Tóm tắt:
Bài báo trình bày tóm tắt kết quả nghiên cứu thực nghiệm, máy phân loại làm sạch sơ bộ ngô thương phẩm tại cơ sở sản xuất, với quy mô năng suất của thiết bị 40-50 tấn/h. Kết quả khảo sát cho thấy năng suất đo đạc thực tế đạt Q = 42,63 tấn/h, độ sạch đạt được a = 98,39%; độ sót η=0,10% với công suất máy sàng N = 3 kW, số vòng quay n = 20 vòng/phút; công suất quạt N = 4 kW, n = 1460 vòng/phút. Kết quả thực nghiệm cho thấy máy phân loại làm sạch đạt chất lượng tốt, có thể sử dụng cho phân loại sơ bộ trước khi đưa ngô thương phẩm hoặc ngô giống vào sấy nhằm giảm chi phí năng lượng và chống ô nhiễm môi trường.
Từ khóa: máy sàng phân loại, làm sạch sơ bộ, ngô thương phẩm
1. Đặt vấn đề
Ở Việt Nam, ngô vẫn là cây lương thực sau lúa, vì ngô không những là lương thực cho người mà còn sử dụng làm thức ăn gia súc. Trong khi cơ cấu nông nghiệp đã chuyển dịch theo hướng giảm dần tỷ trọng ngành trồng trọt và tăng tỷ trọng ngành chăn nuôi nên nhu cầu về ngô là rất lớn. Mặt khác ngô còn là mặt hàng xuất khẩu có giá trị. Trong tương lai, khi đã sản xuất đủ cho nhu cầu nội địa, chắc chắn ngô sẽ là mặt hàng xuất khẩu của nước ta giống như lúa gạo. Tuy nhiên tham gia vào thị trường thương mại thế giới có sự đòi hỏi rất khắt khe về chất lượng nông sản. Do vậy phải có sự đầu tư một cách đồng bộ từ sản xuất đến, chế biến và vận chuyển tiêu thụ. Cho nên mặt hàng ngô xuất khẩu phải đảm bảo về chất lượng ngoài độ khô còn cần đảm bảo về độ sạch, độ đồng đều hạt. Vì thế ngô cần được làm sạch và phân loại trước khi đóng bao. Trong nghiên cứu này nhóm tác giả trình bày quá trình khảo nghiệm máy sàng phân loại/làm sạch ngô thương phẩm năng suất siêu lớn quy mô công nghiệp để đáp ứng nhu cầu cấp bách hiện nay cho doanh nghiệp là cần thiết và có ý nghĩa[1-3].
2. Vật liệu, phương pháp, thiết bị đo và thiết bị nghiên cứu
- Vật liệu nghiên cứu: Vật liệu nghiên cứu ở đây là ngô hạt tươi lai 10 có được từ cơ sở sản xuất, chế biến ngô thương phẩm Lào Cai. Ngô sau khi tẽ bắp tươi có độ ẩm w = 26-32%, được dẫn qua máng để nạp vào máy phân loại và sẽ được làm sạch trước khi đưa vào sấy. Như vậy ngô sau khi tẽ sẽ được làm sạch sau đó nạp vào máy sấy nhằm giảm thiểu chi phí năng lượng sấy, giảm ô nhiễm môi trường.
- Phương pháp nghiên cứu: Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, kết hợp phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm.
- Thiết bị đo khi nghiên cứu (hình 1): trong quá trình thực hiện đo đạc khảo nghiệm, đã sử dụng các loại thiết bị đo sau: 1- Cân khối lượng gồm: cầu cân có tải trọng 100.000kg (100 tấn), cân đồng hồ 0 ÷ 100 kg; 2- Thiết bị đo tốc độ gió, áp suất quạt ly tâm (Testo CHLB Đức); 3- Ampe kìm (CHLB Đức); 4- Máy đo độ ẩm (CHLB Đức); 5- Biến tần điều chỉnh tốc độ (Siemens CHLB Đức).
Hình 1. Thiết bị đo khi khảo nghiệm[1,2]
- Thiết bị nghiên cứu: quy trình bố trí lắp đặt máy thí nghiệm theo sơ đồ nguyên lý (hình 2a). Trên hình 2 cho thấy máy phân loại/làm sạch được lắp (kết nối trong hệ thống) sau máy tẽ ngô 2 trống đã có sẵn của cơ sở sản xuất với năng suất Q = 40-50 tấn/giờ, phù hợp năng suất theo thiết kế của máy sàng làm sạch Q = 40-50 tấn/giờ. Thiết bị thực nghiệm trong nghiên cứu này với các thông số chính như sau: i). động cơ truyền động chính 3 kW ; ii). số vòng quay làm việc n= 20 vòng/phút được điều chỉnh tốc độ cho phù hợp thông qua biến tần ; iii). quạt làm sạch để hút mày ngô và râu ngô, bẹ ngô với các thông số: lưu lượng Q = 7500-8000 m3/h; áp suất h = 140 mmH2O; công suất N = 4 kW; số vòng quay n = 1460 vòng/phút [1].
Hình 2a. Sơ đồ nguyên lý máy sàng phân loại[1,3]
01- Máy tẽ ngô hạt; 02- Vỏ máy sàng phân loại; 03- Sàng côn trong; 04- Sàng trụ ngoài; 05- Cửa ra xá; 06- Cửa ra sản phẩm; 07- Quạt; 08- Xyclone; 09- Vít ra xá.
Hình 2b. Một số hình ảnh mô tả quá trình thực nghiệm đối với sàng phân loại/làm sạch tại cơ sở sản xuất [1]
3. Kết quả nghiên cứu và bàn luận
- Mục đích nghiên cứu: để đánh giá, kiểm chứng tính khả thi và giá trị các thông số thiết kế, thông số chất lượng máy phân loại/làm sạch ở trạng thái làm việc trong điều kiện sản xuất. Qua đó có cơ sở để đánh giá tính ổn định (khả năng hoạt động ổn định) trong điều kiện sản xuất đồng thời kiểm chứng độ bền của thiết bị. Từ đó làm cơ sở cho việc hoàn thiện thiết kế, chế tạo và sản xuất hàng loạt sau này [1].
- Nội dung nghiên cứu: a)- xác định/kiểm chứng các thông số thiết kế : i). năng suất thiết bị Q (tấn/giờ); ii). tốc độ quay của sàng (vòng/phút); iii). đường kính sàng (mm); iv). chiều dài sàng (mm); v). kích thước lưới sàng (mm); vi). góc nghiêng đặt sàng α (0); vii). chi phí năng lượng (kW). b) Xác định các thông số chất lượng: i). xác định độ sạch của sản phẩm a (%); ii). xác định độ sót η (%)[1].
Căn cứ vào mục đích yêu cầu nghiên cứu. Kết quả đo đạc xác định được các thông số kỹ thuật cơ bản được xử lý theo các phương trình sau [1]:
- Kết quả thực nghiêm thông qua sự thay đổi tốc độ quay của máy làm sạch:
Theo kết quả [1, 2] n = 18,97 vòng/phút. Trong thiết kế chúng ta đã chọn tốc độ quay của máy n = 20 vòng/phút. Trong phạm vi bài báo này chúng tôi dùng biến tần để kiểm tra tính hợp lý của tốc độ đã chọn để hiệu chỉnh thiết kế cho việc sản xuất hàng loạt loại sàng phân loại sơ bộ ngô thương phẩm này. Kết quả kiểm tra cho ở bảng 1.
Bảng 1. Kết quả kiểm tra thực nghiệm[1]
Bảng 1 cho ta thấy đối với sàng trống nhiều cấp (hình 2), tốc độ quay của sàng ảnh hưởng tới năng suất, độ sót và độ sạch sản phẩm. Trong một phạm vi nhất định, khi tốc độ quay của sàng tăng thì năng suất tăng. Tuy nhiên với nguyên lý kết cấu sàng phân loại nhiều cấp như hình 2 cơ cấu làm sạch, chống bám dính mặt sàng rất quan trọng. Trong nghiên cứu này nhóm tác giả sử dụng cơ cấu tạo “xung lực” để làm sạch mặt sàng, cơ cấu tạo “xung lực” phụ thuộc vào tốc độ quay của sàng. Như trên bảng 1 cho thấy khi sàng quay với tốc độ chậm (n=14 vòng/phút) khả năng tạo “xung lực” lên mặt sàng trống kém do đó không giải phóng được phần lõi ngô vỡ bám vào lưới sàng ngoài nên độ sót tăng, độ sạch giảm. Khi tăng tốc độ sàng lên 22 vòng/phút lúc đó cơ cấu tạo “xung lực” chưa kịp tác động vào mặt sàng (hoặc tác động với lực bé) trong khi đó thì sang vẫn luôn luôn quay, bởi thế sàng đã quay qua vị trí “tác động” nên độ sót tăng và độ sạch giảm rất nhanh. Ở bảng 1 thực nghiệm cho thấy tốc độ đạt được 20 vòng/phút với khả năng làm việc của cơ cấu tạo “xung lực” để làm sạch được sự bám dính của lõi ngô vỡ với mặt lưới sàng ngoài là tốt nhất nên độ sạch tăng cao nhất, độ sót giảm và đạt tối ưu nhất.
