Mô phỏng quá trình truyền nhiệt cấp đông cá ngừ trong tủ lạnh 3 sao (180 độ C)

Bài viết này trình bày kết quả tính toán truyền nhiệt cấp đông cá ngừ ở nhiệt độ (-180C) bằng phương pháp mô phỏng theo phần mềm Comsol, kết quả thực nghiệm để kiểm chứng cho kết quả mô phỏng mặc định của bài toán này là xác định sự thay đổi trường nhiệt độ và thời gian cấp đông cá ngừ trong tủ lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường cấp đông, kích thước mẫu cá và vận tốc gió cấp đông.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 23 MƠ PHỎNG Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT CẤP ĐƠNG CÁ NGỪ TRONG TỦ LẠNH SAO (-180C) HEAT TRANSFER PROCESS SIMULATION FOR TUNA FREEZING IN 3-STAR REFRIGERATOR (-18deg C) Lê Thành Niên Trường Cao Đẳng Kỹ Nghệ II, Việt Nam Ngày soạn nhận 21/2/2017, ngày phản biện đánh giá 24/2/2017, ngày chấp nhận đăng 27/2/2017 TÓM TẮT Sự tiến khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực đề án ngày phức tạp, đắt tiền địi hỏi độ xác, an toàn cao đạt tối ưu cao Trong ngành kỹ thuật nhiệt đòi hỏi yêu cầu Đặc biệt tính tốn thiết bị truyền nhiệt, trao đổi nhiệt cách có hiệu tối ưu Bài báo trình bày kết tính tốn truyền nhiệt cấp đơng cá ngừ nhiệt độ (-180C) phương pháp mô theo phần mềm Comsol, kết thực nghiệm để kiểm chứng cho kết mơ mặc định tốn xác định thay đổi trường nhiệt độ thời gian cấp đông cá ngừ tủ lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường cấp đơng, kích thước mẫu cá vận tốc gió cấp đơng Kết tính tốn lý thuyết, đo đạc thực nghiệm so sánh với nhau, tác giả nhận thấy nhiệt độ bề mặt tâm mẫu cá chế độ cấp đơng khác sai số tuyệt đối khơng q 70C Từ khóa: Cấp đơng; thời gian cấp đơng; nhiệt độ cấp đông; cấp đông cá ngừ; mô truyền nhiệt ABSTRACT The advancement of science and engineering requires engineers to make more complex, expensive projects that require the highest levels of accuracy, safety and optimization Such requirements are also required in thermal engineering especially for calculating the heat transfer equipment and optimal heat transfer process This paper presents the results of calculating heat transfer for tuna freezing at temperature (-180C) by the software Comsol Multiphysics simulation and experimental results to verify the simulation results The default task is to identify changes in temperature and time of freezing tuna in the refrigerator in accordance with the ambient temperature, the sample size of fish and freezing wind velocity When comparing the theoretical calculation results and experimental measurements, the authors found that the surface and center temperature of the fish samples in different freezing regimes had absolute error not exceeding 70C Keywords: Freezing; freezing time; freezing temperature; frozen tuna; heat transfer simulation ĐẶT VẤN ĐỀ Chất lượng sản phẩm thủy, hải sản phụ thuộc vào cá ngun liệu, quy trình cơng nghệ chế biến, q trình bảo quản sau đánh bắt có vai trị quan trọng, đặc biệt q trình cấp đơng sản phẩm Vì vậy, q trình cấp đơng cá ngừ ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm khả xuất hàng hóa Để làm điều đó, phải xác định yếu tố ảnh hưởng đến q trình cấp đơng như: thơng số nhiệt vật lý thực phẩm, nhiệt độ môi trường cấp đông, vận tốc gió, kích thước sản phẩm Để giải vấn đề