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 từ 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 mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tương tự trong lĩnh vực 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 thiết bị, 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
Cây sen có nhiều bộ phận được sử dụng với mục đích khác nhau, tùy thuộc vào thành phần dinh dưỡng của chúng Hạt sen, ngó sen và củ sen là những sản phẩm giàu dinh dưỡng, chứa protein, lipid, gluxit, khoáng chất như canxi, sắt, photpho, natri, kali, chất xơ, và vitamin B1, B2, C Hạt sen đặc biệt nổi bật với hàm lượng bột đường và protein cao, ít chất béo, cùng với canxi cần thiết cho sự phát triển xương và 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 cơ thể suy nhược Hạt sen chín không chỉ giúp cải thiện tình trạng tiêu chảy mãn tính mà còn làm giảm đau và hỗ trợ trong việc điều trị mất ngủ và đau tim Tâm sen có tác dụng an thần, giúp trị mất ngủ, sốt cao, căng thẳng thần kinh và cao huyết áp.
Lá sen có công dụng chữa chảy máu, bao gồm đại tiện ra máu, chảy máu chân răng và xuất huyết dưới da, đồng thời hỗ trợ điều trị cao huyết áp Quả sen giúp điều trị lỵ và cấm khẩu Gương sen được biết đến như một loại thuốc cầm máu, hiệu quả trong việc điều trị đại tiểu tiện ra máu, bạch đới và huyết áp cao Ngó sen cũng có tác dụng cầm máu, chữa trị các vấn đề như đại tiểu tiện ra máu, chảy máu cam và tử cung xuất huyết.
1.1.3 Giá trị văn hóa, thẩm mỹ
Cây sen mang giá trị vượt xa ý nghĩa vật chất và kinh tế, nó còn chứa đựng giá trị tinh thần sâu sắc Ngoài việc được sử dụng làm thuốc và thực phẩm, sen còn gắn liền với ba hình tượng thiêng liêng của người Việt Nam: Phật Thích Ca, Bác Hồ kính yêu và tâm hồn dân tộc Hiện nay, nhiều người còn yêu thích việc trồng sen như một thú chơi cây cảnh nhờ vào vẻ đẹp thanh thoát và nhẹ nhàng của chúng Giống sen Việt, với hoa sen hồng giản dị và gần gũi, được nhiều người ưa chuộng và thường được trồng trong các đầm để thu hoạch hạt, lá và hoa.
Các sản phẩm từ cây sen không chỉ được ứng dụng trong ngành thực phẩm mà còn trong thời trang và mỹ phẩm cao cấp Cuống lá sen có thể chế biến thành tơ sen, tạo ra vải lụa chất lượng cao, mang lại giá trị kinh tế vượt trội so với các sản phẩm từ sợi khác Ngoài ra, hoa sen còn được sử dụng để sản xuất nước hoa với hương thơm quyến rũ, góp phần nâng cao giá trị thẩm mỹ.
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 tại các 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 diễn ra từ tháng 7 đến tháng 9.
Sen là loại cây thủy sinh với thân rễ (ngó sen) màu trắng, tiết diện gần tròn và có khía dọc màu nâu Thân rễ phình to thành củ màu vàng nâu, hình dùi trống, gồm nhiều đoạn và có nhiều khuyết rộng Lá sen hình lọng, dài 30-55 cm, rộng 20-30 cm, với mép lá uốn lượn, mặt trên xanh đậm bóng và mặt dưới xanh nhạt nhám Cuống lá dài từ 1-1,5 m, có nhiều gai Hoa sen lớn, màu hồng hoặc trắng, với cuống hoa dài 1,3-1,5 m, chuyển sang màu nâu khi già và cũng có nhiều gai nhọn Đế hoa hình nón ngược, dài 5-7 cm, đường kính 6-8 cm, chứa nhiều quả sen Bao hoa gồm 12-16 phiến xếp xoắn ốc, bên ngoài có 3-5 phiến màu xanh hơi hồng dài 3-6 cm, bên trong là các phiến thuôn dài hình thuyền, dài 9-16 cm, rộng 4-9 cm, màu trắng hồng với nhiều gân dọc nổi rõ Bộ nhị của hoa sen nhiều, rời và đính xoắn ốc với chỉ nhị màu trắng, hình sợi và nhẵn.
