Nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu của kênh sấy trong quá trình sấy sắn khô dạng cục

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu của kênh sấy trong quá trình sấy sắn khô dạng cục Experimental research on the influence of drying channel’s structural parameters on cassava morsel drying process Nguyễn Tuấn Anh1,*, Nguyễn Đình Tùng1, Lê Minh Lư2 1Viện Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp, Bộ Công Thương 2Khoa Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam *Email: tuananh.riam@gmail.com Mobile: 0915423980 Tóm tắt Từ khóa: Sắn cục; Quá trình sấy sắn cục; Tối ưu hóa; Thông số kết cấu. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu của kênh sấy đến quá trình sấy sắn cục trong máy sấy tháp dạng kênh. Kết quả phân tích quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất và thời gian sấy ngắn nhất, đã xác định được 5 thông số kết cấu đầu vào tối ưu như khoảng cách đỉnh kênh 327,18 mm; bước của hàng kênh 463,46 mm; chiều cao của kênh 250 mm; góc đỉnh kênh 53,390; Bề rộng kênh 173,27 mm, qua đó cho thấy sự sai khác giữa kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán là không nhiều. Abstract Keywords: Cassava morsel; Cassava morsel drying process; Optimization; Structural parameters. This article presents the results of experimental research on the influence of drying channel’s structural parameters on cassava morsel drying process in the continuous cross-flow dryer. The analysis on the multi–factor experimental planning which includes objective function is the minimum individual energy consumption and the shortest drying time has identified five input optimal structural parameters such as: distance between the top of the channel: 463.46mm; channel spacing: 327 18mm; height of the channel: 250 mm; channel angle: 53.390; channel width: 173.58 mm, thereby indicated that the difference between experimental results and calculation results is insignificant. Ngày nhận bài: 02/07/2018 Ngày nhận bài sửa: 05/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Sắn được xếp hạng là một trong những cây lương thực chính và cũng là cây công nghiệp được trồng rộng khắp trên thế giới, có khoảng 100 quốc gia hiện tại đang trồng sắn [1-2]. Sắn được trồng tập trung tại các vùng nhiệt đới như châu Phi, châu Á, Nam Mỹ. Sản lượng sắn trên thế giới trong những năm gần đây đạt được khoảng 288,9 ÷ 300 triệu tấn [1]. Riêng đối với Châu Á 3 nước dẫn đầu về sản lượng là Thái Lan, Indonesia và Việt Nam [2]. Trong những năm gần HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 đây ở Việt Nam sắn vẫn là cây nông nghiệp được canh tác nhiều chỉ sau lúa và ngô, được trồng tại nhiều tỉnh thành trong cả nước, tổng diện tích trồng lên tới 566,5 nghìn ha, với năng suất bình quân 18,84 tấn/ha, cho sản lượng đạt 10,67 triệu tấn và có tăng “nhẹ” lên trong năm 2016 - 2017 [1-2]. Ở Việt Nam, hiện nay toàn bộ lượng sắn khô đều được làm khô bằng phương pháp sấy vỉ ngang hoặc phơi khô tự nhiên nhờ ánh nắng