi trường (t > 0 oC) và cũng có thể nhỏ hơn 0 oC.
1.5.3 So sánh phương pháp sấy lạnh và phương pháp sấy nóng
Các loại rau củ thực phẩm và dược liệu như cà rốt, củ cải, hành lá, dứa, mít, nhãn,
măng cụt, hành tây, hỗn hợp dịch ép gừng và bột avicel,… đã được sấy thử nghiệm với
khoảng thông số nhiệt độ sấy t = 250C đến 400C, tốc độ gió . Màu sắc,
mùi vị, hàm lượng chất dinh dưỡng và trạng thái vật sấy được bảo toàn hơn hẳn các
công nghệ sấy nóng truyền thống, ngay cả khi so sánh với kỹ thuật sấy hiện đại bằng
tia hồng ngoại. Dưới đây là bảng so sánh các phương pháp sấy khác nhau với phương
pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp của Viện Công Nghệ Thực Phẩm, sở
Công Nghiệp Hà Nội.
Bảng1.1: Đánh giá so sánh chất lượng sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt sấy lạnh với
phương pháp sấy nóng truyền thống và sấy hồng ngoại
Thứ
tự
Phương Pháp sấy
Chỉ tiêu so sánh
Sấy nóngSấy thăng hoa
và chân không
Sấy lạnh sử dụng
máy hút ẩm kết
hợp máy lạnh
1Chất lượng sản phẩm (màu
sắc, mùi vị, vitamin)
Kém hơn
rất nhiềuTốt hơn Bằng nhau
21
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
2 Giá thành sản phẩm Thấp hơn Đắt hơn nhiều Đắt hơn
3 Thời gian sấy Ngắn hơn Ngắn hơnLớn hơn hoặc
bằng
4 Chi phí đầu tư ban đầuThường
thấp hơnCao hơn nhiều Cao hơn
5 Chi phí vận hành, bảo dưỡngThường rẻ
hơnĐắt hơn nhiều Đắt hơn
6
Khả năng điều chỉnh nhiệt
độ tác nhân sấy theo yêu cầu
công nghệ
Khó hơn Khó hơn Khó hơn
7 Vệ sinh an toàn thực phẩmThường
kém hơnTốt hơn Bằng nhau
8 Bảo vệ môi trườngThường
kém hơnNhư nhau Kém hơn
9 Phạm vi ứng dụng Rộng hơn Hẹp hơn Hẹp hơn
Kết luận:
So với sấy lạnh sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hơp máy lạnh:
Sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp tỏ ra ưu thế vượt trội về chi phí đầu tư
ban đầu, giảm tiêu hao điện năng. Do vậy, với điều kiện của Việt Nam thì nên dùng
phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp. Trong thực tế, ở một số nhà
máy nhập dây chuyền công nghệ sấy sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp với
máy sấy không đạt hiệu quả và đã chuyển sang dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp.
So với sấy thăng hoa và sấy chân không:
22
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Chất lượng sản phẩm của hai phương pháp này thường tốt hơn sấy lạnh sử dụng
bơm nhiệt nhiệt độ thấp nhưng các chỉ tiêu quan trong 2 và 5 lại kém hơn nên chỉ áp
dụng hai phương pháp này khi yêu cầu về chất lượng sản phẩm rất cao (chỉ tiêu 1,
7), còn lại nên sử dụng phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp.
So sánh với sấy nóng
Nhìn chung, có một số vật liệu sấy lạnh không có hiệu quả như sấy gỗ, các loại hoa
quả có vỏ dày thì buộc phải sử dụng sấy nóng. Đối với các vật liệu còn lại, nếu vật
liệu sấy nhạy cảm với nhiệt, dễ mất màu, dễ mất mùi, chất dinh dưỡng, giá thành
sản phẩm được thị trường chấp nhận và thời gian sấy không đòi hỏi phải nhanh thì
nên sấy bằng phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp.
Như vậy, phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp tỏ ra có hiệu quả,
nhất là đối với một số sản phẩm đặc thù (nhạy cảm với nhiệt độ) Do đó, tùy vào
từng trường hợp cụ thể, xem xét các chỉ tiêu trong bảng trên, chỉ tiêu nào là quan
trọng thì quyết định phương pháp sấy phù hợp
1.6 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH
Ưu điểm của công nghệ sấy lạnh là có thể xây dựng được từng quy trình công nghệ
sấy hợp lý đối với từng loại rau, củ, quả. Sau khi sấy, nông sản, thực phẩm giữ được
nguyên màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng thất thoát không đáng kể (khoảng
5%), đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm của Việt Nam và các chỉ tiêu kỹ thuật,
chất lượng sản phẩm tương đương một số nước khác trên thế giới.
Việt Nam là một nước có khí hậu nóng ẩm, vì thế máy sấy lạnh là công nghệ đặc biệt
phù hợp với các loại nông sản, thực phẩm, đảm bảo được chất lượng cũng như hàm
lượng dinh dưỡng, màu sắc, mùi vị cho sản phẩm. Đối với các sản phẩm như củ cà rốt,
thì là, hành hay các loại kẹo chocolate, kẹo Caramen, Jelly... Môi trường chế biến
những sản phẩm này yêu cầu về nhiệt độ không được quá cao và độ ẩm phải nhỏ hơn
45-50%. Tính mới của công nghệ này là quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp,
tạo môi trường nhiệt độ cùng chiều với môi trường độ ẩm để tăng cường độ sấy. Ngoài
23
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
ra, công nghệ này có nhiều ưu điểm kỹ thuật khác như: hút ẩm nhưng không làm tăng
nhiệt độ môi trường như máy hút ẩm thông thường, sấy khô được các sản phẩm không
cho phép làm khô trong môi trường nhiệt độ cao.
CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH TRONG
CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN RAU QUẢ VIỆT NAM
2.1 ĐẶC TRƯNG CỦA NỀN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
Việt Nam là một nước nông nghiệp có điều kiện khí hậu đa dạng với nhiều vùng tiểu
khí hậu: ôn đới và nhiệt đới, có thể trồng và thu hoạch rau quả quanh năm. Với việc
thay đổi về tổ chức, quản lý kinh tế, trong 10 năm trở lại đây ngành nông nghiệp của
Việt Nam phát triển tương đối mạnh mẽ.
24
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Song vấn đề tiêu thụ các sản phẩm rau quả hiện nay đang gặp nhiều khó khăn, trở
ngại. Tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch là rất lớn: 25 – 30%. Nguyên nhân chính là do công
nghệ chế biến và bảo quản của chúng ta còn lạc hậu nên đã làm cho rau quả của Việt
Nam có giá trị thấp trong thị trường trong nước cũng như xuất khẩu, điều này ảnh
hưởng trực tiếp đến đời sống của người nông dân, vì vậy việc nghiên cứu đưa ra các
quy trình công nghệ cũng như ứng dụng triển khai - chuyển giao các kết quả nghiên
cứu, các quy trình công nghệ bảo quản hay chế biến rau quả, đóng vai trò hết sức quan
trọng trong chiến lức phát triển ngành rau quả. Hiện nay, việc phổ biến những kiến
thức khoa học và chuyển giao các kết quả nghiên cứu chưa tương xứng với vai trò và
tiềm năng của nó.
Rau quả hiện nay vẫn chủ yếu được sử dụng ở dạng tươi, mà như đã biết rau quả là
loại sản phẩm có tính thời vụ, thời gian thu hoạch ngắn, khả năng vận chuyển và bảo
quản hạn chế, trong khi kỹ thuật bảo quản rau quả tươi vẫn chỉ dựa vào các kinh
nghiện cổ truyền, mang tính thủ công chấp vá. Các kinh nghiệm truyền thống trong
bảo quản quả như dùng cát, vôi, đào hầm cũng kéo dài thời gian bảo quản, nhưng hiệu
quả không cao (do thời gian bảo quản ngắn và chất lượng không đảm bảo), không giải
quyết được vấn đề điều hòa việc phân phối và tiêu thụ sản phẩm cũng như chế biến.
Nhiều nơi người nông dân không nắm bắt được các biện pháp kỹ thuật chăm sóc, hạn
chế hư hỏng trong giai đoạn trước khi thu hoạch, cho nên sản phẩm cho chất lượng
xấu. Điều này làm giảm giá trị của sản phẩm cũng như ảnh hưởng tới khả năng tồn trữ
sau thu hoạch. Việc xác định thời điểm thu hái, cách thu hái cũng là vấn đề quan trọng,
bởi vì việc này không chỉ làm tăng giá trị thương phẩm trong việc tăng khả năng bảo
quản rau quả sau khi thu hoạch.
Nhìn chung, công nghiệp chế biến rau quả của Việt Nam còn nhỏ bé, chưa tương xứng
với tiềm năng sản xuất rau quả; sức cạnh tranh còn thấp, chủng loại sản phẩm còn đơn
điệu, giá thành cao chưa đáp ứng được nhu cầu của thị trường trong và ngoài nước.
2.2 CÁC NGUYÊN LÝ CHUNG BẢO QUẢN RAU QUẢ
25
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Kỹ thuật bảo quản thực phẩm con người biết được bắt nguồn từ tự nhiên. Trong vùng
lạnh, nhiệt độ thấp giúp giữ được chất lượng trong thời gian dài cho những thực phẩm
dễ bị hư hỏng. Không chỉ có vậy, vùng nóng ánh sáng mặt trời chiếu xuống làm khô
những loại thực phẩm dễ hư hỏng như các loại rau quả. Các sản phẩm khô cũng có thể
giữ được trong thời gian dài hơn. Trong thời gần đây, có nhiều công nghệ bảo quản
thực phẩm đươc đưa ra dựa trên nền tảng khoa học đúng đắn. Kết quả, công nghiệp
bảo quản thực phẩm ngày nay có thể là ngành công nghiệp rộng lớn nhất trên thế giới.
2.2.1 Những nguyên nhân gây hư hỏng rau quả
Nói chung thực phẩm được coi như là hư hỏng khi chúng tự thối hỏng hoặc bị làm thối
hỏng. Thức phẩm được coi là không có giá trị vì lý do vệ sinh mà không cần phân loại
hư hỏng. Thực phẩm bị hư hỏng có thể do một hoặc nhiều nguyên nhân.
Sự phát triển và hoạt động của vi sinh vật. Thông thường, vi khuẩn làm cho
thực phẩm hư hỏng một cách liên tục.
Côn trùng, các loài gặm nhấm hoặc các động vật khác.
Hoạt động của enzyme có sẵn trong cây, vi khuẩn hoặc động vật trong thực
phẩm.
Các phản ứng hóa học mà không cần xúc tác của các enzyme trong mô tế bào
động vật, thực vật hoặc các vi sinh vật khác.
Thay đổi tính chất vật lý do các nguyên nhân: cháy, sấy khô, áp suất, làm lạnh
đông,…
Phân loại thực phẩm dựa vào tính ổn định và mức độ thối hỏng. Các thực phẩm khó
hỏng (không dễ hỏng nếu được bảo quản đúng cách: đường, bột, đậu khô,…). Các thực
phẩm tương đối dễ hỏng nếu sử dụng và bảo quản không đúng cách (khoai tây, quả có
vỏ cứng,…). Các thực phẩm dễ hỏng (các thực phẩm này dễ hư hỏng trừ khi được bảo
quản đúng cách bằng các phương pháp đặc biệt (thịt, sữa và hầu hết các loại rau)
2.2.2 Các nguyên tắc bảo quản rau quả
Bảo quản thực phẩm bằng nhiều phương pháp khác nhau, có 3 nguyên tắc chính gồm:
26
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Ức chế hoặc ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm.
Ức chế hoặc ngăn ngừa sự tự thối hỏng của thực phẩm.
Ngăn ngừa những nguyên nhân gây hại như côn trùng, chuột bọ, chim, hóa
chất,…
Bảng 2.1: Các nguyên tắc bảo quản thực phẩm và rau quả
1
Ức chế ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm
Ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm bằng cách vô trùng thực
phẩm.
Ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng bằng cách loại bỏ vi sinh vật.
Ức chế vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm bằng cách cản trở sự sinh
trưởng và hoạt động của chúng.
Ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm bằng cách tiêu diệt vi
sinh vật.
2
Ức chế hoặc ngăn ngừa sự tự thối hỏng của thực phẩm.
Ức chế hoặc ngăn ngừa thực phẩm tự hỏng bằng cách phá hủy hoặc vô
hoạt các enzyme có trong thực phẩm.
Ức chế hoặc ngăn ngừa thực phẩm tự hư hỏng bằng cách ức chế hoặc
ngăn ngừa các phản ứng hóa học trong thực phẩm.
3Ngăn ngừa những nguyên nhân gây hại như côn trùng, chuột bọ, chim
chóc, hóa chất,…
2.3 CÔNG NGHỆ LÀM KHÔ NÔNG SẢN
2.3.1 Những biến đổi hóa, lý trong quá trình bảo quản nông sản phẩm
Bất kì một loại nông sản phẩm nào, trong thành phần của nó đều có chứa các nhóm
hợp chất hữu cơ như protein, gluxit, lipid, vitamin, axit hữu cơ và các chất khoáng, các
sắc tố v.v… với tỷ lệ khác nhau. Do đó muốn bảo quản tốt từng loại sản phẩm cần
nghiên cứu kỹ thành phần hóa học và những biến đổi của nó dưới tác động của các
27
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
nhân tố bên ngoài. Thông thường trong thành phần của chúng có chứa những hợp chất
sau:
a) Nước
Tuyệt đại đa số nông sản phẩm đều có chứa một lượng nước nhất định, nó thay đổi
tùy theo hình thái giải phẩu và trạng thái keo ưa nước trong tế bào sản phẩm. Có
những loại chứa nhiều nước như rau quả tươi chứa 65-95% nước, hạt lương thực chứa
tương đối ít hơn từ 11-20%. Nhưng nhìn chung trong tế bào các loại nông sản phẩm
đều có chứa các dạng nước sau đây: (theo phân loại của viện sĩ P.A Rebinde)
Nước liên kết hóa học: Được đặc trưng bằng quan hệ định lượng rất chính xác
giữa sản phẩm và nước. Đây là loại liên kết rất bền vững. Ví dụ: Na3CO3.3H2O.
Nếu muốn tách lượng nước này phải bằng cách đem nung lên hoặc bằng các tương
tác hóa học khác.
Nước liên kết hóa lý: Kết hợp với vật liệu không theo một tỷ lệ nhất định. Nó bao
gồm có nước hấp thụ, nước thẩm thấu, nước cấu trúc. Muốn tách lượng nước này
ra cần tiêu hao một năng lượng để biến nó thành thể hơi. Dạng nước này kém bền
hơn.
Nước liên kết cơ học: Loại này kết hợp với sản phẩm không theo một lượng nhất
định, chính là lượng nước tự do trong sản phẩm đây là dạng kém bền vững nhất.
Nó được chuyển dịch trong sản phẩm ở dạng thể lỏng. Muốn tách ra phải bằng
cách sấy khô ở nhiệt độ 105oC.
Hàm lượng nước trong sản phẩm cao hay thấp có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và
khả năng bảo quản của chúng. Đối với những sản phẩm có hàm lượng nước cao, việc
bảo quản khó khăn hơn vì nước chính là một môi trường thuận lợi để vi sinh vật hoạt
động, làm cho chất lượng sản phẩm bị giảm xuống
b) Những hợp chất có Nitơ và sự biến đổi trong quá trình bảo quản
28
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Protein là hợp chất chứa Nitơ chủ yếu trong nông sản phẩm và nó là thành phần dinh
dưỡng chủ yếu của những sản phẩm có hạt. Nó có giá trị dinh dưỡng cao. Các loại sản
phẩm khác nhau, hàm lượng protein chứa trong chúng khác nhau. Lúa chứa 7-10%,
ngô 10-12%, cao lương 10-13%, đậu Hà Lan 22-26%, đậu tương 36-42%, càrốt 2%
các loại quả chỉ dưới 1% (Tất cả tính theo % trọng lượng chất khô).
Trong thành phần protein có mặt đầy đủ các nhóm: albumin, prolamin, glutein,
globulin.
- Trong albumin có chứa các axít amin không thay thế
- Prolamin cứ nhiều trong các cây hòa thảo, đặc biệt thành phần protein chứa
trong hạt ngô thì nhóm này chủ yếu chiếm tới 50% đó là zein của ngô.
- Globulin có chứa nhiều trong hạt có dầu, hạt cây họ đậu như đậu tương, protein
trong đậu tương. Protein trong đậu tương có đủ 8 axit amin không thay thế.
- Glutelin cũng là protein đặc trưng của hạt cây hòa thảo, đặc bệt người ta chú ý
tới gluten của lúa mì.
Ở rau quả hàm lượng protein rất ít, chỉ chiếm khoảng 1-2%, thường chủ yếu ở các loại
rau cao cấp như suplơ, càrốt, khoai tây… tuy vậy nó có giá trị dinh dưỡng rất cao.
Trong quá trình bảo quản, nói chung Nitơ tổng số hầu như không thay đổi hoặc thay
đổi rất ít, nhưng Nitơ protein hòa tan thay đổi khá nhiều, chúng phân giải thành các
axit amin làm cho hàm lượng axit amin tăng lên. Do đó lượng Nitơ protein giảm
xuống và Nitơ phiprotein trong quá trình này cũng tăng lên một cách rõ rệt. Trong
những công trình nghiên cứu của Gasiorowski về hạt lúa mì bảo quản ở trạng thái tươi
ẩm trong các kho kín hoàn toàn, ông đã phát hiện thấy sự tăng lên của hàm lượng Nitơ
phiprotein sau 15 tuần lễ bảo quản.
Theo những số liệu nghiên cứu về bảo quản khoai tây khô (Trần Minh Tâm 1979-
1983) thấy rằng hàm lượng Nitơ tổng số thay đổi rất ít trong quá trình bảo quản, hàm
lượng Nitơ protein và phiprotein biến động nhiều hơn. Hàm lượng Nitơ protein giảm
29
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
đi một cách rõ rệt theo thời gian bảo quản, từ đó tỉ lệ giữa Nitơ protein/Nitơ phi
protein giảm xống tương ứng.)
Theo tài liệu của Mori (1944) phát hiện thấy rằng trong thời gian cất giữ, đối với các
loại cây ngũ cốc họ đậu, hạt của bong, thì Nitơ protein giảm, còn Nitơ phiprotein tăng
lên, liên kết S-H giảm và có thể chuyển thành S-S. Sự thay đổi này, một mặt là do hô
hấp oxy và một mặt là do tác dụng của mem.
Sự chuyển hóa các chất có Nitơ trong sản phẩm còn phụ thuộc vào phương pháp bảo
quản khác nhau.
Đối với rau quả nếu dùng C2H4 để bảo quản, có thể thúc đẩy sự tăng của hàm lượng
Nitơ protein, còn nếu dùng CO2 để bảo quản thì lại giảm. Trong điều kiện bảo quản
thoáng, quá trình phân giải Nitơ protein mạnh hơn bảo quản kín và đối với hạt giống
có tinh bột thì quá trình này mạnh hơn hạt giống thường.
2.3.2 Công nghệ làm khô vật liệu sấy
Với tính chất là một đối tượng sấy, ta có thể chia nông sản Việt Nam ra làm mấy dạng
sau:
Dạng hạt: lúa, ngô, các loại đậu, lạc và cà phê,...
Dạng củ: khoai lang, sắn, khoai tây, cà rốt, củ cải,... Khi sấy các nông sản loại
này thường tiến hành dưới dạng lát hoặc sợi.
Dạng quả: chuối, mơ, mận,... Khi sấy nông sản loại này người ta thường sấy
nguyên cả quả hoặc chỉ bóc vỏ (như chuối).
Dạng rau, lá: su hào, chè, thuốc lá, các loại rau thơm,... Các dạng nông sản loại
này thường được sấy nguyên dạng (thuốc lá) hoặc băm nhỏ (bắp cải).
Dạng tinh bột hay nhũ tương hoặc purê. Đây là những chế phẩm từ nông sản.
Sấy các sản phẩm này thường dùng các loại sấy phun hoặc sấy tầng sôi.
Một số tính chất của rau quả liên quan đến quá trình sấy
30
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Trong quá trình sấy rau quả xẩy ra một loạt biến đổi hóa sinh, hóa lý, cấu trúc cơ học
và các biến đổi bất lợi khác, làm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Những biến đổi
cơ học bao gồm sự biến dạng, nứt, cong queo, biến đổi độ xốp... Sự thay đổi hệ keo do
pha rắn (protein, tinh bột, đường,..) bị biến tính thuộc về những biến đổi hóa lý. Những
biến đổi hóa sinh trong quá trình sấy là những phản ứng tạo thành melanoidin,
caramen, những phản ứng ôxy hóa và polyme hóa các hợp chất polifenol, phân hủy
vitamin và biến đổi chất màu.
Hàm lượng vitamin trong rau quả sấy thường thấp hơn trong rau quả tươi vì chúng bị
phá hủy một phần trong quá trình sấy và xử lý trước khi sấy. Trong các vitamin thì axit
ascobic và caroten bị tổn thất là do quá trình ôxy hóa. Riboflavin nhạy cảm với ánh
sáng, còn thiamin bị phá hủy bởi nhiệt và sự sunfit hóa.
Duy trì màu xanh tự nhiên của clorofil liên quan trực tiếp đến sự bảo tồn magiê trong
phân tử chất màu. Trong điều kiện nóng ẩm, nhất là có sự tham gia của môi trường
axit, clorofil biến thành pheophitin có màu sẫm do mất magiê. Khi sấy, caritionit bị
biến đổi, nhiệt độ sấy càng cao và thời gian sấy càng dài thì sắc tố này càng bị biến đổi
mạnh. Antoxian cũng bị biến đổi trong quá trình sấy và khi xử lý SO2 thì nó bị bạc
màu. Trong quá trình sấy, rau quả thường bị chuyển sang màu nâu đen do phản ứng
giữa đường khử và các axit amin hoặc do sự khử nước của đường dưới tác dụng của
nhiệt độ, do pirocatexin bị oxy hóa hay bị trùng hợp.
Để tránh hoặc làm chậm các biến đổi không thuận nghịch ấy, cũng như tạo điều kiện
để ẩm thoát ra khỏi rau quả một cách dễ dàng, cần có chế độ sấy thích hợp cho từng
loại sản phẩm.
Nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ sấy càng nhanh, quá trình càng có hiệu quả cao.
Nhưng không thể sử dụng nhiệt độ sấy cao cho sấy rau quả vì rau quả là sản phẩm chịu
nhiệt kém: Trong môi trường ẩm, nếu nhiệt độ cao hơn 60oC thì protein đã bị biến tính;
trên 90oC thì fructoza bắt đầu bị caramen hóa, các phản ứng tạo ra melanoidin, polime
hóa các hợp chất cao phân tử xảy ra mạnh. Còn ở nhiệt độ cao hơn nữa, rau quả có thể
31
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
bị cháy Vì vậy, để sấy rau quả thường dùng chế độ sấy ôn hòa, nhiệt độ sấy không quá
cao.
Lý thuyết sấy rau quả
Sấy rau quả thông thường được thực hiện ở 3 dạng chủ yếu: dạng nguyên (hoặc
miếng); dạng bản mỏng và dạng bột hoặc nhũ tương.
Tuỳ theo dạng sản phẩm, công nghệ sấy rau quả có sơ đồ chung như sau:
Rau quả tươi sau khi rửa sạch được loại bỏ phần không đủ tiêu chuẩn, được
phân cỡ theo kích thước, làm sạch, cắt miếng. Sau đó rau quả được chần (hấp), xử lý
hoá chất. Tiếp theo, các hình thức sản phẩm khác nhau được chế biến theo các sơ đồ
khác nhau.
Trong khi chần (hấp), do tác dụng của nhiệt và ẩm nên tính chất hoá lý của
nguyên liệu bị biến đổi có lợi cho sự thoát nước khi sấy. Đồng thời vi sinh vật bị tiêu
diệt và hệ thống enzim trong nguyên liệu bị mất hoạt tính, hạn chế tối đa khả năng
biến màu trong khi sấy rau quả và rút ngắn thời gian sấy. Ngoài ra quá trình chần làm
giảm độ hút ẩm của rau quả khô.
Trong công nghiệp sấy rau quả, để ngăn ngừa quá trình oxy hoá làm biến màu
rau quả khi sấy, người ta sử dụng các chất chống oxy hoá như axit sunfurơ, axit
ascobic, axit xitric và các muối natri của axit Sunfurơ (như sunfit, bisunfit,
metabisunfit, ...) để xử lý hoá chất cho rau quả trước khi sấy.
Yếu tố tác động nhiều đến chất lượng sản phẩm rau quả khô là nhiệt độ sấy,
nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ sấy càng nhanh, quá trình càng có hiệu quả cao, nhưng
không thể sử dụng nhiệt độ cao cho rau quả vì rau quả là sản phẩm chịu nhiệt kém:
trong môi trường ẩm, nếu nhiệt độ cao hơn 600C thì Protein đã bị biến tính; Trên 90oC
thì fructoza bắt đầu bị caramen hoá, các phản ứng tạo ra melanoidin, polime hoá các
chất cao phân tử xảy ra mạnh. Còn ở nhiệt độ cao hơn nữa, rau quả có thể bị cháy. Do
vậy để sấy rau quả cần dùng chế độ ôn hoà, nhiệt độ sấy không quá cao.
32
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Ở đây, bằng thiết bị sấy chân không, dưới điều kiện chân không thấp, nhiệt độ
hóa hơi của nước sẽ rất thấp, làm tăng cường quá trình thoát ẩm trong vật, do vậy
phương pháp sấy chân không có thể tiến hành sấy ở nhiệt độ thấp hơn hơn nhiệt độ
môi trường. Vì thế sản phẩm sấy chân không không bị tác động gây biến tính của nhiệt
độ cao và luôn giữ được gần như đầy đủ các tính chất đặc trưng ban đầu.
2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy
a) Nhiệt độ sấy
Yếu tố ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm rau quả khô là nhiệt độ sấy. Nếu
nhiệt độ sản phẩm trong quá trình sấy cao hơn 60 oC thì prôtêin bị biến tính. Nếu trên
90oC thì fruetoza bắt đầu bị caramen hoá, các phản ứng tạo ra mebanoizin, polime hoá
hợp chất cao phân tử ... xảy ra mạnh và ở nhiệt độ cao hơn nữa rau quả có thể bị cháy.
Rau quả đòi hỏi có chế độ sấy ôn hoà (nhiệt độ thấp). Nếu loại rau quả ít thành phần
protêin thì nhiệt độ đốt nóng sản phẩm có thể lên đến 80-90 oC. Nếu tiếp xúc nhiệt
trong thời gian ngắn như sấy phun thì nhiệt độ sấy có thể lên đến 150 oC. Đối với sản
phẩm không chần như chuối, đu đủ thì có thể sấy nhiệt độ cao, giai đoạn đầu 90-100 oC, sau đó giảm dần xuống.
Quá trình sấy còn phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt của vật liệu sấy. Nếu tốc độ tăng
nhiệt quá nhanh thì bề mặt mặt quả bị rắn lại và ngăn quá trình thoát ẩm. Ngược lại,
nếu tốc độ tăng chậm thì cường độ thoát ẩm yếu.
b) Độ ẩm không khí
Muốn nâng cao khả năng hút ẩm của không khí thì phải giảm độ ẩm tương đối của nó
xuống. Có 2 cách làm giảm độ ẩm tương đối của không khí:
Tăng nhiệt độ không khí bằng cách dùng calorife
Giảm nhiệt độ không khí bằng cách dùng máy hút ẩm
Thông thường khi vào lò sấy, không khí có độ ẩm 10 - 13%. Nếu độ ẩm của không khí
quá thấp sẽ làm rau quả nứt hoặc tạo ra lớp vỏ khô trên bề mặt, làm ảnh hưởng xấu đến
33
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
quá trình thoát hơi ẩm tiếp theo. Nhưng nếu độ ẩm quá cao sẽ làm tốc độ sấy giảm.
Khi ra khỏi lò sấy, không khí mang theo hơi ẩm của rau quả tươi nên độ ẩm tăng lên
(thông thường khoảng 40 - 60%). Nếu không khí đi ra có độ ẩm quá thấp thì sẽ tốn
năng lượng; ngược lại, nếu quá cao sẽ dễ bị đọng sương, làm hư hỏng sản phẩm sấy.
Người ta điều chỉnh độ ẩm của không khí ra bằng cách điều chỉnh tốc độ lưu thông của
nó và lượng rau quả tươi chứa trong lò sấy.
c) Lưu thông của không khí
Trong quá trình sấy, không khí có thể lưu thông tự nhiên hoặc cưỡng bức. Trong các lò
sấy, không khí lưu thông tự nhiên với tốc độ nhỏ (nhỏ hơn 0,4m/s), do vậy thời gian
sấy thường kéo dài, làm chất lượng sản phẩm sấy không cao. Để khắc phục nhược
điểm này, người ta phải dùng quạt để thông gió cưỡng bức với tốc độ trong khoảng 0,4
- 4,0 m/s trong các thiết bị sấy. Nếu tốc độ gió quá lớn (trên 4,0 m/s) sẽ gây tổn thất
nhiệt lượng.
d) Độ dày của lớp sấy
Độ dày của lớp rau quả sấy cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy. Lớp nguyên liệu càng
mỏng thì quá trình sấy càng nhanh và đồng đều, nhưng nếu quá mỏng sẽ làm giảm
năng suất của lò sấy. Ngược lại, nếu quá dày thì sẽ làm giảm sự lưu thông của không
khí, dẫn đến sản phẩm bị "đổ mồ hôi" do hơi ẩm đọng lại. Thông thường nên xếp lớp
hoa quả trên các khay sấy với khối lượng 5 – 8 kg/m2 là phù hợp.
2.4 Một số phương pháp sấy rau quả
2.4.1 Phương pháp sấy bằng không khí
Công việc này được tiến hành bằng cách trải rau quả lên các loại bề mặt ở ngoài trời
để nhận ánh sang mặt trời trực tiếp. Tuy nhiên, sản phẩm có chất lượng kém do đó khó
kiểm soát được vấn đề vệ sinh, điều chỉnh độ ẩm, nhiệt độ và tốc độ sấy.
34
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Người ta chế tạo máy sấy dung năng lượng mặt trời nhằm khắc phục những nhược
điểm trên. Thiết bị này sử dụng một cơ cấu rất đơn giản có tác dụng tăng cường nhiệt
từ mặt trời và bảo vệ sản phẩm.
Cần chú ý phân biệt giữa sấy trực tiếp và sấy gián tiếp bằng năng lượng mặt trời. Đối
với sấy trực tiếp, sản phẩm được đặt dưới ánh nắng mặt trời và kết quả là sẽ thay đổi
về màu sắc, thành phầm vitamin. Đối với sấy gián tiếp, nguyên liệu này được bảo vệ
khỏi ánh sáng trực tiếp từ mặt trời. Ở phương pháp này, người ta sử dụng một phòng
riêng để thu nhận nhiệt lượng từ mặt trời và tại đó, không khí được cấp nhiệt rồi thổi
qua phòng chứa sản phẩm.
Máy sấy cơ học dùng nhiên liệu để đốt nóng không kí một cách trực tiếp, thực phẩm
được sấy bằng khí đốt, hoặc một cách gián tiếp thực phẩm được sấy bằng không khí
nóng do khí đốt. Hai hình thức này đều có khả năng kiểm soát tốt hơn so với sấy bằng
mặt trời và có thể tiến hành cả ngày lẫn đêm, không phụ thuộc vào thời tiết. Tuy nhiên,
chi phí đầu tư và vận hành cho thiết bị này khá cao. Đối với các sản phẩm đã được lựa
chọn phân loại tốt từ nguyên liệu ban đầu, công đoạn rửa và xử lý cũng quan trọng như
công đoạn sấy.
a) Phương pháp sấy lát
Phương pháp này tiến hành sấy một hoặc hỗn hợp nhiều loại rau quả (đã được xử lý
bằng dioxyt sunfua nhằm hạn chế mất màu và vi sinh vật phát triển) ở dạng lát mỏng.
Loại này thường được dùng như thực phẩm ăn nhẹ, có thể tăng độ ngọt bằng cách bổ
sung đường vào nguyên liệu ban đầu hoặc thay đổi thành phần như thêm hạnh nhân,
dừa nạo hay bột gia vị.
b) Phương pháp sấy bổ sung
Ví dụ như chuối đã được sấy trước đó nhằm loại bỏ lớp đường dính tiếp tục được sấy
bổ sung. Việc đóng gói và bảo quản sản phẩm sấy khô đòi hỏi nhiều yêu cầu.
Sản phẩm sau khi sấy cần được bảo quản tránh ánh sáng mặt trời, độ ẩm và nhiệt độ
nhằm ngăn ngừa sự giảm hương vị và hư hỏng. Người ta thường dùng dụng cụ chứa
35
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
bằng gốm, thủy tinh, kim loại hay nhựa cho tới khi chúng được đóng hộp. Giải pháp rẻ
nhất là sử dụng túi màng mỏng PE với điều kiện phải được ghép mệng bằng. Nơi bảo
quản cần thoáng mát, tránh xa ánh sáng mặt trời, côn trùng và loài gặm nhấm. Đa số,
sản phẩm sấy đều ổn định chất lượng trong nhiều tuần.
2.5 Vai trò của công nghệ sấy lạnh đối với công nghiệp chế biến và bảo
quản rau quả
2.5.1 Sử dụng bơm nhiệt trong bảo quản rau quả
Bơm nhiệt đã được nghiên cứu sử dụng trong nông nghiệp vào những năm 1950 và đã
có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như trong trại sản xuất bơ sữa, sấy ngũ cốc, gỗ
xây dựng, vv… Hầu hết các nghiên cứu trước đây chỉ phác thảo nên những lợi ích ban
đầu của việc sử dụng bơm nhiệt trong việc tái sử dụng nguồn năng lượng, nhưng thực
tế thấy rằng nó không kinh tế khi so sánh với giá nhiên liệu cùng thời điểm. Giá chi
phí nhiên liệu tăng cao vì cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970 bắt đầu hồi
sinh lại bơm nhiệt, và người ta bắt đầu sử dụng nó để khử ẩm. Việc suy giảm nguồn
cung cấp nguyên liệu hóa thạch và những nhu cầu về việc bảo tồn nguồn năng lượng
đã thúc đẩy những nghiên cứu về việc sử dụng nguồn nhiên liệu thay thế cho việc sấy
khô ngũ cốc. Từ đó, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong lĩnh vực này, và các
quy trình khác nhau được phát triển cho nhiều ứng dụng sấy khác nhau như là sấy gỗ
và mạch nha ở Đức, sấy cá ở NaUy, và điều hòa không khí, khử ẩm cho các nhà kho
và các nhà kính (Toel và các công sự, 1988). Ở NaUy sấy ở nhiệt độ thấp đã được
nghiên cứu sử dụng một máy sấy sử dụng bơm nhiệt, và các vật liệu sinh học được sấy
khô tại nhiệt độ thấp khoảng -250C (Alves-Fiho và Strommen, 1996a,b).
2.5.2 Dự đoán và mô hình hóa hệ thống sấy bơm nhiệt
Việc nghiên cứu và phân tích các chế độ trong quá trình sấy là cần thiết cho sự tối ưu
hóa và thiết kế quy mô lớn. Tuy nhiên, việc mô tả cơ học rõ ràng của quá trình sấy các
sản phẩm rau củ còn liên quan đến việc nghiên cứu những ứng dụng trên quy mô lớn
36
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
vốn cần phương pháp thiết kế và nghiên cứu. Farkas (2000) đã xuất bản tác phẩm mô
tả phương pháp mô hình hóa. Hầu hết mọi phương pháp mô hình hóa đều bám vào các
khái niệm về sự khuếch tán của nước trong phạm vi vật liệu sấy (Sherwood, 1936),
một cách tiếp cận gây sự tranh cãi với hầu hết những quan niệm trước đây (Hougen,
1940). Một điều thuận lợi to lớn ở đây là việc tính toán số học được thực hiện bởi máy
tính như là một công cụ giúp cho việc nghiên cứu để có thể giải quyết các phương
trình phức tạp của hệ thống trong các mô hình này. Gần đây, có nhiều dấu hiệu về sự
thay đổi cơ bản từ độ chênh lệch tập trung đến độ chênh lệch điện áp hóa học (Gekas,
2001).Dữ liệu độ khuếch tán ẩm từ những nguồn khác nhau được biên soạn bởi Mittal
(1999) và Zogas (1996).
Trong quy trình sấy sử dụng bơm nhiệt hỗ trợ, hai thành phần đó là, bơm nhiệt và vật
liệu sấy thực tế, được xử lý một cách riêng rẽ. Sự mô tả tổng hợp có thể là quá phức
tạp để có các giá trị thực tế. Các nghiên cứu trước đây về hệ thống sấy sử dụng bơm
nhiệt chỉ chú tâm đến phần đánh giá khả năng hoạt động. Bản thân bơm nhiệt được
quan tâm cả về khả năng khử ẩm và gia nhiệt, và điểm đặc biệt của bơm nhiệt thường
được nhắc tới mà không để ý đến giai đoạn cuối của quá trình sấy. Strommen (1986)
đề xuất về phần hiệu suất nhiệt, là một thiết bị cho biết độ khử ẩm của không khí.
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG QUY TRÌNH SẤY ĐỐI VỚI MỘT
SỐ LOẠI SẢN PHẨM NÔNG NGHIỆP
3.1 Ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm
Tất cả các sản phẩm đều chịu biến đổi trong quá trình sấy và bảo quản sau đó. Yêu cầu
đặt ra đối với quá trình sấy là bảo vệ tới mức tốt nhất chất lượng, hạn chế những hư hại
trong quá trình sấy, bảo quản đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế một cách tối ưu
nhất.
Xét về cơ bản những thay đổi trong quá trình sấy có thể chia ra:
37
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Những thay đổi lý học: sứt mẻ, gãy, vỡ,…
Những thay đổi hóa lý: trạng thái tính chất của những keo cao phân tử bị thay
đổi.
Những thay đổi hóa sinh: do sự oxi hóa của chất béo, phản ứng sẫm màu phi
enzim, phản ứng enzim,…
Những thay đổi do vi sinh vật
Những thay đổi đó làm thay đổi cấu trúc màu sắc mùi vị, giá trị dinh dưỡng và có ảnh
hưởng đến tính hồi nguyên của sản phẩm sau khi sấy. Các phương pháp sấy khác nhau
có những ưu điểm và nhược điểm trong quá trình sấy các sản phẩm rau quả. Trong đó,
phương pháp sấy nóng đáp ứng được các yêu cầu về năng suất, thời gian sấy nhưng lại
không đáp ứng tốt các đòi hỏi về chất lượng sản phẩm. Ngược lại, đối với các sản
phẩm sấy kén nhiệt đòi hỏi phải có quy trình sấy phù hợp hơn. Công nghệ sấy lạnh là
một công nghệ mới được dùng để giải quyết các vấn đề không thể giải quyết đối với
công nghệ sấy nóng. Từ nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh những ưu điểm vượt
trội của công nghệ sấy lạnh trong quá trình xây dựng quy trình sấy đối với các loại rau
củ quả có giá trị kinh tế khác nhau.
Ý nghĩa:
Bảo quản hiệu quả
Hạn chế tổn thất sau thu hoạch
Sử dụng thuận tiện
3.2 Sơ đồ công nghệ sấy rau quả
Rau quả (phải thích hợp cho quá trình sấy)
Làm sạch (khô, ướt)
Lựa chọn phân loại (theo kích thước)
Gọt sửa
38
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Cắt, thái (tùy theo yêu cầu)
Chần, hấp (tùy theo yêu cầu)
Xử lý hóa học (nếu cần)
Chà Chà ép
Sấy Sấy Cô đặc
Làm nguội Làm nguội Cô đặc
Sấy
Phân loại Phân loại Phân loại
Ép bánh Nghiền nhỏ
Đóng gói Đóng gói Đóng gói
Sản phẩm Sản phẩm dạng Sản phẩm
dạng nguyên bản mỏng dạng bột
3.3 Các ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm
3.3.1 Ảnh hưởng đến cấu trúc
Thay đổi về cấu trúc của các vật liệu rắn là một trong những nguyên nhân quan trọng
làm giảm chất lượng sản phẩm.
Bản chất và mức độ của các biện pháp xử lí rau quả trước khi sấy đều có ảnh hưởng
đến cấu trúc của các sản phẩm sau khi hồi nguyên. Nguyên nhân là do sự hồ hóa của
tinh bột, sự kết tinh của xenluloza và sự hình thành các sức căng bên trong do khác
biệt về độ ẩm ở các vị trí khác nhau. Kết quả la sự tạo thành các vết nứt gãy, các tế bào
39
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
bị nén ép vặn vẹo vĩnh viễn, làm cho sản phẩm có bề ngoài bị co ngót, nhăn nheo.
Trong quá trình làm ướt trở lại sản phẩm hút nước chậm, không thể lấy lại hình dạng
như ban đầu.
Các sản phẩm khác nhau có sự dao động về mức độ co ngót và khả năng hấp thụ nước
trở lại. Sấy nhanh ở nhiệt độ cao làm cho cấu trúc bị thay đổi nhiều hơn so với sấy với
tốc độ vừa phải ở nhiệt độ thấp.
Trong quá trình sấy, các chất hòa tan di chuyển theo nước từ bên trong ra bề mặt ngoài
của sản phẩm. Quá trình bay hơi làm cô đặc các chất tan ở bề mặt, kết hợp với nhiệt độ
không khí (đặc biệt khi sấy trái cây, cá, thịt,…) gây ra các phản ứng lý hóa phức tạp
của các chất tan ở bề mặt ngoài nên lớp vỏ cứng không thấm được. Hiện tượng này gọi
là hiện tượng cứng vỏ (case hardening), làm giảm tốc độ sấy và làm cho sản phẩm có
bề mặt khô, nhưng bên trong thì ẩm. Vì vậy cần kiểm soát nhiệt độ sấy để tránh chênh
lệch ẩm quá cao giữa bên trong và bề mặt sản phẩm. Đối với kỵ thuật sấy lạnh, do
nhiệt độ sấy tương đối thấp nên hoàn toàn có thể giải quyết được vấn đề này. Hệ thống
sấy lạnh có nhiệt độ tương đối thấp cho nên quá trình khô của bề mặt vât liệu sẽ chậm
hơn trong khi ẩm được lấy ra nhiều bằng sự chệnh lệch phân áp suất hơi ngoài bề mặt
và bên trong vật liệu sấy.
3.3.2 Ảnh hưởng đến mùi vị
Nhiệt độ làm thất thoát các thành phần dễ bay hơi ra khỏi sản phẩm vì vậy phần lớn
các sản phẩm sấy bị giảm mùi vị. Mức độ thất thoát phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm
của vật liệu sấy, áp suất hơi nước và độ hòa tan của các chất bay hơi trong nước.
Nhưng sản phẩm có giá trị kinh tế cao nhờ vào đặc tính mùi vị (như gia vị) cần được
sấy ở nhiệt độ thấp. Một số sản phẩm có kết cấu xốp tạo điều kiện cho oxi không khí
dễ dàng tiếp xúc với sản phẩm, gây ra các phản ứng oxi hóa chất tan và chất béo trong
quá trình bảo quản làm thay đổi mùi vị của sản phẩm.
40
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Tốc độ của quá trình gây hư hỏng phụ thuộc vào nhiệt độ bảo quản và hoạt độ của
nước. Phần lớn rau quả chỉ chứa một lượng nhỏ lipit. Tuy nhiên, sự oxi hóa các chất
béo không no tạo ra các hydroperoxit tham gia vào các phản ứng polime hóa, phản ứng
tách nước hoặc oxi hóa để tạo thành aldehit, Kenton và các axit gây mùi ôi thui khó
chịu.
3.3.3 Ảnh hưởng đến màu sắc
Có nhiều nguyên nhân gây ra sự mất màu hay thay đổi màu trong sản phẩm sấy, như
là:
Sự thay đổi các đặc trưng bề mặt của sản phẩm gây ra sự thay đổi độ phản xạ
ánh sang và màu sắc.
Nhiệt và sự oxi hóa trong quá trình sấy gây ra những biến đổi hóa học đối với
carotenoit và clorophyl, cũng như hoạt động của enzim polyphenoloxidaza gây
nên sự sẩm màu trong quá trình bảo quản các sản phẩm rau quả.
Có thể ngăn ngừa được những thay đổi này bằng các phương pháp chần hấp hoặc xử
lý trái cây bằng axit ascorbic hoặc SO2.
3.3.4 Ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng
Các số liệu về sự thất thoát các chất dinh dưỡng của các tác giả thường không thống
nhất, có thể do sự khác biệt đáng kể trong các quá trình chuẩn bị sấy, nhiệt độ và thời
gian sấy, cũng như điều kiện bảo quản.
Ở rau quả, thất thoát dinh dưỡng trong quá trình chuẩn bị thường vượt xa quá trình
sấy. Ví dụ, thất thoát vitamin C trong quá trình chuẩn bị táo sấy (dạng khối) là 8% do
quá trình cắt gọt, 62% do chần hấp, 10% do quá trình nghiền pu rê và 5% do quá trình
sấy.
41
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Vitamin có độ hòa tan trong nước khác nhau và khi quá trình sấy diễn ra, một vài loại
(ví dụ: vitamin B2 riboflavin) đạt trạng thái bão hòa và kết tủa khỏi dung dịch, nhờ
vậy chúng ít bị tổn thương. Một số khác, ví dụ: axit ascorbic, hòa tan ngay cả khi độ
ẩm của sản phẩm hạ xuống đến mức rất thấp, chúng phản ứng với các chất tan với tốc
độ càng lúc càng cao hơn trong quá trình sấy. Vitamin C cũng rất nhạy cảm với nhiệt
và oxy hóa. Vì thế để tránh những thất thoát lớn cần sấy trong thời gian ngắn, nhiệt độ
thấp, bảo quản ở độ ẩm thấp và nồng độ khí oxi thấp. Thiamin (Vit B1) cũng nhạy cảm
với nhiệt, tuy nhiên các vitamin khác hòa tan trong nước bền với nhiệt và oxy hóa hơn
và tổn thất quá trình sấy hiếm khi vượt quá 5-10%, ngoại trừ thất thoát do quá trình
chần hấp.
