vii MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của giảng viên hướng dẫn Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Lời cảm tạ iv Tóm tắt v Mục lục vii Danh sách các chữ viết tắt xi Danh sách các hình xii Danh sách các bảng xiv Chng 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1 1.1.1 Các quá trình xử lý siêu âm năng lượng cao, những phát triển gần đây và tiến bộ tiềm năng 1 1.1.2 Sấy siêu âm: các nghiên cứu trong và ngoài nước 5 1.1.3 Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài 7 1.2 Mục đích của đề tài 7 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 8 1.3.1 Nhiệm vụ nghiên cứu 8 1.3.2 Giới hạn của đề tài 8 1.4 Phương pháp nghiên cứu 9 Chng 2. C SỞ LÝ THUYẾT 10 viii 2.1 Cơ sở tính toán của phương pháp phần tử hữu hạn 10 2.1.1 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dao động 10 2.1.2 Phương pháp giải bài toán bằng phần tử hữu hạn 11 2.2 Các lý thuyết để tính toán chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc 12 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm dùng trong sấy 12 2.2.2 Tính toán horn dạng trục bậc 13 2.2.2.1 Giải pháp phân tích các dao động tự do của một chi tiết khuếch đại sóng 14 2.2.2.2 Các công thức tính toán được tổng quát cho horn dạng trục bậc 16 2.2.2.3 Tính toán cho tấm bậc có diện tích phát sóng mở rộng 18 2.3 Giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu GENE 18 2.4 Nguyên lý tách ẩm bằng sóng siêu âm 19 Chng 3. TệNH TOÁN, THIẾT KẾ CHI TIẾT HORN DNG TRỤC BẬC VÀ TM BẬC 21 3.1 Mục tiêu cần đạt được trong vấn đề thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc 22 3.2 Lựa chọn vật liệu và phương pháp tính toán 23 3.2.1 Chọn vật liệu 23 3.2.2 Phương pháp tính toán 25 3.2.2.1 Đối với horn dạng trục bậc 25 3.2.2.2 Đối với tấm bậc 26 3.3 Tính toán và thiết kế 26 3.3.1 Sơ đồ thiết kế horn dạng trục bậc và tấm bậc 26 3.3.2 Tiến hành tính toán, mô phỏng 28 3.3.2.1 Tính horn dạng trục bậc 28 3.3.2.1.1 Tính horn bằng công thức lý thuyết 28 ix 3.3.2.1.2 Tính toán horn bằng Ansys 14 28 3.3.2.1.3 Kết quả tính horn 31 3.3.2.2 Tính toán cho tấm bậc 32 3.3.2.2.1 Lưu đồ tính toán tối ưu cho tấm bậc 32 3.3.2.2.2 Lựa chọn dạng dao động cho tấm 34 3.3.2.2.3 Tính sơ bộ tấm phẳng để xác định các đường tiết điểm 36 3.3.2.2.4 Sử dụng phần mềm Ansys 14 Mechanical ADPL và Matlab để tính tối ưu cho tấm bậc 38 3.3.2.2.5 Sử dụng Ansys Workbench để mô phỏng kiểm tra cho tấm bậc 39 3.3.2.2.6 Bản vẽ thiết kế tấm bậc 41 3.4 Mô phỏng kiểm tra tần số, ứng suất của cụm horn dạng trục bậc và tấm bậc 42 3.5 Mô phỏng trường áp suất sóng âm của tấm lên môi trường không khí 45 Chng 4. CHẾ TO MẪU VÀ ĐO TRỞ KHÁNG C 47 4.1 Chế tạo mẫu 47 4.2 Đo trở kháng âm và tần số cộng hưởng 48 4.3 Vấn đề kết nối trở kháng 51 4.3.1 Giới hạn công suất điện, cơ và kết nối trở kháng trong các tinh thể áp điện 51 4.3.2 Kết nối trở kháng các chi tiết khác trong cụm siêu âm 55 Chng 5. THÍ NGHIỆM SY, KẾT QU VÀ THO LUẬN 56 5.1 Mô hình thí nghiệm sấy 56 5.1.1 Chuẩn bị mẫu sấy 58 5.1.2 Dữ liệu sấy 60 5.2 Kết quả và thảo luận 61 5.2.1 Kết quả sấy 61 5.2.2 Thảo luận 62 5.2.2.1 Thảo luận về kết quả sấy 62 5.2.2.2 Thảo luận về kết quả tính horn và tấm bậc 64 x Chng 6. KẾT LUẬN ậ ĐỀ NGHỊ 65 6.1 Kết luận 65 6.1.1 Tần số dao động riêng của cụm phát sóng siêu âm và trở kháng đo được 65 6.1.2 Kết luận về hiệu quả quá trình sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm 66 6.1.3 Tổng kết 66 6.2 Đề nghị 67 6.2.1 Các vấn đề còn tồn tại 67 6.2.2 Hướng phát triển của đề tài 68 TÀI LIỆU THAM KHO 69 PHỤ LỤC 72 xi DANH SÁCH CÁC CH VIẾT TẮT FEM: Finite Element Method. GA: Genetic Algorithm xii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của một bộ chuyển đổi siêu âm dạng đĩa có bậc và một bộ chuyển đổi dạng tấm có bậc. 2 Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của bộ chuyển đổi siêu âm dạng trụ và một mô phỏng phần tử hữu hạn cho dao động của ống trụ. 3 Hình 1.3: Mô hình chống tạo bọt bằng siêu âm. 4 Hình 1.4: Hệ thống sấy siêu âm. 4 Hình 1.5: Sơ đồ của sấy đối lưu không khí với sự hỗ trợ của siêu âm. 6 Hình 1.6: Mô hình thiết bị phát sóng siêu âm năng lượng cao gồm: Bộ chuyển đổi kiểu Langevin (1) – Horn khuếch đại cơ dạng trục bậc (2) – Tấm bậc (3) 8 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy 13 Hình 2.2: Horn dạng trục bậc 17 Hình 3.1: Sơ đồ thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc. 27 Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế tấm bậc. 27 Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn biên độ dao động của horn ứng với tần số 19,2 kHz. 29 Hình 3.4: Chia lưới mô hình horn trong Model. 30 Hình 3.5: Lấy kết quả bài toán trong Result. 30 Hình 3.6: Xác định điểm x 0. 32 Hình 3.7: Lưu đồ giải thuật tối ưu để xác định tần số làm việc và các kích thước của tấm được thiết kế. 33 Hình 3.8: Một số dạng dao động của tấm được thiết kế. 35 Hình 3.9: Phân bố chuyển vị của tấm phẳng có chiều dài 260 mm, dầy 29 mm dao động ở Mode 8. 37 Hình 3.10: Phân bố chuyển vị của tấm bậc được thiết kế tại tần số 19,2 kHz 39 Hình 3.11: Chia lưới cho mô hình ở mức mịn 53766 phần tử; 83924 nút. 41 xiii Hình 3.12: Dạng Mode 8 của tấm với tần số làm việc 20030 Hz 41 Hình 3.13: Bản vẽ thiết kế tấm bậc 42 Hình 3.14: Chia lưới cho cụm tấm và horn với mối ghép ren M12 với mức mịn (147425 phần tử; 236671 nút). 44 Hình 3.15: Dạng dao động của cụm horn và tấm bậc tại tần số 19987 Hz. 44 Hình 3.16: Phân bố ứng suất Von-Mises của cụm. 45 Hình 3.17: Mô hình phân tích phân bố áp suất sóng âm lên môi trường 46 Hình 3.18: Phân bố áp suất sóng âm lên môi trường sấy. 46 Hình 4.1:Cụm chi tiết phát sóng siêu âm với horn dạng bậc và tấm bậc được chế tạo 48 Hình 4.2:Kết quả đo trở kháng của cụm phát sóng siêu âm tại các tần số cộng hưởng 49 Hình 4.3: Cụm phát sóng siêu âm dùng trong ứng dụng sấy. 51 Hình 4.4: Mạch điện tương đương cho các tấm tinh thế sứ áp điện 53 Hình 4.5: Mô hình mạch điện phân tích trở kháng cho cụm siêu âm 55 Hình 5.1: Hệ thống sấy siêu âm gián tiếp được xây dựng để thí nghiệm. 56 Hình 5.2: Lát cà rốt được chuẩn bị trước khi đem vào sấy 58 Hình 5.3: Cân điện tử METTLER TOLEDO, model: RW00-1220-301 được sử dụng để cân mẫu sấy. 59 Hình 5.4: Đồ thị so sánh tốc độ sấy khi xử dụng hai phương pháp sấy có và không có sự hỗ trợ của siêu âm. 61 Hình 5.5: Mẫu 1: Mẻ cà rốt chưa sấy; Mẫu 2: Mẻ cà rốt đã sấy với siêu âm; Mẫu 3: Mẻ cà rốt đã sấy không có siêu âm. 62 xiv DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bng 3.1: Các thuộc tính của thép SS 41 25 Bng 3.2: Các thuộc tính của hợp kim nhôm AA7075-T6 25 Bng 3.3: Kết quả tính toán horn dạng trục bậc bằng công thức lý thuyết. 28 Bng 3.4: Kết quả mô phỏng của horn dạng trục bậc ở các mức chia lưới khác nhau 31 Bng 3.5: Các kích thước của horn được thiết kế 31 Bng 3.6: Tần số dao động của tấm tương ứng với các Mode khác nhau 35 Bng 3.7: Các kích thước của tấm bậc sau khi đã tối ưu 38 Bng 3.8: Kết quả mô phỏng tấm bậc trong AnsysWorkbench với các mức chia lưới khác nhau 40 Bng 3.9: Kết quả mô phỏng cho cụm chi tiết với các mức chia lưới khác nhau. 43 Bng 5.1: Số liệu sấy qua hai mẻ sấy: có sự hỗ trợ của siêu âm và không có sự hỗ trợ siêu âm 60 Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 1 CHNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tng quan v lĩnh vực nghiên cu, các kt qu nghiên cu trong vƠ ngoài nc đƣ công bố 1.1.1 Các quá trình x lý siêu ơm năng lng cao, nhng phát triển gần đơy vƠ tin b tim năng (Gallego-Juárez, 2009, 2010) Mặc dù ng dụng năng lượng siêu âm để sản xuất hoặc để tăng cưng một loạt các quy trình đã được khám phá từ khoảng giữa thế kỷ 20, nhưng chỉ một số ít các quá trình xử lý siêu âm đã được thiết lập  cấp độ công nghiệp. Trong hơn mưi 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 trưng, dược phẩm, sản xuất hóa chất, máy móc, khai thác…nơi mà năng lượng siêu âm đang tr thành một công nghệ mới nổi cho quá trình phát triển. Trong lĩnh vực xử lý siêu âm trong môi trưng chất lỏng và đặc biệt hơn trong môi trưng khí, sự phát triển ca các bộ phận chuyển đổi dạng tấm bậc và các dạng bộ phận phát năng lượng khác với bề mặt phát sóng rộng đã góp phần mạnh mẽ vào việc thực hiện  giai đoạn bán công nghiệp và công nghiệp ca một số ng dụng thương mại, trong các lĩnh vực như thực phẩm, ngành công nghiệp nước giải khát (như chống tạo bọt, sấy, khai thác ), môi trưng (như làm sạch không khí, lọc bùn ), chế tạo máy và các quá trình sản xuất ( như rửa trong ngành dệt may, sản xuất ). - Nhng b phát siêu ơm năng lng cao: nhng tin b gần đơy Với các ng dụng ca siêu âm cưng độ cao trong môi trưng chất lỏng hoặc các môi trưng nhiều pha khác, các bộ phận chuyển đổi năng lượng cao đặc biệt đòi Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 2 hỏi các yêu cầu khắt khe về các thuộc tính âm học. Môi trưng chất lỏng (đặc biệt là khí) có một tr kháng âm thấp và sự hấp thụ âm thanh cao. Vì vậy, để có được sự truyền năng lượng hiệu quả, thì cần thiết phải có một sự kết hợp tr kháng tốt giữa các bộ phận chuyển đổi năng lượng. Ngoài ra, với những ng dụng công nghiệp quy mô lớn, công suất cao và diện tích phát xạ rộng sẽ được yêu cầu trong những bộ phận chuyển đổi. Cố gắng để đạt được mục tiêu như vậy, một họ mới các bộ chuyển đổi siêu âm thực hiện công suất năng lượng cao, hiệu quả và kiểm soát hướng đã được phát triển. Đây là họ bộ chuyển đổi siêu âm có bề mặt bc xạ rộng trong đó bao gồm nhiều phiên bản tùy thuộc vào hình dạng hoặc biên dạng ca bộ phát. Các loại chính ca bộ chuyển đổi siêu âm như thế này có thể kể đến: tấm dạng bậc (hình 1.1), tấm có rãnh, tấm dạng bậc có rãnh và bộ phát dạng trụ (hình 1.2)… Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản ca một bộ chuyển đổi siêu âm dạng đĩa có bậc và một bộ chuyển đổi dạng tấm có bậc. Nguồn: (Gallego-Juárez, 2009, 2010). [...]... năng lượng sóng siêu âm Hình 1.4 Hệ thống sấy siêu âm Nguồn: (Gallego-Juárez, 2009, 2010) - Ngoài ra, siêu âm năng lượng cao còn được ng dụng trong nhiều khía cạnh khác như trong vấn đề môi trư ng, làm sạch, gia công cơ khí Trong khuôn khổ nghiên c u c a đề tài này, tác giả chỉ quan tâm đến lĩnh vực ng dụng c a sóng siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm, mà đặc biệt là quá trình sấy HVTH... thiết kế thiết bị siêu âm hỗ trợ cho quá trình sấy nóng ng dụng cho các sản phẩm nông nghiệp có giá trị cao, chưa được nghiên c u để sấy bảo quản với việc phân tích các ảnh hư ng c a nhiệt sấy tới chất lượng c a sản phẩm Đề tài sử dụng mô hình sấy gián tiếp (sấy đối lưu với sự hỗ trợ c a siêu âm) để tiến hành thử nghiệm hiệu quả c a việc ng dụng siêu âm vào hỗ trợ sấy và đánh giá chất lượng cũng như hiệu... trình sấy 1.2 M c đích c a đ tƠi Nghiên c u tính toán, chế tạo và thử nghiệm cụm thiết bị phát sóng siêu âm năng lượng cao làm việc tần số 20 kHz (Hình 1.6) hỗ trợ quá trình sấy khô, kiểu sấy nóng với dòng không khí cưỡng b c được áp dụng cho các sản phẩm nông nghiệp chất lượng cao quy mô công nghiệp như hạt gấc, mật ong, nhân sâm, lúa gạo, hạt giống HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 7 Luận văn cao học... sự mô tả cụ thể hơn giải thuật này sẽ được tác giả trình bày trong phần 3.3.2.2.1 hoặc bạn đọc có thể tham khảo từ tác giả Wang.D.A et all, 2011 2.4 Nguyên lý tách m bằng sóng siêu âm Như đã trình bày sơ lược chương 1, phần sấy, sấy với sự hỗ trợ c a sóng siêu âm năng lượng cao hiện nay có 2 phương pháp: sấy siêu âm gián tiếp và sấy siêu âm trực tiếp Đối với sấy gián tiếp, năng lượng sóng siêu âm được... làm giảm năng lượng sóng siêu âm trước khi nó tiếp xúc với vật liệu sấy Trong khi đó, sấy siêu âm trực tiếp được đánh giá là hiệu quả hơn sấy gián tiếp Vật liệu sấy được đặt trực tiếp lên tấm công tác, vì