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)

bộ giáo dục và đào tạo trờng đại học NÔNG NGHIệP hà nộI * PHạM THị MINH HUệ NGHIấN CU MT S THễNG S CHNH LM C S THIT K THIT B SY VI QU S DNG NNG LNG KH SINH HC (BIOGAS) LUN N TIN S K THUT H NI - 2011 bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI * PHẠM THỊ MINH HUỆ 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) Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông nghiệp và nông thôn Mã số : 62 52 14 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Trần Như Khuyên 2. GS.TS. Phạm Xuân Vượng HÀ NỘI - 2011 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS. Trần Như Khuyên và GS.TS. Phạm Xuân Vượng cùng với sự đóng góp ý kiến của các thầy cô Bộ môn Thiết bị bảo quản và chế biến nông sản - Khoa Cơ điện – Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Các tài liệu trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc. Mọi sự giúp đỡ đã được cảm ơn. Hà Nội, ngày 15 tháng 1 năm 2012 Tác giả luận án Phạm Thị Minh Huệ Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. ii LỜI CẢM ƠN Với sự kính trọng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trần Như Khuyên – Khoa Cơ điện – Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội và GS.TS. Phạm Xuân Vượng – Hội Cơ khí Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong nhiều năm tháng học tập cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể bộ môn Thiết bị bảo quản và chế biến nông sản, Ban lãnh đạo khoa Cơ điện, Viện Đào tạo Sau Đại học và Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã luôn quan tâm giúp đỡ cũng như đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, các thầy cô giáo khoa Cơ khí và các phòng ban trong Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành đề tài. Xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới GS.TSKH. Phạm Văn Lang - Hội Cơ khí Nông nghiệp Việt Nam, PGS.TS. Nông Văn Vìn và TS. Nguyễn Thanh Hải -Khoa Cơ khí – Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, đã có các ý kiến nhận xét chuyên môn hết sức sâu sắc để tôi hoàn thiện chương trình nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Công nghiệp thực phẩm Thanh Xuân - Hà Nội, Bộ môn kiểm nghiệm chất lượng rau quả - Viện nghiên cứu Rau quả Hà Nội, các thầy cô Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, Sở Khoa học Công nghệ Hưng Yên, trang trại VACB của ông Ngô Xuân Chiến - Phạm Ngũ Lão - Kim Động - Hưng Yên, Hiệp hội vải Thanh Hà - Hải Dương đã giúp tôi trong việc làm thực nghiệm và đánh giá kết quả nghiên cứu của đề tài. Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã luôn quan tâm, động viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành bản luận án này. Hà Nội, ngày 15 tháng 1 năm 2012 Tác giả luận án Phạm Thị Minh Huệ Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. iii MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục i Danh mục các chữ viết tắt vii Danh mục các ký hiệu toán học viii Danh mục hình trong luận án xiii Danh mục bảng trong luận án xvii MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu 2 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 4.1. Đối tượng nghiên cứu 3 4.2. Phạm vi nghiên cứu 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 6. Những đóng góp mới 4 7. Cấu trúc nội dung luận án 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. Đặc điểm cấu tạo, thành phần hoá học và công dụng của quả vải 5 1.1.1. Đặc điểm cấu tạo của quả vải 5 1.1.2. Thành phần hoá học của quả vải 6 1.1.3. Công dụng của quả vải 8 1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ vải quả 9 1.2.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ vải quả trên thế giới 9 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. iv 1.2.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ vải quả ở trong nước 11 1.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả 14 1.3.1. Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả trên thế giới 14 1.3.2.Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả ở trong nước 20 1.3.2.1. Quy trình công nghệ sấy vải quả 21 1.3.2.2. Thiết bị sấy vải quả 25 1.4. Năng lượng sử dụng trong quá trình sấy vải quả 28 1.4.1. Năng lượng hoá thạch 29 1.4.2. Năng lượng tái tạo 29 1.4.2.1. Năng lượng mặt trời 29 1.4.2.2. Năng lượng sinh khối 30 1.4.2.3. Năng lượng khí sinh học 30 1.5. Kết luận chương 1 33 CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên vật liệu nghiên cứu 35 2.2. Đối tượng nghiên cứu 35 2.3. Phương pháp nghiên cứu 37 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 37 2.3.1.1. Phương pháp giải tích 37 2.3.1.2. Phương pháp số 38 2.3.1.3. Phương pháp mô phỏng 41 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 41 2.3.2.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố 41 2.3.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố 42 2.3.2.3. Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát 47 2.3.3. Phương pháp xác định một số thông số của quá trình sấy 49 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. v 2.3.3.1. Phương pháp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy 49 2.3.3.2. Phương pháp xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của thiết bị sấy…51 2.3.4. Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu 56 Chương 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT ẨM TRONG BUỒNG SẤY 3.1. Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy 57 3.1.1. Mô hình kết cấu hệ thống thiết bị sấy 57 3.1.1.1. Vùng chứa vải quả 58 3.1.1.2. Vùng biên 58 3.1.2. Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vật liệu sấy 58 3.1.2.1. Mô hình khuếch tán 59 3.1.2.2. Mô hình động học 64 3.1.3. Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy 65 3.1.3.1. Quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vùng chứa vải quả 65 3.1.3.2. Quá trình trao đổi nhiệt trong vùng biên 71 3.2. Mô phỏng quá trình nhiệt ẩm trong vùng chứa vải quả 71 3.2.1. Giai đoạn tốc độ sấy giảm 722 3.2.2. Giai đoạn tốc độ sấy không đổi 76 3.3. Khảo sát quá trình nhiệt ẩm trong buồng sấy và lựa chọn các thông số của thiết bị sấy 78 3.3.1. Thuật giải hệ phương trình vi phân 78 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến quá trình sấy 81 3.3.3. Lựa chọn các thông số cơ bản của thiết bị và chế độ sấy 85 3.4. Kết luận chương 3 85 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Kết quả khảo sát chế độ sấy vải quả trong thực tiễn sản xuất 86 4.2. Thí nghiệm xác định độ giảm hàm lượng nước trong vải quả 87 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. vi 4.2.1. Giai đoạn tốc độ sấy không đổi 89 4.2.2. Giai đoạn tốc độ sấy giảm 90 4.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố 91 4.3.1. Ảnh hưởng nhiệt độ dòng khí sấy T n ( o C ) 91 4.3.2. Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí sấy v (m/s) 92 4.3.3. Ảnh hưởng khoảng cách các thanh treo vật liệu sấy h (cm) 94 4.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố 96 4.5. Kết quả nghiên cứu tối ưu tổng quát 104 4.6. Kết quả thí nghiệm ứng với giá trị tối ưu của các yếu tố vào 106 4.7. Đề xuất và hoàn thiện quy trình công nghệ sấy vải quả 108 4.7.1. Sơ đồ quy trình công nghệ sấy vải quả 108 4.7.2. Thuyết minh quy trình 109 4.8. Ứng dụng các kết quả nghiên cứu để hoàn thiện thiết kế thiết bị sấy vải quả SBOG-150A 112 4.8.1. Hoàn thiện thiết kế thiết bị sấy vải quả SBOG-150 A 112 4.8.2. Xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của máy sấy vải quả 113 4.8.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của thiết bị sấy SBOG - 150A 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN 116 KIẾN NGHỊ 117 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Diễn giải Trang 1. KSH Khí sinh học 2 2. SBOG-150 Thiết bị sấy Biogas có năng suất 150kg 4 3. SPK Sản phẩm khô 14 4. HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao 19 5. CO Cacbon ôxit 26 6. SO 2 Lưu huỳnh điôxit 26 7. SVQ-1 Thiết bị sấy vải quả 1 26 8. CH 4 Mêtan 31 9. CO 2 Cacbon đioxit 31 10. H 2 S Khí hidro sunfua 32 11. N 2 Nitơ 32 12. TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 54 13. VCK Vật chất khô 78 14. KKK Không khí khô 78 15. TN Thí nghiệm 107 16. SBOG-150A Thiết bị sấy Biogas có năng suất 150kg thử nghiệm 112 17. SVQ-3,0 Hệ thống sấy vải quả bằng than có năng su ất 3 tấn 113 18. KT-KT Kinh tế - kỹ thuật 114 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC TT Ký hiệu Đơn vị Giải thích Trang 1. k h -1 Hệ số thoát ẩm 16 2. MR % Tỷ số độ ẩm của vải quả 16 3. t H Thời gian sấy 16 4. M o % Độ ẩm ban đầu của cùi vải 16 5. M % Độ ẩm vải quả tại thời điểm khảo sát 16 6. M e % Độ ẩm cân bằng tương ứng 16 7. a,b,c,d,p - Các hệ số thực nghiệm 16 8. D flesh m 2 / s Độ khuếch tán ẩm của cùi vải quả 17 9. D seed m 2 / s Độ khuếch tán ẩm của hạt vải quả 17 10. D shel m 2 / s Độ khuếch tán ẩm của vỏ vải quả 17 11. T o C Nhiệt độ dòng khí sấy 17 12. R 2 - Hệ số tương quan 17 13. V o m³ Thể tích ban đầu của cùi vải 18 14. V m³ Thể tích của cùi vải sau khi sấy khô 18 15. ∇ - Toán tử gradient 39 16. ∇T - Toán tử divergence 39 17. ρ kg/m³ Khối lượng riêng của vải quả 39 18. C p J/kg. 0 K Nhiệt dung riêng của vải quả 39 19. h cm Khoảng cách giữa các thanh treo vật 42 [...]