Thiết kế máy rang cà phê năng suất 25 kgmẻ

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Cà phê là một trong những thức uống từ lâu đời có giá trị dinh dưỡng cao. Việt
nam là một trong những nước xuất khẩu cà phê khá lớn trên thế giới. Tuy nhiên giá trị
cà phê của nước ta không cao vì xuất khẩu thô và chất lượng chế biến kém so với thế
giới.
Do đó muốn nâng chất lượng phải đầu tư nâng cao thiết bị chế biến. Nhưng giá
cả trang thiết bị của nước ngoại lại quá đắt. Vì thế với mục tiêu nâng cao chất lượng
sản phẩm, hạ giá thành, em đã cố gắng tìm tòi, học hỏi để thiết kế ra chiếc máy rang cà
phê đáp ứng nhu cầu của thị trường.
Luận văn được sắp xếp theo 7 chương như sau:
Chương 1 -Tổng quan: Giới thiệu sơ lược về cà phê và quy trình chế biến
Chương 2 -Thiết kế nguyên lý máy: Lựa chọn phương án rang cà phê và giới
thiệu một số máy rang cà phê có sẵn trên thị trường.
Chương 3 -Tính toán kết cấu máy: Tính toán và lựa chọn các bộ phận trong
máy rang cà phê
Chương 4 -Tính toán nhiệt: Tính toán nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình
rang và chọn điện trở gia nhiệt.
Chương 5 -Thiết kế mạch điện: Thiết kế và lựa chọn các thiết bị điện cho máy
rang cà phê.
Chương 6 -Bảo trì bảo dưỡng : Trình bày các biện pháp bảo trì, bảo dưỡng máy
rang.
Chương 7 -Kết luận : Đánh giá, nhận xét và nêu lên các điểm cần khắc phục của
máy rang cà phê

ii


MỤC LỤC
Đề mục

Trang

Nhiệm vụ luận văn
Lời cảm ơn ........................................................................................................................ i
Tóm tắt luận văn ..............................................................................................................ii
Mục lục .......................................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ........................................................................................................... vi
Danh sách bảng biểu .................................................................................................... viii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
1.1 Giới thiệu về cà phê ................................................................................................... 1
1.2 Quy trình công nghệ .................................................................................................. 2
1.3 Khái niệm rang cà phê ............................................................................................... 4
1.4 Giới thiệu đề tài ....................................................................................................... 10
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY ........................................................ 13
2.1 Các nguyên lý khi rang ............................................................................................ 13
2.2 Các phương án thiết kế ........................................................................................... 13
2.2.1 Gia nhiệt với chảo rang thường ................................................................... 13
2.2.2 Gia nhiệt với thiết bị lồng cầu ..................................................................... 15
2.2.3 Gia nhiệt theo nguyên lý tầng sôi ................................................................ 16
2.2.4 Gia nhiệt kiểu thùng quay ............................................................................ 17
2.3 Lựa chọn phương án ............................................................................................... 18
2.4 Sơ đồ nguyên lý ...................................................................................................... 18
2.5 Sơ đồ động .............................................................................................................. 20
2.6 Một số loại máy rang cà phê trên thị trường .......................................................... 21
2.6.1 Máy rang sử dụng nhiên liệu là gas ............................................................ 21
2.6.2 Máy rang sử dụng điện ............................................................................... 22
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY .......................................................... 24
3.1 Tính toán kích thước và thiết kế các bộ phận .......................................................... 24
iii

3.1.1 Tính toán kích thước thùng rang.................................................................. 24
3.1.2 Thiết kế thùng rang ...................................................................................... 26
3.1.3 Tính toán kích thước khay làm nguội .......................................................... 27
3.1.4 Thiết kế khay làm nguội .............................................................................. 28
3.2 Tính toán chọn động cơ ........................................................................................... 29
3.2.1 Xác định công suất động cơ thùng rang ...................................................... 29
3.2.2 Xác định công suất động cơ cho khay làm nguội ........................................ 36
3.3 Tính toán bộ truyền xích.......................................................................................... 39
3.4 Tính toán trục .......................................................................................................... 41
3.4.1 Tính toán trục thùng rang ............................................................................ 41
3.4.2 Tính toán trục khay làm nguội .................................................................... 47
3.5 Tính toán ổ lăn và nối trục đàn hồi .......................................................................... 52
3.5.1 Ổ lăn trục thùng rang ................................................................................... 52
3.5.2 Ổ lăn trục khay nguội .................................................................................. 53
3.5.3 Nối trục đàn hồi ........................................................................................... 56
3.6 Tính toán chọn then ................................................................................................. 56
3.6.1 Then trục thùng rang .................................................................................... 56
3.6.2 Then trục khay làm nguội ............................................................................ 58
3.7 Tính toán quạt hút ................................................................................................... 59
3.8 Tính toán silo lọc bụi ............................................................................................... 62
3.8.1 Nguyên lý silo lọc bụi .................................................................................. 62
3.8.2 Lựa chọn silo lọc bụi ................................................................................... 62
CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN NHIỆT .......................................................................... 65
4.1 Thông số vật liệu rang ............................................................................................. 65
4.2 Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt hạt cà phê .......................................................... 65
4.3 Nhiệt lượng cần để đốt nóng thùng rang ................................................................. 65
4.4 Nhiệt lượng cần cung cấp trong quá trình rang cà phê tới lúc chín ........................ 66
4.5 Nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanh ............................................................. 66
4.6 Nhiệt tổn thất của toàn quá trình ............................................................................. 67
4.7 Chọn điện trở gia nhiệt ............................................................................................ 67