Kết quả kiểm tra cho thấy với tốc độ n = 20 vòng/phút năng suất đạt 42,5 tấn/h, độ sót η = 0,05%, độ sạch a = 99,44% chấp nhận được với sàng phân loại làm sạch sơ bộ do đó việc chọn tốc độ sàng quay n = 20 vòng/phút là hợp lý.
- Công suất tiêu thụ điện năng:
Sau khi đã chọn được tốc độ sàng n = 20 vòng/phút ta cố định ở tốc độ đã chọn n không sử dụng biến tần và đo công suất tiêu thụ điện năng theo công thức:
Trong đó: U- Hiệu điện thế
I- Cường độ dòng điện
Cosφ- Hệ số công suất của động cơ Cosφ = 0,8
η- Hiệu suất sử dụng η = (0,96÷1) thông thường ta chọn η = 1
Bảng 2. Kết quả đo công suất tiêu thụ[2]
Theo phương trình (1) ta tính được[2]:
* Công suất tiêu thụ của động cơ sàng trống là:
Ta chọn động cơ sàng P = 3kW là hợp lý
* Công suất của động cơ quạt
Ta chọn động cơ lắp cho quạt làm sạch là P = 4kW là hợp lý.
- Năng suất của máy phân loại làm sạch [1,3-6]:
Vì đây là xác định năng suất thực tế của máy phân loại làm sạch sơ bộ được lắp theo sơ đồ nguyên lý như hình 2a. Hệ thống thiết bị có năng suất rất cao từ 40-50 tấn/h do đó để xác định năng suất chúng ta để cho hệ thống thiết bị làm việc ổn định sau đó bấm giờ và lấy sản phẩm là ngô thương phẩm ở đầu ra. Sau một khoảng thời gian nhất định, cụ thể ở đây chúng tôi lấy trong khoảng 80-100 giây cho mỗi lần lấy mẫu. Và lấy 7 mẫu sau đó lấy giá trị trung bình của các mẫu thử để tính năng suất theo công thức sau:
Trong đó: Qi - Năng suất thiết bị lần đo thứ i
Mi – Khối lượng ngô thương phẩm của mẫu thử lần đo thứ i (kg)
ti - Thời gian t lần đo thứ i (giây)
Bảng 3. Năng suất máy phân loại làm sạch sơ bộ[1]
Ta có:
Như vậy theo (3) năng suất thiết bị là: Q = 42630 kg/h
- Kiểm định kích thước lưới sàng trong, sàng ngoài của máy phân loại/làm sạch
Cơ sở khoa học lựa chọn, thiết kế sàng phân loại cần căn cứ vào hình dạng, kích thước hạt ngô (xem bảng 4) để lựa chọn, thiết kế kích thước lỗ sàng để hạt sau khi phân loại đảm bảo chất lượng theo yêu cầu. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đo được các thông số đối với hạt ngô thương phẩm tại cơ sở sản xuất như sau[1]:
+ Độ ẩm trung bình trước khi đưa vào tẽ và phân loại w = 26-32%
+ Khối lượng riêng: M = 1238kg/m3
+ Vận tốc lơ lửng: VB = 12,48 ÷ 14,03 m/s
+ Hệ số cản không khí: k = 0,162 ÷ 0,236
+ Kích thước của hạt ngô thương phẩm:
a = 9,552 Þ a: Chiều rộng, nằm trong khoảng: 6,6 ≤ a ≤ 11,8;
b = 6,115 Þ b: Chiều dày, nằm trong khoảng: 4,7 ≤ b ≤ 8,9;
c = 11,703 Þ c: Chiều cao, nằm trong khoảng: 8,6 ≤ c ≤ 13,8.
Bảng 4. Đo kích thước hạt ngô[1]
Từ kết quả đo được như trên bảng 4 làm cơ sở để xây dựng các biểu biểu đồ phân bố kích thước hạt ngô theo chiều rộng, chiều dày, chiều dài [1,4-6] thể hiện ở hình 3 đến hình 5 dưới đây[1].
Hình 3. Biểu đồ phân bố kích thước hạt ngô theo chiều rộng[1]
Hình 4. Biểu đồ phân bố kích thước hạt ngô theo chiều dày[1]
Hình 5. Biểu đồ phân bố kích thước hạt ngô theo chiều dài[1]
Căn cứ vào kết quả phân bố dải kích thước như trên các biều đồ, mặt khác căn cứ vào nguyên lý làm việc của thiết bị ở đây là sàng theo nguyên lý trống quay. Để cho hiệu suất phân ly/phân loại, làm sạch tốt thì diện tích mặt thoáng của sảng cần phải lớn. Bởi vậy cần lựa chọn sàng là dạng lưới đan. Ở đây là sàng nhiều lớp, bởi vậy lựa chọn các lưới sàng trong có kích thước từ 112x12mm, 113x13mm, 114x14mm và 115x15mm đảm bảo hạt ngô lớn nhất có thể lọt qua được để ngô thương phẩm không sót đi theo sá (cùi ngô vỡ, râu ngô, bẹ ngô) ra ngoài. Lớp sàng ngoài có kích thước ≤ 16x6mm đảm bảo cho lọt qua nó những hạt ngô lép, hạt vỡ có kích thước ≤ 6mm (sạn, cát, ...) được vít tải đưa ra ngoài[1].
Ngô thương phẩm di chuyển đi trên lớp sàng ngoài được guồng gắn đưa lên cao và đổ xuống phễu đưa ra ngoài, khi đổ xuống được quạt hút có lưu lượng, áp suất hợp lý hút những phần có trọng lượng riêng nhỏ như cùi vỡ, râu ngô, lá ngô có kích thước tương đương 6 ≤ f≤15mm theo quạt đi ra ngoài [1].
- Xác định các thông số chất lượng[1,4-6]:
* Xác định các tạp chất của ngô sau khi tẽ hạt.
Ngô bắp lai 10 được đưa vào tẽ hạt trên máy tẽ ngô 2 trục (hình 2) có độ ẩm trung bình w=26-32%. Sau khi tẽ ta lấy mẫu, mỗi mẫu thử là 20 kg, để xác định thành phần tạp chất sau khi tẽ/trước khi đưa vào máy sàng phân loại.
- Bước 1: lấy mẫu thử cho vào sàng với lỗ tròn f6mm để loại bỏ những vật có kích thước nhỏ hơn 6mm bao gồm: đất, sạn, cát, ngô vỡ, ngô lép, mày ngô, lá ngô, râu ngô và lõi ngô vỡ.
- Bước 2: Lấy số còn lại (sản phẩm ở bước 1) cho vào sàng f12mm. Bước này loại bỏ được những hạt có kích thước > f12mm bao gồm: râu ngô, bẹ ngô, lõi ngô vỡ, đất đá.
- Bước 3: Sản phẩm của bước 2 bao gồm phần lõi ngô và các tạp chất khác có trong ngô, kích thước là 6 ≤ f≤12mm lẫn trong ngô thương phẩm. Kết quả cho ở bảng 5.
Bảng 5. Thí nghiệm xác định tạp chất của ngô sau khi tẽ.
Như vậy tỷ lệ tạp chất có trong ngô thu được trên máy tẽ ngô 2 trục đối với ngô lai 10 có độ ẩm trung bình trước khi đưa vào tẽ w = 26-32% là 3,45%. Độ sạch sau tẽ là 96,55%.
* Xác định độ sạch (a) của sàng phân loại/làm sạch [1,4-6]:
Trong đó:
m1- Thành phần tạp chất trong mẫu thử (kg)
M- Khối lượng ban đầu của mẫu thử (kg)
M=M1+m1 (5)
M1- Khối lượng ngô sạch thương phẩm của mẫu thử (kg).
* Xác định độ sót [1,4-6]:
Trong đó:
m2- Độ sót ngô thương phẩm đi theo xá (lõi ngô vỡ, râu ngô, lá ngô) ra ngoài (kg)
M- Khối lượng mẫu thử (kg)
Kết quả đo đạc các thông số nêu trên được trình bày bảng 6 [1].
Bảng 6. Kết quả xác định các thông số chất lượng của sản phẩm[1]:
Từ phương trình (4) xác định được độ sạch của sàng[1]:
Tương tự từ phương trình (6) ta xác định được độ sót của sàng[1]:
4. Kết luận
Kết quả thực nghiệm đã đánh giá khách quan tính phù hợp giữa các thông số thiết kế và các thông số đo đạc được trong quá trình khảo nghiệm tại cơ sở sản xuất.
Quá trình thực nghiệm đã tiến hành đo đạc đánh giá tính phù hợp và phương pháp lựa chọn lưới sàng. Kết quả đánh giá năng suất của máy phân loại/ làm sạch (làm sạch sơ bộ ngô thương phẩm sau khi tẽ trước khi đưa vào sấy) nhằm giảm thiểu chi phí năng lượng do sấy cùi ngô vỡ, thời gian sấy và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chưa làm sạch được mày ngô. Năng suất đo đạc được trong điều kiện sản xuất Q = 42,63 tấn/h. Kết quả đánh giá chất lượng của máy phân loại làm sạch như độ sạch đạt được a = 98,39%; độ sót η=0,10%. Sau khi phân loại sơ bộ độ sạch của ngô thương phẩm tăng lên 1,84%; do đó máy đạt yêu cầu chất lượng của một máy phân loại làm sạch sơ bộ. Điều này chứng tỏ máy sàng phân loại/làm sạch đạt chất lượng kỹ thuật phân loại làm sạch sơ bộ ngô thương phẩm. Nguyên lý kết cấu máy này có thể sử dụng để phân loại làm sạch sơ bộ ngô giống sau khi tẽ trước khi đưa vào sấy lại hạt ngô giống với điều kiện chọn lại kích thước sàng nhằm giảm chi phí năng lượng riêng khi sấy lại và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Đình Tùng, Nguyễn Tuấn Anh và cs (2017). Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống máy sàng làm sạch ngô năng suất siêu lớn 35-40 tấn/h. Báo cáo Đề tài Khoa học công nghệ cấp Bộ.
[2]. Nguyễn Đình Tùng, Lê Minh Lư (2017). Kết quả tính toán thiết kế máy sàng phân loại ngô quy mô công nghiệp, năng suất 45-50 tấn/h. Tạp chí công nghiệp nông thôn, số 27, trang 52-58.
[3]. Nguyễn Đình Tùng và cs (2016). Hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết bị trong dây chuyền chế biến ngô giống năng suất Q = 100 ÷ 120 tấn/mẻ. Báo cáo tổng kết dự án sản xuất thử nghiệm - Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp.
[4]. Stiess, M. (2009). Mechanische Verfahrenstechnik - Partikeltechnologie 1, 3 Auflage, Springer Verlag.
[5]. BOHNET, M. (2004): Mechanische Verfahrenstechnik. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, Weinheim 2004.
[6]. Heinze, G. (2000). Handbuch der Agglomerationstechnik, Wiley- VCH.
Experimental study of cleaning sieving machines, sorting corn with super productivity of 40-50 tons/h Abstract: The paper summarizes the results of experimental research, assaying corn screening and sorting machines at production facilities, with the capacity of equipment of 40-50 tons/h. The results show that the actually measured productivity is Q = 42,63 tấn/h, the cleanliness achieved a = 98.39%; omission level η = 0.10%, with the parameters of screen: N = 3 kW, n = 20 rpm; and centrifugal fan parameters: N = 4 kW, n = 1460 rpm. Experimental results show that the cleaning sorting machine is of good quality, can be used for preliminary classification before putting commercial maize or seed corn into drying to reduce energy costs and combat environmental pollution. Keywords: Screening machines, cleaning sorting machine, corn. |
Nguyễn Đình Tùng*),2); Nguyễn Tuấn Anh1),2); Nguyễn Văn Tiến1),2); Mai Thanh Huyền1),2); Nguyễn Đình Quý1),2); Đỗ Thị Thanh Xuân1),2); Đậu Trung Kiên*)2)
*)- PGS.TS; 1- ThS; 2- Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp-Bộ Công Thương
(Bài đăng trên Tạp chí Công nghiệp Nông thôn, Hội Cơ khí Nông nghiệp Việt Nam; số 35, trang 46-55.)