này, tác giả xây dựng mơ hình cấp đông cá ngừ tủ lạnh -180C tiến hành mô thay đổi trường nhiệt độ thời gian cấp đông phần mềm Comsol 24 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Mơ q trình truyền nhiệt bên thực phẩm kết đơng q trình trao đổi nhiệt với mơi trường, yếu tố ảnh hưởng đến trình cấp đông cá ngừ tủ lạnh -180C nội dung mà báo đề cập MƠ HÌNH TỐN HỌC Stefan (1889) đưa phương trình vi phân dẫn nhiệt mơ tả q trình làm lạnh kết đông thực phẩm viết cho phân tố thời điểm  sau: t   / (t ) 2t  q ( )  c(t) : Nhiệt dung riêng phụ, J/kgK  (t): Khối lượng riêng, kg/m3 c (t )  (t ) (1)  (t): Hệ số dẫn nhiệt, W/mK qv(r,  ): Nguồn nhiệt bên trong, W/m3 MƠ PHỎNG Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT CẤP ĐÔNG CÁ NGỪ 3.1 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu Đối tượng thực phẩm lựa chọn nghiên cứu cá ngừ dạng khoanh, có chiều dày 30mm Thành phần khối lượng cá ngừ sau: Thành phần nước xw0= 71,21 %, thành phần khối lượng Protein xp = 15,25%, thành phần khối lượng mỡ xf= 12.24%, thành phần khối lượng tro xa = 0.97%, thành phần Carbonhydratxch=0.32% Nhiệt độ điểm kết đơng tcr=-2,2oC [2] Trong tốn dẫn nhiệt [1,3], phương trình vi phân dẫn nhiệt viết:  (2)   T    T  T 0  y   qv   c  x  x  x  y  y   (5) Để giải phương trình (5) cần lấy điều kiện biên theo [3]: Theo phương oy:   T    T  T f   y  T     y  y  y    T  0  y   y 0  3.2 Sử dụng phần mềm Comsol mơ q trình truyền nhiệt cấp đông cá ngừ Điều kiện biên: Theo phương ox:   T    T  T f  x  T   x    x  x    T  0     x  x  Kết hợp với điều kiện biên (loại 3) điều kiện ban đầu có hệ phương trình (4) giải cho phép xác định trường nhiệt độ, thời gian cấp đông thực phẩm [1]  (3) Điều kiện ban đầu: T = T(x,y,0) = const  0    2T  2T  T  T      qv   T  C p T  y    x   T  T        x   x   y  y   (4)    T    T  T     f x    x  T    x  x  x      T   T  T f  y  y   y  y   T  y    0; T  T  x, y ,   const    T N T N T      A   A  N A qv  N A  c dV  x x y y   V   N A qdS   N A Tm  Tk  dS  S S (6) Cần phải xác định đạo hàm T T T , , x y  Đạo hàm nhiệt độ T theo tọa độ x y: Nhiệt độ phần tử xác định theo hàm nội suy NB nhiệt độ nút TB Hàm nội suy NB chọn hàm bậc x y, nhiệt độ TB nút phần tử không đổi thời điểm theo [3] T    Ni x x     Ti  N N j N n   T j   B TB (7)   x T n  Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh    Ti  N N j N n   T j   B TB (8)   y T n  T    Ni y y  25 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm cấp đông cá ngừ NA, NB: Hàm nội suy Đạo hàm nhiệt độ theo thời gian: NB hàm bậc x y, không phụ thuộc vào thời gian [3]      Ti   T T    Ni N j N n   T j    N B B (9)           T n    Trong số hạng  N A Tm  Tk  dS , Tm S nhiệt độ nút bề mặt, đó: Tm = TB = NBTB (10) Thay đạo hàm nhiệt độ Tm vào (2.8) dẫn đến:    TB      N A N B N A N B            cN A N B  dV    dV  V     V  x x y y      N A N B  dV  TB     N Aqv dS   N AqdS   N ATk dS V S S S  (11) Phương trình (11) phương trình đặc trưng phần tử hữu hạn chiều có xạ đối lưu biên nguồn [3] Viết gọn lại dạng ma trận: T     K T    f     C   (12) Trong đó: Hình Mơ hình thực nghiệm Để kiểm chứng độ xác mơ hình lời giải dựa phần mềm Comsol, tác giả tiến hành thực nghiệm nhằm xác định biến thiên trường nhiệt độ thực phẩm kết đông Nhiệt độ môi trường kết đơng -180C, vận