Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của liên hợp máy băm ép nước dứa

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Dứa là loại trái cây quí, có giá trị dinh dưỡng và giá trị kinh tế cao, được coi là “nữ hoàng” (Queen) của các loài quả. Diện tích trồng dứa ở nước ta hiện nay khoảng 39.900ha, sản lượng 502.700 tấn, kim ngạch xuất khẩu các sản phẩm dứa đạt 41,4 triệu USD/ 1 năm, đứng đầu trong xuất khẩu rau quả. Cây dứa đã góp phần quan trọng trong việc xóa đói giảm nghèo cho hàng triệu nông dân ở nhiều địa phương trong cả nước.

Trong các sản phẩm chế biến từ dứa, nước dứa được tiêu thụ nhiều nhất vì nó có giá trị kinh tế cao, thuận tiện cho việc vận chuyển và bảo quản lâu dài. Trong quy trình sản xuất nước dứa thì băm ép nước dứa là những khâu quan trọng quyết định đến năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm.

Hiện nay, các nhà máy chế biến dứa quy mô công nghiệp mới chỉ đáp ứng được một phần nhu cầu chế biến dứa nguyên liệu. Tại nhiều địa phương đang rất thiếu những thiết bị ép nước dứa phù hợp với quy mô vùng nguyên liệu và khả năng đầu tư của các doanh nghiệp chế biến. Các thiết bị chế biến dứa hiện đại nhập khẩu của nước ngoài tuy năng suất cao, chất lượng sản phẩm tốt nhưng cần vốn đầu tư rất lớn, không phù hợp với quy mô và khả năng tài chính của các cơ sở sản xuất trong nước. Một số cơ sở sản xuất, Viện, trường Đại học đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo một số máy băm, ép nước dứa. Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế như: chất lượng sản phẩm không ổn định, chi phí năng lượng lớn, chi phí đầu tư thiết bị, bảo trì và sửa chữa lớn nên các cơ sở sản xuất khó chấp nhận.

Ở Việt Nam chưa có nhiều công trình nghiên cứu về thiết bị băm ép nước dứa, thiết bị chế tạo trong nước rất ít và còn nhiều hạn chế. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị băm ép nước dứa phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước nhằm nâng cao năng suất, chất lượng, hạ giá thành sản phẩm, có thể triển khai áp dụng rộng rãi trong sản xuất là vấn đề rất cấp thiết.

Xuất phát từ thực tiễn trên đây, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu một

số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của liên hợp máy băm ép nước dứa”.

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tạo ra thiết bị băm ép nước dứa phục vụ sản xuất nước dứa và nước dứa cô đặc nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng điện, giảm chi phí sản xuất, góp phần giảm ô nhiễm môi trường.

- Xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc tối ưu làm cơ sở để

hoàn thiện thiết kế, chế tạo liên hợp máy băm ép nước dứa.

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Xác định tính chất cơ lý, hóa của dứa liên quan đến quá trình băm ép dứa.

- Xây dựng mô hình lý thuyết quá trình ép nguyên liệu dứa nhằm định

hướng cho việc thiết kế liên hợp máy băm ép dứa.

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc tối ưu làm cơ sở cho việc hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết kế, cải tiến liên hợp máy băm ép dứa.

- Ứng dụng liên hợp máy băm ép nước dứa trong sản xuất nhằm xác định hiệu

quả kinh tế - kỹ thuật của liên hợp máy để có thể áp dụng rộng rãi trong sản xuất.

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Là các thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của liên hợp máy băm ép nước

dứa: tốc độ dao băm, tốc độ vít xoắn, khe hở cửa thoát bã và chiều rộng lỗ sàng.

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình liên hợp máy băm ép dứa kiểu vít xoắn BE-500 có năng

suất 500 kg/h.

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đã ứng dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng để biểu diễn mối quan hệ của một số thông số trong quá trình ép nước dứa và ứng dụng để xác định một số thông số cơ bản về cấu tạo và chế độ làm việc của liên hợp máy băm ép nước dứa, nhằm định hướng cho việc thiết kế, chế tạo liên hợp máy.

- Đã thiết kế, chế tạo thành công liên hợp máy băm ép nước dứa có bộ phận băm và bộ phận ép lắp trên cùng một khung bệ máy, góp phần nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, giảm chi phí lao động và tiết kiệm điện năng phù hợp với quy mô của các cơ sở chế biến ở nước ta hiện nay.

6 Những đóng góp mới của luận án

- Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm đã thiết lập được mô hình toán và mô phỏng được mối quan hệ của một số thông số trong quá trình ép từ đó xác định được các thông số cơ bản về cấu tạo và chế độ làm việc của liên hợp máy băm ép nước dứa nhằm định hướng cho việc thiết kế liên hợp máy.

- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn, đa yếu tố và nghiên cứu tối ưu tổng quát đã xác định được giá trị tối ưu của các yếu tố vào: tốc độ quay của vít xoắn, khe hở cửa thoát bã, chiều rộng lỗ sàng và giá trị tối ưu của các thông số ra: độ sót dịch quả, năng suất máy và chi phí điện năng riêng. Đó là cơ sở để hoàn thiện thiết kế và chế tạo liên hợp máy băm ép nước dứa phục vụ sản xuất.

- Đã thiết kế chế tạo liên hợp máy băm ép nước dứa có bộ phận băm được kết

cấu bởi các hàng dao động và dao tĩnh bố trí xen kẽ nhau, bộ phận ép kiểu vít xoắn hình côn với bước xoắn giảm dần, nhờ đó giảm được lượng dịch quả sót theo bã, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và thuận lợi cho việc tự động hóa dây chuyền sản xuất. Thiết bị có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, hoàn toàn có thể chế tạo trong nước thay thế cho các thiết bị nhập ngoại đắt tiền, vì thế có thể áp dụng rộng rãi cho 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 về công nghệ và thiết bị băm ép dứa.

Chương 2: Nguyên liệu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu.

Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng quá trình ép nước dứa.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm.

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ BĂM ÉP NƯỚC DỨA

1.1 Đặc điểm cấu tạo, phân loại, thành phần hoá học và công dụng của quả dứa 1.1.1 Đặc điểm cấu tạo của quả dứa

Chồi (hoa)

Thịt

Vỏ

Lõi

Hình 1.1 Quả dứa

Quả dứa thuộc loại quả kép, bao gồm nhiều quả gắn trên một trục hoa. Kích thước, màu sắc, hình dạng quả thay đổi tuỳ theo giống và điều kiện trồng. Về cấu tạo quả dứa có 3 phần: vỏ quả, thịt quả và lõi (hình 1.1).

1.1.2 Phân loại dứa a) Phân loại theo giống

Dứa được phân thành ba nhóm chính: Nhóm Queen (Hoàng hậu): Quả nhỏ, mắt lồi, vỏ cứng, thịt quả vàng đậm,

giòn, hương thơm, vị ngọt đậm, có chất lượng cao, nhưng năng suất thấp.

Nhóm Cayen (Cayenne): Quả to, mắt to và nông, vỏ mỏng, nhiều nước, thịt

ít vàng, ít ngọt hơn dứa Queen, năng suất cao, phù hợp để chế biến công nghiệp.

Nhóm Tây Ban Nha (Spanish): Chịu bóng rợp tốt, quả to, mắt sâu, thịt quả

vàng nhạt có chỗ trắng, vị chua, ít thơm nhưng nhiều nước.

Các giống dứa khác nhau có nhiều đặc điểm công nghệ khác nhau nên khi

chế biến cần phải điều chỉnh thiết bị và công nghệ cho phù hợp với mỗi loại dứa. b) Phân loại theo độ chín

Vỏ có màu xanh, chưa có hàng mắt nào màu vàng.

Phân loại Độ 0 (dứa xanh) Độ 1 (dứa ương)

Độ 2 (dứa chín)

Đặc điểm và tính chất công nghệ của dứa phụ thuộc vào độ chín (bảng 1.1).

Vỏ xanh, có 12 hàng mắt gần cuống màu vàng. Vỏ màu xanh - vàng, có từ 34 hàng mắt màu vàng. Vỏ dứa vàng gần như hoàn toàn, có chỗ chuyển màu thâm.

Độ 3 (dứa quá chín)

Bảng 1.1 Đặc điểm phân loại quả dứa theo độ chín. Đặc điểm khác Đặc điểm nhận dạng Độ cứng >4 kG/cm2, thịt quả màu trắng, rất ít nước, vị nhạt, chưa có mùi thơm. Độ cứng từ 34kG/cm2, thịt quả hơi vàng, ít nước, hàm lượng đường thấp, ít mùi thơm. Độ cứng từ 23kG/cm2, thịt quả màu vàng nhạt, nhiều nước, hàm lượng đường cao, mùi thơm mạnh. Vỏ mềm, bấm ngón tay ra nước, độ cứng <2kG/cm2, thịt quả màu vàng sẫm, dễ bị lên men, mùi thơm mạnh có thể có mùi chua.

1.1.3 Thành phần hóa học của quả dứa

Quả dứa có hàm lượng nước, hàm lượng đường cao, giàu axit hữu cơ, vitamin C, B1, B2, B3, nhiều khoáng chất ka li, can xi, ma giê, phốt pho, sắt và enzim promelin.

Các thành phần chủ yếu gồm: Nước chiếm 72 - 88%; chất khô: 15 - 24%; đường 8 - 19%; trong đó saccaro chiếm 70%; axit hữu cơ từ 0,3 - 0,8%, phần lớn là axit xitric, còn lại là axit malic, axit tartaric, axit sunxinic. Hàm lượng protit khoảng 0,5%, chất khoáng 0,25%; vitamin C 40%mg; vitamin B1, B2, B3 ... khoảng 0,04 đến 0,09 %mg.

