Trong quá trình cấp đông cá hồi để đánh giá được sự biến đổi thời gian cấp đông theo nhiệt độ, tác giả đã đưa ra các chế độ như sau: -25 oC, -30 oC, -35 oC, -40 oC, -45 oC. Mỗi một chế độ đó thực hiện 3 lần để có thể đánh giá được đúng nhất ở mỗi chế độ như trong bảng 2.4. Từ đó rút ra được sự ảnh hưởng của nhiệt độ cấp đông đến tốc độ kết đông cá hồi.
Bảng 2.4 Thông số các chếđộ cấp đông cá hồi. Chế độ W (mm) F.10-3 (m2) V.10-4 (m3) tc (oC) Tốc độ gió (m/s) Chế độ 1(-250C) 50 9 5,4 -25 4 Chế độ 2(-300C) 50 9 5,4 -30 4 Chế độ 3(-350C) 50 9 4,5 -35 4 Chế độ 4(-400C) 50 9 4,5 -40 4 Chế độ 5(-450C) 50 9 5,4 -45 4
Trong đó: W là chiều rộng của khối cá
F là thiết diện mặt tiếp xúc với dòng khí lạnh của khối cá V là thể tích khối cá
Tc là nhiệt độ không khí cấp đông
2.2.2 Thiết bị dùng trong thí nghiệm cấp đông
2.2.2.1. Thiết bị cấp đông
a. Thiết bị cấp đông
Thiết bị được sử dụng trong cấp đông cá hồi fillet là Benary Refrigeration Trainer (Model KTE-5000LT) của hãng Kteng do Hàn Quốc sản xuất, minh họa qua hình 2.7. Đây là hệ thống tủ cấp đông ghép tầng, tầng 1 sử dụng môi chất R22, tầng 2 sử dụng môi chất R404. Tủ cấp đông KTE – 5000 LT có khả năng tạo ra môi
23 trường có độ âm sâu là -60oC, dải nhiệt độ thí nghiệm của thiết bị là -25oC đến - 45oC.
Tốc độ gió tối đa đạt được là 4,5 m/s, dải tốc độ gió thí nghiệm của thiết bị là 1,5m/s đến 4,5 m/s. Khoang cấp đông của tủ có kích thước 360 mm x 360 mm x 360 mm, được cách nhiệt và cách ẩm tốt.
Hình 2.7 Thiết bị cấp đông.
Thiết bị này bao gồm:
- Bảng điều khiển: Bao gồm NFB, Công tắc bật tắt, Đồng hồ đo Am-Vm, Bộ rung, Đèn (Đỏ, Xanh lục, Cam), Công tắc áp suất cao, Công tắc từ, Rơle, Công tắc nhiệt, Nút ấn, Đầu vào nguồn, các thiết bị này làm cho hệ thống làm lạnh chạy bởi một số mạch điện.
- Hệ thống cơ khí: gồm có 2 chu trình tách biệt với nhau. Chu kỳ 1 gồm có Máy nén, Bình ngưng (có động cơ quạt), Bộ thu, Máy sấy lọc, mắt gas, Van điện từ, Van tiết lưu tay. Chu kỳ 2 gồm có máy nén, tầng, máy thu, máy sấy lọc, mắt gas, van điện từ, van giãn nở, thiết bị bay hơi (có động cơ quạt), buồng lạnh, bình tích áp, đồng hồ đo áp suất cao.
b. Nguyên lý hoạt động
Cơ sở hình thành theo hình 2.8, 2.9: nguyên lý của chu trình máy lạnh ghép tầng là ghép các chu trình lạnh đơn giản một cấp hoặc hai cấp với nhau theo kiểu thiết bị bay hơi của tầng trên dùng làm mát thiết bị ngưng tụ của tầng dưới. Toàn bộ nhiệt thải ra trong thiết bị ngưng tụ ở tầng dưới cấp cho thiết bị bay hơi của tầng trên vì vậy phụ tải nhiệt thiết bị ngưng tụ tầng dưới bằng phụ tải nhiệt thiết bị bay hơi tầng dưới và để đảm bảo sự truyền nhiệt thì nhiệt độ ngưng tụ tầng dưới phải lớn hơn nhiệt độ bay hơi tầng trên.
Do các tầng vận hành độc lập nên môi chất ở các tầng có thể khác nhau. Môi chất tầng dưới có nhiệt độ đông đặc nhỏ hơn nhiều so với môi chất tầng trên. Ở mỗi tầng có thể sử dụng máy lạnh nhiều cấp, nếu 2 hệ thống lạnh gồm môt hệ có nhiều cấp và 1 hệ có nhiều tầng (mỗi tầng là 1 máy lạnh 1 cấp) thì máy lạnh ghép tầng đạt độ lạnh sâu hơn. Khi thông số ở một tầng nào đó bị sai lệch thì các tầng khác đều bị ảnh hưởng.
24
Hình 2.8 Nguyên lý thiết bị cấp đông [10].
Nguyên lý hoạt động của thiết bị: Trong chu trình gồm 2 vòng tuần hoàn
Hình 2.9 Sơ đồ khối thiết bị cấp đông.
- Chu trình máy lạnh tầng dưới: Đây là chu trình cao áp sử dụng môi chất lạnh R22. Hơi sau thiết bị bay hơi 1 trạng thái (1) được máy nén 1 hút về nén đoạn nhiệt (s=const) lên áp suất ngưng tụ trạng thái (2). Rồi đi vào thiết bị trao đổi nhiệt, nhả nhiệt đẳng áp cho môi chất tầng trên, ngưng tụ thành lỏng cao áp trạng thái (3). Sau đi qua thiết bị tiết lưu 1, tiết lưu giảm áp, giảm nhiệt xuống áp suất bay hơi trạng thái (4). Rồi đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt của đối tượng cần làm lạnh, sôi hóa hơi, hơi sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi trạng thái (1) lại được máy nén 1 hút về. Chu trình cứ thế tiếp diễn.
25 - Chu trình máy lạnh tầng trên: Đây là chu trình hạ áp sử dụng môi chất R23. Hơi sau thiết bị bay hơi 2 trạng thái (1’) được máy nén 2 hút về nén đoạn nhiệt (s=const) lên áp suất ngưng tụ trạng thái (2’). Rồi đi vào thiết bị trao đổi nhiệt, nhận nhiệt đẳng áp của môi chất tầng dưới, ngưng tụ thành lỏng cao áp trạng thái (3’). Sau đi qua thiết bị tiết lưu 2, tiết lưu giảm áp, giảm nhiệt xuống áp suất bay hơi trạng thái (4’). Rồi đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt của đối tượng cần làm lạnh, sôi hóa hơi, hơi sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi trạng thái (1’) lại được máy nén 1 hút về. Chu trình cứ thế tiếp diễn.
2.2.2.2. Thiết bịđo nhiệt độ
Thiết bị đo nhiệt độ được sử dụng trong nghiên cứu là bộ đo nhiệt độ chuyển mạch bằng tay 8 đầu đo dải nhiệt độ đo -100oC đến 100oC. Dùng 3 đầu đo để đo nhiệt độ tại tâm, nhiệt độ giữa tâm và bề mặt, nhiệt độ bề mặt. Thiết bị đã được hiệu chỉnh đảm bảo độ chính xác. Hình 2.10 minh họa thiết bị đo nhiệt độ đã sử dụng trong thí nghiệm.
Hình 2.10 Thiết bịđo nhiệt độ. 2.2.2.3. Thiết bịđo tốc độ gió
Thiết bị đo tốc độ gió được sử dụng trong nghiên cứu là thiết bị đo đa thông số không khí Schiltknecht MC20do hãng Extech sản xuất. Thiết bị có khả năng đo nhiệt độ, tốc độ, độ ẩm của không khí. Dải đo tốc độ gió của thiết bị từ 0 ÷ 40 m/s. Dải đo nhiệt độ không khí nằm từ -400C÷400C. Thiết bị đã được hiểu chỉnh đảm bảo độ chính xác. Hình 2.11 minh họa thiết bị đo tốc độ gió đã sử dụng trong thí nghiệm.
26
Để đảm bảo độ chính xác của nghiên cứu thực nghiệm cần phải tiến hành đo và xác định trường tốc độ gió của buồng cấp đông. Dưới đây là bảng 2.5 đo tốc độ gió trong buồng kết đông:
Bảng 2.5 Tốc độ gió trong phòng kết đông.
Điểm đo 1 2 3 4 5 6 7 8
Tốc độ (m/s) 3,87 3,86 4,16 3,94 3,99 3,99 3,86 3,8
Căn cứ trên kết quả tốc độ gió thu được ở chế độ lớn nhất ta sẽ xác định được khu vực để các mẫu thực phẩm vào bên trong buồng cấp đông, tác giả đã tiến hành tính toán tốc độ gió trung bình xung quanh khối thực phẩm.
2.2.3 Quy trình thực hiện cấp đông cá hồi
Quy trình thí nghiệm nghiên cứu quá trình cấp đông gió cho cá hồi fillet được miêu tả chi tiết như sau:
Mẫu thí nghiệm miếng cá hồi được mua tại siêu thị sao cho kích thước cá miếng tương đương nhau. Miếng cá được đặt tại nhiệt độ phòng để cho nhiệt độ tại tâm cũng như bề mặt được ổn định và xấp xỉ nhau, chênh lệch không quá 1oC. Miếng cá được gắn 3 cảm biến đo nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ tâm (khoảng cách dày nhất của miếng cá), và nhiệt độ ở ½ khoảng cách từ tâm đến bề mặt để theo dõi trong quá trình cấp đông. Hình 2.12 thể hiện miếng cá trước khi đưa vào buồng cấp đông.
Hình 2.12 Miếng cá hồi được gắn cảm biến đo nhiệt độ.
Ban đầu setup nhiệt độ phòng ở -25oC, cho cá hồi vào cấp đông và cho nhiệt độ phòng luôn duy trì ở -25oC. Buồng cấp đông sử dụng trong thiết bị có kích thước dài 0,36m; rộng 0,36m; cao 0,36m. Được bố trí 2 quạt cấp và hồi có bên trên có kích thước giống nhau đường kính 0,115m. Quạt cấp có tốc độ gió 4 m/s. Trong quá trình cấp đông thì mỗi 1 phút sẽ ghi lại số liệu nhiệt độ tại tâm, bề mặt, nhiệt độ ở giữa tâm với bề mặt. Sau đó đưa miếng cá fillet vào buồng cấp đông, giám sát nhiệt độ và vận tốc gió trong buồng.
27
Hình 2.13 Vị trí miếng cá hồi trong buồng kết đông.
Để miếng cá ổn định trong buồng không bị quạt cấp thổi đung đưa, miếng cá được đặt trên giá nhôm có kích thước dài x rộng x cao là 0,17 x 0,16 x 0,275 (m x m x m). Hình 2.13 thể hiện vị trí miếng cá trong buồng kết đông. Khi nhiệt độ tâm đạt -18oC, kết thúc quá trình cấp đông, nhanh chóng lấy miếng cá ra. Thực hiện ở 5 chế độ (-25oC, -30oC, -35oC, -40oC, -45oC) với các nhiệt buồng lạnh và chiều dày sản phẩm khác nhau, mỗi chế độ được lặp đi lặp lại 3 lần.
