(Đề tài NCKH) 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 SKC005338 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 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHẦN A TỔNG QUAN Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nước công bố 1.1 Các trình xử lý siêu âm lượng cao, phát triển gần tiến tiềm 1.2 Sấy siêu âm: nghiên cứu nước 1.3 Nhận xét chung hướng nghiên cứu đề tài Mục đích đề tài Nhiệm vụ giới hạn đề tài 3.1 Nhiệm vụ đề tài 3.2 Giới hạn đề tài Phương pháp nghiên cứu PHẦN B KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Cơ sở tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn 1.1.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn giải toán dao động (Nad, 2010) 1.1.2 Phương pháp giải toán phần tử hữu hạn 1.2 Các lý thuyết để tính tốn chi tiết horn dạng trục bậc bậc Trang i 1.2.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát són 1.2.2 Tính tốn horn dạng trục bậc 1.2.2.1 Giải pháp phân tích dao động tự chi tiết khuếch đại sóng 1.2.2.2 Các cơng thức tính tốn tổng qt cho horn dạng bậc 1.2.2.3 Tính tốn cho bậc có diện tích phát sóng mở rộng 1.3 Giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu GENE 1.4 Nguyên lý tách ẩm sóng siêu âm CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CHI TIẾT HORN DẠNG TRỤC BẬC VÀ TẤM BẬC 2.1 Mục tiêu cần đạt vấn đề thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc bậ 2.2 Lựa chọn vật liệu phương pháp tính tốn 2.2.1 Chọn vật liệu 2.2.2 Phương pháp tính tốn 2.2.2.1 Đối với horn dạng trục bậc 2.2.2.2 Đối với bậc 2.3 Tính tốn thiết kế 2.3.1 Sơ đồ thiết kế horn dạng trục bậc t 2.3.2 Tiến hành tính tốn, mơ 2.3.2.1 Tính horn dạng trục bậc 2.3.2.2 Tính tốn cho bậc 2.4 Mô kiểm tra tần số, ứng suất cụm horn dạng trục bậc bậc 2.5 Mơ trường áp suất sóng âm lên mơi trường khơng khí CHƯƠNG CHẾ TẠO MẪU VÀ ĐO TRỞ KHÁNG CƠ 3.1 Chế tạo mẫu 3.2 Đo trở kháng âm tần số cộng hưởng 3.3 Vấn đề kết nối trở kháng 3.3.1 Giới hạn công suất điện, kết nố 3.3.2 Kết nối trở kháng chi tiết khác tro CHƯƠNG THÍ NGHIỆM SẤY, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trang 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 thảo luận 54 4.2.1 Kết sấy sơ 54 4.2.2 Kết sấy đến độ ẩm cân 57 4.2.3 Thảo luận kết tính horn bậc 58 CHƯƠNG KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 60 5.1 Kết luận 60 5.1.1 Tần số dao động riêng cụm phát sóng siêu âm trở kháng đo .60 5.1.2 Kết luận hiệu q trình sấy có hỗ trợ sóng siêu âm .61 5.1.3 Tổng kết 61 5.2 Đề nghị 61 5.2.1 Các vấn đề tồn 61 5.2.2 Hướng phát triển đề tài 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC CODE TÍNH CHO HORN 67 PHỤ LỤC CODE TÍNH CHO TẤM BẬC 68 PHỤ LỤC HƯỚNG DẪN CAO HỌC 70 PHỤ LỤC BÀI BÁO THAM DỰ HỘI NGHỊ, TẠP CHÍ TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 72 PHỤ LỤC 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 thép SS 41(Wang 2011) 21 Bảng 2.2 Các thuộc tính hợp kim nhôm AA7075-T6 (Nguyen 2014) 22 Bảng 2.3 Kết tính tốn horn dạng trục bậc công thức lý thuyết 25 Bảng 2.4 Kết mô horn dạng trục bậc mức chia lưới khác nhau.28 Bảng 2.5 Các kích thước horn thiết kế 28 Bảng 2.6 Tần số dao động tương ứng với Mode khác 32 Bảng 2.7 Các kích thước bậc sau tối ưu 34 Bảng 2.8 Kết mô bậc AnsysWorkbench với mức chia lưới khác 36 Bảng 2.9 Kết mô cho cụm chi tiết với mức chia lưới khác 39 Bảng 4.1 Số liệu sấy qua hai mẻ sấy: có hỗ trợ siêu âm khơng có 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 