M¤ PHáNG, TÝNH TO¸N Lý THUYÕT<br />
QU¸ TR×NH SÊY Cµ PH£<br />
Modeling of the process of drying coffee beans<br />
<br />
Hoµng §øc Liªn1, I.S.Antonov2<br />
SUMMARY<br />
A model was developed to describe the process of drying different sorts of coffee beans<br />
which were produced in Vietnam. The method of single particle admixture was used for modeling<br />
taking into consideration the fact that moving air media with a temperature equal to the drying<br />
temperature for given materials. Numerical results are given in the current work<br />
Key words: Modeling, coffee beans, drying<br />
<br />
1. §ÆT VÊN §Ò<br />
ViÖt Nam lµ mét trong nh÷ng n−íc s¶n xuÊt vµ xuÊt khÈu cµ phª lín trªn thÕ giíi. Theo sè<br />
liÖu cña Bé Th−¬ng m¹i, s¶n l−îng cµ phª xuÊt khÈu cña ViÖt Nam niªn vô 2004-2005 lµ 900.000<br />
tÊn, song gi¸ xuÊt chØ ®¹t 380 USD/tÊn. VÊn ®Ò nghiªn cøu qui tr×nh c«ng nghÖ sÊy, chÕ biÕn cµ phª<br />
nh»m n©ng cao chÊt l−îng, gi¶m thiÓu chi phÝ n¨ng l−îng vµ h¹ gi¸ thµnh s¶n phÈm lµ hÕt søc cÇn<br />
thiÕt.<br />
B»ng ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n sè sö dông ph−¬ng ph¸p hçn hîp t¹p chÊt ®¬n nh»m x©y dùng<br />
m« h×nh tÝnh to¸n lý thuyÕt qu¸ tr×nh sÊy cµ phª cã thÓ cho kÕt qu¶ dù b¸o vÒ c¸c th«ng sè sÊy c¬<br />
b¶n theo thêi gian ®Ó tèi −u ho¸ vµ n©ng cao hiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh sÊy cµ phª còng nh− mét sè s¶n<br />
phÈm n«ng nghiÖp t−¬ng tù kh¸c.<br />
2. PH¦¥NG PH¸P NGHI£N CøU<br />
Qu¸ tr×nh sÊy c¸c vËt liÖu h÷u c¬ còng nh− trong tr−êng hîp cô thÓ vÒ viÖc sÊy mét sè c¸c<br />
s¶n phÈm n«ng nghiÖp (cµ phª, ca cao, lóa, ®Ëu …) cã thÓ ®−îc m« h×nh ho¸ bëi ph−¬ng ph¸p h¹t<br />
t¹p chÊt ®¬n. Nh− ®· biÕt, nã ®−îc x©y dùng trªn c¬ së ph−¬ng ph¸p Lagranger.<br />
Ph−¬ng ph¸p Lagranger th−êng ®−îc sö dông ®Ó nghiªn cøu dßng ch¶y 2 pha th«ng qua<br />
ph−¬ng ph¸p h¹t t¹p chÊt ®¬n, nghÜa lµ cho phÐp øng dông trong ®iÒu kiÖn nång ®é thÓ tÝch hay<br />
khèi l−îng rÊt nhá, do ®ã sù tån t¹i c¸c phÇn tö kh«ng ®−a vµo c¸c th«ng sè cña m«i tr−êng kÐo<br />
theo (pha gas). §©y lµ ®iÒu kiÖn ban ®Çu cÇn thiÕt ®Ó m« pháng mét c¸ch gÇn ®óng chuyÓn ®éng<br />
trùc tiÕp cña c¸c h¹t t¹p chÊt. Khi gi¶i bµi to¸n theo m« h×nh trªn ®−îc tiÕn hµnh theo c¸c b−íc sau:<br />
Tr−íc hÕt ®−îc tÝnh to¸n víi dßng khÝ s¹ch ®Ó x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cña nã. Sau ®ã x¸c ®Þnh c¸c<br />
th«ng sè c¸c phÇn tö kÐo theo: vËn tèc vµ quÜ ®¹o cña c¸c h¹t t¹p chÊt.<br />
§Ó thiÕt lËp m« h×nh to¸n ®−îc x©y dùng trªn c¬ së ph−¬ng tr×nh Lagranger:<br />
du p<br />
mP = −0 ,5C R sρ g u r2 (1)<br />
dt<br />
dv p<br />
mP = m p g − 0 ,5C R sρ g vr2 (2)<br />
dt<br />
ë ®©y: mp - khèi l−îng h¹t t¹p chÊt;<br />
CR - HÖ sè c¶n khÝ ®éng häc;<br />
s - TiÕt diÖn trung b×nh cña h¹t;<br />
ur = ug – up;, vr = vg – vp - VËn tèc t−¬ng ®èi theo trôc X vµ r;<br />
ChØ sè“g” – pha khÝ, “p” – pha t¹p chÊt.<br />
HÖ sè c¶n khÝ ®éng häc C R ®−îc x¸c ®Þnh theo [1]:<br />
<br />
CR =<br />
24<br />
Re<br />
(<br />
1 + 0 ,179. Re 0 ,5 + 0 ,013. Re p ) (3)<br />
D p Vr<br />
ë ®©y: Re p = ; Dp - §−êng kÝnh t−¬ng ®−¬ng cña h¹t t¹p chÊt;<br />
γg<br />
Vr - VËn tèc t−¬ng ®èi; Vr = u ñ + vr ;<br />
2 2<br />
<br />
<br />
γ g - HÖ sè nhít ®éng cña pha khÝ.<br />
Bµi to¸n ®−îc gi¶i víi ®iÒu kiÖn ban ®Çu nh− sau:<br />
1) VËn tèc cña pha khÝ lµ kh«ng ®æi;<br />
2) NhiÖt ®é pha khÝ lµ b»ng nhau trong qu¸ tr×nh sÊy. Nã x¸c ®Þnh khèi l−îng riªng kh«ng ®æi<br />
cña pha khÝ.<br />
Trong ph¹m vi nghiªn cøu ë ®©y xÐt qu¸ tr×nh sÊy h¹t phª Robusta cña ViÖt nam [2]. KÝch<br />
th−íc cña h¹t phª thay ®æi tõ 3 ÷ 9 mm; ®é Èm ban ®Çu: 50, 28, 20 %. Khèi l−îng riªng cña cµ phª<br />
trong tr−êng hîp cao nhÊt lµ r = 800kg/m3.<br />
Sù biÕn ®æi ®é Èm trong qu¸ tr×nh sÊy [3] ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc:<br />
<br />
<br />
( )<br />
*<br />
u −u<br />
p n<br />
t<br />
= exp − K .τ (4)<br />
*<br />
u −u<br />
1 p<br />
<br />
ë ®©y: ut - ®é Èm thùc tÕ;<br />
u *p - ®é Èm c©n b»ng;<br />
u1 - ®é Èm ban ®Çu.<br />
(<br />
K = exp − z .τ y ) (5)<br />
Trong ®ã:<br />
(<br />
z = 6 ,0142 + 1,453.10 −4 .U )<br />
0 ,5 ⎛9 ⎞<br />
(<br />
− ⎜ tср + 32 ⎟. 3,353.10 −4 + 3.10 −8 .U 2 )<br />
0 ,5 (6)<br />
⎝5 ⎠<br />
⎛9 ⎞<br />
(<br />
y = 0 ,1245 − 2 ,197.10 −3.U + ⎜ tср + 32 ⎟. 2 ,3.10 −5 .U − 5 ,8.10 −5 ) (7)<br />
⎝5 ⎠<br />
*<br />
u − up<br />
t<br />
U= *<br />
, (8)<br />
u1 − u p<br />
ë ®©y: tср - nhiÖt ®é trung b×nh trong qu¸ tr×nh sÊy vËt liÖu.<br />
Theo [4], ®é Èm giíi h¹n cña cµ phª lµ 12 % , nh−ng sù thay ®æi khèi l−îng riªng cña h¹t<br />
®−îc x¸c ®Þnh theo ph−¬ng tr×nh:<br />
⎡ ut (t ) ⎤<br />
ρ pt = ρ p ⎢0 ,9 + 0 ,1 ⎥ , [kg/m ]<br />
3<br />
(9)<br />
⎣ u1 ⎦<br />
T−¬ng tù khèi l−îng cña h¹t cµ phª ®−îc x¸c ®Þnh:<br />
π .D 3p ⎡ ut (t ) ⎤<br />
m pt = ρ p ⎢0 ,9 + 0 ,1 ⎥ , [kg] (10)<br />
6 ⎣ u1 ⎦<br />
<br />
3. KÕT QU¶ THùC NGHIÖM TÝNH TO¸N Sè<br />
Trªn c¬ së m« h×nh tÝnh to¸n ®−îc m« t¶ ë trªn ®èi víi qu¸ tr×nh sÊy cµ phª, ®· tiÕn hµnh<br />
tÝnh to¸n sè ®èi lo¹i cµ phª theo [2], víi sè liÖu cña ViÖt Nam, ®é Èm ban ®Çu cña cµ phª lµ 28%.<br />
Trªn h×nh 1 thÓ hiÖn sù biÕn ®æi ®é Èm cña cµ phª [2] lµ hµm sè cña thêi gian sÊy. §é Èm<br />
ban ®Çu lµ 50%; 30% vµ 20%. Khèi l−îng riªng cña pha khÝ r = 0,703 kg/m3 ë nhiÖt ®é sÊy<br />
t=2200C. Khèi l−îng riªng thay ®æi t−¬ng øng víi ®é Èm gi¶m ®i (h×nh 2). Sù thay ®æi cña khèi<br />
l−îng cµ phª lµ kÕt qu¶ cña sù biÕn ®æi khèi l−îng riªng cña nã. Sù gi¶m khèi l−îng cµ phª trong<br />
qu¸ tr×nh sÊy ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3,4 ®èi víi 3 tr−êng hîp ®−êng kÝnh h¹t cµ phª kh¸c nhau.<br />
<br />
U1=50%<br />
U1=30%<br />
Ut [%] U1=20%<br />
50<br />
45<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500<br />
t [s]<br />
<br />
H×nh 1<br />
<br />
<br />
Sù tiÕp tôc qu¸ tr×nh sÊy ®Õn ®é Èm c©n b»ng (ut =12%) lµ vÊn ®Ò quan t©m cña c«ng nghÖ.<br />
Sù tiÕp tôc cña qu¸ tr×nh nµy øng víi 3 ®é Èm ban ®Çu kh¸c nhau ®−îc chØ ra trªn h×nh 5.<br />
ViÖc so s¸nh víi sè liÖu thùc nghiÖm cña qu¸ tr×nh sÊy cµ phª kh«ng thùc hiÖn ®−îc ë trong<br />
bµi viÕt nµy bëi kh«ng cã nh÷ng sè liÖu trong nh÷ng ®iÒu kiÖn t−¬ng tù.<br />
<br />
<br />
U1=50%<br />
Πp [kg/m3] U2=30%<br />
U3=20%<br />
810<br />
<br />
800<br />
<br />
790<br />
<br />
780<br />
<br />
770<br />
<br />
760<br />
<br />
750<br />
<br />
740<br />
<br />
730<br />
0 100 200 300 400 500<br />
t [s]<br />
<br />
H×nh 2<br />
Dp =0,003m Dp=0,007m<br />
m [kg] m [kg]<br />
1.14E-05 1.46E-04<br />
1.12E-05 1.44E-04<br />
<br />
1.10E-05 1.42E-04<br />
1.40E-04<br />
1.08E-05<br />
1.38E-04<br />
1.06E-05<br />
1.36E-04<br />
1.04E-05 1.34E-04<br />
1.02E-05 1.32E-04<br />
1.00E-05 1.30E-04<br />
0.1 10 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 535<br />
t [s]<br />
<br />
H×nh 3<br />
<br />
<br />
<br />
Dp=0,009m Dp=0,007m<br />
m [kg] m [kg]<br />
3.10E-04 1.46E-04<br />
3.05E-04 1.44E-04<br />
3.00E-04 1.42E-04<br />
2.95E-04 1.40E-04<br />
2.90E-04 1.38E-04<br />
2.85E-04 1.36E-04<br />
2.80E-04 1.34E-04<br />
2.75E-04 1.32E-04<br />
2.70E-04 1.30E-04<br />
0.1 10 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 535<br />
t [s]<br />
<br />
<br />
<br />
U1=50%<br />
U1=30%<br />
U t [%]<br />
U1=20%<br />
50<br />
45<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600<br />
t [s]<br />
H×nh 4<br />
<br />
H×nh 5<br />
Trªn h×nh 6,7 vµ 8 ®· chØ ra kÕt qu¶ tÝnh to¸n lý thuyÕt cña qu¸ tr×nh sÊy cµ phª víi c¸c sè<br />
liÖu ®−a ra cña nhãm t¸c gi¶ ViÖt Nam. Theo c¸c sè liÖu tÝnh to¸n nµy th× ®é Èm ban ®Çu lµ ut0 =<br />
28%. Cßn sù thay ®æi ®é Èm h¹t cµ phª trong 3 tr−êng hîp nhiÖt ®é sÊy kh¸c nhau theo thêi gian<br />
(t,s) còng ®· ®−îc m« t¶. VËn tèc cña pha khÝ lµ ug = 10 m/s.<br />
Qu¸ tr×nh sÊy ë ®é Èm ban ®Çu thÊp ®−îc tiÕp tôc diÔn ra trong thêi gian ng¾n.<br />
Trªn h×nh 9 m« t¶ sù biÕn ®æi khèi l−îng h¹t cµ phª theo th× gian trong 3 tr−êng hîp kÝch<br />
th−íc h¹t cµ phª kh¸c nhau:Dp = 0,003; 0,007 vµ 0,009 m.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0 50 100 150 200 250 t[s]<br />
<br />
H×nh 6<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 t[s]<br />
<br />
H×nh 7<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400 t[s]<br />
<br />
H×nh 8<br />
0.01000000<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0.00100000<br />
Dp=0,003m<br />
Dp=0,007m<br />
Dp=0,009m<br />
<br />
0.00010000<br />
0.1 10 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 535<br />
<br />
<br />
<br />
0.00001000<br />
<br />
<br />
H×nh 9<br />
<br />
<br />
<br />
4. KÕT LUËN<br />
Tõ kÕt qu¶ tÝnh to¸n sè trªn dÉn ®Õn kÕt luËn lµ víi ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n sè sö dông ph−¬ng<br />
ph¸p hçn hîp t¹p chÊt ®¬n ®· nhËn ®−îc sè liÖu tÝnh to¸n lý thuyÕt ®¸ng tin cËy ®èi víi mét qu¸<br />
tr×nh sÊy cµ phª. øng dông m« h×nh tÝnh to¸n trªn lµ c¬ së lý thuyÕt cÇn thiÕt trong nh÷ng tr−êng<br />
hîp t−¬ng tù cã thÓ ¸p dông ®Ó ph©n tÝch, nghiªn cøu qu¸ tr×nh sÊy c¸c s¶n phÈm n«ng nghiÖp<br />
t−¬ng tù kh¸c, gãp phÇn nh»m n©ng cao chÊt l−îng, gi¶m thiÓu chi phÝ n¨ng l−îng cho s¶n phÈm<br />
sÊy.<br />
<br />
Tµi liÖu tham kh¶o<br />
1. Шрайбер А. А., Л. Б. Гавин, В. А. Наумов, В. П. Яценко, (1987). Турбулентные течения<br />
газовзвеси, Киев, Наукова думка.<br />
2. http://members.tripod.com/tiendattea/Coffee_Type.htm<br />
3. Невенкин С., (1993). Сушене и сушилна техника, издателство “ТЕХНИКА”, София, стр.<br />
55 – 58.<br />
4. http://www.tis-gdv.de/tis_e/ware/genuss/kaffee/kaffee.htm;<br />
http://www.professionalequipment.com/xq/ASP/ProductID.781/id.17/subID.260/qx/default.ht<br />
m<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
1<br />
§¹i häc N«ng nghiÖp I - Hµ néi<br />
2<br />
§¹i häc B¸ch khoa Sofia - Bulgaria<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
