Nghiên cứu một số thông số chính làm cơ sở thiết kế thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh học (biogas)

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học NÔNG NGHIệP hà nộI


*






PHạM THị MINH HUệ



NGHIấN CU MT S THễNG S CHNH LM
C S THIT K THIT B SY VI QU S
DNG NNG LNG KH SINH HC (BIOGAS)





LUN N TIN S K THUT

H NI - 2011


bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

*



PHẠM THỊ MINH HUỆ


NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH LÀM
CƠ SỞ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY VẢI QUẢ SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)



Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá
nông nghiệp và nông thôn
Mã số
:
62 52 14 01


LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:


1. PGS.TS. Trần Như Khuyên
2. GS.TS. Phạm Xuân Vượng

HÀ NỘI - 2011


Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự
hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS. Trần Như Khuyên và GS.TS. Phạm Xuân
Vượng cùng với sự đóng góp ý kiến của các thầy cô Bộ môn Thiết bị bảo
quản và chế biến nông sản - Khoa Cơ điện – Trường Đại học Nông nghiệp Hà
Nội. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được
bảo vệ ở bất kỳ học vị nào.
Các tài liệu trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Mọi sự giúp đỡ đã được cảm ơn.
Hà Nội, ngày 15 tháng 1 năm 2012
Tác giả luận án



Phạm Thị Minh Huệ

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


ii

LỜI CẢM ƠN
Với sự kính trọng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trần
Như Khuyên – Khoa Cơ điện – Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội và
GS.TS. Phạm Xuân Vượng – Hội Cơ khí Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong nhiều năm tháng học tập cũng như trong suốt
quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể bộ môn Thiết bị bảo quản và chế biến
nông sản, Ban lãnh đạo khoa Cơ điện, Viện Đào tạo Sau Đại học và Ban
Giám hiệu Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã luôn quan tâm giúp đỡ
cũng như đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, các thầy cô giáo khoa Cơ khí
và các phòng ban trong Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã quan
tâm và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành đề tài.
Xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới GS.TSKH. Phạm Văn Lang - Hội Cơ

khí Nông nghiệp Việt Nam, PGS.TS. Nông Văn Vìn và TS. Nguyễn Thanh Hải
-Khoa Cơ khí – Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, đã có các ý kiến nhận
xét chuyên môn hết sức sâu sắc để tôi hoàn thiện chương trình nghiên cứu này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Công nghiệp thực phẩm Thanh Xuân -
Hà Nội, Bộ môn kiểm nghiệm chất lượng rau quả - Viện nghiên cứu Rau quả
Hà Nội, các thầy cô Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch,
Sở Khoa học Công nghệ Hưng Yên, trang trại VACB của ông Ngô Xuân
Chiến - Phạm Ngũ Lão - Kim Động - Hưng Yên, Hiệp hội vải Thanh Hà - Hải
Dương đã giúp tôi trong việc làm thực nghiệm và đánh giá kết quả nghiên cứu
của đề tài.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp, gia
đình đã luôn quan tâm, động viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá
trình học tập và hoàn thành bản luận án này.
Hà Nội, ngày 15 tháng 1 năm 2012
Tác giả luận án


Phạm Thị Minh Huệ

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


iii

MỤC LỤC
Nội dung Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục i

Danh mục các chữ viết tắt vii
Danh mục các ký hiệu toán học viii
Danh mục hình trong luận án xiii
Danh mục bảng trong luận án xvii
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 2
3. Nhiệm vụ nghiên cứu 2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
4.1. Đối tượng nghiên cứu 3
4.2. Phạm vi nghiên cứu 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3
6. Những đóng góp mới 4
7. Cấu trúc nội dung luận án 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1. Đặc điểm cấu tạo, thành phần hoá học và công dụng của quả vải 5
1.1.1. Đặc điểm cấu tạo của quả vải 5
1.1.2. Thành phần hoá học của quả vải 6
1.1.3. Công dụng của quả vải 8
1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ vải quả 9
1.2.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ vải quả trên thế giới 9