mặt trời. Các phương pháp này có năng suất không cao và cho chất lượng sản phẩm thấp, khó đẩy mạnh phát triển theo hướng quy mô công nghiệp. Để có thể phát triển sấy sắn cục chất lượng cao theo quy mô công nghiệp thì việc chuyển nguyên liệu sắn từ dạng củ tự nhiên sang dạng cắt khúc, nghĩa là nguyên liệu sắn sấy lúc này phải chuyển sang dạng cục với kích thước khoảng 3 ÷ 6 cm để có thể quy về kích thước “tương đương” như dạng cục (particle), khi này ta có thể sử dụng nguyên lý sấy tháp tương tự như khi sấy hạt. Vấn đề đặt ra lúc này là kết cấu của tháp sấy như: kích thước của kênh sấy, góc đỉnh kênh, bề rộng kênh, chiều cao kênh, khoảng cách giữa các kênh/bước kênh, khoảng cách giữa các hàng kênh, (gọi chung là các thông số kết cấu) cần phải đảm bảo hợp lý để cho quá trình “lưu chuyển” nguyên liệu trong tháp sấy phải đảm bảo để cho quá trình trao đổi nhiệt ẩm diễn ra tốt. Bởi theo kết quả nghiên cứu như trong tài liệu [3] cho thấy, các thông số kết cấu của kênh như bề rộng kênh, góc đỉnh kênh, khoảng cách giữa hai kênh liên tiếp và bước của hàng kênh chúng ảnh hưởng rất lớn tới khả năng tụt liệu, và ảnh hưởng tới sự trao đổi nhiệt ẩm từ đó làm tăng hay giảm thời gian sấy cũng như ảnh hưởng trực tiếp tới chi phí năng lượng riêng trong quá trình sấy, do đó ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm. Chính vì vậy cần phải đi sâu nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới thời gian sấy và chi phí năng lượng riêng trong quá trình sấy nhằm tìm được các cặp thông số kết cấu tối ưu phù hợp khi sấy sắn khô dạng cục trên máy sấy tháp là nội dung chính được đề cập trong bài báo này. 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu nghiên cứu Vật liệu nghiên cứu trong bài báo này là sắn củ tươi được băm thành cục nhờ máy băm/chặt khúc năng suất cao, có thể quy dẫn về kích thước tương đương khoảng 3 ÷ 6 cm (hình 1 trái). Với độ ẩm đầu vào trước khi sấy được xác định khoảng 58 - 62% ẩm và độ ẩm đầu ra sau khi sấy là 13,5% (hình 1 phải). Hình 1. Vật liệu sắn cục trước khi sấy (trái) và sau khi sấy (phải) 2.2. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tính toán được sử dụng để xác định chi phí năng lượng riêng trong quá trình thực nghiệm. Giá trị chi phí năng lượng riêng được tính thông qua phương trình sau [4]: 1 2 . . W (m m ) nl nl nl nlm Hu m Huq    [kWh/kg hơi H2O] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trong đó: q: Chi phí năng lương riêng [kWh/kg hơi H2O]. mnl: Khối lượng nguyên liệu đốt [kg nl] W: Khối lượng ẩm cần bốc hơi [kg] m1: Khối lượng nguyên liệu trước khi sấy [kg] m2: Khối lượng sản phẩm sau khi sấy [kg] Hunl: Nhiệt trị thấp của nguyên liệu đốt [kJ/kg nl] Phương pháp tối ưu hóa quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của 5 yếu tố kết cấu đầu vào và yếu tố công nghệ là nhiệt độ sấy, vận tốc tác nhân sấy với hàm mục tiệu là chi phí năng lượng riêng và thời gian sấy tối ưu được sử dụng trong nghiên cứu này. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố/đa mục tiêu sẽ chia thành hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Xây dựng mô hình bao gồm m phương trình hồi quy. Ta tiến hành N thí nghiệm nhưng tại mỗi thí nghiệm ta không chỉ đo giá trị của một biến ra mà là của m biến ra Y1, Y2, ..., Ym. Giai đoạn 2: Tìm điểm tối ưu chung cho m mô hình. Đến đây xảy ra hai trường hợp: - Nếu thỏa mãn với độ chính xác của các mô hình thì chỉ việc sử dụng các phương pháp quy hoạch đa mục tiêu để tìm cực trị. - Nếu không thỏa mãn với độ chính xác của các mô hình thì phải tiếp tục bằng quy hoạch hoạch thực nghiệm Ví dụ về các phương pháp tìm kiếm cực trị đa yếu tố: 2.3. Thiết bị đo Thiết bị đo trong quá trình thí nghiệm sử dụng các thiêt bị sau đây: - Máy đo độ ẩm Sartorius MA 45, được sản xuất bởi hãng Sartorius của Đức. Máy có màn hình tinh thể lỏng với cơ chế sấy mẫu bằng tia hồng ngoại và bức xạ nhiệt, mức cân tối đa 35 g, có độ nhạy 0,001 g với độ lặp lại 0,2% cho 1g và 0,05% cho 5 g. Giá trị hiển thị gồm % ẩm, % trọng lượng, tỉ lệ hóa hơi, thời gian sấy ngừng trong khoảng 0,1 ÷ 99 phút với nhiệt độ sấy mẫu có thể đặt trong khoảng 40 ÷ 230 0C. - Máy đo nhiệt độ TFI 650, do hãng Ebro của CHLB Đức sản xuất. Máy sử dụng điểm laser đôi, ngoài ra máy còn có thể gắn đầu đo, để đo được nhiệt độ cao ở tâm thiết bị, khoảng đo nhiệt độ từ - 600C ÷ 15000C, với dải đo 0,10C có sai số 2%/ 20C của giá trị đo. - Máy đo tốc độ gió Testo 416, sản xuất bởi hãng Testo của CHLB Đức. Máy sử dụng đầu đo cánh quạt với khoảng đo 0,6 m/s ÷ 40 m/s, có độ chính xác 0,2 m/s hay 1,5% của giá trị đo và dải đo đến 0,1 m/s. HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 - Máy đo áp suất Testo 510, do hãng Testo của CHLB Đức sản xuất, với màn hình hiển thị đơn vị Pascal cho tất cả các giá trị đo và có thể chuyển đổi sang các đơn vị đo khác hPa, mbar, Pa, mmH2O, inHg, mmHg, psi. Khoảng đo của thiết bị từ 0 ÷ 100 hPa, độ chính xác 0,03 hPa (0 - 0,3 hPa); 0,05 hPa (0,31 - 1 hPa); (0,1 hPa + 1,5% của giá trị đo) (1,01 ÷ 100 hPa) và dải đo 0,01 hPa. 3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN 3.1. Thiết bị nghiên cứu a b Hình 2. Nguyên lý kết cấu/cấu tạo và hoạt động của thiết bị nghiên cứu Thiết bị nghiên cứu là thiết bị sấy sắn cục theo nguyên lý sấy tháp quy mô công nghiệp năng suất 10 - 15 tấn SP/tháp (hình 2 phải), nguyên lý làm việc của thiết bị được thể hiện trên hình 2 trái). Trên hình 2 (trái) diễn tả nguyên lý làm việc của thiết bị. Tác nhân sấy được cấp vào từ lò đốt qua các kênh dẫn dòng tác nhân sấy ở bên trong thân tháp sấy, sau đó len lỏi xuyên qua lớp vật liệu sấy, các lớp sắn được làm nóng bởi dòng tác nhân sấy. Trong quá trình trao đổi nhiệt ẩm, dòng hơi ẩm được vận chuyển tới các kênh thải ẩm cũng nằm bên trong thân tháp sấy, sau đó được thoát ra ngoài môi trường theo hệ thống thoát ẩm của thiết bị nhờ quạt gió. Đồng thời dòng vật liệu sấy được di chuyển dần theo chiều từ trên xuống dưới tương ứng với chu kỳ xả, và/hoặc khi đảo nguyên liệu (hình 2) [4]. Quá trình đảo trộn này làm