Thông tin tài liệu
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
Ngày đăng: 10/12/2021, 19:34
Xem thêm:
