Mục tiêu chung
Nghiên cứu thiết kế, cải tiến máy sấy hạt sen SHS-50 nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của máy.
Mục tiêu cụ thể
- Nghiên cứu kỹ thuật sấy hạt sen
- Kiểm tra, đánh giá các thông số làm việc của máy sấy hạt sen SHS-50 tại khoa
Cơ khí - Công nghệ - Đại học Nông Lâm Huế
- Thiết kế cải tiến một số bộ phận làm việc của máy sấy hạt sen
- Tối ưu hoá một số thông số làm việc của máy bằng phương pháp thực nghiệm và sử dụng phần mềm tối ưu hóa Modde 5.0.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Ý nghĩa khoa học
Kết quả thiết kế cải tiến máy sấy hạt sen sẽ là cơ sở khoa học quan trọng cho việc phát triển các hệ thống sấy hạt sen, đồng thời hỗ trợ cho các nghiên cứu tương tự trong ứng dụng sấy hạt sen tươi.
Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả từ việc thiết kế cải tiến máy sấy hạt sen sẽ nâng cao hiệu quả hoạt động của máy, cải thiện chất lượng sản phẩm và phù hợp hơn với điều kiện sản xuất tại địa phương.
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
GIÁ TRỊ CỦA CÂY SEN
Các bộ phận của cây sen, bao gồm hạt sen, ngó sen và củ sen, được sử dụng rộng rãi trên thế giới nhờ vào giá trị dinh dưỡng cao Chúng chứa nhiều protein, lipid, gluxit, khoáng chất như canxi, sắt, photpho, natri, kali, chất xơ, vitamin B1, B2, C và nhiều axit amin thiết yếu Hạt sen đặc biệt có hàm lượng bột đường và protein cao, ít chất béo, đồng thời cung cấp canxi cần thiết cho sự phát triển xương và hỗ trợ lưu thông máu trong cơ thể.
Hạt sen có nhiều công dụng trong việc điều trị các vấn đề sức khỏe như tỳ hư, lỵ, di mộng tinh, khí hư, hồi hộp mất ngủ, và suy nhược cơ thể Hạt sen chín bổ tì, giúp điều trị tiêu chảy mãn tính, tăng tiết dịch và khí hư, đồng thời giảm đau hiệu quả, đặc biệt trong điều trị mất ngủ và đau tim Tâm sen có tác dụng an thần, giúp giảm căng thẳng, trị mất ngủ và hạ sốt cao, cũng như hỗ trợ người bị cao huyết áp.
Lá sen có tác dụng chữa chảy máu, bao gồm đại tiện ra máu, chảy máu chân răng và xuất huyết dưới da, đồng thời giúp điều trị cao huyết áp Quả sen có khả năng chữa lỵ và cấm khẩu Gương sen được sử dụng như một loại thuốc cầm máu, hỗ trợ điều trị đại tiểu tiện ra máu, bạch đới và huyết áp cao Ngó sen cũng có tác dụng cầm máu, giúp điều trị đại tiểu tiện ra máu, chảy máu cam và tử cung xuất huyết.
1.1.3 Giá trị văn hóa, thẩm mỹ
Cây sen không chỉ mang giá trị vật chất và kinh tế mà còn có ý nghĩa tinh thần sâu sắc Ngoài việc sử dụng làm thuốc và thực phẩm, cây sen còn gắn liền với ba hình tượng thiêng liêng của người Việt Nam: Phật Thích Ca, Bác Hồ và tâm hồn dân tộc Hiện nay, sen còn được ưa chuộng như một loại cây cảnh nhờ vẻ đẹp nhẹ nhàng và thanh thoát Giống sen Việt với hoa hồng giản dị, gần gũi, đã trở thành lựa chọn yêu thích của nhiều người.
Sản phẩm từ cây sen không chỉ được sử dụng trong ẩm thực mà còn là nguyên liệu quý giá trong ngành thời trang và mỹ phẩm cao cấp Cuống lá sen có thể chế biến thành tơ sen, tạo ra vải lụa chất lượng cao, được ưa chuộng trong các sản phẩm may mặc thủ công, mang lại giá trị kinh tế vượt trội so với các loại sợi khác Bên cạnh đó, hoa sen còn được sử dụng để sản xuất nước hoa với hương thơm quyến rũ, góp phần làm tăng giá trị của sản phẩm từ cây sen.
B ảng 1.1 Giá trị dinh dưỡng có trong 100g củ sen và hạt sen [19]
Thành phần Đơn vị tính
ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CỦA CÂY SEN VÀ HẠT SEN
1.2.1 Đặc điểm sinh học của cây sen
Cây Sen có (tên khoa học Nelumbo nuciera Gaerth) thuộc họ sen Nelumbonaceae
Hoa sen phân bố chủ yếu ở vùng nhiệt đới châu Á và châu Mỹ, thường được trồng ở ao hồ, vùng trũng thấp, đầm lầy và đồng bằng Mùa hoa sen nở diễn ra từ tháng 5 đến tháng 6, trong khi mùa thu hoạch hạt sen kéo dài từ tháng 7 đến tháng 9.
Sen là cây thủy sinh có thân rễ (ngó sen) màu trắng, tiết diện gần tròn với khía dọc nâu và chồi hình chóp Thân rễ phình thành củ màu vàng nâu, hình dùi trống, có nhiều đoạn thắt lại Lá sen hình lọng, dài 30-55 cm, rộng 20-30 cm, với mặt trên xanh đậm, nhẵn bóng và mặt dưới xanh nhạt, nhám Cuống lá dài 1-1,5 m, có nhiều gai Hoa sen lớn, màu hồng hoặc trắng, cuống hoa dài 1,3-1,5 m, chuyển sang màu nâu khi già Đế hoa hình nón ngược, chứa nhiều quả sen, bao hoa có 12-16 phiến xếp xoắn ốc, với các phiến bên ngoài màu xanh hơi hồng và bên trong màu trắng hồng Bộ nhị nhiều, rời, đều, với chỉ nhị màu trắng, hình sợi, nhẵn.
Hình 1.1 Hoa, gương và lá sen
Bộ nhụy của hoa gồm nhiều lá noãn rời, được sắp xếp thành nhiều vòng và nằm sâu trong đế hoa Bầu hoa có màu vàng nhạt, hình bầu dục với kích thước dài 6-11 mm và rộng 3-4 mm Vòi nhụy rất ngắn, đầu nhụy hình tròn và lõm ở giữa Quả của hoa nhỏ, màu xanh, nhẵn, có hình bầu dục với chiều dài 1,7-2,5 cm và đường kính 0,6-1,2 cm Hạt có màu trắng, dài 1,3-1,5 cm và đường kính 5-6 mm, với 2 lá mầm dày mập màu trắng bên trong có tâm sen màu xanh, bao gồm rễ mầm, thân mầm và chồi mầm.
2 lá đầu tiên Hoa sen có rất nhiều màu, dao động từ màu trắng như tuyết tới màu vàng hay hồng nhạt [8]
Hình 1.2 Nhụy, quả và hạt sen
1.2.2 Các giống sen được trồng phổ biến ở Việt Nam Ở nước ta cây sen đã được trồng nhiều suốt từ Bắc vào Nam Các giống sen hiện đang được trồng chủ yếu là các giống địa phương, một số ít là nhập nội với tiềm năng từ sự đa dạng loài sen là rất lớn Hiện nay, trên đất nước Việt Nam có hơn 20 loài sen bản địa và khả năng nhập nội gần 100 loài Hoa sen đẹp, nhiều màu sắc và hương thơm, đa dạng hình thái thực vật về hình dạng cây, lá và hoa (hình 1.3) Một số loài có thể ghi nhận ở Việt Nam: Sen hồng và Sen trắng cung đình Huế, Sen hồng và sen trắng cánh đơn Nam bộ, Sen hồng và Sen trắng Hồ Tây, Sen hồng Quan Âm Liên Hoa, Sen trắng Quan Âm Bách diệp, Sen trắng cánh kép, Sen trắng cánh kép viền tím, Sen hồng lá to, Sen Nhật bản, Sen Thái Lan Sự đa dạng loài, đa dạng sinh học là tiềm năng vô giá của cây sen sẵn có trong thế giới tự nhiên [4]
Đồng Tháp Mười là vùng trồng sen lớn nhất Việt Nam với diện tích 423 hecta trải dài trên ba tỉnh Long An, Tiền Giang và Đồng Tháp Sen chủ yếu được trồng để thu ngó sen và gương sen, với thời gian thu hoạch chỉ sau 1 tháng gieo trồng Giá trị của hai mặt hàng này trên thị trường luôn cao và ổn định, góp phần tăng thu nhập cho nhiều người dân trong vùng, đạt gần 100 triệu đồng mỗi vụ trên mỗi hecta.
Hình 1.4 Đồng sen ở Tháp Mười
1.2.3 Các giống sen được trồng phổ biến ở Thừa Thiên Huế Ở Thừa Thiên Huế, sen được trồng trong các ao, hồ và quanh khu vực đại nội Giống sen được trồng phổ biến là giống sen cao sản chủ yếu được lấy giống từ Quảng
Nam ra ươm trồng, Thừa Thiên Huế nổi bật với giống sen quý như sen Cung Đình hồng nhỏ nhắn và sen Cung Đình trắng, được vua chúa xưa ưa chuộng Hạt sen không chỉ có giá trị kinh tế cao mà còn giàu dinh dưỡng, được người dân yêu thích Diện tích trồng sen ngày càng mở rộng, và quy trình chăm sóc được cải thiện nhờ công nghệ sản xuất và bảo quản hiện đại Hạt sen Thừa Thiên Huế rất bổ dưỡng và có giá trị trong ẩm thực cũng như y học.
Sen cao sản Huế, trồng ở Thừa Thiên Huế, có đặc điểm nổi bật với thân hình trụ và rễ mập Lá sen gần như tròn, mọc trải trên mặt nước với cuống dài, có màu xanh bóng và gân rõ Hoa sen lớn, mọc trên cuống dài, với nhiều cánh hoa mềm mại, có màu hồng, trắng hoặc vàng tùy theo chủng loại Hoa có nhị màu vàng và các lá noãn rời, hình thành quả gắn trên đế hoa hình nón ngược màu xanh Mỗi quả chứa một hạt với chồi mầm bên trong, được gọi là tâm sen.
Hoa sen có cuống dài, thẳng và nhiều gai nhọn, với đường kính từ 8-12 cm Hoa có nhiều cánh, màu hồng, hồng đỏ và trắng, cùng với 3-5 lá đài màu lục nhạt, thường rụng sớm Cánh hoa bên ngoài to, khum lòng máng, trong khi cánh hoa ở giữa và cuống nhỏ hẹp dần Giữa cánh hoa và nhị có sự chuyển tiếp rõ rệt Nhị hoa có số lượng lớn, màu vàng, với chỉ nhị mảnh và phần gạo sen màu trắng, tỏa hương thơm đặc trưng.
Hạt sen Thừa Thiên Huế nổi tiếng với hương vị thơm ngon đặc trưng, được trồng trên đất cố đô, hấp thụ tinh túy của thiên nhiên Những hạt sen có màu trắng pha vàng nhạt, mang đến vị bùi béo và ngọt mát, tạo cảm giác dễ chịu trên vị giác Hạt sen sau khi phơi khô thường được kết thành chùm, trở thành hình ảnh đặc trưng của đặc sản này.
B ảng 1 2 Các đặc điểm đặc trưng của sen Thừa Thiên Huế
STT Các đặc điểm đặc trưng Biểu hiện tính trạng
1 Màu sắc phiến lá Xanh đậm
2 Độ ráp trên bề mặt phiến lá Mặt lá ráp
4 Cuống lá, cuống hoa Màu xanh nhạt
5 Màu sắc nụ hoa Hồng nhạt
6 Hình dạng nụ hoa Bầu dục dài, chóp tù
7 Màu sắc cánh hoa Màu hồng
8 Cấu tạo cánh hoa Cánh kép
9 Kiểu gương sen Gương mặt bằng
10 Hình dạng hạt sen xanh Bầu dục dài
TÌNH HÌNH SẢN XUẤT SEN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.3.1 Tình hình sản xuất sen trên thế giới
Cây sen có nguồn gốc từ các nước châu Á nhiệt đới [3], xuất phát từ Ấn Độ
Cây sen, sau khi được đưa đến nhiều quốc gia như Trung Quốc, Nhật Bản và vùng bắc châu Úc, hiện nay đã được trồng rộng rãi trên toàn cầu, đặc biệt tại Ấn Độ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, các nước Đông Nam Á, Nga và một số quốc gia Châu Phi Tuy nhiên, Châu Á vẫn là khu vực tiêu thụ cây sen mạnh mẽ nhất.
Các giống sen của Nhật Bản, được du nhập từ Trung Quốc khoảng 500 năm sau Công nguyên, đã được nội địa hóa và mang nhiều tên gọi đặc trưng như Taihakubasu, Benitenjo, Kunshikobasu, và nhiều loại khác Chúng được trồng phổ biến từ đảo Hokkaido đến đảo Kyushu, tạo nên sự đa dạng về hình dáng và màu sắc.
Nhật Bản có hai nhóm giống sen chính: giống có nguồn gốc từ Nhật Bản chuyên cho hoa trang trí và giống nhập khẩu từ Trung Quốc chuyên cho củ Giống sen Nhật Bản như Tenno và Aichi cho hoa đỏ và trắng, có củ thon dài, thuộc nhóm ngắn ngày và trung mùa Trong khi đó, giống sen Trung Quốc như Shina Shirobana và Bitchu có thời gian sinh trưởng dài hơn, nhưng năng suất cao và kháng bệnh tốt hơn Hiện nay, Nhật Bản có khoảng 350 loài sen, chủ yếu được trồng trong các công viên quốc gia, chùa chiền và lăng tẩm để tạo cảnh quan Giống sen lấy củ được trồng chủ yếu ở một số tỉnh miền trung và miền nam, với sản lượng củ sen đạt 82.200 tấn trên diện tích 6.350 hecta vào năm 1982, nhưng đã giảm xuống còn 71.900 tấn trên 4.900 hecta vào năm 1998.
Trung Quốc là quốc gia sản xuất sen lớn nhất thế giới với hơn 100 loại khác nhau, diện tích trồng sen lên tới 133.400 hecta và năng suất bình quân đạt 22,5 tấn/hecta, mang lại sản lượng trên 3 triệu tấn củ sen mỗi năm Thời vụ thu hoạch củ sen tại Trung Quốc diễn ra từ tháng 8 đến tháng 3 năm sau Đặc biệt, khoảng 70% lượng củ sen trên thị trường Hàn Quốc và Nhật Bản được nhập khẩu từ Trung Quốc Ngoài ra, sản lượng sen lấy hạt tại Trung Quốc cũng đạt từ 8.000 đến 14.000 tấn mỗi năm kể từ những năm 1990.
Năm 1995, diện tích canh tác sen ở Hàn Quốc đạt 291 hecta, với sản lượng 9.261 tấn củ, tương ứng năng suất trung bình 31,83 tấn/hecta Thời vụ thu hoạch củ sen diễn ra từ tháng 8 đến tháng 12, và Hàn Quốc cũng là một trong những nước nhập khẩu nhiều củ sen và hạt sen.
1.3.2 Tình hình sản xuất sen ở Việt Nam Ở nước ta, sen được trồng suốt từ Bắc vào Nam Miền Bắc, sen được trồng nhiều tại các tỉnh Bắc Ninh, Bắc Giang, Hưng Yên, Hải Dương, Hà Nam, Hà Nội…tại các vùng đất trũng miền Trung, có Nghệ An, Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Ninh Thuận, Bình Thuận Sen phát triển nhiều ở khu vực ĐBSCL như Long An, Sóc Trăng, Tiền Giang, An Giang đặc biệt Đồng Tháp - được coi là xứ sở của cây sen
Hưng Yên, tỉnh nổi tiếng với việc trồng sen ở đồng bằng Sông Hồng, mang lại thu nhập cao cho người trồng nhờ vào các sản phẩm như hoa, hạt, tâm, nhụy, lá và ngó sen Hạt sen có giá từ 40.000-50.000 đồng/kg và được nhiều thương lái tìm mua vì chất lượng thơm ngon Theo Sở NN và PTNT Hưng Yên, tỉnh hiện có khoảng 100 cơ sở chế biến hạt sen khô, tạo việc làm cho hơn 2.000 lao động với thu nhập 2-2,5 triệu đồng/người/tháng Tuy nhiên, sản lượng sen của Hưng Yên chỉ đáp ứng 1/3 nhu cầu của các cơ sở chế biến, dẫn đến việc phải nhập khẩu sen từ miền Nam và nước ngoài Đồng Tháp Mười, với 697.000 hecta trồng sen, là khu vực lớn nhất cả nước, nổi bật với sen đẹp và hương thơm, trong khi nông dân nơi đây có nhiều kinh nghiệm trong việc thu hoạch và chăm sóc cây sen.
BẢO QUẢN HẠT SEN Ở VIỆT NAM
Có nhiều phương pháp bảo quản thực phẩm, nhưng hạt sen thường được đông lạnh hoặc sấy khô Hạt sen tươi được bọc kín trong bì nilon để ngăn thoát hơi nước và giữ lại vi chất Sau đó, hạt sen được bảo quản lạnh hoặc sấy khô Hiện nay, ở Việt Nam, hạt sen chủ yếu được tiêu thụ ở dạng khô sau khi sấy và đóng bao bì.
