Nghiên cứu mô phỏng và xác định chế độ cấp đông hợp lý cho cá tra Việt Nam

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu mô phỏng và xác định chế độ cấp đông hợp lý cho cá tra Việt Nam

1. MỞ ĐẦU 1. Tính c ấp thi ết c ủa đề tài Cá tra và basa là loài cá da tr ơn có xu ất x ứ từ sông Mê Kông đã được ng ư dân mi ền nam Vi ệt Nam gây gi ống và nuôi th ả. Cá có ch ứa các ch ất béo ch ưa bão hòa, g ồm ch ất béo omega-3, omega-6 và m ột s ố khoáng ch ất s ắt, ph ốt-pho, can-xi, k ẽm, là nh ững ch ất r ất có l ợi cho s ức kh ỏe con ng ười, do đó cá da tr ơn c ủa Vi ệt Nam được nhi ều n ước trên th ế gi ới ưa chu ộng, nh ập kh ẩu [114-115], và đã thúc đẩy ngh ề cá da tr ơn c ủa n ước ta phát tri ển m ạnh. Hi ện nay cá da tr ơn Vi ệt Nam đã chi ếm t ới 90% s ản l ượng cá da tr ơn trên toàn c ầu. Tuy nhiên chính s ự phát tri ển nhanh chóng này đã làm n ảy sinh nh ững v ấn đề bất c ập nh ư: ch ất l ượng s ản ph ẩm không ổn định, còn d ư l ượng ch ất b ảo qu ản, kháng sinh, các v ấn đề ô nhi ễm môi tr ường, v ấn đề giá cả và cạnh tranh th ị tr ường, Điều này gây ảnh h ưởng nghiêm tr ọng t ới n ăng l ực xu ất kh ẩu cá da tr ơn c ủa n ước ta.Ch ất l ượng s ản ph ẩm th ủy, h ải s ản ph ụ thu ộc vào cá nguyên li ệu, quy trình công ngh ệ ch ế bi ến, trong đó quá trình làm l ạnh và c ấp đông s ản ph ẩm có một vai trò quan tr ọng. Các s ản ph ẩm th ủy, h ải s ản sau đánh b ắt, thu ho ạch n ếu không được làm l ạnh ho ặc c ấp đông k ịp th ời s ẽ phân h ủy r ất nhanh trong vòng t ừ 6-24h ở điều ki ện nhi ệt độ ngoài tr ời. Không nh ững th ế, quá trình ch ế bi ến l ạnh đông cá da tr ơn còn quy ết định ch ất l ượng dinh d ưỡng c ủa s ản ph ẩm đầu ra, ảnh h ưởng tr ực ti ếp tới kh ả năng xu ất kh ẩu c ủa hàng hóa. Đó là ch ưa k ể đến công ngh ệ cấp đông cá da tr ơn ch ưa h ợp lý d ẫn t ới lãng phí điện n ăng tiêu th ụ làm t ăng giá thành và gi ảm tính c ạnh tranh c ủa sản ph ẩm. Do v ậy vi ệc nghiên c ứu nâng cao ch ất lượng ch ế bi ến cá da tr ơn thông qua vi ệc hoàn thi ện công ngh ệ cấp đông cá da tr ơn có m ột ý ngh ĩa th ực ti ễn r ất l ớn. Tuy nhiên, hi ện t ại ở Vi ệt Nam, ch ưa có nghiên c ứu chuyên sâu v ề quá trình làm l ạnh th ủy s ản ngay sau khi thu ho ạch, các h ệ th ống k ết đông th ực ph ẩm được thi ết k ế theo m ột quy trình chung, không tính toán cho m ột s ản ph ẩm riêng bi ệt. Vì v ậy hi ệu qu ả sử dụng n ăng l ượng ch ưa cao và đặc bi ệt là ch ất l ượng s ản ph ẩm không ổn định, độ tổn hao s ản ph ẩm lớn t ới g ần 20% [15]. Nh ư trên đã nêu thì đây là m ột bài toán th ực t ế cấp bách ch ưa có l ời gi ải. Để gi ải quy ết được bài toán này c ần ph ải xác định được tr ường nhi ệt độ trong s ản ph ẩm khi làm l ạnh và th ời gian c ấp đông, đánh giá được ảnh h ưởng của các nhân t ố t ới quá trình làm l ạnh và k ết đông s ản ph ẩm. T ừ đó đề ra được quy trình làm l ạnh và c ấp đông h ợp lý sao cho ch ất l ượng s ản ph ẩm được đảm b ảo ổn định, đồng th ời gi ảm tiêu hao n ăng l ượng và chi phí nhân công, mang l ại hi ệu qu ả kinh t ế trong công ngh ệ ch ế bi ến th ủy s ản c ủa đất nước. Trong khuôn kh ổ c ủa lu ận án này quy trình v ừa nêu trên được hi ểu là quy trình hợp lý. Nghiên c ứu quá trình hợp lý trong đông l ạnh th ực ph ẩm ch ỉ có th ể th ực hi ện thông qua vi ệc xây d ựng mô hình mô ph ỏng quá trình. 1
2. Hi ện nay các mô hình c ấp đông th ực ph ẩm ph ổ bi ến trên th ế gi ới được xây dựng trên c ơ s ở ph ươ ng trình vi phân d ẫn nhi ệt phi tuy ến không ổn định, không đẳng h ướng v ới điều ki ện biên lo ại 3. Để xây d ựng và gi ải được h ệ ph ươ ng trình này, b ắt bu ộc ph ải bi ết được m ối t ươ ng quan c ủa các tính ch ất nhi ệt v ật lý c ơ b ản c ủa đối t ượng c ấp đông v ới nhi ệt độ: c(T), ρ(T), λ(T) [7- 10]. B ởi v ậy vi ệc xây d ựng mô hình đông l ạnh th ực ph ẩm và kh ảo sát các đặc tính nhi ệt v ật lý c ủa mô hình để đư a ra m ột quy trình hợp lý là h ết s ức cần thi ết và c ấp bách. Từ trên cho th ấy vi ệc nâng cao ch ất l ượng, áp d ụng quy trình công ngh ệ tiên ti ến và s ản xu ất có quy mô l ớn là m ột yêu c ầu b ắt bu ộc nh ằm b ảo đảm duy trì và phát tri ển b ền v ững ngu ồn l ợi t ừ xu ất kh ẩu th ủy s ản c ủa đất n ước. 2. M ục tiêu và n ội dung nghiên c ứu Mục tiêu chính c ủa lu ận án g ồm: - Xây d ựng mô hình d ự đoán th ời gian c ấp đông và tr ường nhi ệt độ của s ản ph ẩm thay đổi theo th ời gian; - Áp d ụng mô hình đánh giá ảnh h ưởng c ủa các thông s ố c ủa môi tr ường làm l ạnh t ới quá trình làm l ạnh và k ết đông s ản ph ẩm. - Trên c ơ s ở đó đề xu ất quy trình làm l ạnh và c ấp đông s ản ph ẩm cá da tr ơn h ợp lý theo tiêu chí b ảo đảm th ời gian c ấp đông bé nh ất (ch ất lượng) với điều ki ện tiêu hao n ăng l ượng h ợp lý. Để th ực hi ện được m ục tiêu nêu trên luận án c ần gi ải quy ết nh ững n ội dung c ụ th ể nh ư sau: (i) Xây d ựng mô hình thông s ố nhi ệt v ật lý, g ồm: h ệ số dẫn nhi ệt λ = f1(T); nhi ệt dung riêng C p = f 2(T); và kh ối l ượng riêng ρ = f 3(T) c ủa cá da tr ơn ph ụ thu ộc vào nhi ệt độ trong d ải r ộng (-40 ÷ 40 oC). (ii) Thi ết k ế ch ế tạo h ệ th ống đo h ệ số dẫn nhi ệt λ(T), h ệ số dẫn nhi ệt độ a(T) bằng ph ươ ng pháp que th ăm kép – xung nhi ệt; (iii) Xây d ựng mô hình mô ph ỏng quá trình làm l ạnh và c ấp đông cá da tr ơn trên c ơ s ở kết h ợp mô hình nhi ệt v ật lý v ới gi ải bài toán d ẫn nhi ệt phi tuy ến không ổn định không đồng ch ất, đẳng h ướng k ết h ợp v ới điều ki ện biên lo ại ba trong lòng và trên b ề mặt c ủa s ản ph ẩm c ấp đông. (iv) Ti ến hành th ực nghi ệm trong quy mô phòng thí nghi ệm và đo trên th ực t ế sản xu ất để ki ểm ch ứng mô hình; (v) Sử dụng mô hình nghiên c ứu ảnh h ưởng c ủa các thông s ố chính c ủa môi tr ường làm l ạnh (không khí) nh ư nhi ệt độ, t ốc độ gió t ới th ời gian làm lạnh và c ấp đông cá da tr ơn. (vi) Trên c ơ s ở đánh giá các ảnh h ưởng c ủa các thông s ố môi tr ường làm lạnh và c ấp đông, phân tích đề xu ất quy trình c ấp đông hợp lý đảm b ảo được th ời gian c ấp đông trong khi gi ảm n ăng l ượng tiêu hao t ới ph ạm vi có th ể. 3. Đối tượng và ph ạm vi nghiên c ứu 3.1 Đối t ượng nghiên c ứu: cá tra đồng b ằng sông C ửu Long 2
