Tổng quan nghiên cứu

Sản lượng khai thác gỗ của Việt Nam năm 2017 đạt khoảng 11,5 triệu m3 với tốc độ tăng trưởng 12,4%, trong đó tỉnh Bình Định đóng góp 853.000 m3 với mức tăng 17,9%, khẳng định vị thế của ngành chế biến gỗ là ngành xuất khẩu chủ lực đứng thứ 5 cả nước. Nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm đồ gỗ nội ngoại thất xuất khẩu ngày càng gia tăng đòi hỏi nguồn nguyên liệu gỗ xẻ phải được xử lý sấy đạt độ ẩm chuẩn xác nhằm hạn chế tối đa các khuyết tật cơ lý. Tuy nhiên, tại Công ty TNHH Bình Phú (Khu công nghiệp Phú Tài, thành phố Quy Nhơn, tỉnh Bình Định) – đơn vị có nhu cầu sấy trên 5.000 m3/năm với quy mô 160 lao động – hệ thống thiết bị sấy hơi nước tuần hoàn cũ bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng. Tổng công suất buồng sấy chỉ đạt 105 m3/mẻ, thời gian sấy kéo dài, phân bố nhiệt và ẩm không đồng đều, hiệu suất sử dụng năng lượng thấp, khiến tỷ lệ nứt nẻ và cong vênh sản phẩm ở mức cao.

Đề tài tập trung nghiên cứu, tính toán và thiết kế cải tiến toàn diện hệ thống thiết bị sấy gỗ đối lưu cưỡng bức nhằm nâng công suất buồng sấy lên 175 m3/mẻ, kiểm soát độ ẩm thành phẩm đồng đều từ 10% đến 13% từ dải ẩm ban đầu 50% đến 60%, đồng thời tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Phạm vi nghiên cứu được triển khai trực tiếp tại phân xưởng sấy của Công ty TNHH Bình Phú trong thời gian từ tháng 9/2017 đến tháng 4/2018. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, tạo tiền đề nâng cao năng suất sấy thêm 66,7%, giảm chi phí nhiệt năng và cung cấp mô hình công nghệ sấy chuẩn hóa cho các doanh nghiệp chế biến gỗ tại khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động lực học không khí ẩm và động học quá trình sấy vật liệu keo xốp mao dẫn. Đồ thị I-d của Ramzyn ở áp suất tiêu chuẩn 745 mmHg được ứng dụng để tra cứu, tính toán các thông số trạng thái của tác nhân sấy gồm entanpi, nhiệt dung riêng không khí khô (1 kJ/kg.K), hơi nước (1,97 kJ/kg.K) và nhiệt ẩn hóa hơi (2.493 kJ/kg). Quá trình truyền nhiệt và truyền chất bên trong ván gỗ được mô hình hóa qua hệ phương trình vi phân dẫn ẩm Lukov kết hợp định luật Fourier cải biên, giải thích rõ cơ chế khuếch tán ẩm dưới tác dụng đồng thời của gradient độ ẩm và gradient nhiệt độ.

Các khái niệm then chốt chi phối công nghệ sấy gồm:

  • Điểm bão hòa thớ gỗ (đạt mức trung bình 30%): Mốc ranh giới mà tại đó nước tự do trong tế bào gỗ đã thoát hết và bắt đầu quá trình bay hơi nước liên kết, kích hoạt hiện tượng co rút kích thước và sinh nội ứng suất.
  • Độ ẩm thăng bằng: Xác định theo tiêu chuẩn TCVN 356-70 với giá trị khoảng 15% đối với vùng khí hậu khô nóng từ Đà Nẵng trở vào phía Nam và 18% đối với khu vực phía Bắc.
  • Hiện tượng chai hóa bề mặt: Hiện tượng các hợp chất dầu nhựa kết tinh và đóng rắn ở nhiệt độ cao, bịt kín các mao quản thoát ẩm bề mặt, đòi hỏi phải thiết lập chế độ sấy mềm và phun ẩm phù hợp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng cỡ mẫu gồm 120 thanh ván xẻ đại diện cho 3 chủng loại nguyên liệu chính là gỗ keo, thông và bồ đề, trải dài trên các cấp độ dày từ 12 mm đến 100 mm. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng tại 5 vị trí trọng yếu trong chồng gỗ (tầng đỉnh, tầng đáy, trung tâm kiện sấy và hai mặt biên đón gió) nhằm đo đạc chính xác sự biến thiên của nhiệt trường và ẩm trường. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm phản ánh trung thực mức độ đồng đều của dòng khí động và khả năng bay hơi nước trong toàn bộ không gian buồng sấy.