Cấu trúc chuyển đổi siêu âm dạng đĩa có bậc chuyển đổi dạng có bậc (Gallego-Juárez, 2009, 2010a) Hình Cấu trúc chuyển đổi siêu âm dạng trụ phần tử hữu hạn cho dao động ống trụ (Gallego-Juárez, 2009, 2010a) Hình Mơ hình chống tạo bọt siêu âm (Gallego-Juárez, 2009, 2010a) Hình Hệ thống sấy siêu âm (Gallego-Juárez, 2009, 2010a) Hình Sơ đồ sấy đối lưu khơng khí với hỗ trợ siêu âm (Ortuno 2010b) .6 Hình Mơ hình thiết bị phát sóng siêu âm lượng cao gồm: Bộ chuyển đổi kiểu Langevin (1) – Horn khuếch đại dạng bậc (2) – Tấm bậc (3) Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng 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 bậc 24 Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn biên độ dao động horn ứng với tần số 19,2 kHz 25 Hình 2.4 Xây dựng mơ hình horn Geometry AnsysWorkbench 26 Hình 2.5 Chia lưới mơ hình horn Model 26 Hình 2.6 Thiết lập điều kiện biên 27 Hình 2.7 Lấy kết tốn 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 kích thước thiết kế 30 Hình 2.10 Một số dạng dao động thiết kế 31 Trang vi Hình 2.11 Phân bố chuyển vị phẳng có chiều dài 260 mm, dầy 29 mm dao động Mode 34 Hình 2.12 Phân bố chuyển vị bậc thiết kế tần số 19,2 kHz 35 Hình 2.13 Chia lưới cho mơ hình mức mịn 53766 phần tử; 83924 nút 37 Hình 2.14 Dạng Mode với tần số làm việc 20030 Hz 37 Hình 2.15 Bản vẽ thiết kế bậc 38 Hình 2.16 Chia lưới cho cụm horn với mối ghép ren M12 với mức mịn (147425 phần tử; 236671 nút) 39 Hình 2.17 Dạng dao động cụm horn bậc tần số 19987 Hz 40 Hình 2.18 Phân bố ứng suất Von-Mises cụm 40 Hình 2.19 Mơ hình phân tích phân bố áp suất sóng âm lên mơi trường trường hợp: (a,b) phẳng, (c,d) bậc 41 Hình 3.1 Cụm chi tiết phát sóng siêu âm với horn dạng bậc bậc 44 Hình 3.2 Kết đo trở kháng cụm phát sóng siêu âm 45 Hình 3.3 Cụm phát sóng siêu âm dùng ứng dụng sấy 47 Hình 3.4 Mạch điện tương đương cho tinh sứ áp điện: (a) Mạch 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 xây dựng để thí nghiệm 51 Hình 4.2 Lát cà rốt chuẩn bị trước đem vào sấy 53 Hình 4.3 Cân điện tử METTLER TOLEDO, model: RW00-1220-301 sử dụng để cân mẫu sấy 53 Hình 4.4 Đồ thị so sánh tốc độ sấy xử dụng hai phương pháp sấy có khơng có hỗ trợ siêu âm 55 Trang vii Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 2014 As mention in previous section, the stepped plate will show a better directivity pattern than that of the flat-plate Besides that, this research also makes a comparison of the amplitude distribution between them (Fig 4) With the same dimensions, mode shape and external vibration input, a stepped plate also inherits larger vibration amplitude as can be seen in Fig 4(a) and Fig 4(c) Mode Mode Mode Displacement (µm) 237 Displacement (µm) Distance from center (cm) Distance from center (cm) (c) (d) Figure Comparison of amplitude distribution between flat plate (a,b) and step plate (c,d) Mode Mode 10 Figure Axisymmetrical flexural mode shapes Fig illustrates the first axisymmetrical flexural mode shapes of the plate The mode shape of the stepped plate chosen in this design is mode which shows a better symmetry to the plate axis Individual natural frequencies of these modes are shown in Table Here we can see that the natural frequency of the stepped plate in mode is 19.2 kHz while the whole structure will be resonated at 20kHz Table Natural frequencies of different mode shape for step plate Mode The performance of the whole structure depends on the combination resonance