Đồ án Thiết kế chế tạo máy rang cà phê tự động

.................... Họ và tên sinh viên : ................................................................................... Lớp : ................................................................................... MSSV : ................................................................................... Tên đề tài : ................................................................................... ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. Điểm đánh giá : ...................... Xếp loại : .................................................... TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên phản biện (ký tên và ghi rõ họ tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 10 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa, hiện đại hóa đất nước cùng với sự vượt bậc của khoa học công nghệ, ngành cơ điện tử đã và đang phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Với các sản phẩm đặc trưng, máy tự động và những robot thông minh cơ điện tử đã dần giúp nâng cao chất lượng cuộc sống, giúp cho cuộc sống trở nên hiện đại hơn. Là những sinh viên của Viện Kỹ Thuật, cùng với sự hướng dẫn giúp đỡ tận tình của thầy TS. Nguyễn Văn Nhanh, em đã đưa ra đề tài “thiết kế chế tạo máy rang cà phê ”. Với đề tài này, chúng em đã vận dụng được những kiến thức trên lý thuyết vào thực nghiệm. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót chúng em rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 11 CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Các loại máy rang cà phê Trong ngành tự động hóa – điều khiển tự động nói chung và điều khiển học nói riêng, máy rang cà phê là một trong những thiết bị sản xuất cà phê không thể thiếu hiện nay trên toàn thế giới. Những chiếc máy rang cà phê đầu tiên trên thế giới ra đời vào năm 1870, gồm hai dạng là máy rang dạng trống (drum) và máy rang dạng lồng cầu (ball) bởi Emmericher Maschinenfabrik und Eisengießerei (tiền thân của Probat). Cho đến nay những nhà rang cà phê Việt Nam vẫn còn sử dụng loại này. Hình 1.1 – Những chiếc máy rang cà phê dạng lồng cầu. . Máy rang cà phê có chức năng trộn đều hạt cà phê, xung quanh là một lò truyền nhiệt liên tục. Hiện nay có rất nhiều kiểu máy rang cà phê khác nhau như: loại trống (drum) rang kiểu cổ điển, loại trống (drum) kiểu truyền nhiệt gián tiếp, loại rang truyền khí nóng với tốc độ cao và loại máy rang tái sử dụng dòng nhiệt thu hồi. Các loại máy đều có những ưu điểm khác nhau nhưng thiết kế hình dáng về mặt cơ bản không thay đổi nhiều trong 100 năm qua. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 12 1.1.1. Máy rang kiểu cổ điển Máy rang kiểu cổ điển có lồng trống (drum) rang hình trụ tròn bằng thép, được đặt nằm ngang, xoay tròn liên tục và có lò đốt nằm bên dưới lồng này. Lò đốt này sẽ đốt nóng lồng và cả không khí trong và ngoài lồng. Máy được trang bị một quạt hút không khí nóng đi luồn xuyên qua các hạt cà phê và xả qua ống khói đứng mang theo bụi hơi nước, các vỏ lụa cháy và các tạp chất khác (xuất hiện trong quá trình rang). Lồng trống rang xoay tròn ngang sẽ trộn đều cà phê khi đang trong quá trình rang cà phê, các hạt cà phê sẽ hấp thu nhiệt khi tiếp xúc trực tiếp bề mặt lồng và cũng có một phần không khí nóng được quạt hút thổi xuyên qua lồng. Đến đúng thời điểm rang mong muốn, cà phê được xả vào một bồn chứa có cánh xoay phía trước máy để làm nguội, được trang bị bằng một motor hút không khí để làm nguội nhanh. Để những hạt cà phê hấp thụ nhiệt ổn định hơn thì những máy rang hiện nay ngày càng đuợc cải tiến hơn, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu thêm một loại lồng trống rang hai lớp có khoảng hở chừng vài milimet, hay còn được gọi là lồng cách nhiệt. Lớp lồng phía ngoài thì tiếp xúc trực tiếp với lửa, còn lớp lồng phía trong sẽ luôn có nhiệt độ ổn định và phân bố đều lồng. Nên các hạt cà phê khi rang ở lồng hai lớp sẽ hạn chế được nhiều lỗi khi rang như: cháy bề mặt cà phê, chin bên ngoài nhưng bên trong chưa chínv.v Hình 1.1 – Lồng trống (Drum) một lớp ; Lồng trống (Drum) hai lớp ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 13 Hình 1.2 – Nguyên lý máy rang kiểu cổ điển. (1): lồng rang nằm ngang ; (2): phễu nạp liệu ; (3): bồn chứa làm nguội sau khi rang ; (4): lò đốt gia nhiệt lồng rang và không khi nóng phía sau lồng được thổi theo ống khói (5) ra ngoài ; (6) cyclone lọc bụi. 1.1.2. Máy rang kiểu truyền nhiệt gián tiếp Cũng giống như máy rang kiểu cổ điển nhưng riêng phần lò đốt thì kiểu máy rang này được truyền hơi nóng từ lò đốt tới lồng rang hình trụ tròn nằm ngang, xoay liên tục. Truyền nhiệt gián tiếp này nhằm tránh lửa từ lò đốt tiếp xúc trự ctiếp với lồng rang và nó cho phép máy hoạt động với nhiệt độ rang cao hơn nhưng hạt cà phê vẫn ổn định ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 14 Hình 1.3 – Nguyên lý máy rang kiểu truyền nhiệt gián tiếp. (1): đầu đốt nhiệt có motor thổi khí nóng ; (2): lồng trống nằm ngang, (3): khí nóng đi qua lồng và ra ống xả. 1.1.3. Máy rang kiểu Fluid-bed - truyền khí nóng với tốc độ cao Hình 1.4 – Nguyên lý máy rang kiểu Fluid-bed ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 15 Thay vì sử dụng lồng trống hình trụ tròn kiểu truyền thống, loại máy rang này sử dụng dòng khí nóng tốc độ cao để đảo trộn cà phê. Thiết kế máy này nhỏ gọn hơn các dòng máy rang khác. Trong quá trình rang, hạt cà phê sẽ nhẹ dần do đó tốc độ dòng khí nóng cũng sẽ được chỉnh giảm dần về cuối qua trình rang. Thông thường máy rang loại Fluid-bed không có lòng làm nguội riêng, vẫn sử dụng hệ thống thổi có sẵn với chế độ lò đốt được tắt. Kiểu làm nguội này vẫn làm kéo