Nghiên cứu tối ưu chế độ sấy đối lưu cho thóc theo lớp dày, cố định

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỖ THÁI SƠN

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU CHẾ ĐỘ SẤY ĐỐI LƯU
CHO THÓC THEO LỚP DẦY, CỐ ĐỊNH
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ & THIẾT BỊ LẠNH
MÃ SỐ: 62.52.80.05

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS Phạm Văn Tùy
GS.TSKH Đặng Quốc Phú

HÀ NỘI - 2012


ii

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình
nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả nêu trong luận án là trung thực
và chưa từng được ai khác công bố trong
bất kỳ công trình nào.
Tác giả

ĐỖ THÁI SƠN


iii

LỜI CÁM ƠN
Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện
Đào tạo Sau Đại học và các Giáo sư, Tiến sỹ của Viện Khoa học & Công nghệ
Nhiệt lạnh đã tạo điều kiện thuận lợi và góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn
thành chương trình nghiên cứu sinh 2007 - 2011 và luận án này.
Đặc biệt, tôi xin bầy tỏ lòng biết ơn chân thành tới GS.TS. Phạm Văn Tùy và
GS.TSKH. Đặng Quốc Phú đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ, tin tưởng và tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận Tải, Dự án Bồi
dưỡng giáo viên Khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thông Vận Tải và GVC
Nguyễn Bá Nghị đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm việc và tạo điều kiện cho tôi
tiếp cận trực tiếp với hàng trăm bài báo khoa học trên thế giới về sấy hạt nông sản
và thóc.
Tôi xin cảm ơn Bố Mẹ, người thân và bạn bè đã ủng hộ và động viên tôi trong
quá trình nghiên cứu. Khích lệ tôi bằng chính cái cách đương đầu với tuổi già và
bệnh tật của mình Bố Mẹ đã cho tôi lòng quyết tâm và nhẫn nại để hoàn thành luận
án này.
Đỗ Thái Sơn


iv

MỤC LỤC
Các ký hiệu và chữ viết tắt trong luận án
Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ và đồ thị
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………1
1. Giới thiệu…………………………………………………………………………1
2. Mục đích nghiên cứu..……………………………………………………………3
3. Đối tượng và nội dung nghiên cứu……………………………………………….3
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài………………………………………...4
CHƯƠNG 1. Nghiên cứu tổng quan và xác định nhiệm vụ của luận án…………...6
1.1 Nghiên cứu tổng quan ……………………………………………………….....6
1.1.1 Chất lượng của thóc gạo và mô hình tỷ lệ nguyên hạt theo điều kiện sấy....6
1.1.1.1 Cấu trúc và thành phần của thóc gạo………………………………….6
1.1.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến thành phần hóa học của gạo….8
1.1.1.3 Khả năng sống của hạt thóc…………………………………………...9
1.1.1.4 Tiêu chí chất lượng và các tổn thất về chất lượng của thóc gạo………9
1.1.1.5 Các mô hình tỷ lệ nguyên hạt………………………………………...11
1.1.2 Các mô hình sấy tĩnh hạt nông sản và thóc theo lớp dầy ………………...13
1.1.2.1 Các mô hình p.d.e……………………………………………………14
1.1.2.2 Các mô hình cân bằng.........................................................................16
1.1.2.3 Các mô hình Logarit…………………………………………………18
1.1.3 Các mô hình năng lượng tiêu hao trong quá trình sấy …………………...24
1.1.4 Các nghiên cứu tối ưu quá trình sấy thóc ………………………………...24
1.1.5 Thiết bị sấy vỉ ngang và các nghiên cứu về sấy thóc ở Việt Nam ……….25
1.2 Nhận xét và những vấn đề tồn tại…………………………………………......27
1.3 Nhiệm vụ của luận án…………………………………………………………29
CHƯƠNG 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1 Vật liệu và thiết bị sấy thí nghiệm..………………………...………………...31
2.1.1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ..…………………………………………….... 31


v

2.1.2 Thiết bị sấy thí nghiệm....……………………………………………….. 31
2.1.3 Các đại lượng cần xác định...…………………………………………….34
2.1.4 Phương pháp đánh giá kết quả đo....……………………………………...35
2.2 Nghiên cứu xác định miền thực nghiệm sấy thóc.……………………………38
2.1.1 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến tỷ lệ nguyên hạt.…………...38
2.1.2 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến tốc độ sấy và thời gian sấy...42
2.1.3 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến năng lượng tiêu hao riêng…44
2.3 Phương pháp nghiên cứu……………………………………………………...44
2.3.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn và đa yếu tố.……………......44
2.3.2 Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu……………………………………..47
2.3.2.1 Bài toán tối ưu đa mục tiêu tổng quát……………………………….47
2.3.2.2 Các thuật toán tối ưu hoá lặp điển hình ……………………………49
2.4 Kết luận chương 2…………………………………………………………….51
CHƯƠNG 3. Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng các phương trình hồi qui của
quá trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy………………………………..52
3.1 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng đơn yếu tố chế độ sấy……. ….52
3.1.1 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến tỷ lệ nguyên hạt…………..52
3.1.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến tỷ lệ nguyên hạt………………52
3.1.1.2 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến tỷ lệ nguyên hạt...………………53
3.1.1.3 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến tỷ lệ nguyên hạt……………..54
3.1.1.4 Ảnh hưởng của khoảng thời gian đảo gió đến tỷ lệ nguyên hạt …….55
3.1.2 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến thời gian sấy riêng………..56
3.1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến thời gian sấy riêng……………56
3.1.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến thời gian sấy riêng.. ……………57
3.1.2.3 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến thời gian sấy riêng…………..58
3.1.2.4 Ảnh hưởng của khoảng thời gian đảo gió đến thời gian sấy riêng…..58
3.1.3 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến tiêu hao năng lượng riêng... 59
3.1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến tiêu hao năng lượng riêng…….59
3.1.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến tiêu hao năng lượng riêng………60
3.1.3.3 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến tiêu hao năng lượng riêng…...61

vi

3.1.3.4 Ảnh hưởng của thời gian đảo gió đến tiêu hao năng lượng riêng……62
3.2 Xây dựng các mô hình toán học của quá trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy…….63
3.2.1 Xây dựng phương trình hồi quy xác định tỷ lệ nguyên hạt………………63
3.2.2 Xây dựng phương trình hồi quy xác định thời gian sấy riêng……………71
3.2.3 Xây dựng phương trình hồi quy xác định tiêu hao năng lượng riêng.…...74
3.3 Kết luận chương 3……………………………………………………………..76
CHƯƠNG 4. Tối ưu hóa đa mục tiêu các thông số chế độ sấy thóc tĩnh theo lớp dầy
4.1 Lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu và thuật toán vượt khe hướng chiếu Affine
……………………………………………………………………………………..78
4.1.1 Đường lối chung để giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu………………...78
4.1.2 Thuật toán tối ưu hóa vượt khe hướng chiếu Affine..………………….. ..79
4.2 Tối ưu các thông số chế độ sấy thóc tĩnh theo lớp dầy...……………………..81
4.2.1 Xây dựng các mô hình không thứ nguyên................................................. 81
4.2.2 Xác định chế độ sấy thóc tối ưu...……………………………………….. 83
4.2.3 Kiểm định chế độ sấy tối ưu.......................................................................89
4.3 Ảnh hưởng của dung ẩm khí sấy ở chế độ sấy tối ưu .......................................90
4.4 Kết luận chương 4..............................................................................................95
KẾT LUẬN CHUNG……………..………………………………………………97
NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN.................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..102
PHỤ LỤC………………………………………………………………………...117


