Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số chính tới quá trình cấp đông thịt bò trong thiết bị đông gió bằng mô phỏng cfd

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -          Võ Đình Hiệp         NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CHÍNH TỚI Q TRÌNH CẤP ĐƠNG THỊT BỊ TRONG THIẾT BỊ ĐƠNG GIĨ BẰNG MƠ PHỎNG CFD       Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT – LẠNH            LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC  KỸ THUẬT NHIỆT – LẠNH    NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC  TS. Nguyễn Việt Dũng          Hà Nội – Năm 2012  LỜI CẢM ƠN Bản luận văn thạc sĩ này được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 10  năm 2010 đến tháng 8 năm 2012 tại bộ mơn Kỹ thuật Lạnh và Điều hịa khơng khí,  Viện Khoa học và Cơng nghệ Nhiệt - Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.  Tơi  xin  tỏ  lịng  biết  ơn  sâu  sắc  tới  Thầy  giáo  TS.  Nguyễn  Việt  Dũng  đã  hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cả về mặt kiến thức chun ngành cũng như  kiến thức thực tế trong thời gian qua, để tơi có thể hồn thành tốt luận văn này. Tơi  cũng xin chân thành gửi lời cám ơn tới các anh, chị thuộc bộ mơn Kỹ thuật lạnh và  Điều hịa  khơng  khí, những người đã  chỉ dẫn đồng  thời  cho phép  tơi sử dụng  các  máy móc và trang thiết bị để phục vụ cho cơng việc nghiên cứu thực nghiệm.        Hà Nội, ngày 06 tháng 08 năm 2012  Học viên cao học    Võ Đình Hiệp      i    LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn này do tơi tự lập nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn  của Thầy giáo TS. Nguyễn Việt Dũng.  Để  hồn  thành luận  văn này,  tôi  chỉ  sử dụng những tài  liệu được ghi  trong  mục Tài  liệu  tham  khảo, ngồi  ra tơi khơng sử dụng bất kì  tài  liệu nào mà khơng  được liệt kê.   Nếu sai, tơi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.      Hà Nội, ngày 06 tháng 08 năm 2012  Học viên cao học          Võ Đình Hiệp      ii    MỤC LỤC   DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi BẢNG LIỆT KÊ CÁC KÍ HIỆU viii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LẠNH THỰC PHẨM 1.1 THỰC TRẠNG CÔNG NGHỆ LẠNH THỰC PHẨM   2 1.1.1 Tình hình ngành cơng nghiệp đơng lạnh thực phẩm trên thế giới   2 1.1.2 Tình hình ngành cơng nghiệp đơng lạnh thực phẩm ở Việt Nam   2 1.2  MƠ  HÌNH  TỐN  HỌC  NGHIÊN  CỨU  Q  TRÌNH  CẤP  ĐƠNG  THỰC  PHẨM   4 1.3 TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM  . 6 1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN MƠ PHỎNG   8 1.4.1 Các phương pháp nghiên cứu bài tốn cấp đơng thực phẩm trên thế giới   8 1.4.2 Các phương pháp nghiên cứu bài tốn cấp đơng thực phẩm ở Việt Nam  . 16 1.5 MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI  . 30 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài   30 1.5.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài   30 CHƯƠNG MƠ PHỎNG TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA THỊT BỊ TRONG GIẢI NHIỆT ĐỘ CẤP ĐƠNG 31 2.1 MƠ HÌNH HĨA THÀNH PHẦN NƯỚC ĐÁ  . 31 2.2 MƠ HÌNH HĨA NHIỆT DUNG RIÊNG   33 2.3 MƠ HÌNH HĨA KHỐI LƯỢNG RIÊNG   38 2.4 MƠ HÌNH HĨA HỆ SỐ DẪN NHIỆT   38 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM FLUENT MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CẤP ĐƠNG TRONG BUỒNG ĐƠNG GIĨ BẰNG CFD 40 3.1 GIỚI THIỆU BỘ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG CFD   40 iii    3.2  ỨNG  DỤNG  BỘ  PHẦN  MỀM  FLUENT  MƠ  PHỎNG  Q  TRÌNH  CẤP  ĐƠNG   42 3.2.1 Sử dụng Gambit xây dựng mơ hình vật lý thí nghiệm   42 3.2.2 Sử dụng Fluent mơ phỏng q trình cấp đơng trong thiết bị đơng gió   45 3.3  PHÁT  TRIỂN  CƠNG  CỤ  FLUENT  GIẢI  BÀI  TỐN  CẤP  ĐƠNG  TRONG  THIẾT BỊ ĐƠNG GIĨ   46 3.3.1 Các phương trình tốn học bên trong thực phẩm   47 3.3.2 Các phương trình tốn học trong mơi trường khơng khí   48 CHƯƠNG MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 51 4.1 MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM  . 