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

Trong lĩnh vực xử lý siêu âm trong môi trư ng chất lỏng và đặc biệt hơn trong môi trư ng khí, sự phát triển c a các bộ phận chuyển đổi dạng tấm bậc và các dạng bộ phận phát năng lượng kh

vii

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của giảng viên hướng dẫn

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu

1.1.1 Các quá trình xử lý siêu âm năng lượng cao, những phát triển gần đây

1.1.2 Sấy siêu âm: các nghiên cứu trong và ngoài nước 5 1.1.3 Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài 7

viii

2.1 Cơ sở tính toán của phương pháp phần tử hữu hạn 10 2.1.1 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dao động 10 2.1.2 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 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm dùng trong sấy 12

2.2.2.3 Tính toán cho tấm bậc có diện tích phát sóng mở rộng 18

để tính tối ưu cho tấm bậc 38 3.3.2.2.5 Sử dụng Ansys Workbench để mô phỏng kiểm tra cho tấm bậc 39

5.2.2.2 Thảo luận về kết quả tính horn và tấm bậc 64

xi

DANH SÁCH CÁC CH VIẾT TẮT

FEM: Finite Element Method

GA: Genetic Algorithm

Langevin (1) – Horn khuếch đại cơ dạng trục bậc (2) – Tấm bậc (3) 8

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

sự quan tâm trong lĩnh vực xử lý siêu âm đã làm sống lại, đặc biệt là trong các lĩnh vực công nghiệp, nơi công nghệ siêu âm có thể là một công cụ sạch và hiệu quả để cải thiện các quá trình cổ điển đang tồn tại hay một sự thay thế đổi mới cho sự phát triển những quy trình mới Các ngành liên quan như công nghiệp thực phẩm, môi trư ng, dược phẩm, sản xuất hóa chất, máy móc, khai thác…nơi mà năng lượng siêu âm đang tr thành một công nghệ mới nổi cho quá trình phát triển

Trong lĩnh vực xử lý siêu âm trong môi trư ng chất lỏng và đặc biệt hơn trong môi trư ng khí, sự phát triển c a các bộ phận chuyển đổi dạng tấm bậc và các dạng bộ

phận phát năng lượng khác với bề mặt phát sóng rộng đã góp phần mạnh mẽ vào việc

thực hiện giai đoạn bán công nghiệp và công nghiệp c a một số ng dụng thương

mại, trong các lĩnh vực như thực phẩm, ngành công nghiệp nước giải khát (như chống

tạo bọt, sấy, khai thác ), môi trư ng (như làm sạch không khí, lọc bùn ), chế tạo máy

và các quá trình sản xuất ( như rửa trong ngành dệt may, sản xuất )

Với các ng dụng c a siêu âm cư ng độ cao trong môi trư ng chất lỏng hoặc các môi trư ng nhiều pha khác, các bộ phận chuyển đổi năng lượng cao đặc biệt đòi

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

hỏi các yêu cầu khắt khe về các thuộc tính âm học Môi trư ng chất lỏng (đặc biệt là khí) có một tr kháng âm thấp và sự hấp thụ âm thanh cao Vì vậy, để có được sự truyền năng lượng hiệu quả, thì cần thiết phải có một sự kết hợp tr kháng tốt giữa các

bộ phận chuyển đổi năng lượng Ngoài ra, với những ng dụng công nghiệp quy mô

lớn, công suất cao và diện tích phát xạ rộng sẽ được yêu cầu trong những bộ phận chuyển đổi

Cố gắng để đạt được mục tiêu như vậy, một họ mới các bộ chuyển đổi siêu âm

thực hiện công suất năng lượng cao, hiệu quả và kiểm soát hướng đã được phát triển Đây là họ bộ chuyển đổi siêu âm có bề mặt b c xạ rộng trong đó bao gồm nhiều phiên bản tùy thuộc vào hình dạng hoặc biên dạng c a bộ phát Các loại chính c a bộ chuyển đổi siêu âm như thế này có thể kể đến: tấm dạng bậc (hình 1.1), tấm có rãnh, tấm dạng

bậc có rãnh và bộ phát dạng trụ (hình 1.2)…

chuy ển đổi dạng tấm có bậc

Ngu ồn: (Gallego-Juárez, 2009, 2010)

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

t ử hữu hạn cho dao động c a ống trụ

Ngu ồn: (Gallego-Juárez, 2009, 2010)

ng dụng c a năng lượng siêu âm trong công nghệ chế biến thực phẩm là một trong những lĩnh vực h a hẹn nhất cho tiến bộ trong tương lai c a siêu âm Cách làm sạch c a năng lượng siêu âm như một chất hóa học không gây ô nhiễm, không ion hóa không khí, đóng một vai trò quyết định trong việc liên tục tìm kiếm các phương pháp

sản xuất an toàn và chất lượng hơn

Trong phạm vi rộng c a các ng dụng tiềm năng c a năng lượng siêu âm trong chế

biến thực phẩm chỉ có rất ít các quy trình có được đã được thiết lập cấp độ công nghiệp Tuy nhiên, một số quy trình mới đã được nghiên c u m rộng và hiện nay đang tiến rất gần với việc phát triển thương mại công nghệ này, như là các ng dụng siêu âm trong chống tạo bọt, sấy và quá trình khai thác chất lỏng siêu tới hạn… Hình 1.3 giới thiệu mô hình chống tạo bọt bằng siêu âm trong công nghiệp

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Ngu ồn: (Gallego-Juárez, 2009, 2010)

