Nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số hoạt động của máy như lượng cấp liệu, vận tốc của đầu búa, khe hở giữa đầu búa và buồng nghiền đến chất lượng bột nghiền và mức tiêu thụ điện năng riêng. Mối quan hệ giữa các thông số đã được xây dựng bằng các mô hình toán thông qua các số liệu thực nghiệm.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 71 THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ KHẢO NGHIỆM MÁY NGHIỀN BÃ HÈM BIA DESIGNING, MANUFACTURING AND TESTING A BREWERS GRAINS MILLER Lê Anh Đức1, Trương Văn Rảnh2 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh, Việt Nam Trường Cao đẳng Bến Tre, Việt Nam Ngày tòa soạn nhận 13/4/2020, ngày phản biện đánh giá 18/5/2020, ngày chấp nhận đăng 9/7/2020 TÓM TẮT Nghiên cứu thực nhằm thiết kế, chế tạo khảo nghiệm máy nghiền bã hèm bia làm thức ăn chăn ni Kết tính tốn thiết kế xác định thông số cấu tạo máy nghiền bã hèm bia kiểu búa nằm ngang Máy nghiền chế tạo với suất 20 g/h Vật liệu nghiền bã hèm có ẩm độ 10 ± 1% Yêu cầu độ nhỏ bột nghiền 0,2 – 0,8 mm Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành nhằm đánh giá ảnh hưởng thông số hoạt động máy lượng cấp liệu, vận tốc đầu búa, khe hở đầu búa buồng nghiền đến chất lượng bột nghiền mức tiêu thụ điện riêng Mối quan hệ thông số xây dựng mơ hình tốn thơng qua số liệu thực nghiệm Từ khóa: Máy nghiền; bã hèm bia; bột nghiền; chất lượng bột nghiền; tiêu thụ điện riêng ABSTRACT The study aims to design, manufacture and test a brewers grains miller for animal feed Design and calculation results have identified structural parameters of the horizontal hammer mill for brewer grains milling The miller has been manufactured with capacity 20 kg/h The milling material is brewer grains with moisture content of 10 ± 1% The required fineness of milling powder is from 0.2 to 0.8 mm Experimental studies have been conducted to evaluate the effects of operating parameters of the miller to powdered quality and specific energy consumption, namely, amount of feed, speed of hammer mill, clearance between hammers mill and milling chamber The relationship of the parameters was built by mathematical models through experimental data Keywords: Miller; brewer grains; milled powder; powdered quality; specific energy consumption ĐẶT VẤN ĐỀ Bã hèm bia sản phẩm tách sau lên men bia nhà máy sản xuất bia Phần nước sử dụng để làm bia Phần bã lại chứa chất dinh dưỡng, chất men xác vi sinh vật Hàm lượng khoáng, vitamin (chủ yếu vitamin nhóm B) đặc biệt hàm lượng đạm bã hèm bia cao Do đó, bã hèm bia coi loại thức ăn bổ sung đạm chăn nuôi gia súc, gia cầm thủy sản Hơn nữa, thành phần xơ bã hèm bia dễ tiêu hóa nên có tác dụng kích thích vi sinh vật phân giải xơ cỏ phát triển Ngoài ra, bã hèm bia cịn chứa sản phẩm lên men có tác dụng kích thích tính ngon miệng kích thích tiết sữa tốt Chính thế, bã hèm bia ngày sử dụng rộng rãi chăn ni bị sữa, heo, gà,… Bã hèm bia có hai loại bã hèm bia tươi bã hèm bia khô sau phơi nắng sấy khô Bã hèm bia tươi dễ bị phân giải làm dinh dưỡng tăng độ chua, cho gia súc ăn vòng 48 Bã hèm bia sau phơi nắng sấy khơ bảo quản lâu Tuy nhiên cịn có nhược điểm khó tiêu hố dày gia súc, gia cầm Qua tìm hiểu biết Việt Nam chưa có cơng trình nghiên cứu kỹ thuật nghiền bã hèm bia Bã hèm bia chủ yếu 72 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh sử dụng dạng thô, cho vật nuôi ăn trực tiếp Các loại bột bã hèm bia có thị trường nhập từ nước bã hèm bia Mặc dù vậy, việc tính tốn thiết kế cho loại máy nghiền thức ăn chăn ni có yêu cầu riêng biệt [6] Tại Việt Nam nước phát triển, có nhiều nhà máy, sở chế biến thức ăn chăn nuôi quy mô nhỏ nhằm đáp ứng cho việc chế biến thức ăn chăn ni cho địa phương [1], [2], việc nghiên cứu máy chế biến thức ăn đáp ứng quy mô cần thiết thay cho loại máy quy mô công nghiệp nhập Trên sở lý thuyết tính tốn máy nghiền búa liệu thiết kế để tính tốn thơng số hình học, động học cho máy thiết kế Bộ phận truyền động chi tiết khác tính tốn theo chi tiết máy truyền động khí [7] Để tăng độ trộn q trình phối trộn với loại thức ăn chăn nuôi, để thức ăn dễ tiêu hóa dày gia súc, gia cầm nhằm cung cấp đầy đủ dinh dưỡng lượng cần thiết cho gia súc, gia cầm loại thức ăn cần nghiền thành bột nhỏ [3],[4],[5] Các máy nghiền sử dụng nước để nghiền bã hèm bia bao gồm loại máy nghiền theo nguyên lý cắt nghiền lưỡi dao, máy xay nghiền kiểu đĩa, máy nghiền dạng cặp trục Các loại máy nghiền có nhược điểm độ đồng kích thước bột nghiền thấp, để bột đạt yêu cầu cần qua sàng phân loại nghiền lại lần hai Trên giới, máy nghiền dạng búa trục đứng sử dụng, nhiên loại có chi phí đầu tư cao Trên sở đó, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo khảo nghiệm xác định khả làm việc máy nghiền bã hèm bia có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học giá trị thực tiễn nhằm đáp ứng nhu cầu chăn nuôi VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiền Vật liệu nghiền bã hèm bia, sản phẩm tách sau lên men bia Trước đưa vào nghiền bã hèm bia làm khô đến ẩm độ 10 ± 1% 2.2 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tính tốn thiết kế: dựa vào lý thuyết tính tốn máy nghiền thức ăn gia súc cho q trình tính tốn máy nghiền nghiên cứu Các liệu thiết kế bao gồm thông số công nghệ tính chất cơ, lý Phương pháp chế tạo: máy chế tạo đơn theo chi tiết vẽ thiết kế Đối với cụm chi tiết vỏ hộp khung chế tạo phương pháp hàn ghép định hình chi tiết theo kích thước vẽ, vị trí lắp ghép cần độ xác đảm bảo yêu cầu kỹ thuật Đối với cụm chi tiết trục, moay-ơ, có số vịng quay nhanh trục máy, roto lắp búa gia công theo phương pháp cắt gọt theo hình dạng, dung sai, độ bóng bề mặt theo yêu cầu công nghệ lắp ghép yêu cầu nguyên lý làm việc Các chi tiết dùng chung thuộc chi tiết đặt hàng hợp tác hay mua thị trường như: puli, dây đai, ổ bi, bulông - đai ốc loại Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: sử dụng dụng cụ chuyên dùng để đo trực tiếp thông số đo khối lượng, đo số vịng quay, đo điện nănmép ngồi đĩa (m) Vậy đường kính đĩa lắp búa 240 mm Số lượng búa tính theo cơng thức: z (L L) kz (6) Trong đó: L chiều rộng cụm roto-búa nghiền, L= 100 mm chiều dày búa nghiền, = mm L tổng chiều dày đĩa lắp chốt treo búa Số lượng búa nghiền tính 24 búa Vận tốc búa nghiền 40 m/s Lưới sàng: bố trí trước cửa tháo liệu, chế tạo thép dập thành lưới dạng lỗ có cấu tạo theo kiểu đan xen với bề dày 1,5 mm kích thước lỗ sàng 0,8 mm Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 75 3.2 Kết khảo nghiệm Trên sở tính tốn thơng số làm việc cho máy nghiền bã hèm bia xác định, nghiên cứu tiến hành khảo nghiệm sơ chế độ làm việc khác nhằm có đánh giá xác thơng qua khảo nghiệm so sánh kết khảo nghiệm thực tế với kết lý thuyết tìm Hình Cấu tạo cụm rôto - búa- buồng nghiền Lưới sàng, trục lắp búa, Trục roto, Đĩa lắp búa, Búa nghiền Nguồn truyền động máy nghiền thiết kế động điện pha công suất 2,2 kW, số vòng quay động 2.800 vòng/phút, điều khiển biến tần thay đổi tần số từ - 50 Hz để thay đổi số vịng quay rơ to Quạt nhận truyền động từ động điện thông qua cụm roto búa nghiền với số vòng quay với số vòng quay roto Cơng suất quạt 0,55 kW Từ kết tính toán vẽ thiết kế, máy nghiền bã hèm bia chế tạo lắp ráp hoàn chỉnh hình Đối với máy nghiền búa, chất lượng bột nghiền (độ đồng độ nhỏ bột bã hèm bia sau nghiền) mức tiêu thụ điện riêng cho trình nghiền hai tiêu kinh tế kỹ thuật quan trọng cần xác định Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hai tiêu này, nhiên yếu tố có ảnh hưởng bao gồm vận tốc búa nghiền, lượng cấp liệu, khe hở búa buồng nghiền Giá trị các yếu tố tăng hay giảm có ảnh hướng nhiều đến chất lượng bột nghiền mức tiêu thụ điện riêng cho trình nghiền 3.2.1 Kết nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc búa đến chất lượng bột nghiền mức tiêu thụ điện riêng Để thay đổi vận tốc dài búa nghiền biến tần Senlan SB 70 Cho vận tốc đầu búa thay đổi mức, v = 35 - 40 - 45 m/s, lượng cung cấp khe hở đầu búa giữ cố định mức sở q = 20 kg/h e = mm Kết trình bày bảng Bảng Kết khảo nghiệm xác định Cb Se thay đổi v Stt v (m/s) Cb (%) Se (kWh/kg) 35 73,7 c 0,104 a 40 78,1 b 0,129 b 45 83,4 a 0,145 c Các ký hiệu khác cột biểu thị sai khác có ý nghĩa (p < 0,05) Hình Máy nghiền bã hèm bia chế tạo hoàn chỉnh Kết xử lý số liệu theo phương pháp LSD (Least Significant Difference - Giới hạn sai khác nhỏ nhất) cho thấy vận tốc đầu búa thực ảnh hưởng đến tiêu nghiên cứu Từ xác định mối quan hệ thông số vận tốc búa, chất lượng 76 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh bột nghiền mức tiêu thụ điện riêng (hình 5) 3.2.2 Kết nghiên cứu ảnh hưởng lượng cấp liệu đến chất lượng bột nghiền mức tiêu thụ điện riêng Cho lượng cung cấp thay đổi mức, q = 17 - 20 - 23 kg/h, vận tốc đầu búa khe hở đầu búa giữ cố định mức sở v = 40 m/s e = mm Kết trình bày bảng Bảng Kết khảo nghiệm xác định Cb Se thay đổi q Hình Ảnh hưởng vận tốc búa đến chất lượng bột nghiền Ảnh hưởng vận tốc búa nghiền đến chất lượng bột nghiền biểu diễn phương trình (7) Cb = 68,1 – 0,47.v + 0,018.v2 (7) Vận tốc búa nghiền v thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bột nghiền Khi tăng dần v từ 35 – 45 m/s chất lượng bột nghiền Cb tăng lực va đập lớn Stt q (kg/h) Cb (%) Se (kWh/kg) 17 81,6 a 0,152 c 20 78,3 b 0,134 b 23 73,7 c 0,112 a Các ký hiệu khác cột biểu thị sai khác có ý nghĩa (p < 0,05) Kết xử lý số liệu theo phương pháp LSD cho thấy lượng cung cấp có ảnh hưởng đến tiêu nghiên cứu hình Hình Ảnh hưởng vận tốc búa đến mức tiêu thụ điện riêng Hình Ảnh hưởng lượng cấp liệu đến chất lượng bột nghiền Ảnh hưởng vận tốc búa nghiền đến mức tiêu thụ điện riêng biểu diễn phương trình (8) Ảnh hưởng lượng cấp liệu đến chất lượng bột nghiền biểu diễn phương trình (9) Se = –0,323 + 0,0185.v – 0,0002.v2 Cb = 75,7444 + 1,5722.q – 0,0722.q2 (8) Vận tốc búa nghiền v tăng từ 35 – 40 m/s mức tiêu thụ điện riêng Se tăng, Tiếp tục tăng v cao lên 40 m/s Se có xu hướng tăng chậm lại (9) Khi tăng lượng cấp liệu q từ 17 – 20 kg/h chất lượng bột nghiền Cb có giảm không nhiều, tiếp tục tăng q từ 20 – 23 kg/h Cb có dấu hiệu giảm nhanh Mức tiêu thụ điện riêng, Se (kWh/kg) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 77 0,152 0,134 0,112 16 18 20 22 24 Lượng cấp liệu, q (kg/h) Hình Ảnh hưởng lượng cấp liệu đến mức tiêu thụ điện riêng Hình Ảnh hưởng khe hở búa buồng nghiền đến chất lượng bột nghiền Ảnh hưởng lượng cấp liệu đến chất mức tiêu thụ điện riêng biểu diễn phương trình (10) Ảnh hưởng khe hở búa buồng nghiền đến chất lượng bột nghiền biểu diễn phương trình (11) Se = 0,1784 + 0,0022.q – 0,0002.q2 Cb = 94,3 – 2,825.e + 0,0125.e2 (10) Khi tăng lượng cấp liệu q từ 17 – 20 kg/h mức tiêu thụ điện riêng Se có giảm khơng nhiều, tiếp tục tăng q từ 20 – 23 kg/h Se giảm nhanh 3.2.3 Kết nghiên cứu ảnh hưởng khe hở búa buồng nghiền đến chất lượng bột nghiền mức tiêu thụ điện riêng Cho khe hở đầu búa thay đổi mức, e = - - mm, vận tốc đầu búa lượng cung cấp giữ cố định mức sở v = 40 m/s q = 20 kg/h Kết trình bày bảng Bảng Kết khảo nghiệm xác định Cb Se thay đổi e Stt e (mm) Cb (%) Se (kWh/kg) 83,2 a 0,104 a 77,8 b 0,136 b 72,5 c 0,149 c (11) Khe hở đầu búa buồng nghiền e yếu tố có ảnh có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng bột nghiền Cb Khi e tăng từ – mm Cb giảm nhanh, tiếp tục tăng e từ – mm Cb giảm chậm lại Ảnh hưởng khe hở búa nghiền buồng nghiền đến mức tiêu thụ điện riêng biểu diễn phương trình (12) Se = –0,017 + 0,0397.e – 0,0024.e2 (12) Khi e tăng từ – mm Se tăng nhanh, tiếp tục tăng e từ – mm Se tăng có xu hướng chậm lại Từ kết khảo nghiệm nhận định: Các ký hiệu khác cột biểu thị sai khác có ý nghĩa (p < 0,05) Kết xử lý số liệu theo phương pháp LSD cho thấy khe hở đầu búa buồng nghiền có ảnh hưởng đến tiêu nghiên cứu hình Hình Ảnh hưởng khe hở búa nghiền đến mức tiêu thụ điện riêng 78 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh - Các thơng số vận tốc đầu búa v, lượng cung cấp q khe hở đầu búa nghiền buồng nghiền e thông số độc lập thực ảnh hưởng đến hai tiêu kinh tế kỹ thuật máy chất lượng bột nghiền Cb tiêu thụ điện riêng cho trình nghiền Se - Hàm chất lượng bột nghiền Cb hàm mức tiêu thụ điện riêng Se hàm phi tuyến KẾT LUẬN Trên sở nghiên cứu tổng quan bã hèm bia, tình hình sản xuất, chế biến, thiết bị nghiền bã hèm bia giới Việt nam; phân tích, đánh giá ưu, nhược điểm từ đưa mơ hình nghiền bã hèm bia phù hợp Trên sở tính tốn thiết kế, máy nghiền búa lắp lỏng va đập tự suất 20 kg/h chế tạo, số vòng quay rôto 2951 vg/ph, công suất động 2,2 kW Các thông số làm việc máy như: số vòng quay, lượng cấp liệu, khe hở đầu búa buồng nghiền điều chỉnh Đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng thông số vận hành máy như: lượng cấp liệu, vận tốc dài đầu búa, khe hở đầu búa buồng nghiền đến chất lượng bột nghiền mức tiêu thụ điện riêng Mối quan hệ thông số xây dựng dạng mơ hình tốn thơng qua số liệu thực nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Babatunde Adetifa, Oyewole Okewole, 2015 Characterisation of small scale feed mills in a developing country Agric Eng Int, CIGR Journal, Vol 7(3): 208-215 [2] Olugboji1 O.A., Abolarin M.S., Owolewa M.O., Ajani K.C., 2015 Design, construction and testing of a poultry feed pellet machine International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), Vol 22 (4): 167-172 [3] Amaefule K.U., Onwudike O.C, Ibe S.N., Abasiekong S.F., 2009 Nutrient utilization and digestibility of growing pigs fed diets of different proportions of palm kernel and brewers dried grain Pakistan Journal of Nutrition, Vol 8(4): 361-367 [4] Siti Zulaiha Hanapi, Hassan, M Awad, Siti Hajar Mat Sarip, Ramlan Aziz, Mohamad Roji Sarmidi, Sheikh Imranuddin Sheikh Ali, 2012 Chapter 15 Animal feed Biotechnology Development in Agriculture, Industry and Health https://www.researchgate.net/publication/316463851 [5] Udo, I.U., Umoren U.E., 2011 Nutritional evaluation of some locally available ingredients used for least-cost ration formulation for African Cat fish (Clarias garieprinus) in Nigeria Asian Journal of Agricultural Resource, Vol 5(3): 164-175 [6] Kurt A Rosentrater, Gregory D Williams, 2004 Design considerations for the construction and operation of feed milling facilities Part II: Process engineering considerations ASAE/CSAE Annual International Meeting Paper No 044144 [7] Nguyễn Văn Lẫm, 1995 Thiết kế chi tiết máy Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh [8] Bùi Minh Trí, 2005 Xác suất thống kê qui hoạch thực nghiệm Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [9] Nguyễn Minh Vượng, Nguyễn Thị Minh Thuận, 1999 Máy phục vụ chăn nuôi Nhà xuất Giáo dục [10] Tôn Thất Minh, 2010 Máy thiết bị chế biến lương thực Nhà xuất Bách khoa Hà Nội Tác giả chịu trách nhiệm viết: PGS.TS Lê Anh Đức Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Email: leanhduc@hcmuaf.edu.vn ... liệu nghiền Vật liệu nghiền bã hèm bia, sản phẩm tách sau lên men bia Trước đưa vào nghiền bã hèm bia làm khô đến ẩm độ 10 ± 1% 2.2 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tính tốn thiết kế: dựa vào... làm việc cho máy nghiền bã hèm bia xác định, nghiên cứu tiến hành khảo nghiệm sơ chế độ làm việc khác nhằm có đánh giá xác thông qua khảo nghiệm so sánh kết khảo nghiệm thực tế với kết lý thuyết... nghiền với số vòng quay với số vịng quay roto Cơng suất quạt 0,55 kW Từ kết tính tốn vẽ thiết kế, máy nghiền bã hèm bia chế tạo lắp ráp hồn chỉnh hình Đối với máy nghiền búa, chất lượng bột nghiền