Nghiên cứu, thử nghiệm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy sản phẩm nông nghiệp

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

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ
PHÁT SÓNG SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG
SẤY SẢN PHẨM NÔNG NGHIỆP

MÃ SỐ: T2015-08TÐ

S K C0 0 5 3 3 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ PHÁT SĨNG SIÊU ÂM
ỨNG DỤNG TRONG SẤY
SẢN PHẨM NƠNG NGHIỆP

Mã số: T2015-08TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS. PHẠM HUY TUÂN

TP. HCM, 3/2016


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ PHÁT SÓNG SIÊU ÂM
ỨNG DỤNG TRONG SẤY
SẢN PHẨM NÔNG NGHIỆP

Mã số: T2015-08TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS. Phạm Huy Tuân
Thành viên đề tài: ThS. Nguyễn Văn Thái Dương

TP. HCM, 3/2016


MỤC LỤC
Trang

MỤC LỤC

I 

DANH MỤC CÁC BẢNG

IV 

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

V 

DANH MỤC CÁC HÌNH

VI 

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

IX 

PHẦN A. TỔNG QUAN

1 

1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngồi nước đã
cơng bố ............................................................................................................................ 1 
1.1 Các quá trình xử lý siêu âm năng lượng cao, những phát triển gần đây và tiến
bộ tiềm năng ................................................................................................................. 1 
1.2 Sấy siêu âm: các nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................... 4 
1.3 Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài ................................................. 6 

2 Mục đích của đề tài....................................................................................................... 7 
3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ................................................................................... 7 
3.1 Nhiệm vụ của đề tài ............................................................................................. 7 
3.2 Giới hạn của đề tài ............................................................................................... 8 
4 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 8 
PHẦN B. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

9 

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 9 
1.1 Cơ sở tính tốn của phương pháp phần tử hữu hạn ................................................... 9 
1.1.1 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dao động (Nad,
2010)............................................................................................................................. 9 
1.1.2 Phương pháp giải bài toán bằng phần tử hữu hạn........................................... 10 
1.2 Các lý thuyết để tính toán chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc .......................... 10 
Trang i


1.2.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm dùng trong sấy ................... 10 
1.2.2 Tính tốn horn dạng trục bậc .......................................................................... 11 
1.2.2.1 Giải pháp phân tích các dao động tự do của một chi tiết khuếch đại sóng .. 12 
1.2.2.2 Các cơng thức tính tốn được tổng qt cho horn dạng bậc ........................ 14 
1.2.2.3 Tính tốn cho tấm bậc có diện tích phát sóng mở rộng ............................... 15 
1.3 Giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu GENE ................................................................. 16 
1.4 Nguyên lý tách ẩm bằng sóng siêu âm .................................................................... 17 
CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CHI TIẾT HORN DẠNG TRỤC BẬC VÀ
TẤM BẬC ..................................................................................................................... 18 
2.1 Mục tiêu cần đạt được trong vấn đề thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc19 
2.2 Lựa chọn vật liệu và phương pháp tính tốn ........................................................... 20 
2.2.1 Chọn vật liệu ................................................................................................... 20 

2.2.2 Phương pháp tính tốn .................................................................................... 22 
2.2.2.1 Đối với horn dạng trục bậc .......................................................................... 22 
2.2.2.2 Đối với tấm bậc ............................................................................................ 22 
2.3 Tính tốn và thiết kế ................................................................................................ 23 
2.3.1 Sơ đồ thiết kế horn dạng trục bậc và tấm bậc ................................................. 23 
2.3.2 Tiến hành tính tốn, mơ phỏng ....................................................................... 24 
2.3.2.1 Tính horn dạng trục bậc ............................................................................... 24 
2.3.2.2 Tính tốn cho tấm bậc .................................................................................. 29 
2.4 Mô phỏng kiểm tra tần số, ứng suất của cụm horn dạng trục bậc và tấm bậc ........ 38 
2.5 Mơ phỏng trường áp suất sóng âm của tấm lên mơi trường khơng khí .................. 40 
CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO MẪU VÀ ĐO TRỞ KHÁNG CƠ.......................................... 43 
3.1 Chế tạo mẫu ............................................................................................................. 43 
3.2 Đo trở kháng âm và tần số cộng hưởng ................................................................... 44 
3.3 Vấn đề kết nối trở kháng ......................................................................................... 46 
3.3.1 Giới hạn công suất điện, cơ và kết nối trở kháng trong các tinh thể áp điện.. 46 
3.3.2 Kết nối trở kháng các chi tiết khác trong cụm siêu âm................................... 50 
CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM SẤY, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................. 51 
Trang ii


4.1 Mơ hình thí nghiệm sấy ........................................................................................... 51 
4.1.1 Chuẩn bị mẫu sấy ............................................................................................ 52 
4.1.2 Dữ liệu sấy ...................................................................................................... 53 
4.2 Kết quả và thảo luận ................................................................................................ 54 
4.2.1 Kết quả sấy sơ bộ ............................................................................................ 54 
4.2.2 Kết quả sấy đến độ ẩm cân bằng..................................................................... 57 
4.2.3 Thảo luận về kết quả tính horn và tấm bậc ..................................................... 58 
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ ......................................................................... 60 
5.1 Kết luận.................................................................................................................... 60 
5.1.1 Tần số dao động riêng của cụm phát sóng siêu âm và trở kháng đo được ..... 60 

5.1.2 Kết luận về hiệu quả quá trình sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm ................. 61 
5.1.3 Tổng kết .......................................................................................................... 61 
5.2 Đề nghị .................................................................................................................... 61 
5.2.1 Các vấn đề còn tồn tại ..................................................................................... 61 
5.2.2 Hướng phát triển của đề tài ............................................................................. 62 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 64 
PHỤ LỤC 1. CODE TÍNH CHO HORN ...................................................................... 67 
PHỤ LỤC 2. CODE TÍNH CHO TẤM BẬC ............................................................... 68 
PHỤ LỤC 3. HƯỚNG DẪN CAO HỌC ...................................................................... 70 
PHỤ LỤC 4. BÀI BÁO THAM DỰ HỘI NGHỊ, TẠP CHÍ TRONG VÀ NGỒI
NƯỚC ............................................................................................................................ 72 
PHỤ LỤC 5. BẢN SAO THUYẾT MINH ĐỀ TÀI ĐÃ ĐƯỢC PHÊ DUYỆT .......... 73 



Trang iii


DANH MỤC CÁC BẢNG
BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Các thuộc tính của thép SS 41(Wang 2011) ..................................................21 
Bảng 2.2 Các thuộc tính của hợp kim nhơm AA7075-T6 (Nguyen 2014).....................22 
Bảng 2.3 Kết quả tính tốn horn dạng trục bậc bằng công thức lý thuyết. ..................25 
Bảng 2.4 Kết quả mô phỏng của horn dạng trục bậc ở các mức chia lưới khác nhau.28 
Bảng 2.5 Các kích thước của horn được thiết kế ..........................................................28 
Bảng 2.6 Tần số dao động của tấm tương ứng với các Mode khác nhau .....................32 
Bảng 2.7 Các kích thước của tấm bậc sau khi đã tối ưu ..............................................34 

Bảng 2.8 Kết quả mô phỏng tấm bậc trong AnsysWorkbench với các mức chia lưới
khác nhau .......................................................................................................................36 
Bảng 2.9 Kết quả mô phỏng cho cụm chi tiết với các mức chia lưới khác nhau. .........39 

Bảng 4.1 Số liệu sấy qua hai mẻ sấy: có sự hỗ trợ của siêu âm và khơng có sự hỗ trợ
siêu âm ...........................................................................................................................54 

Trang iv


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

GA

: Genetic Algorithm

CNC

: Computer Numerical Control

PLC

: Programmable Logic Controller

Trang v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
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). .......................................2 
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). .............................2 
Hình 3 Mơ hình chống tạo bọt siêu âm. (Gallego-Jrez, 2009, 2010a). ......................3 
Hình 4 Hệ thống sấy siêu âm. (Gallego-Juárez, 2009, 2010a). .....................................4 
Hình 5 Sơ đồ của sấy đối lưu khơng khí với sự hỗ trợ của siêu âm. (Ortuno 2010b). ...6 
Hình 6 Mơ 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)....................................7 
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy............11 
Hình 1.2 Horn dạng trục bậc ........................................................................................15 
Hình 2.1 Sơ đồ thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc. .....................................................23 
Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế tấm bậc. ...................................................................................24 
Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn biên độ dao động của horn ứng với tần số 19,2 kHz. .........25 
Hình 2.4 Xây dựng mơ hình horn trong Geometry của AnsysWorkbench. ..................26 
Hình 2.5 Chia lưới mơ hình horn trong Model.............................................................26 
Hình 2.6 Thiết lập các điều kiện biên. ..........................................................................27 
Hình 2.7 Lấy kết quả bài tốn trong Result. .................................................................27 
Hình 2.8 Xác định điểm x0.............................................................................................29 
Hình 2.9 Lưu đồ giải thuật tối ưu để xác định tần số làm việc và các kích thước của
tấm được thiết kế. ..........................................................................................................30 
Hình 2.10 Một số dạng dao động của tấm được thiết kế. .............................................31 
Trang vi


Hình 2.11 Phân bố chuyển vị của tấm phẳng có chiều dài 260 mm, dầy 29 mm dao
động ở Mode 8. ..............................................................................................................34 
Hình 2.12 Phân bố chuyển vị của tấm bậc được thiết kế tại tần số 19,2 kHz ..............35 
Hình 2.13 Chia lưới cho mơ hình ở mức mịn 53766 phần tử; 83924 nút. ...................37 
Hình 2.14 Dạng Mode 8 của tấm với tần số làm việc 20030 Hz ..................................37 
Hình 2.15 Bản vẽ thiết kế tấm bậc ................................................................................38 

Hình 2.16 Chia lưới cho cụm tấm và horn với mối ghép ren M12 với mức mịn (147425
phần tử; 236671 nút). ....................................................................................................39 
Hình 2.17 Dạng dao động của cụm horn và tấm bậc tại tần số 19987 Hz. .................40 
Hình 2.18 Phân bố ứng suất Von-Mises của cụm. .......................................................40 
Hình 2.19 Mơ hình phân tích phân bố áp suất sóng âm lên mơi trường của 2 trường
hợp: (a,b) tấm phẳng, và (c,d) tấm bậc. ........................................................................41 
Hình 3.1 Cụm chi tiết phát sóng siêu âm với horn dạng bậc và tấm bậc. ....................44 
Hình 3.2 Kết quả đo trở kháng của cụm phát sóng siêu âm .........................................45 
Hình 3.3 Cụm phát sóng siêu âm dùng trong ứng dụng sấy.........................................47 
Hình 3.4 Mạch điện tương đương cho các tấm tinh thế sứ áp điện: (a) Mạch cơ khí;
(b) Mạch điện tương đương (Gallego-Juárez, 2006) ....................................................48 
Hình 3.5 Mơ hình mạch điện phân tích trở kháng cho cụm siêu âm (Tao 2011). ........50 
Hình 4.1 Hệ thống sấy siêu âm gián tiếp được xây dựng để thí nghiệm. .....................51 
Hình 4.2 Lát cà rốt được chuẩn bị trước khi đem vào sấy ...........................................53 
Hình 4.3 Cân điện tử METTLER TOLEDO, model: RW00-1220-301 được sử dụng để
cân mẫu sấy. ..................................................................................................................53 
Hình 4.4 Đồ thị so sánh tốc độ sấy khi xử dụng hai phương pháp sấy có và khơng có
sự hỗ trợ của siêu âm. ...................................................................................................55 

Trang vii


Hình 4.5 Mẫu 1: Mẻ cà rốt chưa sấy; Mẫu 2: Mẻ cà rốt đã sấy với siêu âm; Mẫu 3:
Mẻ cà rốt đã sấy khơng có siêu âm. ..............................................................................55 
Hình 4.6 Mơ hình bố trí thí nghiệm để sấy đến độ ẩm cân bằng .................................57 
Hình 4.7 Đồ thị giảm ẩm của vật liệu theo thời gian sấy tới khi đạt độ ẩm cân bằng có
sử dụng dụng và khơng sử dụng siêu âm. ......................................................................58 

Trang viii

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ MÁY

Tp. HCM, ngày 27 tháng 2 năm 2016

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu, thử nghiệm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng trong
sấy sản phẩm nông nghiệp
- Mã số: T2015-08TĐ
- Chủ nhiệm: TS. Phạm Huy Tuân
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: 12 tháng (từ tháng 1/2015 đến tháng 12/2015)
2. Mục tiêu:
— Nghiên cứu phát triển công nghệ siêu âm hỗ trợ q trình sấy khơ, kiểu sấy nóng
với dịng khơng khí cưỡng bức nhằm hướng đến sấy các sản phẩm nông nghiệp
chất lượng cao ở quy mô bán công nghiệp hoặc công nghiệp như các loại gỗ quý,
thuốc, thảo dược (màng lụa hạt gấc, sâm tươi), ...
3. Tính mới và sáng tạo:
— Công nghệ sấy với sự hỗ trợ của năng lượng siêu âm là một hướng nghiên cứu
hoàn toàn mới tại Việt Nam. Hướng nghiên cứu này cũng đã được nghiên cứu ở

nước ngoài nhưng với mức độ khá hạn chế do nhiều nguyên nhân như quy trình
thiết kế khá phức tạp, trang thiết bị phục vụ nghiên cứu đắt tiền. Tuy nhiên một số
kết quả ban đầu đã chỉ ra rằng việc ứng dụng sóng siêu âm hỗ trợ sấy giúp giảm
đáng kể năng lượng tiêu hao và đặc biệt là lưu giữ tối đa hàm lượng dinh dưỡng
trong các sản phẩm sấy.

Trang ix


— Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị phát siêu âm hỗ trợ cho q trình sấy nóng ứng
dụng cho các sản phẩm nơng nghiệp có giá trị cao kết hợp với việc phân tích ảnh
hưởng của nhiệt độ sấy tới chất lượng của sản phẩm. Tác giả sử dụng mơ 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.
4. Kết quả nghiên cứu:
— Đề tài đã đề xuất được quy trình thiết kế tấm phát xạ dao động ở tần số siêu âm
dạng tấm bậc dốc sử dụng công cụ phần tử hữu hạn kết hợp giải bài toán tối ưu
dùng giải thuật di truyền. Dựa trên kết quả tính tốn, một mơ hình hệ thống sấy
dùng siêu âm đã được chế tạo và đưa vào sấy thực nghiệm sản phẩm nơng nghiệp.
Kết quả thí nghiệm cho thấy mẻ sấy có sử dụng năng lượng siêu âm phát ra từ
thiết bị được chế tạo có thời gian sấy giảm so với sấy truyền thống.
— Thành công của đề tài này sẽ mở ra một hướng mới cho công nghệ sấy sản phẩm
nông nghiệp sau thu hoạch vốn là một thế mạnh của Việt Nam trong khu vực
Đông Nam Á.
5. Sản phẩm:
5.1 Sản phẩm khoa học
[1]. Pham Huy Tuan, Nguyen Van Thai Duong, Nguyen Xuan Quang, 2014,
“Computational Modeling and Design of a High-Intensity Ultrasonic
Transducer with Extensive Radiator for Food Dehydration ,” The 2nd

International Conference on Green Technology and Sustainable
Development (GTSD2014), HCMC University of Technology and Education,
Oct. 30th – 31st, HCM city, Vietnam, pp. 234-239, 2014.
[2]. Phạm Huy Tuân, Nguyễn Xuân Quang, Nguyễn Ngọc Phương, 2016, “Thiết
kế chế tạo thiết bị phát sóng siêu âm tập trung cho ứng dụng sấy thực phẩm”
Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ các trường ĐHKT, Vol. 110, (Đã được chấp
nhận cho đăng).
5.2 Sản phẩm đào tạo:
Hướng dẫn thành công 1 học viên cao học
— Tên học viên: Nguyễn Văn Thái Dương
Trang x


— Ngành

: Kỹ thuật cơ khí

— Tên đề tài

Khóa: 2012-2014(B)

: “Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong sấy chất lượng cao sản

phẩm nông sản quy mô công nghiệp”
— Điểm

: 8.8 (Tám tám)

5.3 Sản phẩm ứng dụng
— Sản phẩm ứng dụng là mơ hình hệ thống sấy đối lưu tích hợp thiết bị phát sóng

siêu âm tần số 20kHz, cường độ năng lượng siêu âm khoảng 10.7 W/cm2.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
— Đề tài đã nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm thành cơng thiết bị sấy có sự hỗ trợ
của sóng siêu âm. Để tiếp tục phát triển và để có thể chuyển giao cơng nghệ trong
thời gian tới, đề tài sẽ phải kết hợp với các chuyên gia về nông nghiệp và thực
phẩm nhằm nghiên cứu kỹ hơn tác dụng của công nghệ sấy này đến các vấn đề
dinh dưỡng và thời gian bảo quản sản phẩm sấy.

Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

TS. Phạm Huy Tuân

Trang xi


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:
Project title: Design and develop a high-intensity ultrasonic transducer for food
dehydration
Code number: T2015-08TĐ
Coordinator: Pham Huy Tuan (Ph.D.)
Implementing institution: HCMC University of Technology and Education
Duration: from January 2015 to December 2015
2. Objective(s):
— This research aims to develop ultrasonics assisted drying technology based on

convective dehydration method. The potentiality of this technology is to dry heat
sensitive materials and high-quality dry products in large-scale industrial
applications
3. Creativeness and innovativeness:
— The ultrasonics assisted drying technology has not been studied in Vietnam. This
technology has already been researched in the world for decades but its popularity
is limited. Possible obstacles could be due to its complexity in the design process
and its cost-intensive equipments. However certain research results showed that
the use of ultrasonics could help to reduce considerably drying energy and
especially it could preserve maximum nutrition in the dehydration products.
— This project designs a high-intensity ultrasonic transducer to assist the convection
drying process. Its purpose is to dry heat sensitive materials and high-quality dry
products. An experimental model has been built to verify for the effectiveness of
the new drying technology.

4. Research results:

Trang xii


— This project proposed a procedure to design an ultrasonic inclined-stepped plate
radiator by using genetic algorithm optimization scheme and finite element
analyses. Based on the optimum design results, prototypes of the transducer are
fabricated by a numerical control machining process. The effect of the ultrasonic
field generated by the proposed design was investigated via a drying experiment of
carrots which showed a considerable reduction in the drying time compared to the
traditional method.
— The results of this research will open the door to a new technology for drying postharvesting agriculture products which is a strength of Vietnam among the SouthEast Asia countries.

5. Products:

5.1 Science product
[1].

Pham Huy Tuan, Nguyen Van Thai Duong, Nguyen Xuan Quang, 2014,
“Computational Modeling and Design of a High-Intensity Ultrasonic
Transducer with Extensive Radiator for Food Dehydration ,” The 2nd
International Conference on Green Technology and Sustainable
Development (GTSD2014), HCMC University of Technology and
Education, Oct. 30th – 31st, HCM city, Vietnam, pp. 234-239, 2014.

[2].

Pham Huy Tuan, Nguyen Xuan Quang, Nguyen Ngoc Phuong, 2016,
“Design and Fabrication of a High-Intensity Ultrasonic Transducer for Food
Dehydration” J. Science & Technology: Technical Universities, Vol. 110,
(in Vietnamese) (Accepted)

5.2 Education product:
— Successfully supervise a graduate student.
5.3 Application product:
— The application product is a convective drying system integrating an ultrasonic
transducer working in the frequency of 20 kHz, the ultrasonic power density is
10.7 W/cm2.

Trang xiii


6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
— The project has successfully designed, fabricated and experimentally validated the
ultrasonic assisted drying device. In order to transfer this technology to society, it

is supposed to co-operate with agricultural and food technology experts to further
investigate other drying parameters which could improve the remained nutrition
and preservation time.

Trang xiv


PHẦN A. TỔNG QUAN
1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
đã cơng bố
1.1 Các q 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 q
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 cơng 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 cơng nghiệp thực phẩm, mơi trường,
dược phẩm, sản xuất hóa chất, máy móc, khai thác…nơi mà năng lượng siêu âm đang
trở thành một cơng nghệ mới nổi cho q trình phát triển.
Trong lĩnh vực xử lý siêu âm trong môi trường chất lỏng và đặc biệt hơn trong
mơi 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 khơng 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. Mơi 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
1


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-Jrez, 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).
2


- 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 khơng gây ơ nhiễm, khơng ion hóa
khơng khí, đóng một vai trị quyết định trong việc liên tục tìm kiếm các phương pháp

sản xuất an tồn 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 mơ hình chống tạo bọt bằng siêu âm trong cơng nghiệp.

Hình 3 Mơ hình chống tạo bọt siêu âm. (Gallego-Jrez, 2009, 2010a).
Hình 4 giới thiệu một mơ hình sấy đối lưu có sự hỗ trợ của năng lượng sóng siêu âm.

3


Hình 4 Hệ thống sấy siêu âm. (Gallego-Juárez, 2009, 2010a).
- Ngồi ra, siêu âm năng lượng cao cịn được ứng dụng trong nhiều khía cạnh khác
như trong vấn đề mơi trường, làm sạch, gia cơng cơ khí…Trong khn 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.
1.2 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, q 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 khơng gian nhỏ hơn để lưu trữ. Tuy
nhiên, q trình sấy khơ 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
q 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 khơ 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

4


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 ngơ (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 cơng 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 khơng khí (Cárcel et al., 2007 ; García-Pérez et al., 2007), nhiệt độ (GarcíaPérez et al., 2006) hoặc năng lượng siêu âm được sử dụng (García-Peréz et al., 2009).
Ngồi ra, đặc tính sản phẩm cũng ảnh hưởng đến ảnh hưởng siêu âm vào các q trình
sấy khơ. 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 đốn 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 khơng giải quyết trước đó. Hình 5
giới thiệu mơ hình sấy đối lưu với sự hỗ trợ của sóng siêu âm.

5


Hình 5 Sơ đồ của sấy đối lưu khơng 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 cơng 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 cơng
nghiệp. Tình hình nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ siêu âm vào các q trình cơng
nghiệp ở Việt Nam còn rất hạn chế, đa phần chỉ dừng lại ở mức độ sử dụng các cơng
nghệ có sẵn của nước ngoài. Chúng ta chưa làm chủ được công nghệ này.
1.3 Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài
Từ những kết luận dựa vào các công trình đã cơng 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 nơng 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 mơ hình sấy gián tiếp (sấy đối lưu với sự hỗ trợ

6


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 tốn, 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 q trình sấy khơ, kiểu sấy nóng
với dịng khơng 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...

1
2
3

Hình 6 Mơ 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
3.1 Nhiệm vụ của đề tài
 Tính tốn, thiết kế, mô phỏng cụm thiết bị siêu âm hỗ trợ q trình sấy khơ, kiểu
sấy nóng với dịng khơng 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 7075T6 và thép SS 41.

7


 Xây dựng mơ hình thí nghiệm sấy có và khơng 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.
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 tốn 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 nhơm AA 7075-T6 có tần số làm việc gần 20 kHz.
 Đề tài khơng 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 trịn có bậc, có kht
rãnh cong…với các tần số làm việc khác nhau như: 40 kHz, 60 kHz,…do khơng
có kinh phí mua thiết bị gồm nguồn phát, bộ chuyển đổi, các thiết bị hỗ trợ…
4 Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp nghiên cứu, 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.

8