iv


CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ................................................................... 68
5.1 Tổng quan về mạch điện.......................................................................................... 68
5.2 Lưu đồ giải thuật...................................................................................................... 68
5.3 Chọn lựa các thiết bị ................................................................................................ 70
5.3.1 Chọn MCP .................................................................................................. 70
5.3.2 Chọn rơ le nhiệt (OVERLOAD RELAY) ...................................................... 71
5.3.3 Chọn rơ le thời gian(Digital Timer)............................................................. 73
5.3.4 Chọn bộ điều khiển nhiệt độ(Temperature Controller) ............................... 76
5.3.5 Chọn cảm biến nhiệt độ ............................................................................... 79
5.3.6 Chọn SSR(Solid State Relay) ...................................................................... 80
5.4 Thiết kế mạch điện .................................................................................................. 84
5.4.1 Mạch động lực ............................................................................................. 84
5.4.2 Mạch điều khiển........................................................................................... 85
5.4.3 Nguyên tắc hoạt động của mạch .................................................................. 86
CHƯƠNG 6 BẢO TRÌ, BẢO DƯỠNG ................................................................... 87
6.1 Chế độ bôi trơn ổ bi ................................................................................................. 87
6.2 Làm sạch thùng rang và thùng nguội định kì .......................................................... 87
6.3 Vệ sinh si lô lọc bụi ................................................................................................. 87
6.4 Kiểm tra, thay thế thanh điện trở nhiệt .................................................................... 87
CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN .......................................................................................... 88
7.1 Đánh giá và nhận xét ............................................................................................... 88
7.2 Một số điểm cần khắc phục ..................................................................................... 88
7.3 Kết luận.................................................................................................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO

v

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về cà phê
Từ "cà phê" trong tiếng Việt có gốc từ chữ café của tiếng Pháp. Cà phê là một
loại thức uống màu đen có chứa chất caffein và được sử dụng rộng rãi, được sản xuất
từ những hạt cà phê được rang lên, từ cây cà phê. Cà phê được sử dụng lần đầu tiên
vào thế kỉ thứ 9, khi nó được khám phá ra từ vùng cao nguyên Ethiopia. Từ đó, nó lan
ra Ai Cập và Yemen, và tới thế kỉ thứ 15 thì đến Armenia, Persia, Thổ Nhĩ Kỳ và phía
bắc Châu Phi. Từ thế giới Hồi giáo, cà phê đến Ý, sau đó là phần còn lại của Châu Âu,
Indonesia và Mĩ. Ngày nay, cà phê là một trong những thức uống thông dụng toàn cầu.
Hiện nay, cây cà phê được trồng tại hơn 50 quốc gia trên thế giới, trong đó có
một số nước xuất khẩu cà phê. Hạt cà phê được lấy từ hạt của các loài cây thuộc họ cà
phê (Rubiaceae). Ba dòng cây cà phê chính là
Coffea arabica (Cà phê Arabica) - cà phê chè, cà phê Blue Mountain
Coffea canephora (Cà phê Robusta) - cà phê vối
Coffea excelsa (Cà phê Liberia) - cà phê mít
với nhiều loại khác nhau. Chất lượng hay đẳng cấp của cà phê khác nhau tùy theo từng
loại cây, từng loại hạt và nơi trồng khác nhau. Cà phê Robusta được đánh giá thấp hơn
so với cà phê Arabica do có chất lượng thấp hơn và giá cả theo đó cũng rẻ hơn. So với
Robusta, Arabica đòi hỏi được gieo trồng ở những vùng đất cao hơn, có khí hậu mát
mẻ hơn (khoảng 3,000 - 6,000 feet so với mực nước biển). Cà phê Arabica cho mùi vị
ngon hơn nhưng cũng là loại "khó tính" hơn Robusta. Thời gian để quả cà phê Arabica
chín lâu hơn, sản lượng cũng thấp hơn, tuy nhiên Arabica lại cho những hạt cà phê có
mùi vị thơm ngon hơn, chính vì thế giá thành của nó cũng cao gấp đôi so với Robusta.
Trong khi đó, Robusta dường như "dễ chịu" hơn, loại cà phê này lại ưa thích điều kiện
khí hậu ấm và khô hơn, độ cao lý tưởng khoảng 2,000 feet so với mực nước biển. Như
chính tên gọi của mình, Robusta có sức phát triển mạnh mẽ và khả năng chịu đựng
cũng thật đáng nể trong những điều kiện bất lợi mà Arabica sẽ tàn lụi. Sự phối trộn

giữa Arabica và Robusta được tiến hành nhằm tạo nên sự cân bằng và phong phú cho
tách cà phê. Tính chua thanh của Arabica khi kết hợp với thể chất đậm đà của Robusta
sẽ tạo nên một loại cà phê hoàn hảo.

