tóm tắt luận án tiến sĩ Nghiên cứu một số thông số chính làm cơ sở thiết kế thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh học (biogas)

Tuy nhiên do chi phí năng lượng, chi phí đầu tư mua sắm thiết bị, bảo trì và sửa chữa lớn nờn cỏc cơ sở sản xuất khó chấp nhận.Thực tế hiện nay, phần lớn vải quả vẫn được làm khô trong h

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Vải thiều là loại cây ăn quả quý, có giá trị kinh tế và dinh dưỡngcao, được coi là vua trái cây ở các nước nhiệt đới Ở nước ta, vảiđược coi là cây chủ lực trong vườn và được xếp vào danh mục đặcsản thiên nhiên nổi tiếng

Đặc điểm của vải thiều là thời gian thu hoạch rất ngắn (35ữ40ngày), sản phẩm rất dễ hư hỏng bởi thời tiết nắng nóng, mưa nhiềutrong vụ thu hoạch, chi phí vận chuyển và bảo quản từ nơi sản xuấtđến nơi tiêu thụ lớn Đặc biệt vào giữa vụ thu hoạch, khối lượng sảnphẩm lớn, hiện tượng “ựn tắc”, giá bán rất thấp đã gây thiệt hại nhiềucho nông dân Một số vùng trồng vải như Bắc Giang, Lạng Sơn, xuất hiện tình trạng vải quả không tiêu thụ được, để rụng thối quanhgốc cây, gây lãng phí rất lớn Để giảm tổn thất vải quả sau thu hoạch,một trong những biện pháp có hiệu quả mà các hộ nông dân vùngtrồng vải đã và đang thực hiện là sấy khô để kéo dài thời hạn bảoquản, sau đó lựa chọn thời điểm và thị trường thích hợp để tiêu thụ.Hơn nữa, vải quả khô đang được sử dụng phổ biến như là một sảnphẩm thay thế cho vải tươi khi trái vụ do có hương vị thơm ngon đặctrưng, vì vậy nhu cầu tiêu thụ loại vải quả khô liên tục tăng trên thịtrường trong và ngoài nước Để nâng cao chất lượng vải quả khô xuấtkhẩu, một số cơ sở sản xuất, các Viện, trường Đại học đã nghiên cứu cảitiến các thiết bị sấy vải quả và đã góp phần nâng cao chất lượng sảnphẩm Tuy nhiên do chi phí năng lượng, chi phí đầu tư mua sắm thiết

bị, bảo trì và sửa chữa lớn nờn cỏc cơ sở sản xuất khó chấp nhận.Thực tế hiện nay, phần lớn vải quả vẫn được làm khô trong hàngngàn lò sấy thủ công dùng trực tiếp khúi lũ làm dũng khí sấy nênnhiều mẻ sấy có chất lượng rất kém không tiêu thụ được và nhiều lô

hàng xuất khẩu do không đạt tiêu chuẩn chất lượng phải trả về hoặcchịu chấp nhận giá bán thấp gây thiệt hại rất lớn cho người sản xuất.Mặt khác, để sấy vải quả ở nước ta hiện nay nguồn năng lượng được sửdụng chủ yếu là năng lượng hóa thạch như thỏn đỏ, dầu, Đây là nguồnnăng lượng tương đối đắt tiền và không thân thiện với môi trường.Trong khi đó nguồn năng lượng khí sinh học (biogas) được sản sinh từcác công trình xử lý chất thải chăn nuôi có ở hầu hết ở các địa phươngtrong cả nước sử dụng không hết hoặc không sử dụng đến Vì vậy, việcnghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng khí sinh học nhằm giảm chi phícho quá trình sấy, góp phần tiết kiệm năng lượng hoá thạch và giảm ônhiễm môi trường là vấn đề cấp thiết.

Xuất phát từ tình hình thực tiễn trên, chúng tôi thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu một số thông số chính làm cơ sở thiết kế thiết bị sấy vải

quả sử dụng năng lượng khí sinh học (biogas)”.

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tạo ra thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh học(KSH) nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nănglượng hoá thạch, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường

- Xác định một số thông số tối ưu làm cơ sở hoàn thiện quy trìnhcông nghệ và thiết kế, chế tạo thiết bị sấy

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Xác định một số tính chất cơ lý hóa của quả vải liên quan đến quátrình sấy; Xây dựng mô hình quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy

và dũng khí sấy; Nghiên cứu thực nghiệm xác định một số thông số tối ưulàm cơ sở hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết kế cải tiến thiết bị sấy

và ứng dụng trong thực tiễn để xác định hiệu quả kinh tế, kỹ thuậtnhằm triển khai áp dụng rộng rãi trong thực tiễn sản xuất

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Là các thông số công nghệ của thiết bị sấy: nhiệt độ sấy, vận tốcdũng khớ sấy, khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượngKSH thí nghiệm năng suất 150kg tươi/mẻ

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đã ứng dụng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng để xác địnhcác thông số cơ bản về cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị sấy nhằmđịnh hướng cho việc thiết kế, chế tạo

- Đã thiết kế chế tạo thành công thiết bị sấy vải quả sử dụngnguồn năng lượng KSH để làm khô vải quả nói riêng và các loạinông sản thực phẩm nói chung Đây là thiết bị sấy sử dụng không khíđốt nóng gián tiếp qua thiết bị trao đổi nhiệt nờn đó tạo ra sản phẩmsấy có chất lượng cao, thiết bị có cấu tạo đơn giản, hoàn toàn có thểchế tạo được trong nước thay cho thiết bị sấy nhập ngoại đắt tiền,nhờ đó có thể triển khai áp dụng rộng rãi cho các cơ sở sản xuất

6 Những đóng góp mới

- Đã thiết kế chế tạo thiết bị sấy SBOG –150, có bộ phận chuyểnđổi năng lượng KSH thành năng lượng nhiệt đã tạo ra sản phẩm sấy cóchất lượng cao, tận dụng được nguồn năng lượng khí sinh học, góp phầntiết kiệm năng lượng hoá thạch và giảm ô nhiễm môi trường

- Bằng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng đã xây dựng

mô hình toán biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ ẩm dũngkhí sấy, nhiệt độ và độ ẩm của vải quả theo không gian và thờigian, làm cơ sở khoa học cho việc xác định các thông số cấu tạo vàchế độ làm việc của thiết bị sấy

- Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn và đa yếu tố đãxác định được giá trị tối ưu của các yếu tố vào: nhiệt độ tác nhân sấy,

vận tốc dũng khớ sấy, khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấyđến giá trị tối ưu của các thông số ra: đụ ̣ khụ không đều của sản phẩmsṍy, điờ̉m tổng hợp chất lượng sản phẩm sấy, thời gian sṍy, chi phínhiên liệu riêng Đây là cơ sở quan trọng để hoàn thiện thiết kế và chếtạo các cỡ thiết bị sấy vải quả có năng suất khác nhau phù hợp với qui

mô của các cơ sở sản xuất

7 Cấu trúc nội dung luận án

Tóm tắt luận án trình bầy trong 24 trang, ngoài phần mở đầu, kếtluận, kiến nghị, luận án gồm 4 chương: Chương 1 Tổng quan nghiêncứu; Chương 2 Nguyên vật liệu, đối tượng và phương pháp nghiêncứu; Chương 3 Mô hình hóa và mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt

ẩm trong buồng sấy; Chương 4 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1. Ðặc điểm cấu tạo, thành phần hoá học, công dụng của quả vải

Cây vải, còn gọi là lệ chi (danh pháp khoa học: Litchi chinensisSonn) Quả vải hơi tròn, vỏ mỏng, màu đỏ hồng, bên trong lớp cùithịt màu trắng mờ, thơm, ngọt và giàu vitamin C, hạt màu nâu Vải quả có hàm lượng nước chiếm 77ữ85,5%, hàm lượng đườngtổng số chiếm 18 ữ 20%, giàu axớt hữu cơ, chất béo, protein, các chấtkhoáng canxi, sắt, photpho và các vitamin C, B1, B2

Quả vải là vị thuốc hữu hiệu, trong y học cổ truyền cho rằng cựivải khô bổ nguyên khí cho người già yếu, có tác dụng dưỡng da làmđẹp nhan sắc, rất có lợi cho sức khỏe phụ nữ