Hình 1.4 giới thiệu một mô hình sấy đối lưu có sự hỗ trợ c a năng lượng sóng siêu âm

Ngu ồn: (Gallego-Juárez, 2009, 2010)

- Ngoài ra, siêu âm năng lượng cao còn được ng dụng trong nhiều khía cạnh khác như trong vấn đề môi trư ng, làm sạch, gia công cơ khí…Trong khuôn khổ nghiên c u

c a đề tài này, tác giả chỉ quan tâm đến lĩnh vực ng dụng c a sóng siêu âm năng

lượng cao trong công nghiệp thực phẩm, mà đặc biệt là quá trình sấy

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Ngày nay, tiêu thụ toàn cầu đang chuyển dịch từ sản phẩm tươi đến sản phẩm đã qua chế biến Trong bối cảnh này, quá trình sấy góp phần tạo ra các sản phẩm chất lượng cao với chi phí cạnh tranh Hơn nữa, chúng cho phép th i gian sử dụng lâu hơn,

trọng lượng nhẹ hơn cho vận chuyển và một không gian nhỏ hơn để lưu trữ Tuy nhiên, quá trình sấy khô có thể ảnh hư ng đến các thuộc tính cảm quan và dinh dưỡng do thay đổi kết cấu và sinh hóa xảy ra ch yếu do nhiệt độ cao tác dụng trong quá trình và th i gian sấy lâu

Sấy là một quá trình ph c tạp, liên quan đến đồng th i hiện tượng chuyển đổi nhiệt

và khối lượng với sự vận chuyển cả bên trong lẫn bên ngoài c a vật phẩm Trong quá trình sấy rau c , tốc độ sấy có thể bị ảnh hư ng b i cả hiện tượng khuếch tán và vận chuyển nước đối lưu Tốc độ sấy khô có thể được tăng lên bằng cách kết hợp đầy đ các nguồn năng lượng, chẳng hạn như vi sóng, b c xạ hồng ngoại, siêu âm năng lượng cao So với các công nghệ sấy khác, sấy đối lưu với sự hỗ trợ c a siêu âm giới thiệu

một cách hiệu quả để nâng cao tốc độ sấy dưới điều kiện hiệu ng nhiệt thấp và làm hạn chế sự mất mát về chất lượng trong sản phẩm

Đã có nhiều kết luận trong các nghiên c u về việc áp dụng hiệu quả năng lượng siêu âm để cải tiến tốc độ sấy do tác động cơ học kết hợp với sóng siêu âm Nguyên lý

hỗ trợ tách ẩm bằng siêu âm sẽ được phân tích cụ thể hơn trong mục 2.4

Kỹ thuật sấy đối lưu với sự hỗ trợ c a siêu âm đã được áp dụng để tăng tốc độ sấy

c a một số sản phẩm, bao gồm cả cà rốt (Gallego-Juárez, 1998; García-Peréz et al., 2009), hành tây (Mota và Palau, 1999), lúa mì và ngô (Huxsoll và Hall, 1970), gạo (Muralidhara và Ensminger, 1986), hồng (Cárcel et al., 2007), cà tím (Ortuno et al., 2010), lá ô liu (Cárcel et al., 2010), vỏ chanh (García-Peréz et al., 2009) và surimi (Nakagawa et al., 1996) Mặc dù tất cả những công trình nghiên c u này cho thấy hiệu

quả đáng kể c a năng lượng sóng siêu âm trong việc tách nước trong quá trình sấy, tuy nhiên cần nhận xét rằng ng dụng siêu âm tr nên ít hay nhiều hiệu quả phụ thuộc các

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

biến quá trình, chẳng hạn như tốc độ không khí (Cárcel et al., 2007 ; García-Pérez et al., 2007), nhiệt độ (García-Pérez et al., 2006) hoặc năng lượng siêu âm được sử dụng (García-Peréz et al., 2009) Ngoài ra, đặc tính sản phẩm cũng tác động đến ảnh hư ng

c a siêu âm vào các quá trình sấy khô Do đó, những sản phẩm có độ xốp cao dễ bị ng

suất cơ học (do sự cản tr cơ học thấp c a chúng) sẽ hiệu quả hơn trong sấy bằng siêu

âm

Vì vậy, rất khó để dự đoán hiệu quả c a ng dụng siêu âm vào một sản phẩm cụ

thể nào đó do ảnh hư ng c a cả hai quá trình và các biến sản phẩm Nghiên c u về ảnh

hư ng siêu âm đến quá trình chuyển đổi khối lượng phải được thực hiện khi một ng dụng siêu âm được thiết kế cho một sản phẩm cụ thể không giải quyết trước đó Hình 1.5 giới thiệu mô hình sấy đối lưu với sự hỗ trợ c a sóng siêu âm

Ngu ồn: (Ortuno et al., 2010)

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

1 Qu ạt, 2 Buồng đốt, 3 Máy đo gió, 4 Van ba chiều, 5 Cặp nhiệt điện, 6 Buồng tải

m ẫu sấy, 7 Khớp nối, 8 Cánh tay di chuyển bằng khí nén, 9 Bộ chuyển đổi siêu âm,

10 Xi lanh rung, 11 Khay, 12 Cân b ằng, 13 Đơn vị kết nối kháng âm, 14 Đồng hồ kỹ thu ật số đo công suất, 15 Máy phát siêu âm công suất cao, 16 Máy tính cá nhân