1


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.2 Quy trình công nghệ
Thu hoạch: Việc hái cà phê được thực hiện có thể bằng tay hoặc bằng máy. Máy
được sử dụng trên những nông trại cà phê lớn, hay vùng đất phẳng– đa số ở Brazil.
Công việc hái bằng tay được áp dụng ở những nông trại nhỏ với phí lao động thấp.
Chế biến: Có 2 phương pháp chế biến chủ yếu. Phương pháp chế biến Khô
thường được áp dụng rộng rãi tại Châu Á, Braxin và châu Phi. Phương pháp chế biến
Ướt thì tập trung ở khu vực Trung và Nam Mỹ.
Phương pháp chế biến Khô: trái cà phê được phơi khô dưới nắng trời trên nền sân
xi măng hoặc gạch của các nông trại, và sẽ được đảo trộn liên tục cho khô đều. Sau
khoảng 4 tuần cà phê sẽ đạt độ khô mong muốn. Khi đó máy bóc vỏ sẽ được sử dụng
nhằm loại bỏ lớp vỏ quả.
Phương pháp chế biến Ướt: Trong khi Phương pháp chế biến Khô tách bỏ lớp vỏ
thịt sau khi trái cà phê được phơi khô thì Phương pháp chế biến Ướt lớp vỏ thịt sẽ
được làm sạch và làm mềm và tách ra bằng máy xát vỏ. Trái cà phê sau khi loại bỏ lớp
vỏ thịt sẽ được ủ lên men trong 24 - 36 giờ, công đoạn này sẽ làm mất đi lớp chất nhầy.
Tiếp đến, hạt cà phê được phơi trên nền sân xi măng hoặc được sấy khô bằng máy. Sau
đó, máy bóc vỏ sẽ giúp bóc đi lớp vỏ thóc.
Phương pháp chế biến Khô tuy đơn giản, ít tốn năng lượng nhân công nhưng
phương pháp này có nhiều hạn chế là phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Nó chỉ phù hợp
với nơi có điều kiện mưa ít nắng nhiều, không đáp ứng được những yêu cầu về mặt
chất lượng.
Phương pháp chế biến ướt phức tạp hơn tốn nhiều thiết bị và năng lượng hơn

đồng thời đòi hỏi dây chuyền công nghệ cũng như thao tác kĩ thuật cao hơn. Nhưng
phương pháp này thích hợp với mọi hoàn cảnh, mọi khí hậu thời tiết. Đồng thời rút
ngắn được thời gian sản xuất, tăng năng suất của nhà máy và nâng cao chất lượng sản
phẩm của cà phê nhân.
Hiện nay ở nước ta các xí nghiệp sản xuất cà phê nhân chủ yếu sử dụng phương
pháp Khô (phương pháp cổ điển).

2


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Quả cà phê

Hái và bảo
quản

Làm ráo

Rửa

Xát tươi

Xát khô

Cà phê
nhân

Sấy

Xay ,
nghiền

RANG

Trích ly

Lọc bã

Sấy khô và
đóng gói

Cô đặc

Cà phê
bột

Cà phê
hòa tan

Hình 1.1: Quy trình chế biến cà phê

3

Phân loại
làm sạch


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3 Khái niệm rang cà phê

Rang cà phê là một quá trình mà trong đó những hợp chất chứa mùi vị của cà phê
được giải phóng nhờ một loạt các phản ứng hoá học. Hương vị, độ chua, độ đậm nhạt
và dư vị của cà phê phụ thuộc rất nhiều vào quá trình này. Quá trình rang cà phê trải
qua các giai đoạn sau:
1.3.1 Hạt cà phê
Hạt cà phê lúc chưa rang thường
có màu xanh ngọc rất đẹp. Nhiệt độ
bình thường, khoảng 22-25 độ C. Lúc
còn sống, gọi là cà phê nhân, bản thân
hạt cà phê đã có một mùi thơm đặc
trưng dễ chịu tương tự như mùi thảo
dược, mùi của thuốc nam, mùi của
hoa cỏ khô …
Hình 1.2: Hạt cà phê lúc chưa rang
1.3.2 Bắt đầu rang đến nhiệt độ trên 100o C
Khoảng thời gian đầu của quá
trình rang là để truyền nhiệt cho hạt cà
phê. Hạt cà phê từ từ nóng lên dần và
bắt đầu bốc hơi nước chứa bên trong,
hạt cà phê hơi teo lại và hầu như có rất
ít sự thay đổi. Trong giai đoạn này, bí
quyết rang cà phê ngon là tránh cho hạt
cà phê chai cứng bằng cách rang thế nào
để tạo ra dòng không khí nóng đối lưu
tối đa trong trống rang và việc chuyển