thế sóng âm sẽ tác dụng trực tiếp với vật liệu sấy Tác dụng sóng âm sẽ làm tăng ng suất bên trong c a vật liệu sấy, tăng co bóp…tạo ra vô số các mao dẫn bên trong và mặt biên c a vật liệu sấy Kết quả... năng lượng siêu âm như một chất hóa học không gây ô nhiễm, không ion hóa không khí, đóng một vai trò quy t định trong việc liên tục tìm kiếm các phương pháp sản xuất an toàn và chất lượng hơn Trong phạm vi rộng c a các ng dụng tiềm năng c a năng lượng siêu âm trong chế biến thực phẩm chỉ có rất ít các quy trình có được đã được thiết lập cấp độ công nghiệp Tuy nhiên, một số quy trình mới đã được nghiên. .. lưu Tốc độ sấy khô có thể được tăng lên bằng cách kết hợp đầy đ các nguồn năng lượng, chẳng hạn như vi sóng, b c xạ hồng ngoại, siêu âm năng lượng cao So với các công nghệ sấy khác, sấy đối lưu với sự hỗ trợ c a siêu âm giới thiệu một cách hiệu quả để nâng cao tốc độ sấy dưới điều kiện hiệu ng nhiệt thấp và làm hạn chế sự mất mát về chất lượng trong sản phẩm Đã có nhiều kết luận trong các nghiên c u... (García-Pérez et al., 2006) hoặc năng lượng siêu âm được sử dụng (García-Peréz et al., 2009) Ngoài ra, đặc tính sản phẩm cũng tác động đến ảnh hư ng c a siêu âm vào các quá trình sấy khô Do đó, những sản phẩm có độ xốp cao dễ bị ng suất cơ học (do sự cản tr cơ học thấp c a chúng) sẽ hiệu quả hơn trong sấy bằng siêu âm Vì vậy, rất khó để dự đoán hiệu quả c a ng dụng siêu âm vào một sản phẩm cụ thể nào đó do ảnh... các biến sản phẩm Nghiên c u về ảnh hư ng siêu âm đến quá trình chuyển đổi khối lượng phải được thực hiện khi một ng dụng siêu âm được thiết kế cho một sản phẩm cụ thể không giải quy t trước đó Hình 1.5 giới thiệu mô hình sấy đối lưu với sự hỗ trợ c a sóng siêu âm Hình 1.5 Sơ đồ sấy đối lưu không khí với sự hỗ trợ c a siêu âm Nguồn: (Ortuno et al., 2010) HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 6 Luận văn cao học... triển thương mại công nghệ này, như là các ng dụng siêu âm trong chống tạo bọt, sấy và quá trình khai thác chất lỏng siêu tới hạn… Hình 1.3 giới thiệu mô hình chống tạo bọt bằng siêu âm trong công nghiệp HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 3 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân Hình 1.3 Mô hình chống tạo bọt bằng siêu âm Nguồn: (Gallego-Juárez, 2009, 2010) Hình 1.4 giới thiệu một mô hình sấy đối lưu có . siêu âm trong ngành công nghip thực phm ng dụng ca năng lượng siêu âm trong công nghệ chế biến thực phẩm là một trong những lĩnh vực ha hẹn nhất cho tiến bộ trong tương lai ca siêu âm. . một mô hình sấy đối lưu có sự hỗ trợ ca năng lượng sóng siêu âm. Hình 1.4 Hệ thống sấy siêu âm. Nguồn: (Gallego-Juárez, 2009, 2010). - Ngoài ra, siêu âm năng lượng cao còn được ng dụng trong. như trong vấn đề môi trưng, làm sạch, gia công cơ khí Trong khuôn khổ nghiên cu ca đề tài này, tác giả chỉ quan tâm đến lĩnh vực ng dụng ca sóng siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp