Nghiên Cứu Xác Định Một Số Thông Số Tối Ưu Cho Máy Nghiền Bột Gạo Nước Mnm Tl 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NGUYỄN CHÍ THIỆN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ

TỐI ƯU CHO MÁY NGHIỀN BỘT

GẠO NƯỚC MNM – TL – 3

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ NGÀNH : 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

PGS.TS. TRẦN THỊ THANH

ĐỒNG NAI, 2014

1

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Độ nhỏ sản phẩm nghiền đặc trưng bởi kích thước sản phẩm. Yêu cầu về

kích thước sản phẩm là một trong những yêu cầu kỹ thuật quan trọng trong quá

trình nghiền. Tùy theo công nghệ sản xuất, yêu cầu về độ nhỏ sản phẩm nghiền

khác nhau. Ví dụ đối với công nghệ sản xuất thức ăn thủy sản yêu cầu độ nhỏ sản

phẩm nghiền phải đạt kích thước dưới 250µm để đảm bảo độ bền viên thức ăn sau

khi ép. Đối với công nghệ sản xuất bánh đậu xanh, hỗn hợp bột dinh dưỡng ngũ cốc

lại yêu cầu kích thước sản phẩm nghiền phải dưới 90µm. Nhưng với nguyên liệu

bột lương thực trong công nghệ sản xuất các loại sản phẩm thực phẩm dạng màng

và sợi thì yêu cầu về độ nhỏ phải dưới 70 µm để đảm bảo độ dính, độ mỏng cho quá

trình tạo hình sản phẩm sau này.

Công nghệ nghiền và sử dụng các nguyên liệu có độ nhỏ dưới 100 µm được

gọi là công nghệ maicro, còn độ nhỏ dưới 0,1 µm được gọi là công nghệ nano.

Công nghệ maicro, nano là những công nghệ phức tạp, có nhiều sự biến đổi đi theo

về các quá trình lý, hóa, cơ học và sinh học. Việc nghiền nhỏ để đảm bảo công nghệ

maicro thường rất phức tạp về kỹ thuật và công nghệ, cho năng suất thấp, chi phí

năng lượng riêng cao.

Các loại bột được sản xuất từ các hạt lương thực, hay củ quả để làm thực

phẩm cho người hầu hết đều thuộc công nghệ maicro, nên khó nghiền. So sánh giữa

nghiền hạt lương thực và nghiền củ quả để đạt sản phẩm thuộc công nghệ nghiền

maicro thì nghiền hạt lương thực khó khăn hơn, vì hạt lương thực có độ bền cơ học

cũnh như cấu trúc vật liệu bền hơn so với củ quả. Để nghiền nhỏ hạt lương thực có

thể tiến hành nghiền khô và nghiền ướt. Việc nghiền khô thường áp dụng cho sản

phẩm nghiền với mục đích lưu trữ và chỉ áp dụng cho một vài loại hạt dễ nghiền,

tạo keo tốt khi trộn với nước như bột mỳ. Thiết bị nghiền thường là các loại cối xay

đá (trước đây) hay hệ thống máy nghiền trục hiện đại (hiện nay) kết hợp với quá

trình phân loại bằng rây. Nghiền ướt thường chỉ áp dụng cho sản phẩm nghiền được

2

sử dụng ngay cho các khâu chế biến tiếp theo hoặc nước là một thành phần tham gia

vào quá trình chế biến. Nếu muốn lưu trữ thì sản phẩm sau khi nghiền ướt phải đưa

đi sấy khô. Đại đa số các loại hạt ngũ cốc ở các nước Nam Á và Đông Nam Á hoặc

sử dụng ở dạng hạt hoặc chế biến thành sản phẩm dạng màng, sợi nên người ta

thường chọn phương pháp nghiền ướt. Thiết bị nghiền ướt trước đây bằng máy

nghiền kiểu thớt (cối đá hay xay đĩa), sau khi nghiền sản phẩm phải lọc bằng lắng

gạn hay rây ướt. Hiện nay trên thị trường đã bắt đầu sử dụng một số thiết bị nghiền

ướt kiểu công nghiệp như máy nghiền búa cánh, máy nghiền côn thủy lực. Đặc biệt

là máy nghiền côn thủy lực là mẫu máy ra đời vào những năm đầu 2000 do Trung

Quốc là nước duy nhất công bố sản xuất dạng sản phẩm thương mại. Do máy

nghiền côn thủy lực là một nguyên lý nghiền mới lại là sản phẩm thương mại, nên

lý thuyết tính toán loại máy nghiền này chưa được hệ thống hóa hoàn chỉnh và công

bố. Máy nghiền côn thủy lực là loại máy nghiền không dùng sàng để phân ly mà

dùng khe hở giữa rô to với buồng nghiền để giới hạn kích thước lớn nhất của sản

phẩm nghiền. Nên sản phẩm nghiền chưa đảm bảo yêu cầu về kích thước theo yêu

cầu công nghệ. Vì vậy, máy nghiền côn thủy lực chưa được sản xuất ở nước ta tiếp

nhận.

Trước nhu cầu của sản xuất về mẫu máy nghiền bột nước siêu mịn, nằm

2012 Bộ Giáo dục và Đào tạo đã xét duyệt cho trường đại học Nông Lâm Thành

phố Hồ Chí Minh thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và chuyển giao

máy nghiền kiểu búa – thủy lực dùng trong công nghiệp chế biến”, mã số B 2012 –

12 – 12 do PGS.TS. Trần Thị Thanh làm chủ nhiệm. Trên cơ sở kế thừa các nguyên

lý nghiền bột nước là kiểu côn thủy lực, kiểu xay đĩa và búa cánh, PGS.TS. Trần

Thị Thanh cùng các cộng sự đã đề xuất và kiểm chứng bằng thực nghiệm mẫu máy

nghiền mới MNM – TL – 3 phối hợp cả 3 nguyên lý nghiền để phát huy ưu thế của

mỗi nguyên lý. Máy mô hình thực nghiệm MNM – TL – 3 được thiết kế có năng

suất 100 kg/h đạt độ nhỏ sản phẩm nghiền lọt qua lỗ sàng Mesh 230 (kích thước lỗ

63 m). Một trong nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài đã đăng ký là xác định các thông

số tối ưu cho mô hình máy nghiền thực nghiệm. Kết quả tính toán tối ưu sẽ làm cơ

3

sở cho việc thiết kế, xây dựng dãy cỡ máy nghiền có các cỡ năng suất khác nhau

đồng dạng với mô hình máy nghiền thực nghiệm MNM – TL – 3 nghiên cứu. Đồng

thời còn góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật quá trình nghiền bột nước

phục vụ sản xuất và đời sống khi triển khai kết quả nghiên cứu vào sản xuất. Vì vậy

việc xác định các thông số tối ưu cho máy nghiền bột gạo nước MNM – TL – 3 có

tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học sâu sắc.

Được sự chấp thuận của Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí, phòng Đào tạo sau đại

học và Ban giám hiệu trường đại học Lâm nghiệp, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.

Trần Thị Thanh, tôi tiến hành đề tài:

“Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu cho máy nghiền bột gạo

nước MNM – TL – 3”

Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu tổng quát:

Nâng cao hiệu quả nghiền bột gạo nước trong công nghệ chế biến các sản

phẩm lương thực dạng màng và sợi truyền thống của Việt Nam..

Mục tiêu cụ thể:

1) Xây dựng mô hình thống kê thực nghiệm mô tả sự phụ thuộc của tỷ lệ sản phẩm

nghiền nằm trên sàng Mesh 400 (%) và chi phí điện năng riêng để nghiền (kWh/tấn)

vào các thông số kết cấu và công nghệ là lượng cung cấp hay năng suất q (kg/ph)

khe hở hai đĩa nghiền h1 (mm), khe hở theo phương hướng kính giữa đầu cánh búa

và bề mặt lưới sàng h2 (mm), số vòng quay của trục nghiền n (vg/ph) và chi phí

nước (thủy lực) qnước (l/ph).

