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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN THÁI DƯƠNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG SẤY
CHẤT LƯỢNG CAO SẢN PHẨM NÔNG SẢN
QUY MÔ CÔNG NGHIỆP

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

S K C0 0 4 3 3 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN THÁI DƯƠNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG SẤY
CHẤT LƯỢNG CAO SẢN PHẨM NÔNG SẢN QUY MÔ
CÔNG NGHIỆP

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN THÁI DƯƠNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG SẤY
CHẤT LƯỢNG CAO SẢN PHẨM NÔNG SẢN QUY MÔ
CÔNG NGHIỆP

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103
Hướng dẫn khoa học:
TS PHẠM HUY TUÂN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Nguyễn Văn Thái Dương

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1988

Nơi sinh: Khánh Hòa

Quê quán: Khánh Hòa

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 326 Bình Lợi, Bình Thạnh, TpHCM
Điện thoại: 0986586207
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: chính quy

Thời gian đào tạo: năm 2006 - 2010

Nơi học: Trường Đại học Nông Lâm Tp.HCM
Ngành học: Cơ Khí Nông Lâm
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
“ Khảo nghiệm và đánh giá khả năng ứng dụng của máy gieo Boktseeder”
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: bảo vệ đồ án tốt nghiệp vào
năm 2010 tại khoa cơ khí cơ khí công nghệ.
Người hướng dẫn: TS. Bùi Ngọc Hùng, ThS. Nguyễn Hải Triều
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
11/2010 đến nay

Nơi công tác
Công ty TNHH Dynaplast
Pakeging VN

i

Công việc đảm nhiệm
Production Supervisor


IV. CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI:
[1]

Pham Huy Tuan., Nguyen Van Thai Duong., Nguyen Xuan Quang.,
Computational Modeling and Design Of A High-Intensisty Ultrasonic Transducer
With Extensive Radiator For Food Dehydration, The 2014 International
Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2014),
HCM city University of Technical Education, Oct. 30th – 31th, HCM city,
Vietnam. (Accepted)

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

iii


LỜI CẢM TẠ

Tôi xin gởi lời tri ân chân thành và sâu sắc đến người Thầy hướng dẫn của tôi là
TS. PHẠM HUY TUÂN. Thầy đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều về mặt học thuật,
cả vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này.
Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Ths. Nguyễn Xuân Quang đã
hỗ trợ và có những đóng góp tích cực giúp tôi hoàn thiện đề tài.
Tôi xin cảm ơn quý Thầy Cô đã tận tâm giảng dạy trong suốt quá trình học tại
trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM. Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu và các Thầy
Cô quản lý chương trình cao học đã tạo điều kiện tốt trong quá trình học.
Xin cảm ơn các tác giả của các tài liệu mà tôi đã sử dụng trong suốt quá trình
nghiên cứu hoàn thiện đề tài.
Tôi xin cảm ơn tập thể lớp cao học CKM12B đã hỗ trợ tôi trong suốt thời gian
học tập tại trường.
Cuối cùng tôi xin biết ơn gia đình đã luôn động viên, luôn dõi theo những bước
chân của tôi trong suốt 2 năm học vừa qua.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

Nguyễn Văn Thái Dương

iv


TÓM TẮT
Sấy đối lưu với sự hỗ trợ của sóng siêu âm là một công nghệ xanh và bền vững.
Phương pháp này giới thiệu một cách hiệu quả để cải thiện tốc độ sấy trong việc bảo
quản sản phẩm nông nghiệp do hiệu ứng nhiệt thấp và nâng cao chất lượng của sản
phẩm được bảo quản. So với các công nghệ sấy truyền thống khác, phương pháp này
đã được chứng minh là có khả năng tiết kiệm năng lượng. Một số bộ chuyển đổi siêu
âm năng lượng cao với diện tích phát sóng mở rộng đã được đề xuất và được sử dụng
để sấy những nguyên liệu nhạy với nhiệt và các sản phẩm chất lượng cao. Tuy nhiên,
các phương pháp thiết kế cho các thiết bị thế này vẫn còn là một quá trình rắc rối và chỉ

được thực hiện cho các biên dạng cơ bản. Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm
trong sấy chất lượng cao sản phẩm nông sản quy mô công nghiệp” giới thiệu một
phương pháp thiết kế đơn giản cho một tấm phát sóng siêu âm có diện tích mở rộng và
một chi tiết khuếch đại sóng dạng trục bậc bằng cách sử dụng một chương trình tối ưu
hóa thuật toán di truyền và phân tích phần tử hữu hạn. Toàn bộ cấu trúc sẽ làm việc tại
tần số 20kHz. Một phân tích trường áp suất âm với mô hình cấu trúc rắn - lưu chất
cũng được thực hiện để điều tra phân bố áp suất âm trong môi trường. Một thí nghiệm
sấy được tiến hành để đánh giá hiệu quả của các thiết kế.
Từ khóa: siêu âm năng lượng cao, những bộ chuyển đổi siêu âm, phân tích kết
hợp rắn-lỏng, phân tích âm, giải thuật di truyền, sấy siêu âm.

v


ABSTRACT
Ultrasound-assisted convective drying is a green and sustainable technology that
offers an interesting way to improve dehydration rate in agriculture products
processing due to a low heating effect, and increase the quality of the preserved food.
In comparison to other traditional drying technologies, this method has been proven to
have the energy savings potential. A number of high-power ultrasonic transducers with
extensive radiators have been proposed and used to dry heat sensitive materials and
high-quality dry products. Nevertheless the design methodology for those devices is
still a troublesome process and only works with basic geometries. In this thesis:
“Research on ultrasonic assisted drying of high quality agricultural products at
industrial scale”, a simple design method for a rectangular plate of stepped profile and
stepped amplification horn using a genetic algorithm optimization scheme and finite
element analyses is developed. The whole structure would be resonated at 20kHz. An
acoustic analysis with a coupled fluid-structure model is also undertaken to investigate
the scattering pressure inside the drying medium. The drying experiments were
conducted to evaluate the effectiveness of the design.

Keywords: High-intensity ultrasonic, transducers, coupled fluid-structure
analysis, acoustic analysis, genetic algorithm, ultrasonic drying.

vi


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

Chƣơng 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

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

10

vii


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

Chƣơng 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHI TIẾT HORN DẠNG TRỤC BẬC
VÀ TẤM 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
viii

28


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

Chƣơng 4. CHẾ TẠO MẪU VÀ ĐO TRỞ KHÁNG CƠ

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

Chƣơng 5. THÍ NGHIỆM SẤY, KẾT QUẢ VÀ THẢO 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

ix


Chƣơng 6. KẾT LUẬN – 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 KHẢO

69

PHỤ LỤC

72

x


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
FEM: Finite Element Method.
GA:

Genetic Algorithm

xi


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 x0.

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

xii


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

xiii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 3.1: Các thuộc tính của thép SS 41

25

Bảng 3.2: Các thuộc tính của hợp kim nhôm AA7075-T6

25

Bảng 3.3: Kết quả tính toán horn dạng trục bậc bằng công thức lý thuyết.

28

Bảng 3.4: Kết quả mô phỏng của horn dạng trục bậc ở các mức chia lưới khác nhau 31
Bảng 3.5: Các kích thước của horn được thiết kế

31

Bảng 3.6: Tần số dao động của tấm tương ứng với các Mode khác nhau

35

Bảng 3.7: Các kích thước của tấm bậc sau khi đã tối ưu

38

Bảng 3.8: Kết quả mô phỏng tấm bậc trong AnsysWorkbench với các mức chia lưới
khác nhau

40

Bảng 3.9: Kết quả mô phỏng cho cụm chi tiết với các mức chia lưới khác nhau.

43

Bảng 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

xiv


Luận văn cao học

GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nƣớc đã công bố
1.1.1 Các quá trình xử lý siêu âm năng lƣợng cao, những phát triển gần đây và
tiến bộ tiềm năng (Gallego-Juárez, 2009, 2010)
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 lƣợng 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
HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương

1


Luận văn cao học

GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

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
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 1.1), tấm có rãnh, tấm dạng
bậc có rãnh và bộ phát dạng trụ (hình 1.2)…

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.
Nguồn: (Gallego-Juárez, 2009, 2010).

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương

2


Luận văn cao học

GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

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.
Nguồn: (Gallego-Juárez, 2009, 2010).
- 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 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
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 sự hỗ trợ của 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 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.

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương

4

Luận văn cao học

GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

1.1.2 Sấy siêu âm: các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc (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 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 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 mục 2.4.
Kỹ thuật sấy đối lưu với sự hỗ trợ của 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 (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 cứu này cho thấy hiệu
quả đáng kể của năng lượng sóng siêu âm 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
HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương

5


Luận văn cao học

GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

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 hưởng
của 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
1.5 giới thiệu mô hình sấy đối lưu với sự hỗ trợ của sóng siêu âm.

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

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương

6

Luận văn cao học

GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

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.
1.1.3 Nhận xét chung và hƣớng 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
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.
1.2 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 1.6) 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...

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương

7


Luận văn cao học

GVHD : TS. Phạm Huy Tuân

1

2
3

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 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
1.3.1 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-T6
và thép SS 41.
- 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.
1.3.2 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 19,2 kHz bằng vật

HVTH : Nguyễn Văn Thái Dương

8