Báo cáo khoa học: MÔ PHỏNG, TíNH TOáN Lý THUYếT QUá TRìNH SấY Cà PHÊ pot

Báo cáo khoa học:
MÔ PHỏNG, TíNH TOáN Lý THUYếT
QUá TRìNH SấY Cà PHÊ
MÔ PHỏNG, TíNH TOáN Lý THUYếT
QUá TRìNH SấY Cà PHÊ
Modeling of the process of drying coffee beans

Hoàng Đức Liên
1
, I.S.Antonov
2
SUMMARY
A model was developed to describe the process of drying different sorts of coffee beans
which were produced in Vietnam. The method of single particle admixture was used for modeling
taking into consideration the fact that moving air media with a temperature equal to the drying
temperature for given materials.
Numerical results are given in the current work
Key words: Modeling, coffee beans, drying

1. ĐặT VấN Đề
Việt Nam là một trong những nớc sản xuất và xuất khẩu cà phê lớn trên thế giới. Theo số
liệu của Bộ Thơng mại, sản lợng cà phê xuất khẩu của Việt Nam niên vụ 2004-2005 là 900.000
tấn, song giá xuất chỉ đạt 380 USD/tấn. Vấn đề nghiên cứu qui trình công nghệ sấy, chế biến cà phê
nhằm nâng cao chất lợng, giảm thiểu chi phí năng lợng và hạ giá thành sản phẩm là hết sức cần
thiết.

Bằng phơng pháp tính toán số sử dụng phơng pháp hỗn hợp tạp chất đơn nhằm xây dựng
mô hình tính toán lý thuyết quá trình sấy cà phê có thể cho kết quả dự báo về các thông số sấy cơ
bản theo thời gian để tối u hoá và nâng cao hiệu quả của quá trình sấy cà phê cũng nh một số sản
phẩm nông nghiệp tơng tự khác.
2. PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU
Quá trình sấy các vật liệu hữu cơ cũng nh trong trờng hợp cụ thể về việc sấy một số các
sản phẩm nông nghiệp (cà phê, ca cao, lúa, đậu ) có thể đợc mô hình hoá bởi phơng pháp hạt
tạp chất đơn. Nh đã biết, nó đợc xây dựng trên cơ sở phơng pháp Lagranger.
Phơng pháp Lagranger thờng đợc sử dụng để nghiên cứu dòng chảy 2 pha thông qua
phơng pháp hạt tạp chất đơn, nghĩa là cho phép ứng dụng trong điều kiện nồng độ thể tích hay
khối lợng rất nhỏ, do đó sự tồn tại các phần tử không đa vào các thông số của môi trờng kéo
theo (pha gas). Đây là điều kiện ban đầu cần thiết để mô phỏng một cách gần đúng chuyển động
trực tiếp của các hạt tạp chất. Khi giải bài toán theo mô hình trên đợc tiến hành theo các bớc sau:
Trớc hết đợc tính toán với dòng khí sạch để xác định các thông số của nó. Sau đó xác định các
thông số các phần tử kéo theo: vận tốc và quĩ đạo của các hạt tạp chất.
Để thiết lập mô hình toán đợc xây dựng trên cơ sở phơng trình Lagranger:

2
rgR
p
P
usC5,0
dt
du
m

= (1)
2
rgRp
p

P
vsC5,0gm
dt
dv
m

= (2)
ở đây: m
p
- khối lợng hạt tạp chất;
C
R
- Hệ số cản khí động học;
s - Tiết diện trung bình của hạt;
u
r
= u
g
u
p
;, v
r
= v
g
v
p
- Vận tốc tơng đối theo trục X và r;
Chỉ sốg pha khí, p pha tạp chất.
Hệ số cản khí động học
đợc xác định theo [1]:

R
C
()
p
5,0
R
Re.013,0Re.179,01
Re
24
C ++=
(3)
ở đây:
g
rp
p
VD
Re

=
; D
p
- Đờng kính tơng đơng của hạt tạp chất;
V
r
- Vận tốc tơng đối;
2
r
2
ủr
vuV +=

;

g

- Hệ số nhớt động của pha khí.
Bài toán đợc giải với điều kiện ban đầu nh sau:
1) Vận tốc của pha khí là không đổi;
2) Nhiệt độ pha khí là bằng nhau trong quá trình sấy. Nó xác định khối lợng riêng không đổi
của pha khí.
Trong phạm vi nghiên cứu ở đây xét quá trình sấy hạt phê Robusta của Việt nam [2]. Kích
thớc của hạt phê thay đổi từ 3 ữ 9 mm; độ ẩm ban đầu: 50, 28, 20 %. Khối lợng riêng của cà phê
trong trờng hợp cao nhất là r = 800kg/m
3
.
Sự biến đổi độ ẩm trong quá trình sấy [3] đợc xác định theo biểu thức:
(
)
*
*
1
exp .
p
t
p
uu
n
K
uu

=

(4)
ở đây:
- độ ẩm thực tế;
t
u

- độ ẩm cân bằng;
*
p
u

- độ ẩm ban đầu.
1
u
(
)
y
.zexpK

= (5)
Trong đó:
()(
5,0
284

5,0
4
U.10.310.353,3.32t

5
9
U.10.453,10142,6z

+






++=
)
(6)
()
55

3
10.8,5U.10.3,2.32t
5
9
U.10.197,21245,0y

++=
(7)
*
p1
*
p
t
uu
uu
U


=
, (8)
ở đây:
- nhiệt độ trung bình trong quá trình sấy vật liệu.

