Báo cáo Khoa học Mô phỏng, tính toán lý thuyết quá trình sấy cà phê

Bỏo cỏo khoa học: Mễ PHỏNG, TớNH TỎN Lý THUYếT QUỏ TRỡNH SấY Cà PHấ MÔ PHỏNG, TíNH TOáN Lý THUYếT QUá TRìNH SấY Cà PHÊ Modeling of the process of drying coffee beans Hoàng Đức Liên1, I.S.Antonov2 SUMMARY A model was developed to describe the process of drying different sorts of coffee beans which were produced in Vietnam. The method of single particle admixture was used for modeling taking into consideration the fact that moving air media with a temperature equal to the drying temperature for given materials. Numerical results are given in the current work Key words: Modeling, coffee beans, drying 1. ĐặT VấN Đề Việt Nam là một trong những n−ớc sản xuất và xuất khẩu cà phê lớn trên thế giới. Theo số liệu của Bộ Th−ơng mại, sản l−ợng cà phê xuất khẩu của Việt Nam niên vụ 2004-2005 là 900.000 tấn, song giá xuất chỉ đạt 380 USD/tấn. Vấn đề nghiên cứu qui trình công nghệ sấy, chế biến cà phê nhằm nâng cao chất l−ợng, giảm thiểu chi phí năng l−ợng và hạ giá thành sản phẩm là hết sức cần thiết. Bằng ph−ơng pháp tính toán số sử dụng ph−ơng pháp hỗn hợp tạp chất đơn nhằm xây dựng mô hình tính toán lý thuyết quá trình sấy cà phê có thể cho kết quả dự báo về các thông số sấy cơ bản theo thời gian để tối −u hoá và nâng cao hiệu quả của quá trình sấy cà phê cũng nh− một số sản phẩm nông nghiệp t−ơng tự khác. 2. PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU Quá trình sấy các vật liệu hữu cơ cũng nh− trong tr−ờng hợp cụ thể về việc sấy một số các sản phẩm nông nghiệp (cà phê, ca cao, lúa, đậu …) có thể đ−ợc mô hình hoá bởi ph−ơng pháp hạt tạp chất đơn. Nh− đã biết, nó đ−ợc xây dựng trên cơ sở ph−ơng pháp Lagranger. Ph−ơng pháp Lagranger th−ờng đ−ợc sử dụng để nghiên cứu dòng chảy 2 pha thông qua ph−ơng pháp hạt tạp chất đơn, nghĩa là cho phép ứng dụng trong điều kiện nồng độ thể tích hay khối l−ợng rất nhỏ, do đó sự tồn tại các phần tử không đ−a vào các thông số của môi tr−ờng kéo theo (pha gas). Đây là điều kiện ban đầu cần thiết để mô phỏng một cách gần đúng chuyển động trực tiếp của các hạt tạp chất. Khi giải bài toán theo mô hình trên đ−ợc tiến hành theo các b−ớc sau: Tr−ớc hết đ−ợc tính toán với dòng khí sạch để xác định các thông số của nó. Sau đó xác định các thông số các phần tử kéo theo: vận tốc và quĩ đạo của các hạt tạp chất. Để thiết lập mô hình toán đ−ợc xây dựng trên cơ sở ph−ơng trình Lagranger: 2rgR p P usC5,0dt du m ρ−= (1) 2 rgRp p P vsC5,0gmdt dv m ρ−= (2) ở đây: mp - khối l−ợng hạt tạp chất; CR - Hệ số cản khí động học; s - Tiết diện trung bình của hạt; ur = ug – up;, vr = vg – vp - Vận tốc t−ơng đối theo trục X và r; Chỉ số“g” – pha khí, “p” – pha tạp chất. Hệ số cản khí động học đ−ợc xác định theo [1]: RC ( )p5,0R Re.013,0Re.179,01Re24C ++= (3) ở đây: g rp p VD Re γ= ; Dp - Đ−ờng kính t−ơng đ−ơng của hạt tạp chất; Vr - Vận tốc t−ơng đối; 2 r 2 ủr vuV += ; gγ - Hệ số nhớt động của pha khí. Bài toán đ−ợc giải với điều kiện ban đầu nh− sau: 1) Vận tốc của pha khí là không đổi; 2) Nhiệt độ pha khí là bằng nhau trong quá trình sấy. Nó xác định khối l−ợng riêng không đổi của pha khí. Trong phạm vi nghiên cứu ở đây xét quá trình sấy hạt phê Robusta của Việt nam [2]. Kích th−ớc của hạt phê thay đổi từ 3 ữ 9 mm; độ ẩm ban đầu: 50, 28, 20 %. Khối l−ợng riêng của cà phê trong tr−ờng hợp cao nhất là r = 800kg/m3. Sự biến đổi độ ẩm trong quá trình sấy [3] đ−ợc xác định theo biểu thức: ( )** 1 exp .pt p u u nK u u τ − = − − (4) ở đây: - độ ẩm thực tế; tu - độ ẩm cân bằng; * pu - độ ẩm ban đầu. 1u ( )y.zexpK τ−= (5) Trong đó: ( ) ( 5,0284ср5,04 U.10.310.353,3.32t59U.10.453,10142,6z −−− +⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +−+= ) (6) ( )55ср3 10.8,5U.10.3,2.32t59U.10.197,21245,0y −−− −⎟⎠⎞⎜⎝⎛ ++−= (7) * p1 * pt uu uu U − − = , (8) ở đây: - nhiệt độ trung bình trong quá trình sấy vật liệu. срt Theo [4], độ ẩm giới hạn