Nghiên cứu kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm

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 chấ

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

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

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

TÓM TẮTLuận 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:

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:

Δt t 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/m 2 đến 27 kW/m 2 , diện tích phát sóng 0,045 m 2 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: Δt E từ 8,4-

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 (Det), 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:

- Doctoral dissertation title: Study on agricultural products drying used ultrasound

- PhD Student: Nguyen Xuan Quang

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:

+ The density of C javanica depends on its moisture:

1+ M

ρp =

1620 1 + 1020 M

+ The equilibrium moisture content of C javanica depends on its

water activity and temperature:

1- a w

+ The temperature inside C javanica is increased in the presence of

the ultrasound: ∆t av =1,006×I u - 0,7

+ Heat capacity and thermal conductivity of C.javanica depend on its moisture

content:

cp = 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/m 2 , and the emitting area is 0,045 m 2 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

saponin components in dried products The results show that values of Δt E 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), hệ số khuếch tán ẩm (De t ), moisture diffusion coefficient (D e )

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), hệ số khuếch tán ẩm (De t ,

D e , the air temperature, and the ultrasound intensity are as follows:

is 0,5 m/s, the humidity of air is 18%, the ultrasound intensity is 2,1 kW/m 2 .

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

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

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

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

CÁC KÝ HIỆU

f w,m Tần số dao động của sóng âm trong vật liệu kHz

L Khoảng cách từ tấm phát xạ (của bộ phận phát sóng) m

đến vật liệu sấy αt), hệ số khuếch tán ẩm (De t Hệ số khuếch tán nhiệt của vật liệu m 2 /s

αt), hệ số khuếch tán ẩm (De i Hệ số mục tiêu

αt), hệ số khuếch tán ẩm (De a Hệ số suy giảm năng lượng của sóng siêu âm dB/m

M Độ ẩm của vật liệu (cơ sở khô) tại thời điểm bất kỳ kg / kg VLK

M v Khối lượng mol phân tử của hơi nước kg / kmol

M av Độ ẩm trung bình của vật liệu (cơ sở khô) kg / kg VLK

m p Khối lượng của vật liệu ẩm (bao gồm vật liệu khô và kg

ẩm)

m v,s Khối lượng hơi nước tại bề mặt của vật liệu sấy kg

S R Diện tích bộ phận phát xạ của bộ phận phát sóng siêu

âm

t b Nhiệt độ tại lớp biên của vật liệu sấy ºC

µ u Hệ số gia tăng nhiệt độ khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy

vật liệu

µ m Hệ số Poisson của vật liệu

µ u,a Hệ số hấp thụ biên độ sóng siêu âm của không khí neber/m

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.

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 D e , αt), hệ số khuếch tán ẩm (De t , h m , h t 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

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; v a = 0.5 m/s; φ a = 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

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, φ a = 18 ± 1,5 %, v a = 0,5 ± 0,2 m/s, f u = 20 ± 0,073 kHz, I u = 2,1 kW/m 2 121

Hình 3.36: Độ ẩm đảng sâm tại lớp biên và tâm: tại chế độ sấy: t a = 44 ± 0,1 ºC, φ a = 18 %, v a = 0,5 ± 0,2 m/s, f u = 20 ± 0,073 kHz, I u = 2,1 kW/m 2 122 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:

t a = 44 ± 0,1 ºC, v a = 0,5 ± 0,2 m/s, φ a = 18 ± 1,5 % f u = 20 ± 0,073 kHz,

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Thông số hình học của bộ phận phát xạ dạng tròn bậc 17

Bảng 3.1: Tần số dao động của tấm tròn bậc 59

Bảng 3.2: Thông số vật liệu của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy 61

Bảng 3.3: Thông số hình học của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy

61

Bảng 3.4: Thuộc tính dao động của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy 65

Bảng 3.5: Khối lượng riêng của đảng sâm theo độ ẩm 80

Bảng 3.6: Nhiệt dung riêng của đảng sâm theo độ ẩm 81

Bảng 3.7: Hệ số dẫn nhiệt của đảng sâm theo độ ẩm 82

Bảng 3.8: Sai lệch nhiệt độ bên trong đảng sâm 89 Bảng 3.9: Các mức và khoảng biến thiên các thông số trong thiết kế thí nghiệm.91

Bảng 3.10: Thời gian sấy đảng sâm tại những chế độ sấy khác nhau 95

Bảng 3.11: Thông số D e , αt), hệ số khuếch tán ẩm (De t , h m , h t của đảng sâm 98

Bảng 3.12: Giá trị D e và chỉ số MRE về độ ẩm của đảng sâm 101

Bảng 3.13: Hệ số D 0 và E a của đảng sâm 102

Bảng 3.14: Tốc độ giảm ẩm trung bình và lượng tăng tốc độ giảm ẩm của

đảng sâm 107

Bảng 3.15: Thông số (Pr) màu sắc của đảng sâm khô 110

Bảng 3.16: Kết quả thử nghiệm thành phần saponin có trong sản phẩm

đảng sâm ……… 113 Bảng 3.17: Thông số kiểm tra tại chế độ sấy hợp lý 120

GIỚI THIỆU

1 Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu

Việt Nam là nước có nền nông nghiệp phát triển, sản phẩm trong nông nghiệp rất đa dạng và có sản lượng lớn Trong đó, nông sản cao cấp nói chung và cây dược liệu nói riêng có sản lượng ngày càng tăng Theo định hướng phát triển của

