Báo cáo Xây dựng bài toán truyền nhiệt chiên tôm tẩm bột trong dầu

Giả sử bỏ qua sự khác biệt về hệ số dẫn nhiệt của lớp bột chiên xù và thịt tôm, xem tôm tẩm bột là một vật thể đồng nhất, liên tục và đẳng hướng  đây là bài toán dẫn nhiệt không ổn định trong vật rắn lý tưởng.Vì tôm được truyền nhiệt ngập trong môi trường lưu chất là dầu, nên trường nhiệt cân bằng trên bề mặt tôm và lưu chất được xét theo điều kiện biên loại 3.Ta giải bài toán bằng phương pháp Siêu Vị: đưa bài toán về dạng tổ hợp của 3 trường nhiệt trong 3 vật phẳng cổ điển, ở điều kiện biên loại 3, đối xứng ứng với 3 kích thước tôm theo các trục Ox, Oy, Oz.Giải bái toán truyền nhiệt chiên tôm tẩm bột trong dầuBài toán truyền nhiệt không ổn đinhCách giải bái toán truyền nhiệt không ổn định chiên tôm tẩm bột trong dầuXây dưng mô hình giải bái toán truyền nhiệt chiên tôm tẩm bột trong dầu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

TIỂU LUẬN CHUYÊN ĐỀ TRUYỀN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH

ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN VÀ GIẢI BÀI TOÁN TRUYỀN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH CỦA QUÁ TRÌNH CHIÊN TÔM TẨM BỘT TRONG DẦU

Lớp: Nhóm 6

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Bôn HVTH:

STT Họ & Tên Chữ Ký

Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2015

MỞ ĐẦU

Ẩm thực Việt Nam là cả một thế giới của sự phong phú và đa dạng với nguồn nguyên liệu dồi dào qua bàn tay chế biến của các bà nội trợ theo nhiều công thức khác nhau tạo ra rất nhiều món ăn hấp dẫn, thỏa mãn nhu cầu thưởng thức ẩm thực của con người Xét về góc độ khoa học

kỹ thuật, chế biến là quá trình làm chín sinh hóa thực phẩm trên cơ sở là sự truyền nhiệt vào thực phẩm với nhiệt độ và thời gian phù hợp

Chính vì vậy, truyền nhiệt là môn học quan trọng, không thể thiếu trong chương trình đào tạo của ngành công nghệ thực phẩm Môn học mang lại những kiến thức chuyên môn về các thiết

bị và các quá trình dẫn truyền nhiệt năng trong các quá trình chế biến thực phẩm Để từ đó giúp cho người học có thể vận dụng kiến thức vào thực tế chế biến trong gia đình hay trong quy mô quy trình sản xuất với số lượng lớn

Với đề tài tiểu luận “ Xây dựng mô hình toán và giải bài toán truyền nhiệt không ổn định của quá trình chiên tôm tẩm bột trong dầu”, nhóm chúng em đã cùng nhau xây dựng, thực hiện quy trình làm chế biến móm tôm tẩm bột chiên trong dầu, đo các điểm thời gian, nhiệt độ và xác định một vài yếu tố khác Bên cạnh đó, nhóm còn áp dụng những lý thuyết và phương pháp tính toán từ giáo trình để giải một bài toán truyền nhiệt cụ thể với mô hình thực phẩm vừa thực hiện

Để hoàn thành bài tiểu luận, chúng em xin chân thành cảm ơn sự giảng dạy và giúp đỡ của thầy Phạm Văn Bôn – giảng viên bộ môn Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, khoa Kỹ thuật hóa học, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Bài tiểu luận chắc hẳn có nhiều sai sót Nhóm chúng em chân thành mong nhận được sự góp ý, phản hồi của thầy và các bạn để có thể hoàn thiện bài tiểu luận tốt hơn

