Nghiên cứu xác định các thông số cơ bản ảnh hưởng tới quá trình tụt liệu tháo liệu đối với vật liệu sắn cục trong hệ thống sấy tháp dạng kênh

Bài viết giới thiệu kết quả nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm trên mô hình thực nghiệm, xác định các thông số chính ảnh hưởng tới khả năng “tụt” liệu trong tháp sấy kênh dòng thẳng.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH TỤT LIỆU/THÁO LIỆU ĐỐI VỚI VẬT LIỆU SẮN CỤC TRONG HỆ THỐNG SẤY THÁP DẠNG KÊNH Nguyễn Tuấn Anh1*, Lê Minh Lư2, Nguyễn Đình Tùng3 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khảo nghiệm mơ hình thực nghiệm, xác định thơng số ảnh hưởng tới khả “tụt” liệu tháp sấy kênh dòng thẳng Vật liệu khảo sát sắn cục, kích thước ÷ cm với thay đổi hàm ẩm khác nhau: 60% (độ ẩm sắn tươi trạng thái tự nhiên vài ngày sau thu hoạch); 50%, 40%, 30%, 20%, 13,5% (độ ẩm sản phẩm sắn sau sấy) tới khả “tụt” liệu Qua xác định thời gian khả “tụt”/”chảy” liệu Kết cho thấy khả “tụt” liệu tốt nhất, chế độ với thông số hàm ẩm nhỏ 20% tương ứng với thời gian “tụt” liệu tt = 2,45 s tốc độ “tụt” liệu vt = 0,449 (m/s) Từ khóa: Tốc độ tụt liệu; khả tụt liệu; sắn cục; sấy tháp dòng liên tục dạng kênh Study to determining main parameters affected to slipping and uploading process of cassava morsel in continuous cross-flow particle dryer Abstract: The paper shows the results of research, design, fabrication and experimentation on the experimental model, identified the main parameters that affect upon the ability of sliding and unloading process of material in continuous cross-flow grain/particle dryer The material investigation was cassava particle/ cassava morsel which has size of ca ÷ cm and at different moisture content level: 60% (moisture from to days after harvest); 50%, 40%, 30%, 20%, 13.5% (moisture preservation/material moisture after drying) The results show the best "slipping process" was at ca 20% moisture content of material which was corresponding to a slipping duration of tt = 2.45 s and a sliding velocity of vt = 0.449 (m/s) Keywords: Slipping velocity; ability of sliding; cassava particle; continuous cross-flow particle dryer Nhận ngày 10/5/2017; sửa xong 14/6/2017; chấp nhận đăng 23/6/2017 Received: May 10, 2017; revised: June 14, 2017; accepted: June 23, 2017 Đặt vấn đề Sắn lương thực quan trọng phát triển kinh tế nước phát triển Những năm gần sản lượng sắn giới đạt khoảng 288,9 ÷ 300 triệu Riêng Việt Nam sắn trồng nhiều tỉnh thành nước, tổng diện tích trồng lên tới 566,5 nghìn ha, với suất bình quân 18,84 tấn/ha, cho sản lượng đạt 10,67 triệu (số liệu năm 2015) có tăng “nhẹ” lên năm 2016 [1,2] Sản phẩm sắn sử dụng để chế biến tinh bột, chế biến thành sắn khô (làm nguyên liệu chế biến thức ăn chăn nuôi, chế biến thành Ethanol) Việc chế biến sắn khô Việt Nam dùng phương pháp phơi khô tự nhiên ánh nắng mặt trời và/hoặc sấy vỉ ngang Các phương pháp cho sản phẩm có chất lượng khơng cao suất nhỏ Khi nhu cầu cần lượng lớn sắn khô để phục vụ ngành công nghiệp chế biến khác, cần phải có phương pháp nguyên lý sấy đáp ứng yêu cầu suất cao, sản phẩm có chất lượng tốt, đồng Ở với nguyên liệu sắn củ tươi sau băm thành cục, hợp lý phương pháp sấy dạng tháp có kênh dẫn dòng tác nhân sấy dòng thải ẩm Vấn đề đặt sấy sắn cục tươi có độ ẩm cao, kích thước lớn, có nhựa tiết cắt thái khả dính bám vào lớn, khả “tụt liệu” khó Bởi cần tìm giải pháp để sử dụng sấy tháp mà đảm bảo khả “tụt liệu” không bị bết dính q trình sấy Đây “ẩn số” phải tìm mục tiêu báo cần nghiên cứu để tìm yếu tố ảnh hưởng Do xây dựng mơ hình thí nghiệm để xác định “khả tụt” nguyên liệu điều kiện chịu ảnh hưởng bởi: kích thước hạt/cục, độ bám dính, độ nén độ ẩm nguyên liệu Sự ảnh hưởng yếu tố phụ thuộc nhiều vào ThS, Khoa Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam TS, Khoa Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam PGS.TS, Viện Nghiên cứu Thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp, Bộ Cơng Thương *Tác giả E-mail: tuananh.riam@gmail.com 172 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG kích thước hình học kênh tháp sấy Để có kết tin cậy cho lời giải nói trên, việc thiết lập mơ hình theo trạng thái “hạt cứng tiếp xúc mềm” cho ta kết xác Với mơ hình “hạt cứng tiếp xúc mềm” mơ tả điều kiện chảy dòng ngun liệu liên tục (bắt đầu, chảy bình ổn làm chặt) sở học Nhờ biểu diễn giải tích tính chất chảy vật liệu xác định mức nén riêng Dựa kết đánh giá quan hệ tính chất tiếp xúc mềm khả chảy sở vật lý kiện Nhờ mơ hình mơ tả đầy đủ hàm số đáp ứng trạng thái chảy, q trình lưu chuyển cắt giãn dòng vật liệu Chi tiết vấn đề trình bày phần sau Vật liệu, phương pháp, thiết bị đo thiết bị nghiên cứu 2.1 Vật liệu Vật liệu nghiên cứu sắn cục (Hình 1) Sắn cục sắn củ tươi sau thu hoạch khoảng đến ngày băm, chặt thành khúc, cục có kích thước từ ÷ 5cm Với độ ẩm vật liệu làm thí nghiệm xác định độ ẩm 60% (độ ẩm sắn tươi trạng thái tự nhiên vài ngày sau thu hoạch); 50%, 40%, 30%, 20%, 13,5% (độ ẩm sản phẩm sắn sau sấy) 2.2 Phương pháp nghiên cứu, thiết bị đo, thiết bị nghiên cứu Hình Vật liệu thí nghiệm sắn cục Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp thực nghiệm mơ hình thí nghiệm để xác định độ tụt, tự chảy vật liệu Dựa vào phương pháp thực nghiệm lý thuyết để xác định kích thước hình học mơ hình thí nghiệm thông số ảnh hưởng Về thiết bị đo thí nghiệm gồm có cân, đồng hồ thị sử dụng để cân khối lượng nguyên liệu nạp vào thiết bị, đồng hồ bấm dùng để đo thời gian vật liệu bắt đầu xả cho tời Hình Ngun lý mơ hình thí nghiệm kết thúc Máy đo độ ẩm PA 400 sử dụng để đo độ ẩm (trái); Mơ hình Pilot thí nghiệm (phải): nguyên liệu sắn cục chế độ thí nghiệm khác Nguyên liệu vào; Vỏ thiết bị; Kênh cấp Đối với thiết bị nghiên cứu để xác định khả tụt liệu, tác nhân sấy; Kênh thải ẩm; Cửa xả liệu khả tự chảy dòng vật liệu đánh giá khả “dắng” (dắng - xả liệu hạt khơng rời rạc mà liên kết/dính với tạo thành mảng làm tắc nghẽn cản trở dòng chảy), nén, “lèn” dòng vật liệu trình bày Hình Với nguyên lý Hình 2, nguyên liệu cấp vào theo hướng từ xuống dưới, sau di chuyển trượt bề mặt kênh theo hướng từ xuống nguyên liệu điền đầy từ đáy tháp lên đỉnh Trong q trình nạp liệu, ngun liệu có bám dính vào có nén lớp nguyên liệu lên bề mặt kênh tạo thành “khối” nguyên liệu bên “khoang rỗng” chứa liệu Sau nạp đầy nguyên liệu ta mở cửa xả đáy cho ngun liệu ngồi Dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian nguyên liệu bắt đầu xả ngun liệu hết ngồi, qua đánh giá khả “tụt” nguyên liệu xem có xả hết hay khơng, hay “đọng” lại bên tháp, từ xác định thời gian tụt nguyên liệu khối lượng nguyên liệu thoát (xả ra) Vật liệu thí nghiệm sắn cục với độ ẩm khác nhau, ứng với giá trị độ ẩm khác mức độ nén, dắng vật liệu lên bề mặt kênh bên thân tháp khác Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Kết tính tốn, thiết kế, chế tạo mơ hình thiết bị Khi tính tốn có nhiều thơng số cần tìm mà thông số liên quan tới khả tụt tự chảy nguyên liệu sắn cục Khả phụ thuộc nhiều yếu tố kết cấu kênh, mà kết cấu kênh liên quan tới chiều cao, góc nghiêng kênh, khe hở kênh, khoảng cách bước kênh hàng kênh Hơn phụ thuộc vào kích thước cục sắn độ ẩm sắn Mặt khác cần tìm yếu tố ảnh hưởng lại xác định góc nghiêng kênh hợp lý, chiều cao kênh, chúng liên quan trực tiếp tới thành phần lực tác dụng lên mặt kênh Trình bày tóm lược thành phần lực nguyên TẬP 11 SỐ 07 - 2017 173 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG liệu sắn cục (ở xét cục sắn khối lượng) tác động lên bề mặt kênh sấy Hình Qua Hình phân tích thành phần lực FN lực pháp tuyến, FT lực tiếp tuyến, P lực trọng trường, FR lực ma sát, α góc nghiêng kênh Để tính hệ số ma sát trượt (Hình 3) tìm góc α cho cục sắn bắt đầu trượt gọi φw góc ma sát Mặt khác góc trượt kênh θ tính theo θ = 90 − α góc đỉnh kênh θdk tính θdk = 2.θ Hình Mơ hình tính tốn thành phần lực cục sắn nằm kênh [3-5] Hình Sơ đồ xác định chiều cao khoảng cách hai kênh [3-5] Để cân động lực học theo trục x, y Hình biểu diễn hệ sau: (1) (2) Từ phương trình (1) (2) tính được: Khi: (3) (4) (5) (6) đó: mb khối lượng hạt vật liệu kg; g gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2); FA lực bám dính sắn cục với mặt kênh; μw lệ số ma sát tĩnh Thay (6) vào (3) ta được: (7) (8) Chia vế cho mb ta gia tốc vật: Mặt khác thời gian vật liệu trượt mặt nghiêng xác định theo công thức: dt = dx/v; (9) Cho v biến thiên từ v = tới v x biến thiên từ x = x ta có: (10) Lượng nguyên liệu nạp vào bên đến mức độ định tạo nên độ nén (độ lèn) dễ dẫn đến tình trạng ngun liệu bị “dắng” chặt khó khăn cho việc dịch chuyển, chí khơng “tụt” liệu Do cần phải xác định chiều cao, khoảng cách kênh dựa góc nghiêng (góc trượt kênh) Dựa Hình ta có sở để xác định thơng số theo góc trượt kênh 174 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 hay tính tốn theo Trong đó: D khoảng cách hai kênh liên tiếp; b khoảng cách KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG hai đáy kênh liên tiếp; HT chiều cao từ mặt nghiêng tới đỉnh kênh Ở α = 90−θ, , xem Hình Thay vào (10) ta được: (11) Có thể thấy khi: FA = tốc độ trượt cục sắn phụ thuộc vào góc nghiêng α góc ma sát φw sắn chuyển động hay dịch chuyển α > φw tốc độ trượt v > Biến đổi công thức thu được: Để cục sắn trượt v = 0; v > có: Mặt khác qua Hình cho thấy khoảng cách hai kênh lớn “độ tụt” nguyên liệu dễ dàng Nhưng phải tính tốn cho có số lượng kênh nhiều hàng hay ta cần phải có khoảng cách nhỏ nhất/khoảng cách tối ưu (như Hình 5) hai kênh liên tiếp để tăng sức chứa nguyên liệu (năng suất lớn có thể), đảm bảo cho nguyên liệu tụt chảy tốt Từ kết nghiên cứu thực nghiệm mơ hình Pilot khả tự chảy vật liệu cho thấy, thực tế áp lực khối vật liệu nén lên hai bề mặt kênh sấy tương đối lớn, vùng chịu ảnh hưởng áp lực mơ tả vắn tắt Hình Hình Xác định khoảng cách tối thiểu bmin hai kênh sấy dựa hình dạng vật liệu [3-5] Hình Biểu đồ phân bố áp lực khối vật liệu nén lên hai bên bề mặt kênh sấy [3-5] Đối với sắn tươi băm thành cục có hình dạng (form) đa dạng khác nhau, nhiên nghiên cứu tác giả [3-5] khái quát hóa để tương đương ba dạng sau: + Đối với hạt vật liệu có hình dạng cầu (hoặc tương đương) đó: (12) + Đối với hạt vật liệu có hình dạng vng (hoặc tương đương) đó: + Đối với hạt vật liệu có hình dạng chữ nhật (hoặc tương đương) đó: (13) (14) đó: d0 độ lớn hạt; k hệ số phụ thuộc hình dạng, k = 0,6…1,4 Khi tháp chứa đầy nguyên liệu phân bố áp lực khối vật liệu nén lên hai bên bề mặt kênh khái qt hóa Hình 6, việc xác định khoảng cách tối thiểu bmin cho “khối” vật liệu chảy được/lưu thơng khoảng chứa vật liệu quan trọng máy sấy kiểu tháp có kênh dẫn, sở cho việc phá vỡ liên kết “vòm” khối vật liệu với bề mặt kênh sấy Theo kết nghiên cứu khả tự chảy vật liệu tác giả [3-5] cho thấy để vật liệu tự chảy mặt nghiêng (với góc α đó) cần xác định khoảng cách tối thiểu bmin Hình Hình để vật liệu “lọt qua” Cơ sở để xác định khoảng cách bmin dựa đặc tính hình dạng vật liệu cần di chuyển Cụ thể xác định giá trị dựa phương trình thực nghiệm (12 ÷ 14) Để tính phụ thuộc vào góc ma sát góc mặt kênh sấy khoảng cách tối thiểu hai kênh xác định theo phương trình sau: đó: (15) (16) TẬP 11 SỐ 07 - 2017 175 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG Và: Thay vào (16) ta được: (17) Từ kết nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với tính tốn dựa phương trình nêu trên, tác giả đưa thông số kích thước hình học kênh sấy, tháp sấy mơ hình thí nghiệm Pilot Bảng Đồng thời thiết kế, chế tạo đưa thiết bị Pilot sử dụng cho nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định “độ tụt”/khả chảy (khả lưu thơng) dòng ngun liệu, xác định thời gian “tụt”/xả hết liệu, kết thể Bảng đồ thị Hình Bảng Các thơng số kích thước hình học kênh sấy, tháp sấy từ mơ hình Pilot STT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Thứ nguyên D 350 mm Khoảng cách đỉnh hai kênh liên tiếp Khoảng cách tối thiểu đáy hai kênh liên tiếp bmin 185 mm Chiều cao mặt nghiêng trượt kênh HT 165 mm Góc đỉnh kênh θdk = 2.θ 53 độ (o) Kích thước bao mơ hình (dài, rộng, cao) H, W, L 2200; 1170; 1750 mm Số hàng kênh cung cấp tác nhân sấy thải ẩm zs 2; Thể tích phần chứa nguyên liệu Vc 1,5 m3 3.2 Kết thí nghiệm ảnh hưởng độ ẩm nguyên liệu tới khả tụt nguyên liệu Khả tụt ngun liệu ngồi việc phụ thuộc vào hình dạng (form), kích thước phụ thuộc nhiều vào độ ẩm, kích thước hình học kênh sấy, kênh ẩm (kênh), khe hở kênh Trong thí nghiệm kích thước sắn cục từ ÷ cm, hình dạng kênh khe hở kênh trình bày trên, thơng số thay đổi thí nghiệm độ ẩm nguyên liệu sắn cục với giá trị 60% (độ ẩm sắn tươi trạng thái tự nhiên vài ngày sau thu hoạch), 50%, 40%, 30%, 20%, 13,5% (độ ẩm sản phẩm sắn sau sấy) Các giá trị thí nghiệm thu trình bày Bảng Bảng Kết thực nghiệm ảnh hưởng độ ẩm nguyên liệu tới độ “tụt”/khả tụt liệu Số TN Khối lượng nạp vào (kg) Độ ẩm sắn cục cần thí nghiệm (%) Độ ẩm sắn cục đo thực tế thí nghiệm (%) Thời gian chảy (s) Tốc độ chảy (m/s) Khối lượng mắc lại (kg) Ghi 936,2 60 59,1 3,10 0,355 Liệu tụt hết không dắng 929,1 50 50,7 3,18 0,346 Liệu tụt hết không dắng 920,5 40 41,2 2,97 0,370 Liệu tụt hết không dắng 902,0 30 29,8 2,58 0,426 Liệu tụt hết không dắng 893,4 20 19,7 2,45 0,449 Liệu tụt hết không dắng 872.1 13,5 13,5 2,87 0,383 Liệu tụt hết không dắng Từ số liệu Bảng ta xây dựng đồ thị Hình cho thấy, với khối lượng nguyên liệu nạp vào thí nghiệm (gồm thí nghiệm) tương đối (coi chênh lệch khơng nhiều), ứng với thí nghiệm từ số (độ ẩm 60%), tới thí nghiệm số (độ ẩm 13,5%) thời gian “tụt” liệu giảm dần cách rõ rệt, tương ứng với tốc độ “tụt” liệu tăng dần Cụ thể nhìn đồ thị Hình cho thấy quy luật diễn biến kết trình thí nghiệm “quy luật” Nhận xét: Khi độ ẩm sắn cục cao tốc độ thời gian tụt nguyên liệu có thay đổi không lớn, điều cho thấy nguyên liệu ẩm có dính bề mặt ngun liệu với nguyên liệu (nội ma sát), ma sát sắn cục với bề mặt kênh (ngoại ma sát) lớn Khi độ ẩm giảm dần tốc độ tụt nguyên liệu tăng lên thời gian tụt nguyên liêu giảm đi, điều cho thấy khả tụt ngun liệu tăng lên Khí ma sát nguyên liệu nguyên liệu (nội ma sát) hay nguyên 176 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG Hình Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng độ ẩm tới khả “tụt” tốc độ “tụt” nguyên liệu liệu mặt kênh (ngoại ma sát) giảm Tốc độ tụt tốt độ ẩm w = 19,7% cho thời gian tụt tt = 2,45s tốc độ tụt đạt vt = 0,449 m/s Đến giá trị độ ẩm (ví dụ thí nghiệm số với độ ẩm 13,5 %) ta thấy thời gian tụt nguyên liệu lại tăng lên tốc độ tụt nguyên liệu giảm (tuy nhiên giá trị khơng lớn) Điều lý giải ngun liệu khơ chúng có độ co ngót hình dạng (form) lượng nước ngun liệu bay hơi, trọng lượng cục sắn lúc giảm đi, dẫn tới “mật độ” chung giảm, nên lực trọng trường vật lúc nhỏ (nhỏ nhất) so với trạng thái thí nghiệm khác Đây “nguy cơ” dễ tạo dắng kênh Kết Luận Đã xây dựng (tính tốn, thiết kế, chế tạo) mơ hình thiết bị thí nghiệm Pilot đảm bảo tốt cho q trình thí nghiệm sở khoa học cho thiết kế, chế tạo thiết bị hoàn chỉnh quy mô công nghiệp sau Xác định thơng số hình học khe hở tối thiểu hai kênh liên tiếp bmin = 185 mm kích thước mặt cắt kênh có chiều cao trượt HT = 165 mm, góc đỉnh kênh θdk = 53o khoảng cách hai kênh liên tiếp D = 350 mm Với độ ẩm vật liệu sắn cục từ 60% (độ ẩm sắn tươi trạng thái tự nhiên vài ngày sau thu hoạch) đến 13,5% (độ ẩm sản phẩm sắn sau sấy) xác định tốc độ tụt liệu tốt liệu tốt độ ẩm khoảng < 20% ứng với thời gian tụt liệu tt = 2,45 s có tốc độ tụt đạt vt = 0,449 m/s Tài liệu tham khảo Tổng cục thống kê (2014), Niên gián thống kê, NXB Thống kê, Hà Nội Tổng cục thống kê (2015), Niên gián thống kê, NXB Thống kê, Hà Nội Tomas J (2013), Mechanische Verfahrenstechnik, Vorlesung, Universität Magdegburg, Deutschland Nguyễn Đình Tùng, cs (2015), “Nghiên cứu sấy lạc máy sấy dòng cắt nhau”, Tạp chí Cơng nghiệp Nơng thơn, (20):8-12 Tomas J (2015), Mechanische Verfahrenstechnik, Vorlesung, Universität Magdegburg, Deutschland TẬP 11 SỐ 07 - 2017 177 ... liệu sắn cục chế độ thí nghiệm khác Nguyên liệu vào; Vỏ thiết bị; Kênh cấp Đối với thiết bị nghiên cứu để xác định khả tụt liệu, tác nhân sấy; Kênh thải ẩm; Cửa xả liệu khả tự chảy dòng vật liệu. .. hình học kênh sấy, kênh ẩm (kênh) , khe hở kênh Trong thí nghiệm kích thước sắn cục từ ÷ cm, hình dạng kênh khe hở kênh trình bày trên, thơng số thay đổi thí nghiệm độ ẩm nguyên liệu sắn cục với giá... khái quát hóa để tương đương ba dạng sau: + Đối với hạt vật liệu có hình dạng cầu (hoặc tương đương) đó: (12) + Đối với hạt vật liệu có hình dạng vng (hoặc tương đương) đó: + Đối với hạt vật liệu