Nghiên cứu thiết kế máy sấy cà phê đảo chiều năng suất 2 tấnmẻ

TÍNH CẤP THIẾT CẢU ĐỀ TÀI Cà phê được trồng và chế biến ở nhiều quốc gia trên thế giới, chủ yếu là những nước gần vùng xích đạo có khí hậu nhiệt đới như: Việt Nam, Indônêxia, Ma

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào khác Mọi tài liệu tham khảo trong luận văn đã được trích dẫn cụ thể

Thành phố Huế, ngày 21 tháng 7 năm 2017

Tác giả

Phan Duy Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận văn này, ngoài sự nỗ lực, cố gắng của bản thân, tôi luôn nhận được sự quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình và tạo điều kiện thuận lợi của các Thầy, Cô giáo trong Khoa Cơ khí - Công nghệ

và Phòng sau Đại học thuộc Trường Đại học Nông lâm Huế; Ban giám hiệu Trường Trung cấp nghề số 15 cùng gia đình, bạn bè đồng nghiệp Tôi chân thành cảm ơn về

sự giúp đỡ tận tình và quý báu đó

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đến NGND.PGS.TS Phan Hòa, người Thầy hướng dẫn khoa học đã dành nhiều thời gian, công sức, tâm huyết để giúp đỡ tôi hoàn thành Luận văn này

Thành phố Huế, ngày 21 tháng 7 năm 2017

Tác giả

Phan Duy Tuấn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta thuộc vùng nhiệt đới có hơn 2000 giờ nắng mỗi năm nên quá trình làm khô cà phê chủ yếu bằng phương pháp tự nhiên Phương pháp này có ưu điểm cơ bản

là đơn giản, giá thành thấp Tuy nhiên, phơi nắng tự nhiên cũng có những nhược điểm,

đó là: Khó đảm bảo các chỉ tiêu về chất lượng cà phê như độ nhiễm bẩn, độ ẩm cuối,

độ đồng đều và khó chủ động thời gian

Trong những năm gần đây, điều kiện thời tiết trên địa bàn các tỉnh Tây nguyên

có nhiều thay đổi, chịu ảnh hưởng của gió bão, mưa nhiều nên ảnh hưởng đến quá trình thu hoạch và chế biến cà phê Vì vậy, người ta thường dùng các loại máy sấy tĩnh

để sấy cà phê Các loại máy này đa số có năng suất chưa phù hợp với quy mô hộ nông dân trồng cà phê ở Tây nguyên và phải đảo trộn bằng tay nên mất nhiều thời gian và

tốn nhiều lao động Xuất phát từ tình hình đó, tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế máy sấy cà phê đảo chiều năng suất 2 tấn/mẻ”

- Nghiên cứu xác định tính chất cơ lý của quả cà phê

- Nghiên cứu xác định nguyên lý làm việc của máy sấy cà phê đảo chiều

- Tính toán thiết kế mẫu máy sấy cà phê đảo chiều 2 tấn/mẻ

Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp phỏng vấn chuyên gia

- Phương pháp tính toán thiết kế máy

Kết quả nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình sấy

- Nghiên cứu lựa chọn nguyên lý làm việc của máy sấy cà phê đảo chiều

- Tính toán thiết kế máy sấy cà phê đảo chiều năng suất 2 tấn/mẻ, với các thống

số cơ bản:

- Năng suất của máy: 2tấn/mẻ

- Hạ độ ẩm quả cà phê từ 60% xuống 12%

- Thể tích buống sấy: 3,23 m3

- Thời gain sấy: 46,2 giờ

- Công suất của quạt gió: 2,1 kW

- Công suất động cơ điện: 2,37 kW

- Chi phí chất đốt (củi khô): 14 kg/h

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC ẢNH, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CẢU ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 2

2.1 Mục tiêu 2

2.2 Nhiệm vụ 2

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 2

3.1 Ý nghĩa khoa học 2

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÂY CÀ PHÊ 3

1.1.1 Sơ lược lịch sử việc trồng cà phê trên thế giới và ở Việt Nam 3

1.1.2 Cấu tạo và tính chất hóa lý của quả cà phê 8

1.2 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN CÀ PHÊ TRÊN THẾ GIỚI 13

1.3 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN CÀ PHÊ TẠI VIỆT NAM 14

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 35

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 35

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 35

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 35

2.2.2 Phương pháp phỏng vấn chuyên gia 35

2.2.3 Phương pháp tính toán thiết kế máy 35

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 36

3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SẤY 19

3.1.1 Thông số nhiệt vật lý của vật liệu ẩm 19

3.1.2 Phân loại vật ẩm 19

3.1.3 Các thông số trạng thái của tác nhân sấy 20

3.1.4 Truyền nhiệt và truyền ẩm trong quá trình sấy 26

3.1.5 Động học quá trình sấy 31

3.1.6 Xác định thời gian sấy 34

3.2 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY SẤY CÀ PHÊ ĐẢO CHIỀU 36

3.2.1 Phân loại các nguyên lý sấy hạt… 36

3.2.2 Lựa chọn nguyên lý làm việc của máy sấy cà phê đảo chiều, năng suất 2 tấn/mẻ 45

3.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY CÀ PHÊ ĐẢO CHIỀU NĂNG SUẤT 2 TẤN/ MẺ 47

3.3.1 Tính toán các thông số buồng sấy 47

3.3.2 Tính toán các thông số lò đốt 52

3.3.3 Tính toán thông số quạt gió 54

3.3.4 Thiết kế các bộ phận của máy sấy 56

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 60

KẾT LUẬN 60

ĐỀ NGHỊ 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

a - Chiều rộng buồng sấy

b - Chiều dài buồng sấy

d - Hàm lượng ẩm của không khí

Ga - Khối lượng cà phê quả tươi trước khi sấy

2

H O

G - Lượng nước bốc hơi trong quá trình sấy

Gk - Khối lượng cà phê sau khi sấy

GQ - Lưu lượng khói quạt

h - Chiều cao lớp hạt

I - Entanpy của không khí ẩm

P - Áp suất khí quyển

Pbh - Áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp không khí ẩm ở điều kiện bảo hòa

PL - Công suất lò đốt

q - Nhiệt trị nguyên liệu

t - Nhiệt độ môi trường

Vb - Thể tích buồng sấy

W1 - Ẩm độ tương đối của khối hạt trước khi sấy

W2 - Ẩm độ tương đối của khối hạt sau khi sấy

η - Hiệu suất lò đốt

φ - Độ ẩm không khí

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Diện tích trồng cà phê của Việt Nam 7

Bảng 1.2 Tỷ lệ giữa các thành phần cấu tạo của quả cà phê 9

Bảng 1.3 Thành phần hoá học của vỏ quả (% chất khô) 10

Bảng 1.4 Thành phần hỏa học của lớp nhớt (% chất khô) 11

Bảng 1.5 Thành phần hoá học của vỏ trấu (% chất khô) 11

Bảng 1.6 Thành phần hoá học của nhân cà phê 12

Bảng 3.1 So sánh các hình thức chuyển động khác nhau của tác nhân sấy 37

Bảng 3.2 Trạng thái không khí ở 3 thời điểm 51

DANH MỤC ẢNH, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Cây cà phê 3

Hình 1.2 Bản đồ phân bố trồng cà phê trên thế giới 4

Hình 1.3 Cà phê Robusta 5

Hình 1.4 Cà phê Arabica 6

Hình 1.5 Cán bộ kỹ thuật hướng dẫn nông dân trồng cà phê 6

Hình 1.6 Sản lượng cà phê Việt Nam qua các niên vụ 8

Hình 1.7 Quả cà phê 8

Hình 1.8 Cấu tạo giải phẫu quả cà phê 9

Hình 1.9 Sản lượng cà phê trên thế giới 13

Hình 1.10 Nông dân đang thu hái cà phê 14

Hình 1.11 Nông dân đang làm sạch sơ bộ quả cà phê 15

Hình 1.12 Máy xát vỏ cà phê quả khô 16

Hình 1.13 Phơi cà phê thủ công trên sân xi măng 17

Hình 1.14 Máy tách vỏ cà phê và đánh sạch nhớt 18

Hình 1.15 Cách xây dựng đồ thị I – d 25

Hình 1.16 Sự mô tả ảnh hưởng của trao đổi chất đến trao đổi nhiệt 29

Hình 1.17 Đường cong sấy 32

Hình 1.18 Đường cong tốc độ sấy 33

Hình 1.19 Đường cong nhiệt độ sấy 34

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò 36

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống sấy đối lưu 38

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy sấy tĩnh vỉ ngang 39

Hình 3.4 Máy sấy thùng quay 41

Hình 3.5 Máy sấy tầng sôi 42

Hình 3.6 Thiết bị sấy tháp KCT 20-27 43

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý sấy đảo chiều 46

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý máy sấy đảo chiều năng suất 2 tấn/mẻ 46

Hình 3.9 Quá trình sấy biểu diễn trên đồ thị không khí ẩm I-d 48

Hình 3.10 Thành phía trước của buồng sấy 56

Hình 3.11 Thành phía sau của buồng sấy 57

Hình 3.12 Thành bên của buồng sấy (phía thoát liệu) 57

Hình 3.13 Cấu tạo vỉ sấy 58

Hình 3.14 Sơ đồ cấu tạo lò đốt 59

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CẢU ĐỀ TÀI

Cà phê được trồng và chế biến ở nhiều quốc gia trên thế giới, chủ yếu là những nước gần vùng xích đạo có khí hậu nhiệt đới như: Việt Nam, Indônêxia, Malaixia, Ấn

Độ, Côlômbia, Brazin, Etiôpia v v… Hàng năm, sản lượng cà phê nhân toàn cầu đạt tới 4,5 đến 5 triệu tấn, phần lớn dùng để xuất khẩu sang các nước phát triển là nơi có mức sống rất cao và cà phê trở thành nhu yếu phẩm trong cuộc sống bình thường của mỗi người dân

Từ năm 2000, Việt Nam là nước có trữ lượng cà phê xuất khẩu lớn thứ hai trên thế giới Cà phê trồng ở nước ta bao gồm cà phê vối (Robusta) chiếm 90% diện tích,

cà phê chè (Arabica) chiếm 9% và cà phê mít (Excelsa) chiếm 1%

Tại Gia Lai, cà phê là một trong những mặt hàng nông sản xuất khẩu chủ lực Hiện nay, diện tích trồng cà phê chiếm hơn 93.000 ha (trong đó có 79.900 ha kinh doanh), với sản lượng đạt hơn 209.000 tấn/năm Chế biến cà phê sau thu hoạch là khâu rất quan trọng trong quá trình sản xuất, có ảnh hưởng lớn đến quá trình bảo quản và tổn thất sau thu hoạch Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ và thiết bị chế biến cà phê trên thế giới đã được áp dụng từ lâu nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo chất lượng và hạ giá thành sản phẩm

Nước ta thuộc vùng nhiệt đới có hơn 2000 giờ nắng mỗi năm nên quá trình làm khô cà phê chủ yếu bằng phương pháp tự nhiên Phương pháp này có ưu điểm cơ bản

là đơn giản, giá thành thấp Tuy nhiên, phơi nắng tự nhiên cũng có những nhược điểm,

đó là: khó đảm bảo các chỉ tiêu về chất lượng cà phê như độ nhiễm bẩn, độ ẩm cuối,

độ đồng đều và khó chủ động thời gian

Trong những năm gần đây, điều kiện thời tiết trên địa bàn các tỉnh Tây Nguyên

có nhiều thay đổi, chịu ảnh hưởng của gió bão, mưa nhiều nên ảnh hưởng đến quá trình thu hoạch và chế biến cà phê Vì vậy người ta chủ yếu dùng các loại máy sấy tĩnh

để sấy cà phê Các loại máy này đa số có công suất chưa phù hợp với quy mô hộ nông dân trồng cà phê ở Tây Nguyên và phải đảo trộn bằng tay nên mất nhiều thời gian và

tốn nhiều lao động Xuất phát từ tình hình đó, tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế máy sấy cà phê đảo chiều năng suất 2 tấn/mẻ”

2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

2.1 Mục tiêu

Nghiên cứu thiết kế máy sấy cà phê đảo chiều có hiệu quả trong quá trình sản xuất kinh doanh và có năng suất phù hợp với các hộ nông dân trồng cà phê tại các tỉnh Tây Nguyên nói chung và Gia Lai nói riêng

2.2 Nhiệm vụ

- Khảo sát tình hình trồng và chế biến cà phê của các hộ dân tại các tỉnh Tây nguyên mà chủ yếu là Gia Lai

- Nghiên cứu xác định tính chất cơ lý của quả cà phê

- Nghiên cứu xác định nguyên lý làm việc của máy sấy cà phê đảo chiều

- Tính toán thiết kế mẫu máy sấy cà phê đảo chiều 2 tấn/mẻ

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

3.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu tính toán, thiết kế thành công máy sấy cà phê đảo chiều là cơ sở khoa học để tạo ra một mẫu máy mới góp phần hoàn thiện công nghệ sản xuất và chế biến cà phê ở Tây Nguyên

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Thiết kế máy sấy cà phê đảo chiều năng suất 2 tấn/mẻ, có năng suất phù hợp, chất lượng làm việc tốt và hiệu quả, góp phần nâng cao thương hiệu cây cà phê Việt Nam và cải thiện đời sống người nông dân trồng cà phê

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÂY CÀ PHÊ

Hình 1.1 Cây cà phê

1.1.1 Sơ lược lịch sử việc trồng cà phê trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.1.1 Sơ lược lịch sử việc trồng cà phê trên thế giới

Cây cà phê được phát hiện cách đây hàng ngàn năm, chúng thường mọc dưới tán nhiều khu rừng thưa thuộc châu Phi Tới năm 575 sau Công nguyên mới được đưa

về trồng thuần hóa, đến ngày nay hiện có 3 loài cà phê thương mại và được di thực nhập nội tới nhiều nước trên thế giới đó là:

- Loài Coffea Arabica (cà phê chè): Có nguồn gốc từ Ethiopya và hai vùng phụ cận là cao nguyên Buma thuộc Sudan và phía Bắc Kenya Nơi có độ cao từ 1.200 - 2.000m và nằm giữa 70 vĩ Bắc đến 90 vĩ Bắc Theo Beuthaud và Charieu 1985, cà phê chè từ Ethiopya được đưa tới Yemen sang Java năm 1690, đến Amsterdam (Hà Lan) năm 1706; sang Trung Mỹ, Colombia năm 1724 Từ Yemen sang Brazin (Nam Mỹ) năm 1715 và từ Java sang Papua New Ghine năm 1700 [4]

- Loài Coffea Canephora Pierre (cà phê vối) và loài Coffea Liberica Bull (cà phê mít, dâu da) có nguồn gốc từ một số nước thuộc Tây và Trung Phi Cà phê vối từ Tây Phi và Madagatxca đưa sang Nam Mỹ và Amsterdam năm 1889 Sau đó từ Amsterdam đưa sang Java năm 1900 sau đó lại từ Java đưa trở về châu Phi năm 1912

