L ỜI CAM ĐOAN
2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT
VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
2.1. Phương pháp tiếp cận
Dựa trên các quy trình, công nghệ thiết bị của các nhà máy sản xuất hiện nay của trong và ngoài nước, dựa vào tính chất vật lý, hóa học của dung dịch cà phê để tính toán và thiết kế thiết bị sấy phun dịch sản phẩm theo các bước:
- Tập hợp các tài liệu, thông tin liên quan; sắp xếp hệ thống trong một danh mục tài liệu tham khảo
- Lập một cấu trúc để tổng hợp thông tin, kiến thức. Thông thường được lập theo các chủ đề và theo trình tự logic.
- Tiến hành đọc tài liệu, tóm tắt các điểm chính và trình bày lại theo văn phong và nhận thức của người đọc. Tuy nhiên một vài nơi có thể trích dẫn một đoạn văn của chính tác giả, lúc này cần ghi tên tác giả, năm, và số thứ tự tài liệu tham khảo.
- Trên cơ sở tổng quan, tiến hành bình luận, phân tích và xác định các vấn đề cần quan tâm nghiên cứu, ưu tiên nghiên cứu. Đây là cơ sở để xác định hoặc khẳng ý tưởng nghiên cứu trên cơ sở tổng quan tài liệu nghiên cứu đã có.
2.2. Đối tượng nghiên cứu và tính toán
Đối tượng nghiên cứu và tính toán ởđây là xoài lát tươi có độẩm khoảng 80%, chuẩn bị cho quá trình sấy đối lưu cho ra sản phẩm xoài khô có độ ẩm khoảng 20%.
Lựa chọn phương án nghiên cứu: theo tính chất nguyên liệu ta có thể chọn nhiều phương pháp sấy khác nhau nhưng ta chọn phương pháp sấy đối lưu vì có nhiều ưu điểm phù hợp với nguyên liệu xoài.
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 55
2.3. Sơ đồ nghiên cứu và tính toán, xác lập chế độ công nghệ
Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu công nghệ Công nghệ sấy đối lưu
thông minh xoài lát
Phân tích đối tượng công nghệ
Phân tích các yếu tốđầu vào
Xác định các đại lượng đầu ra
Nghiên cứu chế độ công nghệ
Cài đặt hệ thống và tiến hành sấy
Đánh giá chất lượng sản phẩm
Đánh giá hiệu quả thẩm định Thẩm định khâu xác định tác vụ và thực hiện Thẩm định khâu thực hiện Thẩm định khâu thực hiện Thẩm định khâu thực hiện Thẩm định khâu thực hiện Phân tích hiệu chỉnh lại các yếu tốđầu vào Hiệu chỉnh các mục tiêu Hiệu chỉnh các rào cản Hiệu chỉnh các tác vụ và quá trình thực hiện Đặt lại vấn đề Sai Sai Đúng Sai Sai Sai Sản phẩm và thực hiện các quá trình Kết luận Không đạt yêu ầ Đúng Đúng Đúng Đạt yêu cầu
Ứng dụng công nghệ sấy đối lưu Phát triển công
nghệ
Không đạt yêu cầu
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 56
2.4. Phương pháp nghiên cứu tài liệu, phântích, tổng hợp
Việc tính toán thiết kế mô hình sấy mít bằng phương pháp sấy đối lưu dựa trên lý thuyết tính toán máy sấy đối lưu bằng điện trở.
Các thông sốchính được tính toán dựa vào các báo cáo thành phần của nguyên liệu, phương pháp trao đổi nhiệt cũng như các chu trình lý thuyết của tác nhân sấy la không khí.
2.5. Phương pháp tính toán và thiết kế
- Từ yêu cầu công nghệ, mục đích và không gian sử dụng ta tính toán dựa vào phương pháp tính gần đúng.
- Khi tính toán thiết kế tạo thiết bị sấy phun, thì phải biết thông tin và dữ liệu cho trước chẳng hạn:
Loại sản phẩm.