Hạt sen được bảo quản bằng phương pháp lạnh trong gia đình, giúp làm chậm sự phát triển của vi khuẩn và biến đổi hóa học, nhưng chỉ hiệu quả với số lượng nhỏ và không duy trì lâu dài Sau khi thu hoạch, hạt sen thường được bóc vỏ, loại bỏ tim và sấy khô, tuy nhiên phương pháp này còn nhiều hạn chế như chất lượng không đồng đều, dễ bị nhiễm khuẩn và phụ thuộc vào thời tiết Để cải thiện tình trạng này, cần có máy móc và thiết bị sấy phù hợp nhằm kéo dài thời gian bảo quản hạt sen Phương pháp truyền thống hiện tại, mặc dù đơn giản, nhưng không đảm bảo an toàn và chất lượng do phụ thuộc vào ánh nắng mặt trời và điều kiện thời tiết.
Hình 1.7 Phơi khô hạt sen dưới ánh nắng mặt trời
TỔNG QUAN VỀ MÁY SẤY HẠT NÔNG SẢN Ở VIỆT NAM HIỆN NAY
Theo thống kê, do điều kiện khí hậu và tác động môi trường, việc phát triển các thiết bị sấy hạt nông sản đang ngày càng phổ biến Sau khi thu hoạch, hạt thường có độ ẩm cao từ 20-22%, và một số loại hạt thu hoạch vào mùa mưa có thể lên tới 35-40% Nếu không được sấy kịp thời, hạt ẩm có thể bị thâm, chua, thối hoặc hư hỏng hoàn toàn Đối với một số loại hạt như đỗ tương, vừng, hạt cải, việc phơi sấy đến độ khô nhất định là cần thiết để tách hạt ra khỏi vỏ Tất cả các loại hạt trước khi đưa vào kho bảo quản đều phải được phơi sấy đến độ ẩm an toàn.
Thị trường hiện nay có nhiều loại thiết bị sấy hạt nông sản phong phú và đa dạng, với các thiết bị phổ biến như: máy sấy hạt, lò sấy và máy sấy công nghiệp.
Thiết bị sấy kiểu hầm:
Hình 1.8 Thiết bị sấy kiểu hầm
1 Phểu cấp nguyên liệu; 2 Cửa thoát khí ẩm; 3 Nguyên liệu;4 Lưới sang; 5.Cửa lấy nguyên liệu; 6 Quạt; 7.Buồng sấy; 8 Buồng đốt; 9 Van dẫn hướng
Nguyên lý hoạt động của buồng sấy bắt đầu bằng việc đưa vật liệu ẩm vào qua phểu cấp liệu 1 Trong buồng sấy, có lưới sàng 4 được bố trí để hỗ trợ quá trình sấy Tác nhân sấy, có thể là không khí nóng hoặc khói lò, được đưa vào buồng sấy nhờ vào dòng khí thổi từ quạt số 6.
Tốc độ và lưu lượng của tác nhân sấy được điều chỉnh qua van dẫn hướng, di chuyển vào buồng sấy từ dưới lên Hơi ẩm của vật liệu sấy thoát ra cùng với dòng khí nóng tại cửa số 2 Sau thời gian sấy cần thiết, vật liệu sẽ được đưa ra ngoài qua cửa số 5 Phương pháp sấy này hiện đang được sử dụng phổ biến, nhưng độ đồng đều nhiệt độ trong buồng sấy không cao, do nhiệt độ ở đáy buồng luôn lớn hơn nhiệt độ ở miệng buồng.
Thiết bị sấy theo phương pháp thăng hoa:
Sấy thăng hoa là quá trình loại bỏ ẩm khỏi vật liệu thông qua sự thăng hoa của nước, chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể hơi Để thực hiện quá trình này, thực phẩm cần được đông lạnh để ẩm ở dạng lỏng chuyển sang thể rắn Do đó, sấy thăng hoa còn được gọi là phương pháp sấy lạnh đông hoặc làm khô bằng phương pháp đóng băng.
Sấy thăng hoa là phương pháp hiệu quả trong việc loại bỏ ẩm từ sản phẩm dưới dạng hơi mà không làm mất đi các chất trích ly và vi sinh vật Trong ngành sản xuất vi sinh, phương pháp này được áp dụng cho vi sinh vật, nấm men, vitamin, kháng sinh và các enzym không bền ở nhiệt độ cao.
Thường quá trình sấy thăng hoa được bắt đầu từ lúc làm lạnh đông bề mặt sản phẩm đến nhiệt độ − 20, − 30
C Tốc độ làm lạnh đông các vật liệu không bền nhiệt ảnh hưởng tới việc bảo quản hoạt động sống của vi sinh vật và độ hoạt hoá của các chế phẩm sinh học, vì khi làm lạnh nhanh các sản phẩm tạo nên đá ở bên trong tế bào, xảy ra biến đổi nhanh chóng thành phần các dung dịch sinh lý bên trong và bên ngoài tế bào và dẫn tới sự phá huỷ và làm chết tế bào
Tất cả các vật liệu sinh học khi được sấy thăng hoa có độ ẩm khác nhau, dẫn đến việc xuất hiện các điểm ba Ơtecti khác nhau, từ đó tạo ra sự cân bằng giữa các pha rắn, lỏng và hơi Đối với vật liệu vi sinh, tốc độ đông lạnh được xác định thông qua thực nghiệm Quá trình thăng hoa diễn ra khi áp suất hơi trên bề mặt vật liệu và nhiệt độ nằm dưới điểm ba cân bằng pha của dung môi (nước) Các máy sấy thăng hoa có thể hoạt động theo chế độ tuần hoàn hoặc liên tục Một ví dụ về sấy thăng hoa tác động tuần hoàn là thiết bị có phòng sấy hình trụ kín (nồi thăng hoa) với giàn ống rỗng chứa vật liệu sấy Nồi thăng hoa hoạt động tuần hoàn như một phòng lạnh, trong đó bơm đẩy tác nhân lạnh vào bên trong ống.
Hình 1.9 Sơ đồ thiết bị sấy thăng hoa tác động tuần hoàn
Máy sấy tĩnh vỉ ngang:
Máy sấy tĩnh vỉ ngang sử dụng nguyên lý sấy đối lưu cưỡng bức, với dòng khí nóng được quạt thổi xuyên qua lớp hạt để loại bỏ hơi ẩm Thiết bị này có cấu trúc đơn giản, phù hợp cho quy mô hộ gia đình và được ứng dụng phổ biến trong việc sấy các loại hạt nông sản.
Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy sấy tĩnh vỉ ngang
1 Thành buống sấy; 2 Sàn sấy; 3 Quạt sấy; 4 Buồng hoà khí; 5 Lò đốt; 6 Quạt lò;
Hạt nông sản được sấy bằng cách đổ trên sàn sấy, nơi không khí nóng từ lò đốt được quạt đẩy vào dưới buồng sấy, làm nóng hạt và bay hơi ẩm Không khí nóng sau khi mất nhiệt và nhận ẩm sẽ thoát lên trên ra ngoài Nguồn nhiệt cho quá trình sấy được cung cấp từ than đá hoặc phế thải nông nghiệp được đốt cháy trong lò Không khí nóng từ lò có nhiệt độ cao được hòa trộn với không khí môi trường qua buồng hòa khí, tạo ra hỗn hợp không khí nóng phù hợp cho từng loại nông sản Nhiệt độ không khí nóng được theo dõi qua đồng hồ đo nhiệt độ và có thể điều chỉnh thông qua cửa ở buồng hòa khí để đáp ứng yêu cầu công nghệ sấy của từng loại hạt.
Máy sấy tĩnh vỉ ngang có ưu điểm nổi bật như kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và giá thành thấp, đồng thời phù hợp với trình độ lao động địa phương và chi phí sấy cũng rất tiết kiệm Tuy nhiên, nhược điểm của loại máy này là độ đồng đều về độ ẩm của sản phẩm không cao nếu không có quá trình đảo trộn, và việc cơ giới hoá cũng gặp nhiều khó khăn.
Máy sấy tĩnh vỉ đứng:
Máy sấy tĩnh vỉ đứng là loại máy sấy cưỡng bức, sử dụng hệ thống nhiệt trực tiếp hoặc gián tiếp Điểm khác biệt so với máy sấy tĩnh vỉ ngang là vật liệu sấy được nạp theo chiều đứng của máy.
Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo máy sấy tĩnh vỉ đứng
1 vật liệu đốt; 2 quạt lò; 3 quạt sấy; 4, 5 lò đốt; 6 vỉ sấy; 7 vật liệu sấy
Máy sấy bao gồm một thùng sấy hình trụ nằm ngang hoặc nghiêng nhẹ, quay chậm (hình 1.12) Bên trong thùng có các cánh dẫn giúp nâng hạt lên theo chu vi trước khi chúng rơi xuống đáy Khi rơi tự do, hạt ẩm tiếp xúc với không khí sấy, từ đó dễ dàng truyền nhiệt và ẩm.