involving contributions from the horn and the plate A three-dimensional finite element model is built for a modal analysis The finite element model has 147,425 eight-node elements The natural frequency found is 19,987 Hz Fig shows the displacement distribution of the transducer It can be seen that the displacement of the stepped horn along its axis is almost uniform It proves that the horn is vibrated Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 2014 in its extensional mode On the other hand, the flexural vibration of the stepped plate is obviously shown in this figure as well Figure Air pressure distribution Figure Horn and plate simulation Finally, in order to investigate the acoustic field generated by this transducer, a coupled fluid–structure analysis is undertaken The schematic mesh of the problem is shown in Fig The stepped plate is enveloped inside a fluid medium (air) which is constructed by a half circle of radius, r = 140mm, from the center of the plate The infinite acoustic elements (FLUID129) used along the circular boundary can absorb the pressure waves which simulates the outgoing effects of a domain that extends to infinity beyond the acoustic field modeled by finites elements of FLUID29 A 2D four-node structural element (Plane182) is used for the plate Under a high frequency working condition, failure due to concentrated stress is always a considerable concern Von-Mises stress is also analyzed through-out the structure where highest stress 170.28 MPa is found at the connection between the horn and the plate (Fig 7) However this value is still in the safety range for the materials used Figure Von-Mises stress distribution The primary goal of this analysis is to model acoustic field and hence to evaluate the uniform distribution of the air pressure above the plate It can be seen in Fig that the air pressure distribution is comparatively uniform which would be an important criteria for the dehydration of agriculture products in drying application CONCLUSION This research has presented an effective method for the design of an ultrasonic transducer with extensive radiator The radiator is resonated in flexural mode that is activated by an extensional vibration from a solid stepped horn An acoustic analysis has proven that the optimum design could also provide a uniform air pressure in the working environment This criterion would be a key requirement to enhance the dehydration efficiency while working with Figure Finite element mesh of scattering pressure problem 238 Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 2014 ACKNOWLEDGEMENTS the physical prototype In the next phase of this research, a prototype of the design will be fabricated and experiment will be done to evaluate for the drying efficiency of the transducer The authors are thankful for the financial support from the Research Management and International Relations Office of Ho Chi Minh City University of Technology and Education for this research REFERENCES [1] Perron R.R., The design and application of a reliable ultrasonic atomizer, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, SU-14, pp 149–153, 1967 [2] Parrini L., Design of advanced ultrasonic transducers for welding devices, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 48, pp 1632–1639, 2001 [3] Or S.W., et al., Dynamics of an ultrasonic transducer used for wire bonding, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 