Nghiên cứu tối ưu chế độ sấy đối lưu cho thóc theo lớp dày, cố định

Mục đích nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu tối ưu chế độ sấy đối lưu thóc theo lớp dầy, cố định” nhằm xác định trị số tối ưu của các điều kiện sấy cơ bản nhất là nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NG ƯỜ I H ƯỚ NG D Ẫ N KHOA H Ọ C:

GS.TS Ph ạ m V ă n Tùy

GS.TSKH Đặ ng Qu ố c Phú

HÀ N Ộ I - 2012

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả nêu trong luận án là trung thực

và chưa từng được ai khác công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả

ĐỖ THÁI SƠN

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện

Đào tạo Sau Đại học và các Giáo sư, Tiến sỹ của Viện Khoa học & Công nghệ

Nhiệt lạnh đã tạo điều kiện thuận lợi và góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành chương trình nghiên cứu sinh 2007 - 2011 và luận án này

Đặc biệt, tôi xin bầy tỏ lòng biết ơn chân thành tới GS.TS Phạm Văn Tùy và

GS.TSKH Đặng Quốc Phú đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ, tin tưởng và tạo mọi

điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận Tải, Dự án Bồi dưỡng giáo viên Khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thông Vận Tải và GVC Nguyễn Bá Nghị đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm việc và tạo điều kiện cho tôi tiếp cận trực tiếp với hàng trăm bài báo khoa học trên thế giới về sấy hạt nông sản

và thóc

Tôi xin cảm ơn Bố Mẹ, người thân và bạn bè đã ủng hộ và động viên tôi trong quá trình nghiên cứu Khích lệ tôi bằng chính cái cách đương đầu với tuổi già và bệnh tật của mình Bố Mẹ đã cho tôi lòng quyết tâm và nhẫn nại để hoàn thành luận

án này

Đỗ Thái Sơn

MỤC LỤC

Các ký hiệu và chữ viết tắt trong luận án

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

MỞ ĐẦU………1

1 Giới thiệu………1

2 Mục đích nghiên cứu ………3

3 Đối tượng và nội dung nghiên cứu……….3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài……… 4

CHƯƠNG 1 Nghiên cứu tổng quan và xác định nhiệm vụ của luận án………… 6

1.1 Nghiên cứu tổng quan ……… 6

1.1.1 Chất lượng của thóc gạo và mô hình tỷ lệ nguyên hạt theo điều kiện sấy 6

1.1.1.1 Cấu trúc và thành phần của thóc gạo……….6

1.1.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến thành phần hóa học của gạo….8 1.1.1.3 Khả năng sống của hạt thóc……… 9

1.1.1.4 Tiêu chí chất lượng và các tổn thất về chất lượng của thóc gạo………9

1.1.1.5 Các mô hình tỷ lệ nguyên hạt……… 11

1.1.2 Các mô hình sấy tĩnh hạt nông sản và thóc theo lớp dầy ……… 13

1.1.2.1 Các mô hình p.d.e………14

1.1.2.2 Các mô hình cân bằng 16

1.1.2.3 Các mô hình Logarit………18

1.1.3 Các mô hình năng lượng tiêu hao trong quá trình sấy ……… 24

1.1.4 Các nghiên cứu tối ưu quá trình sấy thóc ……… 24

1.1.5 Thiết bị sấy vỉ ngang và các nghiên cứu về sấy thóc ở Việt Nam ……….25

1.2 Nhận xét và những vấn đề tồn tại……… 27

1.3 Nhiệm vụ của luận án………29

CHƯƠNG 2 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 2.1 Vật liệu và thiết bị sấy thí nghiệm ……… ……… 31

2.1.1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ……… 31

2.1.2 Thiết bị sấy thí nghiệm ……… 31

2.1.3 Các đại lượng cần xác định ……….34

2.1.4 Phương pháp đánh giá kết quả đo ……… 35

2.2 Nghiên cứu xác định miền thực nghiệm sấy thóc.………38

2.1.1 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến tỷ lệ nguyên hạt.………… 38

2.1.2 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến tốc độ sấy và thời gian sấy 42

2.1.3 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến năng lượng tiêu hao riêng…44 2.3 Phương pháp nghiên cứu……… 44

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn và đa yếu tố.……… 44

2.3.2 Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu……… 47

2.3.2.1 Bài toán tối ưu đa mục tiêu tổng quát……….47

2.3.2.2 Các thuật toán tối ưu hoá lặp điển hình ………49

2.4 Kết luận chương 2……….51

CHƯƠNG 3 Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng các phương trình hồi qui của quá trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy……… 52

3.1 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng đơn yếu tố chế độ sấy…… ….52

3.1.1 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến tỷ lệ nguyên hạt………… 52

3.1.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến tỷ lệ nguyên hạt………52

3.1.1.2 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến tỷ lệ nguyên hạt ………53

3.1.1.3 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến tỷ lệ nguyên hạt……… 54

3.1.1.4 Ảnh hưởng của khoảng thời gian đảo gió đến tỷ lệ nguyên hạt …….55

3.1.2 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến thời gian sấy riêng……… 56

3.1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến thời gian sấy riêng………56

3.1.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến thời gian sấy riêng ………57

3.1.2.3 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến thời gian sấy riêng………… 58

3.1.2.4 Ảnh hưởng của khoảng thời gian đảo gió đến thời gian sấy riêng… 58

3.1.3 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến tiêu hao năng lượng riêng 59

3.1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến tiêu hao năng lượng riêng…….59

3.1.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến tiêu hao năng lượng riêng………60

3.1.3.3 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến tiêu hao năng lượng riêng… 61

3.2 Xây dựng các mô hình toán học của quá trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy…….63

3.2.1 Xây dựng phương trình hồi quy xác định tỷ lệ nguyên hạt………63

3.2.2 Xây dựng phương trình hồi quy xác định thời gian sấy riêng………71

3.2.3 Xây dựng phương trình hồi quy xác định tiêu hao năng lượng riêng.… 74

3.3 Kết luận chương 3……… 76

CHƯƠNG 4 Tối ưu hóa đa mục tiêu các thông số chế độ sấy thóc tĩnh theo lớp dầy 4.1 Lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu và thuật toán vượt khe hướng chiếu Affine ……… 78

4.1.1 Đường lối chung để giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu……… 78

4.1.2 Thuật toán tối ưu hóa vượt khe hướng chiếu Affine ……… 79

4.2 Tối ưu các thông số chế độ sấy thóc tĩnh theo lớp dầy ……… 81

4.2.1 Xây dựng các mô hình không thứ nguyên 81

4.2.2 Xác định chế độ sấy thóc tối ưu ……… 83

4.2.3 Kiểm định chế độ sấy tối ưu 89

4.3 Ảnh hưởng của dung ẩm khí sấy ở chế độ sấy tối ưu 90

4.4 Kết luận chương 4 95

KẾT LUẬN CHUNG……… ………97

NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 102

PHỤ LỤC……… 117

CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

ap Bề mặt riêng của một đơn vị thể tích thóc m2/m3

Ga Lưu lượng không khí trên một đơn vị diện tích kg/m2.s

H Độ ẩm tuyệt đối của khí sấy, không khí kg/m3

α Hệ số tỏa nhiệt W/m2.K

d.b (Độ ẩm) trên cơ sở cốt khô

w.b (Độ ẩm) trên cơ sở vật ướt

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU TRONG LUẬN ÁN

Bảng số Tên bảng Trang

Bảng 1.1 Thành phần % của phân tử tinh bột của hai loại thóc gạo cơ bản………7

Bảng 1.2 Các mô hình sấy thóc lớp mỏng……… 22

B¶ng 2.1 Ma trận thÝ nghiÖm theo ma trận trực giao bậc hai ……… 46

Bảng 3.1 Ma trận thÝ nghiÖm và kết quả thí nghiệm……… 64

Bảng 4.1 Bảng kết quả thí nghiệm có và không có thứ nguyên ………81

Bảng 4.2 Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,1……… 85

Bảng 4.3 Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,3……… 85

Bảng 4.4 Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,5……… 85

Bảng 4.5 Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,6……… 86

Bảng 4.6 Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,7……… 86

Bảng 4.7 Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,9……… 86

Bảng 4.8 Tổng hợp các phương án tối ưu Pareto ……… 87

Bảng 4.9 Độ lệch chuẩn giữa giá trị dự đoán với thực nghiệm kiểm định.………89

Bảng 4.10 Ảnh hưởng của dung ẩm và t khí sấy đến HRY,Dt,Q với θ=0,1…… 91

Bảng 4.11 Ảnh hưởng của dung ẩm và t khí sấy đến HRY,Dt,Q với θ=0,3…… 91

Bảng 4.12 Ảnh hưởng của dung ẩm và t khí sấy đến HRY,Dt,Q với θ=0,6 … 92

Bảng 4.13 Ảnh hưởng của dung ẩm và t khí sấy đến HRY,Dt,Q với θ=0,9.… 92

Hình Tên hình Trang

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm ……….32

Hình 2.2 Thiết bị sấy thí nghiệm ………32

Hình 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến HRY.……… 52

Hình 3.2 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến HRY ……….53

Hình 3.3 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến HRY.……… 54

Hình 3.4 Ảnh hưởng của thời gian đảo gió đến HRY……… 55

Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến Dt……… 56

Hình 3.6 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến Dt……… 57

Hình 3.7 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến Dt……… 58

Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian đảo gió đến Dt ……… 59

Hình 3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến Q ……… 60

Hình 3.10 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến Q.……….60

Hình 3.11 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến Q……… 61

Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian đảo gió đến Q ……….62

Hình 3.13 So sánh kết quả Dt tính từ mô hình (series 1) và Dt thực tế…… 71

Hình 4.1 Quá trình cực tiểu hoá theo thuật toán VAF….……… 78

Hình 4.2 Hệ số ảnh hưởng k(HRY), k(Dt), k(Q) với θ =0,1……… 91

Hình 4.3 Hệ số ảnh hưởng k(HRY), k(Dt), k(Q) với θ =0,3……… 91

Hình 4.4 Hệ số ảnh hưởng k(HRY), k(Dt), k(Q) với θ =0,6……… 92

Hình 4.5 Hệ số ảnh hưởng k(HRY), k(Dt), k(Q) với θ =0,9……… 92

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu

Thóc lúa (tên khoa học là Oryza Sativa) là một trong hai loại ngũ cốc quan

trọng nhất cung cấp lương thực cho hơn nửa dân số thế giới Cây lúa được trồng đầu tiên ở Đông Nam Á và sau đó là trên toàn thế giới từ hơn 7000 năm trước Sản

lượng thóc hàng năm của thế giới tăng đều đặn từ 520 triệu tấn ở đầu thập kỷ 1990 đến 605 triệu tấn vào năm 2004 với 90% sản lượng là ở Đông và Tây Á Các nước

dẫn đầu về sản xuất thóc gạo là Trung Quốc với 30,7%, Ấn Độ với 21,6%,

Inđônêsia với 8,7% và Việt Nam với 5,6% sản lượng thóc gạo của thế giới [126]