vii

CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

a

Hệ số dẫn nhiệt độ

m2/s

ap

Bề mặt riêng của một đơn vị thể tích thóc

m2/m3

cp

Nhiệt dung riêng của thóc khô

J/kg.K

ca

Nhiệt dung riêng của không khí khô

J/kg.K

cv

Nhiệt dung riêng của hơi nước

J/kg.K

cw

Nhiệt dung riêng của nước

J/kg.K

CGR

Tỷ lệ hạt gẫy

%

d

Dung ẩm của không khí, khí sấy

g/kgkkk

Dt

Thời gian sấy riêng

ph/kga/m2

Deff

Hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả

m2/s

G

Lưu lượng khối lượng

kg/s

Ga

Lưu lượng không khí trên một đơn vị diện tích

kg/m2.s

h

Hệ số truyền nhiệt đối lưu

W/m2.K

hv

Nhiệt bay hơi

J/kg

H

Độ ẩm tuyệt đối của khí sấy, không khí

kg/m3

HRY

Tỷ lệ nguyên hạt

%

Lv

Nhiệt ẩn hóa hơi của nước

J/kg

M, M(x,τ)

Độ ẩm cục bộ của hạt

kga/kgVLK

MC

Độ ẩm trung bình của hạt

kga/kgVLK

Me, EMC

Độ ẩm cân bằng của hạt

kga/kgVLK

MR

Tốc độ sấy

1/s

P

Tốc độ dịch chuyển của vùng sấy

kg/m2.s

Q

Tiêu hao năng lượng riêng

MJ/kga

Rh

Độ ẩm tương đối của khí sấy

%, decimal

tp

Nhiệt độ của hạt

K

tg

Nhiệt độ chuyển thái giòn dẻo của thóc

K

t

Nhiệt độ của khí sấy

K

tĐ

Khoảng thời gian đảo gió

h

V

Tốc độ khí sấy

m/s

viii

x

Tọa độ dọc theo chiều dầy lớp hạt

m

α

Hệ số tỏa nhiệt

W/m2.K

τ

Thời gian sấy

s

ρp

Khối lượng riêng của hạt

kg/m3

ρa

Khối lượng riêng của không khí

kg/m3

λp

Hệ số dẫn nhiệt của thóc

W/m.K

ε

Độ rỗng của khối hạt

decimal

φ

Độ ẩm tương đối của không khí

decimal, %

Ký hiệu chân
e

Cân bằng

d

Khô

in

Đầu vào

p

Thóc, hạt

o

Môi trường xung quanh

w

Nước

v

Hơi
Các chữ viết tắt

BVK

Bước vượt khe

CĐS

Chế độ sấy

ĐBSCL

Đồng bằng sông Cửu Long

QTS

Quá trình sấy

QHTG

Quy hoạch trực giao

RSM

Phương pháp đáp ứng bề mặt

TBS

Thiết bị sấy

VLS

Vật liệu sấy

VAF

Phương pháp vượt khe hướng chiếu affine

cs.

Cộng sự

d.b.

(Độ ẩm) trên cơ sở cốt khô

w.b.

(Độ ẩm) trên cơ sở vật ướt


ix

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU TRONG LUẬN ÁN
Bảng số Tên bảng

Trang

Bảng 1.1. Thành phần % của phân tử tinh bột của hai loại thóc gạo cơ bản………7
Bảng 1.2. Các mô hình sấy thóc lớp mỏng………………………………………..22
B¶ng 2.1. Ma trận thÝ nghiÖm theo ma trận trực giao bậc hai...…………………..46
Bảng 3.1. Ma trận thÝ nghiÖm và kết quả thí nghiệm……………………………..64
Bảng 4.1. Bảng kết quả thí nghiệm có và không có thứ nguyên …………………81
Bảng 4.2. Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,1………………………………….. ..85
Bảng 4.3. Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,3…………………………….............85
Bảng 4.4. Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,5………………………………….....85
Bảng 4.5. Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,6………………………………….....86
Bảng 4.6. Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,7………………………………….....86
Bảng 4.7. Kết quả tối ưu với trọng số θ = 0,9………………………………….....86
Bảng 4.8. Tổng hợp các phương án tối ưu Pareto ………………………………..87
Bảng 4.9. Độ lệch chuẩn giữa giá trị dự đoán với thực nghiệm kiểm định.………89

Bảng 4.10. Ảnh hưởng của dung ẩm và t khí sấy đến HRY,Dt,Q với θ=0,1……..91
Bảng 4.11. Ảnh hưởng của dung ẩm và t khí sấy đến HRY,Dt,Q với θ=0,3……..91
Bảng 4.12. Ảnh hưởng của dung ẩm và t khí sấy đến HRY,Dt,Q với θ=0,6 ….....92
Bảng 4.13. Ảnh hưởng của dung ẩm và t khí sấy đến HRY,Dt,Q với θ=0,9.….....92


x

DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN

Hình

Tên hình

Trang

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm ……………………………………………….32
Hình 2.2 Thiết bị sấy thí nghiệm …………………………………………………32
Hình 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến HRY.……………………………..52
Hình 3.2 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến HRY ……………………………….53
Hình 3.3 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến HRY.………………………....... 54
Hình 3.4 Ảnh hưởng của thời gian đảo gió đến HRY………………………........ 55
Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến Dt……………………………….. 56
Hình 3.6 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến Dt…………………………………..57
Hình 3.7 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến Dt………………………….........58
Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian đảo gió đến Dt..……………………………... 59
Hình 3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí sấy đến Q..………………………………..60
Hình 3.10 Ảnh hưởng của tốc độ khí sấy đến Q.………………………………….60
Hình 3.11 Ảnh hưởng của chiều dầy lớp hạt đến Q…………………………........61
Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian đảo gió đến Q ..…………………………….62

Hình 3.13 So sánh kết quả Dt tính từ mô hình (series 1) và Dt thực tế……..........71
Hình 4.1. Quá trình cực tiểu hoá theo thuật toán VAF….…………………..........78
Hình 4.2. Hệ số ảnh hưởng k(HRY), k(Dt), k(Q) với θ =0,1………………..........91
Hình 4.3. Hệ số ảnh hưởng k(HRY), k(Dt), k(Q) với θ =0,3………………..........91
Hình 4.4. Hệ số ảnh hưởng k(HRY), k(Dt), k(Q) với θ =0,6………………..........92
Hình 4.5. Hệ số ảnh hưởng k(HRY), k(Dt), k(Q) với θ =0,9………………..........92


