Nghiên cứu phương pháp lựa chọn rượu mùi dùng pha chế coctail nền rượu tequila 2

MẪU 14KHCN 35 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH THỜI GIAN CẤP ĐÔNG THỰC PHẨM 2 1 Tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm Tính chất nhiệt vật lí của thực phẩm là những thông số quan trọng đối với kỹ thuật bảo quản lạnh đông, yếu tố này có mặt trong quá trình biến đổi trạng thái thông qua những quan hệ về trao đổi nhiệt và ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt trong khi cấp đông Các thông số chính của quá trình cấp đông bao gồm khối lượng riêng ρ(kgm3), nhiệt dung riêng C(kJkg K), hệ số dẫn nhiệt λ(W.

Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH THỜI GIAN CẤP ĐƠNG THỰC PHẨM 2.1 Tính chất nhiệt vật lý thực phẩm Tính chất nhiệt vật lí thực phẩm thông số quan trọng kỹ thuật bảo quản lạnh đơng, yếu tố có mặt q trình biến đổi trạng thái thơng qua quan hệ trao đổi nhiệt ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt cấp đông Các thông số q trình cấp đơng bao gồm: khối lượng riêng ρ(kg/m3), nhiệt dung riêng C(kJ/kg.K), hệ số dẫn nhiệt λ(W/m.K), hệ số khuếch tán a=λ/C.ρ (m2/s), enthalpy H(kJ/kg) Việc tìm hiểu xây dựng mơ hình xác định tính chất nhiệt vật lý khơng ngồi mục đích đưa quy trình cơng nghệ chế biến bảo quản đơng lạnh hợp lí, hiệu nhằm nâng cao chất lượng, giá trị dinh dưỡng thực phẩm[4] Nhiều nhà nghiên cứu vấn đề thiết lập mơ hình tốn dựa vào khối lượng thơng số nhiệt vật lý khác có thực phẩm thành phần hóa học, khối lượng riêng nhiệt độ Kết cho thấy hệ số dẫn nhiệt chịu ảnh hưởng thành phần hóa học, khối lượng riêng nhiệt độ nhiệt dung riêng bị chi phối thành phần hóa học nhiệt độ Một vài mơ hình xây dựng hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng thành phần hàm tuyến tính theo nhiệt độ từ -400C÷1500C Tuy nhiên thực chất mối quan hệ hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng với nhiệt độ không tuyến tính Do việc xác định yếu tố cách xác tương đối phức tạp chưa đáp ứng yêu cầu Chỉ có xác định thành phần khối lượng riêng thực phẩm có nhiều nghiên cứu nên cơng thức xác định có tính xác cao[15] Một vấn đề đặt thơng thường tính chất nhiệt vật lý thực phẩm tính tốn dễ dàng nhiệt độ chúng điểm kết tinh Tại điểm kết tinh nước bắt đầu đóng băng, q trình biến đổi trạng thái nước diễn ra, nhiệt độ xuống thấp lượng tinh thể đá tạo thành nhiều Tính chất tinh thể đá nước khác mà tính chất nhiệt vật lý thực phẩm lại thay đổi lớn, thông số nhiệt vật lý nhiệt dung riêng hệ số dẫn nhiệt lại dao động nhiều xung quanh điểm kết tinh xem xét trình biến đổi xác định giá trị thông số nhiệt vật lý điểm kết tinh thật không dễ dàng Trong công nghệ cấp đông, thông số quan trọng cần xác định để thiết kế trình thiết bị làm lạnh cấp đông thời gian phụ tải nhiệt Việc xác định kích thước thiết bị làm lạnh, cấp đơng xác ta biết suất thời gian ổn định sản phẩm Cho nên việc xác định xác thơng số nhiệt vật lý sản phẩm trình thật cần thiết 2.2 Mơ hình xác định tính chất nhiệt vật lý sử dụng mơ q trình cấp đơng thực phẩm 2.2.1 Cơ sở lý thuyết ❖ Thành phần băng, nước kết đông nước không kết đông 35 Sự thay đổi pha nước, nước băng thực phẩm ảnh hưởng đến thay đổi tính chất số loại thực phẩm q trình kết đơng rã đơng Tổng thành phần nước thực phẩm đông lạnh gồm có ba phần: Nước kết đơng, nước kết đông nước kết đông thể sau: xw = x fw + xuw + xi (2.1) Trong : xw0 : Thành phần nước điểm đóng băng thực phẩm x fw : Thành phần nước kết đơng xuw : Thành phần nước kết đông xi :Thành phần băng Mặc khác tổng lượng nước nguyên liệu thực phẩm tổng hai thành phần nước kết đơng nước khơng thể kết đơng: xw = x fw + xuw (2.2) Phương pháp xác định thành phần khác nước thực phẩm điều kiện cần thiết để ước tính tính chất nhiệt thực phẩm Nước khơng kết đơng thành phần khơng kết đơng có nguyên liệu thực phẩm cấp đông thực phẩm mơi trường -400C Kí hiệu thành phần nước không kết đông xuw thường đo biểu dạng tỷ lệ kg nước không kết đông tổng kg chất rắn khô, B[15]: (2.3) xuw = B.xs = B(1 − xw0 ) Giá trị B cho loại thực phẩm khác cho bảng 2.1 Bảng 2.1 Phạm vi giá trị B để tính tốn thành phần nước khơng kết đơng [15] Nguyên liệu thực phẩm B Thịt, cá 0,14 – 0,32 Sucrose 0,30 Glocose Trứng Bánh mỳ Rau 0,15 – 0,20 0,11 0,11 – 0,14 0,18 – 0,25 Riedel cung cấp sở liệu cho thấy biến đổi nhanh chóng thành phần nước khơng kết đơng q trình cấp đơng thực phẩm phạm vi rộng Biểu đồ cho thấy thay đổi thành phần băng ứng với nhiệt độ loại thực phẩm trình kết đơng[4] 36 Hình 2.1 Thành phần băng (xi) ứng với nhiệt độ q trình kết đơng ❖ Điểm kết đông Điểm kết đông ban đầu điểm trạng thái quan trọng khơng cho việc tính tốn tính chất nhiệt vật lý mà cịn cho việc xác định điều kiện bảo quản thích hợp thực phẩm đơng lạnh Trong mơi trường nước thường ln ln có phân tử chất rắn với kích thước nhỏ, nhiệt độ gần 0C phân tử chất rắn ngừng chuyển động, lực kết hợp chúng với phân tử nước xung quanh lớn lực kết hợp phân tử nước với Vì vậy, phân tử nước liên kết với phân tử chất rắn 0C để tạo thành mầm tinh thể Trong cấu trúc thực phẩm, nước chịu nhiều tác động chất tan, chất không tan, vị trí khác trạng thái chúng khác nhau, nhiệt độ điểm kết tinh nước thực phẩm khác khác Hình 2.2 Quá trình hình thành điểm kết đơng Trong làm lạnh đơng có tượng q lạnh, tức hạ nhiệt độ đến 0C mà chưa có tượng đóng băng Các tinh thể đá xuất điểm lạnh, tỏa ẩn nhiệt đóng băng làm tăng nhiệt độ thực phẩm Bởi vì, tốc độ thải nhiệt không kịp với tốc độ sinh nhiệt tạo mầm tinh thể đá Ở điểm này, chủ yếu nước tự cấu trúc bị tách kết tinh Nhiệt độ thực phẩm tăng lên đến mức cao dừng lúc để hồn thành q trình đóng băng nước (nước tự – cấu trúc) điểm kết đơng, sau tiếp tục giảm nhiệt độ Q trình mơ tả hình 2.2, loại thực 37 phẩm khác có điểm q lạnh điểm kết đơng khác Những giá trị tiêu biểu nhiệt độ kết đông ban đầu cho cá, thịt, trái rau vùng từ -2,0 đến -0,5C Với thực phẩm có độ ẩm cao ( >55% nước, chất ẩm) -1,0C [4] Sự chậm đóng băng chậm tạo thành tâm kết đông, mà chậm tạo thành tâm kết đông lại phụ thuộc vào nồng độ phân tử dịch bào Một số nhà nghiên cứu Anh công bố thêm vào năm 1961 nguyên nhân khác có ảnh hưởng đến đóng băng tinh thể nhiệt độ môi trường làm lạnh đông hệ thống ống mao dẫn sản phẩm Mỗi phân tử gam liên kết với lượng nước định Muốn tách lượng nước cần giảm nhiệt độ lượng t = 1,840 C Đó độ hạ băng điểm t định luật Raoult: t = 1,84n (2.4) Trong đó: n - Nồng độ phân tử gam, n = m/M m - Khối lượng chất hòa tan, g M - Phân tử lượng chất hòa tan Như vậy, độ hạ băng điểm cho nước kết tinh phụ thuộc vào nồng độ phân tử chất tan dịch bào, mối tương quan nhiệt độ điểm kết đông nồng độ chất tan thực phẩm thể qua hình 2.3 [16] Hình 2.3 Quan hệ nhiệt độ điểm kết đông thực phẩm với nồng độ chất tan ❖ Mối quan hệ hàm lượng nước điểm kết đông thực phẩm Sự chuyển pha nước – nước đá làm lạnh đơng thực phẩm có ảnh hưởng đến giá trị tính chất nhiệt vật lý thực phẩm, điều đặt cần phải xác định hàm lượng đá xác Ở điểm đông ban đầu thành phần khối lượng nước mà kết tinh lại hàm nhiệt độ Thơng thường thực phẩm chứa đựng nước, chất rắn hồ tan khơng hịa tan Trong q trình đông lạnh phần nước kết tinh, nồng độ chất 38 rắn khơng hịa tan dung dịch cịn lại trở nên đậm đặc làm chậm hạ nhiệt độ kết đông Dựa định luật Raoult, Chen (1985) đưa biểu thức để xác định thành phần khối lượng băng thực phẩm[15]: xi = xs Rto2 ( t f − t ) M s Lvt f t (2.5) Trong đó: xs - Thành phần khối lượng chất rắn khối thực phẩm Ms - Khối lượng phân tử chất rắn hịa tan hịa tan khối thực phẩm R - Hằng số khí lý tưởng, 8,314 [kJ/kmol K] t0 - Điểm đông ban đầu nước, t0 = 0C Lv - Nhiệt ẩn đông đặc nước 0C, 333,6 [kJ/kg] tf - Điểm kết đông ban đầu thực phẩm [0C] t - Nhiệt độ thực phẩm [0C] - Mối liên hệ khối lượng phân tử chất rắn hòa tan thực phẩm xác định sau[15]: Ms = xs Rto2 − ( xwo − xb ) lot f (2.6) Trong đó: xwo - Thành phần khối lượng nước nguyên thủy có khối thực phẩm xb - Thành phần khối lượng giới hạn nước khối thực phẩm: xb = 0, 4.x p xp - Thành phần khối lượng protein có khối thực phẩm Thay cơng thức (2.6) vào công thức (2.5) ta công thức xác định thành phần khối lượng nước đá khối thực phẩm (Miles 1974):  t  xi = ( xwo − xb ) 1 − f  t   (2.7) 2.2.2 Lý thuyết xác định thông số nhiệt vật lý q trình cấp đơng a Nhiệt dung riêng ❖ Nhiệt dung riêng phương pháp đo Nhiệt dung riêng thực phẩm định nghĩa lượng nhiệt cần thiết kg thực phẩm trao đổi với mơi trường xung quanh để nhiệt độ biến đổi độ Đơn vị nhiệt dung riêng (kJ/kg.K) Việc xác định nhiệt dung riêng thành phần hỗn hợp điều kiện đủ để ước tính nhiệt dung riêng hỗn hợp Nhiệt dung riêng thường đo phương pháp đo nhiệt lượng Tuy nhiên phương pháp ứng dụng tốt việc xác định nhiệt dung riêng thực phẩm có chuyển đổi pha xảy nhiệt độ định thay đổi pha 39 q trình kết đơng thực phẩm xảy khơng vượt phạm vi nhiệt độ cho phép Kết phương pháp đo nhiệt lượng ứng dụng giới hạn việc xác định nhiệt dung riêng thực phẩm đơng lạnh Vì phải có phương pháp khác để xác định giá trị thực nghiệm enthalpy thực phẩm đông lạnh phạm vi nhiệt độ cho phép Phương pháp phân tích nhiệt vi sai enthalpy sử dụng để tính tốn nhiệt dung riêng hiệu dụng thực phẩm dựa sở thực nghiệm enthalpy nhiệt độ Bảng 2.2 Các phương trình dự đốn nhiệt dung riêng thành phần thực phẩm theo nhiệt độ[15] Thành phần Cacbonhydrat Cơng thức C = 1,5488 + 1,9625 x 10-3t – 5,9399 x10-6t2 a Chất xơa C = 1,8459 + 1,8306 x 10-3t – 4,6509 x10-6t2 Proteina C = 2,0082 + 1,2089 x 10-3t – 1,2139 x10-6t2 Chất béoa C = 1,9842 + 1,4733 x 10-3t – 4,8008 x10-6t2 Troa C = 1,0926 + 1,8896 x 10-3t – 3,6817 x10-6t2 Nướcb C = 4,0817 – 5,3062 x 10-3t + 9,9516 x10-6t2 Nướcc C = 4,0817 – 5,3062 x 10-3t + 9,9516 x10-6t2 Băng C = 2,0623 + 6,0769 x 10-3t a t : -40 đến – 150C b c t : -40 đến 0C t : đến 150C ❖ Biến thiên nhiệt dung riêng Các thành phần thực phẩm nước, protein, mỡ, hyđrocacbon, chất xơ,… thay đổi khác loại thực phẩm thay đổi loại thực phẩm nhiệt độ thay đổi Cơng thức chung để tính nhiệt dung riêng thực phẩm theo nhiệt dung riêng thành phần C =  (C j x j ) n (2.8) j =1 Cj –Nhiệt dung riêng thành phần thực phẩm, kJ/kgK xj – Thành phần khối lượng thành phần thực phẩm, % Đối với thực phẩm chưa kết đông, chưa biết xác thành phần cấu tạo thực phẩm theo Chen (1985)[15] tính theo cơng thức sau: C pu = 4,19 − 2,30.xs − 0,628.xs3 (2.9) Trong đó: xs – Thành phần khối lượng thể rắn khối thực phẩm: xs =1- xwo xwo – Thành phần khối lượng nước nguyên thủy có thực phẩm 40 Đối với thực phẩm kết đông có chuyển pha nên tính tốn nhiệt dung riêng khó khăn phức tạp Nhiệt dung riêng phải kể đến gồm nhiệt nhiệt ẩn Có nhiều cơng thức nhiều tác giả đưa để tính nhiệt dung riêng sản phẩm kết đông Theo Schwartzberg (1976)[17] công thức chung để dự đoán nhiệt dung riêng thực phẩm là:  R.t02  C = C pu + ( xb − xwo ) C + Exs  − 0,8C   M wt  (2.10) Trong đó: ΔC - Hiệu nhiệt dung riêng nước nước đá ΔC = Cw - Ci E - Tỷ số khối lượng phân tử nước Mw thành phần thể rắn Ms, E = Mw/Ms Schwartzberg [18] phát triển mở rộng cơng thức tính nhiệt dung riêng xuống điểm kết đông sau:  Lv ( t0 − t f )  C pi = C f + ( xw0 − xb )    t0 − t  (2.11) Với: Cf - Nhiệt dung riêng thực phẩm kết đơng hồn tồn Chen (1985) đưa phương trình phát triển từ phương trình Siebel (1892) tính nhiệt dung riêng sau[15]: C pi = 1,55 + 1,26.xs + xs Rt02 M st (2.12) Thay (2.5) vào phương trình (2.12) ta C pi = 1,55 + 1,26.xs + ( xw0 − xb ).Lv t f t2 (2.13) Quan sát biểu đồ để thấy thay đổi nhiệt dung riêng ứng với nhiệt độ cho loại thực phẩm q trình cấp đơng Hình 2.4 Biểu đồ nhiệt dung riêng theo nhiệt độ suốt trình cấp đông b Enthalpy ❖ Enthalpy phương pháp đo 41 Enthalpy định nghĩa hàm lượng nhiệt đơn vị khối lượng nguyên liêu thực phẩm Đơn vị enthalpy (kJ/kg) Phương pháp đo phổ biến để xác định enthalpy thực phẩm đông lạnh phương pháp đo nhiệt lượng Tuy nhiên việc xác định enthalpy dựa vào tỷ lệ kết đông cho vài loại thực phẩm khác Enthalpy thực phẩm đơng lạnh thay đổi thời gian bảo quản nhiệt độ không đổi có thay đổi tỷ lệ phần trăm nước khơng kết đơng thực phẩm Vì Riedel xây dựng sở liệu enthalpy cho số loại thực phẩm đông lạnh phạm vi rộng phần sở liệu cho trong Bảng 2.3 Trong Bảng 2.3 enthalpy giả định không -400C, biểu cho thay đổi enthalpy theo nhiệt độ thực phẩm thể Hình 2.3 ❖ Biến thiên enthalpy thực phẩm Sự biến thiên enthalpy loại thực phẩm dùng để đánh giá lượng phải thêm vào hay lấy tương ứng với thay đổi nhiệt độ Ở điểm kết đông enthalpy chứa đựng nhiệt hiện, điểm kết đông enthalpy chứa đựng nhiệt ẩn Enthalpy xác định dựa vào định nghĩa nhiệt dung riêng đẳng áp [4]  H  C =   t  p (2.14) Đối với thực phẩm chưa kết đơng: Vì loại thành phần thực phẩm nhiệt độ điểm kết đơng ban đầu chúng có enthalpy ứng với nhiệt dung riêng điểm kết đông Nên enthalpy thực phẩm chưa kết đông xác định dựa vào nhiệt dung riêng cách lấy tích phân phương trình (2.14) ( H =  ( H j x j ) =   C j x j dt n n j =1 j =1 ) (2.15) Trong đó: Hj - Enthalpy thành phần thực phẩm Theo phương pháp tính Chen (1985), liệu thành phần khơng đầy đủ enthalpy thực phẩm chưa kết đơng tính dựa vào cơng thức [13]: H = H f + (t − t f )(4,19 + 2,30 xs − 0,628 xs3 ) (2.16) Đối với thực phẩm kết đông: Theo Schwartzberg (1976)[17] enthalpy thực phẩm tính cách lấy tích phương trình (2.15) từ nhiệt độ tr đến nhiệt độ t     Rt02 H = ( t − tr )  Cu + ( xb − xwo )  C + Exs    18 ( t0 − tr )( t0 − t )   (2.17) Thường nhiệt độ tham chiếu tr lấy -400C (233,2 K) điểm mà enthalpy có giá trị Enthalpy điểm kết đơng cịn xác định theo công thức Chen (1985)[15]  x Rt  H = ( t − t f ) 1,55 + 1, 26 xs + s o  M s ttr   (2.18) 42 Hình 2.5 Biểu đồ enthalpy theo nhiệt độ suốt trình cấp đông Qua thực nghiệm Chao Tao (1981)[4] xây dựng mối quan hệ tính enthalpy số loại thực phẩm Mối quan hệ đặc trưng bởi: hàm lượng nước, nhiệt độ ban đầu, nhiệt độ cuối, thành phần thực phẩm (thịt, cá, hoa quả, …) z H = H f  yt + (1 − y )t    (2.19) Trong đó: t - Độ giảm nhiệt độ t = t − tr t f − tr tr - Nhiệt độ tham chiếu y, z - Các tham số liên hệ Phân tích số liệu tài liệu Chao Tao xây dựng quan hệ xác định y z để sử dụng cơng thức (2.19) • Đối với thịt: y = 0,316 − 0, 247 ( xwo − 0, 73) − 0, 688 ( xwo − 0, 73) z = 22,95 − 54, 68 ( y − 0, 28 ) − 5589, 03 ( y − 0, 28 ) (2.20) • Đối với trái cây, rau nước trái cây: y = 0,362 − 0, 0498 ( xwo − 0, 73) − 0, 688 ( xwo − 0, 73) z = 2, 72 − 129, 04 ( y − 0, 23) − 481, 46 ( y − 0, 23) 2 (2.21) c Hệ số khuếch tán nhiệt ❖ Biến thiên hệ số khuếch tán nhiệt trình cấp đơng Tính chất vật lý quan trọng trình truyền nhiệt hệ số khuếch tán nhiệt, xuất phương trình Fourier: 43   t  2t  2t  t = a + +   y z   x (2.22) Bảng 2.3 Các phương trình dự đốn hệ số khuếch tán nhiệt thành phần [15] Thành phần Carbohydrate Cơng thức tính* a = 8, 0842  10−2 + 5, 3052  10−4 t − 2, 3218  10−6 t Xơ a = 7,3979 10−2 + 5,1902 10−4 t − 2,2202 10−6 t Protein a = 6,8714 10−2 + 4,7578 10−4 t − 1,4646 10−6 t Mỡ a = 9,8777 10−2 − 1,2569 10−4 t − 3,8286 10−8 t Tro Nước a = 1,246110−2 + 3,7312 10−4 t − 1,2244 10−6 t Băng a = 1,1756 − 6,0833 10−3 t + 9,5037 10−5 t a = 1,3168 10−1 + 6,2477 10−4 t − 2,4022 10−6 t * nhiệt độ từ -40C đến 150C Hệ số khuếch tán nhiệt a [m2/s] tính sau: a=  C (2.23) λ - Hệ số dẫn nhiệt [W/m.K] C - Nhiệt dung riêng [kJ/kg.K]  - Khối lượng riêng [kg/m3] Mà , C,  hàm số biến thiên theo nhiệt độ Như vậy, ứng với khoảng nhiệt độ khác hệ số khuếch tán nhiệt khác nghĩa a hàm số biến thiên theo nhiệt độ a(t) Hình 2.6 Quan hệ hệ số khuếch tán nhiệt nhiệt độ 44 c Phương pháp Levy Dạng phương trình tương tự Nagaoka khác cơng thức tính H’ [4]: F = H '   P R  +  t F − t   i  (2.43) H ' = [(1 + 0,008(ti − t f ) )][C pu (ti − t