Hình 1.3: Hạt cà phê bắt đầu rang đến

giao nhiệt diễn ra hiệu quả nhất và lan

nhiệt độ trên 100o C

nhiệt đồng đều đến mỗi hạt cà phê …

4


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3.3 Giai đoạn hạt cà phê chuyển sang ngã màu vàng nhạt - nhiệt độ trên 150o C
Lúc này, hạt cà phê vẫn tiếp
tục hấp thu nhiệt, bốc hơi nước và
bắt đầu có sự thay đổi chút ít về thể
tích. Trong giai đoạn này từ lò rang
lan tỏa ra một mùi thơm nồng của
cỏ tươi và rơm khô hòa quyện rất
đặc trưng. Từ hạt cà phê nóng tỏa
ra mùi hương của cây cỏ, của cánh
đồng, vườn cây râm mát, làm ta
Hình 1.4: Hạt cà phê chuyển sang ngã màu

nhớ đến quê nhà xa xôi, và thanh

vàng nhạt

tịnh. Hạt cà phê đang trong giai
đoạn thu nhiệt rất nhanh và thay đổi

kích thước để chuẩn bị cho giai đoạn nổ đầu tiên.
1.3.4 Giai đoạn vàng đậm - nhiệt độ khoảng 180o C
Hạt cà phê ngã sang màu vàng đậm,

hình dáng bắt đầu thay đổi, thể tích gia
tăng từ 20-30%, bề mặt hạt bắt đầu có các
gân nổi lên. Lúc này mùi hương tỏa ra
giống như là mùi của bánh mì cháy, mùi gỗ
cháy, mùi của đất mới sau cơn mưa đầu
mùa, có cả mùi của củ khoai lang nướng
từng làm ta hồi bé có lần thèm thuồng …
Hình 1.5: Hạt cà phê chuyển sang màu
vàng đậm
1.3.5 Giai đoạn chuyển sang màu nâu nhạt - nhiệt độ khoảng 200o C
Chuẩn bị cho giai đoạn phát tiếng nổ đầu tiên của hạt cà phê . Hạt cà phê càng nở
lớn nhanh chóng, mùi thơm đã chuyển qua mùi ngọt ngào giống như mùi quả chín,
như mùi của mật ong, lại thoang thoảng mùi của mạch nha. Tuy nhiên, lúc này các
phản ứng hóa học vẫn chưa xảy ra hoàn tất, các phân tử hương vẫn chưa được giải
5


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
phóng và cấu trúc sợi của hạt cà phê vẫn rất
bền chặt. Nếu lúc này lấy hạt ra xay bột và pha
uống thì vị của cà phê lúc này khá là chua và
mùi cà phê vẫn chưa tinh tế, và có mùi còn ngai
ngái, nồng nồng.
Hình 1.6: Hạt cà phê chuyển sang màu
nâu nhạt

1.3.6 Giai đoạn chuyển sang màu nâu - nhiệt độ trên 200o C
Các tiếng nổ bắt đầu vang lên trong
thùng quay của lò rang. Các phản ứng hóa
học qua tác dụng nhiệt xảy ra bắt đầu đốt

cháy các tinh thể đường trong hạt cà phê
tạo ra màu nâu caramen, mùi của đường
mạch nha càng lúc càng rõ, việc này xảy
ra là do một phản ứng hóa nâu thực phẩm
dưới tác dụng nhiệt được gọi là phản ứng
Maillard. Qua phản ứng Maillard này thực

Hình 1.7: Hạt cà phê chuyển sang màu

phẩm trở nên thơm ngon hơn và bắt đầu

nâu

biến đổi màu sắc sậm hơn.
1.3.7 Giai đoạn nổ lần thứ nhất – nhiệt độ khoảng 210o C
Tại thời điểm này, các tiếng nổ rộn
rã của hạt cả phê đã vang lên nghe rất vui
tai trong thùng quay. Người rang cà phê,
với sự nhạy cảm, luôn mong chờ nghe
tiếng nổ thân thương này. Nhiệt độ tăng
lên nhanh. Hạt cà phê có nhiều biến đổi
về hình thức, phẩm chất lẫn hương vị.
Hình 1.8: Hạt cà phê ở giai đoạn nổ

Khói bắt đầu tỏa ra nhiều hơn, mùi thơm

lần thứ nhất

ngào ngạt tỏa ra, hấp dẫn. Từ thời điểm
6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
này trở đi, quá trình rang trở nên sinh động, hạt cà phê bắt đầu bước vào giai đoạn chín
để cho ra sản phẩm theo ý định của người thợ rang, còn người thợ rang thì vận dụng
tất cả các giác quan lẫn tâm hồn say mê của mình để chăm sóc, nâng niu cho mẽ rang
như nâng niu 1 công trình nghệ thuật của riêng mình…
1.3.8 Giai đoạn ngưng tiếng nổ – nhiệt độ khoảng 215o C
Giai đoạn nổ đầu tiên là một phản ứng
tỏa nhiệt. Sau 1 thời gian hấp thu nhiệt thì
qua việc nở lớn đột ngột về thể tích, tăng
lên đến khoảng 150%, trọng lượng giảm từ
10- 17 % và tạo ra hàng loạt tiếng nổ giòn
tan rộn rã, nhiệt lượng bên trong hạt thoát
ra nhanh chóng. Kế đó, ngay lập tức hạt cà
phê lại bắt đầu giai đoạn thu nhiệt. Do đó
trong quá trình rang, sau lần nổ thứ nhất, sẽ
cần có thêm 1 giai đoạn ngắn để hạt cà phê
thu thêm nhiệt lượng nhằm tiếp tục được

