Nghiên cứu một số thông số chính làm cơ sở thiết kế thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh học biogas

- 1- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vải thiều loại ăn quý, có giá trị kinh tế dinh dưỡng cao, coi vua trái nước nhiệt đới Ở nước ta, vải coi chủ lực vườn xếp vào danh mục đặc sản thiên nhiên tiếng Đặc điểm vải thiều thời gian thu hoạch ngắn (35ữ40 ngày), sản phẩm dễ hư hỏng thời tiết nắng nóng, mưa nhiều vụ thu hoạch, chi phí vận chuyển bảo quản từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ lớn Đặc biệt vào vụ thu hoạch, khối lượng sản phẩm lớn, tượng “ựn tắc”, giá bán thấp gây thiệt hại nhiều cho nông dân Một số vùng trồng vải Bắc Giang, Lạng Sơn, xuất tình trạng vải khơng tiêu thụ được, để rụng thối quanh gốc cây, gây lãng phí lớn Để giảm tổn thất vải sau thu hoạch, biện pháp có hiệu mà hộ nông dân vùng trồng vải thực sấy khô để kéo dài thời hạn bảo quản, sau lựa chọn thời điểm thị trường thích hợp để tiêu thụ Hơn nữa, vải khô sử dụng phổ biến sản phẩm thay cho vải tươi trái vụ có hương vị thơm ngon đặc trưng, nhu cầu tiêu thụ loại vải khô liên tục tăng thị trường nước Để nâng cao chất lượng vải khô xuất khẩu, số sở sản xuất, Viện, trường Đại học nghiên cứu cải tiến thiết bị sấy vải góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm Tuy nhiên chi phí lượng, chi phí đầu tư mua sắm thiết bị, bảo trì sửa chữa lớn nờn cỏc sở sản xuất khó chấp nhận Thực tế nay, phần lớn vải làm khô hàng ngàn lị sấy thủ cơng dùng trực tiếp khúi lũ làm dũng khí sấy nên nhiều mẻ sấy có chất lượng khơng tiêu thụ nhiều lô - 2- hàng xuất không đạt tiêu chuẩn chất lượng phải trả chịu chấp nhận giá bán thấp gây thiệt hại lớn cho người sản xuất Mặt khác, để sấy vải nước ta nguồn lượng sử dụng chủ yếu lượng hóa thạch thỏn đỏ, dầu, Đây nguồn lượng tương đối đắt tiền không thân thiện với môi trường Trong nguồn lượng khí sinh học (biogas) sản sinh từ cơng trình xử lý chất thải chăn ni có hầu hết địa phương nước sử dụng không hết không sử dụng đến Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng nguồn lượng khí sinh học nhằm giảm chi phí cho trình sấy, góp phần tiết kiệm lượng hố thạch giảm ô nhiễm môi trường vấn đề cấp thiết Xuất phát từ tình hình thực tiễn trên, thực đề tài: “Nghiên cứu số thông số làm sở thiết kế thiết bị sấy vải sử dụng lượng khí sinh học (biogas)” Mục tiêu nghiên cứu - Tạo thiết bị sấy vải sử dụng lượng khí sinh học (KSH) nhằm nâng cao suất, chất lượng sản phẩm, tiết kiệm lượng hố thạch, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường - Xác định số thông số tối ưu làm sở hồn thiện quy trình công nghệ thiết kế, chế tạo thiết bị sấy Nhiệm vụ nghiên cứu - Xác định số tính chất lý hóa quả vải liên quan đến q trình sấy; Xây dựng mơ hình q trình trao đổi nhiệt ẩm vật liệu sấy dũng khí sấy; Nghiên cứu thực nghiệm xác định số thơng số tối ưu làm sở hồn thiện quy trình cơng nghệ thiết kế cải tiến thiết bị sấy ứng dụng thực tiễn để xác định hiệu kinh tế, kỹ thuật nhằm triển khai áp dụng rộng rãi thực tiễn sản xuất Đối tượng phạm vi nghiên cứu - 3- 4.1 Đối tượng nghiên cứu Là thông số công nghệ thiết bị sấy: nhiệt độ sấy, vận tốc dũng khớ sấy, khoảng cách treo vật liệu sấy 4.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu mơ hình thiết bị sấy vải sử dụng lượng KSH thí nghiệm suất 150kg tươi/mẻ Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Đã ứng dụng phương pháp mơ hình hố mơ để xác định thông số cấu tạo chế độ làm việc thiết bị sấy nhằm định hướng cho việc thiết kế, chế tạo - Đã thiết kế chế tạo thành công thiết bị sấy vải sử dụng nguồn lượng KSH để làm khô vải nói riêng loại nơng sản thực phẩm nói chung Đây thiết bị sấy sử dụng khơng khí đốt nóng gián tiếp qua thiết bị trao đổi nhiệt nờn tạo sản phẩm sấy có chất lượng cao, thiết bị có cấu tạo đơn giản, hồn tồn chế tạo nước thay cho thiết bị sấy nhập ngoại đắt tiền, nhờ triển khai áp dụng rộng rãi cho sở sản xuất Những đóng góp - Đã thiết kế chế tạo thiết bị sấy SBOG –150, có phận chuyển đổi lượng KSH thành lượng