Sự tổn thất các vitamin có thể hạn chế đáng kể hoặc ngăn ngừa hoàn toàn khi sử dụng
các phương pháp sấy nhanh và ôn hòa (như sấy phun), đặc biệt bằng phương pháp sấy
thăng hoa đối với các nguyên liệu nghiền nát, nguyên chất dạng cắt nhỏ.
Các chất dinh dưỡng như chất béo (ví dụ: các axit béo không thay thế được và các
vitamin A,D,E,K) phần lớn chứa trong phần chất rắn của sản phẩm và chúng không bị
cô đặc trong khi sấy. Tuy nhiên nước là dung môi của các kim loại nặng, là những chất
xúc tác của quá trình oxy hóa các chất dinh dưỡng không no. Khi nước bị mất, chất
xúc tác trở nên hoạt động hơn và làm tăng tốc độ oxy hóa. Các vitamin tan trong chất
béo bị biến đổi mất đi khi tiếp xúc với peroxit được sinh ra do sự oxy hóa chất béo. Để
giảm thất thoát trong quá trình bảo quản người ta hạ thấp nồng độ oxy, nhiệt độ bảo
quản và loại trừ ánh sang tiếp xúc với sản phẩm.
Các giá trị sinh học và độ tiêu hóa của protein trong phần lớn các sản phẩm sấy không
thay đổi đáng kể. Tuy nhiên protein của sữa sấy bị biến tính một phần trong quá trình
sấy trục lăn và gây ra việc giảm độ tan của bột sữa làm mất khả năng kết cục. Sấy
phun không ảnh hưởng đến giá trị sinh học của protein sữa. Nhiệt độ bảo quản cao và
độ ẩm khoảng trên 5% làm giảm giá trị sinh học của protein sũa. Nhiệt độ bảo quản
cao và độ ẩm khoảng trên 5% làm giảm giá trị sinh học của protein sữa do phản ứng
42
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Maillard giữa lyzin và lactoza. Lyzin nhạy cảm với nhiệt và thất thoát trong bột sữa
nguyên kem vào khoảng 3-10% khi sấy phun và 5-40% khi sấy bằng trục lăn.
3.3.5 Ảnh hưởng đến sự hồi nguyên sản phẩm (rehydrarion)
Sản phẩm sau khi sấy không thể trở lại tình trạng ban đầu khi làm ướt trở lại. Sau khi
sấy, tế bào bị mất áp suất thẩm thấu, tính thẩm thấu của tế bào bị thay đổi, các chất tan
di chuyển, polysacarit kết tinh và protein tế bào bị đông tụ, tất cả góp phần vào sự thay
đổi cấu trúc, làm thất thoát các chất dễ bay hơi và đây đều là những quá trình không
thuận nghịch.
Nhiệt trong quá trình sấy làm giảm khả năng hydrat hóa tinh bột và tính đàn hồi của
thành tế bào, làm biến tính protein, giảm khả năng giữ nước của chúng. Tốc độ và mức
độ thấm nước trở lại có thể được dùng như chỉ số đánh giá chất lượng sản phẩm sấy.
Những sản phẩm sấy trong những điều kiện tối ưu, ít hư hại hơn sẽ thấm ướt trở lại
nhanh hơn, hoàn toàn hơn.
CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY LẠNH
4.1 Thông số tính toán
Mục đích tính toán nhiệt của quá trình là xác định tiêu hao không khí dung cho quá
trình sấy L, kg/h và tiêu hao nhiệt Q, kJ/h. Trên cơ sở tính toán nhiệt xác định các kích
thước cơ bản của thiết bị. Đồng thời qua việc thiết lập cân bằng nhiệt, cân bằng năng
lượng của hệ thống sẽ xác định đươc hiệu suất sử dụng nhiệt và hiệu suất sử dụng năng
lượng của hệ thống cũng như tiêu hao nhiệt riêng của buồng sấy và hệ thống.
4.1.1 Nguyên lý của hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt
43
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt về cơ bản tương tự như máy lạnh bình thường, nó
chỉ phân biệt ở mục đích sử dụng mà người ta phân loại bơm nhiệt và máy lạnh. Máy
lạnh chỉ dùng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi để giảm nhiệt độ môi trường, còn bơm
nhiệt lại sử dụng nguồn nhiệt ở dàn ngưng tụ. Nhưng về cơ bản hai loại đều bao gồm
những thiết bị giống nhau, nhưng do yêu cầu về sử dụng nguồn nhiệt mà bơm nhiệt
được dùng để cung cấp nguồn nhiệt cao hơn.
Máy sấy lạnh dựa trên nguyên lý của tủ sấy, nhưng tác nhân sấy được xử lý tách ẩm
trước khi đi vào buồng sấy. Nguyên tắc tách ẩm tác nhân sấy dùng dàn lạnh của máy
lạnh để làm giảm nhiệt độ của tác nhân sấy dưới nhiệt độ điểm sương để bốc hơi nước
trong không khí ẩm ngưng tụ thành nước và lấy ra ngoài. Phần tác nhân sấy sau khi
tách ẩm được gia nhiệt lại bởi dàn nóng của máy lạnh rồi tiếp tục đưa vào buồng sấy
thực hiện quá trình sấy.
Tóm lại, cơ sở của phương pháp này được thực hiện bằng cách giảm độ ẩm tương đối
trong không khí để tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hơi nước trong không khí và hơi
nước trong nông sản, thực phẩm. Bằng cách này độ ẩm sẽ tách ra khỏi nông sản, thực
phẩm, và đi vào không khí. Khi làm lạnh không khí trong thiết bị trao đổi nhiệt xuống
thấp hơn nhiệt độ đọng sương, hơi bão hoà ẩm sẽ ngưng tụ và tách ra khỏi không khí.
Không khí sau đó đi qua dàn nóng sẽ sấy khô vật liệu.
44
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt sử dụng trong máy sấy lạnh
Mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt được chế tạo tại Trường Đại học Công
Nghiệp Tp Hồ Chí Minh
Đồ thị biểu diễn hoạt động máy sấy lạnh trên đồ thị không khí ẩm T-D
3-4: Quá trình làm lạnh tác nhân sấy đến
nhiệt độ đọng sương. Điểm (0) là trạng thái
không khí ở điều kiện môi trường, điểm (4) là
trạng thái không khí trong thiết bị bay hơi, lúc
bắt đầu giảm ẩm.
4-1: Quá trình tách ẩm. Điểm (1) là trạng
thái không khí ở cuối giai đoạn giảm ẩm.
45
1: Máy nén
2: Dàn nóng
3: Khay để liệu
4: Bảng điều khiển
5: Dàn lạnh
6: Quạt
7: Tấm chắn
8: Khay đựng nước ngưng
Hình 4.2: Mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt
Hình 4.3 Đồ thị t-d chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
1-2: Quá trình gia nhiệt tác nhân sấy đến nhiệt độ sấy. Điểm (2) là trạng thái
không khí nóng trước khi vào buồng sấy.
2-3: Quá trình sấy. Tác nhân sấy có độ ẩm thấp đươc thổi qua vật liệu sấy sẽ
thoát ẩm ra từ vật liệu và mang ra khỏi buồng sấy. Điểm (3) là trạng thái không khí sau
buồng sấy.
Có hai phương pháp tính toán:
a) Trường hợp tác nhân sấy hồi lưu hoàn toàn
Kiểu sấy hồi lưu hoàn toàn sử dụng
Heat pump dryer, tác nhân sấy sau
khí đi qua buồng sấy (trạng thái 4
được quạt hút trở về theo đường ống
hồi lưu , sau đó qua dàn lạnh 5 giảm
nhiệt độ đến nhiệt độ t2 (trạng thái
2) và đến nhiệt độ t3 (trạng thái 3),
tại đây lượng nước ngưng tụ sẽ
được dẫn ra ngoài. Tác nhân sấy sau
khi tách ẩm tiếp tục đi qua dàn nóng
2, nâng nhiệt độ lên t4 (trạng thái 4), rồi đi qua buồng sấy, thực hiện quá trình sấy. Quá
trình sấy lý thuyết được trình bày trên giản đồ t-d như sau:
3-4: Quá trình làm lạnh tác nhân sấy đến nhiệt độ đọng sương. Điểm (3) là
trạng thái không khí sau khi đi qua buồng sấy được hồi lưu hoàn toàn, điểm (4)
trạng thái không khí trong thiết bị bay hơi, lúc bắt đầu giảm ẩm.
4-1: Quá trình tách ẩm. Điểm (1) là trạng thái không khí cuối giai đoạn tách ẩm.
1-2: Quá trình gia nhiệt tác nhân sấy đến nhiệt độ sấy. Điểm (2) là trạng thái
không khí nóng trước khi vào buồng sấy.
46
Hình 4.4: Đồ thị I-d chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
2-3: Quá trình sấy. Tác nhân sấy có ẩm độ thấp được thổi qua vật liệu sấy sẽ
nhận ẩm thoát ra từ vật liệu và mang ra khỏi buồng sấy.
4.2.1 Xác định thông số của các điểm nút trên đồ thị quá trình sấy
1) Điểm 0 (Môi trường bên ngoài)
Nhiệt độ t0= 270C được chọn theo nhiệt độ trung bình của khu vực Thành Phố
Hồ Chí Minh hằng năm.
Độ ẩm tương đối φ0 = 80%
Phân áp suất hơi bão hòa của nước
Dung ẩm của không khí
(Lấy giá trị Pa = 0,993 bar)
Entanpy của không khí ẩm
47
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
I0 = 1,0048.t0 + d0(2500 +1,842.t0)
= 1,0048.27 + 0,0183(2500 + 1,842.27)= 73,8 kJ/kg.kk
Từ các thông số nhiệt độ và độ ẩm không khí ngoài trời, sử dụng đồ thị I-d ta
xác định được ts =24,50 C (Từ điểm O (270C, 86%) dóng đường d=const cắt đường
φ=100%, ta xác định được ts)
2) Điểm 1 : Trạng thái không khí sau dàn lạnh
Nhiệt độ : t1 = 8 0C.
Độ ẩm tương đối vì tác nhân sấy đến dàn lạnh ngưng tụ ẩm nên tác nhân sấy ở
trạng thái bão hòa nên chọn = 100%.
Phân áp suất bão hoà:
Dung ẩm của không khí:
Entanpi:
Thay các thông số của điểm 1 vào công thức ta có:
I1 = 1,0048.t1 + d1(2500 +1,842.t1)
= 1,0048.8 + 0,00678.(2500 + 1,842.8) = 25,1 kJ/kgkk
3) Điểm 2 : Tác nhân sấy được gia nhiệt (trạng thái không khí sau dàn nóng)
Nhiệt độ: t2 = 350C.
Phân áp suất bão hoà:
48
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Dung ẩm :
Do quá trình 1-2 là quá trình gia nhiệt tác nhân sấy thông qua dàn nóng của bơm nhiệt
nên :
d1 = d2 = 0,00678 kg/kgkk
Entanpy :
I2 = 1,0048.t2 + d2(2500 +1,842.t2)
= 1,0048.35 + 0,00678.(2500 + 1,842.35) = 52,6 kJ/kgkk
Độ ẩm tương đối:
= = 0,192 = 19,2 %
4) Điểm 3
Nhiệt độ: để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy ta phải chọn nhiệt độ t3
> ts . Do vậy ta chọn t3 = 260C.
Entanpy :
I3 = I2 = 52,6 kJ/kgkk
Phân áp suất hơi bão hòa
Dung ẩm :
49
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
5) Điểm 4
Độ ẩm: = 100%.
Dung ẩm: d4 = d3 = 0,0104 kg/kgkk
Phân áp suất bão hoà:
Pb4 = = = 0,0164 bar
Nhiệt độ:
t4 = = = 14,4 0C
Entanpi:
I4 = 1,0048.t4 + d4(2500 +1,842.t4)
= 1,004.14,4 + 0,0104(2500 + 1,842.14,4) = 40,7 kJ/kgkk
4.2.2 Tính toán tốc độ sấy và thời gian sấy
Theo yêu cầu của đề tài ta lựa chọn vật liệu sấy là Cà rốt, Các thông số vật lý của Cà
rốt.
Độ ẩm đầu vào ω1 = 88,7%
Độ ẩm cuối ω2 = 12% - 14%. Ở đây ta chọn độ ẩm trung bình của sản phẩm ω2 =
13%.
Khối lượng riêng
Hệ số truyền nhiệt
Khối lượng sản phẩm trong một mẻ sấy theo thực nghiệm 7 kg/mẻ
Ta có G2 = 7 kg/mẻ
G1 = kg/mẻ
Tốc độ sấy đẳng tốc
Chọn vận tốc tác nhân sấy v =2,5m/s <5 m/s. Theo tài liệu ta có hệ số trao đổi nhiệt
đối lưu :
50
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Mật độ dòng nhiệt
Với : nhiệt độ tác nhân sấy, = 350C
: nhiệt độ bề mặt vật liệu = tư= 24,50C
hay 626400 kJ/m2h
Cường độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu:
Với r là nhiệt ẩn hóa hơi (theo giá trị áp suất)
Với p=0,03166 bar thì ta có r =2442 (kj/kg)
Tốc độ sấy đẳng tốc:
Với : khối lượng riêng của Cà rốt, = =1035 (kg/m3)
R: phân nửa kích thước vật liệu sấy
Theo thực nghiệm khảo sát lấy R=2,5 mm
Thời gian đốt nóng vật liệu:
51
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
F0 chuẩn số Fure F0 = 1,6
R= 2,5.10-3
m
a -hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
Trong đó: λ= 0,55 (w/m
2
K), ρ = 1035 (kg/m
3
), Cv
= 3,87 (kJ/kgK)
Thời gian sấy đẳng tốc
Độ ẩm cân bằng ωcb=5 % (dựa trên thực nghiệm ta xác định độ ẩm cân bằng)
ωd độ ẩm ban đầu cuả vật liệu ωd = 88,7%
ωkx độ ẩm tới hạn của vật liệu ẩm
Thời gian sấy giảm tốc
52
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Với ωd = 88,7 %
Trong đó:
ω2= 13 %
Tổng thời gian sấy:
Στ = τ0 + τ1 + τ2 = 0,073 + 3,47 +20,8 = 24,3 (h)
4.2.3 Tính toán nhiệt quá trình
1. Xác định lượng ẩm bốc hơi
Dựa vào các thông số vật lý, các giá trị ẩm đầu vào nguyên liệu và ẩm đầu ra của sản
phẩm ta xác định:
* Khối lượng sản phẩm trong một mẻ là 7 kg/mẻ
Ta có G2 = 7 kg/mẻ
53
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
G1 = (kg/mẻ)
Như vậy ta có tỉ lệ thành phẩm là 1: 8
* Lượng ẩm bốc hơi trong một mẻ sấy là:
(kg/mẻ)
* Thời gian sấy chọn τ = 24,3 (h) theo kết quả tính toán ở trên
* Lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ
(kg/h)
2. Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm
* Lưu lượng không khí khô tuần hoàn trong quá trình sấy
Llt = W.l0 = 46,9.276,24 = 12955,7 kgkk/mẻ
3. Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm
qlt = = = 7596,7 kJ/kga
* Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ:
Qlt = W.qlt = 46,9.7596,7 = 356285 kJ
* Năng lượng tiêu hao cho quá trình sấy:
54
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Q0 lt = kW
* Lượng ẩm ngưng tụ:
dlt = d3 –d2 = 0,0104 – 0,00678 = 0,00362 kga
4. Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm
qll lt = l0.(I3 – I1) = 276,24.(52,6 – 25,1) = 7596,6 J/kga
* Lượng nhiệt dàn lạnh thu được:
Qll lt = W.qll lt = 46,9.7596,6 = 356280,5 kJ
4.2.4 Tính toán kích thước buồng sấy
Vật liệu sấy là Cà rốt, do tính chất của vật liệu sấy không thể sử dụng phương
pháp sấy động ảnh hưởng nhiều đến chất lượng, màu sắc của sản phẩm, do đó ta lựa
chọn phương pháp sấy tĩnh.
Thể tích buồng sấy: Các kích thước cơ bản là: Chiều dài L, chiều rộng B, chiều
cao H. Trong đó, chiều dài L xác định theo thời gian sấy và năng suất sấy. Đối với
thiết bị sấy buồng chiều dài xác định theo yêu cầu duy trì chế độ sấy đồng đều. Chiều
dài càng lớn, chế độ sấy càng kém đồng đều nhưng càng tận dụng được nhiệt của môi
chất. Vì vậy cần chọn hợp lý, tiết diện buồng F= B x H, m 2 được xác định theo điều
kiện thông gió.
Năng suất buồng sấy: G1 = 53,9 kg/mẻ
Thể tích buồng sấy:
Thể tích hữu dụng Vh = , m3
Trong đó:
- : Khối lượng riêng của vật liệu sấy, = 1035 kg/m3
- KV: Hệ số điền đầy. KV = (0,4 0,5). Ta chọn KV = 0,4
55
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Thay vào ta tính được
Thể tích toàn bộ buồng sấy:
V = Vh + V, m3
Trong đó: V - Thể tích của các khảng trống của kênh gió và các không gian đặt quạt
và các thiết bị sấy, m3. Theo kinh nghiệm ta chọn V= (30 40%)V. Ta chọn V =
0,4.V = 0,4.0,13 = 0,052 m3
Vậy thể tích buồng sấy là: V = 0,182 m3
Với V đã tính toán được, ta chọn các kích thước của buồng sấy: Dài Rộng Cao là:
L B H = 0,75 0,7 0,35 (m3)
4.3 Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d
4.3.1 Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế
56
L, I 1, d 1
G cv.C vc.tm2
Q 5 G 2.C m.t m2
(G 2C n+WC m).
tm1
THIẾT BỊ SẤY
Q Q bs
L, I 3', d 3'
G vc.C vc.tm1
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy:
Q + Qbs + WCntm1 + G2Cmtm1 + LI1 + Gvc.Cvctm1 = G2Cmtm2 + Q5 + LI3 + Gvc.Cvc.tm2
Q + Qbs = L(I3 – I1) + G2Cm(tm2 – tm1) + Q5 – WCn.tm1 + Gvc.Cvc.(tm2 – tm1)
Q + Qbs = Q2 + Qm + Q5 + Q1 + Qvc (*)
Trong đó :
Q - Nhiệt lượng cung cấp để gia nhiệt tác nhân sấy
Qbs - Nhiệt lượng bổ sung
Do không dùng thiết bị gia nhiệt cho không khí sau dàn nóng nên Qbs = 0
Q1 = - WCmtm1 - Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào
G2Cm.(tm2 – tm1) = Qm - Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang ra
Q5 - Nhiệt tổn thất ra môi trường theo kết cấu bao che
Gvc.Cvc.(tm2 – tm1) = Qvc - Nhiệt lượng tổn thất theo thiết bị vận chuyển
Q2 = L(I3 – I1) - Nhiệt tổn thất do tác nhân sấy
Chia 2 vế (*) cho W và bỏ qua Qbs
Ta có: q = q1 + q2 + qvc + q5 + qm
Mà q = l(I3 - I1) hay q = l(I3 – I1) = l(I3 – I1) + qv +q5 – Cntm1
57
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Hay q = l(I3 – I1) = Cntm1 - ( qvc + q5 + qm)
Đặt Cntm1 - (qvc + q5 + qm) = - Tổn thất nhiệt để làm bay hơi 1 kg ẩm.
Suy ra l(I3 – I1) = hay I3 = I1 + /l
∆= nhiệt lượng bổ sung – nhiệt lượng tổn thất chung
4.3.2 Tính toán tổn thất nhiệt ∆
a) Tính nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che ra môi trường
Nhiệt độ bên ngoài buồng sấy: tf = t0 = 27 0C
Nhiệt độ bên trong buồng sấy: tf2 =
Buồng sấy có tường làm bằng thép có chiều dày 3 mm. Tra bảng phụ lục,
ta có hệ số dẫn nhiệt = 46 W/mK
Nhiệt tổn thất ra môi trường được tính theo công thức Q5 = K.F.t , (W)
Trong đó:
F - Diện tích xung quanh của buồng sấy, m2
Buồng sấy là hình hộp có các thông số: L B H = 0,75 0,7 0,35 (m3). Ta tính tổng
diện tích xung quanh của buồng sấy:
F = 2(L.B + L.H + B.H) = 2(0,75.0,7 + 0,75.0,35 + 0,7.0,35) = 2,065 (m2)
t - Độ chênh nhiệt độ bên trong và
bên ngoài buồng sấy , 0C
t = tf2 - tf1 = 30,5 – 27 = 3,5 0C
K - Hệ số truyền nhiệt , W/m2K
K =
58
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Với: 1, 2 - hệ số toả nhiệt từ tác nhân sấy đến vách trong buồng sấy và hệ số toả
nhiệt từ vách ngoài tới không khí bên ngoài , W/m2K.
Để xác định 1, 2 ta dùng phương pháp lặp
Giả thiết tw1 = 34,4 0C (nhiệt độ vách trong của tường ), ta có phương trình
cân bằng nhiệt: q = 1(tf1 -tw1) = (tw1-tw2) = 2(tw2 - tf2)
Với tốc độ tác nhân sấy trong buồng sấy đã chọn = 2,5 m/s (tốc độ không khí < 5
m/s) nên ta có:
Hệ số toả nhiệt 1 được xác định theo công thức kinh nghiệm sau:
1 = 6,15 + 4,17. = 6,15 + 4,17.2,5 = 16,6 W/m2K
Vậy mật độ dòng nhiệt truyền qua
q = 1(tf1 - tw1) = 16,6 (35 – 34,5 ) = 8,3 (W/m2)
Nhiệt độ vách ngoài tường được xác định theo công thức:
tw2 = tw1 - q. = 34,5 – 8,3. = 34,49 0C
Nhiệt độ định tính:
Tra bảng thông số không khí với tm = 30,75 0C ta có các thông số sau:
= 2,67.10-2 W/m2K; = 18,64.10-6 m2/s; Pr = 0,7
- Tiêu chuẩn Grashoft : Gr =
Ta có Gr.Pr = 0,70.1,508.108 = 1,06.108 thuộc khoảng (2.107 – 1.1013)
=> Ta có: C = 0,135, n = 0,33
59
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
- Công thức tính Nusselt:
Nu = C = 0,135.(1,06.108)0,33 = 60,07
- Hệ số toả nhiệt:
Suy ra q’ = 2(tw2 - tf2) = 2,13.(34,5 -30,5) = 8,52 W/m2
- So sánh q và q’
Sai số này rất nhỏ nên các kết quả tính trên có thể chấp nhận được
Vậy, hệ số truyền nhiệt: K =
Hay
- Nhiệt tổn thất ra môi trường trong 1giây là
Q5 = 1,9.0,245.3,5 = 1,63 J/s
- Nhiệt tổn thất ra môi trường trong quá trình sấy:
Q5 = 1,63.24,3.3600 =142,6 kJ
Vậy
* Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi qm
Qm = G2.Cm(tm2 – tm1), kJ
Trong đó: Cm = 3,87 kJ/kgK – Nhiệt dung riêng của Tỏi
60
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Nhiệt độ vật liệu sấy vào: tm1 = t0 = 27 0C
Nhiệt độ vật liệu sấy ra: tm2 = tf2 = 30,5 0C
Vậy nhiệt tổn thất do vật liệu sấy mang đi:
Qm= 7.3,87.(30,5– 27) = 94,8 kJ
Suy ra:
* Tổn thất nhiệt để làm nóng khay sấy qvc
Khay sấy được làm bằng nhôm có bề dày 3,5 mm. Ta có thông số của nhôm là: CAl
= 0,86 kJ/kg; = 2700 kg/m3. Với diện tích đã tính toán, ta chọn khay sấy có F = L
B = 07 0,35 = 0,245 m2. Số khay sấy là n = 5 khay.
Vậy tổng diện tích khay sấy là
Fk = F.n = 0,245.5 = 1,225 m2
Khối lượng nhôm để làm khay sấy
GAl = V. = Fk. . = 1,225.0,0035.2700 = 11,6 kg
Nhiệt tổn thất
Qvc = GAl.CAl(tm2 – tm1) = 11,6.0,86.(30,5–27) = 35 kJ
Vậy
* Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào q1
q1 = - Cn.tm1
Trong đó: Cn - Nhiệt dung riêng của nước, Cn = 4,18 kJ/kgaK
Vậy: q1 = - 4,18.27 = -112,9 kJ/kga
Ta có: Δ =112,9 – (3,04 + 2,02 + 0,7) = 107,14 kJ/kga
61
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
∆ > 0. Quá trình sấy thuộc dạng mà nhiệt lượng bổ sung không đủ bù nhiệt lượng
tổn thất.
Đồ thị I-d
Do = 107,14> 0 nên điểm 3’ trong quá trình sấy thực tế sẽ nằm bên trái điểm 3
Đồ thị I-d trong trường hợp sấy thực tế được biểu thị như sau:
Điểm 0: Trạng thái không khí ngoài trời.
Điểm 1: Trạng thái không khí sau dàn lạnh.
Điểm 2: Trạng thái không khí sau dàn nóng.
Điểm 3’: Trạng thái không khí sau thiết bị sấy trong trường hợp sấy thực tế.
Điểm 4’: Trạng thái không khí trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế.
1-2: Quá trình gia nhiệt trong dàn nóng.
2-3’: Quá trình sấy thực tế trong thiết bị sấy.
3’-4’-1: Quá trình làm lạnh không khí và ngưng tụ ẩm trong dàn lạnh trong
trường hợp sấy thực tế.
62
d 3' =d 4'd 1 =d 2
1 t 1
4'
4
t 2I, k
J/kg
kkk
23'
3
2
d, kg/kg kkk
t 0
t30 =100 %
0
3
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
4.3.2 Tính toán quá trình sấy thực tế
a) Thông số tại các điểm nút của đồ thị
1) Điểm 0, 1, 2
Thông số tại các điểm 0, 1, 2 không thay đổi so với quá trình sấy lý thuyết.
2) Điểm 3’
- Nhiệt độ: t3’ = t3 = 260C
- Độ chứa ẩm d3’ của quá trình sấy thực:
Ta có I3’ = I2 + = I2 + .(d3’ – d2)
(với I3’= 1,004.t3’ + d3’(2500 + 1,842.t3’)
= 1,004.26 + d3’(2500 + 1,842.26)
= 26,104 + 2547,9,2.d3’
I2 = 52,6 kJ/kgkkk; d2 = 0,00678 kg/kgkk (Theo quá trình sấy lý thuyết)
Ta suy ra được
d3’= kg/kgkk
- Entanpi:
I3’ = 52,6 + 107,14.(0,01086 - 0,00678) = 53,04 kJ/kgkk
- Độ ẩm:
= = 50,4 %
4) Điểm 4’
* Độ ẩm: φ4 = 100%.
63
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
* Dung ẩm: d4’ = d3’ = 0,01086 kg/kgkk
* Phân áp suất bão hoà: Pb4’ =
* Nhiệt độ t4 =
0C
* Entanpi: Thay các giá trị t4,d4 vào công thức (4.3) ta có:
I4 = 1,004.15 + 0,01086(2500 + 1,842.15) = 42,5 kJ/kgkk
Tính toán nhiệt quá trình sấy thực tế
* Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm:
ltt = = 245,1 kgkk/kga
* Lưu lượng không khí tuần hoàn trong quá trình sấy
Ltt = W.ltt = 46,9.245,1 = 11495,2 kg/mẻ
* Lưu lựợng không khí tuần hoàn trong 1 giây:
Gkk = = 0,131 kg/s
* Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm:
qtt = = = 6740,2 kJ/kga
64
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
* Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ:
Qtt = W.qtt = 46,9.6740,2= 316115,4 kJ
* Năng suất nhiệt dàn nóng cung cấp để sấy:
Qk tt = = 3,61 kW
* Lượng ẩm ngưng tụ:
dtt = d3’ –d2 = 0,01086 – 0,00678 = 0,00408 kga
* Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm:
q0 tt = ltt.(I3’ – I1) = 245,1.(53,04 – 25,1) = 6848,1 kJ/kga
* Lượng nhiệt dàn lạnh thu được:
Q0 tt = W.qll tt = 46,9.6848,1 =321175,6 kJ
* Năng suất lạnh dàn lạnh cung cấp để làm lạnh:
kW
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT
5.1 Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt
5.1.1 Môi chất và cặp môi chất
65
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Môi chất và cặp môi chất của bơm nhiệt có yêu cầu như máy lạnh. Một vài yêu cầu
đặc biệt hơn xuất phát từ nhiệt độ sôi và ngưng tụ cao hơn, gần giống như chế độ nhiệt
độ cao của điều hòa không khí, nghĩa là cho đến may người ta vẫn sử dụng các loại
môi chất như: R12, R22, R502 và MR cho máy nén tuabin. Gần đây người ta chú ý
đến việc sử dụng các môi chất mới cho bơm nhiệt nhằm nâng cao nhiệt độ dàn ngưng
như: R21, R113, R114, R12B1, R142…
5.1.2 Máy nén lạnh
Cũng như máy nén lạnh, máy nén là bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt. Tất cả
các dạng máy nén của máy lạnh đều được ứng dụng trong bơm nhiệt. Đặc biệt quan
trọng là máy nén piston trượt, máy nén trục vít và máy nén tuabin. Một máy nén bơm
nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suất cao trong điều
kiện thiếu hoặc đủ tải.
5.1.3 Các thiết bị trao đổi nhiệt
Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơm nhiệt là thiết bị bay hơi và ngưng tụ. Máy
lạnh hấp thụ có thêm thiết bị sinh hơi và hấp thụ. Giống như máy lạnh, thiết bị ngưng
tụ và bay hơi của bơm nhiệt cũng bao gồm các dạng: ống chùm, ống lồng ngược dòng,
ống đứng và ống kiểu tấm. Các phương pháp tính toán cũng giống như chế độ điều hoà
nhiệt độ.
5.1.4 Thiết bị phụ của bơm nhiệt
Tất cả các thiết bị phụ của bơm nhiệt giống như thiết bị phụ của máy lạnh. Xuất phát
từ yêu cầu nhiệt độ cao hơn nên đòi hỏi về độ tin cậy, công nghệ gia công thiết bị cao
hơn. Đây cũng là vấn đề đặt ra đối với dầu bôi trơn và đệm kín các loại trong hệ thống.
Do bơm nhiệt phải hoạt động ở chế độ áp suất và nhiệt độ gần sát với giới hạn tối đa
nên các thiết bị tự động rất cần thiết và phải hoạt động với độ tin cậy cao để phòng hư
hỏng thiết bị khi chế độ làm việc vượt quá giới hạn cho phép.
66
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Đối với van tiết lưu, bơm nhiệt có chế độ làm việc khác máy lạnh nên cũng cần có van
tiết lưu phù hợp.
5.1.5 Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt
Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hổ trợ cho bơm nhiệt phù hợp với
từng phương án sử dụng của nó. Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt gồm một số loại sau:
Các phương án động lực của máy nén như: động cơ điện, động cơ gas, động cơ
diesel hoặc động cơ gió…
Các phương án sử dụng nhiệt thu ở dàn ngưng tụ. Nếu là sưởi ấm thì có thể sử
dụng dàn ngưng trực tiếp hoặc gián tiếp qua một vòng tuần hoàn chất tải nhiệt,
có thể sử dụng để sấy, nấu ăn, hút ẩm…Mỗi phương án đòi hỏi những thiết bị
hổ trợ khác nhau.