Bộ Y Tế Việt Nam về cây dược liệu Việt Nam giai đoạn từ năm 2015 đến năm 2030

là bảo tồn phát triển 70% cây dược liệu Việt Nam và 80% sử dụng cây thuốc Việt Nam, năm 2030 tiến tới xuất khẩu sản phẩm từ cây dược liệu Do vậy, đi đôi với việc nghiên cứu phát triển canh tác, vấn đề làm khô để bảo quản và tồn trữ các sản phẩm sau thu hoạch cây dược liệu là cần thiết nhằm ổn định nguồn nguyên liệu dùng làm thực phẩm và điều chế dược liệu phục vụ đời sống con người.

Sấy là giải pháp thường được áp dụng nhất để làm khô nông sản thực phẩm Quá trình sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu, liên quan đến quá trình truyền nhiệt truyền ẩm bên trong vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến động học quá trình sấy và cũng từ đó ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Chi phí sản xuất và chất lượng là những vấn đề cần quan tâm khi làm khô vì liên quan đến hiệu quả kinh tế cho một nông sản thực phẩm, nhưng đối với cây dược liệu thì vấn đề chất lượng cần phải đặt lên hàng đầu vì giá trị của nó là những vi lượng quý hiếm còn bảo tồn trong sản phẩm khô Phương pháp sấy ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng sản phẩm khô [1] Do đó, nghiên cứu phương pháp sấy nhằm duy trì vi lượng quý hiếm có trong sản phẩm cây dược liệu là công việc được các nhà khoa học trong và ngoài nước tập trung giải quyết.

Sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm được xếp vào nhóm kỹ thuật sấy kết hợp, được giới thiệu là một giải pháp hiệu quả để cải thiện tốc độ sấy ở điều kiện nhiệt độ sấy thấp [2] Một số kết quả nghiên cứu trên thế giới về sóng siêu âm hỗ trợ sấy trên các nông sản khác nhau đã so sánh giữa sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm và không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm thì phương pháp sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm có khả năng chất lượng sản phẩm sấy cao hơn [3-5] Điều này cho thấy rằng, sóng siêu âm hỗ

trợ sấy có thể áp dụng để sấy các nông sản nhạy với nhiệt đặc biệt là các sản phẩm của cây dược liệu Tuy vậy, áp dụng với qui mô lớn vẫn còn hạn chế do thiết

bị phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy và do sự suy giảm năng lượng của sóng siêu âm trong môi trường không khí (tác nhân sấy) Đồng thời, hiệu quả tách ẩm khi có sóng siêu âm hỗ trợ sấy phụ thuộc vào loại vật liệu và điều kiện tác nhân sấy [2] Với ưu điểm về thời gian sấy giảm và chất lượng sản phẩm sấy cao khi sấy có sự

hỗ trợ của sóng siêu âm, ngoài ra, nghiên cứu sấy nông sản thực phẩm có sự hỗ trợ của sóng siêu âm ở Việt Nam vẫn còn ít, đồng thời, việc nghiên cứu xác định phương pháp sấy hợp lý cho các sản phẩm của cây dược liệu trong bối cảnh hiện tại ở Việt Nam đang cần được thực hiện Do vậy, đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm” được thực hiện trong luận án này là cần thiết.

2 Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình sấy và chất lượng sản phẩm ứng với các chế độ sấy khác nhau với phương pháp sấy là bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm và vật liệu sấy là đảng sâm Việt Nam đại diện cho dòng sản phẩm cao cấp trong nông nghiệp dùng làm thực phẩm và dược liệu, thông qua việc xây dựng mô hình toán để tính toán truyền nhiệt truyền ẩm

và thực nghiệm xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm Việt Nam.

3 Giới hạn nghiên cứu

Nghiên cứu cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm kết hợp sấy bơm nhiệt qui mô nhỏ với khối lượng một mẻ sấy là 0,2 kg.

Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật là phần giới hạn của nghiên cứu.

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chung của luận án là nghiên cứu lý thuyết

và thực nghiệm kiểm chứng.

5 Nội dung nghiên cứu

Để giải quyết mục tiêu của luận án các nội dụng sau đây được triển khai nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về sấy; nghiên cứu tổng quan về sóng siêu âm hỗ trợ sấy bao gồm cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm, thiết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy và ứng

dụng sóng siêu âm trong sấy nông sản thực phẩm; khảo sát đối tượng nghiên cứu và tình hình làm khô đối tượng nghiên cứu.

- Xác định phương pháp nghiên cứu và phương tiện nghiên cứu phục vụ

cho việc nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm.

