L ỜI CẢM ƠN
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Máy sấy hạt sen SHS-50 năng suất 50kg/mẻ tại khoa Cơ khí - Công nghệ - Đại
học Nông Lâm Huế.
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi không gian: Quá trình gia công cải tiến máy sấy được thực hiện tại xưởng thực hành nghề Vận hành máy thi công nền – trường Cao đẳng Cơ điện-Xây dựng và Nông Lâm Trung Bộ. Hạt sen được thu mua ở Huế và thí nghiệm được thực
hiện tại khoa Cơ khí - Công nghệ, trườngĐại học Nông Lâm Huế.
Phạm vi thời gian: Gia công cải tiến được thực hiện từ 1/6/2018 đến 30/6/2018.
Thí nghiệm khảo nghiệm máy được thực hiện từ17/7/2018 đến 30/7/2018.
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu kỹ thuật sấy hạt sen phổ biến ở Việt Nam.
- Kiểm tra, đánh giá các thông số làm việc của máy sấy hạt sen tại khoa Cơ khí - Công nghệ Đại học Nông Lâm Huế.
- Thiết kế cải tiến một số bộ phận làm việc của máy sấy hạt sen.
- Tối ưu hoá mộtsố thông số làm việc của máy bằng phương pháp thực nghiệm.
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu 2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu
Nhằm thu thập các thông tin số liệu, các cơ sở lý thuyết liên quan tới hạt sen và sấy hạt sen. Các kết quả nghiên cứu về sấy hạt nói chung và sấy hạt sen nói riêng của
các tác giả đã công bố trên các sách báo, ấn phẩm. Chủ trương, đường lối chính sách
của Đảng, pháp luật của Nhà nước, của địa phương liên quan đến hạt sen.
2.3.2. Phương pháp tính toán, thiết kế
Tính toán xác định các thông số của máy sấy hạt sen: chi phí nhiên liệu, tính toán năng lượng, tổn thất năng lượng; chi phí nhân công, chi phí khác…, phân tích để chỉ rõ những ưu nhược điểm của máy làm cơ sở cho việc thiết kế cải tiến.
Thiết kế cải tiến một số bộ phận của máy sấy hạt sen tại khoa Cơ khí - Công nghệ Đại học Nông Lâm Huế nhằm nâng cao hiệu suất của máy.
2.3.3. Phương pháp kiểm tra sự đồng đều độ ẩm hạt sen trong buồng sấy
Sử dụng phương pháp phân tích phương sai để kiểm tra sự đồng đều độ ẩm hạt
sen sau khi sấy tại các vị trí khác nhau trong buồng sấy có phân phối chuẩn N (a,σ2) với số liệu phân bố bảng 2.1 [10]:
Bảng 2.1. Bảng số liệu mẫu X X1 X2 … Xk x11 x12 … x1k x21 x22 x2k x31 x32 x32 … … … xn11 xn21 xnkk
Với mức ý nghĩa α=0,05, kiểm định giá trị độ ẩm tại các vị trí trong buồng sấy có khác
nhau không.
Sau khi phân tích phương sai 1 yếu tố cho ra kết quả bảng ANOVA như sau:
Bảng 2.2. Bảng phân tích phương sai 1 yếu tố
Nguồn sai số Tổng các độ lệch bình phương (SS) Bậc tự do (df) Bình phương trung bình (MS) Giá trị thống kê (F) Giữa các nhóm SSA k-1 Trong nội bộ nhóm SSE = SST - SSA n-k Tổng cộng SST n-1
Trong đó:
SSA: Tổng bình phương độ lệch riêng của các nhóm so với trung bình mẫu chung;
SST: Tổng bình phương các độ lệch;
SSE: đặc trưng sự khác nhau trong nội bộ nhóm; MSA: phương sai do các yếu tố nghiên cứu tạo ra; MSE: phương sai do các yếu tố khác tạo ra;
Nếu giá trị thống kê F có phân phối Fisher bậc tự do k-1; n-k thì các số liệu đo được
bằng nhau với mức ý nghĩa α.
2.3.4. Phương pháp xác định độ ẩm hạt sen
Độ ẩm hạt sen được xác định bởi phương pháp sấy mẫu trong thời gian 5 giờ và ở
nhiệt độ 1050C, khi đó lượng nước tự do có trong mẫu sẽ bốc hơi hết [17]. Hạt sen sau khi
sấy được lấy mẫu tại 6 vị trí khác nhau trong buồng sấy (hình 2.1) và đưa đi phân tích độ ẩm hạt bằng máy sấy mẫu tại phòng thí nghiệm – khoa Cơ khí Công nghệ trường Đại Học
Nông Lâm Huế.
Công thức tính độ ẩm của hạt (W):
(2.1)
Trong đó:
M1: là khối lượng cốc sứ và mẫu trước khi sấy (g); M2: là khối lượng cốc sứ và mẫu sau khi sấy (g); M: là khối lượng mẫu đem sấy (g).
2.3.5. Phương pháp đánh giá chất lượng cảm quan hạt sen sau khi sấy
Chất lượng cảm quan hạt sen sau khi sấy được đánh giá dựa vào các tiêu chuẩn
hình dáng, kích thước và màu sắc hạt so với mẫu chuẩn [6]. Mẫu chuẩn dùng trong
đánh giá là hạt sen sấy khô bằng máy đang bán trên thị trường. Các yêu cầu đưa ra của
sản phẩm sấy so với mẫu chuẩn bao gồm:
- Hình dáng: Hạt sen phải đồng nhất về hình dáng so với mẫu chuẩn. Sản phẩm
không bị co rút, nứt.
- Màu sắc: Sản phẩm không có những vết đen trên bề mặt.
Hình 2.2. Đánh giá cảm quan hạt sen so với mẫu chuẩn
2.3.6. Phương pháp thực nghiệm
Sử dụng phương pháp thực nghiệm [9] và phần mềm Modde 5.0 [18] để giải bài toán quy hoạch hóa thực nghiệm nhằm tối ưu hóa một số thông số làm việc của máy
sấy hạt sen tại khoa Cơ khí - Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Huế sau khi thực
hiện cải tiến.
2.3.6.1. Bài toán thí nghiệm
Hình 2.3. Bài toán thí nghiệm máy sấy hạt sen
Máy sấy hạt sen SHS-50 Nhiệt độ sấy Vận tốc khí sấy
Thời gian đổi
chiều khí sấy
Độ ẩm hạt sen
sau khi sấy
Chất lượng
hạt sen về
2.3.6.2. Bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu
a. Chọn thông số nghiên cứu
Đối tượng của quy hoạch thực nghiệm là một quá trình hoặc hiện tượng nào đó
có những tính chất, đặc điểm chưa biết cần nghiên cứu. Người nghiên cứu có thể chưa
hiểu biết đầy đủ về đối tượng, nhưng đã có một số thông tin tiên nghiệm dù chỉ là sự
liệt kê sơ lược những thông tin biến đổi, ảnh hưởng đến tính chất đối tượng. Có thể
hình dung chúng như một “hộp đen” trong hệ thống điều khiển gồm các tín hiệu đầu vào và đầu ra (hình 2.4).
Hình 2.4. Sơ đồđối tượng nghiên cứu
Các biến kiểm tra được và điều khiển được, mà người nghiên cứu có thể điều chỉnh theo dựđịnh, biểu diễn bằng vectơ: Z= [Z1, Z2,...,Zk].
Các biến kiểm tra được nhưng không điều khiển được, biểu diễn bằng vectơ: T = [T1, T2,...,Th].
Các biến không kiểm tra được và không điều khiển được, biểu diễn bằng vectơ: E = [E1, E2,..., Ef].
Các tín hiệu đầu ra dùng để đánh giá đối tượng là vectơ Y = (y1, y2,..., yq).
Chúng thường được gọi là các hàm mục tiêu. Biểu diễn hình học của hàm mục tiêu
được gọi là mặt đáp ứng (bề mặt biểu diễn). Lựa chọn chỉ tiêu (mục tiêu) đánh giá đối tượng, sao cho các chỉ tiêu này vừa đáp ứng các yêu cầu của phương pháp quy hoạch
thực nghiệm, vừa đại diện nhất cho các điều kiện tối ưu của đối tượng nghiên cứu.
b. Quy hoạch hóa thực nghiệm và lập kế hoạch thực nghiệm
Để tính toán, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của nhân tố đầu vào đã xác định trong bài toán thí nghiệm máy sấy hạt sen (hình 2.3), tôi sử dụng phần mềm máy tính
Modde 5.0 (Modeling and Design). Đây là phần mềm hữu ích trợ giúp giải các bài toán mô hình hóa và tốiưu hóa thực nghiệm. Phần mềm này được Fisher nghiên cứu
Z
T E
áp dụng từ năm 1926 và tiếp tục được Box Hunter, Scheffes, Tagushi và những người
khác phát triển và hoàn thiện [18]. Ưu điểm của phần mềm này là cung cấp cho người
sử dụng 1 công cụ tối ưu để thí nghiệm. Modde 5.0 cho phép tính toán các hệ số của phương trình hồi quy, phân tích ảnh hưởng của các yếu tố trong phương trình hồi quy.
Kế hoạch thực nghiệm:
Kế hoạch thực nghiệm bao gồm các điểm thí nghiệm gọi là điểm của kế hoạch. Đó là một bộ (còn gọi là phương án) kết hợp các giá trị cụ thể của các yếu tố vào Z,
ứng với điều kiện tiến hành một thí nghiệm trong tập hợp các thí nghiệm của thực
nghiệm. Tại điểm thứ i của kế hoạch, bộ kết hợp các giá trị Zji bao gồm giá trị cụ thể
của k yếu tố đầu vào :
Zji = [Z1i, Z2i, ..., Zki] (2.2)
Trong đó:
i = 1, 2, ..., N: là điểm thí nghiệm thứ i của kế hoạch thứ i. N: là số điểm thí nghiệm của kế hoạch.
j = 1, 2, ..., k: là yếu tố thứ j ; k là số yếu tố đầu vào.
Các mức yếu tố
Các giá trị cụ thể của yếu tố vào Z được ấnđịnh tại các điểm kế hoạch gọi là các mức yếu tố. Khái niệm mức yếu tố dược sử dụng khi mô tả các điểm đặc trưng trong miền quy hoạch: mức trên, mức dưới, mức cơ sở, mức sao“*”. Mức cơ sở Z0j của các yếu tố là điều kiện thí nghiệmđược quan tâm đặc biệt. Thông thường vectơ các yếu tố đầu vào tại mức cơ sở Z0=[Z0j,Z0j,..., Z0j] chỉ ra trong không gian yếu tố một điểm đặc biệt nào đó gọi là tâm kế hoạch, mà trong vùng quanh nó phân bố toàn bộ các điểm
kế hoạch. Các tọa độ Z0j của vectơ Z0 được chọn theo công thức:
(2.3)
Lựa chọn mô hình
Mô hình thực nghiệm của đề tài là mô hình thực nghiệm bậc 2 tâm trực giao với phương trình hồi quy tổng quát [9]:
(2.5)
Lập ma trận thực nghiệm
Sau khi xác định các mô hình thực nghiệm với các yếu tố và các hàm mục tiêu, ta lập ma trận thực nghiệm theo phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm bậc hai tâm
trực giao với 3 yếu tố và 3 thí nghiệm tại tâm phương án như bảng 2.3 sau:
Bảng 2.3. Ma trận thực nghiệm với 3 yếu tố và 3 thí nghiệm tại tâm phương án
TT Biến thực Biến mã hóa z1 z2 z3 x1 x2 x3 1 55 0,6 30 -1 -1 -1 2 65 0,6 30 1 -1 -1 3 55 1,6 30 -1 1 -1 4 65 1,6 30 1 1 -1 5 55 0,6 90 -1 -1 1 6 65 0,6 90 1 -1 1 7 55 1,6 90 -1 1 1 8 65 1,6 90 1 1 1 9 55 1,1 60 -1 0 0 10 65 1,1 60 1 0 0 11 60 0,6 60 0 -1 0
12 60 1,6 60 0 1 0 13 60 1,1 30 0 0 -1 14 60 1,1 90 0 0 1 15 60 1,1 60 0 0 0 16 60 1,1 60 0 0 0 17 60 1,1 60 0 0 0 Bố trí thí nghiệm
Dựa vào ma trận thực nghiệm, ta bố trí thí nghiệm với thông số của các yếu tố
và kết quả ở hàm mục tiêu như bảng 2.4 sau:
Bảng 2.4. Bố trí thí nghiệm TT Biến mã hóa Kết quả x1 x2 x3 Y1 Y2 1 -1 -1 -1 Y11 Y21 2 1 -1 -1 Y12 Y22 3 -1 1 -1 Y13 Y23 4 1 1 -1 Y14 Y24 5 -1 -1 1 Y15 Y25 6 1 -1 1 Y16 Y26 7 -1 1 1 Y17 Y27 8 1 1 1 Y18 Y28 9 -1 0 0 Y19 Y29 10 1 0 0 Y110 Y210 11 0 -1 0 Y111 Y211 12 0 1 0 Y112 Y212
13 0 0 -1 Y113 Y213
14 0 0 1 Y114 Y214
15 0 0 0 Y115 Y215
16 0 0 0 Y116 Y216
17 0 0 0 Y117 Y217
2.3.6.3. Xác định hệ số phương trình hồi quy
Kiểm tra tính ý nghĩa của các hệ số phương trình hồi quy
Kết quả tính các hệ số trong phương trình thực nghiệm được được tính toán
bằng Modde 5.0. Các giá trị P có màu đỏ là các giá trị không có ý nghĩa đối với hàm mục tiêu, các giá trị này có thể loại bỏ khỏi hàm mục tiêu.
Kiểm tra sự phù hợp của mô hình thực nghiệm
Các giá trị phản ánh mức độ tin cậy R2 và khả năng dự đoán Q2 của mô hình thực
nghiệm được tính toán bằng phần mềm Modde 5.0 và kết quả được thể hiện qua hình 2.3. R2 càng tiến tới sát một thì mô hình có độ tin cậy càng cao.
2.3.7. Phương pháp tối ưu hóa
Phương pháp này sử dụng để tìm nghiệm tối ưu của các bài toán công nghệ trên
cơ sở các mô tả toán học tương thích đã được thiết lập. Sau khi thiết lập các mối quan
hệ giữa các yếu tố và các hàm mục tiêu, tôi đã sử dụng phần mềm modde 5.0 để giải
bài toán tối ưu đa mục tiêu.
Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu
Bài toán tối ưu đa mục tiêu về độ ẩm hạt, chất lượng hạt sau khi sấy về cảm
quan. Dạng bài toán này là xác định các biến xi sao cho các hàm mục tiêu (độ ẩm hạt, chất lượng hạt sau khi sấy về cảm quan) tối ưu.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. THIẾT KẾ CẢI TIẾN MÁY SẤY HẠT SEN SHS-50
3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Năm 2014 -2015, nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Nông Lâm Huế đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo được mẫu máy sấy hạt sen SHS-50 với kết cấu gọn nhẹ, đơn giản, sử dụng cho hộ và nhóm hộ gia đình kinh doanh và sản xuất hạt sen trên địa
bàn tỉnh Thừa Thiên Huế năng suất 50 kg/mẻ. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy như sau:
- Cấu tạo:
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy sấy hạt sen SHS-50
1. Quạt lò; 2. Lò đốt; 3. Khung; 4. Calorifere; 5. Quạt sấy; 6. Ống khói; 7. Cửa thoát
ẩm; 8. Hệ thống hiển thịvà điều khiển nhiệt độ; 9. Khay sấy hoặc các thanh treo; 10. Buồng sấy; 11. Bánh xe.
- Nguyên lý hoạt động:
Các vật liệu đốt như củi, than, trấu… được đốt trong lò đốt 2, khí đốt qua calorifere 4 làm nhiệt độ bên trong buồng calorifere nóng lên, không khí được quạt 5
đẩy từ bên ngoài vào buồng calorifere và nhận nhiệt từcalorifere để nâng nhiệt độ lên
đến trên 80oC và được đẩy theo khe hở giữa buồng sấy và buồng calorifere, qua tấm phân phối (khay sấy) vào buồng sấy để thực hiện quá trình sấy với nhiệt độ sấy khoảng 70oC, tác nhân sấy mang hơi ẩm thoát ngoài quả cửa thoát ẩm 7. Vật liệu sấy (hạt sen
tươi) được đặt trên khay 9 hoặc được xâu thành từng xâu (100 hạt) và được móc vào các thanh treo gắn trong buồng sấy. Máy sấy có thểcơ động nhờ hệ thống bánh xe tự
lựa 12.
Hệ thống hiển thị và điều khiển nhiệt độ 8 được thiết kế lắp đặt để xác định nhiệt độ sấy và được hiển thị trên màn hình led của bộđiều khiển, hệ thống điều khiển
để duy trì nhiệt độ tác nhân sấy (70oC hoặc có thểthay đổi) nhờ cảm biến nhiệt được gắn trong buồng sấy, cảm biến nhiệt sẽ nhận tín hiệu truyền về hệ thống điều khiển để đóng ngắt quạt thổi 1 nhằm tăng hay hạn chế quá trình cháy của lò. Nguồn điện cấp cho quạt 1, quạt 5 và bộ điều khiển sử dụng dòng xoay chiều 1 pha. Sai sốđiều khiển của hệ thống này là 3oC do hiện tượng quán tính nhiệt gây ra [5]
3.1.2. Ưu điểm của máy:
- Máy cấu tạo đơn giản, dễ dàng cho việc vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa máy;
- Máy có thể tự động điều chỉnh nhiệt độ sấy nhờ hệ thống điều khiển đóng ngắt
quạt lò nhằm tăng hay hạn chế quá trình cháy của lò đốt;
- Máy sử dụng vật liệu sẵn có trên thị trường, hệ thống lò đốt sử dụng các loại
phụ phế phẩm nông nghiệp như củi, than, trấu, rơm…
3.1.3. Nhược điểm của máy:
Nhược điểm của máy máy sấy hạt sen SHS - 50 là:
- Cơ cấu khay sấy và khung đỡ khay chưa hoàn chỉnh để sấy với năng suất
50kg/mẻ dẫn đến kết quả khảo nghiệm thực tế và chất lượng hạt sen sau khi sấy.
- Không khí sấy đi theo khe hở giữa buồng sấy và buồng calorifere, qua tấm phân
phối (khay sấy) vào buồng sấy theo hướng từ dưới lên để thực hiện quá trình sấy (hình 3.1). Do đó, nhiệt độ và độ ẩm tác nhân sấy tại các khay không đồng đều ảnh hưởng
chất lượng mẻ sấy.
Kết quả khảo nghiệm sự biến thiên độ ẩm của hạt tại các vị trí trong buồng sấy thể