bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học NÔNG NGHIệP hà nộI *
PHạM THị MINH HUệ
NGHIấN CU MT S THễNG S CHNH LM
C S THIT K THIT B SY VI QU S
DNG NNG LNG KH SINH HC (BIOGAS) LUN N TIN S K THUT
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Trần Như Khuyên
2. GS.TS. Phạm Xuân Vượng

HÀ NỘI - 2011Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. i

LỜI CAM ĐOAN

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

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

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

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

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

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



vi

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


SO
2

Lưu huỳnh điôxit 26
7.

SVQ-1 Thiết bị sấy vải quả 1 26
8.

CH
4
Mêtan 31
9.

CO
2
Cacbon đioxit 31
10.

H
2
S Khí hidro sunfua 32
11.

N
2
Nitơ 32
12.

TT Ký hiệu Đơn vị Giải thích Trang

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

17
13. V
o

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

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

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

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

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

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


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

TT Ký hiệu Đơn vị Giải thích Trang

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

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

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

o
C Nhiệt độ trung bình của quả 62

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

Hệ số truyền nhiệt đối lưu 70

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


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

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

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

75
72. Y
j
-

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ảnh hưởng của cặp yếu tố vận tốc dòng khí sấy và
khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy
103
Hình 4.16Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. xvii

DANH MỤC BẢNG TRONG LUẬN ÁN

Bảng Nội dung Trang

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

xviii

Bảng Nội dung Trang

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

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

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

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


sấy.

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

3

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

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

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

5

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