Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng và xác định kết cấu buồng bóc vỏ tỏi sử dụng khí nén

Nội dung text: Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng và xác định kết cấu buồng bóc vỏ tỏi sử dụng khí nén

1. NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG VÀ XÁC ĐỊNH KẾT CẤU BUỒNG BÓC VỎ TỎI SỬ DỤNG KHÍ NÉN THE STUDY OF PARAMETERS AND DETERMINE THE IMPACT OF STRUCTURAL CHAMBER PEELED Đặng Thiện Ngôn1, Dương Văn Ba2 1Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 2Học viên cao học Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh TÓM TẮT Hiện nay, máy bóc vỏ tỏi sử dụng khí nén đã được chế tạo thành công sử dụng cho quy mô sản xuất nhỏ (30kg/h) [5]. Tuy nhiên, máy được thiết kế hoạt động với áp suất dòng khí đầu vào cao (P > 8 bar) nên đòi hỏi nguồn khí cung cấp phải có lưu lượng lớn và áp suất cao ảnh hưởng lớn đến chi phí đầu tư và an toàn sản xuất. Việc xác định các thông số ảnh hưởng đến quá trình bóc vỏ tỏi nhờ mô phỏng cho phép đề xuất kết cấu buồng bóc phù hợp có thể hoạt động với áp suất 8 bar), so it requires the gas source must have massive flow and high pressure that costs a lot of money and affect the safety of producing. Defining parameters that affect the process of garlic peeling by simulation allows to propose a suitable structure of peeling tank which can with the pressure less than 7 bar. This report shows the results of simulating study with some parameters such as: the size of exhaust pipe, the position of setting exhaust pipe, the number of nozzles, the distance between the nozzles, the rule of arranging nozzles, etc. A model of laboratory equipment was created and put to the test in order to check the results of simulation. Through simulating and experimenting, the structure of peeling room was appropriately defined which allows to reduce the pressure of peeling down to 7 bar, and enhances effect of peeling reaching to approximately 94%-96% with the time of peeling is 15s. Keyword: garlic, peeled garlic, peeled chamber, nozzles, air vents 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong điều kiện nước ta việc bảo quản và chế biến nông sản còn gặp nhiều hạn chế khó khăn do thiếu máy móc thiết bị, chưa có hiệu quả cao. Phần lớn, các thiết bị máy móc trong nước 1
2. chưa đáp ứng yêu cầu thực tế. Nó làm giảm năng suất cũng như chất lượng sản phẩm gây lãng phí lớn về nguyên vật liệu, dẫn tới chi phí giá thành cao khó cạnh tranh được. Thực tế, nước ta đã chế tạo thành công các loại máy tách vỏ tự động các loại hạt và củ quả như: Máy tách hạt điều, hạt đậu, máy gọt vỏ khoai lang Giải phóng phần nào sức lao động cho nông dân cũng như công nhân trong các xưởng chế biến. Tuy nhiên, không phải bất cứ các loại vỏ nông sản nào cũng bóc bằng máy được vì chúng có cấu tạo hình dáng và tính chất khác nhau: có loại thì vỏ dày có loại thì vỏ mỏng, biên dạng cũng khác nhau. Trong quá trình bóc tách vỏ nảy sinh ra nhiều phế phẩm gây khó khăn cho nhà chế tạo. Vì vậy, cần phải nghiên cứu kỹ, cải tiến liên tục để tìm ra các cơ cấu phù hợp và tối ưu, thông qua việc áp dụng các phần mềm thiết kế, phần mềm mô phỏng, các công nghệ gia công tiên tiến, vật liệu 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1.Bản chất quá trình bóc vỏ sử dụng khí nén Quá trình bóc vỏ nhờ dòng không khí có vận tốc âm thanh và siêu âm rất phức tạp. Bản chất của quá trình này là sản phẩm ban đầu chịu tác động của dòng không khí có tốc độ âm thanh hoặc siêu âm phun vào thùng chứa nguyên liệu ở trong thùng nguyên liệu chuyển động đến một tốc độ xác định. Sau đó, do kết quả ma sát với thành ống trộn mà hạt bắt đầu được dừng lại và chịu tác động của dòng không khí từ miệng vòi phun thoát ra chuyển động với tốc độ siêu âm tới hạn. Các lực tiếp tuyến xuất hiện lúc này trên bề mặt của vỏ do tác dụng tương hỗ của không khí với hạt ở trong ống hỗn hợp cùng các sóng tác dụng va đập đảm bào điều kiện có sự chênh lệch lớn về áp suất của không khí bên trong hạt và ở vùng chân không của không khí bao trùm bên ngoài hạt, làm cho sự liên kết giữa các lớp vỏ với nhau cũng như giữa vỏ với nhân bị phá hủy, nghĩa là thực hiện quá trình bóc vỏ bản thân. Dòng không khí từ miệng phun thoát ra có năng lượng nhất định, trong trường hợp này đã dùng để phá hủy lớp vỏ. Rõ ràng để thu được hiệu quả của quá trình bóc vỏ cần phải tạo điều kiện để cho năng lượng của dòng khí được tiêu thụ lớn nhất cho quá trình đó, muốn vậy thì cần phải đảm bảo một lưu lượng khí nén nhất định kèm theo chuyển động tương xứng của nó. Để tính toán miệng phun đảm bảo gia tốc của dòng không khí đến tốc độ âm thanh hoặc siêu âm cũng như để tính toán ống hỗn hợp hình trụ, ta đã dùng những dự kiến trên lý thuyết về thiết bị dòng và khí động lực ứng dụng. Để tính toán tốc độ v của dòng khí nén ở miệng phun thoát ra tùy theo độ giảm áp p/p0 ta sử dụng công thức đã biết của Xenvenan về khí động lực học [1]: −1 푣 = 휑√2 . 0 . [1 − ( ) ] − 1 휌0 0 Trong đó: k – chỉ số đoạn nhiệt của không khí k = 1,4. 0 – áp suất dòng khí nén trước vòi phun. 3 휌0 – khối lượng riêng của không khí trước miệng phun, (kg/m ). 2
3. p – áp suất ở tiết diện ra của miệng phun. N/m2. φ – hệ số tốc độ của không khí ở miệng phun thoát ra, φ = 0,97 – 0,97. Tùy theo dạng hạt gia công mà áp suất p0 thay đổi trong phạm vi rộng từ 3 đến 10 at, khi đường kính miệng phun khác nhau và kích thước của ống hỗn hợp khác nhau. 2 2 3 2 2 Như khi p0 = 0,6 MN/m (6 kG/cm ), 휌0 = 6,65 / và p = 0,1 MN/m (1 kG/cm ), thì tốc độ của không khí ở miệng phun thoát ra đi vào khí quyển là: 1,4−1 1,4 600000 16 1 푣 = 0,95√2 . [1 − ] ≈ 500 /푠 1,4 − 1 6,65 6 Lưu lượng không khí nén (G) qua miệng phun siêu âm được xác định theo công thức = . 퐹푡ℎ . √ 0. 휌0 /푠 Trong đó 2 Fth – Tiết diện tới hạn của miệng phun, m ; c – hệ số cố định phụ thuộc tính chất của môi trường, đối với không khí c = 2,14. Tiết diện tới hạn của miệng phun tính theo công thức 2 퐹푡ℎ = / √ 표휌표 , Khi ở miệng phun thoát ra thì dòng không khí có một năng lượng nhất định, năng lượng đó phụ thuộc vào độ giảm áp p/po. Từ nhiệt động kỹ thuật ta biết được rằng khi đoạn nhiệt thì năng lượng riêng của dòng không khí ở miệng phun thoát ra Er theo công thức: −1 표 = . − [1 − [ ] ] / − 1 휌표 표 Vậy khi po = 6 at thì năng lượng riêng 1,4−1 1,4 600000 1 1,4 = . − [1 − [ ] ] = 13350 / 1,4 − 1 6,65 6 Tốc độ dịch chuyển trung bình của hạt trong ống hỗn hợp được xác định theo công thức: 푆 푣 = 휑 /푠 Trong đó T – thời gian hạt đi qua trong ống hỗn hợp, s. 3
