Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có truyền thống sản xuất nông nghiệp lâu đời với điều kiện tự nhiên thuận lợi, trong đó tỏi là một loại nông sản quan trọng, được trồng phổ biến ở nhiều vùng như miền Bắc, Duyên hải miền Trung, Ninh Thuận, Lý Sơn, Hải Dương. Nhu cầu tiêu thụ tỏi trong nước và xuất khẩu ngày càng tăng, với sản lượng hàng năm tại các vùng chuyên canh đạt hàng nghìn tấn. Tuy nhiên, khâu bóc vỏ tỏi hiện nay chủ yếu thực hiện thủ công, gây tốn nhiều thời gian, công sức, năng suất thấp và mất vệ sinh. Việc ứng dụng máy móc tự động trong công đoạn này là cần thiết để nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy bóc vỏ tỏi tự động sử dụng khí nén, với năng suất đạt khoảng 43-72 kg/h, phù hợp cho các cơ sở chế biến tỏi quy mô nhỏ và vừa. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát các giống tỏi phổ biến tại Việt Nam, phân tích các phương pháp bóc vỏ hiện có, tính toán vận tốc khí nén, mô phỏng dòng khí trong buồng bóc bằng phần mềm ANSYS 12, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm máy. Mục tiêu nhằm tạo ra thiết bị có kết cấu đơn giản, vận hành hiệu quả, đảm bảo bóc sạch vỏ tỏi mà không làm dập nát tép tỏi, góp phần nâng cao giá trị gia tăng cho sản phẩm tỏi và thúc đẩy phát triển ngành chế biến nông sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình khí động lực học để thiết kế máy bóc vỏ tỏi bằng khí nén. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Dòng khí đoạn nhiệt: Quá trình khí nén trong hệ thống được xem là đoạn nhiệt, áp dụng các phương trình trạng thái khí lý tưởng để tính toán áp suất, nhiệt độ và vận tốc khí.
  • Vận tốc âm thanh và siêu âm: Tính toán vận tốc khí thoát ra từ đầu phun nhằm đạt vận tốc âm thanh hoặc siêu âm để tạo lực va đập đủ mạnh bóc tách vỏ tỏi.
  • Hàm khí động và biểu đồ: Sử dụng các hàm và biểu đồ khí động học để xác định các thông số dòng khí như hệ số vận tốc, mật độ dòng khí, mật độ rối trong buồng bóc.
  • Mô phỏng dòng khí bằng phần mềm ANSYS 12: Phân tích vận tốc, mật độ dòng khí và mật độ rối trong buồng bóc để tối ưu vị trí và góc nghiêng của các đầu phun khí.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu trong và ngoài nước về các giống tỏi, phương pháp bóc vỏ, máy móc chế tạo, các thông số kỹ thuật khí nén và vật liệu chế tạo.
  • Phương pháp phân tích: Tính toán lý thuyết vận tốc khí, áp suất, lưu lượng khí qua đầu phun dựa trên các công thức khí động lực học; mô phỏng dòng khí trong buồng bóc bằng phần mềm ANSYS 12 để đánh giá hiệu quả thiết kế.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình thử nghiệm buồng bóc và máy bóc vỏ tỏi hoàn chỉnh; tiến hành thử nghiệm với tỏi trồng tại Hải Dương có kích thước tép tỏi chiều rộng 15-25 mm, chiều cao 30-35 mm, độ ẩm vỏ 8%; sử dụng máy nén khí Puma PK1090 với áp suất làm việc 6-7 bar; đo thời gian bóc vỏ và đánh giá tỷ lệ bóc sạch, tỷ lệ phế phẩm.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng trong giai đoạn đầu; thiết kế và chế tạo máy trong giai đoạn giữa; thử nghiệm và đánh giá hiệu quả cuối cùng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính toán vận tốc khí đầu ra đầu phun: Với áp suất khí nén đầu vào khoảng 6 bar, vận tốc khí thoát ra đầu phun đạt khoảng 698,77 m/s, đủ để tạo lực va đập mạnh trong buồng bóc, giúp bóc sạch vỏ tỏi mà không làm dập nát tép tỏi.

  2. Mô phỏng dòng khí trong buồng bóc: Qua phần mềm ANSYS 12, vị trí và góc nghiêng của các đầu phun được tối ưu để tạo dòng xoáy khí với mật độ dòng khí và mật độ rối cao, đảm bảo các tép tỏi va chạm lẫn nhau và với thành buồng bóc hiệu quả. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố dòng khí đồng đều, giúp tăng tỷ lệ bóc sạch vỏ lên trên 90%.

  3. Thử nghiệm thực tế: Máy bóc vỏ tỏi tự động đạt năng suất từ 43 đến 72 kg/h, tỷ lệ bóc sạch vỏ đạt khoảng 85-92%, tỷ lệ phế phẩm dưới 5%. Thời gian bóc vỏ giảm đáng kể so với phương pháp thủ công, đồng thời đảm bảo vệ sinh và an toàn thực phẩm.

  4. So sánh các phương án thiết kế: Phương án sử dụng buồng bóc khí nén có kết cấu đơn giản, chi phí chế tạo thấp hơn so với phương án kết hợp buồng nạp và cyclon, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và nhỏ, dễ bảo trì và vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp máy đạt hiệu quả cao là do việc tính toán chính xác vận tốc khí và áp suất đầu phun, kết hợp với mô phỏng dòng khí để bố trí đầu phun tối ưu, tạo ra dòng khí xoáy mạnh và đồng đều trong buồng bóc. So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã bổ sung chi tiết về thiết kế đầu phun, vị trí, góc nghiêng và áp suất khí, đồng thời thực hiện thử nghiệm thực tế với số liệu cụ thể, giúp nâng cao tính ứng dụng thực tiễn.

Kết quả thử nghiệm được trình bày qua các biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của thời gian và áp suất khí đến tỷ lệ bóc sạch vỏ, giúp xác định điều kiện vận hành tối ưu. Bảng so sánh tỷ lệ bóc sạch và năng suất giữa máy và phương pháp thủ công cũng minh họa rõ hiệu quả vượt trội của máy.

Việc áp dụng khí nén trong bóc vỏ tỏi không chỉ nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu tổn thất do dập nát, đồng thời đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm, phù hợp với xu hướng cơ khí hóa trong chế biến nông sản tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất máy bóc vỏ tỏi quy mô nhỏ và vừa: Khuyến khích các cơ sở chế biến tỏi áp dụng máy bóc vỏ tự động sử dụng khí nén với năng suất 43-72 kg/h để nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí nhân công và tăng chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện trong 6-12 tháng.

  2. Đào tạo vận hành và bảo trì máy móc: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho công nhân và kỹ sư vận hành, bảo trì máy nhằm đảm bảo máy hoạt động ổn định, kéo dài tuổi thọ thiết bị. Chủ thể thực hiện là các trường đại học kỹ thuật và trung tâm đào tạo nghề.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại nông sản khác: Áp dụng nguyên lý khí nén và thiết kế buồng bóc tương tự để phát triển máy bóc vỏ cho các loại củ quả, hạt khác như khoai lang, đậu, điều nhằm đa dạng hóa sản phẩm và tăng giá trị gia tăng. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm.

  4. Hỗ trợ tài chính và chính sách ưu đãi: Đề xuất các chính sách hỗ trợ vay vốn, ưu đãi thuế cho các doanh nghiệp đầu tư mua sắm và ứng dụng máy móc chế biến nông sản tự động nhằm thúc đẩy cơ giới hóa ngành nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các cơ sở chế biến tỏi và thực phẩm quy mô nhỏ và vừa: Giúp nâng cao năng suất bóc vỏ tỏi, giảm chi phí nhân công, cải thiện chất lượng sản phẩm và vệ sinh an toàn thực phẩm.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ chế tạo máy, cơ khí chế tạo máy: Cung cấp tài liệu tham khảo về thiết kế, mô phỏng và chế tạo máy móc ứng dụng khí nén trong chế biến nông sản.

  3. Doanh nghiệp sản xuất máy móc thiết bị nông nghiệp: Là cơ sở để phát triển sản phẩm máy bóc vỏ tỏi tự động phù hợp với thị trường Việt Nam và khu vực, nâng cao năng lực cạnh tranh.

  4. Các tổ chức hỗ trợ phát triển nông nghiệp và cơ giới hóa: Tham khảo để xây dựng các chương trình hỗ trợ kỹ thuật, đào tạo và chính sách phát triển ngành chế biến nông sản.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy bóc vỏ tỏi tự động sử dụng nguyên lý gì để bóc vỏ?
    Máy sử dụng khí nén tạo dòng khí có vận tốc âm thanh hoặc siêu âm phun vào buồng bóc, làm các tép tỏi va chạm lẫn nhau và với thành buồng, từ đó bóc tách lớp vỏ mỏng ra ngoài hiệu quả.

  2. Năng suất của máy bóc vỏ tỏi tự động đạt bao nhiêu?
    Máy có năng suất từ 43 đến 72 kg tỏi bóc vỏ mỗi giờ, phù hợp với các cơ sở chế biến quy mô nhỏ và vừa.

  3. Máy có làm dập nát tép tỏi không?
    Nhờ thiết kế tối ưu vận tốc khí và bố trí đầu phun, máy bóc vỏ tỏi đảm bảo tỷ lệ tép tỏi không bị dập nát, giữ nguyên hình dạng và chất lượng sản phẩm.

  4. Máy có thể bóc vỏ các kích cỡ tỏi khác nhau không?
    Máy được thiết kế để phù hợp với các kích thước tép tỏi phổ biến tại Việt Nam, từ 15-25 mm chiều rộng và 30-35 mm chiều cao, đảm bảo bóc sạch vỏ cho đa dạng kích cỡ.

  5. Chi phí đầu tư và vận hành máy như thế nào?
    Chi phí chế tạo máy tương đối thấp do kết cấu đơn giản; vận hành sử dụng nguồn khí nén áp suất 6-7 bar và điện 220V, giúp tiết kiệm chi phí nhân công và tăng hiệu quả kinh tế cho cơ sở sản xuất.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy bóc vỏ tỏi tự động sử dụng khí nén với năng suất 43-72 kg/h, đáp ứng yêu cầu bóc sạch vỏ, không làm dập nát tép tỏi.
  • Ứng dụng khí động lực học và mô phỏng dòng khí bằng ANSYS 12 giúp tối ưu hóa thiết kế buồng bóc và vị trí đầu phun khí.
  • Thử nghiệm thực tế với tỏi Hải Dương cho thấy tỷ lệ bóc sạch vỏ đạt trên 85%, giảm đáng kể thời gian và công sức so với phương pháp thủ công.
  • Phương án thiết kế sử dụng buồng bóc khí nén có kết cấu đơn giản, chi phí thấp, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và nhỏ tại Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi, đào tạo vận hành và nghiên cứu mở rộng cho các loại nông sản khác nhằm thúc đẩy cơ giới hóa ngành chế biến nông sản.

Hành động tiếp theo: Các cơ sở chế biến tỏi và doanh nghiệp sản xuất máy móc nên phối hợp để ứng dụng và hoàn thiện công nghệ này, đồng thời mở rộng nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và giá trị sản phẩm nông nghiệp.