1

MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu
Thóc lúa (tên khoa học là Oryza Sativa) là một trong hai loại ngũ cốc quan
trọng nhất cung cấp lương thực cho hơn nửa dân số thế giới. Cây lúa được trồng
đầu tiên ở Đông Nam Á và sau đó là trên toàn thế giới từ hơn 7000 năm trước. Sản
lượng thóc hàng năm của thế giới tăng đều đặn từ 520 triệu tấn ở đầu thập kỷ 1990
đến 605 triệu tấn vào năm 2004 với 90% sản lượng là ở Đông và Tây Á. Các nước
dẫn đầu về sản xuất thóc gạo là Trung Quốc với 30,7%, Ấn Độ với 21,6%,
Inđônêsia với 8,7% và Việt Nam với 5,6% sản lượng thóc gạo của thế giới [126].
Năm 2010 sản lượng thóc của Việt Nam đạt xấp xỉ 40 triệu tấn, xuất khẩu trên 6
triệu tấn gạo và năm 2011 sản lượng thóc đạt 41,5 triệu tấn, xuất khẩu trên 7 triệu
tấn gạo.
Thóc là vật liệu sinh học có độ ẩm rất cao khi thu hoạch (từ 25 ÷ 40% d.b.) và
có mức độ hô hấp mạnh, rất dễ bị côn trùng, vi sinh vật và mối mọt phá hỏng. Sau
thu hoạch trong vòng 24 giờ, thóc cần được sấy để giảm độ ẩm xuống 14% làm
chậm quá trình hô hấp của hạt, ngăn cản nấm mốc phát triển và kéo dài thời gian
bảo quản an toàn. Chất lượng quá trình phơi sấy có vai trò quan trọng trong dẫy
sản xuất thóc gạo và phụ thuộc vào trình độ sản xuất và khả năng kinh tế rất khác
nhau của các nước sản xuất thóc gạo [83], [126].
Phương pháp phơi sấy thóc ở Việt Nam hiện nay chủ yếu vẫn là phơi thóc trực

tiếp dưới ánh nắng mặt trời. Phơi thóc như vậy tiêu tốn rất ít năng lượng để làm
khô thóc nhưng phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết, độ tin cậy không cao vì không
khống chế được nhiệt độ sân phơi, thời gian phơi kéo dài, chất lượng không đồng
đều, tỷ lệ gẫy vỡ và hao hụt cao, bị lẫn nhiều tạp chất và tốn nhiều công lao động.
Chỉ tính riêng ở Đồng bằng sông Cửu Long, nơi sản xuất trên 21 triệu tấn thóc và
xuất khẩu trên 6 triệu tấn gạo (năm 2011), tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch lúa trung
bình là 13,7% (tương đương 635 triệu USD/năm), cá biệt có nơi lên đến 20,6% do
thóc thu hoạch trong mùa mưa lũ không được phơi sấy kịp thời. Trong đó tổn thất
ở khâu phơi sấy là cao nhất chiếm 4,2%; thu hoạch 3%; xay xát 3%; bảo quản


2

2,6%; vận chuyển 0,9%,… Những thiệt hại về chất lượng thóc gạo cũng rất lớn, thể
hiện qua giá gạo xuất khẩu của Việt nam thường thấp hơn của Thái lan và Mỹ từ
80 – 100 USD/tấn [157]. Để giảm tổn thất sau thu hoạch thì cần phải cơ giới hóa
dẫy sản xuất thóc gạo từ lúc gieo trồng đến khi thu hoạch, nhất là cho khâu sấy để
chủ động sấy thóc trong mùa mưa lũ.
Các loại thiết bị sấy cơ khí ít được sử dụng ở các tỉnh miền Bắc và miền Trung
do diện tích sản xuất nhỏ hẹp, thóc hàng hóa không nhiều và nông dân vẫn phơi
thóc trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời. Các loại máy sấy, như máy sấy tĩnh SHG và
máy sấy tháp, được sử dụng rất hạn chế trong một số trung tâm sản xuất thóc giống
ở Thái Bình, Thái Nguyên, Thanh Hóa,…hoặc để sấy ngô hạt ở Sơn La. Chỉ ở
ĐBSCL do lượng lúa hàng hóa lớn, chiếm trên 50% sản lượng thóc của cả nước,
thì mới có nhu cầu sấy thóc bằng máy nhất là trong mùa mưa lũ. Trong các loại
thiết bị sấy thóc cơ khí thì thiết bị sấy vỉ ngang đang được nông dân ĐBSCL sử
dụng phổ biến hơn cả, vì các thiết bị sấy tháp cho chất lượng thóc sấy cao hơn
nhưng giá thành lại cao gấp ba lần máy sấy tĩnh nên chỉ được sử dụng ở một số
doanh nghiệp xay xát lớn [142]. Còn các lò sấy đối lưu tự nhiên (dạng SH-200,
SRR) rẻ tiền, nhưng thời gian sấy lại quá dài (xấp xỉ 2 ngày đêm), năng suất quá

thấp không đáp ứng được nhu cầu sấy thóc hàng hóa sản lượng lớn nên cũng không
được sử dụng phổ biến.
Thiết bị sấy vỉ ngang sử dụng một thùng để chứa thóc, quạt để thổi khí sấy qua
lớp hạt và hệ thống cấp nhiệt để nâng cao thế sấy cho khí sấy. Hệ thống cấp nhiệt
có thể sử dụng rất nhiều loại nhiên liệu khác nhau, có thể tận dụng nhiên liệu rẻ
tiền, sẵn có ở địa phương. Thiết bị sấy vỉ ngang có giá không cao, vận hành dễ
dàng và chủ động, khá phù hợp với điều kiện kinh tế và trình độ sản xuất của các
nông hộ ở ĐBSCL, có năng suất sấy cao hơn, thời gian sấy ngắn hơn, chất lượng
sản phẩm sấy tốt hơn nhưng tốn kém hơn so với phương pháp phơi thóc dưới ánh
nắng mặt trời. Tính đến cuối năm 2007 toàn vùng ĐBSCL sử dụng 2330 máy sấy
vỉ ngang, trong đó có trên 300 máy có đảo gió, công suất 2 - 8tấn/mẻ, đáp ứng
khoảng 21% sản lượng thóc cần sấy. Đến tháng 6/2011 toàn vùng ĐBSCL có
khoảng 6430 máy sấy các loại (chủ yếu là máy sấy vỉ ngang), đáp ứng được 31%


