Nghiên cứu mô hình máy sấy bông Atisô theo nguyên lý sấy bơm nhiệt
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
Nghiên cứu mô hình máy sấy bông Atisô theo nguyên lý sấy bơm nhiệt, thuyết minh máy sấy bông Atisô theo nguyên lý sấy bơm nhiệt, động học, kết cấu máy máy sấy bông Atisô theo nguyên lý sấy bơm nhiệt, nguyên lý máy sấy bông Atisô theo nguyên lý sấy bơm nhiệt, cấu tạo máy, quy trình sản xuất
ĐẶT VẤN ĐỀ
Nước ta là nước nông nghiệp, thuận lợi để phát triển và chế biến nông sản cũng như các loại cây rau quả cà chua, ớt, chuối, nấm.v.v. và đặc biệt là cây Atisô. Cây Atisô được xem là cây nông nghiệp có tính dược liệu, tất cả các phần của cây như hoa, lá, rễ, thân, đều được sử dụng. Lá được các công ty, cơ sở sản xuất thu mua ở dạng tươi về chế biến thành trà hoặc chiết xuất làm dược phẩm. Hoa được sử dụng làm thực phẩm hoặc sấy khô làm trà uống có tác dụng mát gan, giải độc. Ngoài hoa, lá thì thân và rễ cây Atisô cũng là những thực phẩm, dược liệu rất tốt cho sức khoẻ con người.
Hoạt chất chính của Atisô là cynarine, ngoài ra còn có inulin, inulinaza, tamin, các muối hữu cơ của các kim loại Kali, Canxi, Magiê, Natri... Atisô có tác dụng hạ cholesterol và urê trong máu, tạo mật, tăng tiết mật, lợi tiểu, thường được làm thuốc thông mật, chữa các chứng bệnh về gan, thận.
Tuy nhiên chất lượng của các sản phẩm Atisô vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu của các khách hàng khó tính vì khâu chế biến còn rất thô sơ, chủ yếu là phơi nắng hoặc sấy bằng lò sấy thủ công. Đặc tính rau quả nói chung và bông Atisô nói riêng là vật liệu không bền nhiệt, nên sản phẩm qua chế biến bị tổn thương đáng kể với mức độ khác nhau, chủ yếu ứng dụng theo cơ chế sấy nhiệt đối lưu, với mức chi phí đầu tư ban đầu thấp. Tuy vậy, hạn chế là không ổn định về động lực sấy, phụ thuộc vào khí hậu, môi trường, khó kiểm soát được quá trình sấy theo yêu cầu công nghệ.
Để đáp ứng nhu cầu về sản lượng cũng như yêu cầu chất lượng sản phẩm ngày càng gia tăng, thì vấn đề nghiên cứu lựa chọn công nghệ sấy thích hợp cho Atisô phù hợp với điều kiện ứng dụng tại Việt Nam là thực sự cần thiết.
Từ những nguyên nhân trên, với mong muốn nâng cao chất lượng bông Atisô sau khi làm khô, việc nghiên cứu và chế tạo máy sấy cho bông Atisô là vấn đề cấp thiết.
Được sự chấp thuận của Phòng sau đại học, Ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí - Công Nghệ Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM và dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Hay và TS. Lê Anh Đức tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu mô hình máy sấy bông Atisô theo nguyên lý sấy bơm nhiệt”.
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Vật liệu sấy là bông Atisô thái lát được trồng tại Đà Lạt.
- Đối tượng nghiên cứu là máy sấy hoạt động theo nguyên lý sấy bơm nhiệt, năng suất 20 kg/mẻ.
* Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan về bông Atisô và các phương pháp làm khô bông Atisô hiện nay.
- Phân tích ưu nhược điểm và đề xuất mô hình máy sấy.
- Tính toán thiết kế máy sấy bông Atisô theo nguyên lý sấy bơm nhiệt.
- Chế tạo máy sấy bông Atisô.
- Khảo nghiệm đánh giá khả năng làm việc của máy.
- Quy hoạch thực nghiệm xác định các thông số làm việc hợp lý của máy.
* Mục tiêu của đề tài:
Nghiên cứu thiết kế chế tạo và khảo nghiệm mô hình máy sấy bông Atisô thái lát theo nguyên lý sấy bơm nhiệt, năng suất 20 kg/mẻ.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
- Ứng dụng các đặc tính ưu việt của công nghệ sấy bơm nhiệt cho sấy bông Atisô.
- Giải quyết được những vấn đề còn tồn tại mà phương pháp làm truyền thống hiện nay chưa giải quyết được.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài được ứng dụng để thiết kế chế tạo mẫu máy sấy có năng suất quy mô nông hộ nhằm triển khai áp dụng trong thực tế tại Thành phố Đà Lạt.
.Chương I
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về bông Atisô
1.1.1. Nguồn gốc và đặc điểm cây Atisô
Atisô là loại cây lá gai lâu năm có nguồn gốc từ miền Nam châu Âu (quanh Địa Trung Hải) đã được người Cổ Hy Lạp và Cổ La Mã trồng để lấy hoa làm rau.
Những cây Atisô được trồng đầu tiên ở quanh Naples vào giữa thế kỷ 15. Nó được Catherine de Medici giới thiệu tới nước Pháp trong thế kỷ 16, sau đó, người Hà Lan mang nó đến Anh. Atisô tiếp tục được mang tới Mỹ trong thế kỷ 19 bởi những người đến nhập cư: Bang Louisiana bởi người Pháp và bang California bởi người Tây Ban Nha. Ngày nay, Atisô được trồng chủ yếu ở Pháp, Ý, Tây Ban Nha, Mỹ và các nước Mỹ Latinh. Atisô du thực vào Việt Nam đầu thế kỷ 20, được trồng ở Sa Pa, Tam Đảo, nhiều nhất là ở Đà Lạt. Tên gọi của nó là sự phiên âm sang tiếng Việt của từ tiếng Pháp artichaut. Tên khoa học: Cynara scolymus.
Hình 1.1. Cây bông Atisô
- Hình dạng, kích thước: Loại cây lá gai lâu năm có nguồn gốc từ miền Nam châu Âu. Atisô là cây thảo lớn, cao 1 - 1,2 m, có thể đến 2 m. Thân ngắn, thẳng và cứng, có khía dọc, phủ lông trắng như bông. Lá to, dài, mọc so le, phiến lá xẻ thùy sâu và có răng không đều, mặt trên xanh lục mặt dưới có lông trắng, cuống lá to và ngắn. Cụm hoa hình cầu, to, mọc ở ngọn, màu đỏ tím hoặc tím lơ nhạt, lá bắc ngoài của cụm hoa rộng, dày và nhọn, đế cụm hoa mọc phủ đầy lông tơ, mang toàn hoa hình ống. Có thể được chế biến theo dạng thái lát mỏng hoặc nguyên bông và được kiểm tra trong quá trình sản xuất.
- Mùi vị: Vị đắng là một đặc tính quan trọng của sản phẩm bông Atisô sấy, ngoài phương pháp đánh giá bằng cảm quan, màu sắc, mùi và vị còn được đánh giá bằng phương pháp phân tích.
- Thành phần các chất dinh dưỡng: bông Atisô ăn rất tốt cho sức khỏe, nó cung cấp khoảng 9,3% carbohydrate, 1,5% chất xơ, rất ít chất béo và protein. Năng lượng cung cấp rất thấp, chỉ khoảng 40 đến 50 kcal nhưng lại rất giàu vitamin và chất khoáng như potassium, phosphorus, calcium, sodium và magnesium.
- Sự ngấm nước: mức độ và thời gian ngấm nước hay hấp thụ nước hoặc bù nước là một trong những yêu cầu cơ bản đối với sản phẩm rau quả sấy, là đại lượng đánh giá khả năng hồi nguyên của sản phẩm sau khi sấy so với trạng thái ban đầu.
- Độ ẩm sản phẩm: là đặc tính kỹ thuật quan trọng đối với khả năng bảo quản sản phẩm sau quá trình sấy.
- Dư lượng hóa chất: là mức yêu cầu tối thiểu còn tồn dư trong sản phẩm mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng và gây độc hại đối với cơ thể con người. Giới hạn cho phép là 2000-2500 mg SO2/kg cho các loại rau quả .
- Nhiễm vi sinh vật: những yếu tố tạo môi trường cho sự phát triển của vi sinh vật là thực phẩm, độ ẩm, độ pH, nhiệt độ, oxy và thời gian. Rau quả cũng như Atisô là một dạng thực phẩm và là môi trường cho sự hoạt động của vi sinh vật, nên cần hạn chế các yếu tố ảnh hưởng cũng như gia tăng khả năng nhiễm khuẩn từ công đoạn trước và trong thu hoạch, mà khi xử lý sơ chế chưa đảm bảo và có thể khi rửa bằng nguồn ướt đã bị nhiễm khuẩn, cũng có thể gây ra từ người mang vi khuẩn.
1.1.2. Thành phần hoá học trong Atisô
Trong Atisô chứa chất đắng có phản ứng Acid gọi là Cynarin. Còn có Inulin, Tanin, các muối kim loại K (tỉ lệ rất cao), Mg, Natri, hợp chất Flavonoid. Protein (3,6%), dầu béo (0,1%), Carbon Hydrat (16%), chất vô cơ (1,8%), Ca (0,12%), P (0,10%), Fe (2,3mg/100g), Caroten (60 Unit/100g tính ra Vitamin A).
1.1.3. Tính chất vật lý của bông Atisô
- Bông Atisô có dạng hình cầu.
- Đường kính bông từ 50 - 70 mm.
- Trọng lượng bông 300 - 350 gr/cái.
- Ẩm độ khi thu hoạch 75 - 85% .
- Ẩm độ bảo quản nhỏ hơn hoặc bằng 10%
- Khối lượng thể tích: 170 kg/m3.
Hình 1.2. Bông Atisô tươi
- Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng bông Atisô khô
Tại Việt Nam sản lượng Atisô chủ yếu thu được từ bốn loại là: thân, lá, rễ và bông. Sản lượng hàng năm khoảng 800 tấn. Vì cách sơ chế và bảo quản không tốt, khiến cho dinh dưỡng trong Atisô bị giảm đi nhiều, các chất quý biến mất, điều kiện bảo quản không tốt,… nên Atisô chủ yếu được tiêu thụ trong nước, hầu hết là dùng làm thực phẩm, trà, nấu lấy nước uống thanh nhiệt... Một phần ít dùng để làm thuốc
Bông Atisô sấy là một loại thực phẩm, về chất lượng gồm các nhóm tiêu chuẩn về lượng: dinh dưỡng, cảm quan và vệ sinh an toàn thực phẩm. Mặt khác bông Atisô sấy là một loại hàng hóa nên ngoài chất lượng sản phẩm, còn phải thỏa mãn về chất lượng dịch vụ và chất lượng công nghệ. Trong đó chất lượng dinh dưỡng là tiêu chuẩn quan, mức dinh dưỡng có thể đánh giá trên hai phương diện:
- Về số lượng là năng lượng tiềm tàng dưới dạng hợp chất hóa học có thể cung cấp cho quá trình tiêu hóa và chuyển hóa năng lượng.
- Về chất lượng là cân bằng các thành phần dinh dưỡng theo từng đối tượng tiêu thụ với sự có mặt của các chất vi lượng cần thiết.
Cho đến hiện nay, tiêu chuẩn đánh giá chất lượng bông Atisô sau khi sấy chưa có. Tuy nhiên, theo tiêu chuẩn đánh giá chất lượng bông Atisô sau khi sấy của công ty cổ phần dược Lâm Đồng Ladopha, là công ty thu mua chế biến và sản xuất các sản phẩm Atisô khô tại Đà Lạt như sau:
- Tiêu chuẩn về cảm quan:
- Màu: Trắng, vàng, xanh xám.
- Hình dáng bên ngoài: nguyên lát đều, tạp chất không quá 1,5%. Các lát Atisô mềm dẻo bóp không nát vụn.
- Mùi: thơm nồng đặc trưng của Atisô, không có mùi chua.
- Vị: đắng, hậu ngọt thơm.
- Tạp chất khác: không lẫn tạp chất, không bị mốc, sâu bọ.
- Tiêu chuẩn về lý, hóa:
- Ẩm độ: thấp hơn hoặc bằng 10% .
- Độc chất: không có độc tố và các chất bảo quản.
Chất lượng sản phẩm bông Atisô sấy luôn bị tác động của nhiều yếu tố ảnh hưởng trước, trong và sau quá trình sấy. Trong đó các yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất luôn diễn ra trong quá trình sấy.
1.2. Các kết quả nghiên cứu về sấy Atisô trong và ngoài nước
1.2.1. Kết quả nghiên cứu về sấy Atisô trên thế giới
Mặc dù đã cố gắng tìm kiếm các thông tin có liên quan đến các loại máy sấy Atisô từ rất nhiều nguồn thông tin, tài liệu, nhưng cho đến hiện nay chưa tìm được bất kỳ công trình nào của nước ngoài công bố về vấn đề này. Các kết quả nghiên cứu về Atisô chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu các thành phần hóa học và tính chất dược liệu của các bộ phận cây Atisô và tác dụng dược lý của Atisô đối với với con người.
Trước đây người ta cho rằng hoạt chất của Atisô là Cynarin (Acide 1-4 dicaféin quinic). Những nghiên cứu gần đây chứng minh rằng có nhiều hoạt chất khác chứ không riêng gì Cynarrin (Ernst E. Naturamed 1995), các chất đó là inulin, inulinaza, tamin, các muối hữu cơ của các kim loại Kali, Canxi, Magiê, Natri... Mặc dù chất cynarin đã tổng hợp được nhưng người ta vẫn dùng chế phẩm từ cao lá Atisô tươi.
Theo R.Paris, hoạt chất tập trung chủ yếu ở lá, có nhiều nhất ở phiến lá (7,2%) rồi đến hoa (3,48%), đến cụm hoa, rễ, cuống lá. Lá non chứa nhiều hoạt chất hơn lá mọc thành hình hoa thị ở mặt đất. Nếu sấy ở nhiệt độ cao thì lá mau khô nhưng lại mau mất hoạt chất. Ở nhiệt độ thấp, việc làm khô sẽ lâu hơn. Lá cần được ổn định trước rồi mới chuyển thành dạng bào chế. Ngọn có hoa chứa Inulin, Protein (3,6%), dầu béo (0,1%), Carbon Hydrat (16%), chất vô cơ (1,8%0, Ca (0,12%), P (0,10%), Fe (2,3mg/100g), Caroten (60 Unit/100g tính ra Vitamin A). Thân và lá còn chứa muối hữu cơ của các kim loại K, Ca, Mg, Na. Mới đây, các nhà khoa học thuộc Trường Đại Học Reading, Hoa Kỳ phát hiện lá Atisô còn là bài thuốc có ích trong việc điều trị bệnh tăng cholesterol trong máu.
Hoa Atisô rất tốt cho sức khỏe, nó cung cấp khoảng 9,3% carbohydrate, 1,5% chất xơ, rất ít chất béo và protein. Năng lượng cung cấp rất thấp, chỉ khoảng 40 đến 50 kcal nhưng lại rất giàu vitamin và chất khoáng như potassium, phosphorus, calcium, sodium, sulphor và magnesium.
Rễ Atisô hầu như không có dẫn chất của Cafeic acid, bao gồm cả Clorogenic acid và Sesquiterpen lacton. Rễ chỉ điều thông tiểu chứ không có tác dụng tăng tiết mật (Herbal Medicine 1999).
1.2.2.Các kết quả nghiên cứu sấy Atisô ở việt Nam
Tương tự như tình hình nghiên cứu ngoài nước, tại Việt Nam các công trình nghiên cứu về máy sấy nông sản thực phẩm thì nhiều, nhưng nghiên cứu về máy sấy thân, rễ Atisô thì có thể khẳng định cho đến hiện nay chưa có bất kỳ công trình nghiên cứu nào được công bố.
Các công trình nghiên cứu về Atisô cũng chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu thành phần dược tính của cây Atisô được trồng tại Đà Lạt, nhưng chưa có công trình nào nghiên cứu về sự thay đổi thành phần dược liệu dưới tác dụng của nhiệt độ phơi, sấy.
Tại Đà Lạt, Atisô trồng 1 vụ/năm, thời gian thu hoạch bông, thân, rễ từ tháng 2 đến tháng 5, bông thu hoạch liên tục hàng ngày, sau khi thu hoạch xong bông, thì tiến hành thu hoạch thân rễ đồng loạt (chuẩn bị trồng vụ mới từ tháng 5 đến tháng 6), thời gian thu hoạch mỗi vườn khác nhau, phụ thuộc thời gian trổ hoa từng vườn Atisô. Lá, cọng được thu hoạch suốt thời kỳ sinh trưởng, lá thu hoạch tươi bán cho các công ty dược nấu cao, một số hộ phơi khô bán ra thị trường.
Bình quân tại Đà Lạt, diện tích trồng Atisô khoảng 4.000 m2/hộ, năng suất bình quân bông, thân, rễ, lá từ 8 - 10 tấn (tươi)/ha, trong đó tỷ lệ bông chiếm khoảng 13%, rễ và thân chiếm 35%, lá chiếm 52%. 20 - 30% sản lượng Atisô thu hoạch hàng năm được chế biến làm trà túi lọc hay trà hòa tan, số lượng còn lại được thái mỏng, nhất là hoa, thân, rễ, rồi phơi khô hay bán tươi như một loại thực phẩm dùng trong ăn uống hàng ngày.
Theo Sở Nông nghiệp và phát triển nông thôn tỉnh Lâm Đồng, trên địa bàn Đà Lạt, có rất nhiều cơ sở sản xuất chế biến các loại sản phẩm từ Atisô. Tuy nhiên, các sản phẩm này hầu hết chỉ có tiêu chuẩn công bố về hàm lượng polyphenol toàn phần mà chưa xác định rõ thành phần hóa học. Một đề tài nghiên cứu của Viện công nghệ hóa học, đã tiến hành khảo sát thành phần polyphenol và flavonoid có tính kháng oxy hóa. Đề tài “Xây dựng công nghệ ly trích hợp chất có hoạt tính sinh học trong dược liệu Atisô với hiệu suất cao” do PGS.TS. Nguyễn Ngọc Hạnh, viện Công Nghệ Hóa Học làm chủ nhiệm, đã được nghiệm thu tại Hội đồng khoa học và công nghệ tỉnh Lâm Đồng. Đề tài đã tiến hành khảo sát thành phần hóa học cơ bản của hoa, lá, thân, rễ khô và lá Atisô tươi ở Đà Lạt bằng các thuốc thử biệt tính, cho thấy đều có chứa flavonoid, sterol, terpenoid, glycosid và tanin. Các nguyên liệu khô của thân, rễ, lá có hàm lượng polyphenol rất thấp, trong khi hoa khô, hoa tươi và lá tươi có hàm lượng rất cao. Thân và rễ khô có hàm lượng flavonoid thấp, trong khi hoa tươi và hoa khô có hàm lượng cao nhất, lá có hàm lượng trung bình. Các tác giả đã sản xuất được cynarin là hoạt chất mà trước đây các công ty dược thường phải nhập từ nước ngoài, với giá trên 10 triệu đồng/10 mg. Các nghiên cứu cũng cho thấy: Cây Atisô Đà Lạt, có đầy đủ các thành phần hóa học như cây Atisô của các nước khác trên thế giới.
Trên thị trường thuốc Việt Nam đang lưu hành các chế phẩm Atisô, như các loại trà túi lọc, các loại thuốc viên bao, các dung dịch uống đóng ống hoặc đóng chai. Chủ yếu được sản xuất trong nước, chứa một thành phần hoặc nhiều thành phần dược chất (chỉ có sản phẩm viên bao Chophytol là sản xuất tại Pháp). Các sản phẩm khác từ cây Atisô như trà Lipton Atisô, trà Lá Atisô, hoa, thân, rễ Atisô khô, nhụy hoa Atisô.
Chất lượng Atisô sau khi phơi hiện nay tại Đà lạt, được thương lái đánh giá qua mẫu mã (phụ thuộc tay nghề người thái); màu sắc: Trắng, thâm, đen (tùy thuộc thời tiết); có mùi thơm đặc trưng (bông, thân, rễ phải đạt khô không còn độ ẩm, được bảo quản trong bao bì ny lon kín). Nhìn chung, chất lượng bị suy giảm là do: Ngấm sương, phơi lâu do không nắng, bụi, ẩm mốc do bảo quản không tốt Đối với lá cây Atisô, sau khi được thu hoạch sẽ không phơi hoặc sấy khô mà đưa ngay vào chế biến, để đảm bảo hoạt chất Cynarrin của lá. Thời gian thu hoạch lá là lúc cây sắp ra hoa, hái lấy lá, bẻ sống. Lá Atisô thu hái vào năm thứ nhất của thời kỳ sinh trưởng hoặc vào cuối mùa hoa. Khi cây trổ hoa thì hàm lượng hoạt chất giảm, vì vậy, thường hái lá trước khi cây ra hoa. Có tài liệu nêu là nên thu hái lá còn non vào lúc cây chưa ra hoa. Ở Đà Lạt, nhân dân thu hái lá vào thời kỳ trước tết Âm lịch 1 tháng.
Hình 1.3. Bông Atisô khô thành phẩm
Atisô khi thu hoạch thường có hàm lượng nước cao, nên dễ bị lên men và bị hư hỏng, do vậy cần phải đem sấy khô. Tuy nhiên, do công nghệ sấy khô Atisô chưa phát triển, nên các vùng trồng cây Atisô như Đà Lạt, khi thu hoạch thường làm khô bằng cách phơi nắng hay sấy thủ công.