dài thời gian làm nguội và dòng không khí lạnh để làm nguội thực sự cũng sẽ bị gia nhiệt khi đi ngang qua lò đốt. Vì thế hạt cà phê vẫn tiếp tục phản ứng nhiệt sau khi ngừng rang. 1.1.4. Máy rang kiểu recirculation – tái sử dụng dòng nhiệt thu hổi Khác hẵng các máy rang trên, kiểu máy rang này tái sử dụng dòng nhiệt thu hồi sau khi loại bỏ vỏ lụa trong khi dòng khí nóng thoát ra. Đầu đốt nhiệt nằm hẳn bên ngoài nên môi trường rang sạch hơn, ngoài ra nó cũng cung cấp nhiệt độ rang nhanh hơn, lại tiết kiệm năng lượn, ít bị cháy bề mặt cà phê khi rang, rang chính xác hơn, với kiểu máy rang này, ta có thể rang tự động một cách hoàn hảo và ổn định. Hình 1.5 – Nguyên lý máy rang kiểu recirculation 1.2. Các công trình liên quan ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 16 1.2.1. Bullet R1 Đây là sản phẩm máy rang cà phê 1kg của hang Aillio Đài Loan, sử dụng theo nguyên lý kiểu rang truyền thống, nhưmg phần đầu đốt được đặt phía sau lồng rang hình trụ tròn, xoay liên tục và kèm theo một quạy thổi. Vì đây là loại máy rang có năng suất từ 350gr đến 1kg, cho nên phần làm nguội không gắn thêm motor. Hình 1.6 – Máy rang cà phê Bullet R1 Loại máy này hiển thị hai nhiệt độ, đó là nhiệt độ trống và nhiệt độ hạt. Được cài đặt hai chế độ tự động và không tự động. Máy thiết kế thể tích trống là 5.9 lít, được làm nóng bằng điện. 1.2.2. Gene Café CBR-101 Hình 1.7 – Máy rang cà phê Gene Café CBR-101 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 17 Dòng sản phẩm này chỉ với mỗi mẻ rang 100gr cà phê, là dòng dành cho các phòng thí nghiệm tại các khu vực sản xuất cà phê và các hộ gia đình nhỏ. Được sử dụng theo nguyên lý kiểu rang truyền thống, nhưmg phần đầu đốt được đặt phía sau lồng rang hình trụ tròn, xoay liên tục và kèm theo một quạy thổi. Phần làm nguội của dòng máy này được làm theo nguyên lý Fluid-bed. 1.2.3. RCF-30 Hình 1.8 – Máy rang cà phê RCF-30 Đây là dòng máy rang cà phê với năng suất một mẻ lên đến 30kg, máy dựa theo nguyên lý máy rang kiểu tái sử dụng dòng nhiệt thu hồi. Vì là máy có năng suất lớn nên phần nạp liệu vào sẽ đi qua bộ thổi liệu. Máy được sử dụng nhiều trong các dây chuyền sản xuất cà phê lớn. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 18 1.3. Phân loại các loại cà phê đặc trưng Việt Nam là một trong những nước có nền nông nghiệp chủ yếu. Nông sản nước ta có trữ lượng lớn như lúa, cà phê, chè, tiêu, điềuv.v Riêng về cà phê, Việt Nam là nước được xếp hạng thứ hai trong bảng những nước xuất khẩu cà phê nhiều nhất thế giới. Trong năm 2016, nước ta đã xuất khẩu hơn 900 triệu tấn cà phê, trong đó nhiều nhất là cà phê vối (Robusta) . Nước ta trồng chủ yếu ba loại giống cà phê, cà phê chè (Arabica), cà phê vối (Robusta) và cà phê mít (Liberica). Đây là những loại cây cà phê chủ yếu của nước ta, phân bố ở các khu vực Lâm Đồng, Lào Cai, Thừa Thiên Huế, Quảng Trị, Nghệ An, Hòa Bình, Sơn La, Điện Biên Hình 1.9 – Hình dáng các 3 giống cà phê tại Việt Nam 1.3.1. Cà phê chè – Arabica Cà phê chè là tên gọi theo tiếng Việt, tên quốc tế của loại cây này là Arabica. Là loại cây công nghiệp được trồng và tiêu thụ nhiều nhất trên thế giới, chiếm 61% các sản phẩm cà phê toàn thế giới. Cây cà phê Arabica ưa sống ở vùng núi cao, nhiệt độ ưa thích từ 16°C đến 25°C. Người ta thường trồng nó ở độ cao từ 1000m – 1500m so với mực nước biển. Đây là loại cây lâu năm, trồng đến khoảng 3 đến 4 năm thì óc thể bắt đầu cho thu hoạch. Cà phê chè được đánh giá cao hơn cà phê vối vì có hương vị thơm ngon và chứa ít hàm lượng caffeine hơn. Một bao cà phê chè (60kg) thường có giá cao gấp 2 lần cà phê vối. 1.3.2. Cà phê vối – Robusta ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 19 Cà phê vối hay còn được gọi là Robusta, là loại cây quan trọng thử hai trong các loài cà phê. Nước xuất khẩu cà phê vối lớn nhất thế giới là Việt Nam. Cay có chiều cao lên tới 10m. Quả cà phê tròn, hạt cà phê nhỏ hơn cà phê chè. Nhưng làm lượng caffein cao hơn cà phê chè, khoảng 2-4%. Cây cà phê vối ưa sống ở vùng nhiệt đới với nhiệt độ ưa thích của cây là 24°C - 29°C, với độ cao dưới 1000m so với mực nước biển. Loại cây này cần nhiều ánh sáng hơn so với cây cà phê chè. Do cà phê vối có hàm lượng caffein cao nên có hương vị không tinh khiết bằng cà phê chè. Giá một bao cà phê vối (60kg) chỉ bằng nửa giá cà phê chè. 1.3.3. Cà phê mít – Liberica Vì hương vị của loại cà phê này có hương mùi mít, cho nên tại Việt Nam được đặt tên là cà phê mít hay còn gọi theo quốc tế là Liberica. Thích hợp với gu uống cà phê của người Châu Âu và xu hướng hương vị trái cây tự nhiên hiện nay. Đây là loại cây chịu hạn tốt, ít cần nước tưới nên thường trồng theo kiểu cây cảnh. Tuy nhiên do năng suất kém, có vị chua nên không được ưa chuộng. Tại Việt Nam, cây được trồng chủ yếu ở Kon Tum, Gia Lai, Nghê An và Quảng Trị. Sản lượng cà phê mít không lớn, hạt nhân to, thon dài trắng. 1.4. Phân tích hạt cà phê 1.4.1. Cấu tạo của quả cà phê Hình 1.10 – Cấu tạo trái cà phê ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 20 Quả cà phê được đưa vào chế biến gồm các phần sau: lớp vỏ quả, lớp nhớt (vỏ nhớt), lớp vỏ trấu (lớp vỏ thóc), lớp vỏ lụa và nhân. - Lớp vỏ quả: là lớp vỏ ngoài mền, có màu đỏ. Vỏ quả của cà phề chè (Arabica) mềm hơn lớp cà phê vối (Robusta) và cà phê Mít (Liberica). - Lớp vỏ thịt: nằm ở lớp vỏ mỏng, còn được gọi là trung bì. Vỏ thịt chứa nhiều chất ngọt, dễ xay sát hơn. - Vỏ nhớt: các chất nhờn bao bọc hạt cà phê được đánh nhớt bằng thiết bị - Vỏ trấu: sau khi phơi khô, bao bọc lớp nhân là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ, được gọi là vỏ trấu. - Vỏ thóc: là lớp mỏng, mềm nằm bám sát vào nhân cà phê, và còn được gọi là vỏ lụa, chúng có màu sắc khác nhau theo từng loại hạt cà phê, chẳng hạn như: vỏ lụa của cà phê chè có màu trắng bạc, cà phê vối có lớp vỏ lụa màu nâu, còn cà phê mít có màu vàng nhạt. - Nhân cà phê: có chứa nhiều dầu, phía trong có những tế bào lớn và mềm, một quả cà phê thường có 1,2 hoặc 3 nhân. Nhưng thông thường là 2 nhân. 1.4.2. Thành phần của cà phê 1.4.2.1. Tính chất hóa học Trong nhân cà phê có một ít vitamin, và thành phần hóa học của nhân cà phê bị ảnh hưởng nhiều từ chủng loại cà phê, đội chín của quả và điều kiện canh tác. Để đánh giá được thành phần hóa học của nhân cà phê đến phẩm chất của nước pha chà phê thì cần phải biết những biến đổi của cà phê trong quá trình chế biến, đặc biệt là quá trình rang cà phê. 1.4.2.2. Tính chất vật lý Cà phê được bóc ra từ cà phê thóc. Nhân có hình dạng bầu dục, có chiều dài khoảng 11,05mm và chiều rộng khoảng 7,4mm. Khối lượng riêng: 𝜌 = 650(𝑘𝑔/𝑚3). Nhiệt độ riêng: 𝑐 = 0,37 (𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔). Độ ẩm cà phê sau khi sấy: 12%. Độ ẩm căn bản của cà phê trước và sau khi rang : 𝜔1 = 12% ; 𝜔2 = 0,5 − 1%. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 21 1.5. Công nghệ rang cà phê Nhiệt độ cà phê trong giai đọan rang từ 150°C đến 220°C, khoảng 18 phút. Vì bản chất cà phê nhân có độ ẩm cao cho nên khi rang hạt cà phê sẽ mất đi từ 14 đến 23% trọng lượng, đồng thời hạt cà phê nở ra khoảng 40% dến 60%. Sau khi rang, độ ẩm hạt cà phê chỉ còn 0,5% vừa tạo ra phản ứng ester hóa có mùi thơm. 1.5.1. Quá trình rang cà phê Trước khi cho nguyên liệu cà phê vào máy rang, ta phải làm nóng trống rang để nhiệt độ ổn định hơn. Đây là bước được thực hiện với các loại máy rang. 1.5.1.1. Giai đoạn 1: Rang ở nhiệt độ 100°C Khi lòng trống đã được gia nhiệt cho nóng đều ở nhiệt độ 100°C, ta bắt đầu cho nguyên liều vào máy rang. Trong giai đoạn đầu này, chúng ta làm nóng dần hạt cà phê lên, nhằm làm bay hơi nước hạt cà phê hoặc làm hạt cà phê thay đổi hình dạng nhỏ lại. Giai đoạn này rất quan trọng, phải biết cách rang sao cho dòng khí nóng đối lưu nhiệt được tối đa, tức là các hạt cà phê phải hấp thu đầy đủ nhiệt, không được xuất hiện tình trạng hạt ít hạt nhiều sẽ ảnh hưởng đến quá trình rang và chất lượng hương vị của cà phê sau này. 1.5.1.2. Giai đoạn 2: Nhiệt độ tăng đến 150°C – hạt cà phê chuyển sang màu vàng nhạt (Early Yellow) Quá trình hấp thụ nhiệt và bốc hơi nước trong hạt cà phê vẫn diễn rea, và có sự thay đổi về thể tích của hạt. Mùi thơm đặc trưng của hạt cà phê bắt đầu với mùi thơm nồng của rơm khô và mùi cỏ tươi hòa quyện vào nhau, rất là đặc trưng. 1.5.1.3. Gia đoạn 3: Khi nhiệt độ tăng đến 170°C – hạt cà phê chuyển sang màu vàng đậm (Yellow Tan) Giai đoạn này hình dáng của hạt cà phê bắt đầu thay đổi, hạt chuyển sang màu vàng đậm và thế tích hạt bắt đầu tăng lên 20% đến 30%. Bề mắt của hạt bắt đầu hiện lên những đường gân và có mùi hương crua gỗ cháy, mùi hôi của đất và một chút hương vị của khoai lang nướng. 