Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất và các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lạnh đông cá thu

1 LỜI MỞ ĐẦU Hải sản đánh bắt xa bờ là một trong những nhóm thủy hải sản có giá trị kinh tế cao nhất, bao gồm các mặt hàng như: cá Thu, cá Ngừ đại dương, cá Trích, cá Cơm… Do ngư trường khai thác thường nằm cách xa bờ, phương pháp bảo quản duy nhất cho nhóm đối tượng này là làm lạnh cấp đông trên tàu, chế biến tại nhà máy và tái cấp đông bảo quản. Để nâng cao chất lượng, giảm hao hụt khi cấp đông và bảo quản, việc xây dựng bộ dữ liệu về thành phần, về tính chất nhiệt vật lý của sản phẩm và chế độ cấp đông phù là hết sức cần thiết. Sự biến đổi tính chất của thực phẩm khi cấp đông là một quá trình lý hóa rất phức tạp. Sự giảm nhiệt độ của thực phẩm xuống dải nhiệt độ âm sẽ khiến dung dịch lỏng bên trong thực phẩm chuyển thành dạng rắn. Quá trình chuyển pha sẽ làm thay đổi hoàn toàn tính chất nhiệt vật lý của sản phẩm. Các nghiên cứu trên thế giới hiện nay chỉ mới đo được tính chất nhiệt vật lý của một số ít sản phẩm như cá efin, cá tuyết, cá vược. Đối với các sản phẩm khác, các nhà nghiên cứu chỉ đưa ra những dải giá trị có tính chất định hướng với sai số có thể lên đến 50%. Đây là một trong những lý do dẫn đến khó khăn trong việc tìm kiếm dữ liệu đầu vào cho quá trình tính toán, thiết kế và vận hành hệ thống lạnh hợp lý, góp phần nâng cao chất lượng, giảm hao hụt sản phẩm và tiết kiệm năng lượng trong quá trình cấp đông. Để giải quyết vấn đề đặt ra ở trên tác giả đã chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất và các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lạnh đông cá Thu ”. Luận án tập trung nghiên cứu những vấn đề sau: Lựa chọn, phát triển mô hình hoàn chỉnh xác định các thông số nhiệt vật lý của cá Thu trong dải nhiệt độ rộng (-40 0 C ÷ 40 0 C). Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng của truyền chất, đánh giá thực nghiệm độ hao hụt của sản phẩm trong quá trình cấp đông. Đối tượng thực nghiệm là cá Thu. Xây dựng mô hình xác định trường nhiệt độ, thời gian cấp đông thủy sản theo trường phái Chumak- Onhishenko, giải trực tiếp bài toán dẫn nhiệt phi tuyến có đạo hàm riêng bằng phương pháp thể tích hữu hạn, ứng dụng cho vật thể có hình dạng bất kỳ. Trường nhiệt độ và thời gian cấp đông lý thuyết sẽ được kiểm chứng thông qua nghiên cứu thực nghiệm với cá Thu. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố tới quá trình cấp đông, đưa ra một số giải pháp nhằm tiết kiệm năng lượng trong quá trình cấp đông. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu dự kiến đạt được: Lựa chọn, phát triển mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý bằng phương pháp tính toán khoa học, chỉ thông qua phân tích thành phần của thực phẩm. Đối tượng nghiên cứu là cá Thu và có thể ứng dụng cho các loại thủy sản khác. Bằng phương pháp đơn giản này có thể xác định tính chất nhiệt vật lý của thủy sản theo lô sản xuất, theo vùng đánh bắt nhanh chóng. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình truyền chất trong quá trình cấp đông thủy sản, đánh giá độ hụt khối lượng khi cấp đông cá Thu. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh cấp đông có xét đến ảnh hưởng của truyền chất, kết quả mô phỏng được so sánh đánh giá sai số với kết quả thực nghiệm. Xây dựng hoàn thiện phần mềm xác định tính chất nhiệt vật lý của một số loại thủy sản phụ thuộc vào nhiệt độ trên cơ sở thành phần hóa học của sản phẩm và điều kiện ban đầu của thủy sản. Xác định thời gian và trường nhiệt độ khi cấp đông, phần mềm này có thể ứng dụng vào các cơ sở sản xuất chế biến. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình cấp đông. Là cơ sở để đưa ra chế độ cấp đông hợp lý với cá Thu ở cơ sở sản xuất thực tế. Đưa ra giải pháp tiết kiệm năng lượng trong quá trình cấp đông. 2 Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về công nghệ lạnh đông thực phẩm 1.1.1 Vị trí, vai trò của công nghệ lạnh đông Nâng cao chất lượng chế biến các loại lương thực, thực phẩm sau thu hoạch đang đặt ra một thách thức đối với toàn cầu, bởi đây là chìa khóa giải quyết vấn đề an ninh lương thực. Vấn đề an ninh lương thực được thể hiện trên hai mặt, thứ nhất phải đảm bảo cung cấp đủ về số lượng, thứ hai phải bảo đảm về chất lượng. Trong khi đó công nghệ chế biến thực phẩm của nước ta, đặc biệt là công nghệ chế biến lạnh còn rất nhiều hạn chế và bất cập. Tỷ lệ tổn thất sản phẩm sau thu hoạch khá cao, ví dụ đối với rau quả khoảng 30%, đối với chế biến thủy sản khoảng 20%. Chất lượng các sản phẩm đầu ra không đồng đều và chưa