Luận án Nghiên cứu một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của liên hợp máy băm ép nước dứa

Brix kế ATAGO-3T (hình 2.7). Hình 2.7 Brix kế ATAGO-3T Để xác định hàm lượng chất khô hòa tan trong dịch quả, lấy dịch quả (không pha nước), đem lọc bỏ hết bã lẫn trong dịch, sau đó đo nồng độ chất khô hòa tan trong dung dịch bằng Brix kế. Do độ Brix phụ thuộc vào nhiệt độ nên để đảm bảo kết quả đo được chính xác, chúng tôi sử dụng nhiệt kế để đo nhiệt độ dung dịch. Kết quả đo hiển thị trên Brix kế (gọi là 0Brix đọc), mỗi 0Brix tương đương với 1% chất khô hòa tan có trong dịch quả (Lương Minh Châu, 1999) [4], (Trần Mạnh Hùng, Phạm Thanh Sơn, 1999) [15]. Nồng độ chất khô trong dịch quả được tính như sau: Nồng độ chất khô = 0Brix đọc ± hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ. Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ được tra trong bảng của tài liệu kèm theo thiết bị, nếu t0 > 200C thì dùng dấu (+), nếu t0 < 200C thì dùng dấu (-). 46 2.3.3.2 Phương pháp xác định các yếu tố vào a) Xác định tốc độ vòng quay vít xoắn, dao băm Tốc độ quay của vít xoắn và dao băm được đo bằng đồng hồ đo tốc độ kỹ thuật số hiệu Lutron LT-1236L (hình 2.8). Đây là thiết bị đo theo nguyên lý không tiếp xúc, phạm vi đo từ 0,5 ÷ 99.999 vg/ph, sai số ±0,1%. Hình 2.8 Thiết bị đo số vòng quay LT-1236L b) Xác định khe hở cửa thoát bã Khe hở cửa thoát bã được xác định bằng dưỡng chuyên dùng. Điều chỉnh khe hở cửa thoát bã bằng cách di chuyển trục của vít xoắn theo chiều trục nhờ tay quay của bộ phận điều chỉnh khe hở. c) Lựa chọn hình dạng và kích thước của sàng Chọn sàng kiểu lỗ dài có chiều rộng lỗ từ 0,6÷2,2mm, hệ số rơi của sàng bằng 0,3; chiều dày 1,0mm để đảm bảo độ bền và thông thoáng của sàng. 2.3.3.3 Xác định một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của quá trình ép a) Xác định năng suất máy và chi phí điện năng riêng Để xác định năng suất ép và chi phí điện năng riêng trong mỗi lần thí 47 nghiệm, chúng tôi dùng cân đồng hồ loại 30kg, sai số 0,1kg, đồng hồ bấm giây điện tử cấp chính xác 0,01 giây và thiết bị đo điện năng mã hiệu EM-306 do Ấn Độ sản xuất (hình 2.9) kiểu điện tử hiển thị số, có độ chính xác 0,01kWh. Hình 2.9 Thiết bị đo điện năng EM-306 (Ấn Độ) Năng suất máy Q được tính theo công thức: 3600.qQ t  , kg/h. (2.8) Trong đó: q- khối lượng nguyên liệu ép được trong thời gian t, kg; t- thời gian ép, s. Chi phí điện năng riêng Nr tính theo công thức: r 1000.NN q  , kWh/t. (2.9) Trong đó: N- chỉ số điện năng tiêu thụ trên điện kế điện tử, kWh. b) Xác định lượng dịch quả còn lại trong bã Lượng dịch quả còn lại trong bã được xác định bằng phương pháp nấu bã. Thiết bị thí nghiệm bao gồm: bếp chưng cách thủy (Trung Quốc), tủ sấy chân không Model 867-1 (Thượng Hải), cân phân tích điện tử SA510 (Mỹ), phạm vi cân 510g, sai số 0,0001g (hình 2.10). 