Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu kỹ thuật lò sấy đối lưu tự nhiên nhằm tăng chất lượng sơ chế thuốc lá

1

NGHIÊN CỨU LÒ SẤY ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN NHẰM TĂNG
CHẤT LƯỢNG SƠ CHẾ THUỐC LÁ
LỜI MỞ ĐẦU
Chất lượng thuốc lá sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố từ khâu làm đất, gieo trồng,
chăm sóc, thu hoạch đến sơ chế và chế biến. Sấy thuốc là một khâu khá quan trọng trong
quy trình sản xuất thuốc lá điếu. Tất nhiên chúng ta không thể một lúc mà giải quyết hàng
loạt các khâu hay nói khác cần có sự phân công hợp lý trong công tác nghiên cứu và sản
xuất để đem lại một sản phẩm thuốc điếu hiệu quả nhất. Trong suốt tiến trình sản xuất
thuốc điếu từ nguyên liệu ban đầu chúng tôi chọn khâu sấy làm trọng tâm nghiên cứu, vì
người trông thuốc lá đã nói: nếu chế độ sấy không tốt thì thuốc lá làng “vàng”, còn chế
độ sấy không đúng thì chỉ là “phân bón”. Do vậy với hàng ngàn lò sấy đã và đang sử
dụng, càn nghiên cứu về trường nhiệt, ẩm và trường tốc độ để giải quyết những tồn tại về
kết cấu buồng sấy, buồng đốt, bộ trao đổi nhiệt, thông gió, thoát ẩm… nhằm đưa ra một
loại lò sấy thích hợp cho các trạm nguyên liệu của vùng chuyên canh thuốc lá tại Việt
Nam có chế độ sấy tốt. Mẫu lò sấy mới phải được nghiên cứu chi tiết để chi phí sấy thấp
nhất và chất lượng lá thuốc sau khi sấy đạt tỉ lệ loại tốt là cao nhất trong điều kiện hiện
nay của nước ta. Mục tiêu này cũng rất phù hợp với cơ chế thị trường và hòa nhập được
vào thị trường quốc tế, hầu mang lại một tỷ trọng cao hơn nữa cho ngân sách quốc gia.
MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN ÁN

- Nghiên cứu về trường nhiệt độ, tốc độ, độ ẩm để xác lập chế độ sấy hợp lý, giảm
chi phí, tăng chất lượng thuốc lá sau sấy
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là lò sấy thuốc lá đối lưu tự nhiên 3,5 tấn/mẻ (5x6 m2) là
loại phổ biến cho các trạm, trại của Tổng công ty thuốc lá Việt Nam
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trên cơ sở phân tích nhiệt và kết cấu buồng sấy cũ, nghiên cứu trường nhiệt độ,
trường độ ẩm và trường tốc độ làm cơ sở để xây dựng mô hình vật lý này kiểm chứng
bằng thực nghiệm để xác định mối quan hệ của trường nhiệt, trường ẩm và trường tốc độ,
từ đó có các thông số quan trọng của lò sấy nghiên cứu và các công thức thực nghiệm bổ
sung cho lý thuyết sấy


2

NỘI DUNG LUẬN ÁN
1. Tổng quan
Tổng quan về lý thuyết sấy
2. Sự biến đổi sinh hóa của lá thuốc khi sấy
3. Nghiên cứu lý thuyết
3.1 Cơ sở phương pháp xây dựng mô hình nghiên cứu lò sấy thuốc lá đối lưu tự
nhiên
3.2 Các tồn tại của một số mẫu lò sấy thuốc lá
3.3 Tính toán nhiệt cho lò sấy thuốc lá
3.4 Các nghiên cứu cần thiết đối với lò sấy thuốc lá
3.5 Nghiên cứu trường ẩm
4. Nghiên cứu thực nghiệm
5. Kiểm chứng kết quả nghiên cứu


3

1.
TỔNG QUAN
1.1 Tình hình sản xuất thuốc lá trên thế giới và Việt Nam
Thuốc lá là một cây công nghiệp ngắn ngày có giá trị kinh tế cao về xuất khẩu và
tiêu dùng, do đó nó có tầm quan trọng trong nền kinh tế của nhiều nước, đặc biệt là
những nước đang phát triển nằm trong vùng nhiệt đới có điều kiện thuận lợi về trồng cây
thuốc lá
Do hiệu quả kinh tế cao và nhu cầu về nguyên liệu nên hiện nay đã hình thành nên
những vùng trồng thuốc lá sợi vàng như : Cao Bằng, Lạng Sơn, Thanh Hóa, Tây Ninh,
Đồng Nai, Lâm Đồng…
1.2 Tổng quan về lý thuyết sấy
Môi trường không khí ẩm: Không khí khô tuyệt đối thường có thành phần
không đổi thể tích bao gồm 78% nito, 21% oxy, 1% khí trơ. Trong không khí bao giờ
cũng có mặt hơi nước với liều lượng khác nhau. Như vậy hỗn hợp không khí và nước
được gọi là không khí ẩm
Vật liệu ẩm: Ẩm được hút vào trong vật liệu và tạo thành một mối liên kết của
các trường lực khác nhau. Dựa vào bản chất của lực liên kết có thể xếp thành 3 nhóm liên
kết chính: liên kết hóa học, liên kết hóa lý và liên kết cơ lý
Động học về sấy: Động học nhằm nghiên cứu sự biến đổi hàm ẩm và nhiệt độ
trung bình của vật liệu theo thời gian sấy, tức là tìm µ(τ) và θ(τ). Hai hàm này được xác
định bởi quy luật truyền vận ẩm và nhiệt độ bên trong vật liệu, cũng như sự trao đổi nhiệt
ẩm với môi trường xung quanh. Sự biến đổi nhiệt độ và hàm ẩm trung bình của vật liệu
theo thời gian, trước hết được xác định bởi các quy luật tác dụng và tương hỗ giữa vật
liệu với môi trường xung quanh, tức là sự trao đổi ẩm với bên ngoài
2. SỰ BIẾN ĐỔI SINH HÓA CỦA LÁ THUỐC KHI SẤY KHÔ
2.1 Cơ sở của quá trình sấy thuốc lá
Sấy thuốc lá là một quá trình phối hợp phức tạp giữa các quá trình vật lý, sinh
hóa… các quá trình này tác động qua lại lẫn nhau trong quá trình sấy, nên trong nghiên
cứu về sấy thuốc lá cần hiểu rõ vấn đề này
2.2 Quy trình sấy: Được tóm tắt theo bảng 1
Bảng 1: Tóm tắt quy trình sẫy thuốc lá
Giai đoạn
Nhiệt độ sấy
(oC)
Chuyển biến
32 – 38
màu và lên
hương vị thuốc

Ẩm thuốc lá
(%)
90 – 85

Thời gian sấy
(giờ)
24 – 32


4

Cố định màu và
lên hương vị
thuốc
Sấy khô cuống

Hồi ẩm

39 – 52

85 – 50

30 – 42

53 – 65

50 – 12

50 – 70

to môi trường

12 - 14

12 – 24

3. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
3.1 Cơ sở phương phá xây dựng mô hình nghiên cứu lò sấy thuốc lá đối lưu tự nhiên
Quá trình sấy thuốc lá là một quá trình phức tạp vì phải thực hiện quá trình sinh
hóa xảy ra đồng thời với quá trình sấy khô. Chất lượng thuốc lá phụ thuộc nhiều vào sự
phất bố nhiệt độ t, trường tốc độ ω và trường độ ẩm φ của tác nhân sấy theo thời gian τ.
Để tạo được mẫu mô hình nghiên cứu tốt trước tiên tạo 2 mô hình nghiên cứu cục
bộ, sau đó ghép lại để phối hợp trên mô hình tổng thể nhằm đạt được các số liệu tin cậy
và có tính khả thi cao
- Mô hình đốt thang vò viên trên ghi cố định nhằm tìm ra các thông số tối ưu cho buồn
đối với loại nhiên liệu này
- Mô hình lò sấy gồm cách bố trí thiết bị và vật liệu sấy nhằm nghiên cứu các quá trình
sấy nhiệt, khí động học của buồng đốt, các sắp xếp sản phẩm sấy… và ảnh hưởng của
nó đến chất lượng thuốc lá sấy
Mô hình sấy cần phải đảm bảo tốt và hợp lý các chức năng của quá trình sấy thuốc
lá, nghĩa là trường nhiệt độ phải phân bố đều theo mặt bằng các lớp vật liệu sấy ứng với
quy trình yêu cầu. Trường tốc độ tác nhân sấy chuyển động qua lớp vật liệu phải được
phân bố đều và thích hợp để đảm bảo cho qua trình sinh hóa (ủ vàng), quá trình bay hơi
ẩm. Trường ẩm độ cả tác nhân sấy cần phải phân bố đều trên mặt phẳng nằm ngang, duy
trì không đổi tương ứng với thời gian ủ vàng và thời gian sấy khô một cách tốt nhất.
Vì lò sấy đối lưu tự nhiên nên các trường nhiệt độ τ, trường tốc độ ω, trường độ
ẩm φ xảy ra đồng thời, có tác động và ảnh hưởng tương hổ lẫn nhau, phụ thuộc nhau rất
khó không chế từng thành phần như trong lò sấy cưỡng bức. Do vậy mô hình phải có sự
phối hợp các yếu tố ảnh hưởng để xem xét chung, đồng thời có thể điều chỉnh được một
cách hợp lý với những thông số không tính cụ thể được
Trường nhiệt độ trong buồng sấy:
Động lực chủ yếu chi phối đến chính quá trình sấy là nhiệt độ t, do đó cần phải
được xem xét trước khi để tạo sự phân bố thiết bị trao đổi nhiệt (TĐN) trong buồng sấy


5

Trường hợp nhiệt độ đối lưu tự nhiên muốn phân bố đều trong buồn sấy rất phức
tạp vì trong trường hợp này cần phải tận dụng nhiệt của võ buồng đốt, số ống không bố
trí quá nhiều giá chi phí cao. Do vậy thiết bị TĐN phải được sắp xếp đạt các điều kiện
sau:
-

-

-

Ống lửa chính (ống đại hỏa) có nhiệt đồ bề mặt cao, khả năng tỏa nhiệt lớn phân bố
giữa lò đảm bảo cung cấp nhiệt cho một vùng lớn
Các ống lửa nhỏ (phân hỏa) được phân bố vòng thân lò, có khảng các nhất định đối
với cửa hút để gió nóng lan tỏa đều. Các ống đại hỏa và phân hỏa phải có đường kính
D tương ứng đảm bảo quá trình đối lưu ở chế độ chảy rồi nhằm có sự khuếch tán nhiệt
đồng đều khi qua tầng lá đầu
Lớp vật liều sấy phải được sắp xếp hợp lý trên mặt bằng lò sấy (theo chiều ngang)
cũng như số tầng theo chiều cao nhằm tạo trở kháng khí động đồng đều ở trong lò (cả
khi lá còn tươi cũng như khi lá bị khô co lại dần trong các tầng theo thời gian).
Cần phải có độ ổn nhiệt phía dưới tần lá cuối thích hợp để nhiệt độ lan tỏa trước khi
gió nóng xuyên qua tầng lá thuốc sấy đầu tiên
Các cửa hút và cửa thoát phải được bố trí hợp lý về vị trí, kích thước cũng như diện
tích cửa hút và thoát

Nếu các yếu tố trên không bố trí hài hòa, thích hợp thì không thể tạo được trường
nhiệt độ đồng đều. Trên cơ sở phân tích các yếu tố ảnh hưởng trên, sơ đồ nguyên lý bố trí
thiết bị trong buồng sấy thể hiện trên hình vẻ 1


6

Qua sự phân tích các bộ trao đổi nhiệt của những lò sấy đã thực hiện chúng ta
nhận thấy có một số thiếu sót sau:
-

-

Bố trí ống trao đổi nhiệt nhiều nhưng chưa đồng đều vì phân bố chưa hợp lý và hài
hòa giữa các yếu tố, chỉ chúng trọng đến phân bố thiết bị mà chưa xét ảnh hưởng
tương hổ liên quan bởi nhiều yếu tố
Phần bố trí ống nhiệt có liên quan chặt chẻ với cửa hút
Nếu không sự dụng thêm gió cấp 2 điều chỉnh và đoạn ổn định nhiệt phía dưới không
đủ lớn thì khó thực hiện được sự phân bố đều của trường nhiệt độ
Sự phân bố nhiệt độ và tốc độ trong quá trình trao đổi nhiệt với ông nằm ngang
được thể hiện bởi hệ phương trình vi phân:

Để tìm được điều kiện xác địch kích thước tối thiểu của ống đại hỏa và phân hỏa
cần phải xét sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt vách ống của toàn chiều dài. Mục đích là
phải tạo được điều kiện chảy rối của tác nhân sấy không khí bên ngoài ống như vậy mới
tận dụng được diện tích trao đổi nhiệt, sự lan tỏa nhanh chóng đồng đều của trường nhiệt
độ
Qua quá trình nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với phương trình vi phân trên, các
nhà nghiên cứu tìm được: muốn chất lỏng chảy rối cần phải thoả mãn tiêu chuẩn
Rayleigh Ra ≥ 2.107 = (Gr.Pr)tn
Dựa trên cơ sở này sẽ tính được nhiệt độ của khói trên đoạn ống đại hỏa và phân
hỏa
Từ các điều kiện đã xét ở trên tìm được giới hạn cho ống TĐN đảm bảo chế độ
chảy rối là


7

Điều kiện chảy rối là Ra ≥ 2.107 thì đường kính ngoài của ống đại hỏa và phân
hỏa phải có kích thước D > 0,205m
Do chế độ sấy còn những giai đoạn nhiệt độ thấp hơn nên đường kính ống trao đổi
nhiệt chọn trong mô hình có phạm vi 0,4 m ≥ D≥ 0.3m
Tần dưới cùng là tầng ống lửa (thiết bị trao đổi nhiệt), sự bố trí thiệt bị TĐN cần
có kích thước gọn nhưng đảm bảo sự phân bố tốc độ và nhiệt độ đồng đều, muốn vậy
nhiệt độ khói trong ống và nhiệt độ thoát đã được giới hạn bởi quá trình tối ưu về cháy và
thải, thì kích thước ống TĐN cần phải bảo đảm điều kiện lớp biên nhiệt và lớp biên thủy
lực chảy rối ở mức độ cao, tạo điều kiện khuếch tán nhiệt ở phần ổn định dạng dưới lớp
lá cuối cùng (hình 2)

Trường tốc độ trong buồng sấy:


8

Động lực gây nên chuyển động đối lưu tự nhiên trong buồng sấy chính là sự chênh
lệch nhiệt độ giữa không khí trong và ngoài buồng sấy, nhưng tốc độ chuyển động ở mức
nào, độ đồng đều trên toàn mặt cắt ngang lại do nhiệt độ không khí trong tầng sấy tf2,
nhiệt độ môi trường không khí xung quanh phí trên lò sấy t0 , cách xâu lá và sắp xếp các
tầng theo chiều cao, vị trí cửa hút và cửa thoát, kích thước cửa thoát… quyết định đế độ
đồng đều tốc độ. Việc đo đạc trực tiếp tốc độ rất khó xác định ở các tầng (vì tốc độ dòng
khí khá nhỏ), nhưng đánh giá mức độ đồng đều của phân bố môi trường tốc độ có thể
thông qua trường nhiệt độ các lớp lá (vì giữa nhiệt độ và tốc độ có quan hệ với nhau) và
tốc độ dòng khí qua cửa hút và cửa thoát
Theo định luật bảo toàn năng lượng được áp dụng trong trường hợp đối lưu tự
nhiên thì công do lực nâng thực hiện trên quản đường L là pgβ. ∆t/2. L; phải cân bằng với
động năng là pωth/2. Vậy pgβ. ∆t/2. L = pω2th/2
Từ đây tìm được mối quan hệ ωth ≈ √gβ. ∆t. L

Việc sắp xếp lá trong một tầng, cũng như sắp xếp số tầng theo chiều cao rất quan
trọng vì phân bố lá trong tầng tạo nên trở lực khí động đồng đều theo mặt phẳng còn số
tầng trên do quá trình ủ kéo dài (chưa khô ngay) nên đã tạo ra trở lực nhân tạo khống chế
tốc độ các tầng dưới không tăng nhanh khi lá bị khô teo
Sự phối hợp hài hòa này đảm bảo cho quá trình sinh hóa và sấy khô có tốc độ phù
hợp. Chúng ta không thể tính cụ thể bằng phương trình nhưng nó phải được đánh giá qua
xử lý số liệu thực nghiệm để tiềm được điều kiện tốt nhất có thể
Trường ẩm của các tác nhân sấy:
Trường ẩm độ và trường nhiệt độ tác nhân sấy đóng vai trò quan trọng đối với quá
trình sinh hóa và làm khô sản phẩm trong buồng sấy để cho ra sản phẩm có chất lượng
cao, chi phí nhiên liệu thấp
Trường ẩm độ của các tầng theo chiều cao sẽ biến đổi theo thời gian để đảm bảo
yêu cầu của quá trình sinh hóa. Nhờ vào sự khô chậm của các tầng trên để không chế sự
đồng đều về trở lực khí động của buồng sấy không bị xáo trộn đột ngột về phân bố tốc độ
và nhiệt độ của khi lá thuốc các tầng dưới biến dạng do khô teo lại. Quan hệ giữa ẩm độ
và thời gian sấy của các tầng sẽ diễn ra theo dạng đồ thị hình 3


9

Để đảm bảo quá trình sinh hóa xảy ra theo yêu cầu của các tầng (thời gian thực
hiện này là τ) thì phải chọn số tầng thích hợp, số tầng quá ít không đảm bảo đủ điều kiện
độ ẩm và thời gian ủ, nếu số tầng quá nhiều thời gian ủ kéo dài, chất lượng thuốc sẽ kém.
Qua tổng kết các số liệu của lò sấy trong nước và nước ngoài hoạt động nhiều năm thì số
tầng thực hiện trên mô hình nghiên cứu nên có số tầng n = 4 – 7
Vì lò sấy đối lưu tự nhiên đã thực hiện ở các nước trên thế giới và trong nước có
kích thước không lớn lắm, sự tương tác giữa các yêu tố rất phức tạp, để đảm bảo tính
trung thực về đồng dạng của hiện tượng vật lý (khó dự đoán hết bằng các tiêu chuẩn đồng
dạng) nên chọn tỷ lệ giữa nguyên hình và mô hình thực nghiệm là 1:1
3.2 Các tồn tại của một số mẫu lò sấy thuốc lá
Các mẫu lò sấy đối lưu tự nhiên dựa vào kinh nghiệm lâu năm của các người
chuyên đốt lò sấy thuốc lá ở một số địa phương có sản lượng trồng thuốc lá lớn như Cao
Bằng, Lạng Sơn, Khánh Hòa, Tây Ninh… Do có sự truyền đạt kinh nghiệm giữa các
vùng trồng thuốc, giữa tỉnh này và tỉnh khác… nên các mẫu lò sấy thuốc lá được cải tiến
một cách chậm chạp và thiếu căn cứ khoa học
Bầu lò đốt và hệ thống trao đổi nhiệt


10

-

-

-

Ghi lò: Được chọn tùy tiện thường thích hợp với đốt củi, than cám bánh, và nắm loại
ghi này không phù hợp nên lượng than lọt ghi nhiều và tro xỉ thường phải dùng trộn
lại với than cám mới để tiếp tục đốt
Bầu lò: Thường xây bằng gạch kiểu vòng, có nơi lót một vòm thép lấy từ vỏ thùng
phuy làm tấm đỡ xây vòm, trên vòm trát đất làm rất dày hoặc xây vài lớp gạch để
giảm nhiệt độ mặt trên bầu lò nhằm chóng chay các lá thuốc rơi dễ gây hỏa hoạn cho
lò sấy
Hệ thống trao đổi nhiệt: Được bố trí ngay trong buồng sấy có nhiệm vụ nung nóng
không khí để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất làm khô thuốc sấy. Hệ
thống ống này đã từng được làm bằng đất, bằng gạch, cho đến những năm gần đây
mới được làm bằng thép, nó được bố trí thành 3; 5 đường ống nằm dọc theo chiều dài
buồng sấy với mong muốn đạt được sự phân bố nhiệt tương đối đồng đều trong buồng
sấy. Với phương thức trao đổi nhiệt đơn giản này rất khó đạt được nhiệt độ tương đối
đồng đều làm giảm chất lượng thuốc lá sấy khi ra lò.

Kết cấu buồng sấy.
Buồng sấy của đa số lò sấy thủ công thường mới đạt được yêu cầu tạo không gian
kín để chứa lượng thuốc lá đem vào sấy, còn những yêu cầu vì chỉ tiêu nhiên liệu, quy
trình công nghệ sấy, chất lượng thuốc… đều trông cậy vào kinh nghiệm của các thợ đốt

Hệ cửa hút và cửa thoát buồng sấy. Sấy làm quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi
ẩm, cần môi chất thực hiện hai nhiệm vụ này. Hệ cửa hút và cửa thoát của các lò sấy thủ
công được kết cấu với bố trí hoàn toàn theo kinh nghiệm dân gian thiếu hẳn những cơ sở
khoa học để phát huy hết hiệu quả của nó trong một mô hình sản xuất thô sơ đơn giản
3.3.

Tính toán nhiệt cho lò sấy thuốc lá
Cơ sở lý thuyết
Tính nhiệt thu: Qc = B Qtd │W│
Tính nhiệt chi. Nhiệt lượng dùng cho việc bay hơi ẩm của lá thuốc Q1, lượng
nhiệt tổn thất do không khí thoát ra khỏi buồng sấy (giai đoạn 1 không tính thay vào đó
tính lượng nhiệt nâng nhiệt độ khối không khí) Q2, lượng nhiệt để gia nhiệt vật liệu sấy
(chỉ tính giai đoạn đầu) Qvl, lượng nhiệt mất qua vách Q3, nền trần Q4, lượng nhiệt tích
lũy qua vách và nền Q5, lượng nhiệt do sản phẩm cháy mang ra Q6, lượng nhiệt do cháy
không hoàn toàn hóa học Q7 và cơ học Q8
Phương trình cân bằng nhiệt viết như sau:


11

Qc = Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8+Qvl

Các nghiên cứu cần thiết đối với lò sấy thuốc lá
Cơ sở nghiên cứu
Qua việc phân tích chi phí nhiệt trong lò sấy thuốc lá nhận thấy rằng bộ trao đổi
nhiệt đống vài trò quan trọng trong quá trình cung cấp nhiệt trong buồng sấy, trong đó lò
đốt đóng vài trò làm tăng hiệu suất cháy của nhiên liệu đồng thời làm tăng độ đồng đều
nhiệt độ trong buồng sấy. Nên trong quá trình nghiên cứu thiết kệ bộ phận trao đổi nhiệt
cần chú trọng đến việc nghiên cứu thiết kế buồng đốt
3.4.

Để lò sấy hoạt động yêu cầu theo nhiệt độ sấy lớn nhất phải tính kết cấu bộ trao
đổi nhiệt theo lượng chi phí nhiên liệu riêng lớn nhất, ứng với nhiệt độ buồng sấy lớn
nhất tmax = 65 oC
Chi phí nhiên liệu được tính toán là: Bmax = 6.103 kg/s


12

Nghiên cứu mô hình buồng đốt
Với mục đích điều khiển được nhiệt độ theo qui trình sấy, giảm chi phí nhiên liệu,
tăng độ đồng đều nhiệt độ trong buồng sấy nhằm nâng cao chất lượng thuốc lá sấy đồng
thời tránh gây hỏa hoạn. Xuất phát từ những yêu cầu trên, mô hình buồng đốt mới được
nghiên cứu như sau:
Để khác phục được những nhược điểm của buồng đốt bằng gạch chịu lửa, cần
nghiên cứu mô hình buồng đốt mới bằng thép, do thép có đặc điểu không nứt trong quá
trình sấy kéo dài nên tránh được gây hỏa hoạn, mặt khác hệ số dẫn nhiệt của thép cao hơn
nên nhiệt lượng tỏa ra xung quanh buồn đốt lớn, buồng đốt được đặt nằm trong buồng
sấy. Do đó buồng đốt còn có thêm chức năng là bộ phận trao đổi nhiệt. Cần thiết kế thêm
một lớp thép bao xung quanh buồng đốt, tạo khoảng rỗng giữa 2 lớp, thiết kế 2 đường
ống dẫn khí đi ngoài vào lớp rỗng và 4 đường ống dẫn khí đã nhận nhiệt từ lớp rỗng đi
vào các góc buồng sấy
Nghiên cứu mô hình đường ống dẫn nhiệt
Tính toán thiết kệ bộ trao đổi nhiệt sao cho lượng nhiệt tỏa ra xung quanh lò đốt và
các đường ống dẫn nhiệt phải lớn hơn lượng nhiệt hữu ích bay hơi nước, không khí thoát,
mất qua vách, qua nên và lượng nhiệt do tích lũy thiết bị nghĩa là Qt > Q1+Q2+Q3+Q4
+Q5


13

Lượng nhiệt do bộ phận trao đổi nhiệt cung cấp gồm các phần như sau:
Nhiệt lượng do buồng đốt cung cấp Q’1, Nhiệt lượng do ống đải hỏa cấp Q’2,
Nhiệt lượng do bộp phận ống phân hỏa cung cấp Q’3
Vậy Q’ = Q’1 + Q’2 + Q’3 = 87.002 W
Lượng nhiệt tỏa ra xung quanh buồng đốt
Q’1 = 31910 W
Tính toán lượng nhiệt tỏa ra trên ống đại hỏa
Q’2 = K1.∆T1. F1 = 21.117 W
Do đó Q’3 = Q’ – (Q’1 + Q’2) = 33.975 W
Mặt khác Q’3 = q3. L.│W│
L= Q’3/q3 = 19.5 m


14

Nghiên cứu về trường ẩm
Bố trí sắp xếp lá thuốc
Những lá xanh thì cần có độ ẩm để thực hiện chuyển hóa từ sáng sang vàng. Sau
khi hái hàm lượng nước trong lá khoảng 80 – 90% và nó có thể tiếp tục trao đổi chất
trong vòng 2 – 3 ngày, đặc trưng của quá trình này là phân giải. Ẩm độ cao của lá, khi
sấy là điều kiện cần thiết cho quá trình linzim hóa xảy ra, quá trình này quyết định những
thay đổi trong lá thuốc. Sau khi đã đạt được các thay đổi của lá thuốc theo yêu cầu thì cần
làm mất nước nhanh
Ẩm độ qua các giai đoạn
Giai đoạn 1: nhiệt độ buồng sấy từ 32 oC đến 38oC, các cửa buồng sấy đóng. Ẩm
độ tầng dưới 85%, tầng trên 90%
Giai đoạn 2: nhiệt độ buồng sấy từ 39 – 52 oC, các cửa buồng sấy bắt đầu mở, ẩm
độ tầng dưới 65%, tầng trên 85%
Giai đoạn 3: nhiệt độ buồng sấy từ 53 oC đến 65 oC, sự khô dần của các lá thuốc ở
tầng dưới lên tầng trên theo kiểu cuốn chiếu, đồng thời ẩm độ của tác nhân sấy cũng giảm
dần. Ẩm độ tầng dưới 50 và ở tầng trên 65%. Cuối giai đoạn 3 ẩm độ tầng dưới và tầng
trên bằng nhau
Kết luận: Từ việc nhiên cứu trường nhiệt, ẩm và tốc độ đưa ra mô hình lò sấy
thuốc lá đối lưu tự nhiên có chế độ sấy hợp lý.
3.5.

Mô hình buồng đốt bằng thép 2 lớp với 4 ống tỏa nhiệt phụ góp phần vào việc
đồng đều nhiệt độ.
Chọn được dạng bộ trao đổi nhiệt hợp lý
Xác định lượng nhiệt qua từng loại vách nghiên cứu
4. Nghiên cứu thực nhiệm
4.1. Động học sấy thuốc lá


15

Qua thực nghiệm đo đạc và xây dựng được đồ thị đường cong sấy, đường nhiệt độ
và đường cong tốc độ sấy thực tế làm cơ sở cho việc điều chỉnh cửa hút và cửa thoát hợp

4.2. Nhiên liệu
4.2.1. Chi phí nhiệt qua các loại vách
Khảo nghiệm thực tế trên 5 loại vách: tole + trấu, gạch, đất + rơm, fibroximen và
các tông; phân tích hiệu quả kinh tế để chọn vách lò sấy tiết kiệm nhất
4.2.2. Xác định tiết diện sống thích hợp của ghi
Thí nghiệm được bố trí trên 5 ghi lò có tiết diện sống: 20%, 25%, 40%, 35%, 40%.
Nhằm xác định lượng tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất cháy để chọn được các loại ghi thích
hợp đốt than cám định hình

4.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần phối trộn trong than cám định
hình đến hiệu suất cháy
Phát biểu bài toán: Hiệu suất cháy của than cám định hình phụ thuộc nhiều yếu tố.
Nhưng trong nghiên cứu chỉ đề cập đến các yếu tố thật sự ảnh hưởng trực tiếp: là đại
lượng điều khiển được; và đại lượng đo được như sau: khối lượng viên than, tỷ lệ trấu
trộn; tỷ lệ chất kết dính (đất sét)
Phương trình nghiên cứu: Y1 = f(X1, X2, X2)
Sau khi xử lý kết quả thực nghiệm, phương trình hồi quy ở dạng thực xác định
được như sau
Y1 = -52,04 + 237,71X1 +10,04X2 + 6.32X3 – 172,8X12 – 1,04X22 – 0,33 X32
Hàm đạt cực đại tại X1 = 0,7; X2 = 5; X3 = 10


16

Vậy để hiệu suất cháy cao nhất thì khối lượng viên than là 0,7 kg, trấu trộn là 5%,
thành phần đất sét trộn 10%
4.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến chi phí nhiên liệu
Phát biển bài toán sau: Chi phí nhiên liệu phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong nghiên
cứu chỉ đề cập các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp và điều khiển được như sau: tiết diện sống
của ghi, diện tích cửa gió thứ cấp, thể tích buồn đốt và chiều cao ông khói
Phương trình nghiên cứu: Y2 = f(X1,X2,X3,X4)
Sau khi xử lý kết quả thực nghiệm, phương trình hồi quy ở dạng thực được xác
định như sau:
Y2 = 581,39 – 9,33X1 – 0,11 X2 – 1,45X3 – 67,77X4 +0,16 X12 + 0,0002 X22 +
0,0016X32 + 13,36 X42
Hàm đạt cực tiểu tại: X1=30, X2 = 300, X3 = 450, X4 = 2,5
Vậy để chi phí nhiên liệu nhỏ nhất thì tết diện sống của ghi là 30%, diện tích cửa
gió thứ cấp là 300 cm2, thể tích buồng đốt là 450 dm3, chiều cao ống khói là 2,5m
4.3. Trường nhiệt độ và tốc độ
4.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến độ đồng đều nhiệt độ
Phát biển bài toán: Độ đồng đều nhiệt độ phụ thuộc nhiều yếu tố. Nhưng trong
nghiên cứu chỉ đề cập đến các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nghiên cứu; là địa
diện điều khiển được và là đại lượng đo được như sau: Diện tích cửa hút và cửa thoát;
chiều cao từ cửa hút đến cửa thoát; số tầng thuốc lá trong buồng sấy; số lượng cửa hút và
cửa thoát
Phương trình nghiên cứu Y3 = f(X1,X2,X3,X4)
Sau khi xử lý kết quả thực nhiệm, phương trình hồi quy ở dạng thực được xác định
như sau:
Y3 = -1917,29 + 193,52X1 + 820,83 X2 + 40,89 X2 + 16,69 X4 – 96,93 X12 –
97,46 X22 – 4,03X32 – 0.82 X42
Hàm cực đại tại X1 =1, X2 = 4,2; X3 = 5; X4 = 10
Vậy để đồng đều nhiệt độ cao nhất thì diện tích cửa hút (cửa thoát) là 1m2; chiều
cao từ cửa hút đến cửa thoát là 4,2 m; số tầng thuốc lá trong buồng sấy là 5 và số lượng
cửa hút (cửa thoát) là 10
4.3.2. Nhiệt độ trong buồng sấy


17

Nhiệt kế dùng để đo nhiệt độ trong lò sấy được bố trí thành 3 tầng, tầng 1 nằm ở
lớp thuốc lá dưới, tầng 2 nằm ở lớp thuốc lá giữa và tầng 3 nằm ở lớp thuốc lá trên cùng,
mỗi tầng có 5 đầu đo để đo 5 vị trí theo mặt phẳng nằm ngang
Kết quả về độ đồng đều nhiệt độ trong buồng sấy
Từ kết quả thít nghiệm và phân tích bằng phương pháp thống kê để so sánh độ
đồng đều nhiệt độ các tầng trong buồng sấy của từng loại bộ trao đổi nhiệt ở các giai
đoạn. Bộ trao đổi nhiệt nghiên cứu có độ đồng đều nhiệt độ lớn nhất
4.3.3. Vận tốc không khí vào buồng sấy
Thực nghiệm đo đạc vận tốc không khí vào cửa hút và ra cửa thoát buồng sấy
bằng dụng cụ đo vận tốc gió, có kết quả vận tốc không khí vào cửa hút và cửa thoát, tiến
hành xử lý số liệu
Kết quả về độ đồng đều vận tốc vào buồng sấy
Từ kết quả thí nghiệm và phân tích bằng phương pháp thống kê để so sánh độ
đồng đều nhiệt độ các tầng trong buồng sấy của từng loại bộ trao đổi nhiệt ở các giai
đoạn. Bộ trao đổi nhiệt nghiên cứu có độ đồng đều nhiệt độ lớn nhất
4.3.4. Xác định diện tích rỗng lớp thuốc khi sấy
Để xác định vận tốc tác nhân sấy hợp lý, yếu tố ảnh hưởng quang trọng nhất là
diện tích rỗng của lớp thuốc lá trong lò sấy


18

Diện tích rỗng của lớp thuốc lá phụ thuộc vào kích thước lá thuốc, vị trí lá thuốc
trên cây, giống thuốc, chế độ canh tác, các sắp xếp các ghim thuốc và giai đoạn nhiệt độ
buồng sấy. Qua thực nghiệm đo đạc xác định được diện tích rỗng của lớp lá thuốc (giống
Coker -176, công thức bón phân 80N – 120 P2O5 – 160 K2O: phổ biến nhất hiện nay tại
Việt Nam) trong lò sấy được trình bày trên bảng 4
4.4 Trường ẩm
Trên hình 6 trình bày ẩm độ tác nhân của 3 tầng lá thuốc trong buồng sấy. Trong
30 giờ đầu, ẩm độ của 3 tầng bằng nhau (88%), sau khoảng thời gian 35 giờ, ẩm độ tầng
dưới (C) bắt đầu giảm xuống 65%, còn tầng A và B có giảm nhưng rất ít (2% - 3%); sau
khoảng thời gian 55 giờ ẩm độ tầng B giảm xuống 65%, tầng A có giảm ít hơn. Sau
khoảng thời gian 90 giờ thì ẩm độ của tác nhân trong buồng sấy tương đối giống nhau.
Do đó lúc này lượng nước trong thuốc lá còn rất ít chỉ còn trong phần cuốn lá và
dưới dạng keo nên rất khó thoát ra

Quan hệ trường ẩm và trường nhiệt
Qua thực nghiệm xây dựng đồ thị quan hệ giữa trường ẩm và trường nhiệt của 3
tầng từ đó xác định được phương trình quan hệ : (Y trường ẩm, X trường nhiệt)
Tầng A: YA = 520,33 – 14,5 XA + 0,11 X 2A
Tầng B: YB = 231,35 – 4,07 XB + 0,02 X 2B
Tầng C: YC = 92,71 + 0,19 Xc – 0,01X2c


19

Kết luận: Qua nghiên cứu thực nghiệm có được một số kết quả:
Xác định quy trình điều chỉnh cửa hút cửa thoát theo quy trình sấy hợp lý
Lò đốt có thể tích buồng đốt 450 dm3, diện tích cửa gió thức cấp 300cm2, tiết diện
sống của ghi là 30%, bộ ống trao đổi nhiệt hợp lý cho lò sấy thuốc lá thủ công 3,5 tấn/mẻ
(5x6m2) có chiều cao ống khói 2,5m. Bộ trao đổi nhiệt đảm bảo độ đồng đều nhiệt độ và
vận tốc không khí váo buồn sấy cao dẫn đến chất lượng thuốc sau sấy đạt tỷ lệ loại 1 và 2
cao
Buồng sấy có diện tích cửa hút 1m2, số cửa hút 10, chiều cao cửa hút đến cửa
thoáng 4,2m, số tầng lá thuốc trong buồng sấy 5
Khối lượng của viên than 0,7kg và thành phần phối trộn của than cám 5 -6 là 5%
trấu, 10% đất sét để có được hiệu suất cháy cao
Từ kết quả thực nghiệm, phối hợp trên mô hình tổng thể, với các số liệu thực
nghiệm cung cấp đầy đủ cho chúng ta các thông số kỹ thuật cần thiết hợp lý để xay dựng
được mô hình lò sấy thuốc lá đối lưu tự nhiên thích hợp với quy mô sơ chế thuốc lá Việt
Nam
5. KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
5.1. Phương trình chi phí nghiên liệu

5.2.

Vận tốc không khí qua lớp liệu và xác lập phương trình vận tốc


20

Lượng không khí vào buồng sấy có ảnh hưởng rất lớn tới vấn đề thoát ẩm của lá
thuốc, chất lượng của lá thuốc. Lượng không khí vào buồng sấy phụ thuộc vào diện tích
cửa hút và cửa thoát ẩm, độ cao của cửa hút và cửa thoát, trở lực của lá thuốc trong
buồng sấy, sự chênh lệch nhiệt độ của trong buồng sấy với môi trường, và phương trình
tính toán vận tốc qua lớp liệu được xây dựng như sau:

Vận tốc không khí sấy.

ωlo Vận tốc không khí qua lớp thuốc lá ở điều kiện chuẩn được tính toán theo công thức
thực nghiệm ωlo = 0,13 – 0,22 n.m/s
Vận tốc không khí vào cửa ở nhiệt độ môi trường 300oK là

ωk = 1,06 – 1,78 m/s
Kết quả kiểm chứng trên phù hợp với lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ công thức thực
nghiệm trên dùng được cho lò sấy thuốc lá 5x6m2 (3,5 tấn/mẻ)
5.3.

Chi phí nhiên liệu


21

Trên cơ sở các tính toán, lập bảng so sánh chi phí năng lượng trên 1kg thuốc khô
của các lò sấy khi sử dụng bộ TĐN khác nhau (bảng 5): từ kết quả trên tính toán hiệu suất
nhiệt của các mẫu lò sấy thuốc lá:
Bảng 6: So sánh hiệu suất nhiệt

5.4.
bảng 7

Kết quả về tỷ lệ thành phẩm của thuốc lá sấy
Kết quả thí nghiệm thu được thành phần tỷ lệ từng loại thuốc lá sau khi sấy qua


22

Đối với bộ trao đổi nhiệt loại 1 thì thành phần thuốc sấy đạt được loại 1 và 2 cao
nhất và có giá trị trung bình là: loại 1 là 40% và loại 2 là 33%
Đối với bộ trao đổi nhiệt loại 2 thì thành phần thuốc sấy đạt tỷ lệ loại 1 là 32% và
loại 2 là 28%
Đối với bộ trao đổi nhiệt loại 3 thì thành phần thuốc sấy đạt tỷ lệ loại 1 là 27% và
loại 2 đạt 24%
Đối với bộ trao đổi nhiệt loại 4 thì thành phần thuốc sấy đạt tỷ lệ loại 1 là 30% và
loại 2 đạt 23%
5.5 Tính khả thi của luận án


23

KẾT LUẬN
Việc trồng trọt và sấy thuốc lá ở nước ta đã có từ lâu nhưng hầu như chưa có một
nghiên cứu nào đi sâu về kết cấu và tính toán chi tiết về lò đốt, bộ trao đổi nhiệt, tổn thất
nhiệt, thông gió, thoát ẩm… cho các thiết bị lò sấy để đáp ứng được lá thuốc khô có chất
lượng cao và chi phí sấy thấp
Qua một thời gian dài nghiên cứu trường ẩm, trường nhiệt độ và trường tốc độ trên
cơ sở một mô hình lò sấy hợp lý để xác định chế độ đối lưu thích hợp đã rút ra được một
số vấn đề sau:
Chọn và đưa ra một cơ sở lò cố định có công suất phù hợp với hiện trạng trồng,
thu hoạch và chế biến của các Trạm nguyên liệu thuốc lá của Tổng công ty thuốc lá Việt
Nam
Nghiên cứu xác lập được mô hình buồn sấy có: Chiều rộng B = 5m, chiều dài L =
6m, Chiều cao Hmax = 5,5m ; Hmin = 5m. Số lượng cửa hút và cửa thoát là 10 cửa, diện
tích cửa hút (cửa thoát) 1m2, độ cao giữa cửa hút và cửa thoát là 4,2 m; số tầng thuốc lá là
5
Chọn được mô hình buồng đốt bằng thép 2 lớp và bộ trao đổi nhiệt có độ đồng đều
nhiệt độ cao, chi phí nhiên liệu thấp và chất lượng thuốc lá cao
Thay thế được lượng củi tiêu thụ 85% bằng than cám định hình, góp phần làm
giảm nạn phá rừng
Đạt được hiệu suất nhiệt 14,88% là cao trong phạm vi lò sấy đối lưu tự nhiên, gián
tiếp dùng nhiên liệu than cám
Nghiên cứu tìm ra các hệ số cho phương trình tính vận tốc dòng khí đi qua lớp liệu
trong lò sấy thuốc lá như sau:


24

Vận tốc không khí đi vào buồng sấy để có chất lượng thuốc lá sau khi sấy cao là
1,06 m/s đến 1,78 m/s
Nghiên cứu tìm ra các hệ số cho phương trình tính chi phí nhiên liệu riêng của bộ
trao đổi nhiệt lò sấy thuốc lá theo các giai đoạn sấy

Đưa ra cách bố trí là thuốc trong lò sấy hợp với điều kiện biến đổi sinh hóa, bốc
ẩm và đạt chất lượng cao
Phân tích và tính toán tổn thất nhiệt, cũng như hiệu quả kinh tế của các loại vách
lò sấy, để đưa ra một loại vách thích hợp có khả năng cách nhiệt tốt, góp phần đạt hiệu
quả kinh tế cao
Việc nghiên cứu một lò sấy thuốc lá có chi phí thấp và phẩm chất thuốc lá cao
nhất, là một điều hết sức quan trọng trong nên kinh tế thị trường hiện nay ở nước ta, góp
phần thúc đẩy ngành công nghiệp thuốc lá đặc biệt ở khâu sơ chế nguyên liệu của các địa
phương có bước đi vững chắc và tăng thu nhập cho nông dân trồng thuốc lá


25

Mục lục
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................1
MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN ÁN ............................................................................................................1
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................................................................................................1
NỘI DUNG LUẬN ÁN .....................................................................................................................2
1.

TỔNG QUAN ............................................................................................................................3
1.1

Tình hình sản xuất thuốc lá trên thế giới và Việt Nam .......................................................3

1.2

Tổng quan về lý thuyết sấy .................................................................................................3

2. SỰ BIẾN ĐỔI SINH HÓA CỦA LÁ THUỐC KHI SẤY KHÔ .....................................................3
2.1 Cơ sở của quá trình sấy thuốc lá ..............................................................................................3
2.2 Quy trình sấy: Được tóm tắt theo bảng 1 .................................................................................3
3. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT .......................................................................................................4
3.1 Cơ sở phương phá xây dựng mô hình nghiên cứu lò sấy thuốc lá đối lưu tự nhiên...................4
3.2 Các tồn tại của một số mẫu lò sấy thuốc lá...............................................................................9

4.

3.3.

Tính toán nhiệt cho lò sấy thuốc lá ................................................................................... 10

3.4.

Các nghiên cứu cần thiết đối với lò sấy thuốc lá ............................................................... 11

3.5.

Nghiên cứu về trường ẩm ................................................................................................. 14

Nghiên cứu thực nhiệm............................................................................................................ 14
4.1. Động học sấy thuốc lá ........................................................................................................... 14
4.2. Nhiên liệu ............................................................................................................................. 15
4.2.1. Chi phí nhiệt qua các loại vách ....................................................................................... 15
4.2.2. Xác định tiết diện sống thích hợp của ghi ....................................................................... 15
4.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần phối trộn trong than cám định hình đến hiệu
suất cháy ................................................................................................................................. 15
4.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến chi phí nhiên liệu ....................................... 16
4.3.

Trường nhiệt độ và tốc độ ................................................................................................ 16

4.3.1.

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến độ đồng đều nhiệt độ ........................... 16

4.3.2.

Nhiệt độ trong buồng sấy .......................................................................................... 16

4.3.3.

Vận tốc không khí vào buồng sấy.............................................................................. 17

4.3.4.

Xác định diện tích rỗng lớp thuốc khi sấy ................................................................. 17

4.4 Trường ẩm ............................................................................................................................ 18
5.

KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU............................................................................. 19


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×