Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:241

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm

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 THỰC PHẨM SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM 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
i LỜI CAM ĐOAN 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
ii LỜI CẢM ƠN 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
iii TÓM TẮT 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: + Khối lượng riêng phụ thuộc vào độ ẩm: 1+ M ρp = 1 M + 1620 1020 + Độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào hoạt độ nước và nhiệt độ: 0,399937+0,001958×t a  a  M e =  0,120438 - 0, 0005× t a   w   1- a w  + Nhiệt độ tăng thêm khi có sóng siêu âm lan truyền: Δt av = 1, 006× I u - 0, 7 + Nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào độ ẩm: c p = 450, 44 + 42, 45× X k p = 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/m 2; 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 tán ẩm của đảng sâm Việt Nam phụ thuộc vào nhiệt độ và cường độ siêu âm như sau: 6,553×10 -6 1,3×10-4 × I u 6, 242×10 -6 × I u 1, 7 ×10-5 I 2u 2, 6×10-4 α t = 1, 014×10-7 + - 6, 53×10 -8 × I u - + + - - 7,16×10-9 I u2 ta t a2 ta t a2 t a2  4286,96 212275×I u 24418,8×I u2 3710120×I u2  - +2,202967×Iu - + - -40,04×I 2u   273,15+t a  273,15+t a  2 (273,15+t ) (273,15+t a ) 2  De = 3, 05×10-4 × e   a 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.
vi SUMMARY - 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 + The density of C. javanica depends on its moisture: 1+ M ρp = 1 M + 1620 1020 + The equilibrium moisture content of C. javanica depends on its water activity and temperature: 0,399937+0,001958×t a  a  M e =  0,120438 - 0, 0005× t a   w   1- a w  + 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 content: c p = 450, 44 + 42, 45× X k p = 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/m 2 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/m 2; 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 ultrasound intensity are as follows: 6,553×10 -6 1,3×10-4 × I u 6, 242×10 -6 × I u 1, 7 ×10-5 I 2u 2, 6×10-4 α t = 1, 014×10-7 + - 6, 53×10 -8 × I u - + + - - 7,16×10-9 I u2 ta t a2 ta t a2 t a2  4286,96 212275×I u 24418,8×I u2 3710120×I u2  - +2,202967×Iu - + - -40,04×I 2u   273,15+t a  273,15+t a  (273,15+t a ) (273,15+t a ) 2 2  De = 3, 05×10-4 × e   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/m 2.
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 aw Hoạt độ nước cp Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm J/kg K cs Nhiệt dung riêng của vật liệu khô J/kg K cw Nhiệt dung riêng của nước J/kg K De Hệ số khuếch tán ẩm của vật liệu m2/s Ea Hoạt độ năng lượng kJ/mol Em Module Young của vật liệu GPa fu Tần số của sóng siêu âm kHz fw,m Tần số dao động của sóng âm trong vật liệu kHz hfg Ẩn nhiệt hóa hơi của nước J/kg hm Hệ số trao đổi ẩm đối lưu tại bề mặt kg/m2s ht Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tại bề mặt W/m2 K Iu Cường độ sóng siêu âm kW/m2 Iu0 Cường độ sóng siêu âm tại nguồn phát kW/m2 Khoảng cách từ tấm phát xạ (của bộ phận phát sóng) L m đến vật liệu sấy αt Hệ số khuếch tán nhiệt của vật liệu m2/s αi Hệ số mục tiêu αa Hệ số suy giảm năng lượng của sóng siêu âm dB/m kp Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu W/m K ka Hệ số khuếch đại biên độ dao động R2 Hệ số tương quan trong thống kê M Độ ẩm của vật liệu (cơ sở khô) tại thời điểm bất kỳ kg / kg VLK M0 Độ ẩm ban đầu của vật liệu (cơ sở khô) kg / kg VLK Me Độ ẩm cân bằng của vật liệu (cơ sở khô) kg / kg VLK
xiv Mv Khối lượng mol phân tử của hơi nước kg / kmol Ma Khối lượng mol phân tử của không khí kg / kmol Mav Độ ẩm trung bình của vật liệu (cơ sở khô) kg / kg VLK Mb Độ ẩm tại biên (cơ sở khô) kg / kg VLK Mt Độ ẩm tại tâm (cơ sở khô) kg / kg VLK MR Độ ẩm không thứ nguyên ms Khối lượng của vật liệu khô kg Khối lượng của vật liệu ẩm (bao gồm vật liệu khô và mp kg ẩm) mt Khối lượng của vật liệu tại thời điểm t kg mv,s Khối lượng hơi nước tại bề mặt của vật liệu sấy kg mv,a Khối lượng hơi nước trong TNS kg ma Khối lượng TNS kg Nu Hệ số Nu (Nusselt) Sh Hệ số Sh (Shewood) Pu Công suất của nguồn phát sóng siêu âm kW p Áp suất Pa pa Áp suất do sóng siêu âm tạo ra Pa Pa Áp suất hiệu dụng do sóng siêu âm tạo ra Pa pv Phân áp suất của hơi nước Pa Qu Năng lượng sóng siêu âm kJ Diện tích bộ phận phát xạ của bộ phận phát sóng siêu SR m2 âm X Độ ẩm vật liệu (cơ sở ướt) % t Nhiệt độ vật liệu ºC tav Nhiệt độ trung bình của vật liệu sấy ºC ta Nhiệt độ tác nhân sấy ºC
xv tb Nhiệt độ tại lớp biên của vật liệu sấy ºC tt Nhiệt độ tại tâm của vật liệu sấy ºC u Chuyển vị của sóng siêu âm m va Vận tốc tác nhân sấy m/s vw,a Vận tốc truyền sóng âm trong không khí m/s vw,m Vận tốc truyền sóng âm trong vật liệu m/s vw Vận tốc dòng ẩm trong vật liệu m/s φa Độ ẩm tác nhân sấy % δ Một nửa chiều dày vật liệu sấy m λm Bước sóng m τ Thời gian s ρw Khối lượng riêng của ẩm kg/m3 ρp Khối lượng riêng của vật liệu ẩm kg/m3 ρs Khối lượng riêng của vật liệu khô kg/m3 ρa Khối lượng riêng của không khí kg/m3 ρm Khối lượng riêng của vật liệu kg/m3 Hệ số gia tăng nhiệt độ khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy µu vật liệu µm Hệ số Poisson của vật liệu µu,a Hệ số hấp thụ biên độ sóng siêu âm của không khí neber/m
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 t a = 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/m 2. 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: t a = 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: t a = 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