3. 3.2 Ph ạm vi nghiên c ứu : - Ph ươ ng pháp đo h ệ s ố d ẫn nhi ệt λ(T), h ệ s ố d ẫn nhi ệt độ a(T) - Các thông s ố nhi ệt v ật lý ph ụ thu ộc vào nhi ệt độ trong kho ảng t ừ - 40 oC đến +40 oC. - Tr ường nhi ệt độ, th ời gian làm l ạnh và c ấp đông cá da tr ơn. - Ảnh h ưởng c ủa các thông s ố chính c ủa môi tr ường làm l ạnh và c ấp đông tới th ời gian c ấp đông và tiêu th ụ n ăng l ượng c ủa h ệ th ống l ạnh. 4. Ph ươ ng pháp nghiên c ứu (i) Th ực nghi ệm xác định h ệ số dẫn nhi ệt λ(T), h ệ số dẫn nhi ệt độ a(T) bằng ph ươ ng pháp que th ăm kép – xung nhi ệt k ết h ợp v ới s ử dụng các mô hình toán xây d ựng mô hình d ự đoán tính ch ất nhi ệt v ật lý c ủa cá da tr ơn; (ii) Xây d ựng mô hình toán h ọc mô ph ỏng quá trình làm l ạnh và c ấp đông cá da tr ơn. Ki ểm ch ứng mô hình trong quy mô phòng thí nghi ệm và th ực t ế sản xu ất; (iii) Sử dụng mô hình mô ph ỏng để nghiên c ứu ảnh h ưởng c ủa các thông s ố của môi tr ường làm l ạnh, đề xu ất quy trình làm l ạnh và c ấp đông thích h ợp. 5.Ý ngh ĩa khoa h ọc và th ực ti ễn c ủa đề tài nghiên c ứu 5.1 Ý ngh ĩa khoa h ọc: − Phát tri ển ph ươ ng pháp que th ăm kép – xung nhi ệt và ch ế tạo thành công thi ết b ị đo h ệ số dẫn nhi ệt λ(T), h ệ số dẫn nhi ệt độ a(T) ở dưới nhi ệt độ điểm đông; − Xây d ựng c ơ s ở dữ li ệu các thông s ố nhi ệt v ật lý c ủa cá tra trong d ải nhi ệt độ [-40 0C ÷ 40 0C]; − Xây d ựng mô hình mô ph ỏng quá trình làm l ạnh và c ấp đông cá tra, dùng để dự đoán th ời gian c ấp đông và đánh giá ảnh h ưởng c ủa các thông s ố của môi tr ường c ấp đông t ới quá trình c ấp đông. 5.2 Ý ngh ĩa th ực ti ễn : − Xây d ựng được b ảng các tính ch ất nhi ệt v ật lý c ủa cá da tr ơn ph ụ thu ộc vào nhi ệt độ, là các thông s ố cần thi ết dùng để tính toán thi ết k ế các quá trình ch ế bi ến nhi ệt c ủa cá da tr ơn (s ấy, làm l ạnh, c ấp đông). − Dự đoán th ời gian c ấp đông c ủa cá tra, đánh giá các y ếu t ố ảnh h ưởng đến th ời gian c ấp đông, t ừ đó đề xu ất quy trình c ấp đông cá da tr ơn phù h ợp (hợp lý) v ừa đảm b ảo ch ất l ượng nh ưng l ại ti ết ki ệm n ăng l ượng áp d ụng trong quy mô công nghi ệp; − Xây d ựng c ơ sở tính toán thi ết k ế hệ th ống l ạnh phù h ợp. Bố c ục lu ận v ăn được chia thành 5 ch ươ ng, Lu ận án dày 117 trang v ới 13 ph ụ l ục và 115 TLTK . CH ƯƠ NG 1. T ỔNG QUAN V Ề L ĨNH V ỰC NGHIÊN C ỨU 1.1 Tổng quan v ề công ngh ệ làm l ạnh và c ấp đông cá da tr ơn Cho đến nay trên th ế gi ới ch ưa có m ột s ản ph ẩm th ủy s ản nào ch ỉ trong m ột th ời gian ng ắn mà được nhi ều th ị tr ường ch ấp nh ận, ưa chu ộng và có t ốc độ 3
4. phát tri ển nhanh nh ư s ản ph ẩm cá tra (và basa) c ủa Vi ệt Nam Trong vòng 10 năm qua, s ản l ượng cá tra c ủa Vi ệt Nam đã t ăng 50 l ần, giá tr ị xu ất kh ẩu t ăng 65% và hi ện đang chi ếm t ới 90% th ị ph ần th ế gi ới [1-3,15]. Quy trình công ngh ệ:Theo [15] quy trình công ngh ệ ch ế bi ến và b ảo qu ản cá fillet được trình bày trên hình 1.3. Nhìn chung Quy trình công ngh ệ ít được nghiên c ứu c ải ti ến Hình 1.3 Quy trình công ngh ệ ch ế bi ến và b ảo qu ản tôm và cá fillet [15] Tiêu hao n ăng l ượng :Tiêu hao điện n ăng lượng điển hình c ủa thi ết b ị trong nhà máy ch ế bi ến được trình bày trên hình 1.4 [15]. Nh ận xét chung Tiêu hao điện n ăng còn khá l ớn. Máy nén Tỷ lệ c ủa các h ộ theo tiêu th ụ điên Tỷ lệ theo tiêu th ụ điện 72.86% Chi ếu sáng 2% Văn phòng Thi ết b ị ph ụ tr ợ 2% 6% Máy đá v ảy Kho lạnh 22% 10% Máy lạnh dân d ụng, Tháp giải nhi ệt và Máy điều hòa máy tính các thi ết b ị đi kèm 5% 2.08% hệ th ống máy nén 9.39% Thi ết bị Tủ c ấp đông Băng chuy ền Chi ếu sáng Tr ạm b ơm c ấp sản xu ất Qu ạt dàn l ạnh 27% 5.94% Các thiết b ị khác nước+ x ử lý n ước 96% 30% 2.50% 1.57% 5.66% Hình 1.4 T ỷ l ệ tiêu th ụ điện n ăng điển hình c ủa các thi ết b ị tiêu th ụ điện t ại các nhà máy [15] Hao h ụt kh ối l ượng: đố i với công ngh ệ c ấp đông cá da tr ơn b ằng IQF độ hao h ụt kh ối l ượ ng s ản ph ẩm t ỷ l ệ v ới di ện tích b ề m ặt s ản ph ẩm và th ời gian cấp đông. Tuy nhiên sau khi c ấp đông cá được m ạ b ăng nên độ hao h ụt th ường b ị b ỏ qua . Ki ểm tra nhi ệt độ s ản ph ẩm và th ời gian c ấp đông: Hầu h ết các nhà máy đều xác định th ời gian c ấp đông cá da tr ơn m ột cách th ủ công, thông qua ki ểm tra nhi ệt độ tâm s ản ph ẩm, xem hình 1.6 [15]. Tuy nhiên vi ệc ki ểm tra này ph ụ thu ộc r ất l ớn vào ng ười ki ểm tra,v ị trí đo nhi ệt độ. Do đó vi ệc xây dựng mô hình mô ph ỏng quá trình c ấp đông là m ột yêu c ầu c ấp thi ết để đánh giá m ột cách chính xác th ời gian c ấp đông và nhi ệt độ s ản ph ẩm, nh ằm đảm bảo ch ất l ượng s ản ph ẩm c ũng nh ư tiêu hao n ăng l ượng trong quá trình cấp đông. Hình 1.6 Đo nhi ệt độ c ủa cá sau c ấp đông [15] Các y ếu t ố ảnh h ưởng : Đố i v ới s ản ph ẩm th ủy h ải s ản nói chung và cá da tr ơn nói riêng y ếu t ố quy ết đị nh ch ất l ượ ng s ản ph ẩm là t ốc độ c ấp đông. Các 4
5. yếu t ố ảnh h ưởng tr ực ti ếp đến t ốc độ c ấp đông bao g ồm: v ận t ốc không khí, nhi ệt độ môi tr ường c ấp đông, kích th ước s ản ph ẩm và tính ch ất nhi ệt v ật lý của th ực ph ẩm Để gi ải quy ết được v ấn đề nêu trên, th ực hi ện thành công Ngh ị Quy ết 48, một trong nh ững khâu then ch ốt là hoàn thi ện công ngh ệ ch ế bi ến l ạnh th ực ph ẩm c ủa Vi ệt Nam theo hai tiêu chí: nâng cao ch ất l ượng ch ế bi ến và s ử dụng n ăng l ượng ti ết ki ệm hi ệu qu ả. Mu ốn v ậy c ần thi ết ph ải có nh ững nghiên c ứu đầy đủ, có h ệ th ống h ơn v ề công ngh ệ l ạnh th ực phẩm c ả v ề đối tượng được ch ế bi ến, c ũng nh ư công ngh ệ và thi ết b ị được s ử d ụng làm l ạnh hay c ấp đông. 1.2 Tổng quan v ề mô ph ỏng quá trình làm l ạnh c ấp đông th ực ph ẩm Cho t ới nay trong và ngoài n ước đã có hàng ch ục mô hình được đề xu ất để mô ph ỏng quá trình cấp đông th ực ph ẩm. Mô hình toán h ọc d ạng t ổng quát nh ất là h ệ phươ ng trình vi phân d ẫn nhi ệt vi ết cho m ột phân t ố vật th ể được cấp đông nh ư sau:  ∂ ( ,rT τ)  ()()TC ρ T ()λ∇= ()T ∇(),r +τ (),rq τ a  τ∂ (1.1 )  ()=τ = ()  ,rT 0 in rT   ∂T   λ− ()T   α= [](),rT −τ T ()τ  ∂ n a   n n Ph ươ ng pháp gi ải tích n ổi ti ếng nh ất cho bài toán l ạnh đông là ph ươ ng trình Plank (1913)[90], hay còn g ọi là ph ươ ng pháp gi ả ổn định. L ời gi ải c ủa bài toán là th ời gian c ấp đông, τPlank , tìm được khi b ề m ặt phân pha đạt t ới tâm sản ph ẩm. 2  ρL f 2PR 4QR , (1.2) τPlank =  +  (Tf -T a ) α λ  Theo mô hình do Plank (1913) đề xu ất, kết qu ả cho sai s ố đế n 50%, nguyên nhân gây ra sai s ố là do s ử d ụng quá nhi ều gi ả thi ết không phù h ợp v ới b ản ch ất v ật lý c ủa hi ện t ượ ng. Để kh ắc ph ục nh ượ c điểm trên, các tác gi ả trong các công trình [23-30, 35-37, 40-44, 80-88, ] đã c ải ti ến mô hình do R. Plank đề xu ất, bằng cách đư a thêm m ột s ố h ệ s ố hi ệu ch ỉnh, tuy nhiên k ết qu ả v ẫn cho sai s ố r ất l ớn (trên 20%). Đố i v ới cá tra t ại Vi ệt nam đặ c bi ệt v ới thông s ố nhi ệt v ật lý ch ưa đượ c xác đị nh, không th ể áp d ụng các mô hình toán trên để xác đị nh th ời gian c ấp đông c ủa th ực ph ẩm. Gi ải pháp t ốt nh ất để mô ph ỏng quá trình c ấp đông cá da tr ơn (tra) là gi ải ph ươ ng trình d ạng (1.1) b ằng ph ươ ng pháp s ố. - Ph ươ ng pháp Sai phân h ữu h ạn (SPHH) là ph ươ ng pháp s ố t ươ ng đối đơ n gi ản và ổn định. - Ph ươ ng pháp th ể tích h ữu h ạn (TTHH) tinh t ế h ơn ph ươ ng pháp SPHH và tr ở nên ph ổ bi ến trong k ỹ thu ật tính nhi ệt và động h ọc dòng ch ảy (Patankar 1980). 5