45, pp 1453–1460, 1998 [4] Hu J., et al., An analysis of a noncontact ultrasonic motor with an ultrasonically levitated rotor, Ultrasonics, 35, pp 459–467, 1997 [5] Fuente-Blanco, S de la, et al., Food drying process by power ultrasound, Ultrasonics, 44, pp e523-e527, 2006 [6] Wang D.A., Chuang W.Y., Hsu K., Pham H.T., Design of a Bézier-profile horn for high displacement amplification, Ultrasonics, 51, pp 148-156, 2011 [7] Iula, A., et al., A high displacement ultrasonic actuator based on a flexural mechanical amplifier, Sensors and Actuators A, 125, pp 118–123, 2006 [8] Gallego-Juárez, J.A., High power ultrasonic transducers, Sonochemistry and Sonoluminescence, 524, pp 259–270, 1999 [9] Abramov O.V., High-intensity ultrasonics: Theory and industrial applications, Gordon and Breach Science Publishers, The Netherlands, 1998 [10] Huu-Tu Nguyen, et al., A nonrational B-spline profiled horn with high displacement amplification for ultrasonic welding, Ultrasonics, 54 , pp 2063–2071, 2014 [11] Gallego-Juarez J.A., et al., Power ultrasonic transducers with extensive radiators for industrial processing, Ultrasonics Sonochemistry, 17, pp 953-964, 2010 [12] Chee Keong Ng, et al., Experimental study of micro- and nano-scale cutting of aluminum 7075-T6, Int J of Machine Tools and Manufacture, 46, pp 929–936, 2006 239 TRUONG B~I HQC BAcH KHOA HA NQr T~p CHi KHOA HQC & CONG NGH:E: oA xA HOI CHU NGHIA VI:E:TNAM CONG GIAy CHUNG NHAN TONG BIEN TAP TN' CHi KHOA Joc~A CONG NGHE Chung nhan bai bao: Thi~t k~ ch~ teo thi~t bi phat song sieu ph~m am t~1Ptrung cho (mg dt,mg s§y thirc I Priem Huy Tuen!', Nguyen Xuan Quang1,2, Nguyen Nqoc Phironq', Tnronq fJgi hoc SU'Phgm K.9 Th~~[ Tp H6 Chi Minh Truong fJgi boc Nang Lam Tp Ha Chi Minh Dff diroc phan bien va du kien x~p dang vao sf,: 110 cua Tap chi Khoa h9C va C6ng nghe, l1S Nguy~n Van Quy Journal of Science and Technology Thiết kế chế tạo thiết bị phát sóng siêu âm tập trung cho ứng dụng sấy thực phẩm Design and Fabrication of a High-Intensity Ultrasonic Transducer for Food Dehydration 1,* 1,2 Phạm Huy Tuân , Nguyễn Xuân Quang , Nguyễn Ngọc Phương Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Việt Nam 2Trường Đại học Nơng Lâm TP.HCM, Việt Nam Tóm tắt Thiết bị phát sóng siêu âm có biên độ dao độnglớn trường phát xạ rộng nhận quan tâm nhiều ngành sản xuất công nghiệp Trong ứng dụng s nông sản thực phẩm, nhiều thiết bị phát sóng siêu âm mở rộng cơng suất cao sử dụng để sấy loạ i vật liệu có giá trị cao tương đối nhạy cảm với nhiệt độ Tuy nhiên phương pháp thiết k ế cho loại thiết bị phức tạp chưa công bố rộng rãi Bài báo giới thiệu bước tính tốn cho thiết bị phát sóng siêu âm dạng bậc dốc sử dụng công cụ phần tử hữu hạn kết hợp giải toán tối ưu dùng giải thuậ t di truy ền.D ựa kết tính tốn, mơ hình thật chế tạo đưa vào thí nghiệm để sấy cà rốt Kết thí nghiệm cho thấy mẻ sấy có s dụng lượng siêu âm phát từ thiết bị chế tạo có thời gian sấy giảm so với sấy truyền thống Từ khóa: bậc dốc, sóng siêu âm tập trung, thiết bị chuyển đổi siêu âm, thiết bị phát xạ mở rộng Abstract Ultrasonic transducer with high vibration amplitude and large ultrasonic field has drawn considerable attention from various industries In the field of food dehydration, 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 have not been widely published In this research, an effective design method of a new istepped plate ultrasonic