Các phương án cấp nhiệt cho dàn bay hơi. Trường hợp sử dụng dàn lạnh đồng
thời với nóng thì phía dàn bay hơi có thể là buồng lạnh hoặc chất tải lạnh.
Ngoài ra còn có thể sử dụng dàn bay hơi đặt ngoài không khí, dàn bay hơi sử
dụng nước giếng là môi trường cấp nhiệt. Còn có những phương án như dàn
bay hơi đặt ở dưới nước, đặt ở dưới đất hoặc sử dụng năng lượng mặt trời.
Các thiết bị điều khiển, kiểm tra tự động sự hoạt động của bơm nhiệt và các
thiết bị hổ trợ. Đây là những thiết bị tự động điều khiển các thiết bị phụ trợ
ngoài bơm nhiệt để phù hợp với hoạt động của bơm nhiệt.
5.2 Chọn môi chất nạp
Môi chất của bơm nhiệt cũng có yêu cầu như đối với máy lạnh. Ngày nay, người ta
vẫn dùng loại môi chất như: R12, R22, R502, R21, R113, R114… Do hệ thống bơm
nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao nên ta cần chọn môi chất nhiệt có nhiệt độ sôi cao. So
sánh khả năng ứng dụng rộng rãi và ưu điểm nổi bật của các môi chất nhiệt ta chọn
R22 làm môi chất lạnh cho bơm nhiệt.
5.3 Nhiệt độ ngưng tụ
67
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Dàn ngưng của bơm nhiệt có nhiệm vụ gia nhiệt cho không khí nên môi trường làm
mát dàn ngưng chính là tác nhân sấy.
Gọi - tw2 là nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng. Theo yêu cầu thì tw2 = 35 0C
- là hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu
Đối với dàn ngưng giải nhiệt bằng gió, = (10 – 15 0C).
Ta chọn = 10 0C. Khi đó, nhiệt độ ngưng tụ của môi chất là:
tk = tw2 + = 35 + 10 = 45 0C
5.3.1 Nhiệt độ bay hơi
Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh có thể lấy như sau:
t0 = tb -
tb - nhiệt độ không khí sau dàn bay hơi. Theo yêu cầu của hệ thống sấy tb = 8 0C
: Hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu. Hiệu nhiệt độ tối ưu là = (8 – 13 0C). Ta
chọn =80C
Như vậy nhiệt độ sôi của môi chất lạnh là:
t0 = 8–8 = 0 0C
5.3.2 Nhiệt độ hơi hút
Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng người ta phải đảm bảo hơi hút vào máy nén
nhất thiết phải là hơi quá nhiệt.
th = t0 +
Với môi chất R22, ta chọn = 25 0C. Vậy nhiệt độ hơi hút là:
th = 0 + 25 = 25 0C
68
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
5.4 Tính toán chu trình bơm nhiệt máy lạnh
a) Chọn chu trình
Với nhiệt độ bay hơi t0 và nhiệt độ ngưng tụ tk đã chọn, tra bảng tính chất nhiệt động
của R22 ở trạng thái bão hòa ta có áp suất bay hơi và ngưng tụ tương ứng là:
t0 = 0 0C p0 = 4,983 bar
tk = 450C pk = 17,266 bar
Như vậy, ta có tỉ số nén:
= = 3,53
Với nên ta chọn máy nén 1 cấp.Mặt khác, môi chất lạnh sử dụng ở đây là
R22 nên ta chọn sơ đồ máy nén lạnh 1 cấp dùng thiết bị hồi nhiệt.
b) Sơ đồ, nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm
việc
Hơi môi chất sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi được đưa vào thiết bị hồi nhiệt, nhận
nhiệt đẳng áp của lỏng cao áp trở thành hơi quá nhiệt 1’. Hơi quá nhiệt này được hút
về máy nén và được nén đoạn nhiệt trong máy nén từ áp suất bay hơi p0 lên áp suất
ngưng tụ pk. Hơi cao áp 2 đi vào thiết bị ngưng tụ, nhả nhiệt đẳng áp cho tác nhân
69
MN: Máy nén
TL: Tiết Lưu
BH: Bay hơi
HN: Hồi nhiệt
NT: Ngưng tụ
0
3'
S
t 0, p 0
4 1
1'
3
T
t k, p k
2
4
i
1'1
3' 3
P
2
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
sấy, ngưng tụ thành lỏng sôi 3. Sau đó, lỏng cao áp 3 đi vào thiết bị hồi nhiệt, nhả
nhiệt đẳng áp cho hơi hạ áp trở thành lỏng chưa sôi 3’. Lỏng 3’ đi vào van tiết lưu
giảm áp suất xuống áp suất bay hơi p0 (điểm 4) rồi đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt
của tác nhân sấy vừa ra khỏi buồng sấy, hóa hơi đẳng áp đẳng nhiệt thành hơi bão
hòa ẩm và chu trình lại tiếp tục.
c) Xây dựng đồ thị và lập bảng xác định các giá trị tại các điểm nút
1. Đồ thị
Các quá trình:
o 1-1’: Quá nhiệt hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt
o 1’-2: Nén đoạn nhiệt hơi môi chất từ p0 đến pk
o 2-3: Làm mát và ngưng tụ đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bi ngưng tụ
o 3-3’: Quá lạnh lỏng cao áp trong thiết bị hồi nhiệt
o 3’-4: Quá trình tiết lưu đẳng Entanpi
o 4-1 : Quá trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bị bay hơi
a) Bảng các thông số tại các điểm nút của đồ thị
70
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Tra bảng các tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hòa và bảng các tính chất
nhiệt động của hơi quá nhiệt R22 –Ta có bảng các thông số nhiệt động của môi chất
trên đồ thị như sau:
Bảng 4.1: Thông số trạng thái các điểm nút
Điểm Trạng tháiP
bar
T0C
v.103
m3/kg
i
kJ/kg
S
kJ/kgK
1
1’
2
3
3’
4
Hơi bão hòa khô x=1
Hơi quá nhiệt
Hơi quá nhiệt
Lỏng sôi, x=0
Lỏng chưa sôi
Hơi bão hòa ẩm
4,893
4,893
17,266
17,266
17,355
4,893
0
25
88,63
45
38
-
46,98
54,41
17,27
0,9011
-
-
704,28
722,67
754,68
555,97
537,58
537,58
1,7479
1,814
1,814
1,186
-
-
Nhiệt độ điểm 3’ được xác định theo phương trình cân bằng nhiệt trong thiết bị hồi
nhiệt với giả thiết bỏ qua các tổn thất. Ta có:
i3 – i3’ = i1’ – i1
Hay i3’ = i3 + i1 – i1’ = 555,97 + 704,28 – 722,67 = 537,58 kJ/kg
Từ i3’ và p3’ ta có t3’ = 38 0C
Như vậy độ quá lạnh = 45 – 38 = 7 0C
e) Tính toán chu trình
1. Lưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống
71
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Lưu lượng môi chất tuần hoàn được xác định dựa vào năng suất lạnh của dàn bay hơi
Q0 và công suất nhiệt Qk của dàn ngưng tụ. Ở chương 4 ta đã tính toán được:
Q0tt = 3,61 kW; Qktt = 3,67 kW
Xem hiệu suất của dàn nóng và dàn lạnh bằng nhau: = 0,7
Vậy công suất dàn ngưng của bơm nhiệt:
Qk = =5,24 kW
Công suất dàn bay hơi của bơm nhiệt:
Q0 = =5,16 kW
Do môi chất tuần hoàn trong bơm nhiệt nên lưu lượng môi chất qua dàn nóng và dàn
lạnh bằng nhau. Ta có:
Lưu lượng môi chất qua dàn lạnh:
G0 = = 0,031 kg/s
Lưu lượng môi chất qua dàn nóng:
Gk = = 0,0264 kg/s
Ta thấy lưu lượng môi chất qua dàn nóng và dàn lạnh theo tính toán không bằng nhau.
Do đó để đảm bảo công suất của toàn hệ thống thì ta chọn lưu lượng lớn nhất. Tức là:
G = max(G0, Gk) = G0 = 0,031, kg/s.
Khi đó công suất nhiệt sẽ là:
Qk’ = G(i2 – i3) = 0,031.(754,68 – 555,97) = 6,16 kW
72
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Công suất nhiệt sẽ thừa một lượng là:
= Qk’ – Qk = 6,16 – 5,24 = 0,92 kW
Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt:
Qhn = G.(i1’ – i1) = 0,031.(722,67–704,28) = 0,57 kW
Công tiêu thụ của máy nén:
L = G(i2 – i1’) = 0,031.(754,68 – 722,67) = 0,99 kW
Hệ số nhiệt của bơm nhiệt: Do sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh nên hệ số nhiệt
của bơm nhiệt được tính theo công thức:
= = 10,5
5.5 Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt
5.5.1 Dàn ngưng
a) Công dụng
Thiết bị ngưng tụ của bơm nhiệt có công dụng gia nhiệt cho không khí trước khi vào
buồng sấy từ trạng thái bão hòa sau dàn lạnh đến nhiệt độ và độ ẩm yêu cầu trong quá
trình sấy. Việc sử dụng dàn ngưng của bơm nhiệt để thay thế cho thiết bị gia nhiệt sẽ
làm giảm chi phí điện năng của hệ thống, qua đó làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành
của hệ thống sấy dùng bơm nhiệt.
b) Phương pháp thiết kế dàn ngưng
Chọn loại dàn ngưng: Ta chọn loại dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí đối lưu
cưỡng bức. Cấu tạo gồm một dàn ống trao đổi nhiệt bằng thép hoặc ống đồng có
cánh nhôm hoặc sắt bên ngoài, bước cánh nằm trong khoảng 3 – 10 mm. Cấu tạo
của thiết bị như hình vẽ sau:
73
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Chọn ống cho dàn ngưng: Do môi chất là Freon R22 nên ta chọn ống đồng cánh
nhôm để làm ống dẫn môi chất trong dàn ngưng. Các ống có cánh thường có
thông số:
Ống: - Đường kính trong: dtr = 15 mm
- Đường kính ngoài: dng = 18 mm
- Bước ống: s1 = s2 = s = 34 mm
- Chiều dài đoạn ống: l = 0,5 m
Cánh tròn: - Chiều dày: = 0,3 mm
- Bước cánh: sc = 3,5 mm
- Đường kính cánh dc = 32 mm
Các thông số cho trước
Công suất của dàn ngưng: Qk = 5,24 kW
Nhiệt độ không khí vào dàn: tkk’ = t1 = 8 0C
Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn: tkk” = t2 = 35 0C
Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 45 0C
Lưu lượng môi chất qua dàn ngưng : G = 0,031 kg/s
Lưu lượng không khí qua dàn: Gkk = 0,131 kg/s
Tốc độ không khí đầu vào của dàn: = 2,5 m/s
Tính diện tích trao đổi nhiệt
, m2
74
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Qk - Phụ tải nhiệt yêu cầu của thiết bị ngưng tụ, W
k - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K
- Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, 0K
qkf – Mật độ dòng nhiệt, W/m2
Tính độ chênh nhiệt độ trung bình
Khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk.
Độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức:
, 0C
Trong đó:
0C
0C
Ta tính được = 20,60C
Xác định hệ số truyền nhiệt k
Do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,25 <1,4) nên quá trình truyền nhiệt trong vách
trụ có thể coi là truyền nhiệt qua vách phẳng. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính
theo công thức:
, W/mK
Trong đó:
75
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
- Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m2K
- Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK. Tra bảng thông số vật lý của
một số chất rắn ta có: λcu = 389 W/mK.
- Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức:
= 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,018 – 0,015) = 0,0015 m
εc - Hệ số làm cánh.
Hệ số làm cánh được tính theo công thức:
= 7,67
nc - Số cánh trên 1 ống: nc = = 143 cánh
Tính hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài α2:
Số cánh trên 1 ống: nc = 143 cánh
Chiều cao cánh: h = = 7 mm
Đường kính tương đương: dE =
Trong đó:
* - Diện tích phần không cánh của ống.
= .d2.nc.sc = 3,14.0,018.143.0,0035 = 0,0283 m2
* - Diện tích phần có cánh.
= 2 .nc = = 0,157 m2
Thay vào ta có:
76
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
dE = = 0,0226 m
Tốc độ tại khe hẹp tính theo công thức :
Nhiệt độ không khí trung bình:
ttb = 0,5(tkk’ + tkk”) = 0,5(8 +35) = 21,5 0C
Thông số vật lý của không khí khô ở nhiệt độ 21,5 0C ta có:
= 1,199 kg/m3; = 15,201.10-6 m2/s; = 2,602.10-2 W/mK
Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau:
Re = = = 8,534.103
Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức với ống xếp song song:
Nu = 0,138.Re0,63 = 41,35
Hệ số toả nhiệt của cánh:
= 47,6 W/m2K
Hệ số toả nhiệt tương đương của phía ống có cánh:
, W/m2K
Trong đó:
77
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
= + = 0,0283 + 0,157 =0,1853 m2
= 0,95 : Hiệu suất cánh.
Vậy: = 45,6 W/m2K
Tính hệ số trao đổi nhiệt bên trong α1:
Với hơi R22 ngưng trong ống nằm ngang ta có thể dùng công thức:
α1=1,2.αN=1,2.0,728 , W/m2K
Trong đó:
r = 160,33 kJ/kg - Nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất
kg/m3 - Khối lượng riêng của môi chất lỏng trong dàn ngưng
= 0,0743 W/mK - Hệ số dẫn nhiệt của môi chất lỏng trong dàn ngưng
= tk – tw - Độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và vách ống, 0K
= 2,145.104 Ns/m2 - Độ nhớt động lực học của môi chất lỏng trong bình
ngưng
g – Gia tốc trọng trường. g = 9,81 m/s2
Các thông số trên được lấy tại tk = 45 0C. Giả thiết tw = 43,8 0C, ta tính t w theo phương
pháp lặp. Thay các thông số vào công thức trên ta có:
= 1,2.0,728. = 5622 W/m2K
Thay vào :
78
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
k = = 329 W/m2K
Khi đó: q = k. = 329.20,6 = 6777,4W/m2
q’ = (tk - tw) = 5622.1,2 = 6746,4 W/m2
So sánh q và q’ với sai số cho phép không quá 5% ta có:
= 0,00457 = 0,457% < 5%
Vậy k = 329 W/m2K; α1 = 5622 W/m2K và tw = 43,8 0C
Diện tích trao đổi nhiệt bên trong
= 0,773 m2
Tính các thông số cụ thể của dàn ngưng
Số ống trong dàn: n = = 33 ống
Chọn số ống trên mỗi hàng là m = 11 ống ta sẽ có số hàng ống trong dàn ngưng
là: z = n/m = 3
Kích thước của dàn:
- Chiều rộng dàn: B = z.s2 = 3.0,034 = 0,102 m
- Chiều cao dàn: H = m.s1 = 11.0,034 = 0,374 m
- Chiều dài của dàn đã chọn L = 0,5 m
5.5.2. Dàn bay hơi
79
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
a) Công dụng: Dàn bay hơi có tác dụng nhận nhiệt của không khí chuyển động bên
ngoài dàn làm nhiệt độ không khí giảm xuống dưới nhiệt độ đọng sương để tách một
phần ẩm của không khí trước khi vào dàn bay hơi đồng thời hóa hơi môi chất chuyển
động bên trong dàn lạnh từ trạng thái lỏng đến trạng thái hơi bão hòa.
b) Thiết kế dàn bay hơi
Chọn loại dàn bay hơi: Dàn bay hơi ở đây có tác dụng làm lạnh không khí nên
ta chọn loại dàn bay hơi làm lạnh không khí đối lưu cưỡng bức. Cấu tạo của dàn
như hình vẽ trên. Do làm lạnh không khí đến điểm sương nên dàn bay hơi có máng
hứng nước ngưng ở dưới. Cấu tạo của dàn bay hơi như hình vẽ trên.
