Ảnh hƣởng của các yếu tố tác động đến quá trình sấy hồng ngoại

Hình 3 .1 Bài tốn hộp đen

Hình 3.3 Ảnh hƣởng của các yếu tố tác động đến quá trình sấy hồng ngoại

Qua phân tích tiếp cận đối tƣợng cơng nghệ thì bài tốn đặt ra cho đối tƣợng cơng nghệ sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại là: Việc nghiên cứu tìm kiếm chế độ cơng nghệ phải xuất phát từ bài toán tối ƣu đa mục tiêu đƣợc phát biểu nhƣ sau: Hãy tìm các yếu tố cơng nghệ bao gồm: nhiệt độ môi trƣờng sấy (Z1, 0C), thời gian sấy (Z2, h), cƣờng độ bức xạ riêng (Z3, kW/m2) thích hợp để khi quá trình sấy tiến hành sẽ tạo ra sản phẩm có: chi phí năng lƣợng cho 1kg sản phẩm (y1, kWh/kg) đạt tới ngƣỡng cực tiểu; độ ẩm sản phẩm (y2, %) đạt cực tiểu nhƣng thỏa mãn yêu cầu bảo quản; độ tổn thất các thành phần carbohydrate của sản phẩm (y3, %) đạt tới ngƣỡng cực tiểu, [19], [20], [29], [30], [31].

Có nghĩa khi sản phẩm mít đƣợc sấy ở chế độ thích hợp thì sản phẩm sau khi sấy có giá thành thấp nhất, độ ẩm đạt yêu cầu, chất lƣợng sản phẩm tốt nhất có thể có.

Từ phân tích này ta tiến hành quy hoạch thực nghiệm để xây dựng mơ hình tốn mơ tả cho q trình sấy nhƣ sau:

ĐỐI TƢỢNG CÔNG NGHỆ SẤY HỒNG NGOẠI Yếu tố phụ thuộc Các tính chất vật lý của sản phẩm mít: nhiệt dung riêng, khối lƣợng riêng, hệ số dẫn nhiệt , …

Yếu tố nguyên liệu

- - Độ ẩm của Mít.

- - Thành phần hóa học

của Mít.

- - Kích thƣớc hình học

- - Nhiệt độ nguyên liệu

ban đầu. -

Yếu tố công nghệ - Z1(0C): nhiệt độ môi

trƣờng sấy.

- Z2(h): thời gian sấy.

- Z3(kW/m2): cƣờng độ bức xạ (năng suất nhiệt riêng) - Z4(m/s): vận tốc TNS - Z5(mm): bề dày vật liệu sấy. - - - Yếu tố thiết bị - Cấu hình thiết bị. - Năng suất. - Hệ thống điều khiển và đo lƣờng.

Yêu cầu của sản phẩm - y1(kWh/kg): chi phí năng

lƣợng cho sản phẩm. - y2(%): độ ẩm của sản

phẩm.

- y3(%): độ tổn thất thành phần Carbohydrate.

 Số yếu tố công nghệ đƣợc xác định: k = 3

 Các yếu tố công nghệ nhiệt độ môi trường sấy (Z1, 0C), thời gian sấy (Z2, h), cường độ bức xạ riêng (Z3, kW/m2) đƣợc mã hóa thành các biến x1, x2 và x3 theo các phƣơng trình (2.5), (2.6).

Trong hệ trục khơng thứ nguyên, mức trên là 1, mức dƣới là -1. Tọa độ của tâm phƣơng án bằng 0 trùng với gốc hệ trục tọa độ.

 Số thí nghiệm đƣợc thiết kế theo phƣơng án thực nghiệm là [43], [44]: N = nk + n* + n0 = 2k + 2k + n0 = 18 (3.17) Trong đó:

nk = 2k = 23 = 8 - là số thí nghiệm của phƣơng án thực nghiệm yếu tố từng phần. n* = 2k = 2x3 = 6 - là số thí nghiệm của phƣơng án thực nghiệm ở điểm (*). n0 = 4 - là số thí nghiệm của phƣơng án thực nghiệm ở tâm (0).

 Cánh tay đòn của điểm (*):  .2k22k1 1,414

N

 (3.18)

 Điều kiện để ma trận TN trực giao :

2 2.  1 2 2.1,414  2/3 1  2  3 2   N N k  

 Thực nghiệm đƣợc tiến hành trong miền khảo sát đƣợc trình bày ở Bảng 3.1.

