Mô hình hoá và mô phỏng quá trình sấy thức ăn viên ở trạng thái tầng sôi

Khảo sát sự tương thích của mô hình với thực nghiệm • Chương bốn, thực hiện các thí nghiệm để nhận dạng quá trình ngẫu nhiên bằng cách xác định các đặc trưng của quá trình ngẫu nhiên như

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

… … … W X … … …

LÊ THỊ KIM PHỤNG

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SẤY THỨC ĂN VIÊN

Ở TRẠNG THÁI TẦNG SÔI

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HÓA

MÃ SỐ: 2.10.00

LUẬN ÁN CAO HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA … … … W X … … …

… … … W X… … …

NHIỆM VỤ LUẬN ÁN CAO HỌC

Họ và tên học viên: LÊ THỊ KIM PHỤNG Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 05/05/1975 Nơi sinh : Huế

Chuyên ngành: QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Khóa: 11 (1999 - 2002)

I TÊN ĐỀ TÀI:

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SẤY THỨC ĂN VIÊN Ở

TRẠNG THÁI TẦNG SÔI

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng mô tả toán học của thiết bị sấy thức ăn viên ở trïng thái tầng sôi

- Mô phỏng các quá trình ngẫu nhiên tác động vào quá trình sấy trong thiết

bị sấy tầng sôi

- Mô phỏng hoạt động của thiết bị sấy tầng sôi dưới tác động của các quá trình ngẫu nhiên

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 1:

VII HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 2:

TSKH LÊ XUÂN HẢI ……… …….………

Nội dung và luận án cao Học đã thông qua Hội Đồng Chuyên Ngành

PHÒNG QUẢN LÝ KHOA HỌC – Ngày tháng 09 năm 2002

SAU ĐẠI HỌC CHỦ NHIỆM NGÀNH

PGS.TS MAI HỮU KHIÊM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TSKH LÊ XUÂN HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1: ………

Cán bộ chấm nhận xét 2: ………

LUẬN ÁN CAO HỌC ĐƯỢC BẢO VỆ TẠI HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN CAO HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

Ngày tháng 09 năm 2002

LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đối với TSKH Lê Xuân Hải là người Thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong việc hoàn thành luận án này Sự tận tụy của Thầy đã là nguồn động viên trong suốt thời gian thực hiện luận án

Xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ, NCS Lê Đức Trung, Trung tâm Công nghệ và Sinh học Thủy sản đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi thực hiện thí nghiệm và góp ý cho luận án này

Em xin cảm ơn các Thầy Cô ở Bộ môn Máy và Thiết bị Khoa Công Nghệ Hóa học và Dầu Khí, các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để Em hoàn thành luận án này

Em xin cảm ơn Thầy Cô trong hội đồng chấm luận án đã dành thời gian quí báu để đọc luận án và cho các nhận xét xác đáng và bổ ích

Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình, là nguồn động viên và điểm tựa vững chắc đã hỗ trợ và tạo cho Tôi nghị lực trong suốt quá trình học cũng như hoàn thành luận án này

TÓM TẮT

Mục tiêu của đề tài là mô hình hóa và mô phỏng quá trình sấy thức ăn viên ở trạng thái tầng sôi, trong đó có xét đến quá trình biến đổi ngẫu nhiên của yếu tố đầu vào với loại vật liệu được sấy là thức ăn viên thủy sản và xây dựng phần mềm để giải mô hình, mô phỏng và thiết kế thiết bị sấy tầng sôi Luận án trình bày các nội dung sau:

• Chương một, nghiên cứu tổng quan lý thuyết về hệ thống và mô hình, lý thuyết mô phỏng, nghiên cứu ứng dụng máy tính để mô hình hóa và mô phỏng với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình bậc cao matlab, khái quát về quá trình sấy tầng sôi và đặc tính thức ăn viên

• Chương hai, xây dựng phương pháp mô phỏng quá trình ngẫu nhiên gồm các bước: xây dựng mô tả toán học, nhận dạng quá trình ngẫu nhiên, mô phỏng quá trình ngẫu nhiên và đánh giá ảnh hưởng của quá trình ngẫu nhiên đến hệ thống công nghệ

• Chương ba, xây dựng mô tả toán học tổng quát quá trình sấy thức ăn viên, xây dựng các thí nghiệm nhận dạng các thông số của mô hình, giải hệ phương trình vi phân bằng phương pháp sai phân hữu hạn Khảo sát sự tương thích của mô hình với thực nghiệm

• Chương bốn, thực hiện các thí nghiệm để nhận dạng quá trình ngẫu nhiên bằng cách xác định các đặc trưng của quá trình ngẫu nhiên như: giá trị trung bình, phương sai, độ lệch chuẩn, hàm kỳ vọng, hàm đặïc trưng, hàm tương quan…, dựa vào các đặc trưng của quá trình ngẫu nhiên đã được nhận dạng, mô phỏng quá trình ngẫu nhiên

• Chương năm, mô phỏng hệ thống sấy tầng sôi, đánh giá tác động của các yếu tố ngẫu nhiên đầu vào đến hệ thống sấy như: độ ẩm và nhiệt độ vật liệu sấy, vận tốc và nhiệt độ tác nhân sấy, đường kính hạt, vận tốc tác nhân sấy, chiều dày lớp hạt …

• Chương sáu, giới thiệu các phần mềm giao diện đã xây dựng để phục vụ cho mô hình và mô phỏng như: giao diện giải hệ phương trình vi phân, giao diện nhận dạng quá trình ngẫu nhiên, giao diện mô phỏng quá trình ngẫu nhiên Xây dựng thêm một tiện tích thiết kế thiết bị sấy tầng sôi dựa trên kết quả mô hình mô phỏng

• Phần kết luận và kiến nghị về hướng phát triển của đề tài

ABSTRACT

The destinations of this thesis are Modelling and Simulation for the Fluid Bed Drying Process and Building the Software for Calculating the Fluid Bed Drying Equipment The research contents are followings:

• The first chapter, the modelling and simulation theories are studied The destinations of study are analyzing system, and approaching system methods, randomize simulation The application of computer research modelling and simulation by the Matlab 6.0 software is studied This chapter also mentioned the theory of fluid bed drying process

• The second chapter, the destination of study are: establish mathematic describe for fluid bed drying process, analysis the randomize process, estimated the effect

of randomize process to system

• The third chapter, the specific derivative differential equation, which describes the fluid bed drying process, is solved

• The fourth chapter, experiment to analyse the randomize process, establish the characteristics function, variance, standard deviation, cumulative, probability density function, expected value function, mean function of sample distribution

• The fifth chapter, simulation the fluid bed drying process included the effect of random process

• The sixth chapter, the front-end for programme to control modelling and simulation based on Matlab software were built

• Last, the conclusion and suggestion about this thesis are presented

MỤC LỤC

MỤC LỤC iv

ĐẶT VẤN ĐỀ xvi

CHƯƠNG MỘT TỔNG QUAN 1

1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG VÀ MÔ HÌNH HÓA 1

1.1.1 Hệ thống 1

1.1.2 Mô hình toán học (mô tả toán học) của hệ thống 1

1.2 KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG 4

1.2.1 Khái niệm 4

1.2.2 Bản chất của mô phỏng 5

1.2.3 Mô hình và sự mô phỏng 6

1.2.4 Quá trình mô phỏng 7

1.2.5 Ưu điểm và giới hạn của mô phỏng 8

1.2.6 Phương pháp tiếp cận bằng mô phỏng số liệu thống kê 8

1.3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG BẰNG MÁY TÍNH 9

1.3.1 Giới thiệu 9

1.3.2 Sơ bộ về ngôn ngữ lập trình Matlab 9

1.3.3 Mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính các bài toán khoa học kỹ thuật 10

1.3.4 Các bước chạy mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính một bài toán 11

1.3.5 Một số thuật toán sử dụng trong mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính .12

1.4 KỸ THUẬT SẤY TẦNG SÔI 16

1.4.1 Khái quát về sấy tầng sôi 16

1.4.2 Ứng dụng kỹ thuật sấy tầng sôi 17

1.5 THỨC ĂN NUÔI THỦY SẢN VÀ ĐẶC TÍNH CỦA THỨC ĂN THỦY SẢN 21 1.5.1 Phân loại thức ăn nuôi thủy sản 21

1.5.2 Thành phần và chất lượng của thức ăn viên công nghiệp 22

1.5.3 Nhu cầu dinh dưỡng của vật nuôi thủy sản 23

1.5.4 Nguyên liệu dùng cho sản xuất thức ăn viên nuôi thủy sản 25

1.5.5 Quy trình công nghệ sản xuất thức ăn viên nuôi thủy sản 26

1.5.6 Đặc tính nhiệt, ẩm của thức ăn viên 27

1.5.7 Các phương pháp sấy khô thức ăn viên tại Việt nam hiện nay 27

1.5.8 Bảo quản thức ăn viên nuôi thủy sản 28

CHƯƠNG HAI XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TÁC ĐỘNG QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN ĐẾN HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ 30

2.1.1 Biến ngẫu nhiên 30

2.1.2 Quá trình ngẫu nhiên 30

2.1.3 Phân phối 31

2.1.4 Kỳ vọng, phương sai và độ lệch chuẩn 31

2.1.5 Hàm đặc trưng 31

2.1.5 Hàm trung bình 32

2.1.6 Hàm tự tương quan 32

2.1.7 Hàm mật độ 32

2.1.8 Quá trình ngẫu nhiên dừng 32

2.2 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TÁC ĐỘNG QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN ĐẾN HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ 33

2.2.1 Xây dựng mô tả toán học của hệ thống thiết bị 33

2.2.2 Phân tích thống kê nhận dạng quá trình ngẫu nhiên 34

2.2.3 Xây dựng thuật toán mô phỏng quá trình ngẫu nhiên 35

2.2.4 Xác định thuật toán và giải hệ các phương trình mô tả hoạt động của hệ thống thiết bị với hàm ngẫu nhiên mô tả dòng đầu vào đã có 36

2.2.5 Đánh giá ảnh hưởng của quá trình ngẫu nhiên đến hệ thống 37

CHƯƠNG BA XÂY DỰNG MÔ TẢ TOÁN HỌC QUÁ TRÌNH SẤY THỨC ĂN VIÊN Ở TRẠNG THÁI TẦNG SÔI 38

3.1 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HÀM PHÂN BỐ THỜI GIAN LƯU CỦA THỨC ĂN VIÊN TRONG THIẾT BỊ [14] 38

3.2 XÂY DỰNG MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO THIẾT BỊ SẤY TẦNG SÔI THỨC ĂN VIÊN 41

3.2.1 Thiết lập hệ phương trình 41

3.2.2 Cân bằng vật chất và năng lượng của hệ 44

3.2.3 Động học quá trình sấy và các thông số cơ bản 45

3.3 KẾT QUẢ XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ KIỂM ĐỊNH SỰ TƯƠNG THÍCH CỦA MÔ HÌNH 50

CHƯƠNG BỐN NHẬN DẠNG VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN 52

4.1 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM BAN ĐẦU CỦA THỨC ĂN VIÊN 52

4.2 NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN 53

4.2.1 Xác định giá trị trung bình 53

4.2.2 Xác định phương sai mẫu 53

4.2.3 Xác định phương sai lý thuyết và độ lệch tiêu chuẩn (Variance, Standard Deviation) 53

4.2.4 Xác định hàm kỳ vọng toán học (Expected Function) 53

4.2.5 Xác định hàm đặc trưng (Characteristic Function) 54

4.2.6 Xác định hàm mật độ 54

4.2.7 Xác định hàm phân bố (Distribution Function) 54

4.2.8 Xác định hàm tương quan 55

4.3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN 55

4.3.1 Tạo dãy số giả ngẫu nhiên có phân bố đều xác suất 55

4.3.2 Xác định hiện ảnh của đại lượng ngẫu nhiên có phân bố chuẩn 56

4.3.3 Thuật toán xác định hàm ngẫu nhiên [53] 57

CHƯƠNG NĂM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC ĐỘNG NGẪU NHIÊN ĐẾN QUÁ TRÌNH SẤY TRÊN MÔ HÌNH 58

5.1 TÁC ĐỘNG CỦA YẾU TỐ ĐỘ ẨM NGUYÊN LIỆU 58

5.2 YẾU TỐ ĐỘ ẨM TÁC NHÂN SẤY 62

5.3 YẾU TỐ NHIỆT ĐỘ TÁC NHÂN SẤY 66

5.4 YẾU TỐ NHIỆT ĐỘ VẬT LIỆU VÀO 69

5.5 YẾU TỐ KÍCH THƯỚC HẠT VẬT LIỆU 72

5.6 YẾU TỐ VẬN TỐC DÒNG TÁC NHÂN SẤY 74

5.7 YẾU TỐ BỀ DÀY LỚP VẬT LIỆU 76

5.8 PHÂN TÍCH THỐNG KÊ SỐ LIỆU ĐẦU RA 78

CHƯƠNG SÁU XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SẤY THỨC ĂN VIÊN Ở TRẠNG THÁI TẦNG SÔI 81

6.1 QUY TRÌNH THỰC HIỆN 81

6.2 CHƯƠNG TRÌNH “SẤY TẦNG SÔI” 82

6.2.1 Giao diện nhận dạng và mô phỏng quá trình ngẫu nhiên 82

6.2.2 Giao diện mô hình và mô phỏng quá trình sấy 84

6.3 PHẦN MỀM THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY TẦNG SÔI 89

6.3.1 Sơ đồ khối chương trình 89

6.3.2 Giao diện thiết kế 91

6.3.3 Kết quả chạy thử chương trình 93

KẾT LUẬN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

PHỤ LỤC 101

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần nguyên liệu cơ bản của thức ăn viên cho tôm 25

Bảng 3.1 Phân bố mật độ viên màu theo thời gian khi vận tốc khí khác nhau 38

Bảng 3.2 Kết quả xác định hệ số trộn 39

Bảng 3.3 Thông số đầu vào của thí nghiệm kiểm chứng trên thiết bị Pilot 50

Bảng 3.4 Thông số đầu vào của thí nghiệm kiểm chứng trên thiết bị TS – 300 51

Bảng 4.1 Kết quả xác định nồng độ ẩm đầu vào 52

Bảng 5.1 Độ ẩm và nhiệt độ của vật liệu theo thời gian sấy khi hệ ổn định 58

Bảng 5.2 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu biến đổi với độ lệch σ = 0.05 59

Bảng 5.3 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu biến đổi với độ lệch σ =0.07 59

Bảng 5.4 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu và độ ẩm tác nhân vào biến đổi 59

Bảng 5.5 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu và nhiệt độ vật liệu vào biến đổi 60

Bảng 5.6 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm và nhiệt độ tác nhân vào biến đổi 60

Bảng 5.7 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu và đường kính hạt biến đổi 60

Bảng 5.8 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu và vận tốc dòng tác nhân biến đổi 60 Bảng 5.9 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu, nhiệt độ vật liệu và độ ẩm tác nhân biến đổi 60

Bảng 5.10 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu, nhiệt độ vật liệu , nhiệt độ tác nhân và độ ẩm tác nhân biến đổi 60

Bảng 5.11 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm và nhiệt độ vật liệu, nhiệt độ và độ ẩm tác nhân, đường kính hạt cùng biến đổi 61

Bảng 5.12 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm và nhiệt độ vật liệu, nhiệt độ và độ ẩm tác nhân, đường kính hạt, vận tốc tác nhân cùng biến đổi 61

Bảng 5.13 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vào M0 = 0.32 61

Bảng 5.14 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm M0 = 0.32 biến đổi với độ lệch σ = 0.05 62

Bảng 5.15 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm M0 = 0.32 và nhiệt độ tác nhân biến đổi 62

Bảng 5.16 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm M0 = 0.32 và nhiệt độ vật liệu, độ ẩm và nhiệt độ tác nhân biến đổi 62

Bảng 5.17 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân biến đổi với σ = 0.005 63

Bảng 5.18 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân và nhiệt độ vật liệu biến đổi 63

Bảng 5.19 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm và nhiệt độ tác nhân biến đổi 63

Bảng 5.20 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân và đường kính hạt biến đổi 63

Bảng 5.21 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm và vận tốc nhân biến đổi 64

Bảng 5.22 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân vào H = 0.07 64

Bảng 5.23 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân H0 = 0.07 biến đổi với σ = 0.005 .64

Bảng 5.24 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân H0 = 0.07, độ ẩm và nhiệt độ của

vật liệu, nhiệt độ và vận tốc tác nhân, đường kính hạt cùng biến đổi 64

Bảng 5.25 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân vào H0 = 0.06 65

Bảng 5.26 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân H0 = 0.06 biến đổi với σ = 0.005 .65

Bảng 5.27 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân H0 = 0.06, độ ẩm và nhiệt độ của vật liệu, nhiệt độ và vận tốc tác nhân, đường kính hạt cùng biến đổi 65

Bảng 5.28 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân biến đổi với σ = 5 66

Bảng 5.29 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân biến đổi với σ = 10 66

Bảng 5.30 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân và kích thước hạt biến đổi 67

Bảng 5.31 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ và vận tốc tác nhân biến đổi 67

Bảng 5.32 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ và vận tốc tác nhân, kích thước hạt biến đổi 67

Bảng 5.33 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Tk = 750C 68

Bảng 5.34 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Tk = 750C và kích thước hạt, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi 68

Bảng 5.35 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Tk = 850C 68

Bảng 5.36 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Tk = 850C và kích thước hạt, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi 68

Bảng 5.37 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu sấy biến đổi ngẫu nhiên 69

Bảng 5.38 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu và nhiệt độ tác nhân biến đổi 69

Bảng 5.39 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu và đường kính hạt biến đổi 69

Bảng 5.40 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu và vận tốc tác nhân biến đổi 69

Bảng 5.41 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu, đường kính hạt, nhiệt độ và vận tốc tác nhân sấy biến đổi 70

Bảng 5.42 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu sấy Th = 350C 70

Bảng 5.43 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu Th = 350C và kích thước hạt, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi 70

Bảng 5.44 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu sấy Th = 400C 71

Bảng 5.45 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Th = 400C và kích thước hạt, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi 71

Bảng 5.46 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu sấy Th = 250C 71

Bảng 5.47 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Th = 250C và kích thước hạt, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi 71

Bảng 5.48 Kết quả mô phỏng khi kích thước hạt biến đổi ngẫu nhiên với σ =0.3 72

Bảng 5.49 Kết quả mô phỏng khi kích thước hạt và vận tốc tác nhân biến đổi 72

Bảng 5.50 Kết quả mô phỏng khi kích thước hạt dh = 2mm 72

Bảng 5.51 Kết quả mô phỏng khi đường kính hạt dh = 2.0mm, nhiệt độ tác nhân vào nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi 73

Bảng 5.53 Kết quả mô phỏng khi đường kính hạt dh = 3mm ,nhiệt độ tác nhân vào,

nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi 73

Bảng 5.54 Kết quả mô phỏng khi vận tốc dòng tác nhân biến đổi 74

Bảng 5.55 Kết quả mô phỏng khi vận tốc dòng tác nhân vk = 1.8 m/s 74

Bảng 5.56 Kết quả mô phỏng khi vận tốc dòng tác nhân vk = 1.8 m/s biến đổi 74

Bảng 5.57 Kết quả mô phỏng khi vận tốc tác nhân vk = 1.8 m/s, đường kính hạt, nhiệt độ và độ ẩm tác nhân vào, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu cùng biến đổi 75

Bảng 5.58 Kết quả mô phỏng khi vận tốc dòng tác nhân vk = 2.0 m/s 75

Bảng 5.59 Kết quả mô phỏng khi vận tốc tác nhân vk = 2.0 m/s, đường kính hạt, nhiệt độ và độ ẩm tác nhân vào, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu cùng biến đổi 75

Bảng 5.60 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 12 cm 76

Bảng 5.61 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 12 cm có độ ẩm và nhiệt độ vật liệu, độ ẩm và nhiệt độ tác nhân, vận tốc tác nhân và kích thước hạt biến đổi 76

Bảng 5.62 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 15 cm 76

Bảng 5.63 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 15 cm có độ ẩm vật liệu biến đổi ngẫu nhiên 76

Bảng 5.64 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 15 cm có độ ẩm vật liệu và nhiệt độ tác nhân biến đổi ngẫu nhiên 77

Bảng 5.65 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 15 cm có độ ẩm và nhiệt độ vật liệu, độ ẩm và nhiệt độ tác nhân, vận tốc tác nhân và kích thước hạt biến đổi 77