6. - Ph ươ ng pháp Ph ần t ử h ữu h ạn (PTHH) là ph ươ ng pháp s ố để gi ải các bài toán được mô t ả b ởi các ph ươ ng trình vi phân đạo hàm riêng cùng v ới các điều ki ện biên c ụ th ể. 1.3 Mô hình toán d ự đoán tính ch ất nhi ệt v ật lý c ủa th ực ph ẩm trong quá trình c ấp đông Nh ư đã trình bày ở trên, để xây d ựng mô hình toán c ủa quá trình làm l ạnh cấp đông th ực ph ẩm d ướ i d ạng h ệ ph ươ ng trình d ạng (1.1 a)c ần thi ết ph ải xây dựng mô hình tính ch ất nhi ệt v ật lý c ủa th ực ph ẩm ph ụ thu ộc vào nhi ệt độ. Trong đó, thông s ố nhi ệt v ật lý đóng vai trò là các h ệ s ố trong mô hình toán học quy ết định r ất l ớn đến tính chính xác c ủa mô hình. 1.3.1 Thành ph ần b ăng Thành ph ần b ăng trong th ực ph ẩm theo nhi ệt độ đóng vai trò quan tr ọng trong vi ệc xác định nh ững đặc điểm nhi ệt v ật lý và s ự bi ến đổi enthanlpy c ủa th ực ph ẩm trong quá trình l ạnh đông, b ảo qu ản và phân ph ối th ực ph ẩm k ết đông (Fikiin, 1998)[52]. Mô hình toán xác định hàm l ượng băng trong th ực ph ẩm được nhi ều tác gi ả trên th ế gi ới công b ố nh ư: Chen (1985) [33] Schwartberg (1976) [94a], Miles(1974)[74], Tchigoes(1979) [98], Latyshev(1992) [65] trong các mô hình trên, mô hình do Latyshev (1992) [65] khá chính xác, tuy nhiên điểm h ạn ch ế c ủa ph ươ ng pháp này là cần bi ết tr ước 3 tham s ố. Do đó trong khuôn kh ổ nghiên c ứu c ủa lu ận án này, chúng ta ch ấp nh ận áp d ụng công th ức Chen (1985)[33]. 1.3.2 Nhi ệt dung riêng Ng ười đầu tiên đặt n ền móng cho vi ệc xây d ựng mô hình xác định NDR c ủa th ực ph ẩm là Sibel (1892) [95], tuy nhiên mô hình này ch ỉ xét ảnh h ưởng c ủa hàm l ượng n ước đến NDR, th ực t ế ngoài ảnh h ưởng c ủa hàm l ượng n ước còn có ảnh h ưởng c ủa các y ếu t ố khác nh ư: thành ph ần ch ất khô, nhi ệt độ . Do đó m ột s ố tác gi ả đã d ựa vào mô hình do Sibel (1892) [95] đề xu ất, đã c ải ti ến phát tri ển mô hình xác định NDR nh ư: Schwartzberg (1976,1981), Heldman và Singh(1981), Choi va Okos (1986), Chen (1985), Guta (1990), Trumak.IG-Onhisenko V.P NDR tính theo các công th ức do Trumak.IG- Onhisenko V.P cho k ết qu ả có th ể ch ấp nh ận được, tuy nhiên đòi h ỏi ph ải bi ết tr ước hàm l ượng n ước đóng b ăng. Trong khuôn kh ổ nghiên c ứu này chúng ta ch ấp nh ận s ử d ụng công th ức Schwartzberg(1.31) vì công th ức này th ống nh ất v ới công th ức tính hàm l ượng n ước đóng b ăng của Chen (1.18) và có độ tin c ậy cao. Khi áp d ụng các công th ức d ạng (1.18, 1.31) vào mô ph ỏng, độ chính xác đã được kh ẳng định trong các nghiên c ứu c ủa Nguy ễn Vi ệt D ũng, Hoàng Khánh Duy [46-47]. 1.3.3 Enthalpy Ph ươ ng trình xác định enthalpy c ủa Chen (1985a) th ực hi ện phù h ợp nh ất, trong khi m ối t ươ ng quan c ủa Miki và Hayakawa (1996)[73] là ch ưa phù h ợp lắm. Hai ph ươ ng pháp này d ễ dàng c ải ti ến được. Đặc điểm c ủa các ph ươ ng 6
7. trình enthalpy của Schwartzberg (1976) và Chang và Tao (1981) là có sai s ố lớn h ơn. Do đó lu ận án này s ử d ụng công th ức tính enthalpy c ủa Chen. 1.3.4 Hệ số dẫn nhi ệt (HSDN) Mô hình xác định HSDN đầu tiên được Maxwell (1904) đề xu ất, để t ăng độ chính xác, m ột s ố tác gi ả khác nh ư: Eucken (1940), Kopelman (1966), Levy (1981), Choi và Okos (1986) phát tri ển mô hình xác định HSDN t ừ mô hình c ủa Maxwell. Tuy nhiên HSDN của th ực ph ẩm theo mô hình c ủa Levy (1981) có sai s ố trung bình tuy ệt đối th ấp nh ất. 1.3.5 Kh ối l ượng riêng − ε =ρ 1 (1.77) n X ∑ i =1i ρ i 1.3.6 Hệ số dẫn nhi ệt độ (HSDN Đ) Hệ s ố d ẫn nhi ệt độ là thông s ố đặc tr ưng cho kh ả n ăng lan truy ền tr ường nhi ệt độ c ủa th ực ph ẩm trong quá trình d ẫn nhi ệt, được xác định b ởi: λ a = (1.78) ρ C. p 1.3.7 Kết lu ận Để nghiên c ứu, mô ph ỏng quá trình c ấp đông c ủa cá da tr ơn mà đặc tr ưng là cá tra c ần thi ết ph ải xây d ựng được các mô hình tính ch ất nhi ệt v ật lý C e(T), λ(T), ρ(T), h(T)cho đối t ượng trên. Các mô hình này hi ện nay ở Vi ệt Nam ch ưa có tác gi ả nào nghiên c ứu. 1.4 Nhi ệm v ụ c ủa lu ận v ăn Trên c ơ s ở đánh giá t ổng quan ở trên, m ục tiêu và ph ươ ng pháp nghiên c ứu của luận án này bao g ồm nh ững n ội dung c ụ th ể nh ư sau. - Xây d ựng mô hình d ự đoán th ời gian c ấp đông và tr ường nhi ệt độ của sản ph ẩm thay đổi theo th ời gian; - Nghiên c ứu tr ường nhi ệt độ sản ph ẩm trong quá trình c ấp đông - Áp d ụng mô hình đánh giá ảnh h ưởng c ủa các thông s ố của môi tr ường làm l ạnh t ới quá trình làm l ạnh và k ết đông s ản ph ẩm. Trên c ơ s ở đó đề xu ất quy trình làm l ạnh và c ấp đông s ản ph ẩm cá da tr ơn hợp lý theo tiêu chí b ảo đảm ch ất l ượng s ản ph ẩm v ới điều ki ện tiêu hao n ăng l ượng nh ỏ nh ất. CH ƯƠ NG 2 XÂY D ỰNG MÔ HÌNH TÍNH CH ẤT NHI ỆT V ẬT LÝ CỦA CÁ TRA 2.1 Xác định h ệ s ố d ẫn nhi ệt và h ệ s ố d ẫn nhi ệt độ c ủa cá tra b ằng th ực nghi ệm 2.1.1 C ơ s ở lý thuy ết ph ươ ng pháp đo Mô hình toán mô t ả c ơ s ở lý thuy ết cho ph ươ ng pháp đo nh ư sau: 7
8. ∂T  ∂ 2 T 1 ∂T  = a +   τ∂ ∂ 2 ∂ (2.1)   r r r   ,r(T =τ = T)0 = const  0 =τ∞→ =  r(T T), 0 const  ∂ (),rT τ  2lim πλ 'q =−= const  →0r ∂r Lời gi ải c ủa (2.1)Theo Carslaw và Jaeger [59] xác định đư ợc h ệ s ố dẫn nhi ệt và h ệ s ố d ẫn nhi ệt độ nh ư sau: - Hệ số dẫn nhi ệt (HSDN): q  t − t  (2.2) =λ ln  2 0  π()−  −  T4 2 T1  tt 01  - Hệ số dẫn nhi ệt độ (HSDN Đ) : Theo (NIX và c ộng sự., 1967[80-81]), HSDN Đ a đư ợc xác định nh ư sau: q  C β2 β4  ; (2.4) ∆T = − − ln () +β − +  2πλ  2 !2.4!1.2  r với: =β 2 ()a τ× Hệ s ố β được xác định theo ch ươ ng trình Goal seek c ủa Microsoft excel,. Giá tr ị HSDN Đ được xác định theo β tìm được theo Goal seek. 2.1.2 Nh ững yêu cầu v ề c ấu hình thi ết b ị đo Để h ạn ch ế sai s ố khi ch ế t ạo thi ết b ị đo, thi ết b ị đo c ần th ỏa mãn các yêu c ầu sau:
   Tỷ số gi ữa chi ều dài và đường kính que th ăm d/L ≥ 30 .a.4 τ
   Theo (Sweat và Haugh, 1974)[97] < 6,0 d 2
   Công su ất nhi ệt thi ết b ị đo ph ải bé khi th ực hi ện thí nghi ệm trong vùng kết đông. 2.1.3 Mô t ả thi ết b ị đo được ch ế t ạo 2.1.3.1 C ấu hình thi ết b ị Vi ệc ch ế t ạo que th ăm đòi h ỏi ph ả i t ỉ m ỉ và chính xác. Hình 2.3 trình bày c ấu t ạo que th ăm. Tác gi ả Đã ti ến hành ch ế t ạo thành công 5 b ộ đo. Hình 2.3 S ơ đồ cấu tạo thi ết b ị đo 2.1.3.2 Ki ểm chuẩn thi ết b ị đo Để đánh giá độ chính xác c ủa thi ết b ị đo sau khi ch ế t ạo. B ộ đo đư ợc ki ểm tra và hi ệu chu ẩn t ại trung tâm k ỹ thu ật tiêu chu ẩn đo l ường ch ất l ượng 3 (QUATEST 3) 2.1.3.3 S ơ đồ lắp đặt thi ết b ị 8
9. Trên c ơ s ở thi ết b ị đo đã ch ế tạo, ti ến hành thi ết k ế hệ th ống thu th ập s ố li ệu trong quá trình thí nghi ệm. H ệ th ống bao g ồm máy vi tính, b ộ ghi d ữ li ệu, b ộ cung c ấp ngu ồn chothi ết b ị đo, h ệ th ống thu th ập s ố li ệu được l ắp đặt nh ư hình 2.5. Hình 2.5 Sơ đồ b ố trí l ắp đặt thi ết b ị thí nghi ệm 2.1.4 Ph ươ ng pháp thí nghi ệm xác định HSDN 2.1.4.1 Chu ẩn b ị m ẫu thí nghi ệm Cá tra đượ c mua t ại TP H ồ Chí Minh ; sau khi b ỏ đầ u, nội t ạng và da m ẫu thí nghi ệm v ới d ạng ống tr ụ có kh ối l ượ ng M = 1,8 ÷2,0 kg, đườ ng kính d =140 ÷160 mm, chiều dài l = 200 ÷220 mm. Với thông s ố kích th ướ c m ẫu trên th ỏa mãn điều ki ện: ≥ Dmau .2,5 ta Mẫu thí nghi ệm được đư a vào t ủ thí nghi ệm cùng v ới thi ết b ị que th ăm kép, trong vòng (2 ÷24) gi ờ để t ạo ra và ổn định nhi ệt độ c ủa m ẫu tr ước khi đo. 2.1.4.2 T ạo môi tr ường nhi ệt độ thí nghi ệm ω ÷± ∆ ± Môi tr ường nhi ệt độ thí nghi ệm với thông s ố sau: = 0,2 0,02m/s, T= 0,4K 2.1.5 Quy trình thí nghi ệm Trình t ự thí nghi ệm: Các thí nghi ệm được ti ến hành theo trình t ự sau • Lắp đặt thi ết b ị đo v ới máy tính, k ết nối que th ăm d ạng kép v ới b ộ ngu ồn và bộ ngu ồn v ới máy tính, hình 2.8(a). • Bố trí đầ u đo: đầu đo đượ c c ắm d ọc theo thân cá, xem hình 2.8(b). Số li ệu thí nghi ệm đượ c ghi l ại t ự độ ng. • Đặt m ẫu thí nghi ệm vào t ủ cấp đông, dây c ặp nhi ệt và dây nguồn c ấp cho que th ăm được đư a ra l ỗ có s ẵn trên t ủ cấp đông.T ủ được thi ết k ế chuyên dùng cho đo thông s ố nhi ệt v ật lý nên t ại l ỗ này được ch ế tạo đặc bi ệt không t ổn th ất nhi ệt ra ngoài . • Điều ch ỉnh c ường độ dòng điện theo yêu c ầu • Kh ởi động t ủ cấp đông b ắt đầu th ực hi ện quá trình đo ( để kết qu ả đo đảm b ảo chính xác, c ần ph ải đợi nhi ệt độ mẫu đo và nhi ệt độ bu ồng c ấp đông cân b ằng t ại mỗi điểm đo, điều này r ất quan tr ọng) • Khi nhi ệt độ mẫu đo đạt đến nhi ệt độ bu ồng c ấp đông, ti ến hành th ực hi ện thí nghi ệm. • Trong quá trình đo điện áp c ấp cho điện tr ở cần ph ải được duy trì ổn định. • Nhi ệt độ mẫu và nhi ệt độ bu ồng ph ải b ằng nhau (chênh l ệch không được v ượt quá ±1K). • Trong su ốt quá trình đo, m ẫu đo ph ải được c ố định không được d ịch chuy ển. 9