Bảng 3.1.Các mức các yếu tố công nghệ ảnh hƣởng đến quá trình sấy hồng ngoại

Yếu tố Các mức Mức sao dƣới -α Mức thấp (-1) Mức ở tâm (0) Mức cao (+1) Mức sao trên + α Z1,(0C) -α -1 0 +1 + α Z2, (h) -α -1 0 +1 + α Z3, (kW/m2) -α -1 0 +1 + α

 Thực nghiệm đƣợc tiến hành theo ma trận quy hoạch để xác định các hàm mục tiêu y1, y2, y3 đƣợc trình bày ở bảng 3.2.

Số TN

N

Biến tự

nhiên Biến mã hóa Hàm mục tiêu

x0 x1 x2 x3 y1 y2 y3

2k

1 1 1 1 1 y11 y21 y31

2 1 -1 1 1 y12 y22 y32

3 1 1 -1 1 y13 y23 y33

4 1 -1 -1 1 y14 y24 y34

5 1 1 1 -1 y15 y25 y35

6 1 -1 1 -1 y16 y26 y36

7 1 1 -1 -1 y17 y27 y37

8 1 -1 -1 -1 y18 y28 y38

2k

9 1 +α 0 0 y19 y29 y39

10 1 - α 0 0 y110 y210 y310

11 1 0 +α 0 y111 y211 y311

12 1 0 - α 0 y112 y212 y312

13 1 0 0 +α y113 y213 y313

14 1 0 0 - α y114 y214 y314

n0

15 1 0 0 0 y115 y215 y315

16 1 0 0 0 y116 y216 y316

17 1 0 0 0 y117 y217 y317

18 1 0 0 0 y118 y218 y318

Kết quả thực nghiệm và xây dựng mơ hình theo đƣợc trình bày ở chƣơng 3.

3.2.3.2. Thiết lập bài toán tối ƣu một mục tiêu

Một số khái niệm cơ sở

Xét một đối tƣợng công nghệ gồm m hàm mục tiêu f1(Z), f2(Z), ..., fm(Z). Các hàm

mục tiêu này hình thành nên véctơ hàm mục tiêu f(Z) = {fj(Z)} = {f1(Z), f2(Z), ..., fm(Z)}, trong đó j = 1 ÷ m. Mỗi hàm thành phần fj(Z) phụ thuộc vào n biến tác động

Z1, Z2, ..., Zn, các biến Zi (i = 1 ÷ n) sẽ hình thành nên véctơ các yếu tố ảnh hƣởng hay gọi là véctơ biến Z. Các biến này biến thiên trong miền giới hạn (miền xác định) ΩZ và các giá trị của hàm mục tiêu sẽ tạo thành miền giá trị của hàm mục tiêu Ωf (trong trƣờng hợp BTTƢ hai mục tiêu có thể biểu diễn hình học bởi miền nằm trong đƣờng cong kín A – f(ZS) – f(ZR) – B –N–M, (hình 3.4).

Hình 3.4. Khơng gian hàm mục tiêu của BTTƢ hai mục tiêu

Mỗi hàm mục tiêu fj(Z) cùng với véctơ biến Z = {Zi} = (Z1, Z2, ..., Zn), trong đó i = 1 ÷ n, hình thành một BTTƢ một mục tiêu. Để đơn giản nhƣng khơng hề làm mất tính tổng qt, BTTƢ m mục tiêu sẽ đƣợc trình bày cho trƣờng hợp tồn bộ m BTTƢ một mục tiêu đều là các bài tốn tìm cực tiểu có dạng:

fjmin = fj(Z1j opt, Z2j opt, ..., Znj opt) = Min fj(Z1, Z2, ..., Zn) (3.19)

Z = {Zi} = (Z1, Z2, ..., Zn)  Ωz (3.20) j = 1 ÷ m; i = 1 ÷ n (3.21)

3.2.3.3. Thiết lập bài toán tối ƣu đa mục tiêu

Xét BTTƢ m mục tiêu (3.19) + (3.20) + (3.21). Sau khi giải từng BTTƢ một mục tiêu sẽ xác định đƣợc các giá trị tối ƣu f1min, f2min, ..., fnmin và khi nghiệm không tƣởng (nghiệm chung cho cả hệ) không tồn tại cũng vẫn xác định đƣợc điểm không tƣởng fUT = (f1min, f2min, ..., fnmin). Một chuẩn tối ƣu tổ hợp S đƣợc định nghĩa theo biểu thức sau:

5 . 0 1 2 min 5 . 0 1 2 ) ) ( ( ) ( ) (                    m j j j m j j Z f Z f s Z S (3.22)

