BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
TRẦN ĐÌNH HƯNG
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ
VỀ CẤU TẠO VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC
CỦA LIÊN HỢP MÁY BĂM ÉP NƯỚC DỨA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành đào tạo : Kỹ thuật cơ khí
Mã số : 62 52 01 03 Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. TRẦN NHƯ KHUYÊN
2. GS.TS. PHẠM XUÂN VƯỢNG
Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể cán bộ, giảng viên 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 và đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, các thầy cô giáo khoa Cơ
khí, khoa Công nghệ thực phẩm và các phòng ban trong Trường Cao đẳng
nghề Cơ điện và Công nghệ thực phẩm Hà Nội đã quan tâm và tạo điều kiện
thuận lợi để tôi hoàn thành đề tài.
Xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới GS.TS Đặng Thế Huy - Trường Đại
học Lương Thế Vinh, PGS.TS Nông Văn Vìn và TS Nguyễn Thanh Hải - Khoa
Cơ điện - 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, các thầy cô Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch,
Công ty Cổ phần Thực phẩm xuất khẩu Đồng Giao, Phòng thí nghiệm Địa kỹ
thuật công trình - LAS Xây dựng 386 - TT Viện Khoa học Công nghệ Giao
thông vận tải 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 06 tháng 6 năm 2012
Tác giả luận án Trần Đình Hưng
iii
MỤC LỤC
1.3.1 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị ép nước dứa trên
thế giới 20
1.3.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị ép nước dứa ở
Việt Nam 29
1.4 Kết luận chương 1 33
Chương 2 NGUYÊN LIỆU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU 35
2.1 Nguyên liệu nghiên cứu 35
2.2 Đối tượng nghiên cứu 35
2.3 Phương pháp nghiên cứu 36
2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô hình hóa và
mô phỏng quá trình ép nước dứa 37
2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 37
2.3.3 Phương pháp xác định các thông số của quá trình nghiên cứu 40
2.3.4 Phương pháp xử lý gia công số liệu đo đạc 48
Chương 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ÉP NƯỚC DỨA 52
3.1 Mô hình hóa quá trình ép nước dứa 52
Mô hình kết cấu bộ phận ép nước dứa 52
3.1.2 Quy luật chuyển động của vật liệu trong bộ phận ép 53
3.1.3 Quy luật biến đổi áp suất của vật liệu trong bộ phận ép 59
3.2 Mô phỏng quá trình biến đổi vận tốc và áp suất trong bộ phận ép 64
3.2.1 Khảo sát sự biến đổi vận tốc của vật liệu theo chiều dọc trục 64
3.2.2 Khảo sát quy luật biến đổi áp suất của vật liệu trong quá trình ép 65
3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng của trục vít xoắn đến
áp suất của vật liệu 66
3.3 Lựa chọn các thông số cơ bản của bộ phận ép 67
3.4 Kết luận chương 3 68
Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 69
4.1 Thí nghiệm xác định một số tham số của mô hình lý thuyết 69
Danh mục các công trình đã công bố có liên quan đến luận án 102
Tài liệu tham khảo 103
Phụ lục 110 vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Diễn giải
BE-500 Liên hợp máy băm ép nước dứa
BE-500A Liên hợp máy băm ép nước dứa sau khi cải tiến
BNN và PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
CNTP Công nghệ thực phẩm
Ctv Cộng tác viên
ED-500 Máy ép nước dứa
EU Liên minh châu Âu
FAO Tổ chức Nông lương, Liên hợp quốc
J.S.C. Công ty cổ phần
Co.Ltd Công ty trách nhiệm hữu hạn
NXB Nhà xuất bản
KHCN Khoa học công nghệ
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh
TTXTTM Trung tâm xúc tiến thương mại
USD Đô la Mỹ
vg/ph Vòng/phút
XK Xuất khẩu
m Đường kính trong của vít xoắn
d
0
m Đường kính dòng nhân chất lỏng nhớt chảy trong ống
d m Đường kính trong của ống dẫn
i
-
Khoảng biến thiên của yếu tố thứ i
F
b
- Tiêu chuẩn Fisher
F
c
m
2
Diện tích mặt cắt ngang của vật liệu trong vùng cấp liệu
F
e
m
2
Diện tích mặt cắt ngang của vật liệu trong vùng ép
độ
Góc ma sát giữa nguyên liệu và bề mặt cánh vít
kg /m
3
Khối lượng thể tích của vật liệu
Đơn vị Giải thích
L m Chiều dài vít xoắn
L
c
m Chiều dài vít xoắn vùng cấp liệu
L
e
m Chiều dài vít xoắn vùng ép
-
Hệ số ma sát của chất lỏng phi Newton
Ns/m
2
Độ nhớt động của hỗn hợp
d
Ns/m
2
Độ nhớt động của dịch quả
r
Ns/m
2
Q
lt
kg/h Năng suất lý thuyết
Q
N
Lực cắt mẫu
N/m
2
Ứng suất cắt giới hạn của vật liệu
r
c
mm Bán kính trục của vít xoắn vùng cấp liệu
r
e
mm Bán kính trục của vít xoắn vùng ép
r
v
mm Bán kính của trục vít xoắn
R
v
mm Bán kính ngoài của vít xoắn
R’
e
- Chuẩn số Rây nôn
s mm Khe hở cửa thoát bã
Vận tốc góc của vít xoắn
qc
s
-1
Vận tốc góc của vật liệu so với máng vít trong vùng cấp
liệu
qe
s
-1
Vận tốc góc của vật liệu so với máng vít trong vùng ép
vl
s
-1
Vận tốc góc của vật liệu so với trục vít
x
i
- Giá trị mã hóa của yếu tố thứ i
Y
j
- Hàm thành phần
z - Số bước của vít xoắn
4.9 Phương sai yếu tố, phương sai thực nghiệm, tính thích ứng và
thuần nhất của thông số tốc độ quay của dao băm n
d
82
4.10 Phương sai yếu tố, phương sai thực nghiệm, tính thích ứng và
thuần nhất của thông số tốc độ quay của vít xoắn n 83
xi
4.11 Phương sai yếu tố, phương sai thực nghiệm, tính thích ứng và
thuần nhất của thông số khe hở cửa thoát bã s 85
4.12 Phương sai yếu tố, phương sai thực nghiệm, tính thích ứng và
thuần nhất của thông số chiều rộng lỗ sàng a 86
4.13 Mức biến thiên và giá trị mã hoá của các yếu tố x
i
88
4.14 Các hệ số hồi quy có nghĩa của các hàm Y
j
89
4.15 Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán 90
4.16 Giá trị tối ưu của các yếu tố vào x
i
và các hàm thành phần Y
j
. 90
4.17 Các hệ số hồi quy dạng thực 91
4.18 Kết quả thí nghiệm với các thông số tối ưu của các yếu tố vào 95
4.19 Một số chỉ tiêu hóa lý của nước dứa ép ở chế độ tối ưu 95
4.20 Đặc tính kỹ thuật của liên hợp máy băm ép nước dứa BE-500A 96
4.21 Một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của các thiết bị ép nước dứa 98
2.7 Brix kế ATAGO-3T 45
2.8 Thiết bị đo số vòng quay LT-1236L 46
2.9 Thiết bị đo điện năng EM-306 (Ấn Độ) 47
2.10 Thiết bị xác định độ sót dịch quả theo bã 48
3.1 Mô kết cấu bộ phận ép 52
3.2 Đa giác vận tốc biểu diễn sự dịch chuyển của vật liệu trong vùng
cấp liệu 55
3.3 Sự biến đổi vận tốc dọc trục của vật liệu v
n
theo chiều dài vít
xoắn x 64
xiii
3.4 Sự thay đổi áp suất p của vật liệu theo chiều dọc trục x 65