Chọn ống cho dàn bay hơi: Để phù hợp với môi chất R22, ta chọn ống đồng
cánh nhôm hình vuông làm ống dẫn môi chất trong dàn. Thông số của ông chọn như
sau:
Ống: - Đường kính trong : dtr = 15 mm
- Đường kính ngoài: dng = 18 mm
- Bước ống : s1 = s2 = s = 36 mm
- Chiều dài đoạn ống : L = 0,5 m
Cánh: - Chiều dày: = 0,35 mm.
- Bước cánh: sc = 3,5 mm.
- Chiều dài cánh: lc = 34 mm
- Đường kính tương đương của cánh: dc = = 43,31 mm
Thông số cho trước
Công suất dàn: Q0 = 5,16 kW
Nhiệt độ không khí vào dàn bay hơi: tk0’ = 35 0C
Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn: tk0” = 8 0C
80
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Nhiệt độ bay hơi của môi chất trong dàn: t0 = 0 0C
Lưu lượng khối lượng môi chất trong dàn lạnh: G = 0,031 kg/s
Lưu lượng không khí qua dàn lạnh: Gk = 0,131 kg/s
Tốc độ không khí đầu vào dàn lạnh: = 2,5 m/s
Tính diện tích trao đổi nhiệt
, m2
Q0 - Phụ tải nhiệt yêu cầu của thiết bị bay hơi, W
k - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K
- Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, 0K
q0f - Mật độ dòng nhiệt, W/m2
Tính độ chênh nhiệt độ trung bình
Độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức:
, 0C
Trong đó:
0C
0C
Thay vào công thức ta có tính được = 18,3 0C
Xác định hệ số truyền nhiệt k : Do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,2 <1,4)
nên quá trình truyền nhiệt trong vách trụ có thể coi là truyền nhiệt qua vách
phẳng. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo công thức:
81
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
, W/mK
Trong đó:
- Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt,
W/m2K
- Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK
Tra bảng thông số vật lý của một số chất rắn ta có: = 389 W/mK.
- Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức:
= 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,018 – 0,015) = 0,0015 m
Số cánh trên 1 ống: nc = = 125 cánh
εc hệ số làm cánh. Hệ số làm cánh được tính theo công thức:
= 13,9
Tính hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài :
Số cánh trên 1 ống: nc = 125 cánh
Chiều cao cánh: h = = 12,66 mm.
Đường kính tương đương: dE =
Trong đó:
* - Diện tích phần không cánh của ống
= .d2.nc.sc = 3,14.0,018.125.0,0035 = 0,0247 m2
82
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
* - Diện tích phần có cánh
= 2 .nc = = 0,61 m2
Thay vào công thức trên ta có:
dE = = 0,048 m
Tốc độ tại khe hẹp tính theo công thức:
= 5,7 m/s2
Nhiệt độ không khí trung bình:
ttb = 0,5(tkk’ + tkk”) = 0,5(35 +8) = 21,5 0C
Thông số vật lý của không khí khô ở nhiệt độ 21,5 0C ta có:
= 1,199 kg/m3; = 15,201.10-6 m2/s; = 2,602.10-2 W/mK
Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau:
Re = = = 18.103
Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức với ống xếp song song:
Nu = 0,138.Re0,63 = 66,2
Hệ số toả nhiệt của cánh:
= 35,9 W/m2K
83
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Hệ số toả nhiệt tương đương của phía ống có cánh:
, W/m2K
Trong đó:
= + = 0,0247 + 0,61 =0,6347 m2
= 0,95 : Hiệu suất cánh.
Vậy: = 33,62 W/m2K
Tính hệ số trao đổi nhiệt bên trong :
, W/m2K
Trong đó:
- Tốc độ chuyển động của lỏng R22 trong hệ thống, m/s. Với R22: = 0,4
– 1 m/s. Ta chọn = 0,5 m/s.
- Khối lượng riêng cuả R22 lỏng tại 0 0C: = 1,284.103 kg/m3
A - Tại 00C, ta chọn A = 1,32
= tw – t0
dtr - Đường kính trong của ống, m
Do tw chưa biết nên ta tìm phương pháp lặp:
Giả sử tw = 3,60C, ta tính được:
= 1,22,5.[3,6 -0]1,5. = 2229 W/m2K
84
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Thay vào
k = = 385,7 W/m2K
Khi đó: q = k. = 385,7.21,5 = 8293,6 W/m2
q’ = (tw – t0) = 2229.3,6 = 8024,4 W/m2
So sánh q và q’ với sai số cho phép không quá 5% ta có:
= 0,0324 = 3,24% < 5%
Vậy k = 385,7 W/m2K; α1 = 2229 W/m2K và tw = 3,6 0C
Diện tích trao đổi nhiệt bên trong
= 0,731 m2
Tính các thông số cụ thể của dàn bay hơi
Số ống trong dàn: n = = 31 ống
Lấy số ống bằng 33
Chọn số ống trên mổi hàng là m = 11 ống ta sẽ có số hàng ống trong dàn
bay hơi là: z = n/m =3
Kích thước của dàn:
- Chiều rộng dàn: B = z.s2 = 3.0,036 = 0,108 m
- Chiều cao dàn: H = m.s1 = 11.0,036 = 0,396 m
85
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
- Chiều dài của dàn đã chọn L = 0,5 m
5.5.3 Tính chọn máy nén
Nhiệm vụ của máy nén lạnh: Máy nén lạnh là bộ phận quan trọng nhất của các
hệ thống lạnh nén hơi. Máy nén có nhiệm vụ:
o Liên tục hút hơi sinh ra ở thiết bị bay hơi.
o Duy trì áp suất P0 và nhiệt độ t0 cần thiết.
o Nén hơi lên áp suất cao tương ứng với môi trường làm mát, nước hoặc
không khí, đẩy vào thiết bị ngưng tụ.
o Đưa lỏng qua van tiết lưu trở về thiết bị bay hơi, thực hiện quá trình tuần
hoàn kín của môi chất lạnh trong hệ thống gắn liền với việc thu hồi nhiệt ở
môi trường lạnh và thải nhiệt ở môi trường nóng.
Chọn loại máy nén: Với môi chất R22 ta chọn loại máy nén pittông nửa kín
1. Tính toán chu trình ở chế độ yêu cầu
Năng suất khối lượng thực tế: G = 0,031 kg/s
Năng suất thể tích thực tế:
Tra bảng các tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hoà với nhiệt độ hơi hút
là 00C ta có v = v0” = 46,98.10-3 m3/kg.
Vậy Vtt = G.v = 0,031.46,98.10-3 = 1,456.10-3 m3/s
Tỷ số nén: = = 3,46
Hệ số cấp của máy nén:
Hệ số cấp của máy nén là tỉ số giữa thể tích thực tế V tt và thể tích lý thuyết Vlt của máy
nén. Hệ số cấp và hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ số nén với môi chất R22 ta có =
0,77.
Thể tích hút lý thuyết: Vlt = Vtt/ = 1,456.10-3/0,77 = 1,89.10-3 m3/s
86
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Năng suất lạnh riêng khối lượng:
q0 = i1 – i4 = 704,28 – 537,58 = 166,7 kJ/kg
Năng suất lạnh riêng thể tích
qv = = 3549 kJ/m3
Thể tích hơi thực tế hút vào xylanh:
V= G.v1’ =0,031.54,41.10-3 = 1,69.10-3 m3/s
Hệ số chỉ thị thể tích:
Chọn :
* C = 0,05
* = =0,1 bar
Hệ số tổn thất không thấy được:
Hệ số lưu lượng của máy nén:
= =0,855.0,86=0,7353
Thể tích chuyển dời của pittong:
Vh = = m3/s
87
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Công suất đoạn nhiệt:
Na= G( i2 – i1’) = 0,031.(754,68 - 722,67) = 0,992 kW
Hiệu suất chỉ thị:
Với R22 chọn b= 0,0025
Công suất chỉ thị:
Ni = = = 1,15 kW
Công suất ma sát:
Nm =Vh .Pm .102 = 2,3.10-3 .0,5.102=0,115 kW
Chọn Pm =0,5 bar
Công suất hiệu dụng:
Ne =Ni +Nm =1,15 + 0,115 = 1,265 kW
Công suất trên trục máy nén truyền động trực tiếp
N = Ne = 1,265 KW
2. Tính toán năng suất lạnh tiêu chuẩn
Do công suất lạnh của máy nén phụ thuộc rất lớn vào chế độ vận hành nên chế độ vận
hành khác so với trong catalogue. Để chọn máy nén phù hợp ta tiến hành quy đổi
năng suất lạnh từ chế độ vận hành sang chế độ quy chuẩn: Với R22, chế độ tiêu chuẩn
là: t0 = 150C; tqn = 15 0C; tk = 30 0C; tql = 25 0C. Ta lập bảng thông số trạng thái của các
điểm nút trên đồ thị:
88
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Bảng 4.2 : Thông số tiêu chuẩn của các điểm nút
Điểm Trạng tháiP
bar
t0C
v.103
m3/kg
i
kJ/kg
S
kJ/kgK
1
1’
2
3
3’
4
Hơi bão hòa khô x=1
Hơi quá nhiệt
Hơi quá nhiệt
Lỏng sôi, x=0
Lỏng chưa sôi
Hơi bão hòa ẩm
2,966
2,966
11,908
11,908
11,908
2,966
-15
15
85
30
25
-15
77,29
106,15
25,183
0,8515
-
-
698,38
719,7
759,315
536,51
515,19
515,19
1,7710
1,8448
1,8448
1,1248
-
-
Tính toán chế độ tiêu chuẩn:
Tỷ số nén: = = 4,015
Hệ số cấp: Hệ số cấp và hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ số nén với môi chất
R22 ta có = 0,76
Năng suất lạnh riêng khối lượng tiêu chuẩn:
q0tc = i1 – i4 = 183,19 kJ/kg
Năng suất lạnh riêng thể tích tiêu chuẩn:
kJ/m3
Năng suất lạnh tiêu chuẩn:
Q0tc = kW
89
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
3. Chọn máy nén
Máy nén pittong 1 cấp của hãng MYCOM Series F4C - Mỹ ta chọn máy nén có thông
số sau:
-Ký hiệu: F4C
-Q0tc: 2.0 HP
-Số xi lanh: 4
-Điện nguồn: 220V/1Ph/50Hz
-Đường kính pittông: 65 mm
-Số vòng quay: 1000 vg/ph
4. Tổn thất năng lượng và công suất động cơ
Công nén đoạn nhiệt:
Ns = G(i2 – i1) = 0,031(754,68 – 704,28) = 1,562 kW
Hiệu suất chỉ thị. Dựa vào tỷ số nén ta có = 0,86
Công nén chỉ thị:
kW
Công suất hữu ích: Ne = Ni + Nms
Công tiêu tốn để thắng lực ma sát: Nms = pms.Vtt
Với máy nén R22 ngược dòng: pms = 19 – 34 kPa. Ta chọn pms = 25 kPa.
Nms = 1,456.10-3.2500 = 3,64 W = 0,00364 kW
Ne = 1,82 + 0,00364 = 1,823 kW
90
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Công suất điện tiêu thụ: Nel =
- Hiệu suất truyền động. Với máy nén nửa kín: = 1
- Hiệu suất động cơ điện. = (0,8 – 0,95). Chọn = 0,9
Nel = = 2,03 kW
Công suất động cơ điện lắp đặt: Ndc = (1,1 – 2,1).Nel
Chọn: Ndc = 1,6.Nel = 1,6.2,03 = 3,25 kW
5.5.4 Chọn đường ống dẫn môi chất
5.5.4.1 Đường ống đẩy
* Lưu lượng thể tích môi chất qua ống đẩy:
Vd = G.v2 = 0,031.17,27.10-3 = 5,181.10-4 m3/s
* Tốc độ môi chất trong ống đẩy:
Tốc độ dòng chảy thích hợp với môi chất R22, =(7–12) m/s. Ta chọn = 9
m/s.
* Đường kính trong của ống:
dtd = = 0,00856 m
Đường ống cho máy lạnh Freôn ta chọn loại ống có thông số:
- Đường kính trong: dtd = 14 mm
- Đường kính ngoài: dnd = 18 mm
5.5.4.2 Đường ống hút
91
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
* Lưu lượng thể tích môi chất qua ống hút:
Vd = G.v1’ = 0,031.54,41.10-3 = 1,69.10-3 m3/s.
* Tốc độ môi chất trong ống hút:
Tốc độ dòng chảy thích hợp với môi chất R22, =(8–15) m/s. Ta chọn = 12
m/s
* Đường kính trong của ống:
dtd = = 0,0134 m
Đường ống cho máy lạnh Freôn ta chọn loại ống có thông số:
- Đường kính trong: dtd = 15 mm
- Đường kính ngoài: dnd = 18 mm
5.5.6 Thiết bị hồi nhiệt
Công dụng: Thiết bị hồi nhiệt có tác dụng quá nhiệt hơi hút về máy nén để tránh
lọt lỏng vào máy nén gây ra hiện tượng va đập thủy lực làm hư hỏng thiết bị và
quá lạnh lỏng cao áp để giảm tổn thất lạnh do van tiết lưu.
Cấu tạo:
92
1- Đường vào hơi hơi hạ áp
2- Đường ra lỏng cao áp
3- Đường vào lỏng cao áp
4- Đường ra hơi hạ áp
5- Ống xoắn
6- Ống trụ kín
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Nguyên lý: Lỏng cao áp chảy bên trong ống xoắn trao đổi nhiệt với hơi hạ áp
chảy bên ngoài ống làm cho hơi hạ áp từ hơi bão hoà trở thành hơi quá nhiệt.
Lỏng cao áp nhả nhiệt cho hơi hạ áp và được quá lạnh một phần. Ống trụ kín 2
đầu có nhiệm vụ hướng cho dòng hơi đi qua ống xoắn và làm tăng tốc độ dòng hơi
để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt. Bình hồi nhiệt được bọc cách nhiệt.
* Thông số thiết kế
- Công suất thiết bị hồi nhiệt: Qhn = 0,57 kW
- Nhiệt độ lỏng môi chất vào: tl’ = t3 = 45 0C
- Nhiệt độ lỏng môi chất ra: tl” = t3’ = 15 0C
- Nhiệt độ hơi môi chất vào: th’ = t1 = 0 0C
- Nhiệt độ hơi môi chất ra : th” = t1’ = 25 0C
1. Tính chọn đường kính ống
Với lỏng R22 chảy trong ống, tốc độ môi chất nằm trong khoảng (0,4 – 1) m/s. Ta chọn
= 0,8 m/s.
Lưu lượng thể tích của lỏng chảy trong ống là:
V = G.v3 = 0,031.0,9011.10-3 = 2,8.10-5 m3/s
Đường kính trong của ống:
d1 = = 0,00668 m
Theo kích thước tiêu chuẩn của đường ống trong bảng các loại ống đồng cho
máy lạnh Freon ta chọn d1 = 8 mm. Khi đó, đường kính ngoài là: d2 = 10 mm.
Đường kính của vòng xoắn: Chọn Dx = 80 mm
93
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Chọn khe hở giữa ống xoắn với vỏ thiết bị là . Khi đó, đường kính
trong của vỏ là:
Dv = Dx + d2 +2. = 80 + 10 + 2.10 = 110 mm
Đường kính của phần lỏi quấn ống (để dễ lắp đặt ta lấy khoảng hở giữa ống
xoắn và lỏi quấn là = 5mm). Khi đó:
Dl = Dx - - d2 = 80 – 2.5 – 10 = 67,5 mm
Tiết diện tự do của hơi trong thiết bị hồi nhiệt:
F =
=
= 0,00341 m2
Lưu lượng thể tích của môi chất:
V = G.v1 = 0,031.0,04698 = 1,456.10-3 m3/s
Tốc độ hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt:
= 0,427 m/s
2. Tính toán diện tích trao đổi nhiệt
Diện tích trao đổi nhiệt được tính từ phương trình truyền nhiệt
, m2
Qhn - Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt. Qhn = 0,57 kW
94
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
k - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K
- Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, 0K
Tính độ chênh nhiệt độ trung bình: Trong thực tế, nhiệt độ trong thiết bị ngưng
tụ giảm từ t2 xuống tk, giữ nguyên tk trong quá trình ngưng tụ nhưng lại giảm
khi qúa lạnh. Nhưng khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là
không đổi và bằng tk. Độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức:
, 0C
Trong đó:
- Hiệu nhiệt độ lớn nhất: 0C
- Hiệu nhiệt độ bé nhất: 0C
Thay vào công thức ta có tính được = 14,1 0C
Xác định hệ số truyền nhiệt k: Do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,2 <1,4) nên
quá trình truyền nhiệt trong vách trụ có thể coi là truyền nhiệt qua vách phẳng.
Lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo công thức:
, W/mK
Trong đó:
- Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt,
W/m2K.
- Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK; = 389 W/mK.
95
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
- Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức:
= 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,01 – 0,008) = 0,001 m
a) Xác định hệ số toả nhiệt
Nhiệt độ trung bình của môi chất lỏng:
ttb = 0,5(t3 + t3’) = 0,5(45 +38) = 41,5 0C
Tra bảng tính chất vật lý trên đường bão hoà của R22 với nhiệt độ 41,5 0C ta có:
= 1125,8 kg/m3; = 2,17.10-4 Ns/m2; =7,63.10-2 W/mK; Pr = 3,794
Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau:
Re = = = 1,66.104
Như vậy dòng chảy trong ống là chảy tầng (Re>1.104). Khi đó hệ số Nu được
tính theo công thức:
Nu = 0,021.Re0,8.Pr0,43.A.
Trong đó:
A - Hệ số kể đến ảnh hưởng của chiều dòng nhiệt: A =
Coi tf = tw nên A = 1
- Hệ số kể đến chiều dài ống. = 1
- Hệ số kể đến ảnh hưởng khi uốn cong
= 1 + = 1,354
Thay vào ta có:
96
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Nu = 0,021.(1,66.104)0,8.3,7940,43.1.1.1,354 = 120
Vậy: = 1144,5 W/m2K
b) Hệ số toả nhiệt
Nuf =
Trong đó:
A - Hệ số kể đến ảnh hưởng của chiều dòng nhiệt: A = .Coi tf =
tw nên A = 1.
- Hệ số kể đến ảnh hưởng của bước ống. Coi chùm ống có 2 dãy ống
song song và bước ống s = R = 35 mm.
= 1,207
Nhiệt độ trung bình của hơi môi chất trong thiết bị:
ttb = 0,5(t1 + t1’) = 0,5(0 +25) = 12,5 0C
Tra bảng tính chất vật lý trên đường bão hoà của R22 với nhiệt độ 12,5 0C ta
có: = 1240 kg/m3; = 2,5.10-4 Ns/m2; = 0,0913.10-3 W/mK; Pr = 3,3
Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau và để ý :
Re = = = 1,984.104
Thay vào ta có:
Nu = 0,26.(1,984.104)0,65.3,30,33.1.1,207 = 289,2
97
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Vậy: = 2640 W/m2K
Thay vào công thức trên ta có hệ số truyền nhiệt:
= 796,7 W/mK
Diện tích trao đổi nhiệt:
= 0,051 m2
Chiều dài l của ống xoắn: l = , m
Trong đó: dtb = 0,5(d1+d2) = 0,5(10 + 8) = 9 mm
Thay vào ta có:
l = = 1,81 m
Chiều dài l1 của 1 vòng xoắn:
l1 = .Dx= 3,14.0,08 = 0,25 m
Số vòng xoắn:
n = = 7,3 vòng. Chọn n = 8 vòng.
98
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
5.7 TÍNH TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT
a) Tính toán đường ống dẫn tác nhân sấy.
Theo sơ đồ bố trí của hệ thống, ta cần phải chế tạo hệ thống dẫn không khí từ quạt vào
buồng sấy. Diện tích mặt cắt được xác định theo công thức :
, m2
Trong đó : - F : Diện tích tiết diện đường ống dẫn, m2
- V : Lưu lượng không khí trong đoạn ống, m3/s
- : Tốc độ không khí trong ống, m/s
Chọn :
Để lựa chọn tốc độ gió thích hợp là một bài toán kinh tế kỹ thuật phức tạp. Bởi vì:
Khi chọn tốc độ lớn thì đường kính ống nhỏ, chi phí cho đầu tư thấp, tuy nhiên
trở lực của hệ thống lớn và độ ồn do khí động của dòng không khí cao.
Khi chọn tốc độ thấp thì đường kính ống lớn, chi phí cho đầu tư lớn, khó khăn
cho lắp đặt nhưng độ ồn giảm. Để phù hợp với hệ thống ta chọn tốc độ gió
trong kênh dẫn gió là 6 m/s.
Tính lưu lượng không khí.
-Trong chương 4 ta đã tính toán được lưu lượng không khí tuần hoàn trong 1 giây là
Gkk = 0,216 kg/s. Với nhiệt độ trung bình trong buồng sấy là 30,5 0C, tra bảng phụ lục
6 – Thông số vật lý của không khí khô ta có = 1,163 kg/m3. Khi đó ta có:
V = = 0,113 m3/s
Vậy: F = 0,019 m2
Đường kính ống dẫn không khí.
99
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
d = = 0,16 m
Ta chọn đường kính ống dẫn là d = 200 mm
Xác định chiều dài đường ống
Chiều dài toàn bộ đường ống l, m được xác định dựa vào sơ đồ bố trí hệ thống. Theo
tính toán sơ bộ thì chiều dài tổng cộng đường ống gió của hệ thống từ bộ xử lý không
khí đến miệng thổi vào buồng sấy khoảng l = 3,5 m
b) Tính toán trở lực của hệ thống
Sơ đồ tính toán khí động
Tổn thất áp suất trên đường ống gió
Tổn thất ma sát: Tổn thất ma sát được tính theo công thức:
, mmH2O
Trong đó: - Hệ số tổn thất ma sát.
100
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
+ l - Chiều dài ống. l = 3,5m
+ d – Đường kính trong tương đương của ống, d = 0,18m
+ - Tốc độ không khí trong ống. = 6 m/s
+ - Khối lượng riêng của không khí tại nhiệt độ 30,5 0C
Tra bảng Phụ Lục – Thông số vật lý của không khí khô, ta có thông số của không khí
tại 30,5 0C là:
=1,163 kg/m3; = 16,03.10-6 m2/s.
Khi đó: Re = = =6,59.105
Với ống tôn mỏng bề mặt trong láng, tiết diện tròn và Re>105 thì:
λ = 0,0032 + 0,221.Re-0,237= 0,0032 + 0,221.[ 6,59105]-0,237= 0,0124
Vậy: = 5,7 mmH2O
Tổn thất cục bộ
Hệ thống đường ống gió gồm có:
1 van điều chỉnh gió tiết diện hình chữ nhật. D/D0 = 0,9 và góc nghiêng =
00 ta được = 0,19
4 cút tiết diện hình chữ nhật theo khung của buồng sấy ta có ξ = 1,37
Trở lực khi đi qua các khay sấy xếp song song ta có ξ = 0,5
Tổn thất cục bộ được tính theo công thức:
= 129,2 mmH2O
Vậy tổng tổn thất trên đường ống gió:
101
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
P1 = Pms + Pcb = 5,7 + 129,2 = 134,9 mmH2O
c) Tổn thất qua các thiết bị của hệ thống
-Tính : trở lực của thiết bị lọc bụi, buồng xử lý không khí, buồng sấy.
Trở lực của thiết bị lọc bụi tùy theo từng kiểu lọc bụi khác nhau mà trở lực của nó
khác nhau. Trong hệ thống này do mật độ bụi không nhiều nên ta chọn thiết bị lọc bụi
đơn giản là bộ lọc bụi kiểu lưới. Thiết bị lọc bụi kiểu lưới thì trở lực của lưới lọc nằm
trong khoảng 30 40 Pa. Ta chọn trở lực của lưới sử dụng trong hệ thống sấy này bằng
35 Pa = 3,57 mmH2O
- Trở lực qua buồng xử lý không khí được tính theo công thức:
, mmH2O
Với = 2,5 m/s ta chọn trở lực qua buồng xử lý không khí là 220 mmH2O
Vậy P2 = 226 mmH2O
Bảng 4.3: Tổn thất khí động bên trong hệ thống sấy
Vị trí Dạng tổn thất Tổn thất (mmH2O)
1 Trở lực cục bộ trên đường ống 28,9
2 Trở lực cục bộ khi đi qua các khay sấy 53
3 Trở lực cục bộ trên đường ống 28,9
4 Trở lực cục bộ trên đường ống 28,9
5 Trở lực cục bộ khi đi qua buồng xử lý không khí 226
6 Trở lực cục bộ trên đường ống 28,9
7 Trở lực cục bộ khi đi qua van điều chỉnh gió 3,4
8 Tổn thất ma sát khi đi qua buồng sấy 5,7
9 Trở lực cục bộ khi đi qua lưới lọc 3,5
102
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Như vậy tổng tổn thất trở lực của hệ thống là:
= 407,2 mmH2O
d) Chọn quạt.
Ta có năng suất của quạt N là:
Trong đó: V - lưu lượng ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy, m3/h
- tổng cột áp quạt phải thực hiện, mmH2O
k - hệ số dự phòng, k =(1,1 1,2). Chọn k = 1,1
- hiệu suất của quạt, . Chọn q =0,6
- khối lượng riêng của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn.
- khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ trung bình TNS.
Thay số: = 0,92 kW
Dựa vào năng suất quạt N, lưu lượng quạt V và cột áp ΔP ta lựa chọn loại quạt hướng
trục để phù hợp với cấu trúc thiết kế của buồng sấy với các thông số sau:
Loại đường kính guồng cánh 250 mm
Tốc độ: 2760 vg/ph
Lưu lượng: 500 - 700 m3/h
Áp suất: 500 – 800 mmH2O
Công suất: N = 1,2 kW
103
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
CHƯƠNG VI : CHI PHÍ QUÁ TRÌNH SẤY VÀ THỜI GIAN
HOÀN VỐN
6.1 Ước tính chi phí sấy và thời gian hoàn vốn
a. Chi phí nhiên liệu.
Các thông số đã có:
Thời gian sấy một mẻ: 24,3h giảm ẩm từ 88,7% xuống 13%
Tỉ lệ tươi/khô = 7,7
Năng suất sấy : 7 kg/mẻ
Công suất tổng : 4,57 kW (Máy nén 3,25 kW và quạt 0,92kW, chiếu sáng 0,4kW)
Giá thành điện : 1000đ/hWh
Ta tính được:
Năng suất sấy (kg/h) = Năng suất sấy [kg/mẻ]/thời gian sấy mỗi mẽ [h]
= 7/24,3 = 0,29 kg/h
Chi phí nhiên liệu để sấy 1kg cà rốt khô.
Chi năng lượng (đ/kg) = Năng lượng động cơ (kWh)*giá năng lượng(đ/kWh)/năng
suất sấy (kg/h) = 4,57*1000/0,29 = 15758 đ/kg
b. Chi phí lao động.
Công lao động tính theo thời gian 50000(đ/ca), mỗi ca 8 giờ
Công theo thời gian mỗi giờ = Công theo thời gian (đ/ca)/ 8giờ
= 50000/8= 6250 đ/h
Công theo thời gian = Công theo thời gian (đ/h)/ Năng suất sấy (kg/h)
= 6250/0,29 = 21551 đ/kg
c. Chi khấu hao
Giả sử ta có thể sấy 24 giờ mỗi ngày.
104
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Năng suất sấy mỗi ngày (kg) = Năng suất sấy (kg/h)*24(h/ngày)
=0,29.24 = 6,96 kg/ngày
=> Năng suất sấy mỗi năm (kg) = số ngày sấy mỗi năm* Năng suất sấy mỗi ngày
(kg/ngày)= 365.6,96 = 2540,4 kg/năm
Để đơn giản cho việc tính toán kinh tế, ta thay thế bơm nhiệt bằng một máy điều hòa
có công suất lạnh tương tự như bơm nhiệt đã tính toán. Với công suất lạnh của dàn
lạnh là 5,16 kW tương đương với công suất lạnh là 17606 Btu/h. Ta chọn máy điều
hòa của hãng Daikin có model là FT50BVM với các thông số:
+ Năng suất dàn lạnh: 18090 Btu/h
+ Năng suất dàn nóng: 48000 Btu/h
+ Công suất điện: 1650 W
+ Dòng điện : 7,9 A
+ Môi chất: R22
+ Gía tiền: 15 000 000 đ
Tính thêm khoản đầu tư ban đầu để xây dựng hầm sấy và mua quạt, Vậy tổng vốn đầu
tư cho toàn bộ buồng sấy ước tính đạt là:
Tổng đầu tư = 18 000 000 đ
Tuổi thọ của hệ thống có thể 10 năm. Do diện tích đặt máy sấy không nhiều nên chúng
ta bỏ qua khấu hao nhà xưởng.
Khầu hao phần sấy và động cơ mỗi năm là:
Khấu hao = tổng đầu tư / tuổi thọ
= 18000000/10 = 1800000 đ
=> Chi khấu hao = khấu hao mỗi năm/ Lượng sấy mỗi năm
= 1800000/2540,4= 709 đ/kg
Chi khấu hao sữa chữa v = 1,5 * Chi khấu hao = 1,5.709 = 1063,5 đ/kg
105
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp
Bảng Tổng hợp các thành phần chi phí
Các loại chi phí Thành phần chi phí sấy Chi phí (đ/kg)
Chi phí cố định Chi phí khấu hao và sữa chữa 1063,5
Chi phí vận hànhChi phí năng lượng động cơ 15758
Chi phí lao động 21551
Tổng cộng chi để có 1kg ơt khô 38372
6.2 Tổng thu và thời gian hoàn vốn
Chi nguyên liệu đầu vào mỗi năm.
Giá cà rốt tươi = 8000 đ/kg
Lượng ớt tươi sấy mỗi năm = 2540,4.7,7 = 19561 kgtươi/năm
Chi phí nguyên liệu mỗi năm =19561.8000 = 156488000 đ/năm
Tổng chi mỗi năm = 156488000 + 38372.2540,4 = 253968300 đ/năm
Tổng thu mỗi năm.
Giá cà rốt khô 120 000 đ/kg
Tổng thu mỗi năm =2540,4.120000 = 304848000 đ/năm
Lãi mỗi năm.
Lãi mỗi năm = Tổng Thu –Tổng Chi = 304848000 – 253968300 = 50879700 đ/năm
Thời gian hoàn vốn.
Thời gian hoàn vốn = Tổng đầu tư/lãi mỗi năm = 18000000/ 50879700 = 0,354 năm (4 tháng 8 ngày).
106