1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ vải quả

Trên thế giới, cây vải được trồng chủ yếu ở các nước như TrungQuốc, Ấn Độ, Thái Lan, Úc, Mỹ và Nam Phi, trong đó Trung Quốc

là nước sản xuất và xuất khẩu vải lớn nhất trên thế giới, sau đó là Ấn

Độ và Thái Lan

Ở nước ta, cây vải được trồng chủ yếu ở các tỉnh phía Bắc như:Bắc Giang, Hải Dương,… Hiện nay, diện tích trồng vải của cả nước

là 88.900 ha với sản lượng 428.900 tấn Khoảng 70 ữ 75% sản lượngvải được tiêu thụ dưới dạng quả tươi, 25 ữ 30% còn lại được sấy khô

và đưa vào chế biến ở dạng vải quả sấy khô, vải đông lạnh, nước épvải, rượu vải,… Hiện nay, tỷ trọng xuất khẩu của quả vải chiếmkhoảng gần 30% sản lượng, trong đó 75% là xuất khẩu ở dạng sấykhô, chủ yếu sang thị trường Singapore, Hồng Kụng, Trung Quốckhoảng 15.000 tấn/năm

1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả

Để nâng cao chất lượng vải quả khô, trên thế giới đã có nhiềucông trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định chế độ sấythích hợp như: Tác giả S.Janjai, đã tiến hành nghiên cứu sấy khôlớp mỏng vải quả bóc vỏ nhằm tìm ra mô hình toán biểu diễn đặc tínhgiảm ẩm của vải quả, sau đó dùng mô hình phần tử hữu hạn để xácđịnh độ khuếch tán ẩm, độ co rút của các thành phần vải quả trongquá trình sấy Tác giả Chen Yan và Chen Yubai đó dùng thiết bịsấy bức xạ hồng ngoại chân không để nghiên cứu ảnh hưởng của quátrình sấy đến sự thay đổi màu sắc cùi vải

Ở nước ta, các cơ sở chế biến chủ yếu vẫn dùng lò thủ công nênsản phẩm có độ khụ khụng đồng đều, nhiễm khói, bụi bẩn, giảmthương hiệu và giá thành sản phẩm Để khắc phục nhược điểm trênmột số Viện và các trường Đại học đó nghiờn cứu thiết kế, chế tạonhiều thiết bị sấy vải quả như: thiết bị sấy vải quả kiểu đối lưu cưỡngbức SVQ-1 của tác giả Trần Như Khuyên (ĐHNN Hà Nội), thiết bịsấy tĩnh vỉ ngang của tác giả Bạch Quốc Khang (Viện Cơ Điện vàCNSTH), thiết sấy vải quả bằng năng lượng mặt trời của tác giả PhạmNgọc Trinh (ĐH Xây Dựng), Nhìn chung, các thiết bị sấy trên đã

góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm sấy, nhưng chi phí nănglượng, chi phí đầu tư mua sắm thiết bị, bảo trì và sửa chữa lớn nờncỏc cơ sở sản xuất khó chấp nhận và chưa được triển khai ứng dụngrộng rãi trong sản xuất

1.4 Năng lượng sử dụng trong quá trình sấy vải quả

Để sấy vải quả ở nước ta hiện nay chủ yếu sử dụng năng lượnghoá thạch (than đá, dầu, ) là những loại năng lượng đắt tiền và khôngthân thiện với môi trường, trong khi đó nguồn năng lượng tái tạo nhưnăng lượng mặt trời, năng lượng khí sinh học, năng lượng sinh khối,

có tiềm năng rất lớn nhưng chưa được khai thác hiệu quả, đặc biệt nănglượng KSH được sản sinh từ các công trình xử lý chất thải chăn nuôi có

ở hầu hết ở các địa phương, thậm chí ngay cả vùng trồng và chế biến vảiquả lại chưa được quan tâm nghiên cứu ứng dụng

1.5 Kết luận chương 1

1 Về công nghệ: Áp dụng công nghệ sấy treo vì công nghệ này

có những ưu điểm nổi trội so với công nghệ sấy vải bệt là: khối lượngcủa mẻ sấy có thể tăng gấp 3 đến 4 lần, chất lượng sản phẩm sấy caohơn do vải không bị đè nén nên không bị bẹp méo, nứt, đặc biệt làkhông tốn nhân công để đảo quả trong quá trình sấy nên giảm được

áp lực về nguồn lao động trong thời vụ thu hoạch

2 Về thiết bị sấy: Cần phải nghiên cứu thiết kế thiết bị sấythích hợp sao cho vừa tạo ra sản phẩm sấy có chất lượng cao, đảmbảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm vừa phải có cấu tạo đơn giản

để giảm chi phí trong vận hành, bảo trì và sửa chữa

3 Về năng lượng sử dụng trong quá trình sấy: Sử dụng năng

lượng KSH để tận dụng nguồn năng lượng dư thừa, sẵn có tại các địaphương trồng vải quả nhằm giảm chi phí cho quá trình sấy góp phầntích kiệm năng lượng hoá thạch và giảm ô nhiễm môi trường

4 Về nghiên cứu lý thuyết: Áp dụng phương pháp mô hình hoá

và mô phỏng để nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vật liệusấy và quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy và dũng khí sấy,

từ đó có thể xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ sấy nhằmđịnh hướng cho việc thiết kế

5 Về nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm để xác địnhmột số thông số tối ưu làm cơ sở cho việc hoàn thiện công nghệ, thiết kếcải tiến thiết bị sấy nhằm triển khai áp dụng rộng rãi trong sản xuất

Chương 2: NGUYÊN VẬT LIỆU, ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG

PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên vật liệu nghiên cứu

Vải quả tươi được trồng tại Thanh Hà (Hải Dương) có đườngkính trung bình 1,5 ữ 2,0 cm, khối lượng trung bình 18 ữ 20g, độ ẩmtrung bình 84,14 %

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Là các thông số công nghệ của thiết bị sấy vải quả sử dụng nănglượng KSH (ký hiệu SBOG-150) Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo của thiết

bị sấy được thể hiện trờn hỡnh 2.1

3 8

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo

thiết bị sấy vải quả SBOG - 150

Đây là loại thiết bị sấy sử dụng năng lượng KSH được sinh ratrong hệ thống xử lý chất thải chăn nuôi với 3 phần chính: buồng sấy,

bộ phận đốt khí gas và thiết bị trao đổi nhiệt

Với kết cấu như trên, thiết bị sấy có ưu điểm như sau:

- Do sử dụng không khí được đốt nóng gián tiếp làm tác nhânsấy nên sản phẩm sau khi sấy không bị nhiễm bẩn bởi muội than haycác khí độc do sản phẩm cháy tạo ra

- Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm và dạng ống xoắn chophép tận dụng nhiệt từ lò đốt với thiết bị có cấu tạo đơn giản, dễ bảodưỡng và thay thế hơn rất nhiều so với thiết bị trao đổi nhiệt khác

- Nhiệt độ trong buồng sấy đồng đều nhờ kết cấu bộ phận phânphối nhiệt hợp lý

- Lượng vải đưa vào buồng lớn hơn từ 3ữ 4 lần so với thiết bịsấy tĩnh vỉ ngang

- Sử dụng nhiên liệu KSH hạ chi phí giá thành cho quá trìnhsấy, góp phần tiết kiệm năng lượng hóa thạch và giảm thiểu ô nhiễmmôi trường

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Mô hỡnh toán quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vật liệu sấy và quátrình trao đổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy và dũng khí sấy, từ đó có thể xácđịnh một số thông số về cấu tạo và chế độ sấy nhằm định hướng choviệc thiết kế

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

a Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố

Áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tốnhằm nghiên cứu ảnh hưởng riêng của từng yếu tố đến các thông số

mục tiêu, qua đó xác định được mức biến thiên, khoảng biến thiên vàmiền nghiên cứu của các yếu tố làm cơ sở cho phương pháp nghiêncứu thực nghiệm đa yếu tố.

b Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố

Áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố đểnghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố nhằm tìm ra mô hìnhhồi qui biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng với cácthông số hàm mục tiêu làm cơ sở cho việc xác định giá trị tối ưu củacác thông số

c Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát

Áp dụng phương pháp tối ưu tổng quát lập “hàm mong muụ́n”của E.C Harrington để xác định giá trị tối ưu chung của các yếu tốvào cho tất cả các thông số ra làm cơ sở cho việc hoàn thiện quy trìnhcông nghệ và thiết kế cải tiến thiết bị sấy nhằm triển khai ứng dụngrộng rãi trong thực tiễn sản xuất

2.3.3 Phương pháp xác định một số thông số của quá trình sấy

- Độ khô đồng đều của sản phẩm sấy K (%) được xác định theophương sai đo đạc của các mẫu sản phẩm sấy ở các vị trí khác nhautrong buồng sấy

- Điểm tổng hợp chất lượng sản phẩm sấy Q (đ) được xác địnhbằng phương pháp cảm quan theo TCVN 3215-79

- Thời gian sấy mỗi mẻ t (h) là khoảng thời gian từ khi bắt đầusấy cho đến khi vải quả đạt độ ẩm 20 %

- Chi phí nhiên liệu riêng Gr (m3gas/kgSPK) được xác định bằngthể tích khí gas tiêu thụ cho 1 kg sản phẩm khô

Số liệu thí nghiệm được xử lý trên phần mềm Excel và Irristat4.0, mô phỏng và giải bài toán lý thuyết bằng phần mềm Matlab

Chương 3: Mễ HèNH HểA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT ẨM TRONG BUỒNG SẤY

3.1 Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy 3.1.1 Mô hình kết cấu thiết bị sấy

Thiết bị sấy SBOG-150 đã được thiết kế, không gian buồng sấyđược phân thành hai vùng có chức năng khác nhau:

- Vựng biên là vùng hòa trộn dòng khí nóng trước khi đi vàovùng chứa vải quả có chiều cao hZ1

- Vùng chứa vải quả hZ2 là vùng nhiệt độ và độ ẩm dũng khớ cầnphải phân bố tương đối đồng đều theo cả không gian và thời gian

3.1.2 Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiợst õ̉m trong vật liệu sấy

Quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vải quả được mô tả bằng môhình động học của Lewis có dạng như sau: k(M M)

dt

dM

e

(3.1)

3.1.3 Mô hình hoá quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vùng chứa vải quả

Mô hình toán học được xét cho một phân tố thể tích ΔV, có diệntích S bằng diện tích mặt cắt ngang của buồng sấy vuông góc vớiphương vận tốc chuyển động của dũng khớ sấy v và chiều dày Δztheo chiều chuyển động của dũng khớ tại tọa độ z tính từ vị trí dũngkhớ bắt đầu chuyển động đều theo hướng từ dưới lên trên (hình 3.2)

Hình 3.1 Mô hình kết cấu thiết bị sấy

Hình 3.2: Mô hình cân bằng năng lượng, khối lượng dũng khớ sấy

và vải quả.

Thiết lập phương trình cân bằng khối lượng và năng lượng củavải quả và dũng khớ sấy trong đơn vị thể tích ΔV ở vùng chứa vải

quả ta được hệ phương trình mô tả trạng thái quá trình nhiệt ẩm trong

vùng chứa vải quả được như sau:

(3.2)

3.2 Mô phỏng quá trình nhiệt ẩm trong vùng chứa vải quả

3.2.1 Giai đoạn tốc độ sấy giảm

Giả thiết vận tốc chuyển động của dũng khớ là không đổinên

Δz = va.Δt Hệ phương trình (3.2) được chuyển thành hệ phương trình

vi phân toàn phần theo thời gian:

) (

.

) (

) (

) (

.

) (

S h T

M W

M M

C C

T C h

T M

C C

S h M M

k M

V a

a

q a

W q

V

f g W

q q

q e

3.2.2 Giai đoạn tốc độ sấy không đổi

Giai đoạn sấy tốc độ không đổi là trường hợp riêng của giai đoạnsấy với tốc độ giảm Vì vậy, có thể dùng hệ phương trình vi phân

(3.3) để mô tả quá trình nhiệt ẩm trong buồng sấy:

) (

.

.

) (

) (

) (

.

) (

V

S h z

T

t M V

z

W

t M M

C C

T C h

T M C C

S h t

M M

k

t

M

V a

a a

q a

a q

W q

V

f g W

q q

q e

N W

N M

a q

3.3.1 Thuật giải hệ phương trình vi phân

Để giải hệ phương trình vi phân

trên ta dùng phương pháp số bằng

chương trình Matlab đã xác định được

sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của vải

quả, nhiệt độ và độ ẩm của không khí

theo thời gian trên đồ thị hình 3.3

Các điều kiện đầu và điều kiện

biên được lựa chọn như sau:

3.3.2 Quy luật thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của không khí sấy

Theo cấu tạo của thiết bị, không

khí từ môi trường được quạt hút qua

bộ phận trao đổi nhiệt đốt nóng đi vào

vùng chứa vải quả Khi nhiệt độ không

Hình 3.4 Quy luật thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của không khí theo thời gian

Hình 3.3 Quy luật thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của vải quả theo thời gian