Hình 1.9: Hạt cà phê ở giai đoạn
ngưng tiếng nổ

nung nóng và được biến đổi.Vì thế, trong
quá trình rang, tiếng nổ reo vui lần thứ nhất bỗng nhiên giảm xuống rồi ngưng lại. Lúc
này phản ứng caramen xảy ra nhanh chóng. Các phản ứng hóa học làm phát sinh mùi
vị thơm ngon của cà phê cũng xảy ra, khói bốc lên khá nhiều. Về hình thức hạt cà phê
sau khi nở rộng kích thước thì hơi thu lại và xuất hiện các vết nhăn, nứt phía bên mặt
dưới của hạt.
1.3.9 Giai đoạn sau khi ngưng tiếng nổ lần một – Nhiệt độ khoảng 220o C

Vào lúc này, hạt cà phê bắt đầu thoát
ra một lượng khí carbon dioxide nên khói
bốc nhiều hơn, không gian lan tỏa mùi bánh
nướng, mùi hạt rang đặc trưng…Trọng
lượng hạt cà phê tiếp tục giảm xuống.
Hình 1.10: Hạt cà phê ở giai đoạn sau
khi ngưng tiếng nổ lần một
7


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3.10 Giai đoạn chuẩn bị nổ lần hai – nhiệt độ khoảng 225o C
Hạt cà phê tiếp tục thu nhiệt và thể
tích càng nở lớn hơn, thể tích có thể tăng
trên 150% . Các phản ứng hóa học vẫn
liên tục xảy ra trong hạt cà phê. Hạt cà
phê có nhiều thay đổi và chuẩn bị bước
vào giai đoạn nổ lần hai.
Hình 1.11: Hạt cà phê ở giai đoạn
chuẩn bị nổ lần hai
1.3.11 Giai đoạn bắt đầu nổ lần hai – Nhiệt độ khoảng 225o C
Lúc này từ trong hạt cà phê tiết
ra nhiều chất dầu, bao phủ cả hạt cà
phê, làm cho hạt cà phê trở nên sáng
bóng, và nhìn có vẻ ẩm ướt. Mùi thơm
càng lúc càng tinh tế, hấp dẫn lan tỏa
cả không gian của vùng lò rang, làm
ngây ngất những ai ở xung quanh…
Hình 1.12: Hạt cà phê ở giai đoạn bắt
đầu nổ lần hai

1.3.12 Giai đoạn nổ lần hai – nhiệt độ khoảng 235o C
Tiếng nổ lần thứ hai phát sinh từ sự là bẻ gãy vật lý của các cấu trúc celllose
trong hạt cà phê. Mỗi một chủng loại hạt cà phê của các giống cà phê có các cấu trúc
khác nhau, cho nên tiếng nổ lần thứ hai này, tùy theo giống cà phê mà chúng ta lắng
nghe có có âm thanh, tần suất, cường độ âm, và âm vực khác nhau.
Tiếng nổ lần này không rộn rã như lần trước nhưng khô khốc, giòn và xảy ra
nhanh chóng như tiếng bẻ gảy của các cành cây khô. Theo phương pháp rang thủ công
tại Việt Nam với truyền thống rang lò than, rang củi…việc quan sát, lắng nghe, phân
biệt, nhận định được âm thanh của tiếng hai lần nổ từ hạt cà phê, mùi hương tỏa ra qua

8


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
từng giai đoạn rang, màu sắc của khói, của hạt cà phê và cả cảm nhận tinh tế qua kinh
nghiệm sẽ quyết định cho chất lượng của mẻ rang.
Hiện nay có nhiều loại máy rang cà phê
bán tự động hay hoàn toàn tự động rất
hiện đại, rang theo các chương trình được
đã lập trình hay theo chương trình tuyển
chọn tối ưu của người thợ. Theo một số
người qua việc thưởng thức, trải nghiệm
cà phê được rang bằng các máy móc tự
động và so sánh với cà phê rang theo cách
Hình 1.13: Hạt cà phê ở giai đoạn lần

truyền thống của người thợ, cho rằng, tuy

hai

mỗi phương án đều có 1 kết quả tốt nhất
định nào đó về phẩm chất của hạt cà phê .