Hình 1.2 Bản đồ phân bố trồng cà phê trên thế giới

Trên thế giới hiện nay có khoảng trên 70 quốc gia trồng cà phê với diện tích trên 10 triệu hecta và sản lượng hàng năm biến động trên dưới 6 triệu tấn Trong đó 10 quốc gia dẫn đầu về sản lượng cà phê chiếm tới 90% thị trường trên thế giới Diện tích tập trung lớn nhất ở Trung và Nam Mỹ, sau đó là một số nước ở Đông Phi như Kenia, Cameroon, Ethyopya, Tanzania Ở châu Á có Indonexia, Việt Nam, Philippin

Các nước có diện tích lớn từ 1 triệu ha đến 3 triệu ha trồng cà phê gồm có:

Trong khoảng 10 năm trở lại đây việc áp dụng đồng bộ các tiến bộ kỹ thuật, đặc biệt là tiến bộ trong công nghệ giống nên năng suất của một số nước tăng cao gấp 2 lần năng suất bình quân toàn thế giới

Tổng sản lượng cà phê thế giới biến động trên dưới 6.000.000 tấn/năm, riêng niên vụ 1998 – 1999 đạt tới 8.240.000 tấn (với diện tích trồng 104 triệu ha) Trong đó sản lượng cà phê Arabica chiếm bình quân 68,17%; cà phê Robusta chiếm 31,83% Những năm trước đó tỷ lệ cà phê Arabica đạt gần 90% tổng sản lượng

Tổ chức ICO căn cứ vào loại cà phê xuất khẩu mà chia ra các nước sản xuất cà phê thành 2 nhóm: Nhóm sản xuất cà phê Arabica và nhóm sản xuất cà phê Robusta

1.1.1.2 Sơ lược lịch sử việc trồng cà phê ở Việt Nam

Đối với Việt Nam cà phê đang là mặt hàng nông sản đạt giá trị xuất khẩu lớn nhất của nước ta Ngành cà phê Việt Nam tăng trưởng đều và ở mức cao trong vòng 3 năm qua Năm 2014, diện tích trồng cà phê là 653 ngàn ha, tăng 2,7% so với năm

2013 Sản lượng mùa vụ 2013/14 gần 30.000 ngàn bao (mỗi bao 60 kg), tương đương 1,8 triệu tấn, tăng nhẹ so với mùa vụ trước, chủ yếu là cà phê robusta Các tỉnh trồng nhiều cà phê là Đắk Lắk, Lâm Đồng, Đắk Nông và Gia Lai

Hình 1.3 Cà phê Robusta

Cà phê Việt Nam đã có những sự phát triển vượt bậc cả về sản lượng cũng như diện tích trồng Nước ta trở thành cường quốc về cà phê, đứng thứ 2 thế giới về xuất khẩu mặt hàng này

Hình 1.4 Cà phê Arabica

Chúng ta đang chuyển dịch mạnh mẽ từ trồng cà phê Robusta sang Arabica, chú trọng phát triển chất lượng để cạnh tranh và nâng cao giá trị xuất khẩu Cà phê đang

đem lại giá trị xuất khẩu lớn và nhiều ích lợi cho nông dân Việt Nam

Hình 1.5 Cán bộ kỹ thuật hướng dẫn nông dân trồng cà phê

Cà phê Việt Nam đa phần được xuất khẩu Trong năm 2016 đã xuất khẩu 1,78 triệu tấn cà phê các loại (cà phê nhân, cà phê rang, cà phê xay và cà phê hòa tan) và kim ngạch khoảng 3,34 tỷ USD, tăng 32,8% về khối lượng và tăng 24,7% về giá trị so với năm 2015

Công nghệ chế biến cà phê hiện nay ở nước ta đang là khâu yếu kém nhất trong toàn bộ công nghệ sản xuất cà phê nhân sống nhưng lại thiếu sự chú ý từ tầm doanh nghiệp đến các tổ chức nghiên cứu hỗ trợ khoa học và công nghệ, đặc biệt là sự quan tâm của các tổ chức quản lý Nhà nước

Cho đến nay, ngành cà phê vẫn chưa định hình được công nghệ chế biến cần thiết đến từng vùng và cơ sở sản xuất, cơ sở vật chất chế biến không tương xứng với sản lượng quả tươi sản xuất hàng năm Các doanh nghiệp và các hộ gia đình vẫn chỉ đầu tư mạnh vào việc mở rộng diện tích sản xuất cà phê nhưng lại chưa chú ý đúng mức đến công nghệ chế biến để rồi phải bán quả xô Công nghệ chế biến cà phê đã không theo kịp sự phát triển nhanh quá mức của việc mở rộng diện tích gieo trồng, hạn chế này đã gây thiệt hại không nhỏ và lâu dài cho người sản xuất, đặc biệt là đối với năng lực cạnh tranh của sản phẩm cà phê Từ đây, phát triển công nghiệp chế biến cần được coi là nhiệm vụ quan trọng trong tiến trình cải thiện, nâng cao chất lượng sản phẩm để ngành cà phê Việt Nam đủ điều kiện tham gia thực hiện đầy đủ những quy định của Khu vực mậu dịch tự do ASEAN (AFTA) trong thời gian tới Để làm việc này, ngoài những công việc cần thiết để nâng cao năng lực chế biến, cần sớm hình thành một số xí nghiệp chế tạo thiết bị tiên tiến chế biến cà phê để cung ứng đủ máy móc và thiết bị chuyên dùng cần thiết cho ngành cà phê

Bảng 1.1 Diện tích trồng cà phê của Việt Nam

Hình 1.6 Sản lượng cà phê Việt Nam qua các niên vụ

(Nguồn: USDA, vietrade.gov.vn)

1.1.2 Cấu tạo và tính chất hóa lý của quả cà phê

1.1.2.1 Cấu tạo của quả cà phê [7]

Quả cà phê gồm có 5 phần chính: lớp vỏ quả, lớp nhớt (vỏ nhớt), lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa, nhân

Hình 1.7 Quả cà phê

- Khối lượng riêng:  = 620 kg/m3

- Nhiệt dung riêng: c = 0,37 (kcal/kg0C)

- Độ ẩm ban đầu của cà phê 1 = 70%

- Độ ẩm sau khi sấy 2 = 12%

(Nguồn: Theo Ngô Mậu Năm (2008)

Hình 1.8 Cấu tạo giải phẫu quả cà phê

+ Lớp vỏ quả: Là lớp vỏ ngoài, mềm, ngoài bì có màu đỏ, vỏ cà phê chè mềm

hơn cà phê vối và cà phê mít

+ Lớp nhớt: Lớp này bám chặt vào lớp vỏ thóc

+ Vỏ trấu: Hạt cà phê sau khi loại bỏ các chất nhờn và phơi khô gọi là cà phê

thóc, vì bao bọc nhân là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ mềm gọi là vỏ trấu Vỏ trấu cà phê vối dày hơn và khó dập vỡ hơn vỏ trấu của cà phê chè và cà phê mít

Bảng 1.2 Tỷ lệ giữa các thành phần cấu tạo của quả cà phê [7]

Thành phần Cà phê chè (%) Cà phê vối (%)

+ Vỏ lụa: Bao bọc quanh nhân cà phê còn một lóp mỏng, mềm gọi là vỏ lụa,

chúng có màu sắc và đặc tính khác nhau tuỳ theo từng loại cà phê vỏ lụa cà phê chè có màu trắng bạc rất mỏng và dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến Vỏ lụa cà phê vối màu nâu nhạt, vỏ lụa cà phê mít màu vàng nhạt bám sát vào nhân cà phê