của cà phê là 12 % , nh−ng sự thay đổi khối l−ợng riêng của hạt đ−ợc xác định theo ph−ơng trình: ( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += 1 t ppt u tu1,09,0ρρ , [kg/m3] (9) T−ơng tự khối l−ợng của hạt cà phê đ−ợc xác định: ( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += 1 t p 3 p pt u tu1,09,0 6 D. m ρπ , [kg] (10) 3. KếT QUả THựC NGHIệM TíNH TOáN Số Trên cơ sở mô hình tính toán đ−ợc mô tả ở trên đối với quá trình sấy cà phê, đã tiến hành tính toán số đối loại cà phê theo [2], với số liệu của Việt Nam, độ ẩm ban đầu của cà phê là 28%. Trên hình 1 thể hiện sự biến đổi độ ẩm của cà phê [2] là hàm số của thời gian sấy. Độ ẩm ban đầu là 50%; 30% và 20%. Khối l−ợng riêng của pha khí r = 0,703 kg/m3 ở nhiệt độ sấy t=2200C. Khối l−ợng riêng thay đổi t−ơng ứng với độ ẩm giảm đi (hình 2). Sự thay đổi của khối l−ợng cà phê là kết quả của sự biến đổi khối l−ợng riêng của nó. Sự giảm khối l−ợng cà phê trong quá trình sấy đ−ợc thể hiện trên hình 3,4 đối với 3 tr−ờng hợp đ−ờng kính hạt cà phê khác nhau. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 100 200 U t [%] U1=50% U1=30% U1=20% Sự tiếp tục quá trình sấy đến độ ẩm c Sự tiếp tục của quá trình này ứng với 3 độ ẩm Việc so sánh với số liệu thực nghiệm bài viết này bởi không có những số liệu trong 730 740 750 760 770 780 790 800 810 0 100 200 Π p [kg/m3] 300 400 500 t [s] Hình 1 ân bằng (ut =12%) là vấn đề quan tâm của công nghệ. ban đầu khác nhau đ−ợc chỉ ra trên hình 5. của quá trình sấy cà phê không thực hiện đ−ợc ở trong những điều kiện t−ơng tự. 300 400 500 t [s] U1=50% U2=30% U3=20% Hình 2 2.70E-04 2.75E-04 2.80E-04 2.85E-04 2.90E-04 2.95E-04 3.00E-04 3.05E-04 3.10E-04 0.1 10 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 535 t [s] D p =0,009m m [kg] 1.30E-04 1.32E-04 1.34E-04 1.36E-04 1.38E-04 1.40E-04 1.42E-04 1.44E-04 1.46E-04 D p =0,007m m [kg] Hình 5 Hình 3 Hình 4 1.00E-05 1.02E-05 1.04E-05 1.06E-05 1.08E-05 1.10E-05 1.12E-05 1.14E-05 0.1 10 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 535 t [s] D p =0,003m m [kg] 1.30E-04 1.32E-04 1.34E-04 1.36E-04 1.38E-04 1.40E-04 1.42E-04 1.44E-04 1.46E-04 D p =0,007m m [kg] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 U t [%] t [s] U1=50% U1=30% U1=20% Trên hình 6,7 và 8 đã chỉ ra kế ính toán lý thuyết của quá trình sấy cà phê với các số liệu đ−a ra của nhóm tác giả Việt Nam. Theo các số liệu tính toán này thì độ ẩm ban đầu là ut0 = 28%. Còn sự thay đổi độ ẩm hạt cà phê trong 3 tr−ờng hợp nhiệt độ sấy khác nhau theo thời gian (t,s) cũng đã đ−ợc mô tả. Vận tốc của pha khí là ug = 10 m/s. Quá trình sấy ở độ ẩm ban đầu thấp đ−ợc tiếp tục diễn ra trong thời gian ngắn. Trên hình 9 mô tả sự biến đổi khối l−ợng hạt cà phê theo thì gian trong 3 tr−ờng hợp kích th−ớc hạt cà phê khác nhau:Dp = 0,003; 0,007 và 0,009 m. 0 50 100 150 200 250 t[s] Hình 6 50 100 150 200 250 300 350 t[s]0 Hình 7 H 0 50 100 150t quả tình 8 200 250 300 350 400 t[s] 0.00001000 0.00010000 0.00100000 0.01000000 0.1 10 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 535 Dp=0,003m Dp=0,007m Dp=0,009m Hình 9 4. KếT LUậN Từ kết quả tính toán số trên dẫn đến kết luận là với ph−ơng pháp tính toán số sử dụng ph−ơng pháp hỗn hợp tạp chất đơn đã nhận đ−ợc số liệu tính toán lý thuyết đáng tin cậy đối với một quá trình sấy cà phê. ứng dụng mô hình tính toán trên là cơ sở lý thuyết cần thiết trong những tr−ờng hợp t−ơng tự có thể áp dụng để phân tích, nghiên cứu quá trình sấy các sản phẩm nông nghiệp t−ơng tự khác, góp phần nhằm nâng cao chất l−ợng, giảm thiểu chi phí năng l−ợng cho sản phẩm sấy. Tài liệu tham khảo 1. Шрайбер А. А., Л. Б. Гавин, В. А. Наумов, В. П. Яценко, (1987). Турбулентные течения газовзвеси, Киев, Наукова думка. 2. 3. Невенкин С., (1993). Сушене и сушилна техника, издателство “ТЕХНИКА”, София, стр. 55 – 58. 4. m 1 Đại học Nông nghiệp I - Hà nội 2 Đại học Bách khoa Sofia - Bulgaria