Nghiên cứu kết hợp đồng bộ ba phương pháp:

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu quy chuẩn kỹ thuật và số liệu ngành lâm sản.
  • Phương pháp phỏng vấn chuyên sâu 15 chuyên gia, kỹ sư và thợ vận hành lò sấy lâu năm tại tỉnh Bình Định.
  • Phương pháp tính toán thiết kế máy nhiệt cơ khí dựa trên phương trình cân bằng nhiệt và cân bằng vật chất. Việc lựa chọn phương pháp tính toán giải tích kết hợp thực nghiệm giúp xác định chính xác diện tích truyền nhiệt của dàn calorife ống cánh, lưu lượng cột áp của cụm quạt hướng trục và kết cấu buồng sấy. Toàn bộ quá trình thu thập dữ liệu và khảo nghiệm được tiến hành liên tục trong 8 tháng (từ tháng 9/2017 đến tháng 4/2018).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Khảo sát thực trạng cho thấy hệ thống cũ gồm 3 buồng sấy có năng suất 105 m3/mẻ tồn tại nhiều khuyết tật kỹ thuật. Dàn tản nhiệt ống trơn bị bám bụi nhựa làm suy giảm hơn 25% hiệu suất truyền nhiệt; vận tốc gió qua khe ván gỗ chỉ đạt 1,2 đến 1,5 m/s, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn vận hành 2,0 đến 2,5 m/s. Điều này dẫn đến sự chênh lệch độ ẩm giữa các vị trí trong buồng sấy lên tới 6% đến 8%.

Tỷ lệ nứt nẻ đầu thanh, nứt mặt và cong vênh ở ván xẻ xuất khẩu của hệ thống cũ chiếm từ 12% đến 18%. Nguyên nhân chủ yếu do hệ thống chưa có dàn phun ẩm cưỡng bức để điều hòa ứng suất dư trong các giai đoạn sấy then chốt, khiến chênh lệch độ ẩm giữa tâm và bề mặt thanh gỗ vượt ngưỡng giới hạn an toàn 15%.

Phương án thiết kế cải tiến đã xây dựng bổ sung 2 buồng sấy mới có cùng kích thước hình học tiêu chuẩn và đại tu 3 buồng sấy cũ, nâng tổng năng suất toàn hệ thống từ 105 m3/mẻ lên 175 m3/mẻ (tăng 66,7%). Việc lắp đặt dàn tản nhiệt ống có cánh thép - nhôm và cụm quạt hướng trục đảo chiều giúp phân bổ đồng đều trường vận tốc khí nóng đạt 2,2 m/s.

Thời gian sấy cho một mẻ gỗ thông dày 25 mm từ độ ẩm ban đầu 55% xuống độ ẩm chuẩn 10% đến 13% được rút ngắn từ 120 giờ xuống còn 96 giờ (giảm 20% thời gian sấy). Đồng thời, mức tiêu hao nhiên liệu củi đốt lò hơi giảm 14,5% trên mỗi mét khối gỗ thành phẩm.

Thảo luận kết quả

Diễn biến động học của quá trình sấy được trực quan hóa thông qua biểu đồ đường cong sấy thực nghiệm và bảng đối chiếu chế độ sấy 3 giai đoạn. Biểu đồ nhiệt độ và tốc độ sấy thể hiện rõ hai pha phân tách: pha đẳng tốc khi độ ẩm trên 30% với nhiệt độ vật liệu không đổi và pha giảm tốc khi độ ẩm dưới 30% với nhiệt độ vật liệu tăng dần tiệm cận nhiệt độ tác nhân sấy. Cách trình bày dữ liệu qua bảng thông số khí động học và đồ thị phân bố ẩm giúp người vận hành dễ dàng theo dõi sự dịch chuyển ẩm từ tâm ra bề mặt gỗ.

So sánh với các mô hình buồng sấy hơi nước tuần hoàn kín tiên tiến như hệ thống 50 m3/mẻ của Công ty Pisico Bình Định hay buồng sấy năng lượng mặt trời 100 m3/mẻ của Công ty CAXE Bình Dương, hệ thống cải tiến tại Công ty Bình Phú thể hiện sự vượt trội về độ ổn định nhiệt ẩm. Sự kết hợp giữa hệ thống quạt đảo chiều định kỳ 4 giờ/lần và dàn van phun hơi ẩm tự động đã ngăn chặn triệt để hiện tượng đóng chai bề mặt ở nhiệt độ trên 60°C. Biện pháp này triệt tiêu ứng suất kéo ngoài mặt, giúp đưa tỷ lệ khuyết tật nứt nẻ từ 18% xuống dưới 3%, đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn xuất khẩu sang thị trường Hoa Kỳ và châu Âu.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Xây dựng mới và nâng cấp kết cấu vỏ buồng sấy: Tiến hành thi công xây dựng thêm 2 buồng sấy mới kích thước tiêu chuẩn và cải tạo toàn diện 3 buồng sấy hiện hữu. Bổ sung lớp cách nhiệt bằng bông khoáng rockwool dày 100 mm cho toàn bộ vách và cửa buồng sấy nhằm giảm 80% lượng nhiệt thất thoát ra môi trường bên ngoài. Thời gian thực hiện dự kiến trong 3 tháng, do Ban Quản lý dự án kỹ thuật chủ trì.
  • Cải tiến dàn tản nhiệt calorife và hệ thống quạt gió: Lắp đặt hệ thống dàn trao đổi nhiệt bằng ống thép có cánh tản nhiệt nhôm gia tăng diện tích truyền nhiệt, kết hợp cụm 4 quạt hướng trục đảo chiều công suất 3 kW/quạt nhằm duy trì vận tốc gió ổn định 2,2 m/s tại mọi điểm trong buồng sấy. Thời gian hoàn thiện trong 45 ngày, do Phân xưởng Cơ điện chịu trách nhiệm thi công.
  • Tự động hóa hệ thống cấp ẩm và kiểm soát thông số: Tích hợp hệ thống van điện từ điều khiển dàn phun ẩm hơi nước bão hòa và lắp đặt tủ điều khiển trung tâm kết nối các đầu dò độ ẩm chuyên dụng KT50 và Wagner L606, hướng tới mục tiêu kiểm soát sai số độ ẩm gỗ dưới 1,0% và hạ tỷ lệ gỗ nứt nẻ xuống dưới 3%. Thời gian lắp đặt và hiệu chuẩn trong 30 ngày, do Phòng Kỹ thuật công nghệ thực hiện.
  • Thiết lập bể tiền xử lý và chuẩn hóa quy trình công nghệ sấy mềm: Xây dựng bể xử lý thủy nhiệt ngâm gỗ trước khi đưa vào buồng sấy và ban hành quy trình vận hành sấy mềm 5 bước cho các loại ván xẻ có độ dày từ 12 mm đến 100 mm, đảm bảo 100% sản phẩm đạt độ ẩm 10% đến 13%. Thời gian triển khai áp dụng liên tục trong 60 ngày, do Phân xưởng Sấy phối hợp cùng Phòng KCS kiểm định.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư cơ khí, kỹ sư nhiệt công nghiệp và thiết kế máy: Tiếp cận phương pháp tính toán nhiệt động lực học, cân bằng nhiệt - ẩm và bản vẽ kết cấu chi tiết buồng sấy đối lưu công nghiệp; áp dụng trực tiếp vào việc thiết kế mới hoặc cải tiến các hệ thống buồng sấy nông lâm sản công suất từ 50 m3 đến 200 m3/mẻ.
  • Ban lãnh đạo, giám đốc điều hành các doanh nghiệp chế biến gỗ: Nắm bắt các giải pháp kỹ thuật nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư, tiết kiệm 14,5% chi phí nhiên liệu đốt lò và rút ngắn 20% chu kỳ sản xuất; ứng dụng vào việc lập kế hoạch hiện đại hóa nhà xưởng và nâng cao năng lực cạnh tranh xuất khẩu.
  • Cán bộ kỹ thuật, kỹ thuật viên vận hành lò sấy tại các xưởng gỗ: Nắm vững quy trình thiết lập chế độ sấy mềm 3 giai đoạn, phương pháp vận hành hệ thống phun ẩm và kỹ thuật đo độ ẩm chính xác bằng thiết bị KT50; ứng dụng để kiểm soát dải ẩm từ 50% xuống 10% đến 13%, xử lý dứt điểm tình trạng gỗ nứt nẻ, cong vênh.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Cơ khí chế tạo, Chế biến lâm sản: Khai thác tài liệu tham khảo giá trị kết hợp giữa lý thuyết truyền nhiệt - truyền chất vi phân và bài toán giải quyết thực tế sản xuất; sử dụng làm tài liệu giảng dạy, học tập hoặc mở rộng đề tài nghiên cứu sấy gỗ tiết kiệm năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống phun ẩm bổ sung trong buồng sấy đóng vai trò gì trong việc hạn chế nứt nẻ gỗ? Hệ thống phun ẩm bằng hơi nước bão hòa giúp duy trì độ ẩm môi trường cao trong giai đoạn làm nóng ban đầu và làm nguội cuối mẻ sấy. Việc này ngăn ngừa hiện tượng bay hơi nước quá nhanh ở bề mặt khi độ ẩm gỗ vượt điểm bão hòa 30%, giải tỏa triệt để ứng suất dư kéo, giúp giảm tỷ lệ nứt nẻ đầu thanh từ 18% xuống dưới 3%.

Việc nâng năng suất hệ thống từ 105 lên 175 m3/mẻ có làm tăng chi phí nhiên liệu lò hơi không? Không làm tăng chi phí nhiên liệu trên mỗi đơn vị sản phẩm. Nhờ thay thế dàn calorife ống cánh nhôm hiệu suất cao và bọc lớp cách nhiệt rockwool dày 100 mm, lượng nhiệt tổn thất giảm rõ rệt. Kết quả khảo nghiệm thực tế chứng minh mức tiêu hao nhiên liệu củi đốt tính trên một mét khối gỗ thành phẩm giảm 14,5%.

Cơ sở khoa học để xác định độ ẩm đích của gỗ sau sấy từ 10% đến 13% là gì? Mục tiêu độ ẩm này dựa trên tiêu chuẩn TCVN 356-70 quy định độ ẩm thăng bằng tại khu vực Nam Trung Bộ là khoảng 15%, đồng thời đáp ứng yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt của các thị trường nhập khẩu như Hoa Kỳ và châu Âu (yêu cầu độ ẩm 10% đến 12%), giúp gỗ không bị co ngót hay biến dạng khi đưa vào sử dụng.

Hệ thống quạt đảo chiều hoạt động theo nguyên lý nào để đảm bảo độ ẩm đồng đều? Hệ thống sử dụng 4 quạt hướng trục công suất 3 kW tự động đảo chiều quay định kỳ 4 giờ/lần. Cơ chế này luân chuyển dòng khí nóng với vận tốc 2,2 m/s len lỏi qua toàn bộ các khe hở ván xẻ từ 12 mm đến 100 mm, triệt tiêu vùng chết khí động và duy trì sai lệch độ ẩm giữa các vị trí dưới 1,0%.

Luận văn xử lý vấn đề dầu nhựa gây cản trở thoát ẩm ở gỗ thông như thế nào? Nghiên cứu đề xuất xây dựng bể ngâm thủy nhiệt trước khi sấy kết hợp chế độ gia nhiệt sơ bộ ở 55 đến 60°C với độ ẩm không khí bão hòa. Biện pháp này làm mềm và hòa tan các chất chiết xuất, ngăn lớp màng nhựa đóng cứng bịt kín mao quản, giúp rút ngắn thời gian sấy gỗ thông từ 120 giờ xuống 96 giờ.

Kết luận

  • Đề tài đã xây dựng thành công cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật cải tiến hệ thống thiết bị sấy gỗ đối lưu cưỡng bức tại Công ty TNHH Bình Phú.
  • Nâng cao năng lực sản xuất vượt bậc từ 105 m3/mẻ lên 175 m3/mẻ (tăng 66,7%), đồng thời rút ngắn 20% chu kỳ thời gian sấy của các loại gỗ thông, keo và bồ đề.
  • Kiểm soát chất lượng gỗ thành phẩm đạt độ ẩm đồng đều 10% đến 13%, giảm tỷ lệ khuyết tật nứt nẻ và cong vênh từ 18% xuống dưới 3%.
  • Tiết kiệm 14,5% chi phí năng lượng chất đốt lò hơi và giảm thiểu đáng kể phát thải khói bụi ra môi trường xung quanh.
  • Đóng góp mô hình thiết kế cải tiến có tính ứng dụng cao, sẵn sàng chuyển giao công nghệ cho hơn 50 doanh nghiệp chế biến gỗ trên địa bàn tỉnh Bình Định.

Định hướng tiếp theo tập trung vào việc số hóa quy trình vận hành và lắp đặt hệ thống cảm biến đo ẩm trực tuyến tự động 100% trong giai đoạn 2018 - 2019. Hãy áp dụng ngay giải pháp thiết kế cải tiến và quy trình công nghệ sấy chuẩn hóa này để tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng tầm chất lượng đồ gỗ xuất khẩu của doanh nghiệp.