51 4.1.1 Đầu đo nhiệt độ thực phẩm   52 4.1.2 Bộ đo tốc độ gió   52 4.1.3 Bộ HIOKI 9768 Smart suite utility pro  . 53 4.2 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM   55 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 57 5.1 ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA MƠ HÌNH   57 5.2 SỬ DỤNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ  CHÍNH TỚI THỜI GIAN CẤP ĐƠNG  . 58 5.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ buồng tới thời gian cấp đông   59 5.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ buồng tới mật độ dịng nhiệt   60 5.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ gió tới thời gian cấp đơng   62 5.2.4 Ảnh hưởng của tốc độ gió tới mật độ dịng nhiệt   64 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68         iv    DANH MỤC BẢNG BIỂU   Bảng 1-1. Hệ số phụ thuộc hình dạng trong phương trình Plank.   10 Bảng 1-2. Thời gian làm lạnh đông bản phẳng.   17 Bảng 3-1. Các hằng số đối với nước và khơng khí trong mơ hình k-ε.   50 Bảng 5-1. Thời gian cấp đơng ứng với nhiệt độ mơi trường kết đơng khác nhau.   59 Bảng 5-2. Thời gian cấp đơng ứng với vận tốc gió khác nhau.  . 63                                             v    DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ   Hình 1-1. Hình vẽ biểu diễn các thơng số cơ bản cho phương trình của Plank.   10 Hình 1-2. Quy trình làm lạnh đơng theo ba giai đoạn.   17 Hình 1-3. Biểu diễn phân tố theo tọa độ và thời gian.   23 Hình 1-4. Thuật tốn xác định trường nhiệt độ Tij.  . 28 Hình 2-1. Sự thay đổi thành phần khối lượng nước đá theo nhiệt độ trong q trình  kết đơng . 31 Hình 2-2. Sự thay đổi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ trong q trình kết đơng. 34 Hình  2-3.  Ảnh  hưởng  của  nhiệt  độ  đối  với  khối  lượng  riêng  trong  q  trình  kết  đơng.   38 Hình 2-3. Sự thay đổi của hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ trong q trình kết đơng. . 39 Hình 3-1. Mơ hình buồng kết đơng.  . 43 Hình 3-2. Mơ hình chia lưới trên khối thực phẩm.  . 43 Hình 3-3. Mơ hình chia lưới buồng kết đơng và khối thực phẩm.   44 Hình 3-4. Phân bố các phân tố trong khơng gian buồng kết đơng theo trục Ox.   44 Hình 3-5. Phân bố các phân tố trong khơng gian buồng kết đơng theo trục Oz . 45 Hình 3-6. Thiết lập các điều kiện biên cho mơ hình vật lý.   45 Hình 3-7. Mơ hình vật lý được nhúng vào Fluent.  . 46 Hình 4-1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh hai cấp nén.   51 Hình 4-2. Hệ thống lạnh hai cấp nén.   52 Hình 4-3. Thiết bị đo nhiệt độ.  . 53 Hình 4-4. Bộ đo TSI model 8346.   54 Hình 4-5. Bộ HIOKI 9768 Smart suite utility pro.  . 54 Hình 4-6. Hệ thống lưới cố định để đo tốc độ gió tại từng vị trí.   55 Hình 4-7. Vị trí đầu cặp nhiệt cố định trên miếng thịt.   56 Hình  5-1.  Trường  nhiệt  độ  tại  tâm  miếng  thịt  bị  theo  mơ  hình  và  số  liệu  thực  nghiệm.  . 58 vi    Hình  5-2.  Trường  nhiệt  độ  tại  bề  mặt  miếng  thịt  bị  theo  mơ  hình  và  số  liệu  thí  nghiệm.  . 58 Hình 5-3. Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ mơi trường và thời gian làm lạnh đơng.   60 Hình 5-4. Đồ thị biến thiên mật độ dịng nhiệt q theo thời gian τ.   61 Hình 5-5. Mật độ dịng nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ buồng cấp đơng.   61 Hình 5-6. Đồ thị quan hệ giữa vận tốc gió và thời gian cấp đơng.   63 Hình PL - 1. Thực phẩm trước khi được cấp đơng.   78 Hình PL - 2. Thực phẩm trong q trình cấp đơng.   78 Hình PL - 3. Thực phẩm sau khi q trình cấp đơng kết thúc.   79 Hình PL - 4. Đường dịng vận tốc bên trong buồng kết đơng.   80 Hình PL - 5. Phân bố trường nhiệt độ trong miếng thịt.  . 81 Hình PL – 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với mật độ dịng nhiệt q.  . 82 Hình PL – 7.Ảnh hưởng của vận tốc gió đến mật độ dịng nhiệt.   83    vii    BẢNG LIỆT KÊ CÁC KÍ HIỆU Stt  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  Kí hiệu  λ  c  ρ  α  q  β  τ  ξ  Δ  ε  ω  γ  μ  t  r  v  x  18  a  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  i  k  L  A  T  X  P  R  H  L  J  G  N  V  33  E  34  35  36  37  38  Fo  Pk  Bi  Ste  Pr  Đơn vị đo  W/mK  kJ/kgK  kg/m3  W/m2K  W/m2  Tên gọi  Hệ số dẫn nhiệt  Nhiệt dung riêng, hằng số trong mơ hình k-ε  Khối lượng riêng  Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu  Mật độ dịng nhiệt  Hệ số    s (phút)  Thời gian  Chiều dày khơng thứ ngun    Hệ số thực nghiệm    Hệ số tiêu tán động năng rối, độ rỗng thực phẩm    %  thành phần % băng trong thực phẩm  K  Nhiệt độ hiệu chỉnh, Ten sơ ứng suất  Ns/m2  Độ nhớt động lực học  o C  Nhiệt độ Celcius  Tọa độ vec tơ    m/s  Vận tốc  %  Thành phần %  Kích thước xác định của thực phẩm, hệ số dẫn nhiệt  m (m 2/s)  độ  kJ/kg  Entanpi trung bình  Động năng rối    Nhiệt ẩn đơng đặc   2 m  Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt  K  Nhiệt độ Kelvin  m  Chiều dày thực phẩm đã kết đơng  Hệ số hình dạng thực phẩm, Áp suất    kJ/kgmolK  Hệ số hình dạng thực phẩm, hằng số chất khí   kJ/kg  Entanpi  m  Chiều dày bản phẳng  Dòng khuếch tán    kJ  Năng lượng động năng rối  Hệ số   3 m  Thể tích  Hệ số kể đến hình dạng cơ bản, Năng lượng dịng    lưu chất  Tiêu chuẩn Fourier    Tiêu chuẩn Plank    Tiêu chuẩn Biot    Tiêu chuẩn Stefan    Tiêu chuẩn Prandtl    viii    39  40  41  42  43  44  θ  Г  M  I  m        Kg/kmol    kg    Nhiệt độ khơng thứ ngun  Hệ số hình học  Khối lượng mol phân tử  Tenxơ đơn vị  Khối lượng  Tốn tử Laplace  KÍ HIỆU CHÂN Stt  Kí hiệu  Tên gọi  1  wo  Thành phần nước ban đầu  2  w  Thành phần nước  3  ice  Thành phần đá  4  p  Thành phần Protein  5  b  Thành phần nước liên kết  6  a  Thành phần tro  7  f  Thành phần béo, đóng băng ban đầu  8  fb  Thành phần xơ  9  c  Thành phần cacbonhydrua  10  I  Thành phần thực phẩm đã kết đông (λI)  11  s  Bề mặt, chất rắn  12  m  Xung quanh  13  i, o  Ban đầu  14  ave  Trung bình  15  u  Chưa đóng băng  16  pu  Chưa đóng băng  17  pi  Đã đóng băng  18  ref  Chuẩn gốc  19  e, eff  Hiệu dụng  20  i j  Thành phần có tọa độ i j  ix    [11] Nguyễn Đức Lợi (2006), Hướng Dẫn Thiết Kế Hệ Thống Lạnh, NXB Khoa  học và Kỹ thuật Hà Nội, Hà Nội.  [12] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Đinh Văn Thuận (2007), Kỹ Thuật Lạnh Ứng Dụng, NXB giáo dục Hà Nội, Hà Nội.  [13] Đặng Quốc Phú,  Trần Thế  Sơn,  Trần  Văn  Phú  (2004). Truyền Nhiệt,  NXB  Giáo Dục, Hà Nội.  [14] Phan  Thị  Thanh  Quế  (2005),  Công Nghệ Chế Biến Thủy Hải Sản.,  khoa  Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng ,Trường đại học Cần thơ, Cần thơ.  [15] Nguyễn  Xuân  Tiên  (2003),  Hướng Dẫn Thiết Kế Hệ Thống Lạnh  ,  NXB  Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, Hà Nội.  [16] Nguyễn Xn Tiên (1987), Nghiên Cứu Q Trình Đơng Lạnh Thực Phẩm,  Luận án phó tiến sỹ, odessa, Ukraine.  [17] Lê Trọng Vinh (2000), Giải Tích Số, NXB Khoa học và Kỹ thuật.  [18] ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air conditioning  Engineers, Inc), ASHRAE Handbook – 2002.  [19] Cleland,  A.C  and  R.L.  Earle.  1977.  A  comparison  of    analytical  and  numerical methods of predicting the freeze times of foods. Journal of Food Science, 42(5), pp 1930 - 1935.  [20] Cleland, A.C and R.L. Earle. 1979a. A comparison of method for predicting  the freeze times of cylind and spherical foodstuffs. Journal of Food Science 44(4), pp 958 - 963,790.  [21] Cleland, A.C and R.L. Earle. 1979a. Prediction of  freeze times  for foods in  irectangular packages. Journal of Food Science 44(4), pp 964 - 970.  [22] Cleland,  A.C  and  R.L.  Earle.  1982.  Freeze  time  predictions  different  final  product tempratures. Journal of  Refrigeration 5(3), pp 134 - 140.  [23] Bryan  R.Becker  and  Brian  A.Fricke  (1999),  Evaluation of Semi – Analytical/Empirical Freezing Time Estimation Methods Part I: Regularly Shaped Food Items.HVAC & Reasearch.  69    [24] W.Boonsuupthip  and  D.R.  Heldman  (2007),  Prediction  of  Frozen  Food  Properties  during  Freezing  Using  Product  Compositon.  Institute of Food Technologists, (vol 72).Nr.5.  [25] Judith  A.  Evans  (2008),  Frozen Food Science And Technology,  Blackwell  Publishing Ltd, United Kingdom.  [26] Hioki  E.E  Corporation  (2011),  9768 Smart Site Utility Pro,  Hioki  E.E  Corporation, Japan.  [27] IARW  (2010),  IARW Releases 2010 List of World’s Lagest Cold Storage Companies, IARW, Washington DC, USA.  [28] IARW  (2010),  IARW Report Finds Global Cold Storage Capacity Increasing, IARW, Washington DC, USA.  [29] D.T. Lindsay  & S.J.Lovatt, Further Enthalpy Values of  Foods Measured by  an Adiabatic Calorimeter. Meat Industry Research Institute of New Zealand  (Inc), East street (Ruakura Campus), PO box 617, Hamilton, New Zealand.  [30] Gauri  S.  Mittal  (2006),  Freezing Loads And Freezing Time Calculation,  Taylor & Francis Group LLC, Canada.  [31] Quang  Tuan  Pham,  Advances In Food Freezing/Thawing/Freeze Concentration Modelling and Techniques. School of Chemical Sciences and  Engineering, University of New South Wales, Sydney 2052, Australia.  [32] Francisco  Javier  Trujillo,  Q.  Tuan  Pham  (2006),  A  Computational  Fluid  Dynamic Model Of The Heat And Moisture Transfer During Beef Chilling.  Journal of Refrigeration, (Vol 29), pp 998-1009.  [33] USDA (2010), Capacity of Refrigerated Warehouses 2009 Summar, USDA,  Virginia, USA.  [34] Bin  Xia,  Da  Wen  Sun  (2002),  Applications  of    Computational  Fluid  Dynamics  (CFD)  In  The  Food  Industry:  A  review.  Elsevier Science B.V,  (Vol 34), pp 5-24.  [35] Y.O.  Zheliba,  S.V.  Kharchenko,  M.V.  Onhishenko  (2008),  Mathematical  Simulation  of  Pork  Halbcarcass  Cooling  Process  Characteristics.  J.  of  70    Refrigeration  enginering  and  Technology,  ISSN 0453-8307 No 6(116),  pp  46-51.  [36] http://www.fistenet.gov.vn/  [37] http://www.vcci.com.vn/  [38] http://www.sciencedirect.com/  [39] http://www.ebook.edu.vn/  [40] http://www.db.vista.gov.vn    71    PHỤ LỤC Phụ lục 1: Chương trình chính xác định các thơng số nhiệt vật lý của thịt bị.  #include"udf.h" DEFINE_PROPERTY(my_user_roh,c,th) { real temp,t,t_f; real x_w0,x_p,x_a,x_f,x_ice; real roh_w,roh_ice,roh_f,roh_p,roh_a; real c_w,c_p,c_a,c_f; real sh,AB; real tg; temp=Define(c,th); t=temp-273.15; t_f=-0.75; x_w0=0.7263; x_p=0.1955; x_f=0.0714; x_a=0.0102; if (t=t_f) sh=c_w*x_w0+c_p*x_p+c_f*x_f+c_a*x_a; else sh=0.001*(3465.25-1511*x_ice); sh=sh*1000; if (t>=t_f) AB=1; else AB=1-333000*x_w0*(x_w0-0.4*x_p)*t_f/t/t/sh; return 1/tg*AB*sh; } DEFINE_PROPERTY(my_user_lambda,c,th) { real temp,t,t_f; real x_w0,x_p,x_a,x_f,x_ice; real roh_w,roh_ice,roh_f,roh_p,roh_a; real lambda_w,lambda_ice,lambda_p,lambda_f,lambda_a; real tg,lambdaef; temp=Define(c,th); 72    t=temp-273.15; t_f=-0.75; x_w0=0.7263; x_p=0.1955; x_f=0.0714; x_a=0.0102; if (t