f ) + C pi (t f − t )] (2.44) d Phương pháp Cleland Earle Phương trình hiệu chỉnh theo tiêu chuẩn Stefan Plank [4]:  P R   1,65.Ste t − t  + 1− ln   E (t f − t )   i   i t r − t  H r F = (2.45) Trong đó: Tiêu chuẩn Stefan: Ste = Tiêu chuẩn Plank: Pk = C pi (t f − t ) (2.46) H r C pu (ti − t f ) (2.47) H r P = 0,5 1,026 + 0,5808.Pk + Ste ( 0, 2296.Pk + 0,105 )  (2.48) R = 0,125 1, 202 + Ste ( 3, 410.Pk + 0,7336 )  (2.49) tr – Nhiệt độ tham chiếu (lấy –100C), E =1, 2, cho thực phẩm dạng phẳng rộng vơ hạn, dạng trụ hình cầu H r – Lượng thay đổi enthalpy từ tf đến tr 0,15  Ste  0,35; 0,2  Bi  20;  Pk  55 e Phương pháp Pham Đối với rộng vô hạn, thời gian cấp đông (τslab) tính cơng thức[4]:  slab =  2  H1 H   Bi  +   1 +  4  T1 T2   (2.50) 0,02 < Bi < 11 ; 0,11 < Ste < 0,36 0,03< Pk < 0,61 Trong đó: ∆H1 = Cpu (ti – t3); ∆H2 = ∆H + Cpi (t3 – t) t1 = Bi = (t1 − t2 ) − t  c  ; i Ste = ∆t2 = t3 – t∞, ∆t3 = 1,8 + 0,263t – 0,105t∞ C pi (ti − t f ) H r ; Pk = C pu (ti − t f ) H r Đối với thực phẩm có hình dạng khác sử dụng cơng thức hiệu chỉnh sau: 52  elip =  slab (2.51) E Trong đó: E =1+ 1 = + / Bi + / Bi +  + 21 / Bi  + 21 / Bi A V  =  R2 1 (4 / 3 R3 ) (2.52) (2.53) Bảng 2.7 Tổng hợp mơ hình tốn xác định thời gian cấp đơng Phương pháp Mơ hình tốn xác định thời gian cấp đông 1.Plank F = Lv   P R  +  t f − t   i  F = H '  P R  +   t f − t   i  2.Nagaoka Năm 1941 1956 H = (1 + 0,008ti ) C pu (ti − t f ) + C pi (t f − t )  ' F = 3.Levy H '  P R  +   t f − t   i  1958 Với: H ' = 1 + 0,008 ( ti − t f )  C pu ( ti − t f ) + LV + C pi ( t f − t )  4.Cleland Earle F =  P R   1,65.Ste t − t  + 1− ln   E (t f − t )   i   i t r − t   slab = Pham  elip = H r 1984   H1 H   Bi  +   1+  2  T1 T2   4  slab E ; E =1+ + / Bi + / Bi + 2 1 + 21 / Bi  + 21 / Bi 1986 2.3.2 Tốn tính thời gian cấp đông cá tra Các thành phần cá tra fillet tham khảo theo kết phân tích [20] cho mẫu cá tra fillet thành phố Hồ Chí Minh 53 Bảng 2.8 Thành phần cá tra fillet [20] Stt Chỉ tiêu Đơn vị Kết Phương pháp phân tích Chất béo g/100g 15,4 TCVN 3703:2009 Nước g/100g 67,3 ISO 1442–97 Protein ( Nx6.25) g/100g 16,3 GAFTA 130 4:0–03 Carbonhydrate g/100g Food and drug Adminstration Tro g/100g 1,02 FAO p228, 1986 Sugar g/100g TCVN 4594:1988 Bảng 2.9 Tóm tắt đại lượng thông số nhiệt vật lý trình cấp đơng Đại lượng Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Công thức Kết GD GD (2.39) 1030,6 1033, Cpu (kJ/kgK) (2.9) 3,749 3,749 Cpi (kJ/kgK) (2.1) Đơn vị  (kg/m ) i Hệ số dẫn (W/mK) nhiệt u (W/mK) Hệ số tỏa  nhiệt đối c (W/m K) lưu Điểm kết tf (C) đông Nhiệt độ sản phẩm ti (C) vào Nhiệt độ sản phẩm t (C) Nhiệt độ buồng cấp t (C) đông GD 992,16 3,452 0,451 (2.34) (2.34) 0,458 c = 12,5. 0,6 [16] 32,8 Bảng [21] -2,2C 1,3424 Lấy theo nhiệt độ cá trước đưa 12C vào cấp đông Lấy theo yêu cầu công nghệ -18C Lấy theo yêu cầu công nghệ -40C 54 Vận tốc bề mặt  (m/s) sản phẩm Chọn GD1: H = H12 Enthalpy H (kJ/kg) GD : H = H −2,2 GD3 : H = H −18 H r = H −10 Chiều dài c (mm) H12 = 314, 281 H −2,2 = 265,775 H −18 = 56,795 H −10 = 94,084 H r = 220,197 210 Chiều b (mm) rộng Chiều dày a (mm) 80 15 1 1 = b a 5,33 2 2 = c a 14 (2.46) Tiêu chuẩn Stefan Tiêu chuẩn Plank Tiêu chuẩn Biot Ste Pk Bi Tại -30C 0,44 Tại -35C 0,51 Tại -40C (2.47) 0,59 Tại -30C 0,89 Tại -35C 0,8 Tại -40C 0,72 Bi =  c i 0,37 (2.48) P Tại -30C 0,78 Tại -35C 0,82 Tại -40C 0,86 (2.49) R Thơng số E hình học Tại -30C 0,33 Tại -35C 0,37 Tại -40C 0,43 Chọn[4] 55 Nhiệt độ tham tr (C) chiếu Chọn[4] -10C Tính tốn thời gian cấp đông cho mẫu cá Tra fillet 250g với kích thước (0,21m x 0,08m x0,015m) theo mơ hình tốn nhà khoa học Tính tốn thời gian cấp đông lý thuyết -40C: a Phương pháp Plank  Lv  P R  F = +  t f − t   i  Thời gian cấp đơng giai đoạn 1: Vì thời gian cho giai đoạn giảm nhiệt độ phương pháp Plank’s nhỏ nên bỏ qua Thời gian cấp đơng giai đoạn 2: 332,3.0, 673.1033.103  0,86.0, 015 0, 43.0, 0152   F2 = +   = 