Thiết kế máy rang cà phê năng suất 25 kgmẻ

Lúc còn sống, gọi là cà phê nhân, bản thân hạt cà phê đã có một mùi thơm đặc trưng dễ chịu tương tự như mùi thảo dược, mùi của thuốc nam, mùi của hoa cỏ khô … Hình 1.2: Hạt cà phê lúc ch

Do đó muốn nâng chất lượng phải đầu tư nâng cao thiết bị chế biến Nhưng giá

cả trang thiết bị của nước ngoại lại quá đắt Vì thế với mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm, hạ giá thành, em đã cố gắng tìm tòi, học hỏi để thiết kế ra chiếc máy rang cà phê đáp ứng nhu cầu của thị trường

Luận văn được sắp xếp theo 7 chương như sau:

Chương 1 -Tổng quan: Giới thiệu sơ lược về cà phê và quy trình chế biến

Chương 2 -Thiết kế nguyên lý máy: Lựa chọn phương án rang cà phê và giới

thiệu một số máy rang cà phê có sẵn trên thị trường

Chương 3 -Tính toán kết cấu máy: Tính toán và lựa chọn các bộ phận trong

máy rang cà phê

Chương 4 -Tính toán nhiệt: Tính toán nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình

rang và chọn điện trở gia nhiệt

Chương 5 -Thiết kế mạch điện: Thiết kế và lựa chọn các thiết bị điện cho máy

rang cà phê

Chương 6 -Bảo trì bảo dưỡng : Trình bày các biện pháp bảo trì, bảo dưỡng máy

rang

Chương 7 -Kết luận : Đánh giá, nhận xét và nêu lên các điểm cần khắc phục của

máy rang cà phê

MỤC LỤC

Nhiệm vụ luận văn

Lời cảm ơn i

Tóm tắt luận văn ii

Mục lục iii

Danh sách hình vẽ vi

Danh sách bảng biểu viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu về cà phê 1

1.2 Quy trình công nghệ 2

1.3 Khái niệm rang cà phê 4

1.4 Giới thiệu đề tài 10

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY 13

2.1 Các nguyên lý khi rang 13

2.2 Các phương án thiết kế 13

2.2.1 Gia nhiệt với chảo rang thường 13

2.2.2 Gia nhiệt với thiết bị lồng cầu 15

2.2.3 Gia nhiệt theo nguyên lý tầng sôi 16

2.2.4 Gia nhiệt kiểu thùng quay 17

2.3 Lựa chọn phương án 18

2.4 Sơ đồ nguyên lý 18

2.5 Sơ đồ động 20

2.6 Một số loại máy rang cà phê trên thị trường 21

2.6.1 Máy rang sử dụng nhiên liệu là gas 21

2.6.2 Máy rang sử dụng điện 22

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY 24

3.1 Tính toán kích thước và thiết kế các bộ phận 24

3.1.1 Tính toán kích thước thùng rang 24

3.1.2 Thiết kế thùng rang 26

3.1.3 Tính toán kích thước khay làm nguội 27

3.1.4 Thiết kế khay làm nguội 28

3.2 Tính toán chọn động cơ 29

3.2.1 Xác định công suất động cơ thùng rang 29

3.2.2 Xác định công suất động cơ cho khay làm nguội 36

3.3 Tính toán bộ truyền xích 39

3.4 Tính toán trục 41

3.4.1 Tính toán trục thùng rang 41

3.4.2 Tính toán trục khay làm nguội 47

3.5 Tính toán ổ lăn và nối trục đàn hồi 52

3.5.1 Ổ lăn trục thùng rang 52

3.5.2 Ổ lăn trục khay nguội 53

3.5.3 Nối trục đàn hồi 56

3.6 Tính toán chọn then 56

3.6.1 Then trục thùng rang 56

3.6.2 Then trục khay làm nguội 58

3.7 Tính toán quạt hút 59

3.8 Tính toán silo lọc bụi 62

3.8.1 Nguyên lý silo lọc bụi 62

3.8.2 Lựa chọn silo lọc bụi 62

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN NHIỆT 65

4.1 Thông số vật liệu rang 65

4.2 Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt hạt cà phê 65

4.3 Nhiệt lượng cần để đốt nóng thùng rang 65

4.4 Nhiệt lượng cần cung cấp trong quá trình rang cà phê tới lúc chín 66

4.5 Nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanh 66

4.6 Nhiệt tổn thất của toàn quá trình 67

4.7 Chọn điện trở gia nhiệt 67

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 68

5.1 Tổng quan về mạch điện 68

5.2 Lưu đồ giải thuật 68

5.3 Chọn lựa các thiết bị 70

5.3.1 Chọn MCP 70

5.3.2 Chọn rơ le nhiệt (OVERLOAD RELAY) 71

5.3.3 Chọn rơ le thời gian(Digital Timer) 73

5.3.4 Chọn bộ điều khiển nhiệt độ(Temperature Controller) 76

5.3.5 Chọn cảm biến nhiệt độ 79

5.3.6 Chọn SSR(Solid State Relay) 80

5.4 Thiết kế mạch điện 84

5.4.1 Mạch động lực 84

5.4.2 Mạch điều khiển 85

5.4.3 Nguyên tắc hoạt động của mạch 86

CHƯƠNG 6 BẢO TRÌ, BẢO DƯỠNG 87

6.1 Chế độ bôi trơn ổ bi 87

6.2 Làm sạch thùng rang và thùng nguội định kì 87

6.3 Vệ sinh si lô lọc bụi 87

6.4 Kiểm tra, thay thế thanh điện trở nhiệt 87

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 88

7.1 Đánh giá và nhận xét 88

7.2 Một số điểm cần khắc phục 88

7.3 Kết luận 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về cà phê

Từ "cà phê" trong tiếng Việt có gốc từ chữ café của tiếng Pháp Cà phê là một

loại thức uống màu đen có chứa chất caffein và được sử dụng rộng rãi, được sản xuất

từ những hạt cà phê được rang lên, từ cây cà phê Cà phê được sử dụng lần đầu tiên vào thế kỉ thứ 9, khi nó được khám phá ra từ vùng cao nguyên Ethiopia Từ đó, nó lan

ra Ai Cập và Yemen, và tới thế kỉ thứ 15 thì đến Armenia, Persia, Thổ Nhĩ Kỳ và phía bắc Châu Phi Từ thế giới Hồi giáo, cà phê đến Ý, sau đó là phần còn lại của Châu Âu, Indonesia và Mĩ Ngày nay, cà phê là một trong những thức uống thông dụng toàn cầu Hiện nay, cây cà phê được trồng tại hơn 50 quốc gia trên thế giới, trong đó có một số nước xuất khẩu cà phê Hạt cà phê được lấy từ hạt của các loài cây thuộc họ cà

phê (Rubiaceae) Ba dòng cây cà phê chính là

Coffea arabica (Cà phê Arabica) - cà phê chè, cà phê Blue Mountain

Coffea canephora (Cà phê Robusta) - cà phê vối

Coffea excelsa (Cà phê Liberia) - cà phê mít

với nhiều loại khác nhau Chất lượng hay đẳng cấp của cà phê khác nhau tùy theo từng loại cây, từng loại hạt và nơi trồng khác nhau Cà phê Robusta được đánh giá thấp hơn

so với cà phê Arabica do có chất lượng thấp hơn và giá cả theo đó cũng rẻ hơn So với Robusta, Arabica đòi hỏi được gieo trồng ở những vùng đất cao hơn, có khí hậu mát

mẻ hơn (khoảng 3,000 - 6,000 feet so với mực nước biển) Cà phê Arabica cho mùi vị ngon hơn nhưng cũng là loại "khó tính" hơn Robusta Thời gian để quả cà phê Arabica chín lâu hơn, sản lượng cũng thấp hơn, tuy nhiên Arabica lại cho những hạt cà phê có mùi vị thơm ngon hơn, chính vì thế giá thành của nó cũng cao gấp đôi so với Robusta Trong khi đó, Robusta dường như "dễ chịu" hơn, loại cà phê này lại ưa thích điều kiện khí hậu ấm và khô hơn, độ cao lý tưởng khoảng 2,000 feet so với mực nước biển Như chính tên gọi của mình, Robusta có sức phát triển mạnh mẽ và khả năng chịu đựng cũng thật đáng nể trong những điều kiện bất lợi mà Arabica sẽ tàn lụi Sự phối trộn giữa Arabica và Robusta được tiến hành nhằm tạo nên sự cân bằng và phong phú cho tách cà phê Tính chua thanh của Arabica khi kết hợp với thể chất đậm đà của Robusta

sẽ tạo nên một loại cà phê hoàn hảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.2 Quy trình công nghệ

Thu hoạch: Việc hái cà phê được thực hiện có thể bằng tay hoặc bằng máy Máy được sử dụng trên những nông trại cà phê lớn, hay vùng đất phẳng– đa số ở Brazil Công việc hái bằng tay được áp dụng ở những nông trại nhỏ với phí lao động thấp Chế biến: Có 2 phương pháp chế biến chủ yếu Phương pháp chế biến Khô thường được áp dụng rộng rãi tại Châu Á, Braxin và châu Phi Phương pháp chế biến Ướt thì tập trung ở khu vực Trung và Nam Mỹ

Phương pháp chế biến Khô: trái cà phê được phơi khô dưới nắng trời trên nền sân

xi măng hoặc gạch của các nông trại, và sẽ được đảo trộn liên tục cho khô đều Sau khoảng 4 tuần cà phê sẽ đạt độ khô mong muốn Khi đó máy bóc vỏ sẽ được sử dụng nhằm loại bỏ lớp vỏ quả

Phương pháp chế biến Ướt: Trong khi Phương pháp chế biến Khô tách bỏ lớp vỏ thịt sau khi trái cà phê được phơi khô thì Phương pháp chế biến Ướt lớp vỏ thịt sẽ được làm sạch và làm mềm và tách ra bằng máy xát vỏ Trái cà phê sau khi loại bỏ lớp

vỏ thịt sẽ được ủ lên men trong 24 - 36 giờ, công đoạn này sẽ làm mất đi lớp chất nhầy Tiếp đến, hạt cà phê được phơi trên nền sân xi măng hoặc được sấy khô bằng máy Sau

đó, máy bóc vỏ sẽ giúp bóc đi lớp vỏ thóc

Phương pháp chế biến Khô tuy đơn giản, ít tốn năng lượng nhân công nhưng phương pháp này có nhiều hạn chế là phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Nó chỉ phù hợp với nơi có điều kiện mưa ít nắng nhiều, không đáp ứng được những yêu cầu về mặt chất lượng

Phương pháp chế biến ướt phức tạp hơn tốn nhiều thiết bị và năng lượng hơn đồng thời đòi hỏi dây chuyền công nghệ cũng như thao tác kĩ thuật cao hơn Nhưng phương pháp này thích hợp với mọi hoàn cảnh, mọi khí hậu thời tiết Đồng thời rút ngắn được thời gian sản xuất, tăng năng suất của nhà máy và nâng cao chất lượng sản phẩm của cà phê nhân

Hiện nay ở nước ta các xí nghiệp sản xuất cà phê nhân chủ yếu sử dụng phương pháp Khô (phương pháp cổ điển)

Hình 1.1: Quy trình chế biến cà phê

Cô đặc Sấy khô và

đóng gói

Lọc bã Trích ly

RANG

Xay , nghiền

Sấy

Cà phê nhân Xát khô

Xát tươi Rửa

Làm ráo

Phân loại làm sạch

Hái và bảo quản Quả cà phê

Cà phê

bột

Cà phê

hòa tan

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.3 Khái niệm rang cà phê

Rang cà phê là một quá trình mà trong đó những hợp chất chứa mùi vị của cà phê được giải phóng nhờ một loạt các phản ứng hoá học Hương vị, độ chua, độ đậm nhạt

và dư vị của cà phê phụ thuộc rất nhiều vào quá trình này Quá trình rang cà phê trải qua các giai đoạn sau:

1.3.1 Hạt cà phê

Hạt cà phê lúc chưa rang thường

có màu xanh ngọc rất đẹp Nhiệt độ bình thường, khoảng 22-25 độ C Lúc còn sống, gọi là cà phê nhân, bản thân hạt cà phê đã có một mùi thơm đặc trưng dễ chịu tương tự như mùi thảo dược, mùi của thuốc nam, mùi của hoa cỏ khô …

Hình 1.2: Hạt cà phê lúc chưa rang

1.3.2 Bắt đầu rang đến nhiệt độ trên 100 o C

Khoảng thời gian đầu của quá

trình rang là để truyền nhiệt cho hạt cà

phê Hạt cà phê từ từ nóng lên dần và

bắt đầu bốc hơi nước chứa bên trong,

hạt cà phê hơi teo lại và hầu như có rất

ít sự thay đổi Trong giai đoạn này, bí

quyết rang cà phê ngon là tránh cho hạt

cà phê chai cứng bằng cách rang thế nào

để tạo ra dòng không khí nóng đối lưu

tối đa trong trống rang và việc chuyển

giao nhiệt diễn ra hiệu quả nhất và lan

nhiệt đồng đều đến mỗi hạt cà phê …

Hình 1.3: Hạt cà phê bắt đầu rang đến

nhiệt độ trên 100 o C

1.3.3 Giai đoạn hạt cà phê chuyển sang ngã màu vàng nhạt - nhiệt độ trên 150 o C

Lúc này, hạt cà phê vẫn tiếp tục hấp thu nhiệt, bốc hơi nước và bắt đầu có sự thay đổi chút ít về thể tích Trong giai đoạn này từ lò rang lan tỏa ra một mùi thơm nồng của

cỏ tươi và rơm khô hòa quyện rất đặc trưng Từ hạt cà phê nóng tỏa

ra mùi hương của cây cỏ, của cánh đồng, vườn cây râm mát, làm ta nhớ đến quê nhà xa xôi, và thanh tịnh Hạt cà phê đang trong giai đoạn thu nhiệt rất nhanh và thay đổi kích thước để chuẩn bị cho giai đoạn nổ đầu tiên.

1.3.4 Giai đoạn vàng đậm - nhiệt độ khoảng 180 o C

Hạt cà phê ngã sang màu vàng đậm,

hình dáng bắt đầu thay đổi, thể tích gia

tăng từ 20-30%, bề mặt hạt bắt đầu có các

gân nổi lên Lúc này mùi hương tỏa ra

giống như là mùi của bánh mì cháy, mùi gỗ

cháy, mùi của đất mới sau cơn mưa đầu

mùa, có cả mùi của củ khoai lang nướng

từng làm ta hồi bé có lần thèm thuồng …

1.3.5 Giai đoạn chuyển sang màu nâu nhạt - nhiệt độ khoảng 200 o C

Chuẩn bị cho giai đoạn phát tiếng nổ đầu tiên của hạt cà phê Hạt cà phê càng nở lớn nhanh chóng, mùi thơm đã chuyển qua mùi ngọt ngào giống như mùi quả chín, như mùi của mật ong, lại thoang thoảng mùi của mạch nha Tuy nhiên, lúc này các phản ứng hóa học vẫn chưa xảy ra hoàn tất, các phân tử hương vẫn chưa được giải

Hình 1.4: Hạt cà phê chuyển sang ngã màu

vàng nhạt

Hình 1.5: Hạt cà phê chuyển sang màu

vàng đậm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

phóng và cấu trúc sợi của hạt cà phê vẫn rất bền chặt Nếu lúc này lấy hạt ra xay bột và pha uống thì vị của cà phê lúc này khá là chua và mùi cà phê vẫn chưa tinh tế, và có mùi còn ngai ngái, nồng nồng

1.3.6 Giai đoạn chuyển sang màu nâu - nhiệt độ trên 200 o C

Các tiếng nổ bắt đầu vang lên trong

thùng quay của lò rang Các phản ứng hóa

học qua tác dụng nhiệt xảy ra bắt đầu đốt

cháy các tinh thể đường trong hạt cà phê

tạo ra màu nâu caramen, mùi của đường

mạch nha càng lúc càng rõ, việc này xảy

ra là do một phản ứng hóa nâu thực phẩm

dưới tác dụng nhiệt được gọi là phản ứng

Maillard Qua phản ứng Maillard này thực

phẩm trở nên thơm ngon hơn và bắt đầu

biến đổi màu sắc sậm hơn

1.3.7 Giai đoạn nổ lần thứ nhất – nhiệt độ khoảng 210 o C

Tại thời điểm này, các tiếng nổ rộn

rã của hạt cả phê đã vang lên nghe rất vui tai trong thùng quay Người rang cà phê, với sự nhạy cảm, luôn mong chờ nghe tiếng nổ thân thương này Nhiệt độ tăng lên nhanh Hạt cà phê có nhiều biến đổi

về hình thức, phẩm chất lẫn hương vị Khói bắt đầu tỏa ra nhiều hơn, mùi thơm ngào ngạt tỏa ra, hấp dẫn Từ thời điểm

Hình 1.6: Hạt cà phê chuyển sang màu

này trở đi, quá trình rang trở nên sinh động, hạt cà phê bắt đầu bước vào giai đoạn chín

để cho ra sản phẩm theo ý định của người thợ rang, còn người thợ rang thì vận dụng tất cả các giác quan lẫn tâm hồn say mê của mình để chăm sóc, nâng niu cho mẽ rang như nâng niu 1 công trình nghệ thuật của riêng mình…

1.3.8 Giai đoạn ngưng tiếng nổ – nhiệt độ khoảng 215 o C

Giai đoạn nổ đầu tiên là một phản ứng

tỏa nhiệt Sau 1 thời gian hấp thu nhiệt thì

qua việc nở lớn đột ngột về thể tích, tăng

lên đến khoảng 150%, trọng lượng giảm từ

10- 17 % và tạo ra hàng loạt tiếng nổ giòn

tan rộn rã, nhiệt lượng bên trong hạt thoát

ra nhanh chóng Kế đó, ngay lập tức hạt cà

phê lại bắt đầu giai đoạn thu nhiệt Do đó

trong quá trình rang, sau lần nổ thứ nhất, sẽ

cần có thêm 1 giai đoạn ngắn để hạt cà phê

thu thêm nhiệt lượng nhằm tiếp tục được

nung nóng và được biến đổi.Vì thế, trong

quá trình rang, tiếng nổ reo vui lần thứ nhất bỗng nhiên giảm xuống rồi ngưng lại Lúc này phản ứng caramen xảy ra nhanh chóng Các phản ứng hóa học làm phát sinh mùi

vị thơm ngon của cà phê cũng xảy ra, khói bốc lên khá nhiều Về hình thức hạt cà phê sau khi nở rộng kích thước thì hơi thu lại và xuất hiện các vết nhăn, nứt phía bên mặt dưới của hạt

1.3.9 Giai đoạn sau khi ngưng tiếng nổ lần một – Nhiệt độ khoảng 220 o C

Vào lúc này, hạt cà phê bắt đầu thoát

ra một lượng khí carbon dioxide nên khói

bốc nhiều hơn, không gian lan tỏa mùi bánh

nướng, mùi hạt rang đặc trưng…Trọng

lượng hạt cà phê tiếp tục giảm xuống

Hình 1.9: Hạt cà phê ở giai đoạn

ngưng tiếng nổ

Hình 1.10: Hạt cà phê ở giai đoạn sau

khi ngưng tiếng nổ lần một

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.3.10 Giai đoạn chuẩn bị nổ lần hai – nhiệt độ khoảng 225 o C

Hạt cà phê tiếp tục thu nhiệt và thể

tích càng nở lớn hơn, thể tích có thể tăng

trên 150% Các phản ứng hóa học vẫn

liên tục xảy ra trong hạt cà phê Hạt cà

phê có nhiều thay đổi và chuẩn bị bước

vào giai đoạn nổ lần hai

1.3.11 Giai đoạn bắt đầu nổ lần hai – Nhiệt độ khoảng 225 o C

Lúc này từ trong hạt cà phê tiết

ra nhiều chất dầu, bao phủ cả hạt cà phê, làm cho hạt cà phê trở nên sáng bóng, và nhìn có vẻ ẩm ướt Mùi thơm càng lúc càng tinh tế, hấp dẫn lan tỏa

cả không gian của vùng lò rang, làm ngây ngất những ai ở xung quanh…

1.3.12 Giai đoạn nổ lần hai – nhiệt độ khoảng 235 o C

Tiếng nổ lần thứ hai phát sinh từ sự là bẻ gãy vật lý của các cấu trúc celllose trong hạt cà phê Mỗi một chủng loại hạt cà phê của các giống cà phê có các cấu trúc khác nhau, cho nên tiếng nổ lần thứ hai này, tùy theo giống cà phê mà chúng ta lắng nghe có có âm thanh, tần suất, cường độ âm, và âm vực khác nhau

Tiếng nổ lần này không rộn rã như lần trước nhưng khô khốc, giòn và xảy ra nhanh chóng như tiếng bẻ gảy của các cành cây khô Theo phương pháp rang thủ công tại Việt Nam với truyền thống rang lò than, rang củi…việc quan sát, lắng nghe, phân biệt, nhận định được âm thanh của tiếng hai lần nổ từ hạt cà phê, mùi hương tỏa ra qua

Hình 1.11: Hạt cà phê ở giai đoạn

chuẩn bị nổ lần hai

Hình 1.12: Hạt cà phê ở giai đoạn bắt

đầu nổ lần hai

từng giai đoạn rang, màu sắc của khói, của hạt cà phê và cả cảm nhận tinh tế qua kinh nghiệm sẽ quyết định cho chất lượng của mẻ rang

Hiện nay có nhiều loại máy rang cà phê bán tự động hay hoàn toàn tự động rất hiện đại, rang theo các chương trình được

đã lập trình hay theo chương trình tuyển chọn tối ưu của người thợ Theo một số người qua việc thưởng thức, trải nghiệm

cà phê được rang bằng các máy móc tự động và so sánh với cà phê rang theo cách truyền thống của người thợ, cho rằng, tuy mỗi phương án đều có 1 kết quả tốt nhất định nào đó về phẩm chất của hạt cà phê Thế nhưng, họ cảm thấy hạt cà phê rang thủ công ngon hơn rang bằng máy Tuy nhiên vẫn nên chọn cách rang bằng máy với nhiên liệu ga hoặc điện để phù hợp với yêu cầu sản xuất và đảm bảo vệ sinh môi trường

1.3.13 Giai đoạn sau khi ngưng tiếng nổ lần hai – Nhiệt độ khoảng 240 o C

Lúc này hạt cà phê rang có màu nâu

đậm, thể tích tăng tối đa, hạt cà phê nở lớn,

nhất là hạt cà phê Moka có thể tăng kích

thước gần gấp đôi, và trọng lượng có thể

giảm từ 20-30%, hương thơm ngào ngạt

theo khói bốc lên, lan tỏa khắp khu vực

Nhất là rang Cà phê Chồn, có thể nói mùi

thơm của nó có cả mùi của động vật Cầy

Hương

Canh thời đểm chính xác và tốt nhất

để ngưng quá trình rang tùy theo chất

lượng hạt cà phê sống của mỗi mẽ rang là cả bí quyết và kinh nghiệm của người thợ rang Có thể nói vào lúc này, mỗi giây phút trôi qua hay mỗi vòng quay của trống (thùng rang) cà phê sẽ tạo ra hương vị và phẩm chất của hạt cà phê khác nhau Cà phê