10. Thí nghi ệmđược ti ến hành trên ba m ẫu cá khác nhau, có cùng kh ối l ượ ng và thông số hình h ọc. Hình 2.8 Bố trí đầu đo trong m ẫu thí nghi ệm, (a) S ơ đồ kết n ối v ới máy tính, (b) Bố trí đầu đo trong m ẫu thí nghi ệm Để áp d ụng l ời gi ải c ủa bài toán d ẫn nhi ệt không ổn định v ới ngu ồn nhi ệt dạng đường, dây đốt nóng được xem là t ập h ợp nh ững điểm không kh ối lượng, nh ưng th ực t ế que th ăm có kh ối l ượng, do đó trong quá trình x ử lý s ố li ệu c ần hi ệu ch ỉnh th ời gian t 0. Hình 2.9 Bi ến thiên Hình 2.10 nhi ệt độ trong chu Hồi quy quan kỳ đốt nóng và làm hệ gi ữa nhi ệt ngu ội que th ăm độ và ln(t) 2.1.6 K ết qu ả đo h ệ s ố d ẫn nhi ệt, hệ s ố d ẫn nhi ệt độ của cá tra (Vi ệt Nam) ở các nhi ệt độ khác nhau Các k ết qu ả đo HSDN và HSDN Đ của cá tra trong kho ảng nhi ệt độ - 40 ÷40 0C cho ba m ẫu cá có cùng kích th ước và kh ối l ượng được trình bày trong b ảng 2.4 Bảng 2.4 K ết qu ả th ực nghi ệm xác định h ệ s ố d ẫn nhi ệt, h ệ s ố d ẫn nhi ệt độ và kh ối l ượng riêng c ủa cá tra(-40 ÷40 0C) 0 2 2 3 TT t[ C] R (%) λtn [W/m.K] atn [m /s] ρ[kg/m ] 1 40 97,6 0,436 1,26 ×10 -7 1023 2 35 98,3 0,439 1,39 ×10 -7 1025 3 30 96,8 0,471 1,41 ×10 -7 1027 4 25 98,5 0,464 1,43 ×10 -7 1028 5 20 98,9 0,459 1,45 ×10 -7 1029 6 15 97,8 0,476 1,43 ×10 -7 1030 7 10 98,3 0,448 1,41 ×10 -7 1031 8 5 97,6 0,452 1,49 ×10 -7 1032 9 -5 96,3 1,158 1,66 ×10 -7 1003 10 -10 97,8 1,300 3,76 ×10 -7 992 11 -15 98,2 1,400 5,20 ×10 -7 989 12 -20 97,6 1,410 6,24 ×10 -7 988 13 -25 98,5 1,478 7,84 ×10 -7 988 14 -30 97,7 1,505 1,09 ×10 -6 989 15 -35 98,4 1,534 1,18 ×10 -6 989 16 -40 98,6 1,573 1,58 ×10 -6 989 2.2 Xây d ựng mô hình thông s ố nhi ệt v ật lý trong d ải nhi ệt độ [- 40 0C÷÷÷40 0C] Trên c ơ s ở phân tích ở ch ươ ng m ột, các d ạng các mô hình toán d ự đoán tính ch ất nhi ệt v ật lý g ồm NDR hi ệu d ụng C e(T), HSDN λ(T) và KLR ρ(T)của cá 10
11. tra mà tác gi ả l ựa ch ọn để áp d ụng được th ể hi ện trong tính toán so sánh v ới th ực nghi ệm Kh ối lượng riêng đươ c xác định theo Choi và Okos(1986)[36], Hệ s ố d ẫn nhi ệt của cá tra có th ể tính theo ph ươ ng pháp c ủa Levy (1981)[67]. NDR c ủa th ực ph ẩm ch ưa kết đông, được tính theo công th ức c ủa Choi và Okos(1986), NDR c ủa th ực ph ẩm t ại điểm b ắt đầu k ết đông được tính theo mô hình d ự đoán c ủa Chen(1985), HSDN Đ xác định nh ư sau: a = λ ρ).C/( 2.3 So sánh k ết qu ả th ực nghi ệm v ới k ết qu ả tính theo mô hình Trên c ơ s ở k ết qu ả tính toán t ừ các mô hình xác định tính ch ất nhi ệt v ật lý của th ực ph ẩm trình bày trong b ảng 2.5 k ết h ợp với ph ươ ng pháp đánh giá sai s ố: 1 n X − X ()%E = ∑ PE =1i n XE (2.21) Ly thuyet xac dinh khoi luong rieng cua ca tra Ly thuyet va thuc nghiem xac dinh he so dan nhiet cua ca tra 1040 1.8 Tinh theo mo hinh [67] 1030 1.6 /kg] Thuc nghiem 3 1.4 1020 1.2 1010 1 1000 0.8 990 0.6 Tinh theo mo hinh [34] Khoi luong rieng, [m He so dan nhiet , [W/m.K] 980 0.4 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Nhiet do, [ 0C] Nhiet do, [ 0C] -6 4 Lyx thuyet 10 va thuc nghiem xac dinh he so dan nhiet do cua ca tra Lyx thuyet10 va thuc nghiem xac dinh nhiet dung rieng cua ca tra 2 10 Tinh theo mo hinh Tinh theo mo hinh[94a] /s] 2 thuc nghiem Thuc nghiem 8 1.5 6 1 4 0.5 2 He so dan nhiet do,[m Nhiet Nhiet dung rieng, [J/kg.K] 0 0 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Nhiet do, [ 0C] Nhiet do, [ 0C] Bảng 2.14 Th ực nghi ệm xác đị nh tính ch ất nhi ệt v ật lý c ủa cá tra trong kho ảng -40 0C≤ t ≤40 0C b ằng ph ươ ng pháp que th ăm d ạng kép t[ 0C] ρ[kg/m 3] λ[W/m.K] a [m 2/s] C[J/kg.K] 40 1023 0,436 1,26 ×10 -7 3380,9 35 1025 0,439 1,39 ×10 -7 3080,9 30 1027 0,471 1,41 ×10 -7 3253,6 25 1028 0,464 1,43 ×10 -7 3156,1 20 1029 0,459 1,45 ×10 -7 3075,4 15 1030 0,476 1,43 ×10 -7 3230,5 10 1031 0,448 1,41 ×10 -7 3080,6 5 1032 0,452 1,49 ×10 -7 2938,6 0 1033 0,465 1,303 ×10 -7 3455 11
12. -2,2 1033 0,462 4,742 ×10 -9 94284 -5 1003 1,158 1,66 ×10 -7 7026,5 -10 992 1,300 3,76 ×10 -7 3502,3 -15 989 1,400 5,20 ×10 -7 2730,0 -20 988 1,41 6,24 ×10 -7 2289,9 -25 988 1,478 7,84 ×10 -7 1910,9 -30 989 1,505 1,09 ×10 -6 1397,8 -35 989 1,534 1,18 ×10 -6 1316,5 -40 989 1,573 1,58 ×10 -6 1007,4 2.4 Đánh giá k ết qu ả và th ảo lu ận Phân tích k ết qu ả tính toán gi ữ a lý thuy ế t và th ự c nghi ệm, có th ể nh ận xét sau: 1. Các s ố li ệu thu th ập đư ợc theo th ự c nghi ệ m và tính toán lý thuyêt đã tuân theo đúng quy lu ật. 2. Sai số giữa thực nghiệm và lý thuyết tính theo các mô hình , đối với Hệ số dẫn nhiệt nằm trong khoảng 5% đến 13%,đối với Hệ số dẫn nhiệt độ sai số nằm trong khoảng 7% đến 19%, các giá trị này chỉ xét trong vùng không bi ến đổi pha . 3. Số liệu thực nghiệm tính chất nhiệt vật lý của các tra tương đối chính xác.Trên c ơ s ở d ữ li ệu đó có th ể hi ệ u ch ỉ nh mô hình tính ch ất nhi ệt v ật lý λ(T), C(T) dùng cho nghiên c ứu xây d ự ng mô hình toán xác định th ời gian cấp đông c ủa cá tra (Vi ệt Nam) trong ch ươ ng ti ếp theo. CH ƯƠ NG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG CÁ TRA 3.1 Xác định các thông số đầu vào của mô hình toán cấp đông cá da tr ơn fillet Quá trình c ấp đông cá tra fillet đư ợc th ự c hi ệ n công ngh ệ c ấp đông nhanh dạng IQF th ẳng xem hình 3.1(a,b,c,d),theo [15], gi ới h ạ n làm vi ệc c ủa các thông s ố công ngh ệ nh ư sau: ω=5 ÷15m/s,Te=-45 ÷-35 0C, δ=12 ÷24mm (a) (b) (c) (d) Hình 3.1S ản ph ẩm cá tra fillet được s ắp x ếp trên b ăng chuy ền IQF 3.2 Xây dựng mô hình cấp đông fillet cá tra Bài toán mô ph ỏng quá trình c ấp đông s ẽ đươ c gi ải cho thi ết di ện ngang l ớn nh ất c ủ a mi ế ng các t ạ i v ị trí này có ti ế t di ệ n g ầ n d ạ ng ch ữ nh ật, hình 3.2 Hình3.2 Mô t ả sơ đồ vị trí x ếp đặt s ản ph ẩm đông l ạnh 12
