Luận văn thạc sĩ 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 CHÍNH LÀM
CƠ SỞ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY VẢI QUẢ SỬ
DỤNG NĂNG LƯỢNG KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2011


bộ giáo dục và đào tạo

TRNG I HC NễNG NGHIP 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 hố
nơng nghiệp và nơng 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


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 cơ 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 …………………….

i

LỜI CẢM ƠN
Với sự kính trọng, tơi 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 Xn Vượng – Hội Cơ khí Nơng nghiệp Việt Nam đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong nhiều năm tháng học tập cũng như trong suốt
quá trình nghiên cứu, hồn thành luận án.
Tơi 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 tơi hồn thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, các thầy cơ 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 tơi hồn thành đề tài.
Xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới GS.TSKH. Phạm Văn Lang - Hội Cơ
khí Nơng nghiệp Việt Nam, PGS.TS. Nơng Văn Vìn và TS. Nguyễn Thanh Hải
-Khoa Cơ khí – Trường Đại học Nơng nghiệp Hà Nội, đã có các ý kiến nhận
xét chuyên mơn hết sức sâu sắc để tơi hồn thiện chương trình nghiên cứu này.
Tơi 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 ln quan tâm, động viên giúp tơi vượt qua mọi khó khăn trong q
trình học tập và hồn 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 …………………….

ii


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 tốn 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 hố học và cơng dụng của quả vải............. 5

1.1.1. Đặc điểm cấu tạo của quả vải ........................................................................5
1.1.2. Thành phần hố học của quả vải ....................................................................6
1.1.3. Cơng 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 …………………….

iii


1.2.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ vải quả ở trong nước ..................................11
1.3. Tình hình nghiên cứu cơng 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 cơng 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 Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

iv


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: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH TRAO ĐỔI
NHIỆT ẨM TRONG BUỒNG SẤY
3.1. Mơ hình hóa q trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy....................... 57
3.1.1. Mơ 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. Mơ hình hóa q trình trao đổi nhiệt ẩm trong vật liệu sấy.......................58
3.1.2.1. Mơ hình khuếch tán.................................................................................59
3.1.2.2. Mơ hình động học....................................................................................64
3.1.3. Mơ hình hóa q 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. Mơ phỏng q 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 thơng số đến q 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 …………………….

v


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 dịng khí sấy Tn (oC ) ..................................................91
4.3.2. Ảnh hưởng của vận tốc dịng 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 cơng nghệ sấy vải quả ........................ 108
4.7.1. Sơ đồ quy trình cơng 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 CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CƠNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

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

vi


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 khơ

14

4.

HPLC

Sắc ký lỏng hiệu năng cao

19

5.

CO

Cacbon ôxit

26

6.

SO2

Lưu huỳnh điôxit

26

7.

SVQ-1

Thiết bị sấy vải quả 1

26

8.

CH4

Mêtan

31

9.

CO2

Cacbon đioxit

31

10. H2S

Khí hidro sunfua

32

11. N2

Nitơ

32

12. TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

54

13. VCK

Vật chất khơ

78

14. KKK

Khơng khí khơ

78

15. TN

Thí nghiệm

107

16. SBOG-150A Thiết bị sấy Biogas có năng suất 150kg thử

112

nghiệm
17. SVQ-3,0
18. KT-KT

Hệ thống sấy vải quả bằng than có năng suất 3 tấn 113
Kinh tế - kỹ thuật

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

114

vii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TỐN 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.

Mo

%

Độ ẩm ban đầu của cùi vải

16

5.

M

%

Độ ẩm vải quả tại thời điểm khảo sát

16

6.

Me

%

Độ ẩm cân bằng tương ứng

16

-

Các hệ số thực nghiệm

16

7.

a,b,c,d,p

8.

Dflesh

m2/s

Độ khuếch tán ẩm của cùi vải quả

17

9.

Dseed

m2/s

Độ khuếch tán ẩm của hạt vải quả

17

10.

Dshel

m2/s

Độ khuếch tán ẩm của vỏ vải quả

17

11.

T

C

Nhiệt độ dịng khí sấy

17

12.

R2

-

Hệ số tương quan

17

13.

Vo

m³

Thể tích ban đầu của cùi vải

18

14.

V

m³

Thể tích của cùi vải sau khi sấy khơ

18

15.

∇

-

Tốn tử gradient

39

16.

∇T

-

Tốn tử divergence

39

17.

ρ

kg/m³

Khối lượng riêng của vải quả

39

18.

Cp

J/kg.0K

Nhiệt dung riêng của vải quả

39

19.

h

cm

Khoảng cách giữa các thanh treo vật

42

o

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

viii


TT

Ký hiệu

Đơn vị

Giải thích

Trang

liệu sấy
20.

v

m/s

Vận tốc dịng khí sấy

42

21.

K

%

Độ khơ không đều của sản phẩm sấy

42

22.

Q

đ

Điểm tổng hợp chất lượng sản phẩm

42

sấy
23.

Gr

m3gas/kg Chi phí nhiên liệu riêng

42

SPK
24.

xi

-

Giá trị mã hố của yếu tố thứ i

43

25.

εi

-

Khoảng biến thiên của yếu tố thứ i

43

26.

Nα

-

Số thí nghiệm ở mức phụ

43

27.

N0

-

Số thí nghiệm ở mức cơ sở

43

28.

σ

-

Độ lệch bình phương trung bình của

53

các mẫu đo
29.

Mc

%

Độ ẩm quy định của quả vải theo yêu

54

cầu công nghệ
30.

Mi

%

31.

n

mẫu

32.

&
m

kg/h.m2

33.

q&

J/h.m2

34.

D

-

Độ ẩm của quả vải thứ i

54

Số mẫu đo

54

Tốc độ dòng ẩm

59

Tốc độ dòng nhiệt

59

Hệ số dịch chuyển ẩm của cả chất

59

lỏng và hơi

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

ix


TT

Ký hiệu

Đơn vị

35.

kth

-

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

m2

Diện tích bề mặt hạt

61

40.

Vl

m3

Thể tích của phần tử vật liệu

61

41.

θab

o

Nhiệt độ trung bình của quả

62

42.

D

m2/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

m3

Thể tích của sản phẩm ở độ ẩm M

64

47.

V0

m3

Thể tích của sản phẩm ở độ ẩm ban

64

C

Giải thích

Trang

đầu Mo
48.

Dair

m2/s

49.

∆xfr

50.

∆xar

Độ khuếch tán của khơng khí

64

m

Độ dày của cùi

64

m

Khoảng cách khơng khí giữa vỏ và

64

cùi
51.

W

%

Độ ẩm trung bình của khơng khí

66

52.

Srq

m2

Diện tích bề mặt vải quả

70

53.

h

J/m2.h.oC Hệ số truyền nhiệt đối lưu

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

70
x


TT

Ký hiệu

Đơn vị

54.

hfg

J/kg

55.

θ

o

56.

Giải thích

Trang

Nhiệt hố hơi

71

C

Nhiệt độ vải quả

70

φ

%

Độ ẩm tương đối của khơng khí

72

57.

p

bar

Áp suất khí trời

73

58.

pb

bar

Phân áp suất bão hịa của hơi nước

73

trong khơng khí
59.

ro

m

Bán kính tương đương của vải quả

60.

Ca

kJ/kg.oK Nhiệt dung riêng của khơng khí

73

61.

Ga

kg/h.m2

73

Khối lượng khơng khí chuyển động

73

qua tiết diện cắt ngang buồng sấy
62.

va

m/h

Tốc độ khơng khí

73

63.

ρa

kg/m3

Khối lượng riêng của khơng khí

74

64.

µa

kg/h.m

Độ nhớt của khơng khí

74

65.

Vb

m3

Thể tích khơng gian chứa vải quả

74

trong buồng sấy
66.