cao, khả năng xuất khẩu bị hạn chế. Giai đoạn 2001-2011, đóng góp của thủy sản vào GDP chung toàn quốc dao động trong khoảng từ 3,72%-3,1%. Bình quân thủy sản giải quyết công ăn việc làm cho khoảng 150.000 lao động/năm. Thủy sản cung cấp thực phẩm cho trên 80 triệu người dân Việt Nam [3,4,5]. Hàng năm thủy sản đáp ứng khoảng từ 39,3-42,86% tổng sản lượng thực phẩm, góp phần quan trọng trong việc đảm bảo an ninh thực phẩm và dinh dưỡng quốc gia. Những năm gần đây, thủy sản đã có những đóng góp quan trọng trong chuyển dịch cơ cấu kinh tế ngành nông nghiệp. Cơ cấu sản xuất nông, lâm, thuỷ sản chuyển dịch theo hướng nâng cao năng suất, chất lượng, hiệu quả, giá trị gắn với thị trường. Cùng các đóng góp có giá trị về kinh tế, phát triển thủy sản còn có ý nghĩa sâu sắc về an ninh quốc phòng. 1.1.2 Thực trạng, tiềm năng của công nghệ lạnh thủy sản tại Việt Nam Việt Nam được xếp hạng trong 10 nhà cung cấp lớn nhất, và sản phẩm thủy sản được xuất khẩu đi 170 quốc gia trên toàn thế giới. Theo tổng cục thống kê, năm 2013 Việt Nam gặt hái được nhiều thành công với tổng sản lượng đạt 5.918,6 ngàn tấn và thu về 6,8 tỷ USD [2]. Cho tới nay ở nước ta chưa có nghiên cứu nào mang tính hệ thống và đầy đủ về lĩnh vực này. Chúng ta cũng chưa có sổ tay về tính chất nhiệt vật lý của thủy sản, cũng như quy trình cấp đông cho từng loại thủy sản. Đây là rào cản rất lớn để hoàn thiện công nghệ làm lạnh và cấp đông thủy sản đồng thời đảm bảo cả hai tiêu chí (i) đảm bảo chất lượng của thủy sản (ii) sử dụng hợp lý năng lượng. Mặc dù trong thời gian gần đây Nhà nước đã có những bước đi rất mạnh mẽ trong lĩnh vực này. Tháng 6/2013 Bộ Khoa học và Công nghệ khánh thành phòng thí nghiệm công nghệ CAS (Cell Alive System)- Công nghệ bảo quản tươi sống[10], bản chất CAS là công nghệ kết hợp làm lạnh nhanh trong trường điện tử kết hợp với sóng siêu âm để bảo quản sản phẩm tươi sống. Để công nghệ này ứng dụng hiệu quả ở Việt nam thì cần phải tiếp tục nghiên cứu. 1.1.3 Tiêu hao năng lượng, hao hụt khối lượng và thời gian trong quá trình cấp đông Tiêu hao năng lượng trong các nhà máy chế biên thực phẩm còn khá lớn. Cần có các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong nhà máy đặc biệt hệ thống cấp đông. Độ hụt khối lượng trong quá trình cấp đông do bốc hơi nước từ bề mặt sản phẩm vào môi trường là vấn đề phải nghiên cứu, đánh giá mức độ, tỷ lệ ảnh hưởng đến cả quá trình cấp đông. Ở các nhà máy chế biến, thời gian cấp đông được xác định bằng thực nghiệm và kinh nghiệm. Cần có nghiên cứu để dự đoán bằng lý thuyết. 1.1.4 Cá thu, loại hải sản có giá trị dinh dưỡng cao Cá Thu là đối tượng quan trọng trong ngư nghiệp công nghiệp. Hàm lượng đạm cao nên thịt của cá thu dễ hư thối, chóng bị phân hủy và có thể gây ngộ độc nếu ăn phải cá ươn. Đặc điểm này của cá Thu khiến cho yêu cầu về kỹ thuật cấp đông trở nên rất khắt khe. Đây là một trong những yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn cá thu là đối tượng nghiên cứu của luận án. 1.2 Tổng quan về mô hình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình cấp đông thực phẩm. 1.2.1 Mô hình bài toán truyền nhiệt truyền chất liên hợp trong quá trình cấp đông thực phẩm 3 1.2.1.1. Mô hình bài toán truyền nhiệt truyền chất tổng quát Sử dụng phương trình cân bằng vật chất và năng lượng, khi xét đến sự tương hỗ giữa dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm, phương trình tổng quát của quá trình truyền nhiệt truyền chất được viết như sau[19]:        t Ct       C qCD Để giải hệ phương trình (1.6) nêu trên, Trần Văn Phú [19] đã đưa ra một phương pháp giải tích dựa trên đại số Jordan riêng và định lý Sylvester. Phương pháp này có đặc trưng là đơn giải, sử dụng sự tương tự của bài toán dẫn nhiệt và bài toán dẫn ẩm tổng quát. Với cách tiếp cận này, một số các bài toán của quá trình sấy dịu với tốc độ chậm đã được giải quyết. 1.2.1.2. Vấn đề truyền nhiệt truyền chất xảy ra trong quá trình cấp đông Quá trình cấp đông thực phẩm có nhiều đặc trưng riêng biệt. Trong quá trình cấp đông xảy ra hiện tượng biến đổi pha nước thành băng nhưng không tồn tại mặt phẳng phân pha theo nghĩa cổ điển mà tồn tại trường của các hạt băng gọi là pha không liên tục, mặc dù hàm lượng nước trong thực phẩm thường chiếm tới hơn 70%. Quá trình chuyển pha từ nước sang băng trong thực phẩm diễn ra trong khoảng nhiệt độ rộng bắt đầu từ nhiệt độ điểm đông kéo dài đến gần nhiệt độ không tuyệt đối. Mặt khác do xảy ra quá trình trao đổi nhiệt liên hợp gồm (i) dẫn nhiệt không ổn định trong lòng thực phẩm,(ii) trao đổi nhiệt đối lưu giữa bề mặt thực phẩm và môi trường làm lạnh, nên trường nhiệt độ của thực phẩm là không đồng đều. Dẫn tới mỗi một phân tố của thực phẩm có một nhiệt độ tương ứng với hàm lượng băng và tính chất nhiệt vật lý (C p (T); (T);(T)…) riêng biệt. Vì vậy hệ phương trình (1.6) có tính phi tuyến rõ rệt. Vì những lý do nêu trên, trong các nghiên cứu kinh điển cũng như cho tới nay bài toán mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt-trao đổi chất trong cấp đông thực phẩm sẽ suy biến về phương trình dẫn nhiệt không ổn định có nguồn nhiệt bên trong có kể đến trao đổi chất.   )(),(),()( ),( )()( ii mhxqxTT xT TTC           1.2.1.3. Mô hình truyền chất xảy ra trong quá trình cấp đông Quá trình cấp đông thực phẩm luôn luôn gắn liền với quá trình truyền chất, đây là yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hụt khối lượng và chất lượng thực phẩm. Dẫn nhiệt không phải là phương thức trao đổi nhiệt duy nhất, trong quá trình nó còn được thực hiện thông qua việc khuếch tán vật chất. Thành phần này được biểu diễn thông qua phương trình cân bằng nhiệt viết dưới dạng entanpi là dạng rút gọn của phương trình (1.8) [75].     ww mht h .      (1.8) Trong đó: h w và w m  là entanpi và dòng khếch tán của thành phần nước bên trong thực phẩm. Khi nước trên bề mặt thực phẩm đã đóng băng, cấu tử nước trong thực phẩm bị cố định và quá trình khuếch tán bên trong sẽ giảm đi, hiện tượng bốc hơi dừng lại, quá trình trao đổi ẩm lúc này diễn ra theo cơ chế thăng hoa. Nước từ thể rắn trên bề mặt thực phẩm sẽ thăng hoa tạo thành hơi bay vào môi trường cấp đông. Hiện tượng này chỉ diễn ra trong 1 lớp rất mỏng trên bề mặt thực phẩm, gọi hiện tượng mất nước trên bề mặt sản phẩm do quá trình hóa hơi và thăng hoa là Dehydration. Năm 1984, Q.T. Pham và J. Willix [76] lần đầu tiên đã đưa ra công thức xác định gần đúng tốc độ quá trình dehydration này.     w 1 / s a t s a g P T P m R T D                     Trong đó, δ là chiều dày thoát ẩm và D δ là hệ số khuếch tán qua lớp thoát ẩm đó, μ w là khối lượng kg/kmol của nước. Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này, đối tượng nghiên cứu là cá thu là vật đặc do đó như ở trên đã đề cập ảnh hưởng của quá trình truyền chất là không lớn. Hơn nữa để mô phỏng quá trình truyền chất trong quá trình cấp đông thực phẩm bằng lý thuyết của các nhà khoa học đã trình bày ở (1. 7 (1. 9 ) (1.6) 4 trên trong điều kiện Việt Nam là khó có thể thực hiện được. Do chúng ta không thể xây dựng được mô hình cho hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng (D w ) của vật liệu. Do đó để đánh giá ảnh hưởng của truyền chất phải thông qua con đường bán thực nghiệm, trong đó khái niệm enthalpy trung bình sẽ được sử dụng để ước lượng, lượng nhiệt ẩn sinh ra do sự hụt khối lượng trong quá trình cấp đông. 1.2.2 Các phương pháp giải bài toán truyền nhiệt không ổn định trong quá trình cấp đông Như đã trình bày ở trên, trong thực phẩm được cấp đông, quá trình truyền nhiệt và truyền chất cùng xảy ra đồng thời. Tuy nhiên, do quá trình truyền chất xảy ra với cường độ thấp (đặc biệt là đối với các thực phẩm đặc như thịt, cá), phần lớn các tác giả [12,17,40,88,37] đã đề xuất bỏ qua ảnh hưởng của quá trình truyền chất. Lúc này quá trình cấp đông chỉ thuần túy là quá trình dẫn nhiệt. 1.2.2.1. Mô hình bài toán dẫn nhiệt không ổn định trong quá trình cấp đông Khi bỏ qua quá trình khuếch tán vật chất bên trong và trên bề mặt khối thực phẩm được cấp đông, quá trình cấp đông lúc này hoàn toàn là quá trình dẫn nhiệt thuần túy. Đây là quá trình dẫn nhiệt phi tuyến do vật chất là không đồng chất, không đẳng hướng, tính chất nhiệt vật lý của môi trường thay đổi theo nhiệt độ. Phương trình vi phân dẫn nhiệt (Carslaw and Jaeger, 1959) mô tả quá trình lạnh đông thực phẩm viết cho phân tố có toạ độ véc tơ x  , thời điểm τ như sau[40].   T(x, ) C(T) (T) . (T) T(x, τ) q(x, )              (1.10) Trong đó: C(T) – Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, kJ/kg.K ρ(T) – Khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, kg/m 3 λ(T) – Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, W/m.K q(x,τ) – Lượng nhiệt do nguồn nhiệt trong sinh ra do sự chuyển pha của nước trong phân tố phụ thuộc vào tọa độ và thời gian, W T(x,τ) – Nhiệt độ của phân tố phụ thuộc vào tọa độ và thời gian, K Để xác định được trường nhiệt độ của thực phẩm lạnh đông từ việc giải phương trình 1.10 ta phải bổ xung điều kiện đơn trị. Điều kiện đơn trị bao gồm điều kiện ban đầu và các điều kiện biên[6]: Điều kiện ban đầu: Cho biết phân bố trường nhiệt độ tại thời điểm ban đầu in T(x, τ = 0) = T (x)   (1.11) Điều kiện biên: Trong bài toán làm lạnh và cấp đông thực phẩm, chủ yếu gặp điều kiện biên loại 3 hoặc điều kiện biên liên hợp (điều kiện biên loại 4). Điều kiện biên loại 3 đặc trưng cho trường hợp bề mặt thực phẩm tiếp xúc trực tiếp với môi trường làm lạnh và quy luật truyền nhiệt giữa bề mặt và môi trường đã biết trước. n a n T - λ = α T(x ,τ)-T (τ) n              (1.12a) Bài toán làm lạnh cấp đông thực phẩm với điều kiện biên loại 3 thường gặp ở phương pháp lạnh đông bằng thiết bị ABF ( Air Blast freezer) và IQF (Individual quickly Freezer). Trường hợp đặc biệt của điều kiện biên loại 3, còn gọi là điều kiện biên loại 4 hoặc điều kiện biên liên hợp, xảy ra khi bề mặt tiếp xúc trực tiếp với vật rắn khác (gặp ở phương pháp lạnh đông tiếp xúc). 1 2 1 2 1,n 2,n T T -λ = -λ n n                 (1.12b) Khi nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt bên trong thực phẩm, các nhà nghiên cứu đã áp dụng rất nhiều các phương pháp khác nhau để giải bài toán trên, song có thể chia các phương pháp đó thành hai nhóm chính sau. 1.2.2.2. Phương pháp giải tích gần đúng và các công thức bán thực nghiệm kinh điển 5 Phương pháp giải tích được dựa trên giả thuyết quá trình chuyển pha là lý tưởng, sự chuyển pha và giải phóng nhiệt ẩn đóng băng diễn ra ở nhiệt độ điểm băng không đổi. Đồng thời tồn tại bề mặt phân pha giữa vùng đóng băng và vùng không đóng băng, các thông số nhiệt vật lý được lấy là hằng số. Phương pháp giải tích giải bài toán lạnh đông nổi tiếng nhất là của Plank.R (1913). 2 f Plank f a f L PD RD T T              (1.13) Phương trình Plank sử dụng nhiều giả thiết gần đúng dẫn đến kết quả tính toán không xát với thực tế (sai số lên đến 50-70% khi dự đoán thời gian cấp đông) [40,79]. Tuy nhiên, nó là cơ sở để phát triển những mô hình thực nghiệm dự doán thời gian cấp đông chính xác hơn, trong đó nổi bật là công thức của Q.T.Pham (1986a) [22,70,72], Rewtov [22], Hung, Thompson [22] 1.2.2.3 Ứng dụng phương pháp số giải bài toán truyền nhiệt trong cấp đông thực phẩm. 1. Phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH) Phương pháp sai phân hữu hạn đơn giản, dễ dàng lập trình giải các bài toán vi phân bậc 2 hoặc cao hơn nữa. Nhược điểm của phương pháp này là không ứng dụng được với các vật thể có hình dáng phức tạp do việc chia lưới không gian rất khó khăn. 2. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp tốt nhất về mặt toán học, phương pháp này có thể được áp dụng cho các vật thể và lưới phức tạp. Tuy nhiên, phương pháp này là phương pháp phức tạp nhất trong các phương pháp số, cả về mặt thuật toán và về mặt lập trình ứng dụng. 3. Phương pháp thể tích hữu hạn (TTHH) Trong các phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp có độ chính xác toán học cao nhất, cho phép giải được các bài toán rất nhiều chiều, phi tuyến. Tuy nhiên phương pháp này có thuật toán phức tạp, khó thực hiện. Phương pháp thể tích hữu hạn, với ưu điểm là thuật toán đơn giản, có khả năng giải quyết được bài toán vi phân phi tuyến trên các đối tượng hình học phức tạp. Phương pháp này được lựa chọn để giải hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt trong thực phẩm cấp đông và sẽ được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo của luận án dựa theo thuật toán của Onhishenko V.P.[31] 1.3 Tổng quan về mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý Để giải quyết mô hình toán của quá trình cấp đông thực phẩm dưới dạng phương trình vi phân phi tuyến dẫn nhiệt không ổn định dạng (1.7), phải xác định được các thông số nhiệt vật lý của thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì các thông số nhiệt vật lý đóng vai trò là các hệ số trong mô hình toán học, tính toán chính xác các thông số đó có tính chất quyết định đến tính chính xác của mô hình. 1.3.1 Thành phần băng trong thực phẩm kết đông Thành phần băng trong thực phẩm đóng vai trò quan trọng trong việc xác định những thông số nhiệt vật lý của thực phẩm. Mô hình toán xác định hàm lượng băng trong thực phẩm được nhiều tác giả trên thế giới công bố như: Chen (1985) [28], Tchigeov(1979) [92], Latyshev(1992) [49] … Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này để xác định thành phần băng trong thực phẩm, tác giả áp dụng công thức Tchigeov (1979)[92]. 1,105 0,7138 1 ln( 1) ice wo f x x t t       1.3.2 Nhiệt dung riêng Mô hình thực nghiệm đầu tiên dự đoán nhiệt dung riêng thực phẩm là phương trình của Sibel (1982) [89] tuy nhiên mô hình này chỉ xét ảnh hưởng của hàm lượng nước đến nhiệt dung riêng. Những phương trình khác được đưa ra bởi Leniger& Beverloo (1975) và Charm (1978) [27,51] Schwartzberg (1976,1981), Heldman và Singh(1981), Choi va Okos (1986), Chen (1985) đã đề xuất, đã cải tiến phát triển mô hình xác định nhiệt dung riêng chính xác hơn. (1.32) 6 Thực tế ở dưới điểm kết đông của thực phẩm, dòng nhiệt tỏa ra từ sản phẩm bao gồm: nhiệt hiện để thay đổi trường nhiệt độ và nhiệt ẩn dưới dạng hoá băng nước do có sự chuyển pha nên việc tính toán nhiệt dung riêng khó khăn và phức tạp hơn. Trong luận án này sử dụng mô hình của trường phái Trumak I.G- Onhishenko V.P, được xây dựng trên cơ sở lý thuyết coi thực phẩm như hệ nhiệt động đa thành phần cân bằng có biến pha[31,33,66]. 1.3.3 Entanpi Nghiên cứu của Chang và Tao (1981) Chen (1985a) Schwartzberg (1976) là những mô hình được xây dựng từ nghiên cứu thực nghiệm. Khi sử dụng những mô hình đó tính cho các nhóm thực phẩm khác nhau sẽ có sai số khác nhau. Do đó trong luận án này entanpi sẽ được tính theo công thức xác định nhiệt dung riêng hiệu dụng C e (T) của TrumakI.G-Onhishenko V.P[31,33] được trình bầy trong chương tiếp theo. 1.3.4 Khối lượng riêng Khối lượng riêng của thực phẩm phụ thuộc chủ yếu vào thành phần thực phẩm và nhiệt độ. Thực phẩm được coi là một hệ nhiều pha. Trong luận án sử dụng mô hình của Choi & Okos (1986)[30,61] để xác định khối lượng riêng của thực phẩm khi đã biết thành phần khối lượng của chúng: 1.3.5 Hệ số dẫn nhiệt Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt khác nhau để xác định hệ số dẫn nhiệt. Mô hình xác định hệ số dẫn nhiệt đầu tiên được Maxwell (1904) đề xuất, để tăng độ chính xác, một số tác giả khác như: Eucken (1940), Kopelman (1966), Levy (1981), Choi và Okos (1986) Levy (1981) phát triển mô hình xác định hệ số dẫn nhiệt từ mô hình của Maxwell. Trong khuôn khổ luận án này tác giả dùng mô hình của Viện sĩ Novikov (2000)[67] để xác định hệ số dẫn nhiệt  được trình bầy ở chương tiếp theo. 1.4 Kết luận Đối với thủy sản của Việt Nam cho đến nay chưa có tác giả nào nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình truyền chất trong quá trình cấp đông tới mô hình cấp đông được xây dựng trên cơ sở phương trình truyền nhiệt không ổn định. Do vậy việc nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của truyền chất là rất cần thiết và từ đó chúng ta mới có thể khẳng định được có thể bỏ qua ảnh hưởng của truyền chất, chỉ tính đến yếu tố truyền nhiệt trong quá trình cấp đông thủy sản hay không. Mô hình mô phỏng quá trình cấp đông được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt phi tuyến không ổn định kết hợp với điều kiện biên loại ba. Phương pháp thể tích hữu hạn với thuật toán làm tăng độ hội tụ của Trumak I.G- OnhishenkoV.P[31,33] được sử dụng trong luận án này để giải hệ phương trình mô tả quá trình truyền nhiệt không ổn định xảy ra đối với cá thu trong quá trình cấp đông. Trong các nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm tác giả chọn cách tiếp cận của trường phái Chumak I.G & Onhishenko V.P.[31,32,33], dựa trên cơ sở coi thực phẩm như một hệ nhiệt động đa thành phần, cân bằng và có chuyển pha theo nhiệt độ. Cách tiếp cận này cho kết quả đáng tin cậy và có cơ sở lý thuyết chặt chẽ hơn cả. Trong chương 2 tác giả trình bầy mô hình xác định các thông số nhiệt vật lý của thực phẩm. 1.5 Mục tiêu luận án - Lựa chọn và phát triển mô hình hoàn chỉnh xác định các thông số nhiệt vật lý của cá Thu trong dải nhiệt độ rộng (-40 0 C ÷ 40 0 C). - Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng của truyền chất, đánh giá thực nghiệm độ hụt khối lượng của sản phẩm trong quá trình cấp đông. Đối tượng thực nghiệm là cá Thu . - Xây dựng mô hình xác định trường nhiệt độ, thời gian cấp đông hợp lý theo trường phái Chumak- Onhishenko, giải trực tiếp bài toán dẫn nhiệt phi tuyến có đạo hàm riêng bằng phương pháp thể tích hữu hạn, có khả năng ứng dụng cho vật thể có hình dạng bất kỳ. Kết quả nghiên cứu lý thuyết được kiểm chứng bằng thực nghiệm với đối tượng nghiên cứu cá Thu . - Áp dụng mô hình mô phỏng, kết hợp với khảo sát thực tế tại nhà máy, nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố tới quá trình cấp đông , đưa ra một số giải pháp nhằm tiết kiệm năng lượng trong quá trình cấp đông. 7 Chương 2 MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA CÁ THU Qua phân tích đánh giá tổng quan trong chương 1 tác giả thấy rằng vẫn còn một số hạn chế trong các mô hình đã nêu, từ đó dẫn đến các kết quả tính toán có sai số lớn. Trong chương 2 tác giả sử dụng những mô hình mới hơn, có độ tin cậy cao hơn để xác định tính chất nhiệt vật lý của cá Thu phục vụ cho việc nghiên cứu xây dựng mô hình toán học mô phỏng trường nhiệt độ và thời gian cấp đông