13. Mô hình toán cho bài toán c ấp đông cá tra fillet đư ợc mô t ả nh ư sau:   ∂ 2 ∂ 2  ∂ λ  T + T  + = ρ T (3.1)  )T(  2 2  q V (T)CP (T)   ∂x ∂y  τ∂   ∂T   ∂T    =   = 0 ∂  ∂   x  x= 0  y  =  y 0   ∂T  α ±   = ± ()TT−  ∂x  λ()T f x=± δx  x=±δx   ∂  α ±  T  = ± ()−   TTf y=±δ   ∂y  λ()T y  y=± δy τ = 0⇒ T= T() x, y,0 = const   Để áp d ụng ph ươ ng pháp PTHH cho bài toán c ấp đông cá tra fillet, từ ph ươ ng trình vi phân d ẫn nhi ệt k ết h ợp v ới điều ki ệ n biên, theo phép bi ến đổi Galerkin được vi ết d ưới d ạng ph ươ ng trình ma tr ận đặc tr ưng vi ết cho 1 PTHH nh ư sau: ∂T []C   +[]K {}{}T = f (3.27)  ∂τ  Theo ph ươ ng pháp SPHH, (3.27) được r ời r ạc theo th ời gian nh ư sau:  1  +  1 1− θ   [][]C + K {}T p 1 = {}f + []C  {}T p + {}T p  (3.37)  θ∆τ   θ∆τ 1  3.3 K ết qu ả mô ph ỏng quá trình c ấp đông cá tra Bằng cách s ử d ụng ph ần m ềm ANSYS, ph ươ ng trình 3.37 đư ợc gi ải theo l ưu đồ thu ật toán nh ư hình 3.4, l ời gi ải h ội t ụ tuy ệt đối xem hình 3.7 Hình 3.7 Quá trình l ặp khi gi ải bài toán Hình 3.4 L ưu đồ thu ật toán 3.4. Các k ết qu ả tính toán mô ph ỏng Quá trình hình thành và phát tri ển pha r ắ n trong m ẫ u s ả n ph ẩm cá được th ể hi ện trên đồ th ị 3.8. Di ễn bi ến nhi ệt độ trên hình 3.9 Hình 3.8 Quá trình hình thành và phát tri ển pha r ắ n trong m ẫu s ản ph ẩm cá 13
14. Bien thien nhiet do cua ca tra trong qua trinh cap dong 15 10 5 0 Hình 3.9 Di ễn bi ến nhi ệt độ trên ti ết -5 -10 -15 Nhiet do san pham san do Nhiet di ện ngang m ẫu s ản ph ẩm -20 0 -25 10 -30 20 0 50 100 30 150 200 250 Do s ơ đồ có r ất nhi ều điểm nút, s ố li ệu h ết s ức dày đặc, nhi ệt độ t ại các điểm được trích xu ất tùy theo yêu c ầu được trình bày trong ph ụ luc 10. 3.5 Thí nghi ệm đánh giá độ tin c ậy c ủa mô hình Để đánh giá độ tin c ậy c ủa mô hình, các k ết qu ả tính toán tr ườ ng nhi ệt độ và th ời gian c ấp đông đượ c so sánh v ới s ố li ệu thí nghi ệm, đượ c ti ến hành trên mô hình thí nghi ệm. Ngoài ra k ết qu ả tính toán b ằng mô hình th ời gian c ấp đông cá tra còn được so sánh v ới các s ố li ệu th ực t ế được đo ki ểm t ại các nhà máy đông l ạnh cá tra. Hình 3.10 S ơ đồ hệ th ống thí nghi ệm ki ểm ch ứng k ết qu ả lí thuy ết Các thí nghi ệm được th ực hi ện trên 03 lo ại m ẫu cá tra t ươ i có kích th ước và kh ối l ượng khác nhau, m ỗi m ẫu được th ực hi ện 3 l ần có cùng ch ế độ nhi ệt độ 0 và v ận t ốc không khí môi tr ường c ấp đông là: nhi ệt độ T e=-42 C,v ận t ốc ω=18m/s. Hình 3.11, 3.12,3.13 và b ảng 3.3 th ể hi ện k ết qu ả đo nhi ệt độ thay đổi theo th ời gian t ại vị trí: tâm c ủa s ản ph ẩm. Mẫu s ản ph ẩm có kích th ước dày x r ộng (12x70)mm, kh ối l ượng 100g Ly thuyet va thuc kiem xac dinh thoi gian cap dong, mau (3-5) 15 Thuc nghiem Tinh toan ly thuyet 10 Hình 3.11 Lý thuy ết và th ực nghi ệm 5 C] 0 0 xác định th ời gian c ấp đông, m ẫu -5 Nhiet do san pham, [ sando Nhiet pham, -10 sản ph ẩm có kh ối l ượng 100g, -15 KT(12x70)mm -20 0 100 200 300 400 500 600 Thoi gian cap dong, [S] Mẫu s ản ph ẩm có kích th ước dày x r ộng (15x85)mm, kh ối l ượng 160 g Ly thuyet va thuc nghiem xac dinh thoi gian cap dong, mau (5x7) 15 Thuc nghiem Hình 3.12 Lý thuy ết và th ực Tinh toan ly thuyet 10 C] 0 5 nghi ệm xác định th ời gian c ấp 0 đông, m ẫu s ản ph ẩm có kh ối -5 -10[ san pham, doNhiet lượng 160g, KT(15x85)mm -15 -20 0 100 200 300 400 500 600 700 Thoi gian cap dong, [S] Mẫu s ản ph ẩm có kích th ước dày x r ộng kh ối l ượng 200g (18x90)mm Ly thuyet va thuc nghiem xac dinh thoi gian cap dong, mau(7x9) 15 Tinh toan ly thuyet Hình 3.13 Lý thuy ết và th ực Thuc nghiem 10 C] 0 nghi ệm xác định th ời gian c ấp 5 0 đông, m ẫu s ản ph ẩm có kh ối -5 lượng 200g, KT(18x90)mm -10 [ sando pham, Nhiet -15 -20 0 100 200 300 400 500 600 700 Thoi gian cap dong, [S] 14
15. a. Sai s ố th ời gian c ấp đông Kết qu ả đánh giá sai s ố th ời gian c ấp đông gi ữa th ự c nghi ệm và tính toán t ừ mô hình được th ể hi ện trong b ảng 3.3 Bảng 3.3 Lý thuy ết và th ực nghi ệm xác định th ờ i gian c ấp đông Nhi ệt độ Vận t ốc Nhi ệt độ SP Th ời gian Sai s ố 0 Mẫu môi không [ C] cấp đông[s] 0 tr ường[ C] khí[m/s] Vào ra LT TN 100g(12x70) -42 18 12 -18 524 509 2,8% 160g(15x85) -42 18 12 -18 611 595 2,0% 200g(18x90) -42 18 12 -18 684 670 2,0% b. Sai s ố tr ường nhi ệt độ Kết qu ả đánh giá sai s ố tr ường nhi ệt độ gi ữ a th ự c nghi ệm và tính toán t ừ mô hình đư ợc th ể hi ệ n trong ph ụ c l ụ c 10 cho th ấ y r ằ ng, sai s ố t ươ ng đối tr ường nhi ệt độ gi ữa th ực nghi ệm và lý thuy ết ch ưa v ượt quá 1% v ới độ chênh l ệch nhi ệt độ gi ữa th ực nghi ệm và lý thuy ết cao nh ất là ∆T =1,9[K]. Sai s ố này càng l ớn càng v ề cu ối giai đoạn c ấp đông. c.K ết lu ận Từ k ết qu ả đánh giá sai s ố, sai l ệ ch th ờ i gian c ấp đông ch ưa v ượt quá 3%, sai l ệch nhi ệt độ không v ượt quá ∆T =1,9[K]. với m ức độ ph ức t ạp của quá trình, mô hình mô ph ỏng quá trình c ấp đông có th ể áp d ụng để xác định th ời gian c ấp đông. 3.6 Áp d ụng mô hình xác định th ời gian c ấp đông c ủa cá tra trong các điều ki ện khác nhau Kết qu ả tính toán th ời gian c ấp đông cho 125 ch ế độ c ấp đông ứng với nhi ệt độ, v ận t ốc không khí và kích th ước s ả n ph ẩ m cá tra khác nhau được th ể hi ện trong bảng 3.5 3.7 Nghiên c ứu bi ến thiên tr ường nhi ệt độ bên trong s ản ph ẩm trong quá trình c ấp đông Quá trình thay đổi nhi ệt độ tại 25 điểm trên ti ết di ện ngang được th ể hi ện trên hình 3.14 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Nh ận xét: 15
16. + Di ến bi ến nhi ệt độ trên các l ớp ngang: l ớp 1 g ồm các điểm 1,2,3,4,5; l ớp 2: g ồm 6,7,8,9,10; l ớp 3 g ồm: 11,12,13,14,15; l ớp 4 g ồm : 21, 22, 23, 24, 25 có dạng gi ống nhau là các m ặt cong xo ắn cùng chi ều; b ởi vì : - Các đường cong thay đổi nhi ệt độ qua điểm 1, 6, 11, 16, 21 có d ạng gi ống nhau;Các đường qua điểm 2, , 12, 17, 22 t ươ ng t ự nh ư v ậy có d ạng gi ống nhau. Các đường qua điểm 5, 10, 15, 20, 25 có d ạng giống nhau. - Điều đó có ngh ĩa là quy lu ật thay đổi nhi ệt độ c ủa các l ớp trên gi ống nhau. + Các điểm trên m ặt ngoài 1,6,11,16,21 có t ốc độ gi ảm nhi ệt độ nhanh nh ất và gi ảm xu ống th ấp nh ất; có th ể gi ải thích là do các điểm này n ằm ở m ặt tr ước b ị không khí lạnh th ổi vuông góc vào nên nhi ệt m ất đi do t ỏa nhi ệt l ớn nh ất, trong đó điểm 1 có nhi ệt độ âm đạt th ấp nh ất (-33,57 0C, th ời điểm 52 =1003,75s). Các điểm n ằm bên trong có t ốc độ gi ảm nhi ệt độ ch ậm h ơn; ch ậm nh ất là các 5, 10, 15, 20, 25; trong đó điểm 25 có nhi ệt độ âm đạt cao nh ất (-18,22 0C, th ời điểm 52) Các nh ận xét trên hoàn toàn phù h ợp v ới quy lu ật x ảy ra trong th ực t ế ở ch ỗ, các l ớp m ặt ngoài ti ếp xúc v ới không khí l ạnh có nhi ệt độ th ấp nên nhi ệt độ gi ảm r ất nhanh; các l ớp ti ếp theo g ần sát m ặt ngoài dẫn nhi ệt khá l ớn b ởi độ chênh nhi ệt độ. Các l ớp bên trong xa m ặt ngoài d ẫn nhi ệt kém h ơn nên nhi ệt độ gi ảm ch ậm. Thay đổi nhi ệt độ trên ti ết di ện ngang ở các ch ế độ c ấp đông khác nhau (a) (b) (c)
    Nh ận xét: - Toàn c ảnh di ễn bi ến nhi ệt độ trong 3 ch ế độ t ốc độ không khí l ạnh khác nhau : ω =5[m/s], ω =10[m/s], ω =15[m/s]đều là các m ặt cong xo ắn có d ạng gi ống nhau, ngh ĩa là thay đổi nhi ệt độ theo th ời gian và các vi trí t ươ ng ứng trong 3 ch ế độ có cùng quy lu ật. - Di ễn bi ến nhi ệt độ khác nhau ở ch ỗ các m ặt nhi ệt độ trong ch ế độ ω =10m/s được kéo dài h ơn ch ế độ ω=5m/s, trong ch ế độ ω =15m/s được kéo dài h ơn n ữa. Ngh ĩa là khi t ốc độ càng l ớn nhi ệt độ các điểm t ươ ng ứng càng gi ảm xu ống th ấp h ơn.