cho nguyên liệu sấy có độ khô đồng đều. Trên hình 3 diễn tả rõ hơn hướng di chuyển của dòng khí (dòng tác nhân sấy và dòng ẩm), kết cấu của các kênh sấy và kênh thải ẩm bên trong tháp sấy. Các kênh sấy và kênh thải ẩm được bố trí xen kẽ nhau nhằm mục tiêu cho quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong quá trình sấy được diễn ra tốt hơn. Kết cấu và bố trí các kênh được trình bày trên hình 3b, thông số hình học của các kênh và hàng kênh được giới thiệu trên bảng 1 và được sử dụng làm cơ sở để thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm như trên hình 2. HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 a b Hình 3. Nguyên lý di chuyển của dòng khí (dòng tác nhân sấy và dòng ẩm), và các thông số kết cấu của kênh Bảng 1. Các thông số kích thước hình học cơ bản của kênh sấy, tháp sấy từ mô hình Pilot STT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Thứ nguyên 1 Khoảng cách đỉnh hai kênh liên tiếp L 350 mm 2 Bước của hàng kênh H 500 mm 3 Bể rộng kênh B 165 mm 4 Chiều cao của kênh h 225 mm 5 Góc đỉnh kênh α 53 độ (0) Để kiểm chứng kết quả của quá trình tính toán, ngoài ra để tìm các thông số tối ưu, hơn nữa giảm thời gian và chi phí trong quá trình thực nghiệm. Trong bài báo này nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm để giải quyết vấn đề nêu trên, kết quả cụ thể được trình bày tại các mục 3.2 dưới đây. 3.2. Kết quả nghiên cứu tối ưu theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm Các thông số công nghệ như nhiệt độ sấy, vận tốc cấp tác nhân sấy là những yếu tố công nghệ chính tác động tới quá trình thiết kế của hệ thống sấy. Khi thiết kế hệ thống sấy tháp bên trong tháp sấy các kênh có kết cấu như hình 3b. Giá trị kích thước như khoảng cách đỉnh hai kênh trong hàng (L), bước của hàng kênh (H), chiều cao của kênh (h), bề rộng của kênh (B), và góc giữa đỉnh kênh (α) của chúng thay đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng sấy đặc biệt là tác động lớn tới thời gian sấy và chi phí năng lượng riêng. Tối ưu hóa các yếu tố kết cấu ảnh hưởng này sẽ cho ta lựa chọn được kết cấu máy thích hợp nhất. Được như vậy sẽ giảm được rất nhiều công chế tạo cũng như quá trình vận hành máy, giảm chi phí cho quá trình thực nghiệm. Trong nghiên cứu này nhóm tác giả lựa chọn sử dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao để thiết kế các phương án thí nghiệm với 5 thông số kết cấu ảnh hưởng như: khoảng cách đỉnh hai kênh trong hàng (L), bước của hàng kênh (H), chiều cao của kênh (h), bề rộng của kênh (B), và góc giữa đỉnh kênh (α) và 2 yếu tố công nghệ ảnh hưởng như: Vận tốc tác nhân sấy (v), nhiệt độ tác nhân sấy (T). Các yếu tố ảnh hưởng đã được mã hóa X1 - Nhiệt độ sấy T ( 0C); X2 - Vận tốc cấp tác nhân sấy v (m/s); X3 - Khoảng cách đỉnh hai kênh trong hàng L (mm); X4 - Bước của hàng kênh H (mm); X5 - Chiều cao của kênh h (mm); X6 - Bề rộng của kênh B (mm); X7 - Góc giữa đỉnh kênh α ( 0); HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Chất lương quá trình sấy đánh