2.3 Xác định thời gian cấp đông bằng mô phỏng
2.3.1 Đặt vấn đề mô phỏng quá trình cấp đông thực phẩm
Mô phỏng là nghiên cứu trạng thái của mô hình để qua đó để hiểu được hệ thống trong thực tế. Đó là quá trình tiến hành nghiên cứu trên vật thật nhân tạo, tái tạo hiện tượng mà người nghiên cứu cần để quan sát và làm thực nghiệm, từ đó rút ra kết luận về các đặc tính kỹ thuật cũng như các quá trình biến đổi của đối tượng vì vậy có thể nói mô phỏng quá trình là cơ sở quá trình thiết kế công nghệ.
Cấp đông thực phẩm là một quá trình rất là phức tạp công việc mô phỏng quá trình bằng thực nghiệm đòi hỏi nhiều thiết bị thí nghiệm tiên tiến, mất nhiều thời gian để tiến hành cũng như là công sức và kinh phí bỏ ra để hoàn thành nghiên cứu đối tượng. Các thông số nhiệt vật lý của thực phẩm trong quá trình kết đông là hàm tuyến tính biến đổi theo nhiệt độ việc xác định các giá trị và quy luật biến đổi là không hề dễ dàng.
Ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển vượt bậc công nghệ mô phỏng đang ngày càng được sử dụng nhiều để phụ vụ cho quá trình nghiên cứu ứng dụng và phát triển kỹ thuật.
28
2.3.2 Vai trò của việc nghiên cứu mô phỏng quá trình lạnh đông
Trong quá trình làm lạnh hay cấp đông rất quan trọng: (1) dự đoán được thời gian cấp đông, (2) trường nhiệt độ của thực phẩm theo thời gian. Giải quyết được vấn đề (1) giúp giải quyết bài toán nâng cao chất lượng chế biến, giải quyết được vấn đề (2) cho phép thiết kế, chọn lựa hệ thống lạnh hợp lý (bài toán tiết kiệm năng lượng). Muốn dự đoán được các thông số trên và đánh giá chất lượng quá trình chế biến lạnh trong điều kiện thực nghiệm không phải bao giờ cũng thực hiện được, cùng với với sự đa dạng về đối tượng cấp đông và thiết bị trong thực tế sản xuất. Cần phải kết hợp lý thuyết - thực nghiệm xây dựng được mô hình làm lạnh, cấp đông cho thực phẩm. Đây là vấn đề được quan tâm cả ở trong và ngoài nước từ mấy chục năm trở lại đây.
Mô phỏng quá trình cấp đông thực phẩm mang một ý nghĩa hết sức quan trọng đối với ngành kỹ thuật như sau:
Việc áp dụng công nghệ mô phỏng giúp rút ngắn được thời gian nghiên cứu.
Cắt giảm tối đa nguồn kinh phí bỏ ra để thực hiện nghiên cứu đề tài.
Giải quyết được những bài toàn có độ chính xác cao.
Mô tả lại quá trình hoạt đông, biến đổi của đối tượng mà không cần đến phòng thí nghiệm hay các nhà máy.
Như đã trình bày ở trên, để xây dựng mô hình toán của quá trình làm lạnh cấp đông thực phẩm dưới dạng hệ phương trình dạng 2.1 cần thiết phải xây dựng mô hình tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong đó, thông số nhiệt vật lý đóng vai trò là các hệ số trong mô hình toán học quyết định rất lớn đến tính chính xác của mô hình.
2.4 Xác định tính chất nhiệt vật lý của đối tượng 2.4.1 Hàm lượng nước 2.4.1 Hàm lượng nước
Bởi vì nước là thành phần chiếm ưu thế trong hầu hết các loại thực phẩm, hàm lượng nước ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất vật lý nhiệt của thực phẩm. Giá trị trung bình của độ ẩm (phần trăm theo khối lượng) được đưa ra trong Bảng 3 – ASHRAE 2010. Đối với trái cây và rau quả, hàm lượng nước thay đổi theo giống cây trồng cũng như với giai đoạn phát triển hoặc trưởng thành khi thu hoạch, điều kiện sinh trưởng và lượng ẩm bị mất sau khi thu hoạch. Nói chung, các giá trị được đưa ra trong Bảng 3 – ASHRAE 2010 áp dụng cho các sản phẩm trưởng thành ngay sau khi thu hoạch. Đối với thịt tươi, các giá trị hàm lượng nước trong Bảng 3 – ASHRAE 2010 là tại thời điểm giết mổ hoặc sau giai đoạn lão hóa thông thường. Đối với các sản phẩm được bảo dưỡng hoặc chế biến, hàm lượng nước phụ thuộc vào quy trình hoặc sản phẩm cụ thể.
2.4.2 Hàm lượng băng
Trong thực phẩm nước chiếm một thành phần rất lớn. Sự chuyển pha của thành phần nước từ lỏng thành băng quyết định rất lớn đến tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm do tính chất của nước và băng là hoàn toàn khác nhau. Dự đoán chính xác thành phần băng trong thực phẩm theo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định những đại lượng vật lý khác.
29 Để dự đoán tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm đông lạnh, phụ thuộc mạnh vào phần đá trong thực phẩm, phần khối lượng của nước đã kết tinh phải được xác định. Dưới điểm đóng băng ban đầu, phần khối lượng nước đã kết tinh trong thực phẩm là một hàm của nhiệt độ. Nói chung, thực phẩm bao gồm nước, chất rắn hòa tan và chất rắn không hòa tan. Trong quá trình đóng băng, khi nước lỏng kết tinh, các chất rắn hòa tan trong nước lỏng còn lại ngày càng đậm đặc hơn, do đó làm giảm nhiệt độ đóng băng. Giải pháp không đóng băng này có thể được coi là tuân theo phương trình dưới điểm đóng băng được đưa ra bởi Raoult, Pham [1]. Do đó, dựa trên Raoult, Chen [1] đã đề xuất mô hình sau đây để dự đoán phần khối lượng của 𝑥𝑖𝑐𝑒 băng: 2 s 0 f ice s 0 f x RT (t t) x M L t t (2.17)
Trong đó: xs = phần khối lượng chất rắn trong thực phẩm, %
Ms = khối lượng phân tử tương đối của chất rắn hòa tan, kg / kmol R = hằng số khí phổ = 8,14 kJ / (kg mol · K)
T0 = điểm đóng băng của nước = 273,2 K
L0 = nhiệt ẩn tan chảy nước ở 273,2 K = 333,6 kJ / kg tf = điểm đóng băng ban đầu của thực phẩm, ° C t = nhiệt độ thực phẩm, ° C
Khối lượng phân tử tương đối của các chất rắn hòa tan trong thực phẩm có thể được ước tính như sau:
2 s 0 s wo b 0 f x RT M (x x )L t (2.18)
Trong đó 𝑥𝑤𝑜 là phần khối lượng của nước trong thực phẩm không đông và 𝑥𝑏 là phần khối lượng của nước bị ràng buộc trong thực phẩm theo Schwartzberg [1,22]. Nước ràng buộc là phần nước trong thực phẩm bị ràng buộc để chất rắn trong thực phẩm, và do đó không có sẵn để đông lạnh. Phần khối lượng của nước bị ràng buộc có thể được ước tính như sau:
xb = 0,4xp (2.19)
trong đó 𝑥𝑝 là phần khối lượng protein trong thực phẩm. Thay thế phương trình 2.18 vào phương trình 2.17 mang lại một cách đơn giản để dự đoán phần băng theo Miles [1,29]: f ice wo b t x (x x ) 1 t (2.20)
Bởi vì phương trình 2.20 đánh giá thấp phần băng ở nhiệt độ gần điểm đóng băng ban đầu và đánh giá quá cao băng ở nhiệt độ thấp, Tchigeov [1,28] đề xuất một phần mối quan hệ thực nghiệm để ước tính phần khối lượng của băng:
wo ice f 1,105x x 0,7138 1 ln(t t 1) (2.21)
30