ở chương tiếp theo. 2.1 Phát triển mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý của cá Thu 2.1.1 Thành phần băng trong thực phẩm kết đông 2.1.1.1. Các dạng liên kết của nước trong thực phẩm kết đông Nước là chìa khoá của sự sống, là dung môi quan trọng nhất trong toàn bộ đời sống sinh vật. Bản chất của quá trình kết đông là sự chuyển pha của nước từ lỏng sang rắn quyết định đến khả năng bảo vệ hay phá huỷ cấu trúc sinh vật. Trong thực phẩm chứa nhiều loại nước khác nhau. Trong trường hợp thực phẩm kết đông, các thành phần này bao gồm: nước đã kết đông - băng (x ice ), nước liên kết (x b ), nước chưa kết đông (x u ). Nếu coi tổng lượng nước ban đầu là x wo , ta có phương trình liên hệ: x wo = x u + x ice + x b (2.1) 2.1.2 Tỷ lệ đóng băng của nước trong quá trình cấp đông thực phẩm Công thức (1.32) xác định tỷ lệ đóng băng của Tchigeov (1979)[92] được Fikiin (1996)[37,38] đánh giá đúng với nhiều loại thực phẩm trong dải nhiệt độ rộng. Chính vì vậy, luận án lựa chọn công thức Tchigeov làm công thức xác định tỷ lệ nước đóng băng trong thực phẩm cấp đông. 2.1.3 Nhiệt dung riêng hiệu dụng Đại lượng nhiệt dung riêng hiệu dụng C e được Chumak- Onhishenko [33,93] đưa ra để tính đến ảnh hưởng của cả nhiệt ẩn và nhiệt hiện trong quá trình làm lạnh cấp đông. Trong phương trình vi phân dẫn nhiệt tổng quát của quá trình lạnh đông thực phẩm 1.7, q(r, τ)  được coi là lượng nhiệt do nguồn nhiệt trong sinh ra do sự chuyển pha của nước trong phân tố phụ thuộc vào tọa độ và thời gian[85].                                      d dTLTx TLTx V TLVTx V Q rq wo wo V wo V V . lim . lim . lim, 0 0 0 0 0 0                                 , ., rT dT d TLTxrq wo   (2.3) Thay phương trình 2.3 vào phương trình 1.8, ta thu được phương trình 2.4:                         ,)( , )()()( , )()(.,)( , )()( rTT rT T dT d TLxTC rT dT d TLTxrTT rT TTC wo wo                     (2.4) Nếu đặt: ( ) ( ) ( ) e wo d C T C T x L T dT    , thì phương trình 2.4 trở thành:     e T(r, ) C T . (T) . (T) T(r, τ)           (2.5) Trong đó C e (T) là nhiệt dung riêng hiệu dụng có tính đến ảnh hưởng của thành phần nhiệt ẩn và nhiệt hiện trong quá trình làm lạnh cấp đông. 2.1.3.1. Đối với thực phẩm trên điểm băng 8 Khi cấp đông ở trên điểm băng nước trong thực phẩm chưa đóng băng nên không có nhiệt ẩn chuyển pha, khi đó công thức tính nhiệt dung riêng hiệu dụng được lấy theo phương trình của Choi & Okos (1986)[30]: CHO CHOfifiasasfafappwwo i i ipe CxCxCxCxCxCx CxTCTC )()(    (2.6) 2.1.3.2. Đối với thực phẩm dưới điểm băng Nước trong thực phẩm bắt đầu đóng băng khi đó lượng băng hình thành trong thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ. Đồng thời trong biểu thức nhiệt dung riêng hiệu dụng có xuất hiện thành phần nhiệt ẩn chuyển pha của nước. Nhiệt dung riêng hiệu dụng được xác định theo công thức: dT d TLxTCTC woe  )()()(  . ( ) (1 ). ( ) . . ( ) ( ) si si wo w wo ice wo i d x C T x C T x C T x L T dT          (2.11) 2.1.4 Entanpi Xuất phát từ công thức xác định nhiệt dung riêng hiệu dụng theo nhiệt độ 2.6 và 2.11, entanpi được xác định như sau:   dTtCTh t e    40 )( (2.14) 2.1.5 Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng Trong thực phẩm có nhiều thành phần có cấu trúc nằm đan xen lẫn nhau. Nếu xem xét hệ số dẫn nhiệt của một thành phần bất kỳ với các thành phần còn lại thông qua hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng thì lúc này coi như hệ gồm hai thành phần. Khi đó hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của thành phần còn lại được tính như sau [66,67]: i j j j i L V     (2.17) Trong đó: j  - hệ số dẫn nhiệt của thành phần thứ j phụ thuộc vào nhiệt độ, theo bảng 2.3 trong luận án j j j x V   .  - thành phần thể tích thứ j Xác định hệ số dẫn nhiệt K i của hệ cấu thành từ hai phần tử: thành phần thứ i ( i i , V  ) và thành phần còn lại ( i i L ,1 V  )[66,67] i i 1 1/3 1/3 1 m K L . 1 (1 ) (1 m)(1 m )(1 m )                 (2.18) Trong đó: i m 1 V   - thành phần thể tích của phần còn lại; i i L    Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của toàn hệ sẽ bằng[66,67] i i i i i i K L (T) . L        (2.19) Như vậy hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của thực phẩm được thực hiện qua các bước sau [66]: Các bước tính toán theo thuật toán được mô tả như sau: Bước 1: Xác định hệ số dẫn nhiệt   i T  của thành phần tử thứ i theo bảng 2.3 Bước 2: Xác định hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng   i L T của hệ phần tử bao quanh phần tử i theo công thức 2.17 Bước 3: Xác định hệ số dẫn nhiệt K i của hệ cấu thành từ hai phần tử: thành phần thứ i ( i i , V  ) và thành phần còn lại ( i i L ,1 V  ) theo 2.18 Bước 4: Xác định hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của toàn hệ theo công thức 2.19. 