Hình 1.13: Hạt cà phê ở giai đoạn lần

hai

Hình 1.14: Hạt cà phê ở giai đoạn sau khi ngưng tiếng nổ lần hai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

rang càng đậm màu thì chất cafeine càng giảm, vị chua càng giảm, vị đắng đậm đà và mùi carbon càng tăng…Sau cùng hạt cà phê trải qua xong quá trình biến đổi bởi tác động của nhiệt để cho ra một sản phẩm tuyệt vời phục vụ cho nhân loại

1.4 Giới thiệu đề tài

Thực tế cho thấy rằng kể từ những năm của thập kỷ 90, ngành cà phê nước ta đã

có bước tăng trưởng vượt bậc và trở thành một ngành kinh tế quan trọng của nền kinh

tế nông nghiệp Cà phê là nông sản xuất khẩu quan trọng đứng hàng thứ ba sau lúa gạo

và cao su Bên cạnh đó về mặt xã hội, ngành cà phê còn thu hút trực tiếp khoảng 600 ngàn lao động, chiếm xấp xỉ 20% tổng lao động nông nghiệp và cuộc sống của khoảng

1 triệu người chịu ảnh hưởng từ sự phát triển của ngành cà phê

Hình 1.15: Tỷ trọng xuất khẩu mặt hàng nông sản của Việt Nam năm 2013

Dù đã trở thành nước xuất khẩu cà phê đứng thứ 2 thế giới, nhưng các doanh nghiệp xuất khẩu nước ta vẫn hoàn toàn bị động trước những biến động của thị trường thế giới Hàng năm, nước ta xuất khẩu khoảng 1 triệu tấn cà phê (chủ yếu là robusta) tới 80 nước và vùng lãnh thổ, trong đó có 10 nước là bạn hàng lớn Có nhiều đầu mối

và doanh nghiệp nước ngoài mua trực tiếp cà phê Việt Nam

Hình 1.16: Biểu đồ xuất khẩu cà phê của Việt Nam và Thế giới

Hình 1.17: Sản lượng cà phê Việt Nam qua các năm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Có thể nói Việt Nam chúng ta là một cường quốc cà phê thế nhưng cho đến bây giờ ngành cà phê của chúng ta lại chưa thể hiện được điều gì Thực trạng phát triển của ngành cà phê trong thời gian qua đang làm nhiều người lo lắng Bởi dù được xếp ở thứ hạng cao (thứ hai thế giới, sau Brazil), nhưng giá trị của hạt cà phê mang lại luôn bấp bênh Tuy là nước xuất khẩu đứng thứ 2 thế giới nhưng cà phê Việt Nam lại không có một thương hiệu cà phê nào xứng tầm do chúng ta không có hệ thống trang thiết bị chế biến cà phê hiện đại như các nước Yêu cầu đặt ra là phải chế tạo những thiết bị chế biến cà phê có tính năng tương đương thiết bị ngoại nhập nhưng giá thành phải rẻ hơn nhiều để nâng cao tính cạnh tranh cho cà phê Việt Nam

Để có cà phê cung cấp cho thị trường cần phải trải qua rất nhiều công đoạn để có một sản phẩm cà phê hoàn chỉnh: Từ quả cà phê  hái  bảo quản  say, sấy  cà phê nhân  rang cà phê  xay, nghiền thành sản phẩm cà phê xay hay qua một vài khâu để trở thành cà phê hòa tan

Trong đó máy rang cà phê là một thiết bị quan trọng trong quy trình trên Hiện nay các máy ngoại nhập từ Đức, Pháp, Trung Quốc … đáp ứng đầy đủ yêu cầu nhưng giá thành lại quá cao Do đó yêu cầu đặt ra phải có một thiết kế hoàn chỉnh về các loại máy này trên cơ sở kế thừa các loại đã có và phù hợp với tình hình sản xuất của Việt Nam Và xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, đề tài “Thiết kế máy rang cà phê ” của em ra đời

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY 2.1 Các nguyên lý khi rang

- Rang là giai đoạn quyết định chất lượng cà phê thành phẩm, trong quá trình rang xảy ra sự hao hụt mất nước, chất bay hơi Nước mất 5,5% , các tổn thất khác 2%

- Thiết bị rang: chảo, lồng cầu, thiết bị rang hình tháp hoặc thiết bị thùng quay

- Nhiên liệu phục vụ cho quá trình rang: than, củi, gas, điện…

- Nguyên tắc khi rang cà phê:

+ Phải đảo liên tục để các hạt cà phê được tiếp xúc độ nóng đều đặn, tránh bị tình trạng hạt còn sống, hạt đã chín khét

+ Khi cà phê được rang đến độ cần thiết, phải làm nguội cà phê ngay để tránh hơi nóng còn lại trong chính cà phê làm cà phê bị rang quá đà

+ Khi rang cà phê sẽ có nhiều khói bạn nên chọn nơi thông thoáng hay nên có hệ thống máy hút khói tốt

- Cà phê khi rang sẽ bị bong lớp vỏ ngoài hạt Khi rang xong nên ra ngoài gió hoặc đứng trước quạt và sàng nhẹ rổ cà phê cho bay bớt vỏ lụa Tuy nhiên thật ra lớp này cũng không có mùi vị gì, nếu vẫn còn dính chung cà phê sau khi rang, hương vị cà phê cũng không bị ảnh hưởng gì nhiều

2.2 Các phương án thiết kế

2.2.1 Gia nhiệt với chảo rang thường

- Được áp dụng từ rất lâu đời, là phương pháp con người sử dụng đầu tiên để làm chín đối tượng Dụng cụ sử dụng là chảo gang hoặc thép, gia nhiệt trực tiếp bằng than hoặc củi

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY

Hình 2.1: Rang cà phê bằng chảo rang thường

- Nguyên lý: Cà phê được cho vào một cái chảo đun nóng bằng than hoặc củi Trong quá trình cà phê nẩy lên trong chảo, nó đồng thời được rang chín Sau đó cà phê được đưa

đi làm nguội ngoài không khí

- Ưu điểm:

+ Dễ thực hiện, đơn giản, chi phí ban đầu thấp

+ Có thể áp dụng ở mọi nơi, không cần trang thiết bị hiện đại

- Nhược điểm :

+ Hạt cà phê không chín đều do không được đảo trộn liên tục

+ Chỉ rang được số lượng nhỏ

+ Một số bị cháy xém, không tách được vỏ lụa trong quá trình rang

+ Phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm người rang

+ Thành phần hóa học của cà phê bị thay đổi nhiều do quá trình rang lâu

2.2.2 Gia nhiệt với thiết bị lồng cầu

Hình 2.2: Rang cà phê kiểu lồng cầu

- Nguyên lý : Cà phê được cho vào lồng cầu "Lồng cầu" được thiết kế như một quả bóng bằng sắt, thiết kế có cửa mở và được quay bằng mô tơ kéo qua hai cần trục gác qua

Cà phê sau khi rang chín bằng thiết bị gia nhiệt sẽ được làm nguội ngoài không khí

- Ưu điểm :

+ Dễ thực hiện , đơn giản

+ Có thể rang được số lượng lớn so với cách thông thường

+ Giá thành rẻ

- Nhược điểm:

+ Một số bị cháy xém, không tách được vỏ lụa trong quá trình rang

+ Thành phần hóa học của cà phê bị thay đổi nhiều do quá trình rang lâu

+ Việc thiết kế để có số lượng rang được nhiều cà phê hơn cho từng mẻ đã làm cho khói bay, bụi, nóng, ô nhiễm…

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY

2.2.3 Gia nhiệt theo nguyên lý tầng sôi

- Hạt cà phê bay lơ lửng và thành sản phẩm như mong muốn nhờ lớp không khí nóng cung cấp từ dưới lên

Hình 2.3: Rang cà phê dùng không khí nóng

- Nguyên lý: Cà phê được cho vào phễu số 1 Sau đó nguồn khí nóng 4 sẽ được động

cơ hút 3 thổi vào buồng rang 2 Tại đây cà phê sẽ tiếp xúc trực tiếp với nguồn khí nóng và gia tăng nhiệt độ Si lô 6 sẽ lọc bụi và vỏ lụa ra Sau khi rang xong cà phê sẽ được xả ra ngoài bằng cửa số 5 và được đem đi làm nguội

- Ưu điểm: dùng để rang cà phê với số lượng lớn, nhanh, hạt cà phê chín đều, chất lượng tốt

- Nhược điểm:

+ Trang thiết bị phức tạp, khó chế tạo lắp đặt

+ Việc tính toán nhiệt độ cũng khá phức tạp

+ Giá thành vật liệu cao

2.2.4 Gia nhiệt kiểu thùng quay

- Phương pháp này cần thêm các thiết bị hỗ trợ Hạt cà phê được làm chín thông qua các cơ cấu trung gian hay chuyển đổi năng lượng Đây cũng là phương pháp thông dụng nhất hiện nay Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình rang lấy từ khí đốt hay điện trở sử dụng dòng điện để biến thành nhiệt…

Hình 2.4: Rang cà phê kiểu thùng quay

- Nguyên lý: Cà phê được cho vào phễu số 1 Thùng rang 3 được cấp nhiệt liên tục nhờ hệ thống gia nhiệt bằng gas hoặc điện trở Trong suốt quá trình rang, cà phê nhân được đảo đều liên tục nhờ cách đảo 2 bên trong thùng rang Cà phê sau khi rang đến độ chín sẽ được xả ra ngoài bằng cửa số 5 và chuyển vào khay làm nguội 6 để hạ thấp nhiệt

độ của hạt Trong quá trình làm nguội cà phê được đảo đều trong khay làm cà phê nguội nhanh đều Khói, tạp chất, vỏ lụa sẽ theo ống dẫn đưa vào si lô lọc bụi 8

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY

+ Gia nhiệt bằng điện trở

+ Hạt cà phê sau khi rang phải đạt chất lượng cao : chín đều, không bị cháy xém, tách hết lớp vỏ lụa của nhân ra, không làm thay đổi nhiều thành phần hóa học của hạt

+ Máy rang phải làm việc tốt, an toàn cho người sử dụng, dễ lắp ráp sửa chữa, năng suất và tuổi thọ cao

+ Dễ vận hành không cần công nhân có tay nghề cao

+ Chi phí sản xuất cũng tương đối thấp, phù hợp với máy móc thiết bị ở nước ta

- Với các yêu cầu được đặt ra như trên phương án thiết kế máy rang kiểu thùng quay

sẽ được lựa chọn

- Phương án thiết kế như sau: Cà phê sẽ được gia nhiệt bằng điện trở thông qua thùng quay chứa cà phê Trong khi nhiệt lượng được cấp, thùng quay quay liên tục để đảo trộn đều cà phê trong thùng tránh hiện tượng cháy xém và chín không đồng đều.Toàn bộ quá trình này sẽ được giám sát bởi các cảm biến đo nhiệt độ và người vận hành để đảm bảo chất lượng cà phê sau khi rang Ngoài ra còn có các quạt hút hút vỏ trấu còn sót lại và

vỏ lụa bị bong tróc trong quá trình đảo trộn của thùng Cà phê sau khi rang đến độ chín sẽ được chuyển vào khay làm nguội để hạ thấp nhiệt độ của hạt Trong quá trình làm nguội, cà-phê được đảo đều trong khay cùng với lực hút mạnh của quạt chung quanh lớp lưới của khay làm cà phê nguội nhanh đều Khói và tạp chất, vỏ lụa theo ống dẫn quạt hút thổi vào silo lọc bụi

2.4 Sơ đồ nguyên lý

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY

15 Động cơ khay làm nguội

16 Động cơ quạt hút của khay làm nguội

17 Quạt hút khay làm nguội

18 Bộ phận gia nhiệt

19 Khớp nối

20 Động cơ thùng rang

21 Thùng chứa bụi

2.6 Một số loại máy rang cà phê trên thị trường

2.6.1 Máy rang sử dụng nhiên liệu là gas

Hình 2.7: Máy rang cà phê dùng gas

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY

+ Tự hành vận động và điều chỉnh nhiệt độ rang

+ Nhiên liệu đốt bằng gas

+ Thời gian rang : 20- 30 phút

+ Có màn hình hiển thị nhiệt độ rang

- Nhược điểm:

+ Thời gian rang chậm

+ Giá thành cao

2.6.2 Máy rang sử dụng điện

Hình 2.8: Máy rang sử dụng điện

- Ưu điểm:

+ Chi phí thấp hơn rang bằng gas

+ Sử dụng ít nhân công

+ Thời gian nhanh

+ An toàn hơn trong sản xuất

+ Hạt cà phê chín điều và màu đẹp hơn

+ Không sợ cháy khi cúp điện

+ Thân thiện hơn với môi trường

- Nhược điểm :

+ Thiết kế phức tạp

+ Đòi hỏi công nhân phải có tay nghề

- Ngoài ra còn có thể sử dụng rang cà phê bằng các phương pháp đặc biệt như dùng năng lượng mặt trời, dùng tia hồng ngoại…Nhược điểm của những phương pháp này là chi phí khá cao , khó điều khiển các thiết bị, đòi hỏi tay nghề phải cao

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY

𝛾𝑣 – khối lượng riêng của hạt cà phê (v= 500kg/m3) Theo [1, trang 244] đối với thùng quay sản phẩm rời được đặc trưng bằng mức độ

Chọn L = 660 mm

Thử lại : L/D =1,46 < 10 ( thỏa )

Tính lại thể tích thùng rang :

𝐺 = 𝑉 𝜌 = 0,105.1,293 = 0,136 𝑘𝑔 (3.6)

Với 𝜌 = 1,293 𝑘𝑔/𝑚3, khối lượng riêng của không khí

Ta có:

𝑝 𝑉 = 𝐺 𝑅 T (3.7) Trong đó : T = 230+273=503 0

D- đường kính trong của thùng

p- áp suất tại mặt thùng

𝜍 - ứng suất cho phép của vật liệu

C- hệ số bổ sung do ăn mòn và dung sai về chiều dày

𝜑- hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc trục

Tính ứng suất cho phép theo công thức XIII.1 và bảng XIII.3 tài liệu [2 , trang 356] :

σ =σk

nb (3.11) Đối với thép không gỉ 𝑛𝑘 = 2,6

thùng rang được đốt nóng trực tiếp bằng ngọn lửa = 0,9

ứng suất cho phép khi kéo 𝜍𝑘 = 520 106 𝑁/𝑚2

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY

𝑆 = 450.1186780

2.180 106 0,9+ 0,22 = 1,86 𝑚𝑚 (3.14) Chọn S = 3 mm

3.1.2 Thiết kế thùng rang

Thùng rang hình trụ rỗng, làm bằng thép không rỉ Một đầu bịt kín có lỗ thông để

lấy không khí khi rang Thùng rang được liên kết với trục bằng liên kết hàn thông qua các thanh giằng đỡ và 2 may ơ

Để cho cà phê được rang đều thì trên thành thùng có gắn các cánh nâng (16 cánh ) theo hình xoắn ốc để đưa hạt cà phê tiến về trước Trên các thanh giằng thì được hàn các cánh xoắn( 4 cánh ) để đưa hạt cà phê về sau thùng khi rang

Vật liệu của cánh nâng và cánh xoắn được làm bằng inox (dày 3 mm), được cắt định hình và uốn cong định hình Cánh nâng được hàn chặt bên trong thùng và đặt nghiêng so với trục góc 450 Khi thùng rang quay hạt cà phê trong thùng được nâng lên 1 góc và rơi xuống đồng thời sản phẩm được dời về trước 1 đoạn Cánh xoắn được hàn trên các thanh giằng, xoắn 1 góc để đưa cà phê trở về phía sau, giúp quá trình đảo trộn được diễn ra liên tục

``

Hình 3.1: Thùng rang và mặt cắt thùng rang

3.1.3 Tính toán kích thước khay làm nguội

Dựa vào thể tích chứa của cà phê V = 0,105 m3 ,để lớp cà phê sau khi rang không được quá dày ta chọn đường kính khay nguội tương đối lớn một chút

Thể tích hình trụ được tính theo công thức:

𝑉 = 𝜋 𝐷𝑛

2

4 𝐿𝑛 (3.15) Chọn Dn = 800 mm khi đó chiều cao cà phê trong khay nguội là :

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY

``

Để đảm bảo cà phê không bị rơi ra ngoài trong khi đảo ta chọn chiều cao khay nguội : Ln = 250 mm

3.1.4 Thiết kế khay làm nguội

Sau khi rang cà phê cần làm nguội bằng cách tản nhiệt ra môi trường Nên làm nguội càng nhanh càng tốt tối đa 5 phút, khi quá 5 phút hạt cà phê sẽ hút ẩm khi đó làm giảm chất lượng cà phê rang Do sau khi rang xong cà phê dễ hút ẩm nên ta sẽ làm nguội bằng không khí Dùng quạt hút để lấy đi một phần nhiệt lượng của cà phê đồng thời phần nhiệt còn lại sẽ thải ra ngoài môi trường xung quanh

Cà phê được rang xong thì sẽ được xả ra ngoài đưa vào khay làm nguội Khay hình trụ có trục ở giữa có gắn các cánh đảo để đảo cà phê sau khi rang, giúp cho cà phê tản nhiệt đều ra môi trường Bên hông thùng có cửa xả để xả cà phê sau khi làm nguội Đáy thùng có các lỗ nhỏ để thoát bụi xuống phía dưới, từ đó bụi sẽ được hút về si lô

Hình 3.2: Khay làm nguội

``

3.2 Tính toán chọn động cơ

3.2.1 Xác định công suất động cơ thùng rang

Số vòng quay tới hạn của thùng có thể xác định từ cân bằng trọng lượng G và lực ly tâm C tác dụng lên các hạt sản phẩm [1, công thức XII.1, trang 244]:

D - đường kính trong của thùng

Từ đây rút ra số vòng quay tới hạn trong 1 phút [1, công thức XII.2,trang 244 ]:

𝑛𝑡𝑕 =42,3

𝐷

𝑣𝑝𝑕 (3.18)

Vậy :

𝑛𝑡𝑕 = 42,3

0,45 = 63,06

𝑣𝑝𝑕 (3.19)

Để các hạt cà phê ở trong thùng rang khi quay được nâng lên có thể tách khỏi bề mặt bên trong của thùng và rơi xuống dưới thì cần phải có tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ tới hạn

Ta chọn n= 50 vg/ph Khi thùng rang quay đồng thời xảy ra 2 quá trình đảo trộn và gia nhiệt cho hạt cà phê Nếu quay lớn hơn thì sản phẩm sẽ không được đảo trộn và dễ gây cháy

Công suất cần thiết đối với thùng rang làm việc liên tục gồm công suất cần thiết để đảo trộn sản phẩm, công suất đối với các cánh nâng, cánh xoắn và công suất thắng lực ma sát ở các ổ đỡ :

𝑃 = 𝑃1 + 𝑃2 + 𝑃3 + 𝑃4 (3.20)

Công suất cần thiết để nâng sản phẩm trong thùng cao hơn góc rơi tự nhiên đến khi

đổ sản phẩm xuống ( đảo trộn) được xác định [1, XI.19, trang 231]:

𝑃1 = 𝐺𝑠𝑝 𝑝.𝑠𝑖𝑛𝜑𝜔

1000 𝑘𝑊 (3.21)

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY

``

Trong đó : 𝐺𝑠𝑝- trọng lực sản phẩm trong thùng , 𝐺𝑠𝑝 = 25.10 = 250 𝑁

𝜔 - tốc độ quay của thùng , 𝜔 = 50 𝜋/60 = 2,62 rad/s

p- khoảng cách từ đường trục quay của thùng đến trọng tâm sản phẩm

𝜑- góc quay do vecto bán kính 𝑝 với trục đối xứng thẳng đứng tạo thành

Hình 3.3: Sơ đồ tính toán dùng xác định công suất cần

𝑃1 =250.0,13.2,62

1000 = 0,09 𝑘𝑊 (3.24) Công suất cần thiết đối với cánh nâng nằm ngang được xác định [1, XI.49, trang 239]

𝑃2 = 𝐸𝑛 𝑣

1000 𝑧𝑛 𝑘𝑊 (3.25) Trong đó :

E- lực cản của sản phẩm lên cánh nâng nhúng chìm trong sản phẩm

Khi cánh nằm ngang chuyển động trong sản phẩm thì đối với nó phải khắc phục trọng lực và ma sát trong của sản phẩm, theo [1, XI.50, trang 239]

𝐸𝑛 = f γ 𝑕𝑡𝑕 tg2 450 +𝛼𝑛

2 (3.27) Trong đó:

𝑓- diện tích phần có cánh , 𝑓 = 0,156.0,035 = 0,00546 𝑚2

𝛾- trọng lượng thể tích của sản phẩm , 𝛾 = 5000𝑁/𝑚3

góc nâng 𝛼𝑛 = 300

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY

𝑃3 = 𝐸𝑐 𝑣

1000 𝑧𝑐 𝑘𝑊 (3.30) Trong đó:

𝑃4 = 𝐺𝑡𝑕 + 𝐺𝑠𝑝 𝑓 𝑟 𝜔

1000 (𝑘𝑊) (3.33) Trong đó:

Gth : trọng lượng thùng rang không có sản phẩm, N

Để tính đến những trở lực khó thấy trước , bất ngờ có thể xảy ra thì tốt nhất là tăng

công suất tính toán P thêm 15 – 20 %

Vậy 𝑃𝑡𝑡 = 1,2 𝑃 = 1,2 0,35 = 0,42 𝑘𝑊 (3.37) Theo phần mềm tính toán online Cat4CAD của hãng Watt Drive

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY

``

Hình 3.4: Phần mềm tính toán online Cat4CAD

Ta chọn được động cơ có kí hiệu H50S 70 91S6 có tốc độ quay là 945 vòng phút, công suất động cơ là 0,75 kW, hộp giảm tốc đi kèm có tỉ số truyền là 19,05, số vòng quay trục ra là 50 vòng phút, dùng điện một pha 220VAC tần số 50(Hz)

Hình 3.5: Động cơ giảm tốc Watt Drive Model HU 50S 70 91S6

``

Hình 3.6: Kích thước động cơ giảm tốc Watt Drive Model HU 50S 70 91S6

30 76

154 108

360

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY

``

3.2.2 Xác định công suất động cơ cho khay làm nguội

Công suất của động cơ khay nguội gồm công suất để thắng lực cản do các cánh đảo tạo ra và công suất để quay trục

n - tốc độ quay của khay nguội, n =40 vg/ph

E - lực cản của sản phẩm lên cánh đảo nhúng chìm trong sản phẩm

𝑓 - diện tích của cánh đảo:

𝑓 = 0,12 + 0,14 + 0,17 + 0,11 + 0,46 0,03 = 0,03 𝑚2

𝛾 - trọng lượng thể tích của sản phẩm 𝛾 = 5000 𝑁/𝑚3

𝑃𝑐đ =0,03.5000 𝜋 0,8.40

1000.60 = 0,25 𝑘𝑊 (3.39) Công suất để quay trục:

𝑃𝑞𝑡 = 𝑃 𝑣

1000=

𝐺𝑡 𝜋 𝑛 𝑅1000.30 𝑘𝑊 (3.40) Trong đó:

𝑃 = 𝑃𝑐đ+ 𝑃𝑞𝑡

𝜂 (3.42) Với  = 0,85

Suy ra

P =0,25 + 0,028

0,85 = 0,33 𝑘𝑊 (3.43)