nhiệt tạo sản phẩm sấy có chất lượng cao, tận dụng nguồn lượng khí sinh học, góp phần tiết kiệm lượng hố thạch giảm ô nhiễm môi trường - Bằng phương pháp mô hình hố mơ đã xây dựng mơ hình toán biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ ẩm dũng khí sấy, nhiệt đợ và đợ ẩm của vải quả theo không gian và thời gian, làm sở khoa học cho việc xác định các thông số cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị sấy - Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn đa yếu tố xác định giá trị tối ưu yếu tố vào: nhiệt độ tác nhân sấy, - 4- vận tốc dũng khớ sấy, khoảng cách các treo vật liệu sấy đến giá trị tối ưu của các thông số ra: đụ ̣ khụ không đều của sản phẩm sṍy, điờ̉m tổng hợp chất lượng sản phẩm sấy, thời gian sṍy, chi phí nhiên liệu riêng Đây sở quan trọng để hoàn thiện thiết kế và chế tạo cỡ thiết bị sấy vải quả có suất khác phù hợp với qui mô sở sản xuất Cấu trúc nội dung luận án Tóm tắt luận án trình bầy 24 trang, ngồi phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, luận án gồm chương: Chương Tổng quan nghiên cứu; Chương Nguyên vật liệu, đối tượng phương pháp nghiên cứu; Chương Mô hình hóa mơ q trình trao đổi nhiệt ẩm buồng sấy; Chương Kết nghiên cứu thực nghiệm Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Ðặc điểm cấu tạo, thành phần hố học, cơng dụng vải Cây vải, gọi lệ chi (danh pháp khoa học: Litchi chinensis Sonn) Quả vải tròn, vỏ mỏng, màu đỏ hồng, bên lớp cùi thịt màu trắng mờ, thơm, giàu vitamin C, hạt màu nâu Vải có hàm lượng nước chiếm 77ữ85,5%, hàm lượng đường tổng số chiếm 18 ữ 20%, giàu axớt hữu cơ, chất béo, protein, chất khoáng canxi, sắt, photpho vitamin C, B1, B2 Quả vải vị thuốc hữu hiệu, y học cổ truyền cho cựi vải khơ bổ ngun khí cho người già yếu, có tác dụng dưỡng da làm đẹp nhan sắc, có lợi cho sức khỏe phụ nữ 1.2 Tình hình sản xuất tiêu thụ vải Trên giới, vải trồng chủ yếu nước Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Úc, Mỹ Nam Phi, Trung Quốc nước sản xuất xuất vải lớn giới, sau Ấn Độ Thái Lan - 5- Ở nước ta, vải trồng chủ yếu tỉnh phía Bắc như: Bắc Giang, Hải Dương,… Hiện nay, diện tích trồng vải nước 88.900 với sản lượng 428.900 Khoảng 70 ữ 75% sản lượng vải tiêu thụ dạng tươi, 25 ữ 30% cịn lại sấy khơ đưa vào chế biến dạng vải sấy khô, vải đông lạnh, nước ép vải, rượu vải,… Hiện nay, tỷ trọng xuất vải chiếm khoảng gần 30% sản lượng, 75% xuất dạng sấy khô, chủ yếu sang thị trường Singapore, Hồng Kụng, Trung Quốc khoảng 15.000 tấn/năm 1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ thiết bị sấy vải Để nâng cao chất lượng vải khô, giới có nhiều cơng trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm xác định chế độ sấy thích hợp như: Tác giả S.Janjai, tiến hành nghiên cứu sấy khơ lớp mỏng vải bóc vỏ nhằm tìm mơ hình tốn biểu diễn đặc tính giảm ẩm vải quả, sau dùng mơ hình phần tử hữu hạn để xác định độ khuếch tán ẩm, độ co rút thành phần vải trình sấy Tác giả Chen Yan Chen Yubai dùng thiết bị sấy xạ hồng ngoại chân không để nghiên cứu ảnh hưởng trình sấy đến thay đổi màu sắc cùi vải Ở nước ta, sở chế biến chủ yếu dùng lò thủ cơng nên sản phẩm có độ khụ khụng đồng đều, nhiễm khói, bụi bẩn, giảm thương hiệu giá thành sản phẩm Để khắc phục nhược điểm số Viện trường Đại học nghiờn cứu thiết kế, chế tạo nhiều thiết bị sấy vải như: thiết bị sấy vải kiểu đối lưu cưỡng SVQ-1 tác giả Trần Như Khuyên (ĐHNN Hà Nội), thiết bị sấy tĩnh vỉ ngang tác giả Bạch Quốc Khang (Viện Cơ Điện CNSTH), thiết sấy vải lượng mặt trời tác giả Phạm Ngọc Trinh (ĐH Xây Dựng), Nhìn chung, thiết bị sấy - 6- góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm sấy, chi phí lượng, chi phí đầu tư mua sắm thiết bị, bảo trì sửa chữa lớn nờn cỏc sở sản xuất khó chấp nhận chưa triển khai ứng dụng rộng rãi sản xuất 1.4 Năng lượng sử dụng trình sấy vải Để sấy vải nước ta chủ yếu sử dụng lượng hoá thạch (than đá, dầu, ) loại lượng đắt tiền không thân thiện với môi trường, nguồn lượng tái tạo lượng mặt trời, lượng khí sinh học, lượng sinh khối, có tiềm lớn chưa khai