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


iv

1.2.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ vải quả ở trong nước 11
1.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả 14
1.3.1. Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả trên thế giới 14

1.3.2.Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả ở trong nước 20
1.3.2.1. Quy trình công nghệ sấy vải quả 21
1.3.2.2. Thiết bị sấy vải quả 25
1.4. Năng lượng sử dụng trong quá trình sấy vải quả 28
1.4.1. Năng lượng hoá thạch 29
1.4.2. Năng lượng tái tạo 29
1.4.2.1. Năng lượng mặt trời 29
1.4.2.2. Năng lượng sinh khối 30
1.4.2.3. Năng lượng khí sinh học 30
1.5. Kết luận chương 1 33
CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Nguyên vật liệu nghiên cứu 35
2.2. Đối tượng nghiên cứu 35
2.3. Phương pháp nghiên cứu 37
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 37
2.3.1.1. Phương pháp giải tích 37
2.3.1.2. Phương pháp số 38
2.3.1.3. Phương pháp mô phỏng 41
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 41
2.3.2.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố 41
2.3.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố 42
2.3.2.3. Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát 47
2.3.3. Phương pháp xác định một số thông số của quá trình sấy 49

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


v

2.3.3.1. Phương pháp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy 49
2.3.3.2. Phương pháp xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của thiết bị sấy…51
2.3.4. Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu 56
Chương 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI
NHIỆT ẨM TRONG BUỒNG SẤY
3.1. Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy 57
3.1.1. Mô hình kết cấu hệ thống thiết bị sấy 57
3.1.1.1. Vùng chứa vải quả 58
3.1.1.2. Vùng biên 58
3.1.2. Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vật liệu sấy 58
3.1.2.1. Mô hình khuếch tán 59
3.1.2.2. Mô hình động học 64
3.1.3. Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy 65
3.1.3.1. Quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vùng chứa vải quả 65
3.1.3.2. Quá trình trao đổi nhiệt trong vùng biên 71
3.2. Mô phỏng quá trình nhiệt ẩm trong vùng chứa vải quả 71
3.2.1. Giai đoạn tốc độ sấy giảm 722
3.2.2. Giai đoạn tốc độ sấy không đổi 76
3.3. Khảo sát quá trình nhiệt ẩm trong buồng sấy và lựa chọn các thông số của
thiết bị sấy 78
3.3.1. Thuật giải hệ phương trình vi phân 78
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến quá trình sấy 81
3.3.3. Lựa chọn các thông số cơ bản của thiết bị và chế độ sấy 85
3.4. Kết luận chương 3 85
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Kết quả khảo sát chế độ sấy vải quả trong thực tiễn sản xuất 86
4.2. Thí nghiệm xác định độ giảm hàm lượng nước trong vải quả 87

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

vi

4.2.1. Giai đoạn tốc độ sấy không đổi 89
4.2.2. Giai đoạn tốc độ sấy giảm 90
4.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố 91
4.3.1. Ảnh hưởng nhiệt độ dòng khí sấy T
n
(
o
C ) 91
4.3.2. Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí sấy v (m/s) 92
4.3.3. Ảnh hưởng khoảng cách các thanh treo vật liệu sấy h (cm) 94
4.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố 96
4.5. Kết quả nghiên cứu tối ưu tổng quát 104
4.6. Kết quả thí nghiệm ứng với giá trị tối ưu của các yếu tố vào 106
4.7. Đề xuất và hoàn thiện quy trình công nghệ sấy vải quả 108
4.7.1. Sơ đồ quy trình công nghệ sấy vải quả 108
4.7.2. Thuyết minh quy trình 109
4.8. Ứng dụng các kết quả nghiên cứu để hoàn thiện thiết kế thiết bị sấy vải
quả SBOG-150A 112
4.8.1. Hoàn thiện thiết kế thiết bị sấy vải quả SBOG-150 A 112
4.8.2. Xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của máy sấy vải quả 113
4.8.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của thiết bị sấy SBOG - 150A 115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN 116
KIẾN NGHỊ 117
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT

Chữ viết tắt

Diễn giải Trang
1.

KSH Khí sinh học 2
2.

SBOG-150
Thiết bị sấy Biogas có năng suất 150kg 4
3.

SPK Sản phẩm khô 14
4.

HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao 19
5.

CO Cacbon ôxit 26
6.

SO
2

Lưu huỳnh điôxit 26
7.

SVQ-1 Thiết bị sấy vải quả 1 26
8.

CH
4
Mêtan 31
9.

CO
2
Cacbon đioxit 31
10.

H
2
S Khí hidro sunfua 32
11.

N
2
Nitơ 32
12.

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 54
13.

VCK Vật chất khô 78
14.

KKK Không khí khô 78
15.

TN Thí nghiệm 107
16.

SBOG-150A Thiết bị sấy Biogas có năng suất 150kg thử
nghiệm
112
17.

SVQ-3,0 Hệ thống sấy vải quả bằng than có năng su
ất 3 tấn
113
18.

KT-KT Kinh tế - kỹ thuật 114

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

TT Ký hiệu Đơn vị Giải thích Trang

1.
k h
-1
Hệ số thoát ẩm 16
2.
MR
% Tỷ số độ ẩm của vải quả 16
3.
t H Thời gian sấy
16
4. M
o
% Độ ẩm ban đầu của cùi vải
16
5. M % Độ ẩm vải quả tại thời điểm khảo sát 16
6. M
e
% Độ ẩm cân bằng tương ứng
16
7.
a,b,c,d,p -
Các hệ số thực nghiệm 16
8.
D
flesh
m

2
/
s
Độ khuếch tán ẩm của cùi vải quả 17
9. D
seed

m
2
/
s
Độ khuếch tán ẩm của hạt vải quả
17
10. D
shel

m
2
/
s
Độ khuếch tán ẩm của vỏ vải quả
17
11. T

o
C Nhiệt độ dòng khí sấy
17
12. R
2
- Hệ số tương quan

17
13. V
o

m³
Thể tích ban đầu của cùi vải
18
14. V

m³
Thể tích của cùi vải sau khi sấy khô
18
15.
∇
-
Toán tử gradient 39
16.
∇T
-
Toán tử divergence 39
17.
ρ

kg/m³
Khối lượng riêng của vải quả 39
18. C
p
J/kg.
0
K Nhiệt dung riêng của vải quả 39

19.
h cm Khoảng cách giữa các thanh treo vật 42

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


ix

TT Ký hiệu Đơn vị Giải thích Trang

liệu sấy
20.
v m/s Vận tốc dòng khí sấy 42
21.
K % Độ khô không đều của sản phẩm sấy 42
22.
Q đ Điểm tổng hợp chất lượng sản phẩm
sấy
42
23.
G
r
m
3
gas/kg
SPK
Chi phí nhiên liệu riêng 42
24.
x
i

-
Giá trị mã hoá của yếu tố thứ i
43
25.
i
ε

-
Khoảng biến thiên của yếu tố thứ i
43
26.
N
α

-
Số thí nghiệm ở mức phụ
43
27. N
0
-
Số thí nghiệm ở mức cơ sở
43
28.
σ
-
Độ lệch bình phương trung bình c
ủa
các mẫu đo
53
29.

M
c
%
Độ ẩm quy định của quả vải theo yêu
cầu công nghệ
54
30. M
i
% Độ ẩm của quả vải thứ i 54
31.
n mẫu
Số mẫu đo
54
32.
m
&

kg/h.m
2
Tốc độ dòng ẩm 59
33.
q
&

J/h.m
2
Tốc độ dòng nhiệt 59
34. D - Hệ số dịch chuyển ẩm của cả chất
lỏng và hơi
59

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


x

TT Ký hiệu Đơn vị Giải thích Trang

35. k
th
- Hệ số dịch chuyển năng lượng 59
36. m - Chỉ số liên quan đến gradient ẩm 59
37. th - Chỉ số liên quan đến gradient nhiệt 59
38. M (%)

Độ ẩm trung bình của vật liệu sấy 59
39. A m
2
Diện tích bề mặt hạt 61
40. V
l
m
3

Thể tích của phần tử vật liệu 61
41. θ
ab

o
C Nhiệt độ trung bình của quả 62

42. D m
2
/s Độ khuếch tán ẩm của quả vải 62
43. r m
Bán kính của quả vải
63
44. α -
Hệ số
63
45. β -
Hệ số co rút của cùi vải quả
64
46. V m
3

Thể tích của sản phẩm ở độ ẩm M
64
47. V
0
m
3

Thể tích của sản phẩm ở độ ẩm ban
đầu M
o

64
48. D
air
m

2
/s Độ khuếch tán của không khí 64
49. ∆x
fr
m Độ dày của cùi
64
50. ∆x
ar
m Khoảng cách không khí giữa vỏ và
cùi
64
51. W % Độ ẩm trung bình của không khí 66
52. S
rq
m
2
Diện tích bề mặt vải quả 70
53. h J/m
2
.h.
o
C

Hệ số truyền nhiệt đối lưu 70

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


xi

TT Ký hiệu Đơn vị Giải thích Trang

54. h
fg
J/kg Nhiệt hoá hơi 71
55.
θ
o
C
Nhiệt độ vải quả
70
56.
φ

%

Độ ẩm tương đối của không khí
72
57. p bar Áp suất khí trời 73
58. p
b
bar
Phân áp suất bão hòa của hơi nước
trong không khí
73
59. r
o
m Bán kính tương đương của vải quả 73
60. C
a

kJ/kg.
o
K Nhiệt dung riêng của không khí 73
61. G
a
kg/h.m
2
Khối lượng không khí chuyển động
qua tiết diện cắt ngang buồng sấy
73
62. v
a
m/h Tốc độ không khí 73
63. ρ
a
kg/m
3
Khối lượng riêng của không khí 74
64. µ
a
kg/h.m Độ nhớt của không khí 74
65. V
b
m
3

Thể tích không gian chứa vải quả
trong buồng sấy
74
66. ε m

3
Độ rỗng của khối vải quả trong vùng
sấy
74
67. G kg
Khối lượng vải quả chứa trong buồng
sấy
75
68. V
qr
m
3
Thể tích chiếm chỗ vải quả trong bu
ồng
sấy
75
69. S
xq
m
2
Diện tích xung quanh của vải quả
75

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


xii

TT Ký hiệu Đơn vị Giải thích Trang

70. V
q
m
3
Thể tích của vải quả
75
71. d
qtd
m Đường kính tương đương của vải quả

75
72. Y
j
-

Hàm thành phần 98
73. x
i
- Các yếu tố ảnh hưởng 98
74. F
b
- Tiêu chuẩn Fisher 97
75. d
j
- Hàm “mong muốn” thành phần 104
76. D - Hàm tối ưu tổng quát 105

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


xiii

DANH MỤC HÌNH TRONG LUẬN ÁN
Hình Nội dung Trang
Hình 1.1 Cấu tạo quả vải 5
Hình 1.2 Vải sấy khô của Trung Quốc và Thái Lan 11
Hình 1.3 Vải thiều Việt Nam 12
Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn đặc tính giảm ẩm của vải quả bóc vỏ khi
sấy 50
o
C 60
o
C và 70
o
C và độ ẩm tương đối của không
khí là 10%, 20% và 25%.
15
Hình 1.5 Đồ thị biểu diễn sự co rút (V/V
0
) của vải quả theo lượng
ẩm mất đi
18
Hình 1.6 Sơ đồ quy trình công nghệ sấy vải bệt 21
Hình 1.7 Quy trình công nghệ sấy vải quả treo 23

Hình 1.8 Mô hình lò sấy vải thủ công 25
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống sấy vải quả SVQ-1 26
Hình 1.10

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo thiết bị sấy tĩnh vỉ ngang 27
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo thiết bị sấy vải quả SBOG - 150

35
Hình 2.2 Hệ thống lưới chia hai chiều 39
Hình 2.3 Các yếu tố đầu vào và ra của thiết bị 42
Hình 2.4 Đồ thị hàm mong muốn thành phần d
j
khi Y
j
bị chặn một
phía
48
Hình 2.5 Thiết bị đo tốc độ gió (SMART SENSOR) 49
Hình 2.6 Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm dòng khí sấy (FOX 301A ) 49
Hình 2.7 Thiết bị đo nhiệt độ đầu đốt gas (SGK – MF. 904) 50

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


xiv

Hình Nội dung Trang
Hình 2.8 Thiết bị đo lưu lượng và áp suất khí Biogas 50
Hình 2.9 Sơ đồ lấy mẫu vải quả trong buồng sấy 51
Hình 2.10

Sơ đồ vị trí lấy mẫu vải quả theo mặt cắt ngang buồng
sấy
52
Hình 2.11

Thiết bị đo độ ẩm sản phẩm (DATA HOEP) 53
Hình 2.12

Máy đo sắc ký lỏng RID – 10A ( Nhật Bản) 56
Hình 2.13

Máy đo sắc ký lỏng SPD – H10AVP ( Nhật Bản) 56
Hình 3.1 Mô hình kết cấu hệ thống thiết bị sấy 57
Hình 3.2 Cấu tạo của quả vải 63
Hình 3.3 Mô hình cân bằng năng lượng và khối lượng dòng khí sấy

của quả vải
67
Hình 3.4 Quy luật thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của vải quả theo thời
gian
79
Hình 3.5 Quy luật thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của không khí s
ấy
theo thời gian
81
Hình 3.6 Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí đến nhiệt độ không khí
trong buồng sấy theo thời gian.
82
Hình 3.7 Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí sấy đến đặc tính giảm

ẩm của vải quả trong buồng sấy theo thời gian
84
Hình 4.1 Hình ảnh vải quả khô sau khi sấy bị cháy đen và bị vỡ 87
Hình 4.2 Đo độ giảm ẩm của quả vải trên tủ sấy Binder 88
Hình 4.3 Đồ thị đặc tính sấy vải quả 89

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


xv

Hình Nội dung Trang
Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ dòng khí sấy
đến các hàm Y
1
, Y
2
, Y
3
và Y
4
.
92
Hình 4.5
Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc dòng khí sấy đến các hàm
Y
1
, Y
2
, Y

3
và Y
4
.
93
Hình 4.6
Đồ thị ảnh hưởng của khoảng cách thanh treo vật liệu
sấy đến các hàm Y
1
, Y
2
, Y
3
và Y
4

95
Hình 4.7
Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dòng khí sấy và vận
tốc dòng khí sấy
100
Hình 4.8 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dòng khí sấy và
khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
100
Hình 4.9
Ảnh hưởng của cặp yếu tố vận tốc dòng khí sấy và
khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
100
Hình 4.10

Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dòng khí sấy và vận
tốc dòng khí sấy
101
Hình 4.11

Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dòng khí sấy và
khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
101
Hình 4.12

Ảnh hưởng của cặp yếu tố vận tốc dòng khí sấy và
khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
102
Hình 4.13

Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dòng khí sấy và vận
tốc dòng khí sấy
102
Hình 4.14

Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dòng khí sấy và
khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
103
Hình 4.15

Ảnh hưởng của cặp yếu tố vận tốc dòng khí sấy và
khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
103
Hình 4.16

Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dòng khí sấy và vận
103

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


xvi

Hình Nội dung Trang
tốc dòng khí sấy
Hình 4.17

Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dòng khí sấy và
khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
104
Hình 4.18

Ảnh hưởng của cặp yếu tố vận tốc dòng khí sấy và
khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
104
Hình 4.19

Quy trình công nghệ sấy vải quả trên hệ thống sấy
SBOG – 150
109
Hình 4.20

Vải quả sấy khô
113

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….


xvii

DANH MỤC BẢNG TRONG LUẬN ÁN

Bảng Nội dung Trang

Bảng 1.1
Thành phần hoá học của phần thịt quả vải 7
Bảng 1.2
Diện tích và sản lượng các vùng trồng vải chính ở Việt
Nam năm 2007
12
Bảng 1.3
Giá vải khô ở một số thị trường nội tiêu năm 2011 13
Bảng 1.4
Mô hình biểu diễn đặc tính giảm ẩm của vải quả bóc vỏ
khi sấy
16
Bảng 1.5
Kết quả đánh giá chất lượng cảm quan cho vải sấy khô 19
Bảng 1.6
Kết quả phân tích thành phần hoá học, dinh dưỡng của vải
tươi và vải khô của Thái Lan
20

