Thiết lập chế độ sấy vi sóng tối ưu cho nấm rơm bằng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu trên cơ sở thuật toán vượt khe

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Phạm Thế Văn THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ SẤY VI SÓNG TỐI ƯU CHO NẤM RƠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU TRÊN CƠ SỞ THUẬT TOÁN VƯỢT KHE Chuyên ngành : Kỹ thuật nhiệt LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Nguyễn Đức Trung Hà Nội – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi tin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tôi, thực hướng dẫn khoa học tập thể hướng dẫn Tất tài liệu mà luận văn có trích dẫn liệt kê đầy đủ rõ ràng, tác giả khơng trích dẫn tài liệu khác Các số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực chưa khác cơng bố cơng trình Tác giả luận văn Phạm Thế Văn LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học thầy, cô giảng viên Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt Lạnh, Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm tạo điều kiện thuận lợi góp nhiều ý kiến quý báu giúp tơi hồn thành luận văn Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GVC.TS Nguyễn Đức Trung hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ, tin tưởng tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình thực đề tài Tơi xin chân thành cảm ơn đóng góp quý báu nhiệt thành cố PGS.VS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh góp phần hồn thiện luận văn tơi Tơi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn CHV.KS Phạm Thế Văn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH SẤY 1.1.1 Quá trình sấy 1.1.2 Động lực sấy 1.1.3 Các phương pháp sấy 10 1.1.4 Tác nhân sấy khơng khí 11 1.1.5 Tác nhân sấy khói lị 11 1.1.6 Năng lượng vi sóng 12 1.1.7 Chân không 12 1.1.8 Ẩm vật liệu 13 1.2 SẤY VI SÓNG 14 1.2.1 Kỹ thuật sấy vi sóng 14 1.2.2 Bức xạ nhiệt điện từ cơng nghệ vi sóng 17 1.2.3 Một số đặc thù lưu ý tính tốn, thiết kế, chế tạo, vận hành điều khiển hệ thống gia nhiệt ứng dụng cơng nghệ vi sóng 24 1.2.4 Cấu tạo hệ thống sấy vi sóng 28 1.2.5 Hệ số tiêu hao lượng SMER 34 1.2.6 Hệ số co ngót sản phẩm 35 1.3 TỔNG QUAN VỀ NẤM RƠM 35 1.3.1 Nguồn gốc đặc điểm thực vật học 35 1.3.2 Thành phần dinh dưỡng giá trị nấm rơm 37 1.3.3 Tình hình sản xuất tiêu thụ, thị trường nấm rơm 39 1.4 MỤC TIÊU LUẬN VĂN 42 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA VÀ TỐI ƯU HÓA 43 HÀM ĐA MỤC TIÊU TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT VƯỢT KHE 43 2.1 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA ĐA MỤC TIÊU 43 2.2 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU 46 2.3 KHÁI QUÁT VỀ BƯỚC CHUYỂN ĐỘNG TRONG QUÁ TRÌNH TỐI ƯU HÓA LẶP 50 2.4 Nguyên lý chuyển động vượt khe 55 2.5 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BƯỚC VƯỢT KHE 57 2.5.1 Xác định bước vượt khe dựa theo đạo hàm 57 2.5.2 Xác định bước vượt khe dựa theo giá trị hàm 58 2.6 SƠ ĐỒ NGUN LÝ THUẬT TỐN TỐI ƯU HĨA VƯỢT KHE 61 2.7 BƯỚC VƯỢT KHE VÀ HƯỚNG TRỤC GIAO TỰA NÓN (HƯỚNG CHIỀU AFFINE) 62 CHƯƠNG 3: BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SẤY TỐI ƯU 69 3.1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 69 3.2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 72 3.2.1 Phương pháp lấy mẫu xử lý mẫu 72 3.2.2 Nghiên cứu biến đổi hàm lượng protein nấm rơm thay đổi số SMER điều kiện khác số công suất riêng phần tốc độ gió sấy vi sóng 73 3.2.3 Xác định hàm lượng protein 74 3.2.4 Phương pháp xác định suất tiêu hao lượng sấy (SMER) 75 3.2.5 Kết thí nghiệm 76 3.3 CHUẨN HÓA CÁC HÀM MỤC TIÊU 77 3.4 THỐNG NHẤT CÁC HÀM MỤC TIÊU 80 3.5 THIẾT LẬP HÀM MỤC TIÊU TƯƠNG ĐƯƠNG VÔ ĐIỀU KIỆN 81 3.6 CỰC TIỂU HÓA HÀM MỤC TIÊU TƯƠNG ĐƯƠNG 82 3.7 KẾT LUẬN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC I:CODE PASCAL 88 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Động lực trình sấy 10 Hình 2: Phân loại phương pháp sấy 10 Hình Tổng quan phạm vi ứng dụng phát nhiệt sóng điện từ (vùng dải tần vi sóng vùng dải tần RF) 15 Hình Phương thức truyền lan sóng điện từ khơng gian 15 Hình 5: Tổng quan phương thức truyền sóng điện từ suy hao q trình truyền lan khơng gian 16 Hình 6: Tần số bước sóng tương ứng sóng điện từ vùng 17 Hình 7: Truyền lan vi sóng lồng kim loại tạo xạ nhiệt 18 Hình Điều kiện biên hệ phương trình Maxwell cho vật thể khơng gian Oxyz 23 Hình Phản ứng hệ số điện môi suy hao nước, kim loại, phi kim 25 Hình 10: Sự phát nhiệt mạnh mẽ phân tử nước gây thay đổi hướng liên tục theo thời gian biến thiên sóng điện từ 26 Hình 11: Sự phân bố không đồng công suất phát khối vật liệu 27 Hình 12: So sánh phân bố nhiệt độ trường hợp có khơng sử dụng cánh chém sóng 28 Hình 13: Cấu tạo hệ thống sấy vi sóng 29 Hình 14: Cấu tạo đầu phát vi sóng magnetron 30 Hình 15: Đặc tính điều khiển điện áp vi sóng TRIAC 32 Hình 16: Bộ điều khiển đầu phát vi sóng bẳng IGBT 32 Hình 17: Cấu trúc ống dẫn sóng 33 Hình 18: Chu trình sống nấm rơm 36 Hình 19: Cấu tạo nấm rơm 37 Hình 20: Cực đại của f(x) cực tiểu –f(x) 43 Hình 21: Nguyên tắc chuyển động vượt khe 55 Hình 22: Sự biến thiên hàm mục tiêu dọc theo hướng chuyển động 56 Hình 23: Lưu đồ thuật toán xác định bước vượt khe dựa theo đạo hàm theo hướng 58 Hình 24: Dấu hiệu vượt khe dựa theo giá trị hàm ba điểm liên tiếp 59 Hình 25:Xác định bước vượt khe dựa theo giá trị hàm 60 Hình 26: Sơ đồ thuật tốn tối ưu hóa vượt khe 61 Hình 27: Sự hình thành hướng chiếu Afine 63 Hình 28: Quá trình cực tiểu hố theo thuật tốn VAF 65 Hình 29: Sơ đồ thiết bị thí nghiệm 70 Hình 30: Mơ hình hóa hàm kết thí nghiệm ảnh hưởng tốc độ gió cơng suất vi sóng riêng phần số SMER 78 Hình 31: Các hệ số phương trình hai ẩn dạng bậc trơn khúc hàm H1 78 Hình 32: Mơ hình hóa hàm kết thí nghiệm ảnh hưởng tốc độ gió cơng suất vi sóng riêng phần hàm lượng Protein 79 Hình 33: Các hệ số phương trình hai ẩn dạng bậc trơn khúc hàm H11 80 Hình 34: Lập trình giải tồn tối ưu hóa tìm thuật tốn vượt khe hướng chiều Affine 83 Hình 35: Kết chạy thuật tốn 83 LỜI MỞ ĐẦU Nấm rơm loại thực phẩm phổ biến, nhiều người ưa thích nước ta nước khu vực Nấm rơm chứa đầy đủ chất dinh dưỡng cần thiết, tỷ lệ thấp, sử dụng để chế biến nhiều loại sản phẩm khác nhau, tạo nên hương vị đặc biệt cho thực phẩm Hàm lượng protein nguyên liệu nấm rơm cao, nấm rơm nguồn thực phẩm giàu chất khống acid amin khơng thay thế, vitamin A, D, B, E, … không độc tố Tuy nhiên nấm rơm có hàm lượng nước tương đối cao hư hỏng nhanh so với loại thực phẩm khác Do đó, việc áp dụng công nghệ chế biến bảo quản cho nấm rơm phơi, sấy khơ, muối, đóng hộp nhu cầu tất yếu Trong phương pháp phơi sấy khơ thông dụng Nấm rơm thông thường sử dụng tươi, mặt hàng nấm sấy ngày trọng khả bảo quản ứng dụng cơng nghệ thực phẩm ngày cao thị trường nấm sấy xuất tập trung Vậy muốn sản phẩm sấy có chất lượng tốt địi hỏi có chế độ sấy tốt phương pháp sấy thích hợp Đa số phương pháp sấy thường tồn số nhược điểm như: thời gian sấy dài, chất lượng cảm quan sau sấy chưa tốt, an toàn vệ sinh thực phẩm chưa đảm bảo, thành phần dinh dưỡng bị suy giảm Trong bối cảnh đó, sấy vi sóng lên phương pháp sấy giải phần lớn vấn đề trên: thời gian sấy, chất lượng kết cảm quan sau sấy, giá trị dinh dưỡng an tồn vệ sinh thực phẩm Do đó, tơi tiến hành nghiên cứu đề tài:” k e” Nhằm mục đích nghiên cứu khả tối ưu cho phương pháp sấy vi sóng đối tượng nấm rơm CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH SẤY 1.1.1 Quá trình s y Quá trình sấy trình chất lỏng mà chủ yếu nước nước nhận lượng để dịch chuyển từ lòng vật liệu sấy bề mặt nhờ tác nhân sấy đưa môi trường xung quanh Quá trình sấy trình truyền nhiệt - truyền chất xảy đồng thời Trong lịng VLS trình dẫn nhiệt khuyếch tán ẩm hỗn hợp Trao đổi nhiệt - ẩm bề mặt VLS với mơi trường hay TNS q trình trao đổi nhiệt trao đổi ẩm đối lưu liên hợp Quá trình sấy q trình phức hợp Bên cạnh đó, q trình khác diễn q trình xạ nhiệt hình thành từ tác nhân vật lý khác Việc nghiên cứu, thiết kế trình thiết bị sấy ln gắn liền việc sử dụng đồ thị I-d tác nhân sấy, tác nhân sấy phổ biến khơng khí 1.1.2 Đ ng lực s y Quá trình sấy trình phức hợp trình truyền nhiệt, chuyển khối xảy đồng thời Bên cạnh đó, q trình khác diễn q trình xạ nhiệt hình thành từ tác nhân vật lý khác Để trình sấy xảy ra, vật liệu sấy nhận nguồn lượng theo phương thức khiến cho ẩm từ lịng vật liệu dịch chuyển bề mặt từ bề mặt khuếch tán vào mơi trường Cả hai q trình đặc trưng động lực dịch chuyển ẩm L1 L2 tương ứng; L1 tỉ lệ thuận với hiệu số (pt – pbm ) L2 tỉ lệ thuận với hiệu số (pbm – ph ): L1 ~ (pt – pbm ) L2 ~ (pbm – ph ) (1.1) (1.2) Trong pt , pbm , ph phân áp suất nước tâm vật, bề mặt môi trường xung quanh Nếu gọi L động lực trình sấy động lực tỉ lệ thuận với độ chênh phân áp suất (pt – ph ): L ~ (pt – ph ) (1.3) Ẩm vật liệu dịch chuyển theo chiều từ nơi có phân áp suất cao sang nơi có phân áp suất thấp Độ chênh cao động lực sấy lớn Theo đó, tăng pt cách đốt nóng vật liệu làm giảm phân áp suất nước ph môi trường xung quanh để tạo động lực cho trình sấy Hình 1: Động lực trình sấy 1.1.3 C y Thông thường dựa vào trạng thái TNS hay cách tạo động lực trình dịch chuyển nhiệt - ẩm, người ta phân thành hai phương pháp sấy, phương pháp sấy lạnh phng phỏp sy núng Sấy bảo quản Sấy lạnh Sấy nóng HTS đối l-u HTS tiếp xúc HTS xạ HTS t < 0c HTS thăng hoa HTS chân không HTS t > 0c Máy hút ẩm máy lạnh B¬m nhiƯt nÐn h¬i Hình 2: Phân loại phương pháp sấy Theo nguyên lý động lực sấy, ta có chuyển động q trình sấy gồm phần: động lực từ lòng vật bề mặt động lực từ bề mặt mơi trường Do gọi L động lực sấy L tỉ lệ với Pv-Ph 10 ...h công vi? ??c phát triển áp dụng lý thuyết tối ưu hóa vượt khe vào giải tốn tối ưu hóa q trình sấy thiết bị sấy vi sóng - Đưa quy trình giải tốn tối ưu hóa đa mục tiêu có ràng buộc với q trình sấy v... THUYẾT VƯỢT KHE 43 2.1 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU 43 2.2 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA ĐA MỤC TIÊU 46 2.3 KHÁI QUÁT VỀ BƯỚC CHUYỂN ĐỘNG TRONG Q TRÌNH TỐI ƯU HĨA... trị nấm rơm 37 1.3.3 Tình hình sản xuất tiêu thụ, thị trường nấm rơm 39 1.4 MỤC TIÊU LUẬN VĂN 42 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA VÀ TỐI ƯU HÓA 43 HÀM ĐA MỤC TIÊU TRÊN CƠ SỞ