Hình 1.1 Hoa, gương và lá sen
Bộ nhụy của cây có nhiều lá noãn rời, được sắp xếp thành nhiều vòng và nằm sâu trong đế hoa Bầu nhụy có màu vàng nhạt, hình bầu dục với kích thước dài 6-11 mm và rộng 3-4 mm Vòi nhụy ngắn, đầu nhụy hình tròn và lõm ở giữa Quả của cây nhỏ, màu xanh, nhẵn, hình bầu dục với kích thước dài từ 1,7-2,5 cm và đường kính từ 0,6-1,2 cm Hạt có màu trắng, dài từ 1,3-1,5 mm và đường kính 5-6 mm, bên trong có 2 lá mầm dày mập màu trắng với 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 khu vực có diện tích trồng sen lớn nhất Việt Nam, với 423 hecta trải dài qua ba tỉnh Long An, Tiền Giang và Đồng Tháp Sen chủ yếu được trồng để thu hoạch ngó sen và gương sen chỉ sau một tháng gieo trồng Giá trị của hai mặt hàng này luôn cao và ổn định, góp phần tăng thu nhập cho người dân trong vùng lên đến 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 và Thừa Thiên Huế nổi tiếng với giống sen quý như sen Cung Đình hồng và sen Cung Đình trắng, được vua chúa xưa ưa chuộng để trang trí cung đình Hạt sen không chỉ có giá trị kinh tế cao mà còn chứa nhiều dinh dưỡng, được người dân ưa chuộng Diện tích trồng sen ngày càng mở rộng và quy trình chăm sóc được cải thiện nhờ công nghệ kỹ thuật, giúp bảo quản sản phẩm tốt hơn Hạt sen Thừa Thiên Huế rất bổ dưỡng và có giá trị trong ẩm thực cũng như y học.
Sen cao sản Huế có những đặc điểm nổi bật như thân hình trụ (ngó sen) và rễ mập (củ sen) Lá sen gần như tròn, mọc trải trên mặt nước với cuống dài, có màu xanh bóng và gân nổi rõ Hoa sen lớn, mọc trên cuống dài, có nhiều cánh hoa mềm, xếp tỏa tròn với màu sắc đa dạng như hồng, trắng hoặc vàng tùy theo chủng loại Hoa có nhị màu vàng và các lá noãn rời, sau đó hình thành quả gắn trên đế hoa hình nón ngược màu xanh (gương sen), mỗi quả chứa một hạt với chồi mầm (tâm sen) bên trong.
Hoa sen có cuống dài, thẳng và đầy gai nhọn, đường kính khoảng 8-12 cm với nhiều cánh hoa màu hồng, hồng đỏ và trắng Hoa có 3-5 lá đài màu lục nhạt, thường rụng sớm Cánh hoa bên ngoài to và khum lòng máng, trong khi cánh hoa ở giữa và cuống nhỏ hẹp dần Giữa cánh hoa và nhị có sự chuyển tiếp rõ ràng Nhị hoa có số lượng lớn, màu vàng, với chỉ nhị mảnh và phần gạo sen màu trắng, tỏa hương thơm.
Hạt sen Thừa Thiên Huế nổi tiếng với hương vị thơm ngon đặc biệt, được trồng trên đất cố đô, nơi hấp thụ tinh túy của đất trời Những hạt sen có màu trắng pha vàng nhạt, mang đến vị bùi béo và ngọt mát, tạo nên cảm giác thanh thanh trên vị giác Hạt sen Thừa Thiên Huế thường được phơi khô và kết thành chùm, trở thành hình ảnh đặc trưng của vùng đất 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 Trung Quốc, Nhật Bản, miền bắc châu Úc và nhiều quốc gia khác, hiện nay đã được trồng rộng rãi trên toàn thế giới Đặc biệt, Ấn Độ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, các nước Đông Nam Á, Nga và một số quốc gia châu Phi là những nơi có sự phát triển mạnh mẽ của cây sen Tuy nhiên, châu Á vẫn là khu vực tiêu thụ cây sen nhiều 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 những tên gọi đặc trưng như Taihakubasu, Benitenjo, Kunshikobasu, Sakurabasu, Tenjinkubasu, Tenno, Aichi, Shina, Shirobana, và Bitchu Những giống sen này hiện nay được trồng rộng rãi trên khắp đất nước, từ đảo Hokkaido đến đảo Kyushu.