3.5 Áp suất của vật liệu p theo chiều dọc trục khi thay đổi góc
nghiêng của trục vít xoắn 66
4.1 Cảm biến siêu âm đo vận tốc, gia tốc 69
4.2 Sơ đồ đo vận tốc bằng cảm biến siêu âm 69
4.3 Vị trí cảm biến đo vận tốc của vật liệu trong bộ phận ép 70
4.4 Đồ thị vận tốc góc của vật liệu trong bộ phận ép 71
4.5 Máy ép thủy lực Model PA-15TL 72
4.6 Giỏ ép thí nghiệm: a- sơ đồ; b- thực tế 72
4.7 Dụng cụ đo thể tích 72
4.8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số giảm thể tích η
ge
vật
liệu trong buồng ép với áp suất ép p 74
4.9 Ảnh hưởng của áp suất ép đến nồng độ pha rắn trong hỗn hợp 76
4.10 Ảnh hưởng của áp suất ép p đến độ sót dịch quả theo bã khi
phần lớn dùng để xuất khẩu, trong đó nước dứa cô đặc được tiêu thụ với số
lượng lớn vì nước dứa cô đặc dễ vận chuyển và bảo quản lâu dài mà vẫn giữ
được hương vị thơm ngon, có thể pha chế thành nhiều sản phẩm khác nhau
tùy theo thị hiếu của người dùng.
Trong quy trình sản xuất nước dứa, việc tách lấy dịch quả là khâu quan
trọng vì nó ảnh hưởng lớn đến năng suất, chất lượng sản phẩm và hiệu suất
thu hồi dịch quả. Để nâng cao hiệu suất ép, người ta có thể dùng máy nạo
hoặc máy băm để làm nhỏ nguyên liệu trước khi ép. Để tách dịch quả ra khỏi
bã, người ta có thể dùng máy ép kiểu trục vít, máy ép thủy lực hoặc máy ép
kiểu vít xoắn, trong đó máy ép kiểu vít xoắn được dùng phổ biến nhất vì nó
làm việc liên tục, năng suất cao, dễ tự động hóa dây chuyền sản xuất. Hiện
nay ở nhiều nước có ngành công nghiệp chế biến dứa phát triển đã sử dụng
những dây chuyền chế biến dứa hiện đại, trong đó sử dụng thiết bị nạo-ép
hoặc băm-ép. Các dây chuyền thiết bị này hiện đại, năng suất cao, chất lượng
sản phẩm tốt nhưng cần vốn đầu tư lớn và vùng trồng dứa tập trung hàng
nghìn ha trở lên. Đặc điểm của thịt quả dứa là có nhiều xơ và dễ gẫy vụn
2
trong quá trình băm ép nên rất khó ép kiệt, khi ép lượng xơ gẫy vụn lẫn nhiều
trong dịch quả gây khó khăn cho quá trình lọc sau này. Vì vậy việc lựa chọn
thiết bị chế biến nước dứa cho phù hợp với đặc điểm nguyên liệu, điều kiện
sản xuất của các doanh nghiệp cũng cần được quan tâm nghiên cứu.
Tại nhiều địa phương trong nước hiện nay 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.
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
băm, tốc độ trục vít xoắn, khe hở cửa thoát bã, chiều rộng lỗ sàng.
4.2 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu mô hình liên hợp máy băm ép nước 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, do đó đã nâng cao
năng suất, chất lượng sản phẩm, hiệu suất thu hồi 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.
4
6 Những đóng góp mới của luận án
- Kết quả nghiên cứu lý thuyết kết hợp 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 đã xác định được 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 liên hợp máy băm ép nước dứa.
- 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 chung 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.
Kết quả nghiên cứu trên là cơ sở quan trọng để hoàn thiện thiết kế và chế tạo
liên hợp máy băm ép nước dứa phục vụ cho các cơ sở sản xuất.
- Đã thiết kế chế tạo liên hợp máy băm ép nước dứa có bộ phận băm và
hoặc nước quả hỗn hợp (Trần Minh Tâm, 1997) [30].
Quả dứa thuộc loại quả kép, bao gồm nhiều quả mọc trên một trục hoa.
Kích thước, màu sắc, hình dạng quả thay đổi tuỳ theo giống và điều kiện
trồng trọt. Về cấu tạo quả dứa, trừ phần chồi (hoa, vương miện) và cuống, từ
ngoài vào trong quả dứa có 3 phần: vỏ quả, thịt quả và lõi (hình 1.1) (William
Collins S., 1979) [69]. Hình 1.1 Quả dứa
Chồi (hoa)
Vỏ
Thịt quả
Lõi
6
- Vỏ quả: Có thành phần chủ yếu là xenlulo để bảo vệ quả. Vỏ quả chín
có màu sắc từ vàng đến da cam, được phân chia thành các mắt dứa có độ to,
nhỏ, nông, sâu khác nhau tuỳ thuộc vào giống và điều kiện trồng trọt.
- Thịt quả: Có màu vàng nhạt đến vàng sẫm, chiếm tỷ lệ lớn nhất so với
các thành phần khác của quả dứa. Các chất dinh dưỡng tập trung chủ yếu tại
thịt quả. Các sản phẩm dứa chủ yếu được chế biến từ thịt quả. Trong thịt quả
còn có một lượng xơ chiếm từ 1,61,8%.
- Lõi: Chạy dọc từ cuống quả dứa đến chồi ngọn, nhiều xơ, giá trị
dinh dưỡng thấp.
1.1.2 Phân loại dứa
Đặc điểm, tính chất, thành phần hóa học của quả dứa phụ thuộc vào
nhiều yếu tố như giống, đất đai, khí hậu, kỹ thuật chăm bón, độ chín và
mùa vụ thu hoạch dứa (Đường Hồng Dật, 2005) [7]. Có nhiều cách phân
loại dứa tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng hoặc công nghệ chế biến dứa.
Giống dứa và nơi trồng
Khối
lượng
quả, g
Chiều
cao,
cm
Đường
kính quả,
cm
Vỏ
dày,
cm
Mắt
sâu,
cm
Đường
kính
lõi, cm
Dứa hoa Phú Thọ 500 10 8,5 1,0 1,2 2,0
Dứa hoa Tuyên Quang 490 10,5 8,7 1,0 1,0 2,35
Dứa khóm Long An 900 15 10,5 1,0 1,0 2,1
Dứa Cayen Phủ Quỳ 3.150 24 15 0,3 1,0 4,5
Dứa Cayen Phú Thọ 2.050 17,5 13 0,25 1,0 2,5
Dứa ta Hà Tĩnh 750 13 10 1,0 1,5 2,0
Dứa Mật Vĩnh Phú 1.300 15 11 1,5 1,5 2,6
cuống ngả màu vàng.
Độ cứng từ 34kG/cm
2
, thịt quả h
ơi
vàng, ít nước, hàm lượng đư
ờng thấp, ít
mùi thơm.
Độ 2
(dứa chín)
Vỏ màu xanh - vàng, có
từ 34 hàng mắt màu
vàng.
Độ cứng từ 23kG/cm
2
, thịt quả m
àu
vàng nhạt, nhiều nước, hàm lư
ợng
đường cao, có mùi thơm mạnh.
Độ 3
(dứa quá
chín)
Vỏ dứa vàng gần như
hoàn toàn, có chỗ
chuyển màu thâm.
Vỏ mềm, bấm ngón tay ra nư
ớc, độ
cứng < 2kG/cm
2
, B
3
khoảng 0,04 đến 0,09
%mg (Oxford English Dictionnary, 1971) [74], (Thai Food Composition
Tables, 1999) [76]. Trong quả dứa còn chứa enzyme promelin có tác dụng
thủy phân protit, làm mềm thịt và kích thích tiêu hóa.
Thành phần hóa học của dứa biến động theo giống, thời vụ, điều kiện
canh tác, địa bàn phát triển. Thành phần hóa học của một số giống dứa trồng
ở Việt nam (bảng 1.3) (Quách Đĩnh, Nguyễn Vân Tiếp, 2008) [11].
Bảng 1.3 Thành phần hóa học của một số giống dứa trồng ở Việt Nam
Giống dứa và nơi trồng
Chất khô
%
Đường khử
%
Saccaroza
%
Độ axit
%
pH
Dứa hoa Phú Thọ 18 4,19 11,59 0,51
Dứa hoa Tuyên Quang 18 3,56 12,22 0,57 3,8
Dứa Victoria nhập nội 17 3,2 10,9 0,5 3,8
Dứa ta Hà Tĩnh 12 2,87 6,27 0,63 3,6
Dứa mật Vĩnh Phú 11 2,94 6,44 0,56 3,9
Dứa Cayen Phủ Quỳ 13 3,2 7,6 0,49 4
Dứa Cayen Cầu Hai 13,5 3,65 6,5 0,49 4
Dứa (khóm) Đồng Nai 15,2 3,4 9,8 0,31 4,5
1.1.4 Công dụng của quả dứa
a) Trong lĩnh vực thực phẩm và công nghiệp
Quả dứa có mùi vị thơm ngon và chứa nhiều chất dinh dưỡng cần thiết
cho cơ thể người như đường, axít hữu cơ, viatamin và khoáng chất nên được
dùng làm thực phẩm. Dứa thường dùng để ăn tươi hoặc chế biến các món ăn
ngon được nhiều người ưa thích.
Trong quả dứa có chứa enzyme bromelin, có thể phân huỷ protein và làm
mềm thịt. Do vậy, quả dứa được sử dụng trong chế biến một số món ăn như thịt
bò xào, thịt vịt xào để giúp thịt nhanh mềm và tạo hương vị đặc trưng. Enzyme
bromelin còn có tác dụng kích thích tiêu hoá, vì thế dứa được dùng làm thực
phẩm và chế ra nhiều loại thực phẩm chức năng có giá trị (Trung tâm KHCN
TPHCM, 2009) [33], (Medina L.C., Garcias H.S., 2005) [58].
Trong công nghiệp thực phẩm, dứa được chế biến thành nhiều loại thực
phẩm khác như: dứa đóng hộp, dứa đông lạnh, dứa sấy khô, mứt dứa, nước
11
dứa tươi, nước dứa cô đặc, trong đó nước dứa tươi và nước dứa cô đặc được
sản xuất với số lượng lớn nhất vì nước dứa tươi có màu sắc hấp dẫn, mùi vị
thơm ngon, có tác dụng bồi bổ, giải nhiệt và giải khát, giúp giảm mệt mỏi vì
nó có chứa vitamin B, C, canxi, mangan giúp mô tránh khỏi tác hại của quá
trình oxy hóa, còn nước dứa cô đặc có thể bảo quản được lâu dài và dễ dàng
pha chế thành nhiều sản phẩm theo thị hiếu của người tiêu dùng.
Dứa và các phụ phẩm của dứa còn được dùng để sản xuất rượu quả, cồn,
dấm, thức ăn chăn nuôi và phân bón,
b) Trong y học và mỹ phẩm
Dứa có thể được dùng để phòng và chữa bệnh. Các vitamin và khoáng
chất trong dứa có tác dụng phòng và chữa bệnh huyết áp cao, giảm
cholesterol, làm bền thành mạch máu, chống loãng xương, giảm ho, tiêu đờm,
làm tan sỏi thận (Qín Bāo Shān, 2009) [63].
Copyright: Tài liệu đại học ©