... sử dụng không hết hoặc không sử dụng đến Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng khí sinh học nhằm giảm chi phí cho quá trình sấy, góp phần tiết kiệm năng lượng hoá thạch và giảm ô nhiễm môi trường là vấn đề cấp thiết Xuất phát từ tình hình thực tiễn trên, chúng tôi thực hiện đề tài: 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) ... tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung: Tạo ra thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh học (KSH) nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng hoá thạch, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường - Mục tiêu cụ thể: Xác định một số thông số tối ưu làm cơ sở để hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết kế chế tạo thiết bị sấy 3 Nhiệm vụ nghiên cứu - Xác định một số tính chất cơ lý... vi nghiên cứu Nghiên cứu mô hình thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh học thí nghiệm năng suất 150kg tươi/mẻ 5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Đã ứng dụng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng để xác định các thông số cơ bản về cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị sấy nhằm định hướng cho việc thiết kế, chế tạo máy Kết quả nghiên cứu trên là tài liệu tham khảo cần thiết khi thiết. .. kế các thiết bị sấy có năng suất khác nhau với các loại vật liệu sấy khác nhau - Đã thiết kế chế tạo thành công thiết bị sấy vải quả sử dụng nguồn năng lượng khí sinh học để làm khô vải quả nói riêng và các loại nông sản thực phẩm nói chung Đây là thiết bị sấy sử dụng không khí đốt nóng gián tiếp qua thiết bị trao đổi nhiệt nên tạo ra sản phẩm sấy có chất lượng cao, sản phẩm được treo trong buồng sấy. .. của quả vải liên quan đến quá trình sấy Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………… 2 - Xây dựng mô hình quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy và dòng khí sấy nhằm định hướng cho việc thiết kế thiết bị sấy - Nghiên cứu thực nghiệm xác định một số thông số tối ưu làm cơ sở cho việc hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết kế, cải tiến thiết bị sấy - Nghiên cứu. .. cứu ứng dụng thiết bị sấy trong thực tiễn sản xuất nhằm xác định hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của thiết bị sấy để có thể triển khai áp dụng rộng rãi trong thực tiễn sản xuất 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thông số công nghệ của thiết bị sấy vải quả: nhiệt độ sấy, vận tốc dòng khí sấy, khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy, 4.2... thay cho thiết bị sấy nhập ngoại đắt tiền, nhờ đó có thể triển Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………… 3 khai, áp dụng rộng rãi cho các cơ sở sản xuất 6 Những đóng góp mới - Đã thiết kế chế tạo thiết bị sấy SBOG –150, có bộ phận chuyển đổi năng lượng khí sinh học thành năng lượng nhiệt thông qua thiết bị trao đổi nhiệt nên đã tạo ra sản phẩm sấy có chất lượng cao,... cao, tận dụng được nguồn năng lượng khí sinh học góp phần tiết kiệm năng lượng hoá thạch và giảm ô nhiễm môi trường - Bằng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng đã xây dựng được mô hình toán biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ ẩm dòng khí sấy, nhiệt độ và độ ẩm của vải quả theo không gian và thời gian, làm cơ sở khoa học cho việc xác định các thông số hình học và chế độ làm việc của thiết bị sấy -... phần hoá học của phần thịt quả vải 7 Bảng 1.2 Diện tích và sản lượng các vùng trồng vải chính ở Việt 12 Nam năm 2007 Bảng 1.3 Giá vải khô ở một số thị trường nội tiêu năm 2011 13 Bảng 1.4 Mô hình biểu diễn đặc tính giảm ẩm của vải quả bóc vỏ 16 khi sấy Bảng 1.5 Kết quả đánh giá chất lượng cảm quan cho vải sấy khô 19 Bảng 1.6 Kết quả phân tích thành phần hoá học, dinh dưỡng của vải 20 tươi và vải khô... khô đang được sử dụng phổ biến như là một sản phẩm thay thế cho vải tươi khi trái vụ do có hương vị thơm ngon đặc trưng, vì vậy nhu cầu tiêu thụ loại vải quả khô liên tục tăng trên thị trường trong và ngoài nước Để nâng cao chất lượng vải quả khô xuất khẩu, một số cơ sở sản xuất, các Viện, trường Đại học đã nghiên cứu cải tiến các thiết bị sấy vải quả và đã góp phần nâng cao Trường Đại học Nông Nghiệp . t¹o TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI * PHẠM THỊ MINH HUỆ 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) . nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả ở trong nước 20 1.3.2.1. Quy trình công nghệ sấy vải quả 21 1.3.2.2. Thiết bị sấy vải quả 25 1.4. Năng lượng sử dụng trong quá trình sấy vải quả 28. công nghệ sấy vải quả 108 4.7.1. Sơ đồ quy trình công nghệ sấy vải quả 108 4.7.2. Thuyết minh quy trình 109 4.8. Ứng dụng các kết quả nghiên cứu để hoàn thiện thiết kế thiết bị sấy vải quả SBOG-150A