48 a) b) c) Hình 2.10 Thiết bị xác định độ sót dịch quả theo bã a- bếp chưng cách thủy; b- tủ sấy chân không; c- cân phân tích Phương pháp tiến hành: lấy mẫu bã sau khi ép có khối lượng q1 = 100g cho vào bình chưng cách thủy, sau đó cho tiếp 500ml nước nóng có nhiệt độ khoảng 700C vào bình rồi đặt lên bếp đun cách thủy, đun sôi trong 1 giờ. Trong quá trình chưng, khuấy bã để cho dịch quả tan ra hết. Sau khi nấu bã xong để nguội, cho bã vào một túi vải (dùng loại vải trơn để chống dính làm mất bã), ép hết nước, tiếp tục rửa dưới vòi nước cho đến khi hết chất hoà tan. Cho túi bã vào tủ sấy chân không ở nhiệt độ 125-1300C khoảng 1 giờ sao cho bã không dính vào túi vải, tiến hành trút hết bã trong túi vải ra đĩa nhôm và tiếp tục đưa vào sấy cho đến khi khối lượng không đổi. Cân xác định khối lượng q2 của bã sau khi sấy (Lương Minh Châu, 1999) [4]. Lượng dịch quả còn lại trong bã được xác định theo công thức : 1 2b 1 q q .100 q    , % (2.10) 2.3.4 Phương pháp xử lý gia công số liệu đo đạc Trong nghiên cứu thực nghiệm máy, các kết quả đo đạc thường là các đại lượng ngẫu nhiên. Trong kỹ thuật nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, xác suất tin cậy thường dùng trong khoảng 0,7 - 0,9, xác suất của dụng cụ đo trong khoảng 0,95 - 0,99. Vì vậy để đảm bảo độ tin cậy, các thí nghiệm phải được lặp lại ít nhất 3 lần. Nếu trong quá trình khảo nghiệm thấy các số liệu có 49 sai lệch bất thường, phải tiến hành đo lại để đảm bảo độ tin cậy cao (Đặng Thế Huy, 1998) [19], (Lê Công Huỳnh, Trần Như Khuyên, 1995) [21]. Để xử lý và gia công các số liệu thí nghiệm, chúng tôi áp dụng qui tắc của lý thuyết xác xuất và thống kê toán học. a) Phương pháp xử lý số liệu đo đạc Sau khi đã lặp lại n lần thí nghiệm, ta nhận được các giá trị Xi (i=1 n). Giá trị trung bình của mỗi lần đo được tính theo công thức sau: n i i 1 1x x n    (2.11) Sai lệch bình phương trung bình: n 2 i i i 1 (x x ) n 1       (2.12) Sai số trung bình: tb n    (2.13) Giá trị độ tin cậy được tính theo tiêu chuẩn Student với mức ý nghĩa  = 0,05, số bậc tự do f = n-1. Khi đó giá trị tin cậy sẽ là: tbx x t .   (2.14) Đối với các số liệu chưa đáng tin cậy (số liệu nghi ngờ) cần kiểm tra lại theo tiêu chuẩn 3 như sau: Nếu Xnghi ngờ - X > 3 thì loại bỏ; trường hợp Xnghi ngờ- X ≤ 3 thì chấp nhận được. b) Phương pháp gia công số liệu 50 Sau khi thí nghiệm cần phải tiến hành gia công số liệu theo phương pháp phân tích phương sai nhằm xác định độ tin cậy về mức độ ảnh hưởng của các yếu tố tới các thông số mục tiêu và xác định tính đồng nhất của phương sai để kiểm định độ tin cậy của kết quả đo đạc. Thuật toán của phân tích phương sai như sau: Phương sai yếu tố là tổng bình phương sai lệch ở từng thí nghiệm, giữa giá trị trung bình tổng thể ( y..) với các giá trị trung bình của yj ứng với mỗi mức yếu tố xi (Tạ Văn Đĩnh, 2002) [10], (Phạm Văn Lang, Bạch Quốc Khang, 1998) [26]: k 2 j j 12 yt (y y..) S k 1     (2.15) Phương sai thí nghiệm là tổng bình phương các sai lệch giữa giá trị trung bình j.Y ứng với mỗi mức yếu tố xi với giá trị ijY ứng với mỗi lần đo lặp lại với mỗi mức yếu tố. Phương sai thí nghiệm được xác định như sau: k n 2 ij j j 1 i 12 tn (y y. ) S N k       (2.16) Với N-k = k(n-1): là số bậc tự do. Dùng tiêu chuẩn Fisher để đánh giá tỷ số: 2 yt 2 tn S F S  (2.17) Để kiểm nghiệm “ giá trị không” xem hai phương sai đó khác nhau nhiều hay ít. Đối chiếu với giá trị Fb (tra bảng tiêu chuẩn Fisher với  = 0,05 và bậc tự do f1 = k-1; f2 = N-k). Nếu F> Fb thì yếu tố đó có ảnh hưởng đáng kể đến thông số mục tiêu. Nếu F< Fb thì yếu tố đó ảnh hưởng không đáng kể đến thông số mục tiêu (Trần Như Khuyên, 1997) [23]. 51 Để đánh giá tính thuần nhất của phương sai ta phải tính phương sai thí nghiệm ngẫu nhiên đối với mỗi thí nghiệm Sj2 ở mỗi mức biến thiên của yếu tố xi: 2 ij j2 j (y y. ) S n 1     (2.18) Vì số thí nghiệm lặp lại lớn hơn 2 (n = 3) nên có thể áp dụng tiêu chuẩn Cooren để đánh giá tỷ số G giữa phương sai cực đại Sj 2 max với tổng phương sai k 2 j j 1 S   có đảm bảo không vượt quá tiêu chuẩn Gb (tra bảng tiêu chuẩn Cooren với  = 0,05 và f1 = n-1; f2 = N- k). 2 jmax k 2 i j 1 S G S    (2.19) Nếu G< Gb thì các giá trị phương sai được coi là đồng nhất, không phương sai nào vượt quá nhiều so với các phương sai khác, khi đó kết quả đo đạc đảm bảo độ tin cậy. 52 Chương 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ÉP NƯỚC DỨA Trong liên hợp máy băm ép nước dứa, băm và ép là hai quá trình diễn ra liên tục và kế tiếp nhau, trong đó ép là quá trình chính có tính chất quyết định đến năng suất, chất lượng và chi phí năng lượng riêng, băm là quá trình phụ nhằm làm nhỏ sơ bộ vật liệu tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình ép. Vì vậy trong nội dung này chúng tôi chỉ nghiên cứu mô phỏng quá trình ép. 3.1 Mô hình hóa quá trình ép nước dứa Ép nước dứa là quá trình cơ học phức tạp diễn ra trong bộ phận ép. Tuy nhiên có thể mô phỏng quy luật biến đổi các thông số trong quá trình ép bằng các hàm toán học dựa trên các quy luật thay đổi áp suất và vận tốc chuyển động của vật liệu, qua đó có thể xác định được một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc nhằm định hướng cho việc thiết kế. Mô hình kết cấu bộ phận ép nước dứa Ép là quá trình tách pha lỏng (dịch quả) ra khỏi hỗn hợp hai pha lỏng - rắn (bã - dịch quả) ở bộ phận băm chuyển xuống. Có thể phân chia quá trình ép trong bộ phận ép thành hai vùng có chức năng khác nhau: Lc là chiều dài vùng cấp liệu và Le là chiều dài vùng ép (hình 3.1). Lc Le p  R v rv o x L Hình 3.1 Mô hình kết cấu bộ phận ép 53 Vùng cấp liệu là vùng tiếp nhận vật liệu từ bộ phận băm chuyển sang vùng ép dưới dạng hỗn hợp rắn, lỏng, khí. Vùng cấp liệu cấu tạo không có lưới sàng nên không có sự thoát dịch quả ra khỏi hỗn hợp bã - dịch quả. Quá trình chuyển động của vật liệu trong vùng này diễn ra giống như trong vít vận chuyển, vật liệu được tự do chuyển động, các lớp vật liệu tiến lại gần nhau, mật độ tăng dần nhưng tạo ra áp suất không đáng kể. Chiều dài vùng cấp liệu Lc là thông số phụ thuộc vào số vòng vít xoắn, bước vít xoắn, tốc độ quay của vít xoắn, hệ số thể tích nạp liệu,... Các thông số này sẽ được lựa chọn sau khi mô