Báo cáo Nghiên cứu, thử nghiệm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy sản phẩm nông nghiệp (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu, thử nghiệm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy sản phẩm nông nghiệp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHÁT SÓNG SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG SẤY SẢN PHẨM NÔNG NGHIỆP MÃ SỐ: T2015-08TÐ S K C0 0 5 3 3 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHÁT SÓNG SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG SẤY SẢN PHẨM NÔNG NGHIỆP Mã số: T2015-08TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS. PHẠM HUY TUÂN TP. HCM, 3/2016
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHÁT SÓNG SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG SẤY SẢN PHẨM NÔNG NGHIỆP Mã số: T2015-08TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS. Phạm Huy Tuân Thành viên đề tài: ThS. Nguyễn Văn Thái Dương TP. HCM, 3/2016
4. MỤC LỤC Trang MỤC LỤC I DANH MỤC CÁC BẢNG IV DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC HÌNH VI THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU IX PHẦN A. TỔNG QUAN 1 1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1 1.1 Các quá trình xử lý siêu âm năng lượng cao, những phát triển gần đây và tiến bộ tiềm năng 1 1.2 Sấy siêu âm: các nghiên cứu trong và ngoài nước 4 1.3 Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài 6 2 Mục đích của đề tài 7 3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 7 3.1 Nhiệm vụ của đề tài 7 3.2 Giới hạn của đề tài 8 4 Phương pháp nghiên cứu 8 PHẦN B. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 9 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9 1.1 Cơ sở tính toán của phương pháp phần tử hữu hạn 9 1.1.1 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dao động (Nad, 2010) 9 1.1.2 Phương pháp giải bài toán bằng phần tử hữu hạn 10 1.2 Các lý thuyết để tính toán chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc 10 Trang i
5. 1.2.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm dùng trong sấy 10 1.2.2 Tính toán horn dạng trục bậc 11 1.2.2.1 Giải pháp phân tích các dao động tự do của một chi tiết khuếch đại sóng 12 1.2.2.2 Các công thức tính toán được tổng quát cho horn dạng bậc 14 1.2.2.3 Tính toán cho tấm bậc có diện tích phát sóng mở rộng 15 1.3 Giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu GENE 16 1.4 Nguyên lý tách ẩm bằng sóng siêu âm 17 CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHI TIẾT HORN DẠNG TRỤC BẬC VÀ TẤM BẬC 18 2.1 Mục tiêu cần đạt được trong vấn đề thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc và tấm bậc19 2.2 Lựa chọn vật liệu và phương pháp tính toán 20 2.2.1 Chọn vật liệu 20 2.2.2 Phương pháp tính toán 22 2.2.2.1 Đối với horn dạng trục bậc 22 2.2.2.2 Đối với tấm bậc 22 2.3 Tính toán và thiết kế 23 2.3.1 Sơ đồ thiết kế horn dạng trục bậc và tấm bậc 23 2.3.2 Tiến hành tính toán, mô phỏng 24 2.3.2.1 Tính horn dạng trục bậc 24 2.3.2.2 Tính toán cho tấm bậc 29 2.4 Mô phỏng kiểm tra tần số, ứng suất của cụm horn dạng trục bậc và tấm bậc 38 2.5 Mô phỏng trường áp suất sóng âm của tấm lên môi trường không khí 40 CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO MẪU VÀ ĐO TRỞ KHÁNG CƠ 43 3.1 Chế tạo mẫu 43 3.2 Đo trở kháng âm và tần số cộng hưởng 44 3.3 Vấn đề kết nối trở kháng 46 3.3.1 Giới hạn công suất điện, cơ và kết nối trở kháng trong các tinh thể áp điện 46 3.3.2 Kết nối trở kháng các chi tiết khác trong cụm siêu âm 50 CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM SẤY, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51 Trang ii
6. 4.1 Mô hình thí nghiệm sấy 51 4.1.1 Chuẩn bị mẫu sấy 52 4.1.2 Dữ liệu sấy 53 4.2 Kết quả và thảo luận 54 4.2.1 Kết quả sấy sơ bộ 54 4.2.2 Kết quả sấy đến độ ẩm cân bằng 57 4.2.3 Thảo luận về kết quả tính horn và tấm bậc 58 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 60 5.1 Kết luận 60 5.1.1 Tần số dao động riêng của cụm phát sóng siêu âm và trở kháng đo được 60 5.1.2 Kết luận về hiệu quả quá trình sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm 61 5.1.3 Tổng kết 61 5.2 Đề nghị 61 5.2.1 Các vấn đề còn tồn tại 61 5.2.2 Hướng phát triển của đề tài 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 1. CODE TÍNH CHO HORN 67 PHỤ LỤC 2. CODE TÍNH CHO TẤM BẬC 68 PHỤ LỤC 3. HƯỚNG DẪN CAO HỌC 70 PHỤ LỤC 4. BÀI BÁO THAM DỰ HỘI NGHỊ, TẠP CHÍ TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 72 PHỤ LỤC 5. BẢN SAO THUYẾT MINH ĐỀ TÀI ĐÃ ĐƯỢC PHÊ DUYỆT 73 Trang iii
7. DANH MỤC CÁC BẢNG BẢNG Trang Bảng 2.1 Các thuộc tính của thép SS 41(Wang 2011) 21 Bảng 2.2 Các thuộc tính của hợp kim nhôm AA7075-T6 (Nguyen 2014) 22 Bảng 2.3 Kết quả tính toán horn dạng trục bậc bằng công thức lý thuyết. 25 Bảng 2.4 Kết quả mô phỏng của horn dạng trục bậc ở các mức chia lưới khác nhau. 28 Bảng 2.5 Các kích thước của horn được thiết kế 28 Bảng 2.6 Tần số dao động của tấm tương ứng với các Mode khác nhau 32 Bảng 2.7 Các kích thước của tấm bậc sau khi đã tối ưu 34 Bảng 2.8 Kết quả mô phỏng tấm bậc trong AnsysWorkbench với các mức chia lưới khác nhau 36 Bảng 2.9 Kết quả mô phỏng cho cụm chi tiết với các mức chia lưới khác nhau. 39 Bảng 4.1 Số liệu sấy qua hai mẻ sấy: có sự hỗ trợ của siêu âm và không có sự hỗ trợ siêu âm 54 Trang iv
8. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT GA : Genetic Algorithm CNC : Computer Numerical Control PLC : Programmable Logic Controller Trang v
9. DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1 Cấu trúc cơ bản của một bộ chuyển đổi siêu âm dạng đĩa có bậc và một bộ chuyển đổi dạng tấm có bậc. (Gallego-Juárez, 2009, 2010a). 2 Hình 2 Cấu trúc cơ bản của bộ chuyển đổi siêu âm dạng trụ và một phỏng phần tử hữu hạn cho dao động của ống trụ. (Gallego-Juárez, 2009, 2010a). 2 Hình 3 Mô hình chống tạo bọt siêu âm. (Gallego-Juárez, 2009, 2010a). 3 Hình 4 Hệ thống sấy siêu âm. (Gallego-Juárez, 2009, 2010a). 4 Hình 5 Sơ đồ của sấy đối lưu không khí với sự hỗ trợ của siêu âm. (Ortuno 2010b). 6 Hình 6 Mô hình thiết bị phát sóng siêu âm năng lượng cao gồm: Bộ chuyển đổi kiểu Langevin (1) – Horn khuếch đại cơ dạng bậc (2) – Tấm bậc (3) 7 Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy 11 Hình 1.2 Horn dạng trục bậc 15 Hình 2.1 Sơ đồ thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc. 23 Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế tấm bậc. 24 Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn biên độ dao động của horn ứng với tần số 19,2 kHz. 25 Hình 2.4 Xây dựng mô hình horn trong Geometry của AnsysWorkbench. 26 Hình 2.5 Chia lưới mô hình horn trong Model. 26 Hình 2.6 Thiết lập các điều kiện biên. 27 Hình 2.7 Lấy kết quả bài toán trong Result. 27 Hình 2.8 Xác định điểm x0. 29 Hình 2.9 Lưu đồ giải thuật tối ưu để xác định tần số làm việc và các kích thước của tấm được thiết kế. 30 Hình 2.10 Một số dạng dao động của tấm được thiết kế. 31 Trang vi
10. Hình 2.11 Phân bố chuyển vị của tấm phẳng có chiều dài 260 mm, dầy 29 mm dao động ở Mode 8. 34 Hình 2.12 Phân bố chuyển vị của tấm bậc được thiết kế tại tần số 19,2 kHz 35 Hình 2.13 Chia lưới cho mô hình ở mức mịn 53766 phần tử; 83924 nút. 37 Hình 2.14 Dạng Mode 8 của tấm với tần số làm việc 20030 Hz 37 Hình 2.15 Bản vẽ thiết kế tấm bậc 38 Hình 2.16 Chia lưới cho cụm tấm và horn với mối ghép ren M12 với mức mịn (147425 phần tử; 236671 nút). 39 Hình 2.17 Dạng dao động của cụm horn và tấm bậc tại tần số 19987 Hz. 40 Hình 2.18 Phân bố ứng suất Von-Mises của cụm. 40 Hình 2.19 Mô hình phân tích phân bố áp suất sóng âm lên môi trường của 2 trường hợp: (a,b) tấm phẳng, và (c,d) tấm bậc. 41 Hình 3.1 Cụm chi tiết phát sóng siêu âm với horn dạng bậc và tấm bậc. 44 Hình 3.2 Kết quả đo trở kháng của cụm phát sóng siêu âm 45 Hình 3.3 Cụm phát sóng siêu âm dùng trong ứng dụng sấy. 47 Hình 3.4 Mạch điện tương đương cho các tấm tinh thế sứ áp điện: (a) Mạch cơ khí; (b) Mạch điện tương đương (Gallego-Juárez, 2006) 48 Hình 3.5 Mô hình mạch điện phân tích trở kháng cho cụm siêu âm (Tao 2011). 50 Hình 4.1 Hệ thống sấy siêu âm gián tiếp được xây dựng để thí nghiệm. 51 Hình 4.2 Lát cà rốt được chuẩn bị trước khi đem vào sấy 53 Hình 4.3 Cân điện tử METTLER TOLEDO, model: RW00-1220-301 được sử dụng để cân mẫu sấy. 53 Hình 4.4 Đồ thị so sánh tốc độ sấy khi xử dụng hai phương pháp sấy có và không có sự hỗ trợ của siêu âm. 55 Trang vii
11. Hình 4.5 Mẫu 1: Mẻ cà rốt chưa sấy; Mẫu 2: Mẻ cà rốt đã sấy với siêu âm; Mẫu 3: Mẻ cà rốt đã sấy không có siêu âm. 55 Hình 4.6 Mô hình bố trí thí nghiệm để sấy đến độ ẩm cân bằng 57 Hình 4.7 Đồ thị giảm ẩm của vật liệu theo thời gian sấy tới khi đạt độ ẩm cân bằng có sử dụng dụng và không sử dụng siêu âm. 58 Trang viii
12. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ MÁY Tp. HCM, ngày 27 tháng 2 năm 2016 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thử nghiệm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy sản phẩm nông nghiệp - Mã số: T2015-08TĐ - Chủ nhiệm: TS. Phạm Huy Tuân - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 12 tháng (từ tháng 1/2015 đến tháng 12/2015) 2. Mục tiêu: — Nghiên cứu phát triển công nghệ siêu âm hỗ trợ quá trình sấy khô, kiểu sấy nóng với dòng không khí cưỡng bức nhằm hướng đến sấy các sản phẩm nông nghiệp chất lượng cao ở quy mô bán công nghiệp hoặc công nghiệp như các loại gỗ quý, thuốc, thảo dược (màng lụa hạt gấc, sâm tươi), 3. Tính mới và sáng tạo: — Công nghệ sấy với sự hỗ trợ của năng lượng siêu âm là một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới tại Việt Nam. Hướng nghiên cứu này cũng đã được nghiên cứu ở nước ngoài nhưng với mức độ khá hạn chế do nhiều nguyên nhân như quy trình thiết kế khá phức tạp, trang thiết bị phục vụ nghiên cứu đắt tiền. Tuy nhiên một số kết quả ban đầu đã chỉ ra rằng việc ứng dụng sóng siêu âm hỗ trợ sấy giúp giảm đáng kể năng lượng tiêu hao và đặc biệt là lưu giữ tối đa hàm lượng dinh dưỡng trong các sản phẩm sấy. Trang ix
13. — Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị phát siêu âm hỗ trợ cho quá trình sấy nóng ứng dụng cho các sản phẩm nông nghiệp có giá trị cao kết hợp với việc phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ sấy tới chất lượng của sản phẩm. Tác giả sử dụng mô hình sấy gián tiếp (sấy đối lưu với sự hỗ trợ của siêu âm) để tiến hành thử nghiệm hiệu quả của việc ứng dụng siêu âm vào hỗ trợ sấy và đánh giá chất lượng cũng như hiệu quả của quá trình sấy. 4. Kết quả nghiên cứu: — Đề tài đã đề xuất được quy trình thiết kế tấm phát xạ dao động ở tần số siêu âm dạng tấm bậc dốc sử dụng công cụ phần tử hữu hạn kết hợp giải bài toán tối ưu dùng giải thuật di truyền. Dựa trên kết quả tính toán, một mô hình hệ thống sấy dùng siêu âm đã được chế tạo và đưa vào sấy thực nghiệm sản phẩm nông nghiệp. Kết quả thí nghiệm cho thấy mẻ sấy có sử dụng năng lượng siêu âm phát ra từ thiết bị được chế tạo có thời gian sấy giảm so với sấy truyền thống. — Thành công của đề tài này sẽ mở ra một hướng mới cho công nghệ sấy sản phẩm nông nghiệp sau thu hoạch vốn là một thế mạnh của Việt Nam trong khu vực Đông Nam Á. 5. Sản phẩm: 5.1 Sản phẩm khoa học [1]. Pham Huy Tuan, Nguyen Van Thai Duong, Nguyen Xuan Quang, 2014, “Computational Modeling and Design of a High-Intensity Ultrasonic Transducer with Extensive Radiator for Food Dehydration ,” The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCMC University of Technology and Education, Oct. 30th – 31st, HCM city, Vietnam, pp. 234-239, 2014. [2]. Phạm Huy Tuân, Nguyễn Xuân Quang, Nguyễn Ngọc Phương, 2016, “Thiết kế chế tạo thiết bị phát sóng siêu âm tập trung cho ứng dụng sấy thực phẩm” Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trường ĐHKT, Vol. 110, (Đã được chấp nhận cho đăng). 5.2 Sản phẩm đào tạo: Hướng dẫn thành công 1 học viên cao học — Tên học viên: Nguyễn Văn Thái Dương Trang x
14. — Ngành : Kỹ thuật cơ khí Khóa: 2012-2014(B) — Tên đề tài : “Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong sấy chất lượng cao sản phẩm nông sản quy mô công nghiệp” — Điểm : 8.8 (Tám tám) 5.3 Sản phẩm ứng dụng — Sản phẩm ứng dụng là mô hình hệ thống sấy đối lưu tích hợp thiết bị phát sóng siêu âm tần số 20kHz, cường độ năng lượng siêu âm khoảng 10.7 W/cm2. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: — Đề tài đã nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm thành công thiết bị sấy có sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Để tiếp tục phát triển và để có thể chuyển giao công nghệ trong thời gian tới, đề tài sẽ phải kết hợp với các chuyên gia về nông nghiệp và thực phẩm nhằm nghiên cứu kỹ hơn tác dụng của công nghệ sấy này đến các vấn đề dinh dưỡng và thời gian bảo quản sản phẩm sấy. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) TS. Phạm Huy Tuân Trang xi
15. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Design and develop a high-intensity ultrasonic transducer for food dehydration Code number: T2015-08TĐ Coordinator: Pham Huy Tuan (Ph.D.) Implementing institution: HCMC University of Technology and Education Duration: from January 2015 to December 2015 2. Objective(s): — This research aims to develop ultrasonics assisted drying technology based on convective dehydration method. The potentiality of this technology is to dry heat sensitive materials and high-quality dry products in large-scale industrial applications 3. Creativeness and innovativeness: — The ultrasonics assisted drying technology has not been studied in Vietnam. This technology has already been researched in the world for decades but its popularity is limited. Possible obstacles could be due to its complexity in the design process and its cost-intensive equipments. However certain research results showed that the use of ultrasonics could help to reduce considerably drying energy and especially it could preserve maximum nutrition in the dehydration products. — This project designs a high-intensity ultrasonic transducer to assist the convection drying process. Its purpose is to dry heat sensitive materials and high-quality dry products. An experimental model has been built to verify for the effectiveness of the new drying technology. 4. Research results: Trang xii
16. — This project proposed a procedure to design an ultrasonic inclined-stepped plate radiator by using genetic algorithm optimization scheme and finite element analyses. Based on the optimum design results, prototypes of the transducer are fabricated by a numerical control machining process. The effect of the ultrasonic field generated by the proposed design was investigated via a drying experiment of carrots which showed a considerable reduction in the drying time compared to the traditional method. — The results of this research will open the door to a new technology for drying post- harvesting agriculture products which is a strength of Vietnam among the South- East Asia countries. 5. Products: 5.1 Science product [1]. Pham Huy Tuan, Nguyen Van Thai Duong, Nguyen Xuan Quang, 2014, “Computational Modeling and Design of a High-Intensity Ultrasonic Transducer with Extensive Radiator for Food Dehydration ,” The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCMC University of Technology and Education, Oct. 30th – 31st, HCM city, Vietnam, pp. 234-239, 2014. [2]. Pham Huy Tuan, Nguyen Xuan Quang, Nguyen Ngoc Phuong, 2016, “Design and Fabrication of a High-Intensity Ultrasonic Transducer for Food Dehydration” J. Science & Technology: Technical Universities, Vol. 110, (in Vietnamese) (Accepted) 5.2 Education product: — Successfully supervise a graduate student. 5.3 Application product: — The application product is a convective drying system integrating an ultrasonic transducer working in the frequency of 20 kHz, the ultrasonic power density is 10.7 W/cm2. Trang xiii
17. 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: — The project has successfully designed, fabricated and experimentally validated the ultrasonic assisted drying device. In order to transfer this technology to society, it is supposed to co-operate with agricultural and food technology experts to further investigate other drying parameters which could improve the remained nutrition and preservation time. Trang xiv
18. PHẦN A. TỔNG QUAN 1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1.1 Các quá trình xử lý siêu âm năng lượng cao, những phát triển gần đây và tiến bộ tiềm năng Mặc dù ứng dụng năng lượng siêu âm để sản xuất hoặc để tăng cường một loạt các quy trình đã được khám phá từ khoảng giữa thế kỷ 20, nhưng chỉ một số ít các quá trình xử lý siêu âm đã được thiết lập ở cấp độ công nghiệp. Trong hơn mười năm qua, sự quan tâm trong lĩnh vực xử lý siêu âm đã làm sống lại, đặc biệt là trong các lĩnh vực công nghiệp, nơi công nghệ siêu âm có thể là một công cụ sạch và hiệu quả để cải thiện các quá trình cổ điển đang tồn tại hay một sự thay thế đổi mới cho sự phát triển những quy trình mới. Các ngành liên quan như công nghiệp thực phẩm, môi trường, dược phẩm, sản xuất hóa chất, máy móc, khai thác nơi mà năng lượng siêu âm đang trở thành một công nghệ mới nổi cho quá trình phát triển. Trong lĩnh vực xử lý siêu âm trong môi trường chất lỏng và đặc biệt hơn trong môi trường khí, sự phát triển của các bộ phận chuyển đổi dạng tấm bậc và các dạng bộ phận phát năng lượng khác với bề mặt phát sóng rộng đã góp phần mạnh mẽ vào việc thực hiện ở giai đoạn bán công nghiệp và công nghiệp của một số ứng dụng thương mại, trong các lĩnh vực như thực phẩm, ngành công nghiệp nước giải khát (như chống tạo bọt, sấy, khai thác ), môi trường (như làm sạch không khí, lọc bùn ), chế tạo máy và các quá trình sản xuất (như rửa trong ngành dệt may, sản xuất ). - Những bộ phát siêu âm năng lượng cao: những tiến bộ gần đây Với các ứng dụng của siêu âm cường độ cao trong môi trường chất lỏng hoặc các môi trường nhiều pha khác, các bộ phận chuyển đổi năng lượng cao đặc biệt đòi hỏi các yêu cầu khắt khe về các thuộc tính âm học. Môi trường chất lỏng (đặc biệt là khí) có một trở kháng âm thấp và sự hấp thụ âm thanh cao. Vì vậy, để có được sự truyền năng lượng hiệu quả, thì cần thiết phải có một sự kết hợp trở kháng tốt giữa các 1
19. bộ phận chuyển đổi năng lượng. Ngoài ra, với những ứng dụng công nghiệp quy mô lớn, công suất cao và diện tích phát xạ rộng sẽ được yêu cầu trong những bộ phận chuyển đổi. Cố gắng để đạt được mục tiêu như vậy, một họ mới các bộ chuyển đổi siêu âm thực hiện công suất năng lượng cao, hiệu quả và kiểm soát hướng đã được phát triển. Đây là họ bộ chuyển đổi siêu âm có bề mặt bức xạ rộng trong đó bao gồm nhiều phiên bản tùy thuộc vào hình dạng hoặc biên dạng của bộ phát. Các loại chính của bộ chuyển đổi siêu âm như thế này có thể kể đến: tấm dạng bậc (hình 1), tấm có rãnh, tấm dạng bậc có rãnh và bộ phát dạng trụ (hình 2) Hình 1 Cấu trúc cơ bản của một bộ chuyển đổi siêu âm dạng đĩa có bậc và một bộ chuyển đổi dạng tấm có bậc. (Gallego-Juárez, 2009, 2010a). Hình 2 Cấu trúc cơ bản của bộ chuyển đổi siêu âm dạng trụ và một phỏng phần tử hữu hạn cho dao động của ống trụ. (Gallego-Juárez, 2009, 2010a). 2
20. - Ứng dụng siêu âm trong ngành công nghiệp thực phẩm Ứng dụng của năng lượng siêu âm trong công nghệ chế biến thực phẩm là một trong những lĩnh vực hứa hẹn nhất cho tiến bộ trong tương lai của siêu âm. Cách làm sạch của năng lượng siêu âm như một chất hóa học không gây ô nhiễm, không ion hóa không khí, đóng một vai trò quyết định trong việc liên tục tìm kiếm các phương pháp sản xuất an toàn hơn và chất lượng hơn. Trong phạm vi rộng của các ứng dụng tiềm năng của năng lượng siêu âm trong chế biến thực phẩm chỉ có rất ít các quy trình có được đã được thiết lập ở cấp độ công nghiệp. Tuy nhiên, một số quy trình mới đã được nghiên cứu mở rộng và hiện nay đang tiến rất gần với việc phát triển thương mại công nghệ này, như là các ứng dụng siêu âm trong chống tạo bọt, sấy và quá trình khai thác chất lỏng siêu tới hạn Hình 3 giới thiệu mô hình chống tạo bọt bằng siêu âm trong công nghiệp. Hình 3 Mô hình chống tạo bọt siêu âm. (Gallego-Juárez, 2009, 2010a). Hình 4 giới thiệu một mô hình sấy đối lưu có sự hỗ trợ của năng lượng sóng siêu âm. 3
21. Hình 4 Hệ thống sấy siêu âm. (Gallego-Juárez, 2009, 2010a). - Ngoài ra, siêu âm năng lượng cao còn được ứng dụng trong nhiều khía cạnh khác như trong vấn đề môi trường, làm sạch, gia công cơ khí Trong khuôn khổ nghiên cứu của đề tài này, tác giả chỉ quan tâm đến lĩnh vực ứng dụng của sóng siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm, mà đặc biệt là quá trình sấy. 1.2 Sấy siêu âm: các nghiên cứu trong và ngoài nước Ngày nay, tiêu thụ toàn cầu đang chuyển dịch từ sản phẩm tươi đến sản phẩm đã qua chế biến. Trong bối cảnh này, quá trình sấy góp phần tạo ra các sản phẩm chất lượng cao với chi phí cạnh tranh. Hơn nữa, chúng cho phép thời gian sử dụng lâu hơn, trọng lượng nhẹ hơn cho vận chuyển và một không gian nhỏ hơn để lưu trữ. Tuy nhiên, quá trình sấy khô có thể ảnh hưởng đến các thuộc tính cảm quan và dinh dưỡng do thay đổi kết cấu và sinh hóa xảy ra chủ yếu do nhiệt độ cao tác dụng trong quá trình và thời gian sấy lâu. Sấy là một quá trình phức tạp, liên quan đến đồng thời hiện tượng chuyển đổi nhiệt và khối lượng với sự vận chuyển cả bên trong lẫn bên ngoài của vật phẩm. Trong quá trình sấy rau củ, tốc độ sấy có thể bị ảnh hưởng bởi cả hiện tượng khuếch tán và vận chuyển nước đối lưu. Tốc độ sấy khô có thể được tăng lên bằng cách kết hợp đầy đủ các nguồn năng lượng, chẳng hạn như vi sóng, bức xạ hồng ngoại, siêu âm năng lượng cao. So với các công nghệ sấy khác, sấy đối lưu với sự hỗ trợ của siêu âm giới 4