Nhóm học viên thực hiện.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

1 Nguyên liệu Tôm

Tôm là loài động vật giáp xác được sử dụng làm thực phẩm bởi chúng có thành phần dinh dưỡng khá cao và dễ chế biến, dễ nuôi và dễ đánh bắt Tại Việt Nam Tôm là nguồn nguyên liệu đang đóng một vị trí quan trọng trong nguồi thủy sản xuất khẩu ra nước ngoài, trong đó Tôm Sú, Tôm thẻ chân trắng, Tôm càng xanh và Tôm hùm… là phổ biến

Tôm Sú [6] [7] [10]

Tôm sú (Penaeus monodon hay Black tiger shrimp) là một trong những đối tượng nuôi biển

có giá trị kinh tế cao và được nuôi phổ biến ở hơn 22 quốc gia trên thế giới Tại Việt Nam, nghề nuôi tôm sú phát triển mạnh mẽ từ Bắc tới Nam, với trên 600.000 ha diện tích nuôi, sản lượng tôm sú mỗi năm đạt trên 300.000 tấn

Hình 1: Tôm sú

Đặc điểm sinh học: Tôm sú là loài sống ở nơi chất đáy là bùn pha cát với độ sâu từ ven bờ

đến 40 m nước và độ mặn 5 ÷ 34‰ Tôm sú có đặc điểm sinh trưởng nhanh, trong 3 ÷ 4 tháng có thể đạt cỡ bình quân 40 -50 gam Tôm trưởng thành tối đa với con cái có chiều dài là 220 ÷ 250mm, trọng lượng 100-300gam Con đực dài 160 ÷ 210mm, trọng lượng 80 ÷ 200 gam Tôm

có tính ăn tạp, thức ăn ưa thích là thịt các loài nhuyên thể, giun nhiều tơ (Polycheacta) và giáp

xác

Vùng phân bố: Tôm sú phân bố rộng từ Bắc đến Nam, từ ven bờ đến vùng có độ sâu 40m.

Vùng phân bố chính là vùng biẻn các tỉnh Trung bộ

Nguồn nguyên liệu:

Khai thác ngoài biển từ tháng 01 đến tháng 11

Tôm được nuôi khoảng từ tháng 04 đến tháng 09

Bảng thành phần hóa học của Tôm sú

Kết quả thực nghiệm của TCTS 03/2002

Khoảng % dao động của các thành phần

Bảng thành phần dinh dưỡng của Tôm sú

Thành phần dinh dưỡng trong 100g thực phẩm ăn được

Tôm thẻ chân trắng [8] [9]

Tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei, tên gọi trước đây Penaeus vannamei) là một dạng của tôm panđan (không phải Caridea) của vùng đông Thái Bình Dương thường được đánh bắt hoặc nuôi làm thực phẩm Theo ước tính từ Nuôi trồng thủy sản châu Á – Thái Bình Dương, Indonesia đã trở thành quốc gia nuôi tôm lớn thứ hai trên thế giới trong năm 2014 Sản lượng tôm thẻ chân trắng của Indonesia đã tăng 31% lên mức 504.000 tấn, đứng sau Trung Quốc với 955.000 tấn Sản lượng tôm thẻ chân trắng của Ecuador đã giảm 19% xuống còn 286.000 tấn so với mức 340.000 tấn của năm 2013 Trong năm 2014, Việt Nam cũng ghi nhận mức sản lượng tôm chân trắng tăng, từ 267.615 tấn lên mức 328.000 tấn

Đặc điểm sinh học: Trong thiên nhiên, tôm trưởng thành, giao hợp, sinh đẻ trong những

vùng biển có độ sâu 70 mét với nhiệt độ 26-28 độ C, độ mặn khá cao (35 phần ngàn) Trứng nở

ra ấu trùng và vẫn loan quanh ở khu vực sâu này Tới giai đoạn Potlarvae, chúng bơi vào gần bờ

và sinh sống ở đáy những vùng cửa sông cạn Sau một vài tháng, tôm con trưởng thành, chúng bơi ngược ra biển và tiếp diễn cuộc sống giao hợp, sinh sản làm chọn chu kỳ Tôm chân trắng lớn rất nhanh trong giai đoạn đầu, mỗi tuần có thể tăng trưởng 3g với mật độ 100con/m2 tại Hawaii không kém gì tôm sú, sau khi đã đạt được 20g tôm bắt đầu lớn chậm lại, khoảng 1g/tuần, tôm cái thường lớn nhanh hơn tôm đực

Hình Tôm thẻ chân trắng Vùng phân bố: Châu Mỹ La Tinh, Hawaii, hiện nay được nuôi ở rất nhiều nước trên thế giới

như: Đài Loan, Trung Quốc, Việt Nam

Nguồn nguyên liệu:

Khai thác: tại các vùng biển

Nuôi : trong môi trường nước mặn

Bảng thành phần hóa học cơ bản của Tôm thẻ chân trắng

Thành phần hóa học Hàm lượng (% tính trên khối lượng khô tuyệt đối)

[Theo Tạp chí khoa học – CNTS số 3/2012]

Bảng chỉ tiêu chất lượng của nguyên liệu Tôm

Chỉ tiêu cảm quan

Màu sắc Màu sắc tôm tươi sáng, vỏ mỏng, có màu tro đen đến đen,

không có màu nhợt hoặc quá sẫm Hình dạng Nguyên vẹn, không khuyểt tật, không vỡ gạch, không mềm

vỏ, không giãn đốt, không vỡ vỏ

Bên trong thịt săn chắc

Kích thước Đồng đều, cùng kích cỡ, khoảng 15  18cm

Chỉ tiêu hóa lý

Chỉ tiêu vi sinh

E.coli 102cfu

2 Nguyên liệu dầu thực vật [1] [2]

Dầu thực vật là hỗn hợp triglycerit được chiết xuất từ thân, hạt hay củ của một số loại cây như: đậu phộng, mè, hướng dương, đậu nành…Tương ứng với tên gọi là tên dầu được sản xuất

từ cây đó Ví dụ như: dầu lạc, dầu đậu nành, dầu mè, dầu oliu…Trong công nghiệp chế biến người ta thường sử dụng dầu lạc Đây là loại dầu có thành phần dinh dưỡng cao

Vai trò:

Làm lưu chất cho quá trình truyền nhiệt để làm chín sản phẩm

Tạo cảm quan vị thơm và béo ngậy cho sản phẩm

Cung cấp thêm năng lượng cho sản phẩm dưới dạng lipid

Bảng thành phần acid béo trong dầu lạc:

Tên axit béo % so với tổng lượng acid béo

Bảng chỉ tiêu chất lượng của dầu thực vật

Chỉ tiêu cảm quan

Chỉ tiêu hóa lý

Acid béo tự do ≤ 0.3 acid oleic hay 0.6 mg KOH/kg dầu Chỉ số peroxit ≤ 10 mili đương lượng hoạt tính/kg dầu

Chỉ số xà

Chỉ tiêu vi sinh vật

3 Trứng

4 Bột chiên giòn

Thành phần của bột chiên giòn: Tinh bột ngô, bột mì, bột gạo, chất tạo xốp Emulpals HO

( Theo sản phẩm bột chiên giòn Vĩnh Thuận.Type equation here

5 Bột chiên xù

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN PHẨM

1 Quy trình sản phẩm

2 Thuyết minh quy trình

Công đoạn 1: Xử lý

Mục đích

Chuẩn bị: Tôm sau khi mua về tiến hành rửa để loại bỏ đất, cát và những tạp chất bẩn Hoàn thiện: Tại công đoạn xử lý Tôm được loại đầu và vỏ là những thành phần giá trị dinh dưỡng thấp

Các biển đổi nguyên liệu:

Vật lý: khối lượng tôm giảm do bỏ những thành phần không có giá trị dinh dưỡng cao như đầu tôm và vỏ tôm

Hóa hoc: dịch trong Tôm có thể tiêt ra ngoài trong giai đoạn này

Vi sinh: Tôm có thể bị nhiễm vi sinh trong giai đoạn này vì phần lớp vỏ bảo quản bị loại, do

đó khi xử lý xong ta phải tiến hành ngay công đoạn thứ 2 để tráng ảnh hưởng VSV

Công đoạn 2: Tẩm bột

Mục đích

Hoàn thiện: Tăng thêm tính hấp dẫn và mới lạ cho sản phẩm

Biến đổi

Vật lý: khối lượng của Tôm tăng do lớp bột áo phía ngoài

Công đoạn 3: Chiêm Tôm đã tẩm bột

Mục đích:

Chế biến để làm chín thực phẩm: Tôm sau công tẩm bột ta tiến hành chiên, để chảo lên bếp đun nóng chảo, sau đó đổ dầu ăn đun đến nhiệt độ sôi, cho Tôm đã tẩm bột tiến hành chiên đến khi mặt ngoài tôm vàng đều thì quá trình chiên kết thúc

Phương pháp chiên:

Nhóm sử dụng phương pháp chiên bề sâu, nghĩa là toàn bộ thực phẩm chiên ngập trong dầu

ở nhiệt độ cao vớ nhiệt độ 190℃ Với pp chiên này thì hệ số truyền nhiệt của dầu có thể lên tới

800  1000 W/m2 Độ

Các biến đổi nguyên liệu

Vật lý: Tăng nhiệt độ của sản phẩm, làm khuyếch tán chất béo từ môi trường gia nhiệt vào bên trong, sự hòa tan và khuyếch tán của một số nguyên liệu đi vào môi trường gia nhiệt Do đó,

tỉ trọng và thể tích của nguyên liệu bị thay đổi

Hóa học: Quá trình chiên ở nhiệt độ cao thúc đẩy nhiều phản ứng hóa học Và có 2 phản ứng hóa học chính là: Phản ứng Maillard và phản ứng caramel hóa

Phản ứng Maillard là một hệ gồm nhiều phản ứng giữa đường khử và các hợp chất nhóm amino ( - NH2) như aa, peptit, protein Các sản phẩm phản ứng Maillard được gọi chung là: Melanoidine

Phản ứng Caramel Hóa: là một hệ liên quan đến những phản ứng mất nước của các phân đường như saccharose, Glucose… Giai đoạn sau mất nước các bán thành phẩm có thể tham gia phản ứng ngưng tụ Hỗn hợp sản phẩm có tên chung là caramel

Ngoài ra một số hợp chất hóa học được hình thành từ những phản ứng trên tạo nên mùi đặc trưng cho sản phẩm chiên

Hóa lý: quá trình chiên làm cho nước trong thực phẩm chuyển pha, quá trình này làm cho thực phẩm sau khi chiên có độ ẩm thấp hơn Một số biến đổi quan trọng nữa là đông tụ protein Sinh học và hóa sinh: Nhiệt độ cao sẽ làm vô hoạt chất thuận nghich các enzyme, do đó sự chao đổi chất của tế bào sẽ dừng lại Quá trình chiên làm giảm mật độ VSV trong thực phẩm Tuy nhiên thực phẩm sau khi chiên có thể bị tái nhiễm đặc biệt là công đoạn làm nguội sản phẩm

Biến đổi của dầu trong quá trình chiên:

Hóa học

Thủy phân: sự có mặt của nước trong sản phẩm là thành phần cần thiết để xảy ra phản ứng thủy phân trong chất béo trong quá trình chiên Triglyceride dễ bị thủy phân và lần lượt tạo ra các sản phẩm diglyceride, monoglyceride rồi đến glycerol và các acid béo tự do Các acid béo dễ tham gia vào quá trình oxy hóa làm thay đổi sâu sắc giá trị dinh dưỡng và cảm quan của chất béo Do đó phản ứng thủy phân chất béo là giai đoạn đầu của quá trình chất béo bị hư hỏng Oxy hóa: sự có mặt của oxy sẽ thúc đẩy các phản ứng oxy hóa chất béo diễn ra và tạo nên các gốc tự do, hydroperoxide và cọnugated dienoic acid Các sản phẩm của phản ứng oxy hóa chất béo có thể chia làm 2 nhóm: chất dễ bay hơi và không bay hơi Cơ chế của các quá trình phản ứng oxy hóa trong quá trình chiên thực phẩm tương tự như quá trình oxy hóa chất béo Tuy nhiên các sản phẩm oxy hóa bậc một như hydroperoxide sẽ tiếp tục phân hủy tạo ra các sản phẩm oxy hóa bậc 2 như aldehyde và ketone Một số sản phẩm oxy hóa bậc 2 là các chất aldehyde không bão hòa Hầu hết các sản phẩm oxy hóa bậc 2 là các chất dễ bay hơi Các hợp chất này sẽ tạo nên mùi đặc trưng cho nhóm thực phẩm và ảnh hưởng tốt đến giá trị cảm quan của thực phẩm Tuy nhiên cũng có những sản phẩm ảnh hưởng xấu đến giá trị cảm quan của sản phẩm như các hợp chất aldehyde bão hòa: hexanal, heptanal, octanal, nonanal…

Polymer hóa: Các sản phẩm của phản ứng thủy phân và oxy hóa chất béo có thể tham gia phản ứng polymer hóa và tạo ra các hợp chất phân cực với phân tử lượng cao

Vật lý:

Thay đổi thành phần hóa học của chất béo sẽ làm thay đổi một số tính chất vật lý của chất béo

Hóa lý:

Trong quá trình chiên một số sản phẩm tạo thành do phản ứng thủy phân chất béo bay hơi

Thiết bị:

Dụng cụ cấp điện:

Bếp hồng ngoại Fujicook

Chất liệu vỏ inok

Công suất 2000W, có thể điều chỉnh nhiệt độ

Công dụng: sử dụng cho các kiểu chế bíên hấp, chiên, xào, nấu

Dụng cụ chiên:

Kích thước d = 16cm

Chất liệu: hợp kim nhôm, bên trong phủ lớp chống dính an toàn

Công dụng: xào, chiên thực phẩm

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN CỦA QUÁ TRÌNH CHIÊN TÔM TẨM BỘT

1 Phân tích quá trình

Quá trình chiên tôm tẩm bột gồm có các quá trình truyền nhiệt:

Truyền nhiệt 1: Giai đoạn đầu mặt dưới của Tôm tẩm bột tiếp xúc với Chảo chiên

Nhiệt từ bếp điện  Chảo chiên  Lớp bột chiên của Tôm Tôm

Truyền nhiệt 2: Giai đoạn Tôm lơ lửng trong dầu

Nhiệt từ bếp điện  Chảo chiên  Dầu ăn  Lớp bột chiên của Tôm  Tôm

Tuy nhiên, do lớp áo bột bên ngoài Tôm là bột chiên xù, với cấu trúc rỗng, xốp do đó quá trình cấp nhiệt từ áo bột chiên xù vào Tôm gần như là quá trình cấp nhiệt từ dầu nên bỏ qua quá trình truyền nhiệt từ áo bột chiên xù Và do thời gian đầu độ ẩm của Tôm tẩm bột khá cao, do đó sản phẩm có trọng lượng riêng nặng hơn dầu nên sản phẩm nằm ở mặt dưới tiếp xúc với Chảo, chính vì thế mà nhiệt truyền từ chảo vào Tôm tẩm bột trong thời gian này chủ yếu là làm bay hơi nước trong sản phẩm đến khi trọng lượng riêng của sản phẩm nhẹ hơn và nổi trong dầu nên không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chín của sản phẩm Do đó, ta cũng bỏ qua công đoạn nhiệt truyền từ Chảo  Tôm

Do đó quá trình này ta có các bước truyền nhiệt tham gia vào quá trình làm chính để làm chín sản phẩm Tôm tẩm bột như sau:

Nhiệt truyền từ Chảo chiên  dầu; Dầu  Tôm

2 Thông số quá trình

T c Nhiệt độ nóng ổn định của Chảo chiên ( đun nóng chảo đến khoảng 1 phút,

sau đó đo nhiệt độ đến khi nhiệt độ Chảo không thay đổi nhiều), nhiệt cung

cấp cho Chảo từ bếp điện ổn định ℃

T tt Nhiệt độ tâm của sản phẩm Tôm tẩm bột chiên khi chín ℃

T 0 Nhiệt độ ban đầu của tôm℃

t sd Thời gian Chảo cc nhiệt để Dầu đạt đến nhiệt độ sôi ( phút)

t tt Thời gian để Dầu cung cấp nhiệt cho Tôm đạt đến nhiệt độ chín ( phút)

α d Hệ số cấp nhiệt của dầu ăn W/m2.độ

F c Diện tích truyền nhiệt của Chảo m2

F d Diện tích truyền nhiệt của dầu cho 1 con Tôm tẩm bột, F d = S t ( diện tích phía

ngoài của 1 con Tôm) m2

δ , L, r Kích thước chiều dầy, chiều dài và bề rộng của Tôm tẩm bột (m)

a Hệ số dẫn nhiệt độ của tôm (m2

/s¿

3 Mô hình toán của quá trình [3] [4] [5]

3.1 Mô hình toán truyền nhiệt

Đối tượng tham gia vào quá trình chao đổi nhiệt là:

Dầu ăn : Môi trường lưu chất

Chảo, tôm: vật rắn

Do đó quá trình chao đổi nhiệt trong bài toán này là quá trình chao đổi nhiệt giữa vật rắn và lưu chất, đây chính là bài toán điều kiện loại 3: Điều kiện này cho biết cường độ trao đổi nhiệt ở

bề mặt tiếp xúc giữa vật rắn và môi trường lưu chất biểu diễn bằng định luật Newton được phát

biểu như sau: “ Nhiệt lượng dQ do một nguyên tố bề mặt dF của vật thể có nhiệt độ t T cấp cho

môi trường xung quanh có nhiệt độ t trong khoảng thời gian d τ tỉ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật

thể và môi trường với dF và d τ nghĩa là:

dQ = α (t T – t).dF.d τ (J) Trong đó,

Với t T là nhiệt độ bề mặt vật thể ℃

t là nhiệt độ môi trường xung quanh℃

α hệ số cấp nhiệt W/m2.độ

Do đó, ta có nhiệt lượng truyền từ Chảo vào môi trường lưu chất Dầu là

Q = α c ( T c - T sd ) F c t sd ( J )

Nhiệt lượng truyền từ Dầu vào sản phẩm Tôm tẩm bột là:

Q = α d ( T sd - T tt ) F d t tt ( J )

3.2 Mô hình nhiệt tại tâm của Tôm tẩm bột

 Giả sử bỏ qua sự khác biệt về hệ số dẫn nhiệt của lớp bột chiên xù và thịt tôm, xem

tôm tẩm bột là một vật thể đồng nhất, liên tục và đẳng hướng  đây là bài toán dẫn nhiệt không ổn định trong vật rắn lý tưởng.

 Vì tôm được truyền nhiệt ngập trong môi trường lưu chất là dầu, nên trường nhiệt

cân bằng trên bề mặt tôm và lưu chất được xét theo điều kiện biên loại 3.

 Ta giải bài toán bằng phương pháp Siêu Vị: đưa bài toán về dạng tổ hợp của 3

trường nhiệt trong 3 vật phẳng cổ điển, ở điều kiện biên loại 3, đối xứng ứng với 3 kích thước tôm theo các trục Ox, Oy, Oz

Khi đó ta có số Biot và số Fourier tương ứng là:

Bi1 = α d∗¿ (

δ

2)

λ t

F01 =

a∗τ

(δ

2)

2

Bi2 = α d∗¿ (

r

2)

λ t

F02 =

a∗τ

(r

2)

2

Bi3 = α d∗¿ (

L

2)

λ t

F03 =

a∗τ

(d

2)

2

Khi đó ứng với các giá trị Bi I ta có nghiệm μ n và các thông số liên quan đến Bi theo bảng sau ( phụ lục A4):