- Theo A.I Liapis [59], các TSNVL của VLA chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ,
1.4. NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM
PHẨM
Vấn đề xác định TLNĐB trong VLA khi lạnh đơng làm cơ sở cho việc tính tốn HTL và xác định nhiệt độ và thời gian lạnh đơng thích hợp, cho phép vận hành và dừng HTL đúng lúc, tiết kiện được năng lượng, đây là một trong những vấn đề khá phức tạp. Bởi vì nước trong VLA ở dạng dung dịch liên kết với các thành phần khác nhau của tế bào. Cơ sở lý thuyết của lĩnh vực này hình thành vào đầu thế kỷ 19, tại các hội nghị khoa học về lạnh đông thực phẩm (1913) đã đưa ra vấn đề này
thảo luận, [2, 3, 55] và Planck. R đã đưa ra MHT (2.14) xác định TLNĐB theo nhiệt
độ và thời gian lạnh đông, xem bảng 1.7.
Bảng 1.7. Một số MHT xác định TLNĐB của VLA dạng tấm phẳng
Trong đó: R = d/2 (m): nửa bề dày VLA; T (0C): nhiệt độ lạnh đông của VLA; Z= x/ R;
x(m): bề dày lớp đóng băng; A, B là các hệ số phụ thuộc vào tính chất nhiệt vật lý của VLA; Bi: chuẩn số Bio. chuẩn số Bio.
MHT (1.14) được Lame, Clapeiron [2, 3] kiểm chứng bằng TN và tại hội nghị khoa học về lạnh đông thực phẩm ở Pháp (1924) đã đề nghị sử dụng mơ hình này để xác định TLNĐB, tuy nhiên (1.14) chỉ dừng lại áp dụng cho trường hợp truyền nhiệt ổn định và VLA ở dạng tấm phẳng “vô hạn”. Bằng TN trên các loại cá,
thịt được filê dạng phẳng của Lame, Clapeiron, Shijov G.B. đã đưa ra MHT (1.15)
xác định tốc độ đóng băng của ẩm trong VLA [2, 3, 56], nhưng (1.15) chỉ áp dụng
cho VLA dạng tấm phẳng truyền nhiệt ổn định, chưa khái qt hết các loại VLA có hình dạng khác nhau, dựa trên (1.14) và (1.15) Planck. R, Veinik [2, 3] đã xây dựng MHT xác định TLNĐB trung bình (1.16), tuy nhiên sai số giữa số liệu TN với MHT (1.16) khá lớn (trên 26,84%) [2], nguyên nhân là do q trình lạnh đơng VLA là q trình truyền nhiệt khơng ổn định. Một kết quả nghiên cứu khác của Planck, Shijov G.B. [1, 2], khi lạnh đông các VLA (cà rốt, khoa tây, thịt heo, thịt bò, cá hồi, cá thu ...) dạng tấm phẳng để xây dựng MHT (1.17) xác định TLNĐB trung bình
theo thời gian lạnh đông, (1.17) đã được Shijov G.B kiểm chứng bằng TN. Kết quả cho thấy, sai số (1.17) so với TN là 9,78% [2, 3]. Vì vậy, (1.17) được chấp nhận sử dụng tính tốn TLNĐB, tuy nhiên (1.17) cũng bị hạn chế khi áp dụng cho VLA dạng phẳng hữu hạn, dạng trụ và truyền nhiệt khơng ổn định. Bởi vì, TN kiểm chứng cho thấy sai số của (1.17) quá lớn, lớn hơn 48,98% [82]. Theo nghiên cứu của Raoult nghiên cứu trên filê cá mập, thịt bò dạng tấm phẳng “vô hạn” [3, 82] đã
đưa ra MHT (1.18) gần đúng xác định TLNĐB trung bình, nhưng cũng bị hạn chế khi áp dụng vào thực tế (truyền nhiệt không ổn định).
Theo Charm, S. E., Slavin, J. [94], Shijov G.B. [2, 3, 82] đã nghiên cứu trên cà rốt dạng tấm phẳng “vô hạn” đưa ra MHT (1.19) xác định TLNĐB, nhưng cũng chỉ áp dụng cho trường hợp truyền nhiệt ổn định, Theo Golovkin N.A đã TN trên một số VLA dạng tấm phẳng “vô hạn” đưa ra MHT (1.20), (1.21) [2, 3]. Với A, B là các hệ số phụ thuộc vào tính chất nhiệt vật lý của VLA và xác định bằng TN, đối với thịt bò TN đã xác định được: A = 110,5; B = 0,31. Việc TN để xác định các hệ số A, B trong (1.20), (1.21) khá phức tạp, ứng với mỗi VLA khác nhau sẽ có các giá trị A, B khác nhau. Qua TN trên VLA filê cá hồi dạng tấm phẳng của Bruger.M.V, Moller [82, 94, 96] đã kiểm chứng (1.20), (1.21) cho thấy sai số của các MHT này quá lớn, trên 32,24%, do đó không thể sử dụng để xác định TLNĐB.
