Nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết ảnh hưởng của tiền xử lý bằng siêu âm đến quá trình sấy

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết ảnh hưởng tiền xử lý siêu âm đến trình sấy NGUYỄN VĂN THUẬN Ngành: Kỹ thuật nhiệt Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Kiều Hiệp Khoa: Trường: Năng lượng nhiệt Cơ Khí HÀ NỘI, 04/2023 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết ảnh hưởng tiền xử lý siêu âm đến trình sấy NGUYỄN VĂN THUẬN Thuan.NV211257M@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật Nhiệt Chuyên ngành: Hệ thống Thiết bị Nhiệt Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Kiều Hiệp Chữ ký GVHD Nhóm chun mơn: Khoa: Trường: Kỹ thuật nhiệt Năng lượng nhiệt Cơ Khí HÀ NỘI, 04/2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: x Những nội dung luận văn tơi hồn tồn thực hướng dẫn thầy TS Lê Kiều Hiệp x Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này, tài liệu tham khảo trích dẫn rõ ràng tên tác giả, nhà xuất theo thông tin in ấn tài liệu x Nếu sai, xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Hà Nội, ngày 29 tháng 03 năm 2023 Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên Nguyễn Văn Thuận ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (NGÀNH KỸ THUẬT NHIỆT) Thông tin sinh viên: Họ tên HV: Nguyễn Văn Thuận Lớp: 21A-HE-KTN ĐT: 0989.86.44.98 Email: Thuan.NV211257M@sis.hust.edu.vn Hệ đào tạo: Chính quy Chuyên ngành: Hệ thống thiết bị Nhiệt Luận văn thạc sĩ thực tại: Khoa Năng lượng Nhiệt, Trường Cơ khí Thời gian làm luận văn: Từ ngày 03/03/2022 đến 31/03/2023 Tên đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết ảnh hưởng tiền xử lý siêu âm đến trình sấy Nội dung cần thực hiện: - Nghiên cứu tổng quan ảnh hưởng tiền xử lý siêu âm đến trình sấy - Xây dựng hệ thống thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng tiền xử lý siêu âm đến trình sấy - Phân tích ảnh hưởng tiền xử lý siêu âm đến trình sấy cho bơ long cắt lát - Xây dựng mơ hình tốn học xác định hệ số khuếch tán ẩm vật liệu - So sánh đánh giá kết mô kết thực nghiệm Hà Nội, ngày 03 tháng 03 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn TS Lê Kiều Hiệp Lời cảm ơn Trong suốt trình học tập thực luận văn thạc sĩ, em nhận quan tâm, hướng dẫn giúp đỡ tận tình từ q thầy, giáo Đại học Bách khoa Hà Nội nói chung thầy khoa Năng lượng Nhiệt – trường Cơ Khí nói riêng Lời cho phép em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu Đại học Bách khoa Hà Nội, ban chủ nhiệm khoa Năng lượng nhiệt – Trường Cơ khí tận tình giúp đỡ em suốt thời gian học tập nghiên cứu trường Cảm ơn quý thầy cô truyền đạt cho em kiến thức vơ bổ ích, qua giúp em có sở vững để vận dụng vào luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết ảnh hưởng tiền xử lý siêu âm đến trình sấy” Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy TS Lê Kiều Hiệp trực tiếp hướng dẫn, bảo, động viên, giúp đỡ em suốt thời gian học tập toàn thời gian thực luận văn thạc sĩ Nhờ giúp đỡ tận tình thầy mà em thêm phần hiểu bước thực hoàn thiện tốt luận văn bổ sung kiến thức hữu ích cho thân, góp phần chuẩn bị hành trang vững trước tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Đề tài Cấp Bộ Giáo dục Đào tạo mã số B2021-BKA-12 “Ứng dụng công nghệ sấy siêu âm bảo quản sau thu hoạch sản phẩm nông nghiệp” hỗ trợ em thực số nội dung luận văn Em xin bày tỏ lịng biết ơn tới gia đình, người thân, bạn bè giúp đỡ, động viên em hồn thiện luận văn thạc sĩ Tóm tắt nội dung luận văn Đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết ảnh hưởng tiền xử lý siêu âm đến trình sấy Học viên: Nguyễn Văn Thuận MSHV: 20211257M Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Một nghiên cứu ảnh hưởng công nghệ tiền xử lý siêu âm đến trình sấy thực luận văn nhằm đánh giá khả ứng dụng công nghệ xử lý với mục đích rút ngắn thời gian sấy khơ qua giảm thiểu chi phí tiêu hao lượng, đồng thời cải thiện chất lượng thành phẩm sau sấy Sản phẩm nông sản cụ thể lựa chọn nghiên cứu bao gồm bơ Đắk Lắk, long ruột trắng long ruột đỏ từ tỉnh Bình Thuận Đây loại trái giàu dinh dưỡng ngày người tiêu dùng quan tâm Tuy nhiên, loại trái có tính thời vụ khó khăn việc thực sấy khô Các công nghệ sấy lạnh giải vấn đề tồn trình sấy lại có hiệu lượng tương đối thấp, thời gian sấy thường kéo dài đáng kể so với phương pháp sấy đối lưu khơng khí nóng Nhằm giải tình trạng trên, cơng nghệ tiền xử lý sóng siêu âm vật liệu sấy đề xuất nghiên cứu Đề tài nhánh nghiên cứu Đề tài cấp Bộ Giáo dục Đào tạo mã số B2021-BKA-12 “Ứng dụng công nghệ sấy siêu âm bảo quản sau thu hoạch sản phẩm nông nghiệp” TS Lê Kiều Hiệp chủ nhiệm Nội dung nghiên cứu bao gồm chương tập trung vào nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng mơ hình thực nghiệm xây dựng mơ hình lý thuyết mơ tả q trình sấy ™ Nghiên cứu tổng quan x Luận văn tổng hợp nghiên cứu ảnh hưởng công nghệ tiền xử lý siêu âm tới trình sấy Hầu hết kết cho thấy tác động tích cực cơng nghệ tới động học q trình sấy chất lượng sản phẩm khơ x Bằng cách can thiệp làm thay đổi cấu trúc bên vật liệu sấy, công nghệ tiền xử lý siêu âm chứng minh có khả tăng cường q trình truyền nhiệt – truyền chất, qua tăng cường tốc độ sấy x Kết nghiên cứu tổng quan vật liệu sấy cho thấy hội thách thức công nghệ ứng dụng cho sản phẩm bơ, long ruột trắng long ruột đỏ x Việc sớm áp dụng công nghệ tiền xử lý siêu âm nhằm rút ngắn thời gian sấy khơ, giảm thiểu chi phí tiêu hao lượng trình sấy sản phẩm bơ, long ruột trắng long ruột đỏ cấp thiết, đặc biệt giai đoạn khủng hoảng lượng toàn cầu ™ Nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm thực nghiêm ngặt theo bước với tổng 24 chế độ sấy khác cho loại sản phẩm Kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng: x Khi tăng kích thước chiều dày mẫu sản phẩm từ mm lên mm kéo dài thời gian sấy từ khoảng 150÷200% Mặt khác nhiệt độ tác nhân sấy tăng từ 40 oC lên 60 oC thời gian sấy khơ rút ngắn khoảng 100÷150 phút tùy vào điều kiện sấy khác x Ảnh hưởng thời gian tiền xử lý siêu âm tới trình sấy long ruột trắng long ruột đỏ tương đối tích cực; thời gian sấy long ruột đỏ rút ngắn khoảng 37% với mẫu trải qua 60 phút xử lý Tuy nhiên ảnh hưởng công nghệ không rõ rệt bơ x Công nghệ tiền xử lý siêu âm giúp cải thiện màu sắc long ruột đỏ không ảnh hưởng đáng kể tới màu sắc long ruột trắng suốt trình sấy ™ Xây dựng mơ hình thực nghiệm Nghiên cứu xây dựng thành cơng mơ hình thực nghiệm mô tả đường cong sấy 24 chế độ sấy khác ứng dụng cho long ruột đỏ Các mơ hình thực nghiệm xây dựng dựa mơ hình tốn học nghiên cứu phổ biến giới lĩnh vực sấy khô thực phẩm thơng qua tính tốn hồi quy theo phương pháp bình phương tối thiểu thực phần mềm Matlab R2020a Tồn 24 mơ hình thực nghiệm mơ tả 24 chế độ sấy khác long ruột đỏ có độ phù hợp cao, giá trị R bình phương hiệu chỉnh mơ hình thu lớn 0,98 ™ Xây dựng mơ hình lý thuyết Một mơ hình lý thuyết mơ tả q trình sấy long ruột đỏ xây dựng dựa hệ phương trình vi phân truyền nhiệt – truyền chất kết hợp trình sấy giải phương pháp phần tử thể tích Lời giải hệ phương trình lập trình mơ phần mềm Matlab R2020a Kết mô cho thấy độ phù hợp tương đối cao mơ hình lý thuyết so với thực nghiệm Thơng qua mơ hình lý thuyết biết thay đổi nhiệt độ độ ẩm tuyệt đối vị trí vật liệu sấy theo thời gian, qua đưa đánh giá, phân tích tổng quan tốc độ bay ẩm diễn bên vật liệu sấy MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kỹ thuật sấy 1.2 Kỹ thuật tiền xử lý lượng sóng siêu âm Nhu cầu ứng dụng công nghệ xử lý vật liệu sấy lượng sóng siêu âm Sóng siêu âm ứng dụng sóng siêu âm Cơ sở khoa học Ảnh hưởng tiền xử lý sóng siêu âm tới cơng nghệ sấy sản phẩm nông nghiệp Tình hình nghiên cứu 1.3 Vật liệu sấy 13 Bơ 13 Thanh Long 21 1.4 Nhu cầu ứng dụng công nghệ tiền xử lý siêu âm lĩnh vực sấy khô sản phẩm bơ long 30 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 32 2.1 Vật liệu phương pháp 32 Vật liệu sấy 32 Thiết bị thí nghiệm 32 Chế độ thí nghiệm 34 Quy trình thí nghiệm 35 2.2 Động học trình sấy 36 Lý thuyết trình truyền nhiệt – truyền chất trình sấy 36 Đường cong sấy 40 2.3 Sự biến đổi màu sắc 41 2.4 Kết 43 sấy Ảnh hưởng công nghệ tiền xử lý siêu âm tới động học trình 43 Biến đổi màu sắc 54 Bàn luận 62 CHƯƠNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 63 3.1 Các dạng mơ hình 63 3.2 Phương pháp xây dựng mơ hình thực nghiệm 65 3.3 Kết 67 CHƯƠNG MƠ HÌNH LÝ THUYẾT 72 4.1 Hệ phương trình vi phân mơ tả q trình truyền nhiệt – truyền chất 72 4.2 Phương pháp số giải hệ phương trình vi phân mơ tả q trình truyền nhiệt – truyền chất 75 4.3 Kết mô tính tốn 79 Hệ số khuếch tán ẩm 80 Động học trình sấy 82 Trường phân bố độ ẩm nhiệt độ bên vật liệu sấy 84 CHƯƠNG KẾT LUẬN 90 5.1 Kết luận 90 5.2 Hướng phát triển 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC 101 DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị M ev Dòng ẩm bay khỏi bề mặt vật liệu sấy kg/s m ev Mật độ dịng ẩm khỏi bề mặt vật liệu sấy kg/m2s F Diện tích bề mặt vật liệu m2 E Hệ số truyền chất m/s Uv,s Khối lượng riêng nước bề mặt vật liệu sấy kg ẩm/m3 Uv,g Khối lượng riêng nước có m3 tác nhân sấy kg ẩm/m3 W Thời gian sấy s D Hệ số toả nhiệt đối lưu W/m2K t kk Nhiệt độ tác nhân sấy °C t Nhiệt độ vật liệu sấy °C cp,vla Nhiệt dung riêng đẳng áp vật liệu ẩm J/kgK r Nhiệt ẩn hoá nước J/kg Ga Khối lượng ẩm vật liệu sấy kg ẩm Gk Khối lượng vật liệu khô kg khô G0 Khối lượng ban đầu vật liệu ẩm kg GW Khối lượng tức thời mẫu thời điểm W kg X Độ ẩm tuyệt đối vật liệu sấy kg ẩm/kg khô X0 Độ ẩm tuyệt đối ban đầu mẫu kg ẩm/kg khô XW Độ ẩm tuyệt đối thời điểm W kg ẩm/kg khô Xe Độ ẩm tuyệt đối thời điểm cân kg ẩm/kg khơ L Kích thước xác định m G va Hệ số khuếch tán nước khơng khí m2/s Z Tốc độ tác nhân sấy qua bề mặt vật liệu sấy m/s Bảng 3.1 Các dạng mơ hình thực nghiệm ứng dụng nghiên cứu STT Tên mơ hình Mơ hình Newton model MR exp kW Page model MR exp kWn Modified Page (II) MR n exp ê  kW ¼ Modified Page (III) MR exp W / d Henderson and Pabis model Modified Henderson and Pabis model Midilli and others model MR a exp kWn MR a exp kW  b exp gW  c exp hW MR a exp kW  bW Logarithmic model MR a exp kW  c Two−Terms model MR a exp k W  b exp k W MR a exp k 0W   a exp k1aW