ε

m3

Độ rỗng của khối vải quả trong vùng

74

sấy
67.

G

kg

Khối lượng vải quả chứa trong buồng

75

sấy
68.

Vqr

m3

Thể tích chiếm chỗ vải quả trong buồng

75

sấy
69.

Sxq

m2

Diện tích xung quanh của vải quả

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

75

xi


TT

Ký hiệu

Đơn vị

Giải thích

70.

Vq

m3

Thể tích của vải quả

75

71.

dqtd

m

Đường kính tương đương của vải quả

75

72.

Yj

-

Hàm thành phần

98

73.

xi

-

Các yếu tố ảnh hưởng

98

74.

Fb

-

Tiêu chuẩn Fisher

97

75.

dj

-

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 …………………….

Trang

xii


DANH MỤC HÌNH TRONG LUẬN ÁN
Hình

Nội dung

Trang

Hình 1.1

Cấu tạo quả vải

5

Hình 1.2

Vải sấy khơ 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

15

sấy 50oC 60oC và 70oC và độ ẩm tương đối của khơng
khí là 10%, 20% và 25%.
Hình 1.5

Đồ thị biểu diễn sự co rút (V/V0) của vải quả theo lượng

18

ẩm mất đi
Hình 1.6

Sơ đồ quy trình cơng nghệ sấy vải bệt

21

Hình 1.7

Quy trình cơng nghệ sấy vải quả treo

23

Hình 1.8

Mơ hình lị sấy vải thủ cơng

25

Hình 1.9

Sơ đồ ngun 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 dj khi Yj bị chặn một

48

phía
Hình 2.5

Thiết bị đo tốc độ gió (SMART SENSOR)

49

Hình 2.6

Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm dịng 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 …………………….

xiii


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

52

sấy
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 Mơ hình kết cấu hệ thống thiết bị sấy

57

Hình 3.2 Cấu tạo của quả vải

63

Hình 3.3 Mơ hình cân bằng năng lượng và khối lượng dịng khí sấy

67

của quả vải
Hình 3.4 Quy luật thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của vải quả theo thời

79

gian
Hình 3.5 Quy luật thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của khơng khí sấy

81

theo thời gian
Hình 3.6 Ảnh hưởng của vận tốc dịng khí đến nhiệt độ khơng khí

82

trong buồng sấy theo thời gian.
Hình 3.7

Ảnh hưởng của vận tốc dịng khí sấy đến đặc tính giảm

84

ẩm của vải quả trong buồng sấy theo thời gian
Hình 4.1

Hình ảnh vải quả khơ 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 …………………….

xiv


Hình

Nội dung

Trang

Hình 4.4

Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ dịng khí sấy

92

đến các hàm Y1, Y2, Y3 và Y4.
Hình 4.5

Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc dịng khí sấy đến các hàm

93

Y1, Y2, Y3 và Y4.
Hình 4.6

Đồ thị ảnh hưởng của khoảng cách thanh treo vật liệu

95

sấy đến các hàm Y1, Y2, Y3 và Y4
Hình 4.7

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

100

tốc dịng khí sấy
Hình 4.8

Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dịng khí sấy và

100

khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
Hình 4.9

Ảnh hưởng của cặp yếu tố vận tốc dịng khí sấy và

100

khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
Hình 4.10 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dịng khí sấy và vận

101

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

101

khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
Hình 4.12 Ảnh hưởng của cặp yếu tố vận tốc dịng khí sấy và

102

khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
Hình 4.13 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dịng khí sấy và vận

102

tốc dịng khí sấy
Hình 4.14 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dịng khí sấy và

103

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

103

khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
Hình 4.16 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dịng khí sấy và vận
Trường Đại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

103

xv


Hình

Nội dung

Trang

tốc dịng khí sấy
Hình 4.17 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ dịng khí sấy và

104

khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
Hình 4.18 Ảnh hưởng của cặp yếu tố vận tốc dịng khí sấy và

104

khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
Hình 4.19 Quy trình công nghệ sấy vải quả trên hệ thống sấy

109

SBOG – 150
Hình 4.20 Vải quả sấy khơ

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

113

xvi


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

12

Nam năm 2007
Bảng 1.3

Giá vải khô ở một số thị trường nội tiêu năm 2011

13

Bảng 1.4

Mơ hình biểu diễn đặc tính giảm ẩm của vải quả bóc vỏ

16

khi sấy
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 hố học, dinh dưỡng của vải

20

tươi và vải khơ của Thái Lan
Bảng 1.7

Đặc tính và sản lượng KSH của một số chất thải thường

30

gặp
Bảng 1.8

Số lượng cơng 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 tốn mơ phỏng

78

Bảng 3.2

Quan hệ giữa vận tốc và thời gian dịng khí qua buồng sấy

83

với độ chênh nhiệt độ dịng khí và chiều cao buồng sấy
Bảng 3.3

Mối quan hệ giữa thời gian sấy ứng với chế độ vận tốc

84

khác nhau
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 dịng

91

khí sấy

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

xvii


Bảng

Nội dung

Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của vận tốc dịng khí

Trang
93

sấy
Bảng 4.4

Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của khoảng cách

94

thanh treo vật liệu sấy
Bảng 4.5

Mức biến thiên và giá trị mã hoá của các yếu tố xi

96

Bảng 4.6

Các hệ số hồi qui có nghĩa của các hàm Yj

97

Bảng 4.7

Kiểm tra tính thích ứng của mơ hình tốn

98

Bảng 4.8 Giá trị tối ưu của các yếu tố vào xi và các hàm thành phần
Yj
Bảng 4.9

Các hệ số hồi qui dạng thực

Bảng 4.10 Kết quả thí nghiệm sấy tại các thơng số tối ưu

98
99
106

Bảng 4.11 Kết quả xác định một số chỉ tiêu hóa học vải quả sấy khô 107
ứng với giá trị tối ưu của các yếu tố vào
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 sấy vải 114
quả

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

xviii


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 khơng
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 …………………….

1


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 khơ trong hàng ngàn lị sấy
thủ cơng dùng trực tiếp khói lị làm dịng khí sấy nên nhiều mẻ sấy có chất
lượng rất kém khơng 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 mơi trường. Trong khi đó
nguồn năng lượng khí sinh học được sản sinh từ các cơng trình xử lý chất thải
chăn ni 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 q trình sấy, góp phần tiết kiệm năng lượng hố
thạch và giảm ô nhiễm môi trường là vấn đề cấp thiết.
Xuất phát từ tình hình thực tiễn trên, chúng tơi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu

một số thơng 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 ơ nhiễm mơi trường.
- Mục tiêu cụ thể: Xác định một số thông số tối ưu làm cơ sở để hồn
thiện quy trình cơng 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 q trình
sấy.

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

2


- Xây dựng mơ hình q trình trao đổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy và
dịng 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 hồn thiện quy trình cơng 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 mơ 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 mơ hình hố và mơ phỏng để xác định các
thơng 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 khơ vải quả nói riêng và các loại nơng sản thực
phẩm nói chung. Đây là thiết bị sấy sử dụng khơng 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, hồn tồn 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 …………………….

3


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 thơng 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 hố thạch và giảm ô nhiễm môi trường.
- Bằng phương pháp mơ hình hố và mơ phỏng đã xây dựng được mơ
hình tốn biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ ẩm dịng 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 dịng khí sấy, vận tốc
dịng 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 mơ phỏng q 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 …………………….

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1. Đặc điểm cấu tạo, thành phần hố học và cơng 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 lơng chim mọc so le dài 15 ÷ 25 cm, với 2 ÷ 8 lá
chét ở bên dài 5 ÷10 cm và khơng 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 trịn, hình ơ van hoặc hình
tim, chiều cao 3 ÷ 5cm và đường kính 2 ÷ 4cm. Lớp vỏ ngồi 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 khơng 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

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

5