giá bởi thời gian sấy và chi phí năng lượng riêng Y1 - Chi phí năng lượng riêng q (kWh/kgH2O); Y2 - Thời gian sấy t (h); Tiến hành quy hoạch trực giao đối xứng, mỗi yếu tố tiến hành tại 3 mức (-1, 0, +1) như trong bảng 2 [5,6]. Bảng 2. Giá trị mã hóa và giá trị thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm Biến số Kí hiệu Đợn vị Ký hiệu giá trị mã hóa -1 0 +1 Thông số công nghệ Nhiệt độ sấy T X1 0C 60 80 100 Vận tốc tác nhân sấy v X2 m/s 1,2 1,8 2,4 Thông số kết cấu Khoảng cách đỉnh hai kênh trong hàng L X3 mm 300 350 400 Bước của hàng kênh H X4 mm 450 500 550 Chiều cao của kênh h X5 mm 200 225 250 Bề rộng của kênh B X6 mm 155 165 175 Góc giữa đỉnh kênh α X7 0 (độ) 50 53 56 Theo [6] cho thấy, trong nghiên cứu này thông thường số thí nghiệm và số lần lặp lại trong mỗi thí nghiệm được xác đinh theo công thức thực nghiệm rút gọn N = 2k-p. Ở đây tác giả sử dụng quy hoạch trực giao cấp 2, tiến hành lập bảng thí nghiệm đầy đủ với k = 7 khi đó với các điều kiện khắt khe về rút gọn p và cụ thể khi n = 7 thì p = 1 dó đó tổng số thí nghiệm: N = 2k-p = 27-1 = 64. Nhưng với đặc tính cơ bản của kế hoạch bậc 2 Box - Behnken với miền quy hoạch siêu khối vuông khi n = 7 thì số thí nghiệm là N = 62 (cụ thể số liệu thí nghiệm và kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 3). Các thông số tối ưu được xác định bằng thuật toán Box-Behnken với 2 hàm mục tiêu thời gian sấy và chi phí năng lượng riêng có phương trình hồi quy theo các hàm mục tiêu được xây dựng theo hàm hồi quy bậc hai với phương trình tổng quát sau [6]: 7 7 7 7 2 0 1 1 1 12 z i i ij ij i i i i j i i Y b b X b X b X            (1) Quy hoạch thực nghiệm đưa ra bảng ma trận thực nghiệm gồm 62 thí nghiệm với 2 hàm đáp ứng được chọn là chi phí năng lượng riêng (Y1, kWh/kgH2O), thời gian sấy (Y2, giờ), mô hình hóa được biểu diễn bằng phương trình bậc 2. Kết quả thiết kế với ma trận kế hoạch thực nghiệm trực giao bậc hai theo Box-Behnken [5,6] được trình bày ở bảng 3. Bảng 3. Ma trận kế hoạch thực nghiệm trực giao bậc hai theo Box-Behnken TN X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 Y1 Y2 TN X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 Y1 Y2 1 0 0 0 -1 -1 -1 0 0,9990 56,3 32 1 1 0 1 0 0 0 1,8435 39,4 2 0 0 0 1 -1 -1 0 0,9548 57,4 33 0 0 -1 -1 0 0 -1 1,0562 52,6 3 0 0 0 -1 1 -1 0 1,0035 55,2 34 0 0 1 -1 0 0 -1 1,0237 54,3 4 0 0 0 1 1 -1 0 0,9788 56,9 35 0 0 -1 1 0 0 -1 1,0397 53,5 5 0 0 0 -1 -1 1 0 1,0960 51,6 36 0 0 1 1 0 0 -1 1,0037 55,8 6 0 0 0 1 -1 1 0 1,0598 52,7 37 0 0 -1 -1 0 0 1 1,0710 51,3 7 0 0 0 -1 1 1 0 1,1003 51,3 38 0 0 1 -1 0 0 1 1,0398 53,9 8 0 0 0 1 1 1 0 1,0695 52,1 39 0 0 -1 1 0 0 1 1,0485 53,1 9 -1 0 0 0 0 -1 -1 0,6195 72,6 40 0 0 1 1 0 0 1 1,0123 55,2 10 1 0 0 0 0 -1 -1 1,2732 50,2 41 -1 0 -1 0 -1 0 0 0,6708 70,5 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 11 -1 0 0 0 0 1 -1 0,7062 68,2 42 1 0 -1 0 -1 0 0 1,3035 48,3 12 1 0 0 0 0 1 -1 1,3543 45,3 43 -1 0 1 0 -1 0 0 0,6378 71,5 13 -1 0 0 0 0 -1 1 0,6373 70,7 44 1 0 1 0 -1 0 0 1,2948 48,7 14 1 0 0 0 0 -1 1 1,2732 49,6 45 -1 0 -1 0 1 0 0 0,6970 68,7 15 -1 0 0 0 0 1 1 0,7160 67,5 46 1 0 -1 0 1 0 0 1,3277 46,5 16 1 0 0 0 0 1 1 1,3655 44,7 47 -1 0 1 0 1 0 0 0,6798 69.6 17 0 -1 0 0 -1 0 -1 0,6620 64,3 48 1 0 1 0 1 0 0 1,3368 46,8 18 0 1 0 0 -1 0 -1 1,3225 47,8 49 0 -1 -1 0 0 -1 0 0,6793 64,9 19 0 -1 0 0 1 0 -1 0,6828 62,3 50 0 1 -1 0 0 -1 0 1,3292 48,3 20 0 1 0 0 1 0 -1 1,3560 45,4 51 0 -1 1 0 0 -1 0 0,6438 65,7 21 0 -1 0 0 -1 0 1 0,6725 63,8 52 0 1 1 0 0 -1 0 1,3060 49,2 22 0 1 0 0 -1 0 1 1,3325 47,2 53 0 -1 -1 0 0 1 0 0,7243 61,6 23 0 -1 0 0 1 0 1 0,7027 61,9 54 0 1 -1 0 0 1 0 1,3640 44,7 24 0 1 0 0 1 0 1 1,3730 45,1 55 0 -1 1 0 0 1 0 0,7145 62,2 25 -1 -1 0 -1 0 0 0 0,4607 82,6 56 0 1 1 0 0 1 0 1,3527 45,4 26 1 -1 0 -1 0 0 0 0,9640 52,5 57 0 0 0 0 0 0 0 1,0358 53,2 27 -1 1 0 -1 0 0 0 0,9213 58,3 58 0 0 0 0 0 0 0 1,0587 54,3 28 1 1 0 -1 0 0 0 1,8760 37,2 59 0 0 0 0 0 0 0 1,0127 52,7 29 -1 -1 0 1 0 0 0 0,4293 84,3 60 0 0 0 0 0 0 0 1,0232 51,7 30 1 -1 0 1 0 0 0 0,9432 54,6 61 0 0 0 0 0 0 0 1,0545 52,3 31 -1 1 0 1 0 0 0 0,8987 59,6 62 0 0 0 0 0 0 0 1,0688 51,7 3.3. Đánh giá theo mục tiêu đến chi phí năng lượng riêng Mô hình đánh giá chi phí năng lượng riêng được biểu diễn theo phương trình tổng quát (1) và quá trình tính toán trên ma trận Box – Behnken đã xác định được phương trình hồi quy: 1 1 2 3 4 5 6 7 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 3 3 5 4 3 3 3 4 7 2 3 2 4 2 5 3 1,04 ,011 0,014 0,013 ,039 6,029.10 0, 6,32 0,34 0,33 5.10 8,75.10 2,5.10 1,025.10 2,025.10 1,135.10 ,625.10 0 0 1 ,875.10 4,275 1 3 2 .1 Y X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X                            3 4 3 32 6 2 7 3 4 3 5 3 6 3 7 4 5 4 6 4 7 5 6 2 2 2 5 7 3 4 3 4 3 3 3 2 4 6 7 1 3 4 0 4,25.10 ,063.10 4,2.10 ,7.10 ,375.10 ,113.10 ,375.10 1,688.10 1,812.10 ,05.10 ,75.10 1 4 1 0,021 3,611.10 3 0,013 2 2 ,3 0 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X                           24 2 2 2 5 6 7 021 0,015 0,015 0,014 X X X X   Bên cạnh phương trình hồi quy còn xây dựng được các đồ thị biểu thị mối tương quan giữa các yếu tố. Trên Hình 4 biểu diễn mối quan hệ của các yếu tố công nghệ và kết cấu ảnh hưởng tới hàm mục tiêu là chi phí năng lượng riêng. Trên đồ thị có thể thấy các yếu tố công nghệ như nhiệt độ sấy và vận tốc cung cấp tác nhân sấy ảnh hưởng rất lớn tới chi phí năng lượng riêng. Nhiệt độ và vận tốc tác nhân sấy càng cao tiêu hao chi phi năng lượng riêng càng lớn, đặc biệt khi cả nhiệt độ vận tốc tác nhân sây lớn thì chi phí năng lượng riêng tăng rất nhanh. Đối với ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu thì góc đỉnh kênh, bề rộng kênh, khoảng cách đỉnh kênh là có ảnh hưởng tới chi phí năng lượng riêng nhưng không nhiều. Còn chiều cao kênh, và bước hàng kênh có ảnh hưởng rất lớn tới chi phí năng lượng riêng. Chiều cao kênh thấp chi phí năng lượng riêng thấp, chiều cao càng cao chi phí năng lương riêng càng lớn, còn bước hàng kênh càng lớn thì chi phí năng lượng riêng càng nhỏ mà bước hàng kênh càng nhỏ thì chi phí năng lượng riêng càng lớn. HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình 4. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới chi phí năng lượng riêng 3.4. Đánh giá theo mục tiêu đến thời gian sấy Mô hình đánh giá thời gian sấy được biểu diễn theo phương trình tổng quát (1) và quá trình tính toán trên ma trận Box - Behnken đã xác định được phương trình hồi quy: 2 2 2 2 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2 2 2 2 4 5 6 7 1 2 1 3 1 4 1 6 1 7 2 3 2 4 2 5 2 6 52,65 11,68 8,88 0,6 0,73 0,76 2,07 0,35 4,8 1,07 0,7 0,038 0,68 0,83 0,32 2,31 0,15 0,16 0,28 0,18 0,025 0,038 0,075 0,075 0, Y X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X                          3 4 3 5 3 6 3 7 4 5 4 6 4 7 5 6 5 7 6 7 013 0,025 0,05 0,088 0,038 0,11 0,088 0,088 0,05 0,15 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X          Bên cạnh phương trình hồi quy còn xây dựng được các đồ thị thể hiện mối tương quan giữa các thông số. Hình 5 biểu diễn mối quan hệ của các yếu tố công nghệ và kết cấu ảnh hưởng hàm mục tiêu là thời gian sấy. Trên đồ thị có thể thấy các yếu tố công nghệ như nhiệt độ sấy và vận tốc tác nhân sấy ảnh hưởng rất lớn tới thời gian sấy. Nhiệt độ và vận tốc tác nhân sấy càng cao thời gian sấy càng nhỏ, khi cả nhiệt độ và vận tốc tác nhân sây lớn thì thời gian sấy sẽ giảm rất nhanh. HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình 5. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới thời gian sấy Đối với ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu trong khoảng biến thiên ta xét thì khoảng cách đỉnh kênh là có ảnh hưởng tới thời gian sấy là ít nhất, sau đó tới góc đỉnh kênh có ảnh hưởng nhưng không nhiều. Còn chiều cao kênh, bước hàng kênh và bề rộng kênh có ảnh hưởng rất lớn tới thời gian sấy. Chiều cao kênh thấp thời gian sấy dài, chiều cao càng cao thời gian sấy càng giảm, bước hàng kênh càng lớn thì thời gian sấy càng dài mà bước hàng kênh nhỏ thì thời gian sấy gắn hơn, còn bề rộng kênh lớn thì thời gian sấy giảm xuống bề rộng kênh nhỏ thời gian sấy sẽ tăng lên. Bài toán quy hoạch thực nghiệm tối ưu được giải bằng phần mềm Design Expert® 7.0 [5], xác định được 10 phương án tối ưu của các thông số công nghệ và kết cấu (Bảng 4). Bảng 4. Kết quả kiểm tra mô hình của thuật toán tối ưu TT Góc α (độ) BR kênh B (mm) KC đinh kênh L (mm) Chiều cao kênh h Bước hàng kênh H (mm) Vận tốc TNS v (m/s) Nhiệt độ TNS T (0C) CP năng lượng riêng q (kWh/kgH2O) Thời gian sấy t (giờ) Hàm mong đợi 1 53,39 173,27 327,18 250 463,46 1,61 96,03 1,207705 46,528 0,699 2 55,26 170,63 324,03 250 462,14 1,61 96 1,20458 46,631 0,698 3 50,24 169,91 353,93 250 491,04 1,83 91,06 1,25281 45,968 0,694 4 56 166,78 309,19 246,1 450,9 1,78 92,04 1,264811 45,732 0,694 5 50 172,38 370,73 250 474,58 1,79 93,04 1,260975 45,899 0,693 6 51,64 175 328,37 250 528,51 1,6 97,51 1,193847 47,501 0,689 7 50 161,57 362,75 250 473,86 1,67 96,22 1,226734 46,892 0,689 8 56 166,36 300 214,84 529,51 2,4 79,57 1,340352 46,335 0,664 9 52,08 171,74 300 202,81 450 2,05 83,96 1,239545 48,993 0,656 10 52,1 175 400 217,87 450,09 2,4 72,96 1,211784 50,036 0,648 Trên bảng 4 là các phương án tối ưu trong đó có những điểm không phán ánh đúng giá trị thực của hàm mục tiêu là do phương pháp thiết lập dựa trên số lượng hữu hạn các điểm thực nghiệm chính vì vậy nhóm tác giả đã tiến hành kiểm chứng bằng thực nghiệm với một số phương án tối ưu trên. Kết quả kiểm tra cho thấy, sự sai khác/chênh lệch giữa mô hình và thực nghiệm tương đối nhỏ. Điều này chứng tỏ sự tính toán của mô hình tương đối thống nhất. Giải bài toán tối ưu cho các thông số kết cấu ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm sau khi sấy các thông số tối ưu tìm được của máy sấy tháp có giá trị như sau: Khoảng cách đỉnh kênh L = 327,18 mm; góc đỉnh kênh α = 53,390; Chiều cao kênh h = 250 mm; Bước của hàng kênh H = 463,46 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 mm; Bề rông kênh B = 173,27 mm; nhiệt độ sấy T = 96,03 0C và vận tốc tác nhân sấy v = 1,61 m/s cho thời gian sấy t = 46,528 giờ và chi phí năng lượng riêng q = 1,207705 kWh/kgH2O. Các thông số tối ưu tìm được trên đây là cơ sở để thiết kế và thiết lập chế độ vận hành đối với máy sấy tháp có khả năng tốt nhất để sấy sắn cục. 4. KẾT LUẬN Sấy tháp là công nghệ sấy phù hợp cho sấy sắn cục, tuy nhiên dựa vào đặc điểm của sắn cục tháp sấy phải có kết cấu phù hợp. Bởi các thông số kết cấu ảnh hưởng rất lớn tới chi phí năng lượng riêng và thời gian sấy. Để tìm được các giá trị kết cấu tối ưu nhằm giảm thiểu thời gian thực nghiệm phải tiên hành quy hoạch hóa thực nghiệm tối ưu, nhờ đó đã tìm được các cặp thông số kết cấu tối ưu cho trường hợp sấy sắn cục như khoảng cách đỉnh kênh 327,18 mm; bước của hàng kênh 463,46 mm; chiều cao của kênh 250 mm; góc đỉnh kênh 53,390; bề rộng kênh 173,27 mm, thời gian sấy 46,528 giờ, chi phí năng lượng riêng 1,207705 kWh/kg hơi H2O, qua đó cho thấy sự sai khác giữa kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán là không nhiều. Dựa vào các cặp thông số kết cấu tối ưu này là cơ sở vững chắc cho việc chế tạo thiết bị theo quy mô công nghiệp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tổng cục Thống kê, 2016. Niên gián thống kê, NXB Thống kê, Hà Nội. [2]. Tổng cục Thống kê, 2017. Niên gián thống kê, NXB Thống kê, Hà Nội. [3]. Nguyễn Tuấn Anh, Lê Minh Lư, Nguyễn Đình Tùng, 2017. Nghiên cứu xác định các thông số cơ bản ảnh hưởng tới quá trình tụt liệu/tháo liệu đối với vật liệu sắn cục trong hệ thống sấy tháp dạng kênh, Tạp chí KHCN Xây Dựng, (4): 172-177. [4]. Nguyễn Đình Tùng, 2015. Nghiên cứu sấy lạc trong máy sấy dòng cắt nhau, Tạp chí Công nghiệp Nông thôn, (20): 8-12. [5]. Design - Expert version 7.1, 2007. Software for design of experiments, Stat - Ease, Inc, Minneapolis, USA. [6]. Phạm Văn Lang, Bạch Quốc Khang, 1998. Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm và ứng dụng trong kỹ thuật nông nghiệp. NXB Nông nghiệp, Hà Nội.