+ Nhân: là phần ở trong cùng Lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng, có những

tế bào nhỏ, trong có chứa những chất dầu Phía trong có những tế bào lớn và mềm hơn Một quả cà phê thường có từ 1 đến 2 hoặc 3 nhân (thông thường chỉ có 2 nhân)

1.1.2.2 Thành phần hoá học của quả cà phê [7]

* Thành phần hoá học của vỏ quả: Vỏ quả có màu đỏ khi chín, là chất antoxian

trong đó có ancaloit, tanin, cafein và các loại men Trong vỏ quả có từ 21,5% - 30% chất khô Người ta đã phân tích được thành phần hóa học của vỏ quả, trình bày tại bảng 1.3

Bảng 1.3 Thành phần hoá học của vỏ quả (% chất khô)

Thành phần hóa học Cà phê chè Cà phê vối

* Thành phần hoá học của lớp nhớt

Phía dưới lớp vỏ quả là lớp nhớt, nó gồm những tế bào mềm không có cafein, tanin, có nhiều đường và pectin (bảng 1.4)

Độ PH của lớp nhớt tùy theo độ chín của quả, thường từ 5,6 - 5,7, đôi khi đạt đến 6,4 Trong lớp nhớt đặc biệt có men pectaza phân giải protein trong quá trình lên men

Bảng 1.4 Thành phần hóa học của lớp nhớt (% chất khô)

Thành phần hoá học Cà phê chè Cà phê vối

* Thành phần hoá học của vỏ trấu

Vỏ trấu gồm có xenlulo là chủ yếu Bảng 1.5 trình bày thành phần hóa học của vỏ trấu cà phê chè và cà phê vối đã lên men sau 40 giờ

Bảng 1.5 Thành phần hoá học của vỏ trấu (% chất khô)

Thành phần nóa học Cà phê chè Cà phê vối

* Thành phần hóa học của nhân

Cà phê là một sản phẩm dùng để chế ra loại nước uống cao cấp Để cấu tạo thành nhân của cà phê, theo những kết quả phân tích người ta thấy có tới 670 hợp chất hữu cơ hợp thành trong đó có nhiều hợp chất tạo nên hương thơm của cà phê

Thành phần hóa học của nhân cà phê được trình bày ở bảng 1.6

Bảng 1.6 Thành phần hoá học của nhân cà phê

Thành phần hóa học cà phê Tính bằng g/100g Tính bằng

Cà phê là một loại hàng vị giác Đặc tính của hàng vị giác này là có hương vị phong phú, trong thành phần hoá học của nó có thành tố quan trọng là caffein Đây

là chất có tác dụng kích thích gây cho người tiêu thụ cảm giác khoan khoái, hưng phấn, có sức hút đặc biệt, làm cho người đã uống dễ thành thói quen có nhu cầu về

nó, gọi là “nghiện”

Về giá trị sử dụng: Cà phê là một thức uống kích thích thần kinh, gây hoạt động

minh mẫn cho trí óc và thông qua sự kích động thần kinh hệ, tăng cường sự hoạt động của các bộ phận khác trong cơ thể như trợ tim, xúc tiến sự tuần hoàn của máu, thông tiểu tiện, tăng cường phản ứng nhạy của bắp thịt làm cho cơ thể khỏe, bền hơn Những tác dụng sinh lý trên đây chủ yếu là do hoạt chất chính của nó là caffein, hàm lượng này có trong cà phê khoảng 1-3% Caffein là một hoạt chất độc, vì vậy uống nhiều cà phê sẽ sinh ra táo bón, uống quá nhiều thì sẽ làm thần kinh quá kích thích, bị rối loạn, sau đó có thể dẫn tới suy nhược

Cà phê được sử dụng để làm nước uống và dùng để chế biến, bổ sung vào trong một số sản phẩm của bánh kẹo, sữa, v.v

Về mặt hàng cà phê: Phong phú và đa dạng, gồm có: Cà phê rang, cà phê hoà

tan, cà phê nhân, cà phê bột, v.v Nhưng mặt hàng buôn bán chủ yếu ở trên thế giới vẫn là cà phê nhân mà quy cách tiêu chuẩn ngày càng khắt khe, nghiêm ngặt

1.2 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN CÀ PHÊ TRÊN THẾ GIỚI

Hình 1.9 Sản lượng cà phê trên thế giới

(Nguồn: USDA, Coffee: World Markets and Trade)

Hiện nay trên thế giới có hai phương pháp chế biến cà phê chủ yếu, đó là phương pháp chế biến ướt (cà phê rửa, được gọi là cà phê dịu “milds” chủ yếu cho cà phê chè Arabica và một số ít cà phê Robusta) và phương pháp chế biến khô (cà phê không rửa “harrd coffee” chủ yếu cà phê vối)

Sau đây giới thiệu công nghệ chế biến cà phê của một số nước trên thế giới:

* Colombia: Đây là nước sản xuất cà phê Arabica vào loại ngon nhất, đắt giá

nhất, cung cấp cho thị trường thế giới loại cà phê “Colombia mild”

Công đoạn chế biến như sau:

- Xát tươi: Dùng máy xát ngay trong mùa thu hoạch

- Lên men: Phân huỷ lớp nhớt bám quanh vỏ trấu cà phê Cà phê xát tươi xong được đưa vào bể lên men trong thời gian 12 - 24 giờ, tuỳ thuộc nhiệt độ bên ngoài

- Rửa: Cà phê lên men xong được rửa bằng nước chảy trong những cái máy để loại bỏ nhớt đã lên men

- Làm khô: Có thể phơi hoặc dùng máy sấy Sản phẩm thu hoạch được là cà phê thóc khô

* Mexico: Chủ yếu chế biến theo phương pháp ướt Tuỳ theo cách tổ chức sản

xuất, quy mô trang trại lớn hay nhỏ mà thực hiện theo hai loại hình: Công nghiệp và nửa công nghiệp

Công đoạn chế biến như sau:

- Tiếp nhận nguyên liệu và phân loại quả cà phê chín hái về, được đưa vào bể chứa nước vận hành bằng bể xi phông, quả chín nặng được tách khỏi quả nhẹ và rác rưởi

- Xát quả tươi bằng máy xát quả

- Làm sạch nhớt bằng cách dùng bể lên men hay máy đánh nhớt

- Làm ráo và đánh khô rồi chế biến tiếp

* Braxin: Cà phê Arrabica được chế biến chủ yếu theo phương pháp khô, một

tỷ lệ rất nhỏ được chế biến theo phương pháp ướt và nửa ướt

1.3 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN CÀ PHÊ TẠI VIỆT NAM

Hình 1.10 Nông dân đang thu hái cà phê

Ở Việt Nam, cây cà phê được các nhà truyền đạo công giáo trồng đầu tiên vào năm 1857 ở hai tỉnh Quảng Bình và Quảng Trị Năm 1870 tại Tu viện Kẻ Sở (Kim Bảng, Hà Nam) cũng bắt đầu trồng thử Năm 1888, sau 30 năm nhập nội cây cà phê đã được trồng trên quy mô sản xuất lớn do nhiều người Pháp lập đồn điền như: Borel Leconte ở Chi Nê tỉnh Hoà Bình, Condoux - Gombert ở tỉnh Nghệ An, Michel Philip ở tỉnh Quảng Trị, Rossi - Delfante ở tỉnh Đắk Lắk