Dễ dàng thấy rằng S(Z) chính là khoảng cách từ điểm f(Z) đến điểm không tƣởng fUT. Chọn chuẩn tối ƣu tổ hợp S(Z) làm hàm mục tiêu, BTTƢ m mục tiêu đƣợc phát biểu lại nhƣ sau:

Hãy tìm nghiệm Zs = (Z1S, Z2S, ..., ZnS)  ΩZ sao cho hàm mục tiêu S(Z) đạt giá trị

cực tiểu: 5 . 0 1 2 min 5 . 0 1 2 min ( ) ( ) ( ) ( ( ) )                      m j j j m j j Z f Z f s Z MinS ZS S S (3.23) Zs = (Z1S, Z2S, ..., ZnS)  ΩZ

Đã chứng minh đƣợc rằng nghiệm ZS của BTTƢ , nếu tồn tại thì nghiệm ZS chính là nghiệm Paréto tối ƣu của BTTƢ m mục tiêu (2.9) + (2.10) + (2.11) [18]

Ký hiệu: f(ZS) = fPS

= (f1PS, f2PS, ..., fnPS). Với phƣơng pháp điểm không tƣởng (từ BTTƢ m mục tiêu đƣa về bài toán chuẩn tối ƣu tổ hợp S) nghiệm Paréto tối ƣu ZS tìm đƣợc sẽ cho hiệu quả Paréto tối ƣu f(ZS) = fPS

đứng gần điểm không tƣởng fUT

= (f1min, f2min, ..., fnmin) nhất. Trƣờng hợp m = 2 (hai mục tiêu) đƣợc minh họa ở hình 3.3.

3.2.4. Tối ƣu hóa giải bài tốn tối ƣu đa mục tiêu trong nghiên cứu công nghệ sấy hồng ngoại

3.2.4.1. Cơ sở khoa học về tối ƣu hóa

Xây dựng mơ hình tốn (hay mơ tả tốn học) cho đối tƣợng công nghệ (hay đối tƣợng nghiên cứu) nhằm vào các mục đích sau:

 Biểu đạt mối quan hệ giữa các đại lƣợng đầu vào là các yếu tố công nghệ và các đại lƣợng đầu ra là các hàm mục tiêu.

 Mối quan hệ này thƣờng các hệ phƣơng trình hoặc là phƣơng trình tốn, tổng qt nhất vẫn là hàm số toán học: yj = fj(Z1, Z2, ..., Zn); ∀Zi ∈Rn ; i =1 ÷ n; j = 1÷ m.

Trong đó: yj là các hàm mục tiêu, còn Zi = {Z1, Z2, ., Zn} là các biến.

 Dựa trên các mơ hình tốn này sẽ dự đốn, tìm ra các quy luật biến đổi của q trình cơng nghệ.

 Tối ƣu hóa q trình cơng nghệ để xác lập chế độ cơng nghệ tối ƣu, trên cơ sở đó cho phép chúng ta vận hành hệ thống máy móc thiết bị, điều khiển, kiểm sốt q trình

cơng nghệ một cách hiệu quả, tiết kiệm năng lƣợng, tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm.

Có thể thấy rằng, sau khi xây dựng xong mơ hình tốn biểu đạt cho q trình cơng nghệ một cách đầy đủ và chính xác về bản chất hóa lý thì bài tốn đặt ra ở đây, là làm thế nào tìm kiếm đƣợc chế độ công nghệ tối ƣu để khi vận hành hệ thống máy móc, thiết bị, điều khiển và kiểm sốt q trình nhằm tạo ra sản phẩm có chất lƣợng tốt nhất, chi phí giảm đến mức thấp nhất, thời gian bảo quản sản phẩm tối đa là vấn đề vô cùng quan trọng trong thực tế sản xuất [51].

Việc tìm kiếm chế độ cơng nghệ tối ƣu (hay thích hợp) ngƣời ta gọi là tối ƣu hóa q trình cơng nghệ, có nghĩa là đi thiết lập và giải các mơ hình tốn hay thiết lập và giải các bài tốn tối ƣu, tìm nghiệm cực trị (có thể là cực đại và cũng có thể là cực tiểu) để xác lập chế độ công nghệ. Bài tốn tối ƣu đi tìm cực đại, thƣờng là các bài tốn mơ tả về hiệu suất, năng suất, tuổi thọ, ..., của hệ thống máy móc thiết bị, chất lƣợng sản phẩm, tính hồn ngun của sản phẩm …. Cịn bài tốn tối ƣu đi tìm cực tiểu, thƣờng là các bài toán mơ tả về độ tổn thất, chi phí sản xuất, chi phí năng lƣợng, độ ẩm, độ co rút, độ nứt nẻ của vật liệu sau khi sấy, .v.v.