Từ những kết quả nghiên cứu trên (ở bảng 1.7), cho thấy rằng, các MHT mà các tác giả đưa ra, chỉ áp dụng cho các trường hợp truyền nhiệt ổn định dạng tấm phẳng “vô hạn”, nhưng thực tế truyền nhiệt lạnh đông VLA thực phẩm là không ổn
định, VLA có kích thước hữu hạn, cho nên sai số của MHT khá lớn, không phù hợp. Với những hạn chế đó, A.V. Luikov [12, 56] đã đưa ra các MHT “kinh điển” xác định TLNĐB trong trường nhiệt độ không ổn định, xem bảng 1.8.
Bảng 1.8. Một số MHT xác định TLNĐB của VLA
Bảng 1.8 với MHT (1.22)
đã được Luikov A.V, Bruger. M.V kiểm chứng bằng TN khi lạnh đông khoai tây dạng lát phẳng (H >> d) kết quả cho thấy, sai số của MHT là 4,98%, rõ ràng là phù hợp và mang tính khái quát hơn. Một nghiên cứu khác của Millman M. J, Liapis I. A. [47], dựa trên (1.22) [56, 62]
đã xác định TLNĐB khi lạnh đông thịt cừu dạng tấm phẳng
“vô hạn”, sai số 6,73%, với tấm phẳng hữu hạn, sai số lớn hơn 16,14% (hình 1.7) khơng phù hợp. Để khắc phục nhược điểm đó Heins R.G, Jushkov P.P và cộng sự
[1, 2, 3] đã sử dụng MHT (1.23) của A.V. Luikov [3, 56] tính tốn TLNĐB cho
VLA dạng tấm phẳng hữu hạn, Heins R.G, Jushkov P.P và cộng sự [1, 2] đã TN
trên thịt cừu dạng tấm phẳng hữu hạn, thì sai số của (1.23) so với TN là 5,27%. Một
Hình 1.7. Quan hệ w-T, tính tốn từ MHT (1.22) và thực nghiệm (TN)
TN (1): trên thịt cừu tấm phẳng “vô hạn” TN (2): trên thịt cừu tấm phẳng “hữu hạn”
nghiên cứu khác của D. R. Hledman [82] đã kiểm chứng (1.23) bằng TN trên filê cá thu dạng tấm phẳng hữu hạn. Kết quả cho thấy, sai số của (1.23) so với TN nhỏ
hơn 8,71%. Tại hội nghị khoa học về lạnh đông thực phẩm ở Bỉ (1972), (1.23) được đề nghị sử dụng tính tốn q cho quá trình lạnh đông. Tuy nhiên theo Gorbatov A.V [2, 3] khi (1.23) áp dụng cho VLA dạng hình trụ hay cầu thì sai số quá lớn, kiểm chứng bằng TN trên xúc xích bị cho thấy sai số (1.23) lớn hơn 38,27%.
Để tính tốn cho VLA dạng hình trụ hay hình cầu. Theo nghiên cứu của A.V.
Luikov [56], Mayer V.N, Greenfield, Moller [46, 90] đã đưa ra MHT (1.24) xác
định TLNĐB của quá trình truyền nhiệt lạnh đơng khơng ổn định cho VLA hình trụ
“vô hạn”, và được Moller, Flink [63], D. R. Hledman và cộng sự [82] giải và kiểm chứng bằng TN. Kết quả xem hình 1.8, sai số của (1.24) so với TN đối với VLA hình trụ “vơ hạn” là 5,39%, cịn với hình trụ hữu hạn là 26,76%. Moller, Flink, D.R. Hledman [82] cho rằng (1.24) không phù hợp khi sử dụng cho VLA dạng hình trụ “hữu hạn” [63, 82]. Tại hội nghị khoa học
ở Nhật Bản (1974), (1.24) được đề nghị sử dụng xác định TLNĐB cho VLA dạng
hình trụ “vô hạn”. Theo kết quả nghiên cứu của D.R. Hledman [82], W. J. Mascarenhas, H.U.Akay [62] bằng TN trên các loại VLA cà rốt, củ cải, xúc xích bị, cho rằng nếu chiều cao và bán kính của hình trụ: H/R = (20,5 ¸ 25) thì VLA đó xem gần đúng với trụ “vơ hạn”, vì lúc đó trao đổi nhiệt bề mặt xung quanh hình trụ với
mơi trường lớn hơn 95%, còn trao đổi nhiệt 2 mặt đáy của hình trụ với mơi trường
xung quanh nhỏ hơn 5%, xem như không đáng kể.