    Kết lu ận Các k ết qu ả tính toán nhi ệt độ đã th ể hi ện s ự phù h ợp v ới quy lu ật th ực t ế: Khi đặt m ẫu s ản ph ẩm cá trong môi tr ường không khí l ạnh, nhi ệt độ các điểm trong s ản ph ẩm thay đổi theo 3 giai đoạn có đặc điểm khác nhau: a) gi ảm nhanh t ừ nhi ệt đô d ươ ng đến 0 0C, đoạn này r ất d ốc do t ỏa nhi ệt t ại mặt ngoài r ất m ạnh; 16
17. b) bi ến đổi pha, đường nhi ệt độ h ơi d ốc và khá g ần v ới đường n ằm ngang do thành ph ần n ước k ết đông sinh nhi ệt đông đặc làm nhi ệt độ gi ảm r ất ch ậm. c) nhi ệt độ gi ảm khá nhanh do h ệ s ố d ẫn nhi ệt t ăng đột bi ến sau bi ến đổi pha, sau nhi ệt độ các điểm ti ến d ần t ới nhi ệt độ môi tr ường.
    Tùy thu ộc vào v ị trí c ủa t ừng điểm trong m ẫu s ản ph ẩm mà đặc điểm c ủa t ừng giai đoạn trên có th ể hi ện rõ nét hay không. Tại m ặt tr ước và đặc bi ệt ở góc s ản ph ẩm do t ỏa nhi ệt r ất m ạnh nên nhi ệt độ gi ảm r ất nhanh, quá trình k ết đông r ất ng ắn , h ầu nh ư không th ấy giai đoạn b. Các điểm bên trong đều th ể hi ện rõ 3 giai đoạn trên. Càng vào sâu bên trong giai đoạn b càng dài và thể hi ện càng rõ; đặc bi ệt điểm ở tâm s ản ph ẩm có giai đoạn b dài nh ất.
    Căn c ứ vào đặc tính thay đổi nhi ệt độ theo 3 giai đoạn nh ư trên t ại mỗi điểm trong s ản ph ẩm có th ể d ự đoán được th ời điểm và nhi ệt độ đóng băng hoàn toàn, t ừ đó quy ết định ch ọn th ời gian k ết đông phù h ợp.
    Khi t ốc độ không khí t ăng, các đường thay đổi nhi ệt độ t ại các điểm phân k ỳ trong góc r ộng h ơn, các giai đoạn a và b thu h ẹp h ơn. Nhi ệt độ t ại các điểm đạt th ấp h ơn. 3.8 Xây d ựng mô hình tiêu hao n ăng l ượng riêng cho quá trình c ấp đông cá tra fillet Trên c ơ s ở th ời c ấp đông đã được xác định, k ết h ợp v ới m ột h ệ th ống IQF trong th ực t ế, tác gi ả đã xác định su ất tiêu hao n ăng l ượng trong quá trình c ấp đông cá tra fillet, k ết qu ả được th ể hi ện trong bảng 3.8 3.9 Kết lu ận
    Theo ph ươ ng pháp lý thuy ết k ết h ợp v ới kh ảo sát th ực t ế t ại nhà máy, tác gi ả đã xây d ựng được mô hình toán cho bài toán d ẫn nhi ệt không ổn định trong quá trình làm l ạnh và c ấp đông cá tra fillet.
    Xây d ựng mô hình thí nghi ệm ki ểm tra độ tin c ậy l ời gi ải c ủa mô hình toán xác định th ời gian c ấp đông.
    Kết qu ả tính toán lý thuy ết, đo đạc th ực nghi ệm trên m ẫu được so sánh v ới s ố li ệu đo đạc t ại các nhà máy s ản xu ất th ực t ế ch ỉ ra r ằng sai l ệch ch ưa đến 3%. Nh ư v ậy có th ể s ử d ụng mô hình này trong tính toán ch ọn vùng thông s ố môi tr ường c ấp đông phù h ợp v ới m ục đích hợp lý quá trình làm l ạnh và c ấp đông cá tra fillet.
    Nghiên c ứu bi ến thiên tr ường nhi ệt độ bên trong s ản ph ẩm ở m ột s ố ch ế độ điển hình.
    Xây d ựng được b ộ s ố li ệu xác định th ời gian c ấp đông và su ất tiêu hao n ăng l ượng riêng c ủa cá tra fillet trong vùng ch ế độ c ấp đông nh ư 0 sau:T e=-45 ÷-35 C; ω=5 ÷15m/s; δ=12 ÷24mm, w=70 ÷125mm CH ƯƠ NG 4 NGHIÊN C ỨU T ỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH C ẤP ĐÔNG CÁ TRA FILLET 17
18. 4.1 Nghiên c ứu các y ếu t ố ảnh h ưởng đến th ời gian c ấp đông cá tra dạng IQF th ẳng 4.1.1 Ảnh h ưởng c ủa v ận t ốc không khí và nhi ệt độ đến th ời gian c ấp đông Kết qu ả tính toán th ời gian c ấp đông được trình bày trong b ảng 3.5 ảnh hưởng c ủa v ận t ốc không khí đến th ời gian c ấp đông trình bày trên hình 4.2. Để đánh giá ảnh h ưởng c ủa thay đổi t ốc độ đến th ời gian c ấp đông trong 0 kho ảng T e=-45 ÷-35 C, k ết qu ả h ồi quy được trình bày trong hình 4.2 Quan he giu van toc khong khi voi thoi gian cap dong o cac nhiet do khac nhau 1600 (a) Te=-35 0C 1500 (b) Te=-37,5 0C (c) Te=-40 0C 1400 (d) Te=-42,5 0C 0 1300 (e) Te=-45 C 1200 1100 Hình 4.2 Ảnh h ưởng c ủa v ận t ốc 1000 không khí đến th ời gian c ấp đông Thoi gian cap dong,[s] 900 (a) (b) 800 (c) (d) 700 (e) 600 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Van toc khong khi, [m/s] - Nh ận xét: Khi v ận t ốc không khí thay đổi, th ời gian c ấp đông c ũng thay đổi, m ức độ thay đổi ở v ận t ốc th ấp l ớn h ơn ở v ận t ốc cao ở m ọi ch ế độ nhi ệt độ khác nhau, m ức độ gi ảm th ời gian c ấp đông trong kho ảng ∆τ=7 ÷2% khi vận t ốc t ăng ∇ω=1m/s v ới m ọi v ận t ốc ω=5 ÷15m/s 4.1.2 Ảnh h ưởng c ủa nhi ệt độ môi tr ường c ấp đông đến th ời gian c ấp đông Kết qu ả xác định th ời gian c ấp đông c ủa cá tra fillet trong kho ảng nhi ệt độ t ừ -45 0C ÷-35 0C cho m ẫu có kích th ước 15x85mm được cho trong hình 4.3. Quan he giua nhiet do khong khi voi thoi gian cap dong o cac che do van toc khac nhau 1600 (a) v=5m/s 1500 (b) v=7,5m/s (c) v=10m/s 1400 (d) v=12,5m/s (e) v=15m/s 1300 Hình 4.4 Ảnh h ưởng c ủa nhi ệt độ C] 0 1200 (a) không khí môi tr ường c ấp đông 1100 đến th ời gian c ấp đông ở các ch ế (b) 1000 độ vận t ốc khác nhau: Thoi giancap dong,[ 900 ω=5 ÷15m/s 800 700 (e) (c) (d) 600 -45 -44 -43 -42 -41 -40 -39 -38 -37 -36 -35 Nhiet do moi truong cap dong, [s] - Nh ận xét: Khi nhi ệt độ không khí l ạnh thay đổi, th ời gian c ấp đông c ũng thay đổi, m ức độ thay đổi ở nhi ệt độ cao l ớn h ơn ở nhi ệt độ th ấp ở m ọi ch ế độ v ận t ốc khác nhau, m ức độ gi ảm th ời gian c ấp đông trong kho ảng ∆τ=2,5 ÷3,2% khi nhi ệt độ gi ảm ∇Te=1K v ới m ọi nhi ệt độ Te=-45 ÷-35 0C 4.1.3 Ảnh h ưởng c ủa kích th ước s ản ph ẩm đến th ời gian c ấp đông 18
19. Anh huong cua kich thuoc san pham den thoi gian cap dong 3000 0 (a), v=5m/s, Te=-35 C 0 (b), v=7,5m/s, Te=-37,5 C 0 (c), v=10m/s, Te=-40 C 0 2500 (d), v=12,5m/s, Te=-42,5 C 0 (e), v=15m/s, Te=-45 C (e) (d) (c) 2000 Hình 4.6 Quan h ệ gi ữa th ời gian (b) (a) cấp đông v ới kích th ước sàn ph ẩm 1500 Thoi gian capdong,[s] ở các ch ế độ cấp đông khác nhau. 1000 500 12 14 16 18 20 22 24 Chieu day ca tra fillet, [mm] Nh ận xét: theo k ết qu ả trên cho th ấy r ằng, m ức độ tăng th ời gian c ấp đông gần nh ư tuy ến tính v ới độ tăng kích th ước, đồng th ời ở ch ế độ nhi ệt độ cao, vận t ốc th ấp độ tăng th ời gian c ấp đông r ất nhanh( hình 4.5) 4.1.4 Kết lu ận
    Ảnh h ưởng c ủa v ận t ốc : Khi t ăng v ận t ốc không khí s ẽ làm th ời gian c ấp đông gi ảm đi, nh ưng ở v ận t ốc th ấp ( ω=5m/s) th ời gian gi ảm nhi ều hơn so v ới ở v ận t ốc cao ( ω=15m/s).