Thế nhưng, họ cảm thấy hạt cà phê rang thủ công ngon hơn rang bằng máy. Tuy nhiên
vẫn nên chọn cách rang bằng máy với nhiên liệu ga hoặc điện để phù hợp với yêu cầu
sản xuất và đảm bảo vệ sinh môi trường.
1.3.13 Giai đoạn sau khi ngưng tiếng nổ lần hai – Nhiệt độ khoảng 240o C
Lúc này hạt cà phê rang có màu nâu
đậm, thể tích tăng tối đa, hạt cà phê nở lớn,
nhất là hạt cà phê Moka có thể tăng kích
thước gần gấp đôi, và trọng lượng có thể
giảm từ 20-30%, hương thơm ngào ngạt
theo khói bốc lên, lan tỏa khắp khu vực.
Nhất là rang Cà phê Chồn, có thể nói mùi
thơm của nó có cả mùi của động vật Cầy
Hình 1.14: Hạt cà phê ở giai đoạn sau

Hương.
Canh thời đểm chính xác và tốt nhất

khi ngưng tiếng nổ lần hai.

để ngưng quá trình rang tùy theo chất
lượng hạt cà phê sống của mỗi mẽ rang là cả bí quyết và kinh nghiệm của người thợ
rang.. Có thể nói vào lúc này, mỗi giây phút trôi qua hay mỗi vòng quay của trống
(thùng rang) cà phê sẽ tạo ra hương vị và phẩm chất của hạt cà phê khác nhau. Cà phê
9


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

rang càng đậm màu thì chất cafeine càng giảm, vị chua càng giảm, vị đắng đậm đà và
mùi carbon càng tăng…Sau cùng hạt cà phê trải qua xong quá trình biến đổi bởi tác
động của nhiệt để cho ra một sản phẩm tuyệt vời phục vụ cho nhân loại.
1.4 Giới thiệu đề tài
Thực tế cho thấy rằng kể từ những năm của thập kỷ 90, ngành cà phê nước ta đã
có bước tăng trưởng vượt bậc và trở thành một ngành kinh tế quan trọng của nền kinh
tế nông nghiệp. Cà phê là nông sản xuất khẩu quan trọng đứng hàng thứ ba sau lúa gạo
và cao su. Bên cạnh đó về mặt xã hội, ngành cà phê còn thu hút trực tiếp khoảng 600
ngàn lao động, chiếm xấp xỉ 20% tổng lao động nông nghiệp và cuộc sống của khoảng
1 triệu người chịu ảnh hưởng từ sự phát triển của ngành cà phê.

Hình 1.15: Tỷ trọng xuất khẩu mặt hàng nông sản của Việt Nam năm 2013
Dù đã trở thành nước xuất khẩu cà phê đứng thứ 2 thế giới, nhưng các doanh
nghiệp xuất khẩu nước ta vẫn hoàn toàn bị động trước những biến động của thị trường
thế giới. Hàng năm, nước ta xuất khẩu khoảng 1 triệu tấn cà phê (chủ yếu là robusta)
tới 80 nước và vùng lãnh thổ, trong đó có 10 nước là bạn hàng lớn. Có nhiều đầu mối
và doanh nghiệp nước ngoài mua trực tiếp cà phê Việt Nam.

10


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Hình 1.16: Biểu đồ xuất khẩu cà phê của Việt Nam và Thế giới

Hình 1.17: Sản lượng cà phê Việt Nam qua các năm

11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
Có thể nói Việt Nam chúng ta là một cường quốc cà phê thế nhưng cho đến bây
giờ ngành cà phê của chúng ta lại chưa thể hiện được điều gì. Thực trạng phát triển của
ngành cà phê trong thời gian qua đang làm nhiều người lo lắng. Bởi dù được xếp ở thứ
hạng cao (thứ hai thế giới, sau Brazil), nhưng giá trị của hạt cà phê mang lại luôn bấp
bênh. Tuy là nước xuất khẩu đứng thứ 2 thế giới nhưng cà phê Việt Nam lại không có
một thương hiệu cà phê nào xứng tầm do chúng ta không có hệ thống trang thiết bị chế
biến cà phê hiện đại như các nước. Yêu cầu đặt ra là phải chế tạo những thiết bị chế
biến cà phê có tính năng tương đương thiết bị ngoại nhập nhưng giá thành phải rẻ hơn
nhiều để nâng cao tính cạnh tranh cho cà phê Việt Nam.
Để có cà phê cung cấp cho thị trường cần phải trải qua rất nhiều công đoạn để có
một sản phẩm cà phê hoàn chỉnh: Từ quả cà phê  hái  bảo quản  say, sấy  cà
phê nhân  rang cà phê  xay, nghiền thành sản phẩm cà phê xay hay qua một vài
khâu để trở thành cà phê hòa tan.
Trong đó máy rang cà phê là một thiết bị quan trọng trong quy trình trên. Hiện
nay các máy ngoại nhập từ Đức, Pháp, Trung Quốc … đáp ứng đầy đủ yêu cầu nhưng
giá thành lại quá cao. Do đó yêu cầu đặt ra phải có một thiết kế hoàn chỉnh về các loại
máy này trên cơ sở kế thừa các loại đã có và phù hợp với tình hình sản xuất của Việt
Nam. Và xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, đề tài “Thiết kế máy rang cà phê ” của em ra
đời.

12


CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY

CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY
2.1 Các nguyên lý khi rang
- Rang là giai đoạn quyết định chất lượng cà phê thành phẩm, trong quá trình rang
xảy ra sự hao hụt mất nước, chất bay hơi. Nước mất 5,5% , các tổn thất khác 2%.

