Nghiên cứu các thông số công nghệ của giai đoạn sấy tầng sôi trong phương pháp sấy bảo quản lúa hai giai đoạn

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Việt Nam là một trong những quốc gia hàng đầu thế giới về xuất khẩu gạo, tuy nhiên chất lượng hạt gạo vẫn còn hạn chế Tổn thất sau thu hoạch gạo ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) năm 2011 đạt 13,7%, cho thấy sự cần thiết phải cải thiện kỹ thuật và công nghệ sấy, bảo quản gạo để giảm thiểu thiệt hại này.

Ngành xuất khẩu gạo Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức, với tổn thất lên tới 635 triệu USD mỗi năm Trong đó, khâu phơi sấy chiếm tỷ lệ cao nhất với 4,2%, tiếp theo là thu hoạch 3%, xay xát 3%, bảo quản 2,6% và vận chuyển 0,9% Mặc dù vậy, các mất mát về chất lượng chưa được đánh giá đầy đủ, khiến gạo Việt Nam thường rơi vào phân khúc thấp trên thị trường, với giá bán thấp hơn gạo Thái Lan và Mỹ từ 80-100 USD/tấn Để giảm thiểu tổn thất, nhiều giải pháp đã được đề xuất, như gom các khâu từ thu hoạch đến bảo quản và sử dụng máy gặt đập liên hợp kết hợp với máy sấy Việc thu hoạch bằng máy giúp tránh rụng hạt, nhưng cũng đòi hỏi phải thu hoạch khi lúa có độ ẩm cao, dẫn đến nhu cầu sử dụng máy sấy ngày càng tăng trong những năm gần đây Việc lựa chọn máy sấy phù hợp trở thành một vấn đề cần được xem xét kỹ lưỡng.

- Chất lượng sản phẩm đồng đều theo mong muốn

Tiết kiệm diện tích là một yếu tố quan trọng, đặc biệt khi phơi nắng cần không gian rộng rãi Tuy nhiên, diện tích này thường không được sử dụng liên tục, và trong thời gian bình thường thì không cần thiết Đến mùa vụ, nhu cầu sử dụng không gian này lại trở nên cấp bách hơn.

Tiết kiệm nhân công trong việc phơi lúa là rất cần thiết, đặc biệt khi phải đối mặt với thời tiết như nắng mưa, đòi hỏi người nông dân phải trông chừng và di chuyển lúa Hiện nay, tình hình nông thôn Việt Nam đã có sự thay đổi lớn khi lực lượng lao động trẻ ngày càng ít, chỉ còn lại người già và phụ nữ, do nhiều thanh niên đã chuyển lên các thành phố lớn để tìm kiếm cơ hội việc làm, dẫn đến tình trạng thiếu lao động trong lĩnh vực nông nghiệp.

- Tiết kiệm thời gian: phơi phải mấy ngày mới xong một mẻ, trong khi sấy chúng ta có thể làm khô 3-4 mẻ một ngày

- Chủ động trong mọi thời tiết, không phụ thuộc vào nắng mưa

Sấy lúa nhanh chóng trong mùa thu hoạch là rất quan trọng, đặc biệt trong mùa mưa, nhằm ngăn ngừa hư hỏng và bảo đảm chất lượng hạt gạo.

Trong kỹ thuật sấy lúa cao cấp, máy sấy tháp (kiểu tam giác và kiểu tròn) thường được sử dụng, nhưng có hạn chế về độ ẩm hạt sấy, yêu cầu phải dưới 24% Điều này khiến máy sấy tháp không phù hợp cho lúa có độ ẩm trên 28-30%, đặc biệt trong vụ hè thu Phương pháp sấy truyền thống như sấy tĩnh vĩ ngang chiếm ưu thế nhờ chi phí đầu tư thấp, nhưng lại tốn nhiều thời gian và lao động, với thời gian sấy có thể lên đến 8 giờ hoặc hơn Do đó, cần phát triển các phương pháp sấy năng suất cao và cơ giới hóa, đặc biệt là máy sấy tầng sôi, đã cho thấy hiệu quả cao trong việc sấy lúa có độ ẩm lên đến 30% mà không làm giảm chất lượng gạo Luận văn này sẽ tập trung vào việc lựa chọn loại máy sấy tầng sôi phù hợp, tối ưu hóa các thông số công nghệ để giảm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng hạt gạo trong quy trình sấy bảo quản lúa hai giai đoạn.

Các tính chất và qui trình sản xuất lúa gạo

1.2.1 Cây lúa và cấu tạo hạt lúa

Lúa là một trong năm loại cây lương thực chính trên thế giới, cùng với ngô, lúa mì, sắn và khoai tây Là loài thực vật sống một năm, lúa có thể cao từ 1 đến 1,8 m, với lá mỏng và hẹp dài từ 50 đến 100 cm Hoa của lúa nhỏ và tự thụ phấn, mọc thành cụm hoa phân nhánh cong hoặc rủ xuống, dài từ 30 đến 50 cm.

Hạt lúa, hay còn gọi là thóc, có kích thước dài từ 5–12 mm và dày 2–3 mm Cây lúa non được gọi là mạ, và sau khi ngâm ủ, hạt thóc nảy mầm có thể được gieo thẳng vào ruộng đã được cày bừa kỹ hoặc gieo trên ruộng riêng để phát triển tốt hơn Sau một thời gian, mạ sẽ được nhổ để cấy vào ruộng lúa chính Sản phẩm thu được từ cây lúa là thóc, và sau khi xát bỏ lớp vỏ ngoài, sản phẩm chính là gạo, kèm theo các phụ phẩm như cám và trấu.

Thành phần hóa học của hạt lúa cho ở bảng sau:

Bảng 1.1 Thành phần hóa học có trong hạt lúa [25]

Nước Gluxit Protit Lipit Xenlulo Tro Vitamin 13,0% 64,03% 6,69% 2,1% 8,78% 3,36% 5,36%

Gạo lứt, hay còn gọi là gạo lức, gạo rằn, gạo lật, là loại gạo chỉ được xay bỏ vỏ trấu mà vẫn giữ lại lớp cám gạo, giúp bảo toàn giá trị dinh dưỡng cao Loại gạo này giàu tinh bột, đạm, béo, và chất xơ, cùng nhiều vitamin như B1, B2, B3, B6, cũng như các axit như vitamin B5, PABA, folic và phytic Ngoài ra, gạo lứt còn chứa các nguyên tố vi lượng quan trọng như canxi, sắt, magiê, selen, glutathion, kali và natri Trong khi đó, gạo trắng qua quá trình xay xát sẽ mất đi tới 67% vitamin B3, 80% vitamin B1, 90% vitamin B6, một nửa lượng mangan và hầu hết chất xơ.

Tính tan rời của khối thóc là khả năng của các hạt trong khối hạt do sự khác nhau về kích thước, hình dạng và dung trọng Khi thóc được đổ từ trên cao, chúng tự dịch chuyển để tạo thành hình chóp nón với đáy rộng và đỉnh nhọn, không có hạt nào dính liền với nhau Góc nghiêng tự nhiên α giữa đáy và sườn khối thóc phản ánh tính tan rời, phụ thuộc vào kích thước, hình dạng hạt, độ ẩm và tạp chất Đánh giá góc nghiêng này giúp xác định sơ bộ chất lượng và sự thay đổi chất lượng của thóc trong quá trình sấy và bảo quản.

Là hiện tượng làm mất đi tính trộn đều ban đầu của khối hạt dẫn đến hình thành từng khu vực có tính chất giống nhau của hạt

Khối hạt được cấu tạo từ nhiều thành phần như thóc sạch, thóc lép và tạp chất, với sự không đồng nhất về hình dạng, kích thước và tỉ trọng Quá trình di chuyển của khối hạt tạo ra các vùng chất lượng khác nhau, được gọi là tính tự chia loại Hiện tượng này ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình làm khô và bảo quản, vì các vùng chứa hạt lép và tạp chất dễ hút ẩm và có nguy cơ bị cuốn lẫn theo tác nhân sấy trong quá trình sấy.

Bảng 1.2 Tỷ lệ từng khu vực của khối thóc [26]

Khu vực Dung trọng hạt (g/l)

1.2.3.3 Độ ch ặ t, độ h ổ ng c ủ a kh ố i thóc Độ chặt (mật độ hạt): là tỷ lệ % mà thể tích tuyệt đối của hạt chiếm chỗ trong khối hạt (t) Độ chặt của khối hạt được tính theo công thức: t = V1 * 100 / V (%) (1.1) trong đó:

- V1 được xác định bằng cách: đếm 1000 hạt cho vào ống đong có chứa toluen, thể tích dâng lên chính là V1

Khối lượng thể tích của khối hạt được ký hiệu là ρv, tính bằng g/l, trong khi độ hổng (độ rỗng) là tỷ lệ phần trăm không gian giữa các hạt trong khối hạt Độ hổng này tạo ra khoảng không chứa đầy không khí giữa các hạt Trong quá trình sấy, việc có lỗ hổng cần thiết trong khối thóc là rất quan trọng, vì nó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình truyền và trao đổi nhiệt, ẩm với tác nhân sấy, giúp quá trình này diễn ra dễ dàng hơn.

- Độ chặt lớn tiết kiệm được kho chứa nhưng trao đổi nhiệt, lưu thông không khí kém

- Độ hổng lớn thuận lợi cho việc bảo quản lương thực

Khả năng làm thay đổi nhiệt độ trong khối hạt được thực hiện thông qua hai phương thức chính là dẫn nhiệt và đối lưu, diễn ra song song và có mối quan hệ chặt chẽ Hệ số dẫn nhiệt là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của thóc, trong khi sự trao đổi nhiệt đối lưu xảy ra giữa lớp hạt nóng và lớp hạt nguội mới vào.

Cả hai đặt tính này của thóc đều rất nhỏ nhưng cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy Ý nghĩa: giúp dễ khoanh vùng khối hạt bị bốc nóng

1.2.3.5 Tính h ấ p th ụ và nh ả các ch ấ t khí, h ơ i ẩ m

Quá trình sấy thóc liên quan đến khả năng hấp thụ và nhả khí cùng hơi ẩm, chủ yếu diễn ra qua hiện tượng hấp thụ bề mặt Để đảm bảo thóc được sấy khô đều, quá trình này thường diễn ra theo nhiều giai đoạn: sấy, ủ, sấy, ủ, giúp vận chuyển ẩm ra bề mặt thóc.