phỏng sao cho lượng cấp liệu ở vùng cấp liệu phải bằng lượng cấp liệu ở bộ phận băm. Vùng ép là vùng công nghệ thực hiện quá trình phân chia pha lỏng, rắn, khí. Khác với vùng cấp liệu, trong vùng ép, pha lỏng và khí được thoát dần ra ngoài qua lỗ sàng làm giảm thể tích hỗn hợp vật liệu, pha rắn được dồn ép và nén chặt lại. Để bù trừ cho phần pha lỏng và khí mất đi đảm bảo cho áp suất tác động lên hỗn hợp vật liệu tăng từ từ trong quá trình ép, phù hợp với quá trình thoát dịch quả trong các ống mao dẫn của tế bào vật liệu thì điều kiện cần thiết là phải giảm dần thể tích buồng chứa liệu và giảm dần vận tốc của vật liệu theo chiều dọc trục. Như vậy, chiều dài vùng ép Le là thông số phụ thuộc vào số vòng vít xoắn, bước vít xoắn, độ côn của vít xoắn,... Các thông số này sẽ được lựa chọn khi mô phỏng quá trình ép sao cho pha rắn (bã) di chuyển đến mặt cắt cuối của vùng ép nhận được áp suất lớn nhất để được ép kiệt nước trước khi thoát ra ngoài qua cửa thoát. 3.1.2 Quy luật chuyển động của vật liệu trong bộ phận ép a) Lượng cấp liệu Theo nguyên lý kết cấu của máy, mặt ngoài của vít xoắn có dạng hình trụ, máng vít cũng có dạng hình trụ. Quá trình dịch chuyển vật liệu trong máng vít xoắn cũng tương tự như quá trình vận chuyển vật liệu của vít tải 54 (Trần Như Khuyên, 2007) [25]. Để đảm bảo quá trình nạp liệu được liên tục từ bộ phận băm sang bộ phận ép, năng suất vận chuyển tính theo lý thuyết Qlt của vít xoắn ở vùng cấp liệu phải bằng năng suất của bộ phận băm Qb. 2 2 v v lt (R r )Q S.n. 60     , kg/h (3.1) Trong đó: Rv, rv- bán kính ngoài và trong của vít xoắn, m; S- bước vít xoắn, m; n- tốc độ quay của vít xoắn, vg/ph; - khối lượng riêng của vật liệu, kg/m3. Tuy nhiên, khi vít xoắn quay thì vật liệu có thể quay theo và vận tốc góc của vật liệu vl có thể dao động trong giới hạn vl0     ( - vận tốc góc của vít xoắn). Nếu vận tốc góc của vật liệu vl = 0 thì năng suất thực tế Qc của vít xoắn ở vùng cấp liệu bằng năng suất lý thuyết Qlt, và bằng năng suất của bộ phận băm Qb: c lt bQ Q Q  (3.2) Nếu vật liệu quay cùng với vít xoắn với vận tốc góc vl  thì năng suất thực tế của vít xoắn Qc = 0 vì không có sự dịch chuyển vật liệu dọc trục. Nếu vl0     thì vật liệu có vận tốc quay trung bình khác với vận tốc góc của vít xoắn, khi đó năng suất vít xoắn được tính theo công thức (Xokolov A.Ia, 1976) [42], (Ñîêîëîâ A.ß, 1960) [70]: c nc bQ Q  (3.3) Trong đó: ηnc - hệ số thể tích nạp liệu: vl nc 1      (3.4) Từ các kết quả trên cho thấy, khi thiết kế chế tạo vít xoắn cần chú ý một số đặc điểm sau: 55 - Để nâng cao năng suất cần phải giảm chuyển động quay của vật liệu theo vít xoắn, nghĩa là hình dạng và tính chất bề mặt của vít xoắn phải đảm bảo sự liên kết nhỏ nhất với sản phẩm. - Bề mặt trong của máng vít phải hãm được sản phẩm quay, nghĩa là ma sát theo chiều quay giữa vật liệu với máng vít phải lớn, nhưng ma sát theo chiều dọc trục phải nhỏ để không cản trở sự di chuyển theo phương dọc trục của vật liệu. Vì vậy cần phải gia công vít xoắn có độ nhẵn bóng cao, buồng vít có thể tạo các gờ theo hướng dọc trục để hạn chế chuyển động quay của vật liệu theo vít xoắn nhưng không cản trở chuyển động dọc trục của vật liệu (Trần Thị Nhị Hường, Nguyễn Đại Thành, 1995) [17], (John A.C., 1990) [56]. b) Vận tốc của vật liệu trong vùng cấp liệu Sự chuyển động của vật liệu trong vùng cấp liệu bao gồm chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến theo phương dọc trục. Để xác định các thành phần vận tốc của vật liệu, ta xét một phần tử vật liệu M tại điểm A nằm trên bán kính trung bình của vít xoắn. Nếu cắt mặt trụ trên đó có điểm A chuyển động dọc theo đường sinh rồi trải phẳng ra thì đường xoắn vít sẽ trở thành những đường thẳng nghiêng với mặt cắt ngang trục vít xoắn một góc  (gọi là góc nâng cánh vít), ta được đa giác vận tốc biểu diễn sự dịch chuyển của vật liệu trong vùng cấp liệu (hình 3.2). Hình 3.2 Đa giác vận tốc biểu diễn sự dịch chuyển của vật liệu trong vùng cấp liệu 56 Như đã phân tích ở trên, quá trình dịch chuyển vật liệu trong buồng ép giống như quá trình dịch chuyển từng lớp dọc theo cánh vít, nhanh hay chậm phụ thuộc vào bước vít S, dạng vít xoắn. Do đó có thể giả thiết rằng, trong quá trình dịch chuyển không có quá trình xáo trộn giữa các lớp trên cánh vít, khi đó quỹ đạo chuyển động của các phần tử vật liệu trên mỗi đường vít là chuyển động phức tạp, bao gồm: - Chuyển động quay tương đối của vật liệu quanh trục của vít xoắn với vận tốc góc vl: vl =  - qc (3.5) Trong đó: qc- vận tốc góc của vật liệu so với máng vít, s-1, - vận tốc góc của vít xoắn, s-1. - Chuyển động tịnh tiến của vật liệu dọc theo trục vít xoắn với vận tốc vnc: Nếu bước vít không đổi, thì mọi điểm của vật liệu trong rãnh vít xoắn sẽ có quỹ đạo đường xoắn ốc. Vận tốc chuyển động vM của vật liệu tại điểm A trên bề mặt cánh vít, cách đường tâm trục vít xoắn một khoảng Rtbc sẽ gồm vận tốc tịnh tiến theo chiều trục vnc và vận tốc tiếp tuyến vqc = Rtbc.qc vuông góc với trục của vít xoắn do chuyển động quay tạo ra, do đó: 2 2 2 2 2 nc M qc M tbc qcv v - v v - R .   (3.6) Giả sử phần tử vật liệu M tại vị trí bán kính trung bình Rtbc di chuyển từ điểm A đến A3. Từ điểm A vẽ đoạn thẳng AA2 vuông góc với đường tâm của vít xoắn biểu diễn vận tốc vòng của vít xoắn, từ A2 vẽ đoạn thẳng biểu diễn vận tốc trượt trên cánh vít khi không có trượt quay A2A0 và khi có trượt quay A2A3 nghiêng với AA2 một góc  (góc nâng cánh vít), từ các điểm A0, A3 dựng đoạn thẳng vuông góc với AA2 ta được các đoạn thẳng A1A3 và AA0 biểu diễn vận tốc dọc trục của vật liệu, trong đó: 57 AA3 = vM biểu diễn vận tốc tuyệt đối của chất điểm vật liệu M (gọi tắt là vận tốc tuyệt đối của vật liệu); AA2 = v biểu diễn vận tốc vòng của vít xoắn v = Rtb.; A2A3 = vt biểu diễn vận tốc trượt của vật liệu trên rãnh vít khi có trượt quay; A2A0 = vto biểu diễn vận tốc trượt của vật liệu trên rãnh vít khi không có trượt quay. AA1 = vqc biểu diễn vận tốc vòng của vật liệu so với máng vít; A1A2= vvlc biểu diễn vận tốc vòng của vật liệu so với vít