Như đã trình bày, mặc dù ng dụng năng lượng siêu âm để sản xuất hoặc để tăng

cư ng một loạt các quy trình đã được khám phá từ khoảng giữa thế kỷ 20, tuy nhiên

chỉ có một số ít các quá trình xử lý siêu âm đã được thiết lập cấp độ công nghiệp Tình hình nghiên c u ng dụng công nghệ siêu âm vào các quá trình công nghiệp

Việt Nam còn rất hạn chế, đa phần chỉ dừng lại m c độ sử dụng các công nghệ có sẵn c a nước ngoài Chúng ta chưa làm ch được công nghệ này

1.1.3 Nh n xét chung vƠ h ng nghiên c u c a đ tƠi

Từ những kết luận dựa vào các công trình đã công bố, rõ ràng đề tài này là một hướng đi riêng và mang tính cấp thiết Tác giả thiết kế thiết bị siêu âm hỗ trợ cho quá trình sấy nóng ng dụng cho các sản phẩm nông nghiệp có giá trị cao, chưa được nghiên c u để sấy bảo quản với việc phân tích các ảnh hư ng c a nhiệt sấy tới chất lượng c a sản phẩm Đề tài sử dụng mô hình sấy gián tiếp (sấy đối lưu với sự hỗ trợ

c a siêu âm) để tiến hành thử nghiệm hiệu quả c a việc ng dụng siêu âm vào hỗ trợ sấy và đánh giá chất lượng cũng như hiệu quả c a quá trình sấy

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Langevin (1) – Horn khuếch đại cơ dạng trục bậc (2) – Tấm bậc (3)

1.3 Nhi m v vƠ gi i h n c a đ tƠi

1.3.1 Nhi m v c a đ tƠi

- Tính toán, thiết kế, mô phỏng cụm thiết bị siêu âm hỗ trợ quá trình sấy khô, kiểu sấy nóng với dòng không khí cưỡng b c gồm: chi tiết khuếch đại cơ dạng trục bậc, tấm phát xạ sóng siêu âm hình chữ nhật có bậc

- Chế tạo thử nghiệm hai chi tiết trên với 2 loại vật liệu là hợp kim nhôm AA 7075-T6

và thép SS 41

- Xây dựng mô hình thí nghiệm sấy có và không có sự hỗ trợ c a thiết bị siêu âm cho

vật liệu sấy là cà rốt; đánh giá sơ bộ hiệu quả hỗ trợ c a thiết bị siêu âm lên quá trình sấy và chất lượng sản phẩm sấy

- Từ các kết quả so sánh, đánh giá hiệu quả, hiệu chỉnh các tham số để tiến hành chế

tạo sử dụng quy mô công nghiệp

1.3.2 Gi i h n c a đ tƠi

Do giới hạn về th i gian, cơ s vật chất và kinh phí thực hiện nên:

+ Đề tài chỉ tính toán và tiến hành chế tạo, thử nghiệm cụm thiết bị hỗ trợ siêu âm

gồm: một chi tiết khuếch đại cơ học dạng trục bậc có tần số làm việc 19,2 kHz bằng vật

1

2

3

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

liệu là thép SS 41; một chi tiết phát sóng siêu âm dạng tấm hình chữ nhật có bậc bằng hợp kim nhôm AA 7075-T6 có tần số làm việc gần 20 kHz

+ Đề tài không nghiên c u, tính toán và chế tạo thử nghiệm các biên dạng chi tiết khuếch đại cơ học và kiểu tấm công tác khác như tấm dạng đĩa có bậc, có khoét rãnh cong…với các tần số làm việc khác nhau như: 40 kHz, 60 kHz,…do không có kinh phí mua thiết bị gồm nguồn phát, bộ chuyển đổi, các thiết bị hỗ trợ…

+ Đề tài không đi giải quyết bài toán sấy mà chỉ thực hiện một thí nghiệm sấy đơn giản

để đánh giá hiệu quả hỗ trợ c a sóng siêu âm lên quá trình sấy Để đánh giá toàn diện

hiệu quả và tìm ra các thông số tối ưu c a quá trình sấy, tác giả cần nhiều th i gian hơn nữa để nghiên c u thiết bị và thí nghiệm

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

C SỞ Lụ THUYẾT

Cơ sở lý thuyểt giải quyết đề tài gồm 4 phần chính: phương pháp phần tử hữu

h ạn được sử dụng để tính toán dao động siêu âm; các lý thuyết về tính toán dao động siêu âm cho các d ạng chi tiết khuếch đại sóng âm dạng trục bậc và tấm bậc có diện tích phát sóng m ở rộng; giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu GENE và nguyên lý tách ẩm

0





B u Ku u

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Vì có thể cho rằng các vật liệu cấu thành các chi tiết trên có khả năng giảm chấn thấp (từ khía cạnh động lực), giảm chấn trong phương trình chuyển động có thể được

bỏ qua Phương trình chuyển động (2.1) có thể cho B = 0 và viết lại thành dạng:

Các thuộc tính dao động c a các chi tiết khuếch đại sóng âm được xác định bằng l i

giải giá trị riêng:

0 )

Với φi - vector riêng th i (dạng dao động),

ωi - tần số góc tự nhiên c a dạng dao động th i,

Việc giải các phương trình trên được thực hiện bằng phương pháp số trên nền c a phương pháp phần tử hữu hạn Các bước tiến hành giải một bài toán bằng phương pháp này được trình bày phần 2.1.2

2.1.2 Ph ng pháp gi i bƠi toán bằng phần t h u h n (Nguy n HoƠi S n et al., 2011)

Khi ng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải một bài toán tổng quát thư ng phải kể đến các bước sau:

1 R i rạc hóa miền khảo sát – tạo lưới phần tử hữu hạn

2 Xây dựng các phương trình phần tử

3 Lắp các phương trình phần tử

4 Khử các điều kiện biên

5 Giải hệ phương trình toàn cục để tìm các giá trị nút

6 Tính toán các kết quả trên phần tử

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Hình 2.1 giới thiệu sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ng dụng trong sấy Các đĩa tinh thể áp điện khi được đặt trong điện trư ng có thể dao động dọc

trục theo nguyên lý “từ gião” Dao động này được truyền nguyên dạng qua khối kim

loại mặt sau đến chi tiết khuếch đại sóng dạng horn có bậc Horn là chi tiết trung gian

nối bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin với tấm bậc có tác dụng khuếch đại dao động lên nhiều lần Horn có thể là các chi tiết có biên dạng truyền thống như biên dạng hàm

mũ, dạng bậc, dạng hình sin, hình nón, biên dạng catenoidal hoặc các biên dạng mới được phát triển gần đây như biên dạng Bezier hay B-Spline Tuy nhiên, biên dạng bậc được cho là dễ dàng trong việc chế tạo và có hệ số khuếch đại dao động lớn hơn các biên dạng khác khi có cùng kích thước và đây là yêu cầu cơ bản trong việc tính toán chi tiết khuếch đại dao động trong ng dụng sấy Vì vậy, horn biên dạng trục bậc được

chọn để tính toán trong đề tài này Các chi tiết trong cụm chuyển đổi siêu âm và horn

dạng trục bậc có dạng dao động giãn dài dọc theo trục y

Dao động được truyền tiếp từ horn sang tấm bậc Tấm bậc có tác dụng m rộng

diện tích phát sóng siêu âm và khuếch đại thêm dao động sóng âm để đáp ng các yêu

cầu về sấy Tấm có dạng dao động uốn ngang Các chi tiết trong cụm thiết bị được kết nối với nhau thông qua các mối ghép ren

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Ch c năng chính c a horn là để khuếch đại biên độ c a sóng siêu âm c a công cụ đến m c cần thiết để có thể làm việc hiệu quả Các horn cũng là một yếu tố truyền năng lượng dao động từ bộ chuyển đổi hướng tới các công cụ tương tác với vật liệu sấy

do được thiết kế có tần số dao động cộng hư ng với các chi tiết khác trong cụm phát sóng siêu âm Việc thiết kế và chế tạo các chi tiết kiểu này yêu cầu một sự quan tâm đặc biệt Horn chế tạo không chính xác sẽ làm giảm hiệu suất công việc, có thể dẫn đến

sự phá h y c a hệ thống dao động và gây thiệt hại đáng kể cho các máy phát dao động Nói chung, các chi tiết khuếch đại này được làm bằng kim loại có độ bền cao hơn

và sự tổn thất âm thấp hơn các vật liệu khác Khía cạnh quan trọng nhất c a thiết kế là

một chi tiết cộng hư ng tần số và việc xác định chính xác bước sóng cộng hư ng c a chúng Bước sóng cộng hư ng này nên là bội số nguyên nửa bước sóng c a các chi tiết trên Việc xác định tần số cộng hư ng c a horn với các biên dạng hình học đơn giản có thể được tính toán bằng công th c giải tích Đối với các dạng hình học ph c tạp, tần số

cộng hư ng thư ng được xác định bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Việc đánh giá hiệu quả làm việc c a horn được thể hiện qua một yếu tố gọi là hệ

số khuếch đại ka:

ka=N2=

2

1 2

Với: 1,2 lần lượt là biên độ dao động tại mặt trước và mặt sau c a horn

D1, D2 lần lượt là đư ng kính mặt trước và mặt sau c a horn

Phương trình toàn cục dao động theo chiều dọc c a horn với mặt cắt ngang hình tròn S (x), với môi trư ng 1D liên tục, được thể hiện dưới dạng:

2

2

),()

,()()(

1,

x

t x u x

t x u x

x S x S

c t

t x u

Với: x - tọa độ theo hướng dao động dọc,

u (x, t) - chuyển vị c a mặt cắt ngang theo phương dao động dọc,

E - mô đun vật liệu Young,

ρ – khối lượng riêng vật liệu cấu thành horn,

Dao động tự do c a horn biên dạng hình trụ (r (x) = r) được mô tả b i phương trình sóng sau:

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

2

2 2 2

2

),()

,(

x

t x u c t

t x u

0)()

(

2

2 0 2

2



c dx

x U d

p



(2.7)

0)()

0 2

Với ω0 - tần số góc tự nhiên

Đưa số lượng không th nguyên sau:

+ Tọa độ không th nguyên theo hướng dọc: ; 0 ; 1

+ Chuyển vị theo chiều dọc không th nguyên c a mặt cắt ngang:

0

)()(

l

x U





vào phương trình (2.7), chúng ta có được phương trình không th nguyên sau:

0)()

Và l i giải là:  ()  Acos() Bsin() (2.9)

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Cả hai mặt c a horn đều có dao động theo hướng dọc trục Với mặt sau được gắn với một chi tiết c a bộ chuyển đổi điện-cơ tạo ra rung động siêu âm đơn trục và

mặt trước được gắn với bộ phận công tác Vì thế, các điều kiện biên dao động tự do c a phương trình (2.9) c a horn được đưa ra như sau:

0)

(,0)

(

1 0

2

+ Bước sóng c a dạng dao động th k:

k k k

2 2

Với βk là nghiệm th k c a phương trình đặc trưng và k = 1, 2,

Để đạt được hiệu quả mong muốn trên các máy siêu âm, chỉ có hai dạng dao động đầu tiên c a horn được sử dụng, ví dụ như cho k = 1 gọi là dạng "một nửa sóng"

và k = 2 gọi là dạng "nguyên sóng"

Việc xác định các dạng dao động và tần số tự nhiên c a horn dạng hình trụ hoặc tròn xoay là tương đối đơn giản Phân tích các tham số cho các hình dạng không phải hình trụ thì ph c tạp hơn nhiều Vì vậy, để xác định thuộc tính dao động cho các horn

có biên dạng ph c tạp hơn, các phương pháp số được khuyến khích sử dụng

Tính toán horn dạng trục bậc (Hình 2.2) dựa vào các công th c sau (Abramov, 1998):

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Với: 1,2 lần lượt là biên độ dao động tại mặt trước và mặt sau c a horn dạng bậc

D1, D2 lần lượt là đư ng kính mặt trước và mặt sau c a horn dạng bậc

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Đối với các biên dạng hình học ph c tạp như trong việc tính toán cho tấm bậc

loại này, các thuộc tính dao động c a chi tiết thư ng được xác định bằng phương pháp

phần tử hữu hạn Nền tảng tính toán cơ bản giống như tính toán cho các horn được trình bày trong các phần 2.2.2, 2.2.2.1 Hiện tại, kiểu chi tiết khuếch đại siêu âm và

diện tích phát sóng m rộng loại này chưa có công th c giải tích để tính toán; do đó

việc tính toán ch yếu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và giải thuật tối ưu Bài toán phân tích dao động được xây dựng trên nền code viết theo phần mềm Ansys 14 để tìm tần số dao động riêng và dạng dao động (Mode Shape) c a chi tiết tấm bậc Một

giải thuật tối ưu được sử dụng được viết bằng phần mềm Matlab để tìm ra giá trị tần số

tối ưu (20 kHz) để có thể cộng hư ng với các chi tiết dao động khác trong cụm phát

sóng siêu âm được trình bày trong phần 2.3

chọn lọc tự nhiên, quá trình dẫn đến các tiến hóa sinh học Việc tính toán dao động cho chi tiết có hình dạng ph c tạp như tấm bậc cần có sự hỗ trợ c a các công cụ lập trình tính toán số như Matlab, phần mềm mô phỏng tính toán như Ansys

Một phân tích Modal được tạo ra bằng code Ansys (Phụ lục 2) để tìm ra tần số

dao động riêng c a tấm bậc cùng với dạng dao động uốn ngang c a tấm Dạng dao động này được gọi là Mode 8, được chọn trước dựa vào các kích thước sơ bộ c a tấm phù hợp với yêu cầu c a không gian sấy Vấn đề lựa chọn dạng dao động được trình bày cụ thể trong phần 3.3.2.2.2 Hàm mục tiêu đây là Min Tần số dao động mong muốn f được chọn trước (20 kHz), được xem như là yếu tố đầu vào cùng với

chiều dài L và chiều cao bậc t c a tấm Các biến thiết kế khác bao gồm kích thước chiều rộng tấm, d, L1, h1, L2, h2, α.(Hình 3.2) được xác định sau quá trình tối ưu Một

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

bộ code được viết bằng Matlab sẽ làm nhiệm vụ tối ưu hàm mục tiêu Quá trình chọn lọc và đưa ra cá thể tốt nhất sẽ được giải thuật tối ưu này thực hiện một cách tự động

Một sự mô tả cụ thể hơn giải thuật này sẽ được tác giả trình bày trong phần 3.3.2.2.1

hoặc bạn đọc có thể tham khảo từ tác giả Wang.D.A et all, 2011

Như đã trình bày sơ lược chương 1, phần sấy, sấy với sự hỗ trợ c a sóng siêu

âm năng lượng cao hiện nay có 2 phương pháp: sấy siêu âm gián tiếp và sấy siêu âm

trực tiếp Đối với sấy gián tiếp, năng lượng sóng siêu âm được truyền qua môi trư ng không khí sau đó mới tiếp xúc với vật liệu sấy Bản chất c a sóng siêu âm cũng là sóng

cơ học nên chúng cũng có các tác động cơ học lên vật liệu sấy

Sấy siêu âm gián tiếp có hiệu quả cao đối với các vật liệu sấy nhạy với nhiệt Tác động cơ học c a sóng siêu âm làm mỏng, xé mảnh lớp biên ẩm ngăn cách giữa vật liệu sấy với môi trư ng bên ngoài nên tăng khả năng khuếch tán ẩm ra môi trư ng Tác

dụng này cũng tương tự như cách chúng ta sử dụng các phương pháp khác để làm tăng

diện tích bề mặt tiếp xúc c a vật liệu sấy với môi trư ng như trong sấy mẻ tĩnh, sấy tầng sôi Tuy nhiên, với sóng siêu âm tác dụng này là mạnh mẽ và hiệu quả hơn vì với nhiệt độ môi trư ng chúng ta vẫn sấy được và hiệu quả khá cao Tuy nhiên, sấy siêu

âm gián tiếp có một tr ngại lớn là tr kháng âm c a môi trư ng không khí thấp Vấn

đề này sẽ làm giảm năng lượng sóng siêu âm trước khi nó tiếp xúc với vật liệu sấy Trong khi đó, sấy siêu âm trực tiếp được đánh giá là hiệu quả hơn sấy gián tiếp Vật liệu sấy được đặt trực tiếp lên tấm công tác, vì thế sóng âm sẽ tác dụng trực tiếp

với vật liệu sấy Tác dụng sóng âm sẽ làm tăng ng suất bên trong c a vật liệu sấy, tăng co bóp…tạo ra vô số các mao dẫn bên trong và mặt biên c a vật liệu sấy Kết quả

là tăng hiệu quả c a quá trình khuếch tán ẩm ra môi trư ng bên ngoài Hiệu ng này

gọi là hiệu ng bọt biển (sponge effect) (J A Juárez et al, 1999; Juárez, 2009, 2010)

Gallego-Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Hiệu quả c a quá trình sấy bằng sự hỗ trợ c a siêu âm không những phụ thuộc vào năng lượng sóng âm mà còn phụ thuộc vào nhiều biến quá trình khác như: tốc độ

quạt thổi khí nóng, độ ẩm môi trư ng sấy, nhiệt độ sấy, tốc độ quạt hút, mẫu sấy…Như

đã trình bày phần tổng quan, sấy với sự hỗ trợ c a siêu âm đã được khẳng định là

hiệu quả với nhiều vật liệu sấy khác nhau, nhưng đặc biệt hiệu quả đối với các vật liệu

nhạy với nhiệt

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

d ạng catenoidal (Abramov O.V, 1998) hoặc như các biên dạng mới được phát triển

g ần đây như biên dạng Bezier (Wang D.A et al., 2011) hay B-Spline (Nguyen H.T et al., 2013) Tuy nhiên, biên d ạng trục bậc được cho là dễ dàng trong việc chế tạo và có

h ệ số khuếch đại dao động lớn hơn các biên dạng khác khi cùng kích thước và đây là yêu c ầu cơ bản trong việc tính toán chi tiết khuếch đại dao động trong ng dụng sấy

Vì v ậy, horn biên dạng trục bậc được chọn để tính toán trong đề tài này Trong khi đó,

t ấm bậc là một chi tiết có biên dạng ph c tạp Hiện tại, kiểu chi tiết khuếch đại và có

di ện tích phát xạ siêu âm mở rộng loại này chưa có công th c giải tích để tính toán; do

đó việc tính toán ch yếu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và giải thuật tối ưu Bài toán phân tích dao động được xây dựng trên nền code viết theo phần mềm Ansys

14 để tìm tần số dao động riêng và dạng dao động c a chi tiết tấm bậc Một giải thuật

t ối ưu được sử dụng được viết bằng phần mềm Matlab để tìm ra giá trị tần số tối ưu (20 kHz) để có thể cộng hưởng với các chi tiết dao động khác trong cụm phát sóng siêu

âm Vi ệc tính toán sử dụng đồng thời các phương pháp để đánh giá chính xác nhất các thu ộc tính dao động c a chi tiết

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

b c

Điều kiện ban đầu c a việc thiết kế horn là tần số dao động riêng c a nó phải

kết nối được với tần số làm việc c a bộ chuyển đổi Bộ chuyển đổi kiểu Langevin có

tần số làm việc là 20 kHz nên cụm chi tiết gồm horn dạng trục bậc và tấm bậc phải có

tần số làm việc cũng gần 20 kHz Trong quá trình tính toán, để giảm bớt sự ph c tạp nên tác giả không tính tính toán với mối ghép ren Chính vì vậy, tần số làm việc được tính cho horn dạng trục bậc sẽ là 19,2 kHz để bù trừ khi có mối ghép ren Khi mô

phỏng, tính toán nguyên cụm với tấm bậc, tần số dao động riêng c a cả cụm mới đạt xấp xỉ 20 kHz Trong khi đó, các chi tiết phát sóng siêu âm có diện tích phát sóng m

rộng được biết đến như dạng tấm phẳng, dạng đĩa có bậc tập trung năng lượng sóng,

dạng tấm bậc định hướng sóng (hình 1.1)…Với thiết kế dạng tấm phẳng, áp suất sóng

âm lên môi trư ng lưu chất yếu do sự lệch pha dao động giữa các mặt nằm giữa các

đư ng tiết điểm (Nodal line) (mục 3.3.2.2.3) làm triệt tiêu dao động giữa chúng (Gallego-Juárez JA et al., 2010) Trong khi đó, thiết kế dạng đĩa có bậc lại tập trung áp

suất sóng âm vào tâm đĩa phù hợp hơn trong các ng dụng chống tạo bọt Tấm bậc được thiết kế ra với mục đích m rộng diện tích phát sóng siêu âm, định hướng dòng năng lượng sóng, tăng năng suất c a quá trình sấy, đồng th i xóa bỏ khuyết điểm c a

kiểu tấm phẳng Chi tiết tấm loại này dao động dạng uốn ngang, trong khi đó chi tiết horn dạng trục bậc dao động dạng giãn dài Theo Iula et al.,2006, chi tiết dao dộng dạng uốn ngang có độ khuếch đại chuyển vị cao hơn khoảng 50% so với các chi tiết dao động dạng giãn dài.Cũng giống như mục đích thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc, điều kiện ban đầu c a việc thiết kế tấm bậc là tần số dao động riêng c a nó phải kết nối được với tần số làm việc c a các chi tiết khác trong cụm phát sóng siêu âm, t c là phải

cộng hư ng được dao động Vì vậy mục tiêu c a thiết kế là:

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

+ Thiết kế được chi tiết horn dạng trục bậc có tần số dao động riêng gần 19,2 kHz và biên độ dao động dọc trục phải được khuếch đại Thiết kế được chi tiết tấm bậc có tần

số dao động riêng khoảng 20 kHz và có diện tích phát sóng đ lớn dùng cho quá trình

sấy

- Các bước cần thiết cho quá trình thiết kế gồm:

+ Lựa chọn tần số làm việc ( đây ta chọn tần số siêu âm 19,2 kHz cho horn

dạng trục bậc và 20 kHz cho tấm bậc)

+ Lựa chọn vật liệu, xác định các thuộc tính về âm học c a vật liệu

Đối với horn dạng trục bậc:

+ Tính toán các kích thước c a horn dựa trên công th c lý thuyết

Đối với tấm bậc:

+ Tính toán dao động cho tấm phẳng có tần số làm việc tương đương để xác định sơ bộ các kích thước ban đầu, các đư ng tiết điểm (là các đư ng thẳng mà các điểm tạo nên các đư ng thẳng đó có chuyển vị bằng 0)

+ Tính toán tấm bậc với giải thuật tối ưu để xác định chính xác các kích thước thiết kế và tần số dao động mong muốn

+ Chế tạo mẫu, kiểm tra, ghi nhận thí nghiệm

Vật liệu chế tạo chi tiết horn dạng trục bậc hay tấm bậc sử dụng trong các ng

dụng siêu âm phải được lựa chọn chính xác, tuân theo một số quy tắc nhất định:

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

+ Horn dạng trục bậc là chi tiết trung gian truyền dao động sóng từ bộ chuyển đổi kiểu Langevin (hình 2.1) tới chi tiết công tác (tấm bậc) và khuếch đại dao động lên

một phần nào đó Để đảm bảo dao động chỉ truyền theo một hướng từ bộ chuyển đổi

tới chi tiết công tác, đồng th i đ bền để mang chi tiết công tác, horn phải được làm từ

vật liệu có độ c ng thấp hơn các chi tiết trong bộ chuyển đổi kiểu Langevin và lớn hơn chi tiết công tác Trong khí đó, tấm bậc là chi tiết công tác, là chi tiết cuối cùng truyền dao động sóng ra môi trư ng nên vật liệu chế tạo chi tiết này phải có độ c ng thấp hơn các chi tiết trước nó như horn hay các khối kim loại mặt sau, khối kim loại mặt trước

để đảm bảo dao động chỉ truyền theo một hướng ra môi trư ng

+ Các vật liệu phải có tr kháng âm thấp, t c là vận tốc truyền sóng trong vật

liệu cao để giảm tổn thất năng lượng Vật liệu được chọn cũng phải có mô đun đàn hồi

E đ lớn để đảm bảo chi tiết đ bền và có thể làm việc tại các tần số siêu âm Hệ số Poison cũng ảnh hư ng đáng kể đến khả năng làm việc c a tấm bậc Giá trị này đối với các loại vật liệu khác nhau dao động từ [-1:0,5] Đối với thép giá trị này từ 0,3; nhôm

lớn hơn một chút; Titan lớn hơn nhôm Hệ số Poison càng lớn càng cho thấy vật liệu đàn hồi tốt Với các thiết kế có chuyển vị theo 2 phương như dạng tấm bậc, hệ số Poison càng tiến về 0,5 càng tốt Với hệ số Poison tiến về 0,5, ta có các vật liệu như cao su Tuy nhiên, các vật liệu này lại không có các thông số khác phù hợp cho các ng

dụng siêu âm Theo th tự từ cao xuống thấp thì Titan, hợp kim nhôm, thép…là các vật

liệu thỏa mãn các tiêu chí được đưa ra trong đề tài và các tiêu chí được đề cập trên

+ Trong trư ng hợp c a horn, để đảm bảo chi tiết đ bền để mang chi tiết công tác bằng mối ghép ren, đồng th i để đảm bảo 2 điều kiện trên, tác giả đã chọn vật liệu

thép SS 41 Vật liệu này cũng được bán phổ biến thị trư ng Việt Nam, thuận tiện cho việc mua phôi và chế tạo Trong trư ng hợp c a tấm bậc, để giảm khối lượng tấm, tránh ng suất tập trung trong mối ghép ren, đồng th i để đảm bảo 2 điều kiện trên, tác

giả đã chọn vật liệu hợp kim nhôm AA7075-T6

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Thép SS 41 có các thuộc tính được cho bảng 3.1:

V ật liệu Thu ộc tính

SS 41 Module đàn hồi E (GPa) 210

Hệ số Poission (µ) 0,3 Khối lượng riêng (kg/m 3

) 7800 Vận tốc truyền âm (m/s) 5188

Hợp kim nhôm AA7075-T6 có các thuộc tính được cho bảng 3.2:

(Huu-Tu Nguyen, et al.,2014)

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Sử dụng công th c lý thuyết trong phần 2.2.2.2 Tuy nhiên kết quả tính được chỉ

là sơ bộ vì chúng ta chưa tính tới nhiều yếu tố khác như tính chất cản âm c a vật liệu, hình dạng horn …Trên nền tảng c a phương pháp phần tử hữu hạn chúng ta phải mô hình lại và dùng Ansys 14 để mô phỏng kết quả mới chính xác được

+ Phương pháp 2: Phương pháp phần tử hữu hạn

Sử dụng phần mềm Ansys 14 Mechanical ADPL và Workbench

Như đã trình bày trên, tấm bậc là một chi tiết có biên dạng ph c tạp Hiện tại,

kiểu chi tiết khuếch đại siêu âm loại này chưa có công th c giải tích để tính toán; do đó việc tính toán ch yếu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và giải thuật tối ưu Phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán dao động được trình bày cụ thể trong chương 2 c a đề tài này Phần mềm Ansys 14 được sử dụng để giải bài toán dao động riêng c a tấm bậc, trong khi đó một giải thuật tối ưu (hình 3.7) được sử dụng để tìm ra

tần số mong muốn cùng với các kích thước c a tấm được thiết kế

3.3 Tính toán và thi t k

Hình 3.1 giới thiệu sơ đồ thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc dao động theo dạng giãn dài Chi tiết này liên kết bộ chuyển đổi với chi tiết tấm bậc qua các mối ghép ren M12 Chiều dài L c a horn được tính toán theo công th c 2.13 trong phần 2.2.2.2 Các kích thước D1, D2 xác định khả năng khuếch đại dao động c a chi tiết cũng được tính toán qua các công th c trong phần 2.2.2.2 Chiều dài mỗi bậc c a chi tiết nên bằng một

phần tư giá trị bước sóng truyền trong vật liệu Các kích thước khác như: Dt1, Dt2, t1, t2được điều chỉnh phù hợp để thiết kế mặc bích cố định chi tiết trên khung máy

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Hình 3.2 giới thiệu sơ đồ thiết kế chi tiết tấm bậc dao động dạng uốn ngang Chi tiết này được liên kết với chi tiết horn dạng trục bậc qua mối ghép ren Chiều dài L

c a tấm được xác định trước, phụ thuộc vào không gian sấy… Các biến thiết kế bao

gồm kích thước chiều rộng tấm, d, L1, h1, L2, h2, α Hàm mục tiêu c a bài toán tối ưu là

tần số dao động riêng c a tấm Trong khi đó, chiều cao bậc t trên tấm nên bằng một

nửa bước sóng truyền trong môi trư ng để xóa bỏ hiện tượng lệch pha giữa các khoảng sóng nằm giữa các đư ng tiết điểm (Gallego-Juárez JA et al., 2010) Các đư ng tiết điểm là các đư ng thẳng đi qua các điểm có chuyển vị bằng không, vuông gốc với phương chiều dài c a tấm Các đư ng tiết điểm này sẽ được xác định ban đầu qua việc tính toán sơ bộ tấm phẳng (mục 3.3.2.2.3) để làm căn c xác định các khoảng tạo bậc khi thiết kế tấm bậc

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

3.3.2.1 Tính horn d ng tr c b c

Cố định đư ng kính D2=54,1 mm để kết nối với chi tiết trụ tròn c a bộ chuyển đổi, tiến hành tính toán giá trị L theo công th c 2.13 và D1 để có được tần số dao động mong muốn (gần 19,2 kHz)

Sử dụng các công th c được trình bày trong phần 2.2.2.2 ta tính được các thông số c a horn như sau (bảng 3.3):

Để tính toán tần số dao động riêng c a c a horn dạng trục bậc này, ta sử dụng code trong phụ lục 1 Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để tính toán dao

động cho horn trong mô đun Harmonic Responde Kết quả tần số dao động riêng c a

chi tiết được cho hình 3.3

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Việc tính toán bằng code trong phụ lục 1 được tiến hành trong môi trư ng 2D

Để hiệu chỉnh và kiểm ch ng kết quả, một mô phỏng trong môi trư ng 3D được thực

hiện Tính toán mô phỏng dao động riêng được thực hiện trên modul Modal c a AnsysWorkbench 14

đây tác giả tiến hành tính toán mô phỏng cho horn dạng trục bậc với các kích thước được tính toán sơ bộ và có hiệu chỉnh bằng công th c lý thuyết được cho bảng 3.3 Các thông số kích thước khác c a horn cũng được tìm ra qua mô phỏng này Hình 3.4 là mô hình chia lưới c a horn Horn được chia lưới các m c khác nhau để đảm

bảo kết quả hội tụ

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Hình 3.5 giới thiệu một kết quả tần số dao động riêng cùng dạng dao động giãn dài c a horn

Quá trình mô phỏng bằng AnsysWorkbench được thực hiện các m c chia lưới khác nhau từ thô đến mịn để đảm bảo kết quả hội tụ với sai lệch không quá 1% có thể

chấp nhận được Bảng 3.4 là kết quả mô phỏng c a chi tiết horn dạng trục bậc các

m c chia lưới khác nhau

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Sau khi tính toán, mô phỏng ta có các kích thước c a horn được cho bảng 3.5

Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân

Xác đ nh tọa đ điểm nút x0: 49,6 mm< x0<55,8 mm (hình 3.6)

3.3.2.2 Tính toán cho t m b c

Hình 3.7 giới thiệu sơ đồ khối c a giải thuật tối ưu được áp dụng để tính toán chi tiết tấm bậc Chi tiết tấm dao động Mode 8 (là dạng dao động đối x ng qua trục

đ ng c a tấm, được trình bày cụ thể trong phần 3.3.2.2.2) cùng với tần số dao động riêng tương ng sẽ được tìm ra qua việc giải bài toán dao động bằng phần mềm Ansys

14 Bài toán dao động này được viết theo dạng code 2D (Phụ lục 2) dựa trên các code

có sẵn trong phần mềm Ansys 14 Giải thuât tối ưu (hình 3.7) là một tập hợp các code Matlab sẽ giúp tìm ra tần số dao động tối ưu, cái mà mình mong muốn đạt được, với hàm mục tiêu được cho công th c 3.1:

(3.1)