1.2.4 Công nghệ sản xuất lúa gạo

Thu hoạch → Tách hạt → Phơi, sấy → Phân loại, làm sạch → Bảo quản lúa → Bóc vỏ → Phân loại → Làm trắng → Bảo quản

Thời điểm thu hoạch lúa thường được xác định khi ruộng lúa chuyển sang màu vàng, nhưng độ chín sinh học của các hạt lúa trên một bông không đồng đều Khi hạt lúa trên bông đạt đến trạng thái chín sáp, chúng đã đủ điều kiện để chuyển sang chín hoàn toàn Hạt lúa ở nhánh gié cấp 1 thường chín trước, trong khi hạt ở các nhánh gié cấp 2 và 3 chín chậm hơn Do đó, không thể chờ đợi tất cả hạt chín hoàn toàn để thu hoạch.

Hao hụt trong quá trình thu hoạch lúa có thể xảy ra do tỷ lệ rụng hạt Nếu thu hoạch khi hạt lúa đã chín hoàn toàn, tỷ lệ rụng hạt khoảng 4,5% Tuy nhiên, nếu thu hoạch sau 20 ngày, tỷ lệ này có thể tăng lên đến 20% Đặc biệt, các giống lúa dễ rụng có thể gặp phải tỷ lệ rụng hạt cao hơn.

- Chuẩn bị thu hoạch: Trước khi thu hoạch 7 - 10 ngày, tháo cạn nước giúp cho lúa chín nhanh và tạo điều kiện thuận lợi cho thu hoạch

- Xác định thời điểm thu hoạch: Ít nhất là 85% những hạt trên bông có màu vàng (đã chín), hầu hết các hạt ở cổ bông đã chín sáp

- Nên thu hoạch lúa lúc trời nắng

9 Tách hạt (Tuốt/suốt lúa)

Tuốt lúa là quá trình tách hạt lúa khỏi bông lúa, sử dụng các nông cụ như đập bồ, máy đạp chân và máy suốt Hiện nay, quy trình tuốt lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) đã được cơ giới hóa hoàn toàn Tuy nhiên, khi sử dụng máy suốt lúa, cần lưu ý một số điểm quan trọng để đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

- Tỷ lệ hao hụt còn cao (khoảng 2 - 3%)

Cấu tạo của trống đập và tốc độ quay nhanh gây ra va chạm mạnh giữa hạt giống và vách thùng, dẫn đến tình trạng hạt bị nứt.

9 Phơi, sấy (làm khô hạt)

Nguyên lý làm giảm lượng nước trong hạt lúa Chọn lựa phương án thích hợp:

- Phơi an toàn: Lạnh - khô (mẫu giống ngân hàng)

- Dùng máy sấy: Có thể sử dụng các phương pháp sấy khác nhau như: sấy tĩnh, sấy tháp, sấy tầng sôi…

- Phơi nắng (lưới nylon, đệm, lều)

Loại các hạt lép và tạp chất nhẹ: Dùng quạt điện, máy giê (lượng giống nhiều) Sàng và lựa bỏ các tạp chất còn lẫn trong mẫu

Để tăng cường thời gian bảo quản hạt lúa, nguyên tắc quan trọng là giảm 1% độ ẩm, giúp gia tăng gấp đôi tuổi thọ của hạt Ngoài ra, mỗi khi nhiệt độ giảm 5°C, tuổi thọ hạt cũng sẽ tăng gấp đôi Chẳng hạn, nếu hạt lúa được sấy khô ở độ ẩm 12% và được lưu trữ ở nhiệt độ 22°C, chúng có thể được bảo quản trong vòng 1 năm.

9 Công nghệ chế biến lúa gạo

Hiện nay, sau khi lúa được đưa vào kho bảo quản, các thương lái sẽ thu mua và vận chuyển đến các nhà máy xay xát để chế biến thành gạo.

Hình 1.3 Nhà máy xay xát lúa

Qui trình được thực hiện như sau:

Hạt màu Tấm Cám xoa Cám xát

Phân ly thóc – gạo lức

Tách hạt màu Bóc cám

Phương pháp sấy và bảo quản lúa

Kỹ thuật sấy lúa trên thế giới hiện nay bao gồm hai phương pháp chính: sấy ở nhiệt độ cao, với nhiệt độ lớn hơn 20 độ C so với môi trường, và sấy ở nhiệt độ thấp, với nhiệt độ lớn hơn 5 độ C so với không khí xung quanh.

Sấy là quá trình loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu thông qua việc cung cấp nhiệt Phơi nắng là một phương pháp sấy tự nhiên đơn giản và truyền thống, nhưng nó có nhược điểm là cần diện tích lớn và phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, đặc biệt là trong mùa mưa Do đó, trong sản xuất kinh tế, việc áp dụng phương pháp sấy nhân tạo là cần thiết để đảm bảo hiệu quả và ổn định.

Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy được đốt nóng, dẫn đến việc giảm độ ẩm tương đối φ của không khí và phân áp suất hơi nước Pam Nhiệt độ tăng của vật liệu sấy làm tăng mật độ hơi trong các mao quản, đồng thời cũng làm tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu.

⎩ ⎭ (1.3) Trong đó: Pr – áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m 2

P0 – áp suất trên bề mặt thoáng, N/m 2 δ – sức căng bề mặt thoáng, N/m 2 ρh – mật độ hơi trên cột dịch thể trong ống mao dẫn, kg/m 3 ρ0 – Khối lượng riêng dịch thể, kg/m 3

Phương pháp sấy nóng cho lúa chủ yếu sử dụng hệ thống sấy đối lưu Các hệ thống sấy khác như sấy tiếp xúc, sấy bức xạ, sấy bằng dòng điện cao tần hoặc năng lượng điện từ trường không được áp dụng trong kỹ thuật sấy lúa.

• Ưu điểm của phương pháp sấy nóng:

- Thời gian sấy ngắn hơn phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp

- Năng suất cao và chi phí đầu tư thấp

- Sử dụng các nguồn nhiên liệu đa dạng: khói thải, hơi nước, dầu mỏ, than đá, rác thải…, cho đến điện năng

- Thời gian làm việc của hệ thống cũng tương đối cao

• Nhược điểm của phương pháp sấy nóng:

- Sản phẩm sấy thường hay bị biến màu, quá nhiệt, rạn nứt nếu không kiểm soát và khống chế được nhiệt độ

Lúa vụ Hè Thu thường được thu hoạch từ tháng 7 đến tháng 8, thời điểm có nhiều mưa và giông bão, gây khó khăn trong việc thu hoạch và bảo quản Nông dân gặp phải tình trạng lúa bị đổ ngã và không có điều kiện phơi sấy, dẫn đến nguy cơ mọc mầm và giảm chất lượng hạt gạo Để đảm bảo độ ẩm hạt đạt 14% cho lúa giống và dưới 15% cho lúa hàng hóa, việc phơi lúa ngay sau thu hoạch là rất quan trọng Tuy nhiên, việc phơi trên sân phơi trong vụ Hè Thu thường khó khăn, làm kéo dài thời gian và giảm chất lượng hạt gạo Do đó, sấy lúa được khuyến nghị để giảm hao hụt và cải thiện chất lượng gạo Sau khi hạt lúa đạt độ ẩm an toàn, cần loại bỏ những hạt lém lừng chứa nấm bệnh trước khi tiến hành bảo quản.

Lúa vụ Đông Xuân được coi là vụ chính của nông dân do năng suất thu hoạch cao Trong vụ này, thời tiết ít mưa giúp việc bảo quản lúa dễ dàng hơn so với vụ Hè Thu Tuy nhiên, để lưu trữ lâu dài và đảm bảo chất lượng gạo xuất khẩu, nông dân cần áp dụng các phương pháp sấy và bảo quản đúng cách và kỹ thuật.

Có nhiều phương pháp bảo quản khác nhau nhưng trong quá trình bảo quản cần bảo đảm các yêu cầu sau:

Để bảo quản lúa hiệu quả, cần đảm bảo rằng lúa không bị ẩm ướt, tránh sự xâm hại của nấm mốc, đồng thời ngăn chặn hiện tượng tích lũy nhiệt bên trong gây bốc nóng Ngoài ra, cần phòng ngừa sự tấn công của côn trùng và chuột để giữ cho lúa luôn trong tình trạng tốt nhất.

- Có dụng cụ bảo quản thích hợp như: chum, vại, bồ, thùng phi, thùng… (thường bảo quản tại gia đình với số lượng ít)

- Nếu với số lượng lớn yêu cầu phải được bảo quản trong các kho bảo quản được xây dựng đúng yêu cầu kỹ thuật

Các biện pháp bảo quản lúa

• Bảo quản lúa ở trạng thái khô:

- Là giảm độ ẩm của khối hạt xuống dưới ẩm độ tới hạn, phơi, sấy hạt trước khi chuyển vào kho đem bảo quản

- Kho bảo quản phải khô và sạch

- Ứng dụng rộng hầu hết ở các nước có khí hậu nóng ẩm như ở nước ta

• Bảo quản lúa theo phương pháp thông gió tự nhiên:

- Là phương pháp mở cửa kho trong những ngày khô ráo để thông gió tự nhiên

- Ưu điểm: đơn giản là có nhà kho, không đòi hỏi thiết bị, điện, vật liệu

- Nhược điểm: + Dễ hút ẩm và bị mốc vào mùa mưa, dễ bị dồn nhiệt và ẩm

+ Cào đảo dễ lắng bụi và gây mốc chỗ lăng bụi

+ Hạt bị xỉn màu, mùi hôi, mốc và giảm giá trị dinh dưỡng

• Phương pháp thông gió cưỡng bức khối hạt

- Thông gió cưỡng bức bằng dùng quạt gió thổi không khí khô và mát qua khối hạt để thay thế lớp không khí cũ, ẩm và nhiệt độ cao

- Phương pháp thông gió cưỡng bức khắc phục được các nhược điểm của phương pháp thông gió tự nhiên và cào đảo

• Bảo quản trong lu, khạp, thùng sắt:

Lúa sau khi phơi khô và làm sạch sẽ được cho vào lu, khạp và đậy kín để ngăn không khí bên ngoài xâm nhập Thời gian bảo quản lúa có thể kéo dài từ 3 đến 6 tháng, nhưng việc bảo quản số lượng lớn gặp khó khăn do cần nhiều lu, khạp và không gian lưu trữ.

