Bài toỏn tối ưu được lập dựa trờn phương trỡnh hồi quy xỏc định bằng phương phỏp quy hoạch thực nghiệm là hàm mụ tả sự phụ thuộc/sự ảnh hưởng của một số yếu tố cụng nghệ đến nhiệt trị của vỏ trấu cụ thể như là độ ẩm của vỏ trấu trước và sau khi xử lý nhiệt để tăng nhiệt trị, thời gian xử lý nhiệt và nhiệt trị ban đầu của vỏ trấu,....tối ưu húa cỏc yếu tố cụng nghệ ảnh hưởng đến quỏ trỡnh làm tăng nhiệt trị vỏ trấu cho ta kết quả lựa chọn tối ưu cỏc thụng số ảnh hưởng chớnh, từ đú làm cơ sở lựa chọn/quyết định quy trỡnh cụng nghệ/vận hành để tạo ra sản phẩm phự hợp với nghiờn cứu thực tiễn. Trong nghiờn cứu này, tỏc giả lựa chọn ma trận Box-Behnken để phõn tớch, xõy dựng phương trỡnh hồi quy và giải bài toỏn tối ưụ Trong ma trận Box-Behnken với 3 yếu tố ảnh hưởng đó được mó húa sử dụng cho nghiờn cứu đối với quỏ trỡnh tăng nhiệt trị cho vỏ trấu (xử lý nhiệt trấu).
Yếu tố ảnh hưởng đó được mó húa X1 - Độ ẩm đầu vào W1 (%) X2 – Độ ẩm đầu ra W2 (%)
X3 – Nhiệt trị đầu vào Hu1 (MJ/kg)
Chất lượng được đỏnh giỏ qua 3 yếu tố: Y1 – Thời gian (phỳt)
Y2 – Số vũng quay (vũng)
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 65 Kết quả thực nghiệm một số yếu tố ảnh hưởng tới quỏ trỡnh khảo sỏt nhiệt trị vỏ trấu sau khi xử lý nhiệt theo ma trận Box-Behnken được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3.8. Giỏ trị mó húa và thực nghiệm của cỏc yếu tố khi thực nghiệm
Biến số Kớ hiệu Đợn vị Mức -1 0 1 Độ ẩm đầu vào W1 X1 % 10 12 14 Độ ẩm đầu ra W2 X2 % 1,1 1,2 1,3
Nhiệt trị đầu vào Hu1 X3 MJ/Kg 15,5 14,5 13,5
Tiến hành xõy dựng hàm hồi quy bậc 2 cho cỏc mục tiờu:
Y1 = ao + a1*X1 + a2*X2 + a3*X3 + a11*X12 + a22*X22 + a33*X32 + a12*X1 X2 +
a13*X1 X3 + a23*X2 X3 (3.13)
Y2 = bo + b1*X1 + b2*X2 + b3*X3 + b11*X12 + b22*X22 + b33*X32 + b12*X1 X2 +
b13*X1 X3 + b23*X2 X3 (3.14)
Y3 = co + c1*X1 + c2*X2 + c3*X3 + c11*X12 + c22*X22 + c33*X32 + c12*X1 X2 +
c13*X1 X3 + c23*X2 X3 (3.15)
Bảng 3.9. Ma trận thực nghiệm tối ưu húa quỏ trỡnh tăng nhiệt trị thấp Hu theo quy hoạch Box-Behnken đối với vỏ trấu
N°Exp X1 X2 X3 Y1 Y2 Y3 1 -1,0000 -1,0000 0,0000 30,00 3,00 15,80 2 1,0000 -1,0000 0,0000 34,00 4,00 15,40 3 -1,0000 1,0000 0,0000 32,00 4,00 14,50 4 1,0000 1,0000 0,0000 28,00 2,00 15,80 5 -1,0000 0,0000 -1,0000 30,00 4,00 14,75 6 1,0000 0,0000 -1,0000 32,00 2,00 15,48 7 -1,0000 0,0000 1,0000 34,00 2,00 14,86 8 1,0000 0,0000 1,0000 32,00 3,00 15,35
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 66 N°Exp X1 X2 X3 Y1 Y2 Y3 9 0,0000 -1,0000 -1,0000 35,00 4,00 15,69 10 0,0000 1,0000 -1,0000 30,00 3,00 15,15 11 0,0000 -1,0000 1,0000 35,00 4,00 15,63 12 0,0000 1,0000 1,0000 38,00 3,00 15,45 13 0,0000 0,0000 0,0000 30,00 2,00 15,80 14 0,0000 0,0000 0,0000 30,00 2,00 15,78
ạ Mụ hỡnh đỏnh giỏ thời gian để làm tăng nhiệt trị cho vỏ trấu (t):
Mụ hỡnh đỏnh giỏ thời gian tăng nhiệt trị cho vỏ trấu của quỏ trỡnh được biểu diễn theo phương trỡnh (3.13). Giỏ trị cỏc hệ số hồi quy được thể hiện trong bảng 3.10.