1.2.2.1. Phương pháp phơi nắng
Bông Atisô già mới thu hoạch, thời gian thu hoạch kéo dài khoảng 50 ngày, bông cắt về chẻ đôi loại bỏ tim rồi dùng dao 2 lưỡi thật sắc thái mỏng 3 - 4mm; thu hoạch xong bông, mới tiến hành thu hoạch thân cây (đồng loạt); dùng bàn thái (dao cố định): thái mỏng từ 7 - 10 mm; rễ thu đồng loạt, chọn rễ lớn; dùng dao 2 lưỡi thái mỏng từ 3 - 4 mm (gọi là rễ thái lát), rễ nhỏ (đường kính từ 10 - 20mm) cắt từng đoạn ngắn 10 - 15cm (rễ khúc). Bông, thân, rễ sau khi thái mỏng, phơi nắng bằng cách rải xếp một lớp mỏng trên mái tôn phơi để đạt độ khô khoảng 14%.
Bông: phải chọn ngày nắng nhiều (6 tiếng) mới thái đem phơi, không cần đảo, sức nóng mái tôn sẽ làm khô đều 2 mặt lát bông, chỉ cần 1 ngày nắng tốt, bông đã gần khô (tiến hành gom cất, tuyệt đối không được để qua đêm, không để bông khô gặp mưa) hôm sau chỉ cần trải lớp dày 6 - 10cm phơi lại là đạt độ khô, nếu muốn trữ lại lâu dài (vài tháng đến 1 năm), phơi dày thêm 1-2 nắng là được. Đối với bông Atisô quan trọng nhất là nắng đầu tiên quyết định mẫu mã chất lượng bông, nếu trường hợp lỡ thái rồi mà trời không nắng có thể ủ lại được 1 - 2 đêm, nếu lâu hơn sẽ hỏng. Trường hợp đang phơi gặp trời mưa, buộc phải thu gom hoặc che bạt hôm sau phơi tiếp, nhưng chất lượng giảm, mẫu mã không đẹp, giá thành giảm mất 40-50% giá trị (hàng loại 2, 3), kể cả khi phơi mà trời không nắng hoăc nắng yếu.
Rễ: tương tự như bông, tuy nhiên thời gian khô dài hơn bông khoảng 1-2 nắng.
Thân: phơi như bông, rễ nhưng thời gian lâu hơn, khoảng 6 - 7 nắng và nắng tốt mới khô, đến đêm có thể che phủ bạt, không để gặp sương. Khi gần khô phải đảo. Chất lượng, mẫu mã cũng tuỳ thuộc thời tiết như trên.
Trên 1 m2 có thể phơi 4 - 5 kg bông hoặc rễ tươi đã thái lát; 6 - 7 kg thân.
Nếu đúng thời điểm thu hoạch nhưng trời mưa, thì có thể hoãn lại 5 - 7 ngày, để hết mưa rồi thu hoạch, nếu kéo dài phải thu hoạch rồi sấy. Nếu hoãn quá dài ngày mới thu thì chất lượng, sản lượng bông sẽ giảm.
Nhân công: công phơi, gom bông, thân, rễ: 300 - 400 kg tươi/công.
Hiện nay, các doanh nghiệp chỉ thu mua bông, thân, rễ đã phơi khô, chỉ có lá là thu mua tươi. Nông dân chủ yếu phơi nắng, hiện chưa có máy sấy hữu hiệu.
+ Ưu điểm:
- Đơn giản, chi phí đầu tư thấp.
- Không đòi hỏi công nhân lành nghề.
- Có thể phơi lượng lớn.
+ Nhược điểm:
- Không kiểm soát được nhiệt độ.
- Phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.
- Tốn nhiều nhân công.
- Thời gian phơi nắng lâu.
- Tổn thất về số lượng nhiều.
- Không đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm do tiếp xúc với môi trường bên ngoài lâu, mặt bằng phơi không đảm bảo vệ sinh, gây nên bụi khói bám vào, lẫn nhiều tạp chất.
1.2.2.2. Phương pháp sấy bằng lò sấy thủ công
Vào những ngày mưa hoặc ít nắng kéo dài, để làm khô Atisô người dân thường dùng phương pháp sấy thủ công để làm khô Atisô: Đặt Atisô trên giàn hay các khay chồng lên nhau, sau thời gian sấy nhất định thì phải đảo khay để Atisô khô đều. Sấy bằng phương pháp này, chất lượng không đảm bảo vì khói lò tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy, tốn nhiều công lao động, lam việc trong môi trường cực nhọc. Do đó phương pháp này hiện nay chưa hợp lý, cũng chỉ là giải pháp tình thế.
+ Ưu điểm:
- Giải quyết được tức thì để bảo quản Atisô không hư.
- Kết cấu máy đơn giản, chi phí đầu tư thấp.
+ Nhược điểm:
- Chất lượng Atisô giảm vì bị mất dưỡng chất.
- Không đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, khói, mùi than bám vào sản phẩm.
- Tốn nhiều nhân công, làm việc trong môi trường ô nhiễm.
Các phương pháp làm khô trên là những phương pháp sấy trực tiếp, không đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, do bụi bám vào. Độ ẩm sản phẩm không đều, với nhiệt độ sấy cao làm ảnh hưởng đến các chất nhạy nhiệt có trong Atisô.
1.3. Xác định phương pháp sấy phù hợp
1.3.1. 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 giảm. Mặt khác, do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên, nên mật độ hơi trong các mao quản tăng, nên phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu cũng tăng. 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 hay tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy. Hệ thống sấy nóng, 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…
- 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 liệu sấy.
- 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 liệu.
l.Ưu điểm:
+ Thời gian sấy ngắn hơn so với phương pháp khác.
+ Năng suất cao và chi phí ban đầu thấp.
+ Nguồn năng lượng sử dụng có thể là hơi nước nóng, hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, ... cho đến điện năng.
- 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.
- Phương pháp này không thể dùng để sấy Atisô vì sấy ở nhiệt độ cao, sẽ làm mất dưỡng chất, làm mất màu, mất tính dược phẩm và giảm mùi vị đặc trưng của Atisô.
1.3.2. Phương pháp sấy chân không
Atisô là sản phẩm nhạy nhiệt, phải sấy ở nhiệt độ thấp. Phương pháp này được áp dụng bằng cách hút chân không buồng sấy đến áp suất mong muốn để đưa nước về nhiệt độ bốc hơi.
l.Ưu điểm:
- Đảm bảo được khoáng chất và thành phần hóa học ít bị thay đổi.
- Đảm bảo được vệ sinh thực phẩm.
- Không phụ thuộc vào điều kiện môi trường.
- Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu cao.
- Chi phí năng lượng riêng còn lớn.
1.3.3. Sấy bằng hệ thống sấy thăng hoa (sấy đông khô)
Sấy thăng hoa là phương pháp sấy bằng cách hạ thấp nhiệt độ sản phẩm sấy xuống dưới điểm ba thể và được đặt trong bình chân không có áp suất gần với áp suất chân không tuyệt đối, khi đó nước thoát ra khỏi sản phẩm sấy ở trạng thái rắn, tức là thăng hoa ẩm. Quá trình sấy thăng hoa gồm 3 giai đoạn: giai đoạn đông lạnh, giai đoạn thăng hoa và giai đoạn sấy ẩm dư.
l.Ưu điểm:
- Đảm bảo khoáng chất và thành phần hóa học trong Atisô ít bị thay đổi.
- Ít ảnh hưởng đến màu và mùi vị sản phẩm.
- Không phụ thuộc vào điều kiện môi trường.
- Đảm bảo được vệ sinh thực phẩm.
- Nhược điểm:
- Chi phí năng lượng cao hơn các phương pháp khác khoảng 50 - 60%.
- Cấu tạo phức tạp.
Qua quá trình phân tích phương pháp sấy chân không và phương pháp sấy thăng hoa, ta có thể đưa ra những nhận xét sau:
l.Ưu điểm
- Các chỉ tiêu về chất lượng như màu sắc cảm quan, mùi vị.
- Thích hợp để sấy các loại vật liệu sấy yêu cầu chất lượng cao, đòi hỏi phải sấy ở nhiệt độ thấp.
- Sản phẩm sấy ít bị tác động bởi điều kiện bên ngoài.
- Quá trình sấy kín nên không phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường.
l.Nhược điểm
- Giá thành thiết bị cao, tiêu hao điện năng lớn.
- Vận hành phức tạp, người vận hành cần có trình độ kỹ thuật cao.
- Cấu tạo thiết bị phức tạp, thời gian sấy lâu.
- Với những ưu điểm trên, các phương pháp này có thể dùng để sấy bông Atisô. Tuy nhiên, do giá đầu tư thiết bị và lượng tiêu hao năng lượng lớn sẽ làm giá thành sản phẩm cao. Vì vậy, các phương pháp này chỉ phù hơp với các sản phẩm quí hiếm có giá trị cao.
1.3.4. Sấy bằng hệ thống sấy bơm nhiệt
Sấy bơm nhiệt là phương pháp sấy với tác nhân sấy có ẩm độ thấp. Tác nhân sấy được quạt đưa vào dàn lạnh và được làm lạnh dưới nhiệt độ đọng sương, nên ẩm sẽ ngưng tụ và tách ra khỏi tác nhân sấy. Dung ẩm của không khí giảm, không khí lúc này trở thành không khí khô, không khí khô được thực hiện một trong hai quy trình sau
+ Không khí khô ( tác nhân sấy) tiếp tục được quạt đưa vào dàn nóng và được gia nhiệt đến nhiệt độ sấy sau đó không khí khô sẽ được đưa vào buồng sấy, hấp thụ ẩm của vật liệu sấy, độ ẩm của tác nhân sấy tăng lên và được quạt hút về dàn lạnh. Tiếp tục chu trình.
+ Tác nhân sấy đi thẳng vào buồng sấy, do độ chênh áp của ẩm độ trong vật sấy và tác nhân sấy cao, ẩm sẽ chuyển dịch từ trong vật ra bề mặt và hóa hơi vào tác nhân sấy, độ ẩm tác nhân sấy tăng lên và được hút về dàn lạnh. Chu trình tiếp tục.
1.4. Tính phù hợp nguyên lý sấy bơm nhiệt
Qua quá trình phân tích các phương pháp sấy, ta thấy phương pháp sấy bơm nhiệt có thể đáp ứng các yêu cầu để sấy được bông Atisô. Với nguyên lý hoạt động của sấy bơm nhiệt, thì đặc trưng là có thể sấy với tác nhân sấy có nhiệt độ thấp và ẩm độ thấp hơn ẩm độ của vật liệu sấy.
Từ các kết quả nghiên cứu về các loại rau củ quả là các vật liệu nhạy nhiệt, với nhiệt độ trên 60oC là nguyên nhân của sự biến đổi chất lượng sản phẩm. Đề tài đã đề xuất công nghệ sấy bơm nhiệt với cơ chế sấy, tạo được độ ẩm thấp ở nhiệt độ thấp là một công nghệ phù hợp về mặt kỹ thuật, thích ứng với đối tượng sấy bông Atisô hơn so với các phương pháp sấy nhiệt đối lưu thông dụng.
1.4.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sấy bơm nhiệt
Công nghệ sấy bơm nhiệt là một ứng dụng từ thành tựu nghiên cứu về bơm nhiệt, vào năm 1852 Thomson (Lord Kenvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên trên thế giới. Nhưng thành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940, tập trung với các ứng dụng để sưởi ấm, đun nước nóng và điều hòa không khí. Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng về năng lượng vào đầu thập kỷ 70, bơm nhiệt bắt đầu có bước tiến nhảy vọt mới. Ngày nay bơm nhiệt đã được ứng dụng đa dạng và mở rộng cho nhiều lĩnh vực khác như hút ẩm, sấy, chưng cất.
Trong đó, lịch sử bơm nhiệt cho công nghệ sấy là một hướng nghiên cứu đã và đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm trong những năm gần đây với 2 mục tiêu mong muốn về: tính cải thiện chất lượng sản phẩm và tính hiệu quả sử dụng năng lượng.
1.4.2. Tính ổn định chất lượng sản phẩm
Nhờ cơ chế có thể làm khô sản phẩm trong môi trường có nhiệt độ thấp và độ ẩm thấp, mặt khác có thể hoạt động độc lập trong môi trường kín, nên công nghệ sấy bơm nhiệt, được coi như một giải pháp ổn định về chất lượng, đối với một số sản phẩm nông sản thực phẩm nói chung.
Các sản phẩm rau quả sấy khô có một hàm lượng chất thơm dễ bay hơi, các vitamin không bền ở nhiệt độ cao và dễ bị suy giảm màu sắc, tỉ lệ hao hụt chất dễ bay hơi biến thiên cùng với độ cô đặc. Những hao hụt lớn nhất xảy ra trong các giai đoạn đầu của quá trình sấy. Do quá trình sấy bơm nhiệt có thể thực hiện được trong môi trường kín, các hỗn hợp dễ bay hơi ban đầu khuếch tán tạo nên áp suất riêng phần được hình thành, làm chậm hơn nữa quá trình bay hơi ở sản phẩm.
1.4.3 Một số máy sấy bơm nhiệt có trên thị trường
1.4.3.1 Mô hình máy sấy bơm nhiệt ứng dụng sấy gỗ
Hình 1.4. Mô hình máy sấy gỗ theo nguyên lý sấy bơm nhiệt (Đại học Đà Nẵng)
- Buồng sấy: buồng sấy có kích thước 1160L x 830W x 940H (mm). Bên trong có xếp gỗ, 1 quạt tuần hoàn cưỡng bức công suất 160 W.
- Bơm nhiệt: máy nén 12000 BTU/h; 2 dàn lạnh diện tích 2 x 0,19 m2, 3 dàn nóng diện tích 3 x 0,25 m2, bình chứa cao áp, 2 ống mao, điện trở công suất 0,7 kW, quạt hút (hướng trục) 130kW
- Vật liệu sấy: gỗ thông có kích thước 710L x 100W x 25H,
- Nhiệt độ sấy ở 20 và 25oC.
- Kết quả: chất lượng gỗ sấy tốt hơn các phương pháp khác.
1.4.3.2. Máy sấy bơm nhiệt gió thổi ngang khay
Máy sấy do Trung tâm công nghệ và thiết bị lạnh trường Đại Học Nông Lâm TP. HCM nghiên cứu thiết kế chế tạo. Đây là dạng máy sấy dạng khay, tác nhân sấy đi ngang qua các khay chứa vật liệu. Với phương pháp này thì sự tiếp xúc giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy nhiều hơn, đều hơn nên độ ẩm sản phẩm sấy đều và nhanh khô hơn. Máy ứng dụng đê sấy rau củ quả.
Hình 1.5. Máy sấy bơm nhiệt gió thổi ngang khay
1.4.3.3 Máy sấy bơm nhiệt dạng sấy tháp
Hình 1.6. Máy sấy bơm nhiệt của Trường Sungkyunkwan Hàn Quốc
1.4.3.4. Máy sấy bơm nhiệt thùng quay tuần hoàn kín
Không khí được quạt tuần hoàn (11) hút vào thiết bị bay hơi (5) sẽ được làm lạnh và tách ẩm. Không khí tiếp tục được hút vào thiết bị ngưng tụ chính để làm tăng nhiệt độ không khí, giảm độ ẩm và thổi vào thùng chứa vật liệu sấy (15), hấp thụ ẩm độ của vật liệu sấy đi ra ngoài theo ống dẫn vào thiết bị làm nguội tác nhân sấy (2). Sau khi tác nhân sấy được làm nguội, được đưa vào thiết bị bay hơi (5) và tiếp tục chu trình sấy.
Hình 1.7. Sơ đồ động máy sấy bơm nhiệt thùng quay tuần hoàn kín.
(1) Bơm nước tháp giải nhiệt, (2) Thiết bị làm nguội tác nhân sấy, (3) Tháp giải nhiệt, (4) Quạt gió tháp giải nhiệt, (5) Thiệt bị bay hơi, (6) Van tiết lưu, (7) Máy nén bơm nhiệt, (8) Van điện từ, (9) Thiết bị ngưng tụ phụ, (10) Thiết bị ngưng tụ chính, (11) Quạt tuần hoàn tác nhân sấy, (12) Vỏ thiết bị sấy, (13) Khay tách nước ngưng, (14) Phiến lọc ga, (15) Thân thùng chứa vật liệu, (16) Động cơ truyền động, (17) Van một chiều, (18) kính gas.
Đây là máy sấy bơm nhiệt ứng dụng để sấy rau quả nông sản. Máy này hội đủ nhiều yếu tố phù hợp về nhiệt độ sấy, độ đồng đều về độ ẩm sản phẩm, bảo đảm các dưỡng chất sản phẩm, không làm mất màu, mùi đặc trưng sản phẩm. Tuy nhiên, máy sử dụng nguyên lý sấy thùng quay có thể làm cho bông Atisô bị vỡ, gãy trong quá trình sấy. Máy chỉ phù hợp để sấy những loại nông sản dạng hạt, dạng củ thái lát như: tỏi, củ cải, cà rốt, khoai tây thái lát, củ tỏi…
1.4.4. Tính hiệu quả sử dụng năng lượng của sấy bơm nhiệt
Là cơ sở đánh giá so sánh về chi phí tiêu thụ năng lượng trong cùng một điều kiện sấy. Về lý thuyết hiệu quả của sử dụng năng lượng bơm nhiệt là rất lớn, tuy vậy kết quả nghiên cứu thực nghiệm còn nhiều hạn chế:
Cơ chế sấy nhiệt độ thấp theo nguyên lý sấy bơm nhiệt thì động lực sấy thấp hơn so với cơ chế sấy nhiệt độ cao với cùng độ ẩm tương đối của các tác nhân sấy do yếu hơn động lực. Do vậy đối tượng vật liệu có liên kết ẩm càng cao thì cần sấy ở nhiệt độ thấp thì hiệu quả của quá trình sấy bơm nhiệt càng cao.
Mô hình sấy bơm nhiệt có tác nhân sấy tuần hoàn với nhiệt độ không đổi thì trạng thái của chu trình tuần hoàn luôn thay đổi theo chiều biến thiên giảm của độ ẩm tương đối, khi đó chênh lệch giữa nhiệt độ tác nhân sấy với nhiệt độ bảo hòa càng lớn dẫn đến hiệu quả tách ẩm càng giảm dần theo thời gian.
Khả năng tách ẩm của dàn bay hơi phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ điểm sương của không khí đầu vào. Khi độ ẩm của không khí trong buồng sấy giảm đi, ở cùng nhiệt độ, nhiệt độ điểm sương của không khí vào dàn bay hơi giảm, dẫn đến một phần diện tích bề mặt giàn không có khả năng tách ẩm, do có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ điểm sương.
1.4.5. Đánh giá chung về công nghệ sấy bơm nhiệt
Tùy theo hình thức sử dụng loại tác nhân sấy ta có thể phân ra làm hai loại thiết bị sấy bơm nhiệt:
- Thiết bị sấy bơm nhiệt hở: với tác nhân sấy là không khí môi trường được xử lý tạo thành dòng không khí khô, sau khi đi qua thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ được đưa vào buồng sấy để trao đổi nhiệt ẩm với vật liệu sấy rồi thải ra ngoài môi trường (không hồi lưu).
- Thiết bị sấy bơm nhiệt kín: với tác nhân sấy hoàn toàn kín (hồi lưu hoàn toàn), tác nhân sấy sau khi trao đổi nhiệt ẩm với vật liệu sấy thì trở về, đi qua thiết bị bay hơi để tiếp tục chu trình sấy. Sấy bơm nhiệt loại kín, trong quá trình sấy không bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường, hạn chế khả năng bị nhiễm khuẩn từ không khí và sự mất mùi của sản phẩm.
* Phạm vi hoạt động của sấy bơm nhiệt:
Tùy theo yêu cầu công nghệ và hình thức cấp nhiệt để lựa chọn tác nhân lạnh phù hợp với yêu cầu của hệ thống sấy bơm nhiệt. Nhiệt độ của chất tải nhiệt phụ thuộc vào hai cặp thông số là nhiệt độ và áp suất của quá trình ngưng tụ và bay hơi của tác nhân lạnh. Như vậy thông số vật lý có vai trò quyết định đến các thông số của quá trình sấy, do vậy việc lựa chọn tác nhân lạnh cần thích ứng với công nghệ ứng dụng.
Chương II
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
Đề tài tập trung giải quyết các vấn đề như sau :
- Nghiên cứu tổng quan tinh hình phơi, sấy bông Atisô.
- Phân tích đề xuất mô hình máy sấy bông Atisô.
- Tính toán thiết kế mô hình máy sấy bông Atisô theo nguyên lý sấy bơm nhiệt, năng suất 20 kg/mẻ.
- Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống máy sấy bông Atisô.
- Khảo nghiệm và xác định chế độ làm việc của máy.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
2.2.1.1. Cách tiếp cận
Tiếp cận với các kết quả nghiên cứu về công nghệ sấy Atisô của các tác giả trong nước thông qua sách, giáo trình và các bài báo.
Tiếp cận với một số thiết bị sấy bơm nhiệt sẵn có ở một số cơ sở trong nước.
Tiếp cận và tiếp thu các ý kiến của các chuyên gia trong lĩnh vực sấy nói chung và sấy Atisô nói riêng.
Trên cơ sở tiếp cận, tìm hiểu về công nghệ, thiết bị và những kinh nghiệm chuyên môn, tiếp thu có chọn lọc những ưu khuyết điểm làm cơ sở cho quá trình nghiên cứu nhằm tiết kiệm thời gian, chi phí nghiên cứu và đem lại hiệu quả nhất.
2.2.1.2 Phương pháp kế thừa
Tiếp cận và kế thừa có chọn lọc với các kết quả nghiên cứu của tác giả trong và ngoài nước về lĩnh vực sấy bằng phương pháp sấy bơm nhiệt thông qua các công trình khoa học đã được công bố. Nghiên cứu các nguồn tài liệu liên quan đến bông Atisô, và Atisô khô từ sách báo và các thông tin từ internet…
Tiến hành khảo sát các công nghệ và thiết bị đã ứng dụng tại một số địa phương trồng cây Atisô ở Đà Lạt.
Tiến hành chọn mẫu thiết bị, tìm hiểu phân tích thiết bị để nắm bắt được các thông số cơ bản và công nghệ, yêu cầu kỹ thuật của từng thiết bị làm cơ sở để so sánh, đánh giá thiết bị khi nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
Tìm hiểu các nhược điểm của các thiết bị sấy nóng, kết hợp với các đặc tính và yêu cầu của bông Atisô, từ đó cải tiến hệ thống hiện có cho phù hợp, áp dụng các thiết bị đo kiểm hiện đại nhằm xác định các thông số tối ưu cho máy sấy bông Atisô bằng phương pháp sấy bơm nhiệt. Lựa chọn vật liệu chế tạo và các phụ kiện hợp lý và đơn giản hóa nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất nhưng chất lượng vẫn đảm bảo.
2.2.1.3. Phương pháp tính toán thiết kế
Việc tính toán thiết kế mô hình máy sấy bông Atisô bằng phương pháp sấy bơm nhiệt dựa trên lý thuyết tính toán máy sấy bơm nhiệt. Các thông số chính được tính toán dựa vào tính chất của bông Atisô, lý thuyết tính toán và thiết kế hệ thống sấy, lý thuyết truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt.
2.2.1.4 Phương pháp giải tích toán học
Phương pháp giải tích toán học được sử dụng để giải quyết các bài toán giải tích trong quá trình nghiên cứu theo phương pháp mô hình hóa, cũng như giải các bài toán tối ưu hóa theo phương pháp giải tích.
2.2.2. Phương pháp chế tạo
- Chế tạo các bộ phận chính, chế tạo đơn lẻ theo từng họ chi tiết điển hình. Một số chi tiết qui chuẩn chọn mua trên thị trường như: bơm nhiệt, máy lạnh, điện trở, quạt được tính toán và chọn mua trên thị trường..
- Chế tạo dựa trên các điều kiện thuận lợi hiện có cho người sản xuất.
2.2.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp khảo nghiệm máy bao gồm hai nội dung chính là khảo nghiệm không tải để theo dõi chất lượng chế tạo ban đầu, kiểm tra hoàn chỉnh máy và khảo nghiệm có tải để xác định, kiểm tra các kết quả tính toán.
- Phương pháp đo ẩm độ vật liệu bằng tủ sấy: cho mẫu Atisô vào tủ sấy, cài đặt nhiệt độ tủ sấy là 800C. Do không có chuẩn về thời gian lấy mẫu ra khỏi tủ sấy, nên chúng tôi tiến hành đo khối lượng mẫu liên tục mỗi 24 giờ, đến khi nhận thấy khối lượng mẫu không thay đổi thì lấy mẫu ra và tính ẩm độ mẫu. Dùng cân điện tử có độ chính xác là 0,01 gram để cân mẫu.
2.2.3.1 Vật liệu và thiết bị phục vụ thực nghiệm
+ Vật liệu: vật liệu sấy là bông Atisô được thu hoạch tại Bảo Lộc - Lâm Đồng, ẩm độ 80%, yêu cầu ẩm độ bông Atisô sau khi sấy 10% (Cơ sở ướt).
+ Thiết bị phục vụ thực nghiệm:
- Cân đồng hồ Nhơn Hòa khoảng đo 0 - 60 kg.
- Thước dây, thước kẹp, thước kéo để đo kích thước các thiết bị.
- Ampe kềm để đo giá trị cường độ dòng điện.
- Các thiết bị điện, cơ khí: dụng cụ tán rivet, máy hàn điện, dụng cụ hàn gió đá, máy khoan tay, máy mài, kéo…
- Tủ sấy hiệu Daihan 101-1 để xác định ẩm độ .
- Cân điện tử hiệu KDM của hãng JADEVER có độ chính xác là 0,01 gam, giới hạn cân là 200 gram.
- Nhiệt kế đo nhiệt độ, đo nhiệt độ TNS qua từng thiết bị Nhãn hiệu: DS-1. Khoảng đo: 0 - 100 0C. Thang đo: 0C, 0F. Dạng hiển thị: hiển thị số.
Hình 2.1. Đồng hồ đo nhiệt độ
- Đồng hồ đo ẩm độ không khí Anemometer Humidity Meter - Vank Pronk, Malaysia, sai số 1 %, sử dụng ở nhiệt độ 0 - 50 0C.
- Đồng hồ đo công suất điện năng tiêu thụ Hioke - Japan, thang đo 20 kW, sai số 0,1 kWh.
- Máy đo vận tốc và ẩm độ tác nhân sấy. Nhãn hiệu AM- 4205. Khoảng đo: 0,1 - 40 m/s. Độ ẩm: 5% - 95%. Thang đo: Nhiệt độ: 0C, 0F. Vận tốc: m/s, km/h, ft/min. Dạng hiển thị: hiển thị số
Hình 2.2. Đồng hồ đo vận tốc
- Súng đo nhiệt độ hồng ngoại nhãn hiệu: INFRARED THERMOMETER CENTER 350. Khoảng đo: –40 - 500 0C. Nhiệt độ hoạt động 0 – 400C( độ ẩm < 80%). Độ chính xác ± 2%. Thang đo: 0C, 0F. Dạng hiển thị: hiển thị số.
Hình 2.3. Súng hồng ngoại đo nhiệt độ
- Túi nhựa đựng sản phẩm sấy.
- Máy tính cầm tay Casio - Japan.
- Đồng hồ tính thời gian Casio chính xác 1 giây.
2.2.3.2. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
* Chọn thông số nghiên cứu:
Thông số vào là các yếu tố ảnh hưởng lên đối tượng nghiên cứu, thông số ra là các chỉ tiêu đánh giá đối tượng. Chọn thông số đầu vào trên cơ sở lấy ý kiến chuyên gia, kết quả nghiên cứu lý thuyết hoặc tiến hành thí nghiệm thăm dò. Việc định các yếu tố nghiên cứu được căn cứ vào nghiên cứu lý thuyết và tham khảo ý kiến chuyên gia, các kết quả thực nghiệm thăm dò bằng phân tích phương sai. Thông qua đó để xác định vùng nghiên cứu.
+ Các yếu tố đầu vào ảnh hưởng đến quá trình sấy sản phẩm:
- Nhiệt độ sấy (0C): ảnh hưởng đến thời gian sấy và chất lượng sản phẩm.
- Vận tốc gió (m/s): ảnh hưởng đến thời gian sấy khô sản phẩm.
- Thời gian đảo gió (phút): ảnh hưởng đến độ đồng đều về ẩm độ và thời gian sấy khô sản phẩm.
- Chiều dày lớp bông atisô (mm): ảnh hưởng đến thời gian sấy sản phẩm.
- Kích thước vật liệu sấy (mm): ảnh hưởng đến tốc độ bốc ẩm của vật liệu.
- Kích thước buồng sấy (mm): quyết định đến chiều dày lớp sản phẩm sấy trong buồng sấy.
+ Các chỉ tiêu đầu ra của sản phẩm:
- Chất lượng sản phẩm: độ ẩm, màu sắc, mùi vị, hàm lượng vitamin, protein...
- Độ đồng đều về ẩm độ sản phẩm (%).
- Chi phí điện năng riêng (kWh/kg)
Chỉ tiêu tối ưu và thông số tối ưu của quá trình sấy nghiên cứu được phát biểu bằng bài toán hộp đen (hình 2.4).
Hình 2.4. Mô hình bài toán hộp đen mô tả quá trình nghiên cứu
* Lập kế hoạch thực nghiệm:
Chọn dạng kế hoạch thực nghiệm phù hợp với điều kiện tiến hành thí nghiệm với đặc điểm của thông số lên đối tượng nghiên cứu.
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được tiến hành từ bậc I và phát triển lên bậc II nếu bậc I không phù hợp. Trong trường hợp cả hai phương án không phù hợp cần thiết kế lại thí nghiệm trên cơ sở định lại vùng nghiên cứu và bổ sung yếu tố nghiên cứu.
Khi phương án bậc I trực giao chuyển lên phương án bậc II, vùng thí nghiệm cơ sở (mức trên và mức dưới) vẫn được giữ nguyên, miền thí nghiệm mở rộng ra tới cánh tay đòn ±α. Số thí nghiệm lặp để xác định phương sai thuần vẫn ở điểm trung tâm.
Số thí nghiệm ở phương án bậc I trực giao được tính theo công thức:
N = 2k + n0 (2.1)
Số thí nghiệm ở phương án bậc II được tính theo công thức:
N = 2k + 2.k + n0 (2.2)
Trong đó:
k: số yếu tố nghiên cứu
2k: số thí nghiệm ở mức cơ sở
2.k: số thí nghiệm ở mức điểm sao ±α với (α = 2k/4)
n0: số thí nghiệm lặp ở tâm phương án.
* Tiến hành thực nghiệm tiếp nhận thông tin:
Sử dụng phương pháp xử lý sơ bộ số liệu thực nghiệm, kiểm tra một số giả thuyết thống kê. Khi tiến hành thực nghiệm, nhận thông tin và xử lý sơ bộ các thông tin sẽ giúp kiểm tra tính liên thuộc của số liệu bị nghi ngờ, giúp xác minh kịp thời những thực nghiệm cần bổ sung hoặc giúp kiểm tra mức độ ảnh hưởng của các yếu tố. Thực nghiệm theo tiến trình được lập ở trên.
* Kiểm tra mô hình hồi qui thực nghiệm:
Sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất và các nội dung phân tích hồi qui, phân tích phương sai để xác định giá trị các hệ số trong mô hình hồi qui đa thức. Sau khi xây dựng mô hình hồi qui thực nghiệm, kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi qui theo tiêu chuẩn Student, kiểm tra tính tương thích mô hình theo tiêu chuẩn Fisher. Nếu mô hình không tương thích phải làm lại thực nghiệm bậc hai với các khoảng thay đổi của thông số vào.
Nếu hệ số hồi quy không đủ mức ý nghĩa, thì phải xác minh rõ tính chất không ảnh hưởng của thông số tương ứng với hệ số hồi qui vô nghĩa, loại bỏ hệ số này ra khỏi mô hình. Khi bỏ các hệ số hồi qui vô nghĩa, cần phải tính lại một số hệ số hồi qui có liên hệ phụ thuộc với các hệ số loại bỏ nhằm giữ cho mô hình vẫn tương thích.
Để việc tính toán thực hiện được thuận lợi, người ta chuyển từ hệ trục tự nhiên X1,….Xk sang hệ trục không thứ nguyên (hệ mã hóa). Việc mã hóa được thực hiện dễ dàng nhờ chọn tâm của miền được nghiên cứu làm hệ trục tọa độ. Với kế hoạch thực nghiệm bậc hai, có dạng mã hóa như sau:
(2.3)
Trong đó:
xi, xj: giá trị mã hóa của các thông số Xi, Xj
b0: hệ số tự do
bi: các hệ số tuyến tính
bij (i¹j): các hệ số tương tác cặp
bii: các hệ số bậc hai
k: số yếu tố nghiên cứu
Các hệ số b0, b1,….bk,b11,b12,…b1k thực chất chỉ là ước lượng của các hệ số hồi qui. Các hệ số hồi qui Bhq = [b0, b1,….bk,b11,b12,…b1k] được xác định theo công thức tổng quát dưới dạng ma trận:
Bhq = [XT.X]-1.XT.Y (2.4)
Trong đó:
X: ma trận kế hoạch thực nghiệm bậc hai
Y: ma trận các kế hoạch thực nghiệm
Sau khi xây dựng được mô hình hồi qui thực nghiệm phải kiểm tra tính tương thích của mô hình theo chuẩn thống kê Fisher, kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi qui theo tiêu chuẩn Student.
Tìm cực trị hàm chỉ tiêu trong qui hoạch thực nghiệm cực trị. Sử dụng chương trình Microsoft Excel để tìm cực trị của hàm chỉ tiêu chính xác hơn.
2.2.3.3. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm
Áp dụng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) để đánh giá mức độ ảnh hưởng của thông số nghiên cứu đến quá trình nghiên cứu chỉ là ngẫu nhiên hay
.................................
Biểu đồ 3.3. Đường giảm ẩm vật liệu sấy tại 450C, đảo gió 1 lần sau 3,5 giờ sấy
- Nhận xét :
-Tại thời điểm đảo chiều tác nhân sấy :
+ Ẩm độ vật liệu lớp dưới tăng lên do nhận ẩm của tác nhân sấy đã lấy từ lớp vật liệu phía trên.
+ Ẩm độ vật liệu lớp trên bắt đầu giảm mạnh do tiếp xúc trực tiếp với tác nhân sấy.
- Ẩm độ tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy và ra khỏi buồng sấy tại thời điểm kết thúc quá trình sấy gần bằng nhau, gần bằng ẩm độ vật liệu sấy.
- Sản phẩm sấy giữ được màu sắc và mùi vị đặc trưng.
- Ẩm độ có sự chênh lệch giữa lớp trên và lớp dưới nhưng không đáng kể. Sản phẩm đạt ẩm độ theo yêu cầu ban đầu.
Qua 3 thí nghiệm trên với cùng nhiệt độ tác nhân sấy là 450C, sơ bộ đã cho thấy thời gian đảo chiều gió phù hợp là 3,5h
- Kết quả một số khảo nghiệm khác :
- Làm các thí nghiệm khác có cùng chiều dày lớp vật liệu là 0,6 m, khối lượng 20kg /mẻ
- Nhiệt độ tác nhân sấy thay đổi theo từng mẻ là: 400C, 500C, 550C
- Thời gian sấy liên tục trong 6giờ, có đảo chiều gió. Thời gian đảo gió chỉ một lần sau 3,5 h sấy.
- Chu kì kiểm tra theo dõi và tiến hành lấy mẫu kiểm tra là sau 30 phút.
Kế quả khảo nghiệm thể hiện qua các bảng 3.7, 3.8, 3.9
Bảng 3.7. Biến đổi ẩm độ vật liệu tại 400C, đảo gió 1 lần sau 3,5giờ sấy
|
thời gian (h) |
0h |
0.5h |
1h |
1.5h |
2h |
2.5h |
3h |
3.5h |
4h |
4.5h |
5h |
5.5h |
6h |
||
|
Ẩm độ lớp trên |
83 |
80.3 |
77 |
73.3 |
68.9 |
62.5 |
56.6 |
49.8 |
37.9 |
29.6 |
22.5 |
17.7 |
14.9 |
||
|
Ẩm độ lớp dưới |
83 |
73 |
63.2 |
48.6 |
40.9 |
38.3 |
28.8 |
20.4 |
|
19.2 |
15.3 |
12.6 |
10.3 |
Biểu đồ 3.4: Đường giảm ẩm vật liệu sấy tại 400C, đảo gió 1 lần sau 3,5 giờ sấy
Bảng 3.8. Biến đổi ẩm độ vật liệu tại 500C, đảo gió 1 lần sau 3giờ sấy
|
thời gian (h) |
0h |
0.5h |
1h |
1.5h |
2h |
2.5h |
3h |
3.5h |
4h |
4.5h |
5h |
5.5h |
6h |
|
Ẩm độ lớp trên |
83 |
77.3 |
71 |
65.7 |
60.1 |
55.4 |
49.9 |
37.5 |
27.7 |
19.2 |
15.3 |
12.8 |
10.8 |
|
Ẩm độ lớp dưới |
83 |
72.1 |
60.2 |
49.4 |
39.5 |
30.9 |
22 |
25.1 |
23.2 |
18.8 |
14.2 |
10.4 |
7.6 |
|
Biểu đồ 3.5: Đường giảm ẩm vật liệu tại 500C, đảo gió 1 lần sau 3 giờ sấy
Bảng 3.9. Biến đổi ẩm độ vật liệu tại 550C, đảo gió 1 lần sau 3,5giờ sấy
|
thời gian (h) |
0h |
0.5h |
1h |
1.5h |
2h |
2.5h |
3h |
3.5h |
4h |
4.5h |
5h |
5.5h |
6h |
|
Ẩm độ lớp trên |
83 |
77.8 |
72 |
66.1 |
59.5 |
51.8 |
43.3 |
35.4 |
23.3 |
15.8 |
12.7 |
10.6 |
9.5 |
|
Ẩm độ lớp dưới |
83 |
71 |
58.1 |
44 |
34.3 |
25.6 |
18.4 |
13.6 |
18.6 |
13.9 |
9.8 |
6.9 |
5.1 |
|
Biểu đồ 3.6: Đường giảm ẩm vật liệu tại 550C, đảo gió 1 lần sau 3.5 giờ sấy
Kết quả cho thấy:
- Cùng thời gian đảo chiều tác nhân sấy, nhưng với các mức nhiệt độ tác nhân sấy khác nhau thì chênh lệch về ẩm độ của sản phẩm sấy giữa lớp trên và lớp dưới là khác nhau.
- Sản phẩm Atisô sau khi sấy tại các mức nhiệt độ tác nhân sấy thay đổi từ 40 – 55oC cho thấy không có sự khác biệt về cảm quang như màu sắc và mùi vị. Chất lượng Atisô sau khi sấy tại tất cả các thí nghiệm đều rất tốt, màu sắc và mùi vị tốt hơn các mẫu Atisô phơi nắng. Hình ảnh so sánh phụ lục 2
3.5.3. Quy hoạch thực nghiệm
3.5.3.1. Giới hạn các thông số nghiên cứu thực nghiệm
Chi phí điện năng riêng cho sấy và độ đồng đều về ẩm độ của sản phẩm Atisô sau khi sấy là hai chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cần xác định. Mặc dù có nhiều thông số ảnh hưởng đến hai chỉ tiêu nghiên cứu này, nhưng trong quá trình nghiên cứu một số thông số ảnh hưởng bị loại bỏ vì mức độ ảnh hưởng của chúng quá ít hoặc không thể điều khiển được trong quá trình thực nghiệm. Một số thông số sẽ trở thành điều kiện của không gian nghiên cứu hoặc trở thành các yếu tố ngẫu nhiên tác động nhiễu đến quá trình nghiên cứu.
3.5.3.2. Các thông số đầu vào ảnh hưởng đến nghiên cứu
- Nhóm thông số đặc trưng cho đối tượng gia công là thành phần hóa học và cơ lý tính của Atisô, kích thước và độ ẩm của Atisô khi đưa vào sấy,...
- Nhóm thông số đặc trưng cho cấu tạo của máy sấy như như kích thước buồng sấy,…
- Nhóm thông số đặc trưng cho quá trình làm việc của máy sấy như nhiệt độ sấy, độ dày lớp Atisô khi sấy, thời gian đảo chiều tác nhân sấy,…
3.5.3.3. Xác định các thông số đầu vào
Căn cứ vào lý thuyết mô hình hoá, yêu cầu đối với thông số đầu vào như sau:
- Thông số đầu vào phải thật sự ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu, nếu sự ảnh hưởng chỉ là ngẫu nhiên cần loại bỏ và hạn chế sự ảnh hưởng của chúng bằng phương pháp ngẫu nhiên hoá các thí nghiệm.
- Các thông số đầu vào của quá trình nghiên cứu phải có ý nghĩa vật lý và là một đại lượng đo đếm được, điều khiển được. Đặc biệt là các thông số phải độc lập.
Dựa vào cơ sở trên chúng tôi loại các thông số sau ra khỏi vùng nghiên cứu:
- Không nghiên cứu tính chất hóa học, tính chất vật lý và ẩm độ của Atisô. Các thông số này có thể xem là như nhau trong quá trình nghiên cứu.
- Không nghiên cứu các kích thước hình học của thiết bị. Trong quá trình nghiên cứu chúng tôi lấy cố định kích thước của các bộ phận làm việc theo tính toán thiết kế phù hợp với năng suất thiết bị.
Như vậy các thông số đầu vào bao gồm:
- Nhiệt độ tác nhân sấy.
- Thời gian đảo chiều tác nhân sấy.
3.5.3.4. Các chỉ tiêu đầu ra của sản phẩm
- Chất lượng sản phẩm: Độ ẩm, màu sắc, mùi vị, hàm lượng vitamin, protein... và các chất thuốc. Như trong phần tổng quan đã nêu, việc chọn phương pháp sấy bơm nhiệt để tránh làm mất dưỡng chất của bông Atisô là vì bông Atisô là vật liệu nhạy nhiệt.
Mục tiêu đề tài xác định dược liệu của bông Atisô sau khi sấy, tuy nhiên hiện nay tại trung tâm kỹ thuật 3, trung tâm kiểm nghiệm Biên Hoà, trung tâm xét nghiệm Patuer chỉ xét nghiệm về dinh duỡng thực phẩm của bông Atisô bao gồm: đạm, sơ, ẩm, đường và béo. Viện nghiên cứu thuốc không kiểm nghiệm bông Atisô chỉ kiểm nghiệm lá, thân và tinh chất của cây Atisô.
Vì vây với đề tài này việc xác định chất lượng sản phẩm bằng dưỡng chất thuốc không thể thực hiện được. Viêc xác định chất lượng về màu sắc, mùi vị thì theo các thí nghiệm trên, với việc sấy ở 04 nhiệt độ khác nhau thì màu sắc và mùi vị của sản phẩm thu được gần như không đổi.
Chỉ tiêu đầu ra chọn 2 yếu tố:
- Chất lượng sản phẩm về độ đồng đều về ẩm độ sản phẩm (%).
- Chi phí điện năng riêng (kWh/kg)
3.5.4. Khảo nghiệm xác định các thông số làm việc
3.5.4.1. Phát biểu bài toán hộp đen
Sau khi loại bỏ các yếu tố ngẫu nhiên mà chúng ta không thể điều khiển được, hoặc ảnh hưởng quá nhỏ không thể đưa vào nghiên cứu được, các thông số đầu vào nghiên cứu như sau:
* Các yếu tố nghiên cứu đầu vào:
- T: nhiệt độ sấy, oC
- tg: thời gian đảo chiều tác nhân sấy, h
* Các thông số đầu ra:
- W: sai lệch độ ẩm giữa lớp trên và lớp dưới, %
- Ar: chi phí điện năng riêng cho sấy, kWh/kg-sp
Bài toán hộp đen mô tả quá trình nghiên cứu được trình bày như hình 3.8.
Hình 3.9. Bài toán hộp đen mô tả quá trình nghiên cứu
3.5.4.2. Kế hoạch thực nghiệm bậc hai
* Xác định tâm kế hoạch thực nghiệm và bước biến thiên của các yếu tố:
Phương án thực nghiệm bậc hai được chọn dạng bất biến quay. Cánh tay đòn a được xác định theo công thức:
= 1,414
Trong đó: k là số yếu tố đầu vào, k = 2
Nhiệt độ sấy T = 40 - 50oC
- Khoảng biến thiên DT = 5oC
- Mức cơ sở: = 45oC
- Mức trên: = 50oC
- Mức dưới: = 40oC
- Điểm sao trên: = + a.DT = 52oC
- Điểm sao dưới: = - a.DT = 38oC
Thời gian đảo chiều tác nhân sấy tg = 2,5 - 4,5 h
- Khoảng biến thiên Dtg = 1 h
- Mức cơ sở: tgo = 3,5 h
- Mức trên: = 4,5 h
- Mức dưới: = 2,5 h
- Điểm sao trên: + a.Dtg = 4,9 h
- Điểm sao dưới: - a.Dtg = 2,1 h
Mức và khoảng biến thiên các yếu tố đầu vào được tóm tắt như bảng 3.10.
Bảng 3.10. Mức và khoảng biến thiên các yếu tố đầu vào.
|
Yếu tố Mức |
Nhiệt độ sấy T (oC) |
Thời gian đảo chiều tác nhân sấy tg (h) |
|
Điểm sao dưới |
38 |
2,1 |
|
Mức dưới |
40 |
2,5 |
|
Mức cơ sở |
45 |
3,5 |
|
Mức trên |
50 |
4,5 |
|
Điểm sao trên |
52 |
4,9 |
|
Khoảng biến thiên |
5 |
1 |
* Lập ma trận thí nghiệm
Ma trận thí nghiệm bậc hai theo phương án bất biến quay, số lượng thí nghiệm được xác định theo công thức sau:
N = 2k + 2.k + no = 13
Trong đó:
k: số yếu tố nghiên cứu, k = 2
2k: số lượng thí nghiệm ở mức trên và mức dưới
2.k: số lượng thí nghiệm ở mức điểm sao
no: số lượng thí nghiệm lặp ở mức cơ sở, no = 5.
Ma trận thí nghiệm được lập và ngẫu nhiên hoá trật tự bằng chương trình Statgraphic vers 7.0.
* Bố trí thí nghiệm
Nguyên liệu đầu vào là bông Atisô tươi thu hoạch tại Đà Lạt. Độ ẩm của bông Atisô sau khi sắt lát và đưa vào thí nghiệm là 78,6%.
Địa điểm thí nghiệm: Trung tâm Công nghệ và thiết bị nhiệt lạnh, Trường Đại Học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh.
Trình tự thực nghiệm thực hiện theo phương pháp ngẫu nhiên hoàn toàn.
3.5.4.3. Kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả thực nghiệm
Tiến hành thực nghiệm theo ma trận thí nghiệm đã lập. Các số liệu thu được sau khi phân tích tính toán được đưa vào ma trận thí nghiệm để làm dữ liệu nhằm tính các hệ số của mô hình.
Kết quả thực nghiệm bậc hai theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm được trình bày ở phần phụ lục 1.
Tiến hành phân tích phương sai cho cả hai hàm toán đa thức bậc II. Kết quả thu được như sau:
* Phân tích hàm chỉ tiêu W:
Kết quả kiểm tra các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student và kiểm tra mô hình theo tiêu chuẩn Fisher cho thấy các hệ số hồi quy đảm bảo độ tin cậy và mô hình hồi quy là phù hợp.
Phương trình hồi quy mô tả sự phụ thuộc của hàm W vào T và tg được biểu diễn như sau:
W = 178,783 – 6,42775.T – 17,0709.tg + 0,11.T.tg + 0,0662.T2 + 1,655.tg2
(R2 = 0,98)
Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ W - T - tg
Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ W - T - tg dạng bề mặt đáp ứng
Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm W.
* Phân tích hàm chỉ tiêu Ar :
Kết quả phân tích phương sai cho thấy hệ số hồi qui b12 (hệ số của T.e) không đảm bảo độ tin cậy nên bị loại khỏi mô hình (phụ lục 1).
Sau khi loại bỏ hệ số hồi qui b12 và tiến hành phân tích phương sai lần thứ hai cho mô hình, kết quả xử lý số liệu xác định các hệ số hồi qui có ý nghĩa.
Kết quả kiểm tra các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student và kiểm tra mô hình theo tiêu chuẩn Fisher cho thấy các hệ số hồi quy đảm bảo độ tin cậy và mô hình hồi quy là phù hợp.
Với mô hình hồi qui đã hiệu chỉnh, hàm Ar phụ thuộc vào T và tg được biểu diễn như sau:
Ar = 9,46691 – 0,234756.T – 0,590199.tg + 2,15.10–3.T2 + 0,09625.tg2
(R2 = 0,96)
Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ar - T - tg
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ar - T - tg dạng bề mặt đáp ứng
Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm Ar
3.5.5. Xác định các thông số và chỉ tiêu tối ưu
- Chỉ tiêu tối ưu về sai lệch độ ẩm giữa lớp trên và lớp dưới sau khi sấy được hiểu là độ sai lệch thấp nhất đạt được trong quá trình thực nghiệm.
- Chỉ tiêu tối ưu về chi phí điện năng riêng cho sấy được hiểu là chi phí điện năng riêng thấp nhất đạt được trong quá trình thực nghiệm.
- Chỉ tiêu tối ưu chung được hiểu là sai lệch độ ẩm giữa lớp trên và lớp dưới là thấp nhất và chi phí điện năng riêng cho sấy đạt thấp nhất.
- Thông số tối ưu là giá trị các thông số đảm bảo trị số chỉ tiêu tối ưu.
Xuất phát từ mục đích nghiên cứu, bài toán tối ưu được lập trên cơ sở hai hàm W và Ar đặc trưng cho chỉ tiêu nghiên cứu.
+ Bài toán tối ưu 1:
- Hàm điều kiện: 1,41421 ≥ xi ≥ – 1,41421
- Hàm mục tiêu: W ® min
+ Bài toán tối ưu 2:
- Hàm điều kiện: 1,41421 ≥ xi ≥ – 1,41421
- Hàm mục tiêu: Ar ® min
Kết quả bài toán 1 và 2 chỉ mang tính chất tham khảo và làm cơ sở để tính toán bài toán 3 tối ưu đa mục tiêu.
+ Bài toán tối ưu 3: bài toán tối ưu đa mục tiêu
Sai lệch độ ẩm giữa lớp trên và lớp dưới được ưu tiên chọn là hàm mục tiêu.
- Hàm mục tiêu: W ® min
- Hàm điều kiện: Ar £ k và 1,41421 ≥ xi ≥ – 1,41421
Trong đó k là chi phí điện năng riêng cho sấy.
3.5.6 Kết quả giải bài toán tối ưu
* Bài toán tối ưu 1:
Hàm mục tiêu là sai lệch độ ẩm giữa lớp trên và lớp dưới sau khi sấy.
- Các thông số tối ưu:
+ Nhiệt độ sấy: 45,5oC
+ Thời gian đảo chiều tác nhân sấy: 3,65 h
- Chỉ tiêu tối ưu:
+ Sai lệch độ ẩm giữa lớp trên và lớp dưới: 1,38%
+ Chi phí điện năng riêng cho sấy: 2,36 kWh/kg-sp
* Bài toán tối ưu 2:
Hàm mục tiêu là chi phí điện năng riêng cho sấy.
- Các thông số tối ưu:
+ Nhiệt độ sấy: 52,1oC
+ Thời gian đảo chiều tác nhân sấy: 3,06 h
- Chỉ tiêu tối ưu:
+ Sai lệch độ ẩm giữa lớp trên và lớp dưới: 4,38%
+ Chi phí điện năng riêng cho sấy: 2,17 kWh/kg-sp
* Bài toán tối ưu đa mục tiêu:
- Các thông số tối ưu:
+ Nhiệt độ sấy: 46,8oC
+ Thời gian đảo chiều tác nhân sấy: 3,48 h
- Các chỉ tiêu tối ưu:
+ Sai lệch độ ẩm giữa lớp trên và lớp dưới: 1,5%
+ Chi phí điện năng riêng cho sấy: 2,3 kWh/kg-sp
3.5.7. Kết quả khảo nghiệm tại chế độ tối ưu
Sau khi giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, chọn được các thông số tối ưu và các mục tiêu tối ưu, ta tiến hành cho máy sấy khảo nghiệm với các kết quả tối ưu đã chọn để xác định chính xác chế độ tối ưu của máy.
Chế độ sấy của khảo nghiệm tại chế độ tối ưu:
- Tiến hành cài đặt chế độ sấy tối ưu:
- Lưu lượng gió vào buồng sấy: 0,19 kg/s.
- Nhiệt độ tác nhân sấy cung cấp đầu vào: 46,80C.
- Thời gian đảo chiều tác nhân sấy: đảo một lần sau 3,48 giờ sấy.
- Thời gian sấy liên tục trong 6 giờ.
- Hệ thống hồi lưu hoàn toàn tác nhân sấy.
- Sơ đồ vị trí lấy mẫu để xác định ẩm độ vật liệu sấy đạt được tại từng thời điểm trong suốt quá trình sấy. Chu kỳ kiểm tra theo dõi và tiến hành lấy mẫu cách 30 phút, bắt đầu từ khi nhiệt độ sấy đạt 450C để đo ẩm độ đạt được. Mỗi lần lấy mẫu ở 02, lớp trên cùng và lớp dưới cùng của buồng sấy theo chiều cao của buồng sấy. Mỗi lớp lấy 03 mẫu gồm 01 mẫu ở tâm buồng sấy và 02 mẫu 2 bên gần thành buồng sấy cách thành buồng sấy 20mm và thay đổi vị trí mỗi lần lấy mẫu. Sau đó xác định độ ẩm từng mẫu rồi lấy ẩm độ trung bình của từng lớp.
Kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.11:
Bảng 3.11. Biến đổi ẩm độ vật liệu tại chế độ tối ưu
|
thời gian (h) |
0h |
0.5h |
1h |
1.5h |
2h |
2.5h |
3h |
3.5h |
4h |
4.5h |
5h |
5.5h |
6h |
|
Ẩm độ lớp trên |
81 |
78.8 |
73.5 |
67.6 |
61.5 |
55.6 |
48.6 |
42.6 |
30.4 |
20.3 |
16.5 |
12.8 |
10.7 |
|
Ẩm độ lớp dưới |
81 |
72.6 |
60.1 |
48.9 |
37.1 |
28.2 |
22.4 |
16.3 |
21.6 |
17.6 |
12.3 |
10.1 |
8.8 |
Biểu đồ 3.7: Đường giảm ẩm vật liệu tại chế độ sấy tối ưu
Thảo luận:
- Sản phẩm thu được nguyên lát mềm dẻo không nát vụn. Màu trắng, xanh.
- Mùi: thơm nồng đặc trưng của Atisô, không có mùi chua.
- Không lẫn tạp chất
- Ẩm độ sản phẩm đạt yêu cầu. Tuy nhiên chênh lệch về ẩm độ giữa các lớp là khá cao do ảnh hưởng các yếu tố khách quan như: cường độ dòng điện khi sấy không ổn định làm thay đổi tốc độ và lưu lượng gió qua dàn lạnh, dàn nóng và vào buồng sấy. Độ dày của vật liệu sấy thái lát không đều.
- Chi phí điện năng riêng: 2,42 kWh/kg-sp.
Chương IV
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
4.1 Kết luận
Sau khi nghiên cứu các thiết bị sấy khô bông Atisô, nhằm nâng cao hiệu quả về sản lượng cũng như yêu cầu về chất lượng trong việc bảo quản sản phẩm bông Atisô trong quá trình thu hoạch bông Atisô tại khu vực Đà Lạt tỉnh Lâm Đồng. Chúng tôi đã hoàn thành những mục tiêu đã đặt ra trong đề tài cho sản phẩm sấy nhạy nhiệt này. Những nghiên cứu cụ thể:
- Phân tích và đề xuất phương pháp sấy khô bông Atisô dạng thái lát theo phương pháp sấy bơm nhiệt.
- Tính toán thiết kế chế tạo mô hình máy sấy bông Atisô dạng thái lát năng suất 20kg/mẻ theo nguyên lý sấy bơm nhiệt. Máy hoạt động theo nguyên lý hồi lưu kín hoàn toàn tác nhân sấy, không tiếp xúc với không khí môi trường bên ngoài, thời gian sấy ngắn, nên đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, không lẫn tạp chất, giữ được mùi vị đặc trưng và màu sắc của sản phẩm sau khi sấy.
- Máy sau khi chế tạo hoàn chỉnh được đưa vào khảo nghiệm sơ bộ nhằm kiểm tra các kết quả tính toán thiết kế và chất lượng chế tạo. Từ kết quả khảo nghiệm sơ bộ, đề tài đã tiến hành quy hoạch thực nghiệm nhằm xác định sự ảnh hưởng của các thông số hoạt động của máy đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của máy và sản phẩm.
- Kết quả thực nghiệm đã xác định được sự ảnh hưởng của nhiệt độ sấy và thời gian đảo gió đến độ đồng đều của sản phẩm và chi phí điện năng riêng cho sấy.
- Kết quả giải bài toán tối ưu đã xác định được các thông số hoạt động tối ưu và các chỉ tiêu tối ưu như sau:
+ Nhiệt độ sấy: 46,8oC
+ Thời gian đảo chiều tác nhân sấy: 3,48 h
+ Sai lệch độ ẩm giữa lớp trên và lớp dưới: 1,5%
+ Chi phí điện năng riêng cho sấy: 2,3 kWh/kg-sp
4.2 Đề nghị
- Do điều kiện hiện nay chưa có kiểm nghiệm về tính dược liệu của bông Atisô nên đề tài chưa đưa ra những dược liệu cụ thể trong bông Atisô sấy khô. Vì vậy cần thiết có bộ phận phân tích để xác định tính dược liệu của bông Atisô sấy khô. Điều này sẽ làm tăng thêm giá trị sử dụng của cây bông Atisô.
- Cần thiết phát triển mô hình máy sấy với qui mô lớn hơn, triển khai áp dụng trong thực tế để đáp ứng nhu cầu sấy Atisô tại các vùng miền trồng Atisô, nhằm khẳng định giá trị của cây Atisô trên thị trường trong nước và thế giới.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1]. Nguyễn Cảnh – Nguyễn Đình Soa, 1985. Tối ưu hóa thực nghiệm trong hóa học và kỹ thuật hóa học. Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM.
[2]. Phan Hiếu Hiền, 2001. Phương pháp bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu. Nhà xuất bản nông nghiệp Tp.HCM.
[3]. Trần Văn Phú, 2002. Tính toán và thiết kế hệ thống sấy. NXB.GD.
[4]. Hồ Xuân Các, 2004. Thiết bị và công nghệ sấy gỗ. ĐH Nông Lâm TP.HCM.
[5]. Trần Văn Phú, 1994. Hệ thống sấy công nghiệp và dân dụng. NXB KH và KT
[6]. Trần Văn Phú, 1991. Hướng dẫn thiết kế thiết bị sấy. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
[7]. Hoàng Đình Tính, 1996. Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt. Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM.
[8]. PGS-TS.Phạm Lê Dần – PGS-TS. Bùi Hải,2000. Nhiệt động kỹ thuật. NXB KH và KT.
[9]. Nguyễn Đức Lợi – Phạm Văn Tùy, 2005. Máy và thiết bị lạnh. NXB.GD.
[10].Nguyễn Văn Xuân. Bài giảng nhiệt kỹ thuật. Trường ĐH Nông Lâm TP.HCM.
[11].Nguyễn Ngọc Kiểng, 2000. Các phương pháp tối ưu hóa. Trường ĐH Nông Lâm TP.HCM.
[12]. Hoàng Văn Chước, 2006. Thiết kế hệ thống thiết bị sấy. NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
[13]. Nguyễn Trọng Cấn - Nguyễn Thị Hiền - Đỗ Thị Giang - Trần Thị Luyến, 1998. Công nghệ enzim. NXB Nông nghiệp Tp.HCM.
[14]. Phạm Văn Dần - Đặng Quốc Phú, 2000. Cơ sở kỹ thuật nhiệt. NXB.GD.
[15]. Nguyễn Thị Hiền - Nguyễn Kim Vũ - Bùi Bích Thủy, 2003. Vai trò của nước trong hệ thống tẩy rửa khử trùng trong nhà máy thực phẩm. NXB KH và KT.
[16]. Nguyễn Văn Lợi - Phạm Văn Tùy,1998. Hệ thống sấy lạnh bằng bơm nhiệt ở Haihaco. Tạp chí và khoa học công nghệ nhiệt, số 2/1998.
[17]. Nguyễn Văn Mây, 2002. Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm. NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
[18]. Trần Văn Phú, 2009. Kỹ thuật sấy. NXB.GD.
[19]. Phạm Văn Tùy - Nguyễn Văn An, 2005. Bơm nhiệt sấy lạnh và hút ẩm BK-BSH 18. Tạp chí khoa học và công nghệ nhiệt, số 65/2005.
[20]. Nguyễn Minh Tuyển, 2005. Qui hoạch thực nghiệm. NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
[21]. Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng công ngệ sấy bơm nhiệt tuần hoàn kín để nâng cao chất lượng một số rau quả Việt Nam.
[22]. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010.
[23]. Đoàn Văn Điện – Nguyễn Bảng, 1987. Lý thuyết và tính toán máy nông nghiệp. Trường ĐH Nông Lâm TP.HCM.
[24]. Phan Hiếu Hiền – Nguyễn Văn Xuân – Nguyễn Hùng Tâm – Lê Văn Bạn – Trương Vĩnh, 2000. Máy sấy hạt ở Việt Nam. Nhà xuất bản nông nghiệp.
[25]. Phan Hiếu Hiền – Nguyễn Văn Xuân – Nguyễn Hùng Tâm – Lê Văn Bạn, 2003. Nghiên cứu và triển khai máy sấy để nâng cao trình độ cơ khí hóa và hiệu quả hoạt động sấy giai đoạn từ năm 2000 ở đồng bằng Sông Cữu Long và Miền Đông Nam Bộ. Đề tài nghiên cứu cấp bộ Trường ĐH Nông Lâm TP.HCM.
[26]. Nguyễn Nhật Lệ, 2001. Tối ưu hóa ứng dụng. Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật
[27]. Nguyễn Hùng Tâm - Phan Hiếu Hiền – Nguyễn Văn Xuân, 2002. Máy sấy đảo chiều SRA, một số kết quả ứng dụng sấy bắp, đầu tôm, mực. Tạp san khoa học kỹ thuật, khoa Cơ Khí và Công Nghệ, Trường ĐH Nông Lâm TP.HCM.
[28]. Lê Đức Trung, 2002. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp sấy tầng sôi trong sản xu6t1 thức ăn thủy sản ở Việt nam. Luận văn tiến sĩ, trường đại học bách khoa Tp.HCM.
[29]. Nguyễn Minh Tuyển – Phạm Văn Thêm, 1997. Kỹ thuật hệ thống Công Nghệ Hóa Học. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.
[30]. Hoàng Đình Tín - Bùi Hải, 2004. Bài tập nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt. NXB Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.
[31]. Hoàng Đình Tín, 2002. Cơ sở truyền nhiệt. NXB Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.
[32]. Hoàng Đình Tín - Lê Chí Hiệp, 1997. Nhiệt động lực học kỹ thuật. NXB Khoa học và Kỹ thuật
[33]. Võ Chí Chính – Đinh Văn Thuận, 2009. Hệ Thống Máy Và Thiết Bị Lạnh. NXB khoa học kỹ thuật.
Tiếng Anh:
[34]. Adhikari. B, Howes.T, Bhandari.B.R and Truong.V, 2001. Stickiness in food: a review of mechanisms and test methods. Int.J.Food Prop. 4(1): 1-33.
[35]. Alves-Filho.O, Stommen.I, 1996. Application of heat pump in drying of biomaterials Dry Technol. 14:2061-90.
[36]. A.W.Halverson and E.B.Habt, 2007. Preservation of carotene in Dehydrated vegetables Department of Biochemistry, College of Agriculture, University of Wisconsin, Madison.
[37]. Beveridge, T.and Weintraub,S.E. 1995. Effect of blanching pretreatment on color and texture of apple slices at various water activity. Food Res. Int.28: 83-86.
[38]. AIT, Grain Drying Simulation, Bangkok Thailand, 1991.
[39]. Tài liệu từ internet :
http://www.heatpipeindia.com/heatpipes/thermosyphons.swf
http://www.heatpipe.com/abouthpt/heatpipes.htm
http://vietbao.vn/Suc-khoe/Loi-ich-cua-cay-Atiso/30191484/248/
http://www.thaythuoccuaban.com/vithuoc/atiso.htm