- Thiết bị rang: chảo, lồng cầu, thiết bị rang hình tháp hoặc thiết bị thùng quay.
- Nhiên liệu phục vụ cho quá trình rang: than, củi, gas, điện…
- Nguyên tắc khi rang cà phê:
+ Phải đảo liên tục để các hạt cà phê được tiếp xúc độ nóng đều đặn, tránh bị tình
trạng hạt còn sống, hạt đã chín khét.
+ Khi cà phê được rang đến độ cần thiết, phải làm nguội cà phê ngay để tránh hơi
nóng còn lại trong chính cà phê làm cà phê bị rang quá đà.
+ Khi rang cà phê sẽ có nhiều khói bạn nên chọn nơi thông thoáng hay nên có hệ
thống máy hút khói tốt.
- Cà phê khi rang sẽ bị bong lớp vỏ ngoài hạt. Khi rang xong nên ra ngoài gió hoặc
đứng trước quạt và sàng nhẹ rổ cà phê cho bay bớt vỏ lụa. Tuy nhiên thật ra lớp này cũng
không có mùi vị gì, nếu vẫn còn dính chung cà phê sau khi rang, hương vị cà phê cũng
không bị ảnh hưởng gì nhiều.
2.2 Các phƣơng án thiết kế
2.2.1 Gia nhiệt với chảo rang thƣờng
- Được áp dụng từ rất lâu đời, là phương pháp con người sử dụng đầu tiên để làm
chín đối tượng. Dụng cụ sử dụng là chảo gang hoặc thép, gia nhiệt trực tiếp bằng than
hoặc củi.

13


CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY

Hình 2.1: Rang cà phê bằng chảo rang thường
- Nguyên lý: Cà phê được cho vào một cái chảo đun nóng bằng than hoặc củi. Trong
quá trình cà phê nẩy lên trong chảo, nó đồng thời được rang chín. Sau đó cà phê được đưa
đi làm nguội ngoài không khí.
- Ưu điểm:
+ Dễ thực hiện, đơn giản, chi phí ban đầu thấp.

+ Có thể áp dụng ở mọi nơi, không cần trang thiết bị hiện đại.
- Nhược điểm :
+ Hạt cà phê không chín đều do không được đảo trộn liên tục.
+ Chỉ rang được số lượng nhỏ.
+ Một số bị cháy xém, không tách được vỏ lụa trong quá trình rang.
+ Phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm người rang.
+ Thành phần hóa học của cà phê bị thay đổi nhiều do quá trình rang lâu.

14


CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY
2.2.2 Gia nhiệt với thiết bị lồng cầu

Hình 2.2: Rang cà phê kiểu lồng cầu
- Nguyên lý : Cà phê được cho vào lồng cầu . "Lồng cầu" được thiết kế như một quả
bóng bằng sắt, thiết kế có cửa mở và được quay bằng mô tơ kéo qua hai cần trục gác qua.
Cà phê sau khi rang chín bằng thiết bị gia nhiệt sẽ được làm nguội ngoài không khí.
- Ưu điểm :
+ Dễ thực hiện , đơn giản .
+ Có thể rang được số lượng lớn so với cách thông thường.
+ Giá thành rẻ.
- Nhược điểm:
+ Một số bị cháy xém, không tách được vỏ lụa trong quá trình rang.
+ Thành phần hóa học của cà phê bị thay đổi nhiều do quá trình rang lâu.
+ Việc thiết kế để có số lượng rang được nhiều cà phê hơn cho từng mẻ đã làm
cho khói bay, bụi, nóng, ô nhiễm…
15

CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY
2.2.3 Gia nhiệt theo nguyên lý tầng sôi
- Hạt cà phê bay lơ lửng và thành sản phẩm như mong muốn nhờ lớp không khí
nóng cung cấp từ dưới lên.

Hình 2.3: Rang cà phê dùng không khí nóng
- Nguyên lý: Cà phê được cho vào phễu số 1. Sau đó nguồn khí nóng 4 sẽ được động
cơ hút 3 thổi vào buồng rang 2. Tại đây cà phê sẽ tiếp xúc trực tiếp với nguồn khí nóng và
gia tăng nhiệt độ. Si lô 6 sẽ lọc bụi và vỏ lụa ra. Sau khi rang xong cà phê sẽ được xả ra
ngoài bằng cửa số 5 và được đem đi làm nguội.
- Ưu điểm: dùng để rang cà phê với số lượng lớn, nhanh, hạt cà phê chín đều, chất
lượng tốt.
- Nhược điểm:
+ Trang thiết bị phức tạp, khó chế tạo lắp đặt .
+ Việc tính toán nhiệt độ cũng khá phức tạp.
+ Giá thành vật liệu cao.
16


CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY
2.2.4 Gia nhiệt kiểu thùng quay
- Phương pháp này cần thêm các thiết bị hỗ trợ. Hạt cà phê được làm chín thông qua
các cơ cấu trung gian hay chuyển đổi năng lượng. Đây cũng là phương pháp thông dụng
nhất hiện nay. Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình rang lấy từ khí đốt hay điện trở sử
dụng dòng điện để biến thành nhiệt…