3.2.4.2. Tối ƣu hóa bài tốn tối ƣu một mục tiêu

Xét đối tƣợng công nghệ, hàm mục tiêu cần quan tâm là yj = fj(Z) phụ thuộc vào

các yếu tố công nghệ Z1, Z2, …, Zn, các yếu tố công nghệ này tạo thành véctơ các yếu tố ảnh hƣởng hay gọi là véctơ biến Z = {Zi} = (Z1, Z2, …, Zn). Các biến này biến thiên

trong miền xác định ΩZ và các giá trị của hàm mục tiêu fj(Z) sẽ tạo thành miền giá trị Ωf

Z1 Z2

Zn Đối tƣợng cơng nghệ

Z yj Y

Hình 3.5. Sơ đồ đối tƣợng cơng nghệ một mục tiêu

Hàm mục tiêu yj = fj(Z) cùng với véctơ biến Z = {Zi} = (Z1, Z2, …, Zn) ∈ ΩZ với i = 1÷ n hình thành một bài tốn tối ƣu một mục tiêu.

3.2.4.3. Tối ƣu hóa bài tốn tối ƣu đa mục tiêu

Giả sử hàm mục tiêu mơ tả cho một đối tƣợng cơng nghệ có dạng nhƣ sau: y = f(Z1, Z2, ., Zn); ∀Zi ∈Rn ; i =1 ÷ n.

Khi đó, tối ƣu hóa xác lập chế độ cơng nghệ, tức là đi giải bài tốn tối ƣu sau: Hãy tìm nghiệm {Zi } = {Z1opt

, Z2opt,…, Znopt} ∈Rn sao cho: y = f (Z1opt, Z2opt,…, Znopt

) = Min (Max) f(Z1, Z2, ..., Zn) (3.24)

Để giải bài tốn tối ƣu (2.24) thì hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp giải. Chẳng hạn nhƣ: phƣơng pháp leo dốc Box - Winson, Lagrange, phƣơng pháp chia lƣới, phƣơng pháp luân phiên biến số,..., tùy theo dạng của hàm mục tiêu [51].

Z1 ... Zn Đối tƣợng cơng nghệ Z f1 Y f2 fm

Hình 3.6. Sơ đồ đối tƣợng công nghệ đa mục tiêu

Xét một đối tƣợng công nghệ với các yếu tố công nghệ: Z = (Z1, Z2, ..., Zn) ảnh hƣởng đồng thời cùng một lúc đến các mục tiêu: f1(Z), f2(Z), ..., fm(Z), do đó cần phải khảo sát đồng thời cùng một lúc các mục tiêu fj(Z) (với j = 1÷ m) trên cùng một khơng gian biến yếu tố ảnh hƣởng Z = {Zi} = (Z1, Z2, ..., Zn) ∈ ΩZ, với i = 1÷ n.

Có thể thấy rằng, đã xuất hiện bài tốn tối ƣu đa mục tiêu, giả sử tất cả các bài toán tối ƣu một mục tiêu đều là các bài toán cực tiểu, nên bài tốn tối ƣu đa mục tiêu có thể phát biểu nhƣ sau:

Hãy xác định nghiệm chung: Z = {Ziopt

} = {Z1opt, Z2opt,…, Znopt} ∈ ΩZ để: yj = fj(Ziopt) = fj(Ziopt, Z2opt,.., Znopt) = Min fj(Z1, Z2, ..., Zn) Với: Z = {Ziopt} = (Z1opt, Z2opt, ..., Z3opt) ∈ ΩZ; i = 1 ÷ n; j = 1 ÷ m

3.3. Phƣơng pháp tính tốn thiết kế 3.3.1. Phƣơng pháp tính tốn 3.3.1. Phƣơng pháp tính tốn

3.3.1.1. Phƣơng pháp tính tốn vật chất

cần bằng vật chất để xác định lƣợng nguyên liệu chính xác đƣa vào sấy và lƣợng sản phẩm thu nhận đƣợc sau khi sấy, với thông tin ban đầu cần biết là:

 Năng suất của thiết bị: là bao nhiêu kg ẩm bốc ra và ngƣng tụ lại trong một mẻ, có nghĩa (kg nƣớc ngƣng/mẻ)

 Thời gian sấy trong một mẻ.