Theo A.V. Luikov [56], J.P. Goerge [79], Daryl B. Lund, et al [82] đã đưa ra MHT (1.25) xác định TLNĐB cho VLA dạng hình trụ hữu hạn, kiểm chứng bằng TN trên xúc xích bị. Cho thấy sai số của (1.25) so với TN là 8,26%, tại hội nghị khoa học ở Mỹ (1975), (1.25) được đề nghị sử dụng xác định TLNĐB cho VLA dạng hình trụ hữu hạn. Hình 1.8. Quan hệ w - T tính tốn từ (1.24) và thực nghiệm (TN), với T¥ = -450 C TN - 1: trên xúc xích bị dạng trụ “vơ hạn”; TN - 2: trên xúc xích bị dạng trụ “hữu hạn”
Cũng một nghiên cứu khác của A.V. Luikov [56], D. R. Hledman, Daryl B. Lund và cộng sự [82] đã đưa ra MHT (1.26) xác định TLNĐB cho VLA dạng hình
cầu, bằng TN trên 2 VLA: táo và lê, kết quả cho thấy sai số của (1.26) đối với táo là 4,38%, còn đối với lê là 5,09%, tác giả cho rằng (1.26) phù hợp cho việc áp dụng
xác định TLNĐB cho các loại VLA dạng hình cầu. Theo J. Carpenter, et al [83] đã
sử dụng MHT (1.26) tính tốn cho viên cá, kết quả cũng cho thấy sai số của (1.26) so với TN là 4,76%. Vì vậy, tại hội nghị khoa học ở Hungary (1976), (1.26) đã đề
nghị sử dụng xác định TLNĐB cho VLA hình cầu. Nếu sử dụng MHT (1.23)
tính tốn TLNĐB cho tôm sú,
tôm bạc và tôm thẻ, thay các TSNVL của chúng (PL1) vào (1.23), tính tốn và mô phỏng kết quả nhận được ở hình 1.9. Rõ ràng, TLNĐB của chúng bị sai lệch nhau là do chúng khác nhau về TSNVL, khi nhiệt độ trung bình của VLA: T = -100C,
nước trong VLA kết tinh hoàn toàn (w = 1), cịn ở nhiệt độ T= 00C thì nước trong VLA kết tinh: tôm sú: w = 9,87%; tôm bạc: w = 39,6%, tôm thẻ: w = 58,8%. Kết quả khơng phù hợp, vì T ≤ Tkt
(Tkt < 00C) thì nước mới kết tinh, còn ở 00C nước chưa kết
tinh. Thực tế, các nhà máy lạnh
đông tôm với nhiệt độ trung
bình của VLA phải đạt (-25 ¸ - 18)0C. Như vậy, trường hợp này không thể sử dụng (1.23).
Nếu sử dụng MHT (1.23) dạng tấm phẳng, (1.24) dạng
hình trụ “vơ hạn” và (1.25) dạng hình trụ hữu hạn tính tốn TLNĐB cho VLA tơm sú. Thay các TSNVL của chúng (xem PL 1) vào các MHT, rồi tính tốn và mơ phỏng trên đồ thị (hình 1.10). Kết quả cho thấy, sai số của các MHT so với TN khá lớn, kết quả tính tốn với (1.23) là 36,14%, với (1.24) là 29,41%, cịn đối với (1.25)
Hình 1.9. Mơ hình dạng phẳng áp dụng cho VLA: tôm sú, tôm bạc và tơm thẻ, với T¥ = -450C
Hình 1.10. Mơ hình (1.23), (1.24) và (1.25) áp dụng cho tơm sú, T¥ = -450C
là 15,61%. Có thể thấy, khơng có MHT nào phù hợp để có thể sử dụng tính tốn
cho q trình TNLĐ tơm sú, tơm bạc và tơm thẻ. Bởi vì, chúng khơng phải là dạng tấm phẳng, cũng không phải là dạng trụ vô hạn hay hữu hạn mà chỉ gần đúng với dạng nón cụt không cân. Đây là nguyên nhân dẫn đến sai số của MHT.
Nhận xét: từ những kết quả nghiên cứu trên cho thấy:
- Mơ hình hóa QTLĐ để xác định TLNĐB đã được nhiều người quan tâm
trong thời gian qua. Bởi vì, đây là thơng số cần thiết cho tính tốn và vận hành HTL. Nhiều tác giả dựa trên MHT A.V. Luikov [56] (ở bảng 1.8) nghiên cứu đưa ra MHT xác định TLNĐB áp dụng cho từng trường hợp cụ thể.
- Như đã phân tích, TLNĐB của VLA phụ thuộc vào thành phần hóa học,
cấu trúc, sự liên kết ẩm, tính chất nhiệt vật lý của vật liệu. Vì vậy, ở những vùng thổ
nhưỡng, mơi trường ni trồng khác nhau thì các yếu tố này của VLA sẽ thay đổi khác nhau, dẫn đến TLNĐB sẽ khác nhau [1, 2].
- Thông qua việc xác định TLNĐB sẽ xác định được nhiệt độ và thời gian lạnh đơng thích hợp của VLA tại nhiệt độ MTLĐ xác định (ẩm trong VLA đóng
băng hồn tồn) và xác lập các thông số vận hành HTL, tiết kiệm năng lượng, giảm
thời gian làm việc, tăng tuổi thọ cho máy nén lạnh.
- Ở nước ta từ trước đến nay, vấn đề này ít được quan tâm, đối với các loại
thủy sản tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ hiện nay vẫn chưa có số liệu TN hay phương pháp nào xác định nhiệt độ và thời gian lạnh đơng thích hợp cho SP đơng lạnh.