6.6. Các đại lượng cần xác định thơng qua các phép đo
6.6.1. Xây dựng các thơng số cơng nghệ của quá trình sấy đường RS
Nhằm xây dựng được một chế độ sấy phù hợp cho việc sấy hạt mè bằng phương pháp sấy tầng sơi xung khí, các thơng số cơng nghệ của quá trình sấy cần được tối ưu hĩa. Điều đĩ cĩ nghĩa là ứng với những điều kiện nhất định của quá trình sấy, các thơng số cơng nghệ cịn lại phải được thiết lập, nhằm mục đích tạo cho q trình sấy một hiệu quả cao nhất.
Bằng các thí nghiệm thăm dị, những thơng số cĩ ảnh hưởng lớn đến q trình sấy đã được quan sát, bao gồm:
• Z1: Nhiệt độ sấy, tg
• Z2: Vận tốc tác nhân sấy, Vg
• Z3: Tốc độ xung khí, nx
Các yếu tố chất lượng và chi phí sấy được xem xét (yếu tố đầu ra) bao gồm:
• Y1: Độ ẩm sản phẩm, M2
• Y2: Chi phí điện năng riêng, Ne
• Y3: Chi phí nhiệt năng riêng, qs
Trong đĩ yếu tố chất lượng sấy là Y1; yếu tố chi phí sấy là Y2, Y3
Thơng số đầu vào (các biến) Z1: Nhiệt độ sấy Z2: Vận tốc tác nhân sấy Z3: Tốc độ xung khí HỆ THỐNG SẤY Thơng số đầu ra (hàm mục tiêu) – Y1: Độ ẩm sản phẩm – Y2: Chi phí điện năng riêng – Y3: Chi phí nhiệt năng riêng Hình 6.18 Mơ hình hộp đen của đề tài
Vấn đề cần thiết là xác định các thơng số cơng nghệ của ghi và tối ưu hĩa các thơng số này nhằm chọn ra kích thước ghi phù hợp nhất ứng dụng trong thiết kế máy sấy đường RS tầng sơi xung khí dạng mẻ.
6.6.2. Ảnh hưởng của vận tốc của tác nhân sấy đến quátrinh̀ sấy đường
Khi máy hoạt động ở vận tốc q nhỏ, thì q trình xung khí khơng diễn ra, khi đĩ quá trình sấy diễn ra là quá trình sấy tĩnh. Tuy nhiên, khi tăng vận tốc lên quá lớn, hạt bị cuốn theo lúc đĩ sẽ trở thành quá trình sấy khí động. Do đĩ, việc chọn vận tốc phù hợp là cần thiết.
Dựa vào q trình thực nghiệm và tính tốn, thì khoảng vận tốc của tác nhân nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2,5 (m/s).
Thời gian sấy cũng bị khống chế bởi vận tốc tác nhân sấy, nếu vận tốc thấp quátrinh̀
trao đổi nhiệt sẽ giảm, khiến thời gian sấy kéo dài gây bất lợi cho kinh tế, nên việc cĩ đươc,̣ một vận tốc phù hợp, hiệu quả và tiết kiệm địi hỏi phải đươc,̣ tính tốn kỹ lưỡng.
6.6.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quátrinh̀ sấy đường
Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi sản phẩm nhờ sự chênh lệch áp suất của hơi nước trong tác nhân sấy và tại bề mặt vật liệu. Do đĩ, để làm cho lượng ẩm ở bề mặt bay hơi nhiều, thì sự chênh lệch phân áp suất hơi của hơi nước ở mơi trường xung quanh và trên bề mặt sản phẩm phải càng lớn nghĩa là nhiệt độ tác nhân sấy càng lớn càng tốt. Tuy nhiên, khi tiến hành thực nghiệm với đường thì do đường cĩ tính keo nên nhiệt độ sấy khơng nên > 80oC, nếu khơng sẽ gây biến chất đường và hư hỏng. Nhưng nếu sấy ở nhiệt độ thấp thì thời gian sấy sẽ kéo dài gây tổn thất cho bài tốn kinh tế. Độ ẩm sấy đường phù hợp trong thực nghiệm là từ 60oC đến 80oC là phù hợp và cho hiệu quả cao nhất.
6.6.4. Ảnh hưởng của tốc độ xung khí đến quátrinh̀ sấy đường
Đối với q trình sấy tầng sơi xung khí dạng mẻ, khi tốc độ quay đĩa tạo xung khí (gọi tắt là tốc độ xung khí) giảm thấp hơn 10 vịng/phút thì tốc độ sấy giảm đi rõ rệt, nếu xét cùng thời gian sấy thì độ ẩm sản phẩm khơng đạt, bên cạnh đĩ nếu thực hiện ở tốc độ cao hơn 20 vịng/phút thì quá trình sấy tầng sơi khơng thể diễn ra được nên thực nghiệm chỉ đánh giá trong phạm vi tốc độ đĩa xung khí là từ 10 đến 20 vịng/phút.
6.6.5. Miền nghiên cứu thực nghiệm
Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2 để xây dựng bảng ma trận thí nghiệm nhằm xác định giá trị tối ưu của các thơng số cơng nghệ trong quá trình sấy. Dạng phương trình hồi quy như sau [10]:
k
Y b0bi X i
i 1
Các biến X1, X2, X3 được mã hĩa từ các biến thực Z1, Z2, Z3:
Trong đĩ: Z min Z 0 i Z 0 Số thí ng hiệ m cầ n tiế n hà nh:
130
(6.23)
N = nk + n* + n0 = 2k + 2k + n0 = 17
Với: k = 3; nk = 2k = 8; n* = 2.k = 2.3 = 6; n0 = 3
Giá trị của điểm sao:
(6.26) Miền thực nghiệm được xây dựng thơng qua kế hoạch hĩa trực giao bậc 2 như sau [9]:
Bảng 6.1 Miền thực nghiệm đa yếu tố
Yếu tố
Z1 ( C)
Z2 (m/s)
Z3 (vịng/phút)
Mục đích của nghiên cứu là xác định mối tương quan của các biến đến hàm mục tiêu của quá trình sấy đường RS bằng phương pháp sấy tầng sơi xung khí dạng mẻ. Từ các số liệu đạt được, phân tích hồi quy đa yếu tố sẽ được tiến hành trên phần mềm Statgraphics Centurion XV để xem xét mối liên hệ giữa các yếu tố với nhau và tối ưu hĩa các thơng số cơng nghệ.
6.7. Giới thiệu phần mềm Statgraphics XV
Để kiểm chứng và khẳng định lại kết quả khảo sát bằng phương pháp thực nghiệm, chúng tơi đã ứng dụng tin học để quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hĩa điều kiện thực nghiệm. Phần mềm tin học được lựa chọn là chương trình Statgraphics. Ưu điểm của phần mềm này là cĩ thể chi tiết hĩa các điều kiện thực nghiệm theo các hàm mục tiêu theo mong muốn, cũng như cĩ thể khảo sát các tác động qua lại giữa các yếu tố khảo sát.
Đây là phần mềm được sử dụng phổ biến trong phân tích thống kê : phân tích các đặc trưng mẫu, so sánh các trung bình, tỷ lệ, phân tích phương sai, hồi quy một chiều, nhiều chiều…
Sau khi cài đặt phần mềm Statgraphics, mở phần mềm ta thấy giao diện như sau
Phương pháp Experimental Design Analysis( Mơ hình hĩa thực nghiệm)
Trình đơn Improve
Đây là trình đơn quan trọng nhất được sử dụng nhiều trong thực nghiệm như: quy hoạch hĩa thực nghiệm, tối ưu hĩa thực nghiệm, phân tích phương sai…. Trình đơn này chứa các phép phân tích mối tương quan giữa các biến độc lập và các biến phụ thuộc.
➢Analysis of Variance (Phân tích phương sai):
với 2 phương pháp thơng dụng là One – way ANOVA (phân tích phương sai 1 nhân tố) và Multifactor (phân tích phương sai đa nhân tố).
➢ Regreession Analysis (Phân tích hồi quy): với 2 phương pháp phân tích là Simple Regression
(hồi quy đơn giản) và Polinomial Regression (hồi quy tuyến tính).
➢ Experimental Design Analysis (Mơ hình hĩa thực nghiệm): chứa các cơng cụ nâng cao dùng để mơ
hình hĩa thực nghiệm.
Phân tích số liệu theo Experimental Design Analysis (Mơ hình hĩa thực nghiệm)
Trên thanh cơng cụ ta chọn Improve Experimental Design Creation Create New Design Sau đĩ xuất hiện hộp thoại Create Design Options:
✓ Ta chọn Response Surface
✓ No of Response Variables: 2
✓ No of Experimental Factors: 3
Sau khi nhập số liệu vào phần mềm xuất hiện như trên, tiếp tục ta xử lý số liệu như sau: ✓Improve
Experimental Design Analysis
Analysis Design
✓ Xuất hiện hộp thoại Analysis Design, ta chọn yếu tố đầu ra cần phân tích.
Thay đổi yếu tố đầu vào: click chuột phải chọn Analysis Options. Chọn Exclude và bỏ chọn các yếu tố đầu vào.
Tối ưu hĩa các yếu tố ảnh hưởng: vẽ đồ thị ta chọn Improve
Experimental Design Analysis
Multiple Response Optimization. Chọn yếu tố đầu ra cần vẽ đồ thị
Vào Analysis option Chọn minimum. Chọn pane option, thay đổi factor để tối ưu hĩa các yếu tố
Sau đĩ hiệu chỉnh ta được các đồ thị
6.8. Thuyết minh quy trình6.8.1. Chuẩn bị 6.8.1. Chuẩn bị
- Chuẩn bị vật liệu (đường) để tiến hành thí ghiệm.
- Lấy mẫu vật liệu ban đầu để xác định độ ẩm, sử dụng cân để xác định khối lượng vật liệu cần thiết cho một lần làm thí nghiêm (5kg trong 30 phút).
- Mở tủ điện, bật các CB bảo vệ và tiến hành chuẩn bị cho quá trình gia nhiệt và tiến hành sấy.
6.8.2. Tiến hành thí nghiệm
-Đầu tiên, mở cơng tắc quạt và điều chỉnh biến tần quạt ở tốc tần số thấp, đồng thời tiến hành cấp điện cho xung khí và điều chỉnh bằng bộ biến tần của nĩ sao cho tần số xung khí phù hợp với yêu cầu của thí nghiệm, bộ gia nhiệt gồm các thanh điện trở cũng đươc,̣ cấp điện nhằm gia nhiệt cho tác nhân. Đợi sau một thời gian khi nhiệt độ tăng đến mức cần thiết thì ta tăng tốc độ quạt sao cho bằng với tốc độ yêu cầu cho thí nghiệm. Đợi cho nhiệt ổn định với tốc độ quạt cao, ta cấp liệu khơ đã đạt yêu cầu vào để làm lớp nền.
-Sau khi lớp nền đã nĩng và ổn định về độ dày dọc theo buồng sấy thì ta tiến hành cấp liệu ướt (độ ẩm cao). Liệu đươc,̣ cấp vào buồng cửa cấp liệu với khối lượng 5 kg/mẻ. -Mỗi năm phút sẽ tiến hành lấy liệu ở cửa ra một lần nhằm xác định độ ẩm vật liệu khi ra khỏi máy sấy. Cùng lúc này ta ghi nhận lại các thơng số của hệ thống như: nhiệt độ tại các nơi đặt các đầu cảm biến nhiệt độ, cơng suất điện trên hai cơng tơ điện và trên đồng hồ đo điện đa năng.
6.8.3. Kết thúc quá trình vận hành thí nghiệm
-Sau khi đường được sấy đến độ ẩm mong muốn, tiến hành lấy mẫu và ghi số liệu lần cuối, ngưng cấp nhiệt và giảm lưu lượng quạt khoảng 50% để quạt thổi nguội hệ thống. -Kiểm tra nhiệt độ tại vị trí thổi vào buồng đã hạ xuống <40oC thì tiến hành dừng máy. Lần lượt tắt động cơ tạo xung khí, quạt, đèn chiếu sáng và cuối cũng tắt cầu dao tổng của hệ thống.
-Lấy hết sản phẩm sấy ra khỏi máy và vệ sinh máy để đảm bảo lần thí nghiệm kế tiếp. Kết thúc q trình vận hành thí nghiệm
Chương 7
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
7.1. Thực nghiệm xác định các thơng số cơng nghệ của quá trình sấy hạt mè (vừng)
Thơng qua việc đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy và qua các thí nghiệm thăm dị kết hợp với tính chất nhiệt vật lý của vật liệu sấy, xác định miền nghiên cứu thực nghiệm như sau:
Sử dụng máy đo vận tốc để xác định vận tốc tác nhân của mơ hình, qua các thí nghiệm thăm dị thì xác định được vận tốc tác nhân sấy tối thiểu tại vận tốc là 0,5m/s (nơi mà sự sơi diễn ra rất yếu) và vận tốc tới hạn là 2,5m/s (nơi mà sự sơi diễn ra mạnh nhất nhưng hạt chưa bị cuốn theo dịng khí).
Theo [11], với vật liệu sấy là mè thì nhiệt độ để sấy thích hợp là 60 C và việc thực nghiệm trên vật liệu nơng sản nên nhiệt độ khơng được quá cao dẫn đến gây hư hỏng cho sản phẩm sấy, dựa vào hai giải thích trên nên miền thực nghiệm nhiệt độ được chọn từ 45 ÷ 65 C.
Khi tốc độ quay đĩa tạo xung khí (gọi tắt là tốc độ xung khí) giảm thấp hơn 10 vịng/phút thì tốc độ sấy giảm đi rõ rệt, nếu xét cùng thời gian sấy thì độ ẩm sản phẩm khơng đạt, bên cạnh đĩ nếu thực hiện ở tốc độ cao hơn 20 vịng/phút thì quá trình sấy tầng sơi khơng thể diễn ra được nên thực nghiệm chỉ đánh giá trong phạm vi tốc độ đĩa xung khí là từ 10 đến 20 vịng/phút.
Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2 để xây dựng bảng ma trận thí nghiệm nhằm xác định giá trị tối ưu của các thơng số cơng nghệ trong quá trình sấy. Dạng phương trình hồi quy như sau [10]:
(7.1)
Các biến X1, X2, X3 được mã hĩa từ các biến thực Z1, Z2, Z3: Số thí nghiệm cần tiến hành:
N = nk + n* + n0 = 2k + 2k + n0 = 17(7.2)
Với: k = 3; nk = 2k = 8; n* = 2.k = 2.3 = 6; n0 = 3
Giá trị của điểm sao:
(7.3) Miền thực nghiệm được xây dựng thơng qua kế hoạch hĩa trực giao bậc 2 như sau [9]:
Bảng 7.1 Miền thực nghiệm đa yếu tố
Yếu tố
Z1 ( C)
Z2 (m/s)
Z3 (vịng/phút)
Mục đích của nghiên cứu là xác định mối tương quan của các biến đến hàm mục tiêu của quá trình sấy hạt mè bằng phương pháp sấy tầng sơi xung khí dạng mẻ. Từ các số liệu đạt
được, phân tích hồi quy đa yếu tố sẽ được tiến hành trên phần mềm Statgraphics Centurion XV để xem xét mối liên hệ giữa các yếu tố với nhau và tối ưu hĩa các thơng số cơng nghệ.
Các thí nghiệm đa yếu tố đã được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ đến quá trình sấy. Các thí nghiệm được tiến hành dựa trên ma trận thí nghiệm xây dựng theo quy hoạch thực nghiệm bậc 2. Kết quả thực nghiệm được trình bày dưới bảng sau:
Bảng 7.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
Số thí nghiệm, N 1 2 3 2k 4 5 6 7 8 9 10 2k 11 12 13 14 15 n0 16 17
Phần mềm Statgraphics Centurion XV version 15.1.02 được sử dụng để tiến hành xử lý kết quả thí nghiệm, mức ý nghĩa của các hệ số được kiểm định theo chuẩn Student, phương trình hồi quy theo các giá trị thực nghiệm được kiểm định theo chuẩn Fisher. Từ đĩ, ba phương trình hồi quy Y1, Y2, Y3 được thiết lập như sau:
7.1.1. Độ ẩm hạt mè cuối quá trình sấy
Dựa trên kết quả thực nghiệm và phân tích hồi quy đa yếu tố, sau khi loại trừ các hệ số cĩ mức ý nghĩa P>0,05 (b11, b12, b13, b23), phương trình hồi quy mơ tả mối quan hệ giữa các thơng số cơng nghệ (X1, X2, X3) đến độ ẩm sản phẩm (Y1) được thiết lập như sau:
Phương trình cĩ hệ số tương quan R = 0,963, các mức ý nghĩa P <0,05 (0,0000; 0,0000; 0,0122; 0,0028; 0,0085) và kiểm định tiêu chuẩn Fisher (129,99; 123,15; 8,97; 14,64; 10,2)
tương ứng với các yếu tố (X1; X2; X3; X22
; X32
) đều đạt yêu cầu.
Bảng 7.3. Kết quả phân tích thống kê hàm Y1 của q trình sấy mèSource Source A:X1 B:X2 C:X3 BB CC Total error Total (corr.) R-squared = 96.3081 percent
R-squared (adjusted for d.f.) = 94.63 percent Standard Error of Est. = 0.23494
Mean absolute error = 0.146317
Đồ thị biểu diễn các mối tương quan giữa hàm mục tiêu với các thơng số cơng nghệ được trình bày trên hình 7.1:
Hình 7.1 Đồ thị tương quan giữa Y1 và các biến (sấy hạt mè)
7.1.2. Chi phí điện năng riêng của quá trình sấy mè
Dựa trên kết quả thực nghiệm và phân tích hồi quy đa yếu tố, sau khi loại trừ các hệ số cĩ mức ý nghĩa P>0,05 (b11, b12, b13, b23), phương trình hồi quy mơ tả mối quan hệ giữa các thơng số cơng nghệ (X1, X2, X3) đến chi phí điện năng cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm (Y2) được thiết lập như sau:
Y1011,91 95,751.X 2
370,999.X
(7.5)
Phương trình cĩ hệ số tương quan R = 0,994, các mức ý nghĩa P <0,05 (0,0019; 0,0000; 0,0000; 0,0000; 0,0046) và kiểm định tiêu chuẩn Fisher (16,55; 1523,82; 119,56; 142,85; 12,54) tương ứng với các yếu tố (X1; X2; X3; X22
; X32
) đều đạt yêu cầu.
Bảng 7.4. Kết quả phân tích thống kê hàm Y2 của q trình sấy mèSource Source A:X1 B:X2 C:X3 BB CC Total error Total (corr.) R-squared = 99.3977 percent
R-squared (adjusted for d.f.) = 99.1239 percent Standard Error of Est. = 80.377
Mean absolute error = 58.3509
Đồ thị biểu diễn các mối tương quan giữa hàm mục tiêu với các thơng số cơng nghệ được trình bày trên hình 7.2:
Hình 7.2 Đồ thị tương quan giữa Y2 và các biến (sấy hạt mè)
7.1.3. Chi phí nhiệt năng riêng của quá trình sấy mè
Dựa trên kết quả thực nghiệm và phân tích hồi quy đa yếu tố, sau khi loại trừ các hệ số cĩ mức ý nghĩa P>0,05 (b13, b23, b33) phương trình hồi quy mơ tả mối quan hệ giữa các thơng số cơng nghệ (X1, X2, X3) đến chi phí nhiệt năng cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm (Y3) được thiết lập như sau:
Y 4624, 44 1624,93.X
(7.6)
Phương trình cĩ hệ số tương quan R = 0,994, các mức ý nghĩa P <0,05 (0,0000; 0,0000; 0,0165; 0,0000; 0,0006; 0,0001) và kiểm định tiêu chuẩn Fisher (2086,75; 1819,78; 8,28; 162,22; 24,33; 41,02) tương ứng với các yếu tố (X1; X2; X3; X1X2; X12
; X22
) đều đạt yêu cầu.
Bảng 7.5. Kết quả phân tích thống kê hàm Y3 của quá trình sấy mè