Nhật Bản có hai nhóm giống sen chính: một nhóm có nguồn gốc từ Nhật Bản, chuyên cho hoa trang trí, và một nhóm từ Trung Quốc, chủ yếu cho củ Giống sen Nhật Bản như Tenno và Aichi cho hoa đỏ và trắng với 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, cho năng suất cao và khả năng kháng bệnh tốt hơn Hiện nay, Nhật Bản có khoảng 350 loài sen, thường được trồng tại các công viên quốc gia, chùa chiền, và lăng tẩm để tạo cảnh quan Giống sen lấy củ chủ yếu được trồng ở một số tỉnh miền trung và miền nam, với sản lượng củ sen đạt 82.200 tấn vào năm 1982 trên diện tích 6.350 hecta, nhưng đã giảm xuống còn 71.900 tấn vào năm 1998 với diện tích chỉ còn 4.900 hecta.
Trung Quốc là quốc gia sản xuất sen lớn nhất thế giới với hơn 100 loại khác nhau, diện tích trồng lên tới 133,400 hecta và năng suất trung bình đạt 22,5 tấn/hecta, tổng sản lượng củ sen hàng năm vượt 3 triệu tấn Thời vụ thu hoạch củ sen diễn ra từ tháng 8 đến tháng 3 năm sau, trong đó 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, Hàn Quốc có diện tích canh tác sen đạt 291 hecta, với sản lượng 9.261 tấn củ sen, tương đương năng suất trung bình 31,83 tấn/hecta Thời vụ thu hoạch củ sen diễn ra từ tháng 8 đến tháng 12 Ngoài việc sản xuất, Hàn Quốc còn 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, một tỉnh nổi tiếng về trồng sen ở đồng bằng Sông Hồng, mang lại thu nhập cao cho người trồng nhờ vào các sản phẩm từ sen như hoa, hạt, tâm, nhụy, lá và ngó sen Giá hạt sen dao động từ 40.000-50.000 đồng/kg, và sản phẩm hạt sen khô được nhiều thương lái ưa chuộng 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 từ 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 thu mua sen diễn ra nhỏ lẻ và tốn thời gian, buộc các cơ sở phải nhập khẩu sen từ miền Nam Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là Đồng Tháp Mười, là khu vực trồng sen lớn nhất cả nước với diện tích 697.000 hecta trải dài qua Long An, Tiền Giang và Đồng Tháp, trong đó Đồng Tháp nổi bật với sen đẹp và hương thơm, cùng với kinh nghiệm phong phú trong việc thu hoạch và chăm sóc cây sen.
BẢO QUẢN HẠT SEN Ở VIỆT NAM
Hạt sen được bảo quản chủ yếu bằng phương pháp đông lạnh và sấy khô Để giữ được vi chất, hạt sen tươi được bọc kín trong bì nilon nhằm ngăn ngừa thoát hơi nước Sau đó, hạt sen được bảo quản lạnh hoặc sấy khô Hiện nay, tại Việt Nam, hạt sen chủ yếu được tiêu thụ ở dạng khô sau khi đã sấy và đóng bao bì.
Bảo quản hạt sen tươi bằng phương pháp lạnh là lựa chọn phổ biến cho hộ gia đình nhờ tính đơn giản và hiệu quả, giúp làm chậm sự phát triển của vi khuẩn và biến đổi hóa học trong thực phẩm Tuy nhiên, phương pháp này chỉ phù hợp cho số lượng nhỏ và không kéo dài thời gian bảo quản Đối với hạt sen sau thu hoạch, việc bóc vỏ và phơi khô truyền thống thường gặp nhiều khó khăn, như chất lượng không đồng đều, độ ẩm không đảm bảo, và dễ bị nhiễm khuẩn Điều này yêu cầu cần có thiết bị sấy hiện đại để bảo quản hạt sen lâu hơn và đảm bảo chất lượng Quá trình phơi khô bằng ánh nắng mặt trời cũng tiềm ẩn rủi ro về an toàn thực phẩm và phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, do đó cần tìm kiếm giải pháp hiệu quả hơn trong bảo quản hạt sen.