Bảng 1.7
Đặc tính và sản lượng KSH của một số chất thải thường
gặp
30
Bảng 1.8
Số lượng công trình khí sinh học đã xây dựng 31
Bảng 2.1
Quy định chất lượng vải quả theo điểm cảm quan 54
Bảng 3.1 Thông số vào của chế độ tính toán mô phỏng
78
Bảng 3.2 Quan hệ giữa vận tốc và thời gian dòng khí qua bu
ồng sấy
với độ chênh nhiệt độ dòng khí và chiều cao buồng sấy
83
Bảng 3.3
Mối quan hệ giữa thời gian sấy ứng với chế độ vận tốc
khác nhau
84
Bảng 4.1
Kết quả phân tích hóa học và cảm quan mẫu sản phẩm sấy

86
Bảng 4.2
Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ dòng
khí sấy
91

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

xviii

Bảng Nội dung Trang

Bảng 4.3
Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của v
ận tốc dòng khí
sấy
93
Bảng 4.4
Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của khoảng cách
thanh treo vật liệu sấy
94
Bảng 4.5
Mức biến thiên và giá trị mã hoá của các yếu tố x
i
96
Bảng 4.6
Các hệ số hồi qui có nghĩa của các hàm Y
j

97
Bảng 4.7
Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán
98
Bảng 4.8
Giá trị tối ưu của các yếu tố vào x
i
và các hàm thành phần
Y

j

98
Bảng 4.9
Các hệ số hồi qui dạng thực
99
Bảng 4.10
Kết quả thí nghiệm sấy tại các thông số tối ưu
106
Bảng 4.11

Kết quả xác đ
ịnh một số chỉ tiêu hóa học vải quả sấy khô
ứng với giá trị tối ưu của các yếu tố vào
107
Bảng 4.12

Đặc tính kỹ thuật của hệ thống sấy vải quả SBOG – 150A
112
Bảng 4.13

Một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của các thiết bị s
ấy vải
quả
114

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Vải thiều là loại cây ăn quả quý có giá trị kinh tế và dinh dưỡng cao,
được coi là vua trái cây ở các nước nhiệt đới. Ở nước ta cây vải được coi là
cây chủ lực trong vườn và vải quả được xếp vào danh mục đặc sản thiên
nhiên nổi tiếng của Việt Nam [103]. Diện tích trồng vải ở nước ta không
ngừng tăng lên, năm 1999 diện tích trồng vải là 35.000 ha với sản lượng là
50.000 tấn [30]. Năm 2007 diện tích trồng vải của cả nước là 88.900 ha với
sản lượng 428.900 tấn

[7], [43]. Sản phẩm vải quả của nước ta được tiêu thụ
dưới dạng quả tươi và các sản phẩm chế biến từ vải như: vải quả sấy khô, vải
đông lạnh, nước ép vải, rượu vải,…), trong đó vải quả được tiêu thụ dưới
dạng quả tươi và sấy khô là chủ yếu.
Đặc điểm của vải thiều là thời gian thu hoạch rất ngắn (35 ÷ 40 ngày),
sản phẩm rất dễ hư hỏng bởi thời tiết nắng nóng, mưa nhiều trong vụ thu
hoạch, chi phí vận chuyển và bảo quản từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ lớn.
Đặc biệt vào giữa vụ thu hoạch, khối lượng sản phẩm lớn, hiện tượng “ùn
tắc”, giá bán rất thấp đã gây thiệt hại nhiều cho nông dân. Một số vùng trồng
vải như Bắc Giang, Lạng Sơn, xuất hiện tình trạng vải quả không tiêu thụ
được, để rụng thối quanh gốc cây, gây lãng phí rất lớn. Để giảm tổn thất vải
quả sau thu hoạch, một trong những biện pháp có hiệu quả mà các hộ nông
dân vùng trồng vải đã và đang thực hiện là sấy khô để kéo dài thời hạn bảo
quản, sau đó lựa chọn thời điểm và thị trường thích hợp để tiêu thụ. Hơn nữa,
vải quả khô đang được sử dụng phổ biến như là một sản phẩm thay thế cho vải
tươi khi trái vụ do có hương vị thơm ngon đặc trưng, vì vậy nhu cầu tiêu thụ
loại vải quả khô liên tục tăng trên thị trường trong và ngoài nước. Để nâng cao
chất lượng vải quả khô xuất khẩu, một số cơ sở sản xuất, các Viện, trường Đại
học đã nghiên cứu cải tiến các thiết bị sấy vải quả và đã góp phần nâng cao

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

2

chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên do chi phí năng lượng, chi phí đầu tư mua
sắm thiết bị, bảo trì và sửa chữa lớn nên các cơ sở sản xuất khó chấp nhận.
Thực tế hiện nay, phần lớn vải quả vẫn được làm khô trong hàng ngàn lò sấy
thủ công dùng trực tiếp khói lò làm dòng khí sấy nên nhiều mẻ sấy có chất
lượng rất kém không tiêu thụ được và nhiều lô hàng xuất khẩu do không đạt
tiêu chuẩn chất lượng phải trả về hoặc chịu chấp nhận giá bán thấp gây thiệt
hại rất lớn cho người sản xuất.
Mặt khác, để sấy vải quả ở nước ta hiện nay nguồn năng lượng được sử
dụng chủ yếu là năng lượng hóa thạch như than đá, dầu, Đây là nguồn năng
lượng tương đối đắt tiền và không thân thiện với môi trường. Trong khi đó
nguồn năng lượng khí sinh học được sản sinh từ các công trình xử lý chất thải
chăn nuôi có ở hầu hết ở các địa phương trong cả nước sử dụng không hết hoặc
không sử dụng đến. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng khí sinh
học nhằm giảm chi phí cho quá trình sấy, góp phần tiết kiệm năng lượng hoá
thạch và giảm ô nhiễm môi trường là vấn đề cấp thiết.
Xuất phát từ tình hình thực tiễn trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu
một số thông số chính làm cơ sở thiết kế thiết bị sấy vải quả sử dụng năng
lượng khí sinh học (biogas)”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu chung: Tạo ra thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh
học (KSH) nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng
lượng hoá thạch, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
- Mục tiêu cụ thể: Xác định một số thông số tối ưu làm cơ sở để hoàn
thiện quy trình công nghệ và thiết kế chế tạo thiết bị sấy.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Xác định một số tính chất cơ lý hóa của quả vải liên quan đến quá trình

sấy.

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

3

- Xây dựng mô hình quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy và
dòng khí sấy nhằm định hướng cho việc thiết kế thiết bị sấy.
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định một số thông số tối ưu làm cơ sở cho
việc hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết kế, cải tiến thiết bị sấy.
- Nghiên cứu ứng dụng thiết bị sấy trong thực tiễn sản xuất nhằm xác
định hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của thiết bị sấy để có thể triển khai áp dụng
rộng rãi trong thực tiễn sản xuất.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thông số công nghệ của thiết bị
sấy vải quả: nhiệt độ sấy, vận tốc dòng khí sấy, khoảng cách giữa các thanh
treo vật liệu sấy,
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu mô hình thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh
học thí nghiệm năng suất 150kg tươi/mẻ.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Đã ứng dụng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng để xác định các
thông số cơ bản về cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị sấy nhằm định
hướng cho việc thiết kế, chế tạo máy. Kết quả nghiên cứu trên là tài liệu tham
khảo cần thiết khi thiết kế các thiết bị sấy có năng suất khác nhau với các loại
vật liệu sấy khác nhau.
- Đã thiết kế chế tạo thành công thiết bị sấy vải quả sử dụng nguồn năng
lượng khí sinh học để làm khô vải quả nói riêng và các loại nông sản thực
phẩm nói chung. Đây là thiết bị sấy sử dụng không khí đốt nóng gián tiếp qua

thiết bị trao đổi nhiệt nên tạo ra sản phẩm sấy có chất lượng cao, sản phẩm
được treo trong buồng sấy có cấu tạo đơn giản, hoàn toàn có thể chế tạo được
ở trong nước thay cho thiết bị sấy nhập ngoại đắt tiền, nhờ đó có thể triển

