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

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).

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 3

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản ca bộ chuyển đổi siêu âm dạng trụ và một mô phỏng phần
tử hữu hạn cho dao động ca ống trụ.
Nguồn: (Gallego-Juárez, 2009, 2010).
- ng dng 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. Cách làm
sạch ca năng lượng siêu âm như một chất hóa học không gây ô nhiễm, không ion hóa
không khí, đóng một vai trò quyết định trong việc liên tục tìm kiếm các phương pháp
sản xuất an toàn và chất lượng hơn.
Trong phạm vi rộng ca các ng dụng tiềm năng ca năng lượng siêu âm trong chế
biến thực phẩm chỉ có rất ít các quy trình có được đã được thiết lập  cấp độ công
nghiệp. Tuy nhiên, một số quy trình mới đã được nghiên cu m rộng và hiện nay
đang tiến rất gần với việc phát triển thương mại công nghệ này, như là các ng dụng
siêu âm trong chống tạo bọt, sấy và quá trình khai thác chất lỏng siêu tới hạn… Hình
1.3 giới thiệu mô hình chống tạo bọt bằng siêu âm trong công nghiệp.


Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 4


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 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 nhiều khía cạnh khác

như trong vấn đề môi trưng, làm sạch, gia công cơ khí…Trong khuôn khổ nghiên cu
ca đề tài này, tác giả chỉ quan tâm đến lĩnh vực ng dụng ca sóng siêu âm năng
lượng cao trong công nghiệp thực phẩm, mà đặc biệt là quá trình sấy.

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 5

1.1.2 Sy siêu ơm: các nghiên cu trong vƠ ngoƠi nc (Cesar Ozuna et al., 2011)
Ngày nay, tiêu thụ toàn cầu đang chuyển dịch từ sản phẩm tươi đến sản phẩm đã
qua chế biến. Trong bối cảnh này, quá trình sấy góp phần tạo ra các sản phẩm chất
lượng cao với chi phí cạnh tranh. Hơn nữa, chúng cho phép thi gian sử dụng lâu hơn,
trọng lượng nhẹ hơn cho vận chuyển và một không gian nhỏ hơn để lưu trữ. Tuy nhiên,
quá trình sấy khô có thể ảnh hưng đến các thuộc tính cảm quan và dinh dưỡng do thay
đổi kết cấu và sinh hóa xảy ra ch yếu do nhiệt độ cao tác dụng trong quá trình và thi
gian sấy lâu.
Sấy là một quá trình phc tạp, liên quan đến đồng thi hiện tượng chuyển đổi nhiệt
và khối lượng với sự vận chuyển cả bên trong lẫn bên ngoài ca vật phẩm. Trong quá
trình sấy rau c, tốc độ sấy có thể bị ảnh hưng bi cả hiện tượng khuếch tán và vận
chuyển nước đối lưu. Tốc độ sấy khô có thể được tăng lên bằng cách kết hợp đầy đ
các nguồn năng lượng, chẳng hạn như vi sóng, bc xạ hồng ngoại, siêu âm năng lượng
cao. So với các công nghệ sấy khác, sấy đối lưu với sự hỗ trợ ca siêu âm giới thiệu
một cách hiệu quả để nâng cao tốc độ sấy dưới điều kiện hiệu ng nhiệt thấp và làm
hạn chế sự mất mát về chất lượng trong sản phẩm.
Đã có nhiều kết luận trong các nghiên cu về việc áp dụng hiệu quả năng lượng
siêu âm để cải tiến tốc độ sấy do tác động cơ học kết hợp với sóng siêu âm. Nguyên lý
hỗ trợ tách ẩm bằng siêu âm sẽ được phân tích cụ thể hơn trong mục 2.4.
Kỹ thuật sấy đối lưu với sự hỗ trợ ca siêu âm đã được áp dụng để tăng tốc độ sấy
ca một số sản phẩm, bao gồm cả cà rốt (Gallego-Juárez, 1998; García-Peréz et al.,
2009), hành tây (Mota và Palau, 1999), lúa mì và ngô (Huxsoll và Hall, 1970), gạo

(Muralidhara và Ensminger, 1986), hồng (Cárcel et al., 2007), cà tím (Ortuno et al.,
2010), lá ô liu (Cárcel et al., 2010), vỏ chanh (García-Peréz et al., 2009) và surimi
(Nakagawa et al., 1996). Mặc dù tất cả những công trình nghiên cu này cho thấy hiệu
quả đáng kể ca năng lượng sóng siêu âm trong việc tách nước trong quá trình sấy, tuy
nhiên cần nhận xét rằng ng dụng siêu âm tr nên ít hay nhiều hiệu quả phụ thuộc các

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 6

biến quá trình, chẳng hạn như tốc độ không khí (Cárcel et al., 2007 ; García-Pérez et
al., 2007), nhiệt độ (García-Pérez et al., 2006) hoặc năng lượng siêu âm được sử dụng
(García-Peréz et al., 2009). Ngoài ra, đặc tính sản phẩm cũng tác động đến ảnh hưng
ca siêu âm vào các quá trình sấy khô. Do đó, những sản phẩm có độ xốp cao dễ bị ng
suất cơ học (do sự cản tr cơ học thấp ca chúng) sẽ hiệu quả hơn trong sấy bằng siêu
âm.
Vì vậy, rất khó để dự đoán hiệu quả ca ng dụng siêu âm vào một sản phẩm cụ
thể nào đó do ảnh hưng ca cả hai quá trình và các biến sản phẩm. Nghiên cu về ảnh
hưng siêu âm đến quá trình chuyển đổi khối lượng phải được thực hiện khi một ng
dụng siêu âm được thiết kế cho một sản phẩm cụ thể không giải quyết trước đó. Hình
1.5 giới thiệu mô hình sấy đối lưu với sự hỗ trợ ca sóng siêu âm.

Hình 1.5 Sơ đồ sấy đối lưu không khí với sự hỗ trợ ca siêu âm.
Nguồn: (Ortuno et al., 2010).

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 7

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 ng dụng năng lượng siêu âm để sản xuất hoặc để tăng
cưng một loạt các quy trình đã được khám phá từ khoảng giữa thế kỷ 20, tuy nhiên
chỉ có một số ít các quá trình xử lý siêu âm đã được thiết lập  cấp độ công nghiệp.
Tình hình nghiên cu ng dụng công nghệ siêu âm vào các quá trình công nghiệp 
Việt Nam còn rất hạn chế, đa phần chỉ dừng lại  mc độ sử dụng các công nghệ có
sẵn ca nước ngoài. Chúng ta chưa làm ch được công nghệ này.
1.1.3 Nhn xét chung vƠ hng nghiên cu ca đ tƠi
Từ những kết luận dựa vào các công trình đã công bố, rõ ràng đề tài này là một
hướng đi riêng và mang tính cấp thiết. Tác giả thiết kế thiết bị siêu âm hỗ trợ cho quá
trình sấy nóng ng dụng cho các sản phẩm nông nghiệp có giá trị cao, chưa được
nghiên cu để sấy bảo quản với việc phân tích các ảnh hưng ca nhiệt sấy tới chất
lượng ca sản phẩm. Đề tài sử dụng mô hình sấy gián tiếp (sấy đối lưu với sự hỗ trợ
ca siêu âm) để tiến hành thử nghiệm hiệu quả ca việc ng dụng siêu âm vào hỗ trợ
sấy và đánh giá chất lượng cũng như hiệu quả ca quá trình sấy.
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


Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 8


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)
1.3 Nhim v vƠ gii hn ca đ tƠi
1.3.1 Nhim v ca đ tƠi
- Tính toán, thiết kế, mô phỏng cụm thiết bị siêu âm hỗ trợ quá trình sấy khô, kiểu sấy
nóng với dòng không khí cưỡng bc gồm: chi tiết khuếch đại cơ dạng trục bậc, tấm
phát xạ sóng siêu âm hình chữ nhật có bậc.
- Chế tạo thử nghiệm hai chi tiết trên với 2 loại vật liệu là hợp kim nhôm AA 7075-T6
và thép SS 41.
- Xây dựng mô hình thí nghiệm sấy có và không có sự hỗ trợ ca thiết bị siêu âm cho
vật liệu sấy là cà rốt; đánh giá sơ bộ hiệu quả hỗ trợ ca thiết bị siêu âm lên quá trình
sấy và chất lượng sản phẩm sấy.
- Từ các kết quả so sánh, đánh giá hiệu quả, hiệu chỉnh các tham số để tiến hành chế
tạo sử dụng  quy mô công nghiệp.
1.3.2 Gii hn ca đ tƠi
Do giới hạn về thi gian, cơ s vật chất và kinh phí thực hiện nên:
+ Đề tài chỉ tính toán và tiến hành chế tạo, thử nghiệm cụm thiết bị hỗ trợ siêu âm
gồm: một chi tiết khuếch đại cơ học dạng trục bậc có tần số làm việc 19,2 kHz bằng vật
1
2
3