transducer was developed by using a genetic algorithm optimization scheme and finite element analyses Based on the optimum designs, prototypes of the transducer were 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 Keywords: i-stepped plate, high-intensity ultrasonic, transducers, extensive radiator Giới thiệu1 Một số nghiên c ứu gần tập trung tìm kiếm biên dạng ống sóng với mục tiêu tạo độ khuếch đại dao động ngày cao Nhóm tác giả Wang [6] vừa cơng bố thiết kế ống sóng có biên dạng đường cong Bezier vốn kết hợp khả nă ng t ạo dao động l ớn c biên dạng ống sóng bậc khả phân tán ứng xu ất tập trung biên dạng Catenoidal Iula [7] đề xuất ống sóng dao động ng uốn thay dạng giãn dài vốn nguyên lý hoạt động biên dạng truyền thống Khả khuếch đại dao động thiết kế chứng minh l ớn h ơn 50% so với ống sóng biên dạng bậc dao động giãn dài Nhu cầu sử dụng thi ết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ q trình sản xuất cơng nghiệp ngày gia tăng năm gần đ ây Những ứng dụng bao gồm thiết bị phun sương [1], thiết bị hàn [2], thiết bị nối dây [3], động siêu âm [4], ứng dụng chế biến th ực ph ẩm [5] Kết cấu truyền thống thiết bị phát sóng siêu âm gồm ba phần chính: khối đế kim loại, phần tử áp điện (PZT)và thiết b ị khu ếch đại sóng gọi ống sóng Trong tất biên dạng ống sóng truyền th ốngdao động dạng giãn dài, ống sóng dạng bậc xem có hiệu khuếch đại dao động lớn Trong mộ t số trình sản xu ất sấy nông sản thực phẩ m, nhà cơng nghiệ p cần thiết bị có khả tạo trường sóng siêu âm lớn bên cạnh biên độ dao động cao Thiết bị tạo sóng siêu âm công suất cao với bề măt phát xạ rộng Gallego * Corresponding author: Tel.: (+84)-8-37220594 Email: phtuan@hcmute.edu.vn Journal of Science and Technology Tính tốn thiết bị phát sóng siêu âm Trong thi ết kế thiết bị cơng nghệ siêu âm, nhiệm vụ khó khăn tạo lượng siêu âm mơi trường lưu chất Đây mơi trường có trở kháng âm th ấp khả hấp thụ âm cao [8] Do c ần thiết kế tích h ợp thêm phát xạ vào thiết bị tạo sóng siêu âm để giúp tăng hiệu qu ả trình truyề n âm Hình giới thiệu sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng sấy Các đĩa tinh thể áp điện đặt điện trường dao độ ng dọ c trục theo nguyên lý “từ gião” Dao động truyền nguyên dạng qua khối kim loại mặt trước đến chi tiết khuếch đại sóng dạng ố ng sóng có bậc Ống sóng chi tiết trung gian nối chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin với phát xạ có tác d ụng khuếch đại dao động lên nhiều l ần Các chi tiết cụm chuyển đổi siêu âm ống sóng dạng bậc có dạng dao động giãn dài dọc theo trục y Thiết bị khuếch đại sóng ống sóng chi tiết có biên dạng truyền thống biên dạng hàm mũ, dạng b ậc, ng hình sin, hình nón, biên dạng catenoidal [10] biên dạng phát triển g ần biên dạng Bezier [6] hay B-Spline [11] Tuy nhiên, ống sóngbiên dạng bậc dễ chế tạo có hệ số khuếch đại dao động lớn biên dạng khác có kích thước Đây u cầu c việc tính tốn chi tiết khuế ch đại dao động ứng dụng sấy Chiều dài củ a ống sóng dạng bậc tính theo cơng thức: với , , vận tốc truyền âm vật liệu, bước sóng tần số dao động thiết bị L0 λ/4 1D Bài báo đề xuất sử dụng bậ c dốc để có th ể tạ o trường sóng siêu âm rộng nh ưng giúp phân tán ứng suất tập trung Thiết kế toàn thiết bị với mụ c tiêu ứng dụng vào trình sấy tính tốn mơ máy tính kết hợp với giải tốn thiết kế tối ưu Mộ t mơ hình thật chế tạo để kiểm chứng hiệu củ a trường sóng siêu âm kết h ợp với q trình sấy nóng đối lưu cho ngun liệu cà rốt