9 2.1.6 Khối lượng riêng    i i i x    1 (2.20) Trong đó:  - thành phần rỗng của vật (đối với thịt, cá 0  ) x i – thành phần khối lượng thứ i của thực phẩm i  - khối lượng riêng thành phần thứ i của thực phẩm được lấy theo bảng 2.4 trong luận án 2.2 Xây dựng hoàn thiện phần mềm xác định tính chất nhiệt vật lý của cá Thu theo nhiệt độ. Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab với giao diện đơn giản, dễ sử dụng nhưng đầy đủ. Sử dụng mô hình xác định các tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm đã được tổng hợp ở mục 2.1. Dữ liệu đầu vào là thành phần khối lượng : nước, protein, mỡ, tro, hydrocacbon, nhiệt độ điểm băng. Phần mềm xẽ xuất dữ liệu ra dạng excel hoặc đồ thị ngày trên màm hình. Hình 2.4: Giao diện khi khởi động của phần mềm Hình 2.5: Giao diện làm việc của phần mềm 2.3 Đánh giá độ tin cậy của mô hình tính chất nhiệt vật lý. Để đánh giá độ tin cậy của mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý, tác giả sẽ tiến hành so sánh các kết quả tính toán bằng phần mềm và các kết quả thực nghiệm đối với các loại thực phẩm khác nhau có thành phần khối lượng và tính chất nhiệt vật lý đã được công bố trên thế giới của các nhà khoa học khác. 2.3.1 Đối tượng nghiên cứu kiểm chứng Đối tượng nghiên cứu của luận án là cá Thu vịnh bắc bộ. Loài cá này chỉ có một vài số liệu đo thực nghiệm tại một số nhiệt độ khác nhau về tính chất nhiệt vật lý nên rất khó khăn khi kiểm định độ tin cậy. Tác giả đã lựa chọn một số loại cá biển khác có đặc tính gần với cá Thu để kiểm định độ chính xác của mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý. Các loại cá này bao gồm: cá Ngừ, cá Hồi, cá Vược, cá Tuyết. Ngoài ra, tác giả còn kiểm chứng với thịt bò, các thực phẩm này đã có sẵn các tính chất nhiệt vật lý được công bố trong một số bài báo quốc tế và ASHARE 2010 2.3.2 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm tỷ lệ nước đóng băng Hình 2.7: Sự biến đổi của tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ với thịt bò Hình 2.8: Sự biến đổi của tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ với cá Tuyết 10 Độ sai lệch giữa kết quả đo thực nghiệm và kết quả tính toán lý thuyết khá nhỏ (cao nhất là 4% với thịt bò và 12% đối với cá Tuyết và cá Vược). Đây là độ sai lệch chấp nhận được do cấu trúc không đồng nhất và sự dao động của thành phần khối lượng ban đầu xung quanh giá trị trung bình. 2.3.3 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm nhiệt dung riêng Hình 2.10: Sự biến đổi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ đối với cá Hồi Hình 2.12: Sự biến đổi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ đối với cá Thu Các số liệu thực nghiệm thu được hiện nay đều nằm ở vùng nhiệt độ dương và vùng nhiệt độ âm sâu. Kết quả tính toán của mô hình và thực nghiệm gần như trung nhau. Sai số tại những điểm đo được và mô hình là khoảng 1%. Tại vùng lân cận dưới điểm nhiệt độ bắt đầu kết đông, nhiệt dung riêng hiệu dụng tăng nhanh đột ngột sau đó lại giảm xuống nhanh chóng là do trong vùng này tỷ lệ nước đóng băng tăng đột ngột dẫn đến ẩn nhiệt cần để thực hiện hiện tượng chuyển pha rất lớn. Sau khi nhiệt độ giảm đi, tốc độ tăng của tỷ lệ nước đóng băng giảm dần theo độ giảm nhiệt độ, dẫn đến nhiệt dung riêng hiệu dụng giảm dần. Khi nhiệt độ thực phẩm nhỏ hơn nhiệt độ bắt đầu kết đông khoảng 10 o C, tỷ lệ nước đóng băng thay đổi rất chậm theo nhiệt độ, ảnh hưởng của ẩn nhiệt chuyển pha giảm dần và nhiệt dung riêng thay đổi chậm theo độ giảm nhiệt độ. 2.3.4 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm entanpi Hình 2.13: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối với cá Ngừ Hình 2.15: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối với cá Thu Sự thay đổi của entanpi theo nhiệt độ được chia làm 3 giai đoạn: giai đoạn nhiệt độ dương, giai đoạn nhiệt độ nằm ở lân cận dưới nhiệt độ bắt đầu kết đông và giai đoạn nhiệt độ âm sâu. Sai số giữa kết quả tính toán và mô hình là khoảng 3%. 2.3.5 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hệ số dẫn nhiệt hiệu Hình 2.18: Sự biến đổi của hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ đối với cá Ngừ Hình 2.20: Sự biến đổi của hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ đối với cá Thu [...]