2) Phân tích mô hình thống kê thực nghiệm về sự ảnh hường hay tác động của các

thông số nghiên cứu đến các chỉ tiêu về tỷ lệ sản phẩm nghiền nằm trên sàng Mesh

400 (%) và chi phí điện năng riêng để nghiền (kWh/tấn).

3) Xác định các thông số tối ưu và chỉ tiêu tối ưu đạt được.

4) Kiểm chứng chế độ làm việc tối ưu của máy nghiền bột gạo nước MNM – TL – 3

năng suất 500 kg/h trong sản xuất.

4

Ý nghĩa đề tài:

Ý nghĩa khoa học của đề tài là:

Kiểm chứng và nghiên cứu các thông số kết cấu và công nghệ cho mẫu máy

nghiền bột gạo nước mới bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là:

Kết quả nghiên cứu được tổ chức ứng dụng trực tiếp vào sản xuất.

Do đề tài thực hiện là một giải pháp kỹ thuật mới, thời gian thực hiện ngắn,

cơ sở vật chất – kỹ thuật, kinh phí, trình độ và kinh nghiệm còn bị hạn chế nên đề

tài không tránh những thiếu sót. Tôi xin chân thành cảm ơn sự xây dựng, đóng góp

của Quí Thầy – Cô, các Nhà khoa học, kỹ thuật ở các chuyên ngành liên quan cùng

các bạn đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn.

5

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng luận các công trình đã công bố về máy nghiền bột nước

1.1.1. Tổng luận các công trình đã công bố về máy nghiền bột nước ở trong

nước

Bún tươi, bánh tráng, bánh phở, bánh cuốn,… là những thực phẩm truyền

thống của dân tộc ta, có mặt ở hầu hết các địa phương trên cả nước. Đây là những

sản phẩm được chế biền từ bột gạo sản xuất theo công nghệ nghiền ướt. Trong đó

thiết bị chủ yếu để sản xuất là các cối đá làm việc theo nguyên lý nghiền kiểu đĩa

trục đứng. Cối đá có thể dùng sức sức người, động cơ, v.v…Đây là loại thiết bị

dùng chủ yếu để nghiền bột gạo theo phương pháp ướt ở nước ta từ trước những

năm 2.000. Theo nhu cầu xã hội, yêu cầu chuyên môn hóa sản xuất, loại thiết bị này

ngày càng tỏ ra làm việc kém hiệu quả do cho năng suất thấp, chất lượng sản phẩm

nghiền khó kiểm soát do quy trình nghiền phức tạp vì phải nghiền đi, nghiền lại

nhiều lần. Do đó loại thiết bị nghiền cối đá theo nguyên lý nghiền đĩa ngày càng ít

sử dụng. Hiện chỉ còn thấy ở một số gia đình nông dân các tỉnh Phía Bắc, hay một

số rất ít hộ kính doanh cá thể nhỏ lẻ.

Hình 1.1. Máy xay gạo kiểu cối đá (kiểu nghiền đĩa).

6

Theo sự phát triển xã hội, thói quen tự chế biến tại các gia đình và các cơ sở

sản xuất bột gạo theo nguyên lý nghiền ướt cũng dần mất đi, để hình thành lên

những cơ sở sản xuất chuyên môn hóa với năng suất, hiệu quả kinh tế cao. Vì vậy

đã đặt ra nhu cầu thiết bị nghiền bột ướt mới nhằm khác phục các nhược điểm của

các thiết bị nghiền dạng cối đá.

Năm 2007, PGS. TS. Trần Thị Thanh và các cộng sự có những công bố đầu

tiên về máy nghiền búa-thuỷ lực dùng trong công nghệ nghiền ướt. Một ưu điểm

của nguyên lý nghiền này là cho năng suất cao, độ nhỏ bột nghiền có thể đạt công

nghệ micro, phù hợp cho các đối tượng dễ nghiền như bùn đỏ là chất thải trong khai

thác quặng nhôm. Sản phẩm sau khi nghiền được dùng dùng làm chất keo tụ trong

xử lý nước thải.

Cấp liệu vào máy nghiền

Hình 1.2. Máy nghiền bùn đỏ kiểu búa – thủy lực.

Năm 2009, ThS. Nguyễn Thị Kiều Hạnh cùng các cộng sự thực hiện đề tài

nghiên cứu khoa học cấp cơ sở, mã số CS – CB07 – CK – 02 là “Nghiên cứu thiết

kế - chế tạo mô hình máy nghiền gạo ứng dụng trong công nghệ sản xuất bún”. Đề

tài đã phát triển và ứng dụng nguyên lý nghiền búa – thủy lực vào nghiền gạo là kết

quả nghiên cứu của PGS.TS. Trần Thị Thanh vào sản xuất bún tươi. Kết quả nghiên

cứu cho thấy máy đạt năng suất 500 kg/h, công suất động cơ truyền động 10 HP, độ

7

nhỏ bột nghiền dưới 70 m. Hiện nay loại máy nghiền này đã được áp dụng khá

rộng rãi ở hầu hết các cơ sở sản xuất bún tươi của các tỉnh Phía Nam.

Hình 1.3. Lưới sàng máy nghiền gạo ướt. Hình 1.4. Cấu tạo máy nghiền gạo ướt.

Tuy nhiên máy nghiền búa – thủy lực kiểu búa dạng cánh cũng còn một số

tồn tại như hiệu quả nghiền chưa cao, do quá trình nghiền chủ yếu là do trượt ma sát

giữa cánh búa lên lớp vật liệu nghiền và giữa lớp vật liệu nghiền với bề mặt lưới

sàng.

1.1.2. Tổng luận các công trình đã công bố về máy nghiền bột nước ở ngoài

nước

Các kết quả nghiên cứu về nghiền bao gồm việc hoàn thiện lý thuyết, công

nghệ và thiết bị nghiền.

Về lý thuyết nghiền đã được nhiều nhà bác học quan tâm và giải quyết để

xác định cơ chế nghiền vỡ. Năm 1867 nhà bác học người Đức P.Rv.Ritingơ đã phát

minh ra thuyết bề mặt “Công dùng cho quá trnh nghiền tỷ lệ thuận với bề mặt mới ́

tạo thành của vật liệu đem nghiền”. Công thức biểu diễn thuyết bề mặt trình bày:

As = f (  S) , (J) ; (1.1)

Trong đó: As - công chi phí để nghiền vỡ vật thể, tạo thành bề mặt mới , [J];

S - diện tích bề mặt mới được tạo thành (sự gia tăng diện tích riêng

bề mặt).

Thuyết bề mặt được áp dụng nhiều để đánh giá quá trnh nghiền mịn, ́ vì khi

đó sản phẩm nhận được với diện tích riêng bề mặt phát triển cao.

Thuyết thể tích được nhà cơ học người Nga V.L. Kirpitrev (1874) đề xuất và

8

được Giáo sư người Đức Ph.Kik(1885) kiểm tra bằng thực nghiệm trên máy nghiền

kiểu búa. Nội dung cơ bản của thuyết thể tích là : “Công cần thiết để nghiền vật liệu

tỷ lệ thuận với mức độ biến đổi thể tích của vật liệu”

Av = f( V) , (J) ; (1.2)

Trong đó: Av - công chi phí để nghiền vỡ vật thể ,[J];

V - phần thể tích vật thể bị biến dạng.

Nhưng phần thể tích bị biến dạng V lại tỷ lệ thuận với thể tích ban đầu V

của tất cả các cục vật liệu, nghĩa là V = k1. V . Cho nên :

Av = k .k1.V = k2.V = kv.D3

Hay : Av = k2.V = k2 .  m = kv

/

.m ; (1.3)

Trong đó: kv, k, k1, k2 - các hệ số tỷ lệ trong các công thức theo thuyết thể

tích.

m - khối lượng cục vật liệu nghiền, [kg].

Thuyết thể tích của Kirpitrer -Kik cho kết quả chính xác hơn trong tính toán

quá trń h nghiền thô. Bởi vì khi nghiền thô, phần năng lượng chi phí cho biến dạng

đàn hồi vật thể là chủ yếu, còn năng lượng chi phí cho việc gia tăng diện tích riêng

bề mặt thì không đáng kể.

Những người ủng hộ thuyết bề mặt và thuyết diện tích đă tranh luận gay gắt

với nhau hơn nửa thế kỷ, nhưng họ không thành công kể cả thuyết thứ nhất lẫn

thuyết thứ hai. Bởi vì họ mắc sai lầm, chỉ đứng về một phía và không chú ý đến ảnh

hưởng của các điều kiện cụ thể của quá trnh nghiền và dung tích năng lượng của nó ́

(như mức độ phân tán vật liệu, cấu tạo và chế độ nghiền v.v...).

Hai thuyết diện tích và thể tích có nhược điểm như đă nêu cho nên Ph.C.

Bon(1952) đă đề xuất một thuyết nghiền thứ ba để dung ha hai thuyết trên ̣ . Nội

dung của thuyết dung hòa cho rằng: “Công nghiền tỷ lệ với trung bình nhân giữa thể

tích (V) và bề mặt (F) của vật liệu đem nghiền”.

Adh = k

V.F k k D .

3



v

2

ks

.D

Adh = kdh .D2,5 ; (1.4)

9

Sau khi biến đổi chúng ta nhận được :

Adh = kdh.



















D

1

d

1

; (1.5)

Sau này còn có công trnh nghiên cứu của nhà bác học Nga A.K. Rungbixt ́

(1956) và nhà bác học người Mỹ R.Trarlz (1958). Các nhà bác học này đă giới thiệu

phương trình:

dA = -c.d

z

d





; (1.6)

Trong đó :

A - công biến dạng ,[J];

 - kích thước đặc trưng (đối với cục vật liệu là D và các phần tử bột

nghiền là d ) , [mm];

c và z - các hệ số.

Lấy tích phân phương trnh (1.6 ́ ) và sau khi cho các giá trị rời rạc z = 1; 2;

3/2, bằng sự tính toán đến giá trị cuối cùng của các kích thước chúng ta sẽ nhận

được giá trị gần đúng tích phân có dạng:

A = k. Dq

; (1.7)

Khi đó chỉ số mũ q có các giá trị 3 ; 2 và 2,5. Tương ứng với các biểu thức sau:

Av = kv . D3

- Thuyết thể tích của Kirpitrev - Kik.

As = ks . D2

- Thuyết diện tích của Ritingo.

Adh = kdh . D2,5

- Thuyết dung ha của Bon. ̣

Rõ ràng là cả hai thuyết diện tích và thể tích không mâu thuẫn nhau mà

chúng bổ sung cho nhau. Nếu nghiền tương đối to (nghiền thô) thì phần diện tích

riêng được tạo ra nhỏ, có thể bỏ qua nghĩa là áp dụng thuyết thể tích. Đồng thời qua

nghiên cứu cho chúng ta thấy quá trnh nghiền là quá t ́ rnh phức tạp bao gồm nhiều ́

biến đổi cơ lý của vật liệu trong khi nghiền.

Như vậy các thuyết nghiền nêu trên chỉ là gần đúng để nghiên cứu và được

hiệu chỉnh về mặt thực nghiệm.

Do chỗ thiếu sót của cả hai thuyết diện tích và thể tích khi dựa vào các tính

chất cơ lý của vật liệu nghiền trong biến dạng, Viện sĩ người Nga P.A.Rebinder