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, điều kiện khí hậu và tác động môi trường đã thúc đẩy sự phát triển đa dạng của các thiết bị sấy hạt nông sản Hạt mới thu hoạch thường có độ ẩm cao, trung bình từ 20-22%, và một số loại hạt hoặc quả thu hoạch vào mùa mưa có thể lên tới 35-40% Nếu không được sấy kịp thời, những hạt ẩm này có thể bị thâm, chua, thối hoặc hư hỏng hoàn toàn Đặc biệt, một số loại hạt như đỗ tương, vừng, hạt cải cần phải được phơi sấy đến độ khô nhất định để dễ dàng tách hạt khỏi vỏ Do đó, trước khi đưa vào kho bảo quản, tất cả các loại hạt 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, bao gồm nhiều loại máy khác nhau phục vụ cho nhu cầu sấy hạt.
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 hệ thống sấy bắt đầu khi vật liệu ẩm được đưa vào buồng sấy qua phểu cấp liệu 1 Trong buồng sấy, có một lưới sàng 4 được bố trí để hỗ trợ quá trình sấy Tác nhân sấy có thể là không khí nóng hoặc khói lò, và chúng được đưa vào buồng sấy thông qua 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 được 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 Mặc dù đây là phương pháp sấy phổ biến hiện nay, nhưng độ đồng đều của nhiệt độ không cao, do nhiệt độ ở đáy buồng sấy luôn lớn hơn ở miệng buồng.
Thiết bị sấy theo phương pháp thăng hoa:
Sấy thăng hoa là quá trình loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu thông qua sự thăng hoa của nước, tức là chuyển từ thể rắn sang thể hơi Để thực hiện quá trình này, thực phẩm cần được đông lạnh để nước trong thực phẩm chuyển từ dạng lỏng sang dạng rắn Do đó, sấy thăng hoa còn được gọi là sấy lạnh đông hoặc làm khô bằng phương pháp đóng băng.
Sấy thăng hoa là một 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, công nghệ này được áp dụng cho vi sinh vật, nấm men, vitamin, kháng sinh và các enzym nhạy cảm với 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 sự hình thành các điểm ba Ơtecti khác nhau, từ đó tạo ra sự cân bằng giữa các pha rắn, lỏng và hơi Đối với các vật liệu vi sinh, tốc độ đông lạnh cần 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 theo chế độ tuần hoàn là thiết bị có phòng sấy hình trụ kín (nồi thăng hoa) với giàn ống rỗng để chứa vật liệu sấy Nồi thăng hoa hoạt động tuần hoàn như một phòng lạnh, trong đó bơm đẩy tác nhân lạnh qua các ống để thực hiện quá trình làm lạnh.
Hình 1.9 Sơ đồ thiết bị sấy thăng hoa tác động tuần hoàn
Máy sấy tĩnh vỉ ngang:
Máy sấy tĩnh vỉ ngang hoạt động dựa trên 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, thích hợp cho quy mô hộ gia đình và được sử dụng phổ biến để 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 lên sàn, 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 sẽ thoát ra ngoài, trong khi nguồn nhiệt được cung cấp từ than đá hoặc phế thải nông nghiệp đốt cháy trong lò Không khí nóng từ lò được hòa trộn với không khí môi trường qua buồng hòa khí, tạo ra hỗn hợp không khí có nhiệt độ phù hợp cho việc sấy Nhiệt độ của 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 phù hợp với yêu cầu công nghệ sấy của từng loại hạt.
Máy sấy tĩnh vỉ ngang nổi bật với kết cấu đơn giản, giá thành thấp và dễ thao tác, phù hợp với trình độ lao động địa phương, đồng thời giúp giảm chi phí sấy Tuy nhiên, nhược điểm của loại máy này là độ đồng đều về độ ẩm của sản phẩm không cao nếu không đảo trộn trong quá trình sấy, và khó khăn trong việc cơ giới hóa.
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
Bộ phận chính của máy sấy là một thùng hình trụ nằm ngang hoặc nghiêng một góc nhỏ, quay chậm Bên trong thùng có các cánh dẫn giúp nâng hạt lên trước khi chúng rơi trở lại đáy Khi rơi tự do, hạt ẩm tiếp xúc với không khí sấy, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền nhiệt và ẩm hiệu quả.
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 phương pháp sấy mẻ, với thùng sấy nằm ngang và vật liệu được cho vào theo từng mẻ Thùng quay liên tục, trong khi không khí nóng được đưa vào từ một đầu thùng và thổi đều theo trục, giúp mang hơi ẩm ra ngoài Ngoài ra, không khí nóng cũng có thể được đưa vào qua một ống đồng tâm với trục thùng, phân phối xung quanh qua các lỗ 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.