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 9

liệu là thép SS 41; một chi tiết phát sóng siêu âm dạng tấm hình chữ nhật có bậc bằng
hợp kim nhôm AA 7075-T6 có tần số làm việc gần 20 kHz.
+ Đề tài không nghiên cu, tính toán và chế tạo thử nghiệm các biên dạng chi tiết
khuếch đại cơ học và kiểu tấm công tác khác như tấm dạng đĩa có bậc, có khoét rãnh
cong…với các tần số làm việc khác nhau như: 40 kHz, 60 kHz,…do không có kinh phí

mua thiết bị gồm nguồn phát, bộ chuyển đổi, các thiết bị hỗ trợ…
+ Đề tài không đi giải quyết bài toán sấy mà chỉ thực hiện một thí nghiệm sấy đơn giản
để đánh giá hiệu quả hỗ trợ ca sóng siêu âm lên quá trình sấy. Để đánh giá toàn diện
hiệu quả và tìm ra các thông số tối ưu ca quá trình sấy, tác giả cần nhiều thi gian hơn
nữa để nghiên cu thiết bị và thí nghiệm.
1.4 Phng pháp nghiên cu
- Phương pháp nghiên cu, tham khảo lý thuyết.
- Phương pháp kế thừa.
- 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.












Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 10

CHNG 2
C SỞ Lụ 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.
2.1 C s tính toán ca phng pháp phần t hu hn
2.1.1 Gii thiu v phng pháp phần t hu hn gii bƠi toán dao đng (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 ca 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 ca các chi tiết khuếch đại sóng
như thế này được thể hiện dưới hình thc sau đây:
0

 KuuBuM
(2.1)
Trong đó:
M (B, K) tương ng là ma trận khối lượng (giảm chấn, độ cng) ca mô hình.

),(

uuu
tương ng là vector gia tốc (vận tốc, chuyển vị) ca các nút.

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 11

Vì có thể cho rằng các vật liệu cấu thành các chi tiết trên có khả năng giảm chấn
thấp (từ khía cạnh động lực), giảm chấn trong phương trình chuyển động có thể được
bỏ qua. Phương trình chuyển động (2.1) có thể cho B = 0 và viết lại thành dạng:
0

 KuuM
(2.2)
Các thuộc tính dao động ca các chi tiết khuếch đại sóng âm được xác định bằng li
giải giá trị riêng:
0)(
2

ii
MK

(2.3)
Với φ
i
- vector riêng th i (dạng dao động),
ω
i
- tần số góc tự nhiên ca dạng dao động th i,
Việc giải các phương trình trên được thực hiện bằng phương pháp số trên nền ca
phương pháp phần tử hữu hạn. Các bước tiến hành giải một bài toán bằng phương pháp
này được trình bày  phần 2.1.2.
2.1.2 Phng pháp gii bƠi toán bằng phần t hu hn (Nguyn HoƠi Sn et al.,
2011)
Khi ng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải một bài toán tổng quát
thưng phải kể đến các bước sau:

1. Ri rạc hóa miền khảo sát – tạo lưới phần tử hữu hạn.
2. Xây dựng các phương trình phần tử.
3. Lắp các phương trình phần tử.
4. Khử các điều kiện biên.
5. Giải hệ phương trình toàn cục để tìm các giá trị nút.
6. Tính toán các kết quả trên phần tử.

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 12

2.2 Các lý thuyt để tính toán chi tit horn dng trc bc và tm bc
2.2.1 S đ nguyên lý cm thit b phát sóng siêu ơm dùng trong sy
Hình 2.1 giới thiệu sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ng dụng
trong sấy. Các đĩa tinh thể áp điện khi được đặt trong điện trưng có thể dao động dọc
trục theo nguyên lý “từ gião”. Dao động này được truyền nguyên dạng qua khối kim
loại mặt sau đến chi tiết khuếch đại sóng dạng horn có bậc. Horn là chi tiết trung gian
nối bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin với tấm bậc có tác dụng khuếch đại dao động
lên nhiều lần. Horn có thể là các chi tiết có biên dạng truyền thống như biên dạng hàm
mũ, dạng bậc, dạng hình sin, hình nón, biên dạng catenoidal hoặc các biên dạng mới
được phát triển gần đây như biên dạng Bezier hay B-Spline. Tuy nhiên, biên dạng bậc
được cho là dễ dàng trong việc chế tạo và có hệ số khuếch đại dao động lớn hơn các
biên dạng khác khi có cùng kích thước và đây là yêu cầu cơ bản trong việc tính toán
chi tiết khuếch đại dao động trong ng dụng sấy. Vì vậy, horn biên dạng trục bậc được
chọn để tính toán trong đề tài này. Các chi tiết trong cụm chuyển đổi siêu âm và horn
dạng trục bậc có dạng dao động giãn dài dọc theo trục y.
Dao động được truyền tiếp từ horn sang tấm bậc. Tấm bậc có tác dụng m rộng
diện tích phát sóng siêu âm và khuếch đại thêm dao động sóng âm để đáp ng các yêu
cầu về sấy. Tấm có dạng dao động uốn ngang. Các chi tiết trong cụm thiết bị được kết
nối với nhau thông qua các mối ghép ren.

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 13


Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ng dụng trong sấy.
2.2.2 Tính toán horn dng trc bc (Nad, 2010)
Chc năng chính ca horn là để khuếch đại biên độ ca sóng siêu âm ca công cụ
đến mc cần thiết để có thể làm việc hiệu quả. Các horn cũng là một yếu tố truyền
năng lượng dao động từ bộ chuyển đổi hướng tới các công cụ tương tác với vật liệu sấy
do được thiết kế có tần số dao động cộng hưng với các chi tiết khác trong cụm phát
sóng siêu âm. Việc thiết kế và chế tạo các chi tiết kiểu này yêu cầu một sự quan tâm
đặc biệt. Horn chế tạo không chính xác sẽ làm giảm hiệu suất công việc, có thể dẫn đến
sự phá hy ca hệ thống dao động và gây thiệt hại đáng kể cho các máy phát dao động.
Nói chung, các chi tiết khuếch đại này được làm bằng kim loại có độ bền cao hơn
và sự tổn thất âm thấp hơn các vật liệu khác. Khía cạnh quan trọng nhất ca thiết kế là
một chi tiết cộng hưng tần số và việc xác định chính xác bước sóng cộng hưng ca
chúng. Bước sóng cộng hưng này nên là bội số nguyên nửa bước sóng ca các chi tiết
trên. Việc xác định tần số cộng hưng ca horn với các biên dạng hình học đơn giản có
thể được tính toán bằng công thc giải tích. Đối với các dạng hình học phc tạp, tần số
cộng hưng thưng được xác định bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 14

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

a
:
k
a
=N
2
=
2
1
2
2
1









D
D


(2.4)
Với:
21
,


lần lượt là biên độ dao động tại mặt trước và mặt sau ca horn.
D
1
, D
2
lần lượt là đưng kính mặt trước và mặt sau ca horn.
2.2.2.1 Gii pháp phơn tích các dao đng tự do ca mt chi tit khuch đi sóng
Phương trình toàn cục dao động theo chiều dọc ca horn với mặt cắt ngang hình
tròn S (x), với môi trưng 1D liên tục, được thể hiện dưới dạng:
 
















2
2
2
2

2
),(),()(
)(
1,
x
txu
x
txu
x
xS
xS
c
t
txu
p
(2.5)
Với: x - tọa độ theo hướng dao động dọc,
u (x, t) - chuyển vị ca mặt cắt ngang theo phương dao động dọc,
S (x) = π (r (x))
2
- Diện tích mặt cắt ngang,
r (x) - bán kính ca mặt cắt ngang hình tròn,
c
p
=

/E
- vận tốc truyền sóng theo phương dọc trong môi trưng 1D liên
tục,
E - mô đun vật liệu Young,

ρ – khối lượng riêng vật liệu cấu thành horn,
Dao động tự do ca horn biên dạng hình trụ (r (x) = r) được mô tả bi phương trình
sóng sau:

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 15

2
2
2
2
2
),(),(
x
txu
c
t
txu
p





(2.6)
Li giải ca phương trình (2.6) được đề nghị có dạng: u (x, t) = U (x) T (t). Sau đó,
phương trình vi phân từng phần (2.6) được chia thành hai phương trình vi phân bình
thưng sau:
0)(

)(
2
2
0
2
2
 xU
cdx
xUd
p

(2.7)
0)(
)(
2
0
2
2
 tT
dt
tTd

(2.8)
Với ω
0
- tần số góc tự nhiên.
Đưa số lượng không th nguyên sau:
+ Tọa độ không th nguyên theo hướng dọc:
1;0;
0



l
x

+ Chuyển vị theo chiều dọc không th nguyên ca mặt cắt ngang:
0
)(
)(
l
xU



vào phương trình (2.7), chúng ta có được phương trình không th nguyên sau:
0)(
)(
2
2
2





d
d

Và li giải là:
)sin()cos()(


BA 
(2.9)
Với:
0
0
l
c
p



- tham số tần số,
l
0
- chiều dài ca horn,

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 16

Cả hai mặt ca horn đều có dao động theo hướng dọc trục. Với mặt sau được
gắn với một chi tiết ca bộ chuyển đổi điện-cơ tạo ra rung động siêu âm đơn trục và
mặt trước được gắn với bộ phận công tác. Vì thế, các điều kiện biên dao động tự do ca
phương trình (2.9) ca horn được đưa ra như sau:
0
)(
,0
)(
10











d
d
d
d
(2.10)
Ví thế, sau khi áp dụng các điều kiện biên (2.10) vào bài toán (2.9), ta thu được các
thông số dao động ca horn như sau:
+ Tần số dao động tự nhiên (Hz) ca dạng dao động th k:

E
l
k
f
k
0
0
2

(2.11)
+ Bước sóng ca dạng dao động th k:

k
k
k
22




(2.12)
Với β
k
là nghiệm th k ca phương trình đặc trưng và k = 1, 2,. . .
Để đạt được hiệu quả mong muốn trên các máy siêu âm, chỉ có hai dạng dao
động đầu tiên ca horn được sử dụng, ví dụ như cho k = 1 gọi là dạng "một nửa sóng"
và k = 2 gọi là dạng "nguyên sóng".
Việc xác định các dạng dao động và tần số tự nhiên ca horn dạng hình trụ hoặc
tròn xoay là tương đối đơn giản. Phân tích các tham số cho các hình dạng không phải
hình trụ thì phc tạp hơn nhiều. Vì vậy, để xác định thuộc tính dao động cho các horn
có biên dạng phc tạp hơn, các phương pháp số được khuyến khích sử dụng.
2.2.2.2 Các công thc tính toán đc tng quát cho horn dng trc bc
Tính toán horn dạng trục bậc (Hình 2.2) dựa vào các công thc sau (Abramov, 1998):

Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương 17


Hình 2.2 Horn dạng trục bậc
Chiu dài horn tính bằng công thc:
0

2 f
C
L
t

(2.13)
Với: C
t
là vận tốc truyền âm trong vật liệu (m/s).
f
0
là tần số dao động tính toán (Hz).
Chiu dài L
1
, L
2
đc tính bằng công thc:
L
1
=L
2
=
2
L
(2.14)
H số khuch đi dao đng k
a
:
k
a

=N
2
=
2
1
2
2
1









D
D


(2.15)
Với:
21
,

lần lượt là biên độ dao động tại mặt trước và mặt sau ca horn dạng bậc.
D
1
, D

2
lần lượt là đưng kính mặt trước và mặt sau ca horn dạng bậc.
Tọa đ điểm nút (điểm có biên đ dao đng bằng 0):