4. S – chiều dài của ống hỗn hợp, m φ – hệ số trở lực khi hạt dịch chuyển trong ống hỗn hợp. Như các nghiên cứu đã cho biết thì khi áp suất của khí nén là 6at (tốc độ dòng không khí là 512 m/s) tốc độ dịch chuyển của hạt trong ống hỗn hợp là 60 – 65 m/s. Hiệu quả làm việc của hệ thống thiết bị xay bằng không khí được đặc trưng bằng hệ số bóc vỏ cao khi cho nguyên liệu một lần đi qua máy (Kbv = 92 – 98%); số lượng nhân hạt vỡ là 0,2 – 0,8%, khi độ ẩm ban đầu của nguyên liệu là 13 – 14,5%. Năng suất của 1 ống hỗn hợp là 120 – 180 kg/h tùy theo dạng nguyên liệu gia công. 2.2. Các thông số cơ bản thùng bóc vỏ tỏi 2.1.1. Kích thước vòi phun Vận tốc dòng khí đầu ra của vòi phun phụ thuộc rất lớn vào hình dạng và tiết diện của vòi phun khí. Để lựa chọn vòi phun phù hợp căn cứ vào vận tốc dòng khí cần cho quá trình bóc vỏ. Hình 1: Hình dạng vòi phun Vòi phun có nhiệm vụ làm tăng tốc cho dòng khí nén đạt tới tốc độ âm thanh để thực hiện bóc vỏ tỏi đồng thời dòng khí tốc độ cao cần cho quá trình bóc vỏ phải là dòng khí tập trung. Do đó, lựa chọn kết cấu vòi phun: Hình 2: Kết cấu vòi phun Tính toán vận tốc có được đường kính đầu vào và đầu ra của vòi phun: d1(mm) 1,5 2 3 4 5 6 4
5. d2(mm) 1,5 1(m/s) 68,2 2(m/s) 62,8 111,6 251,2 446,5 697,8 1004,8 Hình 3: Mô phỏng vận tốc Hình 4: Kích thước cơ bản của vòi phun Hình 5: Mô phỏng vận tốc dòng khí Hình 6: Kích thước cơ bản của vòi phun Hình 7: Mô phỏng vận tốc Hình 8: Kích thước cơ bản của vòi phun Hình 9: Mô phỏng vận tốc Hình 10: Kích thước cơ bản ống thoát khí 5
6. Qua các mô phỏng ta nhận thấy vận tốc dòng khí không chỉ chịu ảnh hưởng của đường kính đầu vào và đầu ra mà nó còn phụ thuộc vào biên dạng của vòi phun. Phân tích số liệu ta chọn được vòi phun có thể đáp ứng được yêu cầu vận tốc khoảng 512 m/s. Ta chọn phương án vòi phun có kết cấu và thông số (góc 90o). Với thông số đã có được bản vẽ vòi phun như hình Hình 11: Kết cấu và kích thước vòi phun 2.1.2. Xác định kết cấu buồng bóc Quá trình bóc vỏ bằng khí nén là một quá trình rất phức tạp. Do đó, để xác định kết cấu buồng bóc vỏ phù hợp ta tiến hành mô phỏng đánh giá xác định. Xác định kết cấu sơ bộ và tiến hành thay đổi các thông số ảnh hưởng với hai phương án bố trí vòi phun: Hình 12: Phương án bố trí vòi phun Thay đổi các thông số buồng bóc: 6
7. Hình 13: Thông số cơ bản buồng bóc vỏ Các thông số cố định: - Đường kính thùng bóc: D = 200 mm. - Chiều cao thùng bóc: H = 400 mm. - Góc nghiêng vòi phun: α = 450. Các thông số thay đổi: - Số lượng vòi phun (4 vòi, 6 vòi, 8 vòi) - Bước lắp đặt vòi phun (h1 = h2 = h3 = 10, 15, 20) - Vị trí ống thoát khí (h = 245, 255, 265, 275) - Đường kính ống thoát khí (d = 40, 45, 50, 55) Ứng dụng phần mềm Ansys 14.5 mô phỏng đánh giá các thông số vận tốc, mật độ rối, mật độ dòng khí và lực tác động của dòng khí trong ống bóc vỏ. Đã lựa chọn được phương án 8 vòi phun với các thông số buồng bóc và kết quả mô phỏng: Số lượng Cách bố trí vòi Các thông số có trước Các thông số mô phỏng TT vòi phun phun D H α h1 h d β Bố trí xoắn lên 6 8 200 400 45o 10 265 55 00 xuồng Hình 14: Kết quả mô phỏng 7
8. Nhận xét: với kết quả mô phỏng như trên ta nhận thấy mật độ dòng khí cao và mật độ rối dòng khí dày đặc với lực tác dụng của dòng khí còn lại thấp. Qua đó đánh giá được quá trình hoạt động dòng khí có sự va đập lớn dẫn đến năng lượng tiêu thụ lớn đáp ứng yêu cầu đặt ra. Với phương án mô phỏng này tiến hành thực nghiệm đánh giá hiệu quả của quá trình bóc vỏ. 2.1.3. Chế tạo thử nghiệm đánh giá Hình 14: Mô hình thử nghiệm - Tỏi tiến hành thực nghiệm là tỏi được trồng ở Hải Dương - Đường kính củ tỏi: ∅40 – 45 mm. - Tỏi được đưa vào thùng bóc là tỏi đã tách thành từng tép ra khỏi củ tỏi. - Kích thước tép tỏi: chiều rộng (15 – 25 mm), chiều cao (30 – 35mm). - Độ ẩm: phần thân củ 55% và phần vỏ 8%. 2.1.3.1. Ảnh hưởng của khối lượng tỏi đến tỷ lệ bóc - Giữ nguyên áp suất cung cấp: P = 7 bar và thời gian t = 20s - Khối lượng tỏi bóc thay đổi: 300g, 400g, 500g Khối lượng TT 300g 400g 500g 1 99% 96,4 % 86,80 % 2 98,98% 97,08 % 92,71 % 3 97, 44% 97,33 % 91,35 % Trung bình 98,47% 96,94% 90,74% 8
9. Hình 15: Biểu đồ ảnh hưởng khối lượng tỏi đến tỷ lệ bóc vỏ 2.1.3.2. Ảnh hưởng thời gian bóc đến tỷ lệ bóc vỏ - Giữ nguyên áp suất cung cấp: P = 7 bar và khối lượng tỏi m = 400g. - Thời gian bóc thay đổi: 10s, 15s, 20s, 25s. Thời gian TT 10s 15s 20s 25s 1 86,80 % 99 % 96,4 % 98 % 2 87,82 % 96,08 % 97,08 % 98,06 % 3 91,35 % 95,16 % 97,33 % 99,01 % Trung bình 88,66 % 96,75 % 96,94% 98,36 % 9
10. Hình 16: Ảnh hưởng thời gian bóc tới tỷ lệ bóc vỏ 2.1.3.3. Ảnh hưởng của áp suất đến tỷ lệ tỏi được bóc vỏ Áp suất TT 6 bar 7 bar 1 86,67 % 99 % 2 90 % 96,08 % 3 82,73 % 95,16 % Trung bình 86,47 % 96,75 % 3. KẾT LUẬN Quá trình bóc vỏ tỏi chịu sự chi phối của rất nhiều yếu tố khác nhau. Với mô hình thùng bóc vỏ xác định đã cho kết qủa tốt: + Tăng khối lượng tỏi, giảm thời gian cho một lần bóc vỏ so với máy đã được chế tạo. + Giảm áp suất dòng khí nén cung cấp cho quá trình bóc vỏ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Công Cát, Khí động ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2010 [2] Nguyễn Ngọc Phương, Huỳnh Nguyễn Hoàng, Hệ thống điều khiển thủy lực, Nhà xuất bản giáo dục, năm 2000. [3] Tôn Thất Minh, Giáo trình máy và thiết bị chế biến lương thực, NXB Bách Khoa, Hà Nội 2006. [4] E.T. Corey,Garlic and Other Alliums, The lare and the Science, 2007. [5] Đặng Thiện Ngôn, Nguyễn Đình Vũ, Tôn Thất Tín – Nghiên cứu phát triển máy bóc vỏ tỏi – Tạp chí cơ khí Việt Nam – Số 5 – Tháng 5 năm 2013. [6] Y.J.Cho, C. J .Kim, Analysis of Performance of an Air – Type Garlic peeler for its Optimun Design. [7] Sung Yaun Chen, Garlic membrane peeling machine, No 62, Chung Cheng South Road, Yung-Kang Hsiang, Tainen Hsien, Taiwan – 5158011 – 27/10/1992. [8] Hsiu Liang Wu, Device for removing outer membrane of scallion head or garic head, 58, Ma Yuan West St, Taichung, Taiwan – 5465657 – 14/11/1995. [9] Đinh Vương Hùng, Phạm Xuân Phương, Nguyễn Xuân Trung, Nghiên cứu quá trình sấy tỏi bằng hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời kiểu hỗn hợp đối lưu tự nhiên, Tạp chí khoa học, Đại học Huế, tập 71, số 2, năm 2012. 10
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.