Tiến Sĩ Nghiên cứu một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của liên hợp máy băm ép nước dứa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành đào tạo : Kỹ thuật cơ khí
NĂM - 2012
MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục chữ viết tắt vi
Danh mục các ký hiệu toán học vii
Danh mục bảng x
Danh mục hình xii

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
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3
6 Những đóng góp mới của luận án 4
7 Cấu trúc nội dung luận án 4

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ BĂM ÉP NƯỚC DỨA 5
1.1 Đặc điểm cấu tạo, phân loại, thành phần hoá học và công dụng
của quả dứa 5
1.1.1 Đặc điểm cấu tạo của quả dứa 5
1.1.2 Phân loại dứa 6
1.1.3 Thành phần hóa học của quả dứa 8
1.1.4 Công dụng của quả dứa 10
1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ dứa 12
1.2.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ dứa trên thế giới 12
1.2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ dứa trong nước 13
1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị ép nước dứa 20
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
4.1.1 Xác định vận tốc góc của vật liệu trong bộ phận ép 69
4.1.2 Mối quan hệ giữa hệ số giảm thể tích của vật liệu với áp suất ép 71
4.1.3 Mối quan hệ giữa nồng độ pha rắn trong hỗn hợp bã - dịch quả với áp suất ép 74
4.1.4 Xác định ảnh hưởng của áp suất ép đến độ sót dịch quả theo bã 76
4.1.5 Xác định ứng suất cắt giới hạn của vật liệu trong quá trình ép 77
4.1.6 Khảo sát quy luật biến đổi áp suất trong vùng ép bằng thực nghiệm 79
4.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố 81
4.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ dao băm nd 82
4.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ vít xoắn n 83
4.2.3 Ảnh hưởng của khe hở cửa thoát bã s 84
4.2.4 Ảnh hưởng của chiều rộng lỗ sàng a 86
4.3 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố 88
4.4 Kết quả nghiên cứu tối ưu tổng quát 93
4.5 Kết quả thí nghiệm ứng với giá trị tối ưu của các yếu tố vào 94
4.6 Ứng dụng các kết quả nghiên cứu để hoàn thiện thiết kế liên hợp máy băm ép nước dứa BE-500 96
4.6.1 Hoàn thiện thiết kế liên hợp máy băm ép nước dứa BE-500 96
4.6.2 Xác định một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của liên hợp máy băm ép nước dứa BE-500A 97
4.6.3 Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của liên hợp máy băm ép nước dứa BE-500A. 99

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100
Kết luận 100
Kiến nghị 101
Danh mục các công trình đã công bố có liên quan đến luận án 102
Tài liệu tham khảo 103
Phụ lục 110

DANH MỤC BẢNG
STT Tên bảng Trang
1.1 Đặc điểm một số giống dứa trồng ở Việt Nam 7
1.2 Đặc điểm phân loại quả dứa theo độ chín 8
1.3 Thành phần hóa học của một số giống dứa trồng ở Việt Nam 9
1.4 Thành phần hoá học của dứa Victoria nhập nội theo độ chín 10
1.5 Sản lượng dứa trên thế giới 13
1.6 Diện tích trồng, năng suất và sản lượng dứa trong nước 14
1.7 Sản lượng dứa phân theo địa phương 14
1.8 Một số sản phẩm nước dứa xuất khẩu của Việt Nam 19
2.1 Độ cứng của dứa theo độ chín 41
3.1 Mối quan hệ giữa áp suất ép ứng với góc nghiêng  khác nhau 67
3.2 Số lượng vòng vít và bước của vít xoắn 67
4.1 Vận tốc góc ωq của vật liệu trong bộ phận ép 70
4.2 Hệ số giảm thể tích vật liệu theo áp suất ép 73
4.3 Nồng độ pha rắn trong hỗn hợp bã - dịch quả theo áp suất ép 75
4.4 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của áp suất ép đến độ sót dịch quả theo bã 77
4.5 Kết quả thí nghiệm xác định ứng suất cắt giới hạn của nguyên liệu dứa theo áp suất ép 78
4.6 Hệ số giảm thể tích của các vòng vít trong vùng ép 80
4.7 Áp suất tại các vòng vít trong vùng ép 80
4.8 Áp suất ép theo chiều dài vít xoắn trong vùng ép 80
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 nd 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
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 xi 88
4.14 Các hệ số hồi quy có nghĩa của các hàm Yj 89
4.15 Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán 90
4.16 Giá trị tối ưu của các yếu tố vào xi và các hàm thành phần Yj. 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

DANH MỤC HÌNH

1.1 Quả dứa 5
1.2 Thực phẩm chức năng và mỹ phẩm từ dứa 12
1.3 Dứa sấy khô (a, b) và mứt dứa (c) 17
1.4 Dứa đông lạnh (a); dứa khoanh (b); dứa miếng (c) 17
1.5 Dứa nước đường đóng hộp (a); nước dứa đóng lon (b) 17
1.6 Nước dứa cô đặc 18
1.7 Quy trình công nghệ sản xuất nước dứa 24
1.8 Dây chuyền sản xuất nước dứa cô đặc (Thụy Điển) 28
1.9 Dây chuyền sản xuất nước dứa cô đặc (Italy) 28
1.10 Quy trình sản xuất nước dứa cô đặc 29
1.11 Máy ép thủy lực PA-15TL 32
1.12 Máy ép nước dứa kiểu ED-500 32
2.1 Sơ đồ cấu tạo liên hợp máy băm ép dứa BE-500 35
2.2 Đồ thị hàm mong muốn thành phần dj khi Yj bị chặn một phía 40
2.3 Thiết bị đo độ cứng trái cây FT-10 41
2.4 Thiết bị đo ứng suất cắt của vật liệu EDJ-1 (Trung quốc) 42
2.5 Sơ đồ nguyên lý đo ứng suất cắt của nguyên liệu 42
2.6 Thiết bị đo độ nhớt động lực SYD-265E (Changi, TQ) 44
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 vn theo chiều dài vít xoắn x 64
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 ηge 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 dùng máy ép thủy lực 77
4.11 Quan hệ giữa ứng suất cắt giới hạn của nguyên liệu dứa với áp suất ép 78
4.12 Khảo sát sự biến đổi áp suất của vật liệu bằng thực nghiệm 81
4.13 Đồ thị ảnh hưởng của tốc độ dao băm nd 82
4.14 Đồ thị ảnh hưởng của tốc độ quay vít xoắn n 84
4.15 Đồ thị ảnh hưởng của khe hở cửa thoát bã s 85
4.16 Đồ thị ảnh hưởng của chiều rộng lỗ sàng a 87
4.17 Ảnh hưởng của cặp yếu tố khe hở cửa thoát bã s và tốc độ vít xoắn n đến độ sót dịch quả δ 92
4.18 Ảnh hưởng của cặp yếu tố chiều rộng lỗ sàng a và tốc độ vít xoắn n đến năng suất máy Q 92
4.19 Ảnh hưởng của cặp yếu tố chiều rộng lỗ sàng a và khe hở cửa thoát bã s đến chi phí điện năng riêng Nr 93

MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Dứa là loại trái cây quý, 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 dứa quả đạt 502.700 tấn với kim ngạch xuất khẩu trung bình hàng năm 41,4 triệu USD, đứng đầu trong nhóm rau quả xuất khẩu (Cục XTTM - Bộ Công Thương, 2012) [6]. 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.
Sản phẩm dứa của nước ta một phần được tiêu thụ trong nước, còn 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 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 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
- Mục tiêu chung: Tạo ra thiết bị băm ép nước dứa phục vụ dây chuyền 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.
- Mục tiêu cụ thể: 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 liện hợp máy băm ép nước dứa.