... cấp đông của cá Thu, trên cơ sở số liệu thu được có thể đánh giá ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ, tốc độ gió, độ dày sản phẩm đến thời gian cấp đông và trường nhiệt độ, được xem xét trong chương tiếp theo Chương 4 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG CÁ THU 4.1 Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tới quá. .. Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận 1 Luận án đã đánh giá ảnh hưởng của quá trình truyền chất thông qua việc xác định tỷ lệ hụt khối lượng trong quá trình cấp đông cá Thu bằng thực nghiệm từ đó rút ra được mức độ ảnh hưởng của quá trình truyền chất đến quá trình truyền nhiệt trong quá trình cấp đông cá Thu khoảng 5% và có thể bỏ qua trong quá trình tính toán 2 Luận án đã lựa chọn và phát triển... yêu cầu đề ra trong tính toán kỹ thu t 3.7 Kết luận chương 3  Tác giả đã sử dụng lý thuyết và thực nghiệm để khẳng định truyền chất có ảnh hưởng không lớn đến bài toán truyền nhiệt truyền chất trong quá trình cấp đông và có thể bỏ qua, chỉ giải bài toàn truyền nhiệt có xét đến nhiệt chuyển pha trong quá trình cấp đông khi giải bài toán xác định trường nhiệt độ và thời gian khi cấp đông cá Thu cho kết... TRUYỀN CHẤT VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG CÁ THU 3.1 Đánh giá sự ảnh hưởng của quá trình trao đổi chất đến quá trình cấp đông cá Thu Quá trình trao đổi chất giữa bề mặt thực phẩm và môi trường xung quanh là nhân tố chính ảnh hưởng đến độ hụt khối lượng và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm khi cấp đông Trong giai đoạn đầu quá trình cấp đông, nước ở pha lỏng sẽ bay hơi vào trong môi trường Sau khi... sẽ rất lớn, phương pháp này sẽ trở thành bất khả thi 4.3.2 Giải pháp tiết kiệm năng lượng đơi với thiết bị cấp đông dạng IQF tại nhà máy Các giải pháp tiết kiệm năng lượng có thể phân thành ba nhóm sau: (i),Nhóm 1: Lắp đặt hợp lý, (ii) Nhóm 2: Bảo trì và bảo dưỡng thiết bị định kỳ nhằm nâng cao hiệu suất thiết bị trong vận hành, (iii) Nhóm 3: Ứng dụng các giải pháp tiết kiệm năng lượng nhằm đảm bảo... trường tới quá trình cấp đông cá Thu Chất lượng thực phẩm sau cấp đông phụ thu c rất nhiều vào quá trình biến đổi thành phần thực phẩm trong khi cấp động và nó phụ thu c vào nhiệt độ, tốc độ gió và chiều dày sản phẩm Nếu tốc độ cấp đông hợp lý các tinh thể đá hình thành trong thực phẩm sẽ ở dạng vô định hình và như vậy sẽ không phá vỡ cấu trúc tế bào của thực phẩm trong quá trình cấp đông 4.1.1 Đánh... bất kỳ nhiệt độ nào trong khoảng nhiệt độ -400C ÷ 400C Bộ số liệu tính chất nhiệt vật lý của cá Thu phụ thu c vào nhiệt độ bằng mô hình thông qua phầm mềm mà tác giả đưa ra đảm bảo độ tin cậy, Trên cơ sở dữ liệu này dùng cho nghiên cứu xây dựng mô hình toán xác định thời gian cấp đông và trường nhiệt độ khi cấp đông cho cá Thu trong chương tiếp theo Chương 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRUYỀN CHẤT VÀ MÔ... Vận tốc Nhiệt độ Chiều dày Đơn vị m/s 0 C cm Khoảng làm việc hợp lý 10  12 -39  -35 2.3 3 21 Thời gian cấp đông hợp lý  (phút) 19  48 4.3 Đề xuất các giải pháp tiêu hao năng lượng trong quá trình cấp đông cá thu 4.3.1 Xác định chế độ cấp đông tối ưu theo phương pháp thực nghiệm Tối ưu hóa thực nghiệm là việc xác định nghiệm tối ưu bằng cách làm các thí nghiệm để xác định lượng tiêu thụ năng lượng. .. đạt các yêu cầu về kích thước cá được rửa sạch, cắt miếng theo chiều dày cho trước, xác định khối lượng ban đầu của miếng cá Gắn các đầu đo cặp nhiệt, đưa vào buồng cấp đông, giám sát nhiệt độ và vận tốc gió trong buồng Khi nhiệt độ tâm đạt -180C, kết thúc quá trình cấp đông, nhanh chóng lấy miếng cá ra và cân nhanh nhằm đảm bảo độ chính xác của việc xác định khối lượng Thực hiện ở 10 chế độ với các nhiệt. .. trình cấp đông cá Thu Đưa ra phương pháp xác đinh hao hụt khối lượng bằng lý thuyết và xác định tỷ lệ nhiệt ẩn trong quá trình cấp đông ở phần sau 3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cấp đông cá Thu 3.2.1 Những giả thiết sử dụng khi xây dựng mô hình toán học bài toán dẫn nhiệt bên trong thực phẩm cấp đông Khi xây dựng mô hình toán học hiện tượng dẫn nhiệt bên trong thực phẩm được cấp đông gió, . bán thực nghiệm kinh điển 5 Phương pháp giải tích được dựa trên giả thuyết quá trình chuyển pha là lý tưởng, sự chuyển pha và giải phóng nhiệt ẩn đóng băng diễn ra ở nhiệt độ điểm băng không. gần đây, thủy sản đã có những đóng góp quan trọng trong chuyển dịch cơ cấu kinh tế ngành nông nghiệp. Cơ cấu sản xuất nông, lâm, thuỷ sản chuyển dịch theo hướng nâng cao năng suất, chất lượng,. của thực phẩm xuống dải nhiệt độ âm sẽ khiến dung dịch lỏng bên trong thực phẩm chuyển thành dạng rắn. Quá trình chuyển pha sẽ làm thay đổi hoàn toàn tính chất nhiệt vật lý của sản phẩm. Các nghiên