    Ảnh h ưởng c ủa nhi ệt độ không khí : Khi nhi ệt độ âm môi tr ường cấp đông gi ảm th ấp s ẽ làm th ời gian c ấp đông gi ảm, nh ưng ở nhi ệt độ âm cao (Te=-35 0C) th ời gian gi ảm nhi ều h ơn so v ới ở nhi ệt độ âm th ấp (Te=- 45 0C).
    Ảnh h ưởng c ủa kích th ước s ản ph ẩm: Khi kích th ước s ản ph ẩm gi ảm s ẽ làm th ời gian k ết đông gi ảm đối v ới các m ẫu nh ỏ, các m ẫu kích th ước l ớn th ời gian kết đông gi ảm ít và không phù h ợp l ắm v ới b ăng chuy ền IQF 4.2 Nghiên c ứu các y ếu t ố ảnh h ưởng đến su ất tiêu hao n ăng l ượng riêng trong quá trình c ấp đông cá tra d ạng IQF th ẳng 4.2.1 Nghiên c ứu ảnh h ưởng c ủa v ận t ốc đến su ất tiêu hao n ăng l ượng riêng trong quá trình c ấp đông Ảnh h ưởng c ủa v ận t ốc đến su ất tiêu hao n ăng l ượng riêng được th ể hi ện trong hình 4.6 Anh huong cua van toc khong khi den suat tieu hao nang luong 0.29 (a), Te=-35 0C 0 0.28 (b), Te=-37,5 C (c), Te=-40 0C 0 0.27 (d), Te=-42,5 C (e), Te=-45 0C 0.26 Hình 4.6 Ảnh h ưởng c ủa v ận t ốc 0.25 (a) (b) (c) (d) (e) 0.24 đến su ất tiêu hao n ăng l ượng riêng 0.23 0.22 Suat haoSuat tieu nang luong,[kWh/kgsp] 0.21 0.2 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Van toc khong khi, [m/s] Nh ận xét Ảnh h ưởng c ủa v ận t ốc không khí: khi v ận t ốc không khí môi tr ường c ấp đông thay đổi, su ất tiêu hao n ăng l ượng s ẽ thay đổi - Trong kho ảng v ận t ốc ω=(5 ÷10) m/s, khi v ận t ốc t ăng, su ất tiêu hao n ăng lượng s ẽ gi ảm, ở nhi ệt độ âm cao m ức độ gi ảm nh ỏ h ơn ở nhi ệt độ âm th ấp. 19
20. - Trong kho ảng v ận t ốc ω=(10 ÷15) m/s, khi v ận t ốc t ăng, su ất tiêu hao n ăng lượng s ẽ t ăng, ở nhi ệt độ âm th ấp m ức độ t ăng su ất tiêu hao nh ỏ h ơn ở nhi ệt độ âm cao 4.2.2 Nghiên c ứu ảnh h ưởng c ủa nhi ệt độ không khí môi tr ường c ấp đông đến su ất tiêu hao n ăng l ượng riêng trong quá trình c ấp đông Anh huong cua nhiet do khong khi den suat tieu hao nang luong 0.29 (a), v=5m/s (b), v=7,5m/s 0.28 (c), v=10m/s (d), v=12,5m/s 0.27 (e), v=15m/s (a) (b) (c) (d) (e) 0.26 Hình 4.7 Ảnh h ưởng c ủa nhi ệt độ 0.25 không khí đến su ất tiêu hao n ăng 0.24 lượng riêng 0.23 0.22 Suat tieu hao luong,Suat nang [kWh/kgsp] 0.21 0.2 -45 -44 -43 -42 -41 -40 -39 -38 -37 -36 -35 Nhiet do khong khi moi truong cap dong, [ 0C] Nh ận xét Ảnh h ưởng c ủa nhi ệt độ không khí : khi nhi ệt độ âm không khí gi ảm: - Ở v ận t ốc cao ω=15m/s, su ất tiêu hao n ăng l ượng gi ảm, ở nhi ệt độ âm càng th ấp m ức độ gi ảm su ất tiêu hao n ăng l ượng càng l ớn. - Ở v ận t ốc th ấp ω=5m/s, su ất tiêu hao n ăng l ượng t ăng. - Ở hai ch ế độ ω=7,5 ÷10 m/s, su ất tiêu hao n ăng l ượng gi ảm. 4.2.3 Nghiên c ứu ảnh h ưởng của chi ều dày s ản ph ẩm đến su ất tiêu hao năng l ượng riêng trong quá trình c ấp đông Anh huong cua kich thuoc san pham den suat tieu hao nang luong 0.3 (a), v=5m/s,Te=-35 0C (b), v=7,5m/s, Te=-37,5 0C 0.28 (c), v=10m/s, Te=-40 0C (d), v=12,5m/s, Te=-42,5 0C 0.26 (e), v=15m/s, Te=-45 0C 0.24 Hình 4.8 Ảnh h ưởng c ủa KT 0.22 sản ph ẩm đến su ất tiêu hao 0.2 năng l ượng riêng 0.18 (a) (b) (c) (d) (e) Suat Suat hao tieu nang luong,[kWh/kgsp] 0.16 12 14 16 18 20 22 24 Kich thuoc san pham, [mm] Nh ận xét:
    Ảnh h ưởng c ủa kích th ước s ản ph ẩm: khi kích th ước thay đổi su ất tiêu hao n ăng l ượng thay đổi: - Khi kích th ước s ản ph ẩm t ăng, su ất tiêu hao n ăng l ượng gi ảm, - Ở s ản ph ẩm có kích th ước nh ỏ, m ức độ gi ảm su ất tiêu hao n ăng l ượng l ớn hơn s ản ph ẩm có kích th ước l ớn. - Ở s ản ph ẩm có kích th ước khá l ớn (21x115) khi kích th ước t ăng, su ất tiêu hao n ăng l ượng t ăng. 4.3 Xây d ựng mô hình toán cho quá trình c ấp đông cá tra Gi ới h ạn các thông s ố ảnh h ưởng đến th ời gian c ấp đông c ủa cá tra fillet được mã hóa: Bảng 4.20 Ph ạm vi bi ến đổi c ủa các nhân tố độc l ập trong quá trình c ấp đông 20
21. Nhân t ố được Mức nghiên c ứu Nhân t ố Đơ n v ị mã hoá -1 0 1 Vận t ốc X1 m/s 5 10 15 0 Nhi ệt độ X2 C -45 -40 -35 Chi ều dày X3 mm 12 18 24 Từ kết qu ả tính toán theo ph ươ ng án đã thi ết k ế, b ằng ch ươ ng trình Statghraphics Centurion XV.II Mô hình toán xác định m ối quan h ệ gi ữa các yếu t ố v ới th ời gian c ấp đông τ = 2586,33 -185,385. ω + 98,7099.Te + 206,536. δ -1,84448. ω.Te (4.2 b) - 3,94533. δω +. 2,6368.Te. δ + 5,72709 ω2 + 1,11451Te 2 + 0,509841 δ2 Mô hình toán xác định m ối quan h ệ gi ữa các y ếu t ố v ới su ất tiêu hao năng l ượng riêng nh ư sau: = P = 0,773282 - 0,0099648. ω + 0,0141723. -Te 0,0248592. δ (4.4 b) + 0,00053152 .ω.Te + 0,0000368. .δω + 0,00005066 67.Te. δ + 0,0016256. ω 2 + 0,00026331 4.Te 2 + 0.00058634 9. δ 2 4.4 ch ọn ch ế độ h ợp lý cho quá trình làm l ạnh và c ấp đông cá tra fillet Bảng 4.11 Vùng làm vi ệc hợp lý cho quá trình c ấp đông cá tra fillet Kho ảng làm Th ời gian STH Stt Thông s ố vi ệc hợp lý cấp đông (s) năng l ượng riêng 1 ω(m/s) 10,0352 ÷11,88 2 Te ( 0C) -39,98 ÷-38,82 1158,4 ÷721,387 0,237 ÷0,222 3 δ(mm) 17,94 ÷13,8 4.5 K ết lu ận 1. Đánh giá ảnh h ưởng c ủa các y ếu t ố : v ận t ốc, nhi ệt độ, chi ều dày đến th ời gian c ấp đông. 2. Đánh giá ảnh h ưởng c ủa các y ếu t ố : v ận t ốc, nhi ệt độ, chi ều dày đến th ời su ất tiêu hao n ăng l ượng riêng 3. Xây d ựng ph ươ ng trình h ồi quy quan h ệ gi ữa các y ếu t ố ảnh h ưởng đến th ời gian c ấp đông và su ất tiêu hao n ăng l ượng riêng 4. Hợp lý hóa quá trình c ấp đông theo các y ếu t ố ảnh h ưởng, ch ọn vùng làm vi ệc hợp lý cho quá trình c ấp đông cá tra fillet CH ƯƠ NG 5 KẾT LU ẬN VÀ ĐỀ XU ẤT 5.1 K ết lu ận Từ k ết qu ả nghiên c ứu quá trình k ết đông cá fillet có các kich th ước = 12x70 ÷ 24x125 mm , trong môi tr ường không khí l ạnh t ốc độ ω=5 ÷15m/s; 0 nhi ệt độ Te = -35 ÷-45 C; đề tài có th ể rút ra các k ết lu ận sau 5.1.1 Về lý thuy ết (i) Xây d ựng được mô hình mô ph ỏng quá trình c ấp đông cá tra fillet trên b ăng chuy ền IQF d ạng th ẳng. 21
22. (ii) Bài toán bi ến đổi pha c ủa th ực ph ẩm trong quá trình đông l ạnh đã được gi ải b ằng ph ươ ng pháp ph ần t ử h ữu hạn, trong đó xác định được toàn cảnh di ễn bi ến c ủa tr ường nhi ệt độ và xác định được th ời gian đông l ạnh c ủa mẫu cá tra fillet v ới t ừng kích th ước và ch ế độ c ấp đông khác nhau. K ết qu ả tính toán lý thuy ết có sai s ố nh ỏ <3% so v ới th ực nghi ệm nên b ảo đảm chính xác và tin c ậy. Mô hình có th ể áp d ụng để nghiên c ứu quá trình c ấp đông của nhi ều lo ại th ực ph ẩm t ươ ng t ự khác. (iii) Vi ệc phân tích đặc tính thay đổi nhi ệt độ t ại các điểm trong m ẫu s ản ph ẩm đã ch ỉ ra r ằng các k ết qu ả tính toán hoàn toàn phù h ợp v ới quy lu ật truy ền nhi ệt th ực t ế nh ư sau. Nhi ệt độ m ọi điểm trong s ản ph ẩm thay đổi theo 3 giai đoạn: (a) gi ảm nhanh t ừ nhi ệt đô d ươ ng đến 0 0C, đoạn này r ất d ốc do t ỏa nhi ệt t ại m ặt ngoài r ất m ạnh; (b) bi ến đổi pha, đường nhi ệt độ h ơi d ốc và khá g ần v ới đường n ằm ngang do thành ph ần n ước k ết đông sinh nhi ệt đông đặc làm nhi ệt độ gi ảm r ất ch ậm; (c) nhi ệt độ gi ảm khá nhanh do h ệ số dẫn nhi ệt t ăng đột bi ến sau bi ến đổi pha, sau đó nhi ệt độ các điểm ti ến d ần tới nhi ệt độ môi tr ường. Tại m ặt tr ước và đặc bi ệt ở góc s ản ph ẩm do t ỏa nhi ệt r ất m ạnh nên nhi ệt độ gi ảm r ất nhanh, quá trình k ết đông r ất nhanh, h ầu nh ư không th ấy giai đoạn b. Các điểm bên trong đều th ể hi ện rõ 3 giai đoạn trên. Càng vào sâu bên trong giai đoạn b càng dài và th ể hi ện càng rõ; đặc bi ệt điểm ở tâm s ản ph ẩm có giai đoạn b dài nh ất. Khi t ốc độ không khí t ăng, các đường thay đổi nhi ệt độ t ại các điểm phân k ỳ trong góc r ộng h ơn, các giai đoạn a và b thu h ẹp h ơn. Nhi ệt độ t ại các điểm đạt th ấp h ơn. (iv) Ảnh h ưởng c ủa các y ếu t ố : v ận t ốc không khí, nhi ệt độ môi tr ường c ấp đông, kích th ước s ản ph ẩm đến th ời gian c ấp đông và đến su ất tiêu hao n ăng lượng riêng được đánh giá nh ư sau: 1. Ảnh h ưởng c ủa các y ếu t ố đến th ời gian c ấp đông
    Ảnh h ưởng c ủa v ận t ốc : Khi t ăng v ận t ốc không khí s ẽ làm th ời gian c ấp đông gi ảm đi, nh ưng ở v ận t ốc th ấp ( ω=5m/s) th ời gian gi ảm nhi ều hơn so v ới ở v ận t ốc cao ( ω=15m/s).
