Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy rang cà phê tự động - SV Bùi Thanh Xuân

Toàn văn đồ án thiết kế chế tạo máy rang cà phê tự động, bao gồm bản vẽ, cơ sở lý thuyết, tính toán kết cấu và quy trình thi công chi tiết.

• Tác giả: Bùi Thanh Xuân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Nhanh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Máy Rang Cà Phê Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Tổng Quan Về Máy Rang Cà Phê Tự Động

Máy rang cà phê tự động là một thiết bị quan trọng trong ngành chế biến cà phê hiện đại. Đồ án thiết kế này tập trung vào việc chế tạo máy rang cà phê với công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm cà phê. Máy rang đóng vai trò quyết định trong quá trình biến đổi hạt cà phê xanh thành cà phê rang chín, giúp phát triển hương vị và đặc tính của cà phê. Công nghệ rang cà phê tự động giúp kiểm soát nhiệt độ, thời gian và tốc độ quay một cách chính xác, đảm bảo tính nhất quán của sản phẩm. Đây là giải pháp hiệu quả cho các cơ sở chế biến cà phê từ nhỏ đến vừa, giúp tối ưu hóa năng suất và chất lượng.

1.1. Các Loại Máy Rang Cà Phê Phổ Biến

Hiện nay, máy rang cà phê được phân loại thành nhiều dạng khác nhau. Máy rang kiểu cổ điển sử dụng lồng trống và nhiệt trực tiếp từ lửa. Máy rang truyền nhiệt gián tiếp hoạt động bằng cách truyền nhiệt qua thành trống. Máy rang Fluid-bed sử dụng dòng khí nóng tốc độ cao để làm nổi hạt cà phê. Máy rang recirculation tái sử dụng dòng nhiệt thu hồi, giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

1.2. Ứng Dụng Công Nghệ Rang Cà Phê Hiện Đại

Công nghệ rang cà phê hiện đại cho phép kiểm soát chính xác các thông số kỹ thuật. Quá trình rang cà phê được chia thành nhiều giai đoạn, từ khô hóa ban đầu đến phát triển màu sắc và hương vị. Mỗi giai đoạn có vai trò quan trọng trong việc hình thành các hợp chất hóa học tạo nên đặc trưng hương vị độc đáo của cà phê rang.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Và Thiết Kế Kỹ Thuật

Đồ án thiết kế máy rang cà phê tự động dựa trên các nguyên lý cơ học và nhiệt học tiên tiến. Hệ dẫn động của máy rang được thiết kế để đảm bảo quay ổn định, tránh tạo ra các điểm nóng cục bộ. Thiết kế máy rang cà phê bao gồm các thành phần chính như động cơ giảm tốc, trục chính, lồng trống hai lớp, và hệ thống điều khiển nhiệt độ. Việc tính toán lực kéo, chọn động cơ phù hợp và thiết kế trục là những yếu tố then chốt. Vật liệu sử dụng phải chịu được nhiệt độ cao và không ảnh hưởng đến chất lượng cà phê.

2.1. Sơ Đồ Hệ Dẫn Động Và Thông Số Kỹ Thuật

Sơ đồ dẫn động của máy rang cà phê sử dụng động cơ giảm tốc để điều chỉnh tốc độ quay. Hệ thống puli và dây đai truyền động giúp giảm tốc độ từ động cơ xuống các vòng quay phù hợp cho lồng trống. Thông số kỹ thuật bao gồm công suất động cơ, tỷ số giảm tốc, tốc độ quay tối ưu và khả năng tải trọng.

2.2. Lựa Chọn Vật Liệu Và Tính Toán Kết Cấu

Vật liệu Thép SUS 304 được chọn cho thiết kế máy rang vì khả năng chịu nhiệt tốt và an toàn thực phẩm. Tính toán kết cấu đảm bảo độ bền của các chi tiết chịu áp lực cao. Ổ bạc, vòng bi và các chi tiết tương ứng được lựa chọn theo tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo tuổi thọ thiết bị.

III. Thi Công Và Chi Tiết Kỹ Thuật Máy Rang

Thi công máy rang cà phê bao gồm nhiều giai đoạn từ gia công chi tiết đến lắp ráp hoàn chỉnh. Kết cấu vỏ máy được thiết kế để tối ưu hóa không gian và dễ dàng bảo trì. Chi tiết máy rang bao gồm lồng trống hai lớp với cánh vít trộn bên trong, trục chính có rãnh then hoa, puli mâm cặp, và tạ xả liệu. Mỗi chi tiết được gia công theo đơn vị milimét để đảm bảo lắp ráp chính xác. Quá trình thi công yêu cầu các kỹ thuật gia công hiện đại và kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt.

3.1. Thiết Kế Chi Tiết Lồng Trống Và Cánh Vít Trộn

Lồng trống hai lớp được thiết kế để tối ưu hóa truyền nhiệt và đảm bảo sự đồng đều. Cánh vít trộn bên trong trống giúp trộn đều hạt cà phê và tăng tiếp xúc với nhiệt. Bản vẽ thiết kế chi tiết cấp cho các nhà chuyên môn hình ảnh rõ ràng về kích thước và yêu cầu kỹ thuật của từng chi tiết.

3.2. Lắp Ráp Và Hệ Thống Điều Khiển

Quá trình lắp ráp máy tuân theo trình tự cụ thể để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Động cơ giảm tốc được lắp với các ổ gối đỡ vòng bi tiêu chuẩn. Mặt trước của máy trang bị các công tắc điều khiển và chỉ thị. Tạa xả liệu được thiết kế để điều chỉnh dễ dàng, giúp kiểm soát lượng hạt xả ra.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Triển Vọng Phát Triển

Máy rang cà phê tự động có ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế biến cà phê Việt Nam. Với công suất cao và độ tin cậy cao, máy rang cà phê tự động giúp các nhà máy chế biến nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Đồ án này không chỉ cải thiện quy trình rang cà phê mà còn góp phần vào bảo quản cà phê hiệu quả. Việc sử dụng máy rang cà phê hiện đại giúp tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí sản xuất và đảm bảo sự nhất quán trong chất lượng. Tương lai sẽ có những cải tiến thêm về tự động hóa và hệ thống điều khiển thông minh.

4.1. Ưu Điểm Của Máy Rang Cà Phê Tự Động

Máy rang tự động mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Đầu tiên, kiểm soát nhiệt độ chính xác giúp phát triển hương vị cà phê một cách tối ưu. Thứ hai, tốc độ quay ổn định đảm bảo sự đồng đều của sản phẩm. Thứ ba, tiết kiệm năng lượng thông qua thiết kế thông minh. Cuối cùng, bảo trì dễ dàng do kết cấu đơn giản và chi tiết tiêu chuẩn.

4.2. Hướng Phát Triển Và Cải Tiến Trong Tương Lai

Công nghệ máy rang cà phê sẽ tiếp tục phát triển với các tính năng mới. Hệ thống điều khiển thông minh sử dụng AI có thể tối ưu hóa quá trình rang dựa trên loại cà phê. Cảm biến nhiệt độ tiên tiến sẽ cho phép giám sát chi tiết hơn. Tự động hóa hoàn toàn có thể được tích hợp để giảm can thiệp thủ công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 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.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. SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.

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 chín…v.1 – Lồng trống (Drum) một lớp ; Lồng trống (Drum) hai lớp SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.

Nguyễn Văn Nhanh 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. 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 SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.

Nguyễn Văn Nhanh 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. Máy rang kiểu Fluid-bed - truyền khí nóng với tốc độ cao Hình 1.4 – Nguyên lý máy rang kiểu Fluid-bed SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh 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. 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.5 – Nguyên lý máy rang kiểu recirculation 1. Các công trình liên quan SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.

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.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.

Gene Café CBR-101 Hình 1.7 – Máy rang cà phê Gene Café CBR-101 SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh 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.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. SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. 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, điều…v.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.

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. Cà phê vối – Robusta SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.

Nguyễn Văn Nhanh 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. 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. Phân tích hạt cà phê 1.

Cấu tạo của quả cà phê Hình 1.10 – Cấu tạo trái cà phê SVTH: Bùi Thanh Xuân Page 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.