Năng suất sản phẩm sấy phun Gc (kg/h).
Nồng độ nguyên liệu vào xd (%).
Nồng độ nguyên liệu sản phẩm ra xc (%). - Sau đó cần tính dựa các bước sau:
Xác định các thông số ban đầu: nhiệt độ không khí vào, ra; năng suất nhập liệu; độ ẩm sản phẩm.
Tính cân bằng vật chất: tính toán lượng ẩm bốc ra, lưu lượng khí nóng cần cung cấp.
Tính toán kích thước buồng sấy. Xác định vận tốc sấy, thời gian sấy.
Tính cân bằng năng lượng: tính toán lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình sấy bao gồm nhiệt cần cho quá trình đốt nóng vật liệu ẩm, nhiệt làm bay hơi nước.
Tính toán quá trình sấy thực: tính lượng nhiệt thực tế cần cung cấp để thực hiện quá trình sấy và nhiệt tổn thất từ đó tính toán được lưu lượng khí nóng cung cấp.
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 57
2.6. Phương pháp chế tạo
Dựa vào số liệu tính toán và sơ đồ thiết kếđể chế tạo đúng kích thước của thiết bị.
Dựa vào tính chất hóa học, vật lý của dung dịch cũng như hiệu quả kinh tế mà chọn vật liệu để chế tạo thiết bị phù hợp.
2.6.1. Phương pháp hàn
Trong công nghệ chế tạo cơ khí, hàn là quá trình công nghệ để nối các chi tiết với nhau thành liên kết không tháo rời được, mang tính liên tục ở phạm vi nguyên tử hoặc phân tử, bằng cách đưa chỗ nối tới trạng thái nóng chảy, thông qua việc sử dụng một trong hai yếu tố là nhiệt và áp lực, hoặc kết hợp cả hai yếu tố đó. Hiện nay, có các phương pháp hàn chính sau đây:
Hàn gió đá (còn gọi là hàn khí):hàn gió (oxy) đá (acetylen hay gas). Phương pháp này sử dụng các khí trên để gia nhiệt cho chi tiết hàn đạt tới trạng thái nóng chảyvà liên kết với nhau. Khi hàn có thể dùng vật liệu đểđiền thêm (filler rod) vào vị trí hàn hoặc không [17],[18].
Hàn hồquang dưới khí bảo vệ T.I.G (Tungsten inert gas): Phương pháp này dùng hồquang được tạo ra bởi điện cực Tungsten và dùng khí trơ Argon để bảo vệ mối hàn.
Hàn hồquang dưới khí bảo vệ M.I.G (Metal inert gas): Thay vì dùng que hàn,
người ta dùng 1 cuộn dây kim loại có kích thước từ 0.6 mm - 1.6 mm hoặc lớn hơn làm điện cực hàn và điện cực này cũng là dạng điện cực nóng chảy nhưng được cung cấp một cách liên tục nhưng vẫn được người thợ hàn điều khiển nên còn gọi là hàn bán tự động. Trong phương pháp này, người ta dùng khí hoạt tính (CO2) hay khí trơ (Argon) để làm khí bảo vệ mối hàn [19].
Hàn hồquang điện (arc welding), gọi tắt là hàn điện hay hàn que: Phương pháp này dùng hồ quang điện được tao ra bởi que hàn để làm nóng chảy kim loại hàn và ngay cả que hàn để điền vào vị trí hàn [17],[18].
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 58
Các quá trình hàn đặc biệt khác: hàn nổ, hàn TIG điện cực nén, hàn Plasma, hàn
tia điện tử, hàn Laser, …Trong quá trình gia công thiết bị, chúng tôi sử dụng phương pháp hàn T.I.G với nhiều ưu điểm như: điện cực nóng chảy, không tạo gỉ do không có thuốc hàn; nguồn điện tập trung có nhiệt độ cao giúp dễ quan sát và kiểm soát vũng chảy; có thểhàn được kim inox mỏng hoặc dày. Do đó mối tạo mối hàn đẹp, không gỉ và giúp mối hàn kín.
2.6.2. Phương pháp uốn ống
Uốn là phương pháp tác dụng lực lên vật liệu làm biến dạng vật liệu đó theo hình dạng nhất định thoả mãn yêu cầu công nghệđặt ra. Trong chế tạo cơ khí có các phương pháp uốn ống:
Uốn ống theo kiểu uốn kéo và quay: phôi được kéo qua một má uốn đứng cố
định, bán kính uốn đã được xác định từtrước. Phương pháp này được sử dụng khá hoàn hảo trong các trường hợp uốn tay vịn lan can, các dạng uốn mỹ nghệ, ống dẫn thanh đỡ hay một số bộ phận của khung gầm ô tô, xe lửa và rất nhiều đồ dùng khác [17].
Uốn theo kiểu ép đùn vào ống: đây là phương pháp đơn giản và rẻ tiền nhất, vật
liệu được ép chặt vào 2 điểm cốđịnh. Bộ phận uốn chuyển động về giữa trục của ống và tiến hành bẻ cong ống. Phương pháp này có thiên hướng làm biến dạng cả mặt trong và mặt ngoài của ống. Phôi uốn bị biến dạng thành hình ovan tùy thuộc vào độ dày của vật liệu. Kiểu uốn này phù hợp các ống chứa dây dẫn điện hoặc chứa các dây nối tới đèn chiếu sáng [17].
Uốn ống theo kiểu có chày uốn: uốn sử dụng chày khi cần uốn các sản phẩm mà
độ hư hỏng và biến dạng cho phép là nhỏ nhất có thể chấp nhận được. Các phôi ống được đỡ bên trong, được đỡ bằng chày uốn linh động trong ống, chày uốn đảm bảo cho ống không bị biến dạng và méo mó. Ống được bẻ cong qua puly uốn được cố định trên các má uốn để đảm bảo quá trình uốn được thực hiện tốt nhất. Phương pháp uốn này được ứng dụng để uốn rất nhiều các sản phẩm khác nhau: ống xả, ống tuabin,
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 59 ống dẫn nước, dẫn dầu trong hệ thống thủy lực… nơi không cho phép sự biến dạng của ống quá lớn [17].
Uốn ống bằng các trục lăn: được sử dụng cho việc uốn các sản phẩm có đường kính phôi lớn hoặc các sản phẩm có dạng tròn. Đầu cán gồm 3 trục cán, phôi được lồng vào giữa 3 trục lăn, hai trục lăn hai bên chuyển động, trục chính giữa nén ống xuống. Quá trình điều khiển uốn có thể dùng bằng tay hoặc bằng động cơ điện, hoặc bằng thủy lực. Đây cũng chính là phương pháp mà chúng tôi sử dụng để chế tạo [17].
2.6.3. Các phương pháp tiện và phay
Tiện là phương pháp gia công cắt gọt thông dụng nhất, nó tạo nên hình dạng chi tiết bằng hai chuyển động gọi là chuyển động tạo hình [17],[18]. Chuyển động quay tròn của chi tiết (trong một số trường hợp là chuyển động của dụng cụ) là chuyển động chính, chuyển động tịnh tiến của dụng cụ cắt để cắt hết chiều dài chi tiết là chuyển động chạy dao. Tiện được thực hiện chủ yếu trên máy tiện (Lathe).
Một số loại máy tiện có thể kể đến như: máy tiện vạn năng, máy tiện cụt, máy tiện đứng, máy tiện rơ-vôn-ve, máy tiện trục khuỷu, máy tiện CNC. Dụng cụ cắt sử dụng trong nguyên công tiện là dao máy tiện trục khuỷu, máy tiện CNC.