t
Theo [4], độ ẩm giới hạn của cà phê là 12 % , nhng sự thay đổi khối lợng riêng của hạt
đợc xác định theo phơng trình:

(
)






+=

1
t
ppt
u
tu
1,09,0

, [kg/m
3
] (9)
Tơng tự khối lợng của hạt cà phê đợc xác định:

(
)






+=
1
t
p
3
p
pt
u
tu
1,09,0

6
D.
m


, [kg] (10)

3. KếT QUả THựC NGHIệM TíNH TOáN Số
Trên cơ sở mô hình tính toán đợc mô tả ở trên đối với quá trình sấy cà phê, đã tiến hành
tính toán số đối loại cà phê theo [2], với số liệu của Việt Nam, độ ẩm ban đầu của cà phê là 28%.
Trên hình 1 thể hiện sự biến đổi độ ẩm của cà phê [2] là hàm số của thời gian sấy. Độ ẩm
ban đầu là 50%; 30% và 20%. Khối lợng riêng của pha khí r = 0,703 kg/m
3
ở nhiệt độ sấy
t=220
0
C. Khối lợng riêng thay đổi tơng ứng với độ ẩm giảm đi (hình 2). Sự thay đổi của khối
lợng cà phê là kết quả của sự biến đổi khối lợng riêng của nó. Sự giảm khối lợng cà phê trong
quá trình sấy đợc thể hiện trên hình 3,4 đối với 3 trờng hợp đờng kính hạt cà phê khác nhau.


0

5
10
15
20
25

30

35
40
45
50
0

100

200 300 400 500

t [s]
U

t

[%]
U1=50%
U1=30%
U1=20%

Hình 1

Sự tiếp tục quá trình sấy đến độ ẩm cân bằng (u
t
=12%) là vấn đề quan tâm của công nghệ.
Sự tiếp tục của quá trình này ứng với 3 độ ẩm ban đầu khác nhau đợc chỉ ra trên hình 5.
Việc so sánh với số liệu thực nghiệm của quá trình sấy cà phê không thực hiện đợc ở trong
bài viết này bởi không có những số liệu trong những điều kiện tơng tự.

730

740
750

760

770

780
790

800

810
0 100 200 300 400 500
t [s]
p
[kg/m3]
U1=50%
U2=30%
U3=20%


Hình 2

2.70E-04
2.75E-04
2.80E-04
2.85E-04
2.90E-04
2.95E-04
3.00E-04
3.05E-04
3.10E-04
0.1

10

50

100 150 200 250 300 350 400 450 500 535

t [s]
D
p

=0,009m
m [kg]
1.30E-04

1.32E-04

1.34E-04

1.36E-04

1.38E-04

1.40E-04

1.42E-04

1.44E-04

1.46E-04

D
p

=0,007
m
m [kg]

H×nh 5

H×nh 3
H×nh 4

1.00E-05
1.02E-05
1.04E-05
1.06E-05
1.08E-05
1.10E-05
1.12E-05
1.14E-05
0.1

10

50

100 150 200 250 300 350 400 450 500 535

t [s]
D p =0,003m
m [kg]
1.30E-04

1.32E-04

1.34E-04

1.36E-04

1.38E-04

1.40E-04

1.42E-04

1.44E-04

1.46E-04

D
p
=0,007m
m [kg]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

50

100

150 200 250 300 350 400 450 500 550

600

U
t

[%]
t [s]
U1=50%
U1=30%
U1=20%

Trên hình 6,7 và 8 đã chỉ ra kết quả tính toán lý thuyết của quá trình sấy cà phê với các số
liệu đa ra của nhóm tác giả Việt Nam. Theo các số liệu tính toán này thì độ ẩm ban đầu là u
t0
=
28%. Còn sự thay đổi độ ẩm hạt cà phê trong 3 trờng hợp nhiệt độ sấy khác nhau theo thời gian
(t,s) cũng đã đợc mô tả. Vận tốc của pha khí là ug = 10 m/s.
Quá trình sấy ở độ ẩm ban đầu thấp đợc tiếp tục diễn ra trong thời gian ngắn.
Trên hình 9 mô tả sự biến đổi khối lợng hạt cà phê theo thì gian trong 3 trờng hợp kích
thớc hạt cà phê khác nhau:D
p
= 0,003; 0,007 và 0,009 m.

0
50
100
150 200 250
t[s]
Hình 6
















50 100
150

200 250 300 350
t[s]
0
Hình 7

Hình 8
0 50 100 150
200
250
300 350 400 t[s]













0.00001000
0.00010000
0.00100000
0.01000000
0.1 10 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 535
Dp=0,003m
Dp=0,007m

Dp=0,009m











Hình 9


4. KếT LUậN
Từ kết quả tính toán số trên dẫn đến kết luận là với phơng pháp tính toán số sử dụng phơng
pháp hỗn hợp tạp chất đơn đã nhận đợc số liệu tính toán lý thuyết đáng tin cậy đối với một quá
trình sấy cà phê. ứng dụng mô hình tính toán trên là cơ sở lý thuyết cần thiết trong những trờng
hợp tơng tự có thể áp dụng để phân tích, nghiên cứu quá trình sấy các sản phẩm nông nghiệp
tơng tự khác, góp phần nhằm nâng cao chất lợng, giảm thiểu chi phí năng lợng cho sản phẩm
sấy.

Tài liệu tham khảo
1. . ., . . , . . , . . , (1987).
, , .
2.

3. ., (1993). , , , .
55 58.

4.

/>m




1
Đại học Nông nghiệp I - Hà nội
2
Đại học Bách khoa Sofia - Bulgaria