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. NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2020 luan an 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.
HCM, năm 2020 Tác giả: Nguyễn Xuân Quang luan an 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. Nguyễn Hay và PGS.
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. Nguyễn Huy Bích, Thầy PGS.
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 luan an 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: luan an 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- luan an 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 - + 2 (273,15+t ) - 2 -40,04×I 2u 273,15+t a 273,15+t a (273,15+t a ) 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. luan an 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. 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. 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. The obtained results are summarized as follows: Experimental research to determine physical thermal properties of C. javanica: luan an 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%).