Dao động truy ền tiếp từ ống sóng sang phát xạ Tấm phát xạ có tác dụng mở rộng diện tích phát sóng siêu âm khuếch đại thêm dao động sóng âm để đáp ứng yêu cầu v ề sấy Tấm dao động giúp làm tăng trở kháng âm môi trường lưu chất [9] Đây yêu cầu để đảm b ảo khả phối hợp trở kháng ện cụm thiết bị điện tử công suất với c ụm thiết bị phát sóng học Tấm có dạng dao động uốn ngang Các chi tiết cụm thiết bị kết nối với thông qua mối ghép ren D2 đồng nghiệp nghiên cứu từ nhi ều năm [8] Ý tưởng họ kết hợp mộ t ống sóng bậ c dao động dạng giãn dài với phát xạ dao động dạng uốn giúp nhóm giải tốn đặt Trong thiết kế họ, biên dạng t ấm bậc sử dụng chủ yếu Tuy nhiên, t ại vị trí tạo bậc lại nơi tập trung ứng suất lớn thường dễ bị phá hủy mỏi nh ững vị trí Giải pháp nhóm sử dụng vật liệu hợp kim có độ bền cao Bulong Bích nối ứng dụng sấy Phân bố chuyển vị dạng uốn ngang Ống sóng bậc Tấm phát xạ Bích nối Phân bố chuyển vị dọc trục Hình Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm L Hình 2.Các thơng số thiết kế ống sóng bậc (a) phát xạ dạng bậc dốc (b) w Hình 2(a) mơ tả thơng số hình học cho thiết d kế ống sóng bậc với kích thước D1, D2 đường kính bậc Tỷ số hai đường kính quy ết định hệ số khuếch đại cho biên độ dao động sóng âm truyền qua Đường nút (b) Journal of Science and Technology Một nh ững nhi ệm vụ khó kh ăn việc thiết kế thi ết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ q trình sấy đối lưu tính toán thiết kế cho phát xạ Việc thiết kế có dạng phẳng [5] dạng bậc [9] Tuy nhiên, theo Gallego [9] phát xạ dạng phẳng t ạo sóng dao động có khuynh hướng lệch pha ng ăn cách đường nút Từ làm suy giảm hiệu qu ả củ a lượng siêu âm ứng dụng tách ẩm sản phẩm Thiết kế dạng bậc có th ể giúp cải thi ện khuyết điểm ph ần vật liệu bổ sung thêm có chiều dày (t) khoảng phát sóng ngang cho phần sóng truyền vào lưu chất bị làm cho lệch pha nửa bước sóng truyề n mơi trường Hình 2(b) bi ểu di ễn thơng số kích thước cần tính tốn cho phát xạ dạngbậc dốc Bảng Thơng số vật liệu Ngồi vấn đề phối hợp tần số dao độ ng trở kháng khâu để đảm bảo hoạt động đồng c hệ thống, công suất củ a hệ thống phát sóng siêu âm yếu tố quan trọ ng thiết k ế hệ thống cho ứng dụng sấy với kích thước buồng sấy khố i lượ ng vật sấy cho trước Trong đó, cường độ cơng suất phát sóng siêu âm lượng cao dùng cơng nghiệp thường phải lớn h ơn 10 (W/cm 2) [12] xác định theo cơng thức UI Trong đó, UI, P, S cường độ cơng suất sóng siêu âm (W/cm2), cơng suất nguồn phát sóng siêu âm diện tích phát xạ (cm 2) Trong phạm vi nghiên cứu chọn S=325 cm2, P=3500 W Tối ưu thiết bị phát sóng siêu âm dạng bậc dốc 3.1 Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn Để đạt k ết qu ả xác cho tầ n số biên độ dao động tồn hệ, việc sử dụng cơng cụ tính tốn số cần thiết Một mơ hình phần tử hữu hạn xây dựng Hình bao gồm phần tử phát dao động t ấm tinh thể áp đ iện, thiết bị phát sóng dọc dạng ống sóng bậc bậc dốc tạo dao động dạng uốn Hình Lưu đồ tốn tối ưu dùng giải thuật di truyền Q trình tính toán cho bậc t ương đối phức tạp thường phải sử d ụng công cụ phân tích phần tử hữu hạn kết h ợp với mơ hình tính tốn tối ưu Thiết k ế nghiên cứu sử dụng thuật toán giải thuật di truyền dùng trước thiết k ế cho ống sóng có biên bạng Bezier [6] trình bày chi tiết Hình Các biến thiết kế thơng số Hình 2(b) hàm mục tiêu tần số dao động riêng toàn hệ phải tần số làm việc f=20kHz Trong q trình thiết kế vật liệu nhơm AA 7075-T6 thép SS41 dùng