Năm 2010 sản lượng thóc của Việt Nam đạt xấp xỉ 40 triệu tấn, xuất khẩu trên 6

triệu tấn gạo và năm 2011 sản lượng thóc đạt 41,5 triệu tấn, xuất khẩu trên 7 triệu

tấn gạo

Thóc là vật liệu sinh học có độ ẩm rất cao khi thu hoạch (từ 25 ÷ 40% d.b.) và

có mức độ hô hấp mạnh, rất dễ bị côn trùng, vi sinh vật và mối mọt phá hỏng Sau

thu hoạch trong vòng 24 giờ, thóc cần được sấy để giảm độ ẩm xuống 14% làm

chậm quá trình hô hấp của hạt, ngăn cản nấm mốc phát triển và kéo dài thời gian

bảo quản an toàn Chất lượng quá trình phơi sấy có vai trò quan trọng trong dẫy

sản xuất thóc gạo và phụ thuộc vào trình độ sản xuất và khả năng kinh tế rất khác

nhau của các nước sản xuất thóc gạo [83], [126]

Phương pháp phơi sấy thóc ở Việt Nam hiện nay chủ yếu vẫn là phơi thóc trực

tiếp dưới ánh nắng mặt trời Phơi thóc như vậy tiêu tốn rất ít năng lượng để làm

khô thóc nhưng phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết, độ tin cậy không cao vì không

khống chế được nhiệt độ sân phơi, thời gian phơi kéo dài, chất lượng không đồng đều, tỷ lệ gẫy vỡ và hao hụt cao, bị lẫn nhiều tạp chất và tốn nhiều công lao động

Chỉ tính riêng ở Đồng bằng sông Cửu Long, nơi sản xuất trên 21 triệu tấn thóc và

xuất khẩu trên 6 triệu tấn gạo (năm 2011), tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch lúa trung

bình là 13,7% (tương đương 635 triệu USD/năm), cá biệt có nơi lên đến 20,6% do

thóc thu hoạch trong mùa mưa lũ không được phơi sấy kịp thời Trong đó tổn thất

ở khâu phơi sấy là cao nhất chiếm 4,2%; thu hoạch 3%; xay xát 3%; bảo quản

2,6%; vận chuyển 0,9%,… Những thiệt hại về chất lượng thóc gạo cũng rất lớn, thể

hiện qua giá gạo xuất khẩu của Việt nam thường thấp hơn của Thái lan và Mỹ từ

80 – 100 USD/tấn [157] Để giảm tổn thất sau thu hoạch thì cần phải cơ giới hóa

dẫy sản xuất thóc gạo từ lúc gieo trồng đến khi thu hoạch, nhất là cho khâu sấy để

chủ động sấy thóc trong mùa mưa lũ

Các loại thiết bị sấy cơ khí ít được sử dụng ở các tỉnh miền Bắc và miền Trung

do diện tích sản xuất nhỏ hẹp, thóc hàng hóa không nhiều và nông dân vẫn phơi

thóc trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời Các loại máy sấy, như máy sấy tĩnh SHG và

máy sấy tháp, được sử dụng rất hạn chế trong một số trung tâm sản xuất thóc giống

ở Thái Bình, Thái Nguyên, Thanh Hóa,…hoặc để sấy ngô hạt ở Sơn La Chỉ ở ĐBSCL do lượng lúa hàng hóa lớn, chiếm trên 50% sản lượng thóc của cả nước,

thì mới có nhu cầu sấy thóc bằng máy nhất là trong mùa mưa lũ Trong các loại

thiết bị sấy thóc cơ khí thì thiết bị sấy vỉ ngang đang được nông dân ĐBSCL sử

dụng phổ biến hơn cả, vì các thiết bị sấy tháp cho chất lượng thóc sấy cao hơn

nhưng giá thành lại cao gấp ba lần máy sấy tĩnh nên chỉ được sử dụng ở một số

doanh nghiệp xay xát lớn [142] Còn các lò sấy đối lưu tự nhiên (dạng SH-200,

SRR) rẻ tiền, nhưng thời gian sấy lại quá dài (xấp xỉ 2 ngày đêm), năng suất quá

thấp không đáp ứng được nhu cầu sấy thóc hàng hóa sản lượng lớn nên cũng không được sử dụng phổ biến

Thiết bị sấy vỉ ngang sử dụng một thùng để chứa thóc, quạt để thổi khí sấy qua

lớp hạt và hệ thống cấp nhiệt để nâng cao thế sấy cho khí sấy Hệ thống cấp nhiệt

có thể sử dụng rất nhiều loại nhiên liệu khác nhau, có thể tận dụng nhiên liệu rẻ

tiền, sẵn có ở địa phương Thiết bị sấy vỉ ngang có giá không cao, vận hành dễ

dàng và chủ động, khá phù hợp với điều kiện kinh tế và trình độ sản xuất của các

nông hộ ở ĐBSCL, có năng suất sấy cao hơn, thời gian sấy ngắn hơn, chất lượng

sản phẩm sấy tốt hơn nhưng tốn kém hơn so với phương pháp phơi thóc dưới ánh

nắng mặt trời Tính đến cuối năm 2007 toàn vùng ĐBSCL sử dụng 2330 máy sấy

vỉ ngang, trong đó có trên 300 máy có đảo gió, công suất 2 - 8tấn/mẻ, đáp ứng

khoảng 21% sản lượng thóc cần sấy Đến tháng 6/2011 toàn vùng ĐBSCL có

khoảng 6430 máy sấy các loại (chủ yếu là máy sấy vỉ ngang), đáp ứng được 31%

sản lượng thóc vụ hè thu, cho thấy vẫn cần tiếp tục khuyến khích phát triển thiết bị

sấy thóc [157], [158]

Để vận hành thiết bị sấy thóc vỉ ngang một cách hiệu quả cần phải có những

nghiên cứu khoa học về quá trình sấy thóc tĩnh, lớp dầy của loại thiết bị sấy này

Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu quá trình sấy hạt nông sản đã được công bố

trên thế giới lại tập trung vào các mô hình sấy hạt trong các thiết bị sấy cơ khí

thương mại hiện đại như thiết bị sấy tháp, sấy thùng quay, sấy tầng sôi, sấy bằng

bức xạ hồng ngoại, vi sóng,… [8, 21, 25, 28, 39, 44, 46, 51, 52, 56, 60, 62, 69, 79,

103, 105, 133, 139] Các nghiên cứu về sấy tĩnh theo lớp dầy chủ yếu áp dụng cho

sấy - thông gió bảo quản với nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường Các

kết quả nghiên cứu cụ thể cho quá trình sấy tĩnh có nhiệt độ cao (t > 40oC) còn rất

hạn chế, có thể là do kiểu thiết bị sấy này chỉ phù hợp với điều kiện sản xuất và

khả năng kinh tế của những nước chậm phát triển như Việt Nam nên không là đối

tượng nghiên cứu sâu rộng của các nhà khoa học trên thế giới [127] Các nghiên

cứu sấy thóc tĩnh theo lớp dầy ở trong nước đáng chú ý là của Phan Hiếu Hiền và

cs thực hiện để chế tạo máy sấy SRR và SHG có và không có đảo gió, sau đó là

nghiên cứu khảo sát hiện trạng sấy thóc trong thiết bị sấy vỉ ngang và sấy tháp ở ĐBSCL trong khuôn khổ dự án CARD 2007 [142]

Vì vậy, để nâng cao hiệu quả quá trình sấy thóc trong thiết bị sấy vỉ ngang với điều kiện thời tiết khác nhau, góp phần nâng cao chất lượng và giá trị gạo xuất

khẩu của Việt Nam, rất cần những nghiên cứu toàn diện và kỹ lưỡng hơn về quá

trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy trong loại thiết bị sấy này Hướng nghiên cứu ứng

dụng thiết thực cho vận hành thiết bị sấy vỉ ngang là nghiên cứu xác định chế độ

sấy tối ưu của mô hình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu tối ưu chế độ sấy đối lưu thóc theo lớp dầy, cố định”

nhằm xác định trị số tối ưu của các điều kiện sấy cơ bản nhất là nhiệt độ, độ ẩm và

tốc độ khí sấy, chiều dầy lớp hạt và thời gian đảo gió tác động đến quá trình sấy

thóc tĩnh theo lớp dầy để tận dụng hiệu quả nhất năng suất của thiết bị, giảm thời

gian sấy và năng lượng tiêu hao mà vẫn bảo đảm chất lượng thóc sấy, ứng dụng

cho thiết kế và vận hành thiết bị sấy vỉ ngang

3 Nội dung nghiên cứu

1 Nghiên cứu tổng quan về sấy tĩnh hạt nông sản và thóc theo lớp dầy, các mô

hình toán học mô phỏng tốc độ sấy, thời gian sấy, năng lượng tiêu hao và chất

lượng sản phẩm sấy, đánh giá khả năng ứng dụng và những tồn tại, đề ra nhiệm vụ

cụ thể cần giải quyết để thực hiện được mục đích nghiên cứu

2 Nghiên cứu xác định miền thực nghiệm sấy thóc và tiến hành thí nghiệm

đánh giá ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy cơ bản như nhiệt độ và tốc độ của

khí sấy, chiều dầy lớp hạt và khoảng thời gian đảo gió đối với thời gian sấy riêng,

năng lượng tiêu hao riêng và tỷ lệ nguyên hạt trong sấy thóc tĩnh theo lớp dầy Xây

hao riêng và tỷ lệ nguyên hạt phụ thuộc vào bốn thông số chế độ sấy trên, đánh giá ảnh hưởng tổng hợp, đồng thời của bốn thông số đó trong sấy thóc tĩnh theo lớp

dầy để ứng dụng cho thiết bị sấy thóc vỉ ngang

3 Xây dựng hàm mục tiêu tổ hợp của bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu từ các

mô hình thời gian sấy riêng, năng lượng tiêu hao riêng và tỷ lệ nguyên hạt của quá

trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy Phân tích lựa chọn và ứng dụng thuật toán tối ưu

để xác định chế độ sấy thóc lớp dầy tối ưu nhằm tăng năng suất thiết bị, giảm thời

gian và năng lượng tiêu hao mà vẫn bảo đảm tỷ lệ nguyên hạt cao Kiểm định chế

độ sấy tối ưu vừa xác định

4 Nghiên cứu ảnh hưởng của dung ẩm khí sấy đến thời gian sấy, năng lượng

tiêu hao và chất lượng thóc sấy của các phương án tối ưu Pareto vừa xác định Đề

xuất quy trình sấy thóc hợp lý áp dụng cho thiết bị sấy vỉ ngang

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài nghiên cứu xác định các phương trình thực nghiệm dự đoán thời gian

sấy, năng lượng tiêu hao và tỷ lệ nguyên hạt theo chế độ sấy và xác định chế độ

sấy thóc tối ưu, đề xuất quy trình sấy thóc hợp lý để thực hiện quá trình sấy thóc

hiệu quả áp dụng cho hàng ngàn thiết bị sấy vỉ ngang, giúp giảm tổn thất sau thu

hoạch thóc ở ĐBSCL, chính là ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Tính khoa học của đề tài thể hiện qua các nghiên cứu: Phân tích đặc điểm chất

lượng của thóc sấy để xác định miền nghiên cứu thực nghiệm sấy thóc, thí nghiệm

đánh giá ảnh hưởng đơn và đa yếu tố của các thông số chế độ sấy tác động đến

thời gian sấy, năng lượng tiêu hao và tỷ lệ nguyên hạt của quá trình sấy thóc tĩnh

theo lớp dầy, xây dựng các mô hình toán học với phương pháp phù hợp, áp dụng

phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu và lựa chọn sử dụng thuật toán tối ưu hóa

thích hợp để xác định chính xác chế độ sấy tối ưu quá trình sấy thóc tĩnh theo lớp

dầy, xây dựng quy trình sấy thóc phù hợp ứng dụng cho thiết kế và vận hành hiệu

quả thiết bị sấy vỉ ngang

CHƯƠNG 1

NGHIÊN CƯÚ TỔNG QUAN VÀ XÁC ĐỊNH NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN

Sấy thóc là quá trình công nghệ để làm giảm độ ẩm của thóc sau thu hoạch đến

độ ẩm an toàn (≤ 14% d.b.) cho bảo quản dài ngày mà vẫn giữ được chất lượng của

thóc Cả ba tiêu chí tiêu hao năng lượng, tốc độ giảm ẩm (hay tốc độ sấy) và chất

lượng thóc sấy của quá trình sấy thóc nói chung, sấy thóc tĩnh theo lớp dầy nói

riêng, đều phụ thuộc vào chế độ sấy và được lượng hóa thông qua các mô hình

toán học mô phỏng Vì vậy cần nghiên cứu tổng quan về các mô hình tiêu hao năng

lượng, mô hình tốc độ sấy/thời gian sấy và mô hình chất lượng thóc sấy của quá

trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy; xác định mức độ ứng dụng các mô hình và tìm

hiểu chiến lược tối ưu hóa của các nghiên cứu về sấy thóc đã được công bố Từ đó

xác định nhiệm vụ cụ thể cần thực hiện để giải quyết mục tiêu của luận án

1.1 NGHIÊN CƯÚ TỔNG QUAN

1.1.1 Chất lượng của thóc gạo và mô hình tỷ lệ nguyên hạt theo điều kiện sấy

Sấy thóc không đơn thuần là làm giảm độ ẩm của thóc để bảo quản an toàn mà

còn là một quá trình công nghệ đảm bảo các thành phần dinh dưỡng, hóa học (như

protein, tinh bột, chất béo, các loại vitmin,…) của thóc không bị phá hỏng, cũng

như phải đảm bảo các tiêu chí chất lượng khác của thóc (như tỷ lệ nguyên hạt cao,

tỷ lệ thu hồi gạo cao, tỷ lệ nẩy mầm cao, tỷ lệ hạt gẫy thấp,…) Vì thế, khi nghiên

cứu quá trình sấy thóc cần phải hiểu rõ về cấu trúc hạt thóc, thành phần hóa học,

dinh dưỡng, các đặc điểm nhiệt vật lý và ảnh hưởng của chế độ sấy đối với chất

lượng của thóc gạo

1.1.1.1 Cấu trúc và thành phần của thóc gạo

Hạt thóc gồm ba thành phần, tính từ ngoài vào là lớp vỏ trấu, lớp áo cám, mầm

hạt và phần nội nhũ Lớp vỏ trấu bên ngoài, chiếm khoảng 18 đến 20% khối lượng

hạt thóc, bảo vệ hạt khỏi những tác động nguy hiểm khi thu hoạch, sấy và bảo

quản Tách bỏ vỏ trấu thu được gạo lứt (brown rice) Gạo lứt có một lớp màng bao

hạt (2%), lớp áo mầm và hạt cám (5%), mầm hạt (2-3%) và nội nhũ (89-94%)

Mầm hạt nằm ở tâm hạt là thành phần quan trọng nhất để duy trì sự sống của hạt,

rất giầu vitmin, protein và tinh dầu Phần nội nhũ của hạt chứa các chất dinh dưỡng

cho mầm, gồm chủ yếu là tinh bột và một ít hạt cám (aleurone), chiếm khoảng 74 ÷78% khối lượng hạt thóc Có thể coi hạt gạo lứt là hỗn hợp của tinh bột, protein,

một lượng nhỏ lipid và ẩm [61], [84]

Gạo lứt sau khi được đánh bóng sẽ thu được gạo trắng (milled or polished rice)

Các hạt cám bên ngoài phần nội nhũ cùng lớp màng hạt và lớp áo mầm bị mất đi

sau khi đánh bóng Khả năng hấp thụ ẩm của các thành phần này là khác nhau

nhưng trong phân tích động học quá trình sấy thóc thì sự không đồng nhất đó được

coi là không đáng kể [83]

Gạo và yến mạch là hai loại ngũ cốc có cấu trúc hạt tinh bột hợp chất (tức là hạt

tinh bột được tạo thành bởi rất nhiều hạt nhỏ) Tinh bột chiếm khoảng 90% khối

lượng khô của gạo trắng Các hạt tinh bột gạo có kích thước rất nhỏ (2-5µm) và có

dạng hình đa giác Hạt tinh bột gạo chứa các hạt amylose (chất tạo tinh bột) và các điểm phân nhánh của dẫy amylopectin tạo thành pha không định hình Các hạt

amylose và các chuỗi amylopectin bố trí theo hướng bán kính của hạt tạo thành các

vùng không định hình và các tinh thể xen kẽ nhau, tức là hạt tinh bột có cấu trúc

giống như một củ hành với các lớp amylose và amylopectin nhưng các lớp không

thể tách được [83] Hàm lượng amylose của gạo ảnh hưởng đến chất lượng của

cơm Gạo có hàm lượng amyloza cao thì lượng nước yêu cầu khi nấu cơm sẽ cao

hơn, cơm sẽ nở hơn, độ dóc cao hơn, dễ bị khô và cứng hơn Gạo có hàm lượng

amyloza thấp cơm sẽ dẻo và dính hơn

Bảng 1.1 Thành phần % của phân tử tinh bột của hai loại thóc gạo cơ bản [83]

Phân tử tinh bột Bengal (hạt trung bình) Cypress (hạt dài)

Chất trung gian 6,57 ± 0,51 15,47 ± 0,62

Protein là thành phần quan trọng thứ hai trong hạt gạo sau carbohydrate (tinh

bột) Mật độ của protein ở cám và lớp mặt ngoài của mầm khá cao, còn ở tâm hạt

gạo thì ít hơn Gạo đã đánh bóng có hàm lượng protein thấp hơn 18% so với gạo

lứt Protein và tinh bột ở điều kiện nhiệt ẩm cao có thể tham gia các phản ứng hóa

học làm ảnh hưởng đến chất lượng của gạo Lượng protein trong gạo được bảo tồn

khi nấu thành cơm Ngoài ra, trong cám gạo còn chứa các vitamin B complex, E và

K, còn trong gạo đã đánh bóng có chất béo và một số nguyên tố vi lượng khác như

iôt, manhê, phốt pho, sắt,

1.1.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến thành phần hóa học của gạo

Các thông số chế độ sấy đối lưu nói chung, nhiệt độ và độ ẩm khí sấy nói riêng,

có ảnh hưởng mạnh đến các thành phần hóa học và dinh dưỡng của thóc gạo

Protein và tinh bột trong hạt thóc là những chất keo háo nước Khi hấp thụ ẩm

hai thành phần này sẽ trương nở và giữ vai trò quan trọng trong việc nẩy mầm của

hạt thóc giống Đặc tính háo nước của hai thành phần này rất thuận lợi để làm bột

nhào khi xay nghiền Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao (t > 50o

C) protein sẽ bị biến

chất làm khả năng hấp thụ nước và trương nở của nó bị giảm Mức độ và tốc độ

biến chất của protein tùy thuộc vào nhiệt độ sấy và thời gian tiếp xúc nhiệt của hạt

Phương pháp xử lý protein ngậm nước biến chất là phải làm cho tốc độ sấy nhanh

hơn tốc độ biến chất của nó [139]

Tinh bột không tan trong nước nhưng trương nở khi hấp thụ ẩm Ở nhiệt độ

60oC chất lượng tinh bột chưa có sự thay đổi rõ rệt, nhưng nếu nhiệt độ tăng lên

trên 70oC và ở độ ẩm cao tinh bột sẽ bị gelatin hóa và phân li dưới dạng dextrin

hóa và caramen hóa làm hạt bị đổi mầu, chất lượng dinh dưỡng giảm và khả năng

nẩy mầm của hạt cũng giảm

Chất béo không tan trong nước và chịu nhiệt tốt hơn tinh bột và protein Ở nhiệt

độ lớn hơn 70oC chất béo bắt đầu bị phân hủy, làm tăng acid béo Các loại vitmin

có trong hạt cũng bị phá hủy mạnh ở nhiệt độ cao

Hoạt động của các enzyme tăng theo nhiệt độ và đặt cực đại ở nhiệt độ 40 ÷

45oC Ở nhiệt độ cao hơn hoạt động của các enzyme giảm dần và ngừng hoàn toàn

ở nhiệt độ trên 80oC Hoạt động của enzyme, gắn với sự biến tính của protein và

thủy phân tinh bột, sẽ giảm khi được sấy ở nhiệt độ cao, làm khả năng nẩy mầm

của hạt giảm

1.1.1.3 Khả năng sống của hạt thóc

Khả năng sống của hạt là khả năng hạt có thể nẩy mầm dưới những điều kiện

nhiệt ẩm thuận lợi Thóc giống cần được sấy khô với ưu tiên về khả năng nẩy mầm

của hạt Mầm của hạt thóc tươi (có độ ẩm cao) sẽ chết ở nhiệt độ lớn hơn 43o

C Nhiệt độ an toàn cho hạt giống phụ thuộc vào độ ẩm và thời gian tiếp xúc với nhiệt

của hạt, nó sẽ tăng lên khi độ ẩm của hạt giảm xuống [52]

Nếu thóc được phơi sấy ở nhiệt độ 60o

C trong 1 giờ thì khả năng nẩy mầm của

hạt bị giảm từ 95 xuống 30%, nếu trong 2 giờ thì tỷ lệ nẩy mầm chỉ còn 5% Nhiệt

độ chịu được của hạt giống giảm khi độ ẩm của hạt tăng, ở độ ẩm 18% là 67o

C

giảm xuống 56o

C nếu độ ẩm của hạt là 30% Sấy nhanh làm lớp áo trong hạt thóc

bị co ngót và biến cứng thành một lớp màng trơ ngăn cản ẩm dịch chuyển và làm

giảm khả năng nẩy mầm của hạt

Tỷ lệ nẩy mầm của hạt giống có mối liên hệ với ứng suất làm nứt hạt khi sấy

Hạt có nhiều vết rạn nứt thì có tỷ lệ nẩy mầm thấp Tuy nhiên, điều đó không có

nghĩa là không có rạn nứt thì hạt sẽ có tỷ lệ nẩy mầm cao, vì tỷ lệ nẩy mầm còn

phụ thuộc những điều kiện khác ngoài các ứng suất làm nứt hạt Tỷ lệ nẩy mầm

của thóc phụ thuộc nhiệt độ, tốc độ khí sấy và thời gian làm dịu khi sấy [69]

Trong quá trình bảo quản thóc giống thì nhiệt độ môi trường bảo quản và độ ẩm

của thóc có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sống của hạt Độ ẩm của thóc càng

thấp thì khă năng sống của hạt giống càng dài Nếu muốn bảo quản hạt giống lâu

hơn một năm thì độ ẩm của hạt phải nhỏ hơn 10% và phải duy trì độ ẩm đó suốt

thời gian bảo quản và có thể bảo quản an toàn hạt giống trong túi kín Số tuần bảo

quản để giữ được 50% khả năng nẩy mầm của thóc giống có thể được xác định

theo công thức Teter [83]