tốc gió 2,5 m/s Thiết bị sử dụng thí nghiệm tủ lạnh ba (180C), kèm theo thiết bị đo tự ghi nhiệt độ kênh đo nhiệt độ bề mặt tâm mẫu cá lưu trữ máy tính Các thơng số nhiệt vật lý thực phẩm bao gồm: tỷ lệ nước đóng băng, nhiệt dung riêng, enthalpy, hệ số dẫn nhiệt khối lượng riêng Tỷ lệ nước đóng băng: xác định theo cơng thức [4] xice  1,105.xw0 0, 7138 1 ln  t f  t  1 (13) Nhiệt dung riêng enthalpy: xác định   T C       c  N   N  dV  - nhiệt dung ma trận theo [1,5,6,7] V      K        B   B  dV     N   N  dV  T V T S  ma trận dẫn nhiệt Bài toán nêu (4) giải phần mềm Comsol, kết thể hình đến hình Ce T   T       T  T T r ,    r ,   (14) Enthalpy :(ASHRAE, 2010) h T   t  C  t  dT e 40 (15) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 26 Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng theo [7,9]  T    i i Vj  xj j K i  Li i  Li (16) : thành phần thể tích thứ j Hệ số trao đổi nhiệt bề mặt xác định theo [10]   25   0,6 W   m K  (17) Hình Trường nhiệt độ mẫu cá sau 30 phút KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Mơ hình khơng gian kết đơng khối thực phẩm xây dựng phần mềm Comsol Khối thực phẩm chia lưới hình Hình Trường nhiệt độ mẫu cá sau 60 phút Hình Chia lưới Ứng với điều kiện môi trường kết đơng, dịng khơng khí chuyển động qua mẫu thực phẩm hình Hình Trường nhiệt độ mẫu cá sau 90 phút Hình Dịng khơng khí chuyển động Hình Trường nhiệt độ mẫu cá sau 120 phút Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 27 ánh xu hướng biến biên trường nhiệt độ bên tâm thực phẩm Sai số trường nhiệt độ tâm nhỏ 7K thời điểm, tác giả nhận thấy thời gian cấp đông nhiệt độ tâm thực phẩm đạt 180C chênh lệch sai số lý thuyết thực nghiệm khoảng 10 phút Qua đó, tác giả nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng chiều dày sản phẩm, tốc độ gió nhiệt độ mơi trường cấp đơng cá ngừ tủ lạnh -180C thể kết qua hình đến hình 10 Hình Ảnh hưởng chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đơng Hình Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường cấp đông đến thời gian cấp đông KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình tốn học q trình dẫn nhiệt bên khối thực phẩm kết đông chuyển tốn dẫn nhiệt phi tuyến với tính chất nhiệt vật lý biến đổi theo nhiệt độ Đường cong nhiệt độ tâm sản phẩm dự đốn mơ hình phản ánh giá trị thực nghiệm, chia làm giai đoạn Trong giai đoạn nhiệt độ giảm nhanh, giai đoạn thực phẩm trao đổi nhiệt với mơi trường bên ngồi Giai đoạn tiếp theo, nước thực phẩm bắt đầu chuyển pha, xuất thành phần nhiệt ẩn, nhiệt độ tâm trạng thái ổn định (nhiệt độ điểm băng) Giai đoạn tiếp theo, tâm sản phẩm kết thúc trình chuyển pha, nhiệt dung riêng hiệu dụng giảm xuống nhanh đồng thời hệ số dẫn nhiệt tăng lên, nhiệt độ tâm tiếp tục giảm nhanh giai đoạn đầu sản phẩm đóng băng hồn tồn Q trình cấp đơng phụ thuộc vào kích thước sản phẩm, kích thước cá tăng, thời gian cấp đơng tăng thể hình Do q trình kết đơng thực phẩm chuyển pha phụ thuộc vào tỷ lệ nước kết đông nên thời gian cấp đông khác theo thay đổi tỷ lệ nước đóng băng Hình 10 Ảnh hưởng vận tốc đến thời gian cấp đông Kết tính tốn nhiệt độ tâm mẫu cá thể hình 4, hình 5, hình 6, hình Quan sát kết thu ta nhận thấy kết tính tốn lý thuyết phản Kết cho thấy, nhiệt độ khơng khí mơi trường cấp đông giảm, thời gian cấp đông giảm, nhiên mức độ giảm thời gian cấp đông không đồng chế độ khác hình Yếu tố vận tốc gió quan trọng, tác giả nhận thấy vận tốc khơng khí thay 28 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đổi thời gian cấp đơng thay đổi, nhiên mức độ thay đổi không đồng chế độ khác hình 10 Sử dụng phần mềm mô Comsol, tác giả mô q trình dẫn nhiệt thực phẩm mơi trường cấp đơng Việc so sánh kết tính tốn lý thuyết kết đo thực nghiệm đối tượng thực phẩm cá ngừ sai số tuyệt đối không vượt 70C chứng tỏ khả sử dụng mơ Comsol vào việc nghiên cứu q trình cấp đơng thực phẩm điều kiện Việt Nam Hình 11 So sánh trường nhiệt độ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Hữu Hồng 2014 Nghiên cứu mơ xác định chế độ cấp đông hợp lý cho cá tra Việt Nam Luận án tiến sỹ khoa học kỹ thuật nhiệt Đại học Bách Khoa Hà Nội [2] Vũ Huy Khuê 2015 Nghiên cứu trình truyền nhiệt truyền chất giải pháp tiết kiệm lượng lạnh đông cá thu Luận án tiến sỹ khoa học kỹ thuật nhiệt Đại học Bách Khoa Hà Nội [3] PGS.TS Trịnh Văn Quang 2013 Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn truyền nhiệt NXB Thế giới [4] Tchigeov, G 1979 Thermophysical processes in food refrigeration technology Food Industry, Moscow [5] Chumak I.G., Onhishenko V.P., Golovsky S.E., Zheliba Y.A (1995) The method of prediction for characteristics of cooling and freezing processes of foodstuffs Proc of In Conference Commissions C2, D1, D2/3 of IIR, June 1994, Istanbul (Turkey) - Paris, IIR, - P 361 -366 [6] Tocci, A M., & Mascheroni, R H (1995) Freezing times of meat balls in belt freezers: experimental determination and prediction by different methods International Journal of Refrigeration, 17, 445–452 [7] Onistchenco VP(2000).Development of scientific base of the food refrigeration technology Thesis for the degree of Science, Odessa state academy of refrigeration, Ukraine (2000)p 481 [8] Choi, Y and Okos, M.R., Effects of temperature and composition on the thermal properties of foods, in Food Processing and Process Applications Vol I Transport Phenomenon, LaMaguer, M and Jelen, P (Eds.), Elsevier, New York, 1986 [9] Nguyen Viet Dung.2008 Development of technological refrigerating processes for mango fruits by thermo physical modeling methods Ph.D Thesis for Odessa State Academy of Refrigeration -Odessa, 2008 p.114-116 [10] Willix, J., Harris, M.B., and Carson, J.K.(2006), Local surface heat transfer coefficients on a model beef side Journal of Food Engineering, 74 pp 561 –567 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Lê Thành Niên Trường Cao đẳng Kỹ nghệ II Email: lethanhnien010286@gmail.com ...  (t): Khối lượng riêng, kg/m3 c (t )  (t ) (1)  (t): Hệ số dẫn nhiệt, W/mK qv(r,  ): Nguồn nhiệt bên trong, W/m3 MƠ PHỎNG Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT CẤP ĐÔNG CÁ NGỪ 3. 1 Lựa chọn đối tượng nghiên... tốc độ gió nhiệt độ mơi trường cấp đông cá ngừ tủ lạnh -180C thể kết qua hình đến hình 10 Hình Ảnh hưởng chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đơng Hình Ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường cấp đông. .. thí nghiệm tủ lạnh ba (18 0C), kèm theo thiết bị đo tự ghi nhiệt độ kênh đo nhiệt độ bề mặt tâm mẫu cá lưu trữ máy tính Các thơng số nhiệt vật lý thực phẩm bao gồm: tỷ lệ nước đóng băng, nhiệt dung