• Bảo quản trong mê, bồ bằng tre, xi măng:

- Bảo quản trong bao bố, bao PP (bao da rắn) khoảng 50 – 60 kg/bao hoặc trong mê bồ từ 500 – 1000 kg

- Làm khô lúa ở độ ẩm dưới 14%, kiểm tra định kỳ 15 ngày/lần

- Vệ sinh và sát trùng kho trước khi nhập 7 ngày, kê gỗ tránh lúa tiếp xúc vào tường bao

- Thông gió tự nhiên hoặc cưỡng bức làm giảm nhiệt độ xuống 35 0 C

Phương pháp này đơn giản và chi phí thấp, nhưng thời gian bảo quản ngắn, chỉ từ 2 đến 3 tháng, do dễ bị tái ẩm, khiến lúa bị vàng và dễ bị sâu mọt tấn công.

• Bảo quản bằng hóa chất:

- Các hóa chất bảo quản như: SO2, NaHSO3…

- Các hóa chất xông hơi diệt trùng khác như Tetraclorua cacbon, Diclo acetal, metyl bromua, Diclo metal

- Bảo quản lúa với chất silicagen: có thể bảo quản hạt lúa từ 6 – 12 tháng

• Bảo quản kín: Hạt lúa được chứa trong 2 lớp bao: bao PP ở ngoài, bao PE ở trong cột kín lại.

Mô hình sấy lúa một giai đoạn

Do sự đa dạng về kích thước, tính chất bề mặt, độ ẩm và yêu cầu quy trình sấy khác nhau, cần thiết phải có nhiều loại máy sấy lúa khác nhau Sự phát triển kỹ thuật và kinh nghiệm của từng quốc gia cũng ảnh hưởng đến loại nhiên liệu và khả năng đầu tư, dẫn đến sự tồn tại của các hệ thống sấy từ thô sơ đến hiện đại, với mức cơ giới hóa và tự động hóa khác nhau Hiện nay, các loại máy sấy lúa một giai đoạn được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới.

1.4.1 Máy sấy tĩnh vĩ ngang

Máy sấy tĩnh vĩ ngang (flat bed dryer) được thiết kế cố định tại một vị trí sấy, với bốn thành xung quanh bể chứa hạt và kênh phân phối khí nóng được xây bằng gạch Đáy bể chứa khí nóng được tráng xi măng, và lưới được lắp trên khung gỗ để dễ dàng tháo lắp và bảo trì sau mỗi vụ sấy Buồng đốt của máy có thể sử dụng lò đốt trấu, củi, than đá hoặc dầu Diesel, tùy thuộc vào loại nguyên liệu cần sấy.

Buồng đốt sử dụng quạt hút để đưa tác nhân sấy vào bộ trao đổi nhiệt, sau đó cấp khí nóng vào buồng chứa bên dưới sàng phân phối hạt Hạt được đặt trên sàng có lỗ nhỏ hơn kích thước hạt với bề dày xác định Không khí nóng được thổi từ dưới sàng xuyên qua lớp hạt và thoát ra ngoài Thời gian sấy và độ ẩm của lúa sau khi sấy phụ thuộc vào bề dày lớp hạt và nhiệt độ sử dụng.

Máy sấy tĩnh vĩ ngang hiện có hai loại chính: loại sấy thuần cung cấp tác nhân sấy một chiều và loại sấy có thể đảo chiều tác nhân Loại sấy đảo chiều giúp giảm thiểu nhân công cào đảo so với loại một chiều, mang lại hiệu quả cao hơn trong quá trình sấy.

Nguyên lý làm việc máy sấy tĩnh vĩ ngang thông thường (tác nhân cấp một chiều):

Hình 1.4 Hệ thống máy sấy tĩnh vĩ ngang cung cấp tác nhân sấy một chiều kiểu cấp tác nhân ở giữa bể sấy hạt

VLS được sấy trên sàn, với không khí nóng từ lò đốt được quạt thổi vào buồng sấy, giúp làm nóng hạt và bay hơi ẩm Không khí nóng sau khi mất nhiệt và nhận ẩm sẽ thoát ra ngoài Nguồn nhiệt cho quá trình sấy được cung cấp từ than đá hoặc phế thải nông nghiệp đốt trong lò Không khí nóng từ lò được trộn với không khí môi trường qua buồng hòa trộn, tạo ra hỗn hợp khí nóng có nhiệt độ thích hợp cho việc sấy VLS Nhiệt độ này được theo dõi bằng đồng hồ đo nhiệt độ trên kênh dẫn khí nóng, và có thể điều chỉnh theo yêu cầu công nghệ sấy của từng loại hạt thông qua cửa ở buồng hòa khí.

Hình 1.5 Cấu trúc hệ thống máy sấy tĩnh vĩ ngang cung cấp tác nhân sấy bên hông bể chứa hạt

Nguyên lý máy sấy tĩnh tự động đảo chiều tác nhân:

Hình 1.6 Máy sấy tĩnh tự động đạo chiều tác nhân

Khí ngoài trời được gia nhiệt và trộn với khí tươi để đạt được nhiệt độ cài đặt Quạt hướng trục đảm bảo việc đưa tác nhân sấy vào buồng sấy thông qua áp suất và lưu lượng của quạt.

Trong giai đoạn 1, tác nhân sấy từ bộ phân phối được đưa qua lớp vật liệu theo chiều từ dưới lên Quá trình này giúp làm khô vật liệu khi hơi ẩm được tác nhân sấy mang ra ngoài.

Giai đoạn 2 của quá trình sấy là đảo gió, trong đó tác nhân sấy được đưa xuyên qua lớp vật liệu từ trên xuống dưới, giúp làm khô đều vật liệu với độ đồng đều cao hơn so với các phương pháp đảo thông thường.

- Sấy được khối lượng lớn

- Do sấy ở chế độ sấy tĩnh nên chất lượng hạt đồng đều, độ ẩm đạt được theo mong muốn

- Không gian đặt máy chiếm diện tích lớn

Hệ thống máy sấy tháp (HTS) là thiết bị chuyên dụng để sấy các vật liệu dạng hạt, đặc biệt là hạt ngũ cốc như lúa mì, lúa, và ngô Với năng suất lớn, HTS tháp thường được sử dụng trong các kho, nhà máy xay hoặc những nơi sản xuất lớn, tập trung HTS tháp có ba loại chính: hình chữ nhật, hình tam giác và hình tròn.

HTS tháp là một hệ thống bao gồm tháp sấy với các kênh dẫn và kênh thải TNS, calorifer, quạt cùng với các thiết bị phụ như buồng đốt và xyclon VLS được đưa vào từ trên đỉnh tháp thông qua gầu hoặc băng tải và di chuyển từ trên xuống dưới Trong quá trình này, TNS và VLS thực hiện trao đổi nhiệt ẩm với nhau bằng phương pháp đối lưu.

HTS tháp có thể hoạt động liên tục hoặc theo chu kỳ tùy thuộc dạng VLS và trạng thái ẩm của nó

HTS tháp tuy có nhiều kết cấu khác nhau nhưng chủ yếu tổ chức hai dòng VLS và TNS đi xuyên qua nhau để tối ưu hóa quá trình trao đổi ẩm Các kênh dẫn khí và kênh thải khí được bố trí xen kẽ, với kênh dẫn nối với ống góp cung cấp TNS và kênh thải nối với ống góp thải TNS TNS từ các kênh dẫn đi qua lớp hạt, thực hiện trao đổi nhiệt với tốc độ khí từ 0,2 đến 0,3 m/s Nhờ vào van đảo chiều, vận tốc hạt từ đỉnh tháp xuống đáy tháp có thể giảm ẩm từ 2 đến 3%.

Hình 1.7 Hệ thống máy sấy tháp tròn Hình 1.8 Hình máy sấy tháp kiểu tam giác

- Sấy được khối lượng lớn

- Sản phẩm sấy tương đối đều

- Không sấy được lúa ướt Chỉ sấy được lúa có độ ẩm từ 20 ÷ 24%

Máy sấy tầng sôi không chuyên dụng cho việc sấy lúa, mà có cấu trúc bao gồm một buồng sấy với ghi đỡ VLS và hệ thống phân phối TNS TNS được điều chỉnh với thông số phù hợp, được đưa vào từ dưới ghi, giúp lớp vật liệu chuyển động như lớp sôi trên bề mặt ghi.

Hình 1.9 Hệ thống máy sấy tầng sôi

HTS có khả năng hoạt động gián đoạn hoặc liên tục, với hiệu suất truyền nhiệt và dẫn ẩm giữa TNS và VLS rất tốt, mang lại năng suất cao và thời gian sấy tối ưu Hạt được đưa vào thùng chứa và được trục cuốn đẩy vào buồng sấy, nơi chúng nằm trên sàn phân phối gió Quá trình sấy diễn ra khi quạt hút không khí nóng từ lò đốt kết hợp với không khí tươi bên ngoài, tạo ra khí sấy thổi vào buồng, vừa sấy hạt vừa di chuyển chúng dọc theo sàn Hạt khô nhẹ hơn sẽ được đẩy lên trên và thoát ra ngoài, trong khi bụi và tạp chất sẽ được quạt hút đưa về Xyclon để lắng đọng.

- Ít chiếm mặt bằng, kết cấu gọn, giá thành có thể chấp nhận được

- Sấy hạt có độ ẩm cao, lẫn nhiều tạp chất

Sấy đồng đều được thực hiện nhờ vào quá trình tạo sôi Dù độ ẩm đầu vào không đồng nhất, quá trình này vẫn đảm bảo sản phẩm cuối cùng có độ khô tương đối đồng đều Điều này xảy ra vì những hạt ẩm hơn sẽ nặng hơn, do đó chúng sẽ được lưu lại trong buồng sấy lâu hơn, giúp cân bằng độ ẩm của sản phẩm.

- Chi phí tiêu thụ điện năng cao do tạo sôi

- Cấu tạo thiết bị sấy khá phức tạp, có nguy cơ mài mòn cao do hạt luôn ma sát với ghi và thành buồng sấy

1.4.4 Cơ chế sấy lúa 1 giai đoạn

Mỗi loại máy sấy lúa đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, ví dụ như máy sấy tĩnh cần thời gian dài, máy sấy tháp không thể sấy lúa ướt, và máy sấy tầng sôi có thể làm bay ẩm quá nhanh, dẫn đến nứt hạt khi đạt độ ẩm bảo quản Do đó, cần thiết phải kết hợp các mô hình sấy này thành một quy trình sấy khép kín, hiện đại và cơ giới hóa cao, nhằm đảm bảo chất lượng hạt gạo và độ ẩm bảo quản tối ưu.

Mô hình sấy lúa hai giai đoạn

Mô hình này kết hợp những ưu điểm nổi bật của các loại máy sấy một giai đoạn, cụ thể là sự kết hợp giữa sấy tầng sôi (giai đoạn 1) và sấy tĩnh (giai đoạn 2).

Máy sấy tầng sôi mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, như giúp hạt sôi trong dòng tác nhân sấy, từ đó ẩm bề mặt được thoát nhanh chóng, đảm bảo chất lượng hạt đồng đều và năng suất lớn Thời gian lưu hạt trong buồng sấy ngắn, trong khi hạt lúa được thổi lơ lửng bằng luồng không khí hướng lên với vận tốc xác định, tạo ra sự trộn lẫn liên tục giữa hạt lúa và không khí với cường độ cao Nhiệt độ cao giúp giảm độ ẩm bề mặt hạt nhanh chóng xuống mức giới hạn có thể tiếp tục sấy ở giai đoạn 2, dự kiến đạt khoảng 19.5 - 20%, giúp bảo quản hiệu quả.

2 tuần mà không sợ bị ẩm mốc, mọc mầm Sau đó ta có thể tiến hành sấy giai đoạn

2 với các phương pháp sấy khác mà vẫn đảm bảo chất lượng hạt gạo

Sản phẩm sấy sau giai đoạn 1 có độ ẩm thấp thuận lợi cho máy sấy tĩnh ở giai đoạn

2, tùy điều kiện với từng khu vực đã lắp đặt sẵn máy sấy tĩnh loại nào (loại cấp tác nhân

Sấy một chiều hoặc sấy đảo chiều có thể rút ngắn thời gian sấy, từ đó nâng cao năng suất sấy.

Phương pháp sấy bảo quản lúa hai giai đoạn ở Việt nam và Thế giới

Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra hiệu quả của phương pháp sấy lúa hai giai đoạn, tuy nhiên vẫn còn một số vấn đề cần khắc phục Tại Việt Nam và một số nước Đông Nam Á, mô hình sấy hai giai đoạn đã được áp dụng, với Thái Lan và các trường đại học làm điển hình.

Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh Sau đây là tóm tắt sơ lược về quá trình nghiên cứu sấy lúa hai giai đoạn ở Việt Nam và Thái Lan

1.6.1 Sấy lúa hai giai đoạn ở Việt Nam

Trường ĐH Nông Lâm Tp.HCM (ĐHNL) là đơn vị tiên phong trong nghiên cứu sấy lúa hai giai đoạn tại Việt Nam ĐHNL đã hợp tác với trường Đại học Queensland của Úc để triển khai nhiều dự án nghiên cứu về sấy lúa gạo ở Đồng bằng sông Cửu Long, bao gồm cả nghiên cứu phương pháp sấy lúa hai giai đoạn.

Hình 1.10 Mô hình máy sấy tầng sôi trường ĐH Nông Lâm

Một số nghiên cứu khoa học liên quan đến đề tài:

Dự án CARD 026/05VIE nghiên cứu ảnh hưởng của sấy tầng sôi nhiệt độ cao đến hệ số thu hồi gạo nguyên và sức bền cơ học của gạo từ các giống lúa Việt Nam Nghiên cứu này được thực hiện tại Đại Học, nhằm tối ưu hóa quy trình chế biến gạo và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh, 2010

- Dự án CARD 026/05VIE, Nghiên cứu sấy lúa tầng sôi bằng phương pháp bề mặt đáp ứng, Đại Học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh, 2010

• Mẫu lúa làm thí nghiệm:

Giống lúa được thí nghiệm là A10 và OM2717, với độ ẩm ban đầu lần lượt là 31-33% và 25-26% Quy trình sấy tầng sôi giai đoạn 1 được thực hiện ở nhiệt độ 80-90°C nhằm giảm độ ẩm xuống còn 18% Sau đó, lúa được ủ ở nhiệt độ 80°C và 90°C trong các khoảng thời gian khác nhau Cuối cùng, lúa được sấy mỏng ở 35°C để đạt độ ẩm bảo quản an toàn là 14%.

• Các thông số ảnh hưởng đến hệ số thu hồi gạo nguyên:

Thời gian sấy hạt ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm; khi hạt được sấy ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, sẽ gây ra ứng suất do quá trình thoát ẩm diễn ra quá nhanh Điều này khiến cho sự khuếch tán nước từ bên trong không kịp thời, dẫn đến việc tăng thời gian sấy làm gia tăng số lượng hạt bị hỏng.

- Ảnh hưởng của thời gian ủ: theo kết quả thì kéo dài thời gian ủ đến 40 phút có thể cải thiện hệ số thu hồi gạo nguyên

Hình 1.11 Ảnh hưởng của thời gian ủ đến tỷ lệ hạt nứt [18]

Sức bền cơ học của hạt tăng lên khi được sấy ở nhiệt độ cao so với nhiệt độ thấp, điều này có thể do sự hồ hóa một phần tinh bột tại bề mặt hạt Quá trình hồ hóa tinh bột giúp làm cho bề mặt hạt trở nên chặt chẽ hơn, đồng thời có thể làm liền lại và biến mất một số vết nứt.

Màu sắc của hạt gạo sau khi xay xát có thể bị ảnh hưởng bởi quá trình sấy ở nhiệt độ cao và ủ, dẫn đến sự thay đổi độ vàng của gạo Nguyên nhân chính là do phản ứng nâu hóa xảy ra ở nhiệt độ cao.

Mô hình thí nghiệm của trường Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh đã nghiên cứu ảnh hưởng của sấy tầng sôi nhiệt độ cao đến hệ số thu hồi gạo nguyên và sức bền cơ học của gạo từ các giống lúa Việt Nam Mặc dù thí nghiệm đã chỉ ra các chỉ số chất lượng hạt gạo sau khi sấy, nhưng chưa đề cập đến chi phí và cấu trúc của máy sấy Vì vậy, để nghiên cứu sấy lúa hai giai đoạn, cần tìm hiểu kỹ lưỡng loại máy sấy phù hợp cho sấy tầng sôi và so sánh chi phí với các loại máy sấy thông thường khác nhằm đánh giá hiệu quả rõ ràng hơn.

1.6.2 Sấy lúa hai giai đoạn trên Thế giới

Các nhà khoa học tại Đại học Chiang Mai, Thái Lan, đã thực hiện nghiên cứu khả quan về phương pháp sấy lúa bằng công nghệ sấy tầng sôi hai giai đoạn và công bố kết quả trên nhiều bài báo Họ sử dụng máy sấy tầng sôi liên tục để sấy lúa có độ ẩm ban đầu từ 25 đến 26% xuống còn 18 đến 20%, sau đó chuyển sản phẩm vào kho chứa với môi trường không khí khô để tiếp tục sấy ở giai đoạn hai.

Hình 1.12 Mô hình nghiên cứu sấy lúa tầng sôi hai giai đoạn của Thái Lan [21]

Sutherland và Ghaly (1990) là những nghiên cứu đầu tiên khám phá tính khả thi của kỹ thuật sấy tầng sôi trong quá trình bảo quản lúa hai giai đoạn Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc bảo quản lúa hiệu quả.

Lúa có thể được sấy để giảm độ ẩm xuống 18-19%, tùy thuộc vào độ ẩm ban đầu Nghiên cứu của Tumambing và Driscoll (1993) cho thấy tỷ lệ sấy khô bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của tác nhân sấy và độ dày lớp hạt Họ cũng đã phát triển một mô hình toán học cho máy sấy tầng sôi liên tục.

Công ty Engineering Supply Co Ltd, một doanh nghiệp tư nhân tại Thái Lan, đã hợp tác để sản xuất máy sấy tầng sôi với năng suất 1 tấn/h, dựa trên các kết quả nghiên cứu về sấy lúa tầng sôi Mô hình máy sấy này được minh họa trong hình 1.13.

Máy sấy tầng sôi của công ty Engineering Supply Co Ltd là một nghiên cứu quan trọng về sấy tầng sôi, tập trung vào động học sấy và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lúa, tỷ lệ giảm ẩm và mức tiêu thụ năng lượng Nghiên cứu đã phát triển một mô hình toán học cho máy sấy tầng sôi liên tục và chế tạo thành công máy sấy này để thương mại hóa, cạnh tranh hiệu quả với các loại máy sấy thông thường Máy có khả năng sấy hạt ở độ ẩm cao, đảm bảo chất lượng hạt tốt và tiết kiệm năng lượng.

Ngoài ra còn một số nghiên cứu của các tác giả nước ngoài liên quan đến đề tài:

- Tác giả A Karbassi, Z Mehdizadeh công bố bài báo Drying Rough Rice in a

Fluidized Bed Dryer trong tạp chí Department of Food Science and Technology,

College of Agriculture, Shiraz University, Islamic Republic of Iran, 2008 Tác giả so sánh quá trình sấy tầng sôi ở nhiệt độ cao giữa lúa hạt dài và hạt trung bình

- Tác giả George Srzednicki and Robert H Driscoll công bố bài báo

Implementation of a Two-stage Drying System for Grain in Asia trong tạp chí

The Food Science and Technology Group at the School of Chemical Science and Engineering, University of New South Wales, Sydney, Australia, published a paper in 2008 discussing the application of two-stage drying for grains in Asia, specifically in countries like Thailand, the Philippines, and Malaysia The study highlights that using fluidized bed drying in the first stage can effectively reduce the moisture content of the grains by up to 18%.