cho bậc ống sóng bậc Bảng Journal of Science and Technology Hình Mơ hình chia lưới 3D phần tử hữa hạn 3.2 Kết tối ưu thể thấy rõ bậc có biên độ dao động phần tử bề mặt cao nhiều so với phẳng Việc sử dụng phát xạ dao độ ng nhằm làm tăng diện tích làm việc t ấm dao động dạng uốn Về nguyên tắc có th ể sử dụng dạng dao động (mode)uốn nào.Tuy nhiên, kiểm tra sơ nhóm nghiên cứu đề xuất sử dụng mode Hình có dạng dao động tương đối đối xứng Biên độ dao Bảng Các thông số thiết kế tối ưu cho ống sóng bậc động (μm) Trong q trình thiết kế, thiết bị ống sóng b ậc thiết kế với thông số cho Bảng Thi ết bị chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin mua từ nhà cung cấp với tần số làm việc 20kHz Mode Mode (b) Mode (c) Mode Hình Phân bố dao động phẳng bậc Mode 10 Hình Các dạng dao động uốn bậc dốc Q trình tính tốn tối ưu kết hợp với công cụ mô số cho thiết kế sau bậc Bảng Bảng Các thông số thiết kế tối ưu cho bậc dốc Hình Kết phân tích dao động ANSYS Để kiểm chứng hoạt động đồng tồn thiế t bị, kết phân tích dao động 3D Hình cho thấy rõ ống sóng bậc có dạng dao động giãn dài bậc dốc có dao động dạng uốn Chế tạo thử nghiệm Trong tất ứng dụng cơng nghiệp cho thiết bị phát sóng siêu âm, biên độ dao động củ a sóng phát cao tốt Do v ậy để kiểm chứng thêm hiệu thiết kế bậc so v ới phẳng, phân tích dao động cho hai thi ết bị có kích th ước tương đương trình bày Hình Có Trên sở k ết tính tốn tối ưu, mơ hình thật gia cơng máy CNC lắp ráp Hình Việc ứng dụng lượng siêu âm sấy thực phẩm nghiên cứu nhiều năm qua [13-15] Trong thiết bị sấy đối lưu có hỗ trợ sóng siêu âm, thường hiệu luồng khí nóng gia tăng thêm nhờ nguồn âm tập trung bước sóng tần số siêu âm Hầu hết nghiên cứu tập trung tìm hiểu chế Journal of Science and Technology Độ ẩm (%) trình vận chuyển ẩm động lực học củ a q trình sấy với mụ c đích mở rộng quy mơ sấy để áp dụng cho nhà máy lớn Hình Mơ hình chế tạo Hình 10 Đồ thị giảm ẩm vật liệu theo thờ i gian sấy có sử dụng dụng khơng sử dụng siêu âm Trong thí nghiệm này, vật liệu sấy cà rốt cắt lát có đường kính trung bình 28mm, dày 2mm, độ ẩm ban đầu khoảng 92,8% Siêu âm lượng cao Hình Hệ thống sấy có hỗ trợ sóng siêu âm Để kiểm chứng hi ệu thiết bị đ ã thiết kế, chế tạo, mơ hình hệ thống sấy với hỗ trợ sóng siêu âm thiết lập trình bày Hình Hệ thống hoạt động gần giống hệ thống sấy nóng đối lưu khác Tuy nhiên, q trình sấy h ỗ trợ thiết bị phát sóng siêu âm lượng cao, v ậy giảm nhiệt độ sấy thời gian sấy, giúp tiết kiệm chi phí, nâng cao ch ất l ượng sản ph ẩm sấy Vật liệu cần tách ẩm đặt lên khay sấy bỏ vào buồng sấy Buồng sấy cách âm, bố trí quạt thổi khí nóng Quạt thổi khí nóng đưa dịng khí nóng từ buồng nhiệt vào buồng sấy để t ạo điều kiện tách ẩm từ vật liệu sấy Dịng khí sau qua buồng sấy qua cửa sổ thành buồng sấy để tạo dịng khí ln chuyển Dao động siêu âm tạo từ phát dao động đặt phía d ưới khay sấy Cơng suất lượng siêu âm điều chỉnh qua điện áp dịng điện cấp vào Vấn đề kiểm sốt nhiệt độ, tốc độ luồng khí nóng, tần số siêu âm, công suấ t hệ thống điện-điện tử điều khiển hệ thống PLC máy tính có tần số (20±0,3) kHz, cường độ lượng siêu âm khoảng 10,7 W/cm2 Mỗi mẻ sấy gồm lát có tổng khối lượng 16,8 gam Trong trình sấy nhiệt độ dịng khí điểu khiển (40±0,5) oC, vận tốc (1,5± 0,1)m/s, độ ẩ m vật liệu (thông qua độ gi ảm khố i lượng củ a v ật liệu sấy) thu thập lưu trữ máy tính, thí nghiệm kết thúc khối lượng vật liệu không đổi Thực nghiệm chia thành hai loạt, với hỗ trợ sóng siêu âm loạt cịn lại q trình sấy đối lưu thông thường Mỗi loạt lặp lại lần Sư giảm ẩm v ật li ệu sấy theo th ời gian tổng hợp đồ thị giảm ẩ m Hình 10 Kết cho thấy ảnh hưởng siêu âm vào trình sấy đáng kể, thời gian giảm khoảng 33% so với phương pháp sấy truyền thống Các nghiên cứu kỹ động lực học trình tách ẩm với phương pháp sấy đối lưu có h ỗ trợ lượng siêu âm tiến hành công trình sau Kết luận Bài báo đ ã giớ i thiệu b ước tính tốn hiệu cho thiết bị phát sóng siêu âm mở rộng dạng Tấm phát xạ có dạng bậc dố c dao động dạng uốn kích thích b ởi ống sóng bậc dao động giãn dài Một mơ hình củ a thiết bị chế t ạo đưa vào thử nghiệm sấy cà rố t Mẻ sấy có sử dụng lượng siêu âm phát từ thiết bị cho thấy thời gian sấy giảm so với sấ y truyền thống Thiết kế bào cho thấy khả giảm ứng suất tập trung t ại vị trí bậc sử dụ ng bậc d ốc Từ kết giúp giảm chi phí sả n xuất khơng cần phải sử dụng vật liệu chế tạo đắt tiền Journal of Science and Technology [9] Gallego-Juarez J.A., et al., Power ultrasonic transducers with extensive radiators for industrial processing, Ultrasonics Sonochemistry, 17 (2010) 953-964 Tài liệu tham khảo [1] Perron R.R., The design and application of a reliable ultrasonic atomizer, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, SU-14 (1967) 149–153 [10] Abramov O.V., High-intensity ultrasonics: Theory and industrial applications, Gordon and Breach Science Publishers, The Netherlands, 1998 [2] Parrini L., Design of advanced ultrasonic transducers for welding devices, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 48 (2001) 1632–1639 [11] Huu-Tu Nguyen, et al., A nonrational B-spline profiled horn with high displacement amplification for ultrasonic welding, Ultrasonics, 54 (2014) 2063– 2071 [3] Or S.W., et al., Dynamics of an ultrasonic transducer used for wire bonding, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 45 (1998) 1453–1460 [12] Mason, T.J., et al., The uses of ultrasound in foodechnology, Ultrasonics Sonochemistry, (1996), 253–260 [4] J Hu, K Nakamura, S Ueha, An analysis of a noncontact ultrasonic motor with an ultrasonically levitated rotor, Ultrasonics, 35 (1997) 459–467 [5] Fuente-Blanco, S de la, et al., Food drying process by power ultrasound, Ultrasonics, 44 (2006) e523-e527 [13] Carcel JA, Garcia-Perez JV, Riera E and Mulet A, Influence of high intensity ultrasound on drying kinetics of persimmon Dry Technol 25 (2007) 185– 193 [6] D.-A Wang, W.-Y Chuang, K Hsu, H.-T Pham, Design of a Bézier-profile horn for high displacement amplification, Ultrasonics, 51 (2011) 148-156 [14] Garcia-Perez JV, Carcel JA, Riera E and Mulet A, Influence of the applied acoustic energy on the drying of carrots and lemon peel, DryTechnol 27 (2009) 281–287 [7] Iula, A., et al., A high displacement ultrasonic actuator based on a flexural mechanical amplifier, Sensors and Actuators A, 125 (2006) 118–123 [15] Ozuna, C., et al., Improvement of water transport mechanisms during potato drying by applying ultrasound, J Sci Food Agric 91 (2011) 2511-2517 [8] Gallego-Juárez, J.A., High power ultrasonic transducers, Sonochemistry and Sonoluminescence, 524 (1999) 259–270 ... Tên đề tài : ? ?Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm 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 mô hình hệ thống sấy đối... 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: ... 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