Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU VÒI PHUN ĐẾN KHẢ NĂNG BÓC VỎ TỎI SỬ DỤNG KHÍ NÉN EFFECT OF NOZZLE STRUCTURE ON THE PEELING ABILITY OF GARLIC PEELED BY PNEUMATIC Đặng Thiện Ngôn1a, Tôn Thất Tín2b, Dương Văn Ba3c Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng a b ngondt@hcmute.edu.vn, thattin.ton@mail.tdc.edu.vn, cvanbackm@gmail.com TÓM TẮT Hiện tượng bóc vỏ tỏi khí nén áp lực dòng khí nén áp suất cao gây nên va chạm học tép tỏi với với thành buồng bóc chênh lệch vận tốc dòng khí tép tỏi Do vậy, dòng khí nén khỏi vòi phun cần đạt vận tốc bóc vỏ (lớn vận tốc âm thanh) đồng thời mật độ dòng khí phải đủ dày Bài báo trình bày kết mô thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng kết cấu vòi phun với thông số đường kính đầu d , góc đầu vào β đến vận tốc mật độ dòng khí Kết thực nghiệm cho thấy, kết cấu vòi phun có đường kính vòi d = 1,5 mm, góc đầu vào β = 90o áp suất cung cấp P = bar cho hiệu suất bóc vỏ tỏi cao chi phí lượng phù hợp Từ khoá: bóc vỏ tỏi, vòi phun, góc đầu vào, đường kính vòi, vận tốc âm ABSTRACT The phenomenon of garlic peeled by pneumatic in high pressure is caused by mechanical collision between garlic cloves and tank’s wall as well as the difference in velocity between the airflow and garlic cloves Therefore, the velocity of airflow out of the nozzle should reach the peeling velocity (greater than the velocity of sound) and the density of the airflow must be enough thick This paper presents the results of simulations and experiments to evaluate the effects of parameters of nozzle’s structure such as output diameter d , input angle β and density of the airflow Experimental results showed that parameters of nozzle’s structure: diameter d = 1.5 mm, input angle 900, supplied pressure P = bar get the high performance of garlic peeling and reduce consumed energy Keywords: garlic peeling, nozzle, input angle, nozzle diameter, velocity of sound ĐẶT VẤN ĐỀ Quá trình bóc vỏ nhờ dòng khí có vận tốc âm siêu âm phức tạp Bản chất trình tép tỏi chuyển động lực tác động dòng khí có vận tốc âm siêu âm gây nên va đập tép tỏi với thành buồng bóc tép tỏi với Các lực tiếp tuyến xuất lúc bề mặt tép tỏi tác dụng tương hỗ không khí có vận tốc cao sóng va đập gây tạo nên chênh lệch lớn áp suất không khí bên tép tỏi không gian bao quanh tép tỏi Hiện tượng làm cho liên kết lớp vỏ, vỏ với nhân bị phá hủy, nghĩa thực trình tự bóc vỏ [1] Dòng không khí từ vòi phun có lượng định dùng để phá liên kết lớp vỏ tỏi Dễ dàng nhận thấy để có trình bóc vỏ hiệu dòng khí phải có vận tốc lưu lượng định lượng dòng khí tiêu thụ lớn Bài báo trình bày số kết mô thực nghiệm để xác định thông số kết cấu vòi phun (góc đầu vào, đường kính vòi) ảnh hưởng đến khả bóc vỏ tỏi sử dụng khí nén 53 