Trong lĩnh vực xử lý siêu âm trong môi trường chất lỏng và đặc biệt hơn trong môi trường khí, sự phát triển của các bộ phận chuyển đổi dạng tấm bậc và các dạng bộ phận phát năng lượng kh
Các quá trình xử lý siêu âm năng lượng cao, những phát triển gần đây và tiến bộ tiềm năng
Mặc dù ứng dụng năng lượng siêu âm để sản xuất hoặc để tăng cường một loạt các quy trình đã được khám phá từ khoảng giữa thế kỷ 20, nhưng chỉ một số ít các quá trình xử lý siêu âm đã được thiết lập ở cấp độ công nghiệp Trong hơn mười năm qua, sự quan tâm trong lĩnh vực xử lý siêu âm đã làm sống lại, đặc biệt là trong các lĩnh vực công nghiệp, nơi công nghệ siêu âm có thể là một công cụ sạch và hiệu quả để cải thiện các quá trình cổ điển đang tồn tại hay một sự thay thế đổi mới cho sự phát triển những quy trình mới Các ngành liên quan như công nghiệp thực phẩm, môi trường, dược phẩm, sản xuất hóa chất, máy móc, khai thác…nơi mà năng lượng siêu âm đang trở thành một công nghệ mới nổi cho quá trình phát triển
Trong lĩnh vực xử lý siêu âm trong môi trường chất lỏng và đặc biệt hơn trong môi trường khí, sự phát triển của các bộ phận chuyển đổi dạng tấm bậc và các dạng bộ phận phát năng lượng khác với bề mặt phát sóng rộng đã góp phần mạnh mẽ vào việc thực hiện ở giai đoạn bán công nghiệp và công nghiệp của một số ứng dụng thương mại, trong các lĩnh vực như thực phẩm, ngành công nghiệp nước giải khát (như chống tạo bọt, sấy, khai thác ), môi trường (như làm sạch không khí, lọc bùn ), chế tạo máy và các quá trình sản xuất (như rửa trong ngành dệt may, sản xuất )
- Những bộ phát siêu âm năng lượng cao: những tiến bộ gần đây
Với các ứng dụng của siêu âm cường độ cao trong môi trường chất lỏng hoặc các môi trường nhiều pha khác, các bộ phận chuyển đổi năng lượng cao đặc biệt đòi hỏi các yêu cầu khắt khe về các thuộc tính âm học Môi trường chất lỏng (đặc biệt là khí) có một trở kháng âm thấp và sự hấp thụ âm thanh cao Vì vậy, để có được sự truyền năng lượng hiệu quả, thì cần thiết phải có một sự kết hợp trở kháng tốt giữa các
2 bộ phận chuyển đổi năng lượng Ngoài ra, với những ứng dụng công nghiệp quy mô lớn, công suất cao và diện tích phát xạ rộng sẽ được yêu cầu trong những bộ phận chuyển đổi
Cố gắng để đạt được mục tiêu như vậy, một họ mới các bộ chuyển đổi siêu âm thực hiện công suất năng lượng cao, hiệu quả và kiểm soát hướng đã được phát triển Đây là họ bộ chuyển đổi siêu âm có bề mặt bức xạ rộng trong đó bao gồm nhiều phiên bản tùy thuộc vào hình dạng hoặc biên dạng của bộ phát Các loại chính của bộ chuyển đổi siêu âm như thế này có thể kể đến: tấm dạng bậc (hình 1), tấm có rãnh, tấm dạng bậc có rãnh và bộ phát dạng trụ (hình 2)…
Hình 1 Cấu trúc cơ bản của một bộ chuyển đổi siêu âm dạng đĩa có bậc và một bộ chuyển đổi dạng tấm có bậc (Gallego-Juárez, 2009, 2010a)
Hình 2 Cấu trúc cơ bản của bộ chuyển đổi siêu âm dạng trụ và một phỏng phần tử hữu hạn cho dao động của ống trụ (Gallego-Juárez, 2009, 2010a)
- Ứng dụng siêu âm trong ngành công nghiệp thực phẩm Ứng dụng của năng lượng siêu âm trong công nghệ chế biến thực phẩm là một trong những lĩnh vực hứa hẹn nhất cho tiến bộ trong tương lai của siêu âm Cách làm sạch của năng lượng siêu âm như một chất hóa học không gây ô nhiễm, không ion hóa không khí, đóng một vai trò quyết định trong việc liên tục tìm kiếm các phương pháp sản xuất an toàn hơn và chất lượng hơn
Trong phạm vi rộng của các ứng dụng tiềm năng của năng lượng siêu âm trong chế biến thực phẩm chỉ có rất ít các quy trình có được đã được thiết lập ở cấp độ công nghiệp Tuy nhiên, một số quy trình mới đã được nghiên cứu mở rộng và hiện nay đang tiến rất gần với việc phát triển thương mại công nghệ này, như là các ứng dụng siêu âm trong chống tạo bọt, sấy và quá trình khai thác chất lỏng siêu tới hạn… Hình 3 giới thiệu mô hình chống tạo bọt bằng siêu âm trong công nghiệp
Hình 3 Mô hình chống tạo bọt siêu âm (Gallego-Juárez, 2009, 2010a)
Hình 4 giới thiệu một mô hình sấy đối lưu có sự hỗ trợ của năng lượng sóng siêu âm
Hình 4 Hệ thống sấy siêu âm (Gallego-Juárez, 2009, 2010a)
- Ngoài ra, siêu âm năng lượng cao còn được ứng dụng trong nhiều khía cạnh khác như trong vấn đề môi trường, làm sạch, gia công cơ khí…Trong khuôn khổ nghiên cứu của đề tài này, tác giả chỉ quan tâm đến lĩnh vực ứng dụng của sóng siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm, mà đặc biệt là quá trình sấy.
Sấy siêu âm: các nghiên cứu trong và ngoài nước
Ngày nay, tiêu thụ toàn cầu đang chuyển dịch từ sản phẩm tươi đến sản phẩm đã qua chế biến Trong bối cảnh này, quá trình sấy góp phần tạo ra các sản phẩm chất lượng cao với chi phí cạnh tranh Hơn nữa, chúng cho phép thời gian sử dụng lâu hơn, trọng lượng nhẹ hơn cho vận chuyển và một không gian nhỏ hơn để lưu trữ Tuy nhiên, quá trình sấy khô có thể ảnh hưởng đến các thuộc tính cảm quan và dinh dưỡng do thay đổi kết cấu và sinh hóa xảy ra chủ yếu do nhiệt độ cao tác dụng trong quá trình và thời gian sấy lâu
Sấy là một quá trình phức tạp, liên quan đến đồng thời hiện tượng chuyển đổi nhiệt và khối lượng với sự vận chuyển cả bên trong lẫn bên ngoài của vật phẩm Trong quá trình sấy rau củ, tốc độ sấy có thể bị ảnh hưởng bởi cả hiện tượng khuếch tán và vận chuyển nước đối lưu Tốc độ sấy khô có thể được tăng lên bằng cách kết hợp đầy đủ các nguồn năng lượng, chẳng hạn như vi sóng, bức xạ hồng ngoại, siêu âm năng lượng cao So với các công nghệ sấy khác, sấy đối lưu với sự hỗ trợ của siêu âm giới
5 thiệu một cách hiệu quả để nâng cao tốc độ sấy dưới điều kiện hiệu ứng nhiệt thấp và làm hạn chế sự mất mát về chất lượng trong sản phẩm Đã có nhiều kết luận trong các nghiên cứu về việc áp dụng hiệu quả năng lượng siêu âm để cải tiến tốc độ sấy do tác động cơ học kết hợp với sóng siêu âm Nguyên lý hỗ trợ tách ẩm bằng siêu âm sẽ được phân tích cụ thể hơn trong phần sau
Kỹ thuật sấy đối lưu với sự hỗ trợ siêu âm đã được áp dụng để tăng tốc độ sấy của một số sản phẩm, bao gồm cả cà rốt (Gallego-Juárez 1998; García-Peréz et al., 2009), hành tây (Da-Mota và Palau, 1999), lúa mì và ngô (Huxsoll và Hall, 1970), gạo (Muralidhara và Ensminger, 1986), hồng (Cárcel et al., 2007), cà tím (Ortuno et al., 2010a), lá ô liu (Cárcel et al., 2010), vỏ chanh (García-Peréz et al., 2009) và surimi (Nakagawa et al., 1996) Mặc dù tất cả những công trình nghiên cứu này cho thấy hiệu quả đáng kể trong việc tách nước trong quá trình sấy, tuy nhiên cần nhận xét rằng ứng dụng siêu âm trở nên ít hay nhiều hiệu quả phụ thuộc các biến quá trình, chẳng hạn như tốc độ không khí (Cárcel et al., 2007 ; García-Pérez et al., 2007), nhiệt độ (García- Pérez et al., 2006) hoặc năng lượng siêu âm được sử dụng (García-Peréz et al., 2009) Ngoài ra, đặc tính sản phẩm cũng ảnh hưởng đến ảnh hưởng siêu âm vào các quá trình sấy khô Do đó, những sản phẩm có độ xốp cao dễ bị ứng suất cơ học (do sự cản trở cơ học thấp của chúng) sẽ hiệu quả hơn trong sấy bằng siêu âm
Vì vậy, rất khó để dự đoán hiệu quả của ứng dụng siêu âm vào một sản phẩm cụ thể nào đó do ảnh hưởng của cả hai quá trình và các biến sản phẩm Nghiên cứu về ảnh hưởng siêu âm đến quá trình chuyển đổi khối lượng phải được thực hiện khi một ứng dụng siêu âm được thiết kế cho một sản phẩm cụ thể không giải quyết trước đó Hình 5 giới thiệu mô hình sấy đối lưu với sự hỗ trợ của sóng siêu âm
Hình 5 Sơ đồ của sấy đối lưu không khí với sự hỗ trợ của siêu âm (Ortuno 2010b)
1 Quạt, 2 Buồng đốt, 3 Máy đo gió, 4 Van ba chiều, 5 Cặp nhiệt điện, 6 Buồng tải mẫu sấy, 7 Khớp nối, 8 Cánh tay di chuyển bằng khí nén, 9 Bộ chuyển đổi siêu âm,
10 Xi lanh rung, 11 Khay, 12 Cân bằng, 13 Đơn vị kết nối kháng âm, 14 Đồng hồ kỹ thuật số đo công suất, 15 Máy phát siêu âm công suất cao, 16 Máy tính cá nhân
Như đã trình bày, mặc dù ứng dụng năng lượng siêu âm để sản xuất hoặc để tăng cường một loạt các quy trình đã được khám phá từ khoảng giữa thế kỷ 20, tuy nhiên chỉ có một số ít các quá trình xử lý siêu âm đã được thiết lập ở cấp độ công nghiệp Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ siêu âm vào các quá trình công nghiệp ở Việt Nam còn rất hạn chế, đa phần chỉ dừng lại ở mức độ sử dụng các công nghệ có sẵn của nước ngoài Chúng ta chưa làm chủ được công nghệ này.
Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài
Từ những kết luận dựa vào các công trình đã công bố, rõ ràng đề tài này là một hướng đi riêng và mang tính cấp thiết Tác giả thiết kế thiết bị siêu âm hỗ trợ cho quá trình sấy nóng ứng dụng cho các sản phẩm nông nghiệp có giá trị cao, chưa được nghiên cứu để sấy bảo quản với việc phân tích các ảnh hưởng của nhiệt sấy tới chất lượng của sản phẩm Đề tài sử dụng mô hình sấy gián tiếp (sấy đối lưu với sự hỗ trợ
7 của siêu âm) để tiến hành thử nghiệm hiệu quả của việc ứng dụng siêu âm vào hỗ trợ sấy và đánh giá chất lượng cũng như hiệu quả của quá trình sấy
2 Mục đích của đề tài
Nghiên cứu tính toán, chế tạo và thử nghiệm cụm thiết bị phát sóng siêu âm năng lượng cao làm việc ở tần số 20 kHz (Hình 6) hỗ trợ quá trình sấy khô, kiểu sấy nóng với dòng không khí cưỡng bức được áp dụng cho các sản phẩm nông nghiệp chất lượng cao ở quy mô công nghiệp như hạt gấc, mật ong, nhân sâm, lúa gạo, hạt giống
Hình 6 Mô hình thiết bị phát sóng siêu âm năng lượng cao gồm: Bộ chuyển đổi kiểu
Langevin (1) – Horn khuếch đại cơ dạng bậc (2) – Tấm bậc (3)
3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
Nhiệm vụ của đề tài
Tính toán, thiết kế, mô phỏng cụm thiết bị siêu âm hỗ trợ quá trình sấy khô, kiểu sấy nóng với dòng không khí cưỡng bức gồm: chi tiết khuếch đại cơ dạng trục bậc, tấm phát xạ sóng siêu âm hình chữ nhật có bậc
Chế tạo thử nghiệm hai chi tiết trên với 2 loại vật liệu là hợp kim nhôm AA 7075-
Xây dựng mô hình thí nghiệm sấy có và không có sự hỗ trợ của thiết bị siêu âm cho vật liệu sấy là cà rốt; đánh giá sơ bộ hiệu quả hỗ trợ của thiết bị siêu âm lên quá trình sấy và chất lượng sản phẩm sấy
Từ các kết quả so sánh, đánh giá hiệu quả, hiệu chỉnh các tham số để tiến hành chế tạo sử dụng ở quy mô công nghiệp.
Giới hạn của đề tài
Do giới hạn về thời gian, cơ sở vật chất và kinh phí thực hiện nên:
Đề tài chỉ tính toán và tiến hành chế tạo, thử nghiệm cụm thiết bị hỗ trợ siêu âm gồm: một chi tiết khuếch đại cơ học dạng trục bậc có tần số làm việc gần 20 kHz bằng vật liệu là thép SS 41; một chi tiết phát sóng siêu âm dạng tấm hình chữ nhật có bậc bằng hợp kim nhôm AA 7075-T6 có tần số làm việc gần 20 kHz
Đề tài không nghiên cứu, tính toán và chế tạo thử nghiệm các biên dạng chi tiết khuếch đại cơ học và kiểu tấm công tác khác như tấm dạng tròn có bậc, có khoét rãnh cong…với các tần số làm việc khác nhau như: 40 kHz, 60 kHz,…do không có kinh phí mua thiết bị gồm nguồn phát, bộ chuyển đổi, các thiết bị hỗ trợ…
Phương pháp nghiên cứu, tham khảo lý thuyết
Phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm Ansys và Matlab trên nền tảng phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp thực nghiệm, so sánh
PHẦN B KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyểt giải quyết đề tài gồm 4 phần chính: phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để tính toán dao động siêu âm; các lý thuyết về tính toán dao động siêu âm cho các dạng chi tiết khuếch đại sóng âm dạng trục bậc và tấm bậc có diện tích phát sóng mở rộng; giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu GENE và nguyên lý tách ẩm bằng sóng siêu âm.
Cơ sở tính toán của phương pháp phần tử hữu hạn
Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dao động (Nad, 2010)
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để xác định các thuộc tính dao động cho các chi tiết khuếch đại sóng âm có hình dạng khác nhau và đánh giá tác động của các thông số hình học đến các tính chất này Các mô hình FEM và cách tính toán các tính chất dao động này đã được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm
ANSYS Các phần tử thích hợp được sử dụng để mô hình cho các chi tiết loại này Các phương trình chuyển động để mô tả dao động tự do của các chi tiết khuếch đại sóng như thế này được thể hiện dưới hình thức sau đây:
M (B, K) tương ứng là ma trận khối lượng (giảm chấn, độ cứng) của mô hình
u u u tương ứng là vector gia tốc (vận tốc, chuyển vị) của các nút
Vì có thể cho rằng các vật liệu cấu thành các chi tiết trên có khả năng giảm chấn thấp (từ khía cạnh động lực), giảm chấn trong phương trình chuyển động có thể được bỏ qua Phương trình chuyển động (1.1) có thể cho B = 0 và viết lại thành dạng:
Các thuộc tính dao động của các chi tiết khuếch đại sóng âm được xác định bằng lời giải giá trị riêng:
Với φ i - vector riêng thứ i (dạng dao động), ω i - tần số góc tự nhiên của dạng dao động thứ i,
Việc giải các phương trình trên được thực hiện bằng phương pháp số trên nền của phương pháp phần tử hữu hạn Các bước tiến hành giải một bài toán bằng phương pháp này được trình bày ở phần 1.1.2.
Phương pháp giải bài toán bằng phần tử hữu hạn
Khi ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải một bài toán tổng quát thường phải kể đến các bước sau (Nguyễn Hoài Sơn 2011):
1 Rời rạc hóa miền khảo sát – tạo lưới phần tử hữu hạn
2 Xây dựng các phương trình phần tử
3 Lắp các phương trình phần tử
4 Khử các điều kiện biên
5 Giải hệ phương trình toàn cục để tìm các giá trị nút
6 Tính toán các kết quả trên phần tử.
Các lý thuyết để tính toán chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc
Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm dùng trong sấy
Hình 1.1 giới thiệu sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy Các đĩa tinh thể áp điện khi được đặt trong điện trường có thể dao động dọc trục theo nguyên lý “từ gião” Dao động này được truyền nguyên dạng qua khối kim loại mặt sau đến chi tiết khuếch đại sóng dạng horn có bậc Horn là chi tiết trung gian nối bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin với tấm bậc có tác dụng khuếch đại dao động
11 lên nhiều lần Horn có thể là các chi tiết có biên dạng truyền thống như biên dạng hàm mũ, dạng bậc, dạng hình sin, hình nón, biên dạng catenoidal hoặc các biên dạng mới được phát triển gần đây như biên dạng Bezier hay B-Spline Tuy nhiên, biên dạng bậc được cho là dễ dàng trong việc chế tạo và có hệ số khuếch đại dao động lớn hơn các biên dạng khác khi có cùng kích thước và đây là yêu cầu cơ bản trong việc tính toán chi tiết khuếch đại dao động trong ứng dụng sấy Vì vậy, horn biên dạng bậc được chọn để tính toán trong đề tài này Các chi tiết trong cụm chuyển đổi siêu âm và horn dạng bậc có dạng dao động giãn dài dọc theo trục y
Dao động được truyền tiếp từ horn sang tấm bậc Tấm bậc có tác dụng mở rộng diện tích phát sóng siêu âm và khuếch đại thêm dao động sóng âm để đáp ứng các yêu cầu về sấy Tấm có dạng dao động uốn ngang Các chi tiết trong cụm thiết bị được kết nối với nhau thông qua các mối ghép ren.
Tính toán horn dạng trục bậc
Chức năng chính của horn là để khuếch đại biên độ của sóng siêu âm của công cụ đến mức cần thiết để có thể làm việc hiệu quả Các horn cũng là một yếu tố truyền năng lượng dao động từ bộ chuyển đổi hướng tới các công cụ tương tác với vật liệu sấy do được thiết kế có tần số dao động cộng hưởng với các chi tiết khác trong cụm
Phân bố chuyển vị dạng uốn ngang Ống sóng bậc Bộ chuyển đổi
Bích nối Khối kim loại đỡ Đĩa tinh thể áp điện
Phân bố chuyển vị dọc trục y z
12 phát sóng siêu âm Việc thiết kế và chế tạo các chi tiết kiểu này yêu cầu một sự quan tâm đặc biệt Horn chế tạo không chính xác sẽ làm giảm hiệu suất công việc, có thể dẫn đến sự phá hủy của hệ thống dao động và gây thiệt hại đáng kể cho các máy phát dao động (Nad, 2010)
Nói chung, các chi tiết khuếch đại này được làm bằng kim loại có độ bền cao hơn và sự tổn thất âm thấp hơn các vật liệu khác Khía cạnh quan trọng nhất của thiết kế là một chi tiết cộng hưởng tần số và việc xác định chính xác bước sóng cộng hưởng của chúng Bước sóng cộng hưởng này nên là bội số nguyên nửa bước sóng của các chi tiết trên Việc xác định tần số cộng hưởng của horn với các biên dạng hình học đơn giản có thể được tính toán bằng công thức giải tích Đối với các dạng hình học phức tạp, tần số cộng hưởng thường được xác định bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Việc đánh giá hiệu quả làm việc của horn được thể hiện qua một yếu tố gọi là hệ số khuếch đại k a : ka=N 2 2
Với: 1 , 2 lần lượt là biên độ dao động tại mặt trước và mặt sau của horn
D1, D2 lần lượt là đường kính mặt trước và mặt sau của horn
1.2.2.1 Giải pháp phân tích các dao động tự do của một chi tiết khuếch đại sóng
Phương trình toàn cục dao động theo chiều dọc của horn với mặt cắt ngang hình tròn S (x), với môi trường 1D liên tục, được thể hiện dưới dạng:
Với: x - tọa độ theo hướng dao động dọc, u (x, t) - chuyển vị của mặt cắt ngang theo phương dao động dọc,
S (x) = π (r (x)) 2 - Diện tích mặt cắt ngang, r (x) - bán kính của mặt cắt ngang hình tròn,
13 c p = E/ - vận tốc truyền sóng theo phương dọc trong môi trường 1D liên tục,
E - mô đun vật liệu Young, ρ – khối lượng riêng vật liệu cấu thành horn,
Dao động tự do của horn biên dạng hình trụ (r (x) = r) được mô tả bởi phương trình sóng sau:
Lời giải của phương trình (1.6) được đề nghị có dạng: u (x, t) = U (x) T (t) Sau đó, phương trình vi phân từng phần (1.6) được chia thành hai phương trình vi phân bình thường sau:
Với ω0 - tần số góc tự nhiên Đưa số lượng không thứ nguyên sau:
+ Tọa độ không thứ nguyên theo hướng dọc: ; 0;1
+ Chuyển vị theo chiều dọc không thứ nguyên của mặt cắt ngang:
vào phương trình (1.7), chúng ta có được phương trình không thứ nguyên sau:
Và lời giải là: () Acos()Bsin() (1.9)
- tham số tần số, l0 - chiều dài của horn,
Cả hai mặt của horn đều có dao động theo hướng dọc trục Với mặt sau được gắn với một chi tiết của bộ chuyển đổi điện-cơ tạo ra rung động siêu âm đơn trục và mặt trước được gắn với bộ phận công tác Vì thế, các điều kiện biên dao động tự do của phương trình (1.9) của horn được đưa ra như sau:
Ví thế, sau khi áp dụng các điều kiện biên (1.10) vào bài toán (1.9), ta thu được các thông số dao động của horn như sau:
+ Tần số dao động tự nhiên (Hz) của dạng dao động thứ k:
+ Bước sóng của dạng dao động thứ k: k k k
Với βk là nghiệm thứ k của phương trình đặc trưng và k = 1, 2, Để đạt được hiệu quả mong muốn trên các máy siêu âm, chỉ có hai dạng dao động đầu tiên của horn được sử dụng, ví dụ như cho k = 1 gọi là dạng "một nửa sóng" và k = 2 gọi là dạng "nguyên sóng"
Việc xác định các dạng dao động và tần số tự nhiên của horn dạng hình trụ hoặc tròn xoay là tương đối đơn giản Phân tích các tham số cho các hình dạng không phải hình trụ thì phức tạp hơn nhiều Vì vậy, để xác định thuộc tính dao động cho các horn có biên dạng phức tạp hơn, các phương pháp số được khuyến khích sử dụng
1.2.2.2 Các công thức tính toán được tổng quát cho horn dạng bậc
Tính toán horn dạng bậc (Hình 1.2) dựa vào các công thức sau (Abramov, 1998):
Hình 1.2 Horn dạng trục bậc Chiều dài horn tính bằng công thức:
Với: C t là vận tốc truyền âm trong vật liệu (m/s) f 0 là tần số dao động tính toán (Hz)
Chiều dài L 1 , L 2 được tính bằng công thức:
Hệ số khuếch đại dao động k a : ka=N 2 2
Với: 1 , 2 lần lượt là biên độ dao động tại mặt trước và mặt sau của horn dạng bậc
D1, D2 lần lượt là đường kính mặt trước và mặt sau của horn dạng bậc
Tọa độ điểm nút (điểm có biên độ dao động bằng 0): x0 2
1.2.2.3 Tính toán cho tấm bậc có diện tích phát sóng mở rộng Đối với các biên dạng hình học phức tạp như trong việc tính toán cho tấm bậc loại này, các thuộc tính dao động của chi tiết thường được xác định bằng phương pháp
16 phần tử hữu hạn Nền tảng tính toán cơ bản giống như tính toán cho các horn được trình bày trong các phần 1.2.2, 1.2.2.1 Hiện tại, kiểu chi tiết khuếch đại siêu âm và diện tích phát sóng mở rộng loại này chưa có công thức giải tích để tính toán; do đó việc tính toán chủ yếu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và giải thuật tối ưu Bài toán phân tích dao động được xây dựng trên nền code viết theo phần mềm Ansys 14 để tìm tần số dao động riêng và dạng dao động (Mode Shape) của chi tiết tấm bậc Một giải thuật tối ưu được sử dụng được viết bằng phần mềm Matlab để tìm ra giá trị tần số tối ưu (20 kHz) để có thể cộng hưởng với các chi tiết dao động khác trong cụm phát sóng siêu âm được trình bày trong phần 1.3.
Giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu GENE
Genetic Algorithm (GA) là một thuật toán tối ưu hóa dựa trên nền tảng lý thuyết chọn lọc tự nhiên, quá trình dẫn đến các tiến hóa sinh học Việc tính toán dao động cho chi tiết có hình dạng phức tạp như tấm bậc cần có sự hỗ trợ của các công cụ lập trình tính toán số như Matlab, phần mềm mô phỏng tính toán như Ansys
Một phân tích Modal được tạo ra bằng code Ansys (Phụ lục 2) để tìm ra tần số dao động riêng của tấm bậc cùng với dạng dao động uốn ngang của tấm Dạng dao động này được gọi là Mode 8, được chọn trước dựa vào các kích thước sơ bộ của tấm phù hợp với yêu cầu của không gian sấy Vấn đề lựa chọn dạng dao động được trình bày cụ thể trong phần 2.3.2.2.2 Hàm mục tiêu ở đây là Min| | Tần số dao động mong muốn f được chọn trước (20 kHz), được xem như là yếu tố đầu vào cùng với chiều dài L và chiều cao bậc t của tấm Các biến thiết kế khác bao gồm kích thước chiều rộng tấm, d, L1, h1, L2, h2, α.(Hình 3.2) được xác định sau quá trình tối ưu Một bộ code được viết bằng Matlab sẽ làm nhiệm vụ tối ưu hàm mục tiêu Quá trình chọn lọc và đưa ra cá thể tốt nhất sẽ được giải thuật tối ưu này thực hiện một cách tự động
Mô tả cụ thể hơn giải thuật này sẽ được tác giả trình bày trong phần 2.3.2.2.1 hoặc có thể tham khảo từ công trình nghiên cứu của tác giả Wang D.A et al (2011)
Nguyên lý tách ẩm bằng sóng siêu âm
Như đã trình bày sơ lược ở chương 1, phần sấy, sấy với sự hỗ trợ của sóng siêu âm năng lượng cao hiện nay có 2 phương pháp: sấy siêu âm gián tiếp và sấy siêu âm trực tiếp Đối với sấy gián tiếp, năng lượng sóng siêu âm được truyền qua môi trường không khí sau đó mới tiếp xúc với vật liệu sấy Bản chất của sóng siêu âm cũng là sóng cơ học nên chúng cũng có các tác động cơ học lên vật liệu sấy
Sấy siêu âm gián tiếp có hiệu quả cao đối với các vật liệu sấy nhạy với nhiệt Tác động cơ học của sóng siêu âm làm mỏng, xé mảnh lớp biên ẩm ngăn cách giữa vật liệu sấy với môi trường bên ngoài nên tăng khả năng khuếch tán ẩm ra môi trường Tác dụng này cũng tương tự như cách chúng ta sử dụng các phương pháp khác để làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của vật liệu sấy với môi trường như trong sấy mẻ tĩnh, sấy tầng sôi Tuy nhiên, với sóng siêu âm tác dụng này là mạnh mẽ và hiệu quả hơn vì với nhiệt độ môi trường chúng ta vẫn sấy được và hiệu quả khá cao
Trong khi đó, sấy siêu âm trực tiếp được đánh giá là hiệu quả hơn sấy gián tiếp Vật liệu sấy được đặt trực tiếp lên tấm công tác, vì thế sóng âm sẽ tác dụng trực tiếp với vật liệu sấy Tác dụng sóng âm sẽ làm tăng ứng suất bên trong của vật liệu sấy, tăng co bóp…tạo ra vô số các mao dẫn bên trong và mặt biên của vật liệu sấy Kết quả là tăng hiệu quả của quá trình khuếch tán ẩm ra môi trường bên ngoài Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng bọt biển (sponge effect) (Gallego-Juárez et al, 1999; Gallego-Juárez,
Hiệu quả của quá trình sấy bằng sự hỗ trợ của siêu âm không những phụ thuộc vào năng lượng sóng âm mà còn phụ thuộc vào nhiều biến quá trình khác như: tốc độ quạt thổi khí nóng, độ ẩm môi trường sấy, nhiệt độ sấy, tốc độ quạt hút, mẫu sấy…Như đã trình bày ở phần tổng quan, sấy với sự hỗ trợ của siêu âm đã được khẳng định là hiệu quả với nhiều vật liệu sấy khác nhau, nhưng đặc biệt đối với các vật liệu nhạy với nhiệt
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHI TIẾT HORN DẠNG TRỤC BẬC VÀ TẤM BẬC
Mục tiêu cần đạt được trong vấn đề thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc19
Điều kiện ban đầu của việc thiết kế horn là tần số dao động riêng của nó phải kết nối được với tần số làm việc của bộ chuyển đổi Bộ chuyển đổi kiểu Langevin có tần số làm việc là 20 kHz nên cụm chi tiết gồm horn dạng trục bậc và tấm bậc phải có tần số làm việc cũng gần 20 kHz Trong quá trình tính toán, để giảm bớt sự phức tạp nên tác giả không tính tính toán với mối ghép ren Chính vì vậy, tần số làm việc được tính cho horn dạng trục bậc sẽ là 19,2 kHz để bù trừ khi có mối ghép ren Khi mô phỏng, tính toán nguyên cụm với tấm bậc, tần số dao động riêng của cả cụm mới đạt xấp xỉ 20 kHz Trong khi đó, các chi tiết phát sóng siêu âm có diện tích phát sóng mở rộng được biết đến như dạng tấm phẳng, dạng đĩa có bậc tập trung năng lượng sóng, dạng tấm bậc định hướng sóng (Hình 1)…Với thiết kế dạng tấm phẳng, áp suất sóng âm lên môi trường lưu chất yếu do sự lệch pha dao động giữa các mặt nằm giữa các đường tiết điểm (Nodal line) làm triệt tiêu dao động giữa chúng (Gallego-Juárez et al., 2010b) Trong khi đó, thiết kế dạng đĩa có bậc lại tập trung áp suất sóng âm vào tâm đĩa phù hợp hơn trong các ứng dụng chống tạo bọt Tấm bậc được thiết kế ra với mục đích mở rộng diện tích phát sóng siêu âm, định hướng dòng năng lượng sóng, tăng năng suất của quá trình sấy, đồng thời xóa bỏ khuyết điểm của kiểu tấm phẳng Chi tiết tấm loại này dao động ở dạng uốn ngang, trong khi đó chi tiết horn dạng trục bậc dao động ở dạng giãn dài Theo Iula (2006), chi tiết dao dộng dạng uốn ngang có độ khuếch đại chuyển vị cao hơn khoảng 50% so với các chi tiết dao động dạng giãn dài Cũng giống như mục đích thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc, điều kiện ban đầu của việc thiết kế tấm bậc là tần số dao động riêng của nó phải kết nối được với tần số làm việc của các chi tiết khác trong cụm phát sóng siêu âm, tức là phải cộng hưởng được dao động Vì vậy mục tiêu của thiết kế là:
+ Thiết kế được chi tiết horn dạng trục bậc có tần số dao động riêng gần 19,2 kHz và biên độ dao động dọc trục phải được khuếch đại Thiết kế được chi tiết tấm bậc có tần số dao động riêng khoảng 20 kHz và có diện tích phát sóng đủ lớn dùng cho quá trình sấy
- Các bước cần thiết cho quá trình thiết kế gồm:
+ Lựa chọn tần số làm việc (ở đây ta chọn tần số siêu âm 19.2 kHz cho horn dạng trục bậc và 20 kHz cho tấm bậc)
+ Lựa chọn vật liệu, xác định các thuộc tính về âm học của vật liệu Đối với horn dạng trục bậc:
+ Tính toán các kích thước của horn dựa trên công thức lý thuyết Đối với tấm bậc:
+ Tính toán dao động cho tấm phẳng có tần số làm việc tương đương để xác định sơ bộ các kích thước ban đầu, các đường tiết điểm (là các đường thẳng mà các điểm tạo nên các đường thẳng đó có chuyển vị bằng 0)
+ Tính toán tấm bậc với giải thuật tối ưu để xác định chính xác các kích thước thiết kế và tần số dao động mong muốn
+ Chế tạo mẫu, kiểm tra, ghi nhận thí nghiệm.
Lựa chọn vật liệu và phương pháp tính toán
Vật liệu chế tạo chi tiết horn dạng trục bậc hay tấm bậc sử dụng trong các ứng dụng siêu âm phải được lựa chọn chính xác, tuân theo một số quy tắc nhất định:
+ Horn dạng trục bậc là chi tiết trung gian truyền dao động sóng từ bộ chuyển đổi kiểu Langevin (hình 1.1) tới chi tiết công tác (tấm bậc) và khuếch đại dao động lên một phần nào đó Để đảm bảo dao động chỉ truyền theo một hướng từ bộ chuyển đổi tới chi tiết công tác, đồng thời đủ bền để mang chi tiết công tác, horn phải được làm từ vật liệu có độ cứng thấp hơn chi tiết trong bộ chuyển đổi kiểu Langevin và lớn hơn chi tiết công tác Trong khí đó, tấm bậc là chi tiết công tác, là chi tiết cuối cùng truyền dao động sóng ra môi trường nên vật liệu chế tạo chi tiết này phải có độ cứng thấp hơn các chi tiết trước nó như horn hay các khối kim loại mặt sau, khối kim loại mặt trước để đảm bảo dao động chỉ truyền theo một hướng ra môi trường
+ Các vật liệu phải có trở kháng âm thấp, tức là vận tốc truyền sóng trong vật liệu cao để giảm tổn thất năng lượng Vật liệu được chọn cũng phải có mô đun đàn hồi
E đủ lớn để đảm bảo chi tiết đủ bền và có thể làm việc tại các tần số siêu âm Hệ số Poison cũng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng làm việc của tấm bậc Giá trị này đối với các loại vật liệu khác nhau dao động từ [-1:0,5] Đối với thép giá trị này từ 0,3; nhôm lớn hơn một chút; Titan lớn hơn nhôm Hệ số Poison càng lớn càng cho thấy vật liệu đàn hồi tốt Với các thiết kế có chuyển vị theo 2 phương như dạng tấm bậc, hệ số Poison càng tiến về 0,5 càng tốt Với hệ số Poison tiến về 0,5, ta có các vật liệu như cao su Tuy nhiên, các vật liệu này lại không có các thông số khác phù hợp cho các ứng dụng siêu âm Theo thứ tự từ cao xuống thấp thì Titan, hợp kim nhôm, thép…là các vật liệu thỏa mãn các tiêu chí được đưa ra trong đề tài và các tiêu chí được đề cập ở trên
+ Trong trường hợp của horn, để đảm bảo chi tiết đủ bền để mang chi tiết công tác bằng mối ghép ren, đồng thời để đảm bảo 2 điều kiện trên, tác giả đã chọn vật liệu thép SS 41 Vật liệu này cũng được bán phổ biến ở thị trường Việt Nam, thuận tiện cho việc mua phôi và chế tạo Trong trường hợp của tấm bậc, để giảm khối lượng tấm, tránh ứng suất tập trung trong mối ghép ren, đồng thời để đảm bảo 2 điều kiện trên, tác giả đã chọn vật liệu hợp kim nhôm AA7075-T6
Thép SS 41 có các thuộc tính được cho ở bảng 2.1:
Bảng 2.1 Các thuộc tính của thép SS 41(Wang 2011)
SS 41 Module đàn hồi E (GPa) 210
Hệ số Poission (à) 0,3 Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 7800
Vận tốc truyền âm (m/s) 5188 Hợp kim nhôm AA7075-T6 có các thuộc tính được cho ở bảng 2.2:
Bảng 2.2 Các thuộc tính của hợp kim nhôm AA7075-T6 (Nguyen 2014)
AA Module đàn hồi E (GPa) 71,7 7075-T6 Hệ số Poission (à) 0,33
2.2.2.1 Đối với horn dạng trục bậc
Sử dụng 2 phương pháp sau:
+ Phương pháp 1: Tính toán bằng công thức lý thuyết
Sử dụng công thức lý thuyết trong phần 1.2.2.2 Tuy nhiên kết quả tính được chỉ là sơ bộ vì chúng ta chưa tính tới nhiều yếu tố khác như tính chất cản âm của vật liệu, hình dạng horn …Trên nền tảng của phương pháp phần tử hữu hạn chúng ta phải mô hình lại và dùng Ansys 14 để mô phỏng kết quả mới chính xác được
+ Phương pháp 2: Phương pháp phần tử hữu hạn
Sử dụng phần mềm Ansys 14 Mechanical ADPL và Workbench
Như đã trình bày ở trên, tấm bậc là một chi tiết có biên dạng phức tạp Hiện tại, kiểu chi tiết khuếch đại siêu âm loại này chưa có công thức giải tích để tính toán; do đó việc tính toán chủ yếu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và giải thuật tối ưu Phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán dao động được trình bày cụ thể trong phần 2 của đề tài này Phần mềm Ansys 14 được sử dụng để giải bài toán dao động
23 riêng của tấm bậc, trong khi đó một giải thuật tối ưu (hình 3.9) được sử dụng để tìm ra tần số mong muốn cùng với các kích thước của tấm được thiết kế.