Dokurugu Ibrahim, BSC (Hons), published an article titled "Two-Stage Drying of Paddy and Its Effects on Milled Rice Quality" in the Agricultural Technology journal at the Kwame Nkrumah University of Science and Technology, Tamale This research explores the impact of a two-stage drying process on the quality of milled rice, contributing valuable insights to the field of agricultural technology.

LÝ THUYẾT TẦNG SÔI

Sơ lược về lý thuyết sấy hạt trong lớp hạt sôi

Tác nhân sấy (TNS) cho quá trình sấy lúa được nghiên cứu trong đề tài này là sử dụng khói lò để thực hiện sấy với phương pháp cấp nhiệt trực tiếp Nhiên liệu sử dụng cho quá trình này bao gồm than đá và trấu.

Khói lò được tạo ra từ việc đốt nhiều loại nhiên liệu, chủ yếu là than đá và trấu Nó thường được sử dụng trong các thiết bị sấy, vừa cung cấp nhiệt gián tiếp để làm nóng tác nhân sấy, vừa thải ẩm ra môi trường Trong tính toán, khói lò có thể được coi như không khí ẩm; nếu biết entanpi, lượng chứa ẩm d, độ ẩm tương đối φ và nhiệt độ t, khói lò sẽ được xem như một dạng không khí ẩm tương đương.

2.1.2 Độ ẩm cân bằng 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 chứa 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 Độ ẩm cân bằng ký hiệu là Mcb

- Có thể xác định độ ẩm cân bằng bằng đồ thị

- Ngoài ra, còn có thể xác định độ ẩm cân bằng bằng công thức Với các hạt nó chung thì Egorov đề xuất công thức thực nghiệm:

Trong công thức (2.1), k1 và k2 là các hằng số thực nghiệm được xác định trong các khoảng độ ẩm cân bằng của hạt Mcbh và độ ẩm tương đối của không khí φ tương ứng.

Bảng 2.1 Giá trị hằng số thực nghiệm k 1 , k 2 của độ ẩm cân bằng

Giá trị Mcbh nằm trong khoảng (%)

Giá trị độ ẩm không khí φ

2.1.3 Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm

Trong lĩnh vực kỹ thuật, nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm được tính toán dựa trên nguyên lý trung bình cộng giữa nhiệt dung riêng của vật liệu khô (Ck) và nhiệt dung riêng của ẩm (Ca).

Trong đó: M1 – độ ẩm tương đối của VLS, %;

Ca – nhiệt dung riêng của ẩm, Ca = 4,1816 kJ/kg.K;

Ck – nhiệt dung riêng của vật liệu khô, thực phẩm Ck = 1,2 ÷ 1,7 kJ/kg.K

2.1.4 Tính toán vật liệu sấy và sản phẩm sấy

− (2.3) Trong đó: G1 – khối lượng vật liệu vào, kg;

G2 – khối lượng vật liệu ra, kg;

M2 - ẩm trong sản phẩn sấy (đầu ra), %;

2.1.5 Lượng vật liệu tồn tại trong không gian sấy tầng sôi

• Gghi là khối lượng vật liệu thường xuyên nằm trên ghi:

G = ρ F H kg (2.5) Với, H – chiều dày (chiều cao) lớp hạt, m;

Fghi – diện tích ghi phân phối tác nhân, m 2 ; ρv – khối lượng thể tích của vật liệu, kg/m 3

• Theo [8], G là khối lượng vật liệu ẩm thường xuyên nằm trên ghi:

Công thức = + Δ (2.6) mô tả các yếu tố trong quá trình sấy, trong đó W1 là lượng ẩm tách ra sau giai đoạn 1, tính bằng kg/h Nhiệt lượng có ích được ký hiệu là q1, đo bằng kJ/kg ẩm, trong khi q2 đại diện cho tổn thất nhiệt do VLS mang đi, cũng được tính bằng kJ/kg ẩm Hệ số trao đổi nhiệt giữa TNS và VLS, được tính theo Nusselt, được ký hiệu là α.

Nu W m K d α = λ (2.8) Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình: ( 1 1 ) ( 2 2 ) 0

Trong đó: t1 – nhiệt độ TNS, 0 C; t2 – nhiệt độ khí thải, 0 C; tv1 – nhiệt độ VLS vào, 0 C; tv2 – nhiệt độ VLS ra, 0 C.

Vật liệu sấy lớp sôi

Theo [11] truyền nhiệt trong lớp hạt sôi khí xảy ra có 3 cơ chế khác nhau:

- Truyền nhiệt khí đến lớp hạt

- Truyền nhiệt giữa hạt - khí hoặc 2 pha hỗn hợp hạt – khí

- Truyền nhiệt một bề mặt truyền nhiệt dạng vách đến lớp hạt

Cơ chế truyền nhiệt liên quan đến các quá trình kết hợp giữa các hạt vật liệu, và chúng thay đổi tùy theo điều kiện ứng dụng cụ thể Một ví dụ điển hình là sự cháy lớp sôi của than đá, trong đó các hạt than được hóa sôi bằng không khí.

Quá trình oxy hóa tỏa nhiệt của carbon trên bề mặt vật liệu làm tăng nhiệt độ hạt, dẫn đến việc truyền nhiệt từ vật liệu nóng đến khí hóa sôi Trong quá trình sấy hạt vật liệu rời bằng lớp sôi, dòng khí nóng liên tục truyền nhiệt vào lớp hạt ẩm, giúp ẩm trong hạt vật liệu thoát ra bề mặt ngoài và được dòng khí kéo ra ngoài buồng sấy.

Để duy trì cân bằng năng lượng tổng trong lớp hạt sôi, cơ chế truyền nhiệt dạng thứ ba yêu cầu truyền nhiệt từ vùng lớp hạt sôi (giữa hạt và khí) tới một bề mặt làm nguội, như ống trao đổi nhiệt, được đặt chìm trong lớp sôi.

Mặc dù hệ số truyền nhiệt từ tác nhân khí – hạt rắn trong sấy tầng sôi chỉ khoảng 5 - 20 W/m².K, nhưng phương pháp này có ưu điểm nổi bật là tốc độ truyền nhiệt nhanh, nhiệt độ đồng đều và khả năng kiểm soát quá trình dễ dàng Tuy nhiên, một trở ngại chính trong việc truyền nhiệt từ khí đến hạt là việc dẫn nhiệt qua lớp màng mỏng của khí bao quanh hạt.

Hình 2.2 Mô phỏng cơ chế truyền Hình 2.3 Mô tả phân bố nhiệt độ khí nhiệt đối lưu khí đến hạt nóng trao đổi nhiệt với mặt vách lạnh

Theo [11], hệ số trao đổi nhiệt thứ i là: i i i h k

Dẫn nhiệt hạt cầu đơn theo định luật Fourier được mô tả bằng công thức truyền nhiệt, trong đó dp là đường kính hạt (m), ρ là khối lượng riêng của hạt (kg/m³), μ là độ nhớt động lực học của khí (kg/ms), Ψ là hệ số hình dạng của hạt, δ là độ nhấp nhô của hạt, và xi là chiều dày điểm màng tiếp xúc dẫn nhiệt, có thể giảm giá trị đến 2 cho một lưu chất bất kỳ.

2.2.3 Truyền nhiệt khí – hạt Để đơn giản, ta xem lớp hạt vật liệu ban đầu có nhiệt độ bằng nhau và đang ở trạng thái tĩnh (tức là khi có một dòng khí nóng thổi qua từ từ vẫn không làm xáo trộn các hạt) Dòng nhiệt sẽ truyền từ dòng khí nóng đến các hạt bằng hình thức truyền nhiệt đối lưu, hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào tính chất chuyển động của các dòng tác nhân khí (chảy tầng, chảy quá độ hay chảy rối) bên trong các lỗ xung quanh các hạt Tuy nhiên, hiệu quả truyền nhiệt giữa khí nóng và các hạt chính là diện tích bề mặt truyền nhiệt của các tiếp xúc với dòng khí là rất lớn Theo Kunii và Lenvespeil (1969) [11] đã thu thập dữ liệu sự truyền nhiệt giữa khí tới hạt trong các lớp hạt tĩnh, với một số dải các loại hạt và kích cỡ hạt cũng như vận tốc lưu chất khác nhau thông qua hệ số Nuselt và hệ số Reynol: h k

Và hệ số Nu và Re có quan hệ với nhau : Nu C = Re n (2.15)

C và n là các hằng số thực nghiệm, thể hiện giới hạn ứng dụng do sự biến đổi đa dạng của chúng giữa các lớp hạt khác nhau Do đó, cần thực hiện các thí nghiệm với các loại hạt cụ thể trong điều kiện vận hành thực tế.

Nhiệt dung riêng là yếu tố quan trọng trong việc truyền nhiệt từ khí nóng đến hạt Nhiệt chứa trong một đơn vị thể tích của khí rất nhỏ so với độ chứa nhiệt của các hạt, ví dụ như nhiệt dung riêng của không khí ở áp suất khí quyển chỉ bằng 1/1000 so với độ chứa nhiệt của các hạt Do đó, hệ số truyền nhiệt đối lưu từ khí đến hạt trong lớp hạt tĩnh hay lớp hạt sôi phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ của hạt.

Trong nghiên cứu về truyền nhiệt từ dòng khí tới hạt trong lớp hạt sôi, Kunii và Levenspeil (1969) đã phát triển một biểu đồ dữ liệu dựa trên giả thuyết rằng dòng chảy xuyên qua lớp hạt là một chiều Điều này có nghĩa là họ đã bỏ qua sự thay đổi nhiệt độ của khí theo phương ngang và chỉ tập trung vào hướng dòng chảy của khí.

Nu kh =0, 03.Re 1,3 (2.16) Trong đó, Nukh – hệ số Nusselt từ khí đến bề mặt hạt

Công thức (2.16) tính toán khoảng cách mà khí hóa lỏng cần đi qua để đạt được độ chênh lệch nhiệt độ tối đa 10% so với nhiệt độ khí đầu vào lớp hạt.

Vận tốc khí trong sấy tầng sôi

2.3.1 Sự hình thành các lớp hạt sôi

Dòng tác nhân khí được thổi từ đáy lớp vật liệu hạt rời, đi xuyên qua lớp hạt thông qua những khoảng trống giữa các hạt Khi vận tốc dòng khí nhỏ hơn vận tốc tối thiểu (vk < vtt), lớp hạt duy trì trạng thái tĩnh (packed bed) Khi tăng vận tốc dòng khí, lực kéo xuất hiện, làm cho lớp hạt bắt đầu giãn nở, các hạt di chuyển tách rời nhau Lực ma sát giữa các hạt và lực của dòng khí cân bằng với trọng lượng của hạt, dẫn đến sự biến mất của lực nén theo phương thẳng đứng, tạo thành lớp hạt giãn nở (expanded bed) hay lớp hạt sôi tối thiểu tại vận tốc tối thiểu vk = vtt Khi tăng vận tốc lên đến trạng thái bùng sôi mãnh liệt (vk = vs), nhưng vẫn nhỏ hơn vận tốc tới hạn (vk < vth), lực kéo của dòng khí bằng với trọng lượng của hạt, khiến lớp hạt chuyển sang trạng thái giả lỏng hoàn toàn.

Hình 2.4 Đồ thị quan hệ tương quan vận tốc dòng khí và tổn áp hình thành các chế độ sôi của lớp hạt

Do kích thước hạt của vật liệu sôi khác nhau, sự tăng vận tốc dòng khí đến mức tối thiểu (từ A – B – C hình 2.4) dẫn đến việc hình thành các lớp hạt sôi khác nhau Trong trạng thái lớp hạt sôi, các hạt có khối lượng riêng nhỏ hơn sẽ nổi lên bề mặt, trong khi các hạt có khối lượng riêng lớn hơn sẽ chìm xuống đáy lớp.

Khi vận tốc dòng khí (vk) vượt quá vận tốc tới hạn (vth), mật độ lớp hạt giảm, dẫn đến sự hóa sôi mạnh mẽ và các hạt vật liệu tách rời Khi vận tốc bề mặt lớp hạt vượt mức cho phép, chúng sẽ theo dòng lưu chất ra ngoài buồng sấy Trong trạng thái lớp hạt bị cuốn, trở lực giảm xuống dưới mức bình thường, và trước khi các hạt bị cuốn đi, tổn áp qua lớp hạt trở nên không ổn định, liên tục dao động.

2.3.2 Các thông số cơ bản của thủy động lớp hạt sôi

2.3.2.1 Xác đị nh v ậ n t ố c hóa sôi t ố i thi ể u

Lớp hạt vật liệu sôi được hình thành khi dòng khí có độ lớn khác nhau thổi xuyên qua Khi dòng khí đạt đến mức tối thiểu, khối hạt sẽ giãn ra và tạo thành lớp sôi tối thiểu Vận tốc của dòng khí này được gọi là "vận tốc hóa sôi tối thiểu".

Vận tốc hóa sôi tối thiểu được xác định thông qua mối tương quan giữa tiêu chuẩn Renolds (Rett) và tiêu chuẩn Archimedes (Ar), đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả vận hành của hệ thống tầng sôi Cách tính vận tốc hóa sôi tối thiểu sẽ khác nhau tùy thuộc vào bản chất của phân bố kích thước của từng lớp.

Theo [12] thì dòng khí đi qua lớp hạt có hình dạng bất kỳ, tiêu chuẩn Reynolds ở trạng thái sôi tối thiểu (Rett) được xác định qua phương trình:

Trong công thức μ (2.17), các yếu tố quan trọng bao gồm ρk, đại diện cho khối lượng riêng của không khí tại nhiệt độ tính toán (kg/m³), vtt, là vận tốc tối thiểu ở lớp hạt sôi (m/s), và dtd, đường kính tương đương của hạt (m) Thêm vào đó, φ là cầu tính của hạt và μk là độ nhớt động lực học của dòng khí (kg/ms) Đường kính tương đương dtd được tính theo công thức cụ thể.

A là tiết diện hình oval:

(2.19) p là chu vi mặt cắt: p=π.b+2(a b− ) ,mm (2.20) a là chiều dài hạt lúa, mm; b là chiều rộng hạt lúa, mm

Tương quan giữa tiêu chuẩn Ar và Rett cùng với độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sôi tối thiểu biểu diễn theo phương trình sau:

150 tt Re tt Re tt tt tt

= − + (2.21) Ở đây: εtt – độ xốp của hạt ở trạng thái sôi tối thiểu

Và tiêu chuẩn Ar cho hạt vật liệu có hình dạng bất kỳ được xác định như sau:

Từ đó ta thiết lập được phương trình:

150 Re Re k vls k vls tt tt tt k tt tt g d ρ ρ ρ ϕ ε μ ϕ ε ϕ ε

Giải phương trình này để xác định được tiêu chuẩn Rett và kết hợp với phương trình (2.17) sẽ xác định vận tốc sôi tối thiểu của vật liệu sấy

Lewis Orchard đã đề xuất một công thức để xác định vận tốc bề mặt tối thiểu của dòng khí, nhằm tạo ra lớp hạt sôi tối thiểu.

− (2.24) Với: g – gia tốc trọng trường; ρh – khối lượng riêng của hạt, kg/m 3 ;

Khi vận tốc bề mặt dòng khí vượt quá vận tốc hóa sôi tối thiểu, sẽ xuất hiện các bọt khí nhỏ tại ghi phân phối khí Những bọt khí này sẽ dần dần kết tụ lại và gia tăng kích thước, dẫn đến hiện tượng giãn nở của lớp hạt.

= ϕ (2.25) Tính tiêu chuẩn Reynold theo tiêu chuẩn Fedorov:

Trong đó: υk – độ nhớt động học, m 2 /s; ρvls – khối lượng riêng của vật liệu, kg/m 3 Ở chế độ làm việc tối ưu: Re tu = (0,19 0, 285) ÷ Fe 1,56 (2.27)

Và tính theo thực nghiệm thì: v tu = (2 3) , ÷ v m s tt / (2.29)

Khi vận tốc dòng khí qua lớp hạt tăng lên và vượt quá vận tốc sôi của bọt khí, nó đủ mạnh để nâng hạt vật liệu rời ra khỏi lớp sôi Tại thời điểm này, các hạt vật liệu bắt đầu bị cuốn theo dòng khí Vận tốc ở trạng thái này được xác định theo tiêu chuẩn nhất định.

Vận tốc tới hạn của dòng khí: th 3 ( k 2 vls k ), / k

Tổng áp của dòng khí qua lớp hạt sấy tầng sôi

Dòng khí được thổi từ đáy lớp hạt xuyên qua các khoảng trống giữa các hạt Khi vận tốc dòng khí thấp, áp lực lên các hạt nhỏ khiến lớp hạt duy trì trạng thái tĩnh Tuy nhiên, khi vận tốc tăng, áp lực cũng tăng theo, dẫn đến hiện tượng hóa sôi Trong quá trình này, mỗi hạt vật liệu được bao phủ bởi dòng khí nóng, thực hiện trao đổi nhiệt và độ ẩm, tạo ra môi trường đồng đều về nhiệt độ và độ ẩm trong toàn bộ lớp hạt.

2.4.1 Xác định trở lực của dòng tác nhân khí đi qua lớp hạt tĩnh Đặc tính trở lực qua lớp hạt tĩnh tính theo công thức thực nghiệm của N.M.Javorosky [13]:

Trong đó: H – chiều cao lớp hạt tĩnh, m;

Vk là vận tốc khí bề mặt lớp hạt (m/s), trong khi ζ là hệ số trở lực qua lớp hạt, được xác định theo tiêu chuẩn Reynold Cụ thể, nếu Re < 4 thì ζ = 34/Re; nếu 4 < Re < 80 thì ζ = 0,8 + (27,8/Re) + 0,8 HuKill và Sheld [13] đã đề xuất công thức tính toán trở lực qua lớp hạt nông sản trong quá trình sấy tĩnh.

Trong đó: Q0 – lưu lượng không khí qua 1 m 2 lưới sàn (m 3 /s.m 2 ) a, b – hệ số phụ thuộc vật liệu (xem bảng 2.2)

Khi dòng chảy đi qua lớp hạt trạng thái tĩnh theo dạng chảy tầng, với số Reynolds Re < 10 và độ rỗng hạt ε0 = 0,5, trở lực qua lớp hạt có hình dạng bất kỳ được tính theo công thức Blake-Kozeny.

Trong nhiều thí nghiệm Blake-Kozeny đã xác định k1 hằng số thực nghiệm không thứ nguyên, k1 = 150

Khi dòng khí thổi xuyên qua lớp hạt là chảy rối: Ret > 1000, Burker và

Plummer đã xác định dòng chảy rối làm tổn thất năng lượng động học Lúc này trở lực qua lớp hạt hình dạng không cầu được tính [13]:

Với k2 là hằng số thực nghiệm không thứ nguyên, k2 = 1,75

Trường hợp tổn áp của dòng khí đi qua lớp hạt tĩnh có hình dạng bất kỳ ở chế độ chảy quá độ được tính theo công thức của Ergun [13]:

2.4.2 Xác định trở lực qua lớp hạt ở trạng thái sôi tối thiểu

Tổn áp của dòng tác nhân khí qua lớp hạt tương đương với trọng lượng của lớp hạt trên một đơn vị diện tích mặt cắt ngang, dẫn đến hiện tượng giãn nở của lớp hạt.

(1 )( ) (1 )( ) tan tt tt tt h k sb b h k

Chiều cao lớp hạt sôi bọt khí được ký hiệu là Hsb, trong khi εb biểu thị phần thể tích bọt khí trong lớp hạt ở trạng thái sôi Độ rỗng tối thiểu của lớp hạt sôi được ký hiệu là εtt.

⎝ ⎠ (2.39) Trong khi đó, Ergun lại đưa ra phương trình tính tổn áp của dòng khí đi qua lớp hạt có hình dạng bất kỳ ở trạng thái sôi tối thiểu [13]:

( ) f tt tt tt tt k tt tt tt h tt h

Hay theo Phedorop đã tính trở lực của dòng khí qua lớp hạt sôi tối thiểu [13]:

⎝ ⎠ (2.41) Trong đó: Fghi – diện tích ghi phân phối khí, m 2 ;

M – khối lượng của hạt nằm trên ghi, kg

2.4.3 Tổn áp của dòng khí qua lớp hạt bán sôi

Lớp hạt bán sôi là giai đoạn đầu của quá trình chuyển đổi lớp hạt sang trạng thái sôi hoàn toàn, với vận tốc lớn hơn vận tốc sôi tối thiểu nhưng nhỏ hơn vận tốc sôi hoàn toàn Trở lực trong lớp hạt bán sôi được xác định theo công thức Ergun.

. bs bs t s s bs k k k bs bs s h k h h s s

=⎢⎣ + ⎜⎝ ⎟⎠ ⎥ ⎢⎦⎣ − − ⎥⎦ +⎢⎣ − − ⎥⎦ − − Độ xốp của lớp hạt bán sôi được tính:

⎝ ⎠ (2.43) Trường hợp ở trạng thái bị lôi cuốn thì ε = 1

2.4.4 Xác định tổn áp của dòng khí đi qua ghi phân phối khí

Tổn áp trong buồng sấy là tổng áp của thành phần trở lực qua lớp hạt ΔPb và trở lực qua ghi phân phối ΔPppk: Δ = Δ + ΔP P b P ppk (2.44)

Tổn áp qua lớp hạt được chia thành ba loại chính: tổn áp qua lớp hạt tĩnh, tổn áp qua lớp hạt sôi tối thiểu và tổn áp qua lớp hạt bán sôi.

Tổn áp qua ghi phân phối dạng đột lỗ: ΔP ppk = ΔP h (1,8 0, 035 )− X (2.45)

Với X là tỷ lệ lỗ dưới trên diện tích ghi phân phối tác nhân (%): f , %

X = F f – diện tích lỗ phân phối khí, m 2 ;

Thường chuẩn lưới sử dụng phân phối tác nhân sấy tĩnh nằm trong khoảng 20% - 40%

Krishnaiah đã thực hiện thí nghiệm để xác định trở lực thông qua ghi phân phối khí trong máy sấy tầng sôi, với giá trị tổn áp được xác định trong khoảng từ 20% đến 40% áp suất qua hạt Kết quả cho thấy Δ ppks = ΔP b (0, 2 0, 4)− (2.46).

Các loại máy sấy tầng sôi

Không khí nóng được thổi từ dưới lên qua ghi sấy, tạo ra vận tốc hóa sôi, khiến vật liệu lỏng (VLS) bay lơ lửng tương tự như quá trình hóa lỏng.

Máy sấy tầng sôi là thiết bị đa năng, chuyên dùng để làm khô, làm mát, phân loại và khử trùng liên tục Thiết bị này có khả năng sấy các loại nông sản có kích thước vừa phải như lúa, ngô và sắn.

Hình 2.5 Máy tầng sôi mẻ

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

- Truyền nhiệt hiệu quả với mức tiêu thụ năng lượng thấp

- Dễ dàng làm sạch và chi phí bảo dưỡng thấp

- Khó khăn trong sự kiểm soát độ ẩm, thời gian lưu trữ và nhiệt độ VLS

- Không sử dụng sấy vật liệu dạng bột ướt và sấy các hạt có kích thước lớn

2.5.2 Tầng sôi 2 pha (plug flow fluidized bed dryer)

Máy sấy tầng sôi hoạt động tương tự như máy sấy thông thường, nhưng được trang bị vách ngăn để ngăn chặn sự pha trộn của vật liệu sấy theo chiều ngang Điều này giúp giảm thiểu thời gian cư trú của vật liệu, từ đó cải thiện hiệu quả sấy Dòng chảy trong máy sấy có thể thay đổi tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của thiết bị.

Trong hình chữ nhật, vách ngăn được bố trí để tạo ra sự luân chuyển liên tục của các chất rắn từ bên này sang bên kia.

Máy sấy tầng sôi với vách ngăn xoắn ốc là thiết bị lý tưởng cho ngành công nghiệp thực phẩm và sữa, chuyên dụng cho bột ướt và bột xây dựng có kích thước hạt từ 50 microm đến 2 mm Ngoài ra, máy còn có khả năng sấy các loại vật liệu dạng hạt như muối, nhựa cây, chất nhựa trao đổi ion, ngũ cốc và nhiều sản phẩm khác.

Tỉ lệ chiều dài với chiều rộng phân bố trong phạm vi từ 4:1 đến 30:1

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống máy sấy tầng sôi liên tục kiểu phân khoang

- Vật liệu khô đồng đều Phù hợp sấy các hạt có kích thước nhỏ

- Sấy được các hạt có độ ẩm cao và khô đến độ ẩm tương đối thấp

- Hiệu suất nhiệt tương đối cao dẫn đến tiết kiệm chi phí vận hành

- Kết cấu tương đối phức tạp và khó gia công chế tạo

Một số vật liệu ướt gặp khó khăn do độ bão hòa của khí thải gần đầu vào, trong khi các vật liệu khô hơn ở gần đầu ra lại chịu nhiệt độ quá cao Giải pháp cho vấn đề này là áp dụng quy trình sấy nhiều giai đoạn.

Nguyên lý hoạt động của máy dựa trên việc rung động và di chuyển nguyên liệu khi tiếp liệu, kết hợp với việc thổi gió nóng bên trong để tách hàm ẩm trong nguyên liệu.

Máy sấy rung tầng sôi là thiết bị lý tưởng cho việc sấy các sản phẩm dạng hạt và viên, bao gồm ngô, đỗ, lúa, gạo, hạt cốm trong ngành dược phẩm và thực phẩm Đặc biệt, máy còn được sử dụng để sấy muối hạt, đảm bảo chất lượng cao cho sản phẩm.

Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống máy sấy tầng sôi rung

- Sấy được nhiều loại vật liệu, kể cả những vật liệu có kích thước lớn

- Độ ẩm sau khi sấy đạt tới 0.2% hoặc nhỏ hơn tùy theo từng loại nguyên liệu

- Năng suất của máy rất cao, do hiệu suất trao đổi nhiệt với nguyên liệu sấy cao

- Dễ dàng vệ sinh, bảo dưỡng

- Vận tốc hóa sôi thấp hơn yêu cầu do có bộ tạo rung

- Kết cấu phức tạp, khó gia công chế tạo

- Chi phí vận hành cao do có thêm bộ tạo rung

- Do năng lượng rung truyền giảm dần theo khoảng cách với tấm rung, nên chiều dày lớp hạt sấy hóa lỏng bị giới hạn trong phạm vi 10-15cm

Nguyên lý hoạt động của máy sấy VLS tương tự như máy sấy tầng sôi thông thường, nhưng có sự khác biệt là dòng tác nhân khí có độ ẩm cao được thổi từ đầu máy sấy Dòng khí này di chuyển chậm dần xuống cuối máy sấy, giúp đạt được độ ẩm yêu cầu cho sản phẩm.

Dòng vật liệu rắn trong thiết bị sấy có hình dạng dài và hẹp, tương tự như một dòng chảy, với tỉ lệ chiều dài và chiều rộng từ 4:1 đến 30:1, rất phù hợp để sấy các loại hạt.

Hình 2.8 Máy sấy tầng sôi dòng đẩy

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

- Phù hợp để sấy các loại hạt có kích thước trung bình

Vật liệu được sấy khô đồng đều, cho phép giảm độ ẩm tự do xuống mức tương đối thấp.

- Chi phí đầu tư thấp hơn loại tầng sôi 2 pha và tầng sôi rung

- Không thích hợp cho loại vật liệu quá dính ướt, các hạt có kích thước lớn

- Khó kiểm soát được độ ẩm đầu ra, do đó phải tính toán, lựa chọn chính xác các thông số công nghệ tầng sôi

2.5.5 Lựa chọn máy sấy tầng sôi cho sấy lúa hai giai đoạn

Trong bài viết này, chúng tôi lựa chọn mô hình thực nghiệm và tính toán cho máy sấy tầng sôi dòng đẩy Loại máy sấy này có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và chi phí đầu tư tương đối thấp, rất phù hợp cho việc sấy lúa Lúa được tác nhân khí thổi sôi lên và di chuyển liên tục từ đầu đến cuối máy sấy.

2.6 Giới thiệu mô hình máy sấy lúa hai giai đoạn theo hướng nghiên cứu

Mô hình máy sấy lúa hai giai đoạn với nguyên tắc hoạt động như sau:

Nhiên liệu than đá được cấp vào lò đốt, và không khí nóng từ quá trình đốt được thổi vào buồng hòa trộn không khí Tại đây, không khí nóng được kết hợp với không khí tươi từ bên ngoài để giảm nhiệt độ xuống mức yêu cầu Sau đó, không khí hòa trộn này sẽ được quạt hút vào để thổi vào buồng sấy vật liệu.

Lúa với độ ẩm ban đầu M1 được đưa vào máy sấy tầng sôi để thực hiện giai đoạn 1 của quá trình sấy Ở giai đoạn này, lúa nhanh chóng bay hơi ẩm nhờ vào nhiệt độ của tác nhân sấy cao, khoảng 80 độ.

100 0 C), tốc độ sấy nhanh và thời gian sấy ngắn Sản phẩm ra khỏi máy sấy tầng sôi là bán thành phẩm có độ ẩm M2 = 20 - 22%

(1), (6): Lò đốt nhiên liệu; (2), (7): Buồng hòa trộn không khí;

(3), (8): Quạt cấp khí nóng; (4): Máy sấy tầng sôi;

(5): Vật liệu bán thành phẩm; (9): Máy sấy tĩnh;

Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống sấy lúa hai giai đoạn dự kiến theo hướng nghiên cứu

Vật liệu bán thành phẩm được đưa vào máy sấy tĩnh để thực hiện giai đoạn sấy thứ hai, với mục đích bảo quản Giai đoạn này sử dụng nhiệt độ thấp, thời gian sấy dài và tốc độ sấy chậm, nhằm loại bỏ độ ẩm bên trong vật liệu Kết quả là lúa ra khỏi máy sấy tĩnh có độ ẩm yêu cầu từ 14% đến 14.5%.

Tổng quát các nội dụng thực hiện đề tài nghiên cứu

Ta tiến hành theo trình tự như sau:

Lựa chọn mô hình máy sấy tầng sôi Nghiên cứu một số vần đề lý thuyết tầng sôi

Tính toán thiết kế mô hình thí nghiệm

Thực nghiệm trên mô hình vật lý

+ Xây dựng chế độ sấy

Kết luận Khảo sát các đối tượng nghiên cứu

Xác định các thông số vật lý

Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

3.2.1.1 Ph ươ ng pháp k ế th ừ a

Kế thừa có chọn lọc các nghiên cứu của tác giả trong và ngoài nước về sấy tầng sôi, bài viết này tập trung vào phương pháp sấy và bảo quản lúa hai giai đoạn, dựa trên các công trình khoa học đã được công bố.

Nghiên cứu và tiếp cận các kết quả về công nghệ sấy tầng sôi từ các tác giả trong nước là rất quan trọng Điều này có thể thực hiện thông qua việc tham khảo sách, giáo trình và các bài báo chuyên ngành Việc nắm bắt kiến thức từ những nguồn tài liệu này sẽ giúp cải thiện hiểu biết và ứng dụng công nghệ sấy tầng sôi trong thực tiễn.

- Tìm hiểu một số thiết bị sấy tầng sôi có sẵn ở các cơ sở trong nước

- Tiếp cận và tiếp thu các ý kiến của các chuyên gia, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực sấy nói chung và sấy tầng sôi nói riêng

Dựa trên việc tiếp cận và tìm hiểu công nghệ, thiết bị cùng với kinh nghiệm chuyên môn, việc lựa chọn có chọn lọc các ưu nhược điểm sẽ tạo nền tảng vững chắc cho quá trình nghiên cứu Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí nghiên cứu mà còn mang lại hiệu quả cao cho đề tài.

3.2.1.2 Ph ươ ng pháp th ự c nghi ệ m

Khảo sát các công nghệ và thiết bị sấy lúa đã được áp dụng tại một số địa phương, cũng như tại các cơ sở sản xuất và trung tâm nghiên cứu, như Trường Đại Học Nông Lâm Tp HCM, nhằm nâng cao hiệu quả trong lĩnh vực sấy tầng sôi.

Chọn mẫu thiết bị và phân tích các thông số cơ bản cùng công nghệ là bước quan trọng để đánh giá và so sánh thiết bị Việc hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật của từng thiết bị sẽ hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.

Nghiên cứu các mô hình sấy tầng sôi hiện có giúp xác định ưu điểm và nhược điểm của từng loại, từ đó tìm ra hệ thống sấy phù hợp và hiệu quả Việc lựa chọn mô hình sấy không chỉ đảm bảo tiết kiệm chi phí chế tạo mà còn tối ưu hóa chi phí vận hành, mang lại lợi ích kinh tế cho quá trình sản xuất.

3.2.1.3 Ph ươ ng pháp gi ả i tích toán h ọ c Áp dụng các công thức toán học về lĩnh vực sấy nói chung và lĩnh vực sấy tầng sôi nói riêng để giải quyết các bài toán giải tích trong quá trình nghiên cứu theo phương pháp mô hình hóa, cũng như giải các bài toán về qui hoạch thực nghiệm

3.2.2 Phương pháp xác định một số thông số vật lý phục vụ cho thực nghiệm

3.2.2.1 Ph ươ ng pháp xác đị nh độ ẩ m

Để xác định độ ẩm của lúa, chúng ta áp dụng tiêu chuẩn TCVN 3973-84 và TCVN 3974-84 Quy trình bắt đầu bằng việc sử dụng chén sứ có nắp, được sấy khô ở nhiệt độ 150°C và làm nguội trong bình hút ẩm Sau đó, cân chén đến khối lượng không đổi (mchen) và cân 100g hạt lúa với độ chính xác 0,001g cho vào chén sấy Tiến hành sấy ở nhiệt độ 100 ± 5°C, sau đó lấy chén ra, đậy nắp và làm nguội trong bình hút ẩm trong 5 phút trước khi cân Quá trình này được lặp lại cho đến khi chênh lệch giữa hai lần cân liên tiếp không vượt quá 0,01g Cuối cùng, độ ẩm được tính theo công thức: \( \frac{m_1 - m_{chen}}{m_{chen}} \times 100\% \).

Trong thí nghiệm, khối lượng mẫu lúa ban đầu được ký hiệu là m (g), khối lượng chén đựng mẫu là mch, và tổng khối lượng của mẫu lúa sau khi sấy cùng với chén được ký hiệu là m1.

3.2.2.2 Ph ươ ng pháp xác đị nh kh ố i l ượ ng th ể tích v ậ t li ệ u

Khối lượng khối hạt, hay còn gọi là khối lượng thể tích (ρv), được xác định bằng cách cho hạt có độ ẩm Mi vào ống nghiệm 500ml Để thực hiện, dùng miếng bìa mỏng cuốn thành phễu với kích thước lỗ ra gần bằng miệng ống đong, sau đó đổ lúa cần đo vào phễu Lắc nhẹ phễu để hạt lúa chảy vào ống đong và lắc ống đong để mặt lớp lúa được khỏa bằng Quan sát và ghi lại mức thể tích của hạt trong ống nghiệm, sau đó cân khối hạt trong ống nghiệm để tính khối lượng thể tích theo công thức ρ = m/v (kg/m³).

Khối lượng khối hạt lúa trong ống đong được ký hiệu là gv và được đo bằng gam (g) Thể tích khối hạt chiếm chỗ trong ống đong được ký hiệu là vv và tính bằng mililit (ml) Để tính khối lượng thể tích khối hạt lúa, ký hiệu ρv, chúng ta sử dụng công thức ρv = gv/vv, với đơn vị là g/ml.

Thực hiện đo các mẫu lúa có độ ẩm phạm vi từ 26 % - 32% Mỗi thí nghiệm lặp lại 5 lần rồi lấy kết quả trung bình

3.2.2.3 Ph ươ ng pháp xác đị nh v ậ n t ố c khí qua b ề m ặ t l ớ p lúa

Vận tốc khí qua bề mặt hạt có thể được tính bằng cách điều chỉnh lưu lượng khí từ quạt vào buồng sấy và chia cho diện tích ghi phân phối khí.

Trong luận văn này, việc thực hiện nhiều thí nghiệm nhằm xác định thông số tối ưu cho quá trình sấy với các vận tốc qua ghi phân phối khác nhau là rất quan trọng Để đạt được điều này, biến tần được sử dụng để điều chỉnh tốc độ quạt, do đó cần xác định các số vòng quay của quạt n (vòng/phút) tương ứng với các vận tốc đã chọn.

Thiết kế mô hình tầng sôi thực nghiệm

Luận văn này tập trung vào việc tính toán và thiết kế máy sấy tầng sôi cho giai đoạn 1, mà không đề cập đến máy sấy tháp hoặc máy sấy tĩnh cho giai đoạn 2.

3.3.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế

Để thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống sấy tầng sôi, người thiết kế phải xử lý một khối lượng công việc lớn và thực hiện nhiều phép tính phức tạp trên máy tính, trong đó có nhiều phương pháp tính lặp Điều này dễ dẫn đến sai sót trong thiết kế, khiến sản phẩm cuối cùng gặp lỗi và cần phải hiệu chỉnh lại thông số, kích thước, thậm chí chế tạo lại Để tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí, việc sử dụng phần mềm hỗ trợ tính toán thiết kế máy sấy tầng sôi là cần thiết Trong luận văn này, phần mềm “Phần mềm sử dụng thiết kế máy sấy tầng sôi liên tục” sẽ được áp dụng Người thiết kế cần thực hiện hai nội dung chính: tính toán quá trình sấy thông thường và xác định các thông số vận tốc tác nhân sấy để duy trì chế độ sấy ổn định Một yếu tố quan trọng trong thiết kế là xác định mối quan hệ giữa chiều dài và chiều rộng của ghi, vì nếu không đúng, độ ẩm sản phẩm sẽ không đạt yêu cầu, dẫn đến tăng chi phí năng lượng và có thể làm hư hỏng vật liệu sấy.

Phần mềm thiết kế máy sấy tầng sôi được phát triển từ Visual Basic, với thuật toán tìm kiếm và nội suy các thông số vật lý của tác nhân sấy từ bảng dữ liệu có sẵn Phần mềm này thực hiện các bước tính toán dựa trên các công thức tích hợp, sử dụng các thông số đầu vào được lựa chọn theo kinh nghiệm hoặc thực nghiệm.

Các thuật toán sử dụng trong phần mềm:

Thuật toán 1 Sấy lý thuyết

Thuật toán 2 Xác định vận tốc hóa sôi tối thiểu, vận tốc sôi tối ưu và vận tốc khí tới hạn

Nhập thông số của vật liệu và tác nhân dh, εtt, t, ρh, ρv, φ, dmin

Xác định các thông số vật lý của không khí ρ, v, λ theo nhiệt độ

Kiểm tra vtối ưu = (2-3)vtt

Xác định vận tốc sôi tối thiểu, vận tốc lôi cuốn, vận tốc tối ưu

Thay đổi hệ số tính vtối ưu

Xuất kết quả ra màn hình

Thuật toán 3 Xác định kích thước không gian sấy

Bắt đầu tf1, tf2, δ1, δ2, λ1, λ2, vphân ly tM1 = t0

Xác định hệ số truyền nhiệt k của vách buồng sấy

Xuất kết quả ra màn hình

Kết thúc α2=1.175(tM3-tf2)^ 0.333 q1=α1(tf1-tM1) tM3=tM1-q1.δ1/λ1 tM1< tf2

Xác định sơ bộ diện tích mặt ngoài của máy sấy

Xác định tổn thất nhiệt ra môi trường qmt

Thuật toán 4 Quá trình sấy thực

Sấy lý thuyết, h0, vphân ly, δ1, λ1, δ2, λ2

Xác định nhiệt lượng q1, qv

Abs(Fghi1 – Fghi)/Fghi