Bảng 3.10: Giỏ trị hệ số hồi quy hàm Y1
Hệ số Giỏ trị Chuẩn t Giỏ trị p (%)
a0 30,000 53,67 < 0,01 *** a1 0,000 0,00 100,0 a2 -0,750 -2,68 5,5 a3 1,500 5,37 0,706 ** a11 -0,750 -1,70 16,4 a22 1,750 3,96 1,78 * a33 2,750 6,22 0,453 ** a12 -2,000 -5,06 0,844 ** a13 -1,000 -2,53 6,5 a23 2,000 5,06 0,844 **
Bảng 3.10 cho thấy hệ số của phương trỡnh hồi quy (3.13) đều cú nghĩạ Dựa vào cỏc giỏ trị của hệ số hồi quy bảng 3.10 cũng như đồ thị ảnh hưởng của độ ẩm đầu vào W1 và nhiệt trị đầu vào Hu1 đến thời gian xử lý nhiệt (thời gian tăng nhiệt trị thấp cho vỏ trấu), kết quả được thể hiện trờn đồ thị 2D (hỡnh 3.25)
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 67 dưới dạng cỏc đường đồng mức với bề mặt đỏp ứng cho thấy cỏc yếu tố độ ẩm và nhiệt trị thấp của vỏ trấu trước khi xử lý nhiệt đều ảnh hưởng đến thời gian xử lý nhiệt. Nhiệt trị của vỏ trấu Hu1 tỉ lệ nghịch với độ ẩm đầu vàọ Khi độ ẩm tăng thỡ nhiệt trị thấp của trấu giảm và ngược lạị
Hỡnh 3.25: Thời gian tăng nhiệt trị thấp cho vỏ trấu phụ thuộc vào độ ẩm đầu vào W1 và nhiệt trị đầu vào Hu1 khi độ ẩm đầu ra W2 = 1,2%
Từ đú ta cú phương trỡnh hồi quy về thời gian như sau:
Y1 = 30 – 0,75*X2 + 1,5*X3 – 0,75*X12 + 1,75*X22 + 2,75*X32 - 2*X1 X2 - X1 X3 + 2*X2 X3
Hệ số xỏc định R2= 0,974; hệ số điều chỉnh R2A= 0,917 cho thấy cú thể sử dụng mụ hỡnh để tiờn đoỏn thực nghiệm và ngược lạị Điều này cho thấy phương trỡnh hồi quy đó mụ tả chớnh xỏc cỏc số liệu thực nghiệm.
b. Mụ hỡnh đỏnh giỏ số vũng quay (n): (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mụ hỡnh đỏnh giỏ số vũng quay của quỏ trỡnh tăng nhiệt trị thấp Hu cho vỏ trấu được biểu diễn theo phương trỡnh (3.14). Giỏ trị cỏc hệ số hồi quy được thể hiện trong bảng 3.11
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 68
Bảng 3.11. Giỏ trị hệ số hồi quy hàm Y2
Hệ số Giỏ trị Chuẩn t Giỏ trị p (%)
b0 2,000 11,31 0,0917 *** b1 -0,250 -2,83 4,78 * b2 -0,375 -4,24 1,45 * b3 -0,125 -1,41 23,0 b11 0,250 1,79 14,7 b22 1,000 7,16 0,302 ** b33 0,500 3,58 2,42 * b12 -0,750 -6,00 0,505 ** b13 0,750 6,00 0,505 ** b23 0,000 0,00 100,0
Bảng 3.11 cho thấy hệ số của phương trỡnh hồi quy (3.14) đều cú nghĩạ Dựa vào cỏc giỏ trị của hệ số hồi quy bảng 3.11 cũng như đồ thị ảnh hưởng của độ ẩm đầu ra W2 và nhiệt trị đầu vào Hu1 đến số vũng quay của trống xử lý nhiệt, kết quả được thể hiện trờn đồ thị 2D (hỡnh 3.26) dưới dạng cỏc đường đồng mức với bề mặt đỏp ứng cho thấy cỏc yếu tố độ ẩm đầu ra W2 và nhiệt trị thấp Hu1 đều ảnh hưởng đến số vũng quay của trống xử lý nhiệt. Mặt khỏc cỏc đường đồng mức cho phộp xỏc định được mối quan hệ giữa cỏc thụng số như độ ẩm đầu ra W2 với nhiệt trị đầu vào Hu1 để đạt được giỏ trị nhất định về số vũng quay của trống xử lý nhiệt (thiết bị gia tăng nhiệt trị của vỏ trấu).
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 69
Hỡnh 3.26. Số vũng quay của trống xử lý nhiệt phụ thuộc vào độ ẩm đầu ra W2 và nhiệt trị đầu vào Hu1 khi độ ẩm đầu vào W1 = 12%
Từ đú ta cú phương trỡnh hồi quy khảo sỏt số vũng quay của trống như sau:
Y2 = 2 – 0,25*X1 – 0,375*X2 – 0,125*X3 + 0,25*X12 + X22 + 0,5*X32 – 0,75*X1 X2 + 0,75*X1 X3
Hệ số xỏc định R2= 0,975; hệ số điều chỉnh R2A= 0,919 cho thấy cú thể sử dụng mụ hỡnh để tiờn đoỏn thực nghiệm và ngược lạị Điều này cho thấy phương trỡnh hồi quy đó mụ tả chớnh xỏc cỏc số liệu thực nghiệm.
c. Mụ hỡnh khảo sỏt nhiệt trịđầu ra (Hu2):
Mụ hỡnh khảo sỏt nhiệt trị đầu ra của quỏ trỡnh được biểu diễn theo phương trỡnh (3.15). Giỏ trị cỏc hệ số hồi quy được thể hiện trong bảng 3.12
Bảng 3.12: Giỏ trị hệ số hồi quy hàm Y3
Hệ số Giỏ trị Chuẩn t Giỏ trị p (%) c0 15,790 279,68 < 0,01 *** c1 0,265 9,39 0,145 ** c2 -0,203 -7,17 0,300 ** c3 0,028 0,97 38,7 c11 -0,392 -8,79 0,172 ** c22 -0,022 -0,50 64,2
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 70
Hệ số Giỏ trị Chuẩn t Giỏ trị p (%)
c33 -0,287 -6,44 0,409 **
c12 0,425 10,65 0,106 **
c13 -0,060 -1,50 20,7
c23 0,090 2,25 8,7
Bảng 3.12 cho thấy hệ số của phương trỡnh hồi quy (3.14) đều cú nghĩạ Dựa vào cỏc giỏ trị của hệ số hồi quy bảng 3.12 cũng như đồ thị ảnh hưởng của độ ẩm đầu vào W1 và nhiệt trị thấp của vỏ trấu trước khi đưa vào trống xử lý nhiệt Hu1 đến nhiệt trị thấp của trấu sau quỏ trỡnh xử lý nhiệt (Hu2), kết quả được thể hiện trờn đồ thị 2D (hỡnh 3.27) dưới dạng cỏc đường đồng mức với bề mặt đỏp ứng cho thấy cỏc yếu tố độ ẩm W1, nhiệt trị thấp Hu1 đều ảnh hưởng đến nhiệt trị thấp Hu2.
Hỡnh 3.27. Nhiệt trị thấp của trấu sau quỏ trỡnh xử lý nhiệt (Hu2) phụ thuộc vào cặp thụng số như độ ẩm đầu vào W1 và nhiệt trị thấp của vỏ trấu trước khi đưa
vào trống xử lý nhiệt Hu1 khi độ ẩm đầu ra W2 = 1,2%
Từ đú ta cú phương trỡnh hồi quy khảo sỏt nhiệt trị thấp (Hu2) của vỏ trấu sau quỏ trỡnh xử lý nhiệt như sau:
Y3 = 15,79 + 0,265*X1 – 0,203*X2 + 0,028*X3 – 0,392*X12 – 0,022*X22 – 0,287*X32 + 0,425*X1 X2 – 0,06*X1 X3 + 0,09*X2 X3
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 71 Cỏc hệ số tương quan như hệ số xỏc định R2= 0,989; hệ số điều chỉnh R2A= 0,965 cho thấy cú thể sử dụng mụ hỡnh để tiờn đoỏn thực nghiệm và ngược lạị Điều này cho thấy phương trỡnh hồi quy đó mụ tả chớnh xỏc cỏc số liệu thực nghiệm.
Tối ưu húa
Tiến hành tối ưu húa cỏc yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của quỏ trỡnh tăng nhiệt trị thấp cho vỏ trấu theo thuật toỏn hàm mong đợi với hàm mục tiờu như sau:
- Thời gian và số vũng quay của trống xử lý nhiệt cần đạt được để nhiệt trị thấp của vỏ trấu sau khi tăng nhiệt trị mong đợi là lớn nhất, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cụ thể kết quả của quỏ trỡnh tối ưu được trỡnh bày như bảng dướị
Bảng 3.13: Chế độ cụng nghệ tối ưu
Biến số Giỏ trị Đơn vị
Độ ẩm đầu vào W1 12,7 %
Độ ẩm đầu ra W2 1,13 %
Nhiệt trị đầu vào (Hu1) 14,21 MJ/Kg
Bảng 3.14. Giỏ trị giới hạn, mục tiờu cần đạt kết quả tối ưu
Hàm Giỏ trị tớnh toỏn di% Giỏ trị thực tế Độ chờnh lệch ∆ Đơn vị Thời gian (t) 32 99,92 31,97 0,03 phỳt Số vũng quay (n) 3 99,97 2,999 0,001 Vũng Nhiệt trị đầu ra (Hu2) 15,82 99,98 15,816 0,004 MJ/Kg
Hàm mong đợi chung (D) 99,96
Từ bảng 3.13 cho thấy độẩm đầu vào W1 là 12,7% ở độ ẩm này thỡ độ ẩm đầu ra W2 là 1,13% với nhiệt trịđầu vào Hu1 là 14,21 MJ/Kg. Với cỏc tỷ
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 72 Kết quả ở bảng 3.14 cũng cho thấy khả năng đạt được hàm tối ưu của thời gian xử lý nhiệt là 99,92%, của số vũng quay là 99,97%, hàm mục tiờu nhiệt trị của vỏ trấu sau khi xử lý nhiệt là 99,98%. Xột chung tất cả cỏc mục tiờu thỡ
hàm mong đợi đạt được 99,96% Nhận xột:
Từ kết quả mụ hỡnh lý thuyết tối ưu này được kiểm nghiệm lại bằng thực nghiệm cho thấy, như trờn bảng 3.14 cho thấy độ chờnh lệch trờn là khụng nhiều giữa mụ hỡnh toỏn lý thuyết và kết quả nghiờn cứu thực nghiệm. Điều này chứng tỏ mụ hỡnh tối ưu đó chọn cú khả năng thực hiện được mục tiờu đề ra là cao nhất cú thể.
Kết luận:
Như vậy, kết quả lựa chọn tối ưu với cỏc thụng số: Độ ẩm đầu vào: 12,7%
Độ ẩm đầu ra: 1,13%
Nhiệt trị thấp của vỏ trấu trước khi xử lý nhiệt: 14,21 MJ/Kg
Với cỏc thụng số tối ưu đó được lựa chọn như trờn thỡ kết quả đạt được là nhiệt trị thấp của vỏ trấu sau khi xử lý nhiệt để tăng nhiệt trị đạt được kết quả lớn nhất là 15,82 MJ/Kg trong thời gian xử lý nhiệt là 32 phỳt cựng với số vũng quay của trống xử lý nhiệt (thiết bị nõng cao nhiệt trị) là 3 vũng.
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Với một nền nụng nghiệp lỳa nước lõu đời và ngày nay sản lượng lỳa suất khẩu của Việt Nam đứng thứ 2 trờn thế giới chớnh vỡ thế việc tận dụng vỏ trấu là mụ hỡnh nụng - cụng nghiệp khộp kớn. Khụng chỉ tận dụng hết nguồn phế thải nụng nghiờp do vỏ trấu mang lại giỳp làm giảm ụ nhiễm mụi trường.
Cụng nghệ xử lý nhiệt vỏ trấu là cụng nghệ mới trờn thế giớị Dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đỡnh Tựng tỏc giả đó tập trung nghiờn cứu và thu được thành quả bước đầu, cụ thể như sau:
• Đó tỡm hiểu được tiềm năng sinh khối trờn thế giới và ở Việt Nam.
• Đó tỡm hiểu nghiờn cứu cụng nghệ xử lý nhiệt qua cỏc cụng trỡnh khoa học trờn thế giới đó cụng bố dưới dạng bài bỏo khoa học, hoặc mụ hỡnh thớ nghiệm.
• Đó xõy dựng được mụ hỡnh tớnh toỏn nhiệt trị của nhiờn liệu trờn mỏy tớnh, kết quả của mụ hỡnh làm cơ sở để tiến hành thực nghiệm, ngoài ra cũn giỳp ớch cho việc khẳng định lại sự chớnh xỏc của kết quả thực nghiệm. Mặt khỏc từ kết quả mụ hỡnh trờn mỏy tớnh cũn cú thể giỳp ớch nhiều cho khõu thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm đạt được kết quả tốt.
• Đó tớnh toỏn, thiết kế, chế tạo được thiết bị xử lý nhiệt cho vỏ trấụ
• Đó tiến hành khảo nghiệm để khẳng định lại tớnh đỳng đắn về nguyờn lớ của thiết bị đó lựa chọn, đó thiết kế.
Kết quả nghiờn cứu khi so sỏnh giữa mụ hỡnh tớnh toỏn lý thuyết cho
thấy hiệu suất tăng 13,48 - 14,89%.
• Kết quả nghiờn cứu khi so sỏnh giữa kết quả nghiờn cứu thực nghiệm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
cho thấy hiệu suất tăng 15 - 22%.
Từ số liệu trờn cho thấy, khi qua cụng nghệ xử lý nhiệt thỡ nhiệt trị tăng lờn rất đỏng kể và tương đương với nhiệt trị của than đỏ đối với mẫu vỏ trấu số 4.
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 74 Với kết quả nghiờn cứu này đó mở ra một hướng nghiờn cứu mới về vấn đề nõng cao hiệu quả khi sử dụng năng lượng sinh khối núi chung và cho trấu núi riờng.
Kiến nghị:
• Tiếp tục thực hiện nghiờn cứu thực nghiệm cho một số loại phụ phẩm nụng nghiệp khỏc như: rơm rạ, gỗ chớp, vỏ cà phờ….
• Tiến hành ộp viờn từ nguyờn liệu sau khi xử lý nhiệt để khảo sỏt, so sỏnh khả năng ộp, chi phớ năng lượng so với trường hợp ộp viờn trực tiếp khụng qua xử lý nhiệt.
• Thực hiện nghiờn cứu về xử lý nhiệt đối với nguyờn liệu dưới dạng đó ộp viờn để so sỏnh tớnh kinh tế giữa ộp viờn trước và sau khi xử lý nhiệt xem phương ỏn nào hiệu quả hơn.
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 75
DANH MỤC CÁC CễNG TRèNH CễNG BỐ 1. Bài bỏo khoa học
Nguyễn Đỡnh Tựng, Mai Thanh Huyền (2015). Một số kết quả nghiờn cứu về xử
lý vỏ trấu để làm tăng nhiệt trị. Tạp chớ Cụng nghiệp nụng thụn, Số 18 trang 55
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Ạ Tiếng Anh
[1]. Nguyen Hoai Chau (2006). Present Status on Biomass Energy Research and Development in Vietnam, Institute of Environmental Technology (IET), Vietnamese Academy of Science and Technology (VAST), Hanoi, Vietnam;
[2]. Tung D. Nguyen (2009). Present State, Potential and the Future of electrical Power Generation from Biomass Residues in Vietnam. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal.
[3]. Tung D. Nguyen, D. Steinbrecht, J. Beu and Ẹ Backhaus (2008)