- Trên cơ sở các phương pháp phương tiện nghiên cứu đã được xác định

từ đó chế tạo thiết bị và thực nghiệm xác định tính chất nhiệt vật lý của vật liệu sấy; từ đó chế tạo thiết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy bao gồm: bộ phận phát sóng siêu âm (phần cơ) và nguồn cung cấp (phần điện); và cũng

từ đó chế tạo máy sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm; vận hành thử nghiệm kiểm tra tính ổn định và đo kiểm các thông số kỹ thuật của máy sấy.

- Xây dựng mô hình vật lý sấy vật liệu có sự hỗ trợ của sóng siêu âm; mô phỏng

phân tích hiện tượng vật lý khi có sóng siêu âm lan truyền trong tác nhân sấy (dòng không khí trong buồng sấy) và quanh vật liệu sấy; xác định mô hình toán mô

tả truyền nhiệt truyền ẩm của vật liệu sấy trong dòng không khí khi có sóng siêu

âm lan truyền; giải bài toán truyền nhiệt truyền ẩm từ đó xác định nhiệt độ trung bình, độ ẩm trung bình của vật liệu sấy theo thời gian; viết chương trình theo thuật toán giải bài toán truyền nhiệt truyền ẩm nhằm xác định động học quá trình sấy.

- Thực nghiệm sấy đảng sâm Việt Nam bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp với

sóng siêu âm ở những chế độ sấy khác nhau; xác định sự giảm ẩm và thay đổi nhiệt độ của đảng sâm trong quá trình sấy; xác định ảnh hưởng của sóng siêu âm đến động học quá trình sấy đảng sâm; xác định ảnh hưởng của sóng siêu âm đến

sự thay đổi màu sắc của đảng sâm và hàm lượng saponin có trong đảng sâm.

- Xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm Việt Nam với phương pháp

sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm; kiểm chứng kết quả nghiên cứu

lý thuyết so với kết quả thực nghiệm sấy đảng sâm Việt Nam bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm tại chế độ sấy hợp lý.

6 Điểm mới và đóng góp của luận án

Kết quả đạt được của luận án này có 4 điểm mới về ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

- Đã xác định được tính chất nhiệt vật lý của đảng sâm Việt Nam bao gồm bao gồm:

khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ ẩm cân bằng và lượng nhiệt tăng thêm khi có sóng siêu âm lan truyền.

- Xây dựng được giải pháp xác định thông số hình học của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy, đó là, dựa vào phân tích phần tử hữu hạn (FEA)

và thuật toán tối ưu PSO Kết quả sai lệch giữa tần số hoạt động và tần

số cộng hưởng (tần số dao động riêng) của bộ phận phát sóng siêu âm

đã chế tạo là 0,37%, như vậy, giải pháp này có thể áp vào trong thực tiễn.

- Xác định mô hình toán mô tả bản chất quá trình truyền nhiệt truyền ẩm khi sấy

vật liệu với sự hỗ trợ của sóng siêu âm; đề xuất sử dụng thuật toán PSO để xác định đồng thời hệ số khuếch tán nhiệt (αt), hệ số khuếch tán ẩm (De t ), hệ số khuếch tán ẩm (D e ) của vật liệu sấy (giải pháp ERM-O) Từ số liệu các tiêu chí đánh giá mô hình toán cho thấy, giải pháp ERM-O có độ chính xác chấp nhận được và có thể áp dụng thực tiễn (sai số tương đối trung bình giữa kết quả tính toán và thực nghiệm nhỏ hơn 10% và sai số

ít hơn so với phương pháp mà các công trình nghiên cứu tương tự đã áp dụng để xác định D e ), giảm thiểu được số lượng thí nghiệm đáng kể khi xác định các thông

số có trong mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm.

- Xác định được phương pháp sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm là phương pháp sấy hợp lý, hữu ích cho đảng sâm Việt Nam nhằm duy trì màu sắc và dược chất saponin trong sản phẩm sấy (kết quả khảo nghiệm cho thấy, sai lệch màu sắc ∆E từ 8,4 đến 12,9, hàm lượng saponin còn duy trì từ 78-95 % so với nguyên liệu tươi) Đóng góp thêm thông tin cho nghiên cứu về sấy nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1 1 Tổng quan về sấy và ảnh hưởng của các loại sóng đến quá trình sấy nông sản

1.1.1 Tổng quan về phương pháp sấy và sấy bơm nhiệt

Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu do tác động của một nguồn năng lượng nào đó vào vật liệu ẩm, liên quan đến truyền nhiệt truyền ẩm bên trong vật liệu Dựa vào trạng thái của tác nhân sấy (TNS) hay cách tạo ra động lực quá trình dịch chuyển ẩm mà chúng ta có hai phương pháp sấy khác nhau [6]:

- Phương pháp sấy nóng: tác nhân sấy (TNS) và vật liệu sấy (VLS) được đốt nóng Do vậy, phân áp suất hơi nước trong TNS giảm, phân áp suất trong VLS tăng, tạo ra sự chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa TNS và VLS dẫn đến ẩm trong lòng VLS dịch chuyển ra bề mặt đi vào môi trường Dựa vào phương pháp cấp nhiệt, hệ thống sấy nóng được chia thành: hệ thống sấy đối lưu, vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ không khí nóng hoặc khói lò (hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động,…); hệ thống sấy tiếp xúc, vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng (hệ thống sấy lô, hệ thống sấy tang,…); hệ thống sấy bức xạ, với hệ thống sấy này VLS nhận nhiệt từ nguồn bức xạ (bức xạ bằng sóng hồng ngoại); hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc từ trường, khi VLS được đặt trong trường điện từ thì trong VLS xuất hiện dòng điện và chính dòng điện này làm cho VLS được đốt nóng.

- Phương pháp sấy lạnh: khác với phương pháp nóng, để tạo ra sự chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa VLS và TNS, người ta giảm phân áp suất trong TNS bằng cách giảm

ẩm trong TNS (giảm độ chứa ẩm) và độ ẩm tương đối Khi đó, ẩm bên trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt vào TNS có thể trên dưới nhiệt độ môi trường và cũng có thể nhỏ hơn nhiệt độ môi trường Dựa vào nhiệt độ TNS, hệ thống sấy lạnh có thể chia thành: hệ thống sấy ở nhiệt độ t > 0 ºC, TNS là không khí trước hết được khử ẩm sau đó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến nhiệt độ mà công nghệ yêu cầu rồi thổi qua VLS; hệ thống sấy thăng hoa, môi trường người ta tạo ra mà trong đó nhiệt độ của VLS (t) ở dưới điểm 3 thể, t < 0

ºC và áp suất quanh VLS p a < 610 Pa và khi đó nếu VLS nhận được nhiệt lượng

thì ẩm trong VLS ở thể rắn chuyển thành hơi đi vào TNS; hệ thống sấy chân không khác với hệ thống sấy thăng hoa như sau: nếu áp suất quanh VLS p a > 610 Pa thì khi VLS nhận nhiệt lượng, ẩm trong VLS ở dạng thể rắn chuyển thành thể lỏng rồi chuyển thành thể hơi đi vào TNS.

- Hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt: trên cơ sở của phương pháp sấy lạnh người ta thiết kế

ra hệ thống máy sấy bơm nhiệt Một dạng nguyên lý máy bơm nhiệt có thể điều khiển được nhiệt độ TNS được thể hiện ở hình 1a, đồ thị lgp-h của môi chất lạnh thể hiện ở hình 1b, giản đồ i-d của TNS trong quá trình sấy thể hiện ở hình 1c và hoạt động của hệ thống được mô tả như sau [1]: Môi chất lỏng sau khi được tiết lưu bởi van tiết lưu (quá trình 3-4)

đi vào dàn bay hơi, tại đây môi chất trao đổi nhiệt với TNS chuyển thành pha khí trước khi vào máy nén (quá trình 4-1) Tại máy nén, môi chất được nén lên áp suất cao (quá trình 1- 2) Môi chất ở dạng hơi với áp suất đi vào dàn ngưng thải nhiệt cho TNS và chuyển thành pha lỏng (quá trình 2-3) trước khi đến van tiết lưu, chu trình được khép kín và lặp lại ban đầu Trong quá trình sấy, tác nhân sấy (điểm A) sau khi được quạt hút từ buồng sấy đưa vào dàn bay hơi và được làm lạnh xuống nhiệt độ đưới điểm đọng sương (quá trình A-B) Tại dàn bay hơi, một phần hơi ẩm trong phần TNS tiếp xúc với dàn bay hơi nên ngưng tụ thành dạng lỏng trên bề mặt của dàn bay hơi được gom lại và đưa ra ngoài, một phần TNS không tiếp xúc với dàn bay hơi nên chưa được làm lạnh dưới nhiệt độ đọng sương sẽ trộn lẫn với phần TNS đã được làm lạnh và tách ẩm tại dàn bay hơi (điểm B) Tác nhân sấy tại trạng thái B có độ chứa ẩm thấp, nhiệt độ thấp và độ ẩm tương đối cao (φ B ≈ 100%) Sau khi được tách ẩm ở dàn bay hơi, TNS đi qua dàn ngưng chính được gia nhiệt rồi thổi qua VLS Nhiệt độ TNS sau khi qua dàn ngưng chính nếu chưa đạt được nhiệt độ mong muốn thì được tiếp tục gia nhiệt bởi điện trở phụ và như vậy nhiệt độ TNS (điểm C) thổi vào buồng sấy được duy trì tại mức nhiệt độ t C bằng cách điều khiển hoạt động dàn ngưng phụ thông qua van ba ngã và điện trở gia nhiệt phụ Tác nhân sấy tại trạng thái C có độ chứa ẩm thấp, độ ẩm tương đối thấp (so với độ ẩm tương đối của môi trường), có nhiệt độ

ổn định trên dưới nhiệt độ môi trường (tùy theo giá trị cài đặt) Tác nhân sấy được thổi đều qua lớp vật liệu sấy tại đây quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa TNS và VLS sẽ diễn ra (quá trình C-A) Tác nhân sấy ra khỏi buồng sấy

có thể được hồi lưu toàn bộ về bơm nhiệt và qui trình được lặp lại.

Hình 1.1: Sấy bơm nhiệt a) sơ đồ thiết bị hệ thống sấy bơm nhiệt; b) đồ thị lgp-h của môi chất lạnh [1]; c) giản đồ i-d của TNS trong quá trình sấy 1.1.2 Sơ lược về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sấy và các yếu tố ảnh hưởng đến động học quá trình sấy

Trong chế biến và bảo quản nông sản thực phẩm sau thu hoạch, sấy là một công đoạn quan trọng vì liên quan đến chất lượng và thời gian tồn trữ sản phẩm Quá trình tách ẩm thực phẩm có thể thực hiện trong môi trường khí hoặc chân không [1] Trong môi trường chân không, nhiệt độ tách ẩm thấp, thời gian sấy được rút ngắn, thành phần chất dinh dưỡng của sản phẩm được bảo tồn Tuy nhiên, thiết bị tạo ra môi trường chân không có giá thành cao Trong môi trường khí, yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng tốc độ thoát ẩm và chất lượng sản phẩm [1] Quá trình sấy thực phẩm không chỉ làm giảm lượng nước, mà còn ảnh hưởng đến sự thay đổi cấu trúc, màu sắc, hương vị, và các vi lượng [6-13] Nhiều loại nông sản thực phẩm đặc biệt là các nông sản nhạy nhiệt khi sấy ở nhiệt độ cao thì hương vị bị mất đáng kể [7], màu sắc thay đổi nhiều so với nguyên liệu ban đầu [7], chất dinh dưỡng bị biến đổi [8], dược chất và vitamin bị ảnh hưởng (hoặc chuyển đổi) càng nhiều khi nhiệt độ càng tăng [9, 10] Phương pháp sấy, chế độ sấy không những ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn ảnh hưởng đến động học sấy và chi phí năng riêng của vật liệu Trong quá trình sấy,

có hai loại trở kháng làm ảnh hưởng đến sự truyền ẩm: trở kháng nội ảnh hưởng đến di chuyển của ẩm bên trong vật liệu, trở kháng ngoại ảnh hưởng đến sự trao đổi ẩm giữa bề mặt vật liệu và TNS [11, 6] Trở kháng nội phụ thuộc vào cấu trúc và các tính chất của vật liệu còn trở kháng ngoại phụ thuộc vào bề dày của lớp biên truyền ẩm [11] Để cải thiện khuếch tán ẩm bên trong vật liệu sấy ra tác nhân sấy (TNS) thông thường phải áp dụng giải pháp kỹ thuật làm giảm lớp biên truyền ẩm [6, 14] Giải pháp tăng vận tốc (ví dụ sấy đối lưu cưỡng bức) làm tăng

sự rối loạn TNS (turbulence) quanh bề mặt vật liệu, kết quả làm giảm lớp biên truyền ẩm khi đó tốc độ sấy cao hơn [6, 14] Tuy nhiên, vận tốc TNS đạt đến một giá trị nào đó (đạt ngưỡng) thì

sự tăng vận tốc TNS không còn tác dụng đặc biệt đối với vật liệu dạng rắn rời [6], lúc này muốn giảm trở kháng ngoại thì sử dụng sấy tầng sôi Đối với nguyên liệu dạng lỏng, nhão, bột có thể

áp dụng phương pháp sấy phun để khắc phục trở kháng ngoại [15] Với cơ chế gia nhiệt thể tích của vi sóng và sóng RF, nhiệt độ bên trong vật liệu tăng nhanh và có xu hướng cao hơn nhiệt độ TNS khi đó áp suất hơi nước bên trong vật liệu cao hơn áp suất hơi nước có trong TNS làm giảm trở kháng nội và do đó ẩm từ bên trong dịch chuyển ra bề mặt nhanh hơn [10,

12, 13] Khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm trong quá trình sấy thì trở kháng ngoại giảm, tăng cường khả năng khuếch tán ẩm ra môi trường [2, 14] Như vậy, khi sấy có sự hỗ trợ của các loại sóng (vi sóng, sóng RF, sóng siêu âm) làm giảm trở kháng và vì thế làm tăng tốc độ sấy ở điều kiện nhiệt độ sấy thấp, nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sấy bơm nhiệt tại Việt Nam

Việt Nam là nước có khí hậu nóng và ẩm, vi sinh vật và nấm mốc phát triển rất nhanh làm hư hỏng và giảm chất lượng nông sản thực phẩm Và do vậy, nếu ứng dụng bơm nhiệt vào các hệ thống sấy chắc chắn sẽ mang lại ý nghĩa kinh tế to lớn [17] Một vài công trình tiêu biểu về ứng dụng sấy bơm nhiệt đã được các nhà khoa học trong nước thực hiện được thống kê như sau:

- Công trình nghiên cứu sấy kẹo Jelly bằng phương pháp bơm nhiệt được

ứng dụng ở công ty Hải Hà do Nguyễn Đức Lợi và cộng sự (1998) thực hiện với nhiệt độ TNS từ 20-25 ºC, độ ẩm TNS từ 18-22 % Nhóm tác giả đã kết luận rằng, khả năng tiết kiệm năng lượng khi tách ẩm đến 58% [18].

- Nhằm tìm ra khả năng ứng dụng của hệ thống sấy bơm nhiệt so với các hệ thống sấy khác,

Phạm Văn Tùy và cộng sự (2003) đã thực nghiệm sấy rau quả thực phẩm bao gồm cà rốt, củ cải, hành tây, thì là với hệ thống sấy bơm nhiệt, không khí nóng, hồng ngoại Tác giả đã nhận định như sau: so với sấy bằng không khí nóng và hồng ngoại thì sấy bơm nhiệt cho các loại nông sản nêu trên thì thời gian sấy dài hơn Tuy nhiên, chất lượng dinh dưỡng sản phẩm sấy đạt chất lượng, màu sắc và hương vị tự nhiên tốt hơn, đây chính là ưu điểm vượt trội của các sản phẩm khi sấy bằng phương pháp bơm nhiệt [19] Cũng theo hướng này, Phạm Văn Tùy và cộng sự (2007) cũng đã nghiên cứu sấy bơm nhiệt trên nhiều loại rau củ quả khác nhau và đã đưa ra một số định hướng ứng dụng sấy bơm nhiệt ở điều kiện điều kiện khí hậu Việt Nam, trong đó, tác giả cũng khuyến nghị rằng, phương pháp sấy bơm nhiệt rất phù hợp để sấy các sản phẩm nhạy nhiệt [20].

- Bằng nghiên cứu thực nghiệm, Phạm Anh Tuấn và cộng sự (2009) đã

chỉ ra rằng, với điều kiện khí hậu Việt Nam thì nhiệt độ TNS phù hợp nhất

từ 40-50 ºC khi sử dụng hệ thống sấy bơm nhiệt để sấy rau quả [21].

- Công trình nghiên cứu của Võ Mạnh Duy và Lê Chí Hiệp (2011) về ứng dụng hệ thống sấy bơm nhiệt để sấy cà rốt, các tác giả đã kết luận rằng với điều kiện vận tốc TNS 2,5 m/s thì hiệu suất tách ẩm cao, màu sắc, mùi vị, thành phần chất dinh dưỡng, hình dạng sản phẩm sấy tốt hơn so với các phương pháp sấy thông thường [22].

- Nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống sấy bơm nhiệt,

Trương Minh Thắng và cộng sự (2012) đã nghiên cứu mô hình máy sấy bơm nhiệt hoạt động theo kiểu bậc thang với vật liệu sấy là cà rốt Các tác giả đã cho biết, hệ thống sấy bơm nhiệt hoạt động theo kiểu bậc thang sẽ giảm năng lượng từ 13,3- 39,0 % so với hệ thống sấy bơm nhiệt hoạt động không theo kiểu bậc thang [23].

- Theo kết quả nghiên cứu của Lê Anh Đức và Nguyễn Hữu Hòa (2014),

trong ba phương pháp sấy, sấy đối lưu cưỡng bức, sấy chân không, sấy bơm nhiệt áp dụng để sấy nấm đông cô thì phương pháp sấy bơm nhiệt tại nhiệt độ 45 ºC là phù hợp nhất cho nông sản này [24].

- Nguyễn Hay và Lê Quang Huy (2017) đã nghiên cứu ứng dụng hệ thống sấy bơm nhiệt để sấy

phấn hoa Việt Nam Các tác giả đã cho biết, chế độ sấy phù hợp nhất cho phấn

hoa là 40,7 ºC; vận tốc tác nhân sấy là1,42 m/s [25].

Nhận xét: Ở điều kiện khí hậu Việt Nam, áp dụng hệ thống sấy bơm nhiệt

để sấy nông sản thì màu sắc, mùi vị, hương thơm tự nhiên ít bị thay đổi

và chất lượng sản phẩm sấy đạt chất lượng, rất phù hợp với nông sản nhạy nhiệt Tuy nhiên, thời gian sấy dài là hạn chế của hệ thống sấy này 1.2 Sóng siêu âm và cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm

1.2.1 Sóng siêu âm và ứng dụng

Sóng siêu âm là một dạng sóng cơ học có tần số từ 18 kHz đến 1 MHz [2], ở tần số này tai của con người không thể nghe được nên được gọi là siêu âm, xét về phương truyền sóng thì sóng siêu âm chia thành hai dạng: sóng dọc và sóng ngang, xét về năng lượng thì sóng siêu âm bao gồm siêu

âm năng lượng thấp (tần số lớn hơn 100 kHz) và siêu âm năng lượng cao (tần số từ 18-100 kHz, tần số càng cao năng lượng càng thấp) [2].

Ngày nay, sóng siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: y tế, sinh học, hóa học, thực phẩm, gia công cơ khí, , và đã tạo ra một số công nghệ như: siêu âm chẩn đoán trong y học và kỹ thuật, kỹ thuật hàn siêu âm, rửa siêu âm,…, đem lại hiệu quả kinh tế cao Chính vì vậy, nhiều công trình khoa học, nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu khả năng ứng dụng loại sóng này vào trong sản xuất, phục vụ đời sống của con người, trong đó, sóng siêu âm năng lượng cao hỗ trợ sấy là lĩnh vực cũng được tập trung nghiên cứu.

1.2.2 Cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm

Có nhiều giải thích khác nhau về cơ chế hỗ trợ sấy của sóng siêu âm được nhiều công trình khoa học về lĩnh vực này đề cập đến và được thống kê ở công trình nghiên cứu [2] Nhìn về phương diện sóng cơ học thì sóng siêu âm là sóng cơ học tần số cao nên chúng cũng có các tác động cơ học lên vật liệu khi lan truyền trong TNS Hai tác động cơ học được nhiều công trình khoa học đề cập đến:

Thứ nhất, tác động vi dao động cơ học của sóng siêu âm tại bề mặt của VLS làm vỡ (xé mảnh) lớp biên ẩm (lớp biên truyền ẩm) ngăn cách giữa VLS và TNS làm tăng khả năng khuếch tán ẩm ra môi trường [2] Tác động này cũng tương tự như giải pháp làm

tăng diện tích tiếp xúc của VLS và TNS trong phương pháp sấy đối lưu cưỡng bức và phương pháp sấy tầng sôi vừa đề cập ở phần 1.1 (tác dụng làm giảm trở kháng ngoại) Nhưng tác động của sóng siêu âm mạnh hơn vì khả năng xâm thực của các vi dao động và hiệu quả hơn ở điều kiện nhiệt độ sấy thấp.

Thứ hai, sóng siêu âm lan truyền trong vật liệu ẩm sẽ làm cho các phần tử cấu thành vật co/giãn liên tục tạo ra hoặc khai thông các vi mao dẫn bên trong vật liệu,

và đồng thời làm giảm lực liên kết giữa các phân tử nước và vật liệu [2] Kết quả là

ẩm trong lòng vật liệu dịch chuyển ra bề mặt thuận lợi hơn, tăng cường khả năng khuếch tán của ẩm ra bề mặt VLS Ngoài ra, khi sóng siêu âm lan truyền trong TNS rồi đi vào vật liệu ẩm làm phát sinh thêm một lượng nhiệt nhỏ trong vật liệu sấy.

1.3 Tình hình nghiên cứu sấy với sự hỗ trợ của sóng siêu âm trên thế giới

Sóng siêu âm hỗ trợ sấy được nghiên cứu đầu tiên vào khoảng năm 1950 bởi các nhà khoa học người Hungary (Gregus, Brun và Boucher) [2], cho đến nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này (theo kết quả thống kê ở công trình nghiên cứu [2] đã có khoảng 75 công trình nghiên cứu) bao gồm nghiên cứu thiết bị phát sóng siêu âm và nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến động học sấy, chất lượng sản phẩm.

1.3.1 Tình hình nghiên cứu thiết kế thiết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy

Bộ phận phát sóng siêu âm có khả ứng dụng trong sấy có cấu trúc cơ bản như hình 1.2a do nhóm nghiên cứu của Gallego-Juarez và các cộng sự đề xuất vào khoảng năm 1972 [26] Sau đó, nhóm nghiên cứu này tiếp tục phát triển bộ phận phát xạ sóng, với mục tiêu mở rộng diện tích phát sóng, tăng hiệu suất chuyển năng lượng điện thành năng lượng sóng âm trong môi trường không khí.

Bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy có cấu tạo như hình 1.2a gồm 3 cụm chính Trong

đó, tinh thể dao động (PZT) có vai trò chuyển đổi dao động điện (nguồn cung cấp) sang dao động cơ học Biên độ dao động của các PZT tỉ lệ thuận với biên độ của nguồn cung cấp ảnh hưởng đến cường độ năng lượng của sóng siêu âm được tạo ra Cụm ghép nối (cụm 1) đóng vai trò ghép nối các tinh thể có biên độ dao động nhỏ thành một cụm dao động có biên độ lớn hơn (lưu ý, biên độ dao động của mỗi tinh thể bị giới hạn, bằng cách ghép nối nhiều PZT lại thì biên độ dao động lớn hơn) Hình dạng của cụm 1 phụ

Sơ lược phương pháp xác định thông số hình học của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy

Thông số hình học của bộ phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy có cấu trúc như hình 1.2a được xác định bằng tính toán giải tích dựa theo lý thuyết Rayleigh hoặc bằng phương pháp phần tử hữu hạn Lý thuyết tính toán này được tóm tắt như sau:

- Cơ sở lý thuyết phân tích các dao động tự do của một chi tiết dẫn sóng

u(z, τ), chuyển vị của mặt cắt ngang theo phương

dao động S(z) = π [r(z)] 2 , diện tích mặt cắt ngang

r (z), bán kính của mặt cắt ngang hình tròn

v w,m = E m / m , vận tốc truyền sóng theo phương dọc trong môi trường

E m , mô đun Young của vật liệu

ρ m , khối lượng riêng vật liệu cấu thành chi tiết

Trong trường hợp, chi tiết có biên dạng dạng hình trụ tròn xoay (r(z), là hằng số), lúc này phương trình sóng được viết lại như sau:

2 u(z,τ) v w,m 2 2 u(z,τ) (1.2)

Nghiệm của phương trình sóng có dạng: u(z, τ) = U(z)T(τ) Phương trình

vi phân từng phần của phương trình (1.2) như sau:

Với: ω 0 , tần số góc riêng hay còn gọi là tần số

góc tự nhiên Đưa về không thứ nguyên:

+ Tọa độ không thứ nguyên theo hướng dọc: ξ z ;ξ 0,1

Z 0 , chiều dài của chi tiết

Cả hai mặt của chi tiết chuyển động theo hướng dọc z, được gắn với chi tiết tiếp theo.

Vì thế, các điều kiện biên dao động tự do (1.5) của chi tiết như sau:

+

Bước sóng của dạng (mode) dao động thứ k: λ k 2π

2

βk k Với β k là nghiệm thứ k của phương trình đặc trưng và k = 1, 2, .

Thông thường chỉ có hai dạng dao động đầu tiên k = 1 (gọi là dạng một nửa sóng, hình 1.4a) và

k = 2 (gọi là dạng nguyên sóng, hình 1.4b) được áp dụng để phân tích tính toán

cho các chi tiết dạng trụ tròn (hình 1.3b) cấu thành nên bộ phận phát sóng siêu âm có công suất lớn và có phương truyền sóng dọc.

ξ ξ

là “một là nữa bước sóng” ta xác định các thông số hình học của cho cụm 2 như sau

+ Hệ số khuếch đại dao động [28]

Trong đó, D 1 , D 2 lần lượt là mặt có đường kính lớn và mặt có đường kính nhỏ.

+ Chiều dài của bộ phận khuếch đại [29]

Z 1 Z 2 v

2f w,m

Trong đó, v w,m , f w,m lần lượt là vận tốc truyền âm và tần số dao động của sóng âm trong vật liệu.

+ Chiều dài z 1 , z 2 được tính như sau [30, 29]:

- Cơ sở lý thuyết phân tích các dao động tự do của một chi tiết dẫn sóng dạng tấm [30]:

r i

DΔt 2 u(r, θ, τ) + ρ m z 0 2 u(r,θ, τ) = 0 (1.11)

τ 2 trong đó, u(r, θ, τ) là hàm mô tả chuyển vị của tấm theo thời gian, D = E Z H /12(1 −

μ ) là độ cứng của tấm; μ m , hệ số Poisson của vật liệu cấu thành nên tấm.

Bằng phương pháp tách biến ta có nghiệm tổng quát của phương trình (1.11) trong trường hợp dao động đối xứng tâm của tấm tròn bậc như sau [30]:

U(r) = J 0 (αt), hệ số khuếch tán ẩm (Der) + BI 0 (βr) (1.12) Trong đó, J và I lần lượt là hàm Bessel bậc không loại một và hàm sửa đổi của nó; αt), hệ số khuếch tán ẩm (De, β và B là 3 tham số cần xác định để có thể xác định được phân bố dao động U(r) dọc hướng bán kính của tấm tròn.

Các điều kiện biên của tấm tròn bậc [30] :

R

0

Emeterio [30] đã đề xuất cải tiến phương trình (1.12) trong đó thêm vào một hàm bước giúp xác định chính xác hơn chuyển vị tại các vị trí có chiều dày khác nhau của tấm tròn có bậc Biểu thức gần đúng này được viết lại như sau:

W(r) = K(r)[J 0 (αt), hệ số khuếch tán ẩm (Der) + BI 0 (βr)] (1.17) với K(r) là hàm bước và có hai giá trị 1 và K sau:

cm, z = 0,5 cm, z = 0,96 cm Vật liệu được sử dụng là hợp kim nhôm với μ

= 0,3, E = 66 GPa, ρ = 2670 kg/m Kết quả này được tổng hợp ở bảng 1.1 Bảng 1.1: Thông số hình học của bộ phận phát xạ dạng tròn bậc [30]

Bán kính các đường tròn nút, cm Tần số dao động (Hz)

- Phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dao động

Việc xác định dạng dao động và tần số tự nhiên của chi tiết dạng hình trụ tương đối đơn giản, tuy nhiên, đối với các chi tiết có hình dạng không phải hình trụ thì phức tạp hơn nhiều Vì vậy, để xác định dạng dao động và tần số tự nhiên cho các chi tiết phức tạp phương pháp phần tử hữu hạn (finite element method - FEM) được khuyến khích sử dụng Phương trình dao động của một phần tử tự do như sau [27]: