Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình sấy và chất lượng sản phẩm ứng với các chế độ sấy khác nhau với phương pháp sấy là bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm và vật liệu sấy là đảng sâm Việt Nam, thông qua việc xây dựng mô hình toán để tính toán truyền nhiệt truyền ẩm và thực nghiệm xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm Việt Nam.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
-- NGUYỄN XUÂN QUANG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SẤY NÔNG SẢN
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9 52 01 03
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TS. NGUYỄN HAY
2. PGS. TS. NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2020
LỜI CAM ĐOAN
i
Tác giả xin cam đoan rằng công trình “Nghiên cứu kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm sử
dụng sóng siêu âm” được trình bày trong luận án này là do chính tác giả thực hiện. Các
số liệu và kết quả có trong luận án là trung thực chưa được công trình của các tác giả
khác công bố.
Tp. HCM, năm 2020
Tác giả:
Nguyễn Xuân Quang
LỜI CẢM ƠN
ii
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh
đã tiếp nhận và tạo điều kiện cho tôi làm nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ Thuật Cơ
Khí khóa 2013.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy hướng dẫn khoa học GS. TS.
Nguyễn Hay và PGS.TS. Nguyễn Ngọc Phương, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ
và động viên trong suốt quá trình thực hiện luận án. Xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể
cán bộ khoa Cơ Khí Công Nghệ đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình
nghiên cứu. Đặc biệt là Thầy PGS. TS. Nguyễn Huy Bích, Thầy PGS.TS. Lê Anh Đức,
Thầy TS. Bùi Ngọc Hùng, Thầy TS. Nguyễn Đức Khuyến đã tận tình giúp đỡ, góp ý
xây dựng cho những nội dung của luận án được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn đến trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
đã tạo điều kiện về thời gian để tôi hoàn thành công việc nghiên cứu này. Ngoài ra, gửi
lời cảm ơn đến đồng nghiệp trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy và bạn bè thân hữu đã
động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu.
Cuối cùng, gửi lời cảm ơn đến gia đình đã động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất
cho tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. HCM, năm 2020
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Xuân Quang
TÓM TẮT
iii
Luận án: Nghiên cứu kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm
Nghiên cứu sinh: Nguyễn Xuân Quang
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9 52 01 03
Tại Việt Nam, đảng sâm là một sản phẩm trong nông nghiệp có giá trị kinh tế cao,
được sử dụng dùng làm thực phẩm và dược liệu. Rễ đảng sâm sau thu hoạch có độ ẩm
cao, vì vậy, việc làm khô nông sản này là cần thiết nhằm bảo quản trong thời gian dài.
Đảng sâm là vật liệu nhạy nhiệt. Vì thế, nhiệt độ tác nhân sấy và thời gian sấy ảnh
hưởng đến thành phần chất dinh dưỡng, dược chất và màu sắc của sản phẩm khô. Đề
tài “Nghiên cứu kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm” được thực
hiện trong luận án này với mục tiêu nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến
quá trình sấy và chất lượng sản phẩm ứng với các chế độ sấy khác nhau với phương
pháp sấy là bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm và vật liệu sấy là đảng sâm Việt Nam,
thông qua việc xây dựng mô hình toán để tính toán truyền nhiệt truyền ẩm và thực
nghiệm xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm Việt Nam.
Để đạt được mục tiêu của luận án các nội dung sau đây được triển khai nghiên cứu:
Thứ nhất, nghiên cứu thực nghiệm xác định tính chất nhiệt vật lý của đảng sâm Việt
Nam. Thứ hai, dựa vào phân tích phần tử hữu hạn và thuật toán tối ưu thiết kế bộ phận
phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy. Thứ ba, bằng phương pháp phân tích hiện tượng vật lý,
nghiên cứu kế thừa, sử dụng lý thuyết về toán học và vật lý xây dựng mô hình toán và
điều kiện biên về truyền nhiệt truyền ẩm bên trong vật liệu sấy khi sấy có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm; sử dụng phương pháp số giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền ẩm xác
định nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu trong quá trình sấy nhằm nghiên cứu động học sấy.
Thứ tư, tích hợp bộ phận phát sóng siêu âm vào một hệ thống máy sấy bơm nhiệt nhằm
nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của sóng siêu âm đến động học sấy, màu
sắc, dược chất saponin và xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu được tóm tắt như sau:
iv
Nghiên cứu thực nghiệm xác định tính chất nhiệt vật lý của đảng sâm Việt Nam bao
gồm:
1+ M
ρ = p
1
M
+ 1620 1020
+ Khối lượng riêng phụ thuộc vào độ ẩm:
0,399937+0,001958×t
a
M = 0,120438 - 0, 0005× t
e
a
a w 1- a
w
+ Độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào hoạt độ nước và nhiệt độ:
av
u
Δt = 1, 006× I - 0, 7
+ Nhiệt độ tăng thêm khi có sóng siêu âm lan truyền:
pc = 450, 44 + 42, 45× X
+ Nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào độ ẩm:
pk = 0, 0971+ 0, 0056× X
Bộ phận phát sóng siêu âm được thiết kế chế tạo có các thông số như sau: cường độ
có thể chỉnh được từ 0 kW/m2 đến 27 kW/m2, diện tích phát sóng 0,045 m2. Tần số làm
việc tại chế độ cộng hưởng là 19,927 kHz sai số so với tần số thiết kế là 0,073 kHz
(0,37%).
Xác định được phương trình khuếch tán là toán mô tả bản chất quá trình truyền nhiệt
truyền ẩm khi sấy vật liệu với sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Trong đó, có xét đến ảnh
hưởng của sóng siêu âm đến quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy và tác nhân
sấy. Giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền ẩm bằng phương pháp sai phân hữu hạn.
Kết quả sai lệch lớn nhất giữa giá trị thực nghiệm và tính toán lý thuyết là 14,5% đối
với độ ẩm trung bình và 10,2% đối với nhiệt độ trung bình.
Thực nghiệm sấy đảng sâm Việt Nam bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp với
sóng siêu âm tại những chế độ sấy với điều kiện tác nhân sấy: nhiệt độ 40-50 ºC, độ ẩm
15-23 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm 0,0-2,2 kW/m2; từ đó xác định sự thay đổi
màu sắc và hàm lượng saponin của đảng sâm khô so với nguyên liệu tươi là: ΔE từ 8,4-
v
12,9 và saponin tổng từ 78-95 %; và cũng từ đó xác định nhiệt độ trung bình, độ ẩm
trung bình của đảng sâm Việt Nam trong quá trình sấy; và cũng từ đó sử dụng thuật
toán PSO xác định đồng thời hệ số khuếch tán nhiệt (αt), hệ số khuếch tán ẩm (De) của
vật liệu sấy (giải pháp ERM-O). Hàm mục tiêu là để cực tiểu sai số của nhiệt độ và độ
ẩm vật liệu sấy giữa dữ liệu thực nghiệm và nghiệm của hệ phương trình truyền nhiệt
truyền ẩm trong vật liệu sấy. Mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán nhiệt, hệ số khuếch
-4
-6
-6
-4
-7
-8
u
u
α = 1, 014×10 +
- 6, 53×10 × I -
+
+
-
t
u
-9 2 - 7,16×10 I u
6,553×10 t
6, 242×10 × I t
a
1,3×10 × I 2 t a
a
-5 2 1, 7 ×10 I u 2 t a
2, 6×10 2 t a
212275×I
2 u
-
+2,202967×I -
+
-40,04×I
u
2 u
2
4286,96 273,15+t
a
a
273,15+t
2 3710120×I 24418,8×I u - 2 (273,15+t ) (273,15+t ) a
u
-4
a
eD = 3, 05×10 × e
tán ẩm của đảng sâm Việt Nam phụ thuộc vào nhiệt độ và cường độ siêu âm như sau:
Trên cơ sở giải bài toán tối ưu đa mục tiêu xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm
Việt Nam với phương pháp sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm. Một khuyến nghị
chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm Việt Nam như sau: nhiệt độ tác nhân sấy là 44 ºC, vận
tốc tác nhân sấy 0,5 m/s, độ ẩm tương đối của tác nhân sấy 18%, cường độ siêu âm là
2,1 kW/m2.
SUMMARY
vi
- Doctoral dissertation title: Study on agricultural products drying used ultrasound
- PhD Student: Nguyen Xuan Quang
- Major: Mechanical Engineering Code: 9 52 01 03
Codonopsis javanica is an agricultural product of high economic value in Vietnam,
used for food and medicine. So, its moisture content reduction is necessary for
preservation. C. javanica is a heat-sensitive material; therefore, drying air temperature
and drying time affect the nutrient composition, herbal medicine, and the color of dried
products. “Study on agricultural products drying used ultrasound" is studied in this
thesis to research the effects of ultrasound on the drying process and quality of dried C.
javanica at different drying modes. Based on theory research and experiment, the this
work determined the suitable drying mode for C. javanica by using heat pump drying
in combination with the ultrasound.
To obtain the goals of the research, the author had to carry out the following steps:
Firstly, the experimental method is adopted to determine the thermal properties of C.
javanica. Secondly, the finite element analysis and the optimization algorithm are
proposed to determine the parameters of the ultrasound transmitter. Thirdly, analyzing
the physical phenomena, and applying mathematical and physical theories to build the
mathematical model and boundary conditions of heat and moisture transfer inside the
material with the assistance of ultrasonic waves; using computational methods to solve
these equations to determine the temperature and moisture values inside the material
during the drying process. Fourthly, integrating the ultrasonic generator into a heat
pump drying system for experimental research to find out the effects of ultrasound on
kinetics, color, saponin content, as well as the suitable drying mode with the assistance
of the ultrasound for C. javanica.
The obtained results are summarized as follows:
Experimental research to determine physical thermal properties of C. javanica:
vii
1+ M
ρ = p
1
M
+ 1620 1020
+ The density of C. javanica depends on its moisture:
+ The equilibrium moisture content of C. javanica depends on its water activity
0,399937+0,001958×t
a
M = 0,120438 - 0, 0005× t
e
a
a w 1- a
w
and temperature:
+ The temperature inside C. javanica is increased in the presence of the ultrasound:
∆tav=1,006×Iu - 0,7
+ Heat capacity and thermal conductivity of C.javanica depend on its moisture
pc = 450, 44 + 42, 45× X
content:
pk = 0, 0971+ 0, 0056× X
The ultrasound transmitter is designed and fabricated with the following
parameters: the wave intensity is adjusted in the range of 0 kW/m2 to 27 kW/m2, and
the emitting area is 0,045 m2. Its operating frequency at the resonance mode is 19,927
kHz, which the error compared to the design frequency is 0,073 kHz (0,37%).
The diffusion equation, which is a mathematical model describing the heat and
mass transfer during ultrasound-assisted heat pump drying in the C.javanica, was
derived. Moreover, the boundary conditions of the convective heat and mass transfer at
the surface of the dried material with the support of ultrasound have been developed.
The heat and moisture transfer equations were solved by the explicit finite difference
approximation method. The biggest difference between the experiment and calculation
is 14,5% for average moisture and 10,2% for average temperature.
Experimental study at the different drying conditions: air temperature 40-50 ºC,
relative humidity 15-23 %, velocity 0,5 m/s, the ultrasound intensity 0,0-2,2 kW/m2;
determining the effect of the ultrasound on the color of dried C. javanica and on
viii
saponin components in dried products. The results show that values of ΔE in the range
of 8,4 to 12,9 and total saponin components in the range of 78% to 95% compared with
the fresh material; determining the effects of the ultrasound on drying kinetics of C.
javanica; and using the PSO algorithm to determine simultaneously the heat diffusion
coefficient (αt), moisture diffusion coefficient (De) of the drying material (ERM-O
solution). The objective function is to minimize the errors of heat and moisture
between the empirical data and the solution of heat and moisture transfer equations in
the drying material. The relationship between αt, De, the air temperature, and the
-4
-6
-6
-4
-7
-8
u
u
α = 1, 014×10 +
- 6, 53×10 × I -
+
+
-
t
u
-9 2 - 7,16×10 I u
6,553×10 t
6, 242×10 × I t
a
1,3×10 × I 2 t a
a
-5 2 1, 7 ×10 I u 2 t a
2, 6×10 2 t a
212275×I
2 u
-
+2,202967×I -
+
-40,04×I
u
2 u
2
4286,96 273,15+t
a
a
273,15+t
2 3710120×I 24418,8×I u - 2 (273,15+t ) (273,15+t ) a
u
-4
a
eD = 3, 05×10 × e
ultrasound intensity are as follows:
Basing on the multiobjective optimization with the weighted sum method to determine
the suitable drying mode for C. javanica with the ultrasound-assisted heat pump drying
method. A typical drying mode for C. javanica: the air temperature is 44 ºC, the
velocity is 0,5 m/s, the humidity of air is 18%, the ultrasound intensity is 2,1 kW/m2.
ix
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
TÓM TẮT ..................................................................................................................... iii
SUMMARY .................................................................................................................. vi
MỤC LỤC ..................................................................................................................... ix
CÁC KÝ HIỆU ............................................................................................................ xiii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................................... xvi
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... xvii
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ xx
GIỚI THIỆU ................................................................................................................. 1
1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu ........................................................................... 1
2. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu ................................................................................ 2
3. Giới hạn nghiên cứu .................................................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 2
5. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 2
6. Điểm mới và đóng góp của luận án .......................................................................... 3
CHƯƠNG1: TỔNG QUAN .......................................................................................... 5
1.1 Tổng quan về sấy và ảnh hưởng của các loại sóng đến quá trình
sấy nông sản ............................................................................................................ 5
1.1.1 Tổng quan về phương pháp sấy và sấy bơm nhiệt ............................................... 6
1.1.2 Sơ lược về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sấy và
các yếu tố ảnh hưởng đến động học quá trình sấy ............................................... 7
1.1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sấy bơm nhiệt tại Việt Nam .............................. 8
1.2 Sóng siêu âm và cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm.............................................. 10
1.2.1 Sóng siêu âm và ứng dụng ................................................................................... 10
1.2.2 Cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm ..................................................................... 10
x
1.3 Tình hình nghiên cứu sấy với sự hỗ trợ của sóng siêu âm trên thế giới ................. 11
1.3.1 Tình hình nghiên cứu thiết kế thiết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy ................... 11
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sấy nông sản thực phẩm với sự hỗ trợ
của sóng siêu âm .................................................................................................. 19
1.4 Nghiên cứu về truyền nhiệt truyền ẩm trong vật liệu khi sấy có sự hỗ trợ
của sóng siêu……………………………………………………………………25
1.5 Tổng quan về đối tượng nghiên cứu ....................................................................... 28
1.5.1 Đảng sâm .............................................................................................................. 28
1.5.2 Sơ chế và bảo quản đảng sâm .............................................................................. 29
1.5.3 Các phương pháp sấy và thiết bị sấy nhân sâm trên thế giới…………………....29
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......... 35
2.1 Vật liệu sấy .............................................................................................................. 35
2.2 Các phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 35
2.2.1 Giải pháp thiết kế bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy ..................................... 35
2.2.2 Phương pháp xác định mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm .............................. 37
2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu trong nghiên cứu thực nghiệm .................................. 37
2.2.4 Phương pháp xác định độ ẩm, nhiệt độ của vật liệu sấy ...................................... 37
2.2.5 Phương pháp xác định tính chất nhiệt vật lý vật liệu sấy..................................... 38
2.2.5.1 Khối lượng riêng của vật liệu sấy ..................................................................... 38
2.2.5.2 Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy…………………………………………......39
2.2.5.3 Hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm ........................................................................... 40
2.2.5.4 Độ ẩm cân bằng của đảng sâm .......................................................................... 42
2.2.6 Xác định lượng nhiệt tăng thêm khi sấy vật liệu có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm ......................................................................................................... 43
2.2.7 Phương pháp xác định các thông số liên quan đến động học sấy ........................ 44
2.2.7.1 Xác định hệ số trao đổi nhiệt, ẩm đối lưu khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy ....... 45
2.2.7.2 Xác định hệ số khuếch tán ẩm của vật liệu ....................................................... 45
2.2.8 Phương pháp đánh giá mô hình toán .................................................................... 50
2.2.9 Phương pháp xác định thông số và miền giá trị của các thông số ảnh
xi
hưởng đến động học sấy đảng sâm ...................................................................... 50
2.2.10 Phương pháp xác định chế độ sấy hợp lý ........................................................... 52
2.2.11 Phương pháp chọn phần mềm hỗ trợ khi nghiên cứu ........................................ 53
2.2.12 Phương pháp tối ưu hóa ..................................................................................... 53
2.3 Hệ thống máy sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm ......................................... 54
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...................................... 58
3.1 Thiết kế chế tạo bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy........................................... 57
3.2 Hiện tượng vật lý khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm ....................................... 66
3.3 Mô hình toán truyền nhiệt và truyền ẩm trong đảng sâm khi sấy có sự hỗ trợ
của sóng siêu âm ..................................................................................................... 71
3.4 Giải phương trình truyền nhiệt và ẩm trong vật liệu sấy ........................................ 74
3.5 Xác định tính chất nhiệt vật lý của đảng sâm ......................................................... 80
3.5.1 Khối lượng riêng của đảng sâm ........................................................................... 80
3.5.2 Nhiệt dung riêng của đảng sâm ............................................................................ 81
3.5.3 Hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm .............................................................................. 81
3.5.4 Độ ẩm cân bằng của đảng sâm ............................................................................. 82
3.6 Xác định lượng nhiệt tăng thêm và động học quá trình sấy đảng sâm ................... 83
3.6.1 Thực nghiệm sấy đảng sâm .................................................................................. 84
3.6.1.1 Khảo nghiệm xác định miền giá trị thông số cho các chế độ thí nghiệm ......... 85
3.6.1.2 Xác định lượng nhiệt tăng thêm khi sấy đảng sâm có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm……………………………………………………………………87
3.6.1.3 Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến động học quá trình sấy đảng sâm ............... 90
3.6.2 Xác định hệ số khuếch tán ẩm hệ số khuếch tán nhiệt ẩm của đảng sâm ............ 98
3.6.3 Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến tốc độ sấy của đảng sâm ............................... 105
3.7 Đánh giá sự thay đổi màu sắc của đảng sâm khi sấy có sự hỗ trợ của sóng
siêu âm…………………………………………………………………………...108
3.8 Đánh giá chất lượng đảng sâm khi sấy có sự hỗ trợ của sóng
siêu âm…………………………………………………………………………..111
3.9 Xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm ........................................................... 115
xii
3.10 Kiểm chứng tại chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm ............................................... 120
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................... 126
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 126
KIẾN NGHỊ ................................................................................................................ 128
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN
QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN .............................................................................. 129
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 130
Phục phần 2.2.6 ........................................................................................................... 141
Phục phần 2.2.7.1 ........................................................................................................ 143
Phục phần 2.3 .............................................................................................................. 146
Phục phần 3.2 .............................................................................................................. 152
Phục phần 3.5.1 ........................................................................................................... 158
Phục phần 3.5.2 ........................................................................................................... 162
Phục phần 3.5.3 ........................................................................................................... 166
Phục phần 3.5.4 ........................................................................................................... 169
Phục phần 3.6.1.2 ........................................................................................................ 176
Phục phần 3.6.1.3 ........................................................................................................ 177
Phục phần 3.6.2 ........................................................................................................... 181
Phục phần 3.7 .............................................................................................................. 208
Phục phần 3.8 .............................................................................................................. 210
Phục phần 3.10 ............................................................................................................ 211
xiii
CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị
Hoạt độ nước aw
Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm J/kg K cp
Nhiệt dung riêng của vật liệu khô J/kg K cs
Nhiệt dung riêng của nước J/kg K cw
Hệ số khuếch tán ẩm của vật liệu m2/s De
Hoạt độ năng lượng kJ/mol Ea
Module Young của vật liệu GPa Em
Tần số của sóng siêu âm kHz fu
kHz Tần số dao động của sóng âm trong vật liệu fw,m
J/kg Ẩn nhiệt hóa hơi của nước hfg
kg/m2s Hệ số trao đổi ẩm đối lưu tại bề mặt hm
W/m2 K Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tại bề mặt ht
kW/m2 Cường độ sóng siêu âm Iu
kW/m2 Cường độ sóng siêu âm tại nguồn phát Iu0
Khoảng cách từ tấm phát xạ (của bộ phận phát sóng) m L đến vật liệu sấy
m2/s Hệ số khuếch tán nhiệt của vật liệu αt
Hệ số mục tiêu αi
dB/m Hệ số suy giảm năng lượng của sóng siêu âm αa
W/m K Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu kp
Hệ số khuếch đại biên độ dao động ka
Hệ số tương quan trong thống kê R2
Độ ẩm của vật liệu (cơ sở khô) tại thời điểm bất kỳ kg / kg VLK M
Độ ẩm ban đầu của vật liệu (cơ sở khô) kg / kg VLK M0
Độ ẩm cân bằng của vật liệu (cơ sở khô) kg / kg VLK Me
xiv
kg / kmol Khối lượng mol phân tử của hơi nước Mv
kg / kmol Khối lượng mol phân tử của không khí Ma
kg / kg VLK Độ ẩm trung bình của vật liệu (cơ sở khô) Mav
kg / kg VLK Độ ẩm tại biên (cơ sở khô) Mb
kg / kg VLK Độ ẩm tại tâm (cơ sở khô) Mt
Độ ẩm không thứ nguyên MR
Khối lượng của vật liệu khô kg ms
Khối lượng của vật liệu ẩm (bao gồm vật liệu khô và kg mp ẩm)
Khối lượng của vật liệu tại thời điểm t kg mt
Khối lượng hơi nước tại bề mặt của vật liệu sấy kg mv,s
Khối lượng hơi nước trong TNS kg mv,a
Khối lượng TNS kg ma
Hệ số Nu (Nusselt) Nu
Hệ số Sh (Shewood) Sh
Công suất của nguồn phát sóng siêu âm kW Pu
Áp suất Pa p
Áp suất do sóng siêu âm tạo ra Pa pa
Áp suất hiệu dụng do sóng siêu âm tạo ra Pa Pa
Phân áp suất của hơi nước Pa pv
Năng lượng sóng siêu âm kJ Qu
Diện tích bộ phận phát xạ của bộ phận phát sóng siêu m2 SR âm
Độ ẩm vật liệu (cơ sở ướt) % X
Nhiệt độ vật liệu ºC t
Nhiệt độ trung bình của vật liệu sấy ºC tav
Nhiệt độ tác nhân sấy ºC ta
xv
Nhiệt độ tại lớp biên của vật liệu sấy ºC tb
Nhiệt độ tại tâm của vật liệu sấy ºC tt
Chuyển vị của sóng siêu âm m u
Vận tốc tác nhân sấy m/s va
Vận tốc truyền sóng âm trong không khí m/s vw,a
Vận tốc truyền sóng âm trong vật liệu m/s vw,m
Vận tốc dòng ẩm trong vật liệu m/s vw
Độ ẩm tác nhân sấy % φa
Một nửa chiều dày vật liệu sấy m δ
Bước sóng m λm
Thời gian s τ
Khối lượng riêng của ẩm kg/m3 ρw
Khối lượng riêng của vật liệu ẩm kg/m3 ρp
Khối lượng riêng của vật liệu khô kg/m3 ρs
Khối lượng riêng của không khí kg/m3 ρa
Khối lượng riêng của vật liệu kg/m3 ρm
Hệ số gia tăng nhiệt độ khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy µu vật liệu
Hệ số Poisson của vật liệu µm
Hệ số hấp thụ biên độ sóng siêu âm của không khí neber/m µu,a
xvi
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
RMSE (Root Mean Square Error), căn bậc hai sai số bình phương trung bình.
MRE (Mean Relative Percentage Error), sai số tương đối trung bình.
PSO (Particle Swarm Optimization), thuật toán tối ưu bầy đàn.
FEM (Finite Element Method), phương pháp phần tử hữu hạn.
FEA (Finite Element Analysis), phân tích phần tử hữu hạn
PZT (Piezoelectric), tinh thể dao động.
TNS, tác nhân sấy.
VLK, vật liệu khô.
xvii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sấy bơm nhiệt ............................................................................................... 7
Hình 1.2: Bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy .......................................................... 12
Hình 1.3: Ống dẫn sóng ................................................................................................ 13
Hình 1.4: Dạng dao động của ống dẫn sóng hình trụ tròn ............................................ 15
Hình 1.5: Tấm tròn bậc ................................................................................................. 16
Hình 1.6: Nứt tế vi tấm bậc chữ nhật của bộ phận phát sóng siêu âm .......................... 19
Hình 1.7: Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm ..................................... 20
Hình 1.8: Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm đĩa tròn. ....................... 21
Hình 1.9: Hệ thống sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm ............................................ 21
Hình 1.10: Hệ thống sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm .......................................... 23
Hình 1.11: Hoa, rễ của đảng sâm .................................................................................. 28
Hình 1.12: Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu cho sâm Mỹ ....................................................... 29
Hình 1.13: Sơ đồ thiết bị sấy sâm Hàn Quốc ................................................................ 30
Hình 1.14: Hệ thống sấy bức xạ hồng ngoại ................................................................. 31
Hình 2.1: Đảng sâm tươi Việt Nam .............................................................................. 35
Hình 2.2: Lưu đồ giải pháp thiết kế bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy .................. 36
Hình 2.3: Thiết bị xác định thể tích vật liệu .................................................................. 39
Hình 2.4: Sơ đồ thiết bị đo nhiệt dung riêng ................................................................. 40
Hình 2.5: Sơ đồ thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt ................................................................... 41
Hình 2.6: Que thăm đo hệ số dẫn nhiệt ......................................................................... 41
Hình 2.7: Thiết bị điều khiển nhiệt ẩm ......................................................................... 43
Hình 2.8: Thiết lập thí nghiệm xác định gia tăng nhiệt độ............................................ 44
Hình 2.9: Lưu đồ giải pháp ERM-O xác định De, αt, hm, ht .......................................... 49
Hình 2.10: Thiết bị khảo nghiệm .................................................................................. 55
Hình 3.1: Bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy .......................................................... 58
Hình 3.2: Thông số hình học của bộ phận phát sóng .................................................... 58
Hình 3.3: Dạng dao động của tấm tròn bậc ................................................................... 59
xviii
Hình 3.4: Xác định kích thước cụm ghép nối và cụm khuếch đại ................................ 62
Hình 3.5: Xác định kích thước cụm phát xạ ................................................................. 63
Hình 3.6: Dạng dao động của đầu phát sóng ................................................................ 64
Hình 3.7: Kiểm tra bộ phận phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy ............................. 66
Hình 3.8: Mô hình vật lý sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm ........................................ 67
Hình 3.9: Gradient áp suất trong buồng sấy .................................................................. 69
Hình 3.10: Chia điểm trong nửa tấm phẳng (nửa lát vật liệu sấy) ................................ 75
Hình 3.11: Chia điểm khoảng cách – thời gian của trường nhiệt độ và độ ẩm ............. 75
Hình 3.12: Giải thuật giải bài toán truyền nhiệt truyền ẩm của vật liệu sấy ................. 79
Hình 3.13: Độ ẩm cân bằng của đảng sâm .................................................................... 83
Hình 3.14: Bố trí vật liệu trong buồng sấy .................................................................... 85
Hình 3.15: Màu sắc đảng sâm khô tại nhiệt độ TNS 28 ºC, 65 ºC ............................... 86
Hình 3.16: Bố trí thí nghiệm đo nhiệt độ tăng thêm ..................................................... 88
Hình 3.17: Nhiệt độ bên trong vật liệu sấy tại điều kiện TNS ta = 40 ºC; va = 0.5 m/s;
φa = 22 %; ‘x’, không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy; ‘o’ có sóng siêu âm
hỗ trợ sấy .................................................................................................. 89
Hình 3.18: Gia tăng nhiệt độ của đảng sâm theo cường độ siêu âm ............................. 90
Hình 3.19: Đồ thị quá trình sấy đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 40ºC,
độ ẩm tương đối 20 ± 1.5 %, vận tốc 0.5 m/s, ở những mức cường độ
siêu âm khác nhau. a) đường cong sấy đảng sâm; b) đường cong nhiệt
độ sấy đảng sâm .......................................................................................... 92
Hình 3.20: Đồ thị quá trình sấy đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 45ºC,
độ ẩm tương đối 18 ± 1.5 %, vận tốc 0.5 m/s, ở những mức cường
độ siêu âm khác nhau. a) đường cong sấy đảng sâm; b) đường cong
nhiệt độ sấy đảng sâm ................................................................................. 93
Hình 3.21: Đồ thị quá trình sấy đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 50ºC,
độ ẩm tương đối 15 ± 1.5 %, vận tốc 0.5 m/s, ở những mức cường
độ siêu âm khác nhau. a) đường cong sấy đảng sâm; b) đường cong
nhiệt độ sấy đảng sâm ................................................................................. 94
xix
Hình 3.22: Thời gian sấy đảng sâm .............................................................................. 96
Hình 3.23: Lượng giảm thời gian sấy ........................................................................... 96
Hình 3.24: Đồ thị quá trình sấy đảng sâm tại nhiệt độ TNS 45 ºC, vận tốc 0.5 m/s,
độ ẩm tương tương đối 18 ± 1.5 %, cường độ siêu âm 1.8 kW/m2.
a) đường cong sấy đảng sâm; b) đường cong nhiệt độ sấy đảng sâm…… 99
Hình 3.25: Đường cong sấy tại điều kiện thí nghiệm 1: nhiệt độ TNS 40ºC,
vận tốc 0.5 m/s, độ ẩm 20 ± 1.5 %, không có siêu âm hỗ trợ sấy……… 100
Hình 3.26: Hệ số khuếch tán ẩm của đảng sâm theo nhiệt độ và cường độ siêu âm,
DD, dự đoán từ phương trình hồi qui; TT tính toán từ số liệu thực nghiệm...104
Hình 3.27: Hệ số khuếch tán nhiệt của đảng sâm theo nhiệt độ và cường độ
siêu âm, (DD, dự đoán từ phương trình hồi qui;
TT, tính toán từ số liệu thực nghiệm) ...................................................... 105
Hình 3.28: Đường cong tốc độ sấy của đảng sâm tại 40ºC ........................................ 106
Hình 3.29: Đo màu đảng sâm ..................................................................................... 109
Hình 3.30: Thông số ∆E của đảng sâm theo nhiệt độ TNS và cường độ siêu âm ..... 110
Hình 3.31: Đảng sâm khô tại những chế độ sấy khác nhau ....................................... 112
Hình 3.32: Lượng saponin có trong đảng sâm khô ..................................................... 113
Hình 3.33: Lượng giảm thời gian sấy đảng sâm ......................................................... 116
Hình 3.34: Lưu đồ giải thuật xác định chế độ sấy hợp lý nhất của đảng sâm ............ 119
Hình 3.35: Nhiệt độ đảng sâm tại lớp biên và tâm: tại chế độ sấy: ta = 44 ± 0,1 ºC,
φa = 18 ± 1,5 %, va = 0,5 ± 0,2 m/s, fu= 20 ± 0,073 kHz, Iu = 2,1 kW/m2 ... 121
Hình 3.36: Độ ẩm đảng sâm tại lớp biên và tâm: tại chế độ sấy: ta = 44 ± 0,1 ºC,
φa = 18 %, va = 0,5 ± 0,2 m/s, fu= 20 ± 0,073 kHz, Iu = 2,1 kW/m2 ............ 122
Hình 3.37: Độ ẩm và nhiệt độ của đảng sâm tại chế độ sấy hợp lý: a, đường cong
nhiệt độ sấy đảng sâm; b, đường cong sấy đảng sâm tại chế độ sấy:
ta = 44 ± 0,1 ºC, va = 0,5 ± 0,2 m/s, φa = 18 ± 1,5 % fu= 20 ± 0,073 kHz,
Iu = 2,1 kW/m2 ............................................................................................... 123
xx
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số hình học của bộ phận phát xạ dạng tròn bậc ................................ 17
Bảng 3.1: Tần số dao động của tấm tròn bậc ................................................................ 59
Bảng 3.2: Thông số vật liệu của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy...................... . 61
Bảng 3.3: Thông số hình học của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy ..................... 61
Bảng 3.4: Thuộc tính dao động của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy .................. 65
Bảng 3.5: Khối lượng riêng của đảng sâm theo độ ẩm ................................................. 80
Bảng 3.6: Nhiệt dung riêng của đảng sâm theo độ ẩm ................................................. 81
Bảng 3.7: Hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm theo độ ẩm.................................................... 82
Bảng 3.8: Sai lệch nhiệt độ bên trong đảng sâm ........................................................... 89
Bảng 3.9: Các mức và khoảng biến thiên các thông số trong thiết kế thí nghiệm ........ 91
Bảng 3.10: Thời gian sấy đảng sâm tại những chế độ sấy khác nhau........................... 95
Bảng 3.11: Thông số De, αt, hm, ht của đảng sâm .......................................................... 98
Bảng 3.12: Giá trị De và chỉ số MRE về độ ẩm của đảng sâm ................................... 101
Bảng 3.13: Hệ số D0 và Ea của đảng sâm .................................................................... 102
Bảng 3.14: Tốc độ giảm ẩm trung bình và lượng tăng tốc độ giảm ẩm của
đảng sâm ................................................................................................... 107
Bảng 3.15: Thông số (Pr) màu sắc của đảng sâm khô ................................................ 110
Bảng 3.16: Kết quả thử nghiệm thành phần saponin có trong sản phẩm
đảng sâm ……………………………...................................................... 113
Bảng 3.17: Thông số kiểm tra tại chế độ sấy hợp lý ................................................... 120
GIỚI THIỆU
1
1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu
Việt Nam là nước có nền nông nghiệp phát triển, sản phẩm trong nông nghiệp rất
đa dạng và có sản lượng lớn. Trong đó, nông sản cao cấp nói chung và cây dược liệu
nói riêng có sản lượng ngày càng tăng. Theo định hướng phát triển của Bộ Y Tế Việt
Nam về cây dược liệu Việt Nam giai đoạn từ năm 2015 đến năm 2030 là bảo tồn phát
triển 70% cây dược liệu Việt Nam và 80% sử dụng cây thuốc Việt Nam, năm 2030 tiến
tới xuất khẩu sản phẩm từ cây dược liệu. Do vậy, đi đôi với việc nghiên cứu phát triển
canh tác, vấn đề làm khô để bảo quản và tồn trữ các sản phẩm sau thu hoạch cây dược
liệu là cần thiết nhằm ổn định nguồn nguyên liệu dùng làm thực phẩm và điều chế
dược liệu phục vụ đời sống con người.
Sấy là giải pháp thường được áp dụng nhất để làm khô nông sản thực phẩm. Quá
trình sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu, liên quan đến quá trình truyền nhiệt
truyền ẩm bên trong vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến động học quá trình sấy và cũng từ
đó ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Chi phí sản xuất và chất lượng là những vấn đề cần quan tâm khi làm khô vì liên
quan đến hiệu quả kinh tế cho một nông sản thực phẩm, nhưng đối với cây dược liệu
thì vấn đề chất lượng cần phải đặt lên hàng đầu vì giá trị của nó là những vi lượng quý
hiếm còn bảo tồn trong sản phẩm khô. Phương pháp sấy ảnh hưởng rất nhiều đến chất
lượng sản phẩm khô [1]. Do đó, nghiên cứu phương pháp sấy nhằm duy trì vi lượng
quý hiếm có trong sản phẩm cây dược liệu là công việc được các nhà khoa học trong và
ngoài nước tập trung giải quyết.
Sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm được xếp vào nhóm kỹ thuật sấy kết hợp, được
giới thiệu là một giải pháp hiệu quả để cải thiện tốc độ sấy ở điều kiện nhiệt độ sấy
thấp [2]. Một số kết quả nghiên cứu trên thế giới về sóng siêu âm hỗ trợ sấy trên các
nông sản khác nhau đã so sánh giữa sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm và không có sự
hỗ trợ của sóng siêu âm thì phương pháp sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm có khả
năng chất lượng sản phẩm sấy cao hơn [3-5]. Điều này cho thấy rằng, sóng siêu âm hỗ
2
trợ sấy có thể áp dụng để sấy các nông sản nhạy với nhiệt đặc biệt là các sản phẩm của
cây dược liệu. Tuy vậy, áp dụng với qui mô lớn vẫn còn hạn chế do thiết bị phát sóng
siêu âm hỗ trợ sấy và do sự suy giảm năng lượng của sóng siêu âm trong môi trường
không khí (tác nhân sấy). Đồng thời, hiệu quả tách ẩm khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy
phụ thuộc vào loại vật liệu và điều kiện tác nhân sấy [2].
Với ưu điểm về thời gian sấy giảm và chất lượng sản phẩm sấy cao khi sấy có sự hỗ
trợ của sóng siêu âm, ngoài ra, nghiên cứu sấy nông sản thực phẩm có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm ở Việt Nam vẫn còn ít, đồng thời, việc nghiên cứu xác định phương pháp
sấy hợp lý cho các sản phẩm của cây dược liệu trong bối cảnh hiện tại ở Việt Nam
đang cần được thực hiện. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm
sử dụng sóng siêu âm” được thực hiện trong luận án này là cần thiết.
2. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình sấy và chất lượng sản phẩm
ứng với các chế độ sấy khác nhau với phương pháp sấy là bơm nhiệt kết hợp với sóng
siêu âm và vật liệu sấy là đảng sâm Việt Nam đại diện cho dòng sản phẩm cao cấp
trong nông nghiệp dùng làm thực phẩm và dược liệu, thông qua việc xây dựng mô hình
toán để tính toán truyền nhiệt truyền ẩm và thực nghiệm xác định chế độ sấy hợp lý
cho đảng sâm Việt Nam.
3. Giới hạn nghiên cứu
Nghiên cứu cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm kết hợp sấy bơm nhiệt qui mô nhỏ
với khối lượng một mẻ sấy là 0,2 kg.
Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật là phần giới hạn của nghiên cứu.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chung của luận án là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
kiểm chứng.
5. Nội dung nghiên cứu
Để giải quyết mục tiêu của luận án các nội dụng sau đây được triển khai nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan về sấy; nghiên cứu tổng quan về sóng siêu âm hỗ trợ sấy bao
gồm cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm, thiết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy và ứng
3
dụng sóng siêu âm trong sấy nông sản thực phẩm; khảo sát đối tượng nghiên cứu và
tình hình làm khô đối tượng nghiên cứu.
- Xác định phương pháp nghiên cứu và phương tiện nghiên cứu phục vụ cho việc
nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm.
- Trên cơ sở các phương pháp phương tiện nghiên cứu đã được xác định từ đó chế tạo
thiết bị và thực nghiệm xác định tính chất nhiệt vật lý của vật liệu sấy; từ đó chế tạo
thiết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy bao gồm: bộ phận phát sóng siêu âm (phần cơ) và
nguồn cung cấp (phần điện); và cũng từ đó chế tạo máy sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng
siêu âm; vận hành thử nghiệm kiểm tra tính ổn định và đo kiểm các thông số kỹ thuật
của máy sấy.
- Xây dựng mô hình vật lý sấy vật liệu có sự hỗ trợ của sóng siêu âm; mô phỏng phân
tích hiện tượng vật lý khi có sóng siêu âm lan truyền trong tác nhân sấy (dòng không
khí trong buồng sấy) và quanh vật liệu sấy; xác định mô hình toán mô tả truyền nhiệt
truyền ẩm của vật liệu sấy trong dòng không khí khi có sóng siêu âm lan truyền; giải
bài toán truyền nhiệt truyền ẩm từ đó xác định nhiệt độ trung bình, độ ẩm trung bình
của vật liệu sấy theo thời gian; viết chương trình theo thuật toán giải bài toán truyền
nhiệt truyền ẩm nhằm xác định động học quá trình sấy.
- Thực nghiệm sấy đảng sâm Việt Nam bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp với sóng
siêu âm ở những chế độ sấy khác nhau; xác định sự giảm ẩm và thay đổi nhiệt độ của
đảng sâm trong quá trình sấy; xác định ảnh hưởng của sóng siêu âm đến động học quá
trình sấy đảng sâm; xác định ảnh hưởng của sóng siêu âm đến sự thay đổi màu sắc của
đảng sâm và hàm lượng saponin có trong đảng sâm.
- Xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm Việt Nam với phương pháp sấy bơm nhiệt
kết hợp với sóng siêu âm; kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết so với kết quả thực
nghiệm sấy đảng sâm Việt Nam bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu
âm tại chế độ sấy hợp lý.
6. Điểm mới và đóng góp của luận án
Kết quả đạt được của luận án này có 4 điểm mới về ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
- Đã xác định được tính chất nhiệt vật lý của đảng sâm Việt Nam bao gồm bao gồm:
4
khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ ẩm cân bằng và lượng nhiệt tăng
thêm khi có sóng siêu âm lan truyền.
- Xây dựng được giải pháp xác định thông số hình học của bộ phận phát sóng siêu âm
hỗ trợ sấy, đó là, dựa vào phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và thuật toán tối ưu PSO.
Kết quả sai lệch giữa tần số hoạt động và tần số cộng hưởng (tần số dao động riêng)
của bộ phận phát sóng siêu âm đã chế tạo là 0,37%, như vậy, giải pháp này có thể áp
vào trong thực tiễn.
- Xác định mô hình toán mô tả bản chất quá trình truyền nhiệt truyền ẩm khi sấy vật
liệu với sự hỗ trợ của sóng siêu âm; đề xuất sử dụng thuật toán PSO để xác định đồng
thời hệ số khuếch tán nhiệt (αt), hệ số khuếch tán ẩm (De) của vật liệu sấy (giải pháp
ERM-O). Từ số liệu các tiêu chí đánh giá mô hình toán cho thấy, giải pháp ERM-O có
độ chính xác chấp nhận được và có thể áp dụng thực tiễn (sai số tương đối trung bình
giữa kết quả tính toán và thực nghiệm nhỏ hơn 10% và sai số ít hơn so với phương
pháp mà các công trình nghiên cứu tương tự đã áp dụng để xác định De), giảm thiểu
được số lượng thí nghiệm đáng kể khi xác định các thông số có trong mô hình toán
truyền nhiệt truyền ẩm.
- Xác định được phương pháp sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm là phương pháp
sấy hợp lý, hữu ích cho đảng sâm Việt Nam nhằm duy trì màu sắc và dược chất
saponin trong sản phẩm sấy (kết quả khảo nghiệm cho thấy, sai lệch màu sắc ∆E từ 8,4
đến 12,9, hàm lượng saponin còn duy trì từ 78-95 % so với nguyên liệu tươi). Đóng
góp thêm thông tin cho nghiên cứu về sấy nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
5
1. 1 Tổng quan về sấy và ảnh hưởng của các loại sóng đến quá trình sấy nông sản
1.1.1 Tổng quan về phương pháp sấy và sấy bơm nhiệt
Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu do tác động của một nguồn năng lượng nào
đó vào vật liệu ẩm, liên quan đến truyền nhiệt truyền ẩm bên trong vật liệu. Dựa vào
trạng thái của tác nhân sấy (TNS) hay cách tạo ra động lực quá trình dịch chuyển ẩm mà
chúng ta có hai phương pháp sấy khác nhau [6]:
- Phương pháp sấy nóng: tác nhân sấy (TNS) và vật liệu sấy (VLS) được đốt nóng. Do
vậy, phân áp suất hơi nước trong TNS giảm, phân áp suất trong VLS tăng, tạo ra sự
chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa TNS và VLS dẫn đến ẩm trong lòng VLS dịch
chuyển ra bề mặt đi vào môi trường. Dựa vào phương pháp cấp nhiệt, hệ thống sấy nóng
được chia thành: hệ thống sấy đối lưu, vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ không khí
nóng hoặc khói lò (hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động,…); hệ
thống sấy tiếp xúc, vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng (hệ thống sấy lô, hệ thống
sấy tang,…); hệ thống sấy bức xạ, với hệ thống sấy này VLS nhận nhiệt từ nguồn bức
xạ (bức xạ bằng sóng hồng ngoại); hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc từ trường,
khi VLS được đặt trong trường điện từ thì trong VLS xuất hiện dòng điện và chính dòng
điện này làm cho VLS được đốt nóng.
- Phương pháp sấy lạnh: khác với phương pháp nóng, để tạo ra sự chênh lệch phân áp
suất hơi nước giữa VLS và TNS, người ta giảm phân áp suất trong TNS bằng cách giảm
ẩm trong TNS (giảm độ chứa ẩm) và độ ẩm tương đối. Khi đó, ẩm bên trong vật liệu
dịch chuyển ra bề mặt vào TNS có thể trên dưới nhiệt độ môi trường và cũng có thể nhỏ
hơn nhiệt độ môi trường. Dựa vào nhiệt độ TNS, hệ thống sấy lạnh có thể chia thành: hệ
thống sấy ở nhiệt độ t > 0 ºC, TNS là không khí trước hết được khử ẩm sau đó được đốt
nóng hoặc làm lạnh đến nhiệt độ mà công nghệ yêu cầu rồi thổi qua VLS; hệ thống sấy
thăng hoa, môi trường người ta tạo ra mà trong đó nhiệt độ của VLS (t) ở dưới điểm 3
thể, t < 0 ºC và áp suất quanh VLS pa < 610 Pa và khi đó nếu VLS nhận được nhiệt lượng
6
thì ẩm trong VLS ở thể rắn chuyển thành hơi đi vào TNS; hệ thống sấy chân không khác
với hệ thống sấy thăng hoa như sau: nếu áp suất quanh VLS pa > 610 Pa thì khi VLS
nhận nhiệt lượng, ẩm trong VLS ở dạng thể rắn chuyển thành thể lỏng rồi chuyển thành
thể hơi đi vào TNS.
- Hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt: trên cơ sở của phương pháp sấy lạnh người ta thiết
kế ra hệ thống máy sấy bơm nhiệt. Một dạng nguyên lý máy bơm nhiệt có thể điều khiển
được nhiệt độ TNS được thể hiện ở hình 1a, đồ thị lgp-h của môi chất lạnh thể hiện ở
hình 1b, giản đồ i-d của TNS trong quá trình sấy thể hiện ở hình 1c và hoạt động của hệ
thống được mô tả như sau [1]: Môi chất lỏng sau khi được tiết lưu bởi van tiết lưu (quá
trình 3-4) đi vào dàn bay hơi, tại đây môi chất trao đổi nhiệt với TNS chuyển thành pha
khí trước khi vào máy nén (quá trình 4-1). Tại máy nén, môi chất được nén lên áp suất
cao (quá trình 1-2). Môi chất ở dạng hơi với áp suất đi vào dàn ngưng thải nhiệt cho TNS
và chuyển thành pha lỏng (quá trình 2-3) trước khi đến van tiết lưu, chu trình được khép
kín và lặp lại ban đầu. Trong quá trình sấy, tác nhân sấy (điểm A) sau khi được quạt hút
từ buồng sấy đưa vào dàn bay hơi và được làm lạnh xuống nhiệt độ đưới điểm đọng
sương (quá trình A-B). Tại dàn bay hơi, một phần hơi ẩm trong phần TNS tiếp xúc với
dàn bay hơi nên ngưng tụ thành dạng lỏng trên bề mặt của dàn bay hơi được gom lại và
đưa ra ngoài, một phần TNS không tiếp xúc với dàn bay hơi nên chưa được làm lạnh
dưới nhiệt độ đọng sương sẽ trộn lẫn với phần TNS đã được làm lạnh và tách ẩm tại dàn
bay hơi (điểm B). Tác nhân sấy tại trạng thái B có độ chứa ẩm thấp, nhiệt độ thấp và độ
ẩm tương đối cao (φB ≈ 100%). Sau khi được tách ẩm ở dàn bay hơi, TNS đi qua dàn
ngưng chính được gia nhiệt rồi thổi qua VLS. Nhiệt độ TNS sau khi qua dàn ngưng chính
nếu chưa đạt được nhiệt độ mong muốn thì được tiếp tục gia nhiệt bởi điện trở phụ và
như vậy nhiệt độ TNS (điểm C) thổi vào buồng sấy được duy trì tại mức nhiệt độ tC bằng
cách điều khiển hoạt động dàn ngưng phụ thông qua van ba ngã và điện trở gia nhiệt phụ.
Tác nhân sấy tại trạng thái C có độ chứa ẩm thấp, độ ẩm tương đối thấp (so với độ ẩm
tương đối của môi trường), có nhiệt độ ổn định trên dưới nhiệt độ môi trường (tùy theo
giá trị cài đặt). Tác nhân sấy được thổi đều qua lớp vật liệu sấy tại đây quá trình trao đổi
nhiệt ẩm giữa TNS và VLS sẽ diễn ra (quá trình C-A). Tác nhân sấy ra khỏi buồng sấy
7
có thể được hồi lưu toàn bộ về bơm nhiệt và qui trình được lặp lại.
a) b) c)
Hình 1.1: Sấy bơm nhiệt. a) sơ đồ thiết bị hệ thống sấy bơm nhiệt; b) đồ thị lgp-h của
môi chất lạnh [1]; c) giản đồ i-d của TNS trong quá trình sấy.
1.1.2 Sơ lược về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sấy và các yếu tố
ảnh hưởng đến động học quá trình sấy
Trong chế biến và bảo quản nông sản thực phẩm sau thu hoạch, sấy là một công
đoạn quan trọng vì liên quan đến chất lượng và thời gian tồn trữ sản phẩm. Quá trình
tách ẩm thực phẩm có thể thực hiện trong môi trường khí hoặc chân không [1]. Trong
môi trường chân không, nhiệt độ tách ẩm thấp, thời gian sấy được rút ngắn, thành phần
chất dinh dưỡng của sản phẩm được bảo tồn. Tuy nhiên, thiết bị tạo ra môi trường chân
không có giá thành cao. Trong môi trường khí, yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng tốc độ thoát
ẩm và chất lượng sản phẩm [1]. Quá trình sấy thực phẩm không chỉ làm giảm lượng
nước, mà còn ảnh hưởng đến sự thay đổi cấu trúc, màu sắc, hương vị, và các vi lượng
[6-13]. Nhiều loại nông sản thực phẩm đặc biệt là các nông sản nhạy nhiệt khi sấy ở
nhiệt độ cao thì hương vị bị mất đáng kể [7], màu sắc thay đổi nhiều so với nguyên liệu
ban đầu [7], chất dinh dưỡng bị biến đổi [8], dược chất và vitamin bị ảnh hưởng (hoặc
chuyển đổi) càng nhiều khi nhiệt độ càng tăng [9, 10].
Phương pháp sấy, chế độ sấy không những ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà
còn ảnh hưởng đến động học sấy và chi phí năng riêng của vật liệu. Trong quá trình sấy,
8
có hai loại trở kháng làm ảnh hưởng đến sự truyền ẩm: trở kháng nội ảnh hưởng đến di
chuyển của ẩm bên trong vật liệu, trở kháng ngoại ảnh hưởng đến sự trao đổi ẩm giữa bề
mặt vật liệu và TNS [11, 6]. Trở kháng nội phụ thuộc vào cấu trúc và các tính chất của
vật liệu còn trở kháng ngoại phụ thuộc vào bề dày của lớp biên truyền ẩm [11]. Để cải
thiện khuếch tán ẩm bên trong vật liệu sấy ra tác nhân sấy (TNS) thông thường phải áp
dụng giải pháp kỹ thuật làm giảm lớp biên truyền ẩm [6, 14]. Giải pháp tăng vận tốc (ví
dụ sấy đối lưu cưỡng bức) làm tăng sự rối loạn TNS (turbulence) quanh bề mặt vật liệu,
kết quả làm giảm lớp biên truyền ẩm khi đó tốc độ sấy cao hơn [6, 14]. Tuy nhiên, vận
tốc TNS đạt đến một giá trị nào đó (đạt ngưỡng) thì sự tăng vận tốc TNS không còn tác
dụng đặc biệt đối với vật liệu dạng rắn rời [6], lúc này muốn giảm trở kháng ngoại thì sử
dụng sấy tầng sôi. Đối với nguyên liệu dạng lỏng, nhão, bột có thể áp dụng phương pháp
sấy phun để khắc phục trở kháng ngoại [15]. Với cơ chế gia nhiệt thể tích của vi sóng và
sóng RF, nhiệt độ bên trong vật liệu tăng nhanh và có xu hướng cao hơn nhiệt độ TNS
khi đó áp suất hơi nước bên trong vật liệu cao hơn áp suất hơi nước có trong TNS làm
giảm trở kháng nội và do đó ẩm từ bên trong dịch chuyển ra bề mặt nhanh hơn [10, 12,
13]. Khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm trong quá trình sấy thì trở kháng ngoại giảm, tăng
cường khả năng khuếch tán ẩm ra môi trường [2, 14]. Như vậy, khi sấy có sự hỗ trợ của
các loại sóng (vi sóng, sóng RF, sóng siêu âm) làm giảm trở kháng và vì thế làm tăng
tốc độ sấy ở điều kiện nhiệt độ sấy thấp, nâng cao chất lượng sản phẩm.
1.1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sấy bơm nhiệt tại Việt Nam
Việt Nam là nước có khí hậu nóng và ẩm, vi sinh vật và nấm mốc phát triển rất
nhanh làm hư hỏng và giảm chất lượng nông sản thực phẩm. Và do vậy, nếu ứng dụng
bơm nhiệt vào các hệ thống sấy chắc chắn sẽ mang lại ý nghĩa kinh tế to lớn [17]. Một
vài công trình tiêu biểu về ứng dụng sấy bơm nhiệt đã được các nhà khoa học trong nước
thực hiện được thống kê như sau:
- Công trình nghiên cứu sấy kẹo Jelly bằng phương pháp bơm nhiệt được ứng dụng ở
công ty Hải Hà do Nguyễn Đức Lợi và cộng sự (1998) thực hiện với nhiệt độ TNS từ
20-25 ºC, độ ẩm TNS từ 18-22 %. Nhóm tác giả đã kết luận rằng, khả năng tiết kiệm
năng lượng khi tách ẩm đến 58% [18].
9
- Nhằm tìm ra khả năng ứng dụng của hệ thống sấy bơm nhiệt so với các hệ thống sấy
khác, Phạm Văn Tùy và cộng sự (2003) đã thực nghiệm sấy rau quả thực phẩm bao gồm
cà rốt, củ cải, hành tây, thì là với hệ thống sấy bơm nhiệt, không khí nóng, hồng ngoại.
Tác giả đã nhận định như sau: so với sấy bằng không khí nóng và hồng ngoại thì sấy
bơm nhiệt cho các loại nông sản nêu trên thì thời gian sấy dài hơn. Tuy nhiên, chất lượng
dinh dưỡng sản phẩm sấy đạt chất lượng, màu sắc và hương vị tự nhiên tốt hơn, đây
chính là ưu điểm vượt trội của các sản phẩm khi sấy bằng phương pháp bơm nhiệt [19].
Cũng theo hướng này, Phạm Văn Tùy và cộng sự (2007) cũng đã nghiên cứu sấy bơm
nhiệt trên nhiều loại rau củ quả khác nhau và đã đưa ra một số định hướng ứng dụng sấy
bơm nhiệt ở điều kiện điều kiện khí hậu Việt Nam, trong đó, tác giả cũng khuyến nghị
rằng, phương pháp sấy bơm nhiệt rất phù hợp để sấy các sản phẩm nhạy nhiệt [20].
- Bằng nghiên cứu thực nghiệm, Phạm Anh Tuấn và cộng sự (2009) đã chỉ ra rằng, với
điều kiện khí hậu Việt Nam thì nhiệt độ TNS phù hợp nhất từ 40-50 ºC khi sử dụng hệ
thống sấy bơm nhiệt để sấy rau quả [21].
- Công trình nghiên cứu của Võ Mạnh Duy và Lê Chí Hiệp (2011) về ứng dụng hệ thống
sấy bơm nhiệt để sấy cà rốt, các tác giả đã kết luận rằng với điều kiện vận tốc TNS 2,5
m/s thì hiệu suất tách ẩm cao, màu sắc, mùi vị, thành phần chất dinh dưỡng, hình dạng
sản phẩm sấy tốt hơn so với các phương pháp sấy thông thường [22].
- Nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống sấy bơm nhiệt, Trương
Minh Thắng và cộng sự (2012) đã nghiên cứu mô hình máy sấy bơm nhiệt hoạt động
theo kiểu bậc thang với vật liệu sấy là cà rốt. Các tác giả đã cho biết, hệ thống sấy bơm
nhiệt hoạt động theo kiểu bậc thang sẽ giảm năng lượng từ 13,3-39,0 % so với hệ thống
sấy bơm nhiệt hoạt động không theo kiểu bậc thang [23].
- Theo kết quả nghiên cứu của Lê Anh Đức và Nguyễn Hữu Hòa (2014), trong ba phương
pháp sấy, sấy đối lưu cưỡng bức, sấy chân không, sấy bơm nhiệt áp dụng để sấy nấm
đông cô thì phương pháp sấy bơm nhiệt tại nhiệt độ 45 ºC là phù hợp nhất cho nông sản
này [24].
- Nguyễn Hay và Lê Quang Huy (2017) đã nghiên cứu ứng dụng hệ thống sấy bơm nhiệt
để sấy phấn hoa Việt Nam. Các tác giả đã cho biết, chế độ sấy phù hợp nhất cho phấn
10
hoa là 40,7 ºC; vận tốc tác nhân sấy là1,42 m/s [25].
Nhận xét: Ở điều kiện khí hậu Việt Nam, áp dụng hệ thống sấy bơm nhiệt để sấy nông
sản thì màu sắc, mùi vị, hương thơm tự nhiên ít bị thay đổi và chất lượng sản phẩm sấy
đạt chất lượng, rất phù hợp với nông sản nhạy nhiệt. Tuy nhiên, thời gian sấy dài là hạn
chế của hệ thống sấy này.
1.2 Sóng siêu âm và cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm
1.2.1 Sóng siêu âm và ứng dụng
Sóng siêu âm là một dạng sóng cơ học có tần số từ 18 kHz đến 1 MHz [2], ở tần số
này tai của con người không thể nghe được nên được gọi là siêu âm, xét về phương
truyền sóng thì sóng siêu âm chia thành hai dạng: sóng dọc và sóng ngang, xét về năng
lượng thì sóng siêu âm bao gồm siêu âm năng lượng thấp (tần số lớn hơn 100 kHz) và
siêu âm năng lượng cao (tần số từ 18-100 kHz, tần số càng cao năng lượng càng thấp)
[2].
Ngày nay, sóng siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:
y tế, sinh học, hóa học, thực phẩm, gia công cơ khí,..., và đã tạo ra một số công nghệ
như: siêu âm chẩn đoán trong y học và kỹ thuật, kỹ thuật hàn siêu âm, rửa siêu âm,…,
đem lại hiệu quả kinh tế cao. Chính vì vậy, nhiều công trình khoa học, nhiều nhà khoa
học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu khả năng ứng dụng loại sóng này vào
trong sản xuất, phục vụ đời sống của con người, trong đó, sóng siêu âm năng lượng cao
hỗ trợ sấy là lĩnh vực cũng được tập trung nghiên cứu.
1.2.2 Cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm
Có nhiều giải thích khác nhau về cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm được nhiều
công trình khoa học về lĩnh vực này đề cập đến và được thống kê ở công trình nghiên
cứu [2]. Nhìn về phương diện sóng cơ học thì sóng siêu âm là sóng cơ học tần số cao
nên chúng cũng có các tác động cơ học lên vật liệu khi lan truyền trong TNS. Hai tác
động cơ học được nhiều công trình khoa học đề cập đến:
Thứ nhất, tác động vi dao động cơ học của sóng siêu âm tại bề mặt của VLS làm vỡ
(xé mảnh) lớp biên ẩm (lớp biên truyền ẩm) ngăn cách giữa VLS và TNS làm tăng khả
năng khuếch tán ẩm ra môi trường [2]. Tác động này cũng tương tự như giải pháp làm
11
tăng diện tích tiếp xúc của VLS và TNS trong phương pháp sấy đối lưu cưỡng bức và
phương pháp sấy tầng sôi vừa đề cập ở phần 1.1 (tác dụng làm giảm trở kháng ngoại).
Nhưng tác động của sóng siêu âm mạnh hơn vì khả năng xâm thực của các vi dao động
và hiệu quả hơn ở điều kiện nhiệt độ sấy thấp.
Thứ hai, sóng siêu âm lan truyền trong vật liệu ẩm sẽ làm cho các phần tử cấu thành
vật co/giãn liên tục tạo ra hoặc khai thông các vi mao dẫn bên trong vật liệu, và đồng
thời làm giảm lực liên kết giữa các phân tử nước và vật liệu [2]. Kết quả là ẩm trong lòng
vật liệu dịch chuyển ra bề mặt thuận lợi hơn, tăng cường khả năng khuếch tán của ẩm ra
bề mặt VLS. Ngoài ra, khi sóng siêu âm lan truyền trong TNS rồi đi vào vật liệu ẩm làm
phát sinh thêm một lượng nhiệt nhỏ trong vật liệu sấy.
1.3 Tình hình nghiên cứu sấy với sự hỗ trợ của sóng siêu âm trên thế giới
Sóng siêu âm hỗ trợ sấy được nghiên cứu đầu tiên vào khoảng năm 1950 bởi các nhà
khoa học người Hungary (Gregus, Brun và Boucher) [2], cho đến nay, đã có rất nhiều
công trình nghiên cứu về lĩnh vực này (theo kết quả thống kê ở công trình nghiên cứu [2]
đã có khoảng 75 công trình nghiên cứu) bao gồm nghiên cứu thiết bị phát sóng siêu âm
và nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến động học sấy, chất lượng sản phẩm.
1.3.1 Tình hình nghiên cứu thiết kế thiết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy
Bộ phận phát sóng siêu âm có khả ứng dụng trong sấy có cấu trúc cơ bản như hình
1.2a do nhóm nghiên cứu của Gallego-Juarez và các cộng sự đề xuất vào khoảng năm
1972 [26]. Sau đó, nhóm nghiên cứu này tiếp tục phát triển bộ phận phát xạ sóng, với
mục tiêu mở rộng diện tích phát sóng, tăng hiệu suất chuyển năng lượng điện thành năng
lượng sóng âm trong môi trường không khí.
Bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy có cấu tạo như hình 1.2a gồm 3 cụm chính.
Trong đó, tinh thể dao động (PZT) có vai trò chuyển đổi dao động điện (nguồn cung cấp)
sang dao động cơ học. Biên độ dao động của các PZT tỉ lệ thuận với biên độ của nguồn
cung cấp ảnh hưởng đến cường độ năng lượng của sóng siêu âm được tạo ra. Cụm ghép
nối (cụm 1) đóng vai trò ghép nối các tinh thể có biên độ dao động nhỏ thành một cụm
dao động có biên độ lớn hơn (lưu ý, biên độ dao động của mỗi tinh thể bị giới hạn, bằng
cách ghép nối nhiều PZT lại thì biên độ dao động lớn hơn). Hình dạng của cụm 1 phụ
12
a) b)
c) d)
Hình 1.2: Bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy [26]. a) cấu trúc; b) dạng tròn bậc; c)
dạng tấm bậc; d) dạng ống tròn.
thuộc vào hình dạng của PZT. Thông thường các PZT được chọn lựa để thiết kế bộ phận
phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy có biên độ dao động lớn và có dạng hình trụ tròn. Cụm
khuếch đại biên độ dao động (cụm 2) có chức năng ghép nối cụm 1 với bộ phận phát xạ
sóng (cụm 3), ngoài ra còn có chức năng khuếch đại biên độ dao động. Biên dạng của
cụm 2 có dạng hàm mũ, hình nón tròn xoay, hình trụ bậc. Cụm 3 đóng vai trò phân phối
sóng ra môi trường (nên được gọi là bộ phận phát xạ), là bộ phận công tác trong trường
hợp sấy siêu âm tiếp xúc, là bộ phận phân phối sóng và phối hợp trở kháng với môi
trường không khí trong trường hợp sấy siêu âm không tiếp xúc.
Sơ lược phương pháp xác định thông số hình học của bộ phận phát sóng siêu âm
hỗ trợ sấy
13
Thông số hình học của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy có cấu trúc như hình 1.2a
được xác định bằng tính toán giải tích dựa theo lý thuyết Rayleigh hoặc bằng phương
pháp phần tử hữu hạn. Lý thuyết tính toán này được tóm tắt như sau:
- Cơ sở lý thuyết phân tích các dao động tự do của một chi tiết dẫn sóng dạng trụ tròn
2D
2 Z
1 Z
1D
[27]:
a) b)
Hình 1.3: Ống dẫn sóng. a) ống bậc; b) ống hình trụ.
Phương trình toàn cục dao động theo chiều dọc (chiều z) của một chi tiết dẫn sóng
2
2
τ)
τ)
v
với mặt cắt ngang hình tròn S(z), trong môi trường 1D liên tục, được thể hiện dưới dạng:
2 mw,
1 S(z)
τz,u 2 τ
S(z) z
u(z, z
u(z, 2 z
(1.1)
Với: z, tọa độ theo hướng dao động dọc
u(z, τ), chuyển vị của mặt cắt ngang theo phương dao động
S(z) = π [r(z)]2 , diện tích mặt cắt ngang
r (z), bán kính của mặt cắt ngang hình tròn
mE / m
, vận tốc truyền sóng theo phương dọc trong môi trường vw,m =
Em, mô đun Young của vật liệu
ρm, khối lượng riêng vật liệu cấu thành chi tiết
Trong trường hợp, chi tiết có biên dạng dạng hình trụ tròn xoay (r(z), là hằng số), lúc
2
2
τ)
τ)
v
này phương trình sóng được viết lại như sau:
2 mw,
u(z, 2 τ
u(z, 2 z
(1.2)
Nghiệm của phương trình sóng có dạng: u(z, τ) = U(z)T(τ). Phương trình vi phân từng
phần của phương trình (1.2) như sau:
2
d
2 0
U(z)
0
14
U(z) 2 dz
ω 2 v mw,
2
d
0)T(ω
(1.3)
2 0
)T( 2 dτ
(1.4)
Với: ω0, tần số góc riêng hay còn gọi là tần số góc tự nhiên
ξ
ξ;
Đưa về không thứ nguyên:
1,0
z Z
0
Ψ(ξ)
+ Tọa độ không thứ nguyên theo hướng dọc:
U(z) 0Z
+ Chuyển vị theo chiều dọc không thứ nguyên của mặt cắt ngang:
2
d
2
β
Ψ(ξ)
0
Khi đó phương trình (1.3) không thứ nguyên sau:
Ψ(ξ) 2 dξ
Ψ(ξ)
Acos(β
Bsin(β
)
)
(1.5)
β
(1.6) Và nghiệm có dạng:
0
ω v
0 Z mw,
Với: , tham số tần số
Z0 , chiều dài của chi tiết
Cả hai mặt của chi tiết chuyển động theo hướng dọc z, được gắn với chi tiết tiếp theo.
(cid:2914)(cid:2959)((cid:2974))
(cid:2914)(cid:2959)((cid:2974)) (cid:4698)
Vì thế, các điều kiện biên dao động tự do (1.5) của chi tiết như sau:
(cid:2914)(cid:2974)
(cid:2914)(cid:2974)
(cid:2974)(cid:2880)(cid:2868)
(cid:2974)(cid:2880)(cid:2869)
(cid:4698) (1.7) = 0, = 0
m
Áp dụng (1.6) vào (1.7) ta có được thông số dao động của chi tiết như sau:
f 0k
k 2Z
E ρ
0
m
λ
+ Tần số dao động riêng (Hz) của dạng dao động (mode) thứ k:
k
2π β
2 k
k
+ Bước sóng của dạng (mode) dao động thứ k:
Với βk là nghiệm thứ k của phương trình đặc trưng và k = 1, 2,. . .
Thông thường chỉ có hai dạng dao động đầu tiên k = 1 (gọi là dạng một nửa sóng, hình
1.4a) và k = 2 (gọi là dạng nguyên sóng, hình 1.4b) được áp dụng để phân tích tính toán
15
cho các chi tiết dạng trụ tròn (hình 1.3b) cấu thành nên bộ phận phát sóng siêu âm có
2A
2A
Ψ(ξ)
Ψ(ξ)
1 ξ
1 ξ
01A
01A
công suất lớn và có phương truyền sóng dọc.
a) b)
Hình 1.4: Dạng dao động của ống dẫn sóng hình trụ tròn. a) dạng nửa sóng; b) dạng
nguyên sóng
Trên cơ sở phân tích dạng dao động và tần số dao động riêng, các thông số hình học của
chi tiết dẫn sóng được xác định. Áp dụng cho chi tiết dẫn sóng là cụm khuếch đại biên
độ dao động (cụm 2) được đề cập ở trên; trong trường hợp, chọn dạng dao động là “một
là nữa bước sóng” ta xác định các thông số hình học của cho cụm 2 như sau
2
1
+ Hệ số khuếch đại dao động [28]
k
a
D D
2
(1.8)
Trong đó, D1, D2 lần lượt là mặt có đường kính lớn và mặt có đường kính nhỏ.
v
mw,
+ Chiều dài của bộ phận khuếch đại [29]
Z Z
1
2
2f
mw,
(1.9)
Trong đó, vw,m, fw,m lần lượt là vận tốc truyền âm và tần số dao động của sóng âm trong
vật liệu.
+ Chiều dài z1, z2 được tính như sau [30, 29]:
Z Z
1
2
m 4
(1.10)
- Cơ sở lý thuyết phân tích các dao động tự do của một chi tiết dẫn sóng dạng tấm [30]:
R
z
ir 2z
1r
2r 1z
r
16
Hình 1.5: Tấm tròn bậc
Như trình bày ở trên, vai trò của bộ phận phát xạ sóng siêu âm là phân phối sóng ra môi
trường và phải có diện tích phát sóng lớn để đáp ứng năng suất sấy cho máy sấy. Để thực
hiện được vai trò trên thì bộ phận phát xạ thường có dạng tấm chữ nhật (hình 1.2b) hoặc
tấm tròn (hình 1.2c), hoặc là hình trụ rỗng (hình 1.2d) [26]. Đối với tấm dạng chữ nhật
và tấm tròn, để hai sóng liền kề không triệt tiêu nhau thì bề mặt của bộ phận phát xạ có
dạng bậc [26, 30]. Phương trình dao động ngang tự do của tấm mỏng với bề dày không
2
2
ρ z m 0
đổi Z0 được mô tả bởi phương trình vi phân sau [30]:
DΔ u(r, θ, τ) +
= 0
u(r,θ, τ) 2 τ
(1.11)
trong đó, u(r, θ, τ) là hàm mô tả chuyển vị của tấm theo thời gian, D = E(cid:2923)Z(cid:2868)H(cid:2871)/12(1 − (cid:2870) ) là độ cứng của tấm; μm, hệ số Poisson của vật liệu cấu thành nên tấm. μ(cid:2923)
Bằng phương pháp tách biến ta có nghiệm tổng quát của phương trình (1.11) trong trường
hợp dao động đối xứng tâm của tấm tròn bậc như sau [30]:
U(r) = J (αr) + BI (βr)
0
0
(1.12)
Trong đó, J(cid:2868) và I(cid:2868) lần lượt là hàm Bessel bậc không loại một và hàm sửa đổi của nó; α, β
và B là 3 tham số cần xác định để có thể xác định được phân bố dao động U(r) dọc hướng
bán kính của tấm tròn.
Các điều kiện biên của tấm tròn bậc [30] :
iU(r ) = 0
R
D Z U(r)rdr = 0
0
(1.13)
0
(1.14)
2
D
+
= 0
2
17
r
U(r) 1 U(r) r r
r
r=R
v
w,a
z - z = 2
1
(1.15)
2f
w,m
(1.16)
Giải phương trình (1.12) cùng với điều kiện biên từ (1.13) đến (1.16) ta xác định được
dạng dao động, vị trí các đường tròn nút và chiều cao của bậc. Tuy nhiên, phương trình
này chỉ cho kết quả gần đúng khi xác định ba dạng dao động đầu tiên [30].
Emeterio [30] đã đề xuất cải tiến phương trình (1.12) trong đó thêm vào một hàm bước
giúp xác định chính xác hơn chuyển vị tại các vị trí có chiều dày khác nhau của tấm tròn
có bậc. Biểu thức gần đúng này được viết lại như sau:
W(r) = K(r)[J (αr) + BI (βr)] 0
0
(1.17)
K(r) =
với K(r) là hàm bước và có hai giá trị 1 và K sau:
1, r W(r) > 0 K > 0, r W(r) < 0
(1.18)
Từ lý thuyết trên, Emeterio và các cộng sự [30] cũng đã thiết kế chế tạo thử nghiệm và
tiến hành đo đạc để kiểm chứng các kết quả tính toán. Một trong số các thiết kế đã được
công bố có các thông số như sau: R = 14 cm, z(cid:2869) = 0,5 cm, z(cid:2870) = 0,96 cm. Vật liệu được sử dụng là hợp kim nhôm với μ(cid:2923) = 0,3, E = 66 GPa, ρ = 2670 kg/m(cid:2871). Kết quả này được tổng hợp ở bảng 1.1.
Bảng 1.1: Thông số hình học của bộ phận phát xạ dạng tròn bậc [30]
Tần số dao động (Hz) Đo đạc Tính toán Bán kính các đường tròn nút, cm r(cid:2871) r(cid:2872) r(cid:2870) r(cid:2869) r(cid:2873)
2,14 4,91 7,69 10,51 12,92 21,312 21,138
- Phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dao động
Việc xác định dạng dao động và tần số tự nhiên của chi tiết dạng hình trụ tương đối
đơn giản, tuy nhiên, đối với các chi tiết có hình dạng không phải hình trụ thì phức tạp
hơn nhiều. Vì vậy, để xác định dạng dao động và tần số tự nhiên cho các chi tiết phức
tạp phương pháp phần tử hữu hạn (finite element method - FEM) được khuyến khích sử
dụng. Phương trình dao động của một phần tử tự do như sau [27]:
Ku
0
uBuM
18
(1.19)
Trong đó, M, B, K tương ứng là ma trận khối lượng, giảm chấn và độ cứng.
ü , u̇ , u tương ứng là vector gia tốc, vận tốc, chuyển vị của phần tử.
Vì có thể cho rằng các vật liệu cấu thành các chi tiết dẫn sóng có khả năng giảm chấn
thấp, giảm chấn trong phương trình chuyển động có thể được bỏ qua. Phương trình
uM
Ku
0
chuyển động (1.19) có thể cho B = 0 và viết lại thành dạng:
(1.20)
Các thuộc tính dao động của các chi tiết dẫn sóng được xác định bằng lời giải giá trị
(K
ω
M)φ
0
riêng:
2 i
i
(1.21)
Với φi, vector riêng thứ i (dạng dao động)
ωi, tần số góc tự nhiên của dạng dao động thứ i
Khi ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải một bài toán tổng quát thường phải
thực hiện các bước sau [31]:
Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát – tạo lưới phần tử hữu hạn
Bước 2: Xây dựng các phương trình phần tử
Bước 3: Lắp các phương trình phần tử
Bước 4: Khử các điều kiện biên
Bước 5: Giải hệ phương trình toàn cục để tìm các giá trị nút
Bước 6: Tính toán các kết quả trên phần tử
Hiện nay, có nhiều phần mềm dựa trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn xây dựng
thư viện hỗ trợ cho việc phân tích dao động. Trong đó, phần mềm chuyên dụng ANSYS
có các phần tử thích hợp để xây dựng mô hình (mô hình hóa) cho các chi tiết phức tạp.
Các tính chất về dao động (dạng dao động và tần số) có thể xác định từ phân tích dao
động từ các thư viện của phần mềm này.
Các kết quả đã công bố về bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy
Xác định thông số hình học bằng phương pháp giải tích dựa vào lý thuyết Rayleigh
thì số lượng đường nút đạt được đến 7 (diện tích phát sóng tỉ lệ thuận với số đường nút),
sai lệch giữa tần số hoạt động thực tế và tần số thiết kế trong phạm vi nhỏ hơn 10% [30],
19
số lượng đường nút càng lớn thì sai lệch càng cao [30]. Áp dụng phương pháp phần tử
hữu hạn xác định thông số hình học cho bộ phận phát xạ dạng tấm chữ nhật bậc thì diện
tích phát sóng đạt đến 0,18 m2, tần số hoạt động 19,5 kHz [26]; bộ phận phát xạ dạng
tấm tròn bậc có diện tích phát sóng đạt đến 0,038 m2, tần số hoạt động 22 kHz [32]; bộ
phận phát xạ dạng ống tròn có thể tích 0,002 m3, tần số hoạt động 21,8 kHz [33].
Nhận xét:
Để xác định thông số hình học của bộ phận phát sóng hỗ trợ sấy thì cần phải xác định
dạng dao động (mode) của từng bộ phận, tần số dao động riêng của từng bộ phận. Tuy
nhiên, dạng dao động cụm khuếch đại, cụm ghép nối và PZT là giãn/dài. Trong khi đó,
dạng dao động của bộ phận phát xạ lại là uốn cong. Cho nên, mặc dù khi tính toán từng
cụm chọn tần số dao riêng là như nhau nhưng khi ghép nối các cụm trở thành một bộ
phận thì tần số dao động riêng của hệ sẽ không bằng so với tần số dao động riêng từng
cụm. Dẫn đến, vị trí đường tròn nút của bộ phận phát xạ sai lệch so với tính toán ban
đầu, kết quả, tuổi thọ của bộ phận phát sóng không cao thậm chí gây ra hỏng hóc phần
cơ (nứt tế vi tại những vị trí hạ bậc (hình 1.5; hình 1.6), cụm phát xạ có thể hoạt động
không bền. Ngoài ra, khi đó nếu kích thích (cấp nguồn) bộ phận phát sóng bằng tần số
tần số dao động riêng của từng cụm (như thiết kế ban đầu) thì năng lượng sóng siêu âm
không được chuyển tải hết ra môi trường không khí, phát sinh nhiệt ở nguồn phát và bộ
phận phát sóng. Và vì vậy, vấn đề thiết kế và phát triển bộ phận phát sóng siêu âm hỗ
trợ sấy vẫn cần được nghiên cứu và phát triển [2].
Hình 1.6: Nứt tế vi tấm bậc chữ nhật của bộ phận phát sóng siêu âm
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sấy nông sản thực phẩm với sự hỗ trợ của
sóng siêu âm
Sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm thuộc dạng kỹ thuật sấy kết hợp, hệ thống sấy có
sự hỗ trợ của sóng siêu âm bao gồm máy sấy theo phương pháp đối lưu, hoặc bơm nhiệt,
20
hoặc là chân không,…, và bộ phận phát sóng được tích hợp trong buồng sấy.
Sấy với sự hỗ trợ của sóng siêu âm có thể được thực hiện bằng hai phương pháp: sấy
siêu âm tiếp xúc và sấy siêu âm không tiếp xúc [16]. Sấy siêu âm không tiếp xúc, sóng
siêu âm được phát ra từ bộ phận phát sóng siêu âm lan truyền trong không khí rồi mới
tiếp xúc với VLS. Trong khi đó, sấy siêu âm tiếp xúc thì vật liệu sấy được đặt tiếp xúc
với bộ phận phát sóng siêu âm vì vậy năng lượng siêu âm được truyền vào vật liệu nhiều
hơn so với sấy siêu âm không tiếp xúc. Hiện nay, sấy với sự hỗ trợ của sóng siêu âm
được các công trình nghiên cứu khoa học trên thế giới thực hiện rất nhiều trên các nông
sản thực phẩm như: cam [34, 35], chanh [36], chanh dây [4], dâu tây [37], cà rốt [16, 38,
39, 40], táo [3, 40-45], tiêu [44], khoai lang [46, 47], khoai mì [43], gạo [48], nho [49,
50], chuối [51], xoài [51], hồng [14], cà tím [40], hải sản như cá [52-54],… và thảo dược
hoa kim ngân [55], lá húng [56],…Và được thống kê theo các nhóm tùy theo mục đích
nghiên cứu như sau:
- Gallego và các cộng sự [16], sử dụng hệ thống sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm
(hình 1.7) trên vật liệu sấy cà rốt nhằm xác định hiệu quả hỗ trợ tách ẩm của sóng siêu
âm trong trường hợp đầu phát sóng tiếp xúc và không tiếp xúc với vật liệu sấy. Kết quả
nghiên cứu cho thấy, khi vật liệu sấy tiếp xúc với đầu phát sóng thì sự phối hợp trở kháng
giữa đầu phát sóng và vật liệu sấy cao hơn nên năng lượng siêu âm truyền vào vật liệu
nhiều hơn đẩy nhanh quá trình thoát ẩm so với không tiếp xúc [16].
Hình 1.7: Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm [16]
21
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ TNS đến hiệu quả tách ẩm khi có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm bằng phương pháp sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm với sơ đồ thiết bị
như hình 1.8. Denglin và các cộng sự (2015) [38] đã thực nghiệm trên vật liệu sấy là cà
Hình 1.8: Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm đĩa tròn [38]. 1- quạt; 2-
thiết bị gia nhiệt; 3- khay chứa mẫu; 4- cảm biến đo nhiệt độ; 5, 6- bộ phát sóng siêu
âm; 7- nguồn cung cấp.
Hình 1.9: Hệ thống sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm [40]. 1- quạt; 2- cảm biến đo
nhiệt độ; 3- cảm biến đo độ ẩm tương đối của không khí; 4- thiết bị đo tốc độ TNS; 5,
6- bộ phận phát sóng siêu âm, chính là buồng chứa mẫu sấy; 7- buồng tải; 8- ống nối;
9- cơ cấu trượt; 10- cân điện tử; 11- bộ phận trao đổi nhiệt; 12- thiết bị gia nhiệt; 13-
buồng chứa khay hút ẩm; 14- khay chứa mẫu.
22
rốt tại 3 mức nhiệt độ TNS 30ºC, 40ºC, 50ºC. Từ kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu quả
về thời gian sấy khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm ở mọi điều kiện nhiệt độ TNS, tuy
nhiên, mức độ sẽ giảm xuống khi nhiệt độ TNS càng tăng. Kết quả này cũng tương tự
như kết quả đã công bố ở công trình [40] khi sấy cà rốt ở nhiệt độ âm (-14ºC) với thiết
bị sấy thể hiện ở hình 1.9. Điều này không những đúng cho cà rốt mà còn đúng dâu tây
[37] và cà tím [40] là những vật liệu có độ xốp cao, ngoài ra, còn phù hợp với sấy cá
[54].
- Garcia-Perez và các cộng sự [36], sử dụng máy sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm
có buồng sấy là đầu phát sóng dạng ống thể tích 2,4 dm3 (hình 1.10), thực nghiệm sấy
nông sản ở 40ºC và nhiều mức vận tốc TNS khác nhau từ 0,2 đến 10,0 m/s kết hợp với
sóng siêu âm công suất nguồn phát 75W và tần số 21,8 kHz cho những vật liệu cà rốt lát,
hồng lát và vỏ chanh. Tác giả đã nhận định rằng, đối với vật liệu có độ xốp thấp như cà
rốt và hồng lát thì hiệu quả hỗ trợ tách ẩm của sóng siêu âm (thông qua động học sấy) sẽ
giảm dần khi vận tốc TNS tăng, hiệu quả hỗ trợ tách ẩm sẽ không còn nữa khi vận tốc
tác nhân sấy tăng đến ngưỡng (10 m/s). Tuy nhiên, đối với vật liệu sấy có độ xốp cao
như vỏ chanh thì hiệu quả tách ẩm vẫn còn ở những mức vận tốc TNS cao [36]. Kết quả
nghiên cứu này, phù hợp trên vật liệu sấy là hồng [14] do chính nhóm của Garcia-Perez
(2011) thực hiện, nho [49] do Clemente và các cộng sự (2014) thực hiện. Do đó, các
nông sản có độ xốp cao dễ bị ứng suất cơ học sẽ hiệu quả hơn trong siêu âm sấy.
- Nghiên cứu ảnh hưởng cường độ năng lượng siêu sóng siêu âm đến thời gian sấy vật
liệu ở điều kiện nhiệt độ từ 40ºC đến 70ºC trên vật liệu sấy là dâu tây bằng phương pháp
sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm với sơ đồ thiết bị như hình 1.10 được thực hiện bởi
Gamboa – Santos và các cộng sự (2014) [37]. Kết quả từ nghiên cứu này cho thấy, tại
những mức nhiệt độ thấp (40ºC) thì cường độ siêu âm càng cao thì thời gian sấy càng
giảm, lượng giảm thời gian sấy càng ít so với không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm khi
nhiệt độ TNS càng cao (70ºC). Kết quả tương tự trên sản phẩm sấy là cà rốt [38], khoai
mì [43], táo [3], thảo dược kim ngân [55].
- Để nghiên cứu sự suy giảm năng lượng của sóng siêu âm trong môi trường sấy (TNS)
từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả tách ẩm, với phương pháp sấy đối lưu kết hợp sóng siêu
23
Hình 1.10: Hệ thống sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm [36]. 1- quạt; 2- điện trở gia
nhiệt; 3- thiết bị đo tốc độ gió; 4- van 3 chiều; 5- cảm biết đo nhiệt độ; 6- buồng tải; 7-
khớp nối; 8- cánh tay khí nén; 9- bộ phận phát sóng siêu âm; 10- tấm phát xạ sóng siêu
âm dạng ống tròn; 11- khay chứa mẫu; 12- cân; 13- kết nối trở kháng; 14- đồng hồ công
suất; 15- nguồn cung cấp siêu âm; 16- máy tính.
âm, Denglin và các cộng sự [38] đã thực hiện thí nghiệm với các khoảng cách khác nhau
từ vật liệu sấy đến bộ phận phát sóng siêu âm trên máy sấy có sơ đồ như hình 1.8. Kết
quả nghiên cứu cho thấy, hiệu quả tách ẩm giảm xuống khi khoảng cách đặt vật liệu sấy
càng xa bộ phát xạ sóng và hiệu quả rất thấp với khoảng cách 30 cm [38]. Kết quả nghiên
cứu này cũng phù hợp cho vật liệu sấy thảo dược kim ngân [55]. Điều này cho thấy rằng,
sự suy giảm năng lượng của sóng siêu âm theo phương truyền sóng cũng đáng kể, bố trí
vật liệu sấy cũng là yếu tố cần quan tâm khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến chất lượng sản phẩm, công trình nghiên
cứu của Fernandes và các cộng sự (2015) [3] về ảnh hưởng của sóng siêu âm đến hàm
24
lượng vitamin sản phẩm khô của táo (Malus domestica L). Tác giả đã kết luận rằng, vì
thời gian sấy giảm ở điều kiện TNS có nhiệt độ thấp khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm
trong quá trình sấy nên vitamin B1, B2, B3 và B6 cao hơn, trong khi đó B5 và E thấp
hơn so với không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Không những vậy, công trình nghiên
cứu của Schossler và các cộng sự (2012) [44] cho thấy, cấu trúc vi mô bên trong của táo
cũng ít thay đổi hơn do thời gian tiếp xúc nhiệt ít hơn. Tuy nhiên, ở cường độ siêu âm
cao có thể ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của vật liệu do áp lực cơ học của sóng tạo nên
[45]. Ngoài ra, cũng vì thời gian sấy giảm nên hàm lượng phenol, hoạt tính chống oxy
hóa trong chanh dây [4], chuối, ổi, xoài [51], khoai lang [47] được bảo tồn và màu sắc
khoai lang ít thay đổi so với nguyên liệu tươi ban đầu [47]. Như vậy, thời gian sấy vật
liệu giảm ở điều kiện nhiệt độ sấy thấp khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm trong quá trình
sấy, làm cho chất lượng của sản phẩm sấy được nâng cao so với không có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm.
- Liu và các cộng sự (2015) [55], với mục tiêu xác định công nghệ sấy phù hợp để duy
trì thành phần thảo dược và màu sắc cho cây kim ngân (Flos Lonicerae), loại nguyên liệu
này rất dễ đổi màu và thành phần thảo dược dễ bị biến chất khi sấy ở nhiệt độ cao hoặc
thời gian sấy dài. Vì vậy, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp sấy đối lưu kết hợp
sóng siêu âm có sơ đồ thiết bị thể hiện ở hình 1.8. Kết quả khảo sát cho thấy, ở mức công
suất 80W, nhiệt độ TNS từ 40ºC đến 70ºC thì thời gian sấy giảm từ 10,5% đến 15,4% so
với không có sóng siêu âm. Do thời thời gian sấy ngắn khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm
trong quá trình sấy nên hiệu quả mặt kinh tế cho loại vật liệu này được tăng lên so với
khi không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm [55].
- Bantle và các cộng sự (2010, 2013, 2014) Sử dụng máy bơm nhiệt kết hợp với sóng
siêu âm sấy thực phẩm Calanus finmarchicus (trồng nhiều ở biển Na Uy dùng làm thực
phẩm và thức ăn gia súc), đậu Hà Lan và cá đông lạnh. Dựa vào kết quả nghiên cứu các
tác giả nhận thấy rằng, bằng phương pháp bơm nhiệt nên nhiệt độ TNS thấp, sóng siêu
âm hỗ trợ sấy làm giảm lớp biên truyền ẩm đáng kể đối với nguyên liệu có độ ẩm cao
nên thời gian sấy giảm và thành phần chất dinh dưỡng bảo tồn. Tuy nhiên, chi phí đầu
và vận hành thiết bị cao [52, 53, 57].
25
Nhận xét:
- Sấy nông sản thực phẩm có sự hỗ trợ của sóng siêu âm được các nhà khoa học đã thực
hiện nhiều trên các loại nông sản khác nhau và có thể nhận xét rằng là hiệu quả (thời
gian sấy giảm) cho nông sản có độ xốp thấp và cho cả nông sản có độ xốp cao. Tuy nhiên,
nghiên cứu sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm cho các sản phẩm cao cấp trong nông
nghiệp đặc biệt là các sản phẩm từ cây dược liệu chưa được thực hiện nhiều. Và cũng
nhận xét thêm rằng, hiệu quả hỗ trợ sấy của sóng siêu âm là không giống nhau cho các
loại nông sản. Như vậy, để đánh giá mức độ hiệu quả khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy cho
nông sản nào thì cần phải nghiên cứu cụ thể trên nông sản đó.
- Sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm thì thời gian sấy giảm ở điều kiện nhiệt độ TNS thấp;
từ đó làm cho màu sắc của sản phẩm sấy ít thay đổi so với nguyên liệu tươi, giảm thiểu
được sự chuyển hóa và suy giảm vitamin, phenol, hoạt tính chống oxy hóa do nhiệt độ.
Tuy nhiên, đối với các dược chất quý hiếm có trong sản phẩm từ cây dược liệu thì mức
độ ảnh hưởng như thế nào khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy cũng còn ít công trình nghiên
cứu.
1.4 Nghiên cứu về truyền nhiệt truyền ẩm trong vật liệu khi sấy có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm
Nghiên cứu về truyền nhiệt truyền ẩm trong vật liệu khi sấy có sự hỗ trợ của sóng
siêu âm đã được tìm thấy ở nhiều công trình khoa học trên nhiều loại sản phẩm khác
nhau (được trình bày ở mục 1.3.2), xác định mô hình toán và điều kiện biên để nghiên
cứu bản chất truyền nhiệt và truyền ẩm bên trong vật liệu trong quá trình sấy là một vấn
đề quan trọng vì nó mô tả hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng (hiện
tượng ở đây là truyền nhiệt truyền ẩm). Nhìn chung, các công trình nghiên cứu về sóng
siêu âm hỗ trợ sấy sử dụng các phương trình toán sau đây để mô hình hóa mô phỏng độ
ẩm của vật liệu sấy trong quá trình sấy:
- Sử dụng phương trình khuếch tán ba chiều được thể hiện ở phương trình (1.22) để
nghiên cứu qui luật truyền ẩm trong vật liệu nếu vật liệu dạng lập phương [5, 39, 41, 43,
44]. Và một chiều phương trình (1.23) cho vật liệu dạng lát tròn có tỉ lệ đường kính/bề
26
dày từ 3,6 đến 6,6 [4, 16, 34-36, 51]. Và là hai chiều phương trình (1.24) cho vật liệu
∂M
dạng trụ tròn tỉ lệ đường kính/chiều cao là 0.4 [14].
∂τ
∂2M ∂x2 +
∂2M ∂z2 (cid:3440)
∂M
(1.22) = De (cid:3436)
∂τ
1
∂M
∂M
(1.23) = De (cid:3436)
r
∂r
∂τ
∂2M ∂y2 + ∂2M ∂x2 (cid:3440) ∂2M ∂r2 +
∂2M ∂z2 +
(1.24) (cid:3440) = De (cid:3436)
- Tùy theo mục tiêu nghiên cứu, hình dạng VLS, mô hình vật lý nghiên cứu và điều kiện
TNS các điều kiện sau đây được áp dụng:
+ Điều kiện ban đầu: giả sử độ ẩm ban đầu của VLS là đồng đều và là :
(1.25) Nếu dạng lập phương [5, 39, 41, 43, 44]: τ = 0; M(x, y, z, 0) = M(cid:2868)
(1.27) Nếu dạng lát tròn [4, 16, 34-36, 51]: τ = 0; M(x, 0) = M(cid:2868) (1.26) Nếu dạng trụ tròn [14]: τ = 0; M(r, z, 0) = M(cid:2868)
+ Điều kiện đối xứng: giả sử VLS trao đổi ẩm với TNS tại mọi điểm của bề mặt là
như nhau khi đó, nếu VLS dạng lập phương thì điều kiện (1.28) [5] và nếu lát tròn thì
∂M(0,0,0,τ)
∂M(0,0,0,τ)
∂M(0,0,0,τ)
(1.29) [4, 34, 36] và nếu trụ tròn (1.30)
∂y
∂z
∂x
∂M(0,τ)
= 0; = 0; = 0 (1.28) τ > 0, 𝑥 = 0, 𝑦 = 0, 𝑧 = 0;
∂x
∂M(0,0,τ)
∂M(0,0,τ)
= 0 (1.29) τ > 0, 𝑥 = 0
∂r
∂z
= 0; = 0; (1.30) τ > 0, 𝑧 = 0, 𝑟 = 0;
x
τL,
ρD - 0;
h
(L,
τ)
e
s
e
m
a
y
τL,
ρD - 0;
h
(L,
τ)
+ Điều kiện biên loại 3 (là điều kiện có xem xét trao đổi ẩm đối lưu tại bề mặt):
e
s
e
m
a
z
τL,
ρD - 0;
h
(L,
τ)
e
s
e
m
a
M(L, τ)z,y, x M(x, τ)z,L, y τ)L,y,M(x, z
τ)
Lập phương [5]: (1.31)
x
τL,
ρD - 0;
h
(L,
τ)
e
s
e
m
a
M(L, x
Lát tròn [4, 35-36]: (1.32)
τ)z,
r
τR,
ρD - 0;
h
(R,
τ)
e
s
e
m
a
27
z
τL,
ρD - 0;
h
(L,
τ)
e
s
e
m
a
M(R, r τ)L,M(r, y
Trụ tròn [14]: (1.33)
+ Điều kiện biên: giả sử độ ẩm của vật liệu sấy tại lớp bề mặt bằng độ ẩm cân bằng:
(1.34)
Trụ tròn [14]: (cid:3420) (1.35) Lát tròn [4, 35]: x = L, τ > 0; M(L,τ) =M(cid:2915) r = R, τ > 0; M(R,z,τ) =M(cid:2915) z = L, τ > 0; M(r,L,τ) =M(cid:2915)
Các dạng kết quả đã công bố:
Xác định (xây dựng) phương trình toán khuếch tán ẩm (là một trong những phương
trình từ (1.22) đến (1.24) tùy theo hình dạng vật liệu), sử dụng điều kiện ban đầu (là một
trong những phương trình từ (1.25) đến (1.27) tùy theo hình dạng vật liệu) và:
+ Trường hợp 1: sử dụng điều kiện biên (1.34) hoặc (1.35) tùy theo dạng vật liệu, kế
thừa kết quả là một phương trình độ ẩm theo thời gian trong đó có hệ số De (là nghiệm
có được từ việc giải phương trình trình vi phân đạo hàm riêng tùy theo điều kiện biên)
và dựa vào số liệu thực nghiệm độ ẩm của vật liệu sấy theo thời gian tại những chế độ
sấy khác nhau xác định hệ số khuếch tán ẩm De của VLS (là thông số động học sấy
của VLS).
+ Trường hợp 2: cũng như trường hợp 1, không kế thừa nghiệm mà dựa vào các
phương trình dự đoán về sấy lớp mỏng từ đó xác định phương trình dự đoán giảm ẩm
phù hợp cho VLS.
+ Trường hợp 3: Trong trường hợp xem xét tác động sóng siêu âm làm ảnh hướng
đến khả năng trao đổi ẩm đối lưu giữa TNS và vật liệu sấy thì áp dụng áp dụng điều
kiện đối xứng (là một trong những phương trình từ (1.28) đến (1.30) tùy theo hình
dạng vật liệu) (có khi không áp dụng điều kiện này) và điều kiện biên loại 3 (là một
trong những phương trình từ (1.31) đến (1.33) tùy theo hình dạng vật liệu). Giải hệ
phương trình bằng phương pháp số nhờ sự trợ giúp của các phầm mềm chuyên dụng
hoặc mô phỏng số, dựa vào vào số liệu thực nghiệm độ ẩm của vật liệu sấy theo thời
gian tại những chế độ sấy khác nhau và trên cơ sở phân tích thống kê xác định De và
hm cho VLS.
28
Nhận xét:
- Trường hợp đường cong sấy thực nghiệm của vật liệu sấy chỉ tồn tại giai đoạn tốc độ
sấy giảm dần thì thông số động học sấy De có thể xác định như trường hợp 1 và phương
trình dự đoán độ ẩm vật liệu sấy theo thời gian có thể xác định như trường hợp 2 và phù
hợp cho trường hợp sấy lớp mỏng vật liệu.
- Trường hợp đường cong sấy thực nghiệm của vật liệu sấy tồn tại bao gồm giai đoạn
tốc độ sấy không đổi và giai đoạn tốc độ sấy giảm dần thì hệ số De được xác định như
trường hợp 3; vận dụng kết quả này để tính toán hoặc dự đoán động học sấy cho một chế
độ sấy nào đó kết quả có độ chính xác cao cao hơn so với trường hợp 1.
1.5 Tổng quan về đối tượng nghiên cứu
1.5.1 Đảng sâm
Đảng sâm (danh pháp khoa học là Codonopsis javanica) là loài thực vật có hoa trong
họ hoa chuông. Loài này được (Blume) Hook.f. & Thomson mô tả khoa học đầu tiên
năm 1855. Đây là một sản phẩm cao cấp trong nông nghiệp được sử dụng làm thực phẩm
và dược liệu.
Hình 1.11: Hoa, rễ của đảng sâm.
Đảng sâm được canh tác nhiều ở những vùng có khí hậu ôn đới của những quốc gia:
Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ, Lào, Thái Lan, Việt Nam, Indonesia, …. Tại Việt Nam,
đảng sâm là một cây thuốc quý nằm trong danh mục 54 cây thuốc được Bộ Y Tế ưu tiên
phát triển trong giai đoạn từ năm 2015-2020 (Quyết định số 206/QĐ-BYT ngày 22 tháng
01 năm 2015 của Bộ Y Tế Việt Nam) và được canh tác với qui mô trang trại miền trung
tây nguyên Việt Nam, do điều kiện thổ nhưỡng và khí hậu ở đây thuận lợi cho việc phát
triển cây dược liệu này nên cho ra sản phẩm có rễ to và chất lượng cao.
29
Thành phần chất dinh dưỡng và thảo dược của đảng sâm bao gồm: đường, axit amin,
chất béo và saponin [58]. Trong đó saponin là một trong những thành phần dược liệu,
hoạt chất chính tạo nên công dụng của nhân sâm nói chung và của đảng sâm nói riêng,
có công dụng: chống viêm, kháng khuẩn, kháng nấm, ức chế vi rút và một số loại có thể
điều trị viêm loét dạ dày, viêm da [59]. Hàm lượng saponin toàn phần không nhỏ hơn 3%
(tính theo dược liệu khô kiệt, không đề cập đến độ tuổi) thì đạt chuẩn (theo dược điển
Việt Nam IV [60]). Được biết, do hàm lượng saponin có trong đảng sâm Việt Nam không
ổn định theo độ tuổi và mùa vụ thu hoạch do vậy dược điển Việt Nam V [61] không đề
cập đến hàm saponin đạt chuẩn có trong đảng sâm, thay vào đó là chất chiết được trong
dược liệu (không được ít hơn 2,5%). Để bảo quản ở dạng khô thì độ ẩm của đảng sâm
không quá 15% [60, 61].
1.5.2 Sơ chế và bảo quản đảng sâm
Hiện nay, đảng sâm tươi sau khi thu hoạch được bảo quản lạnh. Để bảo quản lâu hơn
thì phơi nắng ở điều kiện nhiệt độ thấp. Rất ít thông tin khoa học về kỹ thuật sấy loại sản
phẩm cao cấp này ở Việt Nam.
1.5.3 Các phương pháp sấy và thiết bị sấy nhân sâm trên thế giới
Buồng
Khí ra
sấy
38ºC 38 - 50-38ºC
50ºC
Khí vào
Bộ phận gia nhiệt
Quạt
- Davidson và các cộng sự (2004) thực nghiệm sấy đối lưu một giai đoạn 38ºC, 45ºC
Hình 1.12: Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu cho sâm Mỹ [62].
30
50ºC và ba giai đoạn là 38 - 50 - 38ºC trên máy sấy thể hiện ở hình 1.12 cho sâm Mỹ
(Panax quinquefolius). Kết quả nghiên cứu từ công trình này cho thấy, nhiệt độ TNS
càng cao thì màu sắc và sự suy giảm dược chất saponin càng nhiều; chế độ sấy ba giai
đoạn 38 - 50 - 38ºC là chế độ sấy phù hợp nhất cho sâm Mỹ và tại chế độ này lượng
saponin của sản phẩm giảm khoảng 25% so với nguyên liệu tươi [62, 63].
- Kim và các cộng sự (2008) đã thực nghiệm so sánh giữa sấy đối lưu tại nhiệt độ 50ºC,
sấy bức xạ hồng ngoại nhiệt độ 50ºC và sấy thăng hoa ở -70ºC cho sâm Hàn Quốc (Panax
ginseng C.A. Meyer). Kết quả cho thấy phương pháp sấy đối lưu 50ºC thì dược chất
saponin còn trong sản phẩm sấy nhiều nhất [64].
- Cũng với mục tiêu tìm ra chế độ sấy hợp lý cho sâm Hàn Quốc (Panax ginseng C.A.
Meyer), Kim và các cộng sự (2002) [65] đã nghiên cứu thực nghiệm bằng phương pháp
sấy đối lưu và bức xạ hồng ngoại ở cùng nhiệt độ với sơ đồ thiết bị được thể hiện ở hình
1.13. Ở công trình này tác giả (Kim) khẳng định, dược chất saponin, độ co ngót, và màu
sắc của sản phẩm sấy với hai phương pháp sấy là như nhau. Tuy nhiên, ở công trình
nghiên cứu [66, 67] của Ning và các cộng sự (2012, 2013), cũng với hai phương pháp
4
1
2
3
5
6
7
8
vừa nêu trên nhưng thí nghiệm được thực hiện như hình 1.14 tại các mức nhiệt độ 45ºC,
Hình 1.13: Sơ đồ thiết bị sấy sâm Hàn Quốc [65]. 1- Khí vào; 2- Khí ra; 3- Tấm phát
sóng hồng ngoại; 4- Khí ra; 5- Cảm biến đo nhiệt độ; 6- Trục dẫn; 7- Băng tải; 8- Lớp
cách điện.
31
55ºC, 65ºC, kết quả cho thấy, phương pháp sấy bức xạ hồng ngoại cho chất lượng tốt
hơn (màu sắc, saponin, hoạt tính chống oxy hóa và hàm lượng polyphenol), ít tốn năng
lượng hơn so với sấy đối lưu và công trình nghiên cứu cũng kiến nghị chế độ sấy hợp lý
cho loại sâm này là bức xạ hồng ngoại tại nhiệt độ 45ºC, tại điều kiện này lượng saponin
có trong sản phẩm sấy giảm 7,2% so với nguyên liệu tươi ban đầu. Ngoài ra, so với
phương pháp phơi nắng thì phương pháp sấy bức xạ hồng ngoại cũng được chứng minh
là phương pháp hợp lý cho sâm đỏ Hàn Quốc (là một loại của Panax ginseng) [68].
- Nhằm tìm ra kỹ thuật sấy sâm Hàn Quốc (Panax ginseng) dạng lát để cung cấp trên thì
trường với các tiêu chí được quan tâm bao gồm: độ cong vênh, màu sắc, hàm lượng
saponin và thời gian sấy, Ning và các cộng sự (2019) [69] đã thực nghiệm sấy sâm Hàn
Quốc với phương pháp sấy kết hợp bức xạ hồng ngoại và vi sóng. Trên cơ sở khảo sát
nhu cầu thực tế về nhân sâm lát trên thị trường thì bề dày trung bình sâm lát khoảng 3mm
không bé hơn 1mm không lớn hơn 5mm, các tác giả (Ning) đã sấy thực nghiệm sâm lát
1mm, 3mm, 4mm. Quá trình sấy nhân sâm chia hai giai đoạn: giai đoạn đầu sử dụng vi
sóng đạt đến độ ẩm khoảng 50% thì chuyển sang giai đoạn sau sử dụng bức xạ hồng
ngoại cho đến độ ẩm mong muốn. Kết quả nghiên cứu cho thấy, độ biến dạng sản phẩm
sấy ít hơn, lượng saponin cao hơn nhưng sự thay đổi màu sắc nhiều hơn so với sấy một
giai đoạn sử dụng bức xạ hồng ngoại ở cùng một mức nhiệt độ [69].
Hình 1.14: Hệ thống sấy bức xạ hồng ngoại [68]. 1- quạt; 2- thiết bị phát sóng hồng
ngoại; 3- motor; 4- buồng sấy; 5- băng tải; 6- đường ống dẫn TNS.
32
Nhận xét:
- Nhu cầu thực tế trên thị trường về sâm khô gồm nguyên củ và lát. Dạng lát thì bề dày
không bé hơn 1mm không lớn hơn 5mm.
- Nhiệt độ TNS, nhiệt độ VLS và thời gian sấy ảnh hướng đến màu sắc, thành phần chất
dinh dưỡng và hàm lượng saponin của sâm khô. Nhiệt độ TNS phù hợp để sấy các loại
sâm nói chung từ không thấp hơn 38ºC và không cao hơn 50ºC.
- Phương pháp sấy có các loại sóng hỗ trợ có thể là phương pháp cần được quan tâm khi
Kết luận chương tổng quan
sấy các loại sâm.
Nghiên cứu tổng quan về sóng siêu âm hỗ trợ sấy đã được trình bày trong chương
này. Một số thành tựu cũng như những vấn đề còn tồn đọng chưa nghiên cứu về sấy nông
sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm cũng đã trình bày ở nhận xét của từng mục. Một số
kết luận được tổng kết như sau:
- Bộ phận phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy đã được công bố có diện tích phát sóng
tương đối lớn (0,18 m2). Tuy nhiên, nếu tần số hoạt động của bộ phận phát sóng mà sai
lệch nhiều so với tần số dao động riêng (tần số thiết kế, tần số dao động riêng của từng
phần thường bằng tần số dao động riêng (tần số cộng hưởng) của PZT) thì tuổi thọ của
bộ phận phát sóng không cao và công dụng hỗ trợ sấy của sóng siêu âm được tạo ra
không đạt hiệu quả cao. Do vậy, nghiên cứu và phát triển bộ phận phát sóng siêu âm hỗ
trợ sấy vẫn còn là vấn đề cần được thực hiện, trong đó, thông số tần số cần được quan
tâm khi thiết kế.
- Để nghiên cứu qui luật truyền nhiệt truyền ẩm trong vật liệu ẩm trong quá trình sấy thì
mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm cần được xác định và phải phù hợp với mô hình vật
lý. Ở mục 1.4 cho thấy, các công trình nghiên cứu về sấy các nông sản với sự hỗ trợ của
sóng siêu âm rất thành công khi sử dụng phương trình khuếch tán để làm mô hình toán
truyền ẩm, sử dụng điều kiện biên loại 3 để giải phuơng trình nhằm xác định hệ số khuếch
tán ẩm De, trao đổi ẩm đối lưu hm. Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu cả truyền nhiệt và truyền
ẩm rất ít. Trong khi đó, trong quá trình sấy thì truyền nhiệt và truyền ẩm thường xảy ra
33
đồng thời và có mối quan hệ với nhau. Do vậy, vấn đề này cần được quan tâm đối với
vật liệu sấy là đảng sâm.
- Để tính toán nhiệt độ và độ ẩm của VLS trong quá trình sấy thì các thông số có trong
mô hình toán cần được xác định, tức là thông số nhiệt vật lý và thông số động học sấy
của VLS cần được xác định. Không những vậy, thông số nhiệt vật lý của VLS là thông
số được sử dụng để tính toán máy sấy. Do vậy, thông số nhiệt vật lý và thông số động
học sấy của đảng sâm cần được xác định.
- Từ các kết quả nghiên cứu đã đề cập ở mục 1.3.2 cho thấy, khi có sóng siêu âm hỗ trợ
trong quá trình sấy thì nhiệt độ sấy (nhiệt độ TNS) không cao nhưng thời gian sấy giảm
điều này rất có ích cho sấy các vật liệu nhạy với nhiệt, đặc biệt cho các sản phẩm từ các
cây thuốc. Và cũng từ các kết quả nghiên cứu đó (mục 1.3.2) cho thấy, cường độ siêu
âm, các yếu tố về TNS, bố trí vật liệu sấy, loại vật liệu sấy sẽ ảnh hưởng đến động học
quá trình sấy và từ đó ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Do vậy, xác định chế độ sấy
phù hợp cho từng loại vật liệu cần được thực hiện. Đối với đảng sâm, thì chưa tìm thấy
công trình nghiên cứu nào thực hiện, do đó, luận án này chọn vật liệu này nghiên cứu
với giới hạn khối lượng cho một mẻ sấy là 0,2 kg.
-Sản phẩm sâm trên thị trường gồm nguyên củ và lát được đề cập ở mục 1.5.3, trong luận
án này giới hạn (chọn) đảng sâm dạng lát để nghiên cứu với bề dày đảng sâm tươi là
5mm. Tiêu chí về màu sắc và dược chất saponin là các tiêu chí được quan tâm khi nghiên
cứu.
-Phương pháp sấy đối lưu, sấy bức xạ hồng ngoại và sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với
vi sóng đã được các công trình nghiên cứu khoa học trên thế giới áp dụng để sấy sâm.
Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu sấy sâm bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp với sóng
siêu âm chưa được tìm thấy công trình khoa học nào thực hiện. Do đó, vấn đề này sẽ
được làm sáng tỏ ở trong luận án này nhằm đóng góp thêm thông tin về giải pháp làm
khô dòng sản phẩm cao cấp này trong nông nghiệp.
- Tương tự sâm trên thế giới, đảng sâm Việt Nam là vật liệu nhạy nhiệt, nhiệt độ TNS
và thời gian sấy ảnh hưởng đến chất lượng, dược chất và màu sắc sản phẩm khô nên
chọn sấy bơm nhiệt, nhưng thời gian sấy dài, do vậy, cần sóng siêu âm để hỗ trợ là một
34
giải pháp hợp lý để giảm thời gian sấy không làm tăng nhiệt độ giữ được chất lượng sản
phẩm. Và do đó, vấn đề sấy đảng sâm Việt Nam bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp
với sóng siêu âm là vấn đề cần nghiên cứu và sẽ được làm sáng tỏ ở trong luận án này
nhằm đóng góp thêm thông tin về giải pháp làm khô dòng sản phẩm cao cấp này trong
nông nghiệp.
CHƯƠNG 2
VẬT LIỆU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
35
2.1 Vật liệu sấy
Vật liệu sấy (VLS) là đảng sâm tươi Việt Nam, từ 3 đến 4 năm tuổi, đường kính
của củ từ 20-28 mm được canh tác tại tỉnh Lâm Đồng bởi công ty Cao Lâm (hình 2.1a),
có độ ẩm ban đầu từ 86-92 % được bảo quản trong tủ lạnh. Khi thực nghiệm, VLS
được thái lát và chọn những lát có đường kính khoảng 25 ± 1 mm, bề dày 5 ± 0,5 mm
(hình 2.1b) để ở nơi thoáng mát có nhiệt độ môi trường từ 32-37 ºC và độ ẩm tương đối
của không khí từ 65-75 % sau 1 giờ cho vào buồng sấy, khi đó, độ ẩm của đảng sâm lát
từ 86,5-88,5 % (6,4-7,7 kg/kg, VLK), thông số màu sắc: L* = 71,8 ± 2,26; a* = 2 ± 0,05;
b* = 31,6 ± 1,31; hàm lượng saponin tổng, 1,404%; protein, 3,486%; chất béo, 1,723%;
tro, 4,133%.
a) b)
Hình 2.1: Đảng sâm tươi Việt Nam. a) nguyên củ; b) dạng lát
2.2 Các phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Giải pháp thiết kế bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy
Trong chương tổng quan đã đề cập, có thể áp dụng tính toán giải tích hoặc phân
tích phần tử hữu hạn để xác định kích thước hình học của bộ phận phát sóng siêu âm
hỗ trợ sấy. Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã kế thừa kết quả về thông số hình
học của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy ở những công trình nghiên cứu trên thế
giới chế tạo thiết bị phục vụ cho việc khảo nghiệm. Tuy nhiên, bộ phận phát sóng siêu
36
âm phát sinh nhiệt cao và nứt tế vi bên trong sau một thời gian hoạt động và tuổi thọ
không cao (hình 1.6 chương 1). Một trong những nguyên nhân là do tần số dao động
riêng của bộ phận phát sóng (có được từ máy phân tích tần số thiết bị dao động) sai
lệch nhiều so với tần số thiết kế (tần số dao động riêng mong muốn của bộ phận phát
sóng). Nghiên cứu này tiếp cận theo hướng phân tích phần tử hữu hạn xác định thuộc
tính dao động toàn cụm bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy bao gồm: PZT, cụm ghép
nối, cụm khuếch đại, cụm phát xạ (trình bày ở phần 1.3.1 của chương tổng quan) nhờ
sự trợ giúp của phần mềm ANSYS sau đó thuật toán tìm kiếm tối ưu (PSO) xác định
thông số hình học tối ưu cho bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy trong đó tần số dao
động riêng được quan tâm trong quá trình thiết kế với mục tiêu là tần số dao động riêng
của cụm bằng giá trị mong muốn. Lưu đồ giải pháp được thể hiện ở hình 2.2
Hình 2.2: Lưu đồ giải pháp thiết kế bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy.
37
2.2.2 Phương pháp xác định mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm
Dựa vào mô hình vật lý, phân tích hiện tượng vật lý, tham khảo các công trình
nghiên cứu về sóng siêu âm hỗ trợ sấy (trình bày ở phần tổng quan) và áp dụng định
luật cân bằng năng lượng cân bằng ẩm xác định mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm
trong VLS, phát triển điều kiện biên trao đổi nhiệt ẩm đối lưu khi có sự hỗ trợ của sóng
siêu âm trong quá trình sấy (trình bày ở chương 3). Ngoài ra, nghiên cứu thực nghiệm
kiểm chứng mô hình toán cũng là phương pháp được chọn trong nghiên cứu này.
2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu trong nghiên cứu thực nghiệm
Mỗi chế độ thí nghiệm được thực hiện 3 lần lặp lại, số liệu thực nghiệm cuối cùng
là trung bình cộng của 3 lần lặp lại. Để loại bỏ những số liệu không phù hợp ở những
thí nghiệm xấu, độ lệch bình phương trung bình (2.1) [70] của một đại lượng y được áp
N i = 1
dụng để đánh giá:
(ytn,i - ytb)2 N - 1
s = (cid:3495)∑ (2.1)
Trong đó: s là độ lệch bình phương trung bình; N là số thí nghiệm; ytn,i, ytb, lần lượt là
đại lượng thí nghiệm thứ i và trung bình cộng của các đại lượng với N thí nghiệm.
Đại lượng ytn,i bị loại (số liệu không phù hợp do thí nghiệm xấu) nếu ytn,i không thỏa
mãn (2.2) [70]:
(2.2) ytb - tp/2.s ≤ ytn,i ≤ ytb + tp/2.s
Với: tp/2 là tiêu chuẩn Student với mức ý nghĩa p = 0,05 với bậc tự do (N-1)
2.2.4 Phương pháp xác định độ ẩm, nhiệt độ của vật liệu sấy
- Độ ẩm của vật liệu sấy theo thời gian sấy được xác định theo cơ sở khô:
mt - ms ms
M = (2.3)
M
X
Chuyển đổi từ cơ sở khô sang cơ sở ướt và ngược lại:
M + 1
X = (2.4) 100%; M = 100-X
Trong đó: M là độ ẩm của vật liệu, kg ẩm/kg vật liệu khô (kg/kg VLK) (độ ẩm tính
theo cơ sở khô); X là độ ẩm của vật liệu, % (độ ẩm của vật liệu tính theo cơ sở ướt); mt,
ms lần lượt là khối lượng của vật liệu ẩm (bao gồm khối lượng của nước có trong vật
38
liệu và khối lượng vật liệu khô tuyệt đối) và khối lượng vật liệu khô tuyệt đối, kg.
- Phương pháp xác định khối lượng vật liệu khô tuyệt đối (ms): theo tiêu chuẩn Việt
Nam để không còn ẩm trong vật liệu thì phải sấy ở điều kiện nhiệt độ TNS là 105ºC
(dược điển 4 và 5 Việt Nam [60, 61]). Áp dụng điều kiện này xác định khối lượng đảng
sâm khô tuyệt đối (ms): đặt 100g vật liệu trong tủ sấy mẫu, duy trì nhiệt độ 105ºC cho
đến khi khối lượng của vật liệu không đổi (sau 3 lần lấy mẫu liên tiếp).
- Nhiệt độ của VLS là giá trị trung bình của N nhiệt độ tại N vị trí khác nhau bên trong
VLS được xác định theo công thức:
(2.5) tav = ∑ ti N i=1 N
- Màu sắc của VLS có thể được đánh giá bằng cảm quan hoặc dựa vào thông số màu
sắc. Trong đề tài này, thông số màu CIE Lab (L*, a*, b*) được sử dụng để mô tả sự thay
đổi màu sắc trong quá trình sấy, các giá trị L*, a*, b* được đo bởi máy đo màu X-Rite
Inc Grand Rapids MI (model: RM200). Mức độ thay đổi màu sắc so với giá trị chuẩn
2
2
2
được đánh giá thông qua thông số ∆E xác định theo công thức [47]:
* ) ∆E = (cid:3495)(L* - Lref
* ) + (b* - bref
* ) + (a* - aref
(2.6)
ref, a*
ref, b*
ref là các giá trị chuẩn, đối với đảng sâm sử dụng các giá trị ban
Trong đó, L*
đầu (trước khi sấy) làm giá trị chuẩn.
- Hàm lượng saponin, thành phần chất dinh dưỡng và hóa học có trong đảng sâm được
khảo nghiệm tại Viện nghiên cứu công nghệ sinh học và môi trường (Trường ĐHNL
Tp. HCM).
2.2.5 Phương pháp xác định tính chất nhiệt vật lý của vật liệu sấy
2.2.5.1 Khối lượng riêng của vật liệu sấy
Khối lượng riêng của vật liệu (ρp) là khối lượng của vật liệu trong một đơn vị thể tích
được xác định theo công thức:
(cid:2923)(cid:3174) (cid:2906)(cid:3174)
(2.7) ρ(cid:2926) =
Khối lượng riêng của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm và thành phần vật chất cấu thành
Trong đó: mP (kg), vp (m3) lần lượt là khối lượng và thể tích của vật liệu (bao gồm ẩm ).
nên vật liệu. Ở điều kiện nhiệt độ thấp thì khối lượng riêng của vật liệu chỉ phụ thuộc vào độ
ẩm của vật liệu [71] và được xác định như công thức (2.8).
ρ = p
39
1+ M 1 M + ρ
ρ
w
s
(2.8)
Trong đó: M (kg/kg VLK) là độ ẩm của vật liệu tính ở cơ sở khô; ρs là khối lượng riêng
của vật liệu khô tuyệt đối; ρw là khối lượng riêng của nước có trong vật liệu (=1020).
Sử dụng phương pháp thủy trọng kế dạng khí [72] với sơ đồ thiết bị như hình 2.3 xác
định thể tích riêng của đảng sâm.
Hình 2.3: Thiết bị xác định thể tích vật liệu
2.2.5.2 Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy
Nhiệt dung riêng của đảng sâm nói riêng và của vật liệu nói chung là nhiệt lượng
cần thiết để làm thay đổi nhiệt độ của một đơn vị vật chất tăng lên hoặc giảm xuống
một đơn vị nhiệt độ. Có nhiều phương pháp xác định nhiệt dung riêng cho nông sản
thực phẩm được Mohsenin (1980) [73] và tài liệu chuyên ngành về thông số nhiệt vật
lý mô tả rõ và được áp dụng ở những công trình nghiên cứu về xác định nhiệt dung
riêng cho những vật liệu cụ thể. Sau đây, là liệt kê các phương pháp mà công trình
nghiên cứu này đã tham khảo: phương pháp hỗn hợp hay còn gọi là phương pháp bình
giữ nhiệt [74, 75], phương pháp dựa vào thành phần cấu thành nên vật [1], phương
pháp xác định từ các thông số nhiệt vật lý khác đã biết của vật liệu [76]. Ngoài ra, còn
có phương pháp tấm chắn, phương pháp so sánh [73]. Trong những phương pháp đã
nêu trên thì phương pháp hỗn hợp dựa vào cân bằng năng lượng vật chất là phương
40
pháp đơn giản, phù hợp với điều kiện nghiên cứu của đề tài có sơ đồ thiết bị ở (hình
2.4).
Thiết bị thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng vật liệu bao gồm: bình chứa mẫu có tổng
khối lượng mc: là loại bình giữ nhiệt hai vỏ, vỏ ngoài bằng inox (1), vỏ trong bằng thủy
tinh kín được hút chân không (3), giữa vỏ ngoài và vỏ trong có chất cách nhiệt (2).
Cảm biến đo nhiệt độ PT100 (4) có độ chính xác ± 0,1ºC được lắp ở phía trên và đính
chặt vào nắp đậy (6), giữa nắp đậy và thân có ron cao su (5) để làm kín bình trong quá
trình thí nghiệm. Bộ chuyển đổi (7) chuyển đổi tín hiệu điện tử cảm biến đo nhiệt độ
thành tín hiệu số để máy tính (8) đọc, lưu trữ và tính toán ra giá trị nhiệt dung riêng
nhờ phần mềm chuyên dụng được xây dựng cho thí nghiệm này (hình 2.4).
a) b)
Hình 2.4: Thiết bị đo nhiệt dung riêng a) Sơ đồ thiết bị; b) Phần mềm và thiết bị
Qui trình thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng của đảng sâm theo phương pháp bình
giữ nhiệt được thực hiện giống như [75], kết quả đo được so sánh với kết quả tính toán
dựa vào thành phần vật chất cấu thành nên đảng sâm.
2.2.5.3 Hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu kp, là một thông số nhiệt vật lý của vật liệu, đặc trưng
cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu. Hiện nay, có nhiều phương pháp đo hệ số dẫn
nhiệt nhưng nhìn chung có hai hướng tiếp cận để nghiên cứu chọn phương pháp đo phù
hợp cho vật liệu cần nghiên cứu: hướng thứ nhất, dựa vào các tính chất nhiệt vật lý của
các thành phần vật chất cấu thành nên vật; hướng thứ hai, dựa vào cơ sở bài toán dẫn
41
nhiệt của vật liệu ở một điều kiện cụ thể (ví dụ điều kiện hình học và điều kiện môi
trường đặt vật). Với hướng thứ hai, chúng được chia thành hai nhóm chính: nhóm ổn
định và nhóm không ổn định [6, 77]. Nhóm ổn định, nhiệt độ của vật liệu tương đối là
đồng đều và không thay đổi theo không gian và thời gian, các thiết bị đo được chế tạo
theo nhóm này rất phức tạp. Nhóm không ổn định, thiết bị gia nhiệt được đưa vào bên
trong vật liệu; dựa vào lượng nhiệt tăng thêm trong một khoảng thời gian; từ đó xác
định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu [77]. Trong các phương pháp vừa đề cập thì phương
pháp nguồn nhiệt đường (line heat source method - phương pháp que thăm) thuộc
nhóm không ổn định và là phương pháp được áp dụng nhiều để chế tạo thiết bị khi
nghiên cứu xác định hệ số truyền nhiệt của vật liệu ẩm vì phạm vi ứng dụng rộng, chế
tạo đơn giản, tiện lợi (gọn nhẹ và độ bền cao), thời gian thí nghiệm ngắn và sai số chấp
nhận được [75, 76]. Để xác định hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm, đề tài này dựa theo
phương pháp nguồn nhiệt đường dạng que thăm (hình 2.5), chế tạo ra thiết bị thực
nghiệm với thiết bị được thể hiện ở hình 2.6.
Hình 2.5: Sơ đồ thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt. 1- Vỏ; 2- Bột dẫn nhiệt; 3- Dây gia nhiệt;
4- Thanh đỡ; 5- Cảm biến đo nhiệt độ; 6- Cán cầm; 7- Ống lót; 8- Bộ chuyển đổi; 9-
Đồng hồ đo áp; 10- Đồng hồ đo dòng; 11- Nguồn điện một chiều; 12- Máy tính giám
sát trạng thái và lưu trữ dữ liệu.
Hình 2.6: Que thăm đo hệ số dẫn nhiệt
42
Qui trình thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm theo phương pháp que
thăm được thực hiện giống như [75], kết quả đo được so sánh với kết quả tính toán dựa
vào thành phần vật chất cấu thành nên đảng sâm.
2.2.5.4 Độ ẩm cân bằng của đảng sâm
Ở một điều kiện nhiệt độ, hoạt độ nước (aw) nào đó, sau một khoảng thời gian nhất
định độ ẩm bên trong vật liệu đạt trạng thái cân bằng Me (vật liệu không hút ẩm và
cũng không nhả ẩm). Trong nghiên cứu này, Me được sử dụng khi tính toán hệ số
khuếch tán ẩm, và là điều kiện dừng khi tính toán (mô phỏng) độ ẩm và nhiệt độ VLS.
Phương pháp tĩnh sử dụng muối bão hòa được áp dụng để xác định độ ẩm cân bằng của
đảng sâm. Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại 3 mức nhiệt độ 30ºC, 40ºC,
50ºC và 21 mức hoạt độ nước từ 0,111 đến 0,923 được tạo bởi 7 loại muối lithium
chloride, polossium fluoride, magnesium chloride, sodium bromide, potassium chloride,
sodium chloride, potassium nitrate [37, 78]. Để ổn định nhiệt độ và độ ẩm tương đối
của môi trường chứa vật liệu trong suốt quá trình thí nghiệm, các bình chứa mẫu được
đặt trong thiết bị điều khiển nhiệt ẩm (hình 2.7). Sử dụng các mô hình toán Henderson,
Chung-Pfost, Halsey [78] và mô hình Oswin hiệu chỉnh [79] dự đoán độ ẩm cân bằng
của đảng sâm. Dùng phân tích hồi qui phi tuyến xác định các thông số có trong phương
trình hồi qui. Dựa vào các thông số: hệ số xác định (Coefficient of determination - R2),
căn bậc hai sai số bình phương trung bình (Root Mean Square Error - RMSE) và sai số
tương đối trung bình (Mean Relative Percentage Error - MRE) để chọn lựa mô hình.
Công thức xác định R2, RMSE, MRE được trình bày ở phần 2.2.8.
Thiết bị sử dụng trong thí nghiệm phần này là thiết bị điều khiển nhiệt ẩm thể hiện ở
hình 2.7. Các thành phần và vai trò các thành phần trong tủ điều khiển như sau: Quạt
đối lưu (1) dùng để làm đều nhiệt độ tại mọi điểm trong buồng chứa mẫu. Nhiệt độ
trong buồng chứa mẫu được gia nhiệt bởi điện trở (2) và được đo bởi cảm biến nhiệt độ
(3). Bộ điều khiển PLC (4) sử dụng thuật toán hiệu chỉnh PID để điều khiển, điều chỉnh
nhiệt độ trong buồng luôn ổn định ở giá trị cài đặt. Nhiệt độ cài đặt và nhiệt độ hiện tại
được chỉ thị bởi màn hình (6). Sai số nhiệt độ trong buồng khoảng ± 0,2 ºC. Điều khiển
hoạt động thiết bị thông qua các công tắc và nút nhấn (7).
43
a) b)
Hình 2.7: Thiết bị điều khiển nhiệt ẩm. a) sơ đồ thiết bị; b) thiết bị
2.2.6 Xác định lượng nhiệt tăng thêm khi sấy vật liệu có sự hỗ trợ của sóng siêu
âm
Khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm thì nhiệt độ của vật liệu sấy cao hơn so với
không có sóng siêu âm [80], mức độ tăng thêm nhiệt độ do năng lượng sóng siêu âm
tác động vào vật liệu được thể hiện thông qua hệ số μu. Áp dụng định luật cân bằng
năng lượng cho vật liệu sấy ta xác định được μu: (dẫn giải công thức (2.9) thể hiện ở
phụ lục phần 2.2.6)
(cid:2870)(cid:2964)(cid:2977)(cid:3174)(cid:2913)(cid:3174)∆(cid:2930)(cid:3159)(cid:3180) ∆(cid:2980)(cid:2893)(cid:3179)
(2.9) μ(cid:2931) =
Trong đó: ∆tav là lượng nhiệt độ tăng thêm của vật liệu trong khoảng thời gian ∆τ khi
có sóng siêu âm hỗ trợ sấy; δ là một nửa bề dày của vật liệu sấy; ρp, cp, lần lượt là khối
lượng riêng và nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm; Iu là cường độ sóng siêu âm được phát
ra từ bộ phát sóng siêu âm trong buồng sấy:
∆(cid:2930)(cid:3133)(cid:2878)∆(cid:2930)(cid:3134) (cid:2870)
(2.10) ∆t(cid:2911)(cid:2932) =
Với, ∆tA và ∆tB lượng nhiệt độ chênh lệch giữa có sóng siêu âm hỗ trợ sấy và không có
sóng siêu âm hỗ trợ sấy tại điểm A và điểm B (A, B là hai điểm ở bên trong vật liệu,
hình 2.8).
,
a vt , a a
2
44
Hình 2.8: Thiết lập thí nghiệm xác định gia tăng nhiệt độ
2.2.7 Phương pháp xác định các thông số liên quan đến động học sấy
Như đã trình bày ở chương tổng quan, truyền nhiệt và truyền ẩm là hai quá trình
thường xảy ra đồng thời trong quá trình sấy vật liệu. Có 3 dạng trao đổi nhiệt cơ bản
thường xảy ra trong quá trình truyền nhiệt đó là, trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, trao đổi
nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ [81, 82]. Tương tự như vậy quá trình truyền ẩm
bao gồm, khuếch tán ẩm và trao đổi ẩm đối lưu [6, 82]. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng
đến truyền nhiệt truyền ẩm của vật liệu và từ đó ảnh hưởng đến động học sấy (bao gồm
cả nhiệt và ẩm). Do vậy, để xem xét mức độ ảnh hưởng của một yếu tố nào đó đến
truyền nhiệt và truyền ẩm của vật liệu thì chúng ta cần xem xét ở một điều kiện cụ thể
(trong mô hình toán gọi là điều kiện biên, điều kiện đơn trị, trình bày ở chương tổng
quan). Nghiên cứu này, tập trung nghiên cứu khuếch tán nhiệt khuếch tán ẩm của vật
liệu sấy do tác động của sóng siêu âm từ bề mặt vào trong vật liệu sấy, có nghĩa là phát
triển điều kiện biên loại 3 về trao đổi nhiệt ẩm đối lưu có bổ sung thêm thành phần
năng lượng sóng siêu âm trong hệ phương trình truyền nhiệt truyền ẩm trong vật liệu
khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Lúc này, các thông số cần xác định bao gồm: hệ
số khuếch tán ẩm (De), hệ số khuếch tán nhiệt (αt), hệ số trao đổi ẩm đối lưu (hm) và hệ
số trao đổi nhiệt đối lưu (ht); các thông số này được xác định như sau:
45
2.2.7.1 Xác định hệ số trao đổi nhiệt, ẩm đối lưu khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (ht), hệ số trao đổi ẩm đối lưu (hm) là đại lượng đặc
trưng cho cường độ trao đổi nhiệt ẩm giữa TNS và VLS. Thông thường để xác định hai
đại lượng này có thể dựa vào lý thuyết đồng dạng [83]. Trong trường hợp, quá trình sấy
có sự hỗ trợ của sóng siêu âm thì TNS không giống như đối lưu thông thường. Do vậy,
trong nghiên cứu này phương pháp bán thực nghiệm được sử dụng để xác định ht, hm ở
những điều kiện tác nhân sấy (nhiệt độ, vận tốc) và cường độ sóng siêu âm khác nhau.
Trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi, quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm diễn ra đồng
thời nhưng lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu hầu hết dùng để chuyển ẩm ở dạng lỏng
thành dạng hơi và bay hơi ở bề mặt. Công thức xác định hệ số trao đổi ẩm đối lưu, trao
nhiệt đối lưu trong giai đoạn này như sau (dẫn giải công thức (2.11), (2.12) thể hiện ở
h = m
Δm A (τ - τ )(m - m )
phụ lục phần 2.2.7.1).
m rc
v,a
v,s
r
h h (m - m ) - μ I u u
fg m
h = t
(2.11)
v,s v,a (t - t ) s
a
(2.12)
Trong đó: ∆m là lượng giảm khối lượng của vật liệu sấy ở giai đoạn tốc độ sấy không
đổi, thời gian bắt đầu τr tính từ lúc bắt đầu sấy đến khi kết thúc giai đoạn tốc độ sấy
không đổi τr; τrc - τr, là thời gian của giai đoạn tốc độ sấy không đổi; mv,s, mv,a lần lượt
là thành phần khối lượng hơi nước trong không khí ẩm tại bề mặt VLS; µu là hệ số gia
tăng nhiệt độ khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy; Iu là cường độ sóng siêu âm; ta, ts lần lượt
là nhiệt độ của TNS và nhiệt độ bề mặt của VLS; hfg là ẩn nhiệt hóa hơi của nước.
Từ công thức (2.11) và (2.12) cho thấy, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi ẩm đối
lưu không những phụ thuộc vào điều kiện TNS mà còn phụ thuộc vào mức năng lượng
của sóng siêu âm.
2.2.7.2 Xác định hệ số khuếch tán ẩm của vật liệu
Hệ số khuếch tán ẩm (De) là đại lượng đặc trưng cho khả năng khuếch tán ẩm bên
trong vật liệu. Theo tài liệu tham khảo, nhiều công trình khoa học tham khảo đã dựa
vào định luật 2 của Fick, áp dụng kết quả phân tích xác định nghiệm phương trình
46
khuếch tán ở một điều kiện biên cụ thể của Crank (Crank [84], giải phương trình
khuếch tán với những điều kiện biên khác nhau) và dựa vào số liệu thực nghiệm xác
định hệ số khuếch tán ẩm của vật liệu. Phương pháp này được tóm tắt như sau:
Định luật 2 của Fick cho trường hợp khuếch tán ẩm bên trong chỉ theo trục bề dày của
vật liệu sấy (trục x, vật liệu sấy có dạng tấm phẳng) được thể hiện ở phương trình (1.23)
của chương tổng quan. Giả sử vật liệu sấy không thay đổi kích thước, đồng nhất, đẳng
hướng trong quá trình sấy. Với điều kiện độ ẩm ban đầu của vật liệu là M0, độ ẩm tại
lớp ngoài cùng của vật liệu bằng độ ẩm cân bằng (Me), bỏ qua các yếu tố bên ngoài ảnh
8
1
hưởng đến khuếch tán ẩm, Crank [84] đã giải ra nghiệm như sau:
∞ i = 1
π2 ∑
(2i-1)2 exp (cid:3428)
-(2i-1)2π2Deτ (cid:3432) 4δ2
M - Me M0 - Me
(2.13) MR = =
Trong đó: M0, M, Me lần lượt là độ ẩm ban đầu (τ = 0), độ ẩm ở thời điểm τ là độ ẩm
cân bằng (τ -> ∞ ở một điều kiện TNS nào đó); δ là nửa bề dày vật liệu sấy; MR là tỉ
số độ ẩm không thứ nguyên của VLS
Nếu quá trình sấy diễn ra đủ dài và MR nhỏ hơn 0,6 thì vế phải của (2.13) có thể xem
8
chỉ tồn tại thành phần đầu tiên (i = 1) [85], khi đó (2.13) trở thành:
-π2Deτ 4δ2
π2 e
M - Me M0 - Me
MR = = (2.14)
8
Lấy logarit cơ số e hai vế ta có:
π2(cid:4673) -
π2Deτ 4δ2
(2.15) ln(MR) = ln (cid:4672)
Phương trình (2.15) là phương trình đường thẳng ln(MR) - τ có hệ số góc (-π2De)/4δ2.
Như vậy, dựa vào số liệu thực nghiệm về độ ẩm của vật liệu sấy theo thời gian sấy,
phân tích hồi quy tuyến tính ta xác định được De. Một điều cần lưu ý là thông số De
được xác định bằng cách giải mô hình toán không có xét đến điều kiện biên các yếu tố
bên ngoài ảnh hưởng đến khuếch tán ẩm, ví dụ không xét đến điều kiện trao đổi nhiệt
ẩm giữa VLS và TNS (điều kiện biên loại 3) nên tạm gọi là gọi là phương pháp NERM.
Một hướng tiếp cận mới xác định hệ số khuếch tán ẩm (De) và khuếch tán nhiệt
(αt ):
Trong phần 2.2.7.1 và 2.2.7.2 đã trình bày các công thức có liên quan đến các hệ số
47
De, hm và ht. Việc xác định các hệ số ở một chế độ sấy nào đó là một vấn đề khá quan
trọng trong việc nghiên cứu động học sấy của một VLS. Vấn đề đặt ra trong nghiên
cứu này là làm thế nào để xác định hệ số khuếch tán ẩm và hệ số khuếch tán nhiệt của
đảng sâm khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm, các hệ số hm, ht và De, (công thức
(2.11), (2.12), (2.15)) có được bằng cách xác định nghiệm từ một phương trình vi phân
và từ một điều kiện đơn trị nào đó, vậy việc thực nghiệm có thiết lập đúng chính xác
với điều kiện đó hay không và rõ ràng sẽ ảnh hưởng đến kết quả. Thêm vào đó có rất
nhiều thí nghiệm cần phải thực hiện mới xác định được một thông số!.
Trong phần 1.4 của chương tổng quan có đề cập việc xác định các thông số De và hm,
trong phần này thảo luận thêm về vấn đề này. Crank [84] giải phương trình vi phân đạo
hàm riêng khuếch tán ẩm với điều kiện biên độ ẩm của lớp sát bề mặt của VLS (Mx= δ)
bằng độ ẩm cân bằng (Me) đã xác định nghiệm ở những điều kiện hình học khác nhau
(tấm phẳng, hình cầu, hình trụ) (trình bày ở phần 1.4). Áp dụng kết quả này, dựa vào số
liệu thực nghiệm các công trình nghiên cứu [4, 16, 35-36, 51] đã xác định hệ số khuếch
tán ẩm cho cà rốt, chanh, dưa hấu hồng, cam, chanh dây, táo. Tuy nhiên, theo kết quả
nghiên cứu của Garcia-Perez và các cộng sự [35] trên vật liệu là cam ở dạng lát và kết
quả nghiên cứu của Nascimento và các cộng sự [4] với vật liệu là chanh dây ở dạng lát
thì sử dụng hệ số khuếch tán ẩm (De) được xác định theo phương pháp này (áp dụng
kết quả phân tích nghiệm của Crank) sẽ cho ra kết quả tính toán về độ ẩm VLS theo
thời gian sai lệch nhiều so với thực nghiệm. Các tác giả ở công trình nghiên cứu [4, 35]
đã sử dụng phương pháp giải gần đúng (phương pháp số) cho phương trình khuếch tán
với điều kiện biên có xem xét ẩm trở trao đổi ẩm đối lưu (điều kiện biên loại 3) xác
định De và hm đồng thời, giá trị sai lệch về độ ẩm của VLS theo thời gian giữa tính toán
và thực nghiệm ít hơn (chỉ số phân tích thống kê, VAR > 99%). Từ các kết quả của các
nghiên cứu vừa nêu trên cho thấy, để kết quả tính toán và giá trị thực nghiệm về độ ẩm
của VLS theo thời gian tiệm cận với nhau thì mô hình toán truyền ẩm cần phải xem xét
yếu tố ẩm trở trao đổi ẩm đối lưu tại bề mặt của vật liệu sấy.
Phân tích phương pháp xác định De và αt cho đảng sâm: dựa vào điều kiện biên loại 3
của trao đổi nhiệt ẩm giữa VLS và TNS (phương trình 3.20 của chương 3) cho thấy,
48
trong trường hợp bỏ qua ảnh hưởng liên hợp giữa dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm đối lưu
trên bề mặt của vật liệu sấy thì điều kiện biên loại 3 của truyền nhiệt không còn thành
phần đạo hàm riêng độ ẩm theo x, lúc này điều kiện biên của trao đổi nhiệt và trao đổi
ẩm đối lưu tại bề mặt độc lập nhau, khi đó có thể áp dụng phương pháp giải tích giải
phương trình khuếch tán với điều kiện biên loại 3 để tìm nghiệm, dựa vào tiêu chuẩn
Biot về trao đổi nhiệt, ẩm đối lưu từ đó xác định De và hm. Phương pháp này được
Dincer và các cộng sự giới thiệu ở công trình [83], cách giải tương tự cũng có thể xác
định cho αt và ht. Tuy nhiên, theo phương pháp này thì TNS phải xác định rõ tính chất,
nhưng khi có sóng siêu âm lan truyền thì dòng lưu chất (TNS) đã bị thay đổi, khi đó
việc xác định tính chất của lưu chất rất khó, lúc này áp dụng tiêu chuẩn Biot không còn
được chính xác (điều này, cũng được Rodriguez và cộng sự [56] xem xét và đã dựa vào
số liệu thực nghiệm thuật toán tối ưu xác định giá trị các thông số có trong tiêu chuẩn
Nu (Nusselt) và Shewood (Sh)). Mặc khác, trong quá trình sấy ẩm bên trong VLS thoát
ra môi trường từ bề mặt ở dạng hơi, cho nên điều kiện biên loại 3 của truyền nhiệt
không thể loại bỏ phần đạo hàm riêng độ ẩm theo x. Điều đó cho thấy, bằng phương
pháp giải tích xác định giá trị thông số De rất phức tạp và như vậy việc xác định các giá
trị của De và αt cùng một lúc bằng phương pháp giải tích càng phức tạp hơn.
Để giảm bớt sự tính toán phức tạp bằng phương pháp giải tích, đề tài này tiếp cận theo
hướng: sử dụng phương pháp số giải gần đúng phương trình vi phân truyền nhiệt
truyền ẩm của đảng sâm (trình bày trong chương 3); dựa vào kết quả tính toán, số liệu
thực nghiệm, thuật toán tối ưu xác định giá trị các thông số cần thiết có trong mô hình
toán truyền nhiệt truyền ẩm và điều kiện biên (trình bày trong chương 3), có nghĩa là
các hệ số có liên quan đến động học sấy bao gồm nhiệt và ẩm (De, αt, hm, ht) được xác
định cùng một lúc thỏa mãn hàm mục tiêu đặt ra. Giải pháp này được gọi là ERM-O.
49
Hình 2.9: Lưu đồ giải pháp ERM-O xác định De, αt, hm, ht
Giải pháp ERM-O được trình bày tóm tắt như sau: Thuật toán tìm kiếm tối ưu sẽ chọn
lựa một bộ giá trị De, αt, hm, ht nằm trong một miền xác định đã được chọn trước. Sau
đó, giải hệ phương trình vi phân truyền nhiệt truyền ẩm đồng thời xác định độ ẩm trung
bình của VLS (Mav), nhiệt độ trung bình của VLS (tav). Sau đó đánh giá sai lệch về độ
ẩm và nhiệt độ của VLS giữa kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết, nếu như giá
trị sai lệch này chưa thỏa mãn mục tiêu thì cập nhật giá trị mới cho bộ thông số De, αt,
hm, ht. Quá trình chọn lựa giá trị De, αt, hm, ht được dừng lại khi mục tiêu đã được thỏa
mãn. Trình tự thực hiện được thể hiện ở lưu đồ hình 2.9. Áp dụng giải pháp ERM-O
50
xác định bộ thông số De, αt, hm, ht của đảng sâm được trình bày ở chương kết quả
nghiên cứu.
2.2.8 Phương pháp đánh giá mô hình toán
Để xem xét sự phù hợp của mô hình toán, thông thường chúng ta dựa vào giá trị sai
lệch giữa kết quả tính toán từ mô hình đó và một giá trị đối sánh nào đó (thông thường
là giá trị thực nghiệm). Căn cứ vào các tiêu chí thống kê chúng ta có thể đưa ra nhận
định. Trong nghiên cứu này, sử dụng các tiêu chí thống kê sau đây: hệ số tương quan
R2 (2.16), căn bậc hai sai số bình phương trung bình RMSE (Root Mean Square Error)
(2.17), sai số tương đối trung bình MRE (Mean Relative Percentage Error) (2.18) [70,
N
2
y
- y
dd,i
tn,i
2
R = 1-
86] để xem xét sự phù hợp của mô hình toán.
i=1 N
2
y
- y
tb
tn,i
i=1
N
2
RMSE =
(y
- y
)
(2.16)
tn,i
dd,i
1 N
i=1
100 ∑
N i = 1
(cid:4698)ytn,i - ydd,i(cid:4698) ytn,i
(2.17)
N
MRE = (2.18)
Trong đó: ytn, ydd, ytb lần lượt là giá trị đối sánh (giá trị thực nghiệm), giá trị dự đoán
(giá trị tính toán) và giá trị trung bình; N là số thí nghiệm.
2.2.9 Phương pháp xác định thông số và miền giá trị của các thông số ảnh hưởng
đến động học sấy đảng sâm
Phương án được chọn làm thực nghiệm trong luận án này là phương án cấu trúc có
tâm cấp 2, k thông số với số thí nghiệm ở tâm là n0. Số lượng thí nghiệm được xác định
như sau [70, 87]:
(2.19) N = 2k + 2k + n0
Các thông số ảnh hưởng đến động học sấy khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm bao
gồm: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc TNS và cường độ siêu âm. Để giới hạn miền giá trị của
các thông số cần nghiên cứu, nghiên cứu này, kế thừa các kết quả nghiên cứu về sóng
51
siêu âm hỗ trợ sấy. Trong phần 1.3.2 của chương tổng quan đã trình bày tổng thể các
công trình nghiên cứu về sấy các loại nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm và
tình hình sấy sâm trên thế giới. Trong phần này, phân tích thêm nhằm xác định miền
giá trị các thông số ảnh hưởng đến động học sấy và chất lượng đảng sâm:
- Theo kết quả nghiên cứu của Garcia-Perez và các cộng sự [36] được trình bày ở
chương tổng quan về ảnh hưởng của sóng siêu âm đến động học sấy của cà rốt và lá
húng ở những mức vận tốc TNS từ 0,5 m/s đến 12 m/s cho thấy, tác dụng của sóng siêu
âm trong hỗ trợ tách ẩm cao tại những vận tốc trong khoảng từ 0,5 m/s đến 2,5 m/s, sẽ
giảm dần khi vận tốc từ 3 m/s đến 4 m/s và không còn tác dụng khi vận tốc lớn hơn 7
m/s. Cũng theo hướng nghiên cứu này, Rodrıguez và các cộng sự [56] nhận định rằng
vận tốc TNS phù hợp nhất cho lá húng là 1 m/s.
- Theo kết quả nghiên cứu về sự thay đổi màu sắc theo nhiệt độ TNS của sâm Mỹ
(American Ginseng) [62, 63] thì giá trị ∆E (độ biến đổi thông số màu sắc L*, a*, b* của
sản phẩm khô so với nguyên liệu tươi ban đầu) thay đổi ít ở chế độ sấy có mức nhiệt độ
TNS nhỏ hơn 45ºC (tại 35ºC ∆E = 20,5, tại 45ºC ∆E = 20,7, mức độ thay đổi giá trị ∆E
khi tăng nhiệt độ từ 35ºC lên 45ºC chỉ là 0,02), ∆E thay đổi nhiều ở những mức nhiệt
độ TNS lớn hơn 45ºC (tại 55ºC, ∆E = 23,7, mức độ thay đổi ∆E từ 45ºC lên 55ºC là
3,0). Như vậy, mức độ thay đổi ∆E càng nhiều theo chiều hướng tăng nhiệt độ TNS.
- Theo kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến hàm lượng saponin có
trong sâm Hàn Quốc (panax ginseng) bằng phương pháp sấy bức xạ hồng ngoại [67],
kết quả nghiên cứu cho thấy tại mức nhiệt độ 40-60 ºC hàm lượng saponin trong sản
phẩm sấy còn duy trì (cao nhất là 1,12 %).
- Theo tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống máy sấy sâm của Bộ nông nghiệp thực
phẩm và thủy sản Anh năm 1998 [88] có khuyến nghị rằng, để đảm bảo chất lượng rễ
sâm khô khi bảo quản cho cả rễ lớn và rễ bé thì độ ẩm tương đối của TNS không thấp
hơn 10% và không cao hơn 40%.
- Theo kết quả nghiên cứu ở công trình khoa học [38], cường độ siêu âm suy hao theo
khoảng cách. Do đó, vị trí đặt vật liệu sấy cũng là thông số quan trọng. Trong nghiên
cứu này, vật liệu sấy được đặt tại vị trí bụng sóng, tại vị trí này tác động của sóng siêu
52
âm lên bề mặt của vật liệu sấy là cao nhất và như thế hiệu quả hỗ trợ tách ẩm của sóng
siêu âm cao nhất.
- Từ những công trình nghiên cứu về sấy thực phẩm có sự hỗ trợ của sóng siêu âm cho
thấy, tần số sóng có giá trị lân cận 20 kHz [2, 3, 36, 38, 55, 89], công suất nguồn cung
cấp (phần điện) từ 25W đến 2000W tùy theo diện tích của bộ phận phát sóng (phần cơ)
và mức năng lượng cần thiết. Thêm vào đó, theo kết quả nghiên cứu của Yao và các
cộng sự [90], Yao [91] về sóng siêu âm hỗ trợ tách ẩm cho hạt hút ẩm (silica gel) ở
những mức công suất và tần số khác nhau của sóng siêu âm cho thấy, sự khuếch tán ẩm
bên trong vật liệu (thể hiện thông qua hệ số khuếch tán ẩm) giảm nhiều khi sóng siêu
âm có tần số từ 26 kHz đến 35 kHz so với tần số từ 21 kHz đến 26 kHz, kết quả nghiên
cứu kiến nghị tần số của sóng siêu âm áp dụng trong sấy hạt hút ẩm có tần số lân cận
20 kHz là hiệu quả nhất. Như vậy, để tăng cường hiệu quả tách ẩm khi có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm trong quá trình sấy thì tần số sóng siêu phù hợp là 20 kHz, đây cũng là
tần số mà đề tài này chọn để thiết kế chế tạo bộ phận phát sóng siêu âm (phần cơ),
nguồn cung cấp (phần điện, công suất có thể chỉnh được) phục vụ việc nghiên cứu ảnh
hưởng của sóng siêu âm đến quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm trong vật liệu sấy.
Kế thừa các công trình nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hỗ trợ tách
ẩm của sóng siêu âm trong quá trình sấy vừa nêu trên; kế thừa các công trình nghiên
cứu về phương pháp sấy cũng như chế độ sấy sâm nhằm đảm bảo được màu sắc, thành
phần saponin và độ ẩm sau khi sấy vừa nêu trên; từ đó suy ra giới hạn sơ bộ miền
thông số TNS và cường độ siêu âm khi nghiên cứu thực nghiệm sấy đảng sâm như sau:
+ Nhiệt độ TNS từ 30ºC đến 60 ºC.
+ Độ ẩm tương đối của TNS từ 10% đến 40%.
+ Vận tốc TNS nhỏ hơn 3 m/s.
+ Tần số sóng siêu âm là 20 kHz
+ Cường độ năng lượng sóng siêu âm lớn hơn 1 kW/m2.
2.2.10 Phương pháp xác định chế độ sấy hợp lý
Để xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm với phương pháp sấy là bơm nhiệt kết
hợp với sóng siêu âm, đề tài này dựa vào lượng giảm thời gian sấy giữa có sóng siêu
53
âm hỗ trợ sấy và không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy, sự thay đổi màu sắc của sản phẩm
khô so với nguyên liệu tươi và lượng saponin còn lại trong sản phẩm sấy; xây dựng
hàm mục tiêu chất lượng bao gồm các thông số ảnh hưởng vừa nêu; thuật toán tối ưu sẽ
xác định được chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm.
2.2.11 Phương pháp chọn phần mềm hỗ trợ khi nghiên cứu
Để hỗ trợ việc tính toán và mô phỏng, nghiên cứu này đã sử dụng các phần mềm
chuyên dụng tương tự như các nhà khoa học trong và ngoài nước áp dụng khi nghiên
cứu ví dụ MATLAB, ANSYS, SAS. Ngoài ra, đề tài này cũng đã xây dựng một phần
mềm thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống máy sấy dựa trên phần mềm C#.
2.2.12 Phương pháp tối ưu hóa
Hiện nay, có nhiều phương pháp để giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu trong
lĩnh vực kỹ thuật như phương pháp bề mặt đáp ứng RMS với thuật toán Taguchi. Bên
cạnh đó, với sự phát triển của công nghệ số các thuật toán tối ưu (PSO, GA,
CUCKOO…) cũng có thể áp dụng để giải quyết bài toán tối ưu với kết quả và độ tin
cậy nằm trong giới hạn cho phép. Trong luận án này, phương pháp tính toán số và phân
tích số là phương pháp được chọn để giải các phương trình vi phân truyền nhiệt truyền
ẩm trong vật liệu sấy và thiết kế tối ưu cho bộ phận phát sóng. Do đó, để thuận lợi cho
việc lập trình triển khai các thuật toán nhưng vẫn đảm bảo tính khoa học, độ chính xác
và độ tin cậy trong phạm vi cho phép, mặc khác, nhằm giảm bớt số lượng phương pháp
tối ưu khi nghiên cứu, nghiên cứu này, chọn phương pháp tối ưu hóa chung là sử dụng
thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO (Particle Swarm Optimization).
Thuật toán tìm kiếm tối ưu được sử dụng là thuật toán PSO (Particle Swarm
Optimization) là một trong những giải thuật có thể áp dụng để xác định các thông số
cho các hàm tuyến tính và phi tuyến [92], thuật toán này dựa trên hành vi tìm kiếm
thức ăn trong một quần thể (bầy, đàn) [93]. Mỗi cá thể có một vị trí trong không gian
tìm kiếm, đại diện cho một thông số cần tìm kiếm (ví dụ thông số cần tìm kiếm là De
có trong phương trình truyền ẩm, là chiều cao bậc của tấm tròn bậc của bộ phận phát
sóng) và một vectơ vận tốc để cập nhật vị trí mới. Ban đầu mỗi cá thể được khởi tạo
một giá trị ngẫu nhiên trong một miền xác định (trong một quần thể) đã chọn trước và
54
xu hướng sau đó là chọn lựa một giá trị tốt nhất trong miền xác định đó. Ở mỗi bước
lặp, mỗi cá thể sẽ cập nhật hai giá trị tốt nhất đó là vị tốt nhất trong quần thể Pbest và vị
trí tốt nhất trong không gian tìm kiếm Gbest cho đến bước hiện tại. Vị trí và vận tốc của
mỗi cá thể được gia tốc theo hướng tốt nhất của cá nhân và hướng tốt nhất trong không
gian tìm kiếm theo qui luật sau [92]:
(2.20) vi(m+1) = ωvi(m+1) + c1w1[xPbest - xi(m)] + c2w2[xGbest - xi(m)]
(2.21) xi(m+1) = xi(m) + vi(m+1)
Mỗi một ứng dụng cho từng phần sẽ có một hàm mục tiêu (fmuc_tieu) riêng (được thể
hiện ở từng phần).
2.3 Hệ thống máy sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm
Để phục vụ nghiên cứu thực nghiệm sấy đảng sâm bằng phương pháp bơm nhiệt
kết hợp với sóng siêu âm, một mô hình máy sấy bơm nhiệt được tính toán thiết kế với
trình tự tính toán thể hiện ở phụ lục phần 2.3. Hệ thống máy sấy bơm nhiệt kết hợp với
sóng siêu âm được chế tạo và được thể hiện ở hình 2.10.
a) b)
55
c d e f
g) h) i)
Hình 2.10: Thiết bị khảo nghiệm; a) sơ đồ thiết bị; b) máy sấy bơm nhiệt kết hợp với
sóng siêu âm; c) buồng sấy; d) cảm biến đo nhiệt độ; e) cân điện tử; f) phần mềm điều
khiển và thu thập dữ liệu; g) thiết bị đo kiểm bao gồm: quả cân chuẩn, đồng hồ đo tốc
độ không khí, thiết bị đo màu; h) đồng hồ đo năng lượng; i) thiết bị đo nhiệt độ và độ
ẩm tương đối của không khí. 1 - Quạt; 2 - Dàn bay hơi; 3.1, 3.2 - Dàn ngưng tụ; 4 -
Máy nén; 5 - Điện trở gia nhiệt phụ; 6 - Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm không khí; 7 -
Van; 8 - Thiết bị phát sóng siêu âm; 9, 11 - Khay chứa mẫu; 10 - Ngăn sấy có sóng
siêu âm; 12 - Ngăn sấy không có sóng siêu âm; 13 - Nguồn siêu âm; 14, 15 - Cân điện
tử; 16 - Bộ điều khiển; 17 - Máy tính.
Công dụng của các thiết bị và nguyên lý làm việc của hệ thống máy sấy:
Tác nhân sấy sau khi ra khỏi buồng sấy được hồi lưu và tách ẩm ở dàn bay hơi (2) rồi
được gia nhiệt ở dàn ngưng (3.1), vì nhiệt độ TNS cần thiết khi làm thí nghiệm từ 28ºC
đến 65ºC nên cần thêm dàn ngưng phụ (3.2) để thải nhiệt dư ra bên ngoài, nếu nhiệt độ
của tác nhân sấy ra khỏi dàn ngưng không đạt đến nhiệt độ đặt thì được gia nhiệt bởi
điện trở gia nhiệt (5) và được duy trì ở nhiệt độ đặt do thuật toán hiệu chỉnh PID và bộ
điều khiển dùng PLC. Vận tốc không khí trên đường ống chính được chỉnh và duy trì
56
ổn định thông qua biến tần điều khiển quạt (1). Sử dụng đồng hồ đo tốc độ không khí
Prova AVM-03 (hình 2.10g) cân chỉnh cảm biến đo tốc độ gió trước khi làm thí
nghiệm. Để so sánh sấy có sóng siêu âm hỗ trợ và sấy không có sóng siêu âm hỗ trợ ở
cùng một điều kiện TNS thì buồng sấy được thiết kế gồm hai ngăn (hình 2.10c), ngăn
có sóng siêu âm (10) và ngăn không có sóng siêu âm (12). Mỗi buồng sấy có một khay
chứa mẫu được gá lắp trực tiếp với 2 cân đặt ở bên ngoài để lấy khối lượng mẫu trong
suốt quá trình sấy. Do vậy, tác nhân bên ngoài không ảnh hưởng đến kết quả lấy mẫu.
Cân lấy mẫu (model: GX-200) có chính xác 0,001g là dạng cân phân tích (chỉ thị 3 số
lẻ, đơn vị cân là gam) (hình 2.10e). Nhiệt độ bên trong vật liệu sấy được đo bởi cảm
biến do nhiệt độ (model Fluke: 5622-10-s), đường kính của mỗi cảm biến là 1 mm, độ
phân giải của cảm biến đo nhiệt độ là ± 0,09ºC (hình 2.10d). Van (7) được sử dụng để
chỉnh tốc độ tác nhân sấy vào hai ngăn là như nhau. Như vậy, điều kiện tác nhân sấy
(nhiệt độ, vận tốc, độ ẩm, áp suất) vào hai ngăn của buồng sấy tại mọi thời điểm là như
nhau. Nhiệt độ và độ ẩm tương đối của TNS được đo bởi cảm biến QFM66 của hãng
Siemens (hình 2.10i), màu sắc vật liệu sấy được đo đạc bởi thiết bị đo màu x-rite RM-
200 (hình 2.10g). Năng lượng tiêu thụ của hệ thống máy sấy được đo bởi bộ đo năng
lượng GE EPM-5500P (hình 2.10h). Toàn bộ các thông số của máy sấy và khối lượng
mẫu trong suốt quá trình sấy được giám sát và lưu trữ ở máy tính (17) có giao diện
giám sát thể hiện ở hình 2.10f (phần mềm giám sát và thu thập số liệu do đề tài này
thực hiện).
Các thông số chính của máy sấy:
- Nguồn cung cấp: 1 pha 220Vac, 50Hz
- Buồng sấy: 250x250x300 mm
- Năng suất: 0,5 kg/mẻ
- Công suất của động cơ máy nén: 0,5 HP
- Công suất của động cơ quạt: 0,5 HP
- Công suất nhiệt dàn bay hơi: 0,45 kW
- Công suất nhiệt dàn ngưng tụ chính: 0,7 kW
- Công suất nhiệt dàn ngưng tụ phụ: 0,25 kW
57
- Công suất của điện trở gia nhiệt: 1 kW.
- Nhiệt độ TNS thay đổi được từ 28-50 ºC khi máy hoạt động ở chế độ bơm nhiệt
và từ 55-70 ºC ở chế độ không khí nóng (khi đó ngưng hệ thống bơm nhiệt, không
khí là khí trời không hồi lưu). Độ ẩm tương đối của TNS phụ thuộc vào nhiệt độ
và từ 12-58 % khi nhiệt độ TNS từ 28-70 ºC.
- Vận tốc TNS thay đổi được từ 0-3 m/s.
Kết luận chương 2
- Cường độ siêu âm thay đổi được từ 0-30,0 kW/m2.
Nghiên cứu trong chương 2 đã thực hiện được các công việc như sau:
- Nghiên cứu xác định thông số hình học cho bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy
bằng giải pháp phân tích số (FEM) kết hợp với thuật toán tối ưu PSO.
- Xác định hướng tiếp cận để chọn lựa mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm bên trong
VLS khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm.
- Nghiên cứu các phương pháp xác định các tính chất nhiệt vật lý cho đảng sâm Việt
Nam, bao gồm: khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, lượng nhiệt độ
tăng thêm trong VLS khi có sóng siêu hỗ trợ sấy.
- Nghiên cứu các phương pháp xác định các thông số có liên quan đến động học sấy
khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm như: hệ số khuếch tán ẩm (De), hệ số trao đổi
ẩm đối lưu (hm), hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (ht).
- Với giải pháp, kết hợp giữa tính toán lý thuyết, số liệu thực nghiệm và thuật toán tối
ưu sẽ xác định đồng thời bốn thông số De, αt, hm, ht (giải pháp ERM-O). Giải pháp
này giảm được số lượng thí nghiệm đáng kể khi xác định các thông số cần thiết có
trong phương trình truyền nhiệt truyền ẩm của vật liệu sấy.
- Bằng nghiên kế thừa xác định các thông số và miền giá trị của các thông số cho các
- Phân tích phương pháp đánh giá mô hình toán, phương pháp lựa chọn các phần
chế độ sấy đảng sâm.
- Chế tạo thiết bị phục vụ việc nghiên cứu.
mềm hỗ trợ khi nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
58
3.1 Thiết kế chế tạo bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy
Như đã giới thiệu trong chương tổng quan và chương 2, bộ phận phát sóng siêu âm
hỗ trợ sấy cần được tiếp tục nghiên cứu phát triển và đây cũng chính là một mục tiêu của
phần này. Bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy bao gồm các cụm được thể hiện ở hình
3.1, các thông số hình học cần xác định được thể hiện ở hình 3.2.
1D
4z
3z
2z
R
z
ir 6z
1r
2r 5z
1z
z
r
2D
r
Hình 3.1: Bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy.
a) b)
Hình 3.2: Thông số hình học của bộ phận phát sóng. a) Bộ phận phát xạ; b) Cụm
kết nối và khuếch đại
59
Trình tự thiết kế được thực hiện như sau:
Bước 1: Kiểm tra phần mềm phân tích xác định thuộc tính dao động
Để kiểm nghiệm công cụ hỗ trợ cho việc phân tích xác định thuộc tính dao động của bộ
phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy bao gồm dạng dao động (mode) và tần số dao động,
nghiên cứu này, đã sử dụng phần mềm ANSYS 14 Mechanical APDL với: phần tử 8
node (PLANE183), chia lưới ở mức trung bình (SMRTSIZE, 5), giải bài toán dao động
bằng phương pháp Lanszos (MODOPT, LANB, 8) phân tích dao động cho tấm phát xạ
hình tròn có các thông số như sau: R = 14 cm; z5 = 0,5 cm; z6 = 0,96 cm (công trình
nghiên cứu của Emeterio [30]). Vật liệu được sử dụng là hợp kim nhôm với μm = 0,3; E
= 66 GPa; ρ = 2670 kg/m3. Kết quả dạng dao động của một nửa tấm tròn bậc thể hiện ở
hình 3.3, tần số dao động riêng thể hiện ở bảng 3.1.
Bảng 3.1: Tần số dao động của tấm tròn bậc
Bán kính các đường tròn nút Tần số dao động (kHz) Phương pháp tính
toán thiết kế Tính toán Đo đạc r(cid:2869) r(cid:2870) r(cid:2871) r(cid:2872) r(cid:2873)
Theo Emeterio [30] 2,14 4,91 7,69 10,51 12,92 21,312 21,138
Dùng ANSYS 2,14 4,91 7,69 10,51 12,92 21,218
Hình 3.3: Dạng dao động của tấm tròn bậc
Nhận xét: kết quả phân tích dao động bằng phần mềm ANSYS R14.5 cho tấm tròn bậc
công bố ở công trình nghiên cứu [30] thể hiện ở bảng 3.1, tần số dao động riêng là 21,218
60
kHz sai lệch 0,28 % so với kết quả đo đạc của Emeterio [30]. Với sai lệch này chứng tỏ
rằng, kết quả phân tích có được từ phần mềm xem như chấp nhận được và phần mềm
phục vụ cho việc phân tích có độ tin cậy cao.
Bước 2: xác định các thông số cần thiết kế cho bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy.
Thông số vật liệu và tinh thể dao động PZT
Tinh thể dao động PZT- 5020 – 4DS do hãng Branson cung cấp với tần số dao động
riêng là 20 kHz, nguồn cung cấp lớn nhất 1,3 kW, biên độ dao động lớn nhất là 8 μm.
Xác định tần số và bán kính tấm tròn phát xạ
- Tần số sóng siêu âm là 20 kHz (trình bày ở mục 2.2.9 chương 2).
- Cường độ năng lượng của sóng siêu âm sử dụng khi thực nghiệm từ 0 kW/m2 đến 30
kW/m2 (dự kiến).
Diện tích của mặt cắt ngang của buồng sấy khoảng 0,07 m2. Bộ phận phát sóng siêu âm
bố trí trong buồng sấy như hình 3.1. Mối quan hệ giữa cường độ sóng siêu âm được tạo
ra và nguồn cung cấp như sau:
I u
P u S
R
(3.1)
Trong đó, Pu là công suất của nguồn phát sóng siêu âm (kW), SR là diện tích bề mặt của
bộ phận phát xạ của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy (m2).
Với công suất của nguồn cung cấp bằng công suất nguồn lớn nhất cấp cho PZT và bằng
1,2 kW, giả sử SR bằng diện tích mặt cắt ngang của buồng sấy, từ đó xác định được bán
kính dự kiến là 0,15 m (SR = 3,14 x R2). Thực tế, bộ phận phát sóng siêu âm nằm trong
buồng sấy và cần có khe hở để TNS thổi vào (hình 3.1) nên bán kính của tấm tròn phát
xạ cần thiết kế là 0,12 m. Với bán kính này thì cường độ năng lượng sóng siêu âm lớn
nhất được tạo ra từ bộ phận phát sóng này là 27 kW/m2 đạt yêu cầu so với dự kiến ban
đầu.
Mối quan hệ giữa biên độ dao động lớn nhất (Z0) của bộ phận phát xạ và công suất của
Z = 0
1 2πf
nguồn phát như sau (phụ lục phần 3.2):
u
2P u ρ v S a w,a R
(3.2)
61
Trong đó, fu là tần số của sóng siêu âm, kHz; ρa là khối lượng riêng của không khí; vw,a
vận tốc truyền âm trong không khí.
Thông số vật liệu cho từng cụm của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy được thể
hiện ở bảng 3.2
Bảng 3.2: Thông số vật liệu của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy
Vật liệu Thông số
Cụm Hệ số Young’s Hê số Khối lượng Vận tốc
modulus, E Poisson’s, riêng, (kg/m3) truyền âm
(GPa) (m/s) μm
71,7 0,33 2810 5030 AA 7075-T6 1,3
210 0,3 7800 5188 SS 41 2
Bước 3: Tiến hành thiết kế
Trình tự thiết kế: đầu tiên xác định kích thước cho cụm ghép nối (cụm 1) theo lưu đồ
hình 3.4, sau đó xác định kích thước cho toàn cụm theo lưu đồ hình 3.5. Thuật toán tối
ưu PSO (trình bày ở phần 2.2.12 chương 2) dựa vào hàm mục tiêu (3.3) là sai giữa tần
số dao động riêng của bộ phận phát sóng (fu) có được từ phân tích dao động và tần số
dao động riêng mong muốn (fu,0) nhỏ nhất. Kết quả thiết kế được thể hiện bảng 3.3, tần
fmin
f
số dao động riêng và dạng dao động (mode) thể hiện ở bảng 3.4 và hình 3.6.
u,0
u
fmuc_tieu = (3.3)
Bảng 3.3: Thông số hình học của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy
Stt Thông số Giá trị (mm) Thông số Giá trị (mm) Stt
1 30,995 12 14,000 r1 z1
2 72,374 13 62,800 r2 z2
3 105,517 14 64,900 r3 z3
9 R 120,000 15 64,900 z4
10 7,755 16 19,100 h1 D1
11 19,869 17 50,000 h2 D2
62
a)
b) Hình 3.4: Xác định kích thước cụm ghép nối và cụm khuếch đại. a) lưu đồ; b) mô hình
chia lưới cụm ghép nối và kết đại
63
b) c)
a)
Hình 3.5: Xác định kích thước cụm phát xạ. a) lưu đồ; b) mô hình chia lưới xác
định đường tròn nút cho bộ phận phát xạ; c) mô hình chia lưới xác định chiều cao bậc
64
a) b)
c) d)
e) f)
Hình 3.6: Dạng dao động của đầu phát sóng. a) mode 4; b) mode 5; c) mode 6; d) mode
7; e) mode 8; f) mode 9.
65
Bảng 3.4: Thuộc tính dao động của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy
Mode Tần số dao động riêng, Hz Hình thể hiện
15575 4 Hình 3.6a
17571 5 Hình 3.6b
19084 6 Hình 3.6c
19977 7 Hình 3.6d
21903 8 Hình 3.6e
22350 9 Hình 3.6f
Thảo luận: Trong các mode dao động của bộ phận phát sóng thể hiện ở bảng 3.4 thì
mode 7 (hình 3.6d) có tần số dao động riêng là 19977 Hz gần bằng tần số dao động riêng
mong muốn; cụm phát xạ (cụm 3) có dạng dao động uốn ngang đối xứng qua trục của
bộ phận phát sóng; toàn bộ cụm bao gồm: cụm ghép nối, cụm khuếch đại và PZT có
mode dao động giãn/dài. Như vậy, dạng dao động của từng cụm phù hợp với chức năng
của cụm (trình bày trong phần kết luận của chương tổng quan) và khi đó có thể kiểm
soát được phân bố chuyển vị của từng bộ phận của bộ phận phát sóng và sóng siêu âm
được tạo ra từ bộ phận phát sóng này có thể điều kiển được (kiểm soát được).
Bước 4: Chế tạo và đo kiểm
Bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy với thông số hình học như ở bảng 3.3 và vật
liệu ở bảng 3.2 được chế tạo, kết quả thể hiện ở hình 3.7a. Sử dụng máy phân tích dao
động chuyên dụng (TRZ Horn Analyzer) của hãng ATCP Physical Engineering (hình
3.7b, thiết bị của Bộ môn Vật Liệu, Khoa Cơ Khí, Trường đại học Bách Khoa Tp.HCM)
xác định tần số dao động riêng và trở kháng của bộ phận phát sóng đã được chế tạo, kết
quả tần số dao động riêng của bộ phận phát sóng là 19,927 kHz (hình 3.7c).
Thảo luận kết quả: Kết quả đo kiểm tần số dao động riêng của bộ phận phát sóng đã
chế tạo là 19,927 kHz sai lệch 0,25% so với tần số phân tích thiết kế (19,977 kHz) và sai
lệch 0,37% so với tần số thiết kế mong muốn (20 kHz). Như vậy, nếu bộ phận phát sóng
siêu âm này được kích thích (cấp nguồn) đúng bằng tần số dao động riêng của nó thì sẽ
hoạt động ổn định và sóng siêu âm được tạo ra sẽ điều kiển được (kiểm soát được)
66
a) b)
c)
Hình 3.7: Kiểm tra bộ phận phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy. a) hình ảnh của bộ
phận phát sóng; b) đo tần số dao động riêng; c) tần số cộng hưởng và trở kháng.
3.2 Hiện tượng vật lý khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm
Để nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình sấy vật liệu dạng lát thì bộ
phận phát sóng siêu âm (được thiết kế ở phần 3.1) được tích hợp vào trong buồng sấy,
khi đó mô hình vật lý sấy có sự hỗ trợ của sóng được thể hiện như hình 3.8. Trong phần
này sẽ phân tích hiện tượng vật lý sóng siêu âm lan truyền trong TNS và tác động của
sóng siêu âm quanh VLS.
Mô tả mô hình vật lý: vật liệu sấy (1) dạng lát mỏng có bề dày 2δ đặt đứng trên khay
chứa mẫu dạng lưới (2). Tấm phát xạ sóng siêu âm (3) được đặt cách vật liệu sấy một
khoảng cách L, sóng siêu âm (4) được phát với cường độ Iu và tần số fu xuyên qua khay
67
chứa mẫu dạng lưới đi vào vật liệu sấy. TNS (5) được đưa vào buồng sấy qua miệng côn
tròn thổi đều ngang qua hai bề mặt của vật liệu sấy, có nhiệt độ ta, có độ ẩm tương đối
Hình 3.8: Mô hình vật lý sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm. 1- vật liệu sấy; 2- khay chứa
φa và có vận tốc va.
mẫu; 3- bộ phận phát sóng siêu âm; 4- sóng siêu âm; 5- tác nhân sấy (TNS); 6- buồng
sấy; 7- vật liệu hấp thụ sóng siêu âm (để không tồn tại sóng phản hồi trong buồng sấy);
8- dòng nhiệt đi vào vật liệu; 9- dòng ẩm ra khỏi vật liệu; 10- các phân tử nước ở bề mặt
vật liệu sấy.
Sóng siêu âm lan truyền trong không khí thuộc dạng sóng dọc với phương trình truyền
2
2
v
2 w,a
τ u(z, ) 2 z
u(z, τ) 2 τ
sóng theo phương z như sau [94]:
(3.4)
Với: • u(z,τ) là chuyển vị của sóng theo phương z, m.
• vw,a là vận tốc truyền sóng trong không khí, m/s.
Khi sóng siêu âm lan truyền trong không khí thì năng lượng của sóng bị suy giảm theo
qui luật [95]:
- 2μ z
u,a
68
I = I e u u0
(3.5)
Trong đó: µu,a là hệ số hấp thụ biên độ sóng siêu âm của không khí, có đơn vị là neber/m,
thông thường hệ số µu,a ít được sử dụng và được thay thế bởi hệ số αu,a (đơn vị dB/m),
chuyển đổi hai đơn vị thể hiện công thức (3.6) [95]; Iu0 là cường độ sóng siêu âm tại
α
nguồn phát (z = 0), đơn vị kW/m2.
u,a
= 8.686μ u,a
(3.6)
Cũng theo LidstrÖm (1982) [95] sự suy giảm năng lượng sóng siêu âm trong không khí
phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ của không khí. Tại điều kiện không khí: nhiệt độ 20ºC và
độ ẩm tương đối của không khí từ 20-40 % thì mức độ suy giảm của sóng siêu âm có tần
số 20 kHz là 0,5 ≤ αa ≤ 0,8 [95].
Vì chưa có điều kiện thí nghiệm nên nghiên cứu này chọn hệ số suy giảm năng lượng
sóng siêu âm trong buồng sấy là αa = 0,65 dB/m (là khoảng giữa ở công bố [95]). Giải
phương trình (3.4) với điều kiện biên như sau:
+ Tại vị trí z = 0 (sát bề mặt của tấm phát xạ) thì biên độ dao động là Z0 với mọi τ
+ Tại vị trí cách bề mặt tấm phát xạ một khoảng z = L (tại vị trí đặt vật liệu sấy) biên
độ dao động là ZL với mọi τ
Áp suất do sóng siêu âm tạo ra cách bộ phận phát sóng một khoảng cách L được xác
2
R
p = ρ v
cos (2πf τ)
a
a
u,a
u
định theo phương trình (Dẫn giải công thức (3.7) được thể hiện ở phụ lục phần 3.2):
P u S ρ v a
u,a
(3.7)
Với: ρa là khối lượng riêng của không khí; fu là tần số của sóng siêu âm; SR là diện tích
tấm phát xạ của bộ phận phát sóng siêu âm; vu,a là vận tốc truyền sóng siêu âm trong
không khí; Pu là công suất của nguồn phát sóng siêu âm.
Vì chưa có điều kiện thí nghiệm đo đạc áp suất và quan sát hiện tượng vật lý vừa nêu
trên tại vật liệu sấy khi có sóng siêu âm lan truyền nên tác giả đã mô phỏng quan sát hiện
tượng. Sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn với một mô hình rắn – khí – rắn
tương tự như mô hình vật lý hình 3.8, mô phỏng được triển khai trong phần
69
a)
b)
Hình 3.9: Gradient áp suất trong buồng sấy. a) trong buồng sấy; b) quanh VLS
70
mềm ANSYS R14.5. Rắn – khí – rắn là sự tương tác giữa 3 phần tử: phần tử rắn thứ
nhất mô hình hóa cho bộ phận phát sóng siêu âm (phần tử 2D, 8 nút, plan 183 với keyopt
2 (phần tử biến dạng mặt)), phần tử khí mô hình hóa cho không khí quanh vật liệu sấy
(phần tử fluid 29), phần rắn tiếp theo mô hình hóa cho vật liệu sấy (phần tử cyl4). Kết
quả mô phỏng gradient áp suất trong buồng sấy thể hiện ở hình 3.9a và quanh vật liệu
sấy hình 3.9b (hình 3.9b là kết quả phóng to từ hình 3.9b tại vật liệu sấy), với các thông
số vật lý được thiết lập theo hệ đơn vị SI, áp suất là Pa và tần số dao động có đơn vị là
Hz.
Thảo luận hiện tượng: Sóng siêu âm được phát ra từ bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ
sấy lan truyền trong không khí và từ đó tạo ra áp suất cục bộ trong buồng sấy là một hàm
tuần hoàn (công thức 3.7). Kết quả mô phỏng (hình 3.9) cho thấy không khí quanh vật
liệu bị co/giãn với tần số bằng tần số sóng siêu âm. Do đó, gradient áp suất (do sóng siêu
âm tạo ra) quanh vật liệu sấy có phương và chiều không ổn định theo thời gian. Vì mối
quan hệ giữa pa và vu,a là pa = ρavu,ava [94] nên không khí khi được truyền năng lượng bởi
sóng siêu âm có phương và chiều trùng với gradient áp suất cục bộ do sóng siêu âm tạo
ra. Và như vậy, góc hợp bởi vectơ vận tốc ( v(cid:2911)(cid:4652)(cid:4652)(cid:4652)⃗ ) của TNS quanh bề mặt VLS và gradient
nhiệt độ bên trong vật liệu sấy (∇T) thay đổi, ảnh hưởng đến cosθ (hệ số góc giữa v(cid:2911)(cid:4652)(cid:4652)(cid:4652)⃗ và
(∇T); từ đó ảnh hưởng đến tiêu chuẩn Nu (Nusselt) (công thức 3.8 [96]) và Shewood
1
. T .cosθ)dz
u
e
r
av
N = R P (
(Sh).
0
(3.8)
Như vậy, nếu đặt một vật liệu ẩm trong môi trường này (không khí có sóng siêu âm lan
truyền) thì trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm giữa vật liệu và môi trường được cải thiện so với
môi trường không khí không có sóng siêu âm.
Thêm vào đó, sóng siêu âm lan truyền trong TNS tác động vào bề mặt của VLS đi vào
VLS làm giảm lực liên kết giữa các phân tử nước và các phân tử vật chất cấu thành nên
VLS; từ đó cải thiện hệ số khuếch tán ẩm của VLS. Ngoài ra, một lượng ẩm sẽ dịch
chuyển ra bề mặt dưới tác động của lực cơ học (do ép, nén) do sóng siêu âm tạo ra với
vận tốc được xác định theo công thức (3.9) [97]:
71
K∇P μw
(3.9) vw = -
Trong đó, K là độ thẩm thấu, m2; μw là độ nhớt động học của ẩm (nước), Pa.s; ∇P là
gradient áp suất, Pa/m
3.3 Mô hình toán truyền nhiệt và truyền ẩm trong đảng sâm khi sấy có sự hỗ trợ
của sóng siêu âm
Mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm trong đảng sâm dạng lát khi sấy có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm được thiết lập với một số giả thiết sau đây:
+ Vật liệu sấy đồng nhất và đẳng hướng, không thay đổi tiết diện trong quá trình sấy.
+ Khuếch tán nhiệt, ẩm của vật liệu là một hàm theo nhiệt độ TNS và cường độ siêu
âm.
+ Thông số của TNS và cường độ sóng siêu âm suốt quá trình sấy không đổi.
+ Ẩm trong vật liệu chỉ tồn tại ở dạng lỏng.
+ Không có phản ứng hóa học bên trong vật liệu sấy.
+ Vật liệu sấy dạng lát có tỉ lệ đường kính/ bề dày là 5 lần (25/5). Trên cơ sở này, giả
sử truyền nhiệt và truyền ẩm bên trong vật liệu chỉ xảy ra theo phương bề dày
(phương x, truyền nhiệt truyền ẩm là 1-D)
• Mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm bên trong VLS khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu
âm:
Để xác định mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm trong quá trình sấy cho một vật
liệu với một phương pháp sấy đã chọn thông thường chúng ta dựa vào mô hình vật lý,
điều kiện sấy, định luật về bảo toàn năng lượng, bảo toàn ẩm,…[98-104]; hoặc dựa vào
nhiệt động học quá trình không thuận nghịch [6, 98, 103, 104]. Để chọn lựa mô hình
toán truyền nhiệt truyền ẩm khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm phù hợp với mô hình
toán và hiện tượng vật lý được phân tích và thảo luận ở phần 3.2, nghiên cứu này, kế
thừa các công trình khoa học tương tự, dựa vào định luật bảo toàn năng lượng bảo toàn
ẩm và giả sử vừa nêu trên để xác định.
Phương trình truyền nhiệt truyền ẩm bên trong vật liệu sấy được xác định theo định luật
bảo năng lượng và bảo toàn ẩm như sau [98, 100]:
∂t
72
(3.10)
∂τ(cid:4579)(cid:4580)(cid:4581) cpρp IA
∂M
= ∇(cid:3435)kp∇t(cid:3439) (cid:4579)(cid:4583)(cid:4580)(cid:4583)(cid:4581) IIA - cwρwvw∇t (cid:4579)(cid:4583)(cid:4583)(cid:4580)(cid:4583)(cid:4583)(cid:4581) IIIA
∂τ⏟
IB
(3.11) = ∇(D∇M) (cid:4579)(cid:4583)(cid:4580)(cid:4583)(cid:4581) IIB - vw∇M(cid:4579)(cid:4580)(cid:4581) IIIB
Trong đó: phần I là biến đổi nhiệt năng/ẩm của vật liệu; phần II là dẫn nhiệt/khuếch tán
ẩm bên trong vật liệu; phần III là trao đổi nhiệt/ẩm đối lưu; cp, ρp lần lượt là nhiệt dung
riêng, khối lượng riêng của vật liệu sấy; cw, ρw lần lượt là nhiệt dung riêng và khối
lượng riêng của nước (ẩm); kp là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu; vw là vận tốc dịch chuyển
của ẩm trong VLS với động lực dịch chuyển là do lực cơ học [97]; D là hệ số khuếch
tán ẩm.
Áp dụng phương trình (3.10) và (3.11) cho đối tượng nghiên cứu là đảng sâm dạng lát
với mô hình vật lý ở hình 3.8, lúc này phương trình truyền nhiệt truyền ẩm bên trong vật
∂t
∂
∂t
∂t
liệu theo phương x được thể hiện như sau:
∂τ
∂x
∂x
∂x
∂M
∂
∂M
∂M
= (3.12) (k(cid:2926) cpρp ) - cwρwvw
∂τ
∂x
∂x
∂x
= (D (3.13) ) - vw
Giả sử hệ số truyền nhiệt của vật liệu, hệ số khuếch tán ẩm (D) trong vật liệu là một hàm
∂t
∂
∂t
∂t
không đổi theo không gian (theo trục x). Khi đó, (3.12) và (3.13) trở thành:
∂τ
∂x
∂x
∂x
(cid:2921)(cid:3174) cpρp
cwρwvw cpρp
∂M
∂
∂M
∂M
= ( ) - (3.14)
∂τ
∂x
∂x
∂x
= D ( (3.15) ) - vw
Theo kết quả nghiên cứu của Datta (2006) [97], độ thẩm thấu (K) của ẩm có trong khoai
tây từ 10-19 m2 đến 10-17 m2 khi áp suất được tăng lên hay giảm xuống 1 atm, độ nhớt
động học của nước là 0,001 N.s/m2. Từ đó, xác định được vận tốc dịch chuyển của ẩm
trong một đơn vị áp suất (1 atm) từ 10-16 m/s đến 10-14 m/s. Vì cùng là củ nên dịch chuyển
ẩm trong đảng sâm do áp suất âm thanh tạo nên giả sử tương tự như khoai tây, ngoài ra,
vì sấy đảng sâm ở điều kiện áp suất khí quyển và áp suất hiệu dụng do sóng siêu âm tạo
ra có độ lớn không đáng kể so với áp suất khí quyển, thêm vào đó, tỉ lệ đường kính/ bề
dày của lát sâm lớn (5 lần) nên cwρwvw/ cpρp rất nhỏ có thể bỏ qua ở phương trình (3.14)
73
và vận tốc dịch chuyển ẩm theo bề dày do áp suất tạo nên (vw) rất nhỏ so với khuếch tán
ẩm theo diện tích, do đó, vw có thể gọp chung với khuếch tán ẩm trở thành khuếch tán
∂t
ẩm hiệu quả (De). Khi đó, truyền nhiệt và truyền ẩm bên trong đảng sâm trở thành:
∂τ
∂M
(3.16) = αt
∂τ
∂2t ∂x2 ∂2M ∂x2
(3.17) = De
Trong đó: αt = kp/cpρp là hệ số khuếch tán nhiệt.
Phương trình (3.16), (3.17) được giải với điều kiện ban đầu và điều kiện biên như sau:
• Điều kiện ban đầu bao gồm nhiệt độ ban đầu và độ ẩm ban đầu:
(3.18) τ = 0; t(x,0) = t0, M(x,0) = M0
• Tác nhân sấy và sóng siêu âm di chuyển đều qua hai bề mặt của vật liệu sấy. Để giảm
bớt số lượng tính toán khi giải phương trình (3.16) và (3.17) điều kiện đối xứng hình học
∂t(0,τ)
∂M(0,τ)
sau đây được áp dụng:
∂x
∂x
(3.19) x = 0, τ > 0; = 0, = 0
• Điều kiện biên trao đổi nhiệt đối lưu tại bề mặt của vật liệu sấy khi sấy có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm được xác định như sau:
Truyền nhiệt tại bề mặt của vật liệu sấy bao gồm: dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu, nhiệt
do năng lượng sóng siêu âm và nhiệt ẩn hóa hơi của nước tại bề mặt. Áp dụng định luật
∂t(δ,τ)
∂M(δ,τ)
bảo toàn năng lượng ta có:
∂x
∂x
(3.20) x = δ, τ > 0; -k = ht[ta - t(δ,τ)] + μuIu - Deρshfg
• Điều kiện biên trao đổi ẩm đối lưu tại bề mặt của vật liệu sấy khi sấy có sự hỗ trợ của
∂M(δ,τ)
sóng siêu âm được xác định như sau [4, 26]:
∂x
(3.21) x = δ, τ > 0; -Deρs = hm(cid:3427)φe(δ,t) - φa(cid:3431)
Trong đó: τ là thời gian, s; M là độ ẩm của vật liệu (tính ở cơ sở khô, hệ thập phân), kg
ẩm/kg vật liệu khô (kg/ kg VLK); t là nhiệt độ VLS tại thời điểm bất kỳ, ºC M0 là độ ẩm
ban đầu của vật liệu (τ = 0), kg/kg VLK; t0 là nhiệt độ ban đầu của vật liệu (τ = 0), ºC; δ
là nửa bề dày VLS, m; ρs là khối lượng riêng của vật liệu khô, kg/m3; μu là hệ số gia tăng
nhiệt độ của VLS do sóng siêu âm tạo nên; k là hệ số dẫn nhiệt, W/m.K; αt, De, lần lượt
74
là hệ số khuếch nhiệt và hệ số tán ẩm của VLS, m2/s; ht là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tại
bề mặt VLS, W/m2.K; hm là hệ số trao đổi ẩm đối lưu tại bề mặt VLS, kg/m2 s; hfg là ẩn
nhiệt hóa hơi của nước tại bề mặt của VLS, J/kg; φe(δ,τ) là độ ẩm của không khí tại bề
mặt của VLS, chính là hoạt độ nước (aw) tại bề mặt VLS [35, 37], 0 - 1; φa là độ ẩm
tương đối TNS, 0 - 1, ta là nhiệt độ TNS, ºC; Iu là cường độ sóng siêu âm tại bề mặt của
VLS và bằng cường độ sóng siêu âm được phát ra từ bộ phận phát sóng siêu âm, kW/m2.
3.4 Giải phương trình truyền nhiệt và truyền ẩm trong vật liệu sấy
Phương trình truyền nhiệt (3.16), phương trình truyền ẩm (3.17) cùng với điều kiện
ban đầu điều kiện biên (3.18), (3.19), (3.20), (3.21) đều là các phương trình vi phân đạo
hàm riêng có thể giải bằng phương pháp giải tích hoặc phương pháp số. Nghiên cứu này
sử dụng phương pháp số - sai phân hữu hạn để giải. Phương pháp sai phân hữu hạn bao
gồm sai phân ẩn và sai phân hiện, trong đó, phương pháp sai phân hiện là phương pháp
giải số tường minh, có nghĩa là nhiệt độ tại một điểm chưa biết được suy ra từ nhiều
điểm nhiệt độ chung quanh đã biết, và như vậy nếu biết được nhiệt độ tại lớp ngoài cùng
của vật liệu sấy chúng ta có thể suy ra các điểm nhiệt độ bên trong vật liệu sấy; và là
phương pháp được chọn để giải bài toán truyền nhiệt truyền ẩm xác định các điểm nhiệt
độ, độ ẩm trong vật liệu sấy. Trình tự giải bài toán như sau:
Vật liệu sấy dạng lát mỏng được qui về dạng tấm phẳng, truyền nhiệt truyền ẩm xảy ra
ở cả hai mặt nên chỉ cần xét 1 nửa tấm phẳng. Xét hệ trục tọa độ x - τ với x là trục bề
dày của tấm phẳng, τ là trục thời gian. Nửa tấm phẳng có bề dày δ được chia ra thành Nx
phần tử, các phần tử bên trong có bề dày Δx, phần tử ở tâm và phần tử ở biên có bề dày
Δx/2 (hình 3.10). Thời gian xử lý τp được chia ra thành Nτ thời điểm cách đều Δτ, Δτ và
Nτ có quan hệ như công thức (3.23). Khi đó, mô hình chia điểm khoảng cách - thời gian
mô tả trường độ ẩm, trường nhiệt độ bên trong vật liệu sấy được thể hiện ở hình 3.11
x
Δx = (3.22) δ N
τ
Δτ =
75
p N
τ
(3.23)
(Giá trị của ∆τ được xác định dựa vào điều kiện hội tụ của bài toán (3.48))
Hình 3.10: Chia điểm trong nửa tấm phẳng (nửa lát vật liệu sấy)
Hình 3.11: Chia điểm khoảng cách – thời gian của trường nhiệt độ và độ ẩm
Số hóa các phương trình vi phân có trong mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm:
- Áp dụng sai phân tiến cho vế trái và sai phân trung tâm của phương trình (3.16) và
t
t
m i
m+1 i
m i+1
m i-1
(3.17) ta có:
= α
t
- t Δτ
m - 2t + t i 2 Δx
m i
m i+1
m i-1
(3.24)
= D
e
m i 2
m+1 M - M i Δτ
M - 2M + M Δx
(3.25)
- Điều kiện ban đầu của nhiệt độ và độ ẩm (3.18) là:
t
i
1,2,...,
N
76
1 i
;t 0
x
i
1,2,...,
N
(3.26)
;MM 0
1 i
x
(3.27)
- Áp dụng sai phân tiến, sai phân lùi tại vị trí xNx (tại vị trí tâm) ở thời điểm τm cho điều
M
M
kiện đối xứng (3.19) có được:
m 1Nx
m 1Nx
t
t
(3.28)
m 1Nx
m 1Nx
(3.29)
- Áp dụng sai phân tiến, sai phân lùi tại vị trí x1 (tại vị trí biên) ở thời điểm τm cho điều
kiện biên (3.20) và (3.21) với k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, sau đó khử t1 xác định t2
t
m 0
và t0, thay vào (3.20) và (3.21), lúc này:
-k
h
p
= h t - t(δ, τ ) + μ I - D ρ m
u u
e
a
t
s
fg
m m - t 2 0 2Δx
m M - M 2 2Δx
m 0
(3.30)
= h
D ρ e
s
m
(x , τ ) - 1 m
a
m M - M 2 2Δx
(3.31)
m t = t + 0
m 2
h t - t(δ, τ ) + μ I - h m
u u
a
t
m
(x , τ ) - 1 m
a
Từ (3.30) và (3.31) suy ra:
2Δx k
p
(3.32)
M = M -
m 0
m 2
(x , τ ) - 1 m
a
Từ (3.31) ta có:
2h Δx m D ρ e s
(3.33)
Áp dụng (3.24) và (3.25) tại vị trí x1 ta có
t
t
m+1 1
m = t + 1
m 2
m - 2t + t 1
m 0
α Δτ t 2 Δx
(3.34)
M = M +
M - 2M + M
m+1 1
m 1
m 1
m 2
m 0
D Δτ e 2 Δx
(3.35)
t
t
m Nx
m+1 Nx
m Nx +1
m Nx-1
Áp dụng (3.24) và (3.25) tại vị trí Nx ta có
= α
t
- t Δτ
m - 2t + t Nx 2 Δx
m Nx
m Nx+1
m Nx-1
(3.36)
= D
e
m Nx 2
m+1 M - M Nx Δτ
M - 2M + M Δx
(3.37)
Thay (3.32) vào (3.34) ta tính được nhiệt độ tại điểm thuộc lớp biên của vật liệu sấy:
t
t
m+1 1
m = t + 1
m 2
m - t + 1
1
u
u
a
t
m
(x , τ ) - 1 m
a
h t - t(x , τ ) + μ I - h m
77
2α Δτ t 2 Δx
Δx k
p
(3.38)
M = M +
M - M -
m+1 1
m 1
m 1
m 2
(x , τ ) - 1 m
a
Thay (3.33) vào (3.35) ta tính được độ ẩm tại điểm thuộc lớp biên của vật liệu sấy:
2
2D Δτ e Δx
h Δx m D ρ e
s
(3.39)
Từ (3.24) ta tính được nhiệt độ các điểm thuộc các lớp bên trong vật liệu sấy:
m+1 i
m t + i
m i+1
t = t (3.40) α Δτ t 2 Δx α Δτ t 2 Δx α Δτ t 2 Δx m t + 1- 2 i-1
Từ (3.25) ta tính được độ ẩm các điểm thuộc các lớp bên trong vật liệu sấy:
m+1 M = i
m i-1
m M + i
m M i+1
(3.41) D Δτ e 2 Δx D Δτ e 2 Δx D Δτ e 2 Δx M + 1- 2
Từ (3.29) và (3.36) ta tính được nhiệt độ tại điểm thuộc lớp ở tâm vật liệu sấy là:
t
t
-
t
m+1 Nx
m = t + Nx
m Nx-1
m Nx
2
2
2D Δτ e Δx
2D Δτ e Δx
(3.42)
Từ (3.28) và (3.37) ta tính được độ ẩm tại điểm thuộc lớp ở tâm vật liệu sấy là:
M = M +
M
m+1 Nx
m Nx
m M - Nx-1
m Nx
2
2
2D Δτ e Δx
2D Δτ e Δx
(3.43)
Phương trình (3.40) và (3.41) là dạng sai phân hiện của phương trình trường nhiệt độ và
trường độ ẩm tại các điểm nút bên trong vật liệu sấy. Nhiệt độ, độ ẩm tại một điểm bất
kỳ bên trong vật liệu sấy t(xi,τm), M(xi,τm) được xác định từ các điểm nút lân cận trong
khoảng thời gian Δτ, hay nói khác hơn từ nhiệt độ, độ ẩm ban đầu và điều kiện ở biên ta
có thể suy ra trường nhiệt độ, độ ẩm bên trong VLS theo thời gian sấy. Nhiệt độ, độ ẩm
tại điểm (i+1) cùng tăng hoặc cùng giảm so với nhiệt độ, độ ẩm tại điểm (i), điều này chỉ
xảy ra khi các hệ số trong phương trình (3.40), (3.41) luôn luôn dương hay nói khác hơn
điều kiện sau phải thỏa mãn:
> 0; 1- 2
> 0
D Δτ e 2 Δx
D Δτ e 2 Δx
(3.44)
> 0; 1- 2
> 0
α Δτ t 2 Δx
α Δτ t 2 Δx
Và: (3.45)
Từ (3.44) và (3.45) suy ra:
78
<
D Δτ e 2 Δx
1 < ; 2
α Δτ t 2 Δx
1 2
(3.46)
Vì giá trị αt thông thường rất lớn hơn so với De cho nên để thỏa mãn (3.46) ta chỉ cần
thỏa mãn điều kiện:
<
α Δτ t 2 Δx
1 2
(3.47)
Để thỏa mãn (3.47), trong nghiên cứu này, chọn vế trái của (3,47) bằng 0,4, nếu nửa bề
dày vật liệu (δ) được xác định, số phần tử của nửa bề dày vật liệu (Nx) được chọn thì lúc
2
0.4
x
Δτ =
đó ∆τ được xác định theo công thức sau:
δ N α
t Nhiệt độ trung bình thể tích của vật liệu sấy:
V
tdV
0
(3.48)
t
av
dV
V
0
(3.49)
Δx × t
+
t
m t + 1
m i
Nhiệt độ trung bình thể tích của vật liệu sấy ở thời điểm “m”:
N-3 2 i=2
Δx 2
Δx 2
m N-1 2
m t = av
N -1
Δx 2
(3.50)
V
MdV
0
M
Tương tự, độ ẩm trung bình thể tích của vật liệu sấy được xác định theo công thức:
av
dV
V
0
(3.51)
m M + 1
Và độ ẩm trung bình của vật liệu sấy ở thời điểm “m”:
N-3 2 i=2
Δx 2
Δx 2
m N-1 2
m M = av
N -1
Δx 2
(3.52)
79
Bắt đầu
Nhập giá trị: φa, ta, t0, M0, δ, Nz, kp, ρs, cp, μu, Iu, De, αt, hm, ht, aw
- Xác định khoảng cách chia điểm (∆z), công thức (3.22)
- Xác định bước nhảy thời gian (∆τ), công thức (3.48)
Tính độ ẩm không khí sát lớp biên, độ ẩm và nhiệt độ lớp biên vật liệu sấy
- Độ ẩm không khí sát biên, được suy ra từ độ ẩm cân bằng của VLS (độ ẩm
cân bằng hệ thập phân (giá trị từ 0-1) chính là hoạt độ nướv aw)
- Nhiệt độ vật liệu tại lớp biên, công thức (3.38)
- Độ ẩm vật liệu tại lớp biên, công thức (3.39)
Tính độ ẩm, nhiệt độ ở bên trong vật liệu sấy tại thời điểm m
- Nhiệt độ bên trong vật liệu, công thức (3.40)
- Độ ẩm bên trong vật liệu, công thức (3.41)
- Nhiệt độ tại tâm vật liệu sấy, công thức (3.42)
- Độ ẩm tại tâm vật liệu sấy, công thức (3.43)
i=i+1
N
Lưu đồ giải thuật giải bài toán truyền nhiệt và truyền ẩm vật liệu như sau:
Y
Tính độ ẩm trung bình, nhiệt độ trung bình vật liệu sấy tại thời điểm m
- Tính nhiệt độ trung bình của vật liệu sấy tav, công thức (3.50)
- Tính độ ẩm trung bình của vật liệu sấy Mav, công thức (3.52)
N
m = m+1
Mav < Me
Y
i=Nx-1
Kết thúc
Hình 3.12: Giải thuật giải bài toán truyền nhiệt truyền ẩm của vật liệu sấy
80
3.5 Xác định tính chất nhiệt vật lý của đảng sâm
Từ mô hình toán thể hiện ở mục 3.3 và trong công thức xác định nhiệt độ và độ ẩm
ở mục 3.4 cho thấy, để xác định độ ẩm và nhiệt độ của VLS trong quá trình sấy thì tất cả
các hệ số có trong phương trình vi phân, trong đó có tính chất nhiệt vật lý của VLS. Vận
dụng các phương pháp nghiên cứu đã trình bày ở phần 2.2.5 cho vật liệu sấy là đảng sâm
Việt Nam, các kết quả được trình bày tiếp theo sau đây.
3.5.1 Khối lượng riêng của đảng sâm
Mối quan hệ giữa khối giữa khối lượng riêng (ρp) và độ ẩm của đảng sâm được xác
ρ = p
định theo công thức (phần 2.2.5.1 chương 2):
1+ M 1 M + ρ
ρ
w
s
(3.53)
Trong đó, ρw là khối lượng riêng của nước (ρw =1020); ρs là khối lượng riêng của vật
liệu khô tuyệt đối; M (kg/kg VLK), là độ ẩm của vật liệu tính ở cơ sở khô.
Bằng phương pháp tỉ trọng kế dạng khí với qui trình thực hiện đúng theo tiêu chuẩn
ISO1183-3 (tiêu chuẩn xác định khối lượng riêng) xác định được khối lượng riêng đảng
sâm khô tuyệt đối là 1620 (kg/m3) (trình tự thí nghiệm thể hiện ở phụ lục phần 3.5.1);
thay ρs = 1620 vào công thức (3.53) ta có khối lượng riêng của đảng sâm được thể hiện
1+ M
ρ = p
1
M
ở công thức (3.54). Một vài giá trị tiêu biểu được thể hiện ở bảng 3.5.
+ 1620 1020
(3.54)
Bảng 3.5: Khối lượng riêng của đảng sâm theo độ ẩm
TT X, % M, kg/kg VLK ρp, kg/m3 TT X, % M, kg/kg VLK ρp, kg/m3
1 10 0,11 1530,0 7 40 0,66 1311,4
2 15 0,17 1488,6 8 45 0,81 1280,9
3 20 0,25 1449,4 9 50 1,00 1251,8
4 25 0,33 1412,3 10 55 1,22 1224,0
5 30 0,42 1377,0 11 60 1,50 1197,3
6 35 0,53 1343,4 12 65 1,85 1171,9
81
3.5.2 Nhiệt dung riêng của đảng sâm
Nhiệt dung riêng của đảng sâm được xác định theo phương pháp bình giữ nhiệt. Bình
giữ nhiệt được mô mả ở mục 2.2.5.2 của chương 2, qui trình thực nghiệm được thực hiện
giống như mô tả ở [75] và được thể hiện ở phụ lục phần 3.5.2. Sáu thí nghiệm được thiết
lập cho 6 mức độ ẩm đảng sâm khác nhau tại nhiệt độ 35ºC, kết quả đo đạc nhiệt dung
riêng của đảng sâm được thể hiện ở bảng 3.6.
Bảng 3.6: Nhiệt dung riêng của đảng sâm theo độ ẩm
TT Độ ẩm đảng sâm, % Nhiệt dung riêng của đảng sâm, J/ kg K
1 11 925,47 ± 5,90
2 25 1546,49 ± 5,02
3 43 2174,63 ± 3,54
4 50 2587,60 ± 11,63
5 64 3217,43 ± 2,98
6 85 4052,27 ± 12,16
Phân tích hồi qui tuyến tính với số liệu ở bảng 3.6 ta có nhiệt dung riêng của đảng sâm
theo độ ẩm như sau:
(R2 = 0,99) (3.55) c(cid:2926) = 450,44 + 42,45X
Với X là độ ẩm của đảng sâm, %.
3.5.3 Hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm
Tương tự như nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm được xác định bằng
thực nghiệm với thiết bị thí nghiệm được chế tạo dựa theo phương pháp nguồn nhiệt
đường (phương pháp que thăm) thể hiện trong phần 2.2.5.3 chương 2, qui trình thực
nghiệm được thực hiện giống như mô tả ở [75] và thể hiện ở phụ lục phần 3.5.3. Sáu thí
nghiệm được thiết lập cho 6 mức độ ẩm đảng sâm khác nhau tại nhiệt độ 35ºC, kết quả
đo đạc hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm được thể hiện ở bảng 3.7.
Phân tích hồi qui tuyến tính với số liệu ở bảng 3.7 ta có hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm
như sau:
(R2 = 0,99) (3.56) k(cid:2926) = 0,0971 + 0,0056X
82
Với X là độ ẩm của đảng sâm, %.
Bảng 3.7: Hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm theo độ ẩm
TT Độ ẩm đảng sâm, % Hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm, W/m K
1 15 0,182 ± 0,022
2 35 0,292 ± 0,021
3 42 0,333 ± 0,029
4 55 0,420 ± 0,030
5 71 0,503 ± 0,010
6 83 0,563 ± 008
3.5.4 Độ ẩm cân bằng của đảng sâm
Độ ẩm cân bằng của đảng sâm được xác định theo phương pháp muối bão hòa được
trình bày trong phần 2.2.5.4 chương 2. Đảng sâm lát được đặt liên tục trong thiết bị điều
khiển nhiệt ẩm, sau khoảng 10, 13, 15 ngày tương ứng ở những mức nhiệt độ 50ºC, 40ºC,
30ºC khối lượng mẫu không còn thay đổi (khối lượng 3 lần kiểm tra liền kề không thay
đổi), mẫu được lấy ra và xác định độ ẩm cân bằng. Qui trình thực nghiệm được trình bày
ở phụ lục phần 3.5.4. Phân tích hồi qui phi tuyến với số liệu có được từ thực nghiệm ở 3
mức nhiệt độ 30ºC, 40ºC, 50ºC xác định mối quan hệ độ ẩm cân bằng của đảng sâm theo
nhiệt độ và hoạt độ nước. Trong 4 mô hình toán đã chọn thì mô hình Modified Chung-
Pfost có các tiêu chí (công thức 2.16 - 2.18 chương 2) kém nhất: hệ số xác định thấp nhất
(R2 = 0.95), căn bậc hai sai số bình phương trung bình (RMSE = 0,1330), sai lệch giữa
giá trị thực nghiệm và tính toán nhiều nhất (MRE = 14,71%), tiếp theo là mô hình
Modified Henderson (R2 = 0,98; RMSE = 0,0105; MRE = 12,34%), tiếp theo là mô hình
Modified Halsey (R2 = 0,99; RMSE = 0,0074; MRE = 9,05%) và mô hình Oswin có các
tiêu chí tốt nhất (R2 = 0,99; RMSE = 0,0019; MRE = 1,22%). Độ ẩm cân bằng thực
((cid:2868),(cid:2871)(cid:2877)(cid:2877)(cid:2877)(cid:2871)(cid:2875) (cid:2878)(cid:2868).(cid:2868)(cid:2868)(cid:2869)(cid:2877)(cid:2873) (cid:3159))
nghiệm và tính toán từ mô hình Oswin thể hiện ở đồ thị hình 3.13.
(cid:4673) (3.57) M(cid:2915) = (0,120438 − 0,0005t (cid:2911)) (cid:4672) (cid:2911)(cid:3181) (cid:2869)(cid:2879)(cid:2911)(cid:3181)
(R2 = 0,99; RMSE = 0,001; MRE = 1,22%)
83
Mô hình Oswin thể hiện ở phương trình (3.57) có tiêu chí MRE = 1,22% với giá trị này
thì mô hình Oswin có thể chấp nhận được và được áp dụng để dự đoán độ ẩm cân bằng
của đảng sâm (giá trị MRE nhỏ hơn hoặc bằng 10% thì mô hình toán có thể chấp nhận
được [69]), áp dụng để tính toán hoạt độ ẩm tại bề mặt của vật liệu sấy (điều kiện biên
trong mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm) và áp
dụng vào làm điều kiện dừng giải bài toán truyền nhiệt truyền nhiệt truyền ẩm (lưu đồ
0.35
0.3
0.25
0.2
) K L V g k /
0.15
- DD
g k ( e M
o thuc nghiem 30oC
0.1
x thuc nghiem 40oC
* thuc nghiem 50oC
0.05
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
0.5 aw
hình 3.12, phần 3.4 của chương này).
Hình 3.13: Độ ẩm cân bằng của đảng sâm. (DD, là đường cong dự đoán)
3.6 Xác định lượng nhiệt tăng thêm và động học quá trình sấy đảng sâm
Lượng nhiệt tăng thêm khi sấy đảng sâm có sự hỗ trợ của sóng siêu âm (∆tav (công
thức 2.9, 2.10 chương 2), μuIu, trong điều kiện biên thể hiện ở phương trình 3.20 chương
này) và các thông số liên quan đến động học sấy đảng sâm có trong mô hình toán (αt, De,
ht, hm) là những đại lượng cần được xác định. Phương pháp xác định các đại lượng này
84
là thực nghiệm và thực nghiệm kết hợp với tính toán lý thuyết được trình bày ở phần
2.2.7 của chương 2.
3.6.1 Thực nghiệm sấy đảng sâm
Bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy được thiết kế và chế tạo ở phần 3.1 của chương
3 được tích hợp vào một hệ thống máy sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm (phần 2.3 của
chương 2). Các khảo nghiệm được thực hiện ở các chế độ sấy khác nhau nhằm có được
dữ liệu để tiếp tục xác định các thông số còn thiếu có trong mô hình toán, cũng như
nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến động học quá trình sấy, màu sắc của đảng
sâm, và hàm lượng saponin có trong đảng sâm khô khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm
với phương pháp sấy là bơm nhiệt kết hợp sóng siêu âm.
Thiết lập thí nghiệm: mỗi mẻ sấy được thực hiện khoảng 100 g vật liệu, có độ ẩm ban
đầu từ 86,5-88,5 % (6,4-7,7 kg/kg VLK). Trong ngăn sấy có sóng siêu âm, vật liệu sấy
được xếp đứng cách nhau từ 2-3 mm nhằm để TNS thổi đều từ dưới lên trên qua hai bề
mặt của lát VLS và sóng siêu âm truyền từ dưới lên trên tác động đều vào lát VLS (hình
3,14). Đồng thời, trong ngăn sấy không có sóng siêu âm, vật liệu sấy được đặt nằm ngang
khi đó TNS thổi ngang đều qua hai bề mặt của lát VLS. Tác nhân sấy được lấy từ hệ
thống bơm nhiệt có nhiệt độ ta điều khiển được tùy theo chế độ sấy, có độ ẩm tương đối
φa tương ứng với nhiệt độ ta được đo đạt bởi cảm biến đo độ ẩm tương đối chuyên dụng,
có vận tốc va được điều khiển và chỉnh sao cho vận tốc thổi qua VLS ở hai ngăn của
buồng sấy là như nhau và như vậy, điều kiện TNS khi sấy đảng sâm có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm và không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm là như nhau. Sóng siêu âm (ở ngăn
sấy có sóng siêu âm) được phát ra từ bộ phận phát sóng siêu âm có cường độ Iu có thể
chỉnh được tùy theo chế độ sấy, khoảng cách từ bộ phát sóng siêu âm đến vật liệu sấy là
8,5 mm (là bụng sóng của bước sóng đầu tiên, xác định ở phụ lục phần 3.2). Mỗi thí
nghiệm, một lát đảng sâm được đặt ở bên ngoài khay chứa mẫu nhưng cùng điều kiện
sấy so với các lát trong khay chứa mẫu, nhiệt độ tại lớp tâm (điểm B) và lớp biên (điểm
A) của lát đảng sâm này được đo đạc bởi hai cảm biến đo nhiệt độ (hình 3.14). Khối
lượng đảng sâm trong quá trình sấy được cân đo bởi cân phân tích. Màu sắc đảng sâm
trong quá trình sấy được đo đạt bởi máy đo màu chuyên dụng. Toàn bộ các thông số vận
85
hành máy sấy, khối lượng đảng sâm và nhiệt độ bên trong đảng sâm trong suốt quá trình
thí nghiệm được thu thập và lưu trữ tự động vào trong máy tính với chu kỳ lấy mẫu 3
phút. Để đảm bảo việc lấy mẫu không bị ảnh hưởng đo yếu tố bên ngoài, sóng siêu âm
và TNS được tắt trong 10 giây thì quá trình lấy mẫu mới được thực hiện. Các thiết bị thí
2
nghiệm cũng như chủng loại của chúng được trình bày ở phần 2.3 chương 2.
a) b)
Hình 3.14: Bố trí vật liệu trong buồng sấy siêu âm. a) sơ đồ bố trí; b) hình thực tế.
3.6.1.1 Khảo nghiệm xác định miền giá trị thông số cho các chế độ thí nghiệm
Trong phần 2.2.9 của chương 2 đã giới hạn sơ bộ về thông số và miền giá trị của các
thông số mà tại đó sóng siêu âm còn có tác dụng hỗ trợ tách ẩm cao và chất lượng của
đảng sâm còn đảm bảo, khi đó,
+ Nhiệt độ TNS từ 30ºC đến 60 ºC.
+ Độ ẩm tương đối của TNS từ 10% đến 40%.
+ Vận tốc TNS nhỏ hơn 3 m/s.
+ Tần số sóng siêu âm là 20 kHz.
+ Cường độ năng lượng sóng siêu âm lớn hơn 1 kW/m2.
Trong phần này, nghiên cứu thực nghiệm nhằm giới hạn thêm miền giá trị thông số TNS
và cường độ siêu âm khi sấy đảng sâm bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp với sóng
siêu âm.
86
Thiết lập thí nghiệm như ở phần 3.6.1. Thực nghiệm sấy đảng sâm ở nhiều chế độ sấy
khác nhau. Nhiệt độ TNS ở những mức 28ºC, 35ºC, 40ºC, 45ºC, 50ºC, 55ºC, 60ºC, 65ºC
(hệ thống máy sấy hoạt động ở chế độ bơm nhiệt với nhiệt độ 28ºC, 35ºC, 40ºC, 45ºC,
50ºC; hoạt động ở chế độ không khí nóng với nhiệt độ 55ºC, 60ºC, 65ºC). Vận tốc tác
nhân sấy ở những mức 0,5 m/s, 0,8 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s. Tăng dần cường độ sóng
siêu âm ở những mức trên dưới 1,2 kW/m2, trên dưới 1,7 kW/m2, trên dưới 2,4 kW/m2,
trên dưới 3,0 kW/m2,…. Hình 3.15 là một kế quả về sự thay đổi màu sắc của đảng sâm
ở hai chế độ sấy khác nhau.
Hình 3.15: Màu sắc đảng sâm khô tại nhiệt độ TNS 28ºC, 65ºC.
Kết quả khảo nghiệm được tóm tắt như sau:
- Với vận tốc TNS 1,0 m/s, khi không có sự hỗ trợ của sóng siêu trong quá trình sấy thì
màu sắc của đảng sâm khô thay đổi nhiều so với nguyên liệu tươi khi nhiệt độ TNS tăng
dần, thông số màu sắc ∆E lớn dần theo chiều hướng tăng dần nhiệt độ TNS: tại 35ºC ∆E
= 10,7, tại 40ºC ∆E từ 10,2 đến 12,6, tại 45ºC ∆E = 11,2, tại 500C ∆E = 12,9. Khi nhiệt
độ TNS ở mức 55ºC trở đi thì xuất hiện nhiều đốm màu tím ở sản phẩm khô và sự thay
đổi màu sắc rất nhiều so với nguyên liệu ban đầu (∆E = 13,8, tại 55ºC). Trên cơ sở giới
hạn nhiệt độ TNS sơ bộ ban đầu là từ 30-60 ºC và dựa vào số liệu thông số màu sắc ∆E
của kết quả khảo nghiệm sấy đảng sâm ở nhiều mức nhiệt độ TNS khác nhau và nếu ∆E >
12,0 thì khác biệt nhiều giữa sản phẩm khô so với nguyên liệu ban đầu (sự khác biệt màu
sắc so với giá trị chuẩn là rất lớn nếu ∆E >12,0 [1]), đề tài này chọn nhiệt độ tác nhân
sấy 40-50 ºC để nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến động học sấy, chất lượng
của đảng sâm Việt Nam.
87
- Với nhiệt độ TNS 45ºC, vận tốc TNS 1,0 m/s, sấy đảng sâm có sự hỗ trợ của sóng siêu
âm ở những mức cường độ lớn hơn 2,4 kW/m2 thì màu sắc của đảng sâm khô cũng thay
đổi nhiều so với đảng sâm tươi. Trên cơ sở này, cường độ của sóng siêu âm hỗ trợ sấy
đảng sâm được chọn trong khoảng từ 1 kW/m2 đến 2,4 kW/m2.
- Với nhiệt độ TNS 45ºC, ở những mức vận tốc TNS 0,5 m/s, 0,8 m/s, 1,0 m/s so với sấy
bơm nhiệt thì sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm thời gian sấy đảng sâm càng giảm
khi cường độ sóng siêu âm càng tăng. Tuy nhiên, ở những mức vận tốc tác nhân sấy 2
m/s và 3 m/s thì so với sấy bơm nhiệt lượng giảm thời gian sấy không còn nhiều khi tăng
dần cường độ sóng siêu âm. Do đó, nghiên cứu này chọn cố định vận tốc TNS là 0,5 m/s
để nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến động học sấy, chất lượng của đảng sâm
Việt Nam.
Thông qua khảo nghiệm và đo đạc cho thấy, với nhiệt độ TNS từ 28-50 ºC thì độ ẩm
tương đối của TNS mà hệ thống máy sấy có được từ hệ thống bơm nhiệt là từ 12-58 %,
phù hợp với khuyến nghị về độ ẩm TNS (từ 10-40 %) nhằm có được độ ẩm đảng sâm
khô đạt yêu cầu của thị trường (độ ẩm của rễ lớn và rễ bé tương đối bằng nhau [88]).
Như vậy, các chế độ sấy đảng sâm ở các phần nghiên cứu tiếp theo có thể thiết lập với
thông số như sau:
+ Nhiệt độ TNS: 40-50 ºC.
+ Vận tốc TNS: 0,5 m/s.
+ Tần số sóng siêu âm: 20 kHz.
+ Cường độ năng lượng sóng siêu âm: 1,0-2,4 kW/m2
+ Khoảng cách từ bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy: 8,5 mm
3.6.1.2 Xác định lượng nhiệt tăng thêm khi sấy đảng sâm có sự hỗ trợ của sóng siêu
âm
Như trình bày ở phần 2.2.6 chương 2 để xác định mức độ tăng thêm nhiệt độ khi sấy
đảng sâm có sóng siêu âm hỗ trợ so với khi sấy đảng sâm không có sóng siêu âm hỗ trợ
(μu) thì cần phải xác định ∆tav (công thức 2.10 chương 2). Phương án thí nghiệm xác
định ∆tav thuộc dạng đơn yếu tố có tâm bậc nhất. Yếu tố cần làm thí nghiệm là cường độ
siêu âm, mức cơ sơ là 1,8 kW/m2 và khoảng biến thiên là 0,45 ± 0,05 kW/m2. Thiết lập
88
thí nghiệm như hình 3.16, đảng sâm lát có bề dày 5 ± 0,5 mm, đường kính 25 ± 1 mm
đặt cách bộ phận phát sóng 8,5 mm. Nhiệt độ tại điểm A và tại điểm B của vật liệu được
đo bởi cảm biến đo nhiệt độ (model Fluke 5622-10-s, có đường kính 1 mm và độ chính
xác ± 0,09 ºC). Trình tự thí nghiệm xác định mức độ chênh lệch nhiệt độ trong VLS khi
có và không có sóng siêu âm như sau:
- Đặt vật liệu sấy trong buồng sấy, nhiệt độ trong buồng sấy được giữ ổn định ở một
mức nào đó, sóng siêu âm được phát liên tục. Sau khoảng 60 phút tính từ lúc đặt vật
liệu sấy vào buồng sấy lúc này toàn bộ hệ thống đã ở trạng thái ổn định.
- Tắt sóng siêu âm 10 phút, sau đó phát sóng gián đoạn với chu kỳ có thể đo được, ghi
nhận số liệu nhiệt độ bên trong vật liệu sấy tại hai điểm A, B khi có sóng và không có
sóng.
a vt , a a
tB
tA
Vật liệu sấy
Khay chứa mẫu
A B
m 5 8 0 0 . 0 = L
2 z
Nguồn siêu âm
g n ó s t á h p
u ầ Đ
Hình 3.16: Bố trí thí nghiệm đo nhiệt độ tăng thêm.
Kết quả đo đạc nhiệt độ bên trong đảng sâm tại điểm A và điểm B thể hiện ở phụ lục
phần 3.6.1.2. Một kết quả tiêu biểu của một trường hợp thí nghiệm được thể hiện ở đồ
thị hình 3.17, kết quả đo đạc nhiệt độ bên trong đảng sâm được thống kê ở bảng 3.8.
45
40
35
)
C o (
30
S L V o d
t
i
e h N
25
* ta = 40oC
x 0 kW/m2
20
o 1.8 kW/m2
15
0
20
40
60
80
100
Thoi gian (phut)
89
Hình 3.17: Nhiệt độ bên trong vật liệu sấy tại điều kiện TNS ta = 40 ºC; va = 0,5 m/s;
φa = 22 ± 1,5 %; ‘x’- không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy; ‘o’- có sóng siêu âm hỗ trợ sấy.
Bảng 3.8: Sai lệch nhiệt độ bên trong đảng sâm
Nhiệt độ chênh lệch, ºC Cường độ siêu âm, TH ∆tA ∆tB ∆tav kW/m2
1 1,3 0,8 ± 0,014 0,4 ± 0,014 0,6 ± 0,030
2 1,8 1,4 ± 0,066 0,9 ± 0,008 1,2 ± 0,022
3 2,2 1,9 ± 0,113 1,1 ± 0,084 1,5 ± 0,080
Phân tích hồi qui tuyến tính với hàm hồi quy (3.58) bằng cách sử dụng phần mềm SAS
và số liệu ở bảng 3.8. Mối quan hệ giữa gia tăng nhiệt độ vật liệu khi sấy có sự hỗ trợ
của sóng siêu âm so với khi sấy không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm và cường độ siêu
âm được thể hiện ở công thức (3.59) và đồ thị hình 3.18
(3.58) ∆tav = AIu + B
(3.59) ∆tav = 1,006×Iu - 0,7
(R2 = 0,97; RMSE = 0,07; MRE = 6,6)
90
Hình 3.18: Gia tăng nhiệt độ của đảng sâm theo cường độ siêu âm
Thảo luận kết quả: Đồ thị ở hình 3.17 và số liệu ở bảng 3.8 cho thấy, nhiệt độ bên trong
đảng sâm khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm (đoạn có ký hiệu “o” trên đồ thị) cao
hơn so với khi sấy không có sóng siêu âm hỗ trợ từ 0,6 - 1,5ºC tương ứng với mức cường
độ siêu âm từ 1,3 - 2,2 kW/m2, lượng nhiệt tăng thêm này là do áp suất cục bộ quanh bề
mặt VLS được tạo ra bởi sóng siêu âm (điều này được luận giải trong phần phân tích
hiện tượng vật lý khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy, phần 3.2 chương 3).
3.6.1.3 Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến động học quá trình sấy đảng sâm
Thiết lập thí nghiệm như phần 3.6.1. Phương án được lựa chọn thực nghiệm là
phương án cấu trúc có tâm cấp 2, k thông số với số thí nghiệm ở tâm là n0 (trình bày ở
phần 2.2.9 chương 2). Số lượng thí nghiệm được xác định như sau:
Các thông số ảnh hưởng đến động học sấy khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm bao
gồm: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc TNS và cường độ siêu âm. Theo kết quả giới hạn miền
giá trị thông số ở phần 3.6.1.1, hai thông số cần xem xét khi nghiên cứu ảnh hưởng của
sóng siêu âm đến động học quá trình sấy đảng sâm đó là nhiệt độ TNS và cường độ sóng
siêu âm. Các mức nhiệt độ TNS, cường độ siêu âm được chọn khi thực nghiệm được thể
hiện ở bảng 3.9. Ngoài ra để chỉ ra hiệu quả hỗ trợ sấy của sóng siêu âm so với không
91
có sóng siêu âm thì 3 thí nghiệm ở 3 mức nhiệt độ với cường độ bằng không cũng được
thực hiện (sấy bơm nhiệt). Tổng số thí nghiệm được thực hiện là 12 (TH1 - TH12), trong
đó 9 thí nghiệm có sóng siêu âm (được xác định từ công thức (3.60), 22 + 2x2 + 1 = 9)
và 3 thí nghiệm không có sóng siêu âm.
Bảng 3.9: Các mức và khoảng biến thiên các thông số trong thiết kế thí nghiệm
Các mức Khoảng Thông số biến thiên Mức dưới (-1) Mức cơ sở (0) Mức trên (+1)
Nhiệt độ TNS (ºC) 40 45 50 5,0 ± 0,0
Cường độ siêu âm 1,3 1,8 2,2 0,45 ± 0,05
(kW/m2)
(Ghi chú: Mặc dù thiết bị phát sóng siêu âm do chính đề tài này thiết kế chế tạo có thể
tinh chỉnh được từ 0,0-30,0 kW/m2. Tuy nhiên, việc chỉnh chính xác giá trị khoảng biến
thiên bên trái bằng khoảng biến thiên bên phải chưa thực hiện được, kết quả cuối cùng
của việc tinh chỉnh mức dưới là 0,5 kW/m2, mức trên là 0,4 kW/m2).
Mười hai trường hợp thí nghiệm được thực hiện trên mô hình máy sấy do đề tài này chế
tạo. Khối lượng vật liệu, nhiệt độ bên trong vật liệu trong quá trình sấy được cập nhật,
lưu trữ vào trong máy tính với thời gian lấy mẫu 3 phút, kết quả thí nghiệm thể hiện ở
phục lục phần 3.6.1.3. Độ ẩm, nhiệt độ vật liệu sấy theo thời gian được tính toán từ khối
lượng vật liệu sấy, nhiệt độ tại tâm và biên theo thời gian sấy dựa vào công thức (2.3) và
(2.4) ở chương 2 và là giá trị trung bình của 3 lần lặp thí nghiệm, đường cong sấy đảng
sâm và đường cong nhiệt độ sấy đảng sâm được thể hiện từ hình 3.19 đến hình 3.21 (mỗi
chế độ sấy được thực hiện cho đến khi độ ẩm của VLS đạt đến độ ẩm cân bằng, tuy nhiên
để tiện quan sát nên số liệu thể hiện trong 25000 giây), thời gian sấy đảng sâm để đạt
đến độ ẩm cân bằng được thống kê ở bảng 3.10.
50
45
40
)
C o (
Nhiet do TNS: 40 oC
35
o 0 kW/m2
S L V o d
t
i
30
x 1.3 kW/m2
e h N
* 1.8 kW/m2
25
2.2 kW/m2
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
92
8
Nhiet do TNS: 40 oC
o 0 kW/m2
7
x 1.3 kW/m2
* 1.8 kW/m2
6
2.2 kW/m2
5
) K L V g k /
g k (
4
3
S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
a)
b)
Hình 3.19: Đồ thị quá trình sấy đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 40ºC, độ ẩm tương
đối 20 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, ở những mức cường độ siêu âm khác nhau. a) đường
cong nhiệt độ sấy đảng sâm; b) đường cong sấy đảng sâm.
50
45
40
)
C o (
Nhiet do TNS: 45 oC
35
o 0 kW/m2
S L V o d
t
i
30
x 1.3 kW/m2
e h N
* 1.8 kW/m2
25
2.2 kW/m2
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
93
8
Nhiet do TNS: 45 oC
o 0 kW/m2
7
x 1.3 kW/m2
* 1.8 kW/m2
6
2.2 kW/m2
5
) K L V g k /
g k (
4
3
S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
a)
b)
Hình 3.20: Đồ thị quá trình sấy đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 45ºC, độ ẩm tương
đối 18 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, ở những mức cường độ siêu âm khác nhau. a) đường
cong nhiệt độ sấy đảng sâm; b) đường cong sấy đảng sâm.
50
45
40
)
C o (
Nhiet do TNS: 50 oC
35
o 0 kW/m2
S L V o d
t
i
30
x 1.3 kW/m2
e h N
* 1.8 kW/m2
25
2.2 kW/m2
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
94
8
Nhiet do TNS: 50 oC
o 0 kW/m2
7
x 1.3 kW/m2
* 1.8 kW/m2
6
2.2 kW/m2
5
) K L V g k /
4
3
g k ( S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
a)
b) Hình 3.21: Đồ thị quá trình sấy đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 50ºC, độ ẩm tương
đối 15 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, ở những mức cường độ siêu âm khác nhau. a) đường
cong nhiệt độ sấy đảng sâm; b) đường cong sấy đảng sâm.
95
Để đánh giá hiệu quả về thời gian sấy khi sấy đảng sâm có sự hỗ trợ của sóng siêu âm,
chúng ta cần xem xét thời gian sấy đảng sâm bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp với
sóng siêu âm ở những mức cường độ siêu âm khác nhau và lượng giảm thời gian sấy (∆τ)
so với không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm trong quá trình sấy.
(cid:3627)τtn_kcs - τtn_cs(cid:3627) τtn_kcs
∆τ = ×100% (3.60)
Với: τtn_kcs là thời gian sấy đảng sâm khi không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm (cường độ
siêu âm bằng 0); τtn_cs là thời gian sấy đảng sâm khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm.
Bảng 3.10: Thời gian sấy đảng sâm tại những chế độ sấy khác nhau
Trường Cường độ siêu Nhiệt độ Thời gian Lượng giảm thời gian
hợp âm, kW/m2 TNS, ºC sấy, s sấy, ∆τ (%)
TH1 0 37260 -
TH2 1,3 29880 20 40 TH3 1,8 26100 30
TH4 2,2 21600 42
TH5 0 30060 -
TH6 1,3 22500 25 45 TH7 1,8 18900 37
TH8 2,2 17460 42
TH9 0 23700 -
TH10 1,3 18180 23 50 TH11 1,8 18000 24
TH12 2,2 16560 30
Ghi chú: Bảng số liệu 3.10 là thời gian sấy đảng sâm có độ ẩm ban đầu từ 86,5-88,5 %
cơ sở ướt (6,4-7,7 kg/kg VLK). Độ ẩm cuối cùng của sản phẩm từ 0,12-0,18 kg/kg VLK
tùy theo chế độ sấy.
4 x 10
4
40oC,I0
3.5
45oC,I0
40oC,I1
3
40oC,I2
2.5
50oC,I0
45oC,I1
40oC,I3
) s ( y a s
45oC,I2
2
i
50oC,I1
50oC,I2
45oC,I3
n a g
i
50oC,I3
1.5
o h T
1
0.5
0
1
2
3
4
Che do say
96
45
40oC,I3
45oC,I3
40
45oC,I2
35
)
40oC,I2
50oC,I3
%
30
( y a s
45oC,I1
50oC,I2
25
50oC,I1
i
40oC,I1
20
i
n a g m a g
15
g n o u L
10
5
0
1
3
2 Che do say
Hình 3.22: Thời gian sấy đảng sâm
Hình 3.23: Lượng giảm thời gian sấy
97
Thảo luận kết quả: Từ kết quả thể hiện từ hình 3.19 - 3.23 và bảng 3.10 cho thấy,
- Dao động cơ học của sóng siêu âm tác động vào bề mặt của vật liệu sấy, lan truyền
trong vật liệu sấy làm cho sự truyền năng lượng từ bên ngoài vào trong vật liệu sấy diễn
ra nhanh hơn điều này làm cho gia tăng nhiệt độ bên trong vật liệu sấy trong quá trình
sấy nhanh hơn. Xét một trường hợp cụ thể, gia nhiệt đảng sâm tại nhiệt độ TNS 40ºC:
trong 30 phút đầu của quá trình sấy nhiệt độ bên trong đảng sâm tăng 0,7ºC khi không
có sóng siêu âm, trong khi đó, nhiệt độ bên trong đảng sâm tăng 1,4ºC, 1,6ºC, 2,8ºC khi
có sự hỗ trợ của sóng siêu âm tương ứng với mức cường độ siêu âm 1,3 kW/m2, 1,8
kW/m2, 2,2 kW/m2. Điều này cho thấy rằng, khuếch tán nhiệt bên trong đảng sâm phụ
thuộc vào cường độ của sóng siêu âm.
- Sóng siêu âm tạo ra áp suất cục bộ quanh vật liệu sấy (trình bày ở phần 3.2 của chương
3) làm cho nhiệt độ vật liệu sấy tăng thêm một lượng, tuy nhiên không nhiều, thực
nghiệm đo đạc trên đảng sâm thì lượng gia tăng này từ 0,7-1,7 ºC tương ứng với cường
độ siêu âm từ 1,3 kW/m2 đến 2,2 kW/m2.
- Đường cong sấy đảng sâm có dạng là đường cong sấy hai giai đoạn: giai đoạn tốc độ
sấy không đổi và giai đoạn tốc độ sấy giảm dần.
- Khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm trong quá trình sấy lớp biên truyền ẩm giữa VLS và
TNS bị phá vỡ, tăng khả năng khuếch tán ẩm từ trong lòng VLS ra bề mặt VLS và từ bề
mặt VLS ra môi trường, kết quả là thời gian sấy ít hơn so với không có sự hỗ trợ của
sóng siêu âm. Số liệu ở bảng 3.10 cho thấy, với điều kiện TNS, nhiệt độ từ 40-50 ºC, độ
ẩm tương đối 15-23 %, vận tốc 0,5 m/s và cường độ siêu âm từ 0,0-2,2 kW/m2 thì thời
gian sấy đảng sâm giảm nhiều nhất là 42%, giảm ít nhất là 20%. Ảnh hưởng của sóng
siêu âm đến sự giảm ẩm của đảng sâm không giống nhau ở mọi nhiệt độ TNS dẫn đến
thời gian sấy đảng sâm phụ thuộc vào nhiệt độ TNS và cường độ siêu âm. Số liệu từ biểu
đồ hình 3.23 cho thấy, so với không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm trong quá trình sấy
thì lượng giảm thời gian sấy khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm có chiều hướng tăng dần
trong khoảng nhiệt độ 40-45 ºC và có chiều hướng giảm dần ở khoảng nhiệt độ 45-50
ºC. Các chế độ sấy TH4, TH7, TH8, TH12 là những trường hợp có lượng giảm thời gian
98
sấy nhiều nhất, là những chế độ sấy cần được quan tâm khi chọn chế độ sấy hợp lý cho
đảng sâm.
3.6.2 Xác định hệ số khuếch tán ẩm hệ số khuếch tán nhiệt ẩm của đảng sâm
Như đã trình bày ở phần 2.2.7 ở chương 2, đề tài này tiếp cận theo một hướng mới
(giải pháp ERM-O) để xác định các thông số có liên quan đến động học sấy (hệ số khuếch
tán ẩm (De), hệ số khuếch tán nhiệt (αt)) có xem xét yếu tố trở kháng ngoại (hệ số trao
đổi ẩm đối lưu (hm), hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (ht)) ở điều kiện biên loại 3. Lưu đồ xác
định các thông số này được thể hiện ở hình 2.9 chương 2, trong đó, Mav, tav được tính
toán công thức (3.50), (3.52), số liệu thực nghiệm 12 trường hợp được lấy từ phần 3.6.1.3
của chương này, hàm mục tiêu (MRE) cũng chính là điều kiện dừng của thuật toán hình
2.9, được xác định như sau:
(3.61) MREi = αMREM,i + (1-α)MREt,i
(3.62) fmuc_tieu = Min{MREi}
Với MREi (công thức (2.18) ở chương 2) là sai số tương đối trung bình ở bước lặp thứ i,
MREM cho độ ẩm, MREt cho nhiệt độ. α là trọng số chọn lựa (0 - 1), chọn α = 0,5.
Thuật toán tìm kiếm tối ưu PSO dựa vào kết quả tính toán Mav, tav, giá trị thực nghiệm
của đảng sâm và hàm mục tiêu (3.62) xác định bộ thông số De, αt, hm, ht tốt nhất cho
đảng sâm trong phạm vi khảo sát, kết quả thể hiện ở bảng 3.11. Đường cong sấy (tính
toán và thực nghiệm), đường cong nhiệt độ sấy (tính toán và thực nghiệm), sự hội tụ của
hàm mục tiêu trong 12 trường hợp khảo sát thể hiện ở phụ lục phần 3.6.2, một trường
hợp điển hình thể hiện ở hình 3.24.
Bảng 3.11: Thông số De, αt, hm, ht của đảng sâm
TH Iu (kW/m2) ta (ºC) ht (W/m2 K) MRE (%) Dex10-10 (m2/s)
40
0 1,3 1,8 2,2 0 1 2 3 4 5 3,3 3,1 3,4 6,8 3,0 3,2 4 4,6 5,6 3,9 45 αtx10-7 (m2/s) 1,01 1,13 1,27 1,32 1,16 hmx10-3 (kg/m2s) 2,3 2,8 3,2 3,8 2,9 29,2 39,8 48,8 60,1 30,7
99
50
55
50
45
40
)
35
C o (
30
ta = 45 oC Iu = 1.8 kW/m2 - Tinh toan o Thuc nghiem
S L V o d
25
t
i
20
e h N
15
10
5
0
0.5
1
1.5
2
0
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
6 7 8 9 10 11 12 1,3 1,8 2,2 0 1,3 1,8 2,2 2,7 2,9 4,4 2,7 2,2 5,2 2,6 4,9 5,7 6,4 4,9 5,9 6,4 6,7 1,30 1,35 1,37 1,27 1,35 1,37 1,38 3,2 3,6 4,0 3,4 3,6 3,9 4,1 40,7 51,2 62,4 33,2 41,6 53,6 63,6
8
ta = 45 oC
Iu = 1.8 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
) K L V
5
g k / c o u n
4
g k (
3
S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
a)
b) Hình 3.24: Đồ thị quá trình sấy đảng sâm tại nhiệt độ TNS 45 ºC, vận tốc 0,5 m/s, độ ẩm
tương tương đối 18 ± 1,5 %, cường độ siêu âm 1,8 kW/m2. a) đường cong nhiệt độ sấy
của đảng sâm; b) đường cong sấy đảng sâm.
100
Một điều đáng quan tâm của thuật toán tối ưu là sự hội tụ về giá trị mong muốn của hàm
mục tiêu trong quá trình xử lý. Trong 12 trường hợp được xét, giá trị MRE (giá trị sai
lệch giữa kết quả tính toán và số liệu thực nghiệm, công thức (3.61)) chung cho độ ẩm
và nhiệt độ nằm trong khoảng từ 2,6% đến 6,8%, kết quả này được thể hiện chi tiết ở
phụ lục phần ở phụ lục phần 3.6.2.
So sánh giải pháp ERM - O và phương pháp NERM
Để xem xét tính khả thi của giải pháp ERM - O cũng như độ chính xác giá trị De xác
định theo giải pháp này. Xem xét giá trị của De tính theo NERM trong 12 trường hợp
(De,NERM, trình bày ở phần 2.2.7.2 của chương 2), kết quả được thống kê ở bảng 3.12
(xem kết quả phân tích hồi qui ở phụ lục phần 3.6.2). Đồ thị đường cong sấy trong trường
8
ta = 40 oC, KSA
- ERM-O
7
* Thuc nghiem
+ NERM
6
5
) K L V g k /
4
3
g k ( S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
hợp 1 (TH1) thể hiện ở hình 3.25.
Hình 3.25: Đường cong sấy tại điều kiện thí nghiệm 1: nhiệt độ TNS 40ºC,
vận tốc 0,5 m/s, độ ẩm 20 ± 1,5 %, không có siêu âm hỗ trợ sấy.
101
Bảng 3.12: Giá trị De và chỉ số MRE về độ ẩm của đảng sâm
Trường MRE, %, tính MRE, %, tính Iu ta De,ERM-O De,NERM
(ºC)
hợp (kW/m2) (m2/s)x10-10 (m2/s)x10-10 theo ERM-O theo NERM
0 TH1 2,8 5,6 16,2 3,2
1,3 TH2 3,2 3,7 27,8 4 40 1,8 TH3 4,0 7,0 26,8 4,6
2,2 TH4 4,3 8,8 31,0 5,6
0 TH5 2,9 5,9 29,0 3,9
1,3 TH6 3,7 3,4 46,0 4,9 45 1,8 TH7 4,8 7,1 10,1 5,7
2,2 TH8 5,5 10,3 19,8 6,4
0 TH9 4,0 5,9 17,9 4,9
1,3 TH10 5,4 7,6 19,1 5,9 50 1,8 TH11 5,5 7,6 19,0 6,4
2,2 TH12 6,0 8,3 18,2 6,7
Thảo luận kết quả: Từ kết quả tính toán thể hiện ở bảng 3.11 và bảng 3.12 cho thấy,
Sai số tương đối trung bình (MRE) chung cho cả nhiệt độ và độ ẩm của đảng sâm tính
theo công thức (3.62) giữa giá trị thực nghiệm và giá trị tính toán từ 2,6-6,8 % trong 12
trường hợp. Điều này cho thấy, bộ thông số De, αt, hm, ht của đảng sâm được xác định
theo giải pháp ERM-O có thể chấp nhận được (MRE nhỏ hơn 10% thì kết quả chấp nhận
được [75]).
Từ chỉ số MRE ở bảng 3.12 và đường cong sấy hình 3.25 cho thấy, sai lệch giữa giá trị
thực nghiệm và tính toán theo NERM là tương đối lớn (MRE từ 10% đến 46%), trong
khi đó, tính toán theo ERM-O cho ra kết quả sai lệch ít hơn (MRE từ 3,4% đến 10,3%).
Điều này cho thấy rằng, giải pháp mới ERM-O được đề xuất trong nghiên cứu này có
thể được sử dụng để xác định hệ số khuếch tán ẩm (De) của đảng sâm. Và cũng từ đó có
thể suy ra, giá trị hệ số khuếch tán nhiệt (αt) của đảng sâm được xác định theo giải pháp
ERM-O cũng có thể chấp nhận được.
102
Như vậy, các giá trị của bộ thông số De, αt, hm, ht được xác định theo giải pháp ERM-O
ở những điều kiện TNS và cường độ siêu âm khác nhau có thể chấp nhận được. Giải
pháp ERM-O là giải pháp hiệu quả dùng để xác định các thông số có trong mô hình toán
truyền nhiệt truyền ẩm vì có thể xác định cùng một lúc nhiều thông số có trong mô hình
toán mà không phải thực hiện tính toán phức tạp.
Hoạt độ năng lượng khi sấy đảng sâm có sự hỗ trợ của sóng siêu âm:
Từ kết quả xác định hệ số khuếch tán ẩm De đảng sâm ở bảng 3.11 cho thấy, De phụ
thuộc vào nhiệt độ TNS và cường độ siêu âm, nhiệt độ và cường độ siêu âm càng cao thì
De càng lớn. Tuy nhiên, mức độ tăng hệ số khuếch tán ẩm không tuyến tính với nhiệt độ
TNS và cường độ siêu âm. Điều này cho thấy rằng, sóng siêu âm ảnh hưởng lớn đến
khuếch tán ẩm trong đảng sâm không giống nhau ở mọi điều kiện TNS.
Mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán ẩm De và nhiệt độ TNS thường được mô tả bằng
phương trình của Arrhenius [37]:
(cid:3127)Ea R(273.15 + (cid:3178)(cid:3159))
(3.63) De=D0e
Trong đó, Ea là hoạt độ năng lượng (kJ/mol) cho khuếch tán ẩm trong quá trình sấy, R là
hằng số khí bằng 8,34x10-3 kJ/mol.K; ta là nhiệt độ TNS (ºC)
Lấy logarit cơ số e hai vế phương trình (3.64) ta có:
Ea R(273.15 + (cid:2930)(cid:3159))
(3.64) Ln(De) = Ln(D0) -
Như vậy, quan hệ giữa Ln(De) và 1/(273,15+ta) có dạng là phương trình đường thẳng.
Phân tích hồi qui tuyến tính với số liệu hệ số khuếch tán ẩm ở bảng 3.11, có được hoạt
độ năng lượng ở những mức cường độ siêu âm khác nhau thể hiện ở bảng 3.13. Phân
tích hồi qui thể hiện ở phụ lục phần 3.6.2.
Bảng 3.13: Hệ số D0 và Ea của đảng sâm
Trường hợp Hệ số Iu D0 Ea
(kW/m2) (m2/s) (kJ/mol) R2
TH1 35,72 0,99 0 2,90x10-4
TH2 31,98 0,99 1,3 8,71x10-5
103
TH3 26,09 0,99 1,8 1,09x10-5
TH4 15,18 0,94 2,2 1,94x10-7
Thảo luận kết quả: Số liệu ở bảng 3.13 cho thấy, trong khoảng nhiệt độ từ 40-50ºC hoạt
độ năng lượng sấy đảng sâm khi không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy là 35,72 kJ/mol, trong
khi đó, khi sấy đảng sâm có sự hỗ trợ của sóng siêu âm với mức cường độ 1,3-2,2 kW/m2
thì hoạt độ năng lượng từ 15,18-31,98 kJ/mol. Điều này có thể do dao động cơ học của
sóng siêu âm khi hỗ trợ sấy làm cho liên kết phân tử giữa vật liệu cấu thành nên đảng
sâm và các phân tử nước yếu hơn so với không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy và do vậy
năng lượng cần thiết để tách ẩm ra khỏi vật liệu sẽ ít hơn.
Để khái quát vấn đề sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm thì phương trình Arrhenius cần
bổ sung yếu tố cường độ siêu âm, khi đó phương trình hồi qui cho hệ số khuếch tán ẩm
2 EIu
(cid:4678)-
-
+ BIu -
A (273,15 + ta)
2 DIu (273,15 + ta)
CIu (273,15 + ta)2 +
2(cid:4679) (273,15 + ta)2 - FIu
được thể hiện như sau:
(3.65) De = D0e
Với: Iu cường độ siêu âm (kW/m2)
Phân tích hồi qui phi tuyến với hàm hồi qui (3.65) và số liệu De ở bảng 3.11 ta có mối
quan hệ giữa hệ số khuếch ẩm, nhiệt độ TNS, cường độ siêu âm được thể hiện ở phương
trình hồi qui (3.66) và đồ thị quan hệ thể hiện ở hình 3.26. (xem kết quả phân tích hồi
(cid:4678)-
+ 2,202967Iu -
4286,96 (273,15 + ta)
2 24418,8Iu (273,15 + ta)
212275Iu (273,15 + ta)2 +
2 3710120Iu 2(cid:4679) (273,15 + ta)2 - 40,04Iu -
qui ở phụ lục 3.6.2)
(3,66) De = 3,05x10-4e
0,41659
(R2 = 0,99; RMSE = 0,010; MRE = 0,96%)
ta
5,3856Iu 2 ta
+ (3.67) hm = 0,010032 - - 0,0031Iu -
2 0,515849Iu 2 ta
+ + + 0,256727Iu ta 4,285627 2 ta
(R2 = 0,99, RMSE = 0,008, MRE =0,63%)
-10
x 10
7.5
7
6.5
+
+ x
6
*
x
+
) s /
5.5
2 m
(
5
e D
*
x
4.5
4
*
o
3.5
o - DD o TT 0 kW/m2 * TT 1.3 kW/m2 x TT 1.8 kW/m2 + TT 2.2 kW/m2
o
3
2.5
35
40
50
55
45 Nhiet do (oC)
104
Hình 3.26: Hệ số khuếch tán ẩm của đảng sâm theo nhiệt độ và cường độ siêu âm, (DD,
dự đoán từ phương trình hồi qui; TT tính toán từ số liệu thực nghiệm).
Hệ số khuếch tán nhiệt của đảng sâm:
Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến khuếch tán nhiệt của đảng sâm cũng tương tự như
khuếch tán ẩm. Khi sấy đảng sâm có sự hỗ trợ của sóng siêu âm với mức cường độ siêu
âm trong khoảng 1,3-2,2 kW/m2, nhiệt độ TNS từ 40-50 ºC thì hệ số khuếch tán nhiệt
(αt) từ 1,13 m2/s đến 1,38 m2/s (tăng từ 9-11 % so với không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy)
và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tại bề mặt (ht) từ 39,8 W/m2 K đến 63,6 W/m2 K (tăng từ
36-92 % so với không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy). Mối quan hệ giữa αt với nhiệt độ TNS
và cường độ siêu âm được thể hiện ở công thức (3.68) (xem phân tích hồi qui ở phụ lục
phần 3.6.2) và đồ thị ở hình 3.27.
+ + αt = 1,014x10-7 + - 6,53x10-8Iu - 6,242x10-6Iu ta 1,3x10-4Iu 2 ta
2,6x10-4 2 ta
- (3.68) + - 7,16x10-9Iu 2 6,553x10-6 ta 1,7x10-5Iu 2 2 ta
(R2 = 0,98; RMSE = 0,013; MRE = 0,97%)
34,54
105
Iu
4ta 2 - Iu
5,63ta Iu
+ (3.69) ; SA ht = 56,64 + 2,20ta -
= 13,03 + 0,4ta; KSA
-7
x 10
1.5
1.4
+ x
+ x *
+
1.3
*
o
x
) s /
1.2
2 m
( t
o
*
- DD
1.1
o TT 0 kW/m2
* TT 1.3 kW/m2
o
1
x TT 1.8 kW/m2
+ TT 2.2 kW/m2
0.9
35
40
50
55
45 Nhiet do (oC)
(R2 = 0,99; RMSE = 0,010; MRE = 0,83%).
Hình 3.27: Hệ số khuếch tán nhiệt của đảng sâm theo nhiệt độ và cường độ siêu âm, (DD,
dự đoán từ phương trình hồi qui; TT, tính toán từ số liệu thực nghiệm).
3.6.3 Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến tốc độ sấy của đảng sâm
Như phần trên đã trình bày, giá trị sai lệch giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm
về độ ẩm trung bình và nhiệt độ trung bình của đảng sâm có thể chấp nhận được (<10%).
Do vậy, các số liệu của phần này có thể có được từ kết quả tính toán bằng cách giải hệ
phương trình truyền nhiệt truyền ẩm.
Để đánh giá ảnh hưởng sóng siêu âm đến tốc độ giảm ẩm của đảng sâm chúng ta xem
cần xem xét tốc độ giảm ẩm trung bình của VLS từ độ ẩm ban đầu (Mav,b) đến độ ẩm
mong muốn (Mav,e).
Tốc độ sấy của vật liệu được xác định theo công thức:
dMav dτ
Mav,i - Mav,i - 1 ∆τ Tốc độ giảm ẩm trung bình trong khoảng thời gian τ được xác định theo công thức:
= (3.70) vM =
1
106
τ
dMav dτ
Mav,b - Mav,e τ
(3.71) dτ = ∫ vM,av =
Trong đó, Mav,i, Mav,i-1, lần lượt là độ ẩm trung bình của đảng sâm tại 2 lần lấy mẫu liên
tiếp; ∆τ là thời gian lấy mẫu, chọn thời gian lấy mẫu là 3 phút.
Kết quả tính toán lý thuyết về tốc độ sấy đảng sâm ở điều kiện nhiệt độ tác nhân TNS 40
0.07
0.06
ta = 40 oC
- 0 kW/m2 -- 1.3 kW/m2
0.05
-. 1.8 kW/m2
... 2.2 kW/m2
0.04
) t u h p . ) K L V g k /
0.03
g k ( ( y a s
o d
0.02
c o T
0.01
0
0
50
100
200
250
300
150 Thoi gian (phut)
ºC được thể hiện hình 3.28.
0.07
0.06
) t
0.05
u h p
0.04
. ) K L V g k /
0.03
g k ( ( y a s
ta = 40 oC - 0 kW/m2
o d
-- 1.3 kW/m2
0.02
c o T
-. 1.8 kW/m2 ... 2.2 kW/m2
0.01
0
0
1
2
3
5
6
7
8
4 Do am VLS (kg/kg VLK))
a)
b) Hình 3.28: Đường cong tốc độ sấy của đảng sâm tại 40ºC. a) theo thời gian; b) theo độ
ẩm; đường gạch liền (-) là khi không có sóng siêu âm; đường gạch gạch (--) là khi có
107
sóng siêu âm cường độ 1,3 kW/m2; đường gạch chấm (̵ ·) là khi có sóng siêu âm cường
độ 1,8 kW/m2; đường chấm chấm (··) là khi có sóng siêu âm cường độ 2,4 kW/m2
Để so sánh độ giảm ẩm trung bình khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy và không có sóng siêu
âm hỗ trợ sấy, chúng ta xem xét lượng tăng phần trăm tốc độ giảm ẩm trung bình (∆vM,tb)
khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy so với không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy.
vM,tb_cs - vM,tb_kcs vM,tb_kcs
×100% (3.72) ∆vM,tb =
Trong đó, vM,tb_cs, vM,tb_kcs lần lượt là tốc độ giảm ẩm trung bình trong khoảng thời gian
τ khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy và không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy.
Bảng 3.14 là kết quả tính toán thời gian sấy đảng sâm từ 87,5% cơ sở ướt (độ ẩm ban
đầu, 7,0 kg/kg VLK) đến độ ẩm bảo quản là 13% (0,15 kg/kg VLK).
Bảng 3.14: Tốc độ giảm ẩm trung bình và lượng tăng tốc độ giảm ẩm của đảng sâm
τ Iu vM,tb ∆vM,tb ta
(ºC)
Trường (kW/m2) (phút) (kg/kg.phút) (%)
hợp
0 TH1 607 0,01128 -
1,3 TH2 551 0,01242 10,1 40 1,8 TH3 478 0,01434 27,0
2,2 TH4 390 0,01758 55,6
0 TH5 518 0,0132 -
1,3 TH6 459 0,01494 12,8 45 1,8 TH7 418 0,01638 23,4
2,2 TH8 363 0,01884 42,7
0 TH9 379 0,01806 -
1,3 TH10 372 0,01842 1,8 50 1,8 TH11 365 0,01878 3,8
2,2 TH12 324 0,02112 17,0
Thảo luận kết quả: Từ đồ thị tốc độ sấy ở hình 3.28 cho thấy, sấy đảng sâm bằng
phương pháp bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm thì tốc độ sấy của đảng sâm tồn tại hai
108
giai đoạn: giai đoạn tốc độ sấy không đổi (khoảng 60 phút đầu) và giai đoạn tốc độ sấy
giảm dần (điều này cũng hợp lý so với kết quả thực nghiệm). Thời gian tồn tại giai đoạn
tốc độ sấy không đổi phụ thuộc vào cường độ siêu âm, ngắn nhất ở cường độ I3 = 2,2
kW/m2, dài nhất cường độ siêu âm bằng không tức là sấy bơm nhiệt. Tốc độ sấy của
đảng sâm cao ở giai đoạn đầu (khi độ ẩm của vật liệu cao) và giảm dần khi càng về cuối
quá trình sấy (khi độ ẩm của vật liệu càng thấp). Đồng thời, trong gian đoạn tốc độ sấy
không đổi cường độ siêu âm càng cao thì tốc độ sấy càng cao. Như vậy, tác dụng của
sóng siêu âm hỗ trợ sấy tương đối lớn cho những vật liệu có độ ẩm ban đầu cao.
Kết quả tính toán ở bảng 3.14 cho thấy, tốc độ giảm ẩm trung bình của đảng sâm khi sấy
có sự hỗ trợ của sóng siêu âm tăng lên rõ rệt, đạt giá trị cao nhất ở trường hợp thí nghiệm
TH4 (vM,tb = 0,01758 (kg/kg.phút)), TH8 (vM,tb = 0,01884 (kg/kg.phút)) và TH12 (vM,tb =
0,02112 (kg/kg.phút)). So sánh với sấy bơm nhiệt không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy thì
lượng tăng tốc độ giảm ẩm trung bình (công thức 3.72) cao khi cường độ siêu âm cao và
nhiệt độ TNS thấp, cao nhất ở trường hợp thí nghiệm TH4 (∆vM,tb = 55,6% tại nhiệt độ
TNS 40 ºC, cường độ siêu âm 2,2 kW/m2), thấp nhất ở trường hợp thí nghiệm TH10
(∆vM,tb = 1,8% tại nhiệt độ TNS 50ºC, cường độ siêu âm 1,3 kW/m2). Điều này chứng tỏ
rằng, mức độ ảnh hưởng của sóng siêu âm đến tốc độ thoát ẩm của đảng sâm sẽ giảm đi
khi nhiệt độ TNS tăng cao, nhận định này giúp ích cho việc lựa chọn thông số sấy hợp
lý cho đảng sâm.
3.7 Đánh giá sự thay đổi màu sắc của đảng sâm khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu
âm
Như trình bày ở chương tổng quan, màu sắc của đảng sâm là một trong những tiêu
chí đánh giá đảng sâm khô. Sự thay đổi màu sắc của đảng sâm khô được so sánh với
nguyên liệu tươi ban đầu và được đánh giá thông qua thông số ∆E (công thức 2.6 chương
2). Thông số màu sắc của nguyên liệu tươi và sản phẩm khô tại 12 trường hợp thí nghiệm
ở mục 3.6.1.3 được đo, kết quả thể hiện ở bảng 3.15. Một kết quả tiêu biểu thể hiện ở
hình 3.29.
109
a)
b)
Hình 3.29: Đo màu đảng sâm. a) nguyên liệu tươi; b) sản phẩm khô.
Phân tích hồi qui phi tuyến với số liệu ở bảng 3.15 ta có mối quan hệ giữa ΔE, Iu, và ta
được thể hiện ở công thức (3.73) và đồ thị hình 3.30. Phân tích hồi qui phi thể hiện ở
(cid:2870) (3.73)
∆E = 175,5253 - 7,32584t(cid:2911)- 7,55503Iu + 0,093085Iut(cid:2911) + 1,181203Iu
2 + 0,0815t(cid:2911)
phụ lục phần 3.7.
110
Bảng 3.15: Thông số (Pr) màu sắc của đảng sâm khô
TH L* a* b* ΔE Iu(kW/m2) ta (°C)
Nguyên liệu 71,8 ± 2,26 2 ± 0,05 31,6 ± 1,31
79,2 ± 1,08 2,7 ± 0,13 21,4 ± 0,69 12,6 ± 0,42 1 0
78,6 ± 1,07 3,3 ± 0,06 23,9 ± 0,57 10,4 ± 0,20 2 1,3 40 78,5 ± 1,42 3,4 ± 0,04 25,5 ± 0,39 9,2 ± 0,11 3 1,8
76,8 ± 1,12 4,2 ± 0,11 22,5 ± 0,36 10,6 ± 0,32 4 2,2
75,1 ± 1,46 5,8 ± 0,10 21,6 ± 0,50 11,2 ± 0,23 5 0
78,4 ± 1,31 4,5 ± 0,10 26,2 ± 0,43 8,8 ± 0,18 6 1,3 45 78,2 ± 6,66 5,4 ± 0,19 27,3 ± 2,45 8,4 ± 0,82 7 1,8
72,6 ± 1,93 5,9 ± 0,19 23,7 ± 1,31 8,8 ± 0,56 8 2,2
59,6 ± 1,74 6,1 ± 0,18 30,8 ± 0,74 12,9 ± 0,19 9 0
61,6 ± 0,97 6,1 ± 0,13 30,8 ± 0,75 11,0 ± 0,18 10 1,3 50 61,6 ± 1,13 6,8 ± 0,62 33,1 ± 0,76 11,4 ± 0,24 11 1,8
30
60,1 ± 2,2 7,1 ± 0,30 32,8 ± 0,96 12,8 ± 0,51 12 2,2
25
20
E
15
10
5 3
55
2
50
45
1
40
35
0
30
Iu (kW/m2)
t (oC)
Vùng thông số chứa điểm cực tiểu ∆E
Hình 3.30: Thông số ∆E của đảng sâm theo nhiệt độ TNS và cường độ siêu âm
111
Thảo luận kết quả: Thông số màu sắc ∆E của đảng sâm khô ở bảng 3.15 cho thấy, khi
sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm thì màu sắc của đảng sâm ít thay đổi hơn so với không
có sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Trong phạm vi khảo sát, cường độ siêu âm càng lớn thì
mức độ sai lệch màu sắc so với đảng sâm tươi càng ít, sai lệch ít nhất (ΔE = 8,4) tại nhiệt
độ TNS 45ºC và mức cường độ siêu âm 1,8 kW/m2; sai lệch màu nhiều nhất (ΔE = 12,8)
tại nhiệt độ TNS 50ºC và mức cường độ siêu âm 2,2 kW/m2. Do đó, khi có sự hỗ trợ của
sóng siêu trong quá trình sấy thì thời gian sấy đảng sâm được rút ngắn, hạn chế thời gian
tiếp xúc giữa đảng sâm với nhiệt độ; từ đó giảm thiểu ảnh hưởng của nhiệt độ đến các
thuộc tính cảm quan của đảng sâm. Tuy nhiên, tại mức nhiệt độ cao và cường độ sóng
siêu âm cao (50ºC, 2,2 kW/m2) thì màu sắc đảng sâm khô sẽ thay đổi nhiều (ΔE = 12,8),
điều này cho thấy rằng, dao động cơ học của sóng siêu âm cũng ảnh hưởng đến các thuộc
tính cảm quan của đảng sâm khi sấy ở nhiệt độ cao.
3.8 Đánh giá chất lượng đảng sâm khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm
Ngoài tiêu chí màu sắc đảng sâm khô, hàm lượng saponin là tiêu chí chất lượng được
quan tâm của đảng sâm khô. Phương pháp xác định lượng saponin tổng có trong đảng
sâm được thể hiện ở dược điển Việt Nam 4. Sản phẩm 12 chế độ sấy đảng sâm thực hiện
ở mục 3.6.1.3 được thể hiện ở hình 3.31, trong đó, trường hợp TH8, TH9, TH11, TH12
có màu sắc thay đổi nhiều so với nguyên liệu tươi ban đầu nên không xét hàm lượng
saponin cho những mẫu này; hàm lượng saponin có trong đảng sâm khô khi sấy ở 8 chế
độ sấy còn lại được khảo nghiệm tại Viện nghiên cứu công nghệ sinh học và môi trường
(Trường Đại Học Nông Lâm Tp. HCM) với phương pháp chiết bằng siêu âm. Kết quả
khảo nghiệm 8 mẫu (1 nguyên liệu, 7 sản phẩm) được thể hiện ở phụ lục phần 3.8 và
được thống kê lại ở bảng 3.16.
Phân tích hồi qui phi tuyến với số liệu ở bảng 3.16 (loại bỏ TH5) vì những giá trị này sai
lệch nhiều so với trung bình các mẫu; dựa vao công thức 2.2 ở chương 2) ta có mối quan
hệ giữa lượng saponin (Sp), Iu, và ta được thể hiện ở công thức (3.74) và đồ thị hình 3.32.
Sp = -9,6514 + 0,467302t(cid:2911) +0,366799Iu - 0,00818Iut(cid:2911) - 0,01123Iu
2 - 0,00492t(cid:2911) (cid:2870)
(3.74)
112
TH7 TH1
TH2 TH8
TH3 TH9
TH4 TH10
TH11 TH5
TH12 TH6
Hình 3.31: Đảng sâm khô tại những chế độ sấy khác nhau
113
Bảng 3.16: Kết quả thử nghiệm thành phần saponin có trong sản phẩm đảng sâm
Trường hợp Thành phần saponin tổng (%) Iu, kW/m2 ta,ºC
1,404 Nguyên liệu
1,161 TH1 0
1,258 TH2 1,3 40 1,108 TH3 1,8
1,243 TH4 2,2
0,549 TH5 0 45 1,392 TH6 1,3
1,338 TH10 1,3 50
Vùng chứa lượng
1.5
)
%
1
(
g n o
t
i
0.5
n n o p a s
0
g n o u L
-0.5 3
55
2
50
45
1
40
35
0
30
Iu (kW/m2)
t (oC)
saponin nhiều nhất
Hình 3.32: Lượng saponin có trong đảng sâm khô
Thảo luận kết quả: Kết quả khảo nghiệm saponin 8 mẫu thể hiện ở bảng 3.16; mẫu TH5
có giá trị saponin biến động lớn so với các mẫu khác và được xếp vào trường hợp xấu
(dựa theo tiêu chí thống kê (2.2) chương 2); ngoài ra mẫu TH6 có hàm lượng saponin
gần bằng so với nguyên liệu (chỉ giảm 1% so với nguyên liệu tươi) xem như ngoại lệ
nhưng vẫn nằm trong vùng thông số hợp lệ nên có thể sử dụng khi phân tích qui luật;
114
các mẫu còn lại là hợp lệ. Thông số màu sắc ∆E của đảng sâm khô ở bảng 3.15 và hình
3.30 cho thấy, khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm thì màu sắc của đảng sâm ít thay
đổi hơn so với không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Trong phạm vi khảo sát, cường độ
siêu âm càng lớn thì mức độ sai lệch màu sắc so với đảng sâm tươi càng ít, sai lệch ít
nhất (ΔE = 8,4) tại nhiệt độ TNS 45ºC và mức cường độ siêu âm 1,8 kW/m2; sai lệch
màu nhiều nhất (ΔE = 12,8) tại nhiệt độ TNS 50ºC và mức cường độ siêu âm 2,2 kW/m2.
Do đó, khi có sự hỗ trợ của sóng siêu trong quá trình sấy thì thời gian sấy đảng sâm được
rút ngắn, hạn chế thời gian tiếp xúc giữa đảng sâm với nhiệt độ; từ đó giảm thiểu ảnh
hưởng của nhiệt độ đến các thuộc tính cảm quan của đảng sâm. Tuy nhiên, tại mức nhiệt
độ cao và cường độ sóng siêu âm cao (50ºC, 2,2 kW/m2) thì màu sắc đảng sâm khô sẽ
thay đổi nhiều (ΔE = 12,8), điều này cho thấy rằng, dao động cơ học của sóng siêu âm
cũng ảnh hưởng đến các thuộc tính cảm quan của đảng sâm khi sấy ở nhiệt độ cao. Số
liệu ở bảng 3.16 và hình 3.32 cho thấy, trong khoảng nhiệt độ TNS từ 40ºC đến 50ºC thì
ảnh hưởng của sóng siêu âm đến hàm lượng của saponin còn trong sản phẩm sấy không
giống nhau, lượng saponin còn trong đảng sâm khô có chiều hướng tăng dần trong
khoảng nhiệt độ TNS từ 40ºC đến 45ºC và có chiều hướng giảm xuống khi nhiệt độ TNS
từ 45ºC đến 50ºC. Chẳng hạn, tại cùng một mức cường độ sóng siêu âm 1,3 kW/m2, nếu
nhiệt độ TNS là 40ºC thì lượng saponin còn trong sản phẩm khô là 1,258% (giảm 10%
so với nguyên liệu tươi) và 1,392% (giảm 1% so với nguyên liệu tươi) tại mức nhiệt độ
TNS 45ºC và là 1,338% (giảm 5% so với nguyên liệu tươi). Sấy đảng sâm với phương
pháp bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm thì lượng saponin duy trì nhiều hơn so với sấy
bơm nhiệt. Đơn cử, tại điều kiện TNS 40ºC, nếu sấy bơm nhiệt nhiệt thì lượng saponin
của sản phẩm sấy là 1,161% (giảm 18% so với nguyên liệu tươi), trong khi đó, sấy bơm
nhiệt kết hợp với sóng siêu âm ở mức cường độ siêu âm 2,2 kW/m2 (TH4) lượng saponin
có trong sản phẩm khô 1,258% (giảm 10% so với nguyên liệu tươi). Điều này do khi có
sự hỗ trợ của sóng siêu âm trong quá trình sấy thì thời sấy được rút ngắn và do đó lượng
saponin ít bị phân hủy hơn [67], hạn chế thời gian chuyển hóa giữa các loại saponin có
trong đảng sâm trong quá trình sấy [105]. Nhưng cũng nhận định rằng, ở điều kiện nhiệt
độ TNS cao dưới tác động cơ học của sóng siêu âm làm cho biến đổi sinh hóa bên trong
115
đảng sâm sẽ xảy ra mạnh hơn và do vậy ảnh hưởng đến lượng saponin còn tồn tại trong
sản phẩm.
3.9 Xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm
Mục tiêu của việc xác định chế độ sấy hợp lý cho một sản phẩm sấy là xác định
thông số vận hành thiết bị sao cho hiệu quả kinh tế của sản phẩm cao nhất. Có nhiều yếu
tố khi xem xét vấn đề này như: chất lượng sản phẩm, chi phí năng lượng riêng, điều kiện
sản xuất,… Đối với vật liệu sấy là đảng sâm và với phương pháp sấy bơm nhiệt kết hợp
sóng siêu âm thì yếu tố chi phí năng lượng riêng (Esp) và chất lượng sản phẩm sấy (Qp)
là 2 yếu tố được xem xét khi lựa chọn chế độ sấy hợp lý.
Chi phí điện năng lượng riêng (Esp) là điện năng cần thiết để tách một kg ẩm ra khỏi
vật liệu. Điện năng tiêu thụ của hệ thống sấy được chế tạo trong nghiên cứu này bao gồm
điện năng tiêu thụ cho phần máy sấy bơm nhiệt và điện năng tiêu thụ của phần siêu âm
(được đo đạc bởi bộ đo năng lượng model: GE EPM 5500P). Thực tế, điện năng tiêu thụ
của phần siêu âm tương đối ít (0,0-0,1 kWh) so với phần hệ thống máy bơm nhiệt (từ
1,0-1,8 kWh, tùy theo nhiệt độ TNS). Do đó, điện năng tiêu thụ chủ yếu là phần hệ thống
máy sấy bơm nhiệt. Để xác định được Esp chúng ta cần thực nghiệm với khối lượng mẫu
bằng như công suất đã thiết kế. Một hạn chế trong nghiên cứu này là chưa có điều kiện
thực nghiệm với khối lượng mẫu như đã thiết kế nên không thể xác định được Esp và yếu
tố chi phí năng lượng riêng thì đề tài chỉ mới khảo sát chưa xem xét khi xác định chế độ
sấy cho đảng sâm, thay vào đó yếu tố lượng giảm thời gian sấy khi có sóng siêu âm hỗ
trợ sấy so với không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy. Hàm lượng saponin là yếu tố chất lượng
Qp của đảng sâm. Thêm vào đó, yếu tố về màu sắc cũng là yếu tố được xem xét. Như
vậy, ba thông số được xem xét bao gồm: lượng giảm thời gian sấy giữa có sóng siêu âm
hỗ trợ sấy so với không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy (∆τ), chất lượng sản phẩm (SP) và
thông số màu sắc (∆E) đảng sâm khô khi xác định chế độ sấy hợp lý đảng sâm.
Các thông số vận hành hệ thống máy sấy có liên quan đến ∆τ, SP, ∆E bao gồm: 1, các
thông số của TNS: nhiệt độ (ta), độ ẩm (φa) và vận tốc không khí (va); 2, các thông của
sóng siêu âm: tần số (fu) và cường độ siêu âm (Iu) hay công suất nguồn phát (Pu)); 3, các
thông số của vật liệu sấy: độ dày lớp vật liệu sấy, độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy; 4, thay
116
đổi các thông số TNS và cường độ siêu âm trong quá trình sấy; 5, hướng TNS. Vì miền
vận tốc TNS từ 0 m/s đến 1 m/s, trong miền này tác động của sóng siêu âm đến động
học quá trình sấy phụ thuộc vào vận tốc TNS. Máy sấy được sử dụng để khảo nghiệm
theo nguyên lý bơm nhiệt nên yếu tố nhiệt độ TNS được xem xét còn độ ẩm TNS xem
như thông số phụ thuộc vào nhiệt độ TNS. Hướng TNS được chọn cùng hướng truyền
sóng siêu âm (trong quá trình khảo nghiệm, các tác giả của công trình nghiên cứu này đã
nhận ra rằng hiệu quả hỗ trợ tách ẩm của sóng siêu âm sẽ cao hơn khi phương, chiều
truyền sóng cùng hướng TNS). Thông số độ ẩm ban đầu, bề dày vật liệu sấy và các giai
đoạn sấy chưa được khảo sát. Như vậy, nhiệt độ TNS và cường độ siêu âm là hai thông
số được xem xét để chọn chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm với mục tiêu là chất lượng sản
phẩm cao nhất, lượng giảm thời gian sấy (giữa có sóng siêu âm hỗ trợ sấy và không có
sóng siêu âm hỗ trợ sấy với phương pháp sấy bơm nhiệt) nhiều nhất và màu sắc thay đổi
ít nhất.
Phân tích hồi qui, với hàm hồi qui phi tuyến bậc II đầy đủ, với số liệu ở bảng 3.10.
Kết quả phân tích thể hiện ở phụ lục phần 3.9, mối quan hệ giữa lượng giảm thời gian
(cid:2870) (3.75)
sấy, cường độ siêu âm, nhiệt độ TNS thể hiện ở hình 3.33 và phương trình (3.75).
2 - 0,32t(cid:2911)
100
)
%
∆τ = -747,372 + 31,40902t(cid:2911)+82,17061Iu – 1,77869Iut(cid:2911)+ 4,259259Iu
50
( y a s
i
n a g
i
0
o h
t
i
m a g
-50
g n o u L
-100 3
55
2
50
45
1
40
35
0
30
Iu (kW/m2)
t (oC)
Vùng chứa lượng giảm thời gian sấy nhiều nhất
Hình 3.33: Lượng giảm thời gian sấy đảng sâm
117
Phát biểu bài toán tìm chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm:
Như đã đề cập ở các thảo luận về các yếu tố ảnh hưởng đến màu sắc và chất lượng đảng
sâm khô cho thấy, sẽ tồn tại một cặp giá trị thông số nhiệt độ, cường độ siêu âm hợp lý
opt, Iu,i
opt) trong một khoảng đã được xác định (ta,i ϵ Ωt = {40 ≤ ta,i ≤ 50}; Iu,i ϵ ΩIu = {0
(ta,i
≤ Iu,i ≤ 3}) mà tại đó thỏa mãn i mục tiêu đó là, lượng giảm thời gian sấy nhiều nhất
(∆τmax), sai lệch màu sắc ít nhất (∆Emin) và lượng saponin tổng là nhiều nhất (Spmax). Khi
đó có thể xem rằng, màu sắc của đảng sâm thay đổi ít nhất, lượng saponin có trong đảng
sâm khô nhiều nhất và thời gian sấy là ít nhất. Phát biểu trên có thể viết lại ở dạng phương
trình sau:
⎧ ⎪
(3.76)
⎨ ⎪ ⎩ y1 = ∆Emin y2 = ∆τmax y3 = Spmax ∀t ∈ Ωt = {40 ≤ t ≤50} ∀Iu ∈ ΩIu= {0 ≤ Iu ≤3} Phân tích lời giải:
Có ba hàm mục tiêu thành phần y1 = ∆Emin và y2 = ∆τmax, y3 = Spmax
opt) mà thỏa mãn y1, y2 và y3 thì khi đó
opt), lúc này mặc nhiên mục tiêu của bài toán tối
+ Nếu xác định được cặp nghiệm tối ưu (topt, Iu
opt, Iu,1
opt) = (ta,2
opt, Iu,2
opt) = (ta,3
opt, Iu,3
(ta,1
ưu thỏa mãn. Tuy nhiên, việc tìm ra được một cặp nghiệm tối ưu vừa đề cập trong một
không gian nghiệm không phải là đơn giản và có thể không tìm được cặp nghiệm tối ưu
này.
+ Một cách giải quyết đơn giản hơn là sử dụng một hàm mục tiêu thỏa hiệp i mục tiêu
(ymin_com) thể hiện ở phương trình (3.77), sử dụng thuật tối ưu tìm kiếm cặp nghiệm hợp
lý nhất thỏa mãn hàm mục tiêu thỏa hiệp này.
N i=1
(3.77) ymin_com= ∑ αiyi
Với N là tổng số hàm mục tiêu thành phần, αi trọng số của hàm mục tiêu thành phần
thứ i (hay còn gọi là trọng số mục tiêu) và điều kiện của các αi như sau:
(3.78) α1 +…+ αN = 1
Để thỏa mãn (3.77) và (3.78) thì phải chuyển ∆τmax, ∆Emin, Spmax về cùng thứ nguyên,
118
cùng cực tiểu. Vì ∆τ có thứ nguyên là phần trăm (% ) do vậy cần phải chuyển ∆E, Sp
về thứ nguyên phần trăm. Công thức (2.6) cho thấy, ∆E đạt giá trị lớn nhất khi (L* -
ref) lớn nhất, (a* - a*
ref) lớn nhất, (b* - b*
ref) lớn nhất. Khi đó,
2
2
2
L*
* ) + (a* - aref
* )max
* )max
max
(3.79) ∆Emax = (cid:3495)(L* - Lref + (b* - bref
Với ta,i ϵ Ωt = {40 ≤ ta,i ≤ 50}, Iu,i ϵ ΩIu = {0 ≤ Iu,i ≤ 3}, số liệu ở bảng 3.15 ta xác định
được ∆Emax = 22,7.
∆E
Sai lệch màu sắc có thứ nguyên phần trăm được xác định như sau:
∆Emax
100% (3.80) ∆E(%) =
Lượng saponin phần trăm, giả sử lượng saponin đạt chuẩn là 3% (lấy theo dược điển
Sp
Việt Nam 4) được xác định như sau:
(cid:2903)(cid:2926)(cid:3171)(cid:3159)(cid:3182) 100% Và đại lượng nghịch đảo của ∆τmax chính là ∆τmin và nghịch đảo của Spmax chính là Spmin
Sp (%) = (3.81)
Kết hợp các phương trình (3.76) - (3.81), bài toán tìm chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm
như sau:
2 - 0,32t(cid:2911) (cid:2870)
∆τ = -747,372 + 31,40902t(cid:2911) +82,17061Iu – 1,77869Iut(cid:2911) (cid:3424) + 4,259259Iu
2 + 0,0815t(cid:2911) (cid:2870)
2 - 0,00492ta 2 (cid:2869)
(cid:2869)
∆E = 175,5253 – 7,32584t(cid:2911) – 7,55503Iu + 0,093085Iut(cid:2911) (cid:3424) y2 = min (cid:3420) + 1,181203Iu ⎧y1 = max (cid:3420) ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ Sp = -9,6514 + 0,467302ta +0,366799Iu - 0,00818Iuta - (cid:3424) (3,83) y3 = max (cid:3420)
-0,01123Iu (cid:2935)(cid:3118) ∆(cid:2889)(cid:3171)(cid:3159)(cid:3182)
(cid:2935)(cid:3119)(cid:2903)(cid:2926)(cid:3171)(cid:3159)(cid:3182)
(cid:2869)(cid:2868)(cid:2868)(cid:2935)(cid:3117)
+ α3 + α2 ymin_com= α1
⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ α1 + α2 + α3 = 1 ∀t(cid:2911) ∈ Ωt = {40 ≤ t(cid:2911) ≤ 50} ∀Iu∈ ΩIu={0 ≤ Iu ≤ 3}
Việc giải hệ phương trình (3.83) xác định nghiệm tương đối khó. Một hướng giải đơn
giản hơn nhưng kết quả có độ tin cậy chấp nhận được, đó là sử dụng giải thuật tìm kiếm
tối ưu xác định nghiệm thỏa mãn hàm mục tiêu đặt ra, hướng giải quyết này đã áp dụng
thành công trong sản xuất tối ưu hoặc xác định thông số hợp lý trong sản xuất. Nghiên
cứu này, cũng theo xu hướng này xác định cặp thông số nhiệt độ và cường độ hợp lý
opt_com) sấy đảng sâm với phương pháp sấy bơm nhiệt kết hợp siêu âm. Thuật
119
(topt_com, Iu
toán tối ưu là giải thuật PSO và giải thuật xác định nghiệm được thể hiện ở hình 3.34,
thuật toán được triển khai bằng phần mềm MATLAB 2015. Giải pháp này dựa vào hàm
mục tiêu thỏa hiệp nhiều mục tiêu. Do vậy, không phải chỉ có một nghiệm duy nhất, tùy
theo trọng số của từng mục tiêu mà ta có cặp nghiệm tương ứng.
Một cặp nghiệm đề xuất cho chế độ sấy hợp lý đảng sâm bằng phương pháp sấy bơm
nhiệt kết hợp với siêu âm như sau:
- Nhiệt độ TNS là 43,6ºC
- Cường độ siêu âm là 2,1 kW/m2
- Trọng số mục tiêu cho thời gian sấy là α1 = 0,05, cho sự thay đổi màu sắc của đảng
sâm là α2 = 0,95 mặc nhiên lượng saponin luôn đạt yêu cầu (α3 = 0), vì yếu tố này
được hàm chứa ở yếu tố lượng giảm thời gian sấy và màu sắc của sản phẩm sấy .
Hình 3.34: Lưu đồ giải thuật xác định chế độ sấy hợp lý nhất của đảng sâm
120
3.10 Kiểm chứng tại chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm
Để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết về truyền nhiệt truyền ẩm trong đảng
sâm khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm, trong phần này sẽ tính toán số xác định động học
sấy đảng sâm dạng lát với mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm được đề xuất ở phần 3.3,
phương pháp giải 3.4, các thông số nhiệt vật lý của đảng sâm đã xác định trong phần 3.5,
thông số động học sấy đảng sâm xác định trong phần 3.6; sau đó kiểm chứng với thực
nghiệm.
Chọn khối lượng mẫu sấy tại chế độ hợp lý là 200 g, đường kính của đảng sâm từ 25 ±
0,5 mm, có độ ẩm ban đầu đảng sâm 7,0 kg/kg VLK (87,5% cơ sở ướt). Điều kiện tại
chế độ sấy hợp lý vừa nêu trên là TNS: ta = 44 ± 0,1 ºC (theo tính toán là 43,6 ºC làm
tròn 44ºC), va = 0,5 ± 0,2 m/s, điều kiện sóng siêu âm: tần số 20 ± 73 kHz, cường độ 2,1
kW/m2.
Bảng 3.17: Thông số kiểm tra tại chế độ sấy hợp lý
(ta = 44 ± 0,1 0C, va = 0,5 ± 0,2 m/s, fu= 20 ± 0,073 kHz, Iu = 2,1 kW/m2)
Thông số Nguồn Giá trị
Khối lượng riêng đảng sâm khô tuyệt Từ kết quả nghiên cứu ở 1620 phần 3.5.1 chương 3 đối, ρs (kg/m3)
Từ kết quả nghiên cứu ở
phần 3.5.3 chương 2, là giá Hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm, kp 0,355 (W/m K) trị trung bình của hai mức
87,5% và 4,74%
Tính toán từ công thức 0,05 Độ ẩm cân bằng, Me (kg/kg VLK) (3.57)
Tính toán từ công thức 6,32 Hệ số khuếch tán ẩm, Dex10-10 (m2/s) (3.66)
Hệ số trao đổi ẩm đối lưu tại bề mặt, Tính toán từ công thức 3,82 (3.67) hmx10-3 (kg/m2s)
121
Hệ số khuếch tán nhiệt, αtx10-7 1,37 Tính toán công thức (3.68) (m2/s)
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tại bề 58,93 Tính toán công thức (3.69) mặt, ht (W/m2 K)
Sai lệch màu sắc, ∆E 9,5 ± 0,25 Đo lường
Nhiệt độ vật liệu cuối quá trình sấy, 46,5 ± 0,5 Đo lường ta, ºC
Độ ẩm cuối cùng (kg ẩm/ kg VLK) 0,09 ± 0,02 Đo lường
Thời gian sấy, τ, giây 22800 ± 2500 Đo lường
- Kết quả thực nghiệm về nhiệt độ đảng sâm và sự giảm ẩm của đảng sâm thể hiện ở phụ
lục phần 3.10
- Kết quả tính toán số:
50
t
b
45
t
t
)
40
C o (
o d
t
i
e h N
35
30
25
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
+Nhiệt độ bên trong đảng sâm:
Hình 3.35: Nhiệt độ đảng sâm tại lớp biên và tâm: tại chế độ sấy, ta = 44 ± 0,1 ºC, va =
0,5 ± 0,2 m/s, φa = 18 ± 1,5 % fu= 20 ± 0,073 kHz, Iu = 2,1 kW/m2.
122
8
7
6
)
5
K L V g k /
4
g k (
m a
3
o D
2
1
M
t
M
b
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
+ Độ ẩm bên trong đảng sâm:
Hình 3.36: Độ ẩm đảng sâm tại lớp biên và tâm: tại chế độ sấy: ta = 44 ± 0,1 ºC, va = 0,5
± 0,2 m/s, φa = 18 ± 1,5 % fu= 20 ± 0,073 kHz, Iu = 2,1 kW/m2.
55
50
45
40
)
35
30
ta = 44 oC Iu = 2.1 kW/m2 - Tinh toan o Thuc nghiem
C o ( S L V o d
25
t
i
20
e h N
15
10
5
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
- So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm
a
8
ta = 44 oC
7
Iu = 2.1 kW/m2
- Tinh toan
6
o Thuc nghiem
5
) K L V g k /
g k (
4
3
S L V m a o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
123
b
Hình 3.37: Độ ẩm và nhiệt độ của đảng sâm tại chế độ sấy hợp lý: a, đường cong nhiệt
độ sấy đảng sâm; b, đường cong sấy đảng sâm tại chế độ sấy: ta = 44 ± 0,1 ºC, va = 0,5
± 0,2 m/s, φa = 18 ± 1,5 % fu= 20 ± 0,073 kHz, Iu = 2,1 kW/m2.
Thảo luận kết quả:
Từ kết quả ở bảng 3.17 cho thấy, thông số màu sắc màu sắc ∆E = 9,5 nằm trong miền
∆E của 12 trường hợp thí nghiệm ở mục 3.6.1.3 thống kê ở bảng 3.15; thời gian sấy tính
toán lý thuyết là 19600 giây, trong khi đó thực nghiệm là 22800 giây sai lệch 9,4% so
với lý thuyết; nhiệt độ cuối cùng bên trong vật liệu là 46,5 ºC, trong khi đó kết quả mô
phỏng là 45ºC, sai lệch 1,5ºC. Như vậy, kết quả tính toán số gần sát so với kết quả thực
Kết luận chương 3
nghiệm.
Trên cơ sở các phương pháp nghiên cứu được đề cập ở chương 2, chương này triển khai
cho từng phần, kết quả đạt được như sau:
124
- Phân tích phần tử hữu hạn kết hợp với thuật toán tối ưu PSO xác định kích thước hình
học cho bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy, chế tạo thiết bị. Kết quả, tần số hoạt động
của bộ phát sóng là 19,927 kHz sai số 0,073 k Hz (0,37%) so với thông số thiết kế ban
đầu.
- Đề xuất một mô hình vật lý sấy vật liệu với sự hỗ trợ của sóng siêu âm nhằm nghiên
cứu truyền nhiệt truyền ẩm trong VLS khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm trong quá trình
sấy.
- Phân tích hiện tượng vật lý tại bề mặt của vật liệu sấy khi có sóng siêu âm lan truyền
trong dòng TNS; từ đó định hướng cho việc chọn lựa mô hình toán truyền nhiệt truyền
ẩm cũng như điều kiện biên phù hợp với mô hình vật lý sấy đảng sâm dạng lát có sự hỗ
trợ của sóng siêu âm đã được đề xuất.
- Xác định mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm bên trong vật liệu sấy có dạng lát là
phương trình khuếch tán một chiều, phát triển điều kiện biên trao đổi nhiệt đối lưu nhằm
nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền ẩm bên trong VLS khi sấy có sự hỗ trợ của sóng
siêu âm.
- Giải bài toán truyền nhiệt truyền ẩm bằng phương pháp số (sai phân hữu hạn, sai phân
hiện), suy ra nghiệm là các điểm nhiệt độ và độ ẩm bên trong vật liệu; từ đó xác định
nhiệt độ trung bình và độ ẩm trung bình theo thể tích của vật liệu trong quá trình sấy
nhằm tính toán lý thuyết về động học sấy.
- Bằng nghiên cứu thực nghiệm, chương này cũng đã xác định được tính chất nhiệt vật
lý của đảng sâm Việt Nam.
- Nghiên cứu thực nghiệm sấy đảng sâm bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp với sóng
siêu âm ở nhiều chế độ sấy khác nhau; từ đó sử dụng giải pháp ERM-O (giải pháp được
xây dựng bởi nghiên cứu này, đề cập ở chương 2) xác định các thông số còn lại trong
mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm đó là De, hm, αt, ht. Kết quả, tại điều kiện nhiệt độ
TNS 40-50 ºC, cường độ siêu âm 0-2,2 kW/m2, hệ số khuếch tán nhiệt (αt) của đảng sâm
là 1,01-1,38×10-7 m2/s, hệ số khuếch tán ẩm (De) của đảng sâm là 3,2-6,7×10-10 m2/s, hệ
số trao đổi nhiệt đối lưu (ht) là 29,2-63,6 W/m2 K, hệ số trao đổi ẩm đối lưu (hm) là 2,3-
125
4,1×10-3 kg/m2s. Các số liệu này có độ tin cậy chấp nhận được (kết quả nghiên cứu và
thảo luận được trình bày ở từng phần của phần 3.6.2).
- Cũng từ nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của sóng siêu âm đến màu sắc và
chất lượng sản phẩm sấy thông qua việc xác định thông số màu sắc ∆E và hàm lượng
saponin có trong sản phẩm ở những chế độ sấy khác nhau. Tại điều kiện nhiệt độ TNS
40-50 ºC, cường độ siêu âm 0-2,2 kW/m2 thì thông số màu sắc ∆E từ 8,4-12,9, hàm lượng
saponin tổng có trong đảng sâm khô từ 1,108-1,338 % tức là giảm từ 5-22 % so nguyên
liệu tươi ban đầu. Với kết quả này chất lượng của đảng sâm khô cũng không khác nhiều
so với đảng sâm tươi.
- Nghiên cứu cũng đã xác định và khuyến nghị một chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm với
phương pháp sấy là bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm đó là nhiệt độ TNS là 44 ºC, độ
ẩm tương đối của không khí khoảng 18%, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm là 2,1
kW/m2.
- Nghiên cứu kiểm chứng tại chế độ sấy hợp lý của đảng sâm bằng cách tính toán số xác
định động học sấy (bao gồm cả nhiệt và ẩm) dựa vào mô hình toán truyền nhiệt truyền
ẩm của đảng sâm mà nghiên cứu này đã xác định. Kết quả, giá trị tính toán số gần sát
với kết quả thực nghiệm (thảo luận ở phần 3.10).
- Kết quả nghiên cứu cũng đã được công bố ở tạp chí trong và ngoài nước.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
126
KẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu của luận án về sấy nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm rút ra
một số kết luận như sau:
- Giải pháp phân tích phần tử hữu hạn kết hợp với thuật toán tối ưu PSO có thể áp dụng
để xác định thông số hình học của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy. Kết quả đo
đạc cho thấy, sai lệch về tần số thiết kế và tần số dao động riêng của bộ phận phát
sóng nhỏ hơn 1%. Bộ phận phát sóng hoạt động ổn định theo thời gian.
- Mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm trong vật liệu sấy có dạng lát khi sấy có sự hỗ
trợ của sóng siêu âm và điều kiện biên loại 3 bổ sung thêm thành phần năng lượng
sóng siêu âm được kiến nghị trong nghiên cứu này đã được kiểm chứng với vật liệu
sấy là đảng sâm Việt Nam. Kết quả sai lệch lớn nhất giữa giá trị thực nghiệm và tính
toán lý thuyết là 14,5% đối với độ ẩm trung bình và 10,2%; sai lệch tương đối trung
bình (MRE) giữa kết quả tính toán và thực nghiệm về độ ẩm và nhiệt độ của VLS
không quá 10%. Như vậy, mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm, điều kiện biên và
thuật toán giải được kiến nghị trong nghiên cứu này có thể chấp nhận được và có thể
áp dụng để tính toán xác định thời gian sấy đảng sâm Việt Nam ở một chế độ sấy bất
kỳ có thông số TNS và sóng siêu âm nằm trong miền thông số của nghiên cứu này.
-Thuật toán PSO xác định đồng thời hệ số khuếch tán nhiệt (αt), hệ số khuếch tán ẩm
(De) của vật liệu sấy với hàm mục tiêu là để cực tiểu sai số của nhiệt độ và độ ẩm vật
liệu sấy giữa dữ liệu thực nghiệm và nghiệm của hệ phương trình truyền nhiệt truyền
ẩm trong vật liệu sấy (giải pháp ERM-O) là giải pháp hiệu quả và có độ tin cậy chấp
nhận được, giảm thiểu được số lượng thí nghiệm. Giải pháp này được áp dụng để
xác định thông số De, αt, hm, ht có trong hệ phương trình truyền nhiệt truyền ẩm khi
sấy đảng sâm Việt Nam với phương pháp sấy là bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm.
- Thực nghiệm xác định tính chất nhiệt vật lý của đảng sâm Việt Nam kết quả có độ tin
cậy chấp nhận được, có thể áp dụng để nghiên cứu về sấy đảng sâm Việt Nam.
127
- Sấy đảng sâm Việt Nam bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm thì
sản phẩm sau khi sấy có màu sắc ít bị thay đổi hơn và sự suy giảm saponin cũng ít
hơn so với sấy đảng sâm Việt Nam bằng phương pháp bơm nhiệt ở cùng điều kiện
TNS. Điều này có thể do nhiệt độ TNS thấp nhưng thời sấy được rút ngắn. Kết quả
thực nghiệm tại những chế độ sấy với nhiệt độ TNS 28-65 ºC và cường độ sóng siêu
âm 0-2.2 kW/m2 cho thấy, ở những mức nhiệt độ TNS trong khoảng từ 28-40 ºC thì
thời gian sấy dài nên màu sắc đảng sâm khô thay đổi nhiều so với nguyên liệu tươi;
ở những mức nhiệt độ TNS trong khoảng từ 50-65 ºC thì thời gian sấy rút ngắn
nhưng màu sắc đảng sâm khô thay đổi nhiều so với nguyên liệu tươi điều này có thể
do tác động cơ học của sóng siêu âm ảnh hưởng nhiều đến thuộc tính cảm quan đảng
sâm ở nhiệt độ TNS cao (trình bày ở mục 3.6.1.1); ở những mức nhiệt độ TNS từ
40ºC đến 50ºC thì màu sắc của đảng sâm khô thay đổi ít hơn so với đảng sâm khô
được thực nghiệm tại hai khoảng nhiệt độ TNS vừa nêu trên và khi đó lượng saponin
còn trong đảng sâm khô 78-95 % so với nguyên liệu tươi ban đầu (có một trường
hợp lượng saponin còn trong sản phẩm sấy là 99%, trường hợp này sử dụng chỉ để
tham khảo). Lượng giảm saponin khi sấy đảng sâm Việt Nam bằng phương pháp
bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm cũng không nhiều hơn so với lượng giảm
saponin trong sâm đỏ của Hàn Quốc (là một loại của Panax ginseng) với phương
pháp sấy là bức xạ hồng ngoại (sấy sâm Hàn Quốc bằng phương pháp bức xạ hồng
ngoại tại nhiệt độ 45ºC thì lượng saponin giảm 7.2% so với nguyên liệu tươi ban đầu
[68], còn trong nghiên cứu này, sấy đảng sâm Việt Nam bằng phương pháp bơm
nhiệt kết hợp với sóng siêu tại nhiệt độ 45ºC, cường độ siêu âm 1.3 kW/m2 thì lượng
saponin giảm 1%; tại nhiệt độ 50ºC, cường độ siêu âm 1.3 kW/m2 thì lượng saponin
giảm 5%; tại nhiệt độ 40ºC, cường độ siêu âm 1.3 kW/m2 thì lượng saponin giảm
10%). Như vậy, sử dụng sóng siêu âm hỗ trợ trong quá trình sấy đảng sâm Việt Nam
có thể là giải pháp hữu ích nhằm duy trì màu sắc và hàm lượng saponin cho sản
phẩm khô.
- Mô hình máy sấy bơm nhiệt kết hợp sóng siêu âm có thể khuyến nghị là mô hình máy
sấy tiên tiến và có thể áp dụng để sấy đảng sâm Việt Nam, mở ra khả năng nghiên
128
cứu ứng dụng sấy các thảo dược quí hiếm khác ở Việt Nam nhằm tiến đến nền sản
xuất xanh và bền vững cho những loại sản phẩm cao cấp này.
KIẾN NGHỊ
Mặc dù, nghiên cứu về sấy đảng sâm Việt Nam với sự hỗ trợ của sóng siêu âm đã đạt
được một số kết quả trình bày ở trên. Tuy nhiên, cũng còn nhiều vấn đề cần được tiếp
tục nghiên cứu như sau:
- Mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm của vật liệu sấy và điều kiện biên cần được phát
triển nghiên cứu tổng thể cho cả 3 pha rắn, lỏng, khí. Ngoài ra, cần xem xét thêm về
sự thay đổi kích thước hình học của vật liệu sấy trong quá trình sấy. Và như vậy,
nâng cao độ chính xác trong việc định lượng các thông số liên quan đến động học
sấy và như vậy có thể áp dụng cho nhiều chủng loại vật liệu sấy khác nhau.
- Cần tiếp tục mở rộng nghiên cứu thêm các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả tách ẩm
khi sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm ví dụ độ ẩm của TNS và ảnh hưởng của khối
lượng nguyên liệu đến động học sấy với phương pháp sấy bơm nhiệt kết hợp sóng
siêu âm nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế của phương pháp.
- Cần tiếp tục nghiên cứu sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm cho nhiều loại sản
phẩm cao cấp trong nông nghiệp đặc biệt cho các sản phẩm nhạy nhiệt; từ đó, bổ
sung thêm thông tin về ứng dụng sóng siêu âm để sấy nông sản thực phẩm.
129
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
1. Xuan-Quang Nguyen, Anh-Duc Le, Ngoc-Phuong Nguyen, Hay Nguyen, “Thermal Diffusivity, Moisture Diffusivity, and Color Change of Codonopsis javanica with the Support of the Ultrasound for Drying,” Journal of food quality, Vol. 2019, Article ID 2623404, 13 pages, 2019 (SCIE). https://doi.org/10.1155/2019/2623404
2. Nguyễn Xuân Quang, Lê Anh Đức, Nguyễn Ngọc Phương, Nguyễn Hay, “Nghiên cứu ảnh hưởng của siêu âm năng lượng cao đến tốc độ sấy và màu sắc đảng sâm,” Tạp chí năng lượng nhiệt, Số 131, 2016 (ISSN: 0868-3336).
3. Nguyễn Xuân Quang, Nguyễn Hay, Nguyễn Ngọc Phương, Bùi Ngọc Hùng, “Nghiên cứu ảnh hưởng tiền xử lý siêu âm đến tốc độ sấy và màu sắc thượng đẳng sâm”, Hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ IV, trang 832-837, 2015 (ISBN: 978-604-73-3690-6).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
130
[1] X. D Chen, A.S Mujumdar, Drying technologies in food processing, Blackwell
Published, 2008.
[2] G Musielak, D Mierzwa, J Kroehnke, “Food drying enhancement by ultrasound - a
review,” Journal of Food Science and Technology, Vol 56, pp.126-141, 2016.
[3] F.A.N Fernandes, S Rodrigues, J.A Carcel, J.V Garcia-Perez, “Ultrasound-Assisted
Air-Drying of Apple (Malus domestica L.) and Its Effects on the Vitamin of the Dried
Product,” Journal of food and bioprocess technology, Vol 8, pp. 1503–1511, 2015.
[4] E. M. G. C. D Nascimento, A Mulet, J. L. R Ascheri, C. W. P. D Carvalho, J. A
Carcel, “Effects of high-intensity ultrasound on drying kinetics and antioxidant
properties of passion fruit peel,” Journal of Food Engineering, vol.170, pp. 108-118,
2016.
[5] O. Rodrıguez, J. V. Santacatalina, S. Simal, J. V. Garcia-Perez, A. Femenia, and C.
Rossello, “Influence of power ultrasound application on drying kinetics of apple and
its antioxidant and microstructural properties,” Journal of Food Engineering, vol. 129,
pp. 21-29, 2014.
[6] Trần Văn Phú, Tính toán và thiết kế hệ thống sấy, Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội,
2001.
[7] S Timoumi, D Mihoubi, F Zagrouba, “Shrinkage, vitamin C degradation and aroma
losses during infra-red drying of apple slices,” LWT - Food Science and Technology
Vol 40, pp. 1648-1654, 2007.
[8] L.A. Ramallo, R.H. Mascheroni, “Quality evaluation of pineapple fruit during drying
process,” Food and Bioproducts Processing, Vol 9 0, pp. 275–283, 2012.
[9] S Timoumi, D Mangin, R Peczalski, F Zagrouba, J Andrieu, “Stability and
thermophysical properties of azithromycin dehydrate,” Arabian Journal of Chemistry,
Vol 7, pp. 189-195, 2014.
[10] R. M. S. C Morais, A. M. M. B Morais, I Dammak, J Bonilla, P. J. A Sobral, J.C
Laguerre, M. J Afonso, and E. C. D Ramalhosa,” Functional dehydrated foods for
131
health preservation,” Journal of Food Quality, vol. 2018, Article ID 1739636, 29
pages, 2018.
[11] S Simal, E Sanchez, J Bon, A Femenia, and C Rossello, “Water and salt diffusion
during cheese ripening: Effect of external and internal resistance to mass transfer,”
Journal of Food Engineering, Vol 48, pp. 269–275, 2001.
[12] N Hay, P.V Kien, L.A Duc, “Study on Designing and Manufacturing a Radio
Frequency Generator Using in Drying Technology,” International Conference on
Green Technology and Sustainable Development (GTSD), Vol. 2018,
DOI: 10.1109/GTSD.2018.8595618, 2018.
[13] N Hay, L. A Duc, P.V. Kien, “Study on Designing and Manufacturing a Radio-
Frequency Generator Used in Drying Technology and Efficiency of a Radio
Frequency-Assisted Heat Pump Dryer in Drying of Ganoderma lucidum,” IntechOpen,
Vol. 2019, DOI:10.5772/intechopen.88825, 2019.
[14] J. A Carcel, J. V Garcia-Perez, E Riera, A Mulet,” Influence of High-Intensity
Ultrasound on Drying Kinetics of Persimmon,” Drying Technology, Vol 25, pp.185-
193, 2007.
[15] H Vega-Mercado, M. M Gongora-Nieto, G. V Barbosa Canovas,” Advances in
dehydration of foods,” Journal of Food Engineering, Vol 49, pp. 271-289, 2001.
[16] J. A Gallego-Juarez, E Riera, S. d.l. F Blanco, G Rodrıguez-Corral, V. M Acosta-
Aparicio, and A Blanco, “Application of High-Power Ultrasound for Dehydration of
Vegetables: Processes and Devices,” Drying Technology, Vol 25, pp. 1893-1901,
2007.
[17] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Đinh Văn Thuận, Kỹ Thuật Lạnh Ứng Dụng, Nhà
Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam, 2011.
[18] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, “Hệ thống sấy lạnh bằng bơm nhiệt ở Haihaco,”
Tạp chí khoa học và công nghệ nhiệt, Số 2, 1998.
[19] Phạm Văn Tùy, Vũ Huy Khuê, Nguyễn Đắc Tuyên, “Nghiên cứu thực nghiệm sấy
lạnh rau củ quả bằng bơm nhiệt máy nén,” Tạp chí KH & CN nhiệt, Số tháng 2, 2003.
[20] Phạm Văn Tùy, Nguyễn Nguyên An, Trịnh Quốc Dũng, Phạm Văn Hậu, Vũ Huy
132
Khuê, Nguyễn Phong Nhã, “Nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ hút ẩm và
sấy lạnh dùng bơm nhiệt ở nhiệt độ thấp trong điều kiện Việt Nam,” Báo cáo hội thảo
Việt-Nhật về công nghệ bơm nhiệt và tích trữ nhiệt, ĐHBK Hà Nội, Số 2, 2007.
[21] Phạm Anh Tuấn, Lê Nguyên Đương, Chu Văn Thiện, Nguyễn Thị Minh Tú,” Nghiên
cứu ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến thời gian và chất lượng 1 số rau quả sấy,” Tạp
chí KH và CN, Số 2, 2009.
[22] Võ Mạnh Duy, Lê Chí Hiệp, “Nghiên cứu sấy cà rốt bằng máy sấy bơm nhiệt kiểu
thùng quay,” Tạp chí khoa học 20b, Trường Đại Học Cần Thơ.
[23] Trương Minh Thắng, Nguyễn Mạnh Hùng, “Nghiên cứu mô hình hệ thống sấy lạnh
dùng bơm nhiệt hoạt động theo chu trình bậc thang và phương pháp sấy mới tiết kiệm
năng lượng,” Tạp chí Khoa học GTVT, Số 40, 2012.
[24] Lê Anh Đức, Nguyễn Hữu Hòa, “Xác định phương pháp sấy và chế độ sấy nấm đông
cô,”, Tạp chí nông nghiệp và phát triển nông thôn,” Tháng 10, 2014.
[25] Nguyễn Hay, Lê Quang Huy,” Nghiên cứu lý thuyết xác định thời gian sấy phấn hoa
trong thiết bị sấy bơm nhiệt,” Tạp chí năng lượng nhiệt, Số 135, trang 28-32, 2017.
[26] J. A Gallego-Juarez, G Rodrıguez-Corral, V. M Acosta-Aparicio, E Riera, “Power
ultrasonic transducers with extensive radiators for industrial processing,” Ultrasonics
Sonochemistry, Vol 17, pp. 953–964, 2010.
[27] M. Nad, “Ultrasonic horn design for ultrasonic machining technologies,” Applied
and Computational Mechanics, Vol. 4, pp. 79–88, 2010.
[28] O.V Aramov, High-intensity ultrasound theory and industrial applications, first
edition, Publisher: Gordon and Breach Science Publishers, The Netherlands, 1998.
[29] W Xu, X Lu, G Pan, Y Lei, J Luo, “Ultrasonic flexural vibration assisted chemical
mechanical polishing for sapphire substrate,” Applied Surface Science, Vol. 256, pp
3936–3940, 2010.
[30] J.L.S Emeterio, “High axisymmetric modes of vibration of stepped circular plates,”
Journal of Sound and Vibration, Vol (114), pp. 495-505, 1987.
[31] Nguyễn Hoài Sơn, Lê Thanh Phong, Mai Đức Đãi, Ứng dụng phương pháp phần tử
hữu hạn trong tính toán kết cấu, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2011.
133
[32] V. N Khmelev, A. V Shalunov, R. V Barsukov, D.S Abramenko, A. N Lebedev,
“Studies of ultrasonic dehydration efficiency,” Applied Physics & Engineering, pp
247-254, 2011.
[33] E Riera, V.M Acosta, J Bon, M Aleixandre, A Blanco, R.R Andres, A Cardoni, I
Martinez, L.E Herranz, R Delgado, J.A Gallego-Juarez, “Airborne Power Ultrasonic
Technologies for Intensification of Food and Environmental Processes,” International
Journal of Physics Procedia, Vol 87, pp. 54-60, 2016.
[34] C Ortuno, P.M Isabel, P Ana, R Enrique, P.J.V Garcia, “Influence of power
ultrasound application on mass transport and microstructure of orange peel during hot
air drying,” Physics Procedia, Vol 3, pp. 153–159, 2010.
[35] J.V Garcia-Perez, C Ortuno, A Puig, J. A Carcel, I Perez-Munuera, “Enhancement
of water transport and microstructural changes induced by high-intensity ultrasound
application on orange peel drying,” Food and Bioprocess Technology, vol. 5, no.6, pp.
2256-2265, 2012.
[36] J.V Garcia-Perez, J.A Carcel, J Benedito, A Mulet, “Power ultrasound mass transfer
enhancement in food drying,”, Journal of food and bioprocess technology, Vol 85, pp.
247-254, 2007.
[37] J Gamboa-Santos, A Montilla, J.A Cárcel, M Villamiel, J.V Garcia-Perez, “Air-
borne ultrasound application in the convective drying of strawberry,” Journal of Food
Science and Technology, Vol 128, pp. 132-136, 2014.
[38] L Denglin, L Juan, L Yuhong, Guangyue, “Drying characteristics and mathematical
model of ultrasound assisted hot-air drying of carrots,” Journal of agricultural
biolological engineering, Vol 8, pp. 124-132, 2015.
[39] J.A Carcel, J.V Garcia-Perez, E Riera, A Mulet, “Improvement of convective drying
of carrot by applying power ultrasound influence of mass load density,” Drying
Technology, Vol 29, pp. 174-182, 2011.
[40] J V Garcia-Perez, J. A Carcel, E Riera, C Rossello, A Mulet, “Intensification of
Low-Temperature Drying by Using Ultrasound,” Drying Technology, Vol 30, pp.
1199–1208, 2012.
134
[41] J.V Santacatalina, M Contreras, S Simal, J.A Carcel, J.V García-Perez, “Impact of
applied ultrasonic power on the low temperature drying of apple,” Ultrasonics
Sonochemistry, Vol 28, pp. 100-109, 2016.
[42] J.V. Santacatalina, O. Rodriguez, S. Simal, J.A. Carcel, A. Mulet, J.V. Garcia-Perez,
“Ultrasonically enhanced low-temperature drying of apple: Influence on drying
kinetics and antioxidant potential,” Journal of Food Engineering Vol 138, pp. 35–44,
2014.
[43] J.V. Santacatalina, D. Fissore, J.A. Carcel, A. Mulet, J.V. Garcia-Perez, “Model-
based investigation into atmospheric freeze drying assisted by power ultrasound,”
Journal of Food Engineering, Vol 151, pp. 7–15, 2015.
[44] K Schossler, H Jager, D Knorr, “Effect of continuous and intermittent ultrasound on
drying time and effective diffusivity during convective drying of apple and red bell
pepper,” Journal of Food Engineering, Vol 108, pp. 103–110, 2012.
[45] H. T Sabarez, J. A Gallego-Juarez, E Riera, “Ultrasonic-Assisted Convective Drying
of Apple Slices,” Drying technology, Vol 30, pp. 989–997, 2012.
[46] K Schossler, T Thomas, D Knorr, “Modification of cell structure and mass transfer in
potato tissue by contact ultrasound,” Food Research International, Vol 49, pp. 425–
431, 2012.
[47] H Xi, Y Liu, L Guo, R Hu, “Effect of ultrasonic power on drying process and quality
properties of far-infrared radiation drying on potato slices,” Food Science and
Biotechology, 9 page, 2019.
[48] A. V Fedorov, I. A Fedorchenko, S.B An, J.H Lee, K.M Choo, “Physical and
mathematical modeling of acousto-convective drying of rice,” Journal of Engineering
Physics and Thermophysics, Vol 83, pp. 72 -82, 2010.
[49] G Clemente, N Sanjuan, J. A Carcel, A Mulet, “Influence of Temperature, Air
Velocity, and Ultrasound Application on Drying Kinetics of Grape Seeds,” Drying
Technology, Vol 32, pp. 68–76, 2014.
[50] L Cruz, G Clemente, A Mulet, M.H Ahmad-Qasem, E Barrajon-Catalan, J.V Garcia-
Perez, “Air-borne ultrasonic application in the drying of grape skin: Kinetic and
135
quality considerations,” Journal of Food Engineering, Vol 168, pp. 251–258, 2016.
[51] E. K Mendez, C.E Orrego, D.L Manrique, J.D Gonzalez, D Vallejo, “Power
ultrasound application on convective drying of banana (Musa para-disiaca), mango
(Mangifera indica L.) and guava (Psidium guajava L.)” World Academy of Science,
Engineering and Technology, Vol 9, pp. 560-565, 2015.
[52] M Bantle and J Hanssler, “Ultrasonic convective drying kinetics of clipfish during
the initial drying period,” Drying Technology, vol. 31, pp. 1307-1316, 2013.
[53] M Bantle and M Eikevik, “A study of the energy efficiency of convective drying
systems assisted by ultrasound in the production of clipfish,” Journal of Cleaner
Production, vol. 65, pp. 217-223, 2014.
[54] C Ozuna, J. A Carcel, P. M Walde, J. V. Garcia-Perez, “Low-temperature drying of
salted cod (Gadus morhua) assisted by high power ultrasound: Kinetics and physical
properties,” Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2014.
[55] Y Liu, Y Sun, S Miao, F Li, and D Luo, “Drying characteristics of ultrasound
assisted hot air drying of Flos Lonicerae,” Journal of food science and technology,
Vol 52, pp. 4955-4964, 2015.
[56] J Rodriguez, A Mulet, J Bon, “Influence of high-intensity ultrasound on drying
kinetics in fixed beds of high porosity,” Journal of Food Engineering, Vol. 127, pp.
93–102, 2014.
[57] M Bantle, E.M Trygve, A Gruttner, “Mass Transfer in Ultrasonic Assisted
Atmospheric Freeze Drying,” In Proceedings 17th International Drying Symposium,
pp. 763-768, 2010.
[58] H.M Chung “Nghiên cứu thành phần hóa học của vị thuốc đảng sâm Việt Nam,” Tạp
chí dược liệu, trang 3-6, 118-120, 2002.
[59] S Emara, K. M. Mohamed, T Masujima, K Yamasaki, “Separation of naturally
occurring triterpenoidal saponins by capillary zone electrophoresis,” Biomedical
Chromatography, Vol 15, pp. 252-256, 2001.
[60] Hội đồng dược điển Việt Nam, Dược điển Việt Nam IV, Trung tâm dược điển – dược
thư Việt Nam, trang 751 – 755, 2009.
136
[61] Hội đồng dược điển Việt Nam, Dược điển Việt Nam V, Trung tâm dược điển – dược
thư Việt Nam, 2017.
[62] V.J Davidson, L Xiang, B Ralph, R.B Brown R.B. “Forced-air drying of ginseng root:
1. Effects of air temperature on quality,“ Journal of food engineering, Vol 63, pp.
361–367, 2004.
[63] V.J Davidson, L Xiang, B Ralph, R.B Brown R.B, “Forced-air drying of ginseng
roots: 2. Control strategy for three-stage drying process,” Journal of Food
Engineering, Vol 63, pp. 369–373, 2004.
[64] S. J Kim, H. N Murthy, E. J Hahn, H. L Lee, K. Y Paek, “Effect of processing
methods on the concentrations of bioactive components of ginseng (Panax ginseng
C.A. Meyer) adventitious roots,” Food Science and Technology, Vol 41, pp. 959–964,
2008.
[65] M.H Kim, S.M Kim, C.S Kim, S.J Park, C.H Lee and J.Y Rhee, “Quality of Korean
ginseng dried by a prototype continuous flow dryer using far infrared radiation and
hot air,“ Canadian Biosystems Engineering, pp 3.47-3.54, 2002.
[66] X Ning, C Han, “Suitable Drying Model for Far Infrared Drying of Taegeuk
Ginseng,” Journal of food and bioprocess technology, Vol 21, pp. 1087-1094, 2012.
[67] X Ning, C Han, “Drying characteristics and quality of taegeuk ginseng (Panax
ginseng C.A. Meyer) using far-infrared rays,” Food Science and Technology, Vol 48,
pp. 477-483, 2013.
[68] X Ning, J Lee, C Han, “Drying characteristics and quality of red ginseng using far-
infrared rays,” Journal of Ginseng Research, Vol 39, pp. 371-375, 2015.
[69] X Ning, Y Feng, Y Gong, Y Chen, J Qin, D Wang, “Drying features of microwave
and far-infrared combination drying on white ginseng slices,” Food Science and
Biotechnology, Vol 28, pp. 1065-1072, 2019.
[70] Nguyễn Cảnh, Quy Hoạch Thực Nghiệm, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh,
2004.
[71] N.P Zogzas N.P, Z.B Maroulis, D Marinos-Kouris, “Densities, shrinkage and
porosity of some vegetables during air drying,” Drying Technology, Vol 12, pp.
137
1653-1666, 1994.
[72] M.A Rao, S.S.H Rizvi, A K Datta, “Engineering properties of foods,” Third edition.
CRC Press Taylor & Francis Group, 2005.
[73] N.N Mohsenin, Thermal Properties of Foods and Agricultural Materials. New York:
Gordon and Breach, 1980.
[74] M Aghbashlo, M.H Kianmehr, S.R Hassan-Beygi, “Specific Heat and Thermal
Conductivity of Berberis Fruit (Berberis vulgaris),” American Journal of Agricultural
and Biological Sciences Vol3, pp 330-336, 2008.
[75] V.S.P Bitra, S Banu, P Ramakrishna, G Narender, A.R Womac, “Moisture
dependent thermal properties of peanut pods, kernels and shells,” Biosystems
engineering, pp. 503 – 512, 2010.
[76] H Darvishi, M Azadbakht, A.R Asl, “Measurement of Thermal Conductivity,
Specific Heat, Thermal Diffusivity and Diffusivity of Black Sunflower Seeds,”
International Journal of Agriculture and Food Science, Vol2, pp.96-99, 2012.
[77] E.S Hutter, N.I Komle, “Performance of thermal conductivity probes for planetary
applications,” Geoscientific Instrumentation Methods and Data Systems, pp. 53-75,
2012.
[78] P. Yogendrarajah, S. Samapundo, F. Devlieghere, S. D. Saeger, B. D. Meulenaer,
“Moisture sorption isotherms and thermodynamic properties of whole black
peppercorns (Piper nigrum L.),” LWT-Food Science and Technology, vol. 64, no.1,
pp. 177-188, 2015.
[79] S Basu, U. S. Shivhare, S. Muley, “Moisture adsorption isotherms and glass
transition temperature of pectin,” Journal of food science and technology, Vol 53, pp.
585-589, 2013.
[80] S. J. Kowalski and A. Pawłowski, “Intensification of apple drying due to ultrasound
enhancement,” Journal of Food Engineering, vol. 156, pp. 1-9, 2015.
[81] Hoàng Đình Tín, Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất bản Khoa
Học và Kỹ Thuật, Tp Hồ Chí Minh, 2013.
[82] A.C Yunus A, Heat transfer, Second edition. McGraw-Hill Science, 2002.
138
[83] I Dincer, M.M Hussain, A.Z Sahin, B.S Yilbas, “Development of a new moisture
transfer (Bi–Re) correlation for food drying applications,” International Journal of
Heat and Mass Transfer, Vol. 45, No 8, pp. 1749-1755, 2002.
[84] J Crank. The mathematics of diffusion, Second edition, oxford, 1975.
[85] A Lopez, A Iguaz, A Esnoz, P Virseda, “Thin-layer drying behavior of vegetable
wastes from wholesale market,” Drying technology, Vol 18, pp. 995-1006, 2000.
[86] X.J Li, Z.D Wu, Z.J Zhang, H Lu, J.Y Lin, Y Cao, “The sorption isosteric heats of
rice grains in China,” International Working Conference on Stored Product Protection
Vol 10, pp 257-263, 2010.
[87] J Yi, C Hou, J Bi, Y Zhao, J Peng, C Liu, “Novel Combined Freeze-Drying and
Instant Controlled Pressure Drop Drying for Restructured Carrot-Potato Chips:
Optimized by Response Surface Method,” Journal of Food Quality, Vol 2018, Article
ID 6157697, 13 pages, 2018.
[88] British columbia ministry of agriculture food and fisheries (No. 280.380-1, 1998),
Ginseng dryer operation, 1998.
[89] E. M. G. C. D. Nascimento, A. Mulet, J. L. R. Ascheri, C. W. P. D. Carvalho, J. A.
Carcel, “Effects of high-intensity ultrasound on drying kinetics and antioxidant
properties of passion fruit peel,” Journal of Food Engineering, vol.170, pp. 108-118,
2016.
[90] Y. Yao, W. Zhang, S. Liu, “Parametric Study of High-intensity Ultrasonic for Silica
Gel Regeneration,” Energy and Fuels, vol. 23, pp. 3150-3158, 2009.
[91] Y. Yao “Enhancement of mass transfer by ultrasound: Application to adsorbent
regeneration and food drying/dehydration,” Ultrasonics Sonochemistry, vol. 31, pp.
512-531, 2016.
[92] X. Hu and R. Eberhart, “Solving constrained nonlinear optimization problems with
particle swarm optimization,” in Proceedings of the Sixth World Multi conference on
Systemics, Cybernetics and Informatics, pp. 203-206, 2002.
[93] D. P Rini, S. M Shamsuddin, S. S Yuhaniz, “Particle Swarm Optimization:
Technique, System and Challenges,” International Journal of Computer Applications,
139
vol. 14, no.1, pp. 19-27, 2011.
[94] P Laugier, G Haiat, Introduction to the Physics of Ultrasound. Bone Quantitative
Ultrasound, Springer Science and Business Media, pp.29-45, 2011.
[95] K LidstrÖm, L Mauritzson, G Benoni, P Svedman, S Willner, “Application of air-
borne ultrasound to biomedical measurements,” Med & Bial, Eng & Comput 20: 393-
400.
[96] G.M Chen, C.P T So, “Field synergy principle analysis on convective heat transfer in
porous medium with uniform heat generation for thermally developing flow,”
International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol55, pp. 4139–4147, 2012.
[97] A.K Datta, “Hydraulic, permeability of food tissues,” Journal of Food Properties,
Vol.9, pp. 767–780, 2006.
[98] A.K Datta, “Porous media approaches to studying simultaneous heat and mass
transfer in food processes. I: Problem formulations,” Journal of Food Engineering,
Vol 80, pp 80 – 95, 2007.
[99] A.K Datta, “Status of Physics‐Based Models in the Design of Food Products,
Processes, and Equipment,” Journal of Food Science, Vol 7, pp 121-129, 2008.
[100] R.B Bird, W.E Sterwart, E.N Lightfoot, Transport phenomena, (2nd edition). John
Wiley and Sons, Inc, New York, 2001.
[101] H Huang, P Lin, W Zhou “Moisture Transport and Diffusive Instability During
Bread Baking,” Journal on Applied Mathematics, Vol 68, pp. 222-238, 2007.
[102] A.H Feyissa, K.V Gernaey, S Ashokkumar, J Adler-Nissen, “Modelling of coupled
heat and mass transfer during a contact baking process,” Journal of Food Engineering,
Vol 106 (3), pp. 228-235, 2011.
[103] A.D Warning, J.M.R Arquiza, A.K Datta, “A multiphase porous medium transport
model with distributed sublimation front to simulate vacuum freeze drying,” Food
and Bioproducts Processing, Vol 94, pp. 637-648, 2015.
[104] F Nadi, G.H Rahimi, R Younsi, T. Ta, “Numerical Simulation of Vacuum Drying
by Luikov's Equations,” Drying technology, Vol 30, pp. 197-206, 2012.
[105] L Heng, J.P Vincken, K Hoppe, G.A.V Koningsveld, K Decroos, H Gruppen,
140
M.A.J.S. Van Boekel, A.G.J Voragen, “Stability of pea DDMP saponin and the
mechanism of its decomposition,” Food Chemistry 99 (2006) 326–334.
[106] J.T Romero, V.R.N Telis, A.L Gabas, F Yamashita, “Thermophysical properties of
Brazinlian Orange Juice as affected by temperature and water content,” Journal of
Food Engineering, Vol 38, pp. 27–40,1998.
[107] M. A. Magerramov, “Heat capacity of natural fruit juices and of their concentrates
temperatures from 10 to 120 0C,” Journal of Engineering Physics and Thermophysics,
Vol 80, pp. 1055-1063, 2007.
141
Phụ lục phần 2.2.6
Xác định lượng nhiệt tăng thêm khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy
Tiến hành thí nghiệm ở cùng điều kiện TNS với hai chế độ: có và không có sóng siêu
âm hỗ trợ sấy.
Thí nghiệm chế độ 1 (không có sóng siêu âm): tại thời điểm τ = 0, vật liệu được gia
nhiệt bởi TNS có nhiệt độ ta, độ ẩm φa, vận tốc va. Sau một khoảng thời gian τ = τ1,
nhiệt độ vật liệu có giá trị ts,1. Sau một khoảng thời gian τ = τ2, nhiệt độ vật liệu có giá
trị ts,2. Đồ thị nhiệt độ vật liệu ở chế độ thí nghiệm này như TH1 ở hình 3.6.1.2.1
Thí nghiệm chế độ 2 (có sóng siêu âm): tại thời điểm τ = 0, vật liệu được gia nhiệt bởi
TNS có nhiệt độ ta, độ ẩm φa, vận tốc va, đồng thời phát sóng siêu âm với cường độ Iu.
Sau một khoảng thời gian τ = τ1, nhiệt độ vật liệu không đổi và có giá trị ts,1. Sau một
khoảng thời gian τ = τ2, nhiệt độ vật liệu không đổi và có giá trị ts,3. Đồ thị nhiệt độ vật
t
liệu ở chế độ thí nghiệm này dự đoán như TH2 ở hình 3.6.1.2.1
Hình 3.6.1.2.1: Đồ thị nhiệt độ bên trong vật liệu ở hai chế độ thí nghiệm
u u
u
t
Q = A μ I
Năng lượng sóng siêu âm truyền vào bề mặt của vật liệu là:
(2.2.6.1)
Với At, là diện tích trao đổi nhiệt của vật liệu
Nhiệt năng của vật liệu trong khoảng thời gian ∆τ do năng lượng sóng siêu âm cung
p
p
u
W = m c Δt
cấp:
(2.2.6.2)
142
Một cách gần đúng, giả sử trong khoảng thời gian ∆τ toàn bộ năng lượng sóng siêu âm
truyền vào vật chuyển thành nhiệt năng Wu. Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng ta
u
u
W = Q Δτ
có
(2.2.6.3)
A μ I Δτ = m c Δt
t
u
u
p
p
Hay:
(2.2.6.4)
Mặc khác: (2.2.6.5) mp = 2δρpAt
p
μ = u
Từ các công thức trên ta suy ra:
2δ ρ c Δt p Δτ I
u
(2.2.6.6)
Trong đó: ∆t là nhiệt độ vật liệu tăng thêm do có sóng siêu âm hỗ trợ sấy; δ, là một nửa
bề dày của vật liệu sấy; ρp, cp, lần lượt là khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của vật
liệu ẩm; Iu, là cường độ sóng siêu âm trong buồng sấy.
143
Dẫn giải xác định hệ số trao đổi nhiệt ẩm đối lưu khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm
Phụ lục phần 2.2.7.1
av
v = m
m
s
Tốc độ thoát ẩm trung bình của vật liệu được xác định theo công thức [1]:
dM dτ
(2.2.7.1.1)
Sự giảm ẩm của vật liệu xảy ra tại bề mặt của vật liệu do trao đổi ẩm đối lưu giữa nước
(hơi nước) tại bề mặt vật liệu và TSN, động lực của trao đổi ẩm đối lưu là sự chênh
lệch độ ẩm của không khí tại bề mặt vật liệu và độ ẩm của TNS. Tốc độ truyền ẩm đối
v
= A h (m - m )
lưu được xác định theo công thức [1]:
m,c
m m
v,a
v,s
(2.2.7.1.2)
Trong đó: Am, là diện tích trao đổi ẩm của vật liệu; mv,s, mv,a, là thành phần hơi nước có
v
m = v
trong không khí tại bề mặt vật liệu và trong TNS, được xác định theo công thức sau [6]:
ρ ρ
total
(2.2.7.1.3)
ρ
ρ
v,s
v,a
v
-
m,c
= A h m m
ρ
ρ
Khi đó (2.2.7.1.2) trở thành
total,s
total,a
(2.2.7.1.4)
Giả sử hơi nước là khí lý tưởng ta có:
PV = mRT
(2.2.7.1.5)
M j
v a,s
(t ) s
v,sat
=
ρ = v,s
Do đó,
M p v v,s R T u
(t )p s R T u
M p (τ) - j a,s
a
(t )p s
v,sat
(t ) s
ρ = a,s
(2.2.7.1.6)
a,s R T u
(2.2.7.1.7)
144
ρ
totat,s
= ρ + ρ a,s
v,s
Và:
M j
v a,s
(t ) s
v,sat
m = v,s
M j
Khi đó khối lượng hơi nước tại bề mặt của vật liệu sấy là
v a,s
(t )p s
v,sat
a,s
s
(t )p s
a,s
v,sat
(t ) s
(t )p s (t ) + M p (τ) - j a
(2.2.7.1.8)
v a
(t ) a
a
m = v,a
M j (t )p
Tương tự như vậy khối lượng hơi nước có trong TNS
v a
a
v,sat
v,sat (t ) + M p (τ) - j (t )p a,s
a
a
a
a
(t ) a
v,sat
M j (t )p
(2.2.7.1.9)
av
m
s
m m
v,s
v,a
= A h m - m
Áp dụng bảo toàn ẩm cho vật liệu sấy ta có:
dM dτ
(2.2.7.1.10)
Giải phương trình (2.2.7.1.10) trong giai đoạn tốc độ sấy không đối với điều kiện như
sau:
(2.2.7.1.11) Khi: τ = τr thì Mav = M0
τ = τcr thì Mav = Mav,cr
m dM = A h (m - m )dτ m m
v,a
v,s
av
s
Phương trình (2.2.7.1.10) được viết lại: (2.2.7.1.12)
m dM = A h (m - m ) dτ + C
m m
v,s
v,a
av
s
Lấy tích phân 2 vế ta có:
(2.2.7.1.13)
m M = A h (m - m )τ + C
Tính tích phân (2.2.7.1.13) trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi ta có:
m m
v,s
s
av
v,a
(2.2.7.1.14)
Thay điều kiện biên (2.2.7.1.11) vào (2.2.7.1.14) ta có:
m M = A h (m - m )τ + C
145
m m
v,s
v,a
r
0
s
m M = A h (m - m )τ + C
(2.2.7.1.15)
m m
v,s
v,a
cr
av,cr
s
(2.2.7.1.16)
m M - m M av,cr
s
s
0
h = m
Lấy (2.2.7.1.15) trừ (2.2.7.1.16) sắp xếp lại tìm được hệ số truyền ẩm đối lưu hm là:
A (τ - τ )(m - m )
m cr
v,a
v,s
r
(2.2.7.1.17)
h = m
Hoặc:
Δm A (τ - τ )(m - m )
m cr
v,a
v,s
r
(2.2.7.1.18)
Trong đó: ∆m là lượng giảm khối lượng của vật liệu sấy ở giai đoạn tốc độ sấy không
đổi, thời gian bắt đầu τr tính từ lúc bắt đầu sấy đến khi kết thúc giai đoạn tốc độ sấy
không đổi τr; τrc - τr, là thời gian của giai đoạn tốc độ sấy không đổi; mv,s, mv,a lần lượt
là thành phần khối lượng hơi nước trong không khí ẩm tại bề mặt VLS; µu là hệ số gia
tăng nhiệt độ khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy; Iu là cường độ sóng siêu âm; ta, ts lần lượt
là nhiệt độ của TNS và nhiệt độ bề mặt của VLS; hfg là ẩn nhiệt hóa hơi của nước.
Truyền nhiệt tại bề mặt của vật liệu bao gồm: trao đổi nhiệt đối lưu, truyền năng lượng
sóng siêu âm vào vật liệu, năng lượng chuyển ẩm ở dạng lỏng thành hơi và bay hơi tại
av
= h A (t - t ) - h m a
fg
s
t
t
s
+ μ I A u u,c
t
bề mặt. Áp dụng cân bằng năng lượng cho vật liệu sấy ta có
m c dt p p dτ
dM av dτ
(2.2.7.1.19)
Trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi, quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm diễn ra đồng
thời nhưng lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu hầu hết dùng để chuyển ẩm ở dạng lỏng
thành dạng hơi và bay hơi ở bề mặt nên nhiệt độ trung bình của vật liệu không đổi. Do
0 = h A (t - t ) - h m a
fg
s
t
t
s
+ μ I A u u,c
t
vậy, vế trái của (2.2.7.1.19) bằng không, khi đó (2.2.7.1.19) trở thành
dM av dτ
(2.2.7.1.20)
Thay (2.2.7.1.10) vào (2.2.7.1.20) sắp xếp lại ta có hệ số truyền nhiệt đối lưu khi có
h h (m - m ) - μ I
fg m
u u,c
h = t
sóng siêu âm lan truyền là
v,s v,a (t - t ) s
a
(2.2.7.1.21)
146
Phục lục phần 2.3
Tính toán thiết kế máy sấy bơm nhiệt
2.3.1. Tính toán thiết kế buồng sấy
- Chọn buồng sấy hình hộp chữ nhật.
- Khối lượng vật liệu sấy tối đa 0,5 kg/mẻ.
- Buồng sấy được chia thành 2 ngăn. Một ngăn có sóng siêu âm, một ngăn không
có sóng siêu âm. Tác nhân sấy thổi qua hai bề mặt của vật liệu sấy ở hai buồng
sấy là như nhau.
- Khay chứa mẫu thuộc dạng khay kiểu vỉ lưới inox lỗ lưới 1 mm. Mỗi một ngăn
có một khay chứa mẫu, mỗi khay chứa mẫu có khả năng chứa tối đa 0,25 kg vật
liệu.
Kết quả tính toán, buồng sấy có kích thước 250x250x300 mm
I =1
I (kJ/kgkkk) I 4 100%
I 2
I 3
2.3.2 Tính toán lượng tác nhân sấy
Hình 2.3.1: Giản đồ không khí ẩm biểu diễn quá trình sấy
Để thuận lợi cho việc tính toán, giản đồ t-d của không khí ẩm (TNS) trong quá trình
sấy chia thành 4 quá trình:
- 1-2: quá trình làm lạnh TNS
- 2-3: quá trình tách ẩm trong TNS
- 3-4: quá trình gia nhiệt TNS
- 4-1: quá trình sấy
147
Giả sử không khí ban đầu có nhiệt độ 30 ºC và độ ẩm 75%. Từ giản đồ I-d ta xác định
được nhiệt độ đọng sương là 25 ºC. Như vậy, nhiệt độ TNS được chọn trong quá trình
thực nghiệm phải lớn hơn nhiệt độ đọng sương (25 ºC)
Các thông số gần đúng của quá trình sấy (dựa vào giản đồ t-d) thể hiện ở bảng 1
Bảng 1: Các thông số của quá trình sấy
Trạng thái d (kg/ kgkkk) φ (%) I (kJ/kg) ta (ºC)
1 40 0,02 43 92,5
2 25 0,02 100 76,5
3 12 0,0088 100 34,2
4 50 0,0088 12 74,5
m = m p
n
Lượng nước cần bay hơi 0,5 kg đảng sâm có độ ẩm ban đầu 90% xuống còn 13%
X - X 0 bq 100- X
bq
(2.3.1)
m = 0,5
0,435
kg
n
89-13 100-13
(2.3.2)
Lượng TNS cần thiết để tách 0,435 kg nước ra khỏi vật liệu là:
4
= = 38,85 kg (2.3.3) m = a 0, 435 0,02- 0,0088 m n d -d 1
Giả sử thời gian sấy là 8 giờ. Lưu lượng khối lượng tác TNS được xác định như sau
=
= 0,00135 kg/s
G = a
m a 8×3600
38,85 8×3600
(2.3.4)
2.3.3 Tính toán lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy
Nhiệt lượng làm nóng vật liệu sấy
Q = m ×c ×(t - t ), kJ p
2
1
p
1
(2.3.5)
Trong đó: mp: khối lượng vật liệu cần sấy, mp = 0,5 kg; cp: nhiệt dung riêng trung bình
của đảng sâm, cp = 2,6 kJ/kg ºC; t1, t2: lần lượt là nhiệt độ trước khi sấy và đạt đến nhiệt
độ TNS của đảng sâm, t1 = 25 ºC, t2 = 50 ºC
Vì vậy,
148
1Q = 0,5× 2, 6×(50 - 25) = 32,5, kJ
(2.3.6)
Chọn thời gian để vật liệu sấy đạt đến 50 ºC là 20 phút
Công suất nhiệt làm nóng vật liệu sấy là:
= 0,027 kW
32,5 20×60
(2.3.7) 1 P =
Nhiệt lượng cần thiết để nước trong vật liệu hóa hơi
Q = m h , kJ n fg
2
(2.3.8)
Với: hfg là ẩn nhiệt hóa hơi của nước, hfg = 2394 kJ/kg
Vì vậy,
2Q = 0, 435×2394 = 1041, 4 kJ
(2.3.9)
Giả sử thời gian sấy cần thiết để độ ẩm của vật liệu đạt được 13% là 9 giờ
Công suất nhiệt để ẩm trong vật liệu bay hơi cho đến khi độ ẩm trong vật liệu 13% là
= 0,032 kW
P = 2
1041,4 9×3600
(2.3.10)
Tổn thất nhiệt qua quá trình sấy
2×π(t - t ) 1 2
2 , W/m
q = 3
ln
+ Tổn thất qua đường ống
1 λ 1
d 2 d 1
(2.3.12)
Trong đó: + t1, t2: lần lượt là nhiệt độ bên trong và bên ngoài ống, t1 = 50 (ºC), t2 = 30
(ºC); d1, d2, lần lượt là đường kính bên trong và bên ngoài ống, d1 = 100 (mm), d2 = 110
(mm); λ1, hệ số truyền nhiệt của của nhựa PVC, λ1= 0,15 W/m ºC
2 = 197,6 W/m
q = 3
1
Vì vậy,
2× π(50- 30) 110 ln 0,15 100
(2.3.13)
Từ bản vẽ thiết kế mô hình máy sấy của luận án xác định được tổng chiều dài đường
ống là 2,2 m. Tổng diện tích bề mặt ống là
149
2
3S = 0,11×3,14×2, 2 = 0,76 m
(2.3.14)
Vậy, tổn thất nhiệt qua đường ống
3P = 0,76×197,6 = 150,2 W = 0,1502 kW
(2.3.15)
+ Tổn thất nhiệt tại buồng sấy:
• Nhiệt lượng làm nóng buồng sấy
Q = m c bs
4_1
inox
(t - t ), kJ 2
1
(2.3.16)
Trong đó: mbs, là khối lượng buồng sấy, mbs = 9,5 kg; cinox, nhiệt dung riêng của inox,
cinox = 0,5 kJ/ kg K; t1, t2, lần lượt là nhiệt độ bên trong và bên ngoài buồng sấy, t1 = 50
(ºC), t2 = 30 (ºC). Vậy,
4_1Q = 9,5×0,5x(50 -30) = 95 kJ
(2.3.17)
Công suất nhiệt để làm nóng buồng sấy
= 0,079 kW
P = 4_1
95 20×60
(2.3.18)
2
=
2 =49,4 W/m
q = 4_2
+
+
+
+
• Tổn thất qua vách buồng sấy
50-30 0,0015 0,015 0,0015 0,037 54,5
45
t - t 1 δ 2 λ
2
δ 3 λ 3
δ 1 λ 1
(2.3.19)
Trong đó: + t1, t2, lần lượt là nhiệt độ bên trong và bên ngoài buồng sấy, t1 = 50 (ºC), t2
= 30 (ºC); δ1, δ2, δ3, lần lượt là bề dày của inox, bề dày lớp cách nhiệt và bề dày lớp tôn,
m
Tổn thất nhiệt qua vách buồng sấy
= 0,525×49,4 =25,9 W = 0,0259 kW
P = S ×q 4_2
bs
4_2
(2.3.20)
4
4
4
4 )
)
)
(
)
P = 4_3
S bs
C 0
T 2 ( 100
50 273 100
30 273 100
0.9 0,525 5,67 (
T 1 ( 100
66
W
0,66
kW
• Tổn thất do bức xạ
(2.3.21)
150
Trong đó: + t1, t2, lần lượt là nhiệt độ bên trong và bên ngoài buồng sấy, t1 = 50 (ºC), t2
= 30 (ºC); ε, hệ số bức xạ; C0, hệ số vật đen tuyệt đối, C0 = 5,67; Sbs, là diện tích xung
quanh buồng sấy.
Vậy, tổn thất nhiệt tại buồng sấy
P = P + P + P = 0,079 + 0,0259 + 0,066 = 0,1709 kW 4
4_2
4_3
4_1
(2.3.22)
Vậy, tổng công suất nhiệt cần cho hệ thống là:
1
2
3
4
(2.3.23) P = P + P + P + P = 0,38 kW
2.3.4 Tính toán công suất máy nén
Công suất lạnh của hệ thống
P = G × I - I = 0,00135×(76,5-34,2) = 0,0575 kW
2
3
l,s
a
(2.3.24)
Chọn môi chất là R22, nhiệt độ bay hơi t0 = 0 0C, nhiệt độ ngưng tụ tk = 60 0C. Dựa
trên chu trình khô, môi chất R22 ta có: h1 = 705 kJ/kg, h4 = 575 kJ/kg
N =
=
= 0,00044 kg/s
Năng suất khối lượng của máy nén
0,0575 705-575
P l,s h - h 1
4
(2.3.25)
Công suất nén đoạn nhiệt
P = N× h - h = 0,00044×39 = 0,0172 kW
2
1
N
(2.3.26)
=
= 0,031 kW
Công suất nén hữu ích
P = E
P N 0,55
0,0172 0,55
(2.3.27)
Công suất tiêu thụ điện
(2.3.28) P =1,8×P = 0,056 kW mn mn
Chọn máy nén lạnh piston có công suất 0,5 HP để thiết kế máy sấy.
2.3.5. Tính toán cho dàn ngưng
Môi chất là R22 nên vật liệu dàn ngưng chính là ống đồng và cánh nhôm, đường kính
trong 10mm, đường kính ngoài 11 mm
151
Thông số ban đầu:
- Công suất nhiệt của dàn ngưng chính tính toán Pnc = 168 x 0,0018 = 0,3 kW.
Chọn 0,7 kW
- Nhiệt độ không khí vào dàn 13 ºC
- Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn 50 ºC
- Nhiệt độ ngưng tụ môi chất là 60 ºC
- Tốc độ không khí vào dàn v = 1-3 m/s
Dựa vào sách chuyên khảo, kết quả tính toán như sau:
- Diện tích trao đổi nhiệt là 0,52 m2
- Tổng số ống 24 ống
Tương tự như vậy, thông số của dàn ngưng phụ có công suất nhiệt 0,25 kW như sau:
- Diện tích trao đổi nhiệt là 0,27 m2
- Tổng số ống: 10 ống
Dựa vào sách chuyên khảo, tính toán thông số cho dàn bay hơi có công suất nhiệt
0,45 kW là
- Diện tích trao đổi nhiệt là 0,25 m2
- Tổng số ống 16 ống
2.3.6 Chọn công suất quạt
Dựa vào thông số kích thước của từng cụm mà TNS đi qua, tổn thất áp suất của
toàn hệ thống được xác định từ đó tính toán công suất cho quạt. Kết quả, công suất
của quạt tạo ra vận tốc TNS lớn nhất 3 m/s là 0,5 HP.
2.3.7 Chọn điện trở gia nhiệt phụ
Nhiệt độ TNS được tinh chỉnh bởi điện trở gia nhiệt và bộ điều khiển có công suất
nhiệt lớn nhất là 1kW nhằm ổn định nhiệt độ trong suốt quá trình sấy.
152
Phụ lục phần 3.2
Xác định áp suất do sóng siêu âm tạo ra tại vật liệu sấy
2
2
Sóng siêu âm lan truyền trong không khí thuộc dạng sóng dọc với phương trình
2 v w a ,
( , ) u z 2
( , ) u z 2 z
(3.2.1)
Có nhiều phương pháp giải để tìm nghiệm của phương trình (3.2.1) tùy theo điều kiện
biên cụ thể của bài toán. Ở đây sử dụng phương pháp tách biến
Đặt: (3.2.2) u(z,τ)=Ux(z)Uτ(z)
Trong đó: Ux(z), hàm theo biến z là đại lượng đặc trưng cho biên độ dao động của sóng;
Uτ(τ), hàm theo biến τ là đại lượng đặc trưng kiểu dao động của sóng. Trong ứng dụng
này, sóng siêu âm được ứng dụng để hỗ trợ sấy, buồng sấy được phát sóng dạng dao
động điều hòa sin(ωuτ) và là động lực sinh ra dao động các phân tử khí. Giả sử dao
động của các phân tử khí trong buồng sấy trùng với tần số này, khi đó Uτ(τ) được kiến
2
2
nghị cho trường hợp này là Uτ(τ) = sin(ωuτ) khi đó (3.2.1) được viết lại
U (z) = v
z
2 w,a
U (τ) τ
d U (τ) τ 2 dτ
d U (z) x 2 dz
= v
(3.2.3)
2 w,a
2 -ω sinω τ u u sinω τ u
U (z) x U (z) x
(3.2.4) Hoặc:
2
u
U (z) +
U (z) = 0
z
z
Hoặc là:
ω v
w,a
(3.2.5)
Phương trình (3.2.5) là một dạng phương trình vi phân cơ bản có nghiệm là
zU (z) = Asinβz + Bcosβz
(3.2.6)
Nghiệm của (3.2.2) ở dạng tổng quát như sau:
u(z, τ) = (Asinβz + Bcosβz)sinω τ
u
(3.2.7)
u
β =
Với β là tham số tần số:
ω v
w,a
(3.2.8)
A,B: là hằng số được xác định theo điều kiện biên; ωu, là tần số góc của sóng siêu âm
153
Điều kiện biên: + tại vị trí z=0 thì biên độ dao động là U0 với mọi τ
+ tại vị trí z=L (vị trí đặt vật liệu sấy) thì biên độ dao động là UL với
mọi τ
Thay điều kiện biên vào (3.2.7) ta có
U sinω τ = (Asin0 + Bcos0)sinω τ
0
u
u
(3.2.9a)
U sinω τ = (AsinβL + BcosβL)sinω τ
L
u
u
(3.2.9b)
L
B = U ; A = 0
Giải ra ta có:
U - U cosβL 0 sinβL
(3.2.10)
L
u(z, τ) =
sinω τ u
Thay (3.2.10) vào (3.2.6) sắp xếp lại ta có
U sinβz + U sinβ(L - z) 0 sinβL
(3.2.11)
L
p = p + p = ρ v
+ p = ρ ω v
a,u
a,0
a
a w,a
a
u w,a
a,0
cosω τ + p u
a,0
Áp suất không khí khi có sóng siêu âm lan truyền (Laugier (2011) [94])
du dτ
U sinβz + U sinβ(L - z) 0 sinβL
(3.2.12)
Với: pa,0, là áp suất khí quyển; ρa, khối lượng riêng của không khí; ωu, là tần số góc của
sóng siêu âm.
Dao động của các phân tử khí trong buồng sấy khi có sóng siêu âm lan truyền được thể
hiện ở phương trình (3.2.11). Đồng thời, từ (3.2.11) cho thấy biên độ dao động của
phân tử khí đạt vô hạn khi sinβL = 0, lúc này dao động của phân tử ở tần số tự nhiên
(tần số cộng hưởng), điều này chỉ xảy ra khi
βL = kπ,
(k = 0,1, 2,...)
L =
=
,
(k = 0,1, 2,...)
(3.2.12)
kπ β
v k w,a 2f
u
Hoặc (3.2.13)
Và k=1 thì L=0,0085 m là vị trí được chọn để đặt vật liệu sấy.
Năng lượng của sóng siêu âm truyền trong không khí bao gồm động năng và thế năng.
Khi lan truyền sóng sẽ truyền dao động cho các phần tử khí, do vậy, động năng và thế
năng của nó sẽ bằng động năng và thế năng của phân tử khí và bằng:
+ Động năng
k,u
2 a w,a
= V ρ v a
2 a w,a
154
1 E = m v 2
1 2
(3.2.14)
Trong đó: ma, là khối lượng của không khí trong thể tích Va; ρa, là khối lượng riêng của
không khí.
V
z
E = - Fdz = - Vdp
p,u
+ Thế năng:
z
V 0
0
(3.2.15)
Giả sử không khí trong buồng sấy là khí lý tưởng nên
PV = const
(3.2.16)
Vdp = -pdV
Do đó: (3.2.17)
p,u
a
2 a w,a
Từ (3.2.12), (3.2.15), (3.2.16), (3.2.17) ta có
1 E = V ρ v 2
(3.2.18)
E = E + E = V ρ v + V ρ v = V ρ v a
p,u
k,u
a,c
a,c
u
a
a
2 a,u
2 a,u
2 a w,a
Năng lượng siêu âm trong một thể tích Va:
1 2
1 2
(3.2.19)
2
u
L
=
ρ v
= ρ v
2 cos ω τ
E = d,u
2 a w,a
2 a w,a
= ρ ω a
2 u
u
Mật độ năng lượng siêu âm (Laugier (2011) [94]):
E V
U sinβz + U sinβ(L - z) 0 sinβL
a,c
V a V a
(3.2.20)
Mật độ năng lượng siêu trung bình trong khoảng thời gian τu khi có sóng siêu âm lan
2
τ
τ
u
u
2
L
E
=
E dτ =
d,u
d,u
ρ ω a
2 u
(cos ω τ)dτ u
truyền
1 τ
U sinβz + U sinβ(L - z) 0 sinβL
1 τ
u
u
0
0
(3.2.21)
2
L
E
d,u
a
2 u
Tính toán tích phân trên ta có
1 = ρ ω 2
U sinβz + U sinβ(L - z) 0 sinβL
(3.2.22)
2
L
v
I = E u,c
d,u
u,a0
= ρ ω v a
2 u
u,a0
Cường độ năng lượng siêu âm (Laugier (2011)[94]):
1 2
U sinβz + U sinβ(L - z) 0 sinβL
(3.2.23)
155
I
u,z0
2 = ρ ω v U u w,a
a
2 0
Tại bề mặt tấm phát xạ (z=0) cường độ siêu âm là
1 2
(3.2.24)
Giả sử năng lượng sinh ra từ dao động của tinh thể áp điện được chuyển hoàn toàn
thành năng lượng siêu âm (không có tổn thất ở đầu phát sóng) thì cường độ siêu âm
I = u,s
được phát ra từ đầu phát sóng
P u S
R
(3.2.25)
Trong đó: Pu, là công suất của nguồn phát sóng (công suất điện), SR diện tích tấm phát
xạ
Giả sử năng lượng từ đầu phát sóng truyền ra hết lớp không khí sát bề mặt của tấm. Do
I
u,x0
= I = ρ ω v U = a
2 u w,a
u,s
2 0
vậy:
1 2
P u S
R
(3.2.26)
Vì tấm phát xạ của đầu phát sóng siêu âm tiếp xúc trực tiếp với không khí trong buồng
sấy nên biên độ dao động của tấm phát xạ (S0) bằng với biên độ của các phân tử khí
(U0 = S0) và được xác định theo công thức sau đây:
S = 0
1 2πf
u
2P u ρ v S a w,a R
(3.2.27)
Dựa vào công thức (3.2.27) ta có thể xác định được biên độ dao động của đầu phát
sóng khi biết được công suất của nguồn phát, tần số của sóng siêu âm, vận tốc truyền
âm trong không khí, diện tích đầu phát. Làm cơ sở tính toán thiết kế đầu phát sóng siêu
âm
Sự suy giảm của sóng siêu âm trong buồng sấy
Theo LidstrÖm (1982), sóng siêu âm lan truyền trong môi trường không khí sẽ bị suy
giảm theo khoảng cách. Do vậy, áp suất âm cũng bị suy giảm theo khoảng cách và biên
a-μ z
độ áp suất âm được xác định theo công thức
p
= p
e
uAz
uA0
(3.2.28)
Trong đó: µa, hệ số hấp thụ biên độ sóng âm của không khí; puAz, biên độ áp suất tại vị
156
trí x; puAz, biên độ áp suất tại vị trí z=0.
Hệ số hấp thụ biên độ sóng siêu âm trong không khí (µa) có đơn vị là neber/m, thực tế
đơn vị dB/m thường áp dụng hơn, có thể chuyển đổi theo công thức (LidstrÖm,
1982)[95]
α = 20log(e)μ = 8.686μ a a
a
(3.2.29)
Với: αa, hệ số hấp thụ biên độ sóng âm đơn vị của không khí, đơn vị dB/m. Theo
LidstrÖm (1982) αa phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ và tần số sóng siêu âm. Ở nhiệt độ
200C và độ ẩm không khí từ 20 ÷ 40% (phù hợp với nhiệt độ và độ ẩm được chọn trong
nghiên cứu này) thì 0,5 ≤ αa ≤ 0,8, trong nghiên cứu này chọn αa = 0,65 dB/m.
L
ρ v ω a w,a
u
U sinβz + U sinβ(L - z) 0 sinβL
uAz
= -
ln
= -
ln
μ = a
α .L a 8.686
1 z
p p
1 z
ρ v ω U
uA0
a w,a
u
0
Từ (3.2.12), (3.2.28), (3.2.29) ta có:
(3.2.30)
L
-α x a 8.686
= e
Hoặc
U sinβx + U sinβ(L - x) 0 sinβL U
0
(3.2.31)
2 -0.0748L
Tại vị trí z = L (là vị trí đặt vật liệu sấy) và αa = 0,65 dB/m ta có
U = U e 0
L
(3.2.32)
Theo công thức (3.2.32) ta thấy biên độ dao động của sóng âm sẽ bị giảm theo khoảng
cách Tuy nhiên, nếu khi L đủ nhỏ (vật liệu sấy đặt gần tấm phát xạ, chọn từ
0,001÷0,020m) thì suy giảm biên độ dao động của các phần tử khí không đáng kể, khi
đó.
U
U
L
0
(3.2.33)
2
R
p = ρ v
a
a w,a
cos(2πf τ) + p u
a,0
P u S ρ v
Khi đó áp suất cục bộ do sóng siêu âm tạo nên
a w,a
(3.2.34)
157
Với: pa,0, là áp suất khí quyển; ρa, khối lượng riêng của không khí; fu, là tần số của
sóng siêu âm; SR, diện tích tấm phát xạ của bộ phận phát sóng siêu âm; vu,a0, vận
tốc truyền sóng siêu âm trong không khí, Pu, công suất của nguồn phát sóng siêu
âm
2
u
R
ρ v
ρ v
a w,a
a w,a
P u S ρ v
2I ρ v
a w,a
a w,a
=
P = a
= ρ v I a w,a u
Giá trị hiệu dụng của áp suất do sóng siêu âm tạo ra là
2
2
(3.2.35)
158
Phụ lục phần 3.5.1
Xác định khối lượng riêng đảng sâm Việt Nam
s
Khối lượng riêng của vật liệu khô (ρs) được xác định theo công thức:
ρ = s
m V s
(3.5.1.1)
Với: ms, Vs, lần lượt là khối lượng và thể tích của vật liệu khô.
Khối lượng (ms) được xác định bởi cân phân tích (đơn vị đo là gam, chỉ thị 3 số thập
phân) thể hiện ở hình 3.5.1.1d. Sử dụng phương pháp thủy trọng kế dạng khí có sơ đồ
thiết bị như hình 3.5.1.1a và thiết bị như hình 3.5.1.1b ta xác định được thể tích riêng
của vật liệu.
a
b c d
Hình 3.5.1.1: Thiết bị thí nghiệm xác định thể tích riêng vật liệu
Xác định thể tích VT1, VT2
Theo phương pháp tỉ trọng kế dạng khí thì thể tích của vật liệu (Vs) đặt trong bình chứa
mẫu T1 được xác định như công thức (3.5.1.2)
V
VV
s
T1
159
1
1
T2 p p
2
(3.5.1.2)
Trong đó: p1 là áp suất trong bình chứa mẫu T1 khi V1 đóng, V2 đóng, V3 đóng; p2 là
áp suất trong bình chứa mẫu T1 khi V1 đóng, V2 mở, V3 đóng (lúc này T1 và T2
thông nhau); VT1, VT2 lần lượt là thể tích của bình chứa mẫu T1 và bình chuẩn T2. Áp
suất p1 và p2 được đo bởi đồng hồ đo áp suất chuẩn (model 200 103GP-3-p).
Để xác định thể tích của bình chứa mẫu T1 và bình chuẩn T2 ta dựa vào thể tích chuẩn
của vật mẫu (vật mẫu là 2 quả cân chuẩn, quả thứ nhất có mR1=100g có thể tích chuẩn
là VSR_100g= 12,739 ml, quả thứ hai có mR2 = 500g VSR_500g= 63,694 ml thể hiện ở hình
4.2.1.1c). Tiến hành thí nghiệm trên hai quả cân ở điều kiện nhiệt độ phòng khoảng
320C, khí trơ H2 (Helium) được nén với áp suất 2 bar lưu trữ ở bình chịu áp (hình
2.2.3.1.1b) làm nguồn áp suất cho hệ thống. Thí nghiệm được thực hiện ở 3 mức áp
suất khác nhau, mỗi mức áp suất được thực hiện 3 lần lặp lại sau đó tính trung bình, kết
quả thí nghiệm thể hiện ở bảng 3.5.1.1.
Bảng 3.5.1.1: Giá trị áp suất ở những lần thí nghiệm xác định thể tích riêng vật liệu sấy:
Đối với vật liệu chuẩn mR1 Đối với vật liệu chuẩn mR2 Lần thí Áp suất p1 Áp suất p2 Áp suất p1 Áp suất p2 nghiệm (kPa) (kPa) (kPa) (kPa)
1 155 111 156 99
2 119 85 119 75
3 152 109 164 104
V
T1
1-
T2 p 1 p
2
V
63,94 = V +
T1
1-
T2 p 1 p
2
12, 739 = V +
Với thể tích chuẩn của hai vật liệu mẫu là 12,739 ml và 63,940 ml ta có
Từ số liệu ở bảng 3.5.1.1 ta xác định VT1, VT2 ở 3 lần thí nghiệm như sau:
160
Bảng 3.5.1. 2: Thể tích hai bình thí nghiệm
Vật liệu chuẩn mR1 Vật liệu chuẩn mR2 Lần thí VT1 VT2 Áp suất P1 Áp suất P2 Áp suất P1 Áp suất P2 nghiệm (ml) (ml) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa)
1 155 111 156 99 175,790 64,567
2 119 85 119 75 172,689 63,980
3 152 109 164 104 173,400 63,300
Thể tích của bình T1 và bình T2 là giá trị trung bình ở 3 lần thí nghiệm ở 3 mức áp suất
= 173, 960
V = T1
175,790 +172, 689 +173, 400 3
= 63,949
V = T2
64,567 + 63,980 + 63,300 3
khác nhau:
Vậy thể tích của bình chứa mẫu T1 là 173,960 và bình chuẩn T2 là 63,949 ml
Xác định thể tích riêng và khối lượng riêng của đảng sâm
Sau khi xác định thể tích bình T1 và bình T2 ta tiến hành thí nghiệm xác định thể tích
riêng của vật liệu sấy. Vật liệu sấy cần xác định thể tích riêng là đảng sâm lát khô tuyệt
đối (sau khi sấy kiệt) có khối lượng 38,133g. Qui trình thí nghiệm được thực hiện đúng
theo tiêu chuẩn ISO1183-3. Thí nghiệm được thực hiện tại 3 mức áp suất khác nhau,
giá trị áp suất p1 tại những thời điểm thí nghiệm được ghi nhận lại, thể tích riêng của
vật liệu khô tuyệt đối được tính toán theo công thức (3.5.1.2) và thể hiện ở bảng 3.5.1.3.
Hình 3.5.1.2: Thí nghiệm xác định thể tích riêng của vật liệu sấy
161
Bảng 3.5.1. 3: Thể tích riêng của vật liệu khô ở những lần thí nghiệm khác nhau
Lần thí nghiệm Áp suất P1 Áp suất P2 Thể tích riêng của vật liệu khô Vs
(kPa) (ml) (kPa)
1 153 23,539 107
2 140 23,537 98
3 120 23,539 84
s
=
= 1, 62
ρ = s
38,133 23, 539
m V s
Khối lượng riêng của đảng sâm khô tuyệt đối được xác định như sau:
Vậy khối lượng riêng của đảng sâm phụ thuộc độ chứa ẩm được xác định theo công
1+ M
=
ρ = p
1
M
1+ M 1 M + ρ
ρ
w
s
+ 1620 1020
thức sau:
Trong đó, M (kg/kg VLK) là độ ẩm của vật liệu tính ở cơ sở khô.
162
Phụ lục phần 3.5.2
Xác định nhiệt dung riêng đảng sâm
Các bước tính toán được trình bày như sau, Bitra và cộng sự (2010) [75]:
Bước 1: Thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng của bình chứa mẫu:
Nhiệt dung riêng của bình chứa mẫu cần xác định trước khi làm thí nghiệm xác định
nhiệt dung riêng của vật liệu. Bình chứa mẫu có khối lượng mc, nhiệt độ ban đầu bên
trong bình chứa mẫu là tc,1 chính là nhiệt độ của môi trường (nhiệt độ không khí chung
quanh bình chứa mẫu). Nước cất trước khi cho vào bình chứa mẫu được giữ nhiệt độ
ổn định ở mức tc,2, một lượng mdw được cho vào bình chứa mẫu, đậy kín bình, lắc nhẹ 2
phút sau đó giám sát nhiệt độ nước trong bình khoảng 240 phút. Trong khoảng thời
gian giám sát (240 phút): nhiệt độ trong bình chứa mẫu sẽ chạm đến giá trị cân bằng tc,e
sau một khoảng thời gian Δτc (khoảng 60 phút), tiếp tục giám sát nhiệt độ trong bình
chứa mẫu trong khoảng thời gian còn là (từ phút 60 đến phút 240 còn lại) để tính lượng
nhiệt bị mất ra môi trường (tc,lo) trong khoảng thời gian Δτc:
t
c,lo
= r Δτ c
c
(3.5.2.1)
Với: rc, là tốc độ mất nhiệt từ bình chứa mẫu ra môi trường và được xác định theo công
Δt
c,lo
r = c
thức:
Δτ
c,lo
(3.5.2.2)
Trong đó: Δtc,lo, là lượng nhiệt độ bị giảm trong (từ phút 60 đến phút 240 còn lại), Δτc,lo,
là lượng thời gian trong (từ phút 60 đến phút 240 còn lại) tức là Δτc,lo = 240-60 =180
phút
Sự thay đổi nhiệt độ trong bình chứa mẫu được thể hiện ở hình sau
Hình 3.5.2.1: Giãn đồ thời gian sự thay đổi nhiệt độ trong bình chứa mẫu
163
Dựa vào bảo toàn năng lượng, nhiệt dung riêng của bình chứa mẫu được xác định theo
c,lo
Δτ
dw
c,2
c
Δt Δτ
c,lo
c m t dw
c = c
c,lo
Δτ
- t
c,e
c
c
c,1
- t + c,e Δt Δτ
c,lo
công thức sau:
m t +
(3.5.2.3)
Với: cdw, là nhiệt dung riêng của nước cất tại nhiệt độ là giá trị trung trung bình của tc,2
-2 2 c = 4219,5 - 3t + 8×10 t dw c,i
c,i
-4 3 -6 4 - 8×10 t + 3×10 t c,i c,i
và (tc,e +rcΔτc) được xác định theo công thức sau:
(3.5.2.4)
Bước 2: Thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng của vật liệu
Trình tự thí nghiệm và tính toán nhiệt dung riêng của vật liệu cp cũng giống như trình
tự xác định nhiệt dung của bình chứa ẩm, sau khi cho nước cất vào bình xong thì cho
vật liệu có khối lượng mp có nhiệt độ tp rồi thực hiện tiếp theo. Cuối cùng công thức
c,lo
c,lo
Δτ
Δτ
- t
dw
c,2
c
c
c,e
c
c,1
Δt Δτ
Δt Δτ
c,lo
c,lo
- t + c,e
c m t dw
pc
c,lo
Δτ
- t
p
c
c,e
p
Δt Δτ
c,lo
tính toán nhiệt dung riêng của vật liệu như sau:
- c m t + c
m t +
(3.5.2.5)
Ngoài ra để kểm tra độ tin cậy của của thiết bị đề tài cũng đã tính toán nhiệt dung riêng
của đảng sâm theo thành phần cấu thành nên vật với giả sử thành phần carbonhydrate
của đảng sâm bằng sâm Hàn Quốc. Đề tài đã kiểm tra thành phần đảng sâm: protein =
3,486%; chất béo = 1,723%; tro = 4,133%. Một số công thức thực nghiệm thường được
w
.c
w
c
.c
p_water
protein
dùng xác định nhiệt dung riêng dựa vào các thành phần cấu thành nên thực phẩm [1]:
p_mixture
water w
.c
.cw fats .c
p_protein w
p_fats
carbohydra
tes
p_carbohyd
rates
fibers
p_fibers
.cw ash
p_ash
(3.5.2.6)
Trong đó, các hệ số wxx (0-1) là các thành phần khối lượng của thành phần chất đó
trong thực phẩm, các cp_xx (J/kg 0C) là nhiệt dung riêng của các thành phần được xác
định như sau [1]:
164
Nhiệt dung riêng thành phần:
Water: cp_water = 4176,2 - 0,0909t +5,4731x10-3t2
Protein: cp_protein= 2008,2 + 1,2089t -1,3129x10-3t2
Fat: cp_fat=1984,2 + 1,4373t -4,8008x10-3t2
Carbohydrates: cp_carbohydrates=1548,8 + 1,9625t -5,9399x10-3t2
Fibers: cp_fibers=1845,9 + 1,8306t -4,6509x10-3t2
Ash: cp_ash=1092,6 + 1,8896t -3,6817x10-3t2
Nghiên cứu này đã thiết kế chế tạo thiết bị đo nhiệt dung riêng này, số liệu trong quá
trình thí nghiệm được lưu trữ tự động trong máy tính, sau đó tính toán tính toán nhiệt
dung của vật liệu. Việc tính toán xác định nhiện dung riêng theo công thức (3.5.2.5)
được thực hiện tự động bằng phần mềm có giao diện chính như sau:
Hình 3.5.2.2:Phần mềm xác định nhiệt dung riêng vật liệu
Sáu mẫu thí nghiệm ngẫu nhiên được xác định độ rồi tiến hành đo đạt. Mỗi mẫu đo
thực hiện 3 lần lặp lại. Kết quả đo nhiệt dung riêng của đảng sâm được thể hiện ở bảng
sau:
Bảng 3.5.2.1: Nhiệt dung riêng của đảng sâm theo độ ẩm
Kết quả tính Kết quả đo, J/kg K toán, J/kg K
165
TT Độ ẩm, % Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình
1 11 921,81 928,92 925,67 925,47 921,47
2 25 1543,22 1553,59 1542,67 1546,49 1548,43
3 43 2169,76 2178,12 2176,01 2174,63 2175,39
4 50 2586,64 2589,35 2586,83 2587,60 2593,36
5 64 3220,65 3218,19 3213,45 3217,43 3220,32
6 85 4052,67 4057,7 4046,35 4052,27 4056,26
Phân tích hồi qui xác định nhiệt dung riêng đảng sâm theo độ ẩm như sau
166
Phụ lục phần 3.5.3
Xác định hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm Việt Nam
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của que thăm
Cấu tạo: Que thăm gồm các thành phần: vỏ que là một ống hình trụ rỗng (1) có đường
kính ngoài 3,5mm, đường kính trong 3,3 mm bằng đồng thau để tăng khả năng dẫn
nhiệt của que. Dây đốt nóng (3) loại Cr-Ni (Cr20Ni80, 0,2mm) được đặt vào trong
thanh đỡ (4) xuyên suốt ở giữa ống và được giữ chặt ở trong ống bởi chất điền đầy (2)
magnesium dạng bột (MgO) là loại vật liệu dẫn nhiệt cao. Ở giữa que thăm, có lắp đặt
cảm biến đo nhiệt độ (5) (Thermocouple loại K, 1mm) để đo nhiệt độ bề mặt của que
trong quá trình đốt nóng. Cán của que (6) được chế tạo với liệu bằng nhựa, ống lót (7)
được chế tạo từ vật liệu gỗ thông giữ cho dây điện và cảm biến đo nhiệt độ ở trong que
không xê dịch. Để đảm bảo nguồn nhiệt trong que thăm là nguồn nhiệt đường phần vỏ
que được chế tạo với điều kiện kích thước là L=100D.
Hoạt động: nhiệt độ bề mặt của que được đo bởi cảm biến (5) và được chuyển thành tín
hiệu số nhờ bộ phận chuyển đổi (8) truyền dữ liệu lên máy tính (12) để giám sát và lưu
trữ bởi phần mềm chuyên dụng được xây dựng cho ứng dụng này. Nhiệt độ ở bề mặt
tăng lên khi dây gia nhiệt (3) được cấp nguồn với điện áp U và dòng điện I bởi bộ
nguồn (11) có điện áp thay đổi được thay đổi được từ 0-12V. Dòng điện và điện áp ở
mỗi mức thí nghiệm được đo bởi thiết bị đo dòng và áp có (9), (10) độ chính xác 4 số
lẻ.
Hình 3.5.2.1: Que thăm
167
Trình tự thí nghiệm: dùng que thăm chọc vào đảng sâm ở dạng củ dạng tươi (chọn
những củ có kích thước tương đối đồng đều) cho đến khi toàn bộ phần que ngập vào
vật liệu đặt que thăm trong thiết bị điều khiển nhiệt ẩm khi đó điều kiện môi trường là
nhiệt độ 350C, độ ẩm tương đối khoảng 65 %. Sau một khoảng thời gian đặt trong tủ
điều khiển nhiệt ẩm (thời gian đặt dài ngắn tùy theo mức độ ẩm mong muốn), tiến hành
thí nghiệm đo hệ số dẫn nhiệt với trình tự: cấp nguồn cho dây đốt nóng sau khoảng 10s
chờ hệ thống ổn định; ghi nhận điểm thời gian τ1 và nhiệt độ tương ứng lúc này t1; sau
một khoảng thời gian tại thời điểm τ2 ghi nhận nhiệt độ t2; mỗi một lần thí nghiệm giá
trị điện áp cấp cho dây đốt nóng U và cường độ dòng điện chạy trong dây đốt nóng I
được ghi nhận lại. Việc ghi nhận dữ liệu nhằm phục việc tính toán hệ số dẫn nhiệt dựa
vào công thức (3.5.3.1) [75], công việc này được thực hiện hoàn toàn tự động trên máy
2
UIln
τ τ 1
k = p
4πL(t - t ) 2 1
tính.
(3.5.3.1)
Trong đó: U(V), là điện áp cấp cho dây đốt nóng; I(A), là cường độ dòng điện chạy
trong dây đốt nóng; L(m), là chiều dài của que; t1 là nhiệt độ tương ứng tại thời điểm τ1;
t2 là nhiệt độ tương ứng tại thời điểm τ2;
Tương tự như nhiệt dung riêng hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm cũng được tính toán dựa
k
w
.k
w
.k
p_mixture
water
protein
.kw fats
p_fats
vào thành phần cấu thành đảng sâm với công thức [1]:
p_protein
w
p_water .k
tes
.kw ash
carbohydra
p_carbohyd
rates
p_ash
(3.5.3.2)
Hệ số dẫn nhiệt đối với các thành phần như sau, W/m K:
Water: kp_water = 0,57109 + 1,7625x10-3t -6,7036x10-6t2
Protein: kp_protein= 0,17881 + 1,1958x10-3t -2,7178x10-6t2
Fat: kp_fat=0,18071 -2,7604x10-3t -1,7749x10-7t2
Carbohydrates: kp_carbohydrates=0,20141 + 1,3874x10-3t -4,3312x10-6t2
Ash: kp_ash=0,32961 + 1,4011x10-3t -2,9069x10-6t2
168
Bảng 3.5.3.1: Nhiệt dung riêng của đảng sâm theo độ ẩm
Kết quả tính toán, Kết quả đo, W/m K W/m K
TT Độ ẩm, % Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình
1 15 0,164 0,213 0,168 0,182 0,171
2 35 0,313 0,302 0,260 0,292 0,296
3 42 0,307 0,374 0,318 0,333 0,339
4 55 0,406 0,462 0,391 0,420 0,421
5 71 0,515 0,505 0,490 0,503 0,520
6 83 0,564 0,572 0,552 0,563 0,595
Phân tích hồi qui xác định hệ số dẫn nhiệt theo độ ẩm như sau
169
Phụ lục phần 3.5.4
Xác định độ ẩm cân bằng của đảng sâm Việt Nam
Ở một điều kiện nhiệt độ và độ ẩm nào đó của tác nhân sấy sau một khoảng thời
gian nhất định, vật liệu không hút ẩm và cũng không nhả ẩm, lúc này độ ẩm của vật
liệu đã đến độ ẩm cân bằng. Phương pháp muối bão hòa là một phương pháp khá phổ
biến để xác định độ ẩm cân bằng của thực phẩm, áp dụng phương pháp này thì số liệu
có được có độ tin cậy cao và là phương pháp được chọn để xác định độ ẩm cân bằng
của vật liệu. Thiết bị được tạo nên từ phương pháp này bao gồm:
Bình thí nghiệm: là một bình thủy tinh (1) có thể tích 300 ml là loại bình dùng làm thí
nghiệm hóa học, bình được đậy kín bởi nắp đậy (7), ron cao su (6) và then cài chặt (5).
Trong bình có khay chứa mẫu bằng inox (3) được đặt trên một gá bằng nhựa không hút
ẩm (4) và có dung dịch muối bão hòa ở phía dưới (hình 3.5.4.1)
Hình 3.5.4.1: Bình chứa mẫu
Hình 3.5.4.2: Tủ điều khiển nhiệt ẩm
Muối bảo hòa dùng trong thí nghiệm: Dung dịch muối bão hòa bên trong bình thí
nghiệm sẽ tạo nên không khí ở bên trong bình thí nghiệm có độ ẩm không đổi ở một
nhiệt độ không đổi. Nhiều loại muối được chọn để tạo nên nhiều mức ẩm không khí
170
khác nhau ở nhiều giá trị nhiệt độ khác nhau trong bình thí nghiệm, được thể hiện ở
bảng 3.5.4.1. Trong quá trình thí nghiệm, bình chứa mẫu đặt trong tủ điều khiển nhiệt
ẩm hình 3.5.4.2.
Bảng 3.5.4.1: Muối và các mức hoạt độ ẩm khác nhau
LiCl KF NaBr KI NaCl MgCl2 KNO3
30ºC 0,1128 0,2727 0,3244 0,5603 0,6789 0,7509 0,9231
40ºC 0,1121 0,2208 0,3160 0,5317 0,6609 0,7468 0,8903
50ºC 0,1110 0,2080 0,3054 0,5093 0,6449 0,7443 0,8478
Phân tích dữ liệu và mô hình dự đoán độ ẩm cân bằng đảng sâm
Để xác định mối quan hệ giữa độ ẩm cân bằng của vật liệu với hoạt độ ẩm, 4 mô hình
toán ở bảng 3.5.4.2 được xem xét. Phân tích hồi qui phi tuyến được sử dụng phương
pháp bình phương nhỏ nhất cùng với sự trợ giúp phần mềm thống kê SAS để tìm các
hệ số có trong từng mô hình. Để đánh giá sự phù hợp của mô hình các tiêu chí thống kê
sau đây được xem xét: hệ số xác định R2 (hệ số tương quan) (Coefficient of
determination), căn bậc hai sai số bình phương trung bình RMSE (Root Mean Square
Error), sai số tương đối trung bình MRE (Mean Relative Percentage Error). Các đồ thị
N
2
y
- y
dd,i
tn,i
2
được xây dựng bằng phần mềm Matlab 2015.
R = 1-
i=1 N
2
y
- y
tb
tn,i
i=1
N
2
RMSE =
(y
- y
)
(3.5.4.1)
tn,i
dd,i
1 N
i=1
N
y
- y
dd,i
100
tn,i y
i=1
tn,i
MRE =
(3.5.4.2)
N
(3.5.4.3)
Trong đó: ytn,i, ydd,i, ytb, N lần lượt là các giá trị đo từ thực nghiệm, giá trị dự đoán, giá
trị trung bình thực nghiệm, N số đơn vị thực nghiệm.
171
Tiêu chí để chọn mô hình phù hợp nhất là: mô hình nào có R2 lớn nhất, RMSE nhỏ
nhất, MRE(%) nhỏ hơn 10% là được chọn (Gamboa-Santos và các cộng sự, 2014)
Bảng 3.5.4.2: Các mô hình toán dự đoán độ ẩm cân bằng đảng sâm
1 N
Mô hình dự đoán Phương trình toán
M
w B)
ln(1 A(t
a
a
Bln
(t
C)ln(a
AM
)
Modified Henderson
a
w
1
Modified Chung-Pfost
M
exp(At
ln(a
)
B)
N
a
w
(C
)Dt a
(AM
Modified Halsey
a w a1
w
)Bt a
Oswin
Trong đó: M (kg ẩm/ kg vật liệu khô) là độ ẩm cân bằng của vật liệu; aw, ta (ºC), lần
lượt là hoạt độ ẩm và nhiệt độ của không khí. A,B,C,N là những hằng số.
Mẫu được đặt liên tục trong tủ điều khiển nhiệt ẩm. Sau 10, 13, 15 ngày tương ứng ở
những mức nhiệt độ 50ºC, 40ºC, 30 ºC khối lượng mẫu không còn thay đổi. Mẫu được
lấy ra và xác định độ ẩm cân bằng. Qui trình thực nghiệm thể hiện ở lưu đồ hình Hình
30g nguyên liệu
(đảng sâm củ)
Cho bình thí nghiệm vào tủ điều khiển nhiệt độ
Dừng thí nghiệm, xác định độ ẩm cân bằng M
Cân khối lượng mẫu trước khi sấy kiệt có được m1
Thái mỏng khoảng 1mm
Kết thúc
Cho vào tủ sấy mẫu 1050C, 24 giờ lấy mẫu ra
N
Y
Khối lượng mẫu còn thayđổi
Cho đảng sâm lát vào khay chứa mẫu của bình thí nghiệm rồi đậy kín
Cân khối lượng mẫu sau khi sấy kiệt có được m2
3.5.4.3. Kết quả được thể hiện trong bảng 3.5.4.3.
Hình 3.5.4.3: Qui trình thực nghiệm xác định độ ẩm cân bằng đảng sâm
Sử dụng dữ liệu ở bảng 3.5.4.3 để dự đoán độ ẩm cân bằng của đảng sâm theo nhiệt độ
và theo hoạt độ ẩm, kết quả thể hiện ở đồ thị hình 3.5.4.4. Các thông số của mô hình và
172
các tiêu chí đánh giá được thể hiện ở bảng 3.5.4.3, Oswin (3.5.4.4) là mô hình tốt nhất
0.35
0.3
0.25
0.2
) K L V g k /
0.15
- DD
g k ( e M
o thuc nghiem 30oC
0.1
x thuc nghiem 40oC
0.05
* thuc nghiem 50oC
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.5 aw
và là mô hình được sử dụng để dự đoán độ ẩm cân bằng của đảng sâm.
Hình 3.5.4.4: Đồ thị độ ẩm cân bằng của đảng sâm
Bảng 3.5.4.3: Các thông số của mô hình dự đoán độ ẩm cân bằng của đảng sâm
Các tiêu chuẩn Mô hình Các thông số của mô hình R2 RMSE MRE(%)
0,98 0,0105 12,34
0,95 0,1330 14,71
0,99 0,0074 9,05 Modified Henderson Modified Chung-Pfost Modified Halsey
Oswin 0,99 0,0019 1,22
((cid:2868).(cid:2871)(cid:2877)(cid:2877)(cid:2877)(cid:2871)(cid:2875) (cid:2878)(cid:2868).(cid:2868)(cid:2868)(cid:2869)(cid:2877)(cid:2873) (cid:3159))
A = 0,120028; B = 58,43602; N = 1,2262 A = 0,420185; B = 0,077145; C = 41,96895 A = -0,00381; B = -2,41474; N = 1,7389 A = 0,120438; B = -0,0005; C = 0,399937; D = 0,001958
(cid:4673) (3.5.4.4) M(cid:2915) = (0.120438 − 0.0005t(cid:2911)) (cid:4672) (cid:2911)(cid:3181) (cid:2869)(cid:2879)(cid:2911)(cid:3181)
173
Bảng 3.5.4.3: Thống kế kết quả thực nghiệm và tính toán độ ẩm cân bằng của đảng sâm
M
aw
t
Oswin Pre
RMSE Oswin
MRE Oswin
Chung_Pfost Pre
RMSE Chung_Pfost
MRE Chung_Pfost
Halsey Pre
RMSE Halsey
MRE Halsey
Henderson Pre
RMSE Henderson
MRE Henderson
0,0402
0,040290723
1,65838E-09
0,001011756
0,030098196
0,000846021
0,25221874
0,051078102
0,000117248
0,269021177
0,025797064
0,000208887
0,359079164
0,1128
30
0,0663
0,066405455
3,07531E-09
0,000835802
0,070091401
0,004796338
0,056388856
0,068665153
5,35993E-06
0,034893031
0,057293949
8,20121E-05
0,136489091
0,2727
30
0,0756
0,074444517
1,38176E-06
0,015544609
0,081155167
0,004304745
0,073197134
0,074522125
1,20533E-06
0,014518312
0,067901184
5,95801E-05
0,102073733
0,3244
30
0,1185
0,116860101
2,85576E-06
0,014254737
0,132413282
0,013961442
0,116940383
0,108888496
9,33447E-05
0,081497288
0,124118345
3,10065E-05
0,046970431
0,5603
30
0,1422
0,147660005
2,97026E-05
0,038323639
0,163474895
0,015662837
0,14953164
0,137020534
2,69306E-05
0,036491571
0,161644492
0,000377699
0,136660518
0,6789
30
0,1743
0,173953121
1,27362E-07
0,002047379
0,186732044
0,034108425
0,07126409
0,162746962
0,000133704
0,066336054
0,190545913
0,000263605
0,093143901
0,7509
30
0,3288
0,329375211
3,30868E-07
0,001749426
0,28512513
0,08030179
0,132831112
0,337022125
6,76033E-05
0,025006463
0,314074926
0,000216828
0,044784289
0,9231
30
0,0366
0,036389435
6,78939E-08
0,007109541
0,019841429
0,000162101
0,458624029
0,049088756
0,000154723
0,33939308
0,02351198
0,000172608
0,358472577
0,1121
40
0,0546
0,054339467
6,78777E-08
0,004771675
0,049821843
0,002029518
0,087512028
0,061279004
4,46091E-05
0,122326086
0,044114319
0,00010995
0,192045442
0,2268
40
0,0678
0,06744527
1,25834E-07
0,005232009
0,069341002
0,004109963
0,022728645
0,070799216
8,9953E-06
0,044236228
0,060617613
5,15867E-05
0,105934915
0,316
40
0,1034
0,103442332
1,79197E-09
0,000409398
0,115696646
0,01329115
0,118923075
0,099763839
1,32217E-05
0,035165965
0,106570481
1,00519E-05
0,030662291
0,5317
40
0,1355
0,133757126
3,14308E-06
0,013081048
0,148262756
0,018274094
0,093947875
0,126943623
7,37259E-05
0,063354071
0,142296998
4,57923E-05
0,049929889
0,6609
40
0,1649
0,162892801
4,02885E-06
0,012172221
0,175234602
0,02658934
0,062671933
0,154979327
9,84198E-05
0,060161755
0,172932125
6,4515E-05
0,048709066
0,7468
40
0,2684
0,263628564
2,29579E-05
0,017850518
0,246310161
0,052193808
0,082370313
0,262207859
3,85907E-05
0,023143361
0,254860984
0,000183847
0,050514178
0,8903
40
0,0326
0,032619664
8,76359E-06
0,083202238
0,010614382
0,005268997
0,701675594
0,047132552
0,000133461
0,324692313
0,021543502
0,000197023
0,394505271
0,111
50
0,0490
0,04693313
5,13903E-07
0,015044498
0,036568761
0,000463294
0,232554866
0,057110325
8.94977E-05
0,198537766
0,037634705
0,000100306
0,21018458
0,208
50
0,0634
0,06039218
6,11467E-11
0,000129464
0,058209138
0,003373248
0,036272556
0,067026576
4,39115E-05
0,109711528
0,054162028
3,89123E-05
0,103277682
0,3054
50
0,0972
0,091938478
2,19472E-07
0,005121661
0,101731163
0,009333396
0,112180634
0,09248836
1,03706E-06
0,011133263
0,093510191
4,16238E-06
0,022304478
0,5093
50
0,1284
0,120889058
1,28923E-07
0,002978997
0,134947504
0,017415687
0,119617552
0,118253516
5,18238E-06
0,018887284
0,126911419
4,07225E-05
0,052944649
0,6449
50
0,1623
0,152275688
1,1571E-06
0,007114339
0,165473416
0,025077597
0,094400899
0,14821647
8,90145E-06
0,019732343
0,158879437
5,89738E-05
0,050789929
0,7443
50
0,2241
0,209190794
3,92355E-06
0,009559356
0,210326623
0,040307495
0,015040889
0,206544535
4,42844E-07
0,003211549
0,206654414
3,08675E-07
0,002681268
0,8478
50
7,95028E-05
0,257544311
0,371871286
3,090892842
0,001160115
1,901450487
0,002318377
2,592157342
3,78585E-06
0,017708156
5,52436E-05
0,000110399
0,0019
1,22
0,1330
14,71
0,0074
9,05
0,0105
12,34
174
Phân tích hồi qui xác định mô hình toán dự đoán độ ẩm cân bằng của đảng sâm
1. Modified Henderson
2. Modifed Halsey
175
3. Oswin
4. Modified Chung-Pfost
176
Phục lục phần 3.6.1.2
ta
Có sóng siêu âm
Không có sóng siêu âm
Xác định nhiệt độ tăng thêm khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy
ta
Có sóng siêu âm
Không có sóng siêu âm
a)
ta
Có sóng siêu âm
Không có sóng siêu âm
b)
Hình 3.6.1.2.2: Đồ thị nhiệt độ bên trong đảng sâm.a) trường hợp: ta = 40ºC; va = 0,5 m/s; φa = 22 %; Iu = 1,3 kW/m2; b) trường hợp: ta = 40ºC; va = 0,5 m/s; φa = 22 %; Iu = 1,8 kW/m2; c) trường hợp: ta = 40ºC; va = 0,5 m/s; φa = 22 %; Iu = 2,2 kW/m2.
c)
177
Phụ lục phần 3.6.1.3
Đồ thị giảm khối lượng và sự thay đổi nhiệt độ của đảng sâm trong quá trình sấy
(đơn cử trong 4 trường hợp đầu)
Thực nghiệm 1: Điều kiện thí nghiệm: ta = 400C; va = 0,5 m/s; độ ẩm TNS 20-23 %
Không có siêu âm
Hình 3.6.1.3.1: Đồ thị giảm khối lượng của đảng sâm ở điều kiện thí nghiệm 1
Hình 3.6.1.3.2: Đồ thị thay đổi nhiệt độ bên trong vật liệu sấy (đường màu cam là nhiệt
độ TNS, đường màu đen là nhiệt độ ở biên, đường màu vàng là nhiệt độ ở tâm)
178
Thực nghiệm 2: Điều kiện thí nghiệm: ta = 400C; va = 0,5 m/s; độ ẩm TNS 20-23 %
cường độ siêu âm I1 = 1,3 kW/m2
Hình 3.6.1.3.3: Đồ thị giảm khối lượng của đảng sâm ở điều kiện thí nghiệm 2
Hình 3.6.1.3.4: Đồ thị sự thay đổi nhiệt độ bên trong vật liệu sấy (đường màu cam là
nhiệt độ TNS, đường màu đen là nhiệt độ ở biên, đường màu vàng là nhiệt độ ở tâm
179
Thực nghiệm 3: Điều kiện thí nghiệm: ta = 400C; va = 0.5 m/s; độ ẩm TNS 20-23 %
cường độ siêu âm I2 = 1,8 kW/m2
Hình 3.6.1.3.5: Đồ thị giảm khối lượng của đảng sâm ở điều kiện thí nghiệm 3
Hình 3.6.1.3.6: Đồ thị sự thay đổi nhiệt độ bên trong vật liệu sấy (đường màu cam là
nhiệt độ TNS, đường màu đen là nhiệt độ ở biên, đường màu vàng là nhiệt độ ở tâm)
180
Thực nghiệm 4: Điều kiện thí nghiệm: ta = 400C; va = 0.5 m/s; độ ẩm TNS 20-23 %
cường độ siêu âm I3 = 2,2 kW/m2
Hình 3.6.1.3.7: Đồ thị giảm khối lượng của đảng sâm ở điều kiện thí nghiệm 4
Hình 3.6.1.3.8: Đồ thị sự thay đổi nhiệt độ bên trong vật liệu sấy (đường màu cam là
nhiệt độ TNS, đường màu đen là nhiệt độ ở biên, đường màu vàng là nhiệt độ ở tâm)
181
Phụ lục phần 3.6.2
Hội tụ của hàm mục tiêu MRE
PSO convergence characteristic
8
7.5
7
6.5
l
e u a v
6
n o
5.5
i t c n u
5
f s s e n
t i
F
4.5
4
3.5
3
1
2
3
4
7
8
9
10
5 6 Iteration
Trường hợp 1:
Hình 3.6.2.1: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 1
PSO convergence characteristic
12
11
10
9
l
e u a v
8
n o
7
i t c n u
6
f s s e n
t i
F
5
4
3
2
1
2
3
4
7
8
9
10
5 6 Iteration
Trường hợp 2:
Hình 3.6.2.2: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 2
182
PSO convergence characteristic
15
14
13
l
12
e u a v
n o
11
i t c n u
10
f s s e n
t i
F
9
8
7
1
2
3
4
7
8
9
10
5 6 Iteration
Trường hợp 3:
Hình 3.6.2.3: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 3
PSO convergence characteristic
7
6.95
l
e u a v
6.9
n o
i t c n u
6.85
f s s e n
t i
F
6.8
6.75
1
2
3
4
7
8
9
10
6 5 Iteration
Trường hợp 4:
Hình 3.6.2.4: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 4
183
PSO convergence characteristic
5.5
5
4.5
l
e u a v
n o
4
i t c n u
f s s e n
t i
3.5
F
3
2.5
1
2
3
4
7
8
9
10
6 5 Iteration
Trường hợp 5:
Hình 3.6.2.5: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 5
PSO convergence characteristic
4.6
4.4
4.2
4
l
e u a v
3.8
n o
3.6
i t c n u
3.4
f s s e n
t i
F
3.2
3
2.8
2.6
1
2
3
4
7
8
9
10
5 6 Iteration
Trường hợp 6:
Hình 3.6.2.6: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 6
184
PSO convergence characteristic
4.2
4
3.8
l
e u a v
3.6
n o
i t c n u
3.4
f s s e n
t i
F
3.2
3
2.8
1
1.5
2
2.5
3.5
4
4.5
5
3 Iteration
Trường hợp 7:
Hình 3.6.2.7: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 7
PSO convergence characteristic
8.5
8
7.5
7
l
e u a v
n o
6.5
i t c n u
6
f s s e n
t i
5.5
F
5
4.5
4
1
2
3
4
7
8
9
10
5 6 Iteration
Trường hợp 8:
Hình 3.6.2.8: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 8
185
PSO convergence characteristic
5.5
5
4.5
l
e u a v
n o
4
i t c n u
f s s e n
t i
3.5
F
3
2.5
1
2
3
4
7
8
9
10
5 6 Iteration
Trường hợp 9:
Hình 3.6.2.9: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 9
PSO convergence characteristic
16
14
12
l
e u a v
10
n o
i t c n u
8
f s s e n
t i
F
6
4
2
1
2
3
4
7
8
9
10
5 6 Iteration
Trường hợp 10:
Hình 3.6.2.10: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 10
186
PSO convergence characteristic
5.45
5.4
l
e u a v
5.35
n o
i t c n u
5.3
f s s e n
t i
F
5.25
5.2
1
2
3
4
7
8
9
10
6 5 Iteration
Trường hợp 11:
Hình 3.6.2.11: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 11
PSO convergence characteristic
3.5
3.4
3.3
3.2
l
e u a v
n o
3.1
i t c n u
3
f s s e n
t i
F
2.9
2.8
2.7
2.6
1
2
3
4
7
8
9
10
5 6 Iteration
Trường hợp 12:
Hình 3.6.2.12: Hội tụ của hàm mục tiêu trường hợp thí nghiệm 12
187
Đường cong sấy và đường cong nhiệt độ sấy đảng sâm
50
45
40
)
C o (
ta = 40 oC
35
Iu = 0 kW/m2
S L V o d
t
i
30
- Tinh toan
e h N
o Thuc nghiem
25
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 1:
Hình 3.6.2.13: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ
8
ta = 40 oC
Iu = 0 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
5
) K L V g k /
4
3
g k ( S L V m a o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
400C, độ ẩm tương đối 20 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, không có sóng siêu âm.
Hình 3.6.2.14: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 40 0C, độ ẩm
tương đối 20 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, không có siêu âm
188
50
45
40
)
C o (
ta = 40 oC
35
Iu = 1.3 kW/m2
S L V o d
t
i
30
- Tinh toan
e h N
o Thuc nghiem
25
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 2:
Hình 3.6.2.15: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ
8
ta = 40 oC
Iu = 1.3 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
5
) K L V g k /
g k (
4
3
S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
400C, độ ẩm tương đối 20 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I1
Hình 3.6.2.16: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 400C, độ ẩm
tương đối 20 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I1
189
50
45
40
)
C o (
ta = 40 oC
35
Iu = 1.8 kW/m2
S L V o d
t
i
30
- Tinh toan
e h N
o Thuc nghiem
25
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 3:
Hình 3.6.2.17: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ
8
ta = 40 oC
Iu = 1.8 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
5
) K L V g k /
g k (
4
3
S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
400C, độ ẩm tương đối 20 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I2
Hình 3.6.2.18: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 400C, độ ẩm
tương đối 20 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I2
190
50
45
40
)
C o (
35
ta = 40 oC
Iu = 2.2 kW/m2
S L V o d
t
i
30
- Tinh toan
e h N
o Thuc nghiem
25
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 4:
Hình 3.6.2.19: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ
8
ta = 40 oC
Iu = 2.2 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
5
) K L V g k /
g k (
4
3
S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
400C, độ ẩm tương đối 20 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I3
Hình 3.6.2.20: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 400C, độ ẩm
tương đối 20 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I3
191
50
45
40
)
C o (
ta = 45 oC
35
Iu = 0 kW/m2
S L V o d
t
i
30
- Tinh toan
e h N
o Thuc nghiem
25
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 5:
Hình 3.6.2.21: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ
8
ta = 45 oC
Iu = 0 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
5
) K L V g k /
4
3
g k ( S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
450C, độ ẩm tương đối 18 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, không có sóng siêu âm
Hình 3.6.2.22: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 450C, độ ẩm
tương đối 18 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, không có sóng siêu âm
192
50
45
40
)
C o (
ta = 45 oC
35
Iu = 1.3 kW/m2
S L V o d
t
i
30
- Tinh toan
e h N
o Thuc nghiem
25
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 6:
Hình 3.6.2.23: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ
8
ta = 45 oC
Iu = 1.3 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
5
) K L V g k /
g k (
4
3
S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
450C, độ ẩm tương đối 18 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I1
Hình 3.6.2.24: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 450C, độ ẩm
tương đối 18±1,5 %, vận tốc 0,5m/s, cường độ siêu âm I1
193
55
50
45
40
)
35
C o (
30
ta = 45 oC Iu = 1.8 kW/m2 - Tinh toan o Thuc nghiem
S L V o d
25
t
i
20
e h N
15
10
5
0
0.5
1
1.5
2
0
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 7:
Hình 3.6.2.25: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ
8
ta = 45 oC
Iu = 1.8 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
5
) K L V g k /
4
3
g k ( S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
450C, độ ẩm tương đối 18 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I2
Hình 3.6.2.26: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 450C, độ ẩm
tương đối 18 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I2
194
50
45
40
)
C o (
ta = 45 oC
35
Iu = 2.2 kW/m2
S L V o d
t
i
30
- Tinh toan
e h N
o Thuc nghiem
25
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 8:
Hình 3.6.2.27: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ
8
ta = 45 oC
Iu = 2.2 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
)
5
K L V g k /
g k (
4
3
S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
450C, độ ẩm tương đối 18 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I3
Hình 3.6.2.28: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 450C, độ ẩm
tương đối 18±1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I3
195
50
45
40
)
C o (
ta = 50 oC
35
Iu = 0 kW/m2
S L V o d
t
i
30
- Tinh toan
e h N
o Thuc nghiem
25
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 9:
Hình 3.6.2.29: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ
8
ta = 50 oC
Iu = 0 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
5
) K L V g k /
4
3
g k ( S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
500C, độ ẩm tương đối 15 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, không có siêu âm
Hình 3.6.2.30: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 500C, độ ẩm
tương đối 15 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, không có siêu âm
196
50
45
40
)
C o (
ta = 50 oC
35
Iu = 1.3 kW/m2
S L V o d
t
i
30
- Tinh toan
e h N
o Thuc nghiem
25
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 10:
Hình 3.6.2.31: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ
8
ta = 50 oC
Iu = 1.3 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
5
) K L V g k /
g k (
4
3
S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
500C, độ ẩm tương đối 15 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I1
Hình 3.6.2.32: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 500C, độ ẩm
tương đối 15 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I1
197
50
45
40
)
C o (
ta = 50 oC
35
Iu = 1.8 kW/m2
S L V o d
t
i
30
- Tinh toan
e h N
o Thuc nghiem
25
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 11:
Hình 3.6.2.33: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ
8
ta = 50 oC
Iu = 1.8 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
5
) K L V g k /
g k (
4
3
S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
500C, độ ẩm tương đối 15 ± 1,5 %, vận tốc 0,5m/s, cường độ siêu âm I2
Hình 3.6.2.34: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 50 0C, độ ẩm
tương đối 15 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I2
198
50
45
40
)
C o (
35
ta = 50 oC
Iu = 2.2 kW/m2
S L V o d
t
i
30
- Tinh toan
e h N
o Thuc nghiem
25
20
15
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Trường hợp 12:
0C, độ ẩm tương đối 15 ± 1,5 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm I3
8
ta = 50 oC
Iu = 2.2 kW/m2
7
- Tinh toan
o Thuc nghiem
6
5
) K L V g k /
g k (
4
3
S L V m a
o D
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
2.5 4 x 10
Hình 3.6.2.3.35: Đường cong nhiệt độ sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 50
Hình 3.6.2.36: Đường cong sấy của đảng sâm tại điều kiện TNS: nhiệt độ 500C, độ ẩm
tương đối 15±1,5 %, vận tốc 0,5m/s, cường độ siêu âm I3
199
Kết quả phân tích hồi qui xác định De theo phương pháp NERM
Trường hợp 1:
Trường hợp 2:
200
Trường hợp 3:
Trường hợp 4:
201
Trường hợp 5:
Trường hợp 6:
202
Trường hợp 7:
Trường hợp 8:
203
Trường hợp 9:
Trường hợp 10:
204
Trường hợp 11:
Trường hợp 12:
205
Kết quả phân tích hồi qui xác định hoạt độ năng lượng của đảng sâm phụ thuộc
nhiệt độ
- Trường hợp không có sóng siêu âm hỗ trợ sấy
- Trường hợp có sóng siêu âm cường độ I1 hỗ trợ sấy
206
- Trường hợp có sóng siêu âm cường độ I2 hỗ trợ sấy
- Trường hợp có sóng siêu âm cường độ I3 hỗ trợ sấy
207
Kết quả phân tích hồi qui xác định hệ số khuếch tán ẩm (De)
Kết quả phân tích hồi qui xác định hệ số khuếch tán nhiệt của đảng sâm (αt)
208
Phụ lục phần 3.7
Kết quả phân tích hồi qui sự thay đổi màu sắc của đảng sâm
Kết quả phân tích hồi qui lượng saponin còn trong sản phẩm sấy
209
Kết quả phân tích hồi qui về lượng giảm thời gian sấy
210
Phụ lục phần 3.8
TH1
TH7
TH2
TH8
TH3
TH9
TH4
TH10
TH5
TH11
TH12
TH6
Phần khảo nghiệm saponin
211
Phụ lục phần 3.10
Nhiệt độ và độ ẩm đảng sâm
a
b
Hình 4.34: Sự giảm ẩm vật liệu sấy: a, mô phỏng độ ẩm tại lớp biên (Mb) và tâm (Mt);
b, sự giảm khối lượng trong quá trình sấy (hình lấy từ số liệu thu thập được), tại chế độ
sấy: ta = 44 ± 0,1 ºC, φa = 18 ± 1,5%, va = 0,5 ± 0,2 m/s, fu= 20 ± 0,073 kHz, Iu = 2,1
kW/m2;
212
KẾT QUẢ KHẢO NGHIỆM SAPONIN
