1 BỘ CÔNG THƯƠNG Tổng công ty máy Động lực và máy Nông nghiệp VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2009 ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc làm lạnh bằng nitơ lỏng năng suất 100-200 kg/h.” Mã Số: 172.09 RD/HĐ-KHCN Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương Đơn vị chủ trì: Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp Chủ nhiệm đề tài: Ks. Nguyễn Quốc Vũ 7728 27/02/2010 Hà nội, tháng 12 năm 2009 2 BỘ CÔNG THƯƠNG Tổng công ty máy Động lực và máy Nông nghiệp VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2009 ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc làm lạnh bằng nitơ lỏng năng suất 100-200 kg/h.” Mã Số: 172.09 RD/HĐ-KHCN ĐƠN VỊ CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI VIỆN NC TK CT MÁY NÔNG NGHIỆP Nguyễn Quốc Vũ Hà nội, tháng 12 năm 2009 3 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH TT Họ và Tên Học hàm học vị chuyên môn Chức vụ Cơ quan 1 Nguyễn Quốc Vũ Kỹ sư Trưởng phòng nghiên cứu 2 Viện NCTKCT máy NN 2 Vũ văn Dương Kỹ sư -nt- 3 Nguyễn Tường Vân Tiến Sĩ Viện Trưởng -nt- 4 MỤC LỤC BÁO CÁO 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH 5 1.1 Các phương pháp nghiền vật liệu dạng hạt và những yếu tố ảnh hưởng 6 1.2 Máy nghiền mịn ngũ cốc 9 1.2.1 Rotor máy nghiền bằng phương pháp va đập 11 1.2.2 Stator máy nghiền bằng phương pháp va đập 12 1.2.3 Thiết bị nghiền mịn kết hợp phân ly khí động 13 2 THIẾT KẾ MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H 15 2.1 Thiết kế cụm chi tiết nghiền mịn ngũ cốc 16 2.2 Thiết kế cụm chi tiết cấp nguyên liệu sử dụng nitơ lỏng làm lạnh 17 2.3 Thiết kế cụm chi tiết phân ly 20 3 CHẾ TẠO MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H 22 4 KHẢO NGHIỆM MÁY NGHIỀN MỊN SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H 26 4.1 Mục đích khảo nghiệm: 26 4.2 Dụng cụ, thiết bị đo đạc dùng trong khảo nghiệm 26 4.3 Phương pháp tiến hành khảo nghiệm: 26 4.4 Kết quả khảo nghiệm: 28 5  KẾTLUẬNVÀKIẾNNGHỊ 34 5 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH Trong hầu hết các ngành công nghiệp chế biến, nguyên công nghiền nhỏ nguyên liệu, vật liệu dạng hạt đến kích thước phù hợp được sử dụng nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ, đáp ứng yêu cầu chất lượng sản phẩm. Bản chất của quá trình nghiền vật liệu này là làm nhỏ kích thước vật liệu, nhờ đó làm thay đổi một số tính chất vật lý của vậ t liệu để phù hợp cho các công đoạn chế biến tiếp theo hoặc phù hợp với yêu cầu chất lượng của sản phẩm. Những tính chất vật lý được thay đổi có thể kể đến như làm tăng diện tích tiếp xúc của vật liệu; thay đổi khối lượng riêng của vật liệu; thay đổi khả năng hòa tan, khả năng tạo huyền phù của vật liệu trong dung dịch; thay đổi các tính chất dẫn nhiệt, dẫn điện của vật liệu… Trong công nghiệp chế biến thực phẩm, nghiền các nguyên liệu, sản phẩm ngũ cốc (với thành phần chủ yếu từ tinh bột, đường, protein, chất béo/dầu,…) cũng được sử dụng nhằm đạt được sự thay đổi về các tính chất vật lý kể trên để phù hợp với các nguyên công chế biế n như tạo được độ đồng đều trong phối trộn/ nhào trộn các nguyên liệu, tăng (thay đổi) khả năng trương nở/ ngậm nước, khả năng tạo huyền phù trong hỗn dịch… Việc nghiền mịn các hạt ngũ cốc có chứa protein và chất béo với hàm lượng cao thường gặp một số trở ngại nhất định. Trong quá trình nghiền, đặc biệt với yêu cầu về độ mịn sau nghiền cao, nhiệt độ của vật liệu nghiền tăng cao, dẫn đến vật liệu trở nên dẻo, bết dính, điều này gây cản trở quá trình nghiền, thậm chí dẫn đến quá trình nghiền không thể thực hiện được. Nhiệt độ của các hạt ngũ cốc trong quá trình nghiền cao cũng có thể gây biến đổi các tính chất hóa học như xảy ra sự oxy hóa, biến đổi các tính chất củ a thành phần protein, chất béo… Giải pháp được đưa ra là lựa chọn phương pháp nghiền, thiết bị nghiền phù hợp (ít làm tăng nhiệt độ của vật liệu trong quá trình nghiền) kết hợp với việc làm nguội/ làm làm lạnh vật liệu trong quá trình nghiền. Tác nhân làm lạnh vật liệu trong quá trình nghiền thường được sử dụng là nitơ lỏng với ưu điểm có nhiệt độ hóa lỏng thấp 6 (- 196 0 C), khả năng dễ điều khiển nhiệt độ vật liệu, cũng như hạn chế được khả năng oxy hóa vật liệu nghiền, khả năng cháy nổ trong quá trình nghiền. Nhóm thực hiện đề tài sẽ tập trung nghiên cứu lựa chọn phương pháp nghiền, thiết bị nghiền phù hợp có sử dụng nitơ lỏng làm lạnh vật liệu nghiền cho ứng dụng nghiề n các sản phẩm ngũ cốc có chứa hàm lượng protein, chất béo cao như đậu tương, ngô… 1.1 Các phương pháp nghiền vật liệu dạng hạt và những yếu tố ảnh hưởng Dưới tác dụng cơ học, vật liệu được tác động đến một lực vượt quá ngưỡng biến dạng đàn hồi và bị phân tách để có kích thước nhỏ hơn. Việc nghiền nhỏ vật li ệu dạng hạt nhờ lực cơ học được phân loại theo các phương pháp (1): a- Phương pháp ép, miết (hình 1-a, 1-c), dưới tác dụng của lực ép, miết hay kết hợp cả hai, vật liệu ở hai mặt ép bị phân tách, vỡ ra thành các hạt có kích thước nhỏ hơn; b- Phương pháp cắt nhỏ vật liệu thông qua dao cắt (hình 1-b); c- Phương pháp mài tách lớp (hình 1-f); d- Phương pháp va đập (hình 1-d, 1-e), vật liệu được cung c ấp động năng lớn va đập với nhau hoặc với bề mặt cứng và vỡ thành những mảnh có kích thước nhỏ hơn. Các thiết bị nghiền sử dụng các phương pháp nghiền kể trên một cách Hình 1: Phương pháp nghiền vật liệu dạng hạt dưới tác dụng cơ học 7 riêng biệt hoặc/ và thường được sử dụng kết hợp hai hoặc nhiều phương phương pháp nghiền. Việc lựa chọn phương pháp nghiền, thiết bị nghiền tương ứng dựa trên tính chất của vật liệu được nghiền, yêu cầu năng suất nghiền mức độ nghiền nhỏ cũng như độ đồng đều của vật liệu sau nghiền. Tính ch ất quan trọng của vật liệu nghiền cần được quan tâm trong quá trình lựa chọn phương pháp, thiết bị nghiền có thể kể đến như khả năng nghiền nhỏ của vật liệu ứng với mỗi phương pháp nghiền, độ cứng của vật liệu cần nghiền… Khả năng nghiền nhỏ của vật liệu nghiền được xác định bởi khối lượ ng vật liệu được nghiền trong một đơn vị thời gian để đạt tới độ mịn qua sàng 200 mesh (1). Khả năng nghiền nhỏ của vật liệu nghiền phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu được nghiền. Những tính chất này thể hiện ở độ cứng, độ dẻo, đàn hồi… của vật liệu. Độ cứng của vật liệu nghiền được phân loại theo thang đo độ cứng vật liệu Mohs (Bảng 1). Theo Mohs, độ cứng của vật liệu được chia làm 10 mức. Cho tới mức 3, vật liệu được coi là mềm, từ mức 4 đến mức 6 vật liệu có độ cứng trung bình, và từ mức 7 trở lên ứng với vật liệu cứng. Độ cứng của vật liệu có ảnh hưởng lớn đến lực cơ khí c ần thiết cho việc nghiền cũng như khả năng mài mòn của vật liệu lên các thiết bị nghiền. Như vậy ứng với vật liệu nghiền cần có thiết bị nghiền được thiết kế có khả năng nghiền cũng như khả năng chịu mài mòn trong quá trình nghiền. Nói chung, các nguyên liệu trong sản xuất, chế biến các sản phẩm thực phẩm, các hạt ngũ cốc có đội cứng nằm trong dải thang độ cứng từ 1 đến 3, thuộc dạng vật liệu mềm. Bên cạnh độ cứng của vật liệu nghiền, độ dẻo, đàn hồi của vật liệu cũng ảnh hưởng đến khả năng, năng suất nghiền trên các phương pháp nghiền khác nhau. Vật liệu có độ dẻo, đàn hồi cao thường gây khó khăn cho việc nghiền, nhất là khi có yêu cầu nghiền vật liệu đến độ mịn cao. Việc xác định được độ dẻo, độ đàn hồi của vật liệu nhằm đưa ra lựa chọn phương pháp, thiết bị nghiền phù hợp. Bảng 1: Bảng phân loại độ cứng vật liệu theo Mohs Phân loại độ cứng của vật liệu Thang đo độ cứng theo Mohs Ví dụ 8 Mềm 1 Đá tan Mềm 2 Thạch cao Mềm 3 Canxit Cứng trung bình 4 Fluorit Cứng trung bình 5 Apatit Cứng trung bình 6 Fenspat Cứng 7 Thạch anh Cứng 8 Topaz Cứng 9 Corundum Cứng 10 Kim cương Độ mịn, độ đồng đều về độ mịn của vật liệu sau nghiền cũng là yếu tố cần quan tâm trong lựa chọn phương pháp, thiết bị nghiền. Độ mịn, độ đồng đều về độ mịn của vật liệu sau nghiền được đặt ra theo yêu cầu công nghệ. Tuy nhiên với yêu cầu về độ mịn của vật liệu sau nghiền càng cao, chi phí năng lượng cho nghiền cũng tăng lên nhiều, đồng thời năng suất nghiền của thiết bị giảm đi nhiều lần (Đồ thị 1). Thực nghiệm cho thấy, khi vật liệu được nghiền đến độ mịn nhất định thì khả năng liên kết tạo vón từ những hạt mịn xảy ra, và khả năng này gặp nhiều hơn ở vật liệu mềm hơ n ở vật liệu cứng (1). Khả năng liên kết tạo vón này làm ảnh hưởng đến việc phân ly vật liệu trong và sau quá trình nghiền. Như vậy, theo yêu cầu về độ mịn, độ đồng đều về độ mịn của vật liệu cần có phương pháp phân ly vật liệu trong và sau quá trình nghiền cho phù hợp. Một số yếu tố khác của như nhiệt độ, độ ẩm của vật liệu nghiền cũng có ảnh hưởng đến quá trình nghiền. Trong quá trình nghiền, nhiệt độ của vật liệu nghiền tăng lên, đặc biệt đối với yêu cầu về độ mịn cao sau nghiền. Ở một số vật liệu trong đó có chứa hàm lượng protein, dầu, chất béo cao như đậu tương, ngô, cùng với việc tăng nhiệt độ, tính chất vật lý của vật liệu như độ dẻo, độ đàn hồi cũng thay đổi. Vật liệu trở nên dẻo và đàn hồi hơn cản trở quá trình nghiền, thậm chí làm mất khả năng nghiền của thiết bị. Ngoài ra, việc gia tăng nhiệt độ trong quá trình nghiền có thể làm giảm đáng kể chất lượng của sản phẩm. Để nghiền mịn những vật liệu này cần thiết lựa chọn ph ương pháp, thiết bị nghiền phù hợp nhằm giảm thiểu sự gia tăng nhiệt độ của vật liệu trong quá trình nghiền. Để có thể nghiền mịn được những vật liệu 9 này, việc làm lạnh vật liệu trong quá trình nghiền là cần thiết. Việc làm lạnh vật liệu nghiền ở mức độ nhất định nào đó còn làm vật liệu trở nên giòn hơn, dễ bị phá vỡ hơn, nhờ đó hiệu suất nghiền vật liệu sẽ tăng lên. Đối với nghiền khô các vật liệu dạng hạt, tác nhân làm lạnh nitơ thường được sử dụ ng bởi ưu điểm dễ điều khiển quá trình làm lạnh vật liệu, và hơn nữa sự có mặt của nitơ cũng góp phần giảm thiểu quá oxy hóa sản phẩm nghiền, khả năng gây cháy nổ, một vấn đề cần quan tâm trong quá trình nghiền. 1.2 Máy nghiền mịn ngũ cốc Các thiết bị nghiền được thiết kế dựa trên các phương pháp nghiền kể trên. Tùy thuộc vào vật liệu nghiền với những tính chất vật lý riêng biệt và theo yêu cầu về độ mịn sau nghiền của vật liệu, năng suất nghiền, người ta lựa chọn loại thiết bị nghiền cho phù hợp (Bảng 2). Các thiết bị nghiền theo phương pháp sử dụng dao cắt (Hình 2) thường được sử Đồ thị 1: Sự thay đổi năng suất, chi phí năng lượng, giá thành nghiền theo yêu cầu độ mịn sau nghiền (1) Hình 2: Thiết bị nghiền cắt 10 dụng trong việc làm nhỏ các vật liệu dạng xơ như thực vật, giấy hay vật liệu nhựa tổng hợp để đạt đến kích thước 1-6 mm. Các thiết bị nghiền dựa trên phương pháp ép thường được sử dụng đối với các loại vật liệu cứng, giòn, dễ bị bẻ vỡ dưới lực ép như một số khoáng sản, than, thủy tinh để đạ t đến kích thước sau nghiền 1-100 mm. Những thiết bị nghiền như nghiền bi, nghiền lô, nghiền trục ép dưới áp suất lớn cho phép nghiền những vật liệu có độ cứng cao, ít dính bết và không bị ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến chất lượng trong quá trình nghiền ví dụ như nghiền xi măng, các loại bột khoáng sản CaCO 3 … Độ mịn của vật liệu sau nghiền có thể đạt tới < 10 µm. Đối với ứng dụng nghiền các hạt ngũ cốc, vật liệu thuộc dạng mềm, vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ trong quá trình nghiền, các kiểu thiết bị nghiền theo phương pháp va đập thường được sử dụng. Đây là kiểu thiết bị nghiền thường được sử d ụng cho nghiền các dạng vật liệu mềm cho đến có độ cứng trung bình. Độ mịn của vật liệu sau nghiền trên các thiết bị này có thể từ vài mm đến rất mịn 10-50 µm tùy thuộc vào kết cấu, tốc độ vòng quay của đĩa nghiền. Các thiết bị nghiền kiểu này thường có kết cấu gồm stator Bảng 2: Bảng lựa chọn kiểu thiết bị nghiền phù hợp theo độ mịn của vật liệu sau nghiền Hình 3: Các dạng roto sử dụng trên thiết bị nghiền theo phương pháp va đập [...]... (nitơ lỏng) ngũ cốc được đưa vào trong quá trình nghiền được sử dụng để có thể nghiền được những loại ngũ cốc có hàm lượng protein, dầu/chất béo cao như đậu tương, ngô… 2 THIẾT KẾ MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100- 200 KG/H Trên cơ sở nghiên cứu về nghiền mịn và thiết bị nghiền mịn như đã nêu ở trên, nhóm thực hiện đề tài thiết kế thiết bị sử dụng cho nghiền mịn ngũ cốc có chứa... bao gồm: a- Thiết kế cụm chi tiết nghiền mịn ngũ cốc: Xác định các yêu cầu kỹ thuật, thông số của thiết bị nghiền ngũ cốc có năng suất tương ứng 100- 200 kg/h; b- Thiết kế cụm chi tiết cấp nguyên liệu sử dụng nitơ lỏng làm lạnh: Xác định các yêu cầu kỹ thuật, thông số phù hợp với thiết bị nghiền ngũ cốc năng suất 100- 200 kg/h; Hình 9: Nguyên lý làm việc của thiết bị nghiền kết hợp phân ly c- Thiết kế cụm... mịn sản phẩm 0,076-0,09 (mm), 78% sản phẩm sau nghiền đạt độ mịn với tốc độ lồng phân ly 3009 vg/ph, trong khi đó con số này là 50,7% với tốc độ lồng phân ly 1880 vg/ph 33 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nhóm thực hiện đề tài đã thực hiện các nội dung đề ra: nghiên cứu tổng quan máy nghiền mịn ngũ cốc sử dụng nitơ lỏng làm lạnh; thiết kế, chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc năng suất 100- 200 kg/h và khảo trên thiết. .. liệu b) Dừng hệ thống nghiền được thiết lập theo thứ tự: Động cơ vít tiếp liệu - Động cơ nghiền - Động cơ quạt hút - Động cơ phân ly 24 Một số hình ảnh của thiết bị được chế tạo: Hình 16: Hệ thống nghiền ngũ cốc kết hợp phân ly 100- 200 kg/h sử dụng nitơ lỏng làm lạnh Hình 18: Lồng phân ly Hình 17: Buồng nghiền 25 4 KHẢO NGHIỆM MÁY NGHIỀN MỊN SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100- 200 KG/H Nhóm thực... phân ly khí động sau lắp ráp cần thiết được cân bằng động Với các yêu cầu về kỹ thuật như đã được nêu ở trên, nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc có sử nitơ lỏng làm lạnh năng suất 100- 200 kg/h Thông số kỹ thuật chính của máy được chế tạo như sau: • Công suất động cơ nghiền: 11 KW; • Công suất động cơ phân ly: 2,2 KW; • Đường kính đĩa nghiền: φ460 mm; • Đường kính lồng... - Thiết bị nghiền theo phương pháp va đập, với các cánh nghiền gắn cố định trên đĩa nghiền, kết cấu máy cho phép một lượng khí lớn được đưa vào để làm mát vật liệu trong quá trình nghiền Với kết cấu như vậy phù hợp với khả năng phối trộn chất làm lạnh (nitơ lỏng) với vật liệu hay dòng khí đưa vào buồng nghiền để làm lạnh vật liệu trong quá trình nghiền, do vậy có khả năng nghiền mịn được các loại ngũ. .. ngũ cốc có chứa hàm lượng protein, chất béo cao; - Kết cấu thiết bị cho phép dễ dàng vệ sinh khi cần thiết, một trong yếu tố quan trọng trong lĩnh vực chế biến thực phẩm Với nhận định như vậy, nhóm thực hiện đề tài sẽ tiến hành thiết kế, chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc theo phương pháp va đập ( trong đó cánh nghiền được gắn cố định trên đĩa nghiền) , kết hợp với phân ly khí động Chất làm lạnh (nitơ lỏng) ... nguyên liệu (ngũ cốc) được làm lạnh cũng được thay đổi tính chất vật lý, ngũ cốc như đậu tương sẽ trở nên giòn và dễ nghiền hơn Kết quả sẽ thu được ngũ cốc dưới dạng bột có độ mịn cao Do vậy, việc sử dụng nitơ lỏng trong quá trình nghiền ngũ cốc có hàm lượng protein, chất béo cao đến độ mịn dưới 250 µm là cần thiết và phù hợp Trong hệ thống nghiền, sử dụng vít cấp vật liệu nghiền cho việc làm lạnh vật... của máy nghiền mịn ngũ cốc, thiết bị làm việc với sản phẩm thực phẩm, các chi tiết, bộ phận tiếp xúc với nguyên liệu/ sản phẩm ngũ cốc trong quá trình làm việc phải được chế tạo từ các vật liệu đảm bảo được yêu cầu vệ sinh thực phẩm như inox, hoặc được mạ crôm, niken Trên máy nghiền mịn ngũ cốc được thiết kế, đĩa nghiền và lồng phân ly có tốc độ vòng quay cao Do vậy các chi tiết, bộ phận của đĩa nghiền, ... hợp với năng suất tương ứng 100- 200 kg/h 2.1 Thiết kế cụm chi tiết nghiền mịn ngũ cốc Do thiết bị được sử dụng trong nghiền mịn ngũ cốc, sản phẩm nằm trong lĩnh vực chế biến thực phẩm, thiết bị phải đáp ứng những yêu cầu về an toàn thực phẩm Cụ thể thiết bị phải đáp ứng những yêu cầu sau: a- Vật liệu được sử dụng trong chế tạo thiết bị, đặc biệt tại những nơi tiếp xúc trực tiếp với vật liệu nghiền phải . nghiền mịn ngũ cốc 16 2.2 Thiết kế cụm chi tiết cấp nguyên liệu sử dụng nitơ lỏng làm lạnh 17 2.3 Thiết kế cụm chi tiết phân ly 20 3 CHẾ TẠO MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH. nghiền bằng phương pháp va đập 12 1.2.3 Thiết bị nghiền mịn kết hợp phân ly khí động 13 2 THIẾT KẾ MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H 15 2.1 Thiết kế. 2 THIẾT KẾ MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H Trên cơ sở nghiên cứu về nghiền mịn và thiết bị nghiền mịn như đã nêu ở trên, nhóm thực hiện đề tài thiết