Thành phần hóa học của dứa biến động theo giống, độ chín, thời vụ thu

hoạch, điều kiện canh tác và địa bàn trồng trọt. 1.1.4 Công dụng của quả dứa a) Trong lĩnh vực thực phẩm và công nghiệp

- Dứa để ăn tươi hoặc chế biến các món ăn được nhiều người ưa thích. - Chế biến các sản phẩm thực phẩm: đồ hộp, đông lạnh, sấy khô, nước dứa

tươi và nước dứa cô đặc phục vụ tiêu dùng trong nước và xuất khẩu.

- Sản xuất rượu quả, cồn, dấm, xitrat, thức ăn chăn nuôi và phân bón. - Chiết xuất ra chế phẩm bromelin dùng trong công nghiệp sản xuất nước

chấm, thuộc da, vật liệu làm phim,... b) Trong y học và mỹ phẩm

Các sản phẩm chế biến từ dứa có thể dùng để phòng và chữa bệnh huyết áp cao, giảm cholesterol, làm bền thành mạch máu, chống loãng xương, giảm ho, tiêu đờm, tẩy giun kim và làm tan sỏi thận,...

Dứa còn dùng để sản xuất một số thực phẩm chức năng để bồi bổ sức khỏe,

sản xuất mỹ phẩm làm đẹp rất có giá trị.

1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ dứa 1.2.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ dứa trên thế giới

Dứa là một trong những cây ăn quả quan trọng trên thế giới, đứng thứ 3 sau chuối và cây có múi, là loại cây có nguồn gốc ở Nam Mỹ, hiện nay được trồng nhiều ở Nam Mỹ, Thái Lan, Trung Quốc,… trong đó các nước châu Á chiếm trên 60% sản lượng dứa của thế giới. Sản lượng dứa quả trên thế giới hàng năm đạt gần 20 triệu tấn. Philippin và Braxin là hai nước sản xuất dứa lớn nhất thế giới, tiếp đến là Thái Lan, Costa Rica, Trung Quốc, Ấn độ, Indonexia,... Việt Nam xếp thứ 10 trong số các nước sản xuất dứa nhiều nhất thế giới

1.2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ dứa trong nước a) Diện tích và sản lượng dứa trong nước

Ở nước ta, dứa được trồng tập trung nhiều ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, Trung bộ và bắc Trung bộ. Diện tích trồng dứa hiện nay đạt 39,9 nghìn ha, sản lượng dứa quả đạt 477,4 nghìn tấn, xếp thứ 10 trong số các nước sản xuất dứa nhiều nhất thế giới, tuy nhiên xuất khẩu dứa của Việt nam mới chiếm 2% sản lượng của thế giới, chưa tương xứng với tiềm năng sản xuất. b) Tình hình chế biến và tiêu thụ dứa trong nước

Công nghiệp chế biến dứa tập trung tại một số tỉnh: Tiền Giang, Kiên Giang, Nghệ An, Ninh Bình,... các nhà máy có quy mô từ 2.000 đến 6.000 tấn sản phẩm/1 năm. Các sản phẩm nước dứa và dứa cô đặc một phần nhỏ tiêu thụ trong nước, phần lớn để xuất khẩu. Năm 2012, xuất khẩu các sản phẩm dứa đạt 41 triệu USD, góp phần đưa Việt Nam vào Top 5 nước xuất khẩu rau quả lớn nhất thế giới. Tại một số địa phương, chưa có công nghiệp chế biến dứa, các cơ sở chế biến nhỏ thiếu vốn, thiết bị, công nghệ lạc hậu chưa đáp ứng được nhu cầu chế biến dứa.

1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị ép nước dứa 1.3.1 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị ép nước dứa trên thế giới 1.3.1.1 Một số kết quả nghiên cứu lý thuyết về quá trình ép của một số tác giả

nước ngoài

a) Nghiên cứu chuyển động của khối nguyên liệu trong quá trình ép

Mối quan hệ giữa ứng suất và độ nhớt theo định luật Niutơn:

 ; trong đó:

dv dy

 = là gradien tốc độ trượt (1.1)

Đối với chất lỏng phi Niutơn, theo E.Bingham và Kh.Grin, quan hệ giữa

 



ứng tiếp, độ nhớt, ứng suất tới hạn tuân theo quy luật:

 T

dv dy

; Trong đó: T là ứng suất trượt tới hạn, N/m2 (1.2)

b) Nghiên cứu về máy ép vít

Theo A.IA. Xokolov khi nghiên cứu về máy ép vít dùng để sản xuất thực

phẩm, quan hệ giữa lực động Q và lực toàn phần P theo công thức:

Q P.tg(



  

)

(1.7)

Trong đó: Q- lực tác dụng lên trục vít tại đường kính trung bình; P- lực toàn phần do áp suất ép; tb- góc nâng cánh vít tại đường kính trung bình; - góc ma sát giữa nguyên liệu và bề mặt cánh vít. 1.3.1.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ sản xuất nước dứa trên thế giới

Quy trình chung sản xuất nước dứa (hình 1.2).

Hình 1.2 Quy trình công nghệ sản xuất nước dứa

Quy trình sản xuất nước dứa bao gồm nhiều khâu, trong đó băm ép nước dứa là khâu có ảnh hưởng lớn đến năng suất, chi phí điện năng, chất lượng sản phẩm và hiệu suất thu hồi dịch quả.

1.3.1.3 Thiết bị ép nước dứa

Hầu hết các dây chuyền chế biến nước dứa ở các nước có ngành công nghiệp chế biến dứa phát triển đều có công suất lớn, hiện đại, mức độ cơ khí hóa và tự động hóa cao với vùng nguyên liệu dứa tập trung hàng nghìn ha trở lên.

1.3.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị ép nước dứa ở Việt Nam

1.3.2.1 Công nghệ sản xuất nước dứa ở Việt Nam

Trên cơ sở tiếp thu công nghệ sản xuất nước dứa của các nước phát triển, Bộ NN và PTNT đã ban hành tiêu chuẩn Việt Nam số 10TCVN 612-2005 về quy trình sản xuất nước dứa cô đặc, có điều chỉnh bổ sung cho phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

1.3.2.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng thiết bị ép nước dứa ở Việt Nam

Một số nhà máy chế biến dứa quy mô từ 2.0006.000 tấn sản phẩm/1 năm đã được xây dựng, trong đó phần lớn thiết bị nhập ngoại hiện đại, năng suất cao, chất lượng sản phẩm tốt nhưng cần vùng nguyên liệu lớn và vốn đầu tư lớn.

Ở những vùng dứa trồng không tập trung, chi phí vận chuyển lớn, giá thành sản phẩm cao không phù hợp với các thiết bị nhập ngoại. Một số cơ sở sản xuất và trường đại học trong nước đã nghiên cứu chế tạo thiết bị ép nước dứa: Máy ép thủy lực PA-15TL (công ty TNHH công nghệ Sài Gòn) kiểu gián đoạn năng suất thấp; máy ép dứa ED-500 (đại học Nông nghiệp Hà Nội) bước đầu đạt kết quả tốt, tuy nhiên cần được nghiên cứu hoàn thiện thêm.

Tại nhiều địa phương đang rất cần những thiết bị chế biến dứa chế tạo trong nước phù hợp với điều kiện, quy mô sản xuất và khả năng tài chính của các doanh nghiệp. Vì vậy, việc nghiên cứu một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc nhằm thiết kế, chế tạo liên hợp máy băm ép nước dứa đáp ứng nhu cầu sản xuất, góp phần nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất gắn với vùng nguyên liệu là nhu cầu cần thiết hiện nay.

1.4 Kết luận

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về công nghệ và thiết bị chế biến dứa

trong và ngoài nước, chúng tôi đề xuất một số nhiệm vụ nghiên cứu:

1. Về công nghệ: Lựa chọn công nghệ ép nước dứa liên tục bằng liên hợp máy băm ép nước dứa kiểu vít xoắn vì nó có ưu điểm nổi trội so với các phương pháp lấy nước dứa khác là: Thiết bị làm việc liên tục, năng suất cao, tiết kiệm được chi phí nhân công, giảm chi phí điện năng, độ sót dịch quả tương đối thấp, thiết bị đơn giản dễ chế tạo, dễ vận hành có thể triển khai rộng rãi trong thực tế nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

2. Về thiết bị: Cần nghiên cứu cải tiến về hình dạng và kết cấu bộ phận ép sao cho phù hợp với quá trình thoát dịch quả trong nguyên liệu dứa nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi dịch quả, giảm chi phí điện năng riêng. Đồng thời cần phải thiết kế bộ phận băm và ép trên cùng một khung máy nhằm giảm bớt số lượng nguồn động lực, cơ cấu truyền động tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa dây chuyền sản xuất và giảm lao động thủ công trong sản xuất.

3. Về nghiên cứu lý thuyết: Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của A.Ia Xokolov về quá trình nén ép thực phẩm lỏng nhớt bằng máy ép vít xoắn, xây dựng mô hình toán và khảo sát quy luật biến đổi vận tốc và áp suất của vật liệu trong bộ phận ép làm cơ sở để xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của liên hợp máy.

4. Về nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định một số thông số tối ưu làm cơ sở cho việc hoàn thiện công nghệ, thiết kế cải tiến liên hợp máy băm ép nước dứa và triển khai áp dụng rộng rãi trong sản xuất.

Chương 2 NGUYÊN LIỆU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nguyên liệu nghiên cứu

Nguyên liệu nghiên cứu là dứa quả Cayen trồng tại vùng Đồng Giao (Ninh Bình), đường kính trung bình 10 ÷ 12 cm, chiều dài trung bình 12 ÷ 14 cm, khối lượng trung bình 600 ÷ 800g, độ chín ở mức 1, mức 2 và mức 3. 2.2 Đối tượng nghiên cứu

Là các thông số về cấu tạo, chế độ làm việc của liên hợp máy băm ép dứa

1- phễu cấp liệu; 2- bộ phận cào liệu; 3- bộ phận băm; 4- vít xoắn; 5- sàng và giá đỡ sàng; 6- cửa thoát bã; 7- bộ phận điều chỉnh khe hở cửa thoát bã; 8, 9, 12 - bộ truyền đai; 10- khung bệ máy; 11- động cơ.

(ký hiệu BE-500). Sơ đồ cấu tạo của liên hợp máy (hình 2.1).

Liên hợp máy gồm bộ phận băm và bộ phận ép được lắp trên một khung máy.

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo liên hợp máy băm ép dứa BE-500

Bộ phận băm được cấu tạo bởi hai hàng dao động hàn chặt trên trống băm, một

hàng dao tĩnh lắp cố định vào vỏ máy.

Bộ phận ép kiểu vít xoắn, mặt ngoài hình trụ tròn, trục của vít xoắn dạng côn có đường kính tăng dần về phía cửa thoát bã. Trục vít xoắn có thể di chuyển dọc trục để thay đổi khe hở cửa thoát bã nhờ bộ phận điều chỉnh khe hở cửa thoát bã.

Với kết cấu như trên, liên hợp máy băm ép nước dứa BE-500 có những ưu

điểm như sau:

- Thực hiện đồng thời hai nguyên công băm và ép trên cùng một thiết bị nên tiết kiệm được lao động, giảm được nguồn động lực và cơ cấu truyền động, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa dây chuyền sản xuất.

- Trục trong của vít xoắn có dạng hình côn, đường kính tăng dần và bước xoắn giảm dần phù hợp với việc giảm thể tích hỗn hợp do dịch quả thoát qua lỗ sàng, tạo ra áp suất ép tăng từ từ, nhờ đó bã được ép kiệt, hiệu suất thu hồi dịch quả cao.

- Có thể ép một số loại quả khác có tính chất tương tự.

2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô hình hóa và mô phỏng quá trình ép nước dứa

Áp dụng kết quả nghiên cứu của A.Ia Xokolov về quá trình nén ép thực phẩm lỏng nhớt bằng máy ép vít xoắn, dùng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng để xây dựng mô hình toán biểu diễn quy luật biến đổi vận tốc và áp suất của vật liệu theo chiều dọc trục nhằm xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc nhằm định hướng cho việc thiết kế liên hợp máy. 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 2.3.2.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố

Áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố nhằm nghiên cứu ảnh hưởng riêng của từng yếu tố vào đến các thông số ra, qua đó xác định mức biến thiên, khoảng biến thiên và miền nghiên cứu của các yếu tố làm cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố.

Các yếu tố vào: tốc độ quay của dao băm nd (vg/ph), tốc độ quay của vít

xoắn n (vg/ph), khe hở cửa thoát bã s (mm) và chiều rộng lỗ sàng a (mm).

Các thông số ra: độ sót dịch quả theo bã  (%), năng suất máy Q (kg/h) và

chi phí điện năng riêng Nr (kWh/tấn). 2.3.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố

Áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố để nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố vào nhằm thiết lập phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố vào với các thông số ra làm cơ sở xác định giá trị tối ưu của các thông số. 2.3.2.3 Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát

Áp dụng phương pháp tối ưu tổng quát bằng cách lập “hàm mong muốn” tổng quát của E.C.Harrington để xác định giá trị tối ưu chung của các yếu tố vào cho tất cả các thông số ra làm cơ sở để hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết kế chế tạo liên hợp máy. 2.3.3 Phương pháp xác định một sô thông số của quá trình nghiên cứu

- Năng suất máy Q được xác định bằng cách cân khối lượng nguyên liệu ép

được trong thời gian khảo nghiệm.

- Chi phí điện năng riêng Nr được xác định bằng thiết bị đo chi phí điện năng

kiểu điện tử hiện số.

- Lượng dịch quả còn lại trong bã δ được xác định theo phương pháp dựa trên cơ sở xác định hàm lượng chất khô của bã ban đầu và hàm lượng chất khô của bã sau khi đã tách hết lượng dịch quả trong nồi chưng cách thủy. 2.3.4 Phương pháp xử lý gia công số liệu đo đạc

Để xử lý và gia công các số liệu thí nghiệm, chúng tôi áp dụng qui tắc của lý thuyết xác xuất và thống kê toán học để đảm bảo độ tin cậy của số liệu thí nghiệm.

Chương 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ÉP NƯỚC DỨA

Trong liên hợp máy băm ép nước dứa, hai quá trình băm và ép diễn ra liên tục và kế tiếp nhau, trong đó ép là quá trình chính có tính chất quyết định đến năng suất, chất lượng và chi phí năng lượng riêng, băm là quá trình làm nhỏ sơ bộ vật liệu tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình ép. Vì vậy trong nội dung luận án này chúng tôi chỉ nghiên cứu quá trình ép.

3.1 Mô hình hóa quá trình ép nước dứa



v v r R

3.1.1 Mô hình kết cấu bộ phận ép nước dứa

Lc

Le

L

Hình 3.1 Mô hình kết cấu bộ phận ép

Bộ phận ép có nhiệm vụ phân chia pha lỏng - rắn của hỗn hợp dứa sau khi băm. Theo đặc điểm về kết cấu, bộ phận ép được phân thành hai vùng: vùng cấp liệu có chiều dài là Lc, vùng ép có chiều dài là Le (hình 3.1).

Vùng cấp liệu tiếp nhận nguyên liệu từ bộ phận băm. Trong vùng này không có lưới sàng, không có sự thoát dịch quả, vít xoắn đẩy các lớp vật liệu tiến lại gần nhau, mật độ tăng dần nhưng tạo ra áp suất không đáng kể.

Vùng ép thực hiện quá trình phân chia các pha: pha lỏng và khí thoát dần ra ngoài qua lỗ sàng, pha rắn được nén ép chặt lại và đạt được áp suất lớn nhất để ép kiệt trước khi thoát ra ngoài.

Để xác định quy luật biến đổi vận tốc và áp suất của vật liệu theo chiều dài vít xoắn, ta lập hệ trục tọa độ pOx, tâm O đặt tại tâm mặt cắt đầu của vít xoắn. Trục x theo chiều chuyển động của vật liệu biểu diễn chiều dài của vít xoắn, trục p vuông góc với trục x biểu diễn áp suất ép.

3.1.2 Quy luật chuyển động của vật liệu trong bộ phận ép

 v v



vlc

- Vận tốc của vật liệu theo chiều dọc trục trong vùng cấp liệu (hình 3.2):





(3.1)

  tg

  v r . c

v = v .tg 

  

Hình 3.2: Đa giác vận tốc biểu diễn sự dịch chuyển của vật liệu trong vùng cấp liệu

Trong đó: vnc- vận tốc của vật liệu

theo chiều dọc trục; vvlc- vận tốc vòng của vật liệu so với trục vít; v- vận tốc vòng

của vít xoắn; vqc- vận tốc vòng của vật liệu so với máng vít; - góc nâng cánh vít.

- Vận tốc của vật liệu theo chiều dọc trục trong vùng ép:

v



[v-(R



x.tg )

 

 ].tg .cos



tbc

(3.2)

Công thức (3.1) và (3.2) cho phép khảo sát mối quan hệ giữa vận tốc của vật

liệu theo chiều dài vít xoắn x.



2 l ( b

3.1.3 Quy luật biến đổi áp suất của vật liệu trong bộ phận ép

 

x L





dp dx

tbe



0,33

2 b

  l 

 

x L



Ứng dụng kết quả nghiên cứu quá trình nén ép vật liệu lỏng nhớt bằng vít xoắn của A.Ia. Xokolov, xây dựng được phương trình vi phân mô tả quá trình biến đổi áp suất của vật liệu trong vùng cấp liệu và vùng ép theo chiều dài vít xoắn x:  0,33 ) l , ( ) (3.3)



. R .    c tbc nc 2 2 r ) cos    (R v v tb 5 2 2   1,23.10 (R r )sin v v     . .  ge  2    [R  v 1,23.10 [R

nc (r v 5 



dp dx

.R 2  x.tg ) ].cos tbe 2 2  x.tg ) ].sin   v

 (r v

tbe

Van toc vat lieu theo chieu dai truc v = f(x)

, ( ) (3.4)

0.24

0.23

0.22

3.2 Mô phỏng quá trình ép nước dứa

0.2

Để giải các phương

Vung c ap l ieu

0.18

0.16

0.14

trình (3.1÷3.4), chúng tôi dùng phương pháp số bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB.

Vun g ep

] s / m [ c o t n a V

0.12

0.1

0.08

0.06

0.048

0.04

0.1

0.2

0.25

0.05

0.35

0.45

0.5

0.4

x [m]

0.15 0.3 Chieu dai truc x[m] Hình 3.3 Sự biến đổi vận tốc dọc trục của vật liệu vn theo chiều dài vít xoắn x

3.2.1 Khảo sát sự biến đổi vận tốc của vật liệu theo chiều dọc trục

Từ phương trình (3.1) và (3.2) vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc dọc trục của vật liệu trong vùng cấp liệu và vùng ép theo chiều dài vít xoắn (hình 3.3).

Trong vùng cấp liệu, vận tốc của vật liệu theo chiều dọc trục không đổi. Trong vùng ép, vận tốc giảm dần về phía cửa thoát bã, thời gian vật liệu lưu lại trong buồng ép lâu hơn nên bã được ép kiệt hơn.

3.2.2 Khảo sát quy luật biến đổi áp suất của vật liệu theo chiều dọc trục

Giải phương trình vi phân (3.3) và (3.4), bằng phần mềm MATLAB với

thông số đầu vào: x = 0, thì p = 0; x = Lc = z.S = 2.0,102 = 0,204m.

Kết quả đã xác định được sự thay đổi áp suất của vật liệu theo chiều dọc

trục làm cơ sở để khảo sát một số thông số cơ bản của quá trình ép (hình 3.4).

Trên cơ sở thí nghiệm ép nguyên

liệu dứa trên máy ép thủy lực tại trường

Cao đẳng nghề Cơ điện và Công nghệ thực

phẩm Hà Nội đã xác định được áp suất ép

cần thiết để có thể ép kiệt bã mà áp suất không quá lớn (pe = 50kG/cm2), không ảnh hưởng đến độ bền của các chi tiết máy và

Hình 3.4 Sự thay đổi áp suất p của vật liệu theo chiều dọc trục x

làm tăng chi phí năng lượng cho quá trình

ép. Trên đồ thị, áp suất đó tương ứng với

chiều dài vít xoắn là L = 0,46m.

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của góc

nghiêng trục vít xoắn  đến áp suất của

vật liệu trong quá trình ép

Khảo sát sự thay đổi của áp suất ép

theo chiều dọc trục khi thay đổi góc

Hình 3.5 Áp suất của vật liệu theo chiều dọc trục khi thay đổi góc nghiêng  của trục vít xoắn

nghiêng  của trục vít xoắn (hình 3.5).

Ứng với chiều dài vít xoắn L = 0,46m, các giá trị áp suất ép tương ứng với các góc nghiêng  (bảng 3.1).

Bảng 3.1 Mối quan hệ giữa áp suất ép ứng với góc nghiêng  khác nhau

9 10 11 12 13  (độ)

p (kG/cm2) 41,35 45,43 50,00 61,64 82,38

Khi góc nghiêng β tăng, đường kính trong của trục vít xoắn tăng, làm diện tích mặt cắt ngang của khối bã giảm, thể tích chứa bã giảm nên áp suất tăng. Đặc biệt khi góc  tăng tới 130 thì áp suất ép tăng lên rất lớn có khả năng gây kẹt bã ở cửa thoát.

3.3 Lựa chọn các thông số cơ bản của bộ phận ép

Căn cứ mối quan hệ giữa áp suất ép và chiều dài vít xoắn đã xác định được chiều dài cần thiết của vít xoắn L = 0,46m, đồng thời căn cứ vào kết quả khảo sát

mối quan hệ giữa áp suất ép với góc nghiêng , để đảm bảo khả năng ép kiệt bã với áp suất ép không quá lớn làm tăng chi phí năng lượng và gây kẹt bã ở cửa

thoát, chúng tôi chọn góc nghiêng  = 110.

Căn cứ vào kết quả khảo sát mối quan hệ giữa vận tốc di chuyển theo chiều dọc trục và chiều dài vít xoắn (hình 3.3), để tốc độ chuyển động của nguyên liệu trong bộ phận ép liên tục và chậm dần đều về phía cửa thoát bã, bước xoắn vít S và số vòng vít xoắn z được lựa chọn theo bảng 3.2.

Bảng 3.2 Số lượng vòng vít và bước của vít xoắn

Vùng cấp liệu Vùng ép

Thứ tự vòng vít 1 2 3 4 5 6 7

Bước vít S (mm) 102 102 85 68 51 34 17

Tổng chiều dài vít xoắn là 460mm, gồm 7 vòng xoắn, trong đó vùng cấp liệu có 2 vòng với chiều dài Le= 204mm; vùng ép có 5 vòng, chiều dài Le=256mm.

3.4 Kết luận

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu quá trình ép thực phẩm lỏng nhớt trong máy ép kiểu vít xoắn của A.Ia Xokolov, đã xây dựng được mô hình toán biểu diễn quy luật biến đổi áp suất trong bộ phận ép. Kết quả tính toán là cơ sở khoa học cho việc khảo sát các tham số ảnh hưởng đến quá trình ép.

- Kết quả khảo sát mối quan hệ của một số thông số đến quá trình ép đã xác định được: góc nghiêng của trục vít xoắn  = 110, chiều dài vít xoắn vùng cấp liệu Lc = 204mm, chiều dài vít xoắn ở vùng ép Le = 256mm, số lượng vòng xoắn z = 7 với chiều dài bước vít giảm dần theo chiều trục từ cửa nạp liệu đến cửa thoát bã phù hợp với quá trình ép dịch quả trong nguyên liệu dứa. Các thông số nghiên cứu trên là cơ sở để việc thiết kế bộ phận ép.