thác hiệu quả, đặc biệt lượng KSH sản sinh từ cơng trình xử lý chất thải chăn ni có hầu hết địa phương, chí vùng trồng chế biến vải lại chưa quan tâm nghiên cứu ứng dụng 1.5 Kết luận chương 1 Về công nghệ: Áp dụng cơng nghệ sấy treo cơng nghệ có ưu điểm trội so với cơng nghệ sấy vải là: khối lượng mẻ sấy tăng gấp đến lần, chất lượng sản phẩm sấy cao vải không bị đè nén nên không bị bẹp méo, nứt, đặc biệt khơng tốn nhân cơng để đảo q trình sấy nên giảm áp lực nguồn lao động thời vụ thu hoạch Về thiết bị sấy: Cần phải nghiên cứu thiết kế thiết bị sấy thích hợp cho vừa tạo sản phẩm sấy có chất lượng cao, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an tồn thực phẩm vừa phải có cấu tạo đơn giản để giảm chi phí vận hành, bảo trì sửa chữa Về lượng sử dụng trình sấy: Sử dụng lượng KSH để tận dụng nguồn lượng dư thừa, sẵn có địa phương trồng vải nhằm giảm chi phí cho trình sấy góp phần tích kiệm lượng hố thạch giảm ô nhiễm môi trường - 7- Về nghiên cứu lý thuyết: Áp dụng phương pháp mơ hình hố mơ để nghiên cứu q trình trao đổi nhiệt ẩm vật liệu sấy trình trao đổi nhiệt ẩm vật liệu sấy dũng khí sấy, từ xác định số thông số cấu tạo chế độ sấy nhằm định hướng cho việc thiết kế Về nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm để xác định số thông số tối ưu làm sở cho việc hồn thiện cơng nghệ, thiết kế cải tiến thiết bị sấy nhằm triển khai áp dụng rộng rãi sản xuất Chương 2: NGUYÊN VẬT LIỆU, ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên vật liệu nghiên cứu Vải tươi trồng Thanh Hà (Hải Dương) có đường kính trung bình 1,5 ữ 2,0 cm, khối lượng trung bình 18 ữ 20g, độ ẩm trung bình 84,14 % 2.2 Đối tượng nghiên cứu Là thông số công nghệ thiết bị sấy vải sử dụng lượng KSH (ký hiệu SBOG-150) Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo thiết bị sấy thể trờn hỡnh 2.1 A A -A 1- buồng sấy; 2- mỏ đốt; 3- ống xoắn ruột gà; 4- ống phân phối khí vào buồng sấy; 5- quạt; 6- treo vật liệu sấy; 7- khung đỡ treo; A Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo thiết bị sấy vải quả SBOG - 150 8- gia nhiệt xạ ; 9- cửa thoát ẩm - 8- Đây loại thiết bị sấy sử dụng lượng KSH sinh hệ thống xử lý chất thải chăn ni với phần chính: buồng sấy, phận đốt khí gas thiết bị trao đổi nhiệt Với kết cấu trên, thiết bị sấy có ưu điểm sau: - Do sử dụng khơng khí đốt nóng gián tiếp làm tác nhân sấy nên sản phẩm sau sấy không bị nhiễm bẩn muội than hay khí độc sản phẩm cháy tạo - Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng dạng ống xoắn cho phép tận dụng nhiệt từ lị đốt với thiết bị có cấu tạo đơn giản, dễ bảo dưỡng thay nhiều so với thiết bị trao đổi nhiệt khác - Nhiệt độ buồng sấy đồng nhờ kết cấu phận phân phối nhiệt hợp lý - Lượng vải đưa vào buồng lớn từ 3ữ lần so với thiết bị sấy tĩnh vỉ ngang - Sử dụng nhiên liệu KSH hạ chi phí giá thành cho trình sấy, góp phần tiết kiệm lượng hóa thạch giảm thiểu ô nhiễm môi trường 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Mô hỡnh tốn q trình trao đổi nhiệt ẩm vật liệu sấy trình trao đổi nhiệt ẩm vật liệu sấy dũng khí sấy, từ xác định số thông số cấu tạo chế độ sấy nhằm định hướng cho việc thiết kế 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm a Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố Áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố nhằm nghiên cứu ảnh hưởng riêng yếu tố đến thơng số - 9- mục tiêu, qua xác định mức biến thiên, khoảng biến thiên miền nghiên cứu yếu tố làm sở cho phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố b Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố Áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố để nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời yếu tố nhằm tìm mơ hình hồi qui biểu diễn mối quan hệ yếu tố ảnh hưởng với thông số hàm mục tiêu làm sở cho việc xác định giá trị tối ưu thông số c Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát Áp dụng phương pháp tối ưu tổng quát lập “hàm mong muụ́n” E.C Harrington để xác định giá trị tối ưu chung yếu tố vào cho tất thông số làm sở