Hình 1.12 Máy sấy thùng quay
1 Buồng đốt; 2 Phểu nạp; 3 Băng tải (vít tải nạp liệu); 4 Thùng sấy;
5 Vít tải ra liệu; 6 Quạt; 7 Xyclon
Tùy theo cách bố trí vòng di chuyển của hạt nông sản qua thùng, ta phân biệt thành 2 loại:
Máy sấy thùng quay hoạt động theo mẻ, với thùng sấy nằm ngang và vật liệu được cho vào với khối lượng tương ứng Thùng quay liên tục, khí nóng được đưa vào một đầu thùng và thổi đều theo trục, mang hơi ẩm ra ở đầu kia Ngoài ra, không khí nóng cũng có thể được đưa vào qua một ống đồng tâm với trục thùng, phân phối qua các lỗ xung quanh Sau khi khí nóng trao đổi nhiệt và ẩm với hạt, nó thoát ra ngoài qua các lỗ ở vỏ thùng Khi vật liệu đã khô, máy sẽ dừng lại để tháo vật liệu ra ngoài.
Máy sấy thùng quay hoạt động liên tục với thùng sấy nghiêng từ 20 đến 40 độ, cho phép vật liệu sấy di chuyển từ đầu vào ra ngoài Không khí sấy được đưa vào một đầu và thoát ra ở đầu kia, với hướng chuyển động có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với vật liệu Thời gian sấy phụ thuộc vào thời gian vật liệu di chuyển trong thùng Ưu điểm lớn nhất của máy là khả năng sấy các hạt có độ ẩm cao, mang lại sản phẩm sau sấy có độ khô đồng đều Tuy nhiên, nhược điểm là hạt có thể dễ bị tróc hoặc vỡ do quá trình đảo trộn nhiều lần trong máy.
TỔNG QUAN VỀ MÁY SẤY HẠT SEN
Hiện nay, nhu cầu tiêu thụ hạt sen khô tại Việt Nam đang gia tăng, dẫn đến sự phổ biến của các mô hình máy sấy hạt sen Máy sấy hạt sen chủ yếu bao gồm ba phần chính: vỏ máy, buồng nướng và màn hình Buồng nướng được lắp đặt bên trong vỏ máy, trong khi các màn hình được đặt cố định trong buồng nướng thông qua một rãnh kẹp.
Máy sấy hạt sen được thiết kế đặc biệt với các bộ phận như buồng sưởi ấm, thiết bị sưởi ấm và thiết bị lưu thông không khí nóng Buồng sưởi ấm được đặt trong vỏ máy, bên cạnh buồng nướng và các thiết bị sưởi ấm khác Hiện nay, máy sấy hạt sen có cấu trúc đơn giản nhưng mang lại hiệu quả nướng và làm khô cao.
Một số thiết bị sấy hạt sử dụng phương pháp sấy khô, nướng nhanh và thổi tro gỗ cùng không khí nóng, giúp quá trình sấy diễn ra dễ dàng và nhanh chóng Tuy nhiên, không khí sấy thường chỉ vào từ một đầu, dẫn đến việc không thể lưu thông đều trong phòng sấy, khiến một số vị trí trong kho hạt sen được sấy nướng tốt hơn Do đó, phương pháp sấy này có thể ảnh hưởng đến chất lượng của mẻ sấy cũng như chất lượng hạt sau khi sấy.
Hình 1.14 Một loại máy sấy hạt trên thị trường
1.6.1 Tình hình nghiên cứu, chế tạo máy sấy hạt sen trên thị trường
Hiện nay, thị trường máy sấy hạt sen trong nước còn hạn chế, khiến người dân chủ yếu phải sử dụng phương pháp sấy tự nhiên bằng năng lượng mặt trời Một số địa phương cũng áp dụng máy sấy hạt nông sản khác, nhưng điều này ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng hạt sen sau khi sấy Trong khi đó, trên thế giới, các mô hình sấy hạt sen tiên tiến đã xuất hiện, như sấy bằng khí nóng trực tiếp, mang lại hiệu quả cao hơn.
Hình 1.15 Một mô hình máy sấy phổ biến trên thị trường
1 Khung buồng sấy; 2 Buồng sấy; 3 Buồng trao đổi nhiệt; 4 Khay sấy; 5 Ống dẫn không khí nóng; 6 Buồng đốt; 7 Đáy buồng đốt; 8 Cửa không khí vào; 9 Ống khói;
10 Quạt thổi; 11 Cửa thoát ẩm; 12 Cửa không khí nóng vào buồng sấy
Máy sấy hạt sen được thiết kế với mô hình sấy tiện ích, mang lại cấu trúc đơn giản và hiệu quả sấy nhanh chóng Quá trình cấp tháo vật liệu và điều chỉnh lưu lượng tác nhân sấy diễn ra dễ dàng Thiết bị bao gồm nội các, phòng làm việc và màn hình theo dõi, cùng với các bộ phận phụ như quạt gió, kính chắn gió và hệ thống ống dẫn nhiệt, giúp nâng cao hiệu suất sấy.
+ Hệ thống tuần hoàn không khí nóng lưu thông của nhiệt trong máy sấy
+ Dễ dàng cải thiện hiệu quả quá trình làm khô vật liệu sấy
+ Hạt sen sấy không bị ô nhiểm hay bị tác động của khói than làm ảnh hưởng chất lượng
+ Bộ phận thu nhiệt chưa hiệu quả nên gây tổn thất nhiệt cao
+ Sự đồng đều độ ẩm hạt sau khi sấy tại các vị trí trong buồng sấy là không cao
1.6.2 Các loại máy và thiết bị sấy hạt sen tại Thừa Thiên Huế Ở Thừa Thiên Huế, hiện nay các loại máy và thiết bị sấy hạt sen còn rất ít và không được sử dụng rộng rãi Chủ yếu người ta dùng phương pháp sấy thủ công ở quy mô hộ gia đình với năng suất thấp, sản phẩm sau khi sấy có chất lượng thấp do hạt sen hấp thụ khí độc từ than (hình 1.16)
Hình 1.16 Buồng sấy thủ công
Cấu tạo buồng sấy than gồm: Tấm cót, bếp than và sào để treo chuỗi hạt sen
Các tấm cót được xếp kín 4 góc, với một tấm đậy ở trên cùng, và số lượng bếp than trong buồng sấy phụ thuộc vào kích thước của buồng Tại Thừa Thiên Huế, hầu hết hạt sen khô được nhập từ Quảng Nam, trong khi nhiều hộ kinh doanh mua sen tươi để gửi đi sấy khô Việc thu hoạch sen già giúp giảm chi phí nhiên liệu và nhân công, đồng thời giữ được độ ẩm và thời gian bảo quản lâu Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm như thời gian thu hoạch kéo dài, chất lượng hạt không đạt yêu cầu, dễ bị nứt vỡ và khó bóc vỏ, khiến người dân Huế không ưa chuộng.
Vào năm 2014-2015, nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Nông Lâm Huế đã phát triển máy sấy hạt sen SHS-50 với thiết kế gọn nhẹ và đơn giản, phù hợp cho hộ gia đình và nhóm hộ kinh doanh hạt sen tại tỉnh Thừa Thiên Huế, có năng suất 50 kg/mẻ.
Máy sử dụng nhiệt gián tiếp từ khói lò qua hệ thống calorifer, cho phép tự động điều chỉnh nhiệt độ sấy thông qua hệ thống điều khiển quạt lò Điều này giúp tăng cường hoặc hạn chế quá trình cháy của lò đốt Máy được chế tạo từ vật liệu có sẵn trên thị trường và sử dụng các phụ phế phẩm nông nghiệp như củi, than, trấu, và rơm.
Hình 1.17 Máy sấy hạt sen SHS-50, khoa Cơ khí-Công nghệ, Đại học Nông Lâm Huế
(Nguồn: Trần Võ Văn May, 2016)
ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Máy sấy hạt sen SHS-50 năng suất 50kg/mẻ tại khoa Cơ khí - Công nghệ - Đại học Nông Lâm Huế
Quá trình gia công cải tiến máy sấy được thực hiện tại xưởng thực hành nghề Vận hành máy thi công nền của trường Cao đẳng Cơ điện - Xây dựng và Nông Lâm Trung Bộ Hạt sen được thu mua từ Huế và các thí nghiệm liên quan diễn ra tại khoa Cơ khí - Công nghệ của trường Đại học Nông Lâm Huế.
Phạm vi thời gian: Gia công cải tiến được thực hiện từ 1/6/2018 đến 30/6/2018 Thí nghiệm khảo nghiệm máy được thực hiện từ 17/7/2018 đến 30/7/2018.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu kỹ thuật sấy hạt sen phổ biến ở Việt Nam
- Kiểm tra, đánh giá các thông số làm việc của máy sấy hạt sen tại khoa Cơ khí - Công nghệ Đại học Nông Lâm Huế
- Thiết kế cải tiến một số bộ phận làm việc của máy sấy hạt sen
- Tối ưu hoá một số thông số làm việc của máy bằng phương pháp thực nghiệm.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu
Để thu thập thông tin và số liệu về hạt sen cũng như quy trình sấy hạt sen, nghiên cứu đã tổng hợp các kết quả từ nhiều tác giả đã công bố trên sách báo và ấn phẩm Bên cạnh đó, cũng cần xem xét các chủ trương, đường lối chính sách của Đảng và pháp luật của Nhà nước, cũng như các quy định địa phương liên quan đến hạt sen.
2.3.2 Phương pháp tính toán, thiết kế
Để tính toán các thông số của máy sấy hạt sen, cần xem xét chi phí nhiên liệu, năng lượng tiêu thụ, tổn thất năng lượng, chi phí nhân công và các chi phí khác Phân tích các yếu tố này giúp chỉ ra những ưu điểm và nhược điểm của máy, từ đó làm cơ sở cho việc thiết kế và cải tiến hiệu quả hơn.
Tại Khoa Cơ khí - Công nghệ Đại học Nông Lâm Huế, thiết kế cải tiến một số bộ phận của máy sấy hạt sen được thực hiện nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của thiết bị Những cải tiến này không chỉ tối ưu hóa quy trình sấy mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
2.3.3 Phương pháp kiểm tra sự đồng đều độ ẩm hạt sen trong buồng sấy
Phương pháp phân tích phương sai được áp dụng để kiểm tra sự đồng đều độ ẩm của hạt sen sau khi sấy ở các vị trí khác nhau trong buồng sấy, với dữ liệu phân bố chuẩn N(a, σ²) được trình bày trong bảng 2.1 [10].
B ảng 2.1 Bảng số liệu mẫu X
Với mức ý nghĩa α=0,05, kiểm định giá trị độ ẩm tại các vị trí trong buồng sấy có khác nhau không
Sau khi phân tích phương sai 1 yếu tố cho ra kết quả bảng ANOVA như sau:
B ảng 2.2 Bảng phân tích phương sai 1 yếu tố
Tổng các độ lệch bình phương (SS)
Bình phương trung bình (MS)
SSA: Tổng bình phương độ lệch riêng của các nhóm so với trung bình mẫu chung; SST: Tổng bình phương các độ lệch;
SSE: đặc trưng sự khác nhau trong nội bộ nhóm;
MSA: phương sai do các yếu tố nghiên cứu tạo ra;
MSE: phương sai do các yếu tố khác tạo ra;
Nếu giá trị thống kê F có phân phối Fisher bậc tự do k-1; n-k thì các số liệu đo được bằng nhau với mức ý nghĩa α
2.3.4 Phương pháp xác định độ ẩm hạt sen Độ ẩm hạt sen được xác định bởi phương pháp sấy mẫu trong thời gian 5 giờ và ở nhiệt độ 105 0 C, khi đó lượng nước tự do có trong mẫu sẽ bốc hơi hết [17] Hạt sen sau khi sấy được lấy mẫu tại 6 vị trí khác nhau trong buồng sấy (hình 2.1) và đưa đi phân tích độ ẩm hạt bằng máy sấy mẫu tại phòng thí nghiệm – khoa Cơ khí Công nghệ trường Đại Học Nông Lâm Huế
Công thức tính độ ẩm của hạt (W):
M1: là khối lượng cốc sứ và mẫu trước khi sấy (g);
M2: là khối lượng cốc sứ và mẫu sau khi sấy (g);
M: là khối lượng mẫu đem sấy (g)
Hình 2.1 Lấy mẫu hạt sen để phân tích độ ẩm sau mỗi mẻ sấy
2.3.5 Phương pháp đánh giá chất lượng cảm quan hạt sen sau khi sấy
Chất lượng cảm quan hạt sen sau khi sấy được đánh giá dựa trên hình dáng, kích thước và màu sắc của hạt so với mẫu chuẩn Mẫu chuẩn được sử dụng trong đánh giá là hạt sen sấy khô bằng máy hiện có trên thị trường Các yêu cầu của sản phẩm sấy cần phải đạt được so với mẫu chuẩn này.
- Hình dáng: Hạt sen phải đồng nhất về hình dáng so với mẫu chuẩn Sản phẩm không bị co rút, nứt
- Màu sắc: Sản phẩm không có những vết đen trên bề mặt
Hình 2.2 Đánh giá cảm quan hạt sen so với mẫu chuẩn
Bài viết này trình bày việc áp dụng phương pháp thực nghiệm và phần mềm Modde 5.0 để tối ưu hóa các thông số làm việc của máy sấy hạt sen tại Khoa Cơ khí - Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Huế sau khi đã thực hiện cải tiến.
2.3.6.1 Bài toán thí nghi ệm
Hình 2.3 Bài toán thí nghiệm máy sấy hạt sen
Máy s ấy hạt sen SHS-50
Thời gian đổi chiều khí sấy Độ ẩm hạt sen sau khi sấy
Chất lượng hạt sen về cảm quan
2.3.6.2 B ố trí thí nghiệm v à x ử lý số liệu a Chọn thông số nghiên cứu Đối tượng của quy hoạch thực nghiệm là một quá trình hoặc hiện tượng nào đó có những tính chất, đặc điểm chưa biết cần nghiên cứu Người nghiên cứu có thể chưa hiểu biết đầy đủ về đối tượng, nhưng đã có một số thông tin tiên nghiệm dù chỉ là sự liệt kê sơ lược những thông tin biến đổi, ảnh hưởng đến tính chất đối tượng Có thể hình dung chúng như một “hộp đen” trong hệ thống điều khiển gồm các tín hiệu đầu vào và đầu ra (hình 2.4)
Hình 2.4 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu
Các biến kiểm tra được và điều khiển được, mà người nghiên cứu có thể điều chỉnh theo dự định, biểu diễn bằng vectơ: Z= [Z1, Z2, ,Zk]
Các biến kiểm tra được nhưng không điều khiển được, biểu diễn bằng vectơ:
Các biến không kiểm tra được và không điều khiển được, biểu diễn bằng vectơ:
Các tín hiệu đầu ra để đánh giá đối tượng được biểu diễn dưới dạng vectơ Y = (y1, y2, , yq), thường gọi là hàm mục tiêu Biểu diễn hình học của hàm mục tiêu được gọi là mặt đáp ứng Việc lựa chọn các chỉ tiêu đánh giá cần đảm bảo đáp ứng yêu cầu của phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phản ánh chính xác các điều kiện tối ưu của đối tượng nghiên cứu Để tính toán và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào trong thí nghiệm máy sấy hạt sen, tôi sử dụng phần mềm Modde 5.0, một công cụ hữu ích cho việc mô hình hóa và tối ưu hóa thực nghiệm, được nghiên cứu bởi Fisher.
Phần mềm Modde 5.0, được phát triển từ năm 1926 bởi Box Hunter, Scheffes, Tagushi và nhiều chuyên gia khác, cung cấp cho người dùng công cụ tối ưu để thực hiện thí nghiệm Nó cho phép tính toán các hệ số trong phương trình hồi quy và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố trong phương trình này.
Kế hoạch thực nghiệm được cấu thành từ các điểm thí nghiệm, gọi là điểm của kế hoạch Mỗi điểm thí nghiệm là một bộ kết hợp các giá trị cụ thể của các yếu tố vào Z, tương ứng với điều kiện thực hiện một thí nghiệm trong tập hợp các thí nghiệm của thực nghiệm Tại điểm thứ i của kế hoạch, bộ kết hợp các giá trị Zji bao gồm các giá trị cụ thể của k yếu tố đầu vào.
Trong đó: i = 1, 2, , N: là điểm thí nghiệm thứ i của kế hoạch thứ i
N: là số điểm thí nghiệm của kế hoạch j = 1, 2, , k: là yếu tố thứ j ; k là số yếu tố đầu vào
Các giá trị cụ thể của yếu tố vào Z được xác định tại các điểm kế hoạch, gọi là mức yếu tố Khái niệm này được sử dụng để mô tả các điểm đặc trưng trong miền quy hoạch, bao gồm mức trên, mức dưới, mức cơ sở và mức sao Mức cơ sở Z0 j của các yếu tố là điều kiện thí nghiệm quan trọng, và thường thì vectơ các yếu tố đầu vào tại mức cơ sở Z0 được chú trọng đặc biệt.
Trong không gian yếu tố, [Z0 j,Z0 j, , Z0 j] xác định một điểm đặc biệt được gọi là tâm kế hoạch, xung quanh đó phân bố toàn bộ các điểm kế hoạch Các tọa độ Z0 j của vectơ Z0 được lựa chọn dựa trên một công thức cụ thể.
Mô hình thực nghiệm của đề tài là mô hình thực nghiệm bậc 2 tâm trực giao với phương trình hồi quy tổng quát [9]:
L ập ma trận thực nghiệm
Sau khi xác định các mô hình thực nghiệm cùng với các yếu tố và hàm mục tiêu, chúng ta tiến hành lập ma trận thực nghiệm theo phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm bậc hai tâm trực giao Ma trận này bao gồm 3 yếu tố và 3 thí nghiệm tại tâm phương án, như được trình bày trong bảng 2.3.
B ảng 2 3 Ma trận thực nghiệm với 3 yếu tố và 3 thí nghiệm tại tâm phương án
TT Biến thực Biến mã hóa z1 z2 z3 x1 x2 x3
Dựa vào ma trận thực nghiệm, ta bố trí thí nghiệm với thông số của các yếu tố và kết quả ở hàm mục tiêu như bảng 2.4 sau:
B ảng 2 4 Bố trí thí nghiệm
Biến mã hóa Kết quả x1 x2 x3 Y1 Y2
2.3.6 3 Xác định hệ số phương tr ình h ồi quy
Ki ểm tra tính ý nghĩa của các hệ số phương tr ình h ồi quy
Kết quả tính toán các hệ số trong phương trình thực nghiệm được thực hiện bằng phần mềm Modde 5.0 Các giá trị P được đánh dấu bằng màu đỏ là những giá trị không có ý nghĩa đối với hàm mục tiêu và có thể được loại bỏ khỏi hàm mục tiêu.
Ki ểm tra sự ph ù h ợp của mô h ình th ực nghiệm
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
THIẾT KẾ CẢI TIẾN MÁY SẤY HẠT SEN SHS-50
3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Vào năm 2014-2015, nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Nông Lâm Huế đã phát triển máy sấy hạt sen SHS-50, với thiết kế gọn nhẹ và đơn giản, phục vụ cho các hộ gia đình kinh doanh và sản xuất hạt sen tại tỉnh Thừa Thiên Huế, có năng suất 50 kg mỗi mẻ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy được thiết kế nhằm tối ưu hóa quy trình sấy hạt sen.
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy sấy hạt sen SHS-50
1 Quạt lò; 2 Lò đốt; 3 Khung; 4 Calorifere; 5 Quạt sấy; 6 Ống khói; 7 Cửa thoát ẩm; 8 Hệ thống hiển thị và điều khiển nhiệt độ; 9 Khay sấy hoặc các thanh treo;
- Nguyên lý ho ạt độ ng:
Các vật liệu đốt như củi, than và trấu được đốt trong lò đốt, tạo ra nhiệt độ cao trong buồng calorifere Không khí được quạt đẩy từ bên ngoài vào, hấp thụ nhiệt từ calorifere, nâng nhiệt độ lên trên 80°C Sau đó, không khí nóng được đẩy vào buồng sấy qua khe hở và tấm phân phối, thực hiện quá trình sấy hiệu quả.
Quá trình sấy hạt sen tươi diễn ra ở nhiệt độ 70 độ C, với hơi ẩm được thoát ra qua cửa thoát ẩm Hạt sen được đặt trên khay hoặc xâu thành từng chuỗi 100 hạt, sau đó được treo vào các thanh treo trong buồng sấy Máy sấy được thiết kế cơ động nhờ hệ thống bánh xe tự lựa, giúp dễ dàng di chuyển trong quá trình sử dụng.
Hệ thống hiển thị và điều khiển nhiệt độ 8 được thiết kế để xác định và hiển thị nhiệt độ sấy trên màn hình LED của bộ điều khiển Hệ thống này duy trì nhiệt độ tác nhân sấy (70 o C hoặc có thể điều chỉnh) nhờ vào cảm biến nhiệt gắn trong buồng sấy, gửi tín hiệu về bộ điều khiển để điều chỉnh quạt thổi 1, từ đó tăng hoặc hạn chế quá trình cháy của lò Nguồn điện cung cấp cho quạt 1, quạt 5 và bộ điều khiển là dòng xoay chiều 1 pha, với sai số điều khiển của hệ thống là 3 o C do hiện tượng quán tính nhiệt.
- Máy cấu tạo đơn giản, dễ dàng cho việc vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa máy;
Máy được trang bị hệ thống điều khiển tự động, cho phép điều chỉnh nhiệt độ sấy một cách linh hoạt bằng cách kiểm soát hoạt động của quạt lò, từ đó tăng cường hoặc hạn chế quá trình cháy trong lò đốt.
- Máy sử dụng vật liệu sẵn có trên thị trường, hệ thống lò đốt sử dụng các loại phụ phế phẩm nông nghiệp như củi, than, trấu, rơm…
Nhược điểm của máy máy sấy hạt sen SHS - 50 là:
Cơ cấu khay sấy và khung đỡ khay chưa hoàn chỉnh ảnh hưởng đến năng suất sấy đạt 50kg/mẻ, dẫn đến kết quả khảo nghiệm thực tế và chất lượng hạt sen sau khi sấy không đạt yêu cầu.
Không khí sấy di chuyển qua khe hở giữa buồng sấy và buồng calorifere, được phân phối vào buồng sấy từ dưới lên qua tấm phân phối (khay sấy) Sự không đồng đều về nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy tại các khay ảnh hưởng đến chất lượng của mẻ sấy.
Kết quả khảo nghiệm sự biến thiên độ ẩm của hạt tại các vị trí trong buồng sấy thể hiện rõ nhược điểm này của máy:
Hình 3.2 Đồ thị tốc độ giảm ẩm của hạt sen khi sấy thử nghiệm [5]
T1, P1, T2, P2 kiểm tra độ ẩm mẫu trái, phải tại khay sấy số 1 và khay sấy số 2
Kết quả từ đồ thị hình 3.2 cho thấy sự khác biệt về độ ẩm giữa vị trí bên trái và bên phải của cùng một khay, cũng như sự chênh lệch giữa các khay trong quá trình sấy và khi kết thúc quá trình sấy.
3.1.4 Kiểm tra, đánh giá các thông số làm việc của máy
3.1.4.1 Xác định các thông số cơ bản của quá tr ình s ấy
Quá trình sấy là phương pháp làm khô các vật liệu và sản phẩm thông qua bay hơi Để thực hiện sấy khô hiệu quả, cần áp dụng các biện pháp kỹ thuật phù hợp.
- Gia nhiệt cho vật để đưa nhiệt độ của nó đến nhiệt độ bão hòa 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 ra khỏi vật thể vào môi trường
Trong quá trình sấy xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, cụ thể là:
- Quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt cho vật sấy
- Quá trình truyền ẩm từ trong vật sấy ra ngoài bề mặt vật sấy
- Quá trình truyền ẩm từ vật sấy vào môi trường
Quá trình truyền nhiệt và truyền chất diễn ra đồng thời trên vật sấy và có ảnh hưởng lẫn nhau Để tối ưu hóa quá trình sấy, việc nghiên cứu các quá trình này trong thiết bị sấy là cần thiết.
Chọn điều kiện ban đầu:
- Khối lượng hạt sen đưa vào sấy: G1 = 50kg/mẻ;
- Độ ẩm hạt sen trước khi sấy: w1 = 70%;
- Độ ẩm hạt sen sau khi sấy: w2 = 11%;
- Độ ẩm của không khí ngoài trời: 0 = 70%;
- Nhiệt độ của không khí ngoài trời t0 = 30 o C;
- Nhiệt độ tác nhân sấy trong buồng sấy: t 1 = 65 o C;
- Thời gian sấy t = 6h a Lượng ẩm cần bốc hơi:
- Lượng ẩm cần bốc hơi trong quá trình sấy là:
- Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1h là: b Khối lượng hạt sen còn lại sau quá trình sấy:
3.1.4.2 Tính toán các thông s ố cơ bản của quá tr ình s ấy lý thuyết
Quá trình sấy lý thuyết không có hồi lưu biểu diễn trên đồ thị I – d như sau :
Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn I-d
- Điểm O (t0, ) là trạng thái không khí bên ngoài;
- Điểm 1 (t1, ) là trạng thái không khí vào buồng sấy;
- Điểm 2 (t2, ) là trạng thái không khí sau quá trình sấy lý thuyết a Trạng thái không khí môi trường (điểm 0)
Lượng chứa ẩm d0 được xác định theo công thức: d0 = 0,621 (kg/kgkkk) (3.1)
: độ ẩm tương đối của không khí, = 70% p : áp suất không khí ẩm (p = 745mmHg = 99333N/m 2 )
: phân áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ t 0 , được xác định theo công thức:
= 0,0422 (bar) Thay vào công thức (3.1) trên ta có:
Entanpy của không khí ẩm:
I0 = Ik + d.Ih = Cpk.t0 + d0(r + Cph.t0) (kJ/kgkkk) (3.2) Trong đó:
Ik : Entanpy 1kg không khí khô
Ih : Entanpy 1kg hơi nước quá nhiệt
Cpk : nhiệt dung riêng không khí khô, Cpk = 1,004 (kJ/kgK)
Cph : nhiệt dung riêng hơi nước quá nhiệt, Cph = 1,842 (kJ/kgK) r: nhiệt ẩn hóa hơi, r = 2500 (J/kg)
Thay các giá trị vào công thức (3.2) ta có:
Khối lượng riêng của không khí khô:
Trong đó: p – áp suất không khí ẩm (p = 750mmHg = 99333N/m 2 )
Rkh - hằng số khí của không khí khô (Rkh = J/kgK)
Rh – hằng số khí của hơi nước (Rh = 462 J/kgK) b Trạng thái không khí sau calorifer (điểm 1)
Với nhiệt độ của không khí khi được thổi vào buồng sấy là : t1 = 65 , d1 = d0
I1 = 1,004.65 + 0,019(2500 + 1,842.65) = 115,034( kJ/kgkkk) Khối lượng riêng của không khí khô:
= = = 1,024 (kg/m 3 ) c Trạng thái không khí cuối quá trình sấy (điểm 2)
Trạng thái này được xác định bởi I2 = I1 và t2 = 40 0 C
Từ đó ta có: d2 = , (kg/kgkkk) d2 = = 0,029 (kg/kgkkk)
Khối lượng riêng không khí khô tính cho 1 m 3 không khí ẩm là:
= = = 1,1 kg/m 3 d Xác định lượng không khí lý thuyết cần thiết
Hơi ẩm trong hệ thống sấy bao gồm ẩm từ vật liệu sấy và ẩm từ không khí bên ngoài Khi ra khỏi hệ thống, ẩm bao gồm ẩm do tác nhân sấy và ẩm từ vật liệu sấy Vì vậy, ta có thể thiết lập phương trình cân bằng ẩm cho hệ thống sấy.
Lưu lượng không khí khô cần thiết:
Gọi l0 là lượng không khí khô cần thiết để bay hơi 1kg ẩm, ta có công thức:
L0 = l0.W l0 Lưu lượng thể tích V0 của không khí:
Pk = = = 1,062 (kg/m 3 ) Suy ra: = = 2909(m 3 /h) e Xác định lượng nhiệt tiêu hao lý thuyết
Lượng nhiệt tiêu tốn để làm bay hơi 1kg ẩm bão hòa: q0 = l0 (I1 – Io) = 100(115,034-78,67) = 3636 (kJ/kgẩm) Lượng nhiệt tiêu tốn cho quá trình sấy:
Hiệu suất nhiệt của buồng sấy là:
Trong đó: Q1 : là nhiệt hữu ích, kW Q1 được xác định như sau:
Q1 = W.[(r +Cpht2) – Cnt1] = 30,9 x[(2500 +1,842 x 40) – 4,18 x 30] = 38511,4 kJ = 9627,9 kJ/h = 2,67 kW
Qs: nhiệt đưa vào buồng sấy, kW hay kJ/h (Qs = Q0 = kW)
3.1.4.3 Xác định các kích thước cơ bản của buồng sấy
Theo thiết kế máy sấy hạt sen năng suất 50kg/mẻ tại khoa Cơ khí – Công nghệ Đại học Nông Lâm Huế, kích thước buồng sấy như sau:
Chiều cao của buồng sấy: H = 1600 mm
Chiều rộng của buồng sấy: B = 620 mm
Chiều dài của buồng sấy: L = 830 mm
(Nguồn: Trần Võ Văn May, 2016)
3.1.4.4 Tính toán quá trình s ấy thực tế
Quá trình sấy thực tế không sử dụng nhiệt bổ sung, mà chịu tổn thất nhiệt từ tác nhân sấy, vật liệu sấy và môi trường xung quanh do cấu trúc bao che của hệ thống sấy Đồ thị I – d minh họa cho quá trình sấy thực tế này.
Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn I-d của quá trình sấy thực tế
Trong qúa trình sấy thực tế, I2 ≠ I1, giá trị entanpy thay đổi theo dấu của D là tổng đại số nhiệt
Nếu D>0 thì đường sấy thực 1C nghiêng lên trên so với đường I1 = const
Nếu D 5 m/s (chọn Vk = 5,2 m/s)
Ta chọn tốc độ gió ngoài trời = 1m/s
Ta lần lượt đi tính các tổn thất nhiệt đã nêu trên:
T ổn thất qua 2 tường b ên: Q t
Tường bên có kích thước:
H.L 00.830 (mm) => Ft = 2.(1,6.0,83) = 2,6 (m 2 ) Tường được làm bằng vật liệu là (tôn và gốm cách nhiệt ceramic) dày lần lượt là:
= 0,8.2 = 1,6 (mm) = 0,0016(m); = 43 (mm) = 0,043 (m) có hệ số dẫn nhiệt:
Mặt khác ta tính được tổn thất của 2 cạnh tường còn lại như trên:
Với kích thước: H.B 00.620 (mm) => Ft = 2.(1,6x0,62) = 1,98 (m 2 )
Do đó: Qt = Ft.kt.(ttb-t0) = 1,98 x 1,6 x (62,5- 30) = 102,96 (W)
Tổng tổn thất của tường: Qt = 135,2 + 102,96 = 238,16 (W)
T ổn thất qua trần: Q tr
Bb.Lb = 620.830 =>Ftr = 0,62.0,83= 0,5 (m 2 ) Trần được bố trí như tường bên nên ta có:
= 0,8.2 = 1,6 (mm) = 0,0016(m); = 43 (mm) = 0,043(m) có hệ số dẫn nhiệt:
Ta xác định được: ktr = 1,6 (W/m 2 k)
Tổn thất qua nền chính bằng tốn thất của trần do có cùng kích thước và được làm cùng một loại vật liệu: Qn = Qtr = 26 (W)
T ổn thất qua cửa ra, v ào c ủa buồng sấy:
Phía trước của buồng sấy có bố trí cửa dùng để cấp và tháo vật liệu, kích thước của cửa như sau: 1200x830 nên diện tích của cửa là:
Fc = 1,2 0,83 = 0,996 (m 2 ) Cửa được bố trí như tường và trần, nền nên ta có:
= 0,8.2 = 1,6 (mm) = 0,0016(m); = 43 (mm) = 0,043 (m) có hệ số dẫn nhiệt:
Ta xác định được: k tr = 1,6 (W/m 2 k)
Do đó: Qc = Fc.kc.(ttb-t0) = 0,996 x1,6 x (52,5- 30) = 52 (W)
Như vậy tổng tổn thất của buồng sấy qua kết cấu bao che là:
Qmt = Qt + Qtr + Qn + Qc = 238,16 + 26 + 26 +52 = 342,16 (W) qmt = Qmt /W = 342,16/(15,73/4) = 87 (W) = 313,2 (kJ/h)
Vì vậy tổng tất cả các tổn thất của máy sấy là:
Ca.t0 – qm - qmt = 4,18.30 – 237,6 – 313,2 = - 425,4 (kJ/kg.ẩm)
Ca – nhiệt dung riêng của nước, Ca = 4,18 (kJ/kgK) b Xác định các thông số của quá trình sấy thực
Xác định lượng chứa ẩm tại điểm C (d c ):
Công thức xác định lượng chứa ẩm dc:
Với I2 = r +Cph.t2 = 2500 + 1,842.40 = 2573,7 (kJ/kg.kkk)
Ic = Cpk.t2 + dc.I2 = 1,004.40 + 0,0199 2573,7 = 91,377 (kJ/kg.kkk)
Xác định độ ẩm tương đối
= = 0,4292 = 42,92% c Xác định tiêu hao không khí thực tế l = = = 1111,11 (kg/kgẩm)
L = l.W = 1111,11 15,73 477,76 (kg) = 4369,44 (kg/h) d Xác định nhiệt lượng tiêu hao thực tế q = l.(I1 – I0) = 1111,11.(135,815 - 78,67) = 63494,38 (kJ/kg ẩm)
3.1.5 Gia công chế tạo khay sấy
3.1.5.1 M ục đích gia công khay sấy
Máy sấy hạt sen SHS - 50 tại Khoa Cơ khí Công nghệ - Đại học Nông Lâm Huế hiện chưa có cơ cấu khay sấy và khung đỡ khay, ảnh hưởng đến năng suất 50kg/mẻ và chất lượng hạt sen sau khi sấy Để khắc phục nhược điểm này, tôi tiến hành gia công chế tạo cơ cấu khay sấy và khung đỡ cho máy.
3.1.5.2 Quy trình gia công, ch ế tạo
- Vật liệu: Vật liệu chế tạo khay sấy và khung đỡ bao gồm các thanh sắt inox loại hộp 10x10x1mm, các tấm thép đục lỗ đường kính 8mm
KHẢO NGHIỆM SỰ CHÊNH LỆCH ĐỘ ẨM HẠT SAU KHI SẤY TẠI CÁC VỊ TRÍ TRONG BUỒNG SẤY
VỊ TRÍ TRONG BUỒNG SẤY 3.2.1 Mục đích khảo nghiệm
Sau khi hoàn tất việc thiết kế, gia công và lắp đặt các bộ phận của máy sấy hạt sen SHS-50, chúng tôi tiến hành thử nghiệm để đánh giá chất lượng quá trình sấy hạt sen Thử nghiệm được thực hiện tại xưởng cơ khí của khoa.
Cơ khí - Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Huế
Để xác định độ ẩm hạt sen, phương pháp được sử dụng là sấy mẫu trong 5 giờ ở nhiệt độ 100÷105 °C bằng tủ sấy đối lưu tự nhiên WTC Binder tại phòng thí nghiệm khoa Cơ khí Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Huế.
Hình 3.15 Xác định độ ẩm hạt sen bằng tủ sấy WTC Binder
- Chọn vật liệu đốt: sử dụng than tổ ong
Thiết bị đo nhiệt độ và vận tốc khí sấy đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quy trình sấy Cụ thể, thiết bị đo nhiệt độ được sử dụng để xác định nhiệt độ khí sấy tại cửa vào của buồng sấy, trong khi thiết bị đo vận tốc khí sấy giúp theo dõi tốc độ sấy tại cùng vị trí này.
Hình 3.16 Hình ảnh thiết bị đo vận tốc và nhiệt độ sấy
Quá trình sấy thử nghiệm máy được thực hiện nhằm kiểm tra tỉ lệ đồng đều độ ẩm hạt sen tại các vị trí khác nhau trong buồng sấy, sử dụng 03 khay sấy đại diện với 3kg hạt sen tươi mỗi lần sấy Các thông số sấy được cố định bao gồm nhiệt độ tU o C, vận tốc khí sấy 1,6m/s, thời gian sấy 6h và thời gian đảo chiều sấy 1,5h/lần Mẫu được lấy từ các vị trí phía trái (T) và phía phải (P) trên mỗi khay, tổng cộng 6 mẫu được kiểm tra độ ẩm sau mỗi lần sấy Kết quả độ ẩm tại các vị trí trong buồng sấy được thể hiện trong bảng 3.1.
Hình 3.17 Vị trí 3 khay sấy thử nghiệm
B ảng 3.1 Độ ẩm hạt sen sau khi sấy tại các vị trí trong buồng sấy Độ ẩm (%)
T1, P1, T2, P2, T3, P3: độ ẩm mẫu trái, phải tại khay sấy số 1, khay sấy số 2 và khay sấy số 3
Phương pháp phân tích phương sai được áp dụng để đánh giá độ ẩm hạt sen ở các vị trí khác nhau trong buồng sấy với mức ý nghĩa α = 0,05 Kết quả phân tích phương sai được trình bày trong bảng 3.2.
B ảng 3.2 Bảng phân tích phương sai Anova một yếu tố với α = 0,05
Bình phương trung bình (MS)
Phân tích phương sai cho thấy giá trị F nhỏ hơn F 5;13;0,95, cho thấy độ ẩm giữa các vị trí nằm trong khoảng phương sai cho phép với mức ý nghĩa α = 0,05 Điều này chỉ ra rằng không có sự khác biệt đáng kể về độ ẩm giữa các vị trí trong buồng sấy.
Máy sấy hạt sen đã được cải tiến để khắc phục sự chênh lệch độ ẩm tại các vị trí khác nhau trong buồng sấy, đảm bảo hiệu quả sấy đồng đều hơn.
THỰC NGHIỆM TỐI ƯU HOÁ MỘT SỐ THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA MÁY
3.3.1 Xác định miền thí nghiệm
Kế thừa từ thí nghiệm đơn yếu tố của tác giả Trần Võ Văn May và cộng sự năm
Năm 2015, dựa trên các đề tài tối ưu hóa máy sấy đã được nghiên cứu, chúng tôi tiến hành thực nghiệm tối ưu hóa một số thông số làm việc của máy sấy hạt sen SHS-50 Các điều kiện cố định trong thí nghiệm bao gồm thời gian sấy là 6 giờ và độ ẩm ban đầu của hạt sen là 70%, trong khi một số thông số khác được thay đổi để đạt hiệu quả tối ưu.
1 Nhiệt độ sấy z1: T = 55÷65 0 C Nhiệt độ sấy giới hạn đối với hạt sen làm thương phẩm là 65 0 C [2]
2 Vận tốc khí sấy z2: v = 0,6÷1,6 (m/s) Vận tốc khí sấy đo tại cửa ra của buồng calorifere
3 Thời gian đảo chiều khí sấy z3: t = 30 ÷ 90 (phút)
Bảng 3 3 Miền thí nghiệm của ba yếu tố
Trong đó: z1: Nhiệt độ sấy z2: Vận tốc khí sấy z3: Thời gian đảo chiều khí sấy
3.3.2 Tiến hành làm thực nghiệm
Quá trình thực nghiệm được thực hiện bằng cách thay đổi các thông số đầu vào và áp dụng bố trí ma trận thực nghiệm của phần mềm tối ưu hóa Modde 5.0, với số lượng thực nghiệm tại tâm phương án là no=3.
3.3.2.1 Bài toán 1: tìm nghi ệm x 1 , x 2 , x 3 sao cho y 1 ( độ ẩm hạt sau khi sấy ) là th ấp nh ất a Bố trí thí nghiệm
Dựa vào ma trận thực nghiệm, thí nghiệm được bố trí với các thông số đầu vào và kết quả như trong bảng 3.4 Độ ẩm hạt sau mỗi lần sấy được xác định tại 6 vị trí khác nhau trong buồng sấy, và độ ẩm trung bình của hạt được tính bằng giá trị trung bình của 6 vị trí này.
B ảng 3.4 Bố trí thí nghiệm và kết quả
Các yếu tố độc lập Kết quả x1 x2 x3 Y1
17 0 0 0 9,34 b Kiểm tra mối tương quan giữa các thông số thí nghiệm
Hệ số tương quan R = 0,928 (R² = 0,862) cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa các yếu tố đầu vào như nhiệt độ sấy, vận tốc khí sấy và thời gian đảo chiều khí sấy với độ ẩm của hạt sau khi sấy.
Hình 3.18 Hệ số tương quan khảo nghiệm độ ẩm hạt sen sau khi sấy d Xác định các hệ số hồi quy
Phân tích các hệ số hồi quy với mức ý nghĩa 95% bằng phần mềm Modde 5.0 cho kết quả như hình 3.19 sau:
Hình 3.19 Kết quả phân tích các hệ số hồi quy bằng phần mềm Modde 5.0
Từ kết quả phân tích trên hình 3.19 ta thấy với mức ý nghĩa 95%, các hệ số b11, b12, b13, , b22, b23 và b33 bị loại, phương trình hồi quy thực nghiệm được xác định như sau:
3.3.2.2 Bài toán 2: tìm nghi ệm x 1 , x 2 , x 3 sao cho y 2 (ch ất lượng hạt về cảm quan ) là cao nh ất a Bố trí thí nghiệm
Dựa vào ma trận thực nghiệm, thí nghiệm được bố trí với thông số đầu vào và kết quả như trong bảng 3.5 Chất lượng hạt sen sau mỗi lần sấy được đánh giá dựa trên tỉ lệ hạt sen trong 7 khay của buồng sấy, đảm bảo tiêu chuẩn cảm quan so với mẫu hạt sen sấy khô loại tốt đang lưu hành trên thị trường.
B ảng 3 5 Bố trí thí nghiệm và kết quả
Các yếu tố độc lập Kết quả x1 x2 x3 Y 2
17 0 0 0 88,98 b Kiểm tra mối tương quan giữa các thông số thí nghiệm
Hệ số tương quan R = 0,989 (R² = 0,980) cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa các yếu tố đầu vào như nhiệt độ sấy, vận tốc khí sấy và thời gian đảo chiều khí sấy với chất lượng cảm quan của hạt.
Hình 3.20 Hệ số tương quan khảo nghiệm chất lượng hạt sen sau khi sấy c Xác định các hệ số hồi quy
Phân tích các hệ số hồi quy với mức ý nghĩa 95% bằng phần mềm Modde 5.0 cho kết quả như sau:
Hình 3.21 Kết quả phân tích các hệ số hồi quy bằng phần mềm Modde 5.0
Từ kết quả phân tích trên hình 3.21 cho thấy với mức ý nghĩa 95%, các hệ số b22, b12, b13 bị loại, phương trình hồi quy được xác định như sau:
3.3.3 Kết quả tính toán tối ưu hoá
Bài toán tối ưu đa mục tiêu liên quan đến độ ẩm hạt sau khi sấy và tỷ lệ chất lượng hạt sau sấy, phụ thuộc vào các yếu tố đầu vào như nhiệt độ sấy, vận tốc khí sấy và thời gian đảo chiều khí sấy.
Bài toán được giải trên phần mềm Modde 5, kết quả tối ưu đa mục tiêu như hình 3.22 sau:
Hình 3.22 Kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phần mềm Modde 5.0
Kết quả tối ưu cho bài toán đa mục tiêu về độ ẩm hạt và tỷ lệ chất lượng hạt sau khi sấy đạt được ở nhiệt độ 61°C, vận tốc khí sấy 1,6 m/s và thời gian đảo chiều khí sấy 30 phút, với độ ẩm hạt là 8,6% và tỷ lệ chất lượng hạt là 89,19%.