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1 Thí nghiệm xác định một số tham số của mô hình lý thuyết

4.1.1 Xác định vận tốc góc của vật liệu trong bộ phận ép

Hình 4.1 Vị trí cảm biến đo vận tốc vòng của vật liệu trong bộ phận ép

Vận tốc góc của vật liệu được xác định thông qua vận tốc vòng của vật liệu nhờ thiết bị đo vận tốc bằng siêu âm hiển thị số E4DA-LS6, từ đó tính toán ra các giá trị của vận tốc góc q.

Sơ đồ bố trí các cảm biến đo vận tốc của vật liệu (hình 4.1).

Kết quả thí nghiệm được biểu diễn trên đồ thị (hình 4.2).

Trong vùng cấp liệu, áp

suất của vật liệu gần như không

đổi, trong vùng ép, áp suất giảm

dần theo chiều dài vít xoắn. Mối

quan hệ giữa vận tốc góc của vật

liệu theo chiều dọc trục trong

vùng cấp liệu và trong vùng ép

theo phương trình hồi quy:

 

Hình 4.2 Đồ thị vận tốc góc quay của vật liệu trong bộ phận ép

qc 1,01

7,8786 x

0,9747.e

(s-1)

  qe

(s-1) (4.1)

4.1.2 Mối quan hệ giữa hệ số giảm thể tích của vật liệu với áp suất ép

Thí nghiệm xác định hệ số

giảm thể tích của vật liệu với áp suất

ép được thực hiện trên máy ép thủy

lực PA-15TL tại trường Cao đẳng

nghề Cơ điện và Công nghệ thực

phẩm Hà Nội. Hệ số giảm thể tích của

vật liệu được tính bằng tỉ số giữa thể

tích bã so với thể tích hỗn hợp bã dịch

quả trước khi ép. Kết quả thí nghiệm

Hình 4.3 Mối quan hệ giữa hệ số giảm thể tích của vật liệu với áp suất ép

được thể hiện trên đồ thị hình 4.3.

Trong khoảng áp suất ép từ 0  30kG/cm2, thì ηge giảm rất nhanh do dịch quả trong hỗn hợp còn nhiều, tốc độ thoát dịch quả lớn. Khi áp suất lớn hơn 30 kG/cm2 thì ηge giảm chậm dần và khi p 50kG/cm2 thì ηge giảm không đáng kể bởi vì lượng dịch trong bã còn rất ít. Mối quan hệ giữa hệ số giảm thể tích và áp

0,0491p

suất ép được thể hiện bằng phương trình hồi quy:

98,468.e

  ge

(4.2)

4.1.3 Xác định ảnh hưởng của áp suất ép đến độ sót dịch quả theo bã

)

 = -0,0002p3+0,0322p2- 2,0346p+45,446 R2 = 0,9844

(  ả u q h c ị d t ó s ộ Đ

 10 8 6 4 2 0 30

40 Áp suất ép p(kG/cm2)

Tiến hành thí nghiệm ép hỗn hợp dứa trên máy ép thủy lực PA-15TL nhằm xác định ảnh hưởng của áp suất ép đến độ sót dịch quả theo bã, kết quả thí nghiệm thể hiện trên đồ thị (hình 4.4).

Hình 4.4 Ảnh hưởng của áp suất ép đến độ sót dịch quả theo bã

thể chọn áp suất ép

Trong khoảng áp suất từ 30 ÷ 50kG/cm2, độ sót dịch quả theo bã giảm rất nhanh, khi áp suất ép tăng lớn hơn 50÷ 70kG/cm2 thì độ sót dịch quả giảm không đáng kể (từ 2,92% đến 2,58%), trong khi đó công suất điện cho động cơ cần tăng lên rất nhiều. Vì vậy, để đảm bảo độ sót dịch quả theo bã thấp và chi phí năng lượng cho máy ép không quá lớn, ta tối đa có 50kG/cm2 là phù hợp đối với quá trình ép nước dứa.

 (104N/m2)

)

 = 408,36e0,0483p R2 = 0,9729

m2 N

Thực nghiệm

Đường hồi qui

4.1.4 Xác định ứng suất cắt giới hạn của vật liệu trong quá trình ép

( n ạ h i ớ i g t ắ c t ấ u s g n Ứ

1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

Áp suất nén p (kG/cm2)

Hình 4.5 Mối quan hệ giữa ứng suất cắt giới hạn với áp suất ép

Tiến hành xác định ứng suất cắt giới hạn của vật liệu khi ép trên thiết bị đo ứng suất cắt EDJ-1. Kết quả thí nghiệm biểu diễn trên đồ thị (hình 4.5).

0,0483p

Khi áp suất tăng thì ứng suất cắt giới hạn của vật liệu dứa tăng, vì khi đó dịch quả thoát ra khỏi hỗn hợp, hàm lượng bã rắn trong hỗn hợp tăng lên. Quan hệ giữa ứng suất cắt giới hạn với áp suất ép được thể hiện bởi phương trình hồi quy:

 

408,36.e

(4.3)

4.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố

Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố để xác định ảnh hưởng riêng của

các yếu tố x1x4 đến các thông số ra Y1Y3.