1542,9 (s)  25 (phút) −2, − ( −40 ) 32,8 0, 4513   Thời gian cấp đông giai đoạn 3: 321, 4.0, 673.988, 4.103  0,86.0, 015 0, 43.0, 0152   F3 = +   = 1102, 2(s)  18, (phút) −2, − ( −40 ) 1,3424   32,8  Tổng thời gian cấp đông là:  =  F2 +  F3 = 25 + 18, = 43, (phút) b Phương pháp Nagaoka H '   P R  F = +  t F − t   i  H ' = (1 + 0,008ti )[C pu (ti − t f ) + C pi (t f − t )] Thời gian cấp đông giai đoạn 1: H1' = (1 + 0, 008ti ) C pu ( ti − t f ) + H12 − H −2,2  =115,5(kJ/ kg) 107, 01.1030.103.0, 673  0,86.0, 015 0, 43.0, 0152  +   = 495,8(s)  8, (phút) −2, − ( −40 ) 32,8 0, 458   Thời gian cấp đông giai đoạn 2: H 2' = (1 + 0, 008ti )  Lv + C pi + t f  F = = (1 + 0, 008.12 ) 332,3 + 94,127 ( −2, ) = 137, 24(kJ/ kg) 137, 24.1033.103.0, 673  0,86.0, 015 0, 43.0, 0152  +   = 637, (s)  10, (phút) −2, − ( −40 ) 0, 4513   32,8 Thời gian cấp đông giai đoạn 3: F = H 3' = (1 + 0, 008ti )  Lv + C pi + t f  = (1 + 0, 008.12 ) 321, + 3, 452 ( −2, − ( −18 ) )  = 412(kJ/ kg) 56 F = 408,8.988, 4.103.0, 673  0,86.0, 015 0, 43.0, 0152  +   = 1413,5(s)  23, (phút) −2, − ( −40 ) 32,8 1,3424    Tổng thời gian cấp đông là:  =  F1 +  F2 +  F3 = 8, + 10,6 + 23, = 42,6 (phút) c Phương pháp Levy Thời gian cấp đông giai đoạn 1: H1' = (1 + 0, 008(ti − t f ) C pu (ti − t f ) + H  = [1 + 0, 008.(12 − ( −2, 2)] 3, 749.(12 − ( −2, 2) + 48,506  = 113,3[kJ/kg] H '  P   F1 =  F = t f − t    113,3.1030.103.0, 673  0,86.0, 015    = 328,18 ( s ) = 5,5 ( phút ) −2, − (−40)  32,8  Thời gian cấp đông giai đoạn 2: H 2' = [1 + 0, 008.(ti − t f )]  Lv + C pi (t f )  = = [1 + 0, 008.(12 − (−2, 2))].[332,3 + 94,127.(−2, 2)] =137, 24  kJ/kg  tF H '  P R  =F = + t f − t   i  137, 24.1033.0, 673.103  0,86.0, 015 0, 43.0, 0152  +  32,8 −2, − (−40) 0, 4513   = 637,2 ( s ) = 10, ( phút ) Thời gian cấp đông giai đoạn 3: H 3' = [1 + 0, 008(ti − t f )]  Lv + C pi (t f − t )  = = [1 + 0, 008.(12 − (−2, 2))].[321, + 3, 452.(−2, − ( −18)] = 418,  kJ/kg  tF = H '  P R  + t f − t   i  415, 45.988, 4.0, 673.103  0,86.0, 015 0, 43.0, 0152  = +  32,8 −2, − (−40) 1,3424   = 1435,5 ( s ) = 23,9 ( phút )  Tổng thời gian cấp đông là:  tF = tF1 + tF + tF = 5,7 + 10,6 + 23,9 = 40, (phút) d Phương pháp Cleland Earle F =  P R   1,65.Ste t − t  + 1− ln   E (t f − t )   i   i t r − t  H r 57 P = 0,5 1,026 + 0,5808.Pk + Ste ( 0, 2296.Pk + 0,105)  = 0,86 R = 0,125 1, 202 + Ste ( 3, 410.Pk + 0,7336 )  = 0, 43  Tổng thời gian cấp đông là: 220,197.1032.103.0, 673  0,86.0, 015 0, 43.0, 0152  F = +   32,8 0, 458  ( −2, − ( −40 ) )   1, 65.0,56  −18 − (−40)   ln  1 −   = 4059,5(s)  67,5(phút) 0, 458  −10 − (−40)    e Phương pháp Pham t3 = 1,8 + 0, 263.ttb + 0,105.t = −5,06C H1 = C pu ( ti − t3 ) = 3, 749(12 − 5, 06) = 26, 018 kJ/ kg = 26018 J/ kg H = H + C pi ( t3 − t ) = ( H12 − H −18 ) + C pi ( t3 − t ) = (314, 281 − 56, 795) + 3, 452.(−5, 06 − (−18)) = 302,155(kJ/ kg) = 302155(J/ kg) Độ chênh lệch nhiệt độ: t −t 12 − (−5, 06) t1 = i − t = − (−40) = 48,53 C 2 t2 = t3 − t = −5,06 − (−40) = 34,94C  Tổng thời gian cấp đông là:   H1 H   Bi  1033.0, 015  24012 299800   0,37   slab = + + 1+   1+  = 2 c  t1 t2   4 2.32,8  48,53 34,94    = 2370 (s)  39,5(phút) Bảng 2.10 Bảng tổng hợp tính tốn thời gian cấp đơng lý thuyết cá tra fillet Phương pháp Đơn vị Kết tính tốn lý thuyết T = -40C T = -35C T = -30C Plank’s phút 43,4 50,2 60 Nagaoka phút 42,6 49,2 58,1 Levy phút 40,2 46,4 54,7 Cleland Earle phút 65 75 86 Pham QT phút 39,5 45,7 54 58 Thời gian cấp đông lý thuyết, phút Nhận xét: Phương pháp tính thời gian cấp đơng Hình 2.10 Đồ thị so sánh thời gian cấp đông phương pháp khác Các phương pháp tính tốn thời gian cấp đông lý thuyết cho kết tương đồng với nhau, có phương pháp Cleland & Earle có kết cao Do không sử dụng để so sánh với kết thực nghiệm 2.4 Tính tốn, thiết kế mơ hình cấp đông cá tra fillet 2.4.1 Nguyên lý hoạt động hệ thống Mơ hình tủ đơng thiết kế dựa theo nguyên lý sau: 59 3 5' 6' 1-Máy nén cao áp; 2-Dàn ngưng; 3-Van tiết lưu cấp dịch trung gian; 4-Bình trung gian ống xoắn; 5-Van tiết lưu cấp dịch bay hơi; 6-Dàn lạnh; 7-Thiết bị tạo từ trường; 8- Máy nén hạ áp; Hình 2.11 Sơ đồ ngun lý tủ cấp đơng thí nghiệm T P 65 Pk,Tk 5' 6' Po,To Ptg,Ttg Ptg,Ttg Pk,Tk 5' Po,To 6' 1 s i Hình 2.12 Đồ thị T-s lgP-i chu trình máy lạnh ghép tầng 2.4.2 Số liệu thiết kế Năng suất cấp đông cá tra fillet: kg/mẻ Nhiệt độ bay hơi: -45C Nhiệt độ ngưng tụ: 40C Môi chất lạnh: R22 Nhiệt độ môi trường: 30C Nhiệt độ cá trước cấp đơng: 12C Nhiệt độ khơng khí tủ đơng: -40C 60 2.4.3 Tính tốn, thiết kế a Kích thước mơ hình Theo [20] kích thước khối lượng miếng cá tra fillet nằm phạm vi sau: Bảng 2.11 Kích thước cá tra fillet [20] Stt Khối lượng, Dày d, Rộng W, Dài L, W/L [gam] [mm] [mm] [mm] d/L 85,5-124,5 10-14 60-80 150-200 0,35-0,4 0,06-0,067 124,5-199,5 14-16 80-90 200-250 0,32-0,35 0,06-0,064 199,5-256,5 16-18 90-110 250-270 0,32-0,33 0,064-0,067 256,5-313,5 18-21 110-120 270-290 0,37-0,38 0,072-0,104 >320 120-130 280-300 0,37-0,38 0,085-0,089 >24 Theo bảng trên, có kích cỡ cá với khối lượng là: 85; 124,5; 199,5; 256,5; 313,5; 320 Chọn kích thước khối lượng kích cỡ kết hợp với số khay dự kiến thiết kế khay để tính số miếng cá số khay cần thiết, từ ta có kết tính trung bình: Bảng 2.12 Kết tính khay chứa cá tra fillet Trung bình 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 Khối lượng miếng cá [gam] 85,5 124,5 199,5 256,5 313,5 320 216,58 Số miếng cá cần thiết 23 16 10 6 Chiều dài [mm] 150 200 250 270 290 300 243,33 Chiều rộng [mm] 60 80 90 110 120 130 98,33 Chiều dày [mm] 10 14 16 18 21 24 17,17 Số khay cần thiết 3 3 3 Số miếng cá khay 2 Năng suất [gam] 61 Các miếng cá bố trí tủ đơng sau: 1200 100 100 10 150 100 150 100 1000 100 200 100 Dµn l¹nh 200 200 1000 50 Hình 2.13 Bố trí miếng cá mơ hình Theo cách bố trí trên, kích thước bên tủ cấp đơng là: Chiều dài: L = 3.98,33 + 2.150 + 2.100 = 795 mm chọn L = 800 mm Chiều rộng: W = 1.243,33 + 200 + 100 + 50 = 593,33 mm chọn W = 600 mm Chiều cao: H = 3.10 + 4.100 = 430 mm chọn H = 600 mm Kích thước phủ bì tủ đơng: Với chiều dày panel cách nhiệt 200mm kích thước phủ bì tủ là: Chiều dài: L = 800 + 400 = 1200 mm Chiều rộng: W = 600 + 400 = 1000 mm Chiều cao: H = 600 + 400 = 1000 mm b Năng suất lạnh mơ hình Phụ tải nhiệt hệ thống kho lạnh tính sau: Q = Q1 + Q + Q + Q + Q , W Trong đó: Q1 - Dịng nhiệt truyền qua kết cấu bao che kho lạnh, W Q2 - Dịng nhiệt sản phẩm toả q trình xử lý lạnh, W Q3 - Dịng nhiệt khơng khí bên ngồi mang vào thơng gió buồng lạnh, W Q4 - Dòng nhiệt từ nguồn khác vận hành kho lạnh, W Q5 - Dòng nhiệt từ sản phẩm toả sản phẩm hô hấp (thở) có kho lạnh bảo quản rau quả, W Với đặc điểm mơ hình cấp đơng suất bé, dùng để cấp đông cá nên đại lượng Q3, Q5 xem Như vậy: Q = Q1 + Q + Q , W Nhiệt lượng truyền qua kết cấu bao che 62 Đối với tủ đơng mơ hình đặt phịng thí nghiệm nên dịng nhiệt truyền qua kết cấu bao che xạ bỏ qua Dòng nhiệt truyền qua vách tủ đơng tính theo cơng thức sau: Q1 = k.F.t, W Trong đó: Hệ số truyền nhiệt qua vách tủ đông: Theo [1], tủ đơng có diện tích nhỏ 50 m2, hệ số truyền nhiệt chọn theo vùng I, tức k = 0,47 W/(m2.K) Diện tích kết cấu bao che, F: F = 2.L.W + 2.W.H + 2.L.H = 2.0,6.0,45 + 2.0,6.0,6 + 2.0,6.0,45 = 1,8 m2 Chênh lệch nhiệt độ bên bên trong: t = 30 – (-40) = 70C Vậy: Q1 = 0,47.1,8.70 = 59,22 W Nhiệt lượng sản phẩm tỏa Q2 = M ( H1 − H )  (W) Trong đó: Khối lượng sản phẩm cấp đơng, M = kg Enthalpy cá tra fillet nhiệt độ ban đầu sau cấp đông: Theo [1], enthalpy cá tra fillet chọn theo loại cá béo sau: - nhiệt độ sản phẩm trước cấp đông 12C: H2 = 290,0 kJ/kg - nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông -18C: H2 = 5,0 kJ/kg Thời gian cấp đơng: theo tính tốn công thức Pham, thời gian cấp đông cho cá tra fillet nhiệt độ vận tốc khơng khí -40C 5m/s 2370 giây Chọn sở để làm liệu thiết kế, sau tiến hành thí nghiệm để đánh giá lại kết thiết kế lại mơ hình hoàn chỉnh Vậy: Q2 = 2(290 − 5).1000 = 240 (W) 2370 Nhiệt lượng thiết bị buồng tỏa Trong mơ hình này, lắp đặt 01 quạt dàn lạnh với công suất 100W nên nhiệt lượng thiết bị tỏa ra, Q4 = 100 W Tổng phụ tải nhiệt tủ đông: Q = 59,22 + 240 + 100 = 399,22 W Năng suất lạnh máy nén tính theo cơng thức: Q0mn = k Q ,W b Trong đó: Q – Tổng nhiệt lượng tiêu tốn, W k – Hệ số tính đến tổn thất đường ống thiết bị hệ thống lạnh b – Hệ số thời gian làm việc Hệ số k tra bảng sau đây, giá trị khơng có bảng dùng phương pháp nội suy để tìm 63 Hệ số thời gian làm việc phụ thuộc vào thời gian làm việc thực tế hệ thống ngày đêm (24 giờ) nhiệt độ bay dàn lạnh Tuy nhiên, với hệ thống lạnh có cơng suất nhỏ hệ số thời gian làm việc không lớn 0,7 Bảng 2.13 Hệ số k phụ thuộc vào nhiệt độ bay dàn lạnh[1] Nhiệt độ bay môi - 40 chất lạnh dàn lạnh, t0 (C) - 30 - 10 Hệ số k 1,07 1,05 1,0 1,1 Năng suất lạnh thực tế tầng thấp áp: Chọn hệ số k = 1,1 b = 0,7 (với hệ thống lạnh nhỏ làm việc nhiệt độ -40C) k Q 1,1.399, 22 = = 627,3(W) Do suất tương đối nhỏ nên chọn suất b 0,7 lạnh tầng hạ áp 1,0 kW để thiết kế Q0LT = Năng suất lạnh tầng cao áp: Giả sử tổn thất nhiệt từ trao đổi nhiệt ống lồng ống (ống dẫn môi chất tầng cao áp bên ngồi, ống dẫn mơi chất tầng hạ áp bên trong) 30% suất lạnh tầng cao áp: Q0HT = QkLT (1 + 0,3) = 1,3.Q0LT (1 + COP LT ) (W) 2.4.4 Tính tốn chu trình cấp đơng hai cấp Thiết lập tính tốn phần mềm Coolpack theo đồ thị lgP-h thực tế chu trình sau: Hình 2.14 Đồ thị lgP-h thực tế chu trình theo Coolpack 64 Hình 2.15 Thơng số thiết kế tủ đơng Hình 2.16 Thơng số trạng thái điểm nút Bảng 2.14 Kết tính tốn mơ hình tủ đơng thí nghiệm Đại lượng - Năng suất lạnh - Năng suất giải nhiệt - Công suất máy nén + Cao áp + Thấp áp - Lưu lượng môi chất - COP Đơn vị kW kW Giá trị 1,0 2,4 kW kW g/s 1,2 0,3 1,9 1,886 65 Kết luận chương Trong chương trình bày phương pháp tính tốn thời gian cấp đơng theo mơ hình tốn Hầu hết phương pháp cho kết tương đương điều kiện cấp đông Tại nhiệt độ cấp đông -40C thời gian cấp đông giao động từ 40 phút đến 43 phút Tại -35C thời gian cấp đông giao động từ 47 phút đến 50 phút -30C thời gian cấp đông giao động từ 54 phút đến 60 phút Thông qua nghiên cứu lý thuyết, đề tài thiết kế kích thước thiết bị cấp đông lựa chọn thiết bị kèm hệ thống Từ kết tiến hành thiết lập vẽ chế tạo mô hình để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm Các thơng số hệ thống cấp đông thiết kế trình bày bảng sau: STT Bảng 2.15 Thông số thiết bị hệ thống cấp đơng Thiết bị/bộ phận Thơng số kỹ thuật Kích thước tổng thể (DxRxC): 1200mm  1000mm  1000mm Buồng cấp đông Vật liệu chế tạo: Tấm Panel PU với lõi cách nhiệt PolyUrethan, có độ dày 200 mm hai mặt bao bọc tole mạ màu dày 0,5 mm Hãng: Kulthorn Loại: Piston Máy nén cao áp Mã hiệu: AW5522EK Công suất: Hp Môi chất lạnh: R22 Hãng: Kulthorn Loại: Piston Máy nén thấp áp Mã hiệu: AE4474EK Công suất: 1/2 Hp Môi chất lạnh: R22 Dàn lạnh Năng suất lạnh: kW Dàn nóng Năng suất giải nhiệt: kW Tổng chiều dài: m Bình trung gian ống Đường kính ống ngồi: 16 mm xoắn Đường kính ống trong: mm Bộ phát từ trường dao 20-100 Gauss động Bộ phát từ trường tĩnh 400-800 Gauss 500 kV/m Bộ phát điện trường Tần số: 10 kHz – 30 kHz 66 ... Trung bình 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 Khối lượng miếng cá [gam] 85,5 124 ,5 199,5 25 6,5 313,5 320 21 6,58 Số miếng cá cần thiết 23 16 10 6 Chiều dài [mm] 150 20 0 25 0 27 0 29 0 300 24 3,33 Chiều... 0, 32- 0,35 0,06-0,064 199,5 -25 6,5 16-18 90-110 25 0 -27 0 0, 32- 0,33 0,064-0,067 25 6,5-313,5 18 -21 110- 120 27 0 -29 0 0,37-0,38 0,0 72- 0,104 > 320 120 -130 28 0-300 0,37-0,38 0,085-0,089 >24 Theo bảng trên, có... 08 42  10? ?2 + 5, 30 52  10−4 t − 2, 321 8  10−6 t Xơ a = 7,3979 10? ?2 + 5,19 02 10−4 t − 2, 220 2 10−6 t Protein a = 6,8714 10? ?2 + 4,7578 10−4 t − 1,4646 10−6 t Mỡ a = 9,8777 10? ?2 − 1 ,25 69