Hình 2.4: Rang cà phê kiểu thùng quay
- Nguyên lý: Cà phê được cho vào phễu số 1. Thùng rang 3 được cấp nhiệt liên tục
nhờ hệ thống gia nhiệt bằng gas hoặc điện trở. Trong suốt quá trình rang, cà phê nhân
được đảo đều liên tục nhờ cách đảo 2 bên trong thùng rang. Cà phê sau khi rang đến độ

chín sẽ được xả ra ngoài bằng cửa số 5 và chuyển vào khay làm nguội 6 để hạ thấp nhiệt
độ của hạt. Trong quá trình làm nguội cà phê được đảo đều trong khay làm cà phê nguội
nhanh đều. Khói, tạp chất, vỏ lụa sẽ theo ống dẫn đưa vào si lô lọc bụi 8.
17


CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY
- Ưu điểm:
+ Chất lượng cà phê rang ổn định, đảm bảo độ đồng màu, hạt chín đều, nở xốp.
+ Phù hợp với hộ gia đình, doanh nghiệp nhỏ.
+ Dễ vận hành và bảo trì.
- Nhược điểm: phức tạp hơn so với rang thủ công, chi phí đầu tư ban đầu khá cao.
2.3 Lựa chọn phƣơng án
- Các yêu cầu đặt ra cho thiết bị rang :
+ Năng suất 25 kg/mẻ.
+ Gia nhiệt bằng điện trở.
+ Hạt cà phê sau khi rang phải đạt chất lượng cao : chín đều, không bị cháy xém,
tách hết lớp vỏ lụa của nhân ra, không làm thay đổi nhiều thành phần hóa học của hạt.
+ Máy rang phải làm việc tốt, an toàn cho người sử dụng, dễ lắp ráp sửa chữa,
năng suất và tuổi thọ cao.
+ Dễ vận hành không cần công nhân có tay nghề cao.
+ Chi phí sản xuất cũng tương đối thấp, phù hợp với máy móc thiết bị ở nước ta.
- Với các yêu cầu được đặt ra như trên phương án thiết kế máy rang kiểu thùng quay
sẽ được lựa chọn.
- Phương án thiết kế như sau: Cà phê sẽ được gia nhiệt bằng điện trở thông qua
thùng quay chứa cà phê. Trong khi nhiệt lượng được cấp, thùng quay quay liên tục để đảo
trộn đều cà phê trong thùng tránh hiện tượng cháy xém và chín không đồng đều.Toàn bộ
quá trình này sẽ được giám sát bởi các cảm biến đo nhiệt độ và người vận hành để đảm
bảo chất lượng cà phê sau khi rang. Ngoài ra còn có các quạt hút hút vỏ trấu còn sót lại và
vỏ lụa bị bong tróc trong quá trình đảo trộn của thùng. Cà phê sau khi rang đến độ chín sẽ

được chuyển vào khay làm nguội để hạ thấp nhiệt độ của hạt. Trong quá trình làm nguội,
cà-phê được đảo đều trong khay cùng với lực hút mạnh của quạt chung quanh lớp lưới
của khay làm cà phê nguội nhanh đều. Khói và tạp chất, vỏ lụa theo ống dẫn quạt hút thổi
vào silo lọc bụi.
2.4 Sơ đồ nguyên lý

18


CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY

11

1

12

2

3
4

Q

10

9

8

7

6

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý
1. Phễu nạp liệu

6. Khay làm nguội

2. Thùng rang

7. Ổ lăn khay làm nguội

3. Ổ lăn thùng rang

8. Bộ phận gia nhiệt

4. Cửa xả thùng rang

9. Ống dẫn bụi

5. Cửa xả khay làm nguội

10. Hệ thống lọc bụi.

19

5

CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY
2.5. Sơ đồ động :

1

2

3

4

5

6

7
8

9

10
11

12

21

20

19

18

17

Hình 2.6: Sơ đồ động

20

16

15

14

13


CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY
1. Silo lọc bụi

12. Ổ bi khay làm nguội

2. Động cơ quạt hút thùng rang

13. Cửa xả cà phê

3. Quạt hút thùng rang

14. Bộ truyền đai

4. Ổ bi thùng rang

15. Động cơ khay làm nguội

5. Thùng rang

16. Động cơ quạt hút của khay làm

6. Phễu nạp liệu

nguội

7. Cánh đảo thùng rang

17. Quạt hút khay làm nguội

8. Đồng hồ hiển thị nhiệt độ

18. Bộ phận gia nhiệt

9. Cửa xả cà phê sau khi rang

19. Khớp nối

10. Khay làm nguội

20. Động cơ thùng rang

11. Cánh đảo khay làm nguội

21. Thùng chứa bụi

2.6 Một số loại máy rang cà phê trên thị trƣờng
2.6.1 Máy rang sử dụng nhiên liệu là gas

Hình 2.7: Máy rang cà phê dùng gas
21