Bảng 5.66 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 17 cm 77

Bảng 5.67 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 17cm có độ ẩm và nhiệt độ vật liệu, độ ẩm và nhiệt độ tác nhân, vận tốc tác nhân và kích thước hạt biến đổi 77

Bảng 5.68 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 20 cm 77

Bảng 5.69 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 20cm có độ ẩm và nhiệt độ vật liệu, độ ẩm và nhiệt độ tác nhân, vận tốc tác nhân và kích thước hạt biến đổi 78

Bảng 5.70 Kết quả 10 lần mô phỏng cùng số liệu đầu vào 78

Bảng 6.1 Thông số của vật liệu sấy 93

Bảng 6.2 Thông số của tác nhân sấy 94

Bảng 6.3Kết quả tính được 94

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc của mô hình mô tả 6

Hình 1.2 Sơ đồ thực hiện quy trình mô phỏng 12

Hình 1.3 Thiết bị sấy tầng sôi trộn ngược 19

Hình 1.4 Thiết bị sấy tầng sôi ngăn dòng 19

Hình 1.5 Thiết bị sấy tầng sôi rung 19

Hình 1.6 Thiết bị sấy tầng sôi tiếp xúc 20

Hình 1.7 Thiết bị sấy tầng sôi đa bậc 20

Hình 1.8 Quy trình sản xuất thức ăn nuôi tôm 26

Hình 3.1 Đồ thị phân bố thời gian lưu khi thay đổi vận tốc khí 40

Hình 3.2 Đồ thị phân bố thời gian lưu khi thay đổi chiều dày lớp vật liệu 40

Hình 3.3 Mô hình thiết bị sấy tầng sôi nghiên cứu 41

Hình 3.4 Kết quả giải mô hình với M0 = 0.48 50

Hình 3.5 Kết quả giải mô hình với M0 = 0.35 51

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn độ ẩm của vật liệu ban đầu 52

Hình 4.2 Kết quả mô phỏng quá trình ngẫu nhiên 57

Hình 5.1 Phân tích thống kê độ lệch chuẩn của độ ẩm sản phẩm 79

Hình 5.2 Phân tích thống kê nhiệt độ của sản phẩm 79

Hình 6.1 Sơ đồ khối qui trình mô hình hóa và mô phỏng 82

Hình 6.2 Giao diện nhận dạng quá trình ngẫu nhiên 83

Hình 6.3 Giao diện mô phỏng quá trình ngẫu nhiên 83

Hình 6.4 Màn hình chính giao diện mô hình , mô phỏng hệ thống sấy 84

Hình 6.5 Menu nhập số liệu 85

Hình 6.6 Menu nhập tùy chọn 85

Hình 6.7 Menu thực hiện 85

Hình 6.8 Menu thiết kế 85

Hình 6.9 Menu trợ giúp 86

Hình 6.10 Nhiệt độ và độ ẩm vật liệu sấy 86

Hình 6.11 Nhiệt độ và độ ẩm khí thải sau sấy 87

Hình 6.12 Nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu và khí thải trong quá trình sấy 87

Hình 6.15 Sơ đồ khối chương trình 89

Hình 6.16 Sơ đồ khối quá trình sấy thực 90

Hình 6.17 Màn hình chính giao diện thiết kế 91

Hình 6.18 Màn hình nhập dữ liệu .91

Hình 6.19 Màn hình chọn điều kiện nhiệt độ 92

Hình 6.20 Màn hình chọn vật liệu sấy 92

Hình 6.21 Màn hình kết quả 93

DANH SÁCH PHỤ LỤC

Phụ lục I XÂY DỰNG PHẦN MỀM PHÂN TÍCH HỒI QUY THỰC NGHIỆM Phụ lục II TIỆN ÍCH TRA CỨU TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA CÁC ĐƠN CHẤT VÀ HỢP CHẤT

Phụ lục III MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SẤY TẦNG SÔI

Phụ lục III.1 Độ ẩm và nhiệt độ của vật liệu theo thời gian sấy khi hệ ổn định

Phụ lục III.2 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu biến đổi với độ lệch σ = 0.05

Phụ lục III.3 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu biến đổi với độ lệch σ =0.07 Phụ lục III.4 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu và độ ẩm tác nhân vào biến đổi Phụ lục III.5 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu và nhiệt độ vật liệu vào biến đổi Phụ lục III.6 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm và nhiệt độ tác nhân vào biến đổi

Phụ lục III.7 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu và đường kính hạt biến đổi Phụ lục III.8 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu và vận tốc dòng tác nhân biến đổi

Phụ lục III.9 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu, nhiệt độ vật liệu và độ ẩm tác nhân biếnđổi

Phụ lục III.10 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vật liệu, nhiệt độ vật liệu , nhiệt độ tác nhân và độ ẩm tác nhân biến đổi

Phụ lục III.11 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm và nhiệt độ vật liệu, nhiệt độ và độ ẩm tác nhân, đường kính hạt cùng biến đổi

Phụ lục III.12 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm và nhiệt độ vật liệu, nhiệt độ và độ ẩm tác nhân, đường kính hạt, vận tốc tác nhân cùng biến đổi

Phụ lục III.13 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm vào M0 = 0.32

Phụ lục III.14 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm M0 = 0.32 biến đổi với độ lệch σ = 0.05 Phụ lục III.15 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm M0 = 0.32 và nhiệt độ tác nhân biến đổi Phụ lục III.16 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm M0 = 0.32 và nhiệt độ vật liệu, độ ẩm

và nhiệt độ tác nhân biến đổi

Phụ lục III.17 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân biến đổi với σ = 0.005

Phụ lục III.18 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân và nhiệt độ vật liệu biến đổi Phụ lục III.19 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm và nhiệt độ tác nhân biến đổi

Phụ lục III.20 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân vả đường kính hạt biến đổi

Phụ lục III.23 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân H0=0.07 biến đổi với σ=0.005 Phụ lục III.24 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân H0 = 0.07, độ ẩm và nhiệt độ của vật liệu, nhiệt độ và vận tốc tác nhân, đường kính hạt cùng biến đổi

Phụ lục III.25 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân vào H0 = 0.06

Phụ lục III.26 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân H0 = 0.06 biến đổi với σ = 0.005

Phụ lục III.27 Kết quả mô phỏng khi độ ẩm tác nhân H0 = 0.06, độ ẩm và nhiệt độ của vật liệu, nhiệt độ và vận tốc tác nhân, đường kính hạt cùng biến đổi

Phụ lục III.28 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân biến đổi với σ = 5

Phụ lục III.29 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân biến đổi với σ = 10

Phụ lục III.30 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân và kích thước hạt biến đổi Phụ lục III.31 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ và vận tốc tác nhân biến đổi

Phụ lục III.32 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ và vận tốc tác nhân, kích thước hạt biến đổi

Phụ lục III.33 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Tk = 750C

Phụ lục III.34 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Tk = 750C và kích thước hạt, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi

Phụ lục III.35 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Tk = 850C

Phụ lục III.36 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Tk = 850C và kích thước hạt, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi

Phụ lục III.37 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu sấy biến đổi ngẫu nhiên

Phụ lục III.38 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu và nhiệt độ tác nhân biến đổi Phụ lục III.39 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu và đường kính hạt biến đổi Phụ lục III.40 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu và vận tốc tác nhân biến đổi

Phụ lục III.41 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu, đường kính hạt, nhiệt độ và

vận tốc tác nhân sấy biến đổi

Phụ lục III.42 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu sấy Th = 350C

Phụ lục III.43 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu Th = 350C và kích thước hạt,

nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi

Phụ lục III.44 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu sấy Th = 400C

Phụ lục III.45 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Th = 400C và kích thước

hạt, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi

Phụ lục III.46 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ vật liệu sấy Th = 250C

Phụ lục III.47 Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ tác nhân vào Th = 25 C và kích thước hạt, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi

Phụ lục III.48 Kết quả mô phỏng khi kích thước hạt biến đổi ngẫu nhiên với σ =0.3

Phụ lục III.49 Kết quả mô phỏng khi kích thước hạt và vận tốc tác nhân biến đổi Phụ lục III.50 Kết quả mô phỏng khi kích thước hạt dh = 2mm

Phụ lục III.51 Kết quả mô phỏng khi đường kính hạt dh = 2.0mm, nhiệt độ tác nhân vào nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi

Phụ lục III.52 Kết quả mô phỏng khi kích thước hạt dh = 3.0mm

Phụ lục III.53 Kết quả mô phỏng khi đường kính hạt dh = 3mm ,nhiệt độ tác nhân vào nhiệt độ và độ ẩm vật liệu, độ ẩm và vận tốc tác nhân cùng biến đổi

Phụ lục III.54 Kết quả mô phỏng khi vận tốc dòng tác nhân biến đổi

Phụ lục III.55 Kết quả mô phỏng khi vận tốc dòng tác nhân vk = 1.8 m/s

Phụ lục III.56 Kết quả mô phỏng khi vận tốc dòng tác nhân vk = 1.8 m/s biến đổi Phụ lục III.57 Kết quả mô phỏng khi vận tốc tác nhân vk = 1.8 m/s, đường kính hạt,

nhiệt độ và độ ẩm tác nhân vào, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu cùng biến đổi

Phụ lục III.58 Kết quả mô phỏng khi vận tốc dòng tác nhân vk = 2.0 m/s

Phụ lục III.59 Kết quả mô phỏng khi vận tốc tác nhân vk = 2.0 m/s, đường kính hạt,

nhiệt độ và độ ẩm tác nhân vào, nhiệt độ và độ ẩm vật liệu cùng biến đổi

Phụ lục III.60 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 12 cm

Phụ lục III.61 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 12 cm có độ ẩm và nhiệt

độ vật liệu, độ ẩm và nhiệt độ tác nhân, vận tốc tác nhân và kích thước hạt biến đổi

Phụ lục III.62 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 15 cm

Phụ lục III.63 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 15 cm có độ ẩm vật liệu biến đổi ngẫu nhiên

Phụ lục III.64 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 15 cm có độ ẩm vật liệu

và nhiệt độ tác nhân biến đổi ngẫu nhiên

Phụ lục III.65 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 15 cm có độ ẩm và nhiệt độ vật liệu, độ ẩm và nhiệt độ tác nhân, vận tốc tác nhân và kích thước hạt biến đổi Phụ lục III.66 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 17 cm