 Độ ẩm ban đầu của nguyên liệu đƣa vào sấy

 Độ ẩm sản phẩm đạt yêu cầu

3.3.1.2. Phƣơng pháp tính tốn năng lƣợng

Phƣơng pháp tính tốn nhiệt: để thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra, đề tài đã lựa chọn phƣơng pháp nghiên cứu giữa thực nghiệm và lý thuyết, [26], [27].

 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: để xác lập chế độ công nghệ sấy tối ƣu cho sản phẩm mít, nhằm tìm kiếm các thơng số cơng nghệ, các tham số kỹ thuật cần thiết cho tính tốn thiết kế, cũng nhƣ dựa trên những kinh nghiệm thực tế đƣợc kế thừa từ những kết quả nghiên cứu sản phẩm đã có từ trƣớc.

 Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: ứng với các thông số công nghệ, cũng nhƣ các tham số kỹ thuật vừa tìm đƣợc ở trên, đồng thời áp dụng các định luật, các phƣơng trình cân bằng năng lƣợng, kết hợp với tính tốn cân bằng vật chất của hệ thống sấy để tính tốn thiết kế hệ thống sấy.

3.3.2. Phƣơng pháp thiết kế

Từ các số liệu đã đƣợc tính tốn ở trên và lựa chọn kiểu dáng thiết bị theo hình trụ (dựa trên nguyên tắc nhiệt độ đƣợc phân bố đều, an toàn cho việc vận hành hệ thống sấy và kiểu dáng gọn nhẹ), tiến hành xây dựng các bản vẽ thiết kế chi tiết để chế tạo các thiết bị trong hệ thống sấy hồng ngoại, các bản vẽ lắp đặt, …v.v với sự hỗ trợ phần mềm Autocad 2007, Matlab, Visual Basic, ....

3.4. Phƣơng pháp chế tạo

Từ các bản vẽ kỹ thuật đã xây dựng, thiết kế xong, tiến hành chế tạo thiết bị, chế tạo các chi tiết của thiết bị bằng các phƣơng pháp gia công truyền thống.

CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG SẤY

4.1. Xác định và lựa chọn các thơng số tối ƣu cần thiết cho tính tốn thiết kế 4.1.1. Mơ hình thực nghiệm đa yếu tố 4.1.1. Mơ hình thực nghiệm đa yếu tố

Thực nghiệm đa yếu tố đƣợc thực nghiệm trên mơ hình Sấy hồng ngoại DSN 01 đặt tại phịng thí nghiệm Khoa Cơng Nghệ Hóa Học & Thực Phẩm – Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh có các thơng số kỹ thuật sau:

Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của máy sấy lạnh làm thí nghiệm

Khối lƣợng VLS/mẻ Máy 5kg Kích thƣớc buồng sấy 600x400x500mm Kích thƣớc khay 500x300mm Số khay 2 Khối lƣợng mít/khay 2,5 kg Số lƣợng bóng đèn 9 Cơng suất bóng đèn 200W

Phƣơng pháp điều chỉnh Cài đặt trên máy tính, máy tính tự điều chỉnh, sử dụng các cảm biến PT100 omron

4.1.2. Xác định miền cực trị của thực nghiệm

Bằng các thí nghiệm thăm dị, những thơng số có ảnh hƣởng lớn đến q trình sấy đã đƣợc quan sát, bao gồm:

1. Cố định thời gian sấy là 7h, cƣờng độ bức xạ 5kW/m2

Bảng 4.2 Thí nghiệm thăm dị số 1

Nhiệt độ mơi trƣờng sấy (0C) 52 54 56 58 60 62 64 66 Chi phí năng lƣợng 1,98 1,86 1,56 1,52 1,28 1,39 1,65 1,87

Độ ẩm (%) 10,4 8,2 7,5 6,7 4,9 5,4 5,9 6,1

Độ tổn thất Carbohydrate (%) 12,3 12,1 11,8 10,5 9,6 9,9 10,4 10,8

2. Cố định nhiệt độ môi trƣờng sấy là 600C, cƣờng độ bức xạ 5 kW/m2

Bảng 4.3 Thí nghiệm thăm dị số 2

Thời gian sấy (h) 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5

Chi phí năng lƣợng 1,67 1,64 1,59 1,47 1,31 1,38 1,78 1,97

Độ ẩm (%) 11,2 9,7 8,4 6,1 4,8 5,3 6,2 6.8

Độ tổn thất Carbohydrate (%) 11,6 10,4 9,8 9,4 9,7 9,9 10,3 10,5