ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu

- Quả cà phê sau thu hoạch trên địa bàn Tây Nguyên. - Các phương tiện, thiết bị sấy cà phê hiện nay.

2.1.2. Phạm vi nghiên cứu

- Đề tài được thực hiện tại các hộ trồng cà phê trên địa bàn Tây Nguyên mà chủ yếu là ở Gia Lai.

- Thời gian thực hiện từ tháng 01/2017 đến 07/2017

2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu

Nghiên cứu tài liệu nhằm thu thập các thông tin về tình hình trồng và chế biến cà phê ở các địa phương, thông tin về các loại máy sấy hạt nông sản đang sử dụng trên thế giới và Việt Nam, đặc biệt là ở Tây Nguyên, các kết quả nghiên cứu về sấy cà phê của các tác giả đã công bố trên các sách báo, ấn phẩm, chủ trương, đường lối chính sách của Đảng, pháp luật của Nhà nước, của địa phương liên quan đến cây cà phê.

2.2.2. Phương pháp phỏng vấn chuyên gia

Thông qua quá trình tiếp cận thực tiễn tại những nơi có máy sấy cà phê trên địa bàn các tỉnh Tây Nguyên, phỏng vấn trực tiếp những người làm việc lâu năm, có am hiểu chuyên sâu trong lĩnh vực sấy cà phê nhằm tiếp thu, tham khảo những kinh nghiệm quý báu của họ trong lĩnh vực này.

2.2.3. Phương pháp tính toán thiết kế máy

Trên cơ sở đánh giá, so sánh, phân tích những ưu, nhược điểm của các máy sấy hiện có, làm cơ sở cho việc tính toán xác định các thông số kỹ thuật của máy sấy cà phê đảo chiều năng suất 2 tấn/mẻ. Sử dụng các phương trình truyền nhiệt, cân bằng nhiệt để thiết lập mối quan hệ giữa các thông số cơ bản của quá trình sấy. Từ đó xác định các thông số cần thiết cho máy sấy. Tính toán thiết kế buồng sấy, quạt gió, lò đốt.

CHƯƠNG 3

NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY SẤY CÀ PHÊ ĐẢO CHIỀU

3.1.1. Phân loại các nguyên lý sấy hạt

Vì đối tượng đem sấy có rất nhiều loại, cho nên trong thực tế cũng được sử dụng nhiều loại máy sấy khác nhau. Có thể nêu tổng quát về sự phân loại như sau:

- Theo phương pháp nạp nhiệt: Máy sấy được chia ra loại đối lưu hay tiếp xúc. - Theo dạng chất tải nhiệt: Không khí, khí và hơi.

- Theo trị số áp suất trong phòng sấy: Làm việc áp suất khí quyển hay chân không. - Theo phương pháp tác động: tuần hoàn, liên tục.

- Theo hướng chuyển động của vật liệu và chất tải nhiệt trong các máy sấy đối lưu: Cùng chiều, ngược chiều và với các dòng cắt nhau.

3.1.1.1. Nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò

Ưu điểm sấy bằng khói lò:

- Có thể điều chỉnh nhiệt độ môi chất sấy trong quá trình sấy một khoảng rất rộng; có thể sấy ở nhiệt độ rất cao 900°C- 1000°C và ở nhiệt độ thấp 70°C- 90°C hoặc thậm chí 40°C - 50°C.

- Cấu trúc hệ thống đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt. - Đầu tư vốn ít vì không phải dùng calorife.

Nhược điểm:

- Gây bụi bẩn cho sản phẩm và thiết bị.

- Có thể gây hoả hoạn hoặc xảy ra các phản ứng hoá học không cần thiết ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm.

Trong công nghiệp thực phẩm khói lò thường ít được sử dụng. Trong một số trường hợp người ta có thể dùng để sấy một số hạt nông sản. Ngoài ra người ta còn có thể sử dụng khí tự nhiên làm chất đốt, vì khói tạo thành tương đối sạch, tuy nhiên do thành phần khói vẫn có hàm lượng ẩm và khí oxit nitơ cao (dễ gây ung thư), nên cần phải tiếp tục được làm sạch trước khi sử dụng để sấy thực phẩm.

3.1.1.2. Sấy đối lưu

* Nguyên lý hoạt động

Không khí nóng hoặc khói lò được dùng làm tác nhân sấy có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm trong vật sấy bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy. Không khí có thể chuyển động cùng chiều, ngược chiều hoặc cắt ngang dòng chuyển động của sản phẩm. Bảng 1.3 so sánh các hình thức chuyển động khác nhau của tác nhân sấy.