3

sản lượng thóc vụ hè thu, cho thấy vẫn cần tiếp tục khuyến khích phát triển thiết bị
sấy thóc [157], [158].
Để vận hành thiết bị sấy thóc vỉ ngang một cách hiệu quả cần phải có những
nghiên cứu khoa học về quá trình sấy thóc tĩnh, lớp dầy của loại thiết bị sấy này.
Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu quá trình sấy hạt nông sản đã được công bố
trên thế giới lại tập trung vào các mô hình sấy hạt trong các thiết bị sấy cơ khí
thương mại hiện đại như thiết bị sấy tháp, sấy thùng quay, sấy tầng sôi, sấy bằng
bức xạ hồng ngoại, vi sóng,… [8, 21, 25, 28, 39, 44, 46, 51, 52, 56, 60, 62, 69, 79,
103, 105, 133, 139]. Các nghiên cứu về sấy tĩnh theo lớp dầy chủ yếu áp dụng cho
sấy - thông gió bảo quản với nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường. Các
kết quả nghiên cứu cụ thể cho quá trình sấy tĩnh có nhiệt độ cao (t > 40oC) còn rất
hạn chế, có thể là do kiểu thiết bị sấy này chỉ phù hợp với điều kiện sản xuất và
khả năng kinh tế của những nước chậm phát triển như Việt Nam nên không là đối

tượng nghiên cứu sâu rộng của các nhà khoa học trên thế giới [127]. Các nghiên
cứu sấy thóc tĩnh theo lớp dầy ở trong nước đáng chú ý là của Phan Hiếu Hiền và
cs. thực hiện để chế tạo máy sấy SRR và SHG có và không có đảo gió, sau đó là
nghiên cứu khảo sát hiện trạng sấy thóc trong thiết bị sấy vỉ ngang và sấy tháp ở
ĐBSCL trong khuôn khổ dự án CARD 2007 [142].
Vì vậy, để nâng cao hiệu quả quá trình sấy thóc trong thiết bị sấy vỉ ngang với
điều kiện thời tiết khác nhau, góp phần nâng cao chất lượng và giá trị gạo xuất
khẩu của Việt Nam, rất cần những nghiên cứu toàn diện và kỹ lưỡng hơn về quá
trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy trong loại thiết bị sấy này. Hướng nghiên cứu ứng
dụng thiết thực cho vận hành thiết bị sấy vỉ ngang là nghiên cứu xác định chế độ
sấy tối ưu của mô hình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu tối ưu chế độ sấy đối lưu thóc theo lớp dầy, cố định”
nhằm xác định trị số tối ưu của các điều kiện sấy cơ bản nhất là nhiệt độ, độ ẩm và
tốc độ khí sấy, chiều dầy lớp hạt và thời gian đảo gió tác động đến quá trình sấy
thóc tĩnh theo lớp dầy để tận dụng hiệu quả nhất năng suất của thiết bị, giảm thời


4

gian sấy và năng lượng tiêu hao mà vẫn bảo đảm chất lượng thóc sấy, ứng dụng
cho thiết kế và vận hành thiết bị sấy vỉ ngang.
3. Nội dung nghiên cứu
1. Nghiên cứu tổng quan về sấy tĩnh hạt nông sản và thóc theo lớp dầy, các mô
hình toán học mô phỏng tốc độ sấy, thời gian sấy, năng lượng tiêu hao và chất
lượng sản phẩm sấy, đánh giá khả năng ứng dụng và những tồn tại, đề ra nhiệm vụ
cụ thể cần giải quyết để thực hiện được mục đích nghiên cứu.
2. Nghiên cứu xác định miền thực nghiệm sấy thóc và tiến hành thí nghiệm
đánh giá ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy cơ bản như nhiệt độ và tốc độ của
khí sấy, chiều dầy lớp hạt và khoảng thời gian đảo gió đối với thời gian sấy riêng,

năng lượng tiêu hao riêng và tỷ lệ nguyên hạt trong sấy thóc tĩnh theo lớp dầy. Xây
dựng các phương trình thực nghiệm dự đoán thời gian sấy riêng, năng lượng tiêu
hao riêng và tỷ lệ nguyên hạt phụ thuộc vào bốn thông số chế độ sấy trên, đánh giá
ảnh hưởng tổng hợp, đồng thời của bốn thông số đó trong sấy thóc tĩnh theo lớp
dầy để ứng dụng cho thiết bị sấy thóc vỉ ngang.
3. Xây dựng hàm mục tiêu tổ hợp của bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu từ các
mô hình thời gian sấy riêng, năng lượng tiêu hao riêng và tỷ lệ nguyên hạt của quá
trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy. Phân tích lựa chọn và ứng dụng thuật toán tối ưu
để xác định chế độ sấy thóc lớp dầy tối ưu nhằm tăng năng suất thiết bị, giảm thời
gian và năng lượng tiêu hao mà vẫn bảo đảm tỷ lệ nguyên hạt cao. Kiểm định chế
độ sấy tối ưu vừa xác định.
4. Nghiên cứu ảnh hưởng của dung ẩm khí sấy đến thời gian sấy, năng lượng
tiêu hao và chất lượng thóc sấy của các phương án tối ưu Pareto vừa xác định. Đề
xuất quy trình sấy thóc hợp lý áp dụng cho thiết bị sấy vỉ ngang.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài nghiên cứu xác định các phương trình thực nghiệm dự đoán thời gian
sấy, năng lượng tiêu hao và tỷ lệ nguyên hạt theo chế độ sấy và xác định chế độ
sấy thóc tối ưu, đề xuất quy trình sấy thóc hợp lý để thực hiện quá trình sấy thóc


5

hiệu quả áp dụng cho hàng ngàn thiết bị sấy vỉ ngang, giúp giảm tổn thất sau thu
hoạch thóc ở ĐBSCL, chính là ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
Tính khoa học của đề tài thể hiện qua các nghiên cứu: Phân tích đặc điểm chất
lượng của thóc sấy để xác định miền nghiên cứu thực nghiệm sấy thóc, thí nghiệm
đánh giá ảnh hưởng đơn và đa yếu tố của các thông số chế độ sấy tác động đến
thời gian sấy, năng lượng tiêu hao và tỷ lệ nguyên hạt của quá trình sấy thóc tĩnh
theo lớp dầy, xây dựng các mô hình toán học với phương pháp phù hợp, áp dụng
phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu và lựa chọn sử dụng thuật toán tối ưu hóa

thích hợp để xác định chính xác chế độ sấy tối ưu quá trình sấy thóc tĩnh theo lớp
dầy, xây dựng quy trình sấy thóc phù hợp ứng dụng cho thiết kế và vận hành hiệu
quả thiết bị sấy vỉ ngang.


6

CHƯƠNG 1
NGHIÊN CƯÚ TỔNG QUAN VÀ
XÁC ĐỊNH NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN
Sấy thóc là quá trình công nghệ để làm giảm độ ẩm của thóc sau thu hoạch đến
độ ẩm an toàn (≤ 14% d.b.) cho bảo quản dài ngày mà vẫn giữ được chất lượng của
thóc. Cả ba tiêu chí tiêu hao năng lượng, tốc độ giảm ẩm (hay tốc độ sấy) và chất
lượng thóc sấy của quá trình sấy thóc nói chung, sấy thóc tĩnh theo lớp dầy nói
riêng, đều phụ thuộc vào chế độ sấy và được lượng hóa thông qua các mô hình
toán học mô phỏng. Vì vậy cần nghiên cứu tổng quan về các mô hình tiêu hao năng
lượng, mô hình tốc độ sấy/thời gian sấy và mô hình chất lượng thóc sấy của quá
trình sấy thóc tĩnh theo lớp dầy; xác định mức độ ứng dụng các mô hình và tìm
hiểu chiến lược tối ưu hóa của các nghiên cứu về sấy thóc đã được công bố. Từ đó
xác định nhiệm vụ cụ thể cần thực hiện để giải quyết mục tiêu của luận án.
1.1 NGHIÊN CƯÚ TỔNG QUAN
1.1.1 Chất lượng của thóc gạo và mô hình tỷ lệ nguyên hạt theo điều kiện sấy
Sấy thóc không đơn thuần là làm giảm độ ẩm của thóc để bảo quản an toàn mà
còn là một quá trình công nghệ đảm bảo các thành phần dinh dưỡng, hóa học (như
protein, tinh bột, chất béo, các loại vitmin,…) của thóc không bị phá hỏng, cũng
như phải đảm bảo các tiêu chí chất lượng khác của thóc (như tỷ lệ nguyên hạt cao,
tỷ lệ thu hồi gạo cao, tỷ lệ nẩy mầm cao, tỷ lệ hạt gẫy thấp,…). Vì thế, khi nghiên
cứu quá trình sấy thóc cần phải hiểu rõ về cấu trúc hạt thóc, thành phần hóa học,
dinh dưỡng, các đặc điểm nhiệt vật lý và ảnh hưởng của chế độ sấy đối với chất
lượng của thóc gạo.

1.1.1.1 Cấu trúc và thành phần của thóc gạo
Hạt thóc gồm ba thành phần, tính từ ngoài vào là lớp vỏ trấu, lớp áo cám, mầm
hạt và phần nội nhũ. Lớp vỏ trấu bên ngoài, chiếm khoảng 18 đến 20% khối lượng
hạt thóc, bảo vệ hạt khỏi những tác động nguy hiểm khi thu hoạch, sấy và bảo


7

quản. Tách bỏ vỏ trấu thu được gạo lứt (brown rice). Gạo lứt có một lớp màng bao
hạt (2%), lớp áo mầm và hạt cám (5%), mầm hạt (2-3%) và nội nhũ (89-94%).
Mầm hạt nằm ở tâm hạt là thành phần quan trọng nhất để duy trì sự sống của hạt,
rất giầu vitmin, protein và tinh dầu. Phần nội nhũ của hạt chứa các chất dinh dưỡng
cho mầm, gồm chủ yếu là tinh bột và một ít hạt cám (aleurone), chiếm khoảng 74 ÷
78% khối lượng hạt thóc. Có thể coi hạt gạo lứt là hỗn hợp của tinh bột, protein,
một lượng nhỏ lipid và ẩm [61], [84].
Gạo lứt sau khi được đánh bóng sẽ thu được gạo trắng (milled or polished rice).
Các hạt cám bên ngoài phần nội nhũ cùng lớp màng hạt và lớp áo mầm bị mất đi
sau khi đánh bóng. Khả năng hấp thụ ẩm của các thành phần này là khác nhau
nhưng trong phân tích động học quá trình sấy thóc thì sự không đồng nhất đó được
coi là không đáng kể [83].
Gạo và yến mạch là hai loại ngũ cốc có cấu trúc hạt tinh bột hợp chất (tức là hạt
tinh bột được tạo thành bởi rất nhiều hạt nhỏ). Tinh bột chiếm khoảng 90% khối
lượng khô của gạo trắng. Các hạt tinh bột gạo có kích thước rất nhỏ (2-5µm) và có
dạng hình đa giác. Hạt tinh bột gạo chứa các hạt amylose (chất tạo tinh bột) và các
điểm phân nhánh của dẫy amylopectin tạo thành pha không định hình. Các hạt
amylose và các chuỗi amylopectin bố trí theo hướng bán kính của hạt tạo thành các
vùng không định hình và các tinh thể xen kẽ nhau, tức là hạt tinh bột có cấu trúc
giống như một củ hành với các lớp amylose và amylopectin nhưng các lớp không
thể tách được [83]. Hàm lượng amylose của gạo ảnh hưởng đến chất lượng của
cơm. Gạo có hàm lượng amyloza cao thì lượng nước yêu cầu khi nấu cơm sẽ cao

hơn, cơm sẽ nở hơn, độ dóc cao hơn, dễ bị khô và cứng hơn. Gạo có hàm lượng
amyloza thấp cơm sẽ dẻo và dính hơn.
Bảng 1.1. Thành phần % của phân tử tinh bột của hai loại thóc gạo cơ bản [83]
Phân tử tinh bột
Amylose
Amylopectin
Chất trung gian

Bengal (hạt trung bình)
16,07 ± 0,42
77,37 ± 0,64
6,57 ± 0,51

Cypress (hạt dài)
26,20 ± 0,33
58,33 ± 0,51
15,47 ± 0,62


8

Protein là thành phần quan trọng thứ hai trong hạt gạo sau carbohydrate (tinh
bột). Mật độ của protein ở cám và lớp mặt ngoài của mầm khá cao, còn ở tâm hạt
gạo thì ít hơn. Gạo đã đánh bóng có hàm lượng protein thấp hơn 18% so với gạo
lứt. Protein và tinh bột ở điều kiện nhiệt ẩm cao có thể tham gia các phản ứng hóa
học làm ảnh hưởng đến chất lượng của gạo. Lượng protein trong gạo được bảo tồn
khi nấu thành cơm. Ngoài ra, trong cám gạo còn chứa các vitamin B complex, E và
K, còn trong gạo đã đánh bóng có chất béo và một số nguyên tố vi lượng khác như
iôt, manhê, phốt pho, sắt,..
1.1.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến thành phần hóa học của gạo

Các thông số chế độ sấy đối lưu nói chung, nhiệt độ và độ ẩm khí sấy nói riêng,
có ảnh hưởng mạnh đến các thành phần hóa học và dinh dưỡng của thóc gạo.
Protein và tinh bột trong hạt thóc là những chất keo háo nước. Khi hấp thụ ẩm
hai thành phần này sẽ trương nở và giữ vai trò quan trọng trong việc nẩy mầm của
hạt thóc giống. Đặc tính háo nước của hai thành phần này rất thuận lợi để làm bột
nhào khi xay nghiền. Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao (t > 50oC) protein sẽ bị biến
chất làm khả năng hấp thụ nước và trương nở của nó bị giảm. Mức độ và tốc độ
biến chất của protein tùy thuộc vào nhiệt độ sấy và thời gian tiếp xúc nhiệt của hạt.
Phương pháp xử lý protein ngậm nước biến chất là phải làm cho tốc độ sấy nhanh
hơn tốc độ biến chất của nó [139].
Tinh bột không tan trong nước nhưng trương nở khi hấp thụ ẩm. Ở nhiệt độ
o

60 C chất lượng tinh bột chưa có sự thay đổi rõ rệt, nhưng nếu nhiệt độ tăng lên
trên 70oC và ở độ ẩm cao tinh bột sẽ bị gelatin hóa và phân li dưới dạng dextrin
hóa và caramen hóa làm hạt bị đổi mầu, chất lượng dinh dưỡng giảm và khả năng
nẩy mầm của hạt cũng giảm.
Chất béo không tan trong nước và chịu nhiệt tốt hơn tinh bột và protein. Ở nhiệt
độ lớn hơn 70oC chất béo bắt đầu bị phân hủy, làm tăng acid béo. Các loại vitmin
có trong hạt cũng bị phá hủy mạnh ở nhiệt độ cao.
Hoạt động của các enzyme tăng theo nhiệt độ và đặt cực đại ở nhiệt độ 40 ÷
45oC. Ở nhiệt độ cao hơn hoạt động của các enzyme giảm dần và ngừng hoàn toàn


9

ở nhiệt độ trên 80oC. Hoạt động của enzyme, gắn với sự biến tính của protein và
thủy phân tinh bột, sẽ giảm khi được sấy ở nhiệt độ cao, làm khả năng nẩy mầm
của hạt giảm.
1.1.1.3 Khả năng sống của hạt thóc

Khả năng sống của hạt là khả năng hạt có thể nẩy mầm dưới những điều kiện
nhiệt ẩm thuận lợi. Thóc giống cần được sấy khô với ưu tiên về khả năng nẩy mầm
của hạt. Mầm của hạt thóc tươi (có độ ẩm cao) sẽ chết ở nhiệt độ lớn hơn 43oC.
Nhiệt độ an toàn cho hạt giống phụ thuộc vào độ ẩm và thời gian tiếp xúc với nhiệt
của hạt, nó sẽ tăng lên khi độ ẩm của hạt giảm xuống [52].
Nếu thóc được phơi sấy ở nhiệt độ 60oC trong 1 giờ thì khả năng nẩy mầm của
hạt bị giảm từ 95 xuống 30%, nếu trong 2 giờ thì tỷ lệ nẩy mầm chỉ còn 5%. Nhiệt
độ chịu được của hạt giống giảm khi độ ẩm của hạt tăng, ở độ ẩm 18% là 67oC
giảm xuống 56oC nếu độ ẩm của hạt là 30%. Sấy nhanh làm lớp áo trong hạt thóc
bị co ngót và biến cứng thành một lớp màng trơ ngăn cản ẩm dịch chuyển và làm
giảm khả năng nẩy mầm của hạt.
Tỷ lệ nẩy mầm của hạt giống có mối liên hệ với ứng suất làm nứt hạt khi sấy.
Hạt có nhiều vết rạn nứt thì có tỷ lệ nẩy mầm thấp. Tuy nhiên, điều đó không có
nghĩa là không có rạn nứt thì hạt sẽ có tỷ lệ nẩy mầm cao, vì tỷ lệ nẩy mầm còn
phụ thuộc những điều kiện khác ngoài các ứng suất làm nứt hạt. Tỷ lệ nẩy mầm
của thóc phụ thuộc nhiệt độ, tốc độ khí sấy và thời gian làm dịu khi sấy [69].
Trong quá trình bảo quản thóc giống thì nhiệt độ môi trường bảo quản và độ ẩm
của thóc có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sống của hạt. Độ ẩm của thóc càng
thấp thì khă năng sống của hạt giống càng dài. Nếu muốn bảo quản hạt giống lâu
hơn một năm thì độ ẩm của hạt phải nhỏ hơn 10% và phải duy trì độ ẩm đó suốt
thời gian bảo quản và có thể bảo quản an toàn hạt giống trong túi kín. Số tuần bảo
quản để giữ được 50% khả năng nẩy mầm của thóc giống có thể được xác định
theo công thức Teter [83].
1.1.1.4 Tiêu chí chất lượng và các tổn thất về chất lượng của thóc gạo


10

Vào thời điểm thu hoạch thóc có mức độ chất lượng nhất định và chất lượng
của thóc có thể bị giảm dần qua mỗi công đoạn của quá trình sản xuất. Tiêu chí

chất lượng của gạo chủ yếu được quyết định bởi các tính chất vật lý như độ ẩm
thấp, tỷ lệ hạt gẫy (Crack Grain Ratio, CGR) thấp, tỷ lệ nguyên hạt (Head Rice
Yield, HRY) cao, tỷ lệ thu hồi gạo sau xay xát cao, mầu sắc trắng trong của gạo, tỷ
lệ nẩy mầm cao (nếu là thóc giống); trong khi chất lượng của cơm lại được xác
định bởi các tính chất hóa - lý, đặc biệt là hàm lượng amylose, độ dẻo, hương, vị
của cơm [83].
Vì gạo được tiêu thụ chủ yếu ở dạng nguyên hạt nên tỷ lệ nguyên hạt HRY
được coi là thông số chất lượng quan trọng nhất của thóc gạo và theo quan điểm
thương mại thì cực đại hóa tỷ lệ HRY sau xay xát luôn là ưu tiên số một. Tỷ lệ
nguyên hạt HRY là số phần trăm (%) khối lượng gạo còn giữ được ít nhất là ¾ độ
dài ban đầu của hạt sau khi xay xát đánh bóng. Tỷ lệ nguyên hạt HRY giảm làm
giá trị thương phẩm của gạo giảm rất nhiều, thậm chí chỉ còn một nửa [19], [84].
Tỷ lệ HRY thay đổi tùy vào chất lượng của toàn bộ dẫy sản xuất thóc gạo, gồm:
giống lúa, thời điểm thu hoạch, điều kiện thu hoạch, chất lượng quá trình sấy, bảo
quản, xay xát và đánh bóng gạo. Để nâng cao tỷ lệ HRY đòi hỏi phải cố gắng trong
toàn bộ các khâu của quá trình sản xuất thóc gạo; như nghiên cứu tạo ra các giống
lúa mới ít bị nứt gẫy, cải tiến điều kiện sấy và xử lý thóc trước và sau thu hoạch
(chẳng hạn như gặt hái khi lúa chín đều, dùng phương pháp đồ thóc), cải tiến quá
trình bảo quản thóc và thiết bị xay xát đánh bóng gạo [19, 50, 55, 117].
Để xác định tỷ lệ HRY có thể sử dụng một số phương pháp và dụng cụ đo HRY
do một số nhóm nghiên cứu đề xuất [69], [87] và phương pháp phân tích hình ảnh
được coi là phương pháp hiện đại và cho kết quả chính xác nhất [129].
Tổn thất về chất lượng thóc gạo thể hiện theo các dạng sau:
1. Những thay đổi về mầu sắc. Độ trắng, độ trong mờ và mức độ đánh bóng
ảnh hưởng đến diện mạo của gạo. Gạo đã xay xát mà bị biến màu, thường thành
mầu vàng, làm nó trở nên kém hấp dẫn sẽ có giá bán kém hơn. Sự biến đổi vật lý
và hóa học từ lớp vỏ trấu, lớp cám và đến nội nhũ của hạt gây nên sự biến mầu


11

[52]. Sự trì hoãn thu hoạch cũng làm hạt bị vàng trên cánh đồng và có thể tăng mức
độ biến mầu lên thêm 5% thậm chí đến 30%, trong quá trình sấy và bảo quản [55].
2. Những thay đổi về hương thơm của gạo. Hương thơm của hạt, từ thóc đến
khi được nấu thành cơm, là một trong những chỉ tiêu hấp dẫn quan trọng của gạo,
và quá trình sấy thóc ở nhiệt độ cao có thể làm giảm hương thơm của của gạo
[105], [115].
3. Sự hư hại và giảm phẩm cấp của gạo do côn trùng, nấm mốc, tác động của
nhiệt và ẩm trong bảo quản làm cho gạo bị biến chất và bị thay đổi sắc diện như bị
đen một phần hoặc toàn bộ hạt. Gạo bị lên men do những thay đổi sinh hóa xẩy ra
trong hạt. Qui mô của quá trình lên men quyết định cường độ phá hủy các chất
dinh dưỡng của gạo (hàm lượng protein, tinh bột và vitamin). Tổn thất các vi chất
khi nấu cơm, khi xay bột và làm bánh [54], [61].
4. Mất khả năng nẩy mầm của hạt giống.
5. Giảm tỷ lệ nguyên hạt HRY và sự tạo phấn của gạo do các hạt tinh bột
trương nở tại những vùng đứt gẫy trong hạt thóc khi hạt hấp thụ ẩm và làm tăng tỷ
lệ nứt gẫy hạt gạo [1, 36, 136].
Sự thay đổi các chỉ tiêu chất lượng của thóc gạo (ví dụ như các tổn thất về dinh
dưỡng) thường gắn liền với sự mất mát về khối lượng nhưng khó nhận biết hơn.
Các tổn thất về chất lượng của thóc gạo có trong toàn bộ dẫy sản xuất nhưng ảnh
hưởng của các điều kiện sấy là rất lớn. Giảm thiểu tổn thất chất lượng của thóc
gạo, cụ thể là giảm thiểu tỷ lệ gẫy hạt và nâng cao tỷ lệ nguyên hạt HRY, để nâng
cao giá trị kinh tế của gạo được coi là mục tiêu chất lượng tiêu biểu nhất phải tính
đến trong nghiên cứu tối ưu chế độ sấy thóc [69], [87].
1.1.1.5 Các mô hình tỷ lệ nguyên hạt
Việc giảm tỷ lệ HRY rất khó gán cho một nguyên nhân đơn lẻ, nhưng các
nghiên cứu đều cho rằng tỷ lệ HRY đặc biệt nhậy cảm với điều kiện sấy và liên
quan chặt chẽ đến sự hình thành nứt gẫy bên trong hạt do ứng suất nhiệt-ẩm khi
thực hiện quá trình sấy thóc. Phần lớn các nghiên cứu quá trình sấy thóc đều quan
tâm đến việc xác định các điều kiện sấy hợp lý để làm giảm gẫy nứt hạt, làm tăng

12

tỷ lệ HRY của gạo đồng thời giảm thiểu tiêu hao năng lượng trong quá trình sấy
[36, 43, 55, 61, 65, 77, 84, 89, 115]. Ảnh hưởng của điều kiện sấy đến tỷ lệ HRY
được định lượng thông qua các mô hình toán học xác định tỷ lệ HRY. Các mô hình
HRY phụ thuộc chế độ sấy được xây dựng theo dạng mô hình lý thuyết truyền
nhiệt truyền chất, mô hình bán thực nghiệm và thực nghiệm.
Nghiên cứu bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) Bonazzi và cs.[19] đã
mô hình hóa tỷ lệ HRY của thóc như là hàm bậc hai của nhiệt độ và khả năng nhận
ẩm của khí sấy. Chen và cs. (1997) đề xuất một mô hình thực nghiệm dạng hàm
mũ mô tả tỷ lệ HRY như là hàm của thời gian và tốc độ sấy. Madamba và Yabes
[69] cũng dùng phương pháp RSM xây dựng sáu mô hình chất lượng thóc gạo phụ
thuộc nhiệt độ, tốc độ khí sấy và thời gian làm dịu trong sấy thóc gián đoạn. Kiểu
mô hình xây dựng bằng phương pháp RSM có thể giải thích ảnh hưởng chéo giữa
các biến của quá trình, sử dụng dễ dàng và không đòi hỏi nhiều điểm thí nghiệm.
Hạn chế cơ bản của những mô hình thực nghiệm là chúng chỉ chính xác trong
khoảng thông số chúng được xác định.
Các nghiên cứu trung gian giữa các mô hình lý thuyết và các mô hình thực
nghiệm là mô hình dạng “động học phản ứng hóa học”. Ưu điểm của mô hình dạng
này là có thể gắn các điều kiện vận hành hay các biến trạng thái của quá trình hoặc
sản phẩm với các hệ số của mô hình. Các mô hình dạng này đòi hỏi số lượng các
điểm thí nghiệm nhiều hơn để xác định các hệ số của phương trình. Theo cách tiếp
cận này Aguerre và cs. [1] đã đề xuất mô hình mô tả rất tốt tỷ lệ HRY như là hàm
của nhiệt độ và thời gian sấy. Nghiên cứu của Aguerre [1] chỉ ra ảnh hưởng của
nhiệt độ và độ ẩm của khí sấy đến đặc tính chất lượng HRY của thóc sấy.
Có không nhiều nghiên cứu về chất lượng thóc sấy phụ thuộc vào các điều kiện
sấy dựa trên cơ sở lý thuyết truyền nhiệt truyền chất thuần túy. Việc phân tích tốt
hơn quá trình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy thóc là rất cần thiết cho

việc cải tiến hệ thống sấy để giữ được tỷ lệ nguyên hạt cao. Phát triển mô hình gẫy
hạt gắn với mô hình truyền ẩm khuếch tán cho quá trình sấy thóc theo lớp mỏng,
với giả thuyết hạt gạo hình cầu và hệ số khuếch tán ẩm được xác định nhờ các số
liệu thực nghiệm, Zecchi và Gerla [135] đã xây dựng một mô hình HRY không thứ


13

nguyên cho thóc có dạng như nghiệm của công thức khuếch tán theo nhiệt độ, độ
ẩm khí sấy, thời gian sấy và độ ẩm của hạt không thứ nguyên. Cần lưu ý là các mô
hình trên đều được xây dựng cho QTS thóc theo lớp mỏng. Đối với QTS thóc tĩnh
theo lớp dầy Phan Hiếu Hiền và cs. đã công bố một bảng thống kê tỷ lệ HRY của
thóc sấy trong một nghiên cứu khảo sát thiết bị sấy thóc vỉ ngang [142].
1.1.2 Các mô hình sấy tĩnh hạt nông sản và thóc theo lớp dầy
Sấy lớp dầy là quá trình sấy mà thông số của khí sấy tại vị trí bất kỳ trong khối
hạt bị thay đổi theo thời gian và chiều dầy lớp hạt. Quá trình sấy hạt được thực
hiện trong “vùng sấy”, và vùng sấy dịch chuyển trong lớp hạt theo chiều chuyển
động xuyên qua lớp hạt của khí sấy. Chiều dầy lớp hạt càng lớn thì sự dịch chuyển
của vùng sấy từ đáy giường sấy lên mặt trên cùng của lớp hạt càng lâu, và lớp hạt
nằm dưới đáy của giường sấy được tiếp xúc đầu tiên với khí sấy càng dễ bị “quá
sấy”. Khi đó một lượng ẩm nhỏ được tách ra từ hạt trong vùng sấy có thể bị hấp
thụ lại bởi các hạt nằm phía trên. Thể tích của vùng sấy thay đổi theo nhiệt độ, độ
ẩm, tốc độ khí sấy và độ ẩm đầu vào của hạt. Khác với sấy lớp mỏng, trong sấy lớp
dầy vai trò của tốc độ khí sấy là đáng kể vì tốc độ dịch chuyển của vùng sấy tỷ lệ
thuận với tốc độ khí sấy [24], [28].
Mô hình mô phỏng quá trình sấy lớp dầy thường dựa trên quan niệm lớp dầy là
gồm nhiều lớp mỏng xếp chồng liên tiếp nhau theo chiều chuyển động xuyên qua
lớp hạt của khí sấy. Trong đó nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ khí sấy đi vào lớp sau
chính là nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ khí sấy đi ra lớp mỏng trước đó; độ ẩm và nhiệt
độ của hạt vào lớp sau cũng là độ ẩm và nhiệt độ của hạt đi ra lớp mỏng trước đó.

Vì vậy vai trò của công thức sấy lớp mỏng trong mô hình lớp dầy là rất quan trọng
và độ chính xác của công thức này quyết định độ chính xác của mô hình lớp dầy.
Không có công thức sấy lớp mỏng vạn năng mô tả chính xác quá trình sấy hạt lớp
dầy với độ dầy khác nhau cho các loại hạt nông sản khác nhau. Vì thế, khi nghiên
cứu quá trình sấy hạt nông sản lớp dầy các nhà nghiên cứu thường phát triển công
thức sấy lớp mỏng loại hạt đó, do đó có thể có nhiều công thức sấy lớp mỏng khác
nhau cho một loại hạt [26], [56].


14

Các mô hình mô phỏng quá trình sấy hạt nông sản và thóc gắn với việc xây
dựng và giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất mô tả a) quá trình trao đổi
nhiệt - ẩm giữa hạt và khí sấy, b) tốc độ hấp thụ và phản hấp thụ của quá trình
truyền nhiệt truyền ẩm, c) các quan hệ cân bằng giữa hạt và khí sấy và d) các tính
chất của không khí ẩm. Các công thức trong nhóm (a) được dựa trên các định luật
bảo toàn năng lượng và khối lượng. Các công thức của nhóm (d) là dựa trên tính
chất nhiệt động của không khí khô và hơi nước. Các công thức của nhóm (b) và (c)
phụ thuộc vào vật liệu và được phát triển dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm.
Mô hình sấy hạt tĩnh theo lớp dầy được phân thành ba dạng sau: a) mô hình
không cân bằng hay còn gọi là mô hình đạo hàm riêng (the p.d.e. model), b) mô
hình cân bằng (the equibrium model) và c) mô hình logarit (the logarithmic
model).
1.1.2.1 Các mô hình p.d.e.
Các mô hình p.d.e. mô phỏng quá trình sấy hạt nông sản theo lớp dầy với giả
thiết luôn tồn tại sự khác biệt đủ lớn về nhiệt độ (thường được lấy bằng 5oC) và độ
ẩm giữa khí sấy và hạt. Dựa trên giả thiết đó và các định luật bảo toàn năng lượng
và bảo toàn khối lượng trong lớp hạt mỏng được khảo sát quá trình sấy hạt được
mô tả bằng một hệ 4 phương trình đạo hàm riêng, gồm các công thức cân bằng
entanpy của khí sấy, cân bằng entanpy của hạt, cân bằng độ ẩm của khí sấy và

công thức sấy lớp mỏng mô tả tốc độ thay đổi độ ẩm của hạt [5, 6, 26]. Giải hệ
phương trình đó có thể xác định được bốn đại lượng, tại chiều dầy x trong giường
sấy ở thời điểm τ của QTS, như sau:
1. M = M(x,τ), độ ẩm trung bình cục bộ của hạt
2. tp = tp(x,τ), nhiệt độ trung bình của hạt
3. H = H(x,τ), độ ẩm của khí sấy
4. t = t(x,τ), nhiệt độ khí sấy
Mô hình sấy hạt tĩnh theo lớp dầy đầu tiên được Bakker- Arkema và cs. (1967),
Brooker và cs. (1974) [8] trình bầy, dựa trên 6 giả thiết đơn giản hóa quá trình
truyền nhiệt - truyền chất trong thể tích khảo sát có chiều dầy dx, như sau:


15

1. Sự xáo trộn hạt là không đáng kể.
2. Gradient nhiệt độ trong hạt là không đáng kể.
3. Dẫn nhiệt, dẫn ẩm từ hạt này đến hạt khác được bỏ qua.
4. Sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy theo thời gian là không đáng
kể so với theo chiều cao lớp hạt (∂t/∂τ << ∂t/∂x, ∂H/∂τ << ∂H/∂x).
5. Tường của thiết bị sấy được cách nhiệt hoàn hảo và bỏ qua lượng nhiệt tích
tụ trong lớp cách nhiệt.
6. Độ chính xác của công thức sấy lớp mỏng và độ ẩm cân bằng coi như đã
biết.
Các phương trình của Brooker (1974) như sau:
V

(

)

−h t −tp
∂t
∂t
+ε
=
∂x
∂τ (ρ a c a + ρ a cv H )

∂t p
∂τ

ρ aε

=

(

h t − tp

)

ρ p c p + ρ p cw M

+

(1.1)

(

hv + cv t − t p

)

ρ p c p + ρ p cw M

Ga

∂H
∂x

∂H
∂H
∂M
− Ga
= ρp
∂τ
∂x
∂τ

∂M
= CongThucSa yLopMongDa Biet
∂τ

(1.2)

(1.3)
(1.4)

Sau đó Spencer (1969), Sharp (1982), Laws và Parry (1983), Giner và cs. (1996)
đã trình bày các mô hình p.d.e cho quá trình sấy hạt tĩnh theo lớp dầy với thay đổi

chủ yếu là ở công thức sấy lớp mỏng mới.
Các mô hình p.d.e. trên có thể giải bằng phương pháp biến đổi tích phân hoặc
sai phân hữu hạn. Theo Ingram thì phương pháp hiêu quả và chính xác hơn cả là
phương pháp sai phân của Hamdy và Barre [26]. Srivastva và John (2002) đã xây
dựng mô hình sấy hạt lớp dầy mới có tính đến ảnh hưởng của độ rỗng của đống hạt
và đã giải các phương trình p.d.e. kết hợp với các phương trình thường bằng
phương pháp Runge-Kutta theo sơ đồ ẩn ngược [107]. Aregba và Nadeau [5] cũng
sử dụng phương pháp sai phân theo sơ đồ bán ẩn để giải hai mô hình p.d.e. của
Bakker-Akerma (1967) và Brooker (1974) và đã chỉ ra sự khác biệt đáng kể của
chúng khi dự đoán trường độ ẩm và nhiệt độ của hạt.