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 đến đầu ra Không khí sấy được cấp vào một đầu và thoát ra ở đầu kia, có thể theo cùng chiều hoặc ngược chiều với vật liệu Thời gian sấy phụ thuộc vào thời gian vật liệu di chuyển trong thùng Ưu điểm của máy sấy thùng quay là khả năng sấy các hạt có độ ẩm cao và đảm bảo độ khô đồng đều cho sản phẩm Tuy nhiên, nhược điểm là hạt có thể 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 tăng cao đã dẫn đến sự phổ biến của các mô hình máy sấy hạt sen tại Việt Nam Các máy sấy này chủ yếu gồm một vỏ, buồng nướng và màn hình Buồng nướng được lắp đặt bên trong vỏ, trong khi các màn hình được gắn cố định vào buồng nướng 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 hệ thống lưu thông không khí nóng Buồng sưởi ấm nằm trong vỏ máy, cạnh buồng nướng và các thiết bị sưởi ấm, trong khi hệ thống lưu thông không khí nóng được lắp đặt bên trong buồng sưởi ấm Với cấu trúc đơn giản, máy sấy hạt sen hiện nay mang lại hiệu quả cao trong việc nướng và làm khô hạt sen.
Một số thiết bị sấy hạt sử dụng phương pháp sấy khô, nướng nhanh và thổi tro gỗ kết hợp với không khí nóng, giúp quá trình sấy diễn ra nhanh chóng và dễ dàng 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 tốt hơn những vị trí khác Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của mẻ sấy và 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, người dân chủ yếu áp dụng phương pháp sấy tự nhiên bằng năng lượng mặt trời hoặc sử dụng máy sấy hạt nông sản khác, dẫn đến năng suất và chất lượng hạt sen sau sấy không cao Trong khi đó, trên thế giới, một số quốc gia có công nghệ tiên tiến đã phát triển các mô hình sấy hạt sen riêng biệt, như sấy bằng khí nóng trực tiếp, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm.
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 và tháo vật liệu cũng như điều chỉnh lưu lượng tác nhân sấy rất dễ dàng Máy bao gồm một 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 Những ưu điểm này giúp máy sấy hạt sen hoạt động hiệu quả và tiện lợi.
+ 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
Tại Thừa Thiên Huế, các tấm cót được xếp kín ở bốn góc, với một tấm đậy trên cùng và số lượng bếp than trong buồng sấy phụ thuộc vào kích thước buồng sấy và số lượng sào treo hạt sen Hiện nay, khu vực này không có nhiều cơ sở sấy hạt sen, chủ yếu nhập hạt khô từ Quảng Nam, hoặc 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 hạt sau thu hoạch vẫn giữ được độ ẩm và thời gian bảo quản lâu Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là thời gian thu hoạch kéo dài, chất lượng hạt không đạt yêu cầu do không kiểm soát được thời gian khô, dẫn đến nứt vỡ hạt và hạt nguyên vỏ khó bóc, khiến người dân Huế không ưa chuộng.
Vào năm 2014-2015, nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Nông Lâm Huế đã phát triển máy sấy hạt sen SHS-50 với thiết kế gọn nhẹ và đơn giản Sản phẩm này phục vụ cho các hộ gia đình và nhóm hộ kinh doanh hạt sen tại tỉnh Thừa Thiên Huế, có năng suất đạt 50 kg mỗi mẻ.
Máy sử dụng nhiệt gián tiếp từ khói lò thông qua hệ thống calorifer, cho phép tự động điều chỉnh nhiệt độ sấy Hệ thống điều khiển quạt lò giúp tăng 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 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 diễn ra tại xưởng thực hành nghề Vận hành máy thi công nền thuộc trường Cao đẳng Cơ điện - Xây dựng và Nông Lâm Trung Bộ Hạt sen được thu mua từ Huế, và các thí nghiệm được thực hiện 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
Bài viết này nhằm tổng hợp thông tin và số liệu liên quan đến hạt sen và quy trình sấy hạt sen Nghiên cứu đã xem xét các kết quả từ các tác giả về sấy hạt nói chung và sấy hạt sen cụ thể, được công bố trên nhiều sách báo và ấn phẩm Ngoài ra, bài viết cũng đề cập đến các chủ trương, chính sách của Đảng và pháp luật của Nhà nước cũng như 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 xác định chi phí nhiên liệu, năng lượng tiêu thụ, tổn thất năng lượng, chi phí nhân công và các chi phí khác Phân tích những yếu tố này giúp làm rõ ưu 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, việc thiết kế cải tiến một số bộ phận của máy sấy hạt sen đã được thực hiện nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của máy Sự cải tiến này không chỉ tối ưu hóa quy trình sấy mà còn góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm hạt sen sau khi sấy.
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, với các vị trí khác nhau trong buồng sấy được phân phối theo chuẩn N(a, σ²) Dữ liệu phân bố được tham khảo từ 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 của hạt sen sau khi sấy được đánh giá dựa trên các tiêu chí như hình dáng, kích thước và màu sắc so với mẫu chuẩn Mẫu chuẩn được sử dụng trong quá trình đánh giá là hạt sen sấy khô bằng máy hiện đang có trên thị trường Các yêu cầu đối với 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
Phương pháp thực nghiệm kết hợp với phần mềm Modde 5.0 đã được áp dụng để giải quyết bài toán quy hoạch hóa thực nghiệm, nhằm 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 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 dùng để đánh giá đối tượng được biểu diễn dưới dạng vectơ Y = (y1, y2, , yq) và thường được gọi là hàm mục tiêu Biểu diễn hình học của hàm mục tiêu là mặt đáp ứng, và việc lựa chọn chỉ tiêu đánh giá cần đảm bảo đáp ứng yêu cầu của phương pháp quy hoạch thực nghiệm, đồng thời phản ánh điều kiện tối ưu của đối tượng nghiên cứu Để phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các nhân 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 áp dụng từ năm 1926 và phát triển bởi các chuyên gia như Box Hunter, Scheffes, và Tagushi, cung cấp cho người dùng một công cụ tối ưu để thực hiện thí nghiệm Nó cho phép tính toán các hệ số của phương trình hồi quy và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố trong phương trình này, mang lại những lợi ích đáng kể cho quá trình nghiên cứu và phát triển.
Kế hoạch thực nghiệm bao gồm các điểm thí nghiệm, được gọi là điểm của kế hoạch, là một bộ kết hợp các giá trị cụ thể của các yếu tố vào Z Những điểm này tương ứng với điều kiện tiến hành thí nghiệm trong tập hợp các thí nghiệm Tại điểm thứ i của kế hoạch, bộ kết hợp các giá trị Zji bao gồm 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, thường là vectơ các yếu tố đầu vào tại mức cơ sở Z0.
Trong không gian yếu tố, các tọa độ Z0 j được xác định theo công thức, tạo thành một điểm đặc biệt gọi là tâm kế hoạch Xung quanh tâm này, toàn bộ các điểm kế hoạch được phân bố.
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 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 hiển thị màu đỏ là những giá trị không có ý nghĩa đối với hàm mục tiêu và có thể được loại bỏ khỏi hàm này.
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, có thiết kế gọn nhẹ và đơn giản, phù hợp cho các hộ gia đình kinh doanh và sản xuất hạt sen tại tỉnh Thừa Thiên Huế với năng suất đạt 50 kg mỗi mẻ Máy được chế tạo với cấu trúc tối ưu và nguyên lý làm việc hiệu quả, đáp ứng nhu cầu sấy hạt sen của người dân địa phương.
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, làm cho khí nóng đi qua calorifere, làm tăng nhiệt độ trong buồng calorifere Không khí được quạt đẩy từ bên ngoài vào buồng calorifere, hấp thụ nhiệt và nâng nhiệt độ lên trên 80 oC Sau đó, không khí nóng được đẩy vào buồng sấy qua khe hở giữa buồng sấy và buồng calorifere, thông qua tấm phân phối (khay sấy) để thực hiện quá trình sấy hiệu quả.
Ở nhiệt độ 70 độ C, tác nhân sấy giúp loại bỏ độ ẩm ra ngoài qua cửa thoát ẩm Vật liệu sấy, cụ thể là hạt sen tươi, được đặt trên khay hoặc xâu thành từng xâu 100 hạt và được treo vào các thanh gắn trong buồng sấy Máy sấy được thiết kế cơ động với hệ thống bánh xe tự lựa.
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) thông qua cảm biến nhiệt gắn trong buồng sấy, giúp điều chỉnh hoạt động của quạt thổi 1 để kiểm soát 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 bằng cách kiểm soát hoạt động của quạt lò, nhằm tối ưu hóa quá trình cháy của 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 đã 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, vào buồng sấy theo hướng từ dưới lên thông qua tấm phân phối Quá trình này dẫn đến sự không đồng đều về nhiệt độ và độ ẩm 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 hai bên trái và phải của cùng một khay, cũng như giữa các khay trong suốt quá trình sấy và khi kết thúc quá trình này.
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 thể, vật liệu và sản phẩm thông qua bay hơi Để thực hiện sấy khô một vật, 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 qua lại với nhau Để kiểm soát và điều chỉnh quá trình sấy theo hướng tối ưu cho người sử dụng, cần nghiên cứu kỹ lưỡng các quá trình này trong thiết bị sấy.
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 Từ đó, 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 chỉ liên quan đến việc bổ sung nhiệt mà còn bao gồm tổn thất nhiệt do tác nhân sấy và vật liệu sấy mang đi, cũng như tổn thất nhiệt ra môi trường qua kết cấu bao che của hệ thống sấy Đồ thị I – d mô tả rõ ràng quá trình 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, dẫn đến năng suất sấy chỉ đạt 50kg/mẻ, ảnh hưởng đến 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 nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của máy sấy.
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 thành thiết kế, gia công và lắp đặt các bộ phận của máy sấy hạt sen SHS-50, chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm sấy để đánh giá chất lượng quá trình sấy 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 oC 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 quá trình sấy Thiết bị đo nhiệt độ được sử dụng để xác định nhiệt độ khí sấy tại cửa vào 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 sau cải tiến nhằm kiểm tra tỉ lệ đồng đều độ ẩm hạt sen được thực hiện trên 03 khay sấy với 3kg hạt sen tươi mỗi lần Các thông số sấy được cố định bao gồm nhiệt độ sấy 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 tại các vị trí trái (T) và phải (P) trên mỗi khay, với tổng số 6 mẫu kiểm tra độ ẩm sau mỗi lần sấy Kết quả độ ẩm tại các vị trí trong buồng sấy được trình bày 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 đã được áp dụng để kiểm tra độ ẩm hạt sen tại các vị trí khác nhau trong buồng sấy với mức ý nghĩa α = 0,05 Kết quả phân tích 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 F < F 5;13;0,95, cho thấy độ ẩm không có sự khác biệt đáng kể giữa các vị trí trong buồng sấy với mức ý nghĩa α = 0,05 Do đó, các giá trị độ ẩm đo được ở các vị trí khác nhau đều nằm trong khoảng phương sai cho phép.
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, mang lại 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, chúng tôi tiến hành thực nghiệm tối ưu hóa các thông số làm việc của máy sấy hạt sen SHS-50, với các điều kiện cố định là thời gian sấy 6 giờ và độ ẩm ban đầu của hạt sen là 70% Trong quá trình này, một số thông số đã được thay đổi để đánh giá hiệu quả sấy.
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 tổng số 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 bảng 3.4 Độ ẩm của hạt sau mỗi lần sấy được xác định tại 6 vị trí khác nhau trong buồng sấy, và giá trị độ ẩm cuối cùng là 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 quan 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 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 trên ma trận thực nghiệm, thí nghiệm được bố trí với các thông số đầu vào và kết quả như trong bảng 3.5 Chất lượng hạt sen sau mỗi lần sấy được đánh giá qua tỉ lệ hạt sen trên 7 khay trong buồng sấy, đảm bảo tiêu chuẩn cảm quan so với mẫu chuẩn hạt sen sấy khô loại tốt hiện có 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 hạt về cảm quan.
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 Việc điều chỉnh những yếu tố này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ ẩm của hạt, từ đó tối ưu hóa quy trình 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 nghiên cứu về tối ưu hóa đa mục tiêu cho độ ẩm hạt sau khi sấy và tỷ lệ chất lượng hạt cho thấy rằng, ở nhiệt độ sấy 61°C, vận tốc khí sấy 1,6 m/s và thời gian đảo chiều khí sấy 30 phút, đạt được kết quả tối ưu với độ ẩm hạt sau khi sấy là 8,6% và tỷ lệ chất lượng hạt là 89,19%.