Mô phỏng cấp đông thịt heo nửa con bằng ansys

NLN *156 - 6/2021*10 Số: 156 - 6/2021 Trang 10 - 16 MÔ PHỎNG CẤP ĐÔNG THỊT HEO NỬA CON BẰNG ANSYS Võ Văn Sim, Đỗ Hữu Hoàng Khoa CN Hóa Học, Trường Đại Học Cơng Nghiệp Thực Phẩm Tp HCM E-mail: hoangdhuu@hufi.edu.vn Ngày nhận bài: 20/01/2021 Ngày duyệt đăng: 29/06/2021 Ngày nhận sửa theo ý kiến phản biện: 21/05/2021 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết mô xác định thời gian cấp đông thịt heo nửa phương pháp CFD Sai số thời gian cấp đông mô thực nghiệm tương ứng 4% Trên sở kết mô đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ vận tốc dịng khí lên thời gian cấp đơng, kết mơ sử dụng để tối ưu hóa điều kiện vận hành thiết kế kho cấp đông thịt heo Từ khóa: Ansys, cấp đơng heo, CFD, mơ cấp đơng, thịi gian cấp đơng KÝ HIỆU: : Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, W.m-2.K-1; Mw: Khối lượng phân tử nước kg.kmol-1; : Vận tốc dòng, m.s-1; Ms: Khối lượng phân tử chất khô kg.kmol-1; c: Nhiệt dung riêng, J.kg-1K-1; : Độ xốp nguyên liệu; cw: Nhiệt dung riêng nước, xi: Thành phần khối lượng thứ i, %; J.kg-1K-1; cice: Nhiệt dung riêng băng, J.kg-1K-1; x iv : thành phần thể tích,%; cu: Nhiệt dung riêng chưa cấp đông, J.kg-1K-1; xb: Thành phần Protein thực phẩm %; ca: Nhiệt dung riêng nguyên liệu, H: enthalpy, J.kg-1K-1; : Khối lượng riêng, xice: Thành phần băng; xwo: thành phần nước chưa đóng băng, %; J.kg-1 Kg.m-3; tf: Nhiệt độ bắt đầu kết đông, oC; : Hệ số dẫn nhiệt, W.m-1.K-1 t: Nhiệt độ, oC; R: 8.314 kJ.kg-1mol-1K-1; : Thời gian, s-1; L0: Nhiệt ẩn đông đặc nước 273,15 K T: Nhiệt độ, K; T0: nhiệt độ đông đặc nước 273,15 K; E: Tỷ lệ khối lượng phân tử nước với khối lượng phân tử chất khô; cấp đông bị ảnh hưởng nhiều yếu tố khác I MỞ ĐẦU nhiệt độ nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ Thịt heo từ lâu loại thực phẩm ưa chuộng phịng cấp đơng, vận tốc dịng khí lạnh Từ tiêu thụ nhiều toàn giới Ngày nay, lý trên, báo xây dưng quan hệ chuỗi cung ứng từ nông trại đến bàn ăn, nhiệt độ vận tốc ảnh hưởng đến thời gian cấp q trình vận chuyển, bảo quản chiếm vị trí quan đông thịt heo nửa trọng, ảnh hưởng lớn chất lượng thịt Sự biến II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN tính thành phần thịt phụ thuộc chế độ cấp CỨU đơng Vì chọn chế độ bảo quản phù hợp điều quan trọng Lợi ích cấp đơng khơng 2.1 Thực nghiệm lưu giữ gần nguyên vẹn thành 2.1.1 Xây dựng thực nghiệm phần dinh dưỡng, giá trị cảm quan hạn chế Q trình cấp đơng thịt heo ½ thực phát triển vi sinh vật [1] Trong đó, thời gian Trung tâm thí nghiệm thực hành, NLN *156 - 6/2021*11 Trường Đại Học Cơng Nghiệp Thực Phẩm, Tp Hồ Chí Minh Kho lạnh có kích thước dài (4000 mm), rộng (3000 mm) cao (1800 mm) Thịt treo lên ngang phía cách trần 420 mm sàn 460mm Điều giúp q trình tiếp xúc dịng khí lạnh tốt