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

4

khai, áp dụng rộng rãi cho các cơ sở sản xuất.
6. Những đóng góp mới
- Đã thiết kế chế tạo thiết bị sấy SBOG –150, có bộ phận chuyển đổi năng
lượng khí sinh học thành năng lượng nhiệt thông qua thiết bị trao đổi nhiệt nên
đã tạo ra sản phẩm sấy có chất lượng cao, tận dụng được nguồn năng lượng khí
sinh học góp phần tiết kiệm năng lượng hoá thạch và giảm ô nhiễm môi trường.
- Bằng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng đã xây dựng được mô
hình toán biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ ẩm dòng khí sấy, nhiệt
độ và độ ẩm của vải quả theo không gian và thời gian, làm cơ sở khoa học
cho việc xác định các thông số hình học và chế độ làm việc của thiết bị sấy.
- Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn và đa yếu tố đã xác
định được giá trị tối ưu của các yếu tố vào như nhiệt độ dòng khí sấy, vận tốc
dòng khí sấy, khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy đến giá trị tối ưu
của các thông số ra như: độ khô không đều của sản phẩm sấy, điểm tổng hợp
chất lượng sản phẩm sấy, thời gian sấy, chi phí nhiên liệu riêng. Đây là cơ sở
quan trọng để hoàn thiện thiết kế và chế tạo các cỡ thiết bị sấy vải quả có năng
suất khác nhau phù hợp với quy mô của các cơ sở sản xuất.
7. Cấu trúc nội dung luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, các phụ lục, luận án gồm 4
chương:
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu.
Chương 2: Nguyên vật liệu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu.

Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong
buồng sấy.
Chương 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm.

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU


1.1. Đặc điểm cấu tạo, thành phần hoá học và công dụng của quả vải
1.1.1. Đặc điểm cấu tạo của quả vải
Cây vải, còn gọi là Lệ chi (danh pháp khoa học: Litchi chinensis Sonn)
thuộc chi litchi họ bồ hòn (Sapindaceae), bộ bồ hòn (Sapindales), ngành ngọc
lan (Magnoliophyta) [41], [60]. Vải là loại cây thân gỗ, cao trung bình
15 ÷ 20 m, các lá có hình lông chim mọc so le dài 15 ÷ 25 cm, với 2 ÷ 8 lá
chét ở bên dài 5 ÷10 cm và không có lá chét ở đỉnh. Các lá non mới mọc có
màu đỏ đồng sáng, sau đó chuyển dần thành màu xanh lục. Hoa nhỏ màu
trắng, xanh lục, mọc thành các chùy hoa dài tới 30 cm [60], [65].
Quả vải là loại trái cây hấp dẫn có dạng hơi tròn, hình ô van hoặc hình
tim, chiều cao 3 ÷ 5cm và đường kính 2 ÷ 4cm. Lớp vỏ ngoài mỏng, màu đỏ
hồng, đỏ tươi sáng có thể mịn hoặc thô, cấu trúc sần sùi không ăn được nhưng
dễ dàng bóc được. Bên trong là lớp cùi thịt màu trắng mờ, thơm, ngọt và giàu
vitamin C. Tại trung tâm là một hạt màu nâu, dài 0,6 ÷ 1,2cm và đường kính
cỡ 1 ÷ 1,5cm [7], [21], [60]. Hạt có độc tính nhẹ và không nên ăn. Quả chín
vào tháng 5 ÷ 6 hàng năm và cho thu hoạch sau 100 ngày từ khi ra hoa.
Cấu trúc quả vải gồm các phần chủ yếu là cuống quả, vỏ quả, thịt quả và
hạt như trên hình 1.1:

Hình 1.1. Cấu tạo quả vải