    Ảnh h ưởng c ủa nhi ệt độ không khí : Khi nhi ệt độ âm môi tr ường cấp đông gi ảm th ấp s ẽ làm th ời gian c ấp đông gi ảm, nh ưng ở nhi ệt độ âm cao (Te=-35 0C) th ời gian gi ảm nhi ều h ơn so v ới ở nhi ệt độ âm th ấp (Te=- 45 0C).
    Ảnh h ưởng c ủa kích th ước s ản ph ẩm: Khi kích th ước s ản ph ẩm gi ảm s ẽ làm th ời gian k ết đông gi ảm đối v ới các m ẫu nh ỏ, các m ẫu kích th ước l ớn th ời gian k ết đông gi ảm ít và không phù h ợp l ắm v ới b ăng chuy ền IQF 2. Ảnh h ưởng c ủa các y ếu t ố đến đến su ất tiêu hao n ăng l ượng 22
23. 
    Ảnh h ưởng c ủa v ận t ốc không khí : khi v ận t ốc không khí môi tr ường c ấp đông thay đổi, su ất tiêu hao n ăng l ượng s ẽ thay đổi - Trong kho ảng v ận t ốc ω=(5 ÷10) m/s, khi v ận t ốc t ăng, su ất tiêu hao n ăng lượng s ẽ gi ảm, ở nhi ệt độ âm cao m ức độ gi ảm nh ỏ h ơn ở nhi ệt độ âm th ấp. - Trong kho ảng v ận t ốc ω=(10 ÷15) m/s, khi v ận t ốc t ăng, su ất tiêu hao n ăng lượng s ẽ t ăng, ở nhi ệt độ âm th ấp m ức độ t ăng su ất tiêu hao nh ỏ h ơn ở nhi ệt độ âm cao
    Ảnh h ưởng c ủa nhi ệt độ không khí : khi nhi ệt độ âm không khí gi ảm: - Ở v ận t ốc cao ω=15m/s, su ất tiêu hao n ăng l ượng gi ảm, ở nhi ệt độ âm càng th ấp m ức độ gi ảm su ất tiêu hao n ăng l ượng càng l ớn. - Ở v ận t ốc th ấp ω=5m/s, su ất tiêu hao n ăng l ượng t ăng. - Ở hai ch ế độ ω=7,5 ÷10 m/s, su ất tiêu hao n ăng l ượng gi ảm.
    Ảnh h ưởng c ủa kích th ước s ản ph ẩm: khi kích th ước thay đổi su ất tiêu hao n ăng l ượng thay đổi: - Khi kích th ước s ản ph ẩm t ăng, su ất tiêu hao n ăng l ượng gi ảm. - Ở s ản ph ẩm có kích th ước nh ỏ, m ức độ gi ảm su ất tiêu hao n ăng l ượng l ớn hơn s ản ph ẩm có kích th ước l ớn. - Ở s ản ph ẩm có kích thước khá l ớn (21x115) khi kích th ước t ăng, su ất tiêu hao n ăng l ượng t ăng. (v) Đề tài đã ứng d ụng ph ần m ềm Statghraphics Centurion XV.II xây d ựng được các ph ươ ng trình h ồi quy quan h ệ gi ữa th ời gian c ấp đông, su ất tiêu hao năng l ượng riêng v ới các y ếu t ố: v ận t ốc không khí, nhi ệt độ môi tr ường c ấp đông, kích th ước s ản ph ẩm v ới độ tin c ậy >99,5%, và s ử d ụng các ph ươ ng trình này áp d ụng cho bài toán hợp lý th ời gian c ấp đông và su ất tiêu hao năng l ượng quá trình c ấp đông cá tra fillet. 5.1.2 Về th ực nghi ệm: (i) Thi ết k ế và ch ế t ạo d ụng c ụ đo: Để xác định h ệ s ố d ẫn nhi ệt và h ệ số d ẫn nhi ệt độ c ủa th ực ph ẩm nói chung và cá tra fillet nói riêng, d ụng c ụ đo dạng xung nhi ệt (que th ăm d ạng kép) theo ph ươ ng pháp ngu ồn nhi ệt d ạng đường đã được ch ế t ạo để đo đạc. (ii) Thi ết k ế và l ắp ráp h ệ th ống thi ết b ị thí nghi ệm: Để xác định di ễn bi ến nhi ệt độ t ại các điểm trong m ẫu s ản ph ẩm, m ột hệ th ống thi ết b ị được thi ết k ế và l ắp ráp, mô ph ỏng quá trình c ấp đông để ki ểm ch ứng k ết qu ả tính toán. (iii) Đề tài đã đo h ệ s ố d ẫn nhi ệt và h ệ s ố d ẫn nhi ệt độ c ủa cá tra trong kho ảng nhi ệt độ -40 0C÷40 0C, các s ố li ệu này ch ưa t ừng được công b ố trên bất k ỳ tài li ệu nào, v ới sai s ố gi ữa lý thuy ết và th ực nghi ệm đối v ới h ệ s ố d ẫn nhi ệt <13% và h ệ s ố d ẫn nhi ệt độ <17%. 5.2 NH ỮNG ĐÓNG GÓP C ỦA LU ẬN ÁN 23
24. (i) Xây d ựng c ơ s ở d ữ li ệu thông số nhi ệt c ủa s ản ph ẩm cá tra . B ằng th ực nghi ệm đã xác định được h ệ s ố d ẫn nhi ệt và h ệ s ố d ẫn nhi ệt độ c ủa cá tra trong kho ảng nhi ệt độ -40 ÷40 0C v ới độ tin c ậy cao. S ố li ệu này ch ưa được công b ố trong b ất k ỳ tài li ệu nào. (ii) Gi ải được bài toán d ẫn nhi ệt có bi ến đổi pha hai chi ều cho th ực ph ẩm cá tra khi k ết đông . B ằng vi ệc s ử d ụng ph ươ ng pháp ph ần t ử h ữu h ạn và ph ần m ềm Ansys, bài toán dẫn nhi ệt có bi ến đổi pha hai chi ều cho th ực ph ẩm cá tra khi k ết đông đã được gi ải tr ọn v ẹn. K ết qu ả tính toán hoàn toàn phù hợp v ới th ực nghi ệm và th ực t ế. (iii) Lượng hóa được tác động c ủa các y ếu t ố: t ốc độ, nhi ệt độ không khí l ạnh, kích th ước s ản ph ẩm đến th ời gian c ấp đông và su ất tiêu hao năng l ượng riêng, trong t ừng ch ế độ c ấp đông c ụ th ể, t ừ đó đư a ra quy trình cấp đông h ợp lý. (iv) Đánh giá và ch ọn vùng c ấp đông cá tra fillet phù h ợp, khi s ử dụng các ph ươ ng trình theo bi ến th ực (4.2b),(4.4b), k ết h ợp v ới ph ần m ềm Statghraphics Centurion XV.II. v ới các thông s ố nh ư sau: Bảng 5.1 Vùng làm vi ệc hợp lý cho quá trình c ấp đông cá tra fillet Kho ảng làm Th ời gian Su ất tiêu hao n ăng Stt Thông s ố vi ệc hợp lý cấp đông τ, [s] lượngP, [kWh/kgsp] 1 ω, (m/s) 10,0352 ÷11,88 2 Te, ( 0C) -39,98 ÷-38,82 1158,4 ÷721,387 0,237 ÷0,222 3 δ, (mm) 17,94 ÷13,8 (v). K ết qu ả nghiên ch ế độ c ấp đông h ợp lý cho h ệ th ống c ấp đông cá tra fillet trên b ăng chuy ền IQF d ạng th ẳng và đã đề xu ất t ại hai công ty: Công ty cổ ph ần Nam Vi ệt và công ty TNHH MTV Hoàng Long chuyên ch ế bi ến cá tra xu ất kh ẩu t ại khu v ực đồng b ằng sông C ửu Long và đã được ch ấp nh ận tri ển khai ứng d ụng k ết qu ả nghiên c ứu (b ản đề xu ất xem ph ụ l ục 13) 5.3 KI ẾN NGH Ị NH ỮNG V ẤN ĐỀ TI ẾP T ỤC NGHIÊN C ỨU Hướng m ở r ộng ti ếp theo c ủa lu ận án:
    Ứng d ụng k ết qu ả nghiên c ứu đề xu ất quy trình công ngh ệ c ấp đông cá tra fillet phù hợp cho t ừng nhà máy và cho t ừng h ệ th ống c ấp đông c ụ th ể vào các nhà máy ch ế bi ến cá tra t ại khu v ực đồng b ằng sông