1.1.1.4 Tiêu chí chất lượng và các tổn thất về chất lượng của thóc gạo

Vào thời điểm thu hoạch thóc có mức độ chất lượng nhất định và chất lượng

của thóc có thể bị giảm dần qua mỗi công đoạn của quá trình sản xuất Tiêu chí

chất lượng của gạo chủ yếu được quyết định bởi các tính chất vật lý như độ ẩm

thấp, tỷ lệ hạt gẫy (Crack Grain Ratio, CGR) thấp, tỷ lệ nguyên hạt (Head Rice

Yield, HRY) cao, tỷ lệ thu hồi gạo sau xay xát cao, mầu sắc trắng trong của gạo, tỷ

lệ nẩy mầm cao (nếu là thóc giống); trong khi chất lượng của cơm lại được xác định bởi các tính chất hóa - lý, đặc biệt là hàm lượng amylose, độ dẻo, hương, vị

của cơm [83]

Vì gạo được tiêu thụ chủ yếu ở dạng nguyên hạt nên tỷ lệ nguyên hạt HRY được coi là thông số chất lượng quan trọng nhất của thóc gạo và theo quan điểm

thương mại thì cực đại hóa tỷ lệ HRY sau xay xát luôn là ưu tiên số một Tỷ lệ

nguyên hạt HRY là số phần trăm (%) khối lượng gạo còn giữ được ít nhất là ¾ độ

dài ban đầu của hạt sau khi xay xát đánh bóng Tỷ lệ nguyên hạt HRY giảm làm

giá trị thương phẩm của gạo giảm rất nhiều, thậm chí chỉ còn một nửa [19], [84]

Tỷ lệ HRY thay đổi tùy vào chất lượng của toàn bộ dẫy sản xuất thóc gạo, gồm:

giống lúa, thời điểm thu hoạch, điều kiện thu hoạch, chất lượng quá trình sấy, bảo

quản, xay xát và đánh bóng gạo Để nâng cao tỷ lệ HRY đòi hỏi phải cố gắng trong

toàn bộ các khâu của quá trình sản xuất thóc gạo; như nghiên cứu tạo ra các giống

lúa mới ít bị nứt gẫy, cải tiến điều kiện sấy và xử lý thóc trước và sau thu hoạch

(chẳng hạn như gặt hái khi lúa chín đều, dùng phương pháp đồ thóc), cải tiến quá

trình bảo quản thóc và thiết bị xay xát đánh bóng gạo [19, 50, 55, 117]

Để xác định tỷ lệ HRY có thể sử dụng một số phương pháp và dụng cụ đo HRY

do một số nhóm nghiên cứu đề xuất [69], [87] và phương pháp phân tích hình ảnh được coi là phương pháp hiện đại và cho kết quảchính xác nhất [129]

Tổn thất về chất lượng thóc gạo thể hiện theo các dạng sau:

1 Những thay đổi về mầu sắc Độ trắng, độ trong mờ và mức độ đánh bóng ảnh hưởng đến diện mạo của gạo Gạo đã xay xát mà bị biến màu, thường thành

mầu vàng, làm nó trở nên kém hấp dẫn sẽ có giá bán kém hơn Sự biến đổi vật lý

và hóa học từ lớp vỏ trấu, lớp cám và đến nội nhũ của hạt gây nên sự biến mầu

[52] Sự trì hoãn thu hoạch cũng làm hạt bị vàng trên cánh đồng và có thể tăng mức

độ biến mầu lên thêm 5% thậm chí đến 30%, trong quá trình sấy và bảo quản [55]

2 Những thay đổi về hương thơm của gạo Hương thơm của hạt, từ thóc đến

khi được nấu thành cơm, là một trong những chỉ tiêu hấp dẫn quan trọng của gạo,

và quá trình sấy thóc ở nhiệt độ cao có thể làm giảm hương thơm của của gạo

[105], [115]

3 Sự hư hại và giảm phẩm cấp của gạo do côn trùng, nấm mốc, tác động của

nhiệt và ẩm trong bảo quản làm cho gạo bị biến chất và bị thay đổi sắc diện như bị đen một phần hoặc toàn bộ hạt Gạo bị lên men do những thay đổi sinh hóa xẩy ra

trong hạt Qui mô của quá trình lên men quyết định cường độ phá hủy các chất

dinh dưỡng của gạo (hàm lượng protein, tinh bột và vitamin) Tổn thất các vi chất

khi nấu cơm, khi xay bột và làm bánh [54], [61]

4 Mất khả năng nẩy mầm của hạt giống

5 Giảm tỷ lệ nguyên hạt HRY và sự tạo phấn của gạo do các hạt tinh bột

trương nở tại những vùng đứt gẫy trong hạt thóc khi hạt hấp thụ ẩm và làm tăng tỷ

lệ nứt gẫy hạt gạo [1, 36, 136]

Sự thay đổi các chỉ tiêu chất lượng của thóc gạo (ví dụ như các tổn thất về dinh

dưỡng) thường gắn liền với sự mất mát về khối lượng nhưng khó nhận biết hơn

Các tổn thất về chất lượng của thóc gạo có trong toàn bộ dẫy sản xuất nhưng ảnh

hưởng của các điều kiện sấy là rất lớn Giảm thiểu tổn thất chất lượng của thóc

gạo, cụ thể là giảm thiểu tỷ lệ gẫy hạt và nâng cao tỷ lệ nguyên hạt HRY, để nâng

cao giá trị kinh tế của gạo được coi là mục tiêu chất lượng tiêu biểu nhất phải tính đến trong nghiên cứu tối ưu chế độ sấy thóc [69], [87]

1.1.1.5 Các mô hình tỷ lệ nguyên hạt

Việc giảm tỷ lệ HRY rất khó gán cho một nguyên nhân đơn lẻ, nhưng các

nghiên cứu đều cho rằng tỷ lệ HRY đặc biệt nhậy cảm với điều kiện sấy và liên

quan chặt chẽ đến sự hình thành nứt gẫy bên trong hạt do ứng suất nhiệt-ẩm khi

thực hiện quá trình sấy thóc Phần lớn các nghiên cứu quá trình sấy thóc đều quan

tâm đến việc xác định các điều kiện sấy hợp lý để làm giảm gẫy nứt hạt, làm tăng

tỷ lệ HRY của gạo đồng thời giảm thiểu tiêu hao năng lượng trong quá trình sấy

[36, 43, 55, 61, 65, 77, 84, 89, 115] Ảnh hưởng của điều kiện sấy đến tỷ lệ HRY được định lượng thông qua các mô hình toán học xác định tỷ lệ HRY Các mô hình

HRY phụ thuộc chế độ sấy được xây dựng theo dạng mô hình lý thuyết truyền

nhiệt truyền chất, mô hình bán thực nghiệm và thực nghiệm

Nghiên cứu bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) Bonazzi và cs.[19] đã

mô hình hóa tỷ lệ HRY của thóc như là hàm bậc hai của nhiệt độ và khả năng nhận

ẩm của khí sấy Chen và cs (1997) đề xuất một mô hình thực nghiệm dạng hàm

mũ mô tả tỷ lệ HRY như là hàm của thời gian và tốc độ sấy Madamba và Yabes

[69] cũng dùng phương pháp RSM xây dựng sáu mô hình chất lượng thóc gạo phụ

thuộc nhiệt độ, tốc độ khí sấy và thời gian làm dịu trong sấy thóc gián đoạn Kiểu

mô hình xây dựng bằng phương pháp RSM có thể giải thích ảnh hưởng chéo giữa

các biến của quá trình, sử dụng dễ dàng và không đòi hỏi nhiều điểm thí nghiệm

Hạn chế cơ bản của những mô hình thực nghiệm là chúng chỉ chính xác trong

khoảng thông số chúng được xác định

Các nghiên cứu trung gian giữa các mô hình lý thuyết và các mô hình thực

nghiệm là mô hình dạng “động học phản ứng hóa học” Ưu điểm của mô hình dạng

này là có thể gắn các điều kiện vận hành hay các biến trạng thái của quá trình hoặc

sản phẩm với các hệ số của mô hình Các mô hình dạng này đòi hỏi số lượng các điểm thí nghiệm nhiều hơn để xác định các hệ số của phương trình Theo cách tiếp

cận này Aguerre và cs [1] đã đề xuất mô hình mô tả rất tốt tỷ lệ HRY như là hàm

của nhiệt độ và thời gian sấy Nghiên cứu của Aguerre [1] chỉ ra ảnh hưởng của

nhiệt độ và độ ẩm của khí sấy đến đặc tính chất lượng HRY của thóc sấy

Có không nhiều nghiên cứu về chất lượng thóc sấy phụ thuộc vào các điều kiện

sấy dựa trên cơ sở lý thuyết truyền nhiệt truyền chất thuần túy Việc phân tích tốt

hơn quá trình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy thóc là rất cần thiết cho

việc cải tiến hệ thống sấy để giữ được tỷ lệ nguyên hạt cao Phát triển mô hình gẫy

hạt gắn với mô hình truyền ẩm khuếch tán cho quá trình sấy thóc theo lớp mỏng,

với giả thuyết hạt gạo hình cầu và hệ số khuếch tán ẩm được xác định nhờ các số

liệu thực nghiệm, Zecchi và Gerla [135] đã xây dựng một mô hình HRY không thứ

nguyên cho thóc có dạng như nghiệm của công thức khuếch tán theo nhiệt độ, độ

ẩm khí sấy, thời gian sấy và độ ẩm của hạt không thứ nguyên Cần lưu ý là các mô

hình trên đều được xây dựng cho QTS thóc theo lớp mỏng Đối với QTS thóc tĩnh

theo lớp dầy Phan Hiếu Hiền và cs đã công bố một bảng thống kê tỷ lệ HRY của

thóc sấy trong một nghiên cứu khảo sát thiết bị sấy thóc vỉ ngang [142]

1.1.2 Các mô hình sấy tĩnh hạt nông sản và thóc theo lớp dầy

Sấy lớp dầy là quá trình sấy mà thông số của khí sấy tại vị trí bất kỳ trong khối

hạt bị thay đổi theo thời gian và chiều dầy lớp hạt Quá trình sấy hạt được thực

hiện trong “vùng sấy”, và vùng sấy dịch chuyển trong lớp hạt theo chiều chuyển động xuyên qua lớp hạt của khí sấy Chiều dầy lớp hạt càng lớn thì sự dịch chuyển

của vùng sấy từ đáy giường sấy lên mặt trên cùng của lớp hạt càng lâu, và lớp hạt

nằm dưới đáy của giường sấy được tiếp xúc đầu tiên với khí sấy càng dễ bị “quá

sấy” Khi đó một lượng ẩm nhỏ được tách ra từ hạt trong vùng sấy có thể bị hấp

thụ lại bởi các hạt nằm phía trên Thể tích của vùng sấy thay đổi theo nhiệt độ, độ

ẩm, tốc độ khí sấy và độ ẩm đầu vào của hạt Khác với sấy lớp mỏng, trong sấy lớp

dầy vai trò của tốc độ khí sấy là đáng kể vì tốc độ dịch chuyển của vùng sấy tỷ lệ

thuận với tốc độ khí sấy [24], [28]

Mô hình mô phỏng quá trình sấy lớp dầy thường dựa trên quan niệm lớp dầy là

gồm nhiều lớp mỏng xếp chồng liên tiếp nhau theo chiều chuyển động xuyên qua

lớp hạt của khí sấy Trong đó nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ khí sấy đi vào lớp sau

chính là nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ khí sấy đi ra lớp mỏng trước đó; độ ẩm và nhiệt

độ của hạt vào lớp sau cũng là độ ẩm và nhiệt độ của hạt đi ra lớp mỏng trước đó

Vì vậy vai trò của công thức sấy lớp mỏng trong mô hình lớp dầy là rất quan trọng

và độ chính xác của công thức này quyết định độ chính xác của mô hình lớp dầy

Không có công thức sấy lớp mỏng vạn năng mô tả chính xác quá trình sấy hạt lớp

dầy với độ dầy khác nhau cho các loại hạt nông sản khác nhau Vì thế, khi nghiên

cứu quá trình sấy hạt nông sản lớp dầy các nhà nghiên cứu thường phát triển công

thức sấy lớp mỏng loại hạt đó, do đó có thể có nhiều công thức sấy lớp mỏng khác

nhau cho một loại hạt [26], [56]

Các mô hình mô phỏng quá trình sấy hạt nông sản và thóc gắn với việc xây

dựng và giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất mô tả a) quá trình trao đổi

nhiệt - ẩm giữa hạt và khí sấy, b) tốc độ hấp thụ và phản hấp thụ của quá trình

truyền nhiệt truyền ẩm, c) các quan hệ cân bằng giữa hạt và khí sấy và d) các tính

chất của không khí ẩm Các công thức trong nhóm (a) được dựa trên các định luật

bảo toàn năng lượng và khối lượng Các công thức của nhóm (d) là dựa trên tính

chất nhiệt động của không khí khô và hơi nước Các công thức của nhóm (b) và (c)

phụ thuộc vào vật liệu và được phát triển dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm

Mô hình sấy hạt tĩnh theo lớp dầy được phân thành ba dạng sau: a) mô hình

không cân bằng hay còn gọi là mô hình đạo hàm riêng (the p.d.e model), b) mô

hình cân bằng (the equibrium model) và c) mô hình logarit (the logarithmic

model)

1.1.2.1 Các mô hình p.d.e

Các mô hình p.d.e mô phỏng quá trình sấy hạt nông sản theo lớp dầy với giả

thiết luôn tồn tại sự khác biệt đủ lớn về nhiệt độ (thường được lấy bằng 5oC) và độ

ẩm giữa khí sấy và hạt Dựa trên giả thiết đó và các định luật bảo toàn năng lượng

và bảo toàn khối lượng trong lớp hạt mỏng được khảo sát quá trình sấy hạt được

mô tả bằng một hệ 4 phương trình đạo hàm riêng, gồm các công thức cân bằng

entanpy của khí sấy, cân bằng entanpy của hạt, cân bằng độ ẩm của khí sấy và

công thức sấy lớp mỏng mô tả tốc độ thay đổi độ ẩm của hạt [5, 6, 26] Giải hệ

phương trình đó có thể xác định được bốn đại lượng, tại chiều dầy x trong giường

sấy ở thời điểm τ của QTS, như sau:

1 M = M(x,τ), độ ẩm trung bình cục bộ của hạt

2 tp = tp(x,τ), nhiệt độ trung bình của hạt

3 H = H(x,τ), độ ẩm của khí sấy

4 t = t(x,τ), nhiệt độ khí sấy

Mô hình sấy hạt tĩnh theo lớp dầy đầu tiên được Bakker- Arkema và cs (1967),

Brooker và cs (1974) [8] trình bầy, dựa trên 6 giả thiết đơn giản hóa quá trình

truyền nhiệt - truyền chất trong thể tích khảo sát có chiều dầy dx, như sau:

1 Sự xáo trộn hạt là không đáng kể

2 Gradient nhiệt độ trong hạt là không đáng kể

3 Dẫn nhiệt, dẫn ẩm từ hạt này đến hạt khác được bỏ qua

4 Sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy theo thời gian là không đáng

kể so với theo chiều cao lớp hạt (∂t/∂τ << ∂t/∂x, ∂H/∂τ << ∂H/∂x)

5 Tường của thiết bị sấy được cách nhiệt hoàn hảo và bỏ qua lượng nhiệt tích

x

t V

v a a a

p

ρ ρ τ

t t c h M c c

t t h t

a w p p p

p v v

w p p p

p p

∂

∂ +

− + + +

ρ

τ ρ τ

ε ρ

p a

a

(1.3)

Biet yLopMongDa CongThucSa

M =

∂

∂

τ (1.4)Sau đó Spencer (1969), Sharp (1982), Laws và Parry (1983), Giner và cs (1996)

đã trình bày các mô hình p.d.e cho quá trình sấy hạt tĩnh theo lớp dầy với thay đổi

chủ yếu là ở công thức sấy lớp mỏng mới

Các mô hình p.d.e trên có thể giải bằng phương pháp biến đổi tích phân hoặc

sai phân hữu hạn Theo Ingram thì phương pháp hiêu quả và chính xác hơn cả là

phương pháp sai phân của Hamdy và Barre [26] Srivastva và John (2002) đã xây

dựng mô hình sấy hạt lớp dầy mới có tính đến ảnh hưởng của độ rỗng của đống hạt

và đã giải các phương trình p.d.e kết hợp với các phương trình thường bằng

phương pháp Runge-Kutta theo sơ đồ ẩn ngược [107] Aregba và Nadeau [5] cũng

sử dụng phương pháp sai phân theo sơ đồ bán ẩn để giải hai mô hình p.d.e của

Bakker-Akerma (1967) và Brooker (1974) và đã chỉ ra sự khác biệt đáng kể của

chúng khi dự đoán trường độ ẩm và nhiệt độ của hạt

Theo Cenkowski và cs [26] thì sử dụng mô hình p.d.e có thể dự đoán khá

chính xác quá trình sấy hạt lớp dầy có nhiệt độ khá cao (đến 60o

C) nhưng thời gian

tính toán là rất lớn nếu tính đến sự thay đổi của các thông số đầu vào Độ chính xác

lời giải của mô hình p.d.e phụ thuộc rất nhiều vào công thức sấy lớp mỏng và các

thông số nhiệt vật lý bên trong và bên ngoài hạt được sử dụng khi giải mô hình

1.1.2.2 Các mô hình cân bằng

Ở điều kiện sấy có nhiệt độ và tốc độ khí sấy thấp quá trình sấy hạt tĩnh theo

lớp dầy (sấy bảo quản) rất gần với quá trình cân bằng

Mô hình cân bằng được rút ra từ các mô hình p.d.e với các giả thiết đơn giản

hóa là không tồn tại trở kháng truyền nhiệt - truyền ẩm giữa khí sấy và hạt, nghĩa là

nhiệt độ khí sấy luôn bằng nhiệt độ hạt t(x, τ) = tp(x, τ) và độ ẩm của hạt là độ ẩm

cân bằng M(x, τ) = Me(x, τ); do đó không cần sử dụng phương trình cân bằng

entanpy của khí sấy và của hạt Phương trình tốc độ sấy cũng thay đổi vì ở điều

kiện cân bằng thì độ ẩm của hạt MC chính là độ ẩm cân bằng Me Giải mô hình cân

bằng sẽ xác định được trường độ ẩm của hạt M(x, τ) và trường nhiệt độ của khí sấy

t(x, τ) [26], [127]

Henderson và Pabis (1961) đã tiến hành thí nghiệm sấy hạt trần và khẳng định

rằng chỉ sau 5 ÷ 6 phút thì nhiệt độ của hạt và của khí sấy sẽ bằng nhau Tuy nhiên,

Thompson và cs (1968) khẳng định trong quá trình sấy nhiệt độ trung bình của hạt

trần luôn nhỏ hơn nhiệt độ của khí sấy vì khi chuyển động qua hạt khí sấy đã

truyền nhiệt cho hạt Cách tiếp cận của Thompson và cs cho phép mô phỏng quá

trình sấy hạt lớp dầy chính xác hơn Theo cách tiếp cận này Islam và Jindal (1981)

đã đưa ra công thức xác định thời gian sấy thóc theo lớp mỏng có dạng:

τ = Aln(MR) +B[ln(MR)]2 (1.5)

với A = f(t, Rh), B = f(Min, t), và hai ông đã phát triển một mô hình cân bằng cho

sấy thóc lớp dầy với kết quả dự đoán cao hơn chút ít so với kết quả thí nghiệm

[26] Bloome và Shove [18] đã đề xuất một mô hình cân bằng với giả thiết về độ

trễ giữa quá trình hấp thụ và phản hấp thụ ẩm của hạt là không đáng kể và xác định

được nhiệt độ cuối cùng của sản phẩm sấy nằm ở khoảng giữa nhiệt độ khí sấy và

nhiệt độ ban đầu của hạt [18]

Thompson (1972) phát triển một mô hình mới có tính đến các yếu tố sau:

1 Khí sấy được làm lạnh do ẩm bay hơi từ lớp hạt phía dưới

2 Nhiệt độ của hạt giảm do nhiệt độ khí sấy giảm

3 Hạt hô hấp sinh nhiệt

4 Có tổn thất nhiệt qua tường bên của giường sấy [114]

Tuy nhiên khi thử nghiệm lại Pfost và cs [88] đã chỉ ra sự không chính xác của mô

hình này, nhất là khi tốc độ khí sấy cao

Phát triển mô hình Thompson, Morey và cs (1979) đưa ra các thay đổi có tính

3 Tính đến sự không đồng đều của tốc độ thổi gió các giá trị dự đoán theo mô

hình phải giảm đi 20÷ 30%

4 Cần thực nghiệm kiểm định mô hình trong 24 giờ

Mô hình Morey cho dự đoán chính xác hơn mô hình Thompson với quá trình sấy

có tốc độ khí sấy cao và điều kiện đầu vào của khí sấy thay đổi [26]

Wongwises và Thongprasert [127] nghiên cứu quá trình sấy thóc lớp dầy theo

mô hình cân bằng đã dự đoán được độ ẩm của hạt và nhiệt độ của khí sấy theo thời

gian và chiều cao của lớp thóc trong giường sấy Wongwises và Thongprasert thiết

lập công thức cân bằng năng lượng giữa hạt và khí sấy như sau:

của thóc trong một lớp chia cho khối lượng khí sấy đi qua lớp hạt đó trong khoảng

thời gian ∆τ

So sánh các kết quả được xác định bằng mô hình cân bằng của Thompson và

Morey với mô hình p.d.e của Brooker, Cenkowski và cs [26] cho rằng với một số

giả thiết nhất định thì mô hình cân bằng là đủ chính xác để dự đoán đường cong độ

ẩm của các lớp hạt trong giường sấy Ưu điểm cơ bản của mô hình cân bằng là dễ

kết hợp với những tìm kiếm mới về quá trình sấy và tính toán thì đơn giản hơn so

với mô hình p.d.e., do đó nó phù hợp với các nghiên cứu vận hành, nhất là trong

sấy bảo quản Nhưng các mô hình cân bằng là không phù hợp với quá trình sấy có

tốc độ khí sấy cao

1.1.2.3 Các mô hình logarit

Mô hình logarit đầu tiên mô phỏng quá trình sấy hạt là của Hukill (1954) và đã được phát triển theo hướng mở rộng cho các điều kiện đầu vào thay đổi theo thời

gian bởi hàng loạt nhà nghiên cứu như Barre và cs [10], Bauhman và cs [11],

Barre và Hamdy [16], Sabbah [26]