1.5.1.4. Giai đoạn 4: Ở nhiệt độ 180°C – hạt chuyển sang màu nâu nhạt (Light Brown) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 22 Lúc này, thể tích hạt tăng lên đáng kể, và gần như muốn nổ tung ra. Mùi thơm chuyển qua mùi ngọt ngào như mật ong, thêm chút chocolate và mùi mạch nha. Tuy nhiên, giai đoạn này quá trình hóa học vẫn chưa hoàn tất, các phân tử và cấu trúc sợi của hạt cà phê vẫn chưa tách rời. Đem xay thành bột để uống thì hương vị ở nhiệt độ này vẫn chưa tinh tế, và có mùi nồng nồng hạt chưa chín hẳn. 1.5.1.5. Giai đoạn 5: Từ 190°C trở lên – hạt cà phê chuyển sang màu nâu (Brown) Ở giai đoạn này, đúng là sự thăng hoa của hạt cà phê, những tiếng nổ được phát ra từ các hạt cà phê, và đây là giai đoạn mà các phản ứng hóa học đạt đến sự tinh luyện, qua nhiệt độ cao, bắt đầu đốt cháy các tinh thể đường có trong hạt cà phê, tạo ra hương mùi của mạch nha ngày càng đậm hơn. 1.5.1.6. Giai đoạn 6: Nhiệt độ 195°C – hạt cà phê bắt đầu nổ lần thứ nhất (1st crack) Sau một thời gian hấp thụ nhiệt thì việc nở lớn đột ngột về thể tích, tăng lên đến khoảng 150% so với ban đầu, và trọng lượng giảm từ 10% đến 17% , và tạo ra hàng loạt tiếng nổ giòn rộn rã, nhiệt lượng bên trong hạt thoát ra nhanh chóng, giai đoạn nổ đầu tiên là phản ứng tỏa nhiệt. Sau lần nổ thứ nhất, sẽ cần có thêm một giai đoạn ngắn để hạt cà phê thu thêm nhiệt lượng nhằm tiếp tục được nung nóng và biến đổi. Vì thế, trong quá trình rang tiếng nổ reo lần thứ nhất bỗng nhiên giảm xuống rồi ngưng lại. 1.5.1.7. Giai đoạn 7: Bắt đầu 200°C – hạt cà phê ngưng nổ lần thứ nhất ( Finished 1st crack) Khói của hạt cà phê bắt đầu bốc nhiều hơn, vì để thoát lượng khí carbon dioxide, ta sẽ điều chỉnh gió tại thời điểm nhau. Và trọng lượng hạt ngày càng giảm xuống và bốc ra mùi hương của bánh nước, và mùi các loại hạt rang đặc trưng. 1.5.1.8. Giai đoạn 8: Từ 200°C đến 220°C – bắt đầu nổ lần thứ hai (2nd crack) Giai đoạn này, hạt cà phê bắt đầu tiết ra nhiều chất dầu bao quanh hạt cà phê, làm cho hạt cà phê sáng bóng hơn. Mùi thơm ngàng càng tinh tế và đậm đà hơn. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 23 Tiếng nổ lần thứ hai bắt đầu, đó là cấu trúc Cellose bị bẻ gãy trong hạt cà phê. Do tính chất cấu trúc từng loại cà phê khác nhau, cho nên tiếng nổ với âm thanh, tần suất, cường độ và âm vực khác nhau. 1.5.1.9. Giai đoạn 9: Ở nhiệt độ 220°C – hạt cà phê ngưng nổ lần hai. Lúc này hạt cà phê đã chuyển sang màu nâu đậm, thể tích đạt đến tối đa và tùy theo từng loại hạt cà phê có thể tích khác nhau. Giai đoạn này hạt cà phê đã kết thúc các phản ứng hóa học, quá trình trao đổi chất đã hoàn thành, tạo nên một sản phẩm tuyệt vời với hương vị đậm đà. Kế thúc cho giai đoạn này, hạt cà phê phải nhanh chống được làm nguội, tránh cho việc bay mất hương thơm quyến rủ và đậm đà vốn có của cà phê. 1.6. Hương vị cà phê qua từng giai đoạn rang Hình 1.11 – Quá trình rang cà phê chè – Arabica. - Light Brown – màu vàng nhạt : Độ chua thấp, độ đậm đặc thấp. Hạt khô, kiểu rang này quá nhẹ khiến hợp chất hương vị trong hạt chưa được giải phóng hết. - Brown đến Full City – màu nâu : Độ chua tăng và kích cỡ tăng, nhưng hạt vẫn khô. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 24 - 2nd crack – màu nâu đậm: có một số giọt dầu xuất hiện trên bề mặt hạt, độ chua đồng thời cũng giảm dần. Đây là nhiệt độ lí tưởng để trộn với cà phê kiểu Ý. - Light French đến Full French – màu nâu rất đậm: dầu phủ đầy bề mặt hạt, những vị nhạt sẽ biến mất, trong khi đó độ đậm đặc tăng. 1.7. Phạm vi nghiên cứu - Thiết kế và tính toán Máy Rang Cà Phê Tự Động. - Thi công mô hình Máy Rang Cà Phê. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 25 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Sơ đồ hệ dẫn động của máy rang cà phê Hình 2.1 – Sơ đồ hệ dẫn động của máy rang cà phê. 1 – Trống rang ; 2 – Động cơ giảm tốc ; 3 – Trục chính ; 4 , 5 - ổ lăn Trình bày nguyên lý hoạt động: Khi động cơ (2) có dòng điện đi qua, thì động cơ điện hoạt động, làm cho trục chính (3) xoay. Trục chính xoay quanh hai ổ lăn (3) và (4) được bắt cố định, và làm cho trống rang (1) xoay. 2.2. Sơ đồ lắp của máy rang 1 2 3 5 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 26 Hình 2.2 – Sơ đồ lắp của máy rang cà phê Trình bày: Cấp dòng điện 220V – 1 pha, dòng điện đi qua biến tần – INVERTER. Biến tần được này có chức năng làm thay đổi tần số, để điều chỉnh tốc độ động cơ. Đồng thời dòng điện 220 – 1 pha, được cấp vào Bộ đánh lửa (tăng phô và kim đánh lửa), đồng thời khí gas được qua van solenoid, sau đó bếp gas hồng ngoại tuyến được đốt cháy.  Trình bày nguyên lý hoạt động cung cấp gas cho bếp hồng ngoại: Dòng điện qua cầu dao CB, cấp điện cho toàn bộ thiết bị điện. Công tắc xoay (ON/OFF) cài đặt tắt/mở cho bộ tăng phô đánh lửa – IC đánh lửa, để điều khiên kim đánh lửa, được đặt sát vào miếng gốm của bếp gas. Trong bộ tăng phô đánh lửa được gắn một van Solenoid, là van điện từ dùng để kiểm soát dòng khí gas nạp vào bếp. Đồng thời dòng điện được cấp cho thiết bị điện được gắn một relay nhiệt, đây là khí cụ điện tự động đóng ngắt tiếp điểm nhờ sự co dãn vì nhiệt. Cho nên khi ta cài đặt nhiệt độ buồng rang, thì bộ tăng phô đánh lửa sẽ đọc và hiểu và cung cấp điện và khí gas vào bếp để bật bếp hồng ngoại cho đến khi nhiệt độ đạt tới nhiệt độ cài đặt thì ngưng cấp điện qua IC đánh lửa, và IC sẽ cho ngắt van điện từ điều chỉnh gas tự động. 2.3. Tính lực kéo của lồng trống và puli ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 27 𝑭 = 𝒎 × 𝒗𝟐 𝑹 Ta tính khối lượng tải trống rang: Vì lống trống rang là một hình trụ tròn có hai lớp nằm được liên kết với nhau bằng phương pháp hàn và có cánh vít trộn bên trong lồng trống rang. Ta tính khối lượng tải lồng trống rang (bên trong – lớp thứ nhất): với đường kính là d = 300(mm) , l = 360 (mm) , s = 1,2 (mm) Tính chu vi P: 𝑃 = 2𝜋𝑅 = 2𝜋 × 0,15 = 0,942(𝑚) Tính thể tích Vlt lòng trống : 𝑉𝑙𝑡 = 0,942 × 0,36 × 0,0012 = 0,000406944 (𝑚 3) Tính khối lượng lồng trống rang: 𝐷 = 𝑚 𝑉𝑙𝑡 → 𝑚𝑙𝑡 = 𝐷 × 𝑉𝑙𝑡 = 7800 × 0,000406944 = 3,17 (𝑘𝑔) Ta tính khối lượng tải lồng trống rang (bên ngoài – lớp thứ hai): với đường kính là d = 302,4(mm) , l = 340 (mm) , s = 1,2 (mm) Tính chu vi P: 𝑃 = 2𝜋𝑅 = 2𝜋 × 0,1512 = 0,949536 (𝑚) Tính thể tích Vlt lòng trống : 𝑉𝑙𝑡 = 0,949536 × 0,34 × 0,0012 = 0,0003874 (𝑚 3) Tính khối lượng lồng trống rang: 𝐷 = 𝑚 𝑉𝑙𝑡 → 𝑚𝑙𝑡 = 𝐷 × 𝑉𝑙𝑡 = 7800 × 0,0003874 = 3,02 (𝑘𝑔) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 28 Ta tính khối lượng tải cánh vít trộn: Tương tự, ta tính được khối lượng cánh vít trộn: 𝑚 = 2,5(𝑘𝑔) Ta tính khối lượng tải mặt bích trống rang: Tính chu vi P: P = 2πR = 2π × 0,15 = 0,942(m) Tính thể tích Vmblt mặt bích lòng trống : Vmblt = 0,942 × 0,36 × 0,0015 = 0,00050868 (𝑚 3) Tính khối lượng mặt bích lồng trống rang: D = m Vmblt → mmblt = D × Vmblt = 7800 × 0,00050868 = 1,26 (kg) Ta tính khối lượng ổ bạc Vì mặt bích lồng trống rang được liên kết với trống bằng liên kết hàn, cho nên ta thiết kế thêm một ổ bạc để tăng độ cứng vững cho mặt bích trống rang, cho nên ta có khối lượng của ổ bạc là: Tương tự như trên, ta tính được thể tích của ổ bạc: Vổ bạc = 0,000020005 (m 3) Tính khối lượng ổ bạc: mổ bạc = 7800 × 0,000020005 = 0,156 (kg) Ta tính khối lượng tải puli mâm cập: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 29 Vì Puli là một hình dạng phức tạp, cho nên ta tính khối lượng của Puli thành ba phần, gồm: - Khối lượng tải vành ngoài của puli. - Khối lượng bạc đỡ của puli. - Khối lượng cánh quay của puli. Ta tính khối lượng vành ngoài của puli Tính chu vi P: 𝑃 = 2𝜋𝑅 = 2𝜋 × 0,159 = 0,99852(𝑚) Tính thể tích Vvành vành ngoài của puli: Vvành = 0,99852 × 0,03 × 0,036 = 0,0010784016 (m 3) Tính khối lượng vành ngoài của puli: D = m Vvành → mvành = D × Vvành = 7800 × 0,0010784016 = 8,4 (𝑘𝑔) Ta tính khối lượng bạc đỡ của puli Tính chu vi P: 𝑃 = 2𝜋𝑅 = 2𝜋 × 0,015 = 0,0942 (𝑚) Tính thể tích 𝑉bđ bạc đỡ : 𝑉𝑏đ = 0,0942 × 0,03 × 0,03 = 0,00008478 (𝑚 3) Tính khối lượng bạc đỡ của puli: 𝐷 = 𝑚 𝑉𝑏đ → 𝑚𝑏đ = 𝐷 × 𝑉𝑏đ = 7800 × 0,0008478 = 0,67 (𝑘𝑔) Ta tính khối lượng cánh quay của puli Tính thể tích Vcánh cánh quay của puli: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 30 𝑉𝑐á𝑛ℎ = 0,12 × 0,01 × 0,02 = 0,000024 (𝑚 3) Vì cánh quay của puli có 3 cánh, được thiết kế và cách nhau 120°, nên ta tính được khối lượng cánh quay của puli là: 𝐷 = 𝑚 𝑉𝑐á𝑛ℎ → 𝑚𝑐á𝑛ℎ = 𝐷 × 3 × 𝑉𝑐á𝑛ℎ