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Vòi phun khí 2.1.1 Kết cấu vòi phun Kết cấu vòi phun ảnh hưởng trực tiếp đến trình tăng tốc dòng khí để đạt tới vận tốc âm Các dạng vòi phun khí tăng tốc trình bày hình Dòng khí có vận tốc âm muốn tăng tốc ống phải có tiết diện nhỏ dần dòng khí có vận tốc vận tốc âm tiết diện dòng phải đạt cực tiểu (hình 1a) Khi dòng vượt âm, vận tốc dòng lớn vận tốc âm muốn tăng vận tốc dòng vượt âm phải vào ống lớn dần (hình 1b) [2] Biết rằng, dòng khí cần sử dụng cho trình bóc vỏ tỏi dòng khí có vận tốc đạt tới vận tốc âm dòng khí tập trung [1], kết cấu vòi phun lựa chọn có hình dạng hình 1a a) Vòi phun tăng tốc nhỏ dần b) Vòi phun tăng tốc lớn dần -ω , ω Vận tốc dòng khí đầu vào, đầu -f ,f Tiết diện đầu vào, đầu ống -ω Vận tốc dòng khí lòng ống -a Vận tốc âm Hình 1: Điều kiện hình học tăng tốc dòng khí [2] 2.1.2 Cơ sở lý thuyết tính toán vòi phun Với kết cấu vòi phun lựa chọn (hình 1a), ta có kích thước vòi phun sau: d - Đường kính đầu vào d - Đường kính đầu β - Góc đầu vào Hình 2: Kết cấu vòi phun Vận tốc dòng khí đầu vòi phun phụ thuộc lớn vào hình dạng tiết diện hai đầu vòi phun khí Ngoài ra,vận tốc phụ thuộc vào góc đầu vàoβ thay đổi từ tiết diện lớn sang tiết diện nhỏ Để xác định giá trị vận tốc đầu vòi phun ta tính toán sau [3]: 𝜔𝜔2 = 𝜔𝜔1 𝑑𝑑12 𝑑𝑑22 (1) Kích thước chiều dài có ảnh hưởng không đáng kể đến vận tốc đầu dòng khí [2] Khi biết vận tốc dòng khí ta xác định lưu lượng dòng khí qua mặt cắt ngang f ống dẫn: 𝑄𝑄 = 𝑓𝑓 𝜔𝜔(𝑚𝑚3 /𝑠𝑠) 54 (2) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.1.3 Kích thước vòi phun Để ổn định dòng khí trước phun vào buồng bóc vào sở lý thuyết ta chọn kích thước vòi phun hình Hình 3: Kích thước vòi phun Ở đây, chênh lệch nhiệt độ từ nguồn cấp khí nén đến đầu phun xem không đáng kể, chọn nhiệt độ tuyệt đối T o = 300oK, áp suất nguồn khí P o = 6.0 bar, nhiệt độ đầu vào vòi phun T = 298oK [4], ta có hệ số khí động: 𝜏𝜏 = 𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑜𝑜 = 298 300 = 0,993 Với hệ số π = 0,9768, hệ số Mach M = 0,1830 [2] ta được: π= P Po =0,9768 P = 0,9768P o = 5,86 bar Với áp suất đầu vào vòi phun P = 5,86 bar, theo [2] vận tốc âm tính theo công thức: a = √kRT = �1,4 287 298 = 343,11 𝑚𝑚/𝑠𝑠 𝑀𝑀 = 𝜔𝜔1 𝑎𝑎−1 ⇒ 𝝎𝝎𝟏𝟏 = 𝑀𝑀 𝑎𝑎 = 0,1830 343,11 = 62,8 𝑚𝑚/𝑠𝑠 Ta có vận tốc đầu vào đầu phun ω = 62,8m/s Khi chọn đường kính đầu vào vòi phun d = 4mm, ta xác định vận tốc tương ứng với kích thước đường kính đầu khác vòi phun d = (0,5; 1,0; 1,5) mm [4, 5] theo công thức (1) (bảng 1) Bảng 1: Quan hệ đường kính vận tốc dòng khí khỏi vòi phun d (mm) ω (m/s) 62,8 d (mm) 0,5 1,0 1,5 ω (m/s) 4019,2 1004,8 446,5 Biết để bóc vỏ lúa khí nén, dòng khí phải có vận tốc khoảng ω = 512 m/s [6] Theo bảng 1, ta tiến hành đánh giá khả sử dụng vòi phun có kích thước đường kính đầu d = 1,0 mm d = 1,5 mm Vòi phun có d = 0,5 mm cho vận tốc đầu ω = 4019,2 m/s lớn gần lần vận tốc bóc vỏ cần thiết bóc vỏ lúa gây nên lực va đập lớn có khả làm tỏi bị dập nát trình bóc vỏ 2.2 Đánh giá kết cấu vòi phun Để so sánh khả bóc vỏ tỏi dòng khí ứng với hai kích cỡ đường kính đầu vòi phun d = 1,0 1,5 mm, tiêu chí: (i) vận tốc dòng khí (ii) mật độ dòng khí đầu lựa chọn để đánh giá qua mô Với kết cấu vòi phun chọn theo hình 3, mô tiến hành với hai nội dung chính: - Ảnh hưởngcủa góc đầu vào β vòi phun đến vận tốc dòng khí đầu - Ảnh hưởng đường kính đầu vòi phun d đến mật độ dòng khí đầu 55 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.2.1 Ảnh hưởng góc đầu vào β Tiến hành mô cho giá trị góc đầu vào β = 45o, 60o; 90o; 120o vòi phun có kết cấu hình với thông số liên quan trình bày bảng Bảng 2: Bảng thông số đầu vào Thông số Đường kính đầu vào, d (mm) Giá trị Đường kính đầu ra, d (mm) 1,5 Áp suất tiết diện đầu vào d , P (bar) 5,86 Áp suất tiết diện đầu d , P (bar) Vận tốc dòng khí tiết diện vào d , ω1 (m/s) 62,8 Kết mô ảnh hưởng góc đầu vào β đến vận tốc dòng khí: β= 900 β= 1200 β= 450 β= 600 Kích thước vòi phun Kết mô vận tốc dòng khí Hình 4: Ảnh hưởng góc đầu vào β đến vận tốc dòng khí Kết mô cho thấy, vận tốc dòng khí không chịu ảnh hưởng đường kính đầu vào đầu mà phụ thuộc lớn vào biên dạng đầu vào vòi phun Vòi phun với góc đầu vào β = 450, 600có mật độ dòng khí dày vận tốc tối đa đạt không đáp ứng đủ cho trình bóc vỏ Trong đó, vận tốc hai vòi phun có góc đầu vào β = 900, 1200 đạt vận tốc sử dụng cho trình bóc vỏ Tuy nhiên, với góc đầu vào β = 1200 vận tốc có lớn nhiều so với vận tốc tham khảo cần có để bóc vỏ lúa (ω = 512 m/s) [6] làm tỏi bóc vỏ bị dập Do đó, ta chọn vòi phun có góc đầu vào β = 900 2.2.2 Ảnh hưởng đường kính vòi phun Nhằm đảm bảo tỏi sau đưa vào buồng bóc có va đập, ma sát lẫn làm liên kết phần vỏ phần nhân tép tỏi giảm xuống Lúc này,do chênh lệch vận tốc dòng khí (vận tốc cao) chuyển động tép tỏi buồng bóc (vận tốc thấp hơn) mà tỏi 56 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV bóc vỏ Phương án bố trí vòi phun cho buồng bóc có kết cấu chọn theo [4] với thông số sau (hình 5): D H α - Đường kính buồng bóc: D = 174 mm - Chiều cao buồng bóc: H = 400 mm - Độ chênh vòi phun: h = 10 mm - Góc nghiêng vòi phun: α = 45o Vòi phun Hình 5: Quỹ đạo bố trí vòi phun Mô thực ứng với đường kính vòi phun d = 1,0 mm 1,5 mm với kết cấu buồng bóc chọn (hình 5) để xác định: - Vận tốc mật độ rối dòng khí - Áp lực dòng khí - Mật độ dòng khí buồng thành buồng Kết mô sử dụng vòi phun có đường kính đầu d = 1,0 mm: Hình 6: Vận tốc mật độ rối Hình 7: Lực dòng khí Hình 8: Mật độ dòng khí buồng Hình 9: Mật độ dòng khí thành buồng 57 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Từ kết mô ta nhận thấy: - Vận tốc dòng khí gần đầu vòi phun khoảng 3.189e+002 m/s (318,9 m/s, hình 6) Các vị trí khác vận tốc dòng khí đạt khoảng 100 m/s - Mật độ rối (hình 6) mật độ dòng khí (hình 8, 9) tập trung phía đáy buồng - Lực dòng khí nén tạo nhỏ có giá trị 1.765e+003 N (1765 N, hình 7) lớn nhiều trọng lực tác động lên tép tỏi, tép tỏi di chuyển va đập vào thành buồng va đập lẫn làm liên kết vỏ tỏi với thân tép tỏi giảm Vòi phun d = mm có khả thực trình bóc vỏ tỏi Tiến hành thực nghiệm để xem xét khả bóc vỏ vòi phun có d = mm sau: - Tỏi trồng Hải Dương; - Đường kính củ tỏi D40 - 45 mm; - Tỏi đưa vào buồng bóc tỏi tách thành tép; - Kích thước tép tỏi: dày (15 - 25 mm), dài (30 - 35mm); - Độ ẩm: phần thân củ 55% phần vỏ 8% Thực lần thí nghiệm với thông số bảng 3, ta kết sau: TT Bảng 3: Kết thực nghiệm với vòi phun d = 1,0mm Đường Khối Thời Số vòi Áp suất Kết (g) kính d phun n đầu vào lượng tỏi gian bóc Đạt Không đạt m (g) t (giây) (mm) P o (bar) 235 60 256 37 250 43 243 49 224 70 241,6 51,8 1,0 6,0 300 20 Trung bình Như vậy: - Tỉ lệ tỏi bóc vỏ không cao, đạt khoảng 80% - Kết thí nghiệm xa (biên độ khoảng 32g) Kết mô sử dụng vòi phun có đường kính đầu d = 1,5 mm: Hình 10: Vận tốc mật độ rối Hình 11: Lực dòng khí 58 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 12: Mật độ dòng khí buồng Hình 13: Mật độ dòng khí thành buồng Kết mô cho thấy: - Vận tốc dòng khí gần đầu vòi phun khoảng 1.376e+002 m/s (137,6 m/s, hình 10) Các vị trí khác vận tốc dòng khí đạt khoảng 70 m/s - Mật độ rối (hình 10) mật độ dòng khí (hình 12, 13) dày khắp buồng bóc - Lực dòng khí nén tạo nhỏ có giá trị 5.580e+003 N (5580 N, hình 11) lớn lực dòng khí nén vòi phun 1,0 mm nên trình bóc vỏ tỏi diễn tốt Kết thực nghiệm bóc vỏ sử dụng vòi phun có d2 = 1,5 mm trình bày bảng TT Bảng 4: Kết thực nghiệm với vòi phun d = 1,5 mm Số vòi Áp suất Khối Thời gian Đường Kết (g) phun n đầu vào P o lượng tỏi bóc t kính d Đạt Không đạt (mm) (bar) m (g) (giây) 289 2 290 290 285 284 287,6 2,6 1,5 6,0 300 Trung bình 20 Ta thấy: - Tỉ lệ tỏi bóc vỏ cao, đạt khoảng 95,9% - Kết thí nghiệm gần (biên độ khoảng 6g) Kết thực nghiệm cho thấy có phân biệt rõ ràng có chênh lệch lớn hiệu suất bóc vỏ vòi phun d = 1mm d = 1,5 mm Rõ ràng, vòi phun d = 1,5 mm cho hiệu bóc vỏ tỏi cao dòng khí phun có tiết diện lớn hơn, lực tập trung cao khiến tép tỏi va đập mạnh mà tách vỏ tỏi khỏi tép tốt Kết thực nghiệm hai phương án thể biểu đồ hình 14 KẾT LUẬN - Vận tốc dòng khí không chịu ảnh hưởng đường kính đầu vào đầu mà phụ thuộc lớn vào biên dạng đầu vào vòi phun Kết mô cho thấy vòi phun với góc đầu vào β = 900, đường kính đầu d = 1,0 mm d = 1,5 mm có mật độ dòng khí dày vận tốc dòng khí đạt sử dụng cho trình bóc vỏ tỏi khí nén 59 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Hiệu