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 60 Phay là phương pháp gia công rất phổ biến, có thể gia công được nhiều dạng bề mặt. Phay có thểgia công được mặt phẳng, mặt định hình có đường sinh thẳng hay cong. Trong sản xuất lớn, phay hầu như thay thế phần lớn cho bào và xọc. Phay được thực hiện bằng máy phay.
Hình 2.3. Máy phay
2.7. Phương pháp tự động điều khiển
Quá trình điều khiển tự động là hệ thống phải tự vận hành đểđạt được kết quả mong muốn bằng cách điều chỉnh các yếu tốđầu vào dựa trên các thuật toán và lý thuyết điều khiển sau đây:
- Kiểm tra điều kiện vận hành của thiết bị, kiểm tra độ kín của hệ thống.
- Khởi động hệ thống, điều chỉnh nhiệt độ gió nóng vào và nhiệt độ khí nóng ra theo nhu cầu của sản phẩm. Đợi đến khi quá trình ổn định.
- Bắt đầu quá trình sấy và theo dõi lượng sản phẩm thu được.
- Theo dõi quá trình hoạt động của thiết bị và các dụng cụđo nhiệt độ, tốc độ gió.
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 61
2.8. Phương pháp đánh giá chất lượng máy và hiệu chỉnh các thông số của máy bằng thực nghiệm.
Mục tiêu của hệ thống công nghệ sấy đối lưu thông minh là sản phẩm sau khi sấy phải thỏa mãn tất cả các tiêu chí về khả năng bảo quản (độ ẩm), đảm bảo được chất lượng sản phẩm (giá trị về mặt dinh dưỡng, tính hoàn nguyên, …), giá thành (chi phí năng lượng tiêu hao). Vì thế, Chúng tôi lựa chọn các tiêu chí sản phẩm sau khi sấy đối lưu: chi phí năng lượng cho 1 kg sản phẩm là y1 (kWh/kg); độ ẩm y2 (%); để mô tả quá trình sấy đối lưu. Các yếu tố này phụ thuộc vào các yếu tố công nghệ: nhiệt độ môi trường sấy chân không x1 (oC); thời gian sấy x2 (giờ). Quá trình này quyết định đến chất lượng, độ ẩm và giá thành của sản phẩm cuối cùng.
Trong thực tế, chúng tôi mong muốn công nghệ sấy đối lưu tạo ra sản phẩm không chỉ có chất lượng tốt với chi phí năng lượng ở mức thấp nhất và độ ẩm đạt yêu cầu của tiêu chí bảo quản mà còn thỏa tất cả các điều kiện về mặt kỹ thuật, kinh tế của công nghệ sấy đối lưu.
2.8.1 Phương pháp xác định hàm mục tiêu độ ẩm cuối của sản phẩm sấy
Xác định độ ẩm ban đầu của vật liệu dứa bằng thực nghiệm. Chúng ta tiến hành cân lượng nguyên liệu xoài Gbđđã được sơ chế. Sau đó sấy đến khối lượng không đổi, cân lại thu được lượng dứa sau cùng Gs. Sau đó tiến hành tính độ ẩm theo công thức sau: bñ s o bñ G G G (%) (2.1) Trong đó:
Gbđ: Khối lượng nguyên liệu ban đầu (kg); Gs: Khối lượng sau khi sấy (kg);
o
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 62 Ta tiến hành xác định hàm mục tiêu độ ẩm của sản phẩm sấy. Gọi hàm mục tiêu độ ẩm sản phẩm sấy y1 (%), ta có: Gbđ (1- o) = Gs (1 – y1) (2.2) Từ (2.17) suy ra: y1 = 1 - bñ o s G (1 ) G (2. 3)
1.8.2. Phương pháp xác định hàm mục tiêu chi phí năng lượng
Mức năng lượng tiêu thụ: (y2, kW/h) cho 1 kg sản phẩm được xác định theo công thức: y2 = , kW/h (2.4) Trong đó: G – là khối lượng sản phẩm (kg). U – chỉ số Volt kế (V). I – chỉ số Ampe kế (A). – thời gian sấy (s). cos( ) – hệ sô công suất.
1.8.3. Phương pháp cổ điển tối ưu hóa
Trong quá trình thiết kế và chế tạo hệ thống sấy đối lưu thông minh chúng tôi tốn rất nhiều thời gian, số thí nghiệm tiến hành và lặp lại lớn, việc phân tích các hàm mục tiêu bằng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm đòi hỏi phải có khoảng thời gian dài đủđể làm việc đó.
Trong giới hạn thời gian cho phép, chúng tôi chỉ sử dụng phương pháp thực nghiệm cổ điển tối ưu hóa đánh giá chất lượng hệ thống đã thiết kế và kiểm tra các
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 63 hàm mục tiêu về chất lượng sản phẩm. Chúng tôi tiến hành quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp cổđiển như sau:Phân tích đối tượng công nghệ cần nghiên cứu, giả sử có (x1, x2, …, xn) biến tác động đến đối tượng công nghệ, ảnh hưởng trực tiếp đến mực tiêu cần quan tâm là y, hình 2.4. dưới đây [11], [15], [16].
Để giải bài toán này theo phương pháp cổđiển thì ta có thể thực hiện các bước sau:
Bước 1: Cho giá trị x2, …, xn = const, bố trí thí nghiệm thông số x1 trong khoảng [Ax1, Bx1], khoảng biến thiên x1 = (Bx1 – Ax1)/n, vậy giá trị làm thực nghiệm là: x10 =
Ax1, x11 = Ax1 + Δx1,…, x1n = Ax1 + nΔx1 = Bx1 [11]. Xem bảng 2.1. Bảng 2.1. Thực nghiệm với x2, …, xn = const
x1 x10 x11 … x1n
y y10 y11 … y1n
Biểu diễn dữ liệu thực nghiệm trên đồ thị sẽ xác định được cực trị của y11opt tại x11opt.
Bước 2: Cho giá trị x11opt, …, xn = const, bố trí thí nghiệm thông số x2 trong khoảng [Ax2, Bx2], khoảng biến thiên Δx2 = (Bx2 - Ax2)/n, vậy giá trị làm thực nghiệm là: x20 = Ax2, x21 = Ax2 + Δx2,…, x2n = Ax2 + nΔx2 = Bx2 [11]. Xem bảng 2.2. xj x2 xn Hộp đen x1 y1
Hình 2.4. Đối tượng công nghệ cần nghiên cứu Hình 2.1. Đối tượng công nghệ cần nghiên cứu
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 64 Bảng 2.2 . Thực nghiệm với x11opt, …, xn = const
x2 x20 x21 … x2n
y y20 y21 … y2n
Biểu diễn dữ liệu thực nghiệm trên đồ thị sẽ xác định được cực trị của y12opt tại x21opt.
Tương tự như vậy cho x3, x4, …, xn-1.
Bước n: cho giá trị x11opt, …, xn-1(n-1)opt = const, bố trí thí nghiệm thông số xn2 trong khoảng [Axn, Bxn], khoảng biến thiên Δxn = (Bxn - Axn)/n, vậy giá trị làm thực nghiệm là: xn0 = Axn, xn1 = Axn + Δxn,…, x2n = Axn + nΔxn = Bxn [11]. Xem bảng 2.3.
Bảng 2.3. Thực nghiệm với x11opt, …, xn-1(n-1)opt = const
xn xn0 xn1 … xnn
Y yn0 yn1 … ynn
Biểu diễn dữ liệu thực nghiệm trên đồ thị sẽ xác định được cực trị của ynnopt tại xnnopt. Nếu y1opt = y2opt = … =ynopt thì (x11opt, x22opt, …, xnnopt) là nghiệm tối ưu. Tuy nhiên, thực tế không bao giờ xãy ra, vì thếngười làm thí nghiệm phải làm lại thực nghiệm từ bước 1 cho đến bước n trong mine khảo sát hẹp hơn, miền khảo sát lúc này