Mô hình logarit cho sấy hạt lớp dầy được xây dựng dựa trên mối quan hệ trực

tiếp giữa tốc độ sấy (∂M/∂τ) của lớp hạt được khảo sát và gradient nhiệt độ của khí

sấy (∂t/∂x) đi qua lớp hạt này Quan hệ này có thể rút ra từ các phương trình p.d.e

của Brooker [25] hoặc của Sharp [95] với ba giả thiết đơn giản hóa sau:

1 Lượng nhiệt hiện để nâng nhiệt độ của hạt và của ẩm tách ra từ hạt là không

đáng kể so với lượng nhiệt ẩn để hóa hơi ẩm đã dịch chuyển

2 Sự tăng độ ẩm tương đối của khí sấy không làm tăng lượng nhiệt hiện của

khí sấy

3 Khối lượng riêng của đống hạt và nhiệt ẩn bay hơi là hằng số

Cân bằng năng lượng trong thể tích khảo sát dx có dạng:

ρ a Vc a , = L

v ρ p ,

(1.7)

Công thức này coi nhiệt hiện của khí sấy tiêu hao khi đi qua lớp hạt bằng với nhiệt

ẩn bay hơi ẩm trong lớp hạt khảo sát

Công thức thứ hai mô tả quan hệ giữa gradient nhiệt độ và gradient độ ẩm trong

giường sấy, như sau:

Với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên được lấy theo giả thiết của Hukill

(1954) các mô hình (1.7), (1.8) được chuyển về dạng không thứ nguyên và giải

bằng phương pháp đặc tính đã xác định được độ ẩm không thứ nguyên của hạt và

nhiệt độ không thứ nguyên của khí sấy [6]

Barre và Hamdy [11] đã sử dụng mô hình logarit để khảo sát tốc độ điền đầy

hạt tối ưu, nhưng không mô tả được sự dịch chuyển của vùng sấy Sử dụng mô

hình logarit và phần mềm MATLAB Wang và cs [122] đã phát triển một phần

mềm mô phỏng quá trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy Aregba và cs [6] đã nghiên

cứu so sánh kết quả dự đoán theo mô hình p.d.e của Giner và cs (1996) với lời giải

của mô hình logarit và kết luận rằng mô hình logarit là đủ chính xác để mô phỏng

quá trình sấy hạt tĩnh theo lớp dầy

Các mô hình logarit được phát triển và ứng dụng vì tính đơn giản của nó Các

mô hình này được ứng dụng chủ yếu cho quá trình sấy hạt tĩnh theo lớp dầy có

nhiệt độ khí sấy thấp và không phù hợp với quá trình sấy có điều kiện đầu vào của

khí sấy thay đổi [26]

Tóm lại, dưới những điều kiện khác nhau quá trình sấy hạt tĩnh theo lớp dầy được mô phỏng bởi ba dạng mô hình là: Mô hình p.d.e., mô hình cân bằng và mô

hình logarit Kết quả nhận được khi giải các mô hình này là xác định được trường

ẩm độ của lớp hạt và trường nhiệt độ khí sấy theo thời gian và chiều dầy lớp hạt

với độ chính xác khác nhau Theo Cenkowski và cs [26] thì không có công thức

duy nhất đủ chính xác để xác định tốc độ sấy cho tất cả các loại hạt trong quá trình

sấy đối lưu hạt nông sản theo lớp dầy Vì vậy trong các nghiên cứu sau này vẫn cần

phát triển các mô hình sấy hạt có độ chính xác cao hơn, đánh giá đầy đủ hơn các

nhân tố ảnh hưởng đến quá trình sấy và dễ ứng dụng hơn

Các công thức tốc độ sấy thóc theo lớp mỏng

Liên quan chặt chẽ đến việc xây dựng và giải các mô hình sấy thóc tĩnh theo

lớp dầy là các công thức tốc độ sấy thóc theo lớp mỏng và các công thức xác định

các thông số nhiệt vật lý của thóc cũng như các hệ số truyền nhiệt truyền chất giữa

khí sấy và thóc

Thuật ngữ “sấy lớp mỏng” được áp dụng đối với quá trình sấy hạt sau:

1 Một hạt đơn lẻ lơ lửng trong khí sấy hoặc một lớp hạt

2 Nhiều hạt có chiều dầy đủ nhỏ để có thể coi nhiệt độ và độ ẩm tương đối

của khí sấy là có cùng trạng thái nhiệt động tại thời điểm bất kỳ của quá trình sấy Điều đó có nghĩa là chiều dầy của lớp mỏng có thể tăng nếu tốc độ của khí sấy tăng

hoặc trạng thái nhiệt động của khí sấy tiến tới trạng thái cân bằng nhiệt - ẩm với

hạt trong lớp này [56]

Các mô hình sấy hạt theo lớp mỏng được phân thành mô hình lý thuyết khuếch

tán, mô hình thực nghiệm và mô hình bán thực nghiệm

Các mô hình khuếch tán xác định tốc độ sấy thóc được xây dựng với giả thiết

hình dáng của hạt thóc là hình cầu, truyền ẩm là do khuếch tán ẩm lỏng theo định

luật 2 của Fick, bỏ qua sự co ngót của hạt và gradient nhiệt độ trong hạt [44], [92],

[93] Theo du Peuty [45] thì hình dáng của hạt thóc được coi là hình cầu, hình trụ

tròn hay hình ellipsoid cũng không ảnh hưởng nhiều đến kết quả mô phỏng

Abud-Archila và cs [2] xác định động học của quá trình sấy thóc gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu với sự giảm nhanh của tốc độ sấy và giai đoạn sau thì tốc độ sấy giảm

chậm hơn Abud-Archila và cs sử dụng mô hình khuếch tán từng phần

(compartmental model) đã xác định được hệ số tỏa nhiệt, tỏa ẩm tại mặt ngoài của

hạt và hệ số dẫn ẩm bên trong hạt thóc

Các mô hình thực nghiệm và bán thực nghiệm có ưu điểm cơ bản là dễ áp dụng,

và phần lớn được xây dựng dựa trên việc đơn giản hóa nghiệm tổng quát định luật

2 của Fick Mô hình sấy thóc lớp mỏng theo công thức Newton là của Henderson

và Perry [35] Agrawal và Singh [3] sử dụng mô hình Logarithmic để mô phỏng

quá trình sấy thóc hạt tròn Wang và Singh [121] sử dụng mô hình Quadratic để

mô phỏng quá trình sấy thóc lớp mỏng, cỡ hạt trung bình Noohorm và Verma [78]

trình bầy quá trình sấy thóc có nhiệt độ khí sấy từ thấp đến cao theo mô hình Two

Term Exponential Basunia và Abe [12], [14], [15] dùng mô hình Page mô phỏng

quá trình sấy và hấp thụ ẩm của thóc cỡ hạt trung bình Chen và Tsao [30] sử dụng

rất nhiều mô hình khác nhau để mô phỏng tốc độ sấy thóc lớp mỏng và rút ra kết

luận: mô hình Two Term Exponential là phù hợp với số liệu thí nghiệm hơn cả

Das và cs [39] lại cho rằng mô hình Page là phù hợp nhất với quá trình sấy thóc có

độ ẩm cao Chen và Wu [32] sử dụng bốn mô hình sấy lớp mỏng khác nhau để mô

phỏng quá trình sấy thóc lớp mỏng có độ ẩm cao và đánh giá mô hình Two Term là

phù hợp nhất Cihan và cs [34], [35] lại cho rằng mô hình Midilli và cs (2002) là

mô hình chính xác nhất để mô phỏng quá trình sấy thóc gián đoạn Trước đó Shei

và Chen [96], [97] đã xây dựng các mô hình mô phỏng quá trình này theo dạng mô

hình Page Wongwise và Thongprasert [127] đã phát triển mô hình tốc độ sấy cho

thóc hạt dài theo dạng mô hình Two Term Exponential của Sharaf-Elden và cs

(1980) Nghiên cứu bằng phân tích thống kê theo 12 dạng mô hình trong bảng 1.2

Hacihafizoglu và cs [44] chỉ ra rằng: quan hệ của tốc độ sấy thóc theo nhiệt độ và

tốc độ khí sấy được mô phỏng chính xác nhất là theo mô hình Page, Verma,

Diffusion approach và Midilli

Tuy nhiên, theo Basunia và Abe [12] độ chính xác của các công thức sấy thóc

trên cần phải được xem xét thêm do cách xác định độ ẩm tương đối của khí sấy

thường kém chính xác Basunia và Abe cho rằng chỉ có công thức sấy thóc của

Noohorm và Verma [78], được xây dựng theo mô hình Two Term Exponential của

Sharaf-Elden và cs (1980) coi hạt thóc không phải là vật liệu đồng chất, là chính

xác hơn cả Ưu điểm cơ bản của các mô hình thực nghiệm và bán thực nghiệm là

tính toán đơn giản nhưng nhược điểm cơ bản của chúng là khả năng mở rộng áp

dụng Các kết quả dự đoán theo các mô hình dạng này luôn bị hạn chế trong

khoảng xác định các thông số khi xây dựng mô hình, nên khi mở rộng áp dụng sẽ

cho kết quả kém phù hợp với số liệu thực tế [56]

Bảng 1.2 Các mô hình sấy thóc lớp mỏng

) Agrawal và Singh (1977) Modified Page MR = exp(-(kt)n

) Diamante và Munro (1993)

Quadratic MR = 1 + at + bt2 Wang và Singh (1978)

Twoterm exponential MR = a.exp(-kt) + (1-a)

exp(-kat)

Sharaf-Elden và cs (1980)

Logarithmic MR = ao+ a exp(-kt) Chandra và Singh (1995)

Diffusion approach MR = a.exp(-kt) + (1-a)

Các thông số nhiệt vật lý của thóc

Nghiên cứu để xây dựng và giải các mô hình sấy thóc luôn cần phải xác định

các thông số nhiệt vật lý của thóc và các hệ số truyền nhiệt truyền ẩm giữa hạt và

khí sấy Có rất nhiều thông số nhiệt vật lý được sử dụng cho sấy thóc như: độ tròn

của hạt, kích thước, thể tích, hình dáng, diện tích bề mặt, khối lượng riêng của hạt,

mật độ đống hạt, độ rỗng của đống hạt, hệ số ma sát tĩnh, góc nằm tĩnh, độ ẩm cân

bằng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ số khuếch tán ẩm và nhiệt ẩn bay hơi

Các thông số này đều thay đổi theo độ ẩm của thóc [88, 119, 134]

∗ Nhiệt dung riêng của thóc (c) thường được xây dựng như là hàm phụ thuộc

vào độ ẩm của thóc [141] Nhiệt dung riêng của thóc cũng phụ thuộc vào nhiệt độ

hạt, theo Mohapatra và Bal (2003) c = 1230 ÷ 4340 (J/kg.K) khi độ ẩm của hạt

12,4 ÷ 13% và nhiệt độ thay đổi từ -10 ÷ 150oC [83]

∗ Hệ số dẫn nhiệt của hạt thóc (λp)là số đo khả năng truyền nhiệt bên trong hạt

thóc, và theo Kunze và Wratten (1985) λp phụ thuộc tuyến tính vào độ ẩm của hạt

[83] Hệ số dẫn nhiệt của đống hạt (hay là hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của thóc, λeff)

nhỏ hơn 3 ÷ 4 lần so với λp, vì giữa các hạt thóc luôn tồn tại các lỗ rỗng chứa

không khí có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ (λa = 0,023 W/mK) Vì vậy nếu λp = 0,35 ÷0,7 (W/mK) thì hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của thóc sẽ nằm trong khoảng 0,12 ÷0,17 (W/mK) [88] Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của thóc sẽ tăng theo nhiệt độ và độ

ẩm của thóc và có trị số trong khoảng 0,082 ÷ 0,138 (W/mK) ở nhiệt độ từ 6 ÷

69oC và độ ẩm từ 9,2 ÷ 17% Hệ số dẫn nhiệt λp của thóc gần như không đổi trong

khoảng lân cận nhiệt độ phòng đến nhiệt độ chuyển thái giòn – dẻo của thóc (tg =

45 ÷ 53oC, tùy độ ẩm của thóc) và λp tăng rất mạnh khi nhiệt độ hạt lớn hơn nhiệt

độ chuyển thái tg [130]

∗ Khối lượng riêng của hạt thóc (ρp) và của đống hạt chịu ảnh hưởng của độ ẩm

của thóc ở thời điểm thu hoạch theo quan hệ tuyến tính [41] Độ rỗng (ε) của đống

hạt giảm khi độ ẩm của thóc tăng [134] Khối lượng riêng của hạt, mật độ đống hạt

và độ rỗng của đống thóc Sazandegi (Iran) ở độ ẩm 10% (w.b.) lần luợt là

1193,38(kg/m3), 471,16 (kg/m3) và 60,37% [119] Mật độ đống hạt của một số loại

thóc được gieo trồng ở Việt Nam cũng được thống kê trong nghiên cứu khảo sát

của Phan Hiếu Hiền và cs [142]

∗ Hệ số khuếch tán ẩm (D) và hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng (Deff) được xác định như là hàm của nhiệt độ khí sấy đối với thóc cỡ hạt trung bình [121] Bose và

cs [21] còn xây dựng được công thức xác định hệ số khuếch tán ẩm của thóc như

là hàm của nhiệt độ hạt, nhiệt độ và độ ẩm khí sấy Chính xác hơn, hệ số khuếch

tán ẩm của thóc còn được xác định theo nhiệt độ, độ ẩm khí sấy, độ ẩm ban đầu

của hạt và tốc độ sấy [33] Dựa vào công thức khuếch tán hai chiều của Fick và

phương pháp phần tử hữu hạn Sarker và cs [93] xác định được hệ số khuếch tán

ẩm cho từng thành phần mầm, nội nhũ, trấu của hạt thóc

∗ Độ ẩm cân bằng của thóc (EMC) có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ và độ ẩm

của khí sấy (ERH) và dựa vào thực nghiệm sấy lớp thóc mỏng quan hệ EMC/ERH được xác định Có nhiều bộ số liệu EMC/ERH cho cùng một loại hạt do có sự khác

nhau về khả năng hấp thụ ẩm, đặc tính hóa học, hình dáng, kích thước hạt, diện

tích, đặc tính bề mặt hạt, cấu trúc vật lý và nguồn gốc lịch sử của mẫu thí nghiệm

Không có công thức EMC/ERH vạn năng phù hợp với tất cả các loại hạt Có tới

200 công thức EMC/ERH khác nhau và với thóc thì Sun [108] cho rằng công thức

EMC/ERH của Modified Chung - Pfost và của Strohman – Yoerger là phù hợp

nhất, sau khi phân tích và so sánh các công thức này với số liệu thực nghiệm

∗ Hệ số tỏa nhiệt (h) giữa thóc và khí sấy đã được đánh giá bằng rất nhiều công

thức thực nghiệm (Pabis 1967, McAdams 1954, Hobler 1971, Cenkowski 1985)

Tuy nhiên sau khi so sánh sáu công thức dạng này, Sokhansanj và Bruce (1986a)

kết luận rằng công thức của Gamson và cs (1943) là phù hợp nhất [126] Các hệ số

tỏa nhiệt, tỏa ẩm cũng đã được trình bày trong nghiên cứu của Rao và cs [87]

∗ Các hệ số tỏa ẩm giữa lõi hạt và vỏ trấu (β1), giữa lớp vỏ trấu với khí sấy (β2)

và thông số hoạt độ (water activity) của nước (aw) tại bề mặt hạt thóc đã được trình

bày trong nghiên cứu của Olmos và cs [80]

Đó là những thông số chủ yếu được sử dụng để xây dựng và giải các mô hình

sấy thóc theo lớp mỏng và lớp dầy

1.1.3 Các mô hình năng lượng tiêu hao trong quá trình sấy

Tiêu hao năng lượng cho quá trình sấy thường được tính cho toàn bộ quá trình

nhờ sử dụng định luật bảo toàn năng lượng [148] Rất ít nghiên cứu xây dựng mô

hình tiêu hao năng lượng cho quá trình sấy thóc theo chế độ sấy trừ vài mô hình

gắn với nghiên cứu tối ưu quá trình sấy thóc theo lớp mỏng của Madamba và

Yabes [69], Rao và cs [87], Roy và cs [89] và Soponronarit [103] Các mô hình

thực nghiệm này luôn bị hạn chế khả năng mở rộng áp dụng

1.1.4 Các nghiên cứu tối ưu quá trình sấy thóc

Quá trình sấy thóc được thực hiện trong các loại thiết bị sấy với những chế độ

sấy khác nhau Yêu cầu cơ bản của mọi quá trình sấy luôn là nâng cao tốc độ sấy

(hay là giảm thời gian sấy), giảm tiêu hao năng lượng mà vẫn giữ được chất lượng

sản phẩm sấy Nghiên cứu tối ưu quá trình sấy thóc là thực hiện yêu cầu cơ bản đó

để nâng cao hiệu quả của quá trình sấy

Các nghiên cứu tối ưu quá trình sấy được thực hiện theo các điều kiện sấy đặc

trưng trong các dạng thiết bị sấy khác nhau Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sấy

thóc tầng sôi, xác định tốc độ và nhiệt độ khí sấy, hệ số hồi lưu, lưu lượng khí sấy

và giá thành sấy thóc tối ưu và tối ưu hóa vận hành thiết bị sấy thóc tầng sôi

thương mại được Soponronnarit và Prachayawarakorn thực hiện [102], [105]

Nghiên cứu tối ưu quá trình sấy bảo quản cho hạt nông sản đã được Barre và

Hamdy, Ryniecki và Nellist thực hiện [10], [90], [91] Nghiên cứu tối ưu quá trình

sấy hạt với nhiệt độ khí sấy thấp theo mục tiêu cực tiểu hóa năng lượng tiêu hao

cho quạt thông gió có tính đến chất lượng sản phẩm với chiến lược tối ưu toàn cục

và tối ưu theo thời gian thực được Soares và cs thực hiện [100] Olmos và cs., sử

dụng mô hình toán của quá trình sấy kết hợp với mô hình chất lượng, đã xác định

nhiệt độ và độ ẩm của khí sấy tối ưu bảo đảm tỷ lệ nguyên hạt là cao nhất trong

một mẻ sấy [80] Yang và cs [132] sử dụng phương pháp thực nghiệm xác định

kỹ thuật sấy thóc tối ưu với hai mục là tiêu tốc độ sấy và tỷ lệ gạt gẫy, đã đánh giá

vai trò của độ ẩm và nhiệt độ khí sấy trong từng giai đoạn sấy và đề xuất kỹ thuật

sấy tăng dần nhiệt độ khí sấy Supprung và Noomhorm nghiên cứu tối ưu các tham

số của thiết bị sấy tháp trụ [112] Madamba và Yabes [69] nghiên cứu tối ưu đa

mục tiêu xác định điều kiện sấy thóc gián đoạn bằng các công thức thực nghiệm (tỷ

lệ nẩy mầm, tỷ lệ nguyên hạt, tỷ lệ thu hồi gạo, thời gian sấy) và xác định vùng

nhiệt độ sấy tối ưu bằng phương pháp xếp chồng đồ thị Rao và cs [87] xây dựng

ba mô hình thực nghiệm sấy thóc đồ cho lớp thóc có chiều dầy nhỏ hơn 20cm bằng

phương pháp đáp ứng bề mặt Ba mô hình năng lượng tiêu hao, thời gian sấy và tỷ

lệ nguyên hạt của thóc đồ phụ thuộc vào nhiệt độ khí sấy, tốc độ khí sấy và chiều

dầy lớp thóc được tối ưu bằng phần mềm LINGO 6.0 Nghiên cứu quá trình sấy

thóc nhiều giai đoạn (multi-pass) Wongrat [126] xây dựng các sơ đồ cấu trúc tổng

hợp quá trình sấy thóc theo lớp mỏng dựa trên các mô hình thực nghiệm và lý

thuyết và thực hiện tối ưu hóa chế độ vận hành thiết bị sấy tháp

1.1.5 Thiết bị sấy vỉ ngang và các nghiên cứu về sấy thóc ở Việt Nam

Trước thời kỳ đổi mới sản lượng lúa gạo của nước ta không cao, nhu cầu về

thiết bị sấy thóc gần như không có Từ năm 1990 tới nay sản xuất nông nghiệp phát

triển, sản lượng thóc và gạo xuất khẩu tăng mạnh với yêu cầu cao về chất lượng,

nên nhu cầu sấy thóc trở nên cấp thiết Ở miền Bắc và miền Trung diện tích trồng

lúa nhỏ hẹp, sản lượng thóc không lớn, giá máy sấy còn quá cao so với khả năng

kinh tế của nông dân nên thóc sau thu hoạch chủ yếu vẫn được phơi sấy trực tiếp

dưới ánh nắng mặt trời Có rất ít máy sấy hạt được sử dụng ở các tỉnh miền Bắc và

miền Trung ngoài một số cơ sở sản xuất thóc giống ở Thái Bình và Thanh Hóa

Chỉ ở ĐBSCL là nơi có sản lượng thóc hàng hóa lớn, chiếm trên 50% sản lượng

thóc và trên 85% lượng gạo xuất khẩu của cả nước, thì nhu cầu sử dụng máy sấy

mới cấp thiết, nhất là vào mùa mưa lũ của vụ lúa hè thu

Trong các loại thiết bị sấy thóc được sử dụng ở ĐBSCL thì máy sấy vỉ ngang là

phù hợp hơn cả cho các nông hộ vì chi phí chế tạo và vận hành rẻ Tính đến cuối

năm 2007 các tỉnh ĐBSCL có khoảng 2330 máy sấy thóc vỉ ngang, với trên 330

máy có đảo gió, đáp ứng khoảng 21% nhu cầu sấy thóc Đến tháng 6/2011 toàn

vùng ĐBSCL có khoảng 6430 máy sấy các loại (chủ yếu là máy sấy vỉ ngang) đáp ửng được 31% sản lượng thóc sấy của vụ hè thu Vì có cấu tạo đơn giản máy sấy vỉ

ngang đã được một số cơ sở cơ khí địa phương ở ĐBSCL chế tạo phục vụ nhu cầu

sấy thóc hàng hóa như MST 1000 của Tiền Giang, MST Phú Tâm của Sóc Trăng,

Khoa Cơ khí trường Đại học Nông lâm Tp Hồ chí Minh là nơi đầu tiên nghiên cứu

chế tạo máy sấy SRR và nghiên cứu cải tiến máy sấy vỉ ngang SHG có đảo gió

thay cho đảo hạt và Công ty Cổ phần công nghệ PowerPlus đã chế tạo các loại máy

sấy đảo gió SRA1, 2, 4, 6, 10, 12 đạt kết quả sử dụng tốt Viện Công nghệ sau thu

hoạch cũng nghiên cứu một số máy sấy hạt như SHL-10, MST-25, STC-1200,

STC-2200,…nhưng ứng dụng còn hạn chế [139]

Đến nay các nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ sấy thóc phù hợp cho

máy sấy cơ khí được thực hiện trong nước là rất ít Đáng chú ý hơn cả là nghiên

cứu tối ưu tỷ lệ hồi lưu khí thải trong sấy thóc tuần hoàn ứng dụng cho sấy tháp

của Lê Văn Bảnh [139], và nghiên cứu xác định chiều dầy lớp hạt, lưu lượng gió

và thời điểm đảo gió tối ưu quá trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy trong thiết bị sấy vỉ

ngang của Lâm Thanh Hùng và Phan Hiếu Hiền [157] Để quá trình sấy thóc trong

thiết bị sấy vỉ ngang đạt hiệu quả tiết kiệm năng lượng và thời gian sấy, nâng cao

năng suất thiết bị và chất lượng thóc sấy trong điều kiện thời tiết khác nhau rất cần

những nghiên cứu hoàn thiện quy trình sấy thóc trong loại thiết bị sấy này

1.2 NHẬN XÉT VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI

Qua nghiên cứu về các mô hình sấy thóc và tối ưu hóa QTS thóc tĩnh theo lớp

dầy đã được thực hiện trong và ngoài nước chúng tôi có một số nhận xét sau:

1 Quá trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy, tương tự như mọi QTS vật liệu ẩm, là

quá trình tiêu hao năng lượng để làm khô thóc mà vẫn bảo đảm được chất lượng

sản phẩm (tỷ lệ HRY cao) Để QTS thóc trong thiết bị sấy vỉ ngang đạt hiệu quả

cao thì cần nghiên cứu tối ưu hóa chế độ sấy theo ba mục tiêu là tiêu hao năng

lượng, thời gian sấy/ tốc độ sấy và tỷ lệ nguyên hạt

2 Khả năng ứng dụng các mô hình tốc độ sấy (hay thời gian sấy), tiêu hao

năng lượng và tỷ lệ nguyên hạt của các nghiên cứu quá trình sấy thóc tĩnh theo lớp

dầy trước đây bị hạn chế vì các lý do sau:

∗ Mô hình xác định trường độ ẩm của hạt theo thời gian và vị trí trong sấy

tĩnh theo lớp dầy được phân thành ba dạng là mô hình p.d.e., mô hình cân bằng và

mô hình logarit với các giả thiết và phạm vi áp dụng khác nhau, được ứng dụng

trong nghiên cứu QTS bảo quản hạt nông sản (lúa mỳ, ngô, thóc) Sử dụng các mô

hình này có thể mô phỏng tốc độ sấy thóc tĩnh theo lớp dầy trong thiết bị sấy vỉ

ngang Độ chính xác của các mô hình mô phỏng phụ thuộc chủ yếu vào công thức

xác định tốc độ sấy lớp mỏng và việc xác định các thông số nhiệt vật lý của thóc

Điểm hạn chế cơ bản và khó khắc phục khi ứng dụng các mô hình trên là chưa có

công thức tốc độ sấy lớp mỏng phù hợp và các dữ liệu về các thông số nhiệt vật lý của thóc Việt Nam đã được xác định là rất ít Có thể áp dụng các mô hình lớp

mỏng để xây dựng và tối ưu một mục tiêu tốc độ (hay thời gian sấy) của QTS thóc

tĩnh theo lớp dầy; nhưng nếu là tối ưu toàn diện (đa mục tiêu) thì việc kết hợp của

các mô hình tốc độ sấy (MR) với các mô hình chất lượng (HRY) và tiêu hao năng

lượng (Q), để tổ hợp hàm mục tiêu tối ưu hóa sẽ rất phức tạp vì lại phải phân ly mô

hình lớp dầy thành lớp mỏng, dẫn đến thời gian tính toán đòi hỏi sẽ rất lớn, nhất là

với các điều kiện đầu vào thay đổi

∗ Các mô hình tỷ lệ nguyên hạt HRY phụ thuộc vào chế độ sấy thóc đã được

phát triển theo ba dạng: mô hình lý thuyết khuếch tán, mô hình bán thực nghiệm

dạng “động học phản ứng” và mô hình thực nghiệm dạng toàn phương Các mô

hình này đều được xây dựng cho quá trình sấy thóc theo lớp mỏng và có dạng

HRY = f(t, Rh), HRY = f(t, V), HRY = f(t, V, D) Khả năng ứng dụng của các mô

hình HRY lớp mỏng chủ yếu là ở phương pháp xây dựng mô hình và xác định

hình HRY cụ thể vì công thức lớp dầy khác xa công thức lớp mỏng Ví dụ như có

thể sử dụng phương pháp đáp ứng bề mặt để xây dựng mô hình HRY hoặc xác định miền thí nghiệm trong sấy thóc tĩnh theo lớp dầy dựa trên việc phân tích ảnh

hưởng của các thông số chế độ sấy thóc lớp mỏng tác động đến tỷ lệ HRY

∗ Các mô hình tiêu hao năng lượng (Q) phụ thuộc chế độ sấy thóc đã được

xây dựng gắn với các nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sấy thóc và được thực hiện

bằng phương pháp thực nghiệm nên khó mở rộng ứng dụng vì sự khác nhau trong

miền xác định mô hình (khoảng giá trị của các thông số thí nghiệm) Mặc dù không

sử dụng trực tiếp được các mô hình Q thực nghiệm theo lớp mỏng nhưng vẫn có

thể ứng dụng phương pháp xây dựng mô hình

3 Các nghiên cứu tối ưu quá trình sấy thóc đã được công bố thường là tối ưu

chế độ sấy theo hai hoặc ba mục tiêu là tỷ lệ nguyên hạt cực đại (hoặc tỷ lệ hạt gẫy

cực tiểu), tiêu hao năng lượng cực tiểu và thời gian sấy cực tiểu Chế độ sấy tối ưu

cho các loại thiết bị sấy luôn cần các nghiên cứu hoàn thiện và mở rộng Chẳng

hạn như nghiên cứu tối ưu chiều dầy lớp hạt, lưu lượng gió và thời điểm đảo gió

của mô hình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy của Lâm Thanh Hùng và Phan Hiếu Hiền

[157] vẫn cần các nghiên cứu đánh giá đầy đủ hơn ảnh hưởng của các thông số chế

độ sấy (như đánh giá thêm ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm của khí sấy đối với

quá trình sấy) để xây dựng các mô hình toán học đầy đủ và chính xác hơn, tối ưu

theo nhiều biến và nhiều tiêu chí hơn, và đưa ra được quy trình sấy thóc hoàn thiện

và phù hợp hơn

1.3 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN

Từ những phân tích trên, để thực hiện được mục đích “Nghiên cứu tối ưu chế

mô hình thời gian sấy, năng lượng tiêu hao và tỷ lệ nguyên hạt theo các thông số

chế độ sấy thóc tĩnh theo lớp dầy

Hướng xây dựng mô hình là sử dụng phương pháp thực nghiệm và phát triển

các mô hình mô phỏng QTS thóc tĩnh theo lớp dầy với ảnh hưởng đầy đủ hơn của

các thông số chế độ sấy như: Nhiệt độ, độ ẩm/dung ẩm, tốc độ khí sấy, thời gian đảo hạt/đảo gió, chiều dầy lớp hạt bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM)

Phương pháp RSM đã được sử dụng rộng rãi và rất hiệu quả trong nhiều nghiên

cứu [3, 12, 40, 69, 87, 96, 151, ] để xây dựng các mô hình thực nghiệm nhiều biến

số, đánh giá được ảnh hưởng của từng thông số cũng như ảnh hưởng lẫn nhau và ảnh hưởng tổng hợp của tất cả các thông số tác động đến từng đáp ứng đầu ra Các đáp ứng đầu ra trong nghiên cứu sấy thóc tĩnh theo lớp dầy là thời gian sấy, năng

lượng tiêu hao, tỷ lệ nguyên hạt,…có thể được xấp xỉ theo đa thức bậc hai; như thế

hàm mục tiêu tổ hợp sẽ không quá phức tạp, rất thuận lợi cho việc giải bài toán tối

ưu hóa đa mục tiêu QTS thóc tĩnh theo lớp dầy

Trong các thông số nhiệt độ, độ ẩm/dung ẩm, tốc độ khí sấy, thời gian đảo

hạt/đảo gió và chiều dầy lớp hạt có ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian sấy, năng

lượng tiêu hao, tỷ lệ nguyên hạt, của quá trình sấy thóc thì độ ẩm khí sấy đã được

nhiều công trình nghiên cứu trước đây khảo sát [1, 3, 14, 15, 19, 20, 32, 47, 56, 58,

60, 68] và là thông số phụ thuộc vào nhiệt độ khí sấy, rất khó điều chỉnh và thiết

lập độc lập và chính xác khi thí nghiệm cũng như trong vận hành thiết bị sấy thực

nên không được đưa vào để xây dựng mô hình Ảnh hưởng của độ ẩm/dung ẩm khí

sấy sẽ được đánh giá bằng một hệ số điều chỉnh trong chế độ sấy tối ưu được luận

án xác định

Vì vậy, nhiệm vụ cụ thể mà luận án cần thực hiện như sau:

1 Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của bốn thông số chế độ sấy cơ bản gồm

nhiệt độ và tốc độ khí sấy, chiều dầy lớp hạt và khoảng thời gian đảo gió đối với

thời gian sấy riêng, năng lượng tiêu hao riêng và tỷ lệ nguyên hạt trong sấy thóc

tĩnh theo lớp dầy bằng phương pháp thực nghiệm

2 Xây dựng các mô hình thực nghiệm nhiều biến số mô tả ảnh hưởng tổng

hợp của bốn thông số đó đối với thời gian sấy riêng, năng lượng tiêu hao riêng và

tỷ lệ nguyên hạt trong sấy thóc tĩnh theo lớp dầy bằng phương pháp đáp ứng bề

mặt RSM theo qui hoạch trực giao bậc hai

3 Xây dựng hàm mục tiêu tổ hợp từ các mô hình vừa xây dựng theo phương

pháp tối ưu hóa đa mục tiêu trọng số quy chuẩn Osyczka, phân tích ưu nhược điểm

của các thuật toán tối ưu hóa lặp và lựa chọn thuật toán tối ưu vượt khe hướng

chiếu affine để xác định bốn thông số chế độ sấy tối ưu trong tập các phương án tối

ưu Pareto của quá trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy Kiểm định chế độ sấy tối ưu đã được xác định

4 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của dung ẩm không khí và khí sấy đến thời

gian sấy, năng lượng tiêu hao và chất lượng thóc sấy ở các chế độ tối ưu trong tập

các phương án tối ưu Pareto đã được xác định Xây dựng quy trình sấy thóc tĩnh

theo lớp dầy áp dụng cho thiết bị sấy vỉ ngang