Nghiên cứu kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH -- NGUYỄN XUÂN QUANG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM SỬ DỤNG SĨNG SIÊU ÂM Chun ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN HAY PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình “Nghiên cứu kỹ thuật sấy nơng sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm” trình bày luận án tác giả thực Các số liệu kết có luận án trung thực chưa cơng trình tác giả khác công bố Tp HCM, năm 2020 Tác giả: Nguyễn Xuân Quang ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Nơng Lâm Tp Hồ Chí Minh tiếp nhận tạo điều kiện cho làm nghiên cứu sinh chun ngành Kỹ Thuật Cơ Khí khóa 2013 Xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy hướng dẫn khoa học GS TS Nguyễn Hay PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ động viên suốt trình thực luận án Xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể cán khoa Cơ Khí Cơng Nghệ giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi suốt q trình nghiên cứu Đặc biệt Thầy PGS TS Nguyễn Huy Bích, Thầy PGS.TS Lê Anh Đức, Thầy TS Bùi Ngọc Hùng, Thầy TS Nguyễn Đức Khuyến tận tình giúp đỡ, góp ý xây dựng cho nội dung luận án hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn đến trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh tạo điều kiện thời gian để tơi hồn thành cơng việc nghiên cứu Ngồi ra, gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy bạn bè thân hữu động viên, giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu Cuối cùng, gửi lời cảm ơn đến gia đình động viên, tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian làm nghiên cứu sinh Xin chân thành cảm ơn! Tp HCM, năm 2020 Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Quang iii TÓM TẮT Luận án: Nghiên cứu kỹ thuật sấy nơng sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm Nghiên cứu sinh: Nguyễn Xuân Quang Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 52 01 03 Tại Việt Nam, đảng sâm sản phẩm nơng nghiệp có giá trị kinh tế cao, sử dụng dùng làm thực phẩm dược liệu Rễ đảng sâm sau thu hoạch có độ ẩm cao, vậy, việc làm khô nông sản cần thiết nhằm bảo quản thời gian dài Đảng sâm vật liệu nhạy nhiệt Vì thế, nhiệt độ tác nhân sấy thời gian sấy ảnh hưởng đến thành phần chất dinh dưỡng, dược chất màu sắc sản phẩm khô Đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm” thực luận án với mục tiêu nhằm nghiên cứu ảnh hưởng sóng siêu âm đến q trình sấy chất lượng sản phẩm ứng với chế độ sấy khác với phương pháp sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm vật liệu sấy đảng sâm Việt Nam, thông qua việc xây dựng mơ hình tốn để tính tốn truyền nhiệt truyền ẩm thực nghiệm xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm Việt Nam Để đạt mục tiêu luận án nội dung sau triển khai nghiên cứu: Thứ nhất, nghiên cứu thực nghiệm xác định tính chất nhiệt vật lý đảng sâm Việt Nam Thứ hai, dựa vào phân tích phần tử hữu hạn thuật toán tối ưu thiết kế phận phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy Thứ ba, phương pháp phân tích tượng vật lý, nghiên cứu kế thừa, sử dụng lý thuyết toán học vật lý xây dựng mơ hình tốn điều kiện biên truyền nhiệt truyền ẩm bên vật liệu sấy sấy có hỗ trợ sóng siêu âm; sử dụng phương pháp số giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền ẩm xác định nhiệt độ độ ẩm vật liệu trình sấy nhằm nghiên cứu động học sấy Thứ tư, tích hợp phận phát sóng siêu âm vào hệ thống máy sấy bơm nhiệt nhằm nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng sóng siêu âm đến động học sấy, màu sắc, dược chất saponin xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm Việt Nam Kết nghiên cứu tóm tắt sau: iv Nghiên cứu thực nghiệm xác định tính chất nhiệt vật lý đảng sâm Việt Nam bao gồm: + Khối lượng riêng phụ thuộc vào độ ẩm: ρp = 1+ M M + 1620 1020 + Độ ẩm cân phụ thuộc vào hoạt độ nước nhiệt độ:  a  M e =  0,120438 - 0, 0005× t a   w   1- a w  0,399937+0,001958×t a + Nhiệt độ tăng thêm có sóng siêu âm lan truyền: Δt av = 1, 006× I u - 0, + Nhiệt dung riêng hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào độ ẩm: c p = 450, 44 + 42, 45× X k p = 0, 0971+ 0, 0056× X Bộ phận phát sóng siêu âm thiết kế chế tạo có thơng số sau: cường độ chỉnh từ kW/m2 đến 27 kW/m2, diện tích phát sóng 0,045 m2 Tần số làm việc chế độ cộng hưởng 19,927 kHz sai số so với tần số thiết kế 0,073 kHz (0,37%) Xác định phương trình khuếch tán tốn mơ tả chất q trình truyền nhiệt truyền ẩm sấy vật liệu với hỗ trợ sóng siêu âm Trong đó, có xét đến ảnh hưởng sóng siêu âm đến q trình trao đổi nhiệt ẩm vật liệu sấy tác nhân sấy Giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền ẩm phương pháp sai phân hữu hạn Kết sai lệch lớn giá trị thực nghiệm tính tốn lý thuyết 14,5% độ ẩm trung bình 10,2% nhiệt độ trung bình Thực nghiệm sấy đảng sâm Việt Nam phương pháp bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm chế độ sấy với điều kiện tác nhân sấy: nhiệt độ 40-50 ºC, độ ẩm 15-23 %, vận tốc 0,5 m/s, cường độ siêu âm 0,0-2,2 kW/m 2; từ xác định thay đổi màu sắc hàm lượng saponin đảng sâm khô so với nguyên liệu tươi là: ΔE từ 8,4- v 12,9 saponin tổng từ 78-95 %; từ xác định nhiệt độ trung bình, độ ẩm trung bình đảng sâm Việt Nam trình sấy; từ sử dụng thuật tốn PSO xác định đồng thời hệ số khuếch tán nhiệt (αt), hệ số khuếch tán ẩm (De) vật liệu sấy (giải pháp ERM-O) Hàm mục tiêu để cực tiểu sai số nhiệt độ độ ẩm vật liệu sấy liệu thực nghiệm nghiệm hệ phương trình truyền nhiệt truyền ẩm vật liệu sấy Mối quan hệ hệ số khuếch tán nhiệt, hệ số khuếch tán ẩm đảng sâm Việt Nam phụ thuộc vào nhiệt độ cường độ siêu âm sau: α t = 1, 014×10-7 + 1,3×10-4 × I u 6, 242×10 -6 × I u 1, ×10-5 I 2u 2, 6×10-4 6,553×10 -6 - 6, 53×10 -8 × I u + + - 7,16×10-9 I u2 ta t a2 ta t a2 t a2 De = 3, 05×10-4 × e  4286,96  212275×I u 24418,8×I u2 3710120×I u2 +2,202967×Iu + -40,04×I 2u  (273,15+t )  273,15+t a  (273,15+t a ) a  273,15+t a    Trên sở giải toán tối ưu đa mục tiêu xác định chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm Việt Nam với phương pháp sấy bơm nhiệt kết hợp với sóng siêu âm Một khuyến nghị chế độ sấy hợp lý cho đảng sâm Việt Nam sau: nhiệt độ tác nhân sấy 44 ºC, vận tốc tác nhân sấy 0,5 m/s, độ ẩm tương đối tác nhân sấy 18%, cường độ siêu âm 2,1 kW/m2 vi SUMMARY - Doctoral dissertation title: Study on agricultural products drying used ultrasound - PhD Student: Nguyen Xuan Quang - Major: Mechanical Engineering Code: 52 01 03 Codonopsis javanica is an agricultural product of high economic value in Vietnam, used for food and medicine So, its moisture content reduction is necessary for preservation C javanica is a heat-sensitive material; therefore, drying air temperature and drying time affect the nutrient composition, herbal medicine, and the color of dried products “Study on agricultural products drying used ultrasound" is studied in this thesis to research the effects of ultrasound on the drying process and quality of dried C javanica at different drying modes Based on theory research and experiment, the this work determined the suitable drying mode for C javanica by using heat pump drying in combination with the ultrasound To obtain the goals of the research, the author had to carry out the following steps: Firstly, the experimental method is adopted to determine the thermal properties of C javanica Secondly, the finite element analysis and the optimization algorithm are proposed to determine the parameters of the ultrasound transmitter Thirdly, analyzing the physical phenomena, and applying mathematical and physical theories to build the mathematical model and boundary conditions of heat and moisture transfer inside the material with the assistance of ultrasonic waves; using computational methods to solve these equations to determine the temperature and moisture values inside the material during the drying process Fourthly, integrating the ultrasonic generator into a heat pump drying system for experimental research to find out the effects of ultrasound on kinetics, color, saponin content, as well as the suitable drying mode with the assistance of the ultrasound for C javanica The obtained results are summarized as follows: Experimental research to determine physical thermal properties of C javanica: vii + The density of C javanica depends on its moisture: ρp = 1+ M M + 1620 1020 + The equilibrium moisture content of C javanica depends on its water activity and temperature:  a  M e =  0,120438 - 0, 0005× t a   w   1- a w  0,399937+0,001958×t a + The temperature inside C javanica is increased in the presence of the ultrasound: ∆tav =1,006×Iu - 0,7 + Heat capacity and thermal conductivity of C.javanica depend on its moisture content: c p = 450, 44 + 42, 45× X k p = 0, 0971+ 0, 0056× X The ultrasound transmitter is designed and fabricated with the following parameters: the wave intensity is adjusted in the range of kW/m to 27 kW/m2, and the emitting area is 0,045 m2 Its operating frequency at the resonance mode is 19,927 kHz, which the error compared to the design frequency is 0,073 kHz (0,37%) The diffusion equation, which is a mathematical model describing the heat and mass transfer during ultrasound-assisted heat pump drying in the C.javanica, was derived Moreover, the boundary conditions of the convective heat and mass transfer at the surface of the dried material with the support of ultrasound have been developed The heat and moisture transfer equations were solved by the explicit finite difference approximation method The biggest difference between the experiment and calculation is 14,5% for average moisture and 10,2% for average temperature Experimental study at the different drying conditions: air temperature 40-50 ºC, relative humidity 15-23 %, velocity 0,5 m/s, the ultrasound intensity 0,0-2,2 kW/m 2; determining the effect of the ultrasound on the color of dried C javanica and on viii saponin components in dried products The results show that values of ΔE in the range of 8,4 to 12,9 and total saponin components in the range of 78% to 95% compared with the fresh material; determining the effects of the ultrasound on drying kinetics of C javanica; and using the PSO algorithm to determine simultaneously the heat diffusion coefficient (αt), moisture diffusion coefficient (De) of the drying material (ERM-O solution) The objective function is to minimize the errors of heat and moisture between the empirical data and the solution of heat and moisture transfer equations in the drying material The relationship between αt, De, the air temperature, and the ultrasound intensity are as follows: α t = 1, 014×10-7 + 1,3×10-4 × I u 6, 242×10 -6 × I u 1, ×10-5 I 2u 2, 6×10-4 6,553×10 -6 - 6, 53×10 -8 × I u + + - 7,16×10-9 I u2 ta t a2 ta t a2 t a2 De = 3, 05×10-4 × e  4286,96  212275×I u 24418,8×I u2 3710120×I u2 +2,202967×Iu + -40,04×I 2u  2  273,15+t a   273,15+t a  (273,15+t a ) (273,15+t a )   Basing on the multiobjective optimization with the weighted sum method to determine the suitable drying mode for C javanica with the ultrasound-assisted heat pump drying method A typical drying mode for C javanica: the air temperature is 44 ºC, the velocity is 0,5 m/s, the humidity of air is 18%, the ultrasound intensity is 2,1 kW/m ix MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii SUMMARY vi MỤC LỤC ix CÁC KÝ HIỆU xiii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xvi DANH MỤC CÁC HÌNH xvii DANH MỤC CÁC BẢNG xx GIỚI THIỆU 1 Sự cần thiết vấn đề nghiên cứu Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu Giới hạn nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Điểm đóng góp luận án CHƯƠNG1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan sấy ảnh hưởng loại sóng đến q trình sấy nơng sản 1.1.1 Tổng quan phương pháp sấy sấy bơm nhiệt 1.1.2 Sơ lược yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sấy yếu tố ảnh hưởng đến động học trình sấy 1.1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sấy bơm nhiệt Việt Nam 1.2 Sóng siêu âm chế hỗ trợ sấy sóng siêu âm 10 1.2.1 Sóng siêu âm ứng dụng 10 1.2.2 Cơ chế hỗ trợ sấy sóng siêu âm 10 ... khai nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan sấy; nghiên cứu tổng quan sóng siêu âm hỗ trợ sấy bao gồm chế hỗ trợ sấy sóng siêu âm, thiết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ sấy ứng dụng sóng siêu âm sấy nông. .. phát sóng siêu âm 1.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sấy nông sản thực phẩm với hỗ trợ sóng siêu âm Sấy có hỗ trợ sóng siêu âm thuộc dạng kỹ thuật sấy kết hợp, hệ thống sấy có hỗ trợ sóng siêu âm. .. cần thực Do vậy, đề tài ? ?Nghiên cứu kỹ thuật sấy nơng sản thực phẩm sử dụng sóng siêu âm? ?? thực luận án cần thiết Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng sóng siêu âm đến q trình sấy