nhất, xun suốt q trình cấp đơng Dàn lạnh cung cấp dịng khí (t = (-35± 0.1)oC,  = (2.5 ± 0.1) m/s) Nhiệt độ tâm sản phẩm mẫu khác (hình 1) ghi nhận liên tục qua hệ thống cảm biến nhiệt đến đạt -18oC điểm Số liệu ghi nhận sau 100s 2.1.2 Tiến trình thực nghiệm Thịt đươc đặt mua hệ thống cung cấp Vissan phù hợp yêu cầu mẫu thí nghiệm nửa Trước tiến hành cấp đông, thịt xử lý nhiệt đạt đồng 25oC Đầu dò nhiệt đặt tâm sản phẩm Q trình cấp đơng chế độ nhiệt vận tốc khác Hệ thống dừng lại điểm ghi nhận đạt (18oC) Sau trình cấp đông sản phẩm rã đông 12h để tiến hành cho trình 2.2 Xây dựng mơ hình tốn cho q trình mơ 2.2.1 Xây dựng mơ hình vật lý Mơ hình hóa thịt heo dạng hình hộp có kích thước (920x360x85)mm treo thẳng dứng kho cấp đông Khối lượng miếng thịt 30.15 kg Mơ hình đo theo kích thước mẫu gần với sản phẩm thực tế Mẫu xếp thành hàng, hàng treo 16 miếng thịt với kích thước bố trí hình Dịng khí lạnh vào bố trí đầu kho Nhiệt độ ghi nhận vị trí tâm cách theo chiều dọc, ngang của mẫu 0.6 mm tăng dần 1.2 lần ngồi Tổng số phần tử 1,384,632 2.2.3 Mơ hình tốn Mẫu có kích thước theo chiều dài lớn so với chiều rộng dày, truyền nhiệt theo phương dọc sản phẩm nhỏ nên bỏ qua, nên xem nhiệt độ thay đổi theo hai hướng rộng dày mẫu, tương ứng với phương x y T = f(x,y,) 2.2.3.1.Điều kiện biên Quá trình cấp đơng thịt mơ tả phương trình vi phân dẫn nhiệt không ổn định với điều kiện biên loại 3, phương trình tốn học mơ tả điều kiện sau [3]: (T )C(T )   2T  2T  T = (T ) +   y   x (1) Điều kiện đầu:  = 0, T= to = 25oC) Điều kiện biên, tỏa nhiệt mặt sản phẩm:  T T   = (Tm − Tk ) (T ) +  x y  (2) Q trình mơ thực phần mềm ANSYS 19.2 Khí động học bên kho mơ tả theo phương trình Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) Q trình truyền nhiệt theo mơ hình rối k- the Enhanced Wall Treatment (EWT) Dịng khí lạnh truyền nhiệt đối lưu cưỡng bên kho cấp đông, bỏ qua xạ nhiệt bay ẩm 2.2.3.2 Đặc tính nhiệt ngun liệu dịng khí Mơ q trình cấp đơng thịt heo chất giải tốn dẫn nhiệt khơng ổn định với điều kiện biên loại 3, với nhiệt độ môi trường cấp đông tm = (-40-35) 0C, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bề mặt sản phẩm xác định theo [4]: Hình Mơ hình bố trí ngun liệu phịng lạnh 2.2.2 Tạo lưới Miền tốn học mơ tả sản phẩm Q trình chia lưới đươc thực không đồng Với ưu tiên kết thật xác tâm sản phẩm Vì thế, lưới chia mịn tâm dần thơ phía ngồi [2] Tại phía tâm, lưới chia lớp, lớp đầu (  = 25 0.6 W m −2 K −1 ) (3) Đối với mẫu thịt heo nghiên cứu này, xem toàn khối thịt đồng thành phần Thịt heo có tỷ lệ protein: 22.32%, fat: 5.71%, nước 68.26% số thành phần khác Theo [5], giá trị tính chất nhiệt vật liệu: nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ số cấp nhiệt, khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt NLN *156 - 6/2021*12 độ thành phần Tính chất nhiệt vật lý xác định sau: Hàm lượng băng phụ thuộc vào nhiệt độ xác định theo phương trình (4) Chen (1985) [4]: xi = 1.105x wo 0.8765 1+ ln (t f − t + 1) (4) Khối lượng riêng hệ số dẫn nhiệt xác định theo Choi, Y and Okos M R (1986) [5] sau: = (1 −  ) (5) xi  i =1  i n Hệ số dẫn nhiệt n  =  x iv  i (6) i =1 Nhiệt dung riêng nguyên liệu cấp đông xác định theo phương trình (7) Schwartzberg, H.G.,(1976) [6]: C a = C u + (x b − x wo )C  RT02 + Ex s   M w t  − 0.8C  diễn lâu để nhiệt tâm đạt (-18oC) Chọn nhiệt độ ban đầu để cài đặt cho phần mềm quan trọng, định thời gian trình Vì giai đoạn đầu, toán chạy chế độ Steady đến hội tụ Sử dụng kết cài đặt lại cho trình chạy chế độ không ổn định [7] Với phương pháp chạy trên, thời gian mô giảm 40% Với bước thời gian 50 giây, kích thước phần tử mesh (x) 40mm Sử dụng phương pháp số tìm giá trị tính chất vật lý thịt theo nhiệt độ Thiết lập định nghĩa hàm: “user specific heat”, “user thermal conductivity”, “user density” để nhập biến array tương đương giá trị theo nhiệt độ mẫu Thêm liệu vào Interpreted – Functions để hoàn thiện khai báo liệu cho Ansys [8] Đây bước cực lỳ quan trọng giúp q trình tính xác thời gian cấp đông [9], [10] III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết mô 3.1.1 Trường nhiệt độ phân bố Kết mô thể hình (2-8) (7) Trong đó: Ms = x s RT02 : Khối lượng phân − (x wo − x b )L t f tử chất khô; x RT (t − t ) : Hàm lượng băng; x ice = s f Ms L0 t f t x b = 0,4 x p : Thành phần nước khơng kết đơng; Hình Trường nhiệt mặt cắt tâm phương ngang mẫu -40oC Mw : Tỷ số khối lượng phân tử Ms nước khối lượng phân tử chất khô; c = c w − c ice : độ chênh lệch nhiệt E= dung riêng nước băng; xi x iv = i :thành phần thể tích; x   i    i i =1 n 2.2.3.3 Q trình mơ Q trình cấp đơng q trình phức tạp, bao gồm trình dẫn nhiệt, chuyển pha nước bên sản phẩm Thời gian cấp đơng Hình Trường nhiệt mặt cắt tâm phương ngang mẫu -35oC NLN *156 - 6/2021*13 Hình 4: Phân bố dịng khí lạnh vận tốc 2,5 m/s Hình 5: Phân bố dịng khí lạnh vận tốc m/s Hình 6: Phân bố dịng khí lạnh vận tốc 7.5 m/s NLN *156 - 6/2021*14 Hình 7: Ảnh hưởng yếu tố vị trí mẫu đến thời gian cấp đơng Hình 8: Thời gian cấp đơng trung bình chế độ khác 3.2 So sánh kết mô thực nghiệm Quá trình thực nghiệm thực khu thực hành Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Tp HCM Nhiệt độ ghi lưu thiết bị lưu nhiệt Model R3-NM1-R; No:OLO24692 MSYSTEM Kết thu được thể bảng 1, hình hình 10 Kiểm chứng thực nghiệm chế độ hoat động (-37.5oC) 5.0m/s mẫu, độ lêch chuẩn dương thời gian cấp đông mô thực nghiệm cao max = 7.8%, thấp 0.8% Sai số trung bình 4.0% Điều lý giải sai số chất sai lệch thành phần của, ảnh hưởng đến giá trị nhiệt vật lý mẫu Các giá trị nhiệt vật lý lấy gần theo tỷ lệ dinh dưỡng thịt nên thông số nhiệt dung riêng, enthalpy khối lượng riêng có sai số lớn làm ảnh hưởng đến q trình mơ Bảng 1: Thời gian cấp mô thực nghiệm chế độ -37.5oC 5.0m/s Thứ tự Mô (h) Thực nghiệm (h) Mẫu 7.60 7.8 Mẫu 15.60 15.01 Mẫu 11.70 11.25 Mẫu 8.66 9.02 Mẫu 15.40 14.2 Mẫu 11.89 11.8 Mẫu 7.70 8.05 Mẫu 15.28 14.9 Mẫu 11.56 12.35 Hình 91 Độ lệch chuẩn dương thời gian cấp đơng mô thực nghiệm NLN *156 - 6/2021*15 Hình 20 Ảnh hưởng vận tốc đến thời gian cấp đông 3.3 Ảnh hưởng yếu tố đến thời gian cấp đông Thời gian cấp đông sản phẩm chịu ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ, vân tốc dịng khí lạnh[11],[12] Q trình khảo sát thực nghiệm mô thể bảng hình Ảnh hưởng vận tốc đến thời gian cấp đơng Khi tăng vận tốc dịng khí từ 2.5 m/s lên 5.0 m/s, thời gian cấp đông giảm khoảng 5.6h Trong đó, vận tốc 5.0 m/s lên đến 7.5 m/s, thời gian giảm hơn, khoảng 2.5h Tỷ lệ thời gian cấp đơng vận tốc dịng khí lạnh có (b) xu hướng giảm dần Có thể thấy tăng vận tốc dịng, thời gian cấp đơng giảm đáng kể độ giảm thời gian cấp đông tốc độ thấp lớn tốc độ cao Ảnh hưởng nhiệt độ đến thời gian cấp đông - Có thể thấy tỷ lệ biến thiên thời gian cấp đơng biến thiên nhiệt độ dịng khí có xu hướng giảm đều, gần tuyến tính - Ở vận tốc 2.5 m/s, vị trí 2,5,8, thời gian giảm khoảng 5.2 h hạ từ -35 oC xuống -37.5oC Và hạ tiếp nhiệt độ xuống -40 oC, thời gian giảm khoảng 2h - Ở vận tốc 7.5m/s, thay đổi nhiệt độ thời gian giảm thấp so với (c) chế độ khác, khoảng 0.5h - Trong đó, chế độ 2,5 m/s, khoảng thời gian Hình 31 Ảnh hưởng nhiệt độ dịng khí đến giảm đáng kể nhất, khoảng 3.1h từ -35oC xuống thời gian cấp đơng -37.5oC IV KẾT LUẬN Có thể thấy giảm nhiệt độ khơng khí Các kết tính toán Ansys so với kết lạnh làm giảm đáng kể thời gian cấp đông Tuy nhiên, ảnh hưởng nhiệt độ nhỏ thực nghiệm điều kiện có độ lệch chuẩn ảnh hưởng vận tốc khơng khí lạnh (Hình dương thời gian trung bình 4.0% Với tính chất 11a,b,c) vật liệu khơng đồng thành phần, q trình cấp đơng nhiều giai đoạn phức tạp Dẫn đến giá trị vật lý nhiệt khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng,… có sai số đáng kể Nên sai số mơ thực nghiệm trung bình chấp nhận Dữ liệu nghiên cứu làm sở cho toán thiết kế hệ thống lạnh điều kiện Cũng làm sở cho tốn tối ưu hóa thời gian cấp đông thay đổi yếu tố ảnh hưởng, vị trí sản phẩm kho (a) NLN *156 - 6/2021*16 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lene Meinert, “Stability of pork during frozen storage”, Consultant, Danish Meat Research Institute [2] Duy K Hoang, Simon J Lovatt, Jamal R Olatunji, James K Carson, “Validated numerical model of heat transfer in the forced air freezing of bulk packed whole chickens”, International Journal of Refrigeration 118 (2020) 93–103 [3] Đỗ Hữu Hoàng, “Nghiên cứu mô xác định chế độ cấp đông cá tra fillet băng chuyền IQF” , Tạp chí Khoa học cơng nghệ thực phẩm 12, 2017 [4] Chen, C.S (1985b) Thermodynamic Analysis of the Freezing and Thawing of Foods: Ice Content and Mollier Diagram Journal of Food Science 50(4):1163-1166 [5] Choi, Y and Okos M R - Effects of temperature and composition on the thermal properties of foods, In: Food Engineering and Process Applications (1986) 93-101 [6] Schwartzberg, H.G., Effective Heat Capacities for the Freezing and Thawing of Food Journal of Food Science 41(1) (1976) pp.152-156; [7] Willix, J., Harris, M.B., and Carson, J.K., Local surface heat transfer coefficients on a model beef side Journal of Food Engineering, 74, (2006), pp 561–567; [8] ANSYS, Inc ANSYS Fluent Tutorial Guide, 01, 2019 [9] Cleland, A.C., and R.L Earle 1982b Freezing time prediction for foods—A simplified procedure International Journal of Refrigeration 5(3):134140 [10] Cleland, A.C., and R.L Earle 1984 Freezing time predictions for different final product temperatures Journal of Food Science 49(4):1230-1232 [11] Đỗ Hữu Hoàng, “Nghiên cứu mô xác định chế độ cấp đông cá tra fillet băng chuyền IQF” , Tạp chí Khoa học công nghệ thực phẩm 12, 2017 [12] Pham Q T - An approximate analytical method for predicting freezing times for rectangular blocks of food stuffs, International Journal of Refrigeration (1985) 3-47 SIMULATION HAFT PORKS FREEZING BY USING ANSYS Vo Van Sim, Do Huu Hoang Faculty of Chemical Engineering, Ho Chi Minh City University of Food Industry E-mail: hoangdhuu@hufi.edu.vn ABSTRACT: This article presents the results of half- pork freezing time by CFD Freezing pork is the process of heat conduction with phase change including heat and mass transfer occur simultaneously At the freezing point, the physical thermal properties of the product change dramatically Using ANSYS software to simulate the process, determine the time when the center of products reach -18 oC Error of simulating and experimental freezing time are 4% Based on simulation results assessing the effects of temperature and airflow velocity on freezing time, the data can be used to optimize operating conditions and the design of pork freezer storage Key words: Ansys, freezing pork, CFD, freezing simulation, freezing time  ... chuẩn dương thời gian cấp đông mô thực nghiệm NLN *156 - 6/2021*15 Hình 20 Ảnh hưởng vận tốc đến thời gian cấp đông 3.3 Ảnh hưởng yếu tố đến thời gian cấp đông Thời gian cấp đông sản phẩm chịu... nghiệm Thịt đươc đặt mua hệ thống cung cấp Vissan phù hợp yêu cầu mẫu thí nghiệm nửa Trước tiến hành cấp đông, thịt xử lý nhiệt đạt đồng 25oC Đầu dò nhiệt đặt tâm sản phẩm Quá trình cấp đông chế... −2 K −1 ) (3) Đối với mẫu thịt heo nghiên cứu này, xem toàn khối thịt đồng thành phần Thịt heo có tỷ lệ protein: 22.32%, fat: 5.71%, nước 68.26% số thành phần khác Theo [5], giá trị tính chất