suất bóc vỏ với vòi phun có đường kính d = 1,0 mm đạt khoảng 60%, vòi phun có đường kính d = 1,5 mm đạt hiệu suất cao đến 92% 300 250 200 d = 1,0 mm 150 d = 1,5 mm 100 50 Hình 14: Biểu đồ so sánh khối lượng tỏi bóc vỏ - Hiệu sử dụng lượng đánh giá thông qua lượng khí cần thiết sử dụng cho việc thực bóc vỏ cho gam tỏi: Lưu lượng dòng khí qua vòi phun xác định theo công thức (2): 𝜋𝜋 𝑑𝑑1 3,14 (0,004)2 𝑄𝑄 = 𝑓𝑓 𝜔𝜔1 = 𝜔𝜔1 = 62,8 = 7.89 10−4 (𝑚𝑚3 /𝑠𝑠) = 0,789 (𝑙𝑙/𝑠𝑠) 4 Lưu lượng khí tiêu thụ cho vòi phun thời gian 20 giây để thực trình bóc vỏ: Q tiêu thụ = 0,789 20 = 126,24 lít Lượng khí tiêu thụ cần thiết để bóc 1g tỏi sử dụng vòi phun d = mm: 𝑞𝑞1.0 = 𝑄𝑄 126,24 = = 0,523 𝑙𝑙/𝑔𝑔 𝑚𝑚 241,6 Lượng khí tiêu thụ cần thiết để bóc 1g tỏi sử dụng vòi phun d = 1,5 mm: 𝑞𝑞1.5 = 𝑄𝑄 126,24 = = 0,439 𝑙𝑙/𝑔𝑔 𝑚𝑚 287,6 Dễ dàng nhận thấy vòi phun có đường kính 1,5mm cho hiệu sử dụng lượng cao nhiều so với vòi phun có đường kính 1,0 mm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tôn Thất Minh, Giáo trình máy thiết bị chế biến lương thực NXB Đại học Bách Khoa, Hà Nội, 2006 [2] Lê Công Cát, Khí động ứng dụng NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội, 2010 [3] Hoàng Đức Liên, Giáo trình kỹ thuật thủy khí Đại học Nông Nghiệp Hà Nội, 2007 [4] Đặng Thiện Ngôn, Nguyễn Đình Vũ, Tôn Thất Tín, Nghiên cứu phát triển máy bóc vỏ tỏi, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 2013, Số 5, p 25-31 [5] Cho Y J., Kim C J Kim, Analysis of performance of an air-type garlic peeler for its optimum design Journal of the Korean Society for Agricultural Machinery, 1993, 18(4):351-357 [6] Văn Minh Nhựt, Giáo trình máy chế biến lương thực thực phẩm Đại học Cần Thơ, 2005 THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ Đặng Thiện Ngôn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, Việt Nam Email: ngondt@hcmute.edu.vn Điện thoại: 0913 804803 Tôn Thất Tín Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam Email: thattin.ton@mail.tdc.edu.vn Điện thoại: 0903 637701 Dương Văn Ba Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam Email: vanbackm@gmail.com Điện thoại: 0973 335841 60 ... quốc khí - Lần thứ IV NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Vòi phun khí 2.1.1 Kết cấu vòi phun Kết cấu vòi phun ảnh hưởng trực tiếp đến trình tăng tốc dòng khí để đạt tới vận tốc âm Các dạng vòi phun khí tăng... dòng khí cần sử dụng cho trình bóc vỏ tỏi dòng khí có vận tốc đạt tới vận tốc âm dòng khí tập trung [1], kết cấu vòi phun lựa chọn có hình dạng hình 1a a) Vòi phun tăng tốc nhỏ dần b) Vòi phun. .. có khả làm tỏi bị dập nát trình bóc vỏ 2.2 Đánh giá kết cấu vòi phun Để so sánh khả bóc vỏ tỏi dòng khí ứng với hai kích cỡ đường kính đầu vòi phun d = 1,0 1,5 mm, tiêu chí: (i) vận tốc dòng khí