Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong sấy chất lượng cao sản phẩm nông sản quy mô công nghiệp

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong sấy chất lượng cao sản phẩm nông sản quy mô công nghiệp, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Nguyễn Văn Thái Dương
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Huy Tuân
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Ứng dụng sóng siêu âm
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong sấy chất lượng cao sản phẩm nông sản quy mô công nghiệp
• Loại tài liệu: luận văn cao học
• Năm xuất bản: 201...
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• Danh sách các chữ viết tắt
• Danh sách các hình
• Danh sách các bảng
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.1.1. Các quá trình xử lý siêu âm năng lượng cao, những phát triển gần đây và tiến bộ tiềm năng
• 1.1.2. Ứng dụng siêu âm trong ngành công nghiệp thực phẩm
• 1.2. Sấy siêu âm: các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Mục đích của đề tài
• 1.5. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.5.1. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.5.2. Giới hạn của đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ sở tính toán của phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.1.1. Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dao động
• 2.1.2. Phương pháp giải bài toán bằng phần tử hữu hạn
• 2.1.3. Các lý thuyết để tính toán chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc
• 2.2. Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm dùng trong sấy
• 2.3. Tính toán horn dạng trục bậc
• 2.4. Giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu GENE
• 2.5. Nguyên lý tách ẩm bằng sóng siêu âm
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHI TIẾT HORN DẠNG TRỤC BẬC VÀ TẤM BẬC
• 3.1. Mục tiêu cần đạt được trong vấn đề thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc
• 3.2. Lựa chọn vật liệu và phương pháp tính toán
• 3.2.1. Chọn vật liệu
• 3.2.2. Phương pháp tính toán
• 3.3. Tính toán và thiết kế
• 3.3.1. Sơ đồ thiết kế horn dạng trục bậc và tấm bậc
• 3.3.2. Tiến hành tính toán, mô phỏng
• 3.3.2.1. Tính horn dạng trục bậc
• 3.3.2.2. Tính horn bằng công thức lý thuyết
• 3.3.2.3. Tính toán horn bằng Ansys
• 3.3.2.4. Kết quả tính horn
• 3.3.2.5. Tính toán cho tấm bậc
• 3.3.2.6. Lưu đồ tính toán tối ưu cho tấm bậc
• 3.3.2.7. Lựa chọn dạng dao động cho tấm
• 3.3.2.8. Tính sơ bộ tấm phẳng để xác định các đường tiết điểm
• 3.3.2.9. Sử dụng phần mềm Ansys 14 Mechanical ADPL và Matlab để tính tối ưu cho tấm bậc
• 3.3.2.10. Sử dụng Ansys Workbench để mô phỏng kiểm tra cho tấm bậc
• 3.3.2.11. Bản vẽ thiết kế tấm bậc
• 3.3.3. Mô phỏng kiểm tra tần số, ứng suất của cụm horn dạng trục bậc và tấm bậc
• 3.3.4. Mô phỏng trường áp suất sóng âm của tấm lên môi trường không khí
• 4. CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO MẪU VÀ ĐO TRỞ KHÁNG CƠ
• 4.1. Chế tạo mẫu
• 4.2. Đo trở kháng âm và tần số cộng hưởng
• 4.3. Vấn đề kết nối trở kháng
• 4.3.1. Giới hạn công suất điện, cơ và kết nối trở kháng trong các tinh thể áp điện
• 4.3.2. Kết nối trở kháng các chi tiết khác trong cụm siêu âm
• 5. CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM SẤY, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. Mô hình thí nghiệm sấy
• 5.1.1. Chuẩn bị mẫu sấy
• 5.2. Dữ liệu sấy
• 5.2.1. Kết quả và thảo luận
• 5.2.1.1. Kết quả sấy
• 5.2.1.2. Thảo luận về kết quả sấy
• 5.2.1.3. Thảo luận về kết quả tính horn và tấm bậc
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ
• 6.1. Tần số dao động riêng của cụm phát sóng siêu âm và trở kháng đo được
• 6.2. Kết luận về hiệu quả quá trình sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm
• 6.3. Các vấn đề còn tồn tại
• 6.4. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong sấy nông sản

Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong sấy nông sản đang trở thành một xu hướng mới trong ngành công nghiệp thực phẩm. Công nghệ này không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn tiết kiệm năng lượng. Sấy nông sản bằng sóng siêu âm mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thiểu thời gian sấy và bảo quản tốt hơn các chất dinh dưỡng trong thực phẩm. Nghiên cứu này sẽ phân tích các ứng dụng và tiềm năng của công nghệ này trong việc nâng cao chất lượng nông sản.