Hình 1.11 Nông dân đang làm sạch sơ bộ quả cà phê

Những năm sau đó, cà phê được trồng ở trung du Bắc Bộ như: Cổ Nghĩa, Đồng Lăng, Cốc Thôn tỉnh Hà Nam; Ba Vì, Phú Mân, Hoà Mục tỉnh Hà Tây; Phú Hộ tỉnh Phú Thọ Đến năm 1920 - 1925 sau khi phát hiện ra vùng đất Bazan ở Tây Nguyên, người Pháp đã bắt đầu trồng cà phê trên vùng đất này Sau nhiều năm cây cà phê đã phát triển nhanh ở hầu hết các vùng trước đây đã trồng và mở rộng ra nhiều tỉnh khác với quy mô ngày một tăng

Sau khi hoà bình lập lại ở các tỉnh miền Bắc nước ta, cây cà phê đã được trồng tập trung ở các nông trường quốc doanh Đến năm 1963 - 1964 diện tích cà phê có khoảng trên 10.000 ha Giống cà phê được trồng chủ yếu là cà phê chè Arabica Trong thời gian này, các tỉnh miền Nam diện tích cà phê tập trung ở 5 tỉnh thuộc Tây Nguyên Diện tích cà phê chè chưa nhiều, chủ yếu là cà phê Robusta Khi nước nhà thống nhất (1975) diện tích cà phê ngày càng được mở rộng, đồng thời năng suất và sản lượng tăng lên mạnh mẽ

Trong tổng diện tích cà phê hiện nay của Việt nam thì cà phê Robusta chiếm tới 95% tổng diện tích, còn lại 5% là cà phê Arabica Để thay đổi cơ cấu giống, hơn 10 năm qua Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã có kế hoạch mở rộng diện tích cà phê chè từ các tỉnh miền Trung và các tỉnh phía Bắc

Ở nước ta, sau hơn 30 năm sản xuất và xuất khẩu cà phê, hiện nay cũng đang là thời điểm bị thất thu lớn nhất (mặc dù đã có nhiều giải pháp khống chế) Trước tình hình đó, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn phải nhanh chóng thay đổi kế hoạch phát triển cà phê trên cả nước: Mạnh dạn phá bỏ trên 50.000 ha cà phê vối; tăng nhanh

cơ cấu diện tích cà phê chè Đồng thời đầu tư cho việc chế biến nâng cao chất lượng cà phê nhân sống xuất khẩu

Hình 1.12 Máy xát vỏ cà phê quả khô

Vị trí địa lý của Việt Nam trải dài, từ 8°30’ - 23°22’ độ vĩ Bắc và từ 102° - 109°21’ độ kinh Đông nên đặc điểm khí hậu các tỉnh miền Bắc phù hợp cho các giống

cà phê Arabica Các tỉnh miền Nam, đặc biệt các tỉnh thuộc Tây Nguyên phù hợp với giống cà phê Robusta Hiện nay Tây Nguyên có diện tích trồng cà phê lớn nhất, bốn tỉnh: Đắc Lắc, Gia Lai, Kon Tum và Lâm Đồng sản lượng cà phê chiếm 85% tổng sản lượng cả nước

Thu hoạch và chế biến cà phê là giai đoạn cuối của quá trình sản xuất và cũng là quan trọng nhất, quyết định chất lượng của cà phê nhân Thu hoạch và chế biến không thể làm tăng chất lượng vốn có của cà phê đã được hình thành trong quá trình trồng trọt Tuy nhiên, nếu thu hoạch đúng tầm chín và chế biến tốt thì chất lượng cà phê đảm bảo giá trị xuất khẩu, nếu thu hoạch không đúng thời điểm và chế biến kém thì chất lượng cà phê nhân sẽ giảm sút trầm trọng, tỷ lệ hư hỏng tăng, hiệu quả kinh tế thấp

Hiện nay ở nước ta việc thu hoạch cà phê vẫn thực hiện chủ yếu bằng thủ công

Ở những vùng trồng cà phê không tưới, chỉ nhờ nước mưa như các tỉnh Bắc miền Trung và một số tỉnh miền Bắc, cà phê ra hoa đậu quả và chín kéo dài Ở những vùng trồng cà phê có tưới như các tỉnh Tây Nguyên, miền Đông Nam Bộ cà phê đậu quả và chín tương đối tập trung, tuy vậy thời vụ thu hoạch cũng kéo dài Do quả cà

phê trong từng lô vườn và trên từng cây không chín cùng một lần nên thời gian thu hoạch thường kéo dài từ 2 đến 3 tháng, tùy theo giống, điều kiện khí hậu và thời tiết từng vùng Trong thời vụ thu hoạch có những ngày cà phê chín rộ, nên chủ vườn cà phê phải thuê nhân công thu hái để bảo đảm cà phê chín đến đâu thu hoạch ngay đến

đó, không để quả chín khô trên cây và rụng xuống đất

Ở nước ta, do các vùng trồng cà phê phân bố trải dài từ vĩ độ 10° đến vĩ độ 22° với các giống cà phê Robusta và Arabica, nên thời vụ thu hoạch cà phê cũng khác nhau Ở các tỉnh dưới vĩ độ 16° như Đắk Lắk, Gia Lai, Kon Tum, Lâm Đồng chủ yếu trồng cà phê Robusta, thu hoạch từ tháng 10 đến tháng 1 năm sau Ở các tỉnh từ vĩ

độ 16° trở lên như Quảng Trị, Nghệ An, Sơn La chủ yếu trồng cà phê Arabica, thu hoạch từ tháng 10 đến tháng 12 Nói chung thời vụ thu hoạch ở những vùng cà phê lớn của nước ta đều nằm trong mùa mưa

Ở nước ta, phần lớn sản lượng cà phê hàng năm được chế biến theo phương pháp chế biến khô, trong đó có Tây Nguyên và miền Đông Nam Bộ do diện tích và sản lượng cà phê lớn Đây là phương pháp đơn giản, chỉ cần có sân phơi, nhân lực để cào đảo và vận chuyển Sau khi thu hái, quả cà phê tươi được đưa về sân phơi bằng xi măng (hình 1.13), phơi trong 20 đến 30 ngày cho đến khi ẩm độ trong nhân cà phê còn 11% - 13%

Hình 1.13 Phơi cà phê thủ công trên sân xi măng

Sau đó cà phê quả khô được bán cho các cơ sở xay xát để chế biến thành cà phê nhân Nhược điểm của phương pháp này là cần sân phơi rộng, tốn nhiều công, thời gian kéo dài, chất lượng cà phê phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết Một số nông hộ có sản lượng cà phê lớn đã sử dụng các loại máy sấy tĩnh có năng suất từ 6 - 8 tấn quả tươi/mẻ, để sấy cà phê thay cho khâu phơi Tuy nhiên phương pháp chế biến khô vẫn

có nhiều nhược điểm, khó đảm bảo chất lượng cà phê nhân xuất khẩu, hiệu quả kinh tế mang lại chưa cao

Hiện nay một số nông trường, công ty kinh doanh đã nhập các dây chuyền công nghệ chế biến cà phê theo phương pháp ướt Phương pháp này không cần sân phơi, rút ngắn thòi gian, giảm lao động phơi sấy, vận chuyển, giảm dung tích các kho chứa bảo quản, và ưu điểm nổi bật là đảm bảo chất lượng cà phê cho xuất khẩu Nhưng phương pháp này đòi hỏi phải có các điều kiện về máy móc thiết bị và nước rửa Đối với các

hộ nông dân trồng khoảng 1 - 5 ha cà phê, muốn chế biến theo phương pháp này thì yêu cầu sau khi thu hái, xát tách vỏ, ngâm và đánh sạch nhớt tạo thành cà phê thóc ướt, phân loại sơ bộ rồi sấy thành cà phê thóc khô, đóng bao bảo quản hoặc bán cho các cơ sở chế biến tiếp theo Hiện nay trên thị trường có các loại máy xát vỏ cà phê có năng xuất 1 tấn quả/giờ, tiêu thụ l - 2m3 nước/tấn sản phẩm, do các xưởng cơ khí trong nước sản xuất, phù hợp với quy mô của các hộ nông dân trồng cà phê Dụng cụ để đánh và làm sạch nhớt thì đơn giản, người nông dân có thể tự tạo hoặc mua sắm Vấn đề còn lại của người nông dân là cần có một máy sấy cà phê thóc tươi đảm bảo chất lượng và

có năng xuất vừa phải, tiêu thụ ít năng lượng và sử dụng thuận tiện, phù hợp với quy

mô sản xuất của họ

Hình 1.14 Máy tách vỏ cà phê và đánh sạch nhớt

Ngoài hai phương pháp chế biến ở trên, hiện nay một số nông trường và công

ty cà phê ở Tây Nguyên chế biến theo phương pháp chế biến ướt cải tiến (chế biến nửa ướt) tức là dùng máy xát tươi giống như kiểu Raoeng (Aquapulpa), đánh sạch nhớt khoảng 40 - 60% (có nơi sạch đến 80%) rồi mang phơi, không có ủ lên men và rửa sạch nhớt hoàn toàn như phương pháp chế biến ướt cổ điển

Hiện nay trong nhân dân còn có phương pháp xay cà phê quả tươi dập ra (xay có nước hoặc không có nước) để phơi cho mau khô Cách này không thể cho cà phê có chất lượng cao được, thậm chí nếu phơi gặp mưa thì cà phê sẽ bị hỏng

1.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SẤY

1.4.1 Thông số nhiệt vật lý của vật liệu ẩm

Khái niệm độ ẩm của vật bao gồm độ ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm cân bằng được mô tả như sau:

- Độ ẩm tương đối còn gọi là độ ẩm toàn phần, là số phần trăm khối lượng nước

chứa trong một kilogram vật liệu ẩm và được xác định theo công thức:

G a.100%

W G

= (3.1)

- Độ ẩm tuyệt đối còn gọi là độ ẩm tính theo vật liệu khô, là số phần trăm nước

chứa trong 1 kg vật liệu khô Độ ẩm tuyệt đối được xác định theo công thức:

a 100%

k k

G W G

= (3.2)

- Độ ẩm cân bằng là độ ẩm của vật khi ở trạng thái cân bằng với môi trường

xung quanh vật đó Ở trạng thái này độ ẩm trong vật là đồng đều và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật ẩm bằng phân áp suất hơi nước trong không khí ẩm Lúc này không tồn tại sự trao đổi ẩm giữa vật và môi trường Do vậy, độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào trạng thái của môi trường bao quanh vật Độ ẩm cân bằng được ký hiệu Wcb

hoặc W ocb hoặc U cb

Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm cân bằng có ý nghĩa rất lớn, nó xác định giới hạn quá trình sấy và dùng để xác định mức bảo quản của mỗi loại vật liệu trong những điều kiện môi trường khác nhau

Một vật ẩm có độ ẩm W 1 đặt trong môi trường không khí ẩm có trạng thái nhất

định t1,1 Nếu độ ẩm của W 1 lớn hơn độ ẩm cân bằng tương ứng với trạng thái không khí t1,1, thì vật ẩm sẽ thoát ẩm cho đến khi đạt trị số độ ẩm cân bằng W cb Ngược lại

nếu W 1 <Wcb thì vật sẽ hấp thu ẩm để độ ẩm của nó tăng lên cho tới khi đạt tới trị số

cân bằng

1.4.2 Phân loại vật ẩm

Có nhiều cách phân loại vật ẩm Dựa vào các tính chất vật lý của vật thể, vật ẩm được chia thành ba nhóm: vật xốp mao dẫn, vật keo và vật keo xốp mao dẫn

Các vật sấy rất đa dạng, phong phú nên cách phân loại chỉ là tương đối Tuy nhiên, khi khảo sát quá trình sấy và chỉnh lý các kết quả nghiên cứu để áp dụng cho những vật liệu và nhóm vật liệu khác nhau, thì sự phân loại này có ý nghĩa rất lớn

- Vật xốp mao dẫn: Những vật mà trong đó ẩm liên kết với vật liệu chủ yếu

bằng mối liên kết mao dẫn Chúng có khả năng hút mọi chất lỏng dính ướt không phụ thuộc vào thành phần hoá học của chất lỏng Các vật liệu xây dựng, than củi, cát, thạch anh là những vật xốp mao dẫn Ở những vật này lực mao dẫn lớn hơn rất nhiều so với trọng lượng ẩm chứa trong vật và quyết định hoàn toàn sự lan truyền ẩm trong vật

Trong trường hợp trọng lượng ẩm cân bằng với lực mao dẫn thì những vật này gọi là vật xốp Đặc điểm của những vật xốp mao dẫn là sau khi sấy khô nó trở nên giòn và có thể bị vỡ vụn thành bột

- Vật keo: Là vật có tính dẻo do cấu trúc của nó, trong vật keo ẩm liên kết ở

dạng hấp thụ và thẩm thấu như: keo động vật, vật liệu xenlulô, tinh bột, đất sét Các vật keo có đặc điểm chung là khi sấy bị co ngót nhiều và vẫn giữ được tính dẻo

Để đơn giản công việc nghiên cứu và tính toán, trong kỹ thuật sấy người ta khảo sát các vật keo như các vật giả xốp mao dẫn Khi đó các vật keo được xem như vật xốp mao dẫn có cấu trúc mao quản nhỏ

cả vật keo và vật xốp mao dẫn thì được gọi là vật keo xốp mao dẫn Các vật liệu như

gỗ, than bùn, các loại hạt, một số thực phẩm thuộc loại này Về cấu trúc, vật keo xốp mao dẫn thuộc loại xốp mao dẫn, nhưng về bản chất lại là các vật keo, có nghĩa là thành mao dẫn của chúng có tính dẻo, khi hút ẩm các mao quản trương lên, khi sấy khô thì co lại Phần lớn các vật keo xốp mao dẫn khi sấy khô trở nên giòn

1.4.3 Các thông số trạng thái của tác nhân sấy

Tác nhân sấy là những chất dùng để truyền nhiệt cho vật liệu sấy và chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật sấy Trong quá trình sấy, môi trường xung quanh luôn được bổ sung lượng ẩm thoát ra từ vật sấy Nếu độ ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối của không khí bao quanh vật thể sấy sẽ tăng lên đến khi đạt giá trị cân bằng giữa vật sấy và môi trường bao quanh thì quá trình thoát ẩm vật sấy ngừng lại Như vậy, cùng với việc cấp nhiệt cho vật ẩm để hoá hơi ẩm lỏng, đồng thời phải tải ẩm đã thoát ra khỏi vật vào môi trường Đó cũng chính là nhiệm vụ cơ bản của tác nhân sấy Tác nhân sấy có thể là khói lò, khí sạch, hơi quá nhiệt, khí khói

Không khí ẩm là loại tác nhân sấy có sẵn trong tự nhiên, không khí ẩm là hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau và có chứa một lượng hơi nước nhất định Khi nghiên cứu người ta coi không khí ẩm gồm hai thành phần chính là không khí khô và hơi nước Không khí khô (khí lý tưởng) được gọi là thành phần cố định, còn hơi nước

là thành phần luôn thay đổi trong không khí ẩm Để đơn giản coi không khí ẩm là hỗn hợp khí lý tưởng, tức là:

Khối lượng không khí ẩm bằng tổng khối lượng của không khí và hơi nước

G=G k+ Gh (kg) (3.3)

Không khí khô và hơi nước được phân bố đều trong thể tích

V= VK – Vh (m3) (3.4)

Nhiệt độ của không khí khô bằng nhiệt độ của hơi nước và chính là nhiệt độ của

không khí ẩm

T = tk = th (3.5)

Áp suất của không khí bằng tổng phân áp suất không khí khô và phân áp suất

của hơi nước

P = Pk + Ph (3.6)

Tuỳ theo trạng thái hơi nước trong không khí ẩm, người ta chia không khí ẩm

thành ba loại:

- Không khí ẩm chưa bão hoà, là loại không khí ẩm mà lượng hơi nước chứa

trong đó chưa đạt đến mức tối đa, có nghĩa là vẫn còn khả năng chứa thêm nước

- Không khí ẩm bão hoà, là loại không khí ẩm mà lượng hơi nước đã chứa đến

mức tối đa

- Không khí ẩm quá bão hoà là loại không khí ẩm mà lượng hơi nước đã chứa

đến mức tối đa và còn chứa thêm cả nước ngưng tụ

1.4.3.1 Độ ẩm tuyệt đối

Độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là lượng hơi nước (tính bằng g) chứa trong

l m3 không khí ẩm Độ ẩm tuyệt đối ký hiệu là ρ

.1000

h G V

= (g/m3) (3.7)

Độ ẩm tuyệt đối có giá trị bằng khối lượng riêng của không khí ẩm:

.1000

h h

G V

 = = (g/m3) (3.8)

Như vậy, độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm thay đổi trong khoảng 0 < ρ < ρ max

Khi nhiệt độ không khí ẩm tăng thì ρ max cũng tăng

1.4.3.2 Độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối của không khí là tỷ số giữa lượng hơi nước chứa trong không

khí ẩm với lượng hơi nước lớn nhất có thể chứa trong không khí ẩm ở cùng một nhiệt

độ Độ ẩm tương đối đo bằng %, ký hiệu là 

=

max

.1000

h h

G

G (%) (3.9)

Ghmax - Lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm ở trạng thái bão hoà (kg)

Từ các phương trình trạng thái của hơi nước ở trạng thái đã cho và trạng thái

bão hoà ta có thể xác định được G h và G hmax

h

V P

1.4.3.3 Độ chứa ẩm của không khí ẩm

Độ chứa ẩm của không khí ẩm là khối lượng hơi nước chứa trong l kg không

h h

Như vậy trong trường hợp này, nếu d = const sẽ kéo theo  = const

Ở mỗi nhiệt độ không khí ẩm có một độ ẩm chứa cực đại ứng với trạng thái bão hòa, lúc đó  = 100%, vậy ta có:

dmax = 622 s

s

h h

p d d

+ và ở trạng thái bão hòa phs =

622

p d d

+ (3.16)

1.4.3.4 Nhiệt dung riêng của không khí ẩm

Khi đã xem không khí ẩm là hỗn hợp của khí lý tưởng thì nhiệt dung riêng của không khí ẩm được xác định theo công thức nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng:

Ck 1 kJ/kg0K - Nhiệt dung riêng của không khí khô

Ch 1,97 kJ/kg0K - Nhiệt dung riêng của hơi nước

1.4.3.5 Thể tích riêng và khối lượng riêng của không khí ẩm

Thể tích riêng của không khí ẩm là v:

Sau khi thay các trị số R k = 287 J/kg K và Rh= 461,9J/kg K vào công thức trên

và biến đổi ta được:

s(1 0,378 )287

h

p p



= − (m3/kg) (3.19)

1.4.3.6 Entanpi của không khí ẩm

Entanpi của không khí ẩm I bằng tổng entanpi của không khí khô và entanpi

của hơi nước, tức là:

I = i k + 0,001.d.i h (kJ/kg KKK) (3.20)

i k = C k t - entanpi của không khí khô (kJ/kgK)

i h = r + C h t - entanpi của hơi nước (kJ/kgK)

Nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí C k = 1kJ/kgK, của hơi nước

Vậy ta có: I= t + 0,001d (2493+1,97t) (kJ/kgKKK)

Trường hợp không khí ẩm quá bão hoà, trong không khí ẩm còn có những giọt

nước ngưng dạng sương mù Nếu gọi d s là lượng nước ngưng chứa trong lkg không

1.4.3.7 Đồ thị I-d của không khí ẩm

Đăc điểm của đồ thi I-d

Trong kỹ thuật nhiệt, đồ thị I-d rất quan trọng, được dùng để xác định các tiêu

hao không khí và tiêu hao nhiệt trong quá trình sấy; đồng thời, xác định các thông số

của không khí ẩm trong buồng sấy nhằm xác định các chế độ làm việc của thiết bị

Đồ thị I-d được thành lập với hai trục toạ độ I và d hợp nhau một góc 135°C

Tuy vậy, trục d người ta vẽ vuông góc với trục I Do vậy, khi xác định entanpi của

không khí ẩm trên đồ thị ta phải kẻ qua điểm cần xác định đường I = const là đường

thẳng hợp với trục tung (biểu diễn I) một góc 135°C

Đồ thị I-d được thành lập với một áp suất nhất định của không khí ẩm, thường

với áp suất khí quyển p = 745mmHg Trường hợp đặc biệt, khi không khí ẩm có áp

suất khác với áp suất khí quyển, ta phải thiết lập riêng đồ thị I-d cho áp suất cần dùng

Cách thành lập đồ thị I-d

Trên đồ thị I-d, entanpi được tính bằng (kcalo/kgKKK) hay (kJ/kgKKK), độ chứa ẩm d tính bằng (g/kgKKK), phân áp suất hơi nước p h tính bằng mmHg

Hình 1.15 Cách xây dựng đồ thị I – d

- Xây dựng đường cong ph = f(d)

Đường cong ph = f(d) được xây dựng dựa trên cơ sở phương trình

Ph =

622

d p

d

+

Trên đồ thị trục p h được đặt bên phải đối diện với trục I

- Xây dựng họ đường t = const

Từ phương trình I= t + 0,001d/(2493 + 1,97t), ta có:

( I)t 2493 1, 97t d



Khi t là một hằng số thì vế phải cũng là hằng số Đường biểu diễn quan hệ

I=f(d)t=const là các đường thẳng có độ dốc dương Khi t càng lớn, độ dốc càng lớn, vì

vậy chùm đường thẳng I=f(d)t=const là phân kỳ

Trong vùng quá bão hoà thì:

Vậy, trong vùng quá bão hoà đường đẳng nhiệt vẫn là đường thẳng, nhưng độ dốc nhỏ hơn nên nó sẽ bị gãy khúc và giảm độ dốc

- Xây dựng họ đường  = const

Các đường cong = const được xây dựng từng điểm một nhờ đường cong

- Xây dựng đường cong = 100%

Với nhiệt độ t 1, dùng bảng hơi nước xác định p hsl Từ trị số P hsl kẻ đường thẳng

song song với trục hoành đến gặp đường p h = f(d ) tại điểm 1’ Từ điểm 1’ kẻ đường song song với trục tung, đường thẳng này cắt đường thẳng t1 = const tại điểm 1 Ta được một giá trị của đường cong  = 100% Làm tương tự với nhiều giá trị nhiệt độ ta

sẽ được đường cong = 100%

- Xây dựng đường cong = const ( = 50%)

Với nhiệt độ t 1 , dùng bảng hơi nước ta xác định được p hs1 , sau đó xác định

p hl = φ 1 p hsl = 0,5p hsl Từ trị số p hsl kẻ đường song song với trục hoành đến gặp đường

p h =f(d) tại điểm 2’ Từ điểm 2’ kẻ đường thẳng đứng đến gặp đường thẳng t 1 = const tại điểm 2 Điểm 2 là một điểm của đường cong  = 50% Với nhiều giá trị nhiệt độ khác nhau ta sẽ xác định được nhiều giá trị của đường cong =50%

Các đường cong  = const trong vùng nhiệt độ t > 100°C sẽ trở nên thẳng đứng

vì như đã xác định ở phần trên, khi nhiệt độ không khí ẩm t > 100°C thì  = const sẽ

kéo theo d = const

1.4.4 Truyền nhiệt và truyền ẩm trong quá trình sấy

Sấy là quá trình làm khô các vật thể bằng phương pháp bay hơi Muốn sấy khô một vật cần phải tiến hành các biện pháp kỹ thuật sau:

- Gia nhiệt cho vật để đưa nhiệt độ của nó lên đến nhiệt độ bão hoà ứng với phân áp suất của hơi nước trên bề mặt vật

- Cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm trong vật thể

- Vận chuyển hơi ẩm đã thoát khỏi vật thể ra bên ngoài

1.4.4.1 Quá trình truyền ẩm trong vật thể sấy

Quá trình sấy bao gồm hai quá trình xảy ra liên tiếp là truyền ẩm từ trong vật sấy ra ngoài bềmặt và thoát hơi ẩm từ bề mặt vào môi trường Tốc độ sấy phụ thuộc vào tốc độ biến đổi ẩm trong vật sấy và trên bề mặt vật sấy

Trong nhiều nghiên cứu, người ta xem quá trình truyền nhiệt và truyền chất đồng dạng nhau Vì vậy, tương tự như phương trình Fourier về dẫn nhiệt ta có phương trình dẫn chất mô tả sự dẫn ẩm trong vật thể:

 - trọng lượng riêng của vật liệu khô

Phương trình vi phân dẫn chất có dạng:

2

u

m

u a





= 

Năm 1934, A.V Lukov đã phát hiện ra hiện tượng khuyếch tán nhiệt của vật

ẩm xảy ra dưới tác dụng của gradient nhiệt độ Hiện tượng này ảnh hưởng với mức độ khác nhau đến quá trình dẫn ẩm trong vật thể Trường hợp sấy tốc độ cao ảnh hưởng của hiện tượng này càng lớn

Như vậy, nếu kể đến ảnh hưởng của hiện tượng khuyếch tán nhiệt thìphương trình dẫn ẩm có dạng:

q mt - dòng ẩm do khuếch tán nhiệt

Phương trình vi phân dẫn ẩm trong có dạng (trường đơn nguyên):

 - hệ số bay hơi bên trong (  = 0 khi ẩm chỉ truyền dưới dạng lỏng,  =1 khi

ẩm chỉ truyền dưới dạng hơi)

r - nhiệt biến đổi pha

C - nhiệt dung riêng của vật, C = C0+ Cn

C0 - nhiệt dung riêng của vật khô

Cn - nhiệt dung riêng của nước

a - hệ số dẫn nhiệt độ

Hệ số a m và  chỉ phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ

Khi hiệu số nhiệt độ, hiệu số độ ẩm ở trong và ngoài vật càng lớn thì tốc độ sấy càng lớn Nếu độ ẩm và nhiệt độ ở lớp bề mặt vật lớn hơn lớp bên trong vật thì có thể gây nên sự kìm hãm thoát ẩm ở bề mặt hoặc thậm chí có thể làm cho ẩm chuyển ngược lại từ ngoài vào vật

Khi sấy đối lưu, vật ẩm đặt trong dòng không khí hay khói nóng, quá trình truyền nhiệt thực hiện từ bề mặt vào trong vật, nhiệt độ bề mặt lớn hơn nhiệt độ bên trong vật Sự chênh lệch nhiệt độ này ảnh hưởng xấu đến quá trình dẫn ẩm từ trong vật

ẩm ra ngoài, gây nên do gradient độ ẩm, còn gradient nhiệt độ ngược lại làm chậm sự dẫn ẩm

Dòng ẩm từ trong vật sấy truyền ra ngoài trong sấy đối lưu là:

q m = q ma - q mt (3.27)

Sự bay hơi ẩm trên bề mặt tạo nên dòng ẩm trong vật, nhiều trường hợp dòng

ẩm này gây nên sự co ngót của vật, làm cho vật ẩm bị kéo ở các lớp ngoài và bị nén ở các lớp trong Tốc độ sấy càng lớn thì càng chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt vật và bên trong vật càng nhiều, do đó càng làm tăng ứng suất dư trong vật và có thể dẫn đến bị nứt, vỡ Vì vậy, sức bền kéo chính là giới hạn tốc độ sấy của vật ẩm

Ở một số vật ẩm, sức bền kéo nhỏ, đồng thời ứng suất dư tăng nhanh khi tăng

độ chênh ẩm và do vậy khi sấy đối lưu phải chọn tốc độ sấy nhỏ, nên thời gian sấy dài

1.4.4.2 Quá trình trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt vật ẩm và môi trường

Trong quá trình sấy, môi chất sấy chuyển động bao bọc lấy bề mặt vật ẩm Ở đây, xảy ra quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa bề mặt vật ẩm và môi chất sấy Quá trình này rất phức tạp và có thể mô tả bằng hệ thống các phương trình vi phân và các điều kiện đơn trị của chúng Khi sấy xảy ra quá trình bay hơi ẩm từ vật vào môi trường (thông thường quá trình này xảy ra trong điều kiện không đẳng nhiệt) dòng hơi ẩm thoát ra từ vật vào môi trường bao gồm ba thành phần là dòng ẩm khuếch tán, dòng ẩm khuếch tán nhiệt và dòng ẩm do khuếch tán phân tử, tức là:

Dòng khuếch tán q mk gây nên bởi chênh lệch nồng độ hơi ẩm giữa bề mặt và

môi trường Dòng khuếch tán nhiệt q mt gây nên do chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và

môi trường Dòng khuếch tán phân tử q mp gây nên do chênh lệch áp suất hơi ở bề mặt

và môi trường Thông thường dòng khuếch tán và dòng khuếch tán phân tử đóng vai trò chủ yếu, còn dòng khuếch tán nhiệt rất nhỏ, trong nhiều trường họp có thể bỏ qua

Khi nhiệt độ tăng, việc thoát ẩm bằng dòng phân tử tăng lên và khi nhiệt độ tới

100°C thì ở áp suất khí quyển, dòng khuếch tán phân tử trở nên là chủ yếu (100%) Sự

truyền nhiệt từ môi chất sấy đến vật ẩm là nguyên nhân dẫn đến sự thoát ẩm vào môi trường; đồng thời, dòng ẩm thoát ra từ vật sấy vào môi trường cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt Hai quá trình này có ảnh hưởng tương hỗ với nhau Khi môi chất chuyển động bao bọc quanh bề mặt vật sấy, trên bề mặt vật sấy hình thành các lớp biên thuỷ động và lớp biên nhiệt Đồng thời, quá trình thoát ẩm từ bề mặt vật vào môi trường cũng hình thành trên bề mặt vật lớp biên chứa độ ẩm Trong các lớp biên này tồn tại sự thay đổi tốc độ, nhiệt độ và nồng độ ẩm (hay phân áp suất hơi)

Để tính được quá trình truyền nhiệt, truyền chất ở đây cần xác định các quy luật thay đổi các thông số bên trong các lớp biên này Việc này có thể thực hiện được bằng giải tích hay bằng các phương pháp thực nghiệm hoặc là kết hợp các kết quả nghiên cứu giải tích và thực nghiệm

Hình 1.16 Sự mô tả ảnh hưởng của trao đổi chất đến trao đổi nhiệt

* Trường hợp không trao đổi chất