Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU
VÒI PHUN ĐẾN KHẢ NĂNG BÓC VỎ TỎI SỬ DỤNG KHÍ NÉN
EFFECT OF NOZZLE STRUCTURE
ON THE PEELING ABILITY OF GARLIC PEELED BY PNEUMATIC
Đặng Thiện Ngôn1a, Tôn Thất Tín2b, Dương Văn Ba3c
1
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
2
Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức
3
Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng
a
b
, ,
TÓM TẮT
Hiện tượng bóc vỏ tỏi bằng khí nén là do áp lực của dòng khí nén áp suất cao gây nên
các va chạm cơ học giữa các tép tỏi với nhau và với thành buồng bóc cũng như do sự chênh
lệch vận tốc giữa dòng khí và tép tỏi. Do vậy, dòng khí nén ra khỏi vòi phun cần đạt được vận
tốc bóc vỏ (lớn hơn vận tốc âm thanh) và đồng thời mật độ dòng khí cũng phải đủ dày. Bài
báo trình bày kết quả mô phỏng và thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của kết cấu vòi phun với
các thông số đường kính đầu ra d 2 , góc đầu vào β đến vận tốc và mật độ dòng khí. Kết quả
thực nghiệm cho thấy, kết cấu vòi phun có đường kính vòi d 2 = 1,5 mm, góc đầu vào β = 90o
dưới áp suất cung cấp P = 6 bar cho hiệu suất bóc vỏ tỏi cao và chi phí năng lượng phù hợp.
Từ khoá: bóc vỏ tỏi, vòi phun, góc đầu vào, đường kính vòi, vận tốc âm thanh
ABSTRACT
The phenomenon of garlic peeled by pneumatic in high pressure is caused by
mechanical collision between garlic cloves and tank’s wall as well as the difference in
velocity between the airflow and garlic cloves. Therefore, the velocity of airflow out of the
nozzle should reach the peeling velocity (greater than the velocity of sound) and the density of

the airflow must be enough thick. This paper presents the results of simulations and
experiments to evaluate the effects of parameters of nozzle’s structure such as output diameter
d 2 , input angle β and density of the airflow. Experimental results showed that parameters of
nozzle’s structure: diameter d 2 = 1.5 mm, input angle 900, supplied pressure P = 6 bar get the
high performance of garlic peeling and reduce consumed energy.
Keywords: garlic peeling, nozzle, input angle, nozzle diameter, velocity of sound
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Quá trình bóc vỏ nhờ dòng khí có vận tốc âm thanh và siêu âm khá phức tạp. Bản chất
của quá trình này là tép tỏi chuyển động dưới lực tác động của dòng khí có vận tốc âm thanh
hoặc siêu âm gây nên sự va đập giữa tép tỏi với thành buồng bóc và giữa các tép tỏi với nhau.
Các lực tiếp tuyến xuất hiện lúc này trên bề mặt của tép tỏi do tác dụng tương hỗ của không
khí có vận tốc cao cùng các sóng do va đập gây ra tạo nên sự chênh lệch lớn về áp suất của
không khí bên trong tép tỏi và không gian bao quanh tép tỏi. Hiện tượng này làm cho sự liên
kết giữa các lớp vỏ, giữa vỏ với nhân bị phá hủy, nghĩa là thực hiện quá trình tự bóc vỏ [1].
Dòng không khí từ vòi phun có năng lượng nhất định được dùng để phá liên kết của lớp
vỏ tỏi. Dễ dàng nhận thấy để có được quá trình bóc vỏ hiệu quả dòng khí phải có vận tốc và
lưu lượng nhất định để cho năng lượng của dòng khí được tiêu thụ là lớn nhất. Bài báo trình
bày một số kết quả mô phỏng và thực nghiệm để xác định các thông số kết cấu của vòi phun
(góc đầu vào, đường kính vòi) ảnh hưởng đến khả năng bóc vỏ tỏi sử dụng khí nén.
53


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1

Vòi phun khí
2.1.1 Kết cấu vòi phun

Kết cấu vòi phun ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tăng tốc của dòng khí để đạt tới vận

tốc âm thanh. Các dạng vòi phun khí tăng tốc được trình bày như ở hình 1.
Dòng khí có vận tốc dưới âm muốn tăng tốc thì ống phải có tiết diện nhỏ dần và khi
dòng khí có vận tốc bằng vận tốc âm thanh thì tiết diện dòng phải đạt cực tiểu (hình 1a). Khi
dòng vượt âm, vận tốc dòng lớn hơn vận tốc âm thanh và muốn tăng vận tốc tiếp theo dòng
vượt âm phải đi vào ống lớn dần (hình 1b) [2]. Biết rằng, dòng khí cần sử dụng cho quá trình
bóc vỏ tỏi là dòng khí có vận tốc có thể đạt tới vận tốc âm thanh và là dòng khí tập trung [1],
do vậy kết cấu vòi phun được lựa chọn sẽ có hình dạng như hình 1a.

a) Vòi phun tăng tốc nhỏ dần

b) Vòi phun tăng tốc lớn dần

-ω 1 , ω 2

Vận tốc dòng khí đầu vào, đầu ra

-f 1 ,f 2

Tiết diện đầu vào, đầu ra của ống

-ω

Vận tốc dòng khí trong lòng ống

-a 1

Vận tốc âm thanh

Hình 1: Điều kiện hình học tăng tốc dòng khí [2]
2.1.2 Cơ sở lý thuyết tính toán vòi phun

Với kết cấu vòi phun đã lựa chọn (hình 1a), ta có các kích thước cơ bản của vòi phun
như sau:
d 1 - Đường kính đầu vào
d 2 - Đường kính đầu ra

β - Góc đầu vào

Hình 2: Kết cấu vòi phun
Vận tốc dòng khí tại đầu ra của vòi phun phụ thuộc rất lớn vào hình dạng và tiết diện
hai đầu của vòi phun khí. Ngoài ra,vận tốc này còn phụ thuộc vào góc đầu vàoβ thay đổi từ
tiết diện lớn sang tiết diện nhỏ. Để xác định giá trị vận tốc đầu ra của vòi phun ta có thể tính
toán như sau [3]:
𝜔𝜔2 = 𝜔𝜔1 .

𝑑𝑑12
𝑑𝑑22

(1)

Kích thước chiều dài có ảnh hưởng không đáng kể đến vận tốc đầu ra của dòng khí [2]. Khi
biết vận tốc dòng khí ta có thể xác định lưu lượng dòng khí đi qua mặt cắt ngang f của ống dẫn:
𝑄𝑄 = 𝑓𝑓. 𝜔𝜔(𝑚𝑚3 /𝑠𝑠)
54

(2)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.1.3 Kích thước cơ bản vòi phun
Để ổn định dòng khí trước khi phun vào buồng bóc và căn cứ vào cơ sở lý thuyết ta

chọn các kích thước cơ bản của vòi phun như ở hình 3.

Hình 3: Kích thước vòi phun
Ở đây, sự chênh lệch nhiệt độ từ nguồn cấp khí nén đến đầu phun được xem không đáng
kể, chọn nhiệt độ tuyệt đối T o = 300oK, áp suất nguồn khí P o = 6.0 bar, nhiệt độ đầu vào vòi
phun T = 298oK [4], ta có hệ số khí động:

𝜏𝜏 =

𝑇𝑇

𝑇𝑇𝑜𝑜

=

298

300

= 0,993

Với hệ số π = 0,9768, hệ số Mach M = 0,1830 [2] ta được:

π=

P

Po

=0,9768 P = 0,9768P o = 5,86 bar


Với áp suất đầu vào vòi phun P = 5,86 bar, theo [2] vận tốc âm thanh được tính theo công thức:
a = √kRT = �1,4. 287. 298 = 343,11 𝑚𝑚/𝑠𝑠

𝑀𝑀 = 𝜔𝜔1 . 𝑎𝑎−1 ⇒ 𝝎𝝎𝟏𝟏 = 𝑀𝑀. 𝑎𝑎 = 0,1830. 343,11 = 62,8 𝑚𝑚/𝑠𝑠

Ta có được vận tốc đầu vào của đầu phun ω 1 = 62,8m/s. Khi chọn đường kính đầu vào
vòi phun là d 1 = 4mm, ta lần lượt xác định được các vận tốc tương ứng với các kích thước
đường kính đầu ra khác nhau của vòi phun d 2 = (0,5; 1,0; 1,5) mm [4, 5] theo công thức (1)
(bảng 1).
Bảng 1: Quan hệ giữa đường kính và vận tốc dòng khí ra khỏi vòi phun
d 1 (mm)
4
ω 1 (m/s)

62,8

d 1 (mm)

0,5

1,0

1,5

ω 2 (m/s)

4019,2

1004,8


446,5

Biết rằng để bóc vỏ lúa bằng khí nén, dòng khí phải có vận tốc khoảng ω 2 = 512 m/s
[6]. Theo bảng 1, ta tiến hành đánh giá khả năng sử dụng các vòi phun có kích thước đường
kính đầu ra d 2 = 1,0 mm và d 2 = 1,5 mm. Vòi phun có d 2 = 0,5 mm cho vận tốc đầu ra ω 2 =
4019,2 m/s lớn hơn gần 8 lần vận tốc bóc vỏ cần thiết khi bóc vỏ lúa sẽ gây nên lực va đập
lớn có khả năng làm tỏi bị dập nát trong quá trình bóc vỏ.
2.2

Đánh giá kết cấu vòi phun

Để so sánh khả năng bóc vỏ tỏi của dòng khí ứng với hai kích cỡ đường kính đầu ra của
vòi phun d 2 = 1,0 và 1,5 mm, các tiêu chí: (i) vận tốc dòng khí và (ii) mật độ dòng khí đầu ra
được lựa chọn để đánh giá qua mô phỏng. Với kết cấu vòi phun được chọn theo hình 3, mô
phỏng được tiến hành với hai nội dung chính:
- Ảnh hưởngcủa góc đầu vào β của vòi phun đến vận tốc dòng khí đầu ra.
- Ảnh hưởng của đường kính đầu ra vòi phun d 2 đến mật độ dòng khí đầu ra.
55


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.2.1 Ảnh hưởng của góc đầu vào β
Tiến hành mô phỏng cho các giá trị góc đầu vào β = 45o, 60o; 90o; 120o của vòi phun có
kết cấu như hình 3 với các thông số liên quan được trình bày trong bảng 2.
Bảng 2: Bảng thông số đầu vào
Thông số
Đường kính đầu vào, d 1 (mm)

Giá trị

4

Đường kính đầu ra, d 2 (mm)

1,5

Áp suất tại tiết diện đầu vào d 1 , P 1 (bar)

5,86

Áp suất tại tiết diện đầu ra d 2 , P 2 (bar)
Vận tốc dòng khí tại tiết diện vào d 1 , ω1 (m/s)

1
62,8

Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc đầu vào β đến vận tốc dòng khí:

β= 900

β= 1200

β= 450

β= 600

Kích thước vòi phun

Kết quả mô phỏng vận tốc dòng khí


Hình 4: Ảnh hưởng của góc đầu vào β đến vận tốc dòng khí
Kết quả mô phỏng cho thấy, vận tốc dòng khí không chỉ chịu ảnh hưởng của đường kính
đầu vào và đầu ra mà còn phụ thuộc rất lớn vào biên dạng đầu vào của vòi phun. Vòi phun với
góc đầu vào β = 450, 600có mật độ dòng khí dày nhưng vận tốc tối đa đạt được không đáp ứng
đủ cho quá trình bóc vỏ. Trong khi đó, vận tốc của hai vòi phun có góc đầu vào β = 900, 1200
đạt được vận tốc có thể sử dụng cho quá trình bóc vỏ. Tuy nhiên, với góc đầu vào β = 1200 vận
tốc có được lớn hơn rất nhiều so với vận tốc tham khảo cần có để bóc vỏ lúa (ω 2 = 512 m/s) [6]
có thể làm tỏi bóc vỏ bị dập. Do đó, ta chọn vòi phun có góc đầu vào β = 900.
2.2.2 Ảnh hưởng của đường kính vòi phun
Nhằm đảm bảo tỏi sau khi đưa vào buồng bóc có sự va đập, ma sát lẫn nhau làm liên kết
giữa phần vỏ và phần nhân tép tỏi giảm xuống. Lúc này,do sự chênh lệch vận tốc giữa dòng
khí (vận tốc cao) và chuyển động của tép tỏi trong buồng bóc (vận tốc thấp hơn) mà tỏi được
56


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
bóc vỏ. Phương án bố trí 8 vòi phun cho buồng bóc có kết cấu được chọn theo [4] với các
thông số chính như sau (hình 5):
D

H

α

- Đường kính buồng bóc: D = 174 mm
- Chiều cao buồng bóc: H = 400 mm
- Độ chênh của các vòi phun: h = 10 mm
- Góc nghiêng vòi phun: α = 45o

Vòi phun


Hình 5: Quỹ đạo bố trí vòi phun
Mô phỏng thực hiện ứng với các đường kính vòi phun d 2 = 1,0 mm và 1,5 mm với kết
cấu buồng bóc đã chọn (hình 5) để xác định:
- Vận tốc và mật độ rối của dòng khí.
- Áp lực dòng khí.
- Mật độ dòng khí trong buồng và trên thành buồng.
Kết quả mô phỏng khi sử dụng vòi phun có đường kính đầu ra d 2 = 1,0 mm:

Hình 6: Vận tốc và mật độ rối

Hình 7: Lực dòng khí

Hình 8: Mật độ dòng khí trong buồng

Hình 9: Mật độ dòng khí trên thành buồng
57


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy:
- Vận tốc dòng khí gần đầu vòi phun khoảng 3.189e+002 m/s (318,9 m/s, hình 6). Các
vị trí khác vận tốc dòng khí đạt khoảng 100 m/s.
- Mật độ rối (hình 6) và mật độ dòng khí (hình 8, 9) tập trung tại phía đáy buồng.
- Lực dòng khí nén tạo ra nhỏ nhất có giá trị 1.765e+003 N (1765 N, hình 7) lớn hơn rất
nhiều trọng lực tác động lên tép tỏi, do đó tép tỏi di chuyển va đập vào thành buồng và va đập
lẫn nhau làm liên kết giữa vỏ tỏi với thân tép tỏi giảm. Vòi phun d = 1 mm có khả năng thực
hiện quá trình bóc vỏ tỏi.
Tiến hành thực nghiệm để xem xét khả năng bóc vỏ của vòi phun có d 2 = 1 mm như sau:
- Tỏi được trồng ở Hải Dương;

- Đường kính củ tỏi D40 - 45 mm;
- Tỏi được đưa vào buồng bóc là tỏi đã tách thành từng tép;
- Kích thước của tép tỏi: dày (15 - 25 mm), dài (30 - 35mm);
- Độ ẩm: phần thân củ 55% và phần vỏ 8%.
Thực hiện 5 lần thí nghiệm với các thông số chỉ ra ở bảng 3, ta được kết quả sau:
TT

Bảng 3: Kết quả thực nghiệm với vòi phun d 2 = 1,0mm.
Đường
Khối
Thời
Số vòi
Áp suất
Kết quả (g)
kính d 2
phun n đầu vào lượng tỏi gian bóc
Đạt
Không đạt
m (g)
t (giây)
(mm)
P o (bar)

1

235

60

2


256

37

250

43

4

243

49

5

224

70

241,6

51,8

3

1,0

8


6,0

300

20

Trung bình
Như vậy:
- Tỉ lệ tỏi được bóc sạch vỏ không cao, đạt khoảng 80%.

- Kết quả của các thí nghiệm khá xa nhau (biên độ khoảng 32g)
Kết quả mô phỏng khi sử dụng vòi phun có đường kính đầu ra d 2 = 1,5 mm:

Hình 10: Vận tốc và mật độ rối

Hình 11: Lực dòng khí
58


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 12: Mật độ dòng khí trong buồng

Hình 13: Mật độ dòng khí trên thành buồng

Kết quả mô phỏng cho thấy:
- Vận tốc dòng khí gần đầu vòi phun khoảng 1.376e+002 m/s (137,6 m/s, hình 10). Các
vị trí khác vận tốc dòng khí đạt khoảng 70 m/s.
- Mật độ rối (hình 10) và mật độ dòng khí (hình 12, 13) dày và đều khắp buồng bóc.

- Lực dòng khí nén tạo ra nhỏ nhất có giá trị 5.580e+003 N (5580 N, hình 11) lớn hơn
lực dòng khí nén của vòi phun 1,0 mm nên quá trình bóc vỏ tỏi diễn ra tốt hơn.
Kết quả thực nghiệm khi bóc vỏ sử dụng vòi phun có d2 = 1,5 mm được trình bày ở bảng 4.
TT

Bảng 4: Kết quả thực nghiệm với vòi phun d 2 = 1,5 mm
Số vòi
Áp suất
Khối
Thời gian
Đường
Kết quả (g)
phun n đầu vào P o lượng tỏi
bóc t
kính d 2
Đạt
Không đạt
(mm)
(bar)
m (g)
(giây)

1

289

2

2


290

0

290

0

4

285

4

5

284

7

287,6

2,6

3

1,5

8


6,0

300

Trung bình

20

Ta thấy:
- Tỉ lệ tỏi được bóc sạch vỏ khá cao, đạt khoảng 95,9%.
- Kết quả của các thí nghiệm cũng rất gần nhau (biên độ khoảng 6g).
Kết quả thực nghiệm cho thấy có sự phân biệt rõ ràng và có sự chênh lệch rất lớn về
hiệu suất bóc vỏ giữa vòi phun d 2 = 1mm và d 2 = 1,5 mm. Rõ ràng, vòi phun d 2 = 1,5 mm
cho hiệu quả bóc vỏ tỏi cao hơn do dòng khí phun ra có tiết diện lớn hơn, lực tập trung cao
khiến tép tỏi có thể va đập mạnh hơn mà có thể tách vỏ tỏi ra khỏi tép tốt hơn. Kết quả thực
nghiệm của hai phương án được thể hiện trên biểu đồ hình 14.
3. KẾT LUẬN
- Vận tốc dòng khí không chỉ chịu ảnh hưởng của đường kính đầu vào và đầu ra mà còn
phụ thuộc rất lớn vào biên dạng đầu vào của vòi phun. Kết quả mô phỏng cho thấy vòi phun
với góc đầu vào β = 900, đường kính đầu ra d 2 = 1,0 mm và d 2 = 1,5 mm có mật độ dòng khí
dày và vận tốc dòng khí đạt được có thể sử dụng cho quá trình bóc vỏ tỏi bằng khí nén.
59


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- Hiệu suất bóc vỏ với vòi phun có đường kính d 2 = 1,0 mm chỉ đạt khoảng 60%, trong
khi vòi phun có đường kính d 2 = 1,5 mm đạt được hiệu suất cao đến 92%.
300
250
200


d = 1,0 mm

150

d = 1,5 mm

100
50
0

1

2

3

4

5

Hình 14: Biểu đồ so sánh khối lượng tỏi được bóc vỏ
- Hiệu quả sử dụng năng lượng có thể được đánh giá thông qua lượng khí cần thiết sử
dụng cho việc thực hiện bóc vỏ cho 1 gam tỏi:
Lưu lượng dòng khí qua một vòi phun được xác định theo công thức (2):
𝜋𝜋. 𝑑𝑑1 2
3,14. (0,004)2
𝑄𝑄 = 𝑓𝑓. 𝜔𝜔1 =
. 𝜔𝜔1 =
. 62,8 = 7.89. 10−4 (𝑚𝑚3 /𝑠𝑠) = 0,789 (𝑙𝑙/𝑠𝑠)

4
4

Lưu lượng khí tiêu thụ cho 8 vòi phun và thời gian 20 giây để thực hiện quá trình bóc vỏ:
Q tiêu thụ = 0,789. 8. 20 = 126,24 lít
Lượng khí tiêu thụ cần thiết để bóc sạch 1g tỏi khi sử dụng vòi phun d = 1 mm:
𝑞𝑞1.0 =

𝑄𝑄 126,24
=
= 0,523 𝑙𝑙/𝑔𝑔
𝑚𝑚
241,6

Lượng khí tiêu thụ cần thiết để bóc sạch 1g tỏi khi sử dụng vòi phun d = 1,5 mm:
𝑞𝑞1.5 =

𝑄𝑄 126,24
=
= 0,439 𝑙𝑙/𝑔𝑔
𝑚𝑚
287,6

Dễ dàng nhận thấy vòi phun có đường kính 1,5mm cho hiệu quả sử dụng năng lượng
cao hơn rất nhiều so với vòi phun có đường kính 1,0 mm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tôn Thất Minh, Giáo trình máy và thiết bị chế biến lương thực. NXB Đại học Bách
Khoa, Hà Nội, 2006.
[2] Lê Công Cát, Khí động ứng dụng. NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội, 2010
[3] Hoàng Đức Liên, Giáo trình kỹ thuật thủy khí. Đại học Nông Nghiệp Hà Nội, 2007.

[4] Đặng Thiện Ngôn, Nguyễn Đình Vũ, Tôn Thất Tín, Nghiên cứu phát triển máy bóc vỏ
tỏi, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 2013, Số 5, p. 25-31
[5] Cho Y. J., Kim C. J. Kim, Analysis of performance of an air-type garlic peeler for its optimum
design. Journal of the Korean Society for Agricultural Machinery, 1993, 18(4):351-357
[6] Văn Minh Nhựt, Giáo trình máy chế biến lương thực thực phẩm. Đại học Cần Thơ, 2005.
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ
1. Đặng Thiện Ngôn. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, Việt Nam.
Email: Điện thoại: 0913 804803
2. Tôn Thất Tín. Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam.
Email: Điện thoại: 0903 637701
3. Dương Văn Ba. Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam.
Email: Điện thoại: 0973 335841
60