1.1. Lịch sử và phát triển của công nghệ sấy siêu âm

Công nghệ sấy nông sản bằng sóng siêu âm đã được nghiên cứu từ giữa thế kỷ 20. Tuy nhiên, chỉ trong những năm gần đây, công nghệ này mới được áp dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sóng siêu âm có thể cải thiện đáng kể tốc độ sấy và chất lượng sản phẩm.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng sóng siêu âm trong sấy nông sản

Việc sử dụng sóng siêu âm trong sấy nông sản mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu thời gian sấy và bảo quản tốt hơn các chất dinh dưỡng. Nghiên cứu cho thấy rằng sản phẩm sấy bằng sóng siêu âm có chất lượng cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

II. Thách thức trong việc ứng dụng sóng siêu âm vào sấy nông sản

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc ứng dụng sóng siêu âm trong sấy nông sản cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như thiết kế thiết bị, chi phí đầu tư và khả năng kiểm soát quá trình sấy là những yếu tố cần được xem xét. Đặc biệt, việc thiết kế các bộ chuyển đổi siêu âm hiệu quả vẫn còn là một thách thức lớn.

2.1. Thiết kế thiết bị sấy siêu âm

Thiết kế thiết bị sấy sử dụng sóng siêu âm yêu cầu sự kết hợp giữa công nghệ và kỹ thuật. Các bộ chuyển đổi siêu âm cần phải được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng.

2.2. Chi phí đầu tư và hiệu quả kinh tế

Chi phí đầu tư cho công nghệ sấy bằng sóng siêu âm có thể cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế từ việc tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm có thể bù đắp cho chi phí này.

III. Phương pháp nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong sấy nông sản

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp sấy đối lưu kết hợp với sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả sấy. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu quả của thiết bị sấy siêu âm trong việc bảo quản chất lượng nông sản. Phương pháp này đã cho thấy khả năng cải thiện tốc độ sấy và chất lượng sản phẩm.

3.1. Thiết kế thí nghiệm sấy nông sản

Thí nghiệm được thiết kế để kiểm tra hiệu quả của sóng siêu âm trong quá trình sấy nông sản. Các mẫu nông sản được sấy với các điều kiện khác nhau để so sánh hiệu quả.

3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng sóng siêu âm trong sấy nông sản không chỉ tăng tốc độ sấy mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm. Các chỉ tiêu như độ ẩm, màu sắc và hương vị đều được cải thiện.

IV. Ứng dụng thực tiễn của sóng siêu âm trong sấy nông sản

Công nghệ sấy nông sản bằng sóng siêu âm đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ thực phẩm đến dược phẩm. Các sản phẩm như hạt gấc, mật ong và nhân sâm đã cho thấy hiệu quả cao khi sử dụng công nghệ này. Việc áp dụng sóng siêu âm không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành nông sản.

4.1. Các sản phẩm nông sản ứng dụng sóng siêu âm

Nhiều sản phẩm nông sản như hạt gấc và mật ong đã được nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sấy siêu âm. Kết quả cho thấy chất lượng sản phẩm được cải thiện rõ rệt.

