1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.5.MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.5.1. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu một số thông số của hệ thống thiết bị sấy long nhãn làm cơ sở cho việc cải tiến lò sấy thủ công nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai áp dụng rộng rãi trong sản xuất.
1.5.2. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Xác định một số tính chất cơ lý hoá của nguyên liệu long nhãn có liên quan đến quá trình sấy.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình sấy long nhãn.
- Xác định các thông số cơ bản của hệ thống thiết bị sấy long nhãn. - Nghiên cứu thực nghiệm, xác định ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm, năng suất máy và chi phí năng lượng riêng.
Chương 2
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Để phù hợp với quy mô sản xuất của các hộ trồng nhãn trên địa bàn tỉnh Hưng Yên, chúng tôi chọn đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống sấy long nhãn có năng suất là 100kg long nhãn tươi/mẻ. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống sấy long nhãn (ký hiệu SLN-1) được trình bày trên hình 2.1.
Hình.2.1.Sơ đồ hệ thống sấy long nhãn gián tiếp SLN – 1.
* Nguyên lí cấu tạo của máy:
Hệ thống sấy long nhãn gián tiếp gồm các bộ phận chính sau:
1. Quạt gió; 2.Lò đốt than; 3. Ghi lò đốt than; 4.Tấm gia nhiệt; 5.Ống phân phối khí; 6. Tường buồng sấy; 7. Cửa thoát ẩm; 8. Ống thông khói; 9. Khay đựng vật liệu sấy.
Ngoài ra còn có : Khung đỡ giàn sấy; Cửa cho than và cửa lấy xỉ. * Nguyên lí hoạt động:
Lò đốt (2) gia nhiệt cho tấm gia nhiệt(4), tấm gia nhiệt (4) được đốt nóng lên đến nhiệt độ cao, không khí được quạt hút (1) hút vào các ống phân phối khí (5). Không khí từ hệ thống ống phân phối khí được thổi trực tiếp lên các tấm gia nhiệt thông qua các lỗ trên ống phân phối khí và được đốt nóng tới nhiệt độ sấy cần thiết sau đó nó chuyển động ngược trở lên cấp nhiệt cho vật liệu sấy thoát ẩm.Tuỳ vào từng giai đoạn mà nhiệt độ của quá trình sấy khác nhau, để điều chỉnh nhiệt độ cho phù hợp với từng giai đoạn sấy ta chế tạo hệ thống phân phối khí ở các buồng sấy khác nhau thì có số lượng lỗ thông khí nhiều ít khác nhau hoặc điều chỉnh lượng không khí đưa vào từ quạt gió và cuối cùng không khí ẩm được thoát ra qua lỗ thoát ẩm (7). Trong quá trình sấy thì ngăn không cho khói lò tiếp xúc với sản phẩm sấy. Để làm được điều đó,chúng tôi thiết kế hệ thống rãnh thoát khói ở dưới tấm gia nhiệt, khói được dẫn ra hai ống thông khói ở hai bên thành buồng sấy và đưa ra ngoài.
Trong quá trình sấy, cứ khoảng 1 – 2 h ta lại đảo khay sấy từ dưới lên trên, kết thúc mỗi giai đoạn ta đưa khay sấy sang buồng kế tiếp.
* Ưu điểm:
- Thiết bị đơn giản, dễ chế tạo. - Chi phi điện năng phù hợp.
- Nhiệt độ cao và khả năng điều chỉnh dễ.
- Chi phí cho thiết bị thấp, sản phẩm sấy sạch, đạt chất lượng tốt, có giá trị kinh tế cao.
- Có hao tổn nhiệt thấp bằng cách bố trí hai ống thông khói ở hai bên buồng sấy.
* Nhược điểm:
* Phạm vi ứng dụng:
- Được ứng dụng để sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau mà đòi hỏi sản phẩm sạch.
2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố
Trong quá trình sấy long nhãn có rất nhiều yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm, thời gian sấy và mức tiêu thụ năng lượng riêng. Các yếu tố bao gồm: tốc độ sấy, thời gian sấy, nhiệt độ sấy, hệ số nạp đầy, khối lượng riêng, độ ẩm, khoảng cách giữa các khay sấy...
Để lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất, có thể dùng phương pháp thu thập các thông tin qua các tài liệu tham khảo và tìm hiểu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm về vấn đề đang nghiên cứu, nhờ đó có thể loại bớt những yếu tố không cần thiết. Cuối cùng chọn lọc ra các yếu tố ảnh hưởng cơ bản đến độ khô không đồng đều của sản phẩm sấy và mức tiêu thụ nhiên liệu, bao gồm:
- Nhiệt độ tác nhân sấy, T (o C)
- Tốc độ khí ở cửa ra quạt gió v (m/s); - Khoảng cách giữa các khay sấy h (cm); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tiến hành phương pháp thí nghiệm đơn yếu tố để xác định mức ảnh hưởng của các yếu tố đến độ khô không đồng đều của sản phẩm sấy( %) và chi phí nhiên liệu Nr (kg than/h), đồng thời xác định được khoảng biến thiên nghiên cứu.
Các yêu tố vào được ký hiệu như sau: x1- Nhiệt độ tác nhân sấy, T (o C)
x2- Tốc độ khí ở cửa ra quạt gió v (m/s); x3- Khoảng cách giữa các khay sấy h (cm); Các thông số ra được ký hiệu như sau:
Y1- Độ khô không đồng đều của sản phẩm sấy (%) Y2- Mức tiêu thụ nhiên liệu (kg/h).
Các thí nghiệm đơn yếu tố sẽ xác định được ảnh hưởng của từng yếu tố đến các thông số Y1 và Y2 [6], [7], [8], [11], [19]. Thông qua kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố xác định được mức cơ sở, mức biến thiên và khoảng nghiên cứu thích hợp của mỗi yếu tố làm cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố.
Trong quá trình thực hiện phương pháp đơn yếu tố phải tuân theo các quy tắc bố trí thí nghiệm và gia công số liệu. Quy tắc bố trí thí nghiệm phải đảm bảo tính chất ngẫu nhiên, xác định thứ tự thí nghiệm có thể áp dụng cách rút thăm hoặc đánh số theo "bảng số ngẫu nhiên" mà xác định thứ tự. Chúng tôi đã dùng cách rút thăm.
2.2.2. Phương pháp xác định một số thông số của quá trình sấy
2.2.2.1. Xác định độ ẩm vật liệu sấy
Độ ẩm của vật liệu là số lượng nước chứa trong vật liệu và được xác định bằng phương pháp sấy khô trong tủ sấy ở nhiệt độ khoảng 1050C qua thời gian 2-4h đến khối lượng không đổi. Độ ẩm được xác định bằng tỷ số giữa khối lượng nước đã bay hơi và khối lượng vật liệu còn lại:
% 100 . G G G 2 2 1 − = ω (3.31) Với: ω- độ ẩm, %
G1- khối lượng vật liệu trước khi sấy khô, g; G2- khối lượng vật liệu sau khi sấy khô, g;
2.2.2.2. Phương pháp xác định chi phí điện năng
Chi phí điện năng riêng Nr ( kWh/kg H2O) được đo bằng công tơ điện. Dùng công tơ điện để đo năng lượng tiêu thụ trong một lần thực nghiệm. Ta lấy hiệu số của 2 chỉ số ghi trên công tơ lúc kết thúc và lúc đầu chính là điện
năng tiêu thụ trong quá trình sấy. Chi phí năng lượng riêng. G a r N = . Trong đó:
chỉ số điện năng tiêu thụ trên công tơ ( kWh).
G- khối lượng nước bốc hơi trong quá trình sấy kg H2O.
2.2.2.3. Phương pháp xác định thời gian sấy
Dùng đồng hồ xác định thời gian bắt đầu sấy cho đến khi sản phẩm đạt độ ẩm yêu cầu bảo quản.
Thời gian sấy bao gồm thời gian đốt nóng sản phẩm, thời gian sấy không đổi và thời gian sấy tốc độ giảm dần.
2.2.2.4. Phương pháp xác định độ khô không đồng đều K(%)
Độ khô không đồng đều là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng của máy sấy. Nó phụ thuộc rất nhiều yếu tố: vật liệu sấy, cấu tạo máy sấy, chiều dày lớp vật liệu sấy, tác nhân sấy (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ chuyển động, …). Khi sấy n mẫu, đo ở những vị trí khác nhau, khối lượng 1 mẫu khoảng 200 – 250g. Ta xác định được độ ẩm của từng mẫu nhờ dụng cụ đo độ ẩm KEIT với độ chính xác 0,1%. Ta có độ lệch bình phương trung bình.
1 n n 1 i ) o W i W ( − = − = σ ∑ . Độ khô không đồng đều được xác định:
% 100 . o W K= σ .
Trong đó: Wi - độ ẩm của vật liệu sấy thứ i (%).
2.2.3. Phương pháp xử lý và gia công số liệu thực nghiệm
2.2.3.1. Phương pháp xử lý đo đạc
Trong nghiên cứu thực nghiệm đo đạc của máy, các kết quả đo đạc đều là kết quả ngẫu nhiên, trong kỹ thuật nông nghiệp xác suất tin cậy thường dùng trong khoảng 0,7 - 0,9, xác suất của dụng cụ đo trong khoảng 0,95 - 0,99. Vì vậy, để đảm bảo độ tin cậy thì các thí nghiệm phải được lặp lại nhiều lần để đảm bảo xác suất tin cậy của dụng cụ. Nếu trong quá trình khảo nghiệm, khi thấy các số liệu có sai lệch bất thường, chúng tôi phải tiến hành đo lại để đảm bảo độ tin cậy cao.
Trong quá trình xử lý số liệu đo đạc, chúng tôi áp dụng các qui tắc của xác suất thống kê toán học, sau khi đã lặp lại n lần chúng ta nhận được các giá trị Xi = (1 – n). Giá trị trung bình của mỗi lần đo được tính theo công thức sau: ∑ = = n i Xi n X 1 1 (3.32)
Sai số bình phương trung bình: δ =
1 ) ( 2 1 − − ∑ = n X X n i i i (3.33) Sai số trung bình: tb n δ σ = (3.34) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giá trị độ tin cậy được tính theo tiêu chuẩn Student với α = 0,05, bậc tự do f = n - 1. khi đó độ tin cậy sẽ là:
X=X±tα σtb
Đối với các số liệu ngờ, số được kiểm tra lại theo tiêu chuẩn 3σ như sau:
Xnghi ngờ - X.>3σ thì loại bỏ.
2.2.3.2. Phương pháp gia công số liệu
giữa các giá trị trung bình của tổng thể (Y..) với các giá trị trung bình của Y.j ứng với mỗi yếu tố xi :
2 yt S = 1 ..) . ( 1 − − ∑ = k Y Y k j j (3.35)
- Phương sai thí nghiệm được xác định như sau: S2tn= k N Y Y k i ij j − − ∑ =1 2 ) . ( (3.36) với N - k = k(n - 1) là bậc tự do.
Dùng tiêu chuẩn Fisher này để đánh giá tỷ số: F = 2 2 tn yt S S (3.37)
- Để kiểm nghiệm “ giá trị không” xem hai phương sai đó khác nhau ít hay nhiều. Đối chiếu với trị số Fb (tra bảng tiêu chuẩn Fisher với α = 0,05 và bậc tự do f1= k – 1, f2 = N –k)
Nếu F > Fb thì yếu tố đó có ảnh hưởng đến thông số mục tiêu và không ảnh hưởng trong trường hợp ngược lại.
- Để đánh giá tiêu chuẩn đồng nhất của phương sai, ta phải tính phương sai thí nghiệm ngẫu nhiên, đối với mỗi thí nghiệm ở mỗi mức biến thiên của yếu tố kí hiệu là S2j . 1 n ) . Y Y ( S 2 j ij 2 j − − =∑ (3.38)
- Vì số thí nghiệm lặp lại lớn hơn 2 (n = 3) nên có thể áp dụng tiêu chuẩn Cooren để đánh giá xem tỷ số G giữa hai phương sai cực đại S2jmax với
tổng phương sai ∑ 2
j
với α = 0,05; f1 = n – 1; f2 = N – k) 2 t k 1 j 2 max j S S G ∑ = = (3.39)
Nếu G < Gb thì các giá trị phương sai được coi là đồng nhất, không phương sai nào vượt quá nhiều so với phương sai khác.
Với các số liệu thí nghiệm đo được của đề tài này chúng tôi đều gia công theo phương pháp trên.
CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SẤY 3.1. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY
Động học quá trình sấy khảo sát sự thay đổi các thông số đặc trưng của vật sấy trong quá trình sấy. Các thông số được nghiên cứu là độ
chứa ẩm u, độ ẩm W, nhiệt độ sấy tb, tốc độ sấy ∂τ
∂u
hay ( ∂τ
∂W
). Trong quá trình sấy thông số này thay đổi theo thời gian sấy. Các quy luật nghiên cứu được ở động học quá trình sấy cho phép tính toán lượng ẩm bay hơi, nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình sấy, từ đó xác định được thời gian sấy cũng như các chế độ sấy phù hợp cho các loại sản phẩm khác nhau [2].
3.1.1. Các giai đoạn của quá trình sấy
Nếu chế độ sấy tương đối dịu, tức là nhiệt độ và tốc độ chuyển động của không khí không lớn, đồng thời vật có độ ẩm tương đối cao thì quá trình sấy sẽ xảy ra theo 3 giai đoạn: giai đoạn làm nóng vật, giai đoạn tốc độ sấy không đổi và giai đoạn tốc độ sấy giảm dần.
3.1.1.1. Giai đoạn làm nóng vật
Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho đến khi nhiệt độ của vật đạt đến bằng nhiệt độ của nhiệt kế ướt (tư). Trong quá trình này toàn bộ vật được gia nhiệt ẩm lỏng, trong vật cũng được gia nhiệt cho đến khi đạt nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không khí trong buồng sấy (tư). Vật được làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm đi chút ít do bay hơi ẩm còn nhiệt độ của vật thì tăng dần từ nhiệt độ ban đầu cho đến khi bằng nhiệt kế ướt. Vật tăng nhiệt độ trong quá trình xảy ra không đồng đều ở phần ngoài và phần trong vật. Vùng trong vật đạt tới tư chậm hơn. Đối với những vật dễ sấy thì giai đoạn vật làm nóng xảy ra rất nhanh.
Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt. Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sấy sẽ hoá hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để làm hoá hơi nước. Ẩm sẽ hoá hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hoá hơi. Do nhiệt độ không khí nóng không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi. Do vậy tốc độ ẩm bay hơi ẩm của vật cũng không đổi. Điều này (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm của vật theo thời gian ∂τ ∂u
không đổi, có
nghĩa là tốc độ sấy không đổi: const u = τ ∂ ∂
.
Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi, biến thiên của chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính. Ẩm được thoát ra trong giai đoạn này là ẩm tự do. Khi độ ẩm của vật đạt tới trị số giới hạn uk =ucbmax. Thì giai đoạn sấy không đổi chấm dứt. Đồng thời cũng là chấm dứt giai đoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm.
3.1.1.3. Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần
Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi, ẩm tự do đã bay hơi hết còn lại trong vật là ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ (ẩm liên kết càng chặt). Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi có nghĩa là tốc độ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy. Quá trình càng tiếp diễn, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của vật giảm đến bằng độ ẩm cân bằng ứng với điều kiện môi trường không khí ẩm trong buồng sấy (ucb,ωcb) thì quá trình thoát ẩm của vật ngừng
lại có nghĩa là tốc độ sấy bằng 0 ( 0 u
= τ ∂ ∂
nhiệt độ sấy tăng lên lớn hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt. Nhiệt độ ở các lớp bên ngoài bề mặt tăng nhanh hơn còn càng sâu vào bên trong vật nhiịet độ tăng chậm do đó hình thành Gradient nhiệt độ trong vật sấy. Khi độ ẩm vật đạt đến