Tính toán và thiết kế
2.3.1 Sơ đồ thiết kế horn dạng trục bậc và tấm bậc
Hình 2.1 giới thiệu sơ đồ thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc dao động theo dạng giãn dài Chi tiết này liên kết bộ chuyển đổi với chi tiết tấm bậc qua các mối ghép ren M12 Chiều dài Lcủa horn được tính toán theo công thức (1.13) Các kích thước D 1 ,
D2 xác định khả năng khuếch đại dao động của chi tiết Chiều dài mỗi bậc của chi tiết nên bằng một phần tư giá trị bước sóng truyền trong vật liệu Các kích thước khác như:
D t1 , D t2 , t 1 , t 2 được điều chỉnh phù hợp để thiết kế mặc bích cố định chi tiết trên khung máy
Hình 2.1 Sơ đồ thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc
Bộ chuyển đổi dao động Langevin
Bích nối Ống sóng dạng bậc Bulong
Hình 2.2 giới thiệu sơ đồ thiết kế chi tiết tấm bậc dao động ở dạng uốn ngang Chi tiết này được liên kết với chi tiết horn dạng trục bậc qua mối ghép ren Chiều dài L của tấm được xác định trước, phụ thuộc vào không gian sấy… Các biến thiết kế bao gồm kích thước chiều rộng tấm, d, L1, h1, L2, h2, α Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu là tần số dao động riêng của tấm Trong khi đó, chiều cao bậc t trên tấm nên bằng một nửa bước sóng truyền trong môi trường để xóa bỏ hiện tượng lệch pha giữa các khoảng sóng nằm giữa các đường tiết điểm (Gallego-Juárez 2010a) Các đường tiết điểm là các đường thẳng đi qua các điểm có chuyển vị bằng không, vuông gốc với phương chiều dài của tấm Các đường tiết điểm này sẽ được xác định ban đầu qua việc tính toán sơ bộ tấm phẳng để làm căn cứ xác định các khoảng tạo bậc khi thiết kế tấm bậc
Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế tấm bậc
2.3.2 Tiến hành tính toán, mô phỏng
2.3.2.1 Tính horn dạng trục bậc
2.3.2.1.1 Tính horn bằng công thức lý thuyết
Cố định đường kính D 2 T.1 mm để kết nối với chi tiết trụ tròn của bộ chuyển đổi, tiến hành tính toán giá trị L theo công thức (1.13) và D1 để có được tần số dao động mong muốn (gần 19,2 kHz)
Sử dụng các công thức được trình bày trong phần 1.2.2.2 ta tính được các thông số của horn như sau (bảng 2.3):
Bảng 2.3 Kết quả tính toán horn dạng trục bậc bằng công thức lý thuyết
2.3.2.1.2 Tính toán horn bằng Ansys 14 Để tính toán tần số dao động riêng của của horn dạng trục bậc này, ta sử dụng code trong phụ lục 1 Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để tính toán dao động cho horn trong mô đun Harmonic Response Kết quả tần số dao động riêng của chi tiết được cho ở hình 1.3
Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn biên độ dao động của horn ứng với tần số 19,2 kHz
Việc tính toán bằng code trong phụ lục 1 được tiến hành trong môi trường 2D Để hiệu chỉnh và kiểm chứng kết quả, một mô phỏng trong môi trường 3D được thực hiện Tính toán mô phỏng dao động riêng được thực hiện trên modul Modal của AnsysWorkbench 14
26 Ở đây tác giả tiến hành tính toán mô phỏng cho horn dạng bậc với các kích thước được tính toán sơ bộ và có hiệu chỉnh bằng công thức lý thuyết được cho ở bảng 2.3 Các thông số kích thước khác của horn cũng được tìm ra qua mô phỏng này Hình 2.4 giới thiệu mô hình horn dạng trục bậc được xây dựng trong AnsysWorkbench
Hình 2.4 Xây dựng mô hình horn trong Geometry của AnsysWorkbench
Hình 2.5 là mô hình chia lưới của horn Horn được chia lưới ở các mức khác nhau để đảm bảo kết quả hội tụ
Hình 2.5 Chia lưới mô hình horn trong Model
Hình 2.6 giới thiệu việc áp đặt điều kiện biên cho horn Một gối đàn hồi có giá trị tượng trưng được áp đặt vào đầu lớn của horn
Hình 2.6 Thiết lập các điều kiện biên
Hình 2.7 giới thiệu một kết quả tần số dao động riêng cùng dạng dao động giãn dài của horn
Hình 2.7 Lấy kết quả bài toán trong Result
Quá trình mô phỏng bằng AnsysWorkbench được thực hiện ở các mức chia lưới khác nhau từ thô đến mịn để đảm bảo kết quả hội tụ với sai lệch không quá 1% có thể chấp nhận được Bảng 2.4 là kết quả mô phỏng của chi tiết horn dạng trục bậc ở các mức chia lưới khác nhau
Bảng 2.4 Kết quả mô phỏng của horn dạng trục bậc ở các mức chia lưới khác nhau
Tần số dao động riêng (Hz)
Thời gian Tỉ lệ sai lệch (%) Phần tử Nút
Sau khi tính toán, mô phỏng ta có các kích thước của horn được cho ở bảng 2.5
Bảng 2.5 Các kích thước của horn được thiết kế
Xác định tọa độ điểm nút x 0 : 49,6 mm< x 0