xoắn. AAo = vno biểu diễn vận tốc dọc trục của vật liệu khi không có trượt quay. A1A3 = vnc biểu diễn vận tốc dọc trục của vật liệu khi có trượt quay; Từ đa giác vận tốc ta có thể xác định được vận tốc của vật liệu khi không có trượt quay và có trượt quay như sau: - Khi không có trượt quay, vận tốc dọc trục của vật liệu được xác định theo công thức: c no c Qv 3600. .F   (3.7) vno- vận tốc dọc trục của vật liệu khi không có trượt quay, m/s; Qc- năng suất vận chuyển vật liệu của vít xoắn trong vùng cấp liệu, kg/h; γ- khối lượng riêng của vật liệu, kg/m3; Fc- diện tích tiết diện ngang của vật liệu trong vùng cấp liệu, m2. - Khi có trượt quay, vận tốc dọc trục của vật liệu được xác định từ đồ thị tam giác vận tốc A1A2A3:    nc vlc qc tbc qcv = v .tg v v tg v R . tg        (3.8) Trong đó: 58 vnc- vận tốc dọc trục của vật liệu trong vùng cấp liệu, m/s, vvlc- vận tốc vòng của vật liệu so với vít xoắn, m/s, v- vận tốc vòng của vít xoắn, m/s, vqc- vận tốc vòng của vật liệu so với máng vít, m/s, Rtbc- bán kính trung bình của cánh xoắn trong vùng cấp liệu, m, - góc nâng cánh vít, độ. Trong thực tế, vật liệu dứa sau khi băm bao gồm cả pha lỏng (dịch quả) pha rắn (bã) và pha khí, do pha lỏng có độ nhớt nên có hiện tượng trượt quay của vật liệu so với trục vít, do đó vận tốc dọc trục của vật liệu được xác định theo công thức (3.8). Từ công thức (3.8) cho thấy muốn tăng vận tốc dọc trục vnc của vật liệu có thể tăng vận tốc vòng của vít xoắn v, tăng góc nâng  hoặc giảm vận tốc vòng của vật liệu so với máng vít vqc. c) Vận tốc của vật liệu trong vùng ép Việc tính toán vận tốc của vật liệu trong vùng ép cũng tương tự như trong vùng cấp liệu nên có thể dùng công thức (3.8) để xác định vận tốc di chuyển của vật liệu. Tuy nhiên do đường kính trục vít xoắn có dạng hình côn với góc nghiêng so với đường tâm của vít xoắn là  nên vận tốc di chuyển dọc trục được xác định như sau: vne = (v - vqe)tg.cos (3.9) Trong đó: vne- vận tốc dọc trục của vật liệu trong vùng ép, m/s; v- vận tốc vòng của vít xoắn so với máng vít, m/s; - góc nghiêng của trục vít xoắn so với đường tâm vít xoắn, độ; vqe - vận tốc vòng của vật liệu tại bán kính trung bình của cánh vít so với máng vít ở bộ phận ép, phụ thuộc vào góc nghiêng  và được tính theo công thức: 59 qe tbe qe tbc qe x.tgv R . (R ) 2       (3.10) ωqe- vận tốc góc của vật liệu trong vùng ép, s-1; x- khoảng cách theo chiều trục của điểm đang xét đến gốc tọa độ. Thay công thức (3.10) vào (3.9), ta xác định được vận tốc di chuyển của vật liệu theo chiều dọc trục: ne tbc qe x.tgv [v-(R ) ].tg .cos 2       (3.11) Công thức (3.11) cho phép ta khảo sát mối quan hệ giữa vận tốc di chuyển của vật liệu vne theo chiều dọc trục với chiều dài vít xoắn x. Do góc nghiêng  của trục vít (tính bằng radian) rất nhỏ nên khi tính toán có thể tính gần đúng tg   và cos 1  . 