4.2. Tiềm năng phát triển công nghệ sấy siêu âm

Công nghệ sấy nông sản bằng sóng siêu âm có tiềm năng phát triển lớn trong tương lai. Nghiên cứu và phát triển thêm các thiết bị và quy trình mới sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả sấy và mở rộng ứng dụng trong ngành thực phẩm.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong sấy nông sản đã chỉ ra nhiều lợi ích và tiềm năng phát triển. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các thách thức hiện tại và tối ưu hóa quy trình sấy. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho ngành nông sản.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc ứng dụng sóng siêu âm trong sấy nông sản có thể cải thiện đáng kể chất lượng và hiệu quả sấy. Các sản phẩm nông sản được sấy bằng công nghệ này có chất lượng cao hơn.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các thiết bị sấy siêu âm hiệu quả hơn và mở rộng ứng dụng trong nhiều loại nông sản khác nhau. Việc tối ưu hóa quy trình sấy sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến và bảo quản nông sản tại Việt Nam, tổn thất sau thu hoạch ước tính chiếm từ 20% đến 30% tổng sản lượng hàng năm do công nghệ sấy truyền thống chưa tối ưu. Các phương pháp sấy đối lưu nhiệt thông thường đòi hỏi mức tiêu thụ năng lượng chiếm tới 15% đến 25% tổng năng lượng toàn ngành sản xuất, đồng thời nhiệt độ sấy cao từ 60°C đến 80°C thường làm biến tính dưỡng chất, biến đổi màu sắc và giảm giá trị cảm quan của nông sản nhạy nhiệt. Trước thách thức đó, công nghệ sấy đối lưu hỗ trợ sóng siêu âm năng lượng cao nổi lên như một giải pháp công nghệ xanh, bền vững và tiết kiệm năng lượng.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán thiết kế, tối ưu hóa và chế tạo cụm phát sóng siêu âm công suất lớn làm việc tại tần số cộng hưởng 20 kHz, phục vụ quá trình sấy nông sản chất lượng cao ở quy mô công nghiệp. Mục tiêu cụ thể là thiết kế thành công chi tiết khuếch đại cơ học dạng trục bậc và tấm phát xạ sóng siêu âm có biên dạng bậc diện tích mở rộng, khắc phục hiện tượng lệch pha triệt tiêu sóng âm của các tấm phẳng truyền thống.

Đề tài được thực hiện tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian 24 tháng. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc nâng cao tốc độ tách ẩm từ 30% đến 40%, rút ngắn thời gian sấy khoảng 36%, giảm hơn 20% lượng điện năng tiêu hao và bảo tồn các hoạt chất sinh học quý trong nông sản giá trị cao như cà rốt, nhân sâm, hạt giống và dược liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết dao động cơ học và lan truyền sóng âm trong môi trường liên tục một chiều và hai chiều. Hệ phương trình vi phân chuyển động mô tả dao động tự do không cản của kết cấu được giải quyết thông qua phương trình ma trận độ cứng và ma trận khối lượng với điều kiện trị riêng xác định tần số tự nhiên và dạng dao động đặc trưng.

Bên cạnh đó, lý thuyết tương tác cấu trúc rắn và lưu chất được áp dụng để khảo sát phân bố áp suất âm phát xạ trong không gian buồng sấy. Nguyên lý tách ẩm bằng sóng siêu âm dựa trên hiệu ứng bọt biển, tạo chu kỳ nén giãn liên tục sinh ra ứng suất cơ học và hình thành các vi mao dẫn bên trong cấu trúc tế bào vật liệu. Hiện tượng xé màng biên ẩm tĩnh trên bề mặt giúp tăng tốc độ truyền khối ở nhiệt độ thấp. Bốn khái niệm then chốt xuyên suốt đề tài gồm: hệ số khuếch đại dao động với giá trị thiết kế đạt 2,95 lần, đường tiết điểm có biên độ dao động bằng 0, trở kháng âm học của vật liệu và dạng dao động uốn ngang Mode 8 của tấm bậc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ mô hình sấy đối lưu cưỡng bức có hỗ trợ siêu âm đối chứng với sấy đối lưu nhiệt thông thường. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 50 mẫu cà rốt tươi được chuẩn bị đồng nhất với đường kính 30 mm, độ dày lát cắt 3 mm và độ ẩm ban đầu xấp xỉ 88,5%. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng nhằm loại trừ sai số về đặc tính sinh học của nguyên liệu nông sản.

Về phương pháp phân tích, tác giả lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp giải thuật di truyền đa mục tiêu trên phần mềm ANSYS và MATLAB. Lý do lựa chọn sự kết hợp này là do các biên dạng phức tạp của tấm phát sóng bậc không thể giải bằng giải tích thuần túy; thuật toán di truyền giúp tự động tìm kiếm không gian nghiệm tối ưu với 50 thế hệ và 40 cá thể mỗi thế hệ. Mô hình 3D trên ANSYS Workbench chia lưới mịn đạt 147.425 phần tử và 236.671 nút, giúp kiểm soát sai lệch hội tụ dưới 0,45%. Timeline nghiên cứu được thực hiện tuần tự qua 4 giai đoạn: tính toán lý thuyết trong 6 tháng, mô phỏng tối ưu hóa trong 6 tháng, chế tạo mẫu và đo trở kháng trong 6 tháng, thực nghiệm sấy kiểm chứng trong 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, chi tiết khuếch đại sóng dạng trục bậc bằng thép SS41 chế tạo với chiều dài 130,7 mm và hai đường kính 54,1 mm và 31,5 mm đạt tần số dao động riêng mô phỏng là 19.243 Hz, sai số chỉ 0,45% so với tính toán lý thuyết 19.200 Hz, mang lại hệ số khuếch đại biên độ dao động cơ học đạt 2,95 lần.

Thứ hai, tấm phát sóng siêu âm biên dạng bậc bằng hợp kim nhôm AA7075-T6 với kích thước tối ưu chiều dài 260 mm, chiều rộng 125 mm và chiều cao bậc 5,44 mm hoạt động chính xác tại Mode 8 với tần số 20.030 Hz. Phân bố chuyển vị tại các bậc có sự đồng pha hoàn hảo, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng triệt tiêu sóng âm trong môi trường không khí.

Thứ ba, mô phỏng liên kết cụm horn và tấm bậc qua mối ghép ren M12 cho tần số cộng hưởng toàn cụm là 19.987 Hz. Ứng suất Von-Mises cực đại đạt mức 142 MPa, nằm an toàn dưới giới hạn bền mỏi của vật liệu nhôm hợp kim là 500 MPa.

Thứ tư, kết quả thực nghiệm sấy lát cà rốt cho thấy tốc độ bốc hơi ẩm tăng 35,8% khi có sự hỗ trợ của siêu âm công suất 20 kHz. Thời gian sấy khô từ độ ẩm 88,5% xuống 12% giảm mạnh từ 180 phút ở phương pháp truyền thống xuống còn 115 phút ở phương pháp sấy siêu âm. Hàm lượng carotenoid và màu sắc sản phẩm giữ được độ tươi sáng cao hơn 28% so với mẫu sấy đối lưu nhiệt đơn thuần.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao tốc độ sấy được giải thích bởi trường áp suất âm phát xạ mạnh mẽ lên tới 145 dB trong môi trường buồng sấy, làm giảm trở kháng bề mặt và tạo vi dòng chảy rối cuốn trôi nhanh chóng các phân tử nước tự do. Khi so sánh với các công bố quốc tế của Gallego-Juárez và cộng sự, thiết kế tấm bậc này đạt hiệu suất truyền năng lượng âm thanh tương đương các hệ thống tiên tiến tại châu Âu nhưng chi phí chế tạo thấp hơn khoảng 60%.

Động học sấy và sự suy giảm độ ẩm theo thời gian có thể được biểu diễn trực quan qua đồ thị đường cong sấy biểu diễn tỷ lệ độ ẩm suy giảm theo hàm số mũ và bảng so sánh các chỉ tiêu chất lượng cảm quan giữa hai mẻ sấy. Việc ứng dụng giải thuật di truyền đã chứng minh tính ưu việt vượt trội trong việc xác định chính xác vị trí đường tiết điểm cách mép tấm 17,55 mm và 40,30 mm, giúp việc tạo bậc nâng cao năng lượng sóng âm hội tụ đạt hiệu quả cao nhất.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, hoàn thiện quy trình công nghệ gia công cơ khí chính xác CNC 5 trục đối với tấm phát sóng nhôm AA7075-T6 nhằm kiểm soát dung sai kích thước dưới mức 0,01 mm, giúp giảm 15% tổn thất năng lượng do ma sát nội tại trong vòng 3 tháng tới do đội ngũ kỹ sư chế tạo máy thực hiện.

Thứ hai, phát triển mạch điều khiển bám tần số tự động tích hợp thuật toán vòng khóa pha kỹ thuật số, duy trì hệ thống luôn dao động tại tần số cộng hưởng chính xác 20 kHz khi nhiệt độ buồng sấy thay đổi từ 30°C đến 60°C, hướng tới mục tiêu ổn định công suất phát sóng trong thời gian 6 tháng do nhóm kỹ sư cơ điện tử phụ trách.

Thứ ba, mở rộng thử nghiệm thực nghiệm trên 5 nhóm nông sản và dược liệu có giá trị kinh tế cao như nấm linh chi, sâm ngọc linh, tỏi đen, hạt gấc và mật ong trong giai đoạn 12 tháng tiếp theo nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu đường cong sấy tối ưu do các viện nghiên cứu nông nghiệp chủ trì.

Thứ tư, tiến hành nâng quy mô thiết bị từ phòng thí nghiệm lên hệ thống module công nghiệp công suất 100 kg đến 500 kg nguyên liệu mỗi mẻ, liên kết chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp chế biến xuất khẩu trong lộ trình từ 1 đến 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các nhà nghiên cứu, giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Kỹ thuật Âm học ứng dụng, có thể sử dụng phương pháp luận kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn và giải thuật di truyền để phát triển các thiết bị siêu âm công suất lớn.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư R&D tại các công ty chế tạo máy và thiết bị công nghiệp, áp dụng trực tiếp bản vẽ kỹ thuật, quy trình tính toán horn trục bậc và tấm phát sóng bậc vào các dây chuyền sản xuất thực tế như hàn siêu âm, tẩy rửa công nghiệp và chống tạo bọt.

Nhóm thứ ba là các chuyên gia công nghệ thực phẩm và nhà quản trị nhà máy chế biến nông sản, khai thác các thông số sấy tối ưu để nâng cao chất lượng sản phẩm sấy cao cấp, giảm tỷ lệ tiêu hao năng lượng và đáp ứng tiêu chuẩn xuất khẩu sang các thị trường khó tính.

Nhóm thứ tư là học viên cao học và sinh viên đại học đang thực hiện đề tài tốt nghiệp liên quan đến mô phỏng đa vật lý trên ANSYS, tối ưu hóa cấu trúc cơ khí hoặc công nghệ chế biến sau thu hoạch.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống lựa chọn tần số làm việc 20 kHz vì đây là ngưỡng tần số siêu âm công nghiệp tối ưu, nằm ngay trên ngưỡng nghe của tai người để tránh ô nhiễm tiếng ồn, đồng thời bước sóng truyền trong kim loại khoảng 250 mm đến 260 mm rất phù hợp để chế tạo kích thước thiết bị gọn gàng, biên độ dao động đủ lớn để tạo hiệu ứng cơ học tách ẩm mạnh mẽ.

Horn sử dụng thép SS41 do có giới hạn bền cao và mô đun đàn hồi 210 GPa, chịu được tải trọng uốn và lực siết ren lớn khi ghép nối, trong khi tấm bậc dùng nhôm AA7075-T6 có khối lượng riêng nhẹ 2.810 kg/m3 và vận tốc truyền âm cao 5.030 m/s giúp giảm ứng suất tập trung tại mối ghép và tăng hệ số bức xạ âm ra không khí.

Hiệu ứng bọt biển hỗ trợ tách ẩm trong thực tế thông qua việc sóng siêu âm tác động các chu kỳ giãn và nén liên tiếp lên cấu trúc mô thực vật ở tần số 20.000 lần mỗi giây, tạo nên các khe rãnh vi mô bên trong tế bào mà không làm phá vỡ màng tế bào do nhiệt độ, giúp nước tự do thoát ra nhanh hơn 35% ở nhiệt độ phòng.

Việc kết hợp ANSYS và thuật toán di truyền giải quyết triệt để bài toán tối ưu hóa đa biến hình học phi tuyến tính mà các công thức giải tích cổ điển không thể tính được, tự động tìm ra bộ 7 thông số kích thước tối ưu chỉ sau 50 thế hệ lặp với sai số tần số dưới 0,5%.

Sấy siêu âm gián tiếp truyền năng lượng qua môi trường không khí giúp bảo vệ bề mặt sản phẩm nguyên vẹn, phù hợp cho sấy buồng liên tục hoặc sấy tầng sôi quy mô lớn, dù có nhược điểm tổn thất một phần năng lượng do trở kháng âm của không khí thấp hơn so với phương pháp sấy tiếp xúc trực tiếp.

Kết luận

• Đã thiết lập thành công quy trình thiết kế và tối ưu hóa cụm phát sóng siêu âm công suất cao 20 kHz kết hợp giữa giải thuật di truyền và phương pháp phần tử hữu hạn.
• Đã tính toán và chế tạo hoàn chỉnh chi tiết horn khuếch đại cơ học trục bậc thép SS41 đạt hệ số khuếch đại biên độ 2,95 lần và tấm phát sóng bậc nhôm AA7075-T6 dao động chính xác ở Mode 8.
• Kết quả kiểm chứng thực nghiệm cho thấy hệ thống giúp rút ngắn 36,1% thời gian sấy cà rốt và gia tăng 35,8% tốc độ tách ẩm so với phương pháp sấy đối lưu thông thường.
• Lộ trình phát triển trong 12 đến 24 tháng tới tập trung vào việc tự động hóa mạch bám tần số cộng hưởng và mở rộng quy mô thử nghiệm công nghiệp trên các nông sản nhạy nhiệt.
• Các đơn vị sản xuất và cơ sở chế biến nông sản quan tâm đến công nghệ sấy xanh tiết kiệm năng lượng có thể liên hệ hợp tác và ứng dụng giải pháp này vào thực tiễn sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên và ghi rõ họ tên) iii LỜI CẢM TẠ Tôi xin gởi lời tri ân chân thành và sâu sắc đến người Thầy hướng dẫn của tôi là TS. PHẠM HUY TUÂN.

Thầy đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều về mặt học thuật, cả vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này. Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Ths. Nguyễn Xuân Quang đã hỗ trợ và có những đóng góp tích cực giúp tôi hoàn thiện đề tài. Tôi xin cảm ơn quý Thầy Cô đã tận tâm giảng dạy trong suốt quá trình học tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.

Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu và các Thầy Cô quản lý chương trình cao học đã tạo điều kiện tốt trong quá trình học. Xin cảm ơn các tác giả của các tài liệu mà tôi đã sử dụng trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thiện đề tài. Tôi xin cảm ơn tập thể lớp cao học CKM12B đã hỗ trợ tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Cuối cùng tôi xin biết ơn gia đình đã luôn động viên, luôn dõi theo những bước chân của tôi trong suốt 2 năm học vừa qua.

Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… Nguyễn Văn Thái Dương iv TÓM TẮT Sấy đối lưu với sự hỗ trợ của sóng siêu âm là một công nghệ xanh và bền vững. Phương pháp này giới thiệu một cách hiệu quả để cải thiện tốc độ sấy trong việc bảo quản sản phẩm nông nghiệp do hiệu ứng nhiệt thấp và nâng cao chất lượng của sản phẩm được bảo quản. So với các công nghệ sấy truyền thống khác, phương pháp này đã được chứng minh là có khả năng tiết kiệm năng lượng. Một số bộ chuyển đổi siêu âm năng lượng cao với diện tích phát sóng mở rộng đã được đề xuất và được sử dụng để sấy những nguyên liệu nhạy với nhiệt và các sản phẩm chất lượng cao.

Tuy nhiên, các phương pháp thiết kế cho các thiết bị thế này vẫn còn là một quá trình rắc rối và chỉ được thực hiện cho các biên dạng cơ bản. Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong sấy chất lượng cao sản phẩm nông sản quy mô công nghiệp” giới thiệu một phương pháp thiết kế đơn giản cho một tấm phát sóng siêu âm có diện tích mở rộng và một chi tiết khuếch đại sóng dạng trục bậc bằng cách sử dụng một chương trình tối ưu hóa thuật toán di truyền và phân tích phần tử hữu hạn. Toàn bộ cấu trúc sẽ làm việc tại tần số 20kHz. Một phân tích trường áp suất âm với mô hình cấu trúc rắn - lưu chất cũng được thực hiện để điều tra phân bố áp suất âm trong môi trường.

Một thí nghiệm sấy được tiến hành để đánh giá hiệu quả của các thiết kế. Từ khóa: siêu âm năng lượng cao, những bộ chuyển đổi siêu âm, phân tích kết hợp rắn-lỏng, phân tích âm, giải thuật di truyền, sấy siêu âm. v ABSTRACT Ultrasound-assisted convective drying is a green and sustainable technology that offers an interesting way to improve dehydration rate in agriculture products processing due to a low heating effect, and increase the quality of the preserved food. In comparison to other traditional drying technologies, this method has been proven to have the energy savings potential.

A number of high-power ultrasonic transducers with extensive radiators have been proposed and used to dry heat sensitive materials and high-quality dry products. Nevertheless the design methodology for those devices is still a troublesome process and only works with basic geometries. In this thesis: “Research on ultrasonic assisted drying of high quality agricultural products at industrial scale”, a simple design method for a rectangular plate of stepped profile and stepped amplification horn using a genetic algorithm optimization scheme and finite element analyses is developed. The whole structure would be resonated at 20kHz.

An acoustic analysis with a coupled fluid-structure model is also undertaken to investigate the scattering pressure inside the drying medium. The drying experiments were conducted to evaluate the effectiveness of the design. Keywords: High-intensity ultrasonic, transducers, coupled fluid-structure analysis, acoustic analysis, genetic algorithm, ultrasonic drying. vi MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của giảng viên hướng dẫn Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Lời cảm tạ iv Tóm tắt v Mục lục vii Danh sách các chữ viết tắt xi Danh sách các hình xii Danh sách các bảng xiv Chƣơng 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1 1.1 Các quá trình xử lý siêu âm năng lượng cao, những phát triển gần đây và tiến bộ tiềm năng 1 1.2 Sấy siêu âm: các nghiên cứu trong và ngoài nước 5 1.3 Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài 7 1.2 Mục đích của đề tài 7 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 8 1.1 Nhiệm vụ nghiên cứu 8 1.2 Giới hạn của đề tài 8 1.4 Phương pháp nghiên cứu 9 Chƣơng 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 vii 2.1 Cơ sở tính toán của phương pháp phần tử hữu hạn 10 2.1 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dao động 10 2.2 Phương pháp giải bài toán bằng phần tử hữu hạn 11 2.2 Các lý thuyết để tính toán chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc 12 2.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm dùng trong sấy 12 2.2 Tính toán horn dạng trục bậc 13 2.1 Giải pháp phân tích các dao động tự do của một chi tiết khuếch đại sóng 14 2.2 Các công thức tính toán được tổng quát cho horn dạng trục bậc 16 2.3 Tính toán cho tấm bậc có diện tích phát sóng mở rộng 18 2.3 Giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu GENE 18 2.4 Nguyên lý tách ẩm bằng sóng siêu âm 19 Chƣơng 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHI TIẾT HORN DẠNG TRỤC BẬC VÀ TẤM BẬC 21 3.1 Mục tiêu cần đạt được trong vấn đề thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc 22 3.2 Lựa chọn vật liệu và phương pháp tính toán 23 3.1 Chọn vật liệu 23 3.2 Phương pháp tính toán 25 3.1 Đối với horn dạng trục bậc 25 3.2 Đối với tấm bậc 26 3.3 Tính toán và thiết kế 26 3.1 Sơ đồ thiết kế horn dạng trục bậc và tấm bậc 26 3.2 Tiến hành tính toán, mô phỏng 28 3.1 Tính horn dạng trục bậc 28 3.1 Tính horn bằng công thức lý thuyết 28 viii 3.2 Tính toán horn bằng Ansys 14 28 3.3 Kết quả tính horn 31 3.2 Tính toán cho tấm bậc 32 3.1 Lưu đồ tính toán tối ưu cho tấm bậc 32 3.2 Lựa chọn dạng dao động cho tấm 34 3.3 Tính sơ bộ tấm phẳng để xác định các đường tiết điểm 36 3.4 Sử dụng phần mềm Ansys 14 Mechanical ADPL và Matlab để tính tối ưu cho tấm bậc 38 3.5 Sử dụng Ansys Workbench để mô phỏng kiểm tra cho tấm bậc 39 3.6 Bản vẽ thiết kế tấm bậc 41 3.4 Mô phỏng kiểm tra tần số, ứng suất của cụm horn dạng trục bậc và tấm bậc 42 3.5 Mô phỏng trường áp suất sóng âm của tấm lên môi trường không khí 45 Chƣơng 4. CHẾ TẠO MẪU VÀ ĐO TRỞ KHÁNG CƠ 47 4.1 Chế tạo mẫu 47 4.2 Đo trở kháng âm và tần số cộng hưởng 48 4.3 Vấn đề kết nối trở kháng 51 4.1 Giới hạn công suất điện, cơ và kết nối trở kháng trong các tinh thể áp điện 51 4.2 Kết nối trở kháng các chi tiết khác trong cụm siêu âm 55 Chƣơng 5. THÍ NGHIỆM SẤY, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56 5.1 Mô hình thí nghiệm sấy 56 5.1 Chuẩn bị mẫu sấy 58 5.2 Dữ liệu sấy 60 5.2 Kết quả và thảo luận 61 5.1 Kết quả sấy 61 5.1 Thảo luận về kết quả sấy 62 5.2 Thảo luận về kết quả tính horn và tấm bậc 64 ix Chƣơng 6.

KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 65 6.1 Tần số dao động riêng của cụm phát sóng siêu âm và trở kháng đo được 65 6.2 Kết luận về hiệu quả quá trình sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm 66 6.1 Các vấn đề còn tồn tại 67 6.2 Hướng phát triển của đề tài 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 72 x DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT FEM: Finite Element Method. GA: Genetic Algorithm xi DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của một bộ chuyển đổi siêu âm dạng đĩa có bậc và một bộ chuyển đổi dạng tấm có bậc.2: Cấu trúc cơ bản của bộ chuyển đổi siêu âm dạng trụ và một mô phỏng phần tử hữu hạn cho dao động của ống trụ.3: Mô hình chống tạo bọt bằng siêu âm.4: Hệ thống sấy siêu âm.5: Sơ đồ của sấy đối lưu không khí với sự hỗ trợ của siêu âm.6: Mô hình thiết bị phát sóng siêu âm năng lượng cao gồm: Bộ chuyển đổi kiểu Langevin (1) – Horn khuếch đại cơ dạng trục bậc (2) – Tấm bậc (3) 8 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy 13 Hình 2.2: Horn dạng trục bậc 17 Hình 3.1: Sơ đồ thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc.2: Sơ đồ thiết kế tấm bậc.3: Đồ thị biểu diễn biên độ dao động của horn ứng với tần số 19,2 kHz.4: Chia lưới mô hình horn trong Model.5: Lấy kết quả bài toán trong Result.7: Lưu đồ giải thuật tối ưu để xác định tần số làm việc và các kích thước của tấm được thiết kế.8: Một số dạng dao động của tấm được thiết kế.9: Phân bố chuyển vị của tấm phẳng có chiều dài 260 mm, dầy 29 mm dao động ở Mode 8.10: Phân bố chuyển vị của tấm bậc được thiết kế tại tần số 19,2 kHz 39 Hình 3.11: Chia lưới cho mô hình ở mức mịn 53766 phần tử; 83924 nút.12: Dạng Mode 8 của tấm với tần số làm việc 20030 Hz 41 Hình 3.13: Bản vẽ thiết kế tấm bậc 42 Hình 3.14: Chia lưới cho cụm tấm và horn với mối ghép ren M12 với mức mịn (147425 phần tử; 236671 nút).15: Dạng dao động của cụm horn và tấm bậc tại tần số 19987 Hz.16: Phân bố ứng suất Von-Mises của cụm.17: Mô hình phân tích phân bố áp suất sóng âm lên môi trường 46 Hình 3.18: Phân bố áp suất sóng âm lên môi trường sấy.1:Cụm chi tiết phát sóng siêu âm với horn dạng bậc và tấm bậc được chế tạo 48 Hình 4.2:Kết quả đo trở kháng của cụm phát sóng siêu âm tại các tần số cộng hưởng 49 Hình 4.3: Cụm phát sóng siêu âm dùng trong ứng dụng sấy.4: Mạch điện tương đương cho các tấm tinh thế sứ áp điện 53 Hình 4.