cho việc hồn thiện quy trình cơng nghệ thiết kế cải tiến thiết bị sấy nhằm triển khai ứng dụng rộng rãi thực tiễn sản xuất 2.3.3 Phương pháp xác định số thơng số q trình sấy - Độ khô đồng sản phẩm sấy K (%) xác định theo phương sai đo đạc mẫu sản phẩm sấy vị trí khác buồng sấy - Điểm tổng hợp chất lượng sản phẩm sấy Q (đ) xác định phương pháp cảm quan theo TCVN 3215-79 - Thời gian sấy mẻ t (h) khoảng thời gian từ bắt đầu sấy vải đạt độ ẩm 20 % - Chi phí nhiên liệu riêng Gr (m3gas/kgSPK) được xác định bằng thể tích khí gas tiêu thụ cho kg sản phẩm khơ Số liệu thí nghiệm xử lý phần mềm Excel Irristat 4.0, mơ giải tốn lý thuyết phần mềm Matlab - 10- Chương 3: Mễ HèNH HểA VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT ẨM TRONG BUỒNG SẤY 3.1 Mơ hình hóa q trình trao đổi nhiệt ẩm buồng sấy 3.1.1 Mô hình kết cấu thiết bị sấy A -A hZ1 hZ2 A A Hình 3.1 Mơ hình kết cấu thiết bị sấy Thiết bị sấy SBOG-150 thiết kế, không gian buồng sấy phân thành hai vùng có chức khác nhau: - Vựng biên vùng hịa trộn dịng khí nóng trước vào vùng chứa vải có chiều cao hZ1 - Vùng chứa vải hZ2 vùng nhiệt độ độ ẩm dũng khớ cần phải phân bố tương đối đồng theo không gian thời gian 3.1.2 Mơ hình hóa q trình trao đởi nhiợ̀t õ̉ m vật liệu sấy Quá trình trao đổi nhiệt ẩm vải mô tả mô hình động học Lewis có dạng sau: (3.1) 3.1.3 Mơ hình hố q trình trao đổi nhiệt ẩm vùng chứa vải Mơ hình tốn học xét cho phân tố thể tích ΔV, có diện tích S diện tích mặt cắt ngang buồng sấy vng góc với phương vận tốc chuyển động dũng khớ sấy v chiều dày Δz theo chiều chuyển động dũng khớ tọa độ z tính từ vị trí dũng khớ bắt đầu chuyển động theo hướng từ lên (hình 3.2) - 11- z+dz z z , M, Cp, p,  W, T, Va, a, Ca Hình 3.2: Mơ hình cân lượng, khối lượng dũng khớ sấy vải Thiết lập phương trình cân khối lượng lượng vải dũng khớ sấy đơn vị thể tích ΔV vùng chứa vải ta hệ phương trình mơ tả trạng thái q trình nhiệt ẩm vùng chứa vải quả sau: (3.2) 3.2 Mơ q trình nhiệt ẩm vùng chứa vải 3.2.1 Giai đoạn tốc độ sấy giảm Giả thiết vận tốc chuyển động dũng khớ không đổi nên Δz = va.Δt Hệ phương trình (3.2) chuyển thành hệ phương trình vi phân tồn phần theo thời gian: (3.3) 3.2.2 Giai đoạn tốc độ sấy không đổi Giai đoạn sấy tốc độ không đổi trường hợp riêng giai đoạn sấy với tốc độ giảm Vì vậy, dùng hệ phương trình vi phân (3.3) để mơ tả q trình nhiệt ẩm buồng sấy: - 12- (3.4) 3.3 Khảo sát trình nhiệt ẩm buồng sấy lựa chọn thông số thiết bị sấy 3.3.1 Thuật giải hệ phương trình vi phân Để giải hệ phương trình vi phân ta dùng phương pháp số chương trình Matlab xác định thay đổi nhiệt độ độ ẩm vải quả, nhiệt độ độ ẩm khơng khí theo thời gian đồ thị hình 3.3 Các điều kiện đầu điều kiện biên lựa chọn sau: M(r,0) = Mo = 84,14% cho r < R t = 0, M = Mo , t = t1, M = M1 M(ro,t) = Me = 20% cho t > Hình 3.3 Quy luật thay đổi nhiệt độ độ ẩm vải theo thời gian Giai đoạn tốc độ sấy không đổi: vật liệu ban đầu chứa nhiều nước, lượng ẩm rời đến bề mặt vật liệu để bốc tương ứng với lượng ẩm bốc bề mặt; Giai đoạn tốc độ sấy giảm vật liệu khô hơn, tốc độ khuếch tán ẩm vật liệu nhỏ tốc độ bay nước bề mặt Nhiệt độ vật liệu sấy tăng lên đến đạt độ ẩm cân nhiệt độ vật liệu nhiệt độ dũng khí sấy To =75oC 3.3.2 Quy luật thay đổi nhiệt độ độ ẩm khơng khí sấy Theo cấu tạo thiết bị, khơng khí từ mơi trường quạt hút qua phận trao đổi nhiệt đốt nóng vào vùng chứa vải Khi nhiệt độ không Hình 3.4 Quy luật thay đổi nhiệt độ độ ẩm khơng khí theo thời gian - 13- khí giảm xuống, độ ẩm khơng khí tăng lên (hình 3.4) Kết nghiên cứu sở khảo sát ảnh hưởng thơng số đến q trình sấy 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng số thông số đến trình sấy Tiến hành khảo sát ảnh hưởng vận tốc dũng khớ sấy độ ẩm vải theo thời gian ứng với vận tốc dũng khớ từ 0,2  1,0m/s a Ảnh hưởng vận tốc chuyển động dịng khí đến nhiệt độ khơng khí buồng sấy Trên đồ thị hình 3.5, ta xác định ảnh hưởng vận tốc dũng khớ đến nhiệt độ khơng khí buồng sấy: Khi vận tốc dũng khớ cao nghĩa độ chênh lệch nhiệt độ dũng khớ theo chiều cao vùng chứa vải lớn, làm cho độ khơ khơng Hình 3.5 Ảnh hưởng vận tốc dịng khí đến nhiệt độ khơng khí buồng sấy theo thời gian vải tăng b Ảnh hưởng vận tốc chuyển động dịng khí đến độ ẩm vải buồng sấy Trên đồ thị hình 3.6 ta thấy, tốc độ dũng khớ tăng từ 0,2ữ 1,0m/s thời gian sấy mẻ giảm từ 74,8 ữ 64h Độ ẩm vải giảm dần theo thời gian sấy Theo yêu cầu cơng nghệ, độ ẩm vải khơ Hình 3.6 Ảnh hưởng vận tốc dịng khí đến độ ẩm vải Mc = 20% tương ứng với độ ẩm tính buồng sấy theo thời gian theo VCK = 0,25 kg ẩm /kgVCK 3.3.4 Lựa chọn thông số thiết bị chế độ sấy - 14- Để thời gian sấy ngắn độ chênh lệch nhiệt độ dũng khớ theo chiều cao vùng chứa không lớn, ta chọn vận tốc dũng khớ 0,6m/s ứng với thời gian sấy 69,8h độ chênh lệch nhiệt độ theo chiều cao vùng chứa vải 0,83oC Tương ứng với vo= 0,6m/s, thời gian dũng khớ qua vùng chứa vải 1s hZ2 =1,75m 3.4 Kết luận chương Mơ hình tốn học chương trình tính tốn mơ xác định mối quan hệ nhiệt độ độ ẩm khơng khí nhiệt độ độ ẩm vải theo khơng gian thời gian Kết tính tốn mơ sở khoa học cho việc khảo sát tham số ảnh hưởng đến trình sấy nhằm lựa chọn chế độ sấy Để nhiệt độ dũng khí sấy chênh lệch khơng q lớn thời gian sấy thích hợp, chúng tơi chọn tốc độ gió 0,6m/s tương ứng với thời gian sấy t = 69,8h thời gian dũng khớ qua vùng chứa vải tk = 1s, chiều cao vùng chứa vải thích hợp h Z2 1,75m Đây thơng số ban đầu để định hình kích thước chiều cao buồng sấy lựa chọn mức sở khoảng biến thiên vận tốc dịng khí buồng sấy nghiên cứu thực nghiệm thiết bị sấy Chương 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Kết khảo sát chế độ sấy vải thực tiễn sản xuất Tiến hành khảo sát lò sấy thủ cơng, dùng trực tiếp khúi lũ làm dũng khí sấy Sau sấy, tiến hành lấy mẫu phân tích tiêu hóa học cảm quan, cho thấy hệ thống sấy dùng trực tiếp khúi lũ làm tác nhân sấy nên khó kiểm sốt điều chỉnh nhiệt độ sấy Vì hàm lượng đường tổng số vitamin C bị tổn thất lớn sấy nhiệt độ cao thời gian sấy kéo dài 4.2 Thí nghiệm xác định độ giảm hàm lượng nước vải Độ giảm ẩm vải xác định tủ sấy thí nghiệm Hình 4.1 Đồ thị đặc tính sấy vải - 15- Binder (Mỹ) Các số liệu đo đạc hiển thị số hình thiết bị đo Qua xây dựng hàm mơ q trình giảm ẩm vải đồ thị hình 4.1 Ta xác định mơ hình tốn học biểu diễn q trình giảm ẩm vật liệu sấy theo thời gian sau: Phương trình hồi qui biểu diễn tốc độ giảm ẩm giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi có dạng: M = - 0,16227t + 4,91074 (4.1) Phương trình hồi qui biểu diễn tốc độ giảm ẩm giai đoạn tốc độ sấy giảm có dạng: (4.2) Trong hệ số thoát ẩm k xác định hàm nhiệt độ vải θ có dạng sau: (4.3) 4.3 Kết thực nghiệm đơn yếu tố t Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố để xác định tt ảnh hưởng riêng yếu tố x1 x3 đến thông số đầu Y1  Y4 K (%)  h Q (d) Gr K (m3gas/kg) (%)  h Q (d) Gr (m3gas/kg) 5.0 20 80 2.5 5.0 20 80 2.5 4.0 18 76 2.0 4.0 18 76 2.0 3.0 16 72 1.5 3.0 16 72 1.5 2.0 14 68 1.0 2.0 14 68 1.0 64 0.5 1.0 12 64 0.5 1.0 12 65 70 75 80  85 Q 0.2 Tn( 0C) t G r Hình 4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tác nhân sấy đến hàm Y1  Y4 K 0.6 Q 0.8 tt 1.0  v(m/s) Gr Hình 4.3 Ảnh hưởng vận tốc dịng khí sấy đến hàm Y1  Y4 K (%) Theo kết đồ thị 4.2ữ4.4 Kiểm tra tính thích ứng mơ hình toán theo tiêu chuẩn Fisher, cho 0.4 K  h Q (d) t Gr (m3gas/kg) 5.0 20 80 2.5 4.0 18 76 2.0 3.0 16 72 1.5 2.0 14 68 1.0 1.0 12 64 0.5 20 K 25 30 Q 35  t 40 h(cm) Gr Hình 4.4: Ảnh hưởng khoảng cách treo vật liệu sấy đến hàm Y1  Y4 - 16- thấy yếu tố x1ữx3 có ảnh hưởng rõ rệt đến thông số chọn làm biến nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố 4.4 Kết nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố Kết nghiên cứu đơn yếu tố cho thấy mối quan hệ yếu tố x1 x3 hàm Y1  Y4 khơng hồn tồn tuyến tính, vậy, bỏ qua phương án quy hoạch thực nghiệm bậc chuyển sang phương án quy hoạch thực nghiệm bậc Ma trận thí nghiệm bậc Box – Willson gồm 20 thí nghiệm Mức biến thiên, khoảng biến thiên giá trị mó hoỏ yếu tố vào ghi bảng 4.1 i Bảng 4.1 Mức biến thiên giá trị mó hoỏ yếu tố x Các mức mó hoỏ Mức Mức Mức sở Mức Mức Khoảng biến thiên Các yếu tố ảnh hưởng x1 (oC) x2 (m/s) x3(cm) 66,6 0,26 21,6 70,0 0,40 25,0 75,0 0,60 30,0 80,0 0,80 35,0 83,4 0,94 38,4 0,2 Giá trị mã hoá -1,68 -1,00 0,00 1,00 1,68 1,00 Kết thí nghiệm xử lý máy vi tính, ta xác định mơ hình tốn hàm Y j với hệ số hồi qui có nghĩa thể bảng 4.2 Bảng 4.2 Các hệ số hồi qui có nghĩa hàm Yj Các hệ số hồi qui Y1 Y2 Y3 Y4 b0 b1 b2 18,559 - 1,295 - 0,691 65,848 - 1,763 - 2,374 1,091 0,481 0,247 0,868 -0,116 0,011 - 17- b3 b12 b13 b23 b 11 - 0,555 0,084 - 0,134 0,039 - 0,437 - 1,679 - 0,421 - 0,886 1,314 2,770 0,238 0,020 0,040 - 0,033 0,178 - 0,049 - 0,014 - 0,028 - 0,030 - 0,102 T(oC) t(h) Hình 4.5 Ảnh hưởng T(oC) v(m/s) đến hàm độ khơ khơng sản phẩm sấy v(m/s) Hình 4.7 Ảnh hưởng T(oC) v(m/s) đến hàm thời gian sấy T(oC) v(m/s) T(oC) Gr (m3/kg SPK) v(m/s) Q(đ) K(%) b 22 - 0,602 2,387 0,144 - 0,097 b 33 - 0,789 1,887 0,132 - 0,072 Kiểm tra tính thích ứng mơ hình tốn theo tiêu chuẩn Fisher, giá trị tính tốn F hàm Y 1, ữY4 nhỏ giá trị tra bảng Fb Vỡ vậy, mơ hình toỏn trờn đảm bảo tính thích ứng Chuyển phương trình hồi qui từ dạng mã sang dạng thực, phương trình hồi qui dạng thực có dạng sau: K= 48,139-1,090T- 6,585v - 0,528h + 0.008T2 + 3,849v2+ 0,001h2 (4.4) Q= -88.798+2.364T+14.597v+1.784h-0.011T2-15.047v2-0.032h2(4.5) t = 845.761 -16.971T -122.894v -5.654h +1.314vh +0.111T2 + 59.677v2 + 0.076h2 (4.6) 2 Gr= 37.680-0.969T-3.082v-0.268h+0.007T +3.598v +0.005h (4.7) Để phân tích mơ hình tốn, ta dùng mơ hình 3D xác định ảnh hưởng cặp hai yếu tố yếu tố khác giữ mức sở Đã tiến hành xét ba cặp hai yếu tố ảnh hưởng đến hàm Y ữ Y4 Trên hình 4.54.8 đồ thị biểu diễn ảnh hưởng cặp thơng số vận tốc dũng khí sấy nhiệt độ dũng khí sấy đến hàm Y1 ữ Y4 Hình 4.6 Ảnh hưởng T(oC) v(m/s) đến hàm điểm tổng hợp chất lượng sản phẩm sấy v(m/s) T(oC) Hình 4.8 Ảnh hưởng T(oC) v(m/s) đến hàm chi phí nhiên liệu riêng - 18- Qua đồ thị thí nghiệm cho thấy hàm độ khơ khơng đồng Y1, hàm thời gian sấy Y3 hàm chi phí nhiên liệu riêng Y4 hàm cực tiểu, hàm điểm tổng hợp chất lượng sản phẩm sấy Y2 hàm cực đại, đồ thị cho thấy giá trị tối ưu thông số nằm miền nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng 4.5 Kết nghiên cứu tối ưu tổng quát Đã tiến hành giải tối ưu tổng quát theo phương pháp lập hàm mong muốn, tổng quát dạng tích cho hàm Y1;Y2; Y3;Y4 với thơng số tính tốn hàm dj lựa chọn sau: Hàm Y1 Y1max = 4,01 %; Y10 = 1,0 % Hàm Y2 Y2min = 14,42 đ; Y20 = 20 đ Hàm Y3 Y3max = 78,50 h; Y30 = 60 h Hàm Y4 Y4max = 2,31 m gas/kgSPK; Y40= 1,50 m3 gas/kg SPK Mơ hình tốn hàm tối ưu tổng qt D sau: D = 0,8684975 - 0,1157847x1 + 0,0107273x2 - 0,0492715x3 - 0,0304643x2x3 - 0,1018165x12 - 0,0138230x1x2 - 0,0275394x1x3 (4.8) 0,0975549x22-0,0719254x32 Giá trị tối ưu tổng quát yếu tố vào Giá trị mó hoỏ * Giá trị thực o Giá trị tối ưu tổng quát thông số x1 = -0,54159703 T = 72,3 C K = 1,77 (%) x2*= 0,13511027 v = 0,63m/s Q = 19,12 (đ) - 19- x3*= -0,26744541 h = 28,7cm t = 67,87 (h) Gr = 0,86 (m3gas/kg SPK) 4.6 Kết thí nghiệm ứng với giá trị tối ưu yếu tố vào Trên sở các thông số tối ưu tìm được, chúng tơi tiến hành thí nghiệm lặp lại chế độ tối ưu yếu tố vào: T = 72,29oC; v = 0,63m/s, h = 28,7cm Kết thí nghiệm xác định tiêu kinh tế kỹ thuật thiết bị sấy ghi bảng 4.3 Bảng 4.3: Kết thí nghiệm sấy thông số tối ưu Mẫu Nhiệt Vận Khoảng Độ khô sản độ tốc cách giữa không tổng hợp gian phẩm sấy dũng các sấy ( C) khớ sấy treo vật liệu (m/s) sấy (cm) Điểm Thời Chi phí nhiên liệu chất sấy riêng (%) lượng (h) (m3 (đ) gas/kgSPK) Mẫu 72,3 0,63 28,7 1,74 17,55 68,25 0,76 Mẫu 72,3 0,63 28,7 1,91 19,14 69,48 0,81 Mẫu 72,3 0,63 28,7 2,03 17,01 71,99 0,87 1,89 17,9 0,81 Giá trị trung bình 69,91 Qua bảng 4.3 cho thấy sai số tính tốn thực nghiệm hàm độ khô không Y 6,97%, điểm tổng hợp chất lượng Y 6,38% thời gian sấy Y 3,01%, chi phí nhiên liệu riêng Y 6,17 % nhỏ 7% Bảng 4.4 Kết xác định số tiêu hóa học vải sấy ứng với giá trị tối ưu yếu tố vào tính cho 100g phần ăn vải (Phân tích mẫu 19/07/2009 - Viện Cơng nghiệp Thực phẩm Hà Nội) Mẫu sản phẩm sấy Nhiệt Vận tốc Khoảng độ dũng cách các Hàm Hàm Hàm Hàm lượng lượng lượng lượng lượng lượng sấy khớ sấy treo đường vitamin C protein chất ( C) (m/s) vật liệu sấy (%) (mg/100g) tổng số béo Hàm Hàm sắt kali (mg/ (mg/ - 20- (cm) (%) (%) 100g) 100g) Mẫu 72,3 0,63 28,7 68,75 45,7 3,3 1,01 1,46 1030 Mẫu 72,3 0,63 28,7 69,87 45,9 3,4 1,03 1,79 1066 Mẫu 72,3 0,63 28,7 70,45 46,4 3,8 1,02 1,55 1054 69,69 46,0 3,5 1,02 1,60 1050 Giá trị trung bình (%) Từ kết phân tích bảng 4.4, ta thấy tác dụng nhiệt, lượng đường tổng số giảm 21,88 %, hàm lượng vitamin C giảm 17mg/100g nằm khoảng tổn thất cho phép 30% theo khuyến nghị Christopher Menzel Do trình sấy nước bị làm cho hàm lượng hợp chất hữu cơ, khống chất đặc lại Đặc biệt vải sau sấy khơng cịn nấm men, nấm mốc nhờ kéo dài thời gian bảo quản Trên sở đó, so sánh với tiêu chuẩn chất lượng vải khô xuất Thái Lan thỡ cỏc tiêu đạt tiêu chuẩn xuất Như vậy, kết quả nghiên cứu xác định thông số cơng nghệ tối ưu q trình sấy vải đảm bảo độ tin cậy nờn cỏc giá trị tối ưu sở để hồn thiện quy trình cơng nghệ thiết bị sấy 4.7 Hồn thiện quy trình công nghệ sấy vải Từ kết nghiên cứu thực tế sản xuất Vải nguyên liệu Lựa chọn, phân loại trình làm thí nghiệm, Làm lạnh sơ chúng tơi đề xuất quy trình cơng Làm nước, buộc chùm Sấy khơ Xử lý hố chất Kiểm tra, phân loại Đóng gói nghệ sấy vải theo hình 4.9 Treo Bảo quản Hình 4.9: Quy trình cơng nghệ sấy vải - 21- 4.8 Ứng dụng kết nghiên cứu để hoàn thiện thiết kế thiết bị sấy vải SBOG-150A 4.8.1 Hoàn thiện thiết kế thiết bị sấy vải SBOG-150 A Dựa vào kết nghiên cứu tối ưu tổng quát thiết bị sấy vải SBOG–150 Chúng thiết kế chế tạo thiết bị sấy vải SBOG – 150A với thông số bảng 4.5: Bảng 4.5 Đặc tính kỹ thuật thiết bị sấy vải SBOG -150A: TT Thông số kỹ thuật Khối lượng mẻ sấy Khoảng cách treo Số lượng tầng treo vật liệu sấy Số lượng treo vật liệu sấy Khoảng cách tầng treo Nhiệt độ sấy Vận tốc dũng khớ sấy Kích thước buồng sấy (D*R*C) Đơn vị kg vải quả/mẻ cm tầng ống cm o C m/s m Giá trị 150 ữ 200 28,7 16 30 72,3 0,63 (1,2*1,2*1,7) 4.8.2 Xác định tiêu kinh tế - kỹ thuật thiết bị sấy vải Chúng tiến hành khảo nghiệm thiết bị sấy SBOG – 150A gia đỡnh ụng Ngụ Xuõn Chiến - Hưng Yên so sánh với thiết bị sấy gia đình Thanh Hà - Hải Dương (bảng 4.6) Bảng 4.6 Một số tiêu kinh tế - kỹ thuật thiết bị sấy vải Thiết bị sấy TT Các tiêu KT-KT Khối lượng vải tươi Lò sấy vải Lò sấy vải Thiết bị sấy quả treo SVQ-3,0 Thiết bị sấy SBOG – 150A 963 958 3014 158 Độ ẩm cùi vải tươi (%) 84,0 84,0 83,9 84,1 Độ ẩm cùi vải khô (%) 20,4 20,4 20,3 20,1 Khối lượng vải khô 246,9 245,6 772,8 40,5 - 22- Bố trí vải Đặt sàn buồng sấy sấy Tác nhân sấy Khúi lị đốt than Điều kiện ẩm Đối lưu tự nhiên Đối lưu tự nhiên Đối lưu cưỡng Đối lưu cưỡng Thời gian sấy (h) 131,4 138,6 74,6 67,8 Thời gian sấy riêng (h/kg SPK) 0,532 0,564 0,096 1,67 10 Độ khô không (%) 5,52 4,28 2,87 1,79 11 Chỉ tiêu cảm quan Treo Treo sào sào Treo sào Khúi lị đốt Khúi lị đốt Khơng khí đốt nóng than than có lọc bụi gián tiếp qua calorife - Nhiều bị - Quả tròn, - Quả tròn, - Quả tròn đều, cân bẹp, nứt méo, vỏ màu vỏ màu nâu đối, vỏ màu vỏ màu nâu xám, bụi, không sáng, vàng nâu, khụng nâu xám , bụi.- Cùi màu nâu bám bụi, bỏm bụi - Cùi màu nâu sẫm, hấp thụ - Cùi màu cánh - Cùi vải màu cánh đen, hấp thụ SO2 CO gián, hấp thụ gián, không hấp thụ SO2 CO - Ăn chưa rõ - Vị đắng vị SO2 CO SO2 CO -Vị - Vị sắc Sản phẩm vải hệ thống sấy thông dụng sản xuất: a) b) c) d) a) Lò sấy vải b) Lò sấy vải treo c) Thiết bị sấy SVQ – 3,0 d) Thiết bị sấy SBOG - 150A Hình 4.10: Vải sấy khơ Qua bảng 4.6, hình 4.10 cho thấy, thiết bị sấy SBOG-150A có ưu điểm: thời gian sấy 67,8 51,59 % so với lò sấy vải bệt, 48,9% so với lò sấy vải treo lị thủ cơng 90,90% so với thiết bị sấy SVQ-3,0, độ khô không 1,79% Vải khơ có - 23- hình dáng trịn đều, cân đối, không bẹp, méo, độ khô đồng đều, mầu cánh gián, dẻo dai, vị đậm, mùi thơm đặc trưng, khơng có bụi bẩn nhiễm dioxit lị sấy thủ công thiết bị sấy SVQ-3,0 4.8.3 Đánh giá hiệu kinh tế, kỹ thuật thiết bị sấy SBOG150A Việc ứng dụng thiết bị sấy vải SBOG - 150A thực tiễn sản xuất đem lại hiệu kinh tế, kỹ thuật sau: - Nâng cao chất lượng sản phẩm vải khô mặt giá trị dinh dưỡng, giá trị cảm quan vệ sinh an toàn thực phẩm, đáp ứng yêu cầu tiêu dùng nước xuất khẩu; Giảm đáng kể thời gian sấy chi phí lao động phục vụ cho việc vận hành thiết bị sấy, đặc biệt thời gian thu hoạch rộ; Sử dụng lượng KSH nờn giảm chi phí cho q trình sấy, góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trường tiết kiệm lượng hố thạch; Thiết bị sấy có cấu tạo đơn giản, ứng dụng để sấy nhiều loại nông sản thực phẩm khác như: táo, cà rốt, long nhãn, dễ triển khai áp dụng rộng rãi thực tiễn sản xuất KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu lý thuyết đã xây dựng được mô hình toán biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt đợ và đợ ẩm dũng khí sấy, nhiệt độ và độ ẩm của vải quả theo khơng gian và thời gian Mơ hình cho phép khảo sát tham số ảnh hưởng đến trình sấy làm sở lựa chọn chế độ sấy thơng số hình học thiết bị sấy Kết khảo sát ảnh hưởng số tham số lựa chọn tốc độ gió 0,6m/s tương ứng với thời gian sấy 69,8h, chiều cao vùng chứa vải thích hợp 1,75m Đây thơng số ban đầu để định hướng cho việc thiết kế thiết bị sấy - 24- Đã tiến hành thực nghiệm xác định quy luật giảm ẩm vải trình sấy xác định hệ số ẩm vải hàm nhiệt độ vải quả: làm sở cho việc giải hệ phương trình vi phân mơ q trình trao đổi nhiệt ẩm buồng sấy Kết thực nghiệm đơn yếu tố xác định ảnh hưởng yếu tố: nhiệt độ dũng khí sấy t ( oC), vận tốc dũng khí sấy v (m/s) khoảng cách khay sấy h (cm) đến độ khô không đồng sản phẩm sấy K (%), điểm tổng hợp chất lượng sản phẩm sấy Q (đ), thời gian sấy t (h) chi phí nhiên liệu riêng G r (m3 gas/kg SPK) lựa chọn khoảng nghiên cứu thích hợp yếu tố làm sở cho phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố như: nhiệt độ dịng khí sấy 65 ữ 85 0C, tốc độ dũng khớ sấy 0,2ữ1,0m/s, khoảng cách các treo vật liệu sấy từ 25 ữ 40cm Kết nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố phương pháp tối ưu tổng quát E.C Harrington xác định giá trị tối ưu chung của các yếu tố vào: nhiệt độ tác nhân sấy T = 72,3 oC, vận tốc dũng khớ sấy v = 0,63m/s, khoảng cách của các treo vật liệu sấy h = 28,7cm và giá trị tối ưu của các thông số tối ra: đụ ̣ khụ không đều của sản phẩm sấy K = 1,77(%), điểm tổng hợp chất lượng sản phẩm sấy Q = 19,12 (đ), thời gian sấy t = 67,87(h), chi phí nhiên liệu riêng Gr = 0,86 (m3gas/kg sản phẩm khô) Kết nghiên cứu sở quan trọng để hoàn thiện thiết kế và chế tạo thiết bị sấy vải quả phục vụ cho sở sản xuất Đã đề xuất cải tiến hoàn thiện quy trình cơng nghệ sấy vải Đây quy trình cơng nghệ sấy phù hợp với khả đầu tư thiết bị sở chế biến vải quả khô nước ta Đã thiết kế chế tạo thiết bị sấy SBOG –150, có phận đốt khí gas để chuyển đổi lượng KSH thành lượng nhiệt kết hợp - 25- với thiết bị trao đổi nhiệt tạo sản phẩm sấy có chất lượng cao, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm, giảm chi phí cho q trình sấy, góp phần tiết kiệm lượng hố thạch giảm nhiễm mơi trường KIẾN NGHỊ Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng thiết bị sấy SBOG – 150 để sấy loại nông sản thực phẩm khác nhằm nâng cao hiệu sử dụng thiết bị sấy thực tiễn sản xuất Ứng dụng mơ hình đồng dạng phân tích thứ nguyên để thiết kế chế tạo thiết bị sấy vải có suất khác phù hợp với quy mô sở sản xuất, đặc biệt quy mô trang trại chăn nuôi  ... số thơng số làm sở thiết kế thiết bị sấy vải sử dụng lượng khí sinh học (biogas) ” Mục tiêu nghiên cứu - Tạo thiết bị sấy vải sử dụng lượng khí sinh học (KSH) nhằm nâng cao suất, chất lượng sản... thiện thiết kế thiết bị sấy vải SBOG-150A 4.8.1 Hoàn thiện thiết kế thiết bị sấy vải SBOG-150 A Dựa vào kết nghiên cứu tối ưu tổng quát thiết bị sấy vải SBOG–150 Chúng thiết kế chế tạo thiết bị sấy. .. kỹ thuật thiết bị sấy vải Thiết bị sấy TT Các tiêu KT-KT Khối lượng vải tươi Lò sấy vải Lò sấy vải Thiết bị sấy quả treo SVQ-3,0 Thiết bị sấy SBOG – 150A 963 958 3014 158 Độ ẩm cùi vải tươi (%)