3.1.3 Quy luật biến đổi áp suất của vật liệu trong bộ phận ép Quá trình biến đổi áp suất, chuyển động của vật liệu và thoát dịch quả diễn ra khi ép nguyên liệu dứa trong máy ép kiểu vít xoắn là quá trình rất phức tạp, đến nay chưa có công trình nghiên cứu lý thuyết nén ép vật liệu dứa trong máy ép kiểu vít xoắn được công bố. Vì vậy việc nghiên cứu để đưa ra một phương trình lý thuyết biểu diễn quá trình nén ép riêng cho loại vật liệu này gặp nhiều khó khăn. Những giả thiết sau đây có thể thích hợp cho việc vận dụng một số kết quả nghiên cứu lý thuyết nén ép các loại thực phẩm khác vào nghiên cứu quá trình ép nước dứa: 1) Nhiệt độ của vật liệu thay đổi không đáng kể trong quá trình ép, do tỉ lệ nước quả trong hỗn hợp lớn và thời gian vật liệu trong buồng ép rất ngắn; 2) Thể tích pha khí trong nguyên liệu dứa trong buồng ép không đáng kể, không ảnh hưởng đến quá trình khảo sát và tính toán; 3) Vật liệu trong buồng ép gồm hai pha lỏng và rắn chuyển động tuân theo quy luật của chất lỏng nhớt. 60 a) Áp suất trong vùng cấp liệu Áp dụng kết quả nghiên cứu lý thuyết của A.Ia. Xokolov về quá trình nén ép thực phẩm được coi là vật liệu lỏng nhớt, phương trình vi phân biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất ép theo chiều dọc trục với hệ số thể tích nạp liệu trong vùng cấp liệu có dạng như sau (Ñîêîëîâ A.ß, 1960) [70]: 5c tb c nc tb2 c tbc b b 1 F .cos dp F. . .1,23.10 sin 0,33 .R dx l l            , ( c0 x L  ) (3.12) Trong đó: nc - hệ số thể tích nạp liệu; c - hệ số độ nhớt động lực của vật liệu, Ns/m2; Fc- diện tích tiết diện của vật liệu trong vùng cấp liệu, m2;  - vận tốc góc của vít xoắn, s-1; Rtbc- bán kính trung bình của vít xoắn, m; p- áp suất ép theo chiều trục của vít xoắn, N/m2; x- khoảng cách theo chiều dọc trục từ điểm được xét đến gốc tọa độ, m; tb - góc nâng cánh vít theo bán kính trung bình, rad; lb - chiều dài đường bao của máng vít tại tiết diện thẳng góc với đường xoắn ốc, m;  - ứng suất cắt giới hạn của vật liệu, N/m2. b) Áp suất trong vùng ép Khác với vùng cấp liệu, vùng ép có lưới sàng bao quanh vít xoắn để cho dịch quả thoát ngoài. Do dịch quả thoát qua các lỗ sàng nên thể tích vật liệu giảm dần. Vì vậy, ta có thể vận dụng công thức (3.12) để xây dựng phương trình biểu diễn quy luật biến đổi áp suất trong vùng ép có bổ sung hệ số giảm thể tích vật liệu trong vùng ép do có sự thoát dịch quả qua lỗ sàng: 61 5e tb e nc ge tb2 e tbe b b 1 F .cos dp F. . 1,23.10 sin 0,33 .R dx l l             ,( cL x L  ) (3.13) Trong đó: ge - hệ số giảm thể thể tích vật liệu trong vùng ép do có sự thoát dịch quả qua lỗ sàng. Trong phương trình (3.12) và (3.13), chỉ số “c” biểu diễn các thông số của vùng cấp liệu, chỉ số “e” biểu diễn các thông số của vùng ép. Từ các phương trình (3.12) và (3.13), sau khi biến đổi ta được phương trình biểu diễn quy luật thay đổi áp suất trong vùng cấp liệu và vùng ép như sau: 2 nc c tbc b 2 2 v v tb b 5 2 2 v v tb . . Rl ( 0,33 ) dp (R r )cos l dx 1,23.10 (R r )sin             , ( c0 x L  ) (3.14) nc ge e tbe2 b 2 2 v v tb b 5 2 2 v v tb . . .R l 0,33 [R (r x.tg ) ].cos ldp dx 1,23.10 [R (r x.tg ) ].sin                  , ( cL x L  ) (3.15) Phương trình (3.14) và (3.15) biểu diễn quy luật biến đổi áp suất p trong vùng cấp liệu và vùng ép theo chiều dài vít xoắn x. Đây là cơ sở lý thuyết quan trọng để khảo sát ảnh hưởng của một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của bộ phận ép. Các tham số trong các phương trình (3.14) và (3.15) được xác định: - Vận tốc góc của vật liệu trong vùng cấp liệu ωqc và vùng ép ωqe theo chiều dài vít xoắn được xác định bằng thực nghiệm (mục 4.1) có dạng như sau: qc = 1,01, s -1 7,8155xqe 0,9407.e   , s-1 (3.16) - Hệ số nạp liệu nc được xác định theo công thức: qcvlcnc 1 1         (3.17) 62 - Hệ hệ số giảm thể tích vật liệu trong vùng ép ge do có sự thoát dịch quả qua lỗ sàng được xác định theo kết quả thí nghiệm (mục 4.1) là hàm của áp suất ép p theo công thức: 0,0491p ge 92,468.e   (3.18) - Hệ số độ nhớt động lực của hỗn hợp bã – dịch quả  được xác định theo công thức (Nguyễn Bin và ctv, 2006) [1], (Trương Vĩnh và ctv, 2005) [40]: d r d r 15(1 A. ) 1 A          , N.s/m2 (3.19) Trong đó: d- độ nhớt của dịch quả, Ns/m2; r- độ nhớt của pha rắn, Ns/m2. A- nồng độ pha rắn trong hỗn hợp bã - dịch quả, được xác định theo công thức: r h GA G  (3.20) Gr- khối lượng pha rắn trong hỗn hợp, kg; Gh- khối lượng hỗn hợp bã - dịch quả, kg. Do độ nhớt của dịch quả d nhỏ hơn rất nhiều so với độ nhớt của bã r nên có thể bỏ qua, khi đó công thức (3.19) có dạng: d (1 15A) 1 A      , N.s/m2 (3.21) Độ nhớt của dịch quả d được xác định bằng thiết bị đo độ nhớt (mục 2.3.3) là d = 1,5.103N.s/m2. Nồng độ pha rắn trong hỗn hợp bã – dịch quả A phụ thuộc vào hàm lượng dịch quả trong hỗn hợp. Kết quả thí nghiệm (mục 4.1) đã xác định được nồng độ pha rắn trong hỗn hợp bã - dịch quả như sau: Trong vùng cấp liệu Ac = 0,1579; Trong vùng ép hệ số Ae là hàm số của áp suất ép p được biểu diễn bằng 63 phương trình hồi quy thực nghiệm: 3 2 eA 0,0002p 0,0267p 0,155p 16,179     (3.22) - Diện tích tiết diện của vật liệu trong vùng cấp liệu Fc được tính: 2 2 c v vF π(R r )  , m 2 (3.23) Rv, rv- bán kính ngoài và bán kính trong của vít xoắn ở vùng cấp liệu, m. - Diện tích tiết diện của vật liệu trong vùng ép Fe được tính theo công thức: 2 2 2 2 e v ve v vF (R r ) [R (r x.tg ) ]        , m 2 (3.24) Trong đó: rve - bán kính trong của vít xoắn trong vùng ép: rve = rv + x.tg, m (3.25) x- khoảng cách từ gốc tọa độ đến điểm đang xét ở vùng ép, m  - góc nghiêng của trục vít xoắn, rad. - Bán kính trung bình của vít xoắn Rtbc ở vùng cấp liệu: v v tbc R rR 2   , m (3.26) - Bán kính trung bình của vít xoắn Rtbe ở vùng ép: v ev v v tbe R r R (r x.tg )R 2 2       , m (3.27) - Vận tốc góc của vít xoắn  được xác định theo công thức: n 30   , s-1 (3.28) n- tốc độ quay của trục vít xoắn, vg/ph. - Ứng suất cắt giới hạn  của vật liệu được xác định bằng thực nghiệm (mục 4.1) là hàm phụ thuộc vào áp suất ép theo phương trình: 0,0483p408,36.e  , N/m2 (3.29) - Chiều dài của đường bao của máng vít lb tại tiết diện thẳng góc với đường xoắn phụ thuộc vào góc nâng của cánh vít tb và được xác định theo công thức: