Luận án Ảnh hưởng của chênh lệch độ ẩm trong gỗ xẻ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd.) đến khuyết tật khi sấy, ứng dụng cho lò sấy năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM ---------    --------- HÀ TIẾN MẠNH ẢNH HƯỞNG CỦA CHÊNH LỆCH ĐỘ ẨM TRONG GỖ XẺ KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Willd.) ĐẾN KHUYẾT TẬT KHI SẤY, ỨNG DỤNG CHO LÒ SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM ---------    --------- HÀ TIẾN MẠNH ẢNH HƯỞNG CỦA CHÊNH LỆCH ĐỘ ẨM TRONG GỖ XẺ KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Willd.) ĐẾN KHUYẾT TẬT KHI SẤY, ỨNG DỤNG CHO LÒ SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành đào tạo: Kỹ thuật chế biến lâm sản Mã ngành: 9 54 90 01 Người hướng dẫn khoa học: 1. GS. TS. Phạm Văn Chương 2. TS. Bùi Duy Ngọc HÀ NỘI – 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi. Nội dung của luận án có sử dụng một phần kết quả của đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ .., nghiên cứu sinh là cộng tác viên chính thực hiện nội dung nghiên cứu sấy gỗ Keo tai tượng bằng năng lượng mặt trời. Các thông tin, số liệu và kết quả nghiên cứu này đã được đơn vị chủ trì, chủ nhiệm đề tài và các thành viên chính tham gia thực hiện đề tài đồng ý cho phép sử dụng trong luận án. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực và chưa được tác giả khác công bố trong bất kỳ công trình nào, ngoại trừ báo cáo tổng kết đề tài và các bài tạp chí chuyên ngành do nghiên cứu sinh là tác giả chính. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Hà Tiến Mạnh ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành theo chương trình đào tạo tiến sĩ khóa 29 năm 2017 của Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam. Trong quá trình thực hiện, tác giả đã nhận được rất nhiều sự tạo điều kiện, hướng dẫn và giúp đỡ của quý cơ quan, quý thầy cô, đồng nghiệp cũng như gia đình và bạn bè. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng đến GS. TS. Phạm Văn Chương và TS. Bùi Duy Ngọc là những người hướng dẫn khoa học đã dành nhiều thời gian, công sức và tận tâm giúp đỡ để luận án được hoàn thành; TS. Adam Lloyd Redman là người trực tiếp hướng dẫn thực hiện các thí nghiệm tại DAF - Queensland, Úc để thu thập số liệu và công bố các bài báo. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các chuyên gia, các đồng nghiệp, các cán bộ, nguyên cán bộ của Viện Nghiên cứu Công nghiệp rừng đã luôn đồng hành, giúp đỡ suốt quá trình thực hiện các nghiên cứu và sẵn sàng chia sẻ, góp ý chuyên môn để luận án có được hàm lượng khoa học cao. Trong đó, TS. Nguyễn Đức Thành là người trực tiếp thực hiện các thí nghiệm chụp ảnh cấu tạo hiển vi gỗ Keo tai tượng tại Đại học Kyoto, Nhật Bản. Tác giả cũng đã nhận được sự hỗ trợ và quan tâm kịp thời trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án từ Ban Giám đốc Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, Ban Lãnh đạo và chuyên viên của Viện Nghiên cứu Công nghiệp rừng, lãnh đạo và chuyên viên của Ban Khoa học, Đào tạo và Hợp tác quốc tế, lãnh đạo và các cán bộ nhân viên của Trung tâm Chuyển giao công nghệ Công nghiệp rừng. Tác giả cũng được hỗ trợ về kinh phí của Quỹ học bổng Crawford Fund cho các hoạt động tập huấn, đào tạo và thí nghiệm tại DAF - Queensland, Úc. Nhân dịp này, tác giả xin được trân trọng gửi lời cảm ơn đến các cơ quan, tổ chức và đơn vị. Cuối cùng là sự tri ân tình cảm đến tất cả những người thân trong gia đình và bạn bè đã chia sẻ khó khăn, động viên tinh thần để tác giả hoàn thành luận án. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................ii PHẦN MỞ ĐẦU.........................................................................................................1 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..................................................5 1.1. Mức chênh lệch độ ẩm trong gỗ khi sấy ..........................................................5 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khuyết tật gỗ sấy....................................................9 1.3. Quá trình vận chuyển ẩm trong gỗ khi sấy.....................................................10 1.4. Đặc tính của gỗ sử dụng cho mô hình chuyển khối .......................................17 1.5. Mô hình hóa trong sấy gỗ...............................................................................22 1.6. Nghiên cứu về sấy gỗ và sấy NLMT..............................................................25 1.7. Tiểu kết...........................................................................................................31 Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................33 2.1. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................33 2.1.1. Xác định mức chênh lệch độ ẩm trong gỗ xẻ Keo tai tượng khi sấy và ảnh hưởng của nó đến khuyết tật..............................................................................33 2.1.2. Nghiên cứu sấy gỗ xẻ Keo tai tượng bằng lò sấy NLMT........................33 2.2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu .............................................................33 2.2.1. Vật liệu nghiên cứu..................................................................................33 2.2.2. Phương pháp luận và cách tiếp cận nghiên cứu.......................................34 2.2.3. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................35 2.2.3.1. Phương pháp xác định đặc điểm cấu tạo và đặc tính gỗ Keo tai tượng35 2.2.3.2. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của mức chênh lệch độ ẩm đến khuyết tật ...........................................................................................................46 iv 2.2.3.3. Phương pháp xây dựng mô hình toán học ............................................50 2.2.3.4. Phương pháp lựa chọn chế độ sấy NLMT............................................55 2.2.3.5. Phương pháp đề xuất quy trình sấy NLMT..........................................58 Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .......................................60 3.1. Ảnh hưởng của đặc điểm cấu tạo và đặc tính gỗ Keo tai tượng đến quá trình vận chuyển ẩm.......................................................................................................60 3.1.1. Đặc điểm cấu tạo .....................................................................................60 3.1.2. Tính chất vật lý........................................................................................71 3.1.3. Đặc tính chuyển khối...............................................................................74 3.1.4. Ảnh hưởng của đặc điểm cấu tạo và đặc tính gỗ Keo tai tượng đến quá trình sấy .............................................................................................................80 3.2. Ảnh hưởng của mức chênh lệch độ ẩm đến khuyết tật trong suốt quá trình sấy gỗ xẻ Keo tai tượng ...............................................................................................81 3.2.1. Diễn biến giảm độ ẩm gỗ và diễn biến môi trường sấy...........................81 3.2.2. Sự thay đổi mức chênh lệch độ ẩm trong suốt quá trình sấy...................84 3.2.3. Sự phát triển khuyết tật trong suốt quá trình sấy.....................................87 3.2.4. Xây dựng hàm tương quan giữa mức chênh lệch độ ẩm và khuyết tật ...94 3.2.5. Xác định ngưỡng của mức chênh lệch độ ẩm ảnh hưởng đến khuyết tật .........................................................................................................................100 3.3. Mô hình toán học mô phỏng quá trình vận chuyển ẩm khi sấy gỗ Keo tai tượng trong lò sấy quy chuẩn ........................................................................................101 3.3.1. Kết quả mô phỏng .................................................................................101 3.3.2. Đối chiếu kết quả mô phỏng của mô hình với thực nghiệm..................107 3.4. Chế độ sấy gỗ xẻ Keo tai tượng bằng NLMT ..............................................109 v 3.4.1. Sự ảnh hưởng của chế độ sấy đến chất lượng gỗ sấy ............................109 3.4.2. Sự ảnh hưởng của chế độ sấy đến thời gian sấy....................................110 3.4.3. Đánh giá kết quả nghiên cứu sấy NLMT trên cơ sở các hàm tương quan giữa mức chênh lệch độ ẩm, EMC và mức độ nứt vỡ gỗ sấy..........................114 3.5. Đề xuất quy trình sấy gỗ xẻ Keo tai tượng bằng năng lượng mặt trời.........116 3.5.1. Kết quả khảo nghiệm.............................................................................116 3.5.2. Quy trình công nghệ sấy gỗ xẻ Keo tai tượng bằng NLMT..................124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................132 1. Kết luận...............................................................................................................132 2. Tồn tại và kiến nghị ............................................................................................134 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ..........................135 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................136 PHỤ LỤC...................................................................................................................... vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Viết tắt/ký Giải thích hiệu ALU-CHA Hệ thống thiết bị đo hệ số thấm ANOVA Phân tích phương sai IAWA Hội Giải phẫu gỗ quốc tế MC gradient Mức chênh lệch độ ẩm/dốc ẩm NLMT Năng lượng mặt trời OM Optical microscope - Kính hiển vi quang học PVC-CHA Một hệ thống đo hệ số khuếch tán SEM Scanning electron microscope - Kính hiển vi điện tử quét W Khoảng trễ giữa hai đồ thị hút và nhả ẩm X Chênh lệch độ ẩm giữa 2 bề mặt của mẫu khuếch tán A Diện tích mặt cắt ngang mẫu khuếch tán Ai Diện tích ảnh tế bào sợi gỗ hoặc mạch gỗ thứ i Aj Diện tích lỗ rỗng ruột tế bào sợi gỗ hoặc mạch gỗ thứ j C Mức độ cong vênh Db Hệ số khuếch tán Dfl Đường kính ruột tế bào sợi gỗ Di Kích thước ban đầu theo hướng xuyên tâm/tiếp tuyến mẫu co rút Dt Kích thước lúc đo theo hướng xuyên tâm/tiếp tuyến mẫu co rút Edt Sai số thời gian sấy giữa dự đoán của mô hình và thực nghiệm EMC Độ ẩm thăng bằng FSP Điểm bão hòa thớ gỗ G Tỷ trọng ở độ ẩm cuối cùng mẫu khuếch tán K Hệ số thấm L Chiều dọc thớ/Kích thước theo chiều dọc thớ/chiều dài m Khối lượng của hơi ẩm khuếch tán qua mẫu mb Khối lượng kẹp giữ mẫu co rút vii Viết tắt/ký Giải thích hiệu MC Độ ẩm gỗ MCa Độ ẩm trung bình đống gỗ sấy MCai Độ ẩm trung bình ban đầu của thanh mẫu MCat Độ ẩm trung bình tại các thời điểm đo của thanh mẫu MCg Độ ẩm các vị trí theo chiều dày thanh mẫu MCt Độ ẩm của mẫu tại các thời điểm đo md Khối lượng mẫu khô kiệt mg Khối lượng kẹp giữ mẫu còn tươi mi Khối lượng ban đầu thanh mẫu sấy MOE Modulus of elasticity - Mô đun đàn hồi uốn tĩnh MOR Modulus of rupture - Độ bền uốn tĩnh mt Khối lượng thanh mẫu sấy tại các thời điểm đo n Số điểm dữ liệu rời rạc NDi Mức độ nứt đầu của thanh gỗ thứ i Ni Tổng mức độ nứt vỡ của thanh gỗ thứ i NMi Mức độ nứt mặt của thanh gỗ thứ i P Giá trị xác suất (giá trị p) R Chiều xuyên tâm/Kích thước theo chiều xuyên tâm R2 Hệ số tương quan của hai kết quả đo RH Relative humidity - Độ ẩm môi trường sấy RMSE Root Mean Square Error - Sai số toàn phương trung bình gốc SD Standard deviation - Độ lệch chuẩn St Độ co rút của mẫu tại các thời điểm đo Nhiệt độ môi trường sấy/Chiều tiếp tuyến/Kích thước theo chiều T tiếp tuyến/chiều dày mẫu t Thời gian te Thời gian sấy thực nghiệm viii Viết tắt/ký Giải thích hiệu Tfw Độ dày vách tế bào sợi gỗ Tk Nhiệt độ khô môi trường sấy ts Thời gian sấy dự đoán của mô hình Tư Nhiệt độ ướt môi trường sấy U Dốc sấy Vg Thể tích mẫu khi đạt độ ẩm bão hòa W Chiều rộng mẫu X Độ ẩm cuối cùng của mẫu khuếch tán Xb Độ ẩm mặt dưới của mẫu khuếch tán Xt Độ ẩm mặt trên của mẫu khuếch tán yt Giá trị MC và nhiệt độ sấy của mẻ sấy thực nghiệm ở thời điểm t ŷt Giá trị đầu ra (MC và nhiệt độ sấy) của mô hình ở thời điểm t α Mức ý nghĩa giả thuyết thống kê ΔT Chênh lệch nhiệt độ khô - ướt môi trường sấy ρb Khối lượng riêng cơ bản ρw Khối lượng riêng của nước φ Độ rỗng ruột tế bào sợi gỗ hoặc mạch gỗ ϕ Đường kính φf Độ rỗng ruột tế bào sợi gỗ φt Tổng độ rỗng φv Độ rỗng ruột tế bào mạch gỗ ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Đặc tính gỗ Keo tai tượng ở vườn giống Queensland .........................................19 Bảng 2.1. Chế độ sấy cứng với dốc sấy U = 4,4 - 5,0..........................................................48 Bảng 2.2. Chế độ sấy mềm với dốc sấy U = 2,0 - 2,5..........................................................48 Bảng 2.3. Các đặc tính gỗ Keo tai tượng đã xác định..........................................................51 Bảng 2.4. Các thông số môi trường sấy đưa vào mô hình ...................................................52 Bảng 2.5. Thứ tự giảm dần độ nhạy của các yếu tố tác động đến mô hình .........................54 Bảng 2.6. Chế độ cài đặt sấy thí nghiệm bằng NLMT.........................................................56 Bảng 3.1. Độ rỗng của gỗ xác định trên các mẫu ảnh..........................................................68 Bảng 3.2. Khối lượng riêng cơ bản ......................................................................................71 Bảng 3.3. Độ co rút và FSP..................................................................................................72 Bảng 3.4. Hệ số thấm lỏng và khí (K) theo chiều dọc thớ (L), xuyên tâm (R), và tiếp tuyến (T) của gỗ Keo tai tượng ......................................................................................................74 Bảng 3.5. Hệ số thấm khí (K) theo chiều dọc thớ (L), xuyên tâm (R), và tiếp tuyến (T) của một số loại gỗ lá rộng...........................................................................................................76 Bảng 3.6. Hệ số khuếch tán ẩm (Db) theo chiều dọc thớ (L), xuyên tâm (R), và tiếp tuyến (T) của gỗ Keo tai tượng ......................................................................................................78 Bảng 3.7. Hệ số khuếch tán ẩm (Db) theo chiều dọc thớ (L), xuyên tâm (R), và tiếp tuyến (T) của một số loại gỗ lá rộng ..............................................................................................78 Bảng 3.8. Mức chênh lệch độ ẩm, EMC và nứt vỡ ở mẻ sấy cứng và sấy mềm..................95 Bảng 3.9. Các hàm tương quan giữa mức độ nứt vỡ với mức chênh lệch độ ẩm và EMC ở các mốc độ ẩm gỗ trong mẻ sấy cứng và sấy mềm..............................................................98 Bảng 3.10. Các chỉ số mức chênh lệch độ ẩm và EMC cần đạt để mẻ sấy giả định có mức độ nứt vỡ bằng 0 % ..............................................................................................................98 Bảng 3.11. Các chỉ số mức chênh lệch độ ẩm và EMC cần đạt để mẻ sấy giả định có mức độ nứt vỡ bằng 0,5 % ...........................................................................................................98 x Bảng 3.12. Các ngưỡng mức chênh lệch độ ẩm tối đa và EMC tối thiểu làm gỗ sấy xảy ra các mức độ nứt vỡ khác nhau.............................................................................................100 Bảng 3.13. Chất lượng của gỗ ở các chế độ sấy bằng NLMT ...........................................109 Bảng 3.14. Kết quả nghiên cứu sấy đã công bố với một số loại gỗ ...................................109 Bảng 3.15. Thời gian từng giai đoạn sấy của các chế độ sấy thí nghiệm NLMT ..............111 Bảng 3.16. Mức chênh lệch độ ẩm, EMC tính toán và thực tế trong lò sấy NLMT ..........114 Bảng 3.17. Một số thông tin cơ bản về 2 mẻ sấy khảo nghiệm .........................................117 Bảng 3.18. Chất lượng gỗ sấy ở các mẻ sấy khảo nghiệm và mẻ đối chứng.....................118 Bảng 3.19. Chi phí sấy 1 lò sấy hơi nước cho 35 m3 gỗ Keo xẻ dày 25 mm.....................122 Bảng 3.20. Chi phí sấy 1 lò sấy NLMT cho 30 m3 gỗ Keo xẻ dày 25 mm........................123 Bảng 3.21. So sánh chi phí sấy giữa lò sấy NLMT và lò sấy hơi nước .............................123 Bảng 3.22. Chế độ sấy bằng NLMT cho gỗ xẻ Keo tai tượng có chiều dày (25 ± 1) mm.128 Bảng 3.23. Ví dụ quy đổi chế độ sấy bằng NLMT cho gỗ xẻ Keo tai tượng có chiều dày (25 ± 1) mm........................................................................................................................129 xi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Ví dụ chênh lệch ẩm gỗ sấy ...................................................................................5 Hình 1.2. Mô tả mối liên quan giữa chênh lệch ẩm đến chênh lệch ứng suất........................5 Hình 1.3. Đo nội ứng suất ở các vị trí khác nhau theo chiều dày ..........................................6 Hình 1.4. Mô tả quá trình vận chuyển ẩm trong gỗ lá rộng .................................................10 Hình 1.5. Màng lỗ thông ngang giữa 2 tế bào mạch gỗ gỗ Populus sp. độ phóng đại x2500 ..............................................................................................................................................11 Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo hệ số thấm khí..........................................................14 Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo hệ số khuyếch tán.....................................................16 Hình 1.8. Hình ảnh mô phỏng vách tế bào gỗ......................................................................17 Hình 1.9. Hình ảnh mô phỏng ba chiều của mẫu gỗ Phong (Birch - Betula spp.)...............18 Hình 1.10. Một ví dụ đồ thị xác định FSP ...........................................................................22 Hình 2.1. Ảnh mô tả xác định độ rỗng.................................................................................37 Hình 2.2. Sơ đồ chuẩn bị mẫu để kiểm tra hệ số thấm và hệ số khuếch tán ........................38 Hình 2.3. Máy khoan rút lõi lấy mẫu để kiểm tra hệ số thấm và hệ số khuếch tán .............39 Hình 2.4. Máy đo hệ số thấm Porolux 1000 Porometer.......................................................40 Hình 2.5. Vaporimeter đo hệ số khuyếch tán ẩm trên hệ thống PVC-CHA ........................41 Hình 2.6. Ảnh chụp các vaporimeter ...................................................................................41 Hình 2.7. Tủ khí hậu có găng tay để thao tác cân mẫu không mở cánh tủ ..........................42 Hình 2.8. Chuẩn bị mẫu xác định khối lượng riêng cơ bản (mẫu 2), độ co rút và điểm bão hoà thớ gỗ (mẫu 1) ...............................................................................................................43 Hình 2.9. Ảnh mô tả mẫu và quá trình xác định độ co rút ...................................................45 Hình 2.10. Sơ đồ xếp đống gỗ sấy để rút 2 mẫu MCa và 2 mẫu MCg..................................46 Hình 2.11. Lò sấy gỗ quy chuẩn Melb Uni 2074-4..............................................................47 Hình 2.12. Thiết bị cắt lát mẫu gỗ mỏng..............................................................................47 xii Hình 2.13. Thiết bị đo thông số môi trường sấy ..................................................................48 Hình 2.14. Sơ đồ thanh gỗ (a) được mô phỏng dưới dạng lưới của mặt cắt ngang (b) và mặt cắt dọc (c).............................................................................................................................53 Hình 2.15. Lò sấy gỗ sử dụng NLMT thí nghiệm................................................................55 Hình 2.16. Mô tả phép đo cong, vênh của gỗ sấy ................................................................57 Hình 2.17. Đầu đo độ ẩm của đống gỗ sấy nối với bộ hiển thị............................................58 Hình 2.18. Thiết bị đo tốc độ gió (vàng - đen) và đo nhiệt độ, độ ẩm (trắng) .....................58 Hình 2.19. Lò sấy NLMT khảo nghiệm...............................................................................59 Hình 3.1. Lỗ mạch trên mặt cắt ngang .................................................................................60 Hình 3.2. Mạch gỗ trên mặt cắt tiếp tuyến và mặt cắt ngang...............................................61 Hình 3.3. Lỗ thông ngang trên vách giữa các mạch gỗ (mặt cắt tiếp tuyến) .......................62 Hình 3.4. Lỗ thông ngang giữa mạch và tia (mặt cắt xuyên tâm)........................................62 Hình 3.5. Ảnh OM x 400 lần quan sát sợi gỗ trên mặt cắt ngang........................................63 Hình 3.6. Mặt cắt xuyên tâm và tiếp tuyến quan sát sợi gỗ, tia gỗ và tế bào mô mềm........63 Hình 3.7. Xu hướng giảm cấp chất lượng gỗ sấy do mo móp theo tỷ lệ Dfl/Tfw..................64 Hình 3.8. Hình ảnh lỗ thông ngang của sợi gỗ (trên mặt cắt xuyên tâm) ............................65 Hình 3.9. Các ảnh mặt cắt ngang và xuyên tâm quan sát tế bào mô mềm...........................65 Hình 3.10. Tia gỗ trên mặt cắt tiếp tuyến.............................................................................66 Hình 3.11. Các ảnh OM mặt cắt dọc thớ quan sát tia gỗ .....................................................66 Hình 3.12. Màng lỗ thông ngang không có nút....................................................................67 Hình 3.13. Các chất chứa trong gỗ.......................................................................................68 Hình 3.14. Xu hướng tăng tốc độ sấy theo độ rỗng (%) ......................................................69 Hình 3.15. Đường cong co rút điển hình của 2 mẫu xuyên tâm và tiếp tuyến.....................72 Hình 3.16. Đường cong co rút điển hình mô tả giai đoạn gỗ mo móp.................................73 xiii Hình 3.17. Quá trình tiến triển của dòng khuếch tán ẩm theo thời gian của gỗ Keo tai tượng ..............................................................................................................................................77 Hình 3.18. So sánh hệ số thấm và khuếch tán của gỗ Keo tai tượng với một số loại gỗ lá rộng ......................................................................................................................................79 Hình 3.19. Xu hướng giảm cấp chất lượng gỗ sấy do nứt vỡ theo chênh lệch co rút các chiều và tỷ lệ giữa co rút và khuếch tán...............................................................................81 Hình 3.20. Diễn biến độ ẩm gỗ và các thông số môi trường theo thời gian ở mẻ sấy số 1 (dốc sấy U = 4,4 - 5,0)..........................................................................................................82 Hình 3.21. Diễn biến độ ẩm gỗ và các thông số môi trường theo thời gian ở mẻ sấy số 2 (dốc sấy U = 2,0 - 2,5)..........................................................................................................83 Hình 3.22. Mức chênh lệch độ ẩm trong tấm gỗ suốt quá trình sấy ....................................85 Hình 3.23. Chiều dài các vết nứt mặt khả kiến của các tấm gỗ suốt quá trình sấy..............88 Hình 3.24. Chiều dài các vết nứt đầu khả kiến của các tấm gỗ suốt quá trình sấy ..............89 Hình 3.25. Vết nứt đầu xuất hiện trên tấm ván tiếp tuyến ...................................................90 Hình 3.26. Độ sâu mo móp suốt quá trình sấy .....................................................................91 Hình 3.27. Độ cao cong vênh trung bình của các tấm gỗ suốt quá trình sấy .......................93 Hình 3.28. Đồ thị và mức độ nứt vỡ, mức chênh lệch độ ẩm và EMC ở các mốc độ ẩm gỗ trong mẻ sấy cứng và sấy mềm ............................................................................................96 Hình 3.29. Đồ thị mối tương quan giữa mức độ nứt vỡ với mức chênh lệch độ ẩm và EMC ở thời điểm độ ẩm gỗ đạt 50 % ............................................................................................96 Hình 3.30. Đồ thị mối tương quan giữa mức độ nứt vỡ với mức chênh lệch độ ẩm và EMC ở thời điểm độ ẩm gỗ đạt 20 % ............................................................................................97 Hình 3.31. Đồ thị mối tương quan giữa mức độ nứt vỡ với mức chênh lệch độ ẩm và EMC ở thời điểm độ ẩm gỗ đạt 12 % ............................................................................................97 Hình 3.32. Đồ thị mức chênh lệch độ ẩm và EMC ở các mốc độ ẩm gỗ trong 2 mẻ sấy giả định với mức độ nứt vỡ bằng 0 % và 0,5 %.........................................................................99 xiv Hình 3.33. Mô phỏng diễn biến MC và nhiệt độ trên mặt cắt ngang ván xuyên tâm thời điểm 0 giờ, MC 152,53 % ..................................................................................................102 Hình 3.34. Mô phỏng diễn biến MC và nhiệt độ trên mặt cắt ngang ván xuyên tâm thời điểm 63 giờ, MC 50 % .......................................................................................................103 Hình 3.35. Mô phỏng diễn biến MC và nhiệt độ trên mặt cắt ngang ván xuyên tâm thời điểm 202 giờ, MC 25,28 % ................................................................................................103 Hình 3.36. Mô phỏng diễn biến MC và nhiệt độ trên mặt cắt ngang ván xuyên tâm thời điểm 305 giờ, MC 12 % .....................................................................................................104 Hình 3.37. Mô phỏng diễn biến MC trên mặt cắt ngang của ván xuyên tâm (a) và ván tiếp tuyến (b) thời điểm MC đạt 100 % ....................................................................................105 Hình 3.38. Mô phỏng tổng thời gian sấy của ván xuyên tâm (a) và ván tiếp tuyến (b).....105 Hình 3.39. Mô phỏng diễn biến MC và nhiệt độ trên mặt cắt ngang ván tiếp tuyến thời điểm 32 giờ, MC 50 % .......................................................................................................106 Hình 3.40. Mô phỏng diễn biến MC và nhiệt độ trên mặt cắt ngang ván tiếp tuyến thời điểm 89,5 giờ, MC 25,28 % ...............................................................................................107 Hình 3.41. So sánh diễn biến giảm MC giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm ..............108 Hình 3.42. Đồ thị diễn biến ẩm của gỗ ở các chế độ sấy NLMT.......................................112 Hình 3.43. Đồ thị thông số sấy và diễn biến ẩm của gỗ với dốc sấy U = 3,2 ....................113 Hình 3.44. Mức chênh lệch độ ẩm, EMC tính toán và thực tế trong lò sấy NLMT ..........115 Hình 3.45. Mối quan hệ giữa EMC tính toán và thực tế trong lò sấy NLMT....................116 Hình 3.46. Diễn biến nhiệt độ và độ ẩm môi trường của 2 mẻ sấy khảo nghiệm..............117 Hình 3.47. Diễn biến thông số môi trường và độ ẩm của gỗ trong mẻ sấy số 1 ................120 Hình 3.48. Sơ đồ công nghệ sấy gỗ Keo tai tượng rừng trồng bằng NLMT .....................125 Hình 3.49. Sơ đồ xếp gỗ trong lò sấy.................................................................................127 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Ở Việt Nam, diện tích rừng trồng đang tăng nhanh chóng trong hơn 30 năm qua và cây Keo tai tượng (Acacia mangium Willd.) đã trở thành cây trồng chủ lực để cung cấp gỗ cho ngành chế biến hiện nay. Sấy gỗ là khâu bắt buộc trong quy trình sản xuất và quyết định chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, sấy gỗ cũng cản trở đến năng suất và lợi nhuận do nhân công, nhiên liệu và gỗ sấy bị khuyết tật, đặc biệt là những loài cây rừng trồng mọc nhanh như Keo tai tượng là vấn đề cần được giải quyết khắc phục. Sấy gỗ là tổng hợp các quá trình vận chuyển xảy ra bên trong và bề mặt gỗ, bao gồm vận chuyển ẩm, bay hơi bề mặt, vận chuyển nhiệt và trao đổi nhiệt. Vận chuyển ẩm chịu tác động bởi 3 quá trình còn lại, ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian và chất lượng gỗ sấy nên được luận án tập trung nghiên cứu. Động lực để vận chuyển ẩm (nước và hơi nước) từ trong gỗ ra bề mặt là mức chênh lệch độ ẩm, đặc trưng bằng dốc ẩm (moisture content gradient). Mức chênh lệch độ ẩm cũng dẫn đến sự co rút không đều, sản sinh nội ứng suất, gây nứt vỡ và biến dạng gỗ sấy. Điều tiết mức chênh lệch độ ẩm giúp quá trình sấy đạt hiệu quả cao, gỗ khô nhanh và ít khuyết tật. Xác định mức chênh lệch độ ẩm từ tâm ra bề mặt gỗ trong suốt quá trình sấy và ảnh hưởng tới sự phát triển khuyết tật có ý nghĩa khoa học và thực tiễn giúp lựa chọn các chế độ sấy phù hợp. Sự di chuyển ẩm trong gỗ rất phức tạp thông qua các kênh mao quản chính được kết nối bằng các lỗ nhỏ hơn được gọi là quá trình chuyển khối (mass transfer). Chuyển khối đặc trưng bởi khả năng thấm và khuếch tán phụ thuộc vào cấu tạo gỗ. Môi trường sấy tác động đến tốc độ bay hơi bề mặt và quá trình chuyển khối bên trong gỗ cần được xác định. Các đặc tính khác bao gồm khối lượng riêng, co rút, điểm bão hòa thớ gỗ (FSP) và độ rỗng trong gỗ cũng được đo đếm để hiểu rõ các hiện tượng xảy ra với gỗ sấy và cung cấp dữ liệu đầu vào cho mô hình toán học mô phỏng quá trình sấy. Mô hình toán học là công cụ mạnh mẽ, sử dụng ngôn ngữ toán học để hiểu cơ chế của quá trình sấy gỗ và tối ưu hóa chế độ sấy sao cho thời gian sấy và khuyết tật là tối thiểu. Đây là phương pháp tiến bộ, hiệu quả hơn phương pháp truyền thống thường 2 được thực hiện bởi nhiều mẻ sấy thí nghiệm lặp lại với thời gian và chi phí lớn. Mô hình của luận án được xây dựng trên cơ sở kế thừa các thuật toán đã được lập trình trên phần mềm Matlab bởi Redman. Các thuật toán trong mô hình của tác giả này phù hợp với thông số trong lò sấy thông thường (sấy quy chuẩn) hoặc lò sấy chân không nên mô hình toán học trong luận án được thực hiện ở lò sấy quy chuẩn. Mặc dù chưa ứng dụng được cho lò sấy năng lượng mặt trời (NLMT) nhưng việc sử dụng mô hình toán học để tối ưu hoá chế độ sấy đã đưa ra cách tiếp cận mới trong nghiên cứu về sấy. Xác định mức chênh lệch độ ẩm và sự tương quan tới khuyết tật đã được thực hiện trong lò sấy quy chuẩn và ứng dụng để đối chiếu với lò sấy NLMT. Sấy gỗ sử dụng NLMT là hình thức sấy gián đoạn. Nhiệt được cung cấp nhiều cho lò sấy vào ban ngày, trời có đủ nắng. Vào ban đêm hoặc những ngày không có nắng, nhiệt sẽ dần mất đi, giúp sự chênh lệch ẩm trong gỗ cân bằng lại. Sấy gỗ bằng NLMT đang là hướng đi mới và ngày càng có tính ứng dụng cao trong sản xuất công nghiệp. Mong muốn tìm ra luận cứ khoa học về mối tương quan giữa mức chênh lệch độ ẩm và khuyết tật xảy ra trong gỗ suốt quá trình sấy và ứng dụng cho trường hợp sấy gỗ cụ thể là lý do mà luận án “Ảnh hưởng của chênh lệch độ ẩm trong gỗ xẻ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd.) đến khuyết tật khi sấy, ứng dụng cho lò sấy năng lượng mặt trời” cần thiết được thực hiện nhằm bổ sung cơ sở khoa học để tiếp tục phát triển nghiên cứu về sấy gỗ nói chung và sấy gỗ Keo tai tượng nói riêng. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu lý luận: Xác định được mối quan hệ về bản chất giữa mức chênh lệch độ ẩm trong gỗ xẻ Keo tai tượng đến khuyết tật khi sấy. Mục tiêu thực tiễn: Đề xuất được quy trình sấy gỗ xẻ Keo tai tượng trong lò sấy năng lượng mặt trời. 3. Đối tượng nghiên cứu Gỗ Keo tai tượng 9 năm tuổi được khai thác tại thôn Thanh Cao, xã Ngọc Thanh, thành phố Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc. 3 4. Phạm vi nghiên cứu Tập trung nghiên cứu quá trình vận chuyển ẩm khi sấy gỗ, không nghiên cứu các quá trình bay hơi bề mặt, vận chuyển nhiệt và trao đổi nhiệt. Xác định ảnh hưởng trực tiếp của mức chênh lệch độ ẩm đến khuyết tật suốt quá trình sấy, không xác định tương quan của mức chênh lệch độ ẩm và nội ứng suất. Mức chênh lệch độ ẩm được giới hạn là giữa các vị trí theo chiều dày tấm gỗ. Sử dụng phương pháp cắt lát mẫu theo chiều dày tấm gỗ để xác định mức chênh lệch độ ẩm trong gỗ sấy vì cho độ chính xác cao từ khi gỗ còn tươi. Nghiên cứu thăm dò cho thấy hệ số tương quan về kết quả đo của phương pháp cắt lát so với phương pháp điện trở là rất cao (R2 = 0,8795) khi xác định mức chênh lệch độ ẩm. Theo bảng phân nhóm gỗ sấy của Hồ Xuân Các (1999) [3], gỗ Keo tai tượng thuộc nhóm gỗ III, là nhóm gồm các loại gỗ có khối lượng riêng trung bình nhưng dễ xuất hiện khuyết tật sấy. Chế độ sấy hai cấp cho nhóm này là dốc sấy 2,0 ở giai đoạn sấy đầu và dốc sấy 2,4 ở giai đoạn sấy cuối. Tuy nhiên, để thấy rõ sự ảnh hưởng của mức chênh lệch độ ẩm đến khuyết tật khi sấy, mẻ sấy cứng có dốc sấy U = 4,4 - 5,0 đã được thực hiện để so sánh với mẻ sấy mềm có dốc sấy U = 2,0 - 2,5. Các thông số nhiệt độ, độ ẩm môi trường sấy được tra bảng EMC. Các yếu tố cố định là yếu tố thuộc về nguyên liệu như loài, tuổi, kích thước gỗ sấy; yếu tố thuộc về công nghệ như thiết bị sấy và thiết bị kiểm tra; cách xếp đống gỗ; gỗ Keo tai tượng được lấy tại cùng một địa điểm và có cùng một độ tuổi. Kế thừa nền tảng lập trình của Redman cho mô hình TransPore hai chiều trên phần mềm Matlab [78] để sửa đổi dữ liệu và chạy mô hình toán học mô phỏng quá trình sấy quy chuẩn gỗ Keo tai tượng. Nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn chế độ sấy NLMT phù hợp cho gỗ Keo tai tượng và ứng dụng tại quy mô sản xuất để đánh giá, hiệu chỉnh và xây dựng quy trình. 4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Góp phần tìm hiểu bản chất của quá trình vận chuyển ẩm và mức chênh lệch độ ẩm ảnh hưởng đến khuyết tật suốt quá trình sấy gỗ Keo tai tượng. Ý nghĩa thực tiễn: Sự ảnh hưởng của mức chênh lệch độ ẩm đến khuyết tật là cơ sở để lựa chọn các chế độ sấy và xây dựng quy trình sấy cho gỗ Keo tai tượng trong lò sấy quy chuẩn, ứng dụng cho lò sấy năng lượng mặt trời. 6. Những đóng góp mới - Xác định được các đặc tính chuyển khối (thấm và khuếch tán) và các đặc tính khác của gỗ Keo tai tượng (cấu tạo hiển vi và siêu hiển vi, khối lượng riêng cơ bản, độ rỗng, độ co rút tế bào, FSP) giải thích cho mối quan hệ giữa mức chênh lệch độ ẩm và khuyết tật khi sấy và xây dựng mô hình toán học mô phỏng quá trình sấy. - Xác định được mức chênh lệch độ ẩm trong gỗ suốt quá trình sấy bằng phương pháp cắt lát và tìm ra mối quan hệ giữa mức chênh lệch độ ẩm này và khuyết tật là hướng nghiên cứu mới và cơ bản về sấy gỗ. - Đề xuất được quy trình sấy hợp lý cho gỗ Keo tai tượng bằng lò sấy NLMT và được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. 7. Cấu trúc của luận án Luận án có 142 trang, gồm 30 bảng và 78 hình, với kết cấu chính như sau: Phần mở đầu (4 trang) Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu (28 trang) Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu (27 trang) Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận (72 trang) Kết luận, tồn tại và kiến nghị (3 trang) Luận án có 109 tài liệu tham khảo, trong đó có 19 tài liệu tiếng Việt và 90 tài liệu tiếng Anh.