Phụ lục III.67 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 17 cm có độ ẩm và nhiệt

độ vật liệu, độ ẩm và nhiệt độ tác nhân, vận tốc tác nhân và kích thước hạt biến đổi

Phụ lục III.68 Kết quả mô phỏng khi chiều dày lớp hạt hb = 20 cm

Phụ lục III.70 Kết quả mô phỏng 10 lần với cùng các thông số ban đầu

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong công nghệ hóa học, sấy được xem là một hệ thống công nghệ phức tạp bao gồm các quá trình truyền nhiệt, truyền khối, truyền động lượng và đã trở thành đối tượng nghiên cứu của khoa học công nghệ trong nhiều năm qua Trong các phương pháp sấy vật liệu rời, sấy tầng sôi là công nghệ sấy được phát hiện sau những công nghệ sấy khác nhưng phát triển rất mạnh và thay thế dần các phương pháp sấy nhờ các ưu điểm: tạo được sự tiếp xúc giữa các pha lớn là yếu tố cần thiết cho quá trình truyền khối và làm tăng hệ số đối lưu nhiệt trong quá trình truyền nhiệt, tạo chế độ nhiệt độ đồng nhất nên tốc độ truyền nhiệt và truyền khối giữa các pha cao dẫn đến tăng năng suất thiết bị sấy Vì có sự xáo trộn chất rắn liên tục nên chất lượng sản phẩm đồng đều, không bị vón cục hoặc kết dính, chất rắn trong lớp tầng sôi có tính chất linh động gần giống chất lỏng nên dễ xử lý, vận chuyển và làm sạch Sấy tầng sôi được ứng dụng nhiều trong sấy các vật liệu rời: nông sản, thực phẩm, hóa chất, phân bón, chất tẩy rửa, hạt nhựa, sứ, thức ăn cho gia cầm và thủy sản đặc biệt là dược liệu và sản phẩm hóa sinh như: thuốc kháng sinh, enzym, protein, vitamin, nấm men … Chính sự phát triển ứng dụng mạnh mẽ đó, sấy tầng sôi đã trở thành đối tượng của khoa học công nghệ Tuy nhiên, sấy vật liệu ở trạng thái

lơ lửng thuộc lớp hệ thống công nghệ phức tạp (hệ đa phân tán), nên mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về nó, quá trình sấy tầng sôi vẫn còn nhiều vấn đề cần đi sâu giải quyết

Việc thiết kế hệ thống sấy cũng như các hệ thống công nghệ khác thường đi theo hai phương pháp: phương pháp cổ điển và phương pháp phân tích hệ thống mà nội dung cơ bản là xây dựng mô tả toán học của hệ thống công nghệ để phân tích đánh giá hệ thống và giải các bài toán tối ưu có liên quan Trong phương pháp cổ điển, thiết kế theo kinh nghiệm hoặc theo ý đồ chủ quan của người thiết kế, sau đó chế tạo, thử nghiệm trong thực tế rồi hiệu chỉnh nhiều lần để có máy sấy phù hợp Phương pháp này tốn nhiều thời gian, chi phí và đặc biệt khó khăn khi cần tối ưu hóa và điều khiển hệ thống

Nguyên tắc của phương pháp phân tích hệ thống là dựa trên lý thuyết lập mô hình để xây dựng các mô tả toán học phục vụ cho tính toán thiết kế, kết hợp với một số thí nghiệm cần thiết để nhận dạng các thông số và để kiểm chứng mô hình Nó

làm cơ sở cho việc triển khai thiết bị quy mô sản xuất và làm cơ sở toán học cho mô phỏng quá trình sấy

Để phân tích một hệ thống phức tạp như quá trình sấy tầng sôi thì việc tiếp cận vấn đề mô phỏng với sự hỗ trợ của công nghệ tin học là rất cần thiết Dựa vào công cụ cơ bản là phương pháp mô hình hóa toán học và bài toán cơ bản là bài toán tối

ưu, xây dựng phần mềm mô phỏng sẽ giúp người thiết kế xác định được một cách nhanh chóng các thông số cho hệ thống thiết bị mà không cần phải tốn nhiều công sức để thử nghiệm trên mô hình thực và cho kết quả có độ chính xác cao

Trên thế giới, việc nghiên cứu và ứng dụng mô hình toán để mô phỏng cho việc thiết kế và vận hành thiết bị đặc biệt có sự hỗ trợ của máy tính được xem là lĩnh vực mới và phát triển mạnh ở các trường đại học và các viện nghiên cứu Tuy nhiên, các nghiên cứu theo phương pháp mô hình hóa toán học cho các hệ thiết bị công nghệ trong đó có thiết bị sấy tầng sôi thường tiến hành với các đại lượng đầu vào không ngẫu nhiên Trong thực tế, các đại lượng tác động vào hệ thống công nghệ, cụ thể là thiết bị sấy tầng sôi trên thực tế đều là các quá trình ngẫu nhiên Do vậy, sự phản ánh hoạt động của thiết bị thực qua mô hình toán chưa thực sự đầy đủ

Do đó, luận án này nghiên cứu đối tượng sấy tầng theo định hướng:

- Xây dựng mô tả toán học của thiết bị sấy tầng sôi

- Mô phỏng các quá trình ngẫu nhiên tác động vào quá trình sấy trong thiết

bị sấy tầng sôi

- Mô phỏng hoạt động của thiết bị sấy tầng sôi dưới tác động của các quá trình ngẫu nhiên

Sấy tầng sôi đã được nghiên cứu trên các loại vật liệu rời trong công nghiệp hóa chất (phân bón, hạt nhựa, chất đốt, vật liệu xây dựng,…), trong nông sản thực phẩm (thóc, trà, cà phê, thuốc lá, …) Tuy nhiên, đối loại sản phẩm thức ăn viên thì chưa có nhiều công trình nghiên cứu Thức ăn viên cho thủy sản là loại vật liệu có thành phần cấu tạo phức tạp do phối trộn từ các nguồn nguyên liệu khác nhau Do đó trong quá trình sấy thức ăn nuôi thủy sản các yếu tố công nghệ cần đặc biệt chú

ý vì vật liệu có tính keo dính, có nhiều chất dinh dưỡng và chất kích thích dinh dưỡng dễ biến tính ở nhiệt độ cao Vì vậy công nghệ phải có tính chính xác cao để bảo đảm chất lượng của sản phẩm Vài năm gần đây, cùng với sự phát triển của ngành nuôi trồng thủy sản, máy sấy thức ăn viên đã được ứng dụng tại nhiều công

ty, xí nghiệp sản xuất thức ăn thủy sản trong nước, tuy chưa có tài liệu chuyên sâu về quá trình sấy thức ăn viên nên việc thiết kế và vận hành chỉ dựa vào kinh nghiệm.

Dựa vào những đặc điểm trên, đề tài: "Mô hình hóa và mô phỏng quá trình sấy thức ăn viên ở trạng thái tầng sôi " được đề xuất nghiên cứu nhằm mục đích

góp phần xây dựng và hoàn chỉnh phương pháp luận nghiên cứu mô hình toán học quá trình sấy tầng sôi, tạo cơ sở khoa học cho việc ứng dụng tin học vào nghiên cứu, mô phỏng và thiết kế thiết bị sấy tầng sôi

Đề tài này đã kế thừa các nghiên cứu về phương pháp luận phân tích hệ thống, mô hình toán học, các ứng dụng của phần mềm toán học matlab 6.0, các kinh nghiệm của các chuyên gia trong lĩnh vực mô hình hóa, chuyên gia về mô phỏng trên máy tính, về quá trình sấy, về sản xuất thức ăn viên trong đó có các chuyên gia Bộ môn Máy & Thiết bị của Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Kết quả là đã thiết lập được mô tả toán học của quá trình sấy tầng sôi, nhận dạng được quá trình ngẫu nhiên tại đầu vào của hệ thống, mô phỏng và đánh giá các tác động của quá trình ngẫu nhiên đầu vào đến hệ thống sấy, xây dựng được phần mềm nhận dạng quá trình ngẫu nhiên, phần mềm mô hình hóa và mô phỏng quá trình sấy tầng sôi, phần mềm tiện ích thiết kế thiết bị sấy tầng sôi, tiện ích phân tích hồi quy thực nghiệm và tiện ích tra cứu các thông số hóa lý của hệ

CHƯƠNG MỘT

TỔNG QUAN1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG VÀ MÔ HÌNH HÓA

Hệ thống công nghệ có thể chia thành 4 cấp:

Cấp IV: Thị trường và sản phẩm

Cấp III: Đơn vị sản xuất: nhà máy, xí nghiệp…

Cấp II: Tổ hợp thiết bị công nghệ, dây chuyền công nghệ: phân xưởng, công đoạn Cấp I: Các thiết bị công nghệ riêng lẻ

Hệ thống cấp I có thể được chia nhỏ thành 5 lớp :

Lớp 5: Thiết bị và quá trình trong phạm vi một thiết bị

Lớp 4: Các quá trình xảy ra trong một phần thể đa phân tán

Lớp 3: Các quá trình xảy ra xung quanh một hạt

Lớp 2: Các quá trình xảy ra bên trong một hạt, trong hệ đồng thể

Lớp 1: Các quá trình ở quy mô phân tử

1.1.2 Mô hình toán học (mô tả toán học) của hệ thống

Khi nghiên cứu một đối tượng thực, người ta phải tác động vào đối tượng công nghệ đó, nhưng không tác động trực tiếp lên đối tượng công nghệ mà phải qua mô hình

Có thể phân loại mô hình thành mô hình vật chất và mô hình ý tưởng (mô hình giả tưởng) Mô hình vật chất sử dụng vật chất để mô tả chẳng hạn như mô hình vật lý, mô hình toán học

1.1.2.1 Cấu trúc toán học của hệ thống

Để mô tả quan hệ giữa các phần tử với nhau trong hệ thống có thể sử dụng mô hình toán Nói cách khác, mô hình toán là biểu diễn cấu trúc của một đại lượng thực bằng ngôn ngữ toán học

Mọi hệ thống đều là tập hợp các đại lượng và quan hệ giữa các đại lượng Tập hợp không chỉ gồm những tập con, mà gồm tập hợp các tập con Vì vậy, một hệ thống công nghệ có thể xem là tập hợp các đại lượng và mọi tập con của tập hợp các đại lượng đó

1.1.2.2 Quan hệ giữa các đại lượng

Xét một đối tượng công nghệ T

Gọi X là đại lượng vào gồm:

− Đại lượng đo được : xi

− Đại lượng đo được , điều khiển được : ui

− Đại lượng không đo được (nhiễu): ξI

X = {x1, x2, x3, …,u1, u2, u3, …, ξ1, ξ2, ξ3,…}

Gọi Y là đại lượng ra hay thông số trạng thái, biểu diễn trạng thái của hệ thống công nghệ hoặc trạng thái đang diễn ra trong hệ thống đó, gồm:

− Đại lượng đo được : yi

− Đại lượng đo được , điều khiển được : ui

− Đại lượng không đo được (nhiễu): yξ

Quan hệ giữa các đại lượng có thể biểu diễn:

T

T biến đổi hàm đầu vào X thành hàm đầu ra Y theo một quy tắc nào đó T được gọi là một toán tử

Khi đó, (*) là mô tả toán học tổng quát của hệ

Và có thể biểu diễn: F* (X,Y) = 0

1.1.2.3 Sự tương thích của mô hình

Để đánh giá độ sai lệch giữa mô hình và thực nghiệm, xây dựng chuẩn:

∑

=

−

Cho X = XE

Tiến hành thí nghiệm trên hệ thống công nghệ sao cho:

YE = T (XE) : thực nghiệm trên hệ thống

YC = F (XE) : tính theo mô hình

F được gọi là tương thích khi

Δ {dY < εδ }> δ

Trong đó: εδ : độ sai lệch cho phép

δ : xác suất tin cậy

Δ {dY < εδ }: xác suất của sự kiện dY chính là độ lệch giữa thực nghiệm và tính toán nhỏ hơn độ sai số cho phép

1.2 KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG

1.2.1 Khái niệm

Khái niệm mô hình và mô phỏng thường đi kèm với nhau Mô hình hóa là xây dựng hay tìm hiểu từ cơ chế hoạt động của nó, như bản chất bên trong nó, quy luật hoạt động của nó Để đơn giản thì ta không đưa hết tất cả các yếu tố liên quan mà chỉ đưa vào những yếu tố cần thiết hay quan trọng nhất, do vậy kết quả của mô hình khi ta xây dựng lên thường không tính đến các hiệu ứng phụ, các ảnh hưởng của các yếu tố còn lại - mà ta gọi chung là môi trường, do vậy thường có sự sai khác nhỏ đối với các hiện tượng thực tế, sai khác này phải nhỏ vì ta đã lý tưởng hóa yếu tố quan trọng nhất và loại bỏ hoặc không tính các yếu tố phụ để làm nổi bật lên bản chất của vấn đề và thông thường các sai khác nhỏ này chỉ có tác dụng cho phép ta đánh giá phạm vi ứng dụng của mô hình Còn mô phỏng nói một cách đơn giản là

"bắt chước", còn nói rộng hơn là ta bắt đầu từ các số liệu thực nghiệm (số liệu thực tế) hoặc từ một tính chất nào đó của vấn đề (thường thì nó là các biểu thức biểu hiện bên ngoài của vấn đề) để dự đoán tiến triển của sự việc mà không đề cập đến cơ chế hoạt động (thường là do không biết được cơ chế này hay ta còn gọi bản chất nó là một quá trình ngẫu nhiên nào đó)

Trong khoa học kỹ thuật, đôi khi ta cần giải quyết những bài toán ra quyết định phức tạp Nhiều phương pháp, kỹ thuật trong số đó quen thuộc đối với chúng ta

ở mức cơ bản, bao gồm quy hoạch thực nghiệm, phân tích quyết định, thuyết xếp hàng, dự đoán và mô phỏng… dùng để phân tích, tạo những mô hình giả định đơn giản Các phương pháp đều có giới hạn sử dụng khác nhau Ví dụ như quy hoạch tuyến tính chỉ áp dụng cho trường hợp có kết cấu tốt, được mô hình hóa với hàm mục tiêu tuyến tính và những giới hạn tuyến tính và không bao gồm những yếu tố mang tính xác suất Hơn nữa, chúng ta giả thiết rằng tất cả dữ liệu được biết đều chắc chắn Tuy nhiên, điều này hiếm khi xảy ra trong thực tế Thường thì biểu thức mô tả toán học thể hiện vấn đề càng hoàn hảo thì nó càng ít xảy ra hơn Chúng không thể hiện được động lực của môi trường thực và cung cấp rất ít thông tin về tính chất của hệ thống được mô hình

Như vậy, một cách khái quát có thể định nghĩa mô phỏng như sau: Mô phỏng là quá trình xây dựng mô hình mang tính toán học hoặc lý luận của hệ thống hoặc

bài toán ra quyết định và tiến hành thử nghiệm với mô hình đó để tìm hiểu tính chất của hệ thống hoặc giúp cho vấn đề ra quyết định

Hai yếu tố then chốt của xác định này là mô hình và thử nghiệm Lợi ích cơ

bản của mô phỏng nằm ở khả năng mô hình hóa những giả định thích hợp của nó về một bài toán hay một hệ thống Dĩ nhiên chúng cũng đưa lại những tác động đáng chú ý để phát triển mô hình Một mô hình có giá trị khi làm cho người sử dụng hiểu về hệ thống rõ ràng hơn Mục tiêu của mô phỏng chính là việc tạo mô hình và thử nghiệm mô hình đó

Mô phỏng đặc biệt có ích khi bài toán tồn tại những dữ kiện không chắc chắn, rất khó phân tích Mô phỏng và thống kê được áp dụng nhiều trong khoa học kỹ thuật Tuy nhiên, có nhiều trường hợp thì việc áp dụng quy hoạch tuyến tính hoặc thuyết xếp hàng là tốt hơn Nhiệm vụ của người thiết lập mô hình là hiểu vấn đề, hiểu những phương tiện áp dụng khác nhau và dùng chúng một cách hiệu quả

1.2.2 Bản chất của mô phỏng

Từ trước tới nay, mô phỏng được dùng nhiều trong các lĩnh vực đời sống Nó rất gần gũi và đôi khi người ta không nghĩ đó là dựa trên kỹ thuật mô phỏng Ví dụ như những bài tập chiến trường, tập hành quân trong những điều kiện khác nhau Hoặc gần gũi hơn cả là những bản tin dự báo thời tiết hàng đêm, đó cũng là kết quả của sự mô phỏng Những bài tập của phi công là dùng các thiết bị mô phỏng để biết được những điều kiện đặc biệt mà máy bay sẽ gặp phải để tập đối phó Điều này giúp phi công học cách xoay sở trong những tình huống khẩn cấp mà không cần phải trải qua những kinh nghiệm khổ cực NASA cũng dùng mô phỏng để đoán quỹ đạo của hỏa tiễn và vệ tinh Mô phỏng cũng được dùng trong những trò chơi phổ biến Ví dụ như Monopoly mô phỏng lại thị trường bất động sản của thành phố Atlantic cổ, dùng xúc xắc như là cách để xác định các sự kiện ngẫu nhiên

Bản chất của mô phỏng là tạo ra mô hình thể hiện đầy đủ tính chất của đối tượng và khi thử nghiệm trên đó, sẽ thu được những kết quả mà không phải trả giá cho sự trải qua ở đối tượng thực (thường là rất phức tạp)

Tuy nhiên, rất nhiều chương trình mô phỏng thực hiện bằng tay, tốn nhiều thời gian, sức lực để thu được kết quả, thậm chí đem lại rất ít thông tin cần thiết Nếu mô phỏng được thực hiện trên máy tính thì hàng ngàn bước lặp được thực hiện trong vài phút, cung cấp lượng thông tin nhiều và đáng giá Với tiềm lực ngày càng

tăng của máy tính về tốc độ xử lý, và những hiểu biết nhiều hơn về mô hình, mô phỏng trở thành một áp dụng rất phổ biến trong khoa học kỹ thuật vài năm gần đây để phân tích hệ thống

1.2.3 Mô hình và sự mô phỏng

Mô hình mô phỏng là loại mô tả Chúng ước tính một cách đơn giản thông số trình bày hoặc tính chất của hệ thống hoặc những cài đặt đặc biệt ở đầu vào hệ thống, như hình sau:

Hình 1.1 Cấu trúc của mô hình mô tả

Đầu vào mô hình bao gồm những biến số kiểm soát được bởi người sử dụng (quyết định) và những biến số không thể kiểm soát được hoặc hằng số ta thu được từ môi truờng của vấn đề đó Bản thân mô hình là một bộ những giả thiết để xác định hệ thống hay vấn đề

Bảng tính là một dạng gần gũi mà có ý nghĩa sát nhất Bảng tính là một mô hình mô tả trong đó những giả thiết là công thức được nhập vào trong ô Với bất kỳ bộ dữ liệu vào nào, nó cũng có thể tính ra các thông số đầu ra Sự khác biệt chính giữa mô hình bảng tính thông thường và mô hình mô phỏng là một mô hình mô phỏng bao gồm một hay nhiều yếu tố ngẫu nhiên và thường gồm những tương tác phức tạp giữa các yếu tố trong hệ thống theo thời gian Dưới những giả thiết như vậy, đầu ra của mô hình không có một giá trị duy nhất, sẽ có một phân bố ngẫu nhiên

Hai dạng riêng biệt của mô hình mô phỏng: mô hình mô phỏng Monte Carlo và mô hình mô phỏng hệ thống

-Mô phỏng Monte Carlo là thí nghiệm mẫu cơ bản với mục đích đánh giá sự phân bố của một biến số đầu ra khi nó phụ thuộc vào một vài biến số mang tính xác

Carlo Mô phỏng Monte Carlo cũng được dùng để đánh giá sự tác động của những thay đổi chiến lược và rủi ro liên quan đến việc ra quyết định Rủi ro thường được xem như là những xác suất xảy ra của một đầu ra không mong muốn Bản chất của mô phỏng Monte Carlo là lặp lại việc lấy mẫu một cách xác suất để xây dựng nên phân bố của biến số đầu ra

-Mô phỏng hệ thống theo cách khác là những mô hình rõ ràng liên tiếp của sự kiện xảy ra theo thời gian Vì vậy bài toán mô tả nồng độ theo thờiø gian, thay đổi các yếu tố đầu vào, đầu ra là những loại mô phỏng hệ thống

1.2.4 Quá trình mô phỏng

Để sử dụng mô phỏng một cách hiệu quả, cần cẩn thận khi lập mô hình và trong quá trình thực hiện Quá trình mô phỏng gồm 5 bước:

i) Xây dựng mô hình khái niệm của hệ thống hay vấn đề đang nghiên cứu: Bước này bắt đầu với việc hiểu vấn đề, nhận diện được mục tiêu của nghiên

cứu, xác định biến số đầu vào quan trọng và thông số đầu ra Nó cũng có thể bao gồm những mô tả hợp lý một cách chi tiết của hệ thống được nghiên cứu Mô hình mô phỏng lúc đầu đuợc xây dựng đơn giản, sau đó bổ sung thêm nếu cần thiết

ii) Xây dựng mô hình mô phỏng: Bao gồm những công việc: xây dựng

những công thức tương ứng, thu thập dữ liệu cần thiết, xác định phân bố có thể của mỗi biến số, và thiết lập những cấu trúc để lưu giữ kết quả Việc này có thể là thiết kế bảng tính, thiết lập chương trình cho máy vi tính hoặc nhập công thức của mô hình theo ngôn ngữ mô phỏng của máy

iii) Kiểm tra lỗi và kiểm tra giá trị của mô hình: Sự kiểm tra quá trình bảo

đảm rằng mô hình không bị sai sót luận lý, tức là có thể thực hiện những gì đã được dự tính Kiểm tra giá trị để bảo đảm rằng mô hình là đặc trưng thực của hệ thống hay bài toán Bước quan trọng này làm tăng độ tin cậy của mô hình mô phỏng và làm cho người sử dụng chấp nhận

iv) Thiết kế những thử nghiệm sử dụng mô hình: Bước này là xác định giá

trị của những biến số kiểm soát được để nghiên cứu hoặc những câu hỏi cần được trả lời theo trật tự sắp xếp mục tiêu của người ra quyết định

v) Thực hiện thử nghiệm và phân tích kết quả: Chạy chương trình mô

phỏng tương ứng có những thông tin cần cho việc ra quyết định

Thông thường, khi có một thông tin mới xuất hiện hay kết quả không phù hợp với mô hình, phải trở lại bước trước để hiệu chỉnh Quá trình mô phỏng là quá trình luôn phát triển, không chỉ liên quan đến người phân tích và xây dựng mô hình mà còn liên quan đến người sử dụng kết quả

Một mô phỏng được đánh giá là tốt nếu người sử dụng có thể dùng những kết quả mô phỏng được (tương tự kết quả họ sẽ thực hiện với những dữ liệu từ hệ thống) để ra quyết định và được thuyết phục rằng mô hình được dùng là hữu dụng

1.2.5 Ưu điểm và giới hạn của mô phỏng

Mô phỏng có rất nhiều ưu điểm:

- Cho phép người sử dụng hệ thống hay phân tích ước lượng những hệ thống được yêu cầu hay ra quyết định mà không cần tạo ra chúng hoặc thử nghiệm với hệ thống đang tồn tại

- Mô hình mô phỏng dễ hiểu hơn các phương pháp tiếp cận phân tích, phù hợp với tình huống thực nên được tin tưởng hơn

- Khả năng mô hình hóa bất kỳ giả thiết nào, đặc biệt khi mô hình phân tích không thể hoặc không tồn tại

Tuy nhiên, quá trình mô phỏng cũng có những khuyết điểm:

- Cần thời gian dài để có dữ liệu đầu vào, xây dựng mô hình mô phỏng và chương trình máy tính và giải thích kết quả

- Cần lặp lại những lần chạy mô phỏng nhiều lần để đặc trưng được phân bố của kết quả và nhận diện được kết quả có thể xảy ra

Các lợi ích to lớn của phương pháp mô phỏng đã làm nó trở thành dụng cụ quan trọng để ra quyết định

1.2.6 Phương pháp tiếp cận bằng mô phỏng số liệu thống kê

Mô hình mô phỏng xác suất liên quan đến cơ chế ngẫu nhiên của mô hình Dòng kết quả của mô hình theo thời gian sau đó được quan sát Tuy nhiên, bởi vì sự diễn tiến của mô hình theo thời gian liên quan đến cấu trúc phức tạp của những yếu tố tạo thành, cách theo dõi sự diễn tiến này thì thường không rõ ràng Phương pháp tiếp cận bằng sự mô phỏng sự kiện rời rạc là xây dựng một cơ cấu tổng quát xung

Những yếu tố then chốt trong mô phỏng sự kiện rời rạc là biến số và sự kiện Để thực hiện mô phỏng, chúng ta theo dõi những biến số chắc chắn Tổng quát, có 3 loại biến số thường được sử dụng:

- Biến thời gian: thay cho lượng thời gian (được mô phỏng) đã trôi qua

- Biến số đếm: biến này thể hiện số lần mà sự kiện chắc chắn đã xảy ra trong thời gian t

- Biến trạng thái hệ thống: mô tả trạng thái của hệ thống ở thời gian t

1.3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG BẰNG MÁY TÍNH

1.3.1 Giới thiệu

Mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính đang là một kỹ thuật được áp dụng cho tất cả các ngành khoa học kỹ thuật và kinh tế Nếu trước kia việc thiết lập một mô hình, triển khai các dự đoán, tính toán thống kê và trình bày các số liệu, đòi hỏi các kiến thức về toán ứng dụng nhiều, giải các phương trình vi phân, tính các tích phân, các phương pháp toán thống kê thì hiện nay với sự trợ giúp của máy tính và nhất là ngôn ngữ lập trình bậc cao ( chẳng hạn như : Mathemetica, MatLab, Mapple…), các kiến thức toán này đa tích hợp hoàn toàn trong các hàm và lệnh của ngôn ngữ , tạo điều kiện cho người dùng tiếp cận trực tiếp và tập trung vào vấn đề mình nghiên cứu mà không phải dùng quá nhiều thời gian cho kỹ thuật lập trình hay công cụ toán lý thuyết

Trong luận án này phần lớn giải quyết vấn đề mô hình và mô phỏng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, Mathematica, Delphi cùng với sự hỗ trợ của phần mềm quản lý Microsoft Access và lưu trữ ngân hàng dữ liệu trong Microsoft Excel

1.3.2 Sơ bộ về ngôn ngữ lập trình Matlab

Matlab (Matrix Laboratory) theo tên gọi của nó , là một công cụ phần mềm của Math Work, ban đầu nó được phát triển nhằm phục vụ chủ yếu cho việc mô tả các nghiên cứu kỹ thuật bằng toán học với những phần tử cơ bản là ma trận Trong các lĩnh vực kỹ thuật chuyên ngành như: điện, điện tử, vật lý hạt nhân, điều khiển tự động, robot công nghiệp, trong các ngành xử lý toán chuyên dụng như thống kê – kế toán và ngay cả trong lĩnh vực nghiên cứu về gen sinh học hay khí hậu và thời tiết … thường gặp những dữ liệu rời rạc ta có thể lưu trữ dưới dạng ma trận Còn đối với hệ dữ liệu liên tục như âm thanh, hình ảnh, hoặc đơn giản như các đại lượng vật

lý tương tự: điện áp, dòng điện, tần số, áp suất, lưu lượng… phải được biến đổi thành các tín hiệu số rồi mới tập hợp lại trong các file dữ liệu Quá trình đó có thể được xử lý bằng các hàm toán học của Matlab

Mức phát triển của Matlab ngày nay đã chứng tỏ nó là một phần mềm có giao diện cực mạnh cùng nhiều lợi thế trong kỹ thuật lập trình để giải quyết những vấn đề rất đa dạng trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật Trước hết, các câu lệnh của Matlab được viết rất sát với các mô tả kỹ thuật khiến cho việc lập trình bằng ngôn ngữ này được thực hiện nhanh hơn, dễ hơn so với nhiều ngôn ngữ đã trở nên thông dụng như Pascal, Fortran… Hơn nữa, matlab không chỉ cho phép đặt vấn đề tính toán mà còn có thể xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ họa một cách mềm dẻo, đơn giản và chính xác trong không gian 2D và 3D

1.3.3 Mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính các bài toán khoa học kỹ thuật

Trong vấn đề tính toán kỹ thuật hiện nay có hai hướng phát triển chính: một là các ngôn ngữ lập trình cơ bản gồm các tập lệnh đơn giản, số lượng hàm, số thư viện tích hợp trong chính nó - không kể các thư viện mở rộng, ví dụ như C, C+, C++ và FORTRAN Như vậy, để giải quyết một bài toán chuyên ngành người làm công tác mô hình hóa hay mô phỏng cần phải đầu tư rất nhiều công sức cho phần viết chương trình mà giảm tỉ trọng đầu tư cho chính bài toán cần xét (thuật toán, thông số đưa vào, kết xuất dữ liệu đưa ra, đồ thị, dự đoán v.v ) Mặc dù nó đơn giản dễ nắm bắt các lệnh và có độ chủ động cao nhưng trong nhiều trường hợp độ phức tạp của thuật toán (nhất là khi nghiên cứu các hệ động - cần các phương pháp đệ quy đa biến hay tính gần đúng các tích phân nhiều lớp và giải gần đúng - giải bằng số các phương trình tích phân, vi phân…) thì các ngôn ngữ đơn giản bậc thấp rất không thích hợp Hướng thứ hai là xây dựng hẳn một ngôn ngữ bậc cao tích hợp (và thường xuyên cập nhập) hầu hết các thuật toán, các phương pháp gần đúng, các tích phân và các phương trình vi phân (dạng giải tích và gần đúng) cùng với khả năng đồ thị cao để dành riêng cho các ứng dụng kỹ thuật như Mapple và nhất là Matlab Hướng này sẽ giảm nhẹ công việc lập trình thuật toán cho người sử dụng nhưng bản thân ngôn ngữ thì cũng phức tạp hơn, số lệnh và hàm tích hợp lớn hơn rất nhiều và phát triển với tốc độrất nhanh, nhưng mã chương trình lại đơn giản hơn và ngắn hơn rất nhiều (mặc dù có thể chạy chậm hơn nếu viết bằng ngôn ngữ bậc thấp)

lập trình viên chuyên nghiệp có kiến thức sâu về ngôn ngữ lập trình), lại có thêm phần đầu tư thích đáng vào phần thuật toán để mô hình hóa hay mô phỏng và nội dung kỹ thuật thì không phải là nhiều người có cả 3 yếu tố này Cũng do đặc thù là mã nguồn là phần quan trọng nhất nên các chương này đều là các chương trình biên dịch để dễ che dấu mã nguồn

Với xu hướng thứ hai, chương trình hầu như không quan trọng vì chỉ là phần lắp ghép các thuật toán hay công cụ sẵn có mà số lượng rất nhiều và độ tin cậy cũng rất cao Người chạy mô hình chỉ cần tập trung sâu vào các nội dung kỹ thuật và thuật toán giải bài toán Điều này làm cho nhiều người không có chuyên môn sâu về công nghệ thông tin có thể giải quyết những vấn đề của chuyên môn mình bằng máy tính Cũng do đặc thù là chương trình nguồn không có mấy ý nghĩa nên các ngôn ngữ này thường là dạng thông dịch ,nó có lợi điểm là dễ bắt lỗi hơn và mã nguồn công khai cũng là một cơ hội để tiếp nhận thêm nhiều kiến thức hơn

1.3.4 Các bước chạy mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính một bài toán

Khi gặp một vấn đề thực tiễn, ta thường không biết bắt đầu từ đâu có thể vì cảm thấy rằng nội dung (hay phạm trù) của nó tương đối lớn, liên quan đến quá nhiều hiện tượng, khái niệm hay thiếu công cụ toán học để giải quyết vấn đề…

Trước tiên bắt đầu từ việc thu thập số liệu và trình bày số liệu một cách rõ ràng nhất và ở mức có thể được một cách đầy đủ nhất, có như vậy thì tiếp sau đó ta có thể tạo dựng những mô hình cho nó Từ những dữ liệu đã có ta đi đến những xác định chung về mô hình để trên cơ sở đó ta từng bước xây dựng những mô hình từ đơn giản đến phức tạp, đưa vào từng thuộc tính của vấn đề (cùng với nó là từng khái niệm riêng), bắt đầu từ những đặc tính quan trọng nhất thể hiện bản chất của vấn đề và chạy thử mô hình đó có nghĩa là biện luận trên mô hình đó trên mọi miền giá trị có thể có được của các tham số và cuối cùng là kiểm chứng trên thực nghiệm

Hình 1.2 Sơ đồ thực hiện quy trình mô phỏng

1.3.5 Một số thuật toán sử dụng trong mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính

- Mô hình hóa các đại lượng rời rạc

Khái niệm đại lượng rời rạc và đại lượng liên tục được phân biệt dựa vào sự thay đổi của các đại lượng này (còn gọi là biến thiên các đại lượng) Nếu đại lượng biến thiên từng lượng được coi là vô cùng nhỏ (trong điều kiện bài toán đang xét) trong một miền giá trị liên tục nào đó thì nó được gọi là đại lượng liên tục, còn nếu lượng biến thiên của nó không được coi là vô cùng nhỏ mà lại là hữu hạn (trong điều kiện bài toán đang xét) thì ta có một đại lượng rời rạc Việc phân chia này đôi khi chỉ có tính tương đối, phụ thuộc vào điều kiện bài toán ta xét mà một đại lượng rời rạc ở điều kiện này lại có thể liên tục ở điều kiện khác

Do tính chất rời rạc nên để liên hệ các đại lượng này với nhau người ta thường quy chiếu nó với một tập hợp rời rạc điển hình đẳng cấp với nó - tập hợp các số đếm được

Để mô hình hóa các đại lượng rời rạc thường dùng các thuật toán sau:

− Phương trình sai phân

− Phương pháp hàm đệ quy và phương pháp khử Gausse và đưa về phương trình đa thức

Đối tượng thưc

Thu thập và trình bày số liệu

Tổ chức một mô hình (yếu tố, điều kiện liên quan)

Xây dựng mô hình toán học và nghiên cứu sự tiến triển

Kiểm chứng thực tế Áp dụng mô hình trên thực tế

− Phương trình sai phân phi tuyến

- Mô hình hóa các đại lượng liên tục

Một đại lượng liên tục là một đại lượng có thể biến đổi một cách liên tục tức là bằng những lượng vi phân vô cùng nhỏ trong một miền các giá trị liên tục Miền này không nhất thiết phải vô cùng hay toàn bộ miền các giá trị thực bởi trên thực tế các đại lượng có ý nghĩa vật lý thực tế thường chỉ nằm trong một giới hạn hữu hạn thực nào đó Còn theo cách nói của lý thuyết mô hình hóa, điều này có nghĩa là mô hình mà ta xây dựng chỉ có một miền áp dụng nhất định (ở ngoài giới hạn này các nhận định của ta sẽ không còn đúng nữa và mô hình toán học này sẽ không còn áp dụng được nữa) Tuy nhiên, phân biệt các đại lượng liên tục không hoàn toàn chỉ do bản chất của vấn đề mà còn phụ thuộc vào cách ta xây dựng mô hình, cách ta lựa chọn mô hình toán học để mô hình hóa các bài toán thực

Tuy nhiên cũng luôn xảy ra việc có mặt đồng thời của hai đại lượng liên tục và rời rạc Một ưu điểm của các đại lượng liên tục là có một số lượng lớn các công cụ toán học giải tích (như các phép tính vi phân và tích phân, các phương trình vi phân, tích phân…) Trong khi mô hình hóa các đại lượng này cũng hay xảy ra việc mô hình toán học của ta lại phải thay đổi phụ thuộc vào một miền biến thiên giá trị xác định, có nghĩa là thay vì chỉ có một mô hình toán ta phải có một vài mô hình tại miền giá trị khác nhau của tham số và tại điểm mà các giá trị này gặp nhau các mô hình toán học này phải tương đồng với nhau, có nghĩa là ta phải có thêm một điều kiện liên tục nữa Có thể dùng các mô hình từ đơn giản đến phức tạo để mô hình hóa các đại lượng liên tục:

− Mô hình tuyến tính

− Các mô hình phi tuyến bậc 2 và cao hơn

− Dùng các biến đổi toán học

− Sử dụng các mô hình mang tính tuần hoàn

− Mô hình hóa bằng phương trình vi phân:phương trình vi phân cho lời giải giải tích, hệ phương trình vi phân cho lời giải giải tích, hệ phương trình vi phân không có lời giải giải tích, phương pháp giải bằng số (phương pháp sai phân hữu hạn), hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng

− Mô hình hóa bằng phép tích phân: mô hình hóa tích phân cho lời giải giải tích, mô hình hóa tích phân gần đúng (phương pháp số)

- Mô phỏng quan hệ giữa các số liệu

Phần lớn các mô hình (bao gồm cả các ý tưởng, nhận định đến các biểu diễn toán học của các đặc tính hay tiến triển của nó) nhưng nó vẫn còn tách rời một khoảng nhất định so với thực tế Các bước đã xây dựng một mô hình đã thực hiện là tổ chức một mô hình, phát triển một mô hình và bước quan trọng là kiểm chứng một mô hình gồm các bước: kiểm chứng sự phù hợp logic, khảo sát các giới hạn và các điểm mang ý nghĩa đặc biệt - thường là các điểm cân bằng … mà ta vẫn chưa làm phần cuối cùng cũng rất quan trọng quyết định "sức sống" của mô hình là so sánh với các số liệu thực tế để đánh giá sự phù hợp với thực tế Ở đây có sự phân chia tương đối một bên là ý tưởng, một bên là thực tế và có sự tương tác qua lại giữa hai bên này Chẳng hạn khi ta phát triển một mô hình rồi, ta rất cần có sự phản hồi từ thực tế (so sánh, kiểm chứng với thực tế) Mặt khác, để có những nhận định định tính về đặc tính của mô hình và tiến triển của nó thì ta lại phải dựa vào các số liệu thực tế để từ đó rút ra những nhận định hay đánh giá hay ta còn gọi là quá trình mô phỏng lại thực tế Mô phỏng bởi ta chưa biết nhận định của ta có chính xác không, có cần phải phát triển thành mô hình, nghĩa là đưa ra những hệ quả của nhận định đó và sau cùng là kiểm chứng các hệ quả này trên thực tế Một nhận thường là mang tính định tính và vẫn còn mơ hồ chung chung, song một hệ quả thì phải cụ thể Như vậy ta thấy khái niệm mô phỏng và mô hình hóa không tách rời khỏi nhau được và nhiều khi trùng lặp nhau Tuy nhiên trong nhiều trường hợp vẫn có một số sự khác biệt nhất định nên vẫn có thể phân biệt hai thành phần này chỉ nhằm mục đích tìm hiểu vấn đề sao cho nhanh hơn, chính xác hơn và hoàn thiện hơn

Mô phỏng quan hệ hàm số là sự tương tác qua lại giữa ý tưởng và thực tế phản ảnh qua mô hình hay mô phỏng thì ở đây ta cũng có hai trường hợp cần đến quan hệ hàm số của các số liệu:Ta có một số liệu từ thực tế và ta cần mô phỏng quan hệ hàm số giữa các dữ liệu làm cơ sở cho các nhận định để xây dựng một mô hình về sau hoặc ta có một quan hệ toán học cho sự tiến triển một mô hình nhưng ta cần tìm giá trị thích hợp cho các tham số (vẫn còn ở dạng biến chữ) gọi chung là các thể hiện thực tế của mô hình cụ thể

Đánh giá gần đúng các quan hệ hàm số chính là việc tìm giá trị gần đúng của một đại lượng phụ thuộc hay một biến tham số nào đó Các thuật toán sử dụng trong Matlab để mô phỏng các số liệu:

− Đánh giá gần đúng quan hệ hàm số bằng phương pháp nội suy: nội suy Lagrange, nội suy đa thức hay nội suy Newton, nội suy Spline

− Đánh giá gần đúng quan hệ hàm số bằng phương pháp gần đúng xấp xỉ đều: gần đúng xấp xỉ đều bằng phương pháp bình phương tối thiểu, xấp xỉ đều bằng phương pháp bình phương tối thiểu và các đa thức trực giao, bình phương tối thiểu phi tuyến

- Mô hình hóa và mô phỏng các số liệu thống kê

Các thông tin dạng số liệu đang tràn ngập cuộc sống hàng ngày của chúng ta Khoa học thống kê thu thập, tổ chức và phân tích các dữ liệu số một cách khách quan (tức là tuân theo các phân bố của các đại lượng ngẫu nhiên này), đáng tin cậy nhất để từ đó rút ra được những thông tin có tính chất quy luật hay những nhận định chung cho toàn bộ đại lượng thực tế được lấy mẫu Người sử dụng cần có những kiến thức nhất định về thống kê và xác suất:

− Thống kê mô tả

− Thống kê các đại lượng rời rạc

− Thống kê các đại lượng liên tục

− Đánh giá khoảng tin cậy và kiểm định các giả thiết thống kê:Đánh giá khoảng tin cậy, xác định kích thước tối thiểu mẫu thống kê, kiểm định các giả thiết thống kê

- Mô phỏng quá trình ngẫu nhiên

Trong thực tế các quá trình xảy ra không ổn định mà thay đổi một cách ngẫu nhiên trong một khoảng dao động nào đó Để xác định được đặc tính của hệ hay lựa chọn thông số kỹ thuật ta cần mô phỏng các quá trình này dựa vào lệnh Random Mô phỏng các quá trình ngẫu nhiên có các dạng:

− Mô phỏng các tín hiệu ngẫu nhiên

− Mô phỏng Monte Carlo

− Phương pháp bước ngẫu nhiên

− Phương pháp lấy mẫu quan trọng và thuật toán Metropolis

− Phương pháp tích phân bằng loại mẫu và phương pháp Von Neumann

1.4 KỸ THUẬT SẤY TẦNG SÔI

1.4.1 Khái quát về sấy tầng sôi

Tầng sôi là quá trình dùng dòng khí tạo cho lớp hạt rắn chuyển thành trạng thái linh động gần giống như chất lỏng Dòng khí được thổi từ dưới lên xuyên qua lớp hạt tạo ra một lực nâng đủ để xáo trộn trật tự sắp xếp giữa các hạt trong khối hạt Tới một tốc độ nào đó, lực nâng của khí đủ để nâng hạt lên và xáo trộn nhẹ nhàng, bắt đầu có sự giản nở thể tích lớp hạt Giai đoạn này được gọi là giai đoạn tiền tầng sôi, lớp hạt từ trạng thái tĩnh trở nên linh động

Mức độ tạo tầng sôi phụ thuộc vào tốc độ tương đối của dòng khí với hạt, từ giai đoạn tiền tầng sôi, qua tầng sôi đặc, tầng sôi loãng và cuối cùng là lớp hạt bị cuốn theo dòng khí, quá trình tầng sôi bị phá vỡ chuyển sang quá trình vận chuyển bằng khí

Trong quá trình sấy tầng sôi vật liệu dạng hạt, vật liệu được sấy khô trong trạng thái lơ lửng với dòng khí thổi từ dưới lớp hạt lên Những đặc điểm chính khi vật liệu ở trạng thái tầng sôi là bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí – rắn rất lớn, lớp tầng sôi có đặc tính gần giống như lớp chất lỏng đang sôi “Độ nhớt” của lớp hạt (ma sát trong của lớp hạt) lúc này rất nhỏ Ngoài ra tầng sôi ở mức độ yếu thường đi kèm hiện tượng phân lớp theo khối lượng riêng của hạt

Nếu tốc độ thấp, không khí đơn thuần chỉ len lõi qua khoảng trống giữa các hạt đứng yên, tổn thất áp suất khí qua lớp hạt tỷ lệ với tốc độ dòng khí Trường hợp này xảy ra khi sấy lớp vật liệu ở trạng thái tĩnh Khi tốc độ khí tăng lên tới một mức nào đó, các hạt có xu hướng tách xa nhau và dao động qua lại trong một giới hạn nhất định Lớp hạt bắt đầu có sự giản nở về thể tích

Ở trạng thái tầng sôi, lực nâng khí động tương đương với trọng lực của hạt, thành phần thẳng đứng của lực nén giữa các hạt triệt tiêu, tổn thất áp suất tại mọi vị trí trong lớp hạt tương đương trọng lượng của khối hỗn hợp không khí và hạt tại vị trí đó

Sau khi lớp hạt đạt trạng thái tầng sôi, việc tăng vận tốc khí lên nữa không

cho tạo nhiều khe hở cho dòng khí qua, độ rỗng tăng lên làm tăng chiều cao lớp hạt Tại một số điểm trong lớp hạt xuất hiện các túi khí (bọng khí) và lỗ hổng Tại đó sẽ có hai pha: pha phân bố là pha gồm các bọng khí rời rạc và lớp hạt là pha liên tục

Sự xuất hiện các bọng khí làm hạt bị xáo trộn tạo sự đồng đều nhiệt độ và thành phần cho lớp hạt Trái lại, nếu các bọng khí lớn, lượng nhiệt do bọng khí mang theo chưa kịp dùng cho sấy, gây lãng phí nhiệt Đồng thời khi vận tốc khí quá cao sẽ cuốn theo các hạt nhỏ làm tổn thất vật liệu

Quá trình sấy xảy ra theo ba giai đoạn:

• Giai đoạn làm nóng vật liệu: giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật liệu vào

buồng sấy tiếp xúc với tác nhân sấy cho tới khi nhiệt độ vật bằng nhiệt độ bầu ướt Trong quá trình này, toàn bộ vật liệu sấy được gia nhiệt Ẩm lỏng trong vật liệu cũng được gia nhiệt cho tới khi đạt được nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không khí trong buồng sấy

• Giai đoạn sấy tốc độ không đổi: kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật

bằng nhiệt độ bầu ướt Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật liệu sẽ hóa hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để làm hóa hơi nước Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trong sẽ truyền ra ngoài bề mặt để hoa hơi Do nhiệt độ không khí nóng không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa vật và môi trường cũng không đổi Do đó tốc độ bay hơi

ẩm của vật liệu cũng không đổi

• Giai đoạn sấy giảm tốc: kết thúc giai đoạn sấy đẳng tốc, ẩm tự do bay ra hết,

còn lại là ẩm liên kết Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn đẳng tốc có nghĩa là tốc độ sấy trong giai

đoạn này nhỏ đi theo thời gian sấy

1.4.2 Ứng dụng kỹ thuật sấy tầng sôi

Kỹ thuật tầng sôi đã và đang sử dụng cho các quá trình cần có sự tiếp xúc mãnh liệt giữa pha khí với pha rắn nhằm đạt được sự truyền nhiệt và chuyển khối là cao nhất Kỹ thuật tầng sôi đã được áp dụng để sấy khá nhiều loại vật liệu, không những đối với các vật liệu hạt rời mà nhiều trường hợp còn dùng để sấy các hỗn hợp dạng huyền phù hoặc vật liệu nóng chảy

Hệ thống sấy tầng sôi thường gồm các bộ phận chính sau: Cơ cấu cấp liệu và tháo liệu, buồng tầng sôi với đáy buồng gắn tấm phân phối khí, máy thổi khí (quạt) và buồng phân phối (phía dưới tấm phân phối), nguồn nhiệt (caloriphe, buồng đốt, ), bộ phận tách bụi (xyclôn, buồng lọc tĩnh điện …)

Sấy tầng sôi có thể làm việc gián đoạn hoặc liên tục Sấy tầng sôi gián đoạn thường dùng đối với trường hợp năng suất nhỏ, hoặc khi cần sấy nhiều chủng loại vật liệu khác nhau Sấy gián đoạn tuy năng suất nhỏ nhưng cho sản phẩm sấy đồng đều và có thể lần lượt thực hiện nhiều công đoạn trong cùng một buồng sấy, như: trộn lẫn, làm rời hạt, sấy và làm nguội hoặc được sử dụng để phun màng bọc viên Chính nhờ có các đặc điểm này mà công nghiệp sản xuất dược phẩm hay dùng loại máy sấy tầng sôi gián đoạn

Sấy tầng sôi liên tục được dùng khi cần năng suất sấy đủ lớn và sản xuất ổn định, cho phép tiết kiệm năng lượng và thời gian nạp tháo liệu

1.4.2.1 Ứng dụng kỹ thuật sấy tầng sôi

Kỹ thuật sấy tầng sôi được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp•như:

- Thực phẩm và các loại sản phẩm về sữa: thực phẩm cho trẻ em, carbohydrate, cà phê, các loại sản phẩm sữa, phụ gia cho thực phẩm, thực phẩm y tế, bột súp…

- •Hóa chất: polymer , sứ, chất tẩy rửa, thuốc nhuộm, màu, phân bón, thuốc trừ sâu, muối vô cơ , hóa chất hữu cơ…

- •Dược liệu và sản phẩm hóa sinh: kháng sinh, thuốc, enzym, sản phẩm lên men, protein, vitamine, nấm men…

- Nhựa: ABS – copolymer, polymethylmethacrylate, polycarbonate,

polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride…

1.4.2.2 Các loại máy sấy tầng sôi trong công nghiệp

- Tầng sôi trộn ngược (Back - mix

flow fluid bed):

Loại này •ứng dụng cho dòng nhập

liệu ban đầu không phải ở trạng thái tầng

sôi, khi đưa vào thiết bị sẽ chuyển sang trạng

thái tầng sôi trong một khoảng thời gian rất

ngắn

Hình 1.3 Thiết bị sấy tầng sôi trộn ngược

- Tầng sôi ngăn dòng (Plug flow fluid bed):

Loại này ứng dụng cho dòng nhập

liệu ban đầu ở trạng thái tầng sôi và hạn chế

dòng rắn trộn theo phương ngang để giảm

thời gian lưu

Hình 1.4 Thiết bị sấy tầng sôi ngăn dòng

- Tầng sôi rung (Vibrating fluid bed):

Loại máy sấy này được trang bị bộ phận

tạo dao động lắc cho tấm phân phối nhằm

hỗ trợ cho quá trình di chuyển của lớp hạt

Loại này được sử dụng khi vật liệu khó tạo

tầng sôi và kém linh động, ví dụ các loại

vật liệu có tính dính kết, vật liệu có kích

thước lớn, vật liệu có khoảng phân bố kích

thước rộng hoặc vật liệu dễ vỡ

Hình 1.5 Thiết bị sấy tầng sôi rung

Nguyên liệu Khí ra

Khí vào Sản phẩm

Nguyên liệu Khí ra

Sản phẩm Khí vào

Khí ra Nguyên liệu

Khí vào

Sản phẩm