Bảng 3.1. So sánh các hình thức chuyển động khác nhau của tác nhân sấy

Hướng chuyển động

tác nhân sấy Ưu điểm Nhược điểm

Cùng chiều

Tốc độ sấy ban đầu cao, ít bị co ngót, tỷ trọng thấp, sản phẩm ít hư hỏng, ít nguy cơ hư hỏng.

Khó đạt được độ ẩm cuối thấp vì không khí nguội và ẩm thổi qua sản phẩm sấy.

Ngược chiều

Năng lượng được sử dụng kinh tế hơn, độ ẩm cuối cùng thấp hơn.

Sản phẩm dễ bị co ngót, hư hỏng do nhiệt. Có nguy cơ hư hỏng do không khí ẩm hoặc do nguyên liệu ướt.

Dòng khí thoát ở trung tâm

Kết hợp ưu điểm của sấy cùng chiều và ngược chiều nhưng không bằng sấy bằng dòng khí thổi cắt ngang.

Phức tạp và đắt tiền hơn so với sấy một chiều.

Dòng khí thổi cắt ngang

Kiểm soát điều kiện sấy linh hoạt bằng các vùng nhiệt được kiểm soát riêng biệt, tốc độ sấy cao.

Đầu tư trang bị, vận hành và bảo dưỡng thiết bị phức tạp và đắt tiền.

Sấy đối lưu có thể thực hiện theo mẻ (gián đoạn) hay liên tục. Trên hình 3.7 là sơ đồ hệ thống sấy đối lưu.

Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống sấy đối lưu

1 – Quạt; 2 – Caloriphe; 3 – Buồng sấy

Sản phẩm sấy có thể lấy ra khỏi buồng sấy theo mẻ hoặc liên tục tương ứng với nạp vào. Caloriphe đốt nóng không khí có thể là loại caloriphe điện, caloriphe hơi nước v.v...

Kết cấu thực của hệ thống rất đa dạng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: chế độ làm việc, dạng vật sấy, áp suất làm việc, cách nung nóng không khí, chuyển động của tác nhân sấy, sơ đồ làm việc, cấu trúc buồng sấy...

Đối với quá trình sấy, chi phí năng lượng là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế sản xuất. Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý đến các biện pháp làm giảm sự thất thoát nhiệt, tiết kiệm năng lượng.

Ví dụ:

- Cách nhiệt buồng sấy và hệ thống ống dẫn. - Tuần hoàn khí thải qua buồng sấy.

- Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt từ không khí thoát ra để đun nóng không khí hoặc nguyên liệu vào.

- Sử dụng nhiệt từ các lò đốt có cơ cấu làm giảm nồng độ khí oxit nitơ. - Sấy thành nhiều giai đoạn (ví dụ: kết hợp sấy phun với sấy tầng sôi). - Cô đặc trước nguyên liệu lỏng đến nồng độ chất rắn cao nhất có thể. - Kiểm soát tự động độ ẩm không khí bằng máy tính.

* Cấu tạo: Là một thùng chứa hình trụ hoặc hình hộp có đáy dạng lưới. Không khí nóng thổi lên từ phía đáy của nguyên liệu với vận tốc tương đối thấp (ví dụ: 0,5 m/s). Buồng sấy gồm có một buồng cách nhiệt với các khay lưới hoặc đột lỗ. Không

khí nóng thổi vào với tốc độ 0,5 - 5 m/s qua hệ thống ống dẫn và van đổi hướng để cung cấp không khí đồng nhất qua các khay. Các thiết bị đun nóng phụ trợ có thể được đặt thêm ở phía trên hoặc dọc bên các khay để tăng tốc độ sấy.

* Ứng dụng: Dùng trong sản xuất nhỏ hoặc trong thử nghiệm. Chúng có giá thành, chi phí bảo dưỡng thấp và có thể sử dụng linh hoạt để sấy các loại nguyên liệu khác nhau. Tuy nhiên, điều kiện sấy tương đối khó kiểm soát và chất lượng sản phẩm dao động do sự phân phối nhiệt đến nguyên liệu không đồng đều. Tuy nhiên, phương pháp này hiện đã được thay thế bằng phương pháp sấy băng chuyền và sấy tầng sôi.

3.1.1.3. Máy sấy tĩnh vỉ ngang

Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Máy sấy tĩnh vỉ ngang hoạt động theo nguyên lý sấy đối lưu cưỡng bức. Thiết bị có kết cấu tương đối đơn giản, được ứng dụng rộng rãi để sấy hạt ngô và các hạt nông sản khác như thóc, đậu đỗ...

Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy sấy tĩnh vỉ ngang

1. Thành buống sấy 2. Sàn sấy 3. Quạt sấy 4. Buồng hoà khí

5. Lò đốt 6. Quạt lò 7. Đồng hồ đo nhiệt Hạt nông sản như ngô, thóc, đậu đỗ... được đổ trên sàn sấy, không khí từ lò đốt

được quạt đẩy vào phía dưới buồng sấy, rồi xuyên qua lớp hạt làm hạt nóng lên, bay hơi ẩm và khô dần. Không khí nóng bị mất nhiệt, nhận ẩm, giảm nhiệt độ và thoát lên trên để ra ngoài. Nguồn nhiệt để sấy có được nhờ than đá hoặc phế thải nông nghiệp được đốt cháy trong lò đốt cung cấp. Không khí nóng từ lò đốt có nhiệt độ cao nên được đi qua buồng hoà khí để hoà trộn với không khí môi trường, tạo ra một hỗn hợp không khí nóng có nhiệt độ phù hợp để sấy các nông sản khác nhau. Nhiệt độ không khí nóng được thể hiện qua đồng hồ đo nhiệt độ đặt trên kênh dẫn khí nóng vào buồng

sấy. Nhiệt độ sấy được điều chỉnh theo yêu cầu công nghệ sấy của từng loại hạt nhờ điều chỉnh cửa ở buồng hoà khí.

Ưu, nhược điểm của máy sấy tĩnh vỉ ngang Ưu điểm:

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp.

- Dễ thao tác phù hợp với trình độ lao động của các địa phương. - Chi phí sấy thấp.

Nhược điểm:

- Độ đồng đều về độ ẩm của sản phẩm không cao nếu trong quá trình sấy sản phẩm không đảo trộn.

- Khó cơ giới hoá.

3.1.1.4. Sấy băng chuyền

Sấy băng chuyển là thiết bị làm việc liên tục, có thể dài đến 20m, rộng 3m. Nguyên liệu được đặt trên một băng chuyền lưới có đáy sâu 5-15 cm. Dòng khí lúc đầu có hướng từ dưới lên qua đáy của nguyên liệu và ở các giai đoạn sau đó được hướng xuống dưới để sản phẩm khỏi bị thổi ra khỏi băng chuyền.

Ở các thiết bị sấy 2 hoặc 3 giai đoạn nguyên liệu sau khi được sấy một phần sẽ được xáo trộn và chất đống lại vào các băng chuyền kế tiếp sâu hơn (đến 15-25 cm hoặc 250 - 900 cm ở các máy sấy 3 giai đoạn). Nhờ đó cải tiến được tính đồng nhất của quá trình sấy và tiết kiệm được không gian. Sản phẩm thường được sấy đến độ ẩm 10% - 15 % và sau đó được sấy kết thúc ở thùng sấy. Thiết bị sấy có thể có các khu vực sấy độc lập với nhau được kiểm soát bằng máy tính và hệ thống tự động nạp nguyên liệu và tháo sản phẩm để giảm chi phí nhân công.

Ứng dụng: Do điều kiện sấy được kiểm soát tốt và năng suất cao nên thường được dùng để sấy sản phẩm ở quy mô lớn (đến 5,5 tấn/h). Ứng dụng trong phương pháp sấy thảm bọt. Nguyên liệu dạng bọt được trải lên băng chuyền có lỗ đến độ dày 2-3 mm và được sấy nhanh trong 2 giai đoạn bằng dòng khí thổi cùng chiều và sau đó ngược chiều, sấy thảm bọt nhanh khoảng gấp 3 lần so với sấy chất lỏng có độ dày tương tự. Lớp thảm xốp mỏng của sản phẩm sấy sau đó được nghiền thành bột dễ chảy, có tính hồi nguyên rất tốt. Quá trình sấy nhanh và nhiệt độ sản phẩm thấp giúp cho chất lượng của sản phẩm tốt, nhưng khi sản xuất với năng suất cao cần diện tích bề mặt lớn, nên chi phí cũng cao.

3.1.1.5. Máy sấy thùng quay

Hình 3.4. Máy sấy thùng quay

1. Buồng đốt 2. Phểu nạp 3. Băng tải (vít tải nạp liệu) 4. Thùng sấy 5. Vít tải ra liệu 6. Quạt 7. Xyclon

Bộ phận chính của máy là một thùng (trống) sấy hình trụ được đặt nằm ngang hay nghiêng một góc nhỏ, quay với tốc độ chậm. Bên trong có gắn thêm các cánh dẫn để nâng hạt theo mặt trong chu vi thùng trước khi rơi trở lại đáy thùng. Khi rơi tự do, hạt ẩm tiếp xúc với không khí sấy, dễ dàng truyền nhiệt và truyền ẩm.

Tùy theo cách bố trí vòng di chuyển của hạt qua thùng, ta phân biệt thành 2 loại: sấy thùng quay làm việc theo mẻ hay làm việc liên tục.

- Máy sấy thùng quay làm việc theo mẻ: Thùng sấy được đặt nằm ngang, vật liệu sấy được đổ vào thùng với khối lượng bằng một mẻ sấy. Thùng quay liên tục, không khí nóng được đưa vào một đầu thùng, thổi đều liên tục theo trục thùng và mang hơi ẩm thoát ra ở đầu kia hoặc không khí nóng được đưa vào bằng một ống đặt ở giữa đồng tâm với trục thùng, phân phối ra xung quanh qua các lỗ ở xung quanh ống. Khí nóng sau khi trao đổi nhiệt và ẩm với hạt thoát xuyên qua các lỗ ở vỏ thùng và thoát ra ngoài. Khi vật liệu khô, ta dừng máy để tháo vật liệu ra ngoài.

- Máy sấy thùng quay làm việc liên tục: Thùng sấy được đặt nằm nghiêng một góc nhỏ 20 – 40. Vật liệu sấy được đưa vào một đầu và theo chiều nghiêng chuyển dần liên tục ra ngoài. Không khí sấy vào một đầu thùng và thoát ra ở đầu kia. Hướng chuyển động của khí sấy có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với vật liệu sấy. Thời gian sấy là thời gian vật liệu di chuyển từ đầu vào đến đầu ra.

Ưu điểm chính của máy sấy thùng quay là sấy được các hạt có độ ẩm cao, sản phẩm sau khi sấy có độ khô đồng đều. Nhược điểm là hạt dễ bị tróc hoặc vỡ do bị đảo trộn nhiều lần trong máy.

3.1.1.6. Sấy tầng sôi

Nguyên lý làm việc thể hiện trên hình 1.9. Quạt gió (1) đưa không khí vào calorife (2) để được đốt nóng đến nhiệt độ cần thiết rồi thổi vào phần dưới của buồng sấy (4) với tốc độ thích hợp. Vật liệu sấy từ phễu (3) rơi xuống buồng sấy, khí nóng thổi lên với tốc độ thích hợp làm cho vật liệu lơ lửng và xáo trộn cùng với khí nóng tạo thành lớp sôi. Trong lớp sôi, khí nóng gia nhiệt và sấy khô vật liệu. Những hạt vật liệu khô rơi vào cửa tháo liệu vào băng tải chuyển về kho. Không khí thải cuốn theo một lượng bụi được dẫn vào thiết bị tách bụi xyclon (5), khi cần tách triệt để người ta lắp thêm xyclon tổ hợp hoặc lọc túi, khí thải được quạt hút (8) đẩy ra ngoài .

Hình 3.5. Máy sấy tầng sôi

1. Quạt đẩy; 2. Calorife; 3. Phễu cấp liệu; 4. Buồng sấy; 5. Xyclon; 6. Băng tải; 7. Cửa tháo liệu; 8. Quạt hút

Máy có thể hoạt động theo mẻ hay liên tục. Ở máy sấy tầng sôi dạng mẻ, sau thời gian sấy nhất định, hạt khô và được tháo ra ngoài. Ở máy sấy tầng sôi dạng liên tục, hạt ẩm được cung cấp liên tục vào buồng sấy, đi dọc sàn sấy và thoát ra ở cuối sàn.

Thiết bị sấy tầng sôi có ưu điểm hơn so với các thiết bị sấy khác là đảo trộn hạt nhanh nên hạt sấy đồng đều, khả năng truyền nhiệt và truyền ẩm cao trong vật liệu sấy. Nhược điểm: tốn năng lượng cao để tạo dòng khí, chi phí năng lượng riêng cao, gây nhiều bụi.

3.1.1.7. Thiết bị sấy tháp KCT 20-27

Thiết bị sấy tháp KCT 20-27 là thiết bị sấy tháp tĩnh do hãng Kongskilde chế tạo và đã được trang bị cùng dây truyền chế biến hạt giống ở Quảng Bình và Thái Bình do dự án DANIDA (Đan Mạch) tài trợ. Thiết bị có đặc điểm:

- Tháp sấy là hình trụ;

- Chiều dày lớp hạt từ 500-800mm;

- Năng suất sấy 0,7-2,0 tấn/giờ (5 tấn/mẻ);

- Nguồn nhiệt là gas hoặc dầu.

Hình 3.6. Thiết bị sấy tháp KCT 20-27

Thiết bị sấy làm việc theo nguyên tắc sấy từng mẻ. Không khí được thổi từ ống trung tâm qua các lỗ trên ống này, xuyên qua khối hạt theo hướng kính thoát qua vách ra ngoài. Không khí nóng là tác nhân sấy có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường 150- 200C. Chu kỳ sấy diễn ra liên tục trong khoảng 10-25 giờ.