Như vậy, mối quan hệ đầu vào – đầu ra ở đây thuần túy là quan sát thực nghiệm chứ khơng được dựa trên một cơ sở lý thuyết nào. Trong trường hợp cấu trúc hộp đen, các hàm mơ tả là các hàm nhiều biến Y = (X1, X2,..., Xk) được phân tích thành dãy Taylor tức là hàm hồi quy lý thuyết:
k
Y0j X j
j 1
Với nhiễu tuân theo luật phân phối chuẩn (0, 2).
Để xác định được các hệ số hồi quy lý thuyết 0, j, ij, jj,... cần cĩ vơ hạn số thực nghiệm mà trong thực tế số thực nghiệm chỉ cĩ thể là hữu hạn, nên chỉ xuất hiện các hệ số hồi quy thực nghiệm (cịn gọi là các thơng số của mơ hình thống kê) b0, bj, bij, bjj,... và vì vậy hàm tốn mơ tả hệ là hàm hồi quy thực nghiệm.
118
Số hệ số trong đa thức bậc hai: (6.2) Với k = 3 thì m = 10. Xét yếu tố thực nghiệm Zj, ta cĩ: Trong đĩ: Z min là mức thấp (mức dưới) j
Khoảng biến thiên của yếu tố Zj tính từ tâm phương án:
Z
(6.3)
(6.4)
(6.5)
Các phần tử của ma trận tính tốn của biến X nằm trong khoảng [-1,1] thì ma trận tính tốn khi xây dựng mới cĩ tính trực giao, nhưng khoảng giá trị của các biến mà ta nghiên cứu khơng nằm trong khoảng này nên ta cần chuyển biến từ hệ trục tự nhiên Zj sang hệ trục khơng thứ nguyên (hệ mã hĩa) Xj: Z j X j Z j
Trong hệ trục khơng thứ nguyên, mức trên là 1, mức dưới là -1. Tọa độ của tâm phương án bằng 0 trùng với gốc hệ trục tọa độ.
Số thí nghiệm cần tiến hành:
N = nk + n* + n0 = 2k + 2k + n0 (6.7)
Giá trị của điểm sao:
(6.8) Do các phương án cấu trúc cĩ tâm khơng trực giao vì X0 luơn luơn bằng 1 và X2ji > 0 nên phải
thay biến X2j bằng X’j được tính theo cơng thức:
Các hệ số hồi quy được xác định theo cơng thức:
b
j
(6.9)
(6.10)
Phương sai của các hệ số được tính như sau: 119
s 2
b
j
Phương trình nhận được sau khi thay các biến mới:
(6.11)
b
(6.12)
Để chuyển phương trình (6.12) về dạng phương trình (6.2) thì
b
Và phương sai:
s
b0 được tính theo cơng thức:
(6.13)
(6.14)
Kiểm định tính ý nghĩa của các hệ số: Dùng phương sai tái hiện
Để tính phương sai tái hiện, n0 thí nghiệm ở tâm được tiến hành. Khi đĩ, phương sai tái hiện được tính theo cơng thức sau:
s2
th
(6.15)
Tính ý nghĩa của các hệ số trong phương trình hồi quy được kiểm định theo tiêu chuẩn Student:
Kiểm tra tính tương thích của phương trình hồi quy:
(6.16)
Sự tương thích của phương trình hồi quy với thực nghiệm được kiểm định theo tiêu chuẩn Fisher: s2 F1 p ( f1 , f2 ) du sth2 Với: p: mức ý nghĩa f1: bậc tự do thứ nhất, f1 = N – L f2: bậc tự do thứ 2, f2 = n0 – 1
L: số hệ số cĩ nghĩa trong phương trình hồi quy
Phương sai dư:
s2
du
(6.17)
(6.18)
Nếu F < F1-p(f1, f2) thì phương trình hồi quy tương thích với thực nghiệm.
Đối với phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố đề tài sử dụng chương trình Statgraphics Version 15.0.2 để lập ma trận thí nghiệm. Việc xác định các hệ số hồi quy, phân tích phương sai mơ hình, kiểm nghiệm các hệ số cĩ nghĩa được thực hiện bằng các tính tốn theo mơ hình trực giao cấp hai. Nội dung bài tốn quy hoạch thực nghiệm thực hiện theo các bước:
- Lập ma trận thí nghiệm cĩ tiến hành ngẫu nhiên hĩa thí nghiệm. 120
- Tiến hành phân tích phương sai để loại bỏ các hệ số hồi quy khơng đảm bảo độ tin cậy với mức ý nghĩa = 0,05 [5].
- Thực hiện phân tích phương sai trên hàm tốn mới.
- Xác định giá trị các hệ số hồi quy theo hàm tốn mới sau khi đã loại các hệ số hồi quy khơng đủ độ tin cậy.
- Kiểm tra sự phù hợp của mơ hình theo tiêu chuẩn Fisher
b. Xác định các thơng số nghiên cứu đầu vào
Nội dung này trình bày xác định các yếu tố đầu vào (các biến đầu vào) ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu đầu ra bao gồm: Nhiệt độ sấy (được mã hĩa X1), vận tốc tác nhân sấy (được mã hĩa X2) và tốc độ xung khí (được mã hĩa X3).
Xác định ảnh hưởng của nhiệt độ sấy (X1) trong hoạt động sấy tầng sơi xung khí đáp ứng theo năng suất sấy đã định sẵn được thiết kế lý thuyết trước đĩ cũng như khoảng biến thiên của nĩ cho phép để sản phẩm sấy đạt yêu cầu về độ ẩm, tiêu hao điện năng và nhiệt năng riêng thấp nhất.
Xác định ảnh hưởng của vận tốc tác nhân sấy (X2) đến các hàm mục tiêu về độ ẩm sản phẩm sấy nằm trong phạm vi cho phép, tiêu hao điện năng và nhiệt năng riêng thấp. Xác định ảnh hưởng của tốc độ xung khí (X3) đến các hàm mục tiêu độ ẩm sản phẩm sấy trong phạm vi cho phép, tiêu hao điện năng và nhiệt năng riêng giới hạn.
Tối ưu hĩa các biến đầu vào (X1, X2, X3) để đạt được giá trị các hàm mục tiêu là thấp nhất.
c. Xác định các hàm mục tiêu (thơng số đầu ra)
Y1 - Độ ẩm sản phẩm sấy
Độ ẩm sản phẩm là một trong những thơng số phản ánh chất lượng của sản phẩm sấy và là thơng số phản ánh hiệu quả của một hệ thống sấy. Độ ẩm là thơng số được yêu cầu nghiêm ngặt trong quá trình sấy và bảo quản vật liệu.
Độ ẩm sản phẩm trong máy sấy tầng sơi chịu ảnh hưởng lớn bởi các thơng số cơng nghệ (nhiệt độ, vận tốc giĩ bề mặt, chiều cao lớp đệm, đường kính hạt,…) và chế độ sơi. Các thơng số cơng nghệ này đã được nghiên cứu và tối ưu hĩa trong các đề tài trước đây được trình bày trong các nguồn tài liệu [2-6, 20-30], do vậy nếu ta thay đổi cách phân phối khí sẽ làm thay đổi chế độ sơi nên gây ảnh hưởng trực tiếp đến độ ẩm sản phẩm sấy.
Khi chế độ sơi thay đổi, hệ số truyền nhiệt, truyền ẩm giữa hạt với tác nhân và giữa hạt với hạt thay đổi, thời gian lưu của vật liệu trong buồng sấy cũng khác nhau nên độ ẩm của vật liệu khi ra khỏi máy sấy cũng thay đổi theo.
Chất lượng sấy được đánh giá qua nhiều chỉ tiêu khác nhau, trong phạm vi đề tài chỉ tiêu về độ ẩm của đường RS sấy ra khỏi máy sấy được lưu ý đặc biệt, kế đến là cĩ thêm chỉ tiêu về tiêu hao điện năng riêng.
Chỉ tiêu độ ẩm M2 (%) được mã hố là (Y1). Độ ẩm của đường RS được đo bằng máy cân – sấy kết hợp Axis AGS50. Trình tự xác định độ ẩm của đường RS theo cơ sở ướt như sau: tiến hành lấy mẫu sản phẩm ngẫu nhiên (random) sau khi ra khỏi buồng sấy. Mỗi thí nghiệm lấy từ 5 – 7 mẫu theo các khoảng thời gian nhất định. Các mẫu này sau đĩ được đo bằng máy theo phương pháp sau [23]:
Sấy chén sứ cĩ nắp ở nhiệt độ 140 C làm nguội trong bình hút ẩm, cân chén, tiếp tục sấy chén tới khối lượng khơng đổi.
Cân khoảng 10g đường RS chính xác tới 0,001g cho vào chén sấy. Sấy đường RS ở nhiệt độ 80 5 C trong 3 giờ. Lấy chén ra đậy nắp, làm nguội trong bình hút ẩm rồi cân. Sấy tiếp 30 phút, cân cho tới khi chênh lệch giữa hai lần cân liên tiếp khơng quá 0,001g. Cách tính độ ẩm: M G0 G ch Gn 100% G 0 (6.19) Trong đĩ: G0–khối lượng mẫu đường RS ban đầu, g
Gch–khối lượng chén sau sấy ở 140 C, g
Gn–khối lượng chén và mẫu đường RS sau khi sấy lần cuối, g. Gn–1–khối lượng chén và mẫu đường RS sau sấy lần thứ n–1, g Với Gn–1 – Gn 0,01g
Y2 - Tiêu hao điện năng riêng
Tiêu hao điện năng riêng được định nghĩa bằng chi phí tiêu hao điện năng để làm bay hơi 1 kg ẩm từ vật liệu trong quá trình sấy (Wh/kg nước bay hơi). Chi phí điện năng riêng được xác định bằng cơng thức sau:
N
e
(6.20)
Trong đĩ: G1 – Năng suất đầu vào của máy sấy, kg G2 – Khối lượng sản phẩm sau khi sấy, kg U – Điện áp, V
I – Cường độ dịng điện, A cos – Hệ số cơng suất
N – Tổng điện năng tiêu hao trong thời gian sấy , kWh
Y3 - Tiêu hao nhiệt năng riêng
Tiêu hao nhiệt năng riêng: (qs, kJ/kg ẩm) là lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm trong quá trình sấy, được xác định như sau:
q s
Với: Q – Tổng nhiệt lượng cung cấp cho quá trình sấy tại thiết bị gia nhiệt, kJ
(6.21)
6.3. Mơ hình thí nghiệm
Q trình thực nghiệm được tiến hành tại phịng thực hành kỹ thuật sấy X6.11, khoa cơng nghệ Nhiệt Lạnh trường ĐH Cơng Nghiệp Tp.HCM. Đường được sấy trên mơ hình máy sấy tầng sơi xung khí kiểu mẻ cĩ năng suất 5 kg/mẻ, vâṇ tốc tác nhân sấy được điều chỉnh bằng biến tần lắp cho quạt, nhiêṭđơ ,̣tác nhân sấy được điều khiển bằng bộ điều chỉnh nhiệt độ Autonics TZN4S- 14R, tốc độ xung khí được điều khiển bằng biến tần lắp cho động cơ tạo xung.
1-Tủ điều khiển; 2-Quạt cấp tác nhân; 3-Buồng gia nhiệt điện trở; 4-Buồng lắng; 5-Buồng sấy; 6-Đĩa quay tạo xung khí; 7-Buồng phân phối khí; 8-Động cơ tạo xung Hình 6.3 Mơ hình
máy sấy tầng sơi xung khí phục vụ thí nghiệm
6.4. Các thiết bị đo và phương pháp đo
Thiết bị đo, phương pháp đo, các chỉ tiêu cần đo phải được đặc biệt quan tâm vì chỉ cĩ việc đo đúng, mới cĩ thể xác định đúng được các thơng số từ đĩ cho phép xây dựng được cơng nghệ sấy hợp lý.
6.4.1. Dụng cụ đo khối lượng
Sử dụng cân đồng hồ Nhơn Hịa loại 15kg, 1kg, chỉ thị giá trị bằng kim và vạch hiển thị, dung sai lần lượt là 20g, 5g, cân tiểu ly Ohaus cĩ độ chính xác 0,0001g để đo khối lượng đường RS nguyên liệu trước khi đưa vào máy sấy, sản phẩm ra khỏi máy sấy.
Hình 6.4 Các loại cân sử dụng cân khối lượng nguyên liệu, sản phẩm và mẫu đo
6.4.2. Dụng cụ xác định kích thước hạt đường RS
Kích thước hạt được xác định dưới giá trị đường kính trung bình (dm) thơng qua bộ rây tiêu chuẩn mã hiệu E–11–70 do USA sản xuất.
Hình 6.5 Bộ rây dùng phân loại nguyên liệu và sản phẩm sấy
6.4.3. Dụng cụ đo độ ẩm của khối hạt đường RS
Sử dụng máy đo độ ẩm vật liệu rời mã hiệu AGS50 của hãng Axis, Balan sản xuất năm 2009, dung sai đo là 0.01%
Mẫu đo cĩ khối lượng khoảng 10 – 20g, đặt nhiệt độ theo nhiệt độ sấy cao nhất cho phép (chọn ở nhiệt độ sấy mẫu là 80 C), cho mẫu vào máy và chờ đợi kết quả trên màn hình điện tử LCD.
Hình 6.6 Máy đo độ ẩm Axis – mẫu đo trên máy và thao tác đo
Mẫu đường RS thí nghiệm được lấy ngẫu nhiên và theo chu kỳ trong q trình thí nghiệm, sau đĩ được đựng trong các hộp nhựa kín. Kết thúc mỗi thí nghiệm mới tiến hành đo mẫu.
6.4.4. Dụng cụ đo các thơng số cơ bản của khơng khí ẩm khi làm thực nghiệm
Các thơng số đo bao gồm nhiệt độ bầu khơ (tk), nhiệt độ ướt (tu), nhiệt độ điểm sương (tds) bằng dụng cụ Hygro – thermometer, mã hiệu EA20 trên dụng cụ đo EXTECH Easy View 20 hygro thermomether của hãng Extech Instruments của USA. Dung cụ cĩ phạm vi đo độ ẩm từ 10% – 95%; phạm vi đo nhiệt độ 20 C – 60 C. Dung sai dụng cụ độ ẩm 0,1%; dung sai nhiệt độ là 0,1 C.
(a) dụng cụ Hygro–thermometer (b) nhiệt kế bầu khơ – bầu ướt Hình 6.7 Dụng cụ đo thơng số khơng khí ẩm
Các dụng cụ này được sử dụng để đo thơng số của khơng khí ngồi trời ở những vị trí gần miệng hút của quạt cấp tác nhân sấy.
6.4.5. Dụng cụ đo khối lượng của hạt mẫu phân tích
Để phân tích các thơng số vật lý của hạt trên các mẫu đường RS, chúng tơi sử dụng cân điện tử Sartorius cĩ mã hiệu CP323S của CHLB Đức, giới hạn cân là 320g, dung sai 0,001g và cân điện tử OHAUS, mã hiệu PA214 do USA sản xuất, giới hạn cân là 210g, dung sai là 0,0001g.
(a) cân Ohaus (b) cân Ohaus và thao tác cân Hình 6.8 Cân tiểu ly điện tử và thao tác cân vật liệu mẫu làm thí nghiệm
6.4.6. Dụng cụ đo nhiệt độ bề mặt lớp hạt, nhiệt độ vách buồng sấy
Sử dụng dụng cụ đo nhiệt độ hạt bằng tia lazer mã hiệu TFI 220 của hãng Ebro, Đức, sản xuất cĩ dung sai đo 0,1 C.
Trong q trình thí nghiệm, khi cần kiểm tra nhiệt độ của bề mặt lớp hạt, nhiệt độ vách buồng sấy cĩ thể sử dụng dụng cụ này tại các vị trí cần đo thơng qua cửa kính quan sát.
(a) dụng cụ đo (b) thao tác đo Hình 6.9 Dụng cụ đo nhiệt độ vách, đo nhiệt độ lớp hạt sơi
6.4.7. Dụng cụ đo nhiệt độ hạt
Sử dụng dụng cụ đo mã hiệu DT–9610 của hãng CEM của USA sản xuất, dung sai dụng cụ đo là 0,1 C. Dụng cụ đo được nhiệt độ hạt tại các điểm nhiệt độ hạt trước khi vào sấy, nhiệt độ hạt cuối buồng sấy, nhiệt độ hạt tại cửa ra của buồng làm mát và nhiệt độ hạt thời điểm đĩng bao.
Hình 6.10 Dụng cụ đo nhiệt độ hạt vậtliệu sấy và sản phẩm sấy liệu sấy và sản phẩm sấy
Trong q trình thí nghiệm, đầu dị của dụng cụ đo này được lắp ngay tại cửa lấy sản phẩm để xác định nhiệt độ sản phẩm sau khi sấy.
6.4.8. Dụng cụ đo vận tốc tác nhân khí qua bề mặt lớp hạt
Sử dụng dụng cụ đo vận tốc khí SDL350 của hãng Extech Instruments sản xuất. Dụng cụ cĩ phạm vi đo vận tốc khí từ 0,1m/s – 25m/s, thang đo là 0,01 m/s và sai số đo là 5%.
Hình 6.11 Dụng cụ đo vận tốc khí SDL350
Sử dụng dụng cụ đo vận tốc giĩ DAF80WP của hãng Mannix Inc–USA sản xuất. Phạm
viđo vận tốc dịng khí từ 0,1 – 60m/s, giới hạn nhiệt độ khí từ 10 C – 100 C, trong đĩ dung sai nhiệt độ 0,1 C và dung sai vận tốc dịng khí là 0,001m/s. Dụng cụ này được sử dụng để đo vận tốc khí ở cửa vào của quạt cấp nhằm xác định lưu lượng khơng khí cấp vào máy sấy.
(a) dụng cụ đo (b) thao tác đo vận tốc khí vào quạt Hình 6.12 Dụng cụ đo vận tốc giĩ DAF80WP
6.4.9. Dụng cụ đo cơng suất tiêu thụ điện của thiết bị sử dụng điện
Mục đích là xác định được tiêu thụ điện của thiết bị điện trong hệ thống thiết bị của mơ hình thí nghiệm. Trong số các thiết bị tiêu thụ khi cĩ yêu cầu thay đổi vận tốc tác nhân khí cịn các thiết bị cịn lại là cố định trong suốt quá trình sấy hạt dù cĩ thay đổi chế độ sấy, thay đổi vận tốc sấy. Đo chi phí tiêu thụ điện thơng qua dụng cụ HIOKI 3286–20 của hãng HIOKI Nhật Bản sản xuất. Dụng cụ cĩ thể đo dịng điện (I) 3 pha, đo hiệu điện thế (U) 3 pha, đo cơng suất tiêu thụ điện biểu kiến 3 pha và đo cơng suất tiêu thụ điện hiệu dụng 3 pha. Dung sai đo cơng suất là ±0,001kW, dung sai hiệu điện thế là ± 0,1V, dung sai dịng điện là ±0,01A.
(a) dụng cụ đo (b) vị trí và thao tác đo các chỉ số về điện trên thiết bị Hình 6.13 Dụng cụ đo điện HIOKI 3286
Trong q trình thí nghiệm, dụng cụ này được lắp tại tủ điện để đo cơng suất tiêu thụ điện của quạt và các thiết bị điện khác.
6.4.10. Dụng cụ đo nhiệt độ tác nhân khí vào và ra
Để đo nhiệt độ khí tại các vùng khí vào và khí xả chúng tơi kết hợp sử dụng hai loại dụng cụ đo nhiệt độ:
Dụng cụ đo nhiệt độ pt100 của hãng Daewon, Korea sản xuất, dụng cụ cĩ dung sai 0,5%. Các dụng cụ này được gắn cố định vào các vị trí cần đo trên mơ hình bao gồm: đo nhiệt độ (t1) của tác nhân sấy, đo nhiệt độ khí thải (t2), đo nhiệt độ lớp hạt sơi ( b), đo nhiệt độ hạt
vùng cuối giai đoạn sấy 2, đo nhiệt độ hạt vùng cuối giai đoạn làm mát 3. Dụng cụ đo nhiệt độ hiện thị số digital dùng để điều khiển nhiệt độ sấy thơng qua đầu dị cảm biến đặt ở vị trí sau bộ gia nhiệt.
(a) hiển thị và điều khiển nhiệt (b) hiển thị nhiệt độ hạt sơi và nhiệt độ tác nhân khí (t1) độ khí trên vùng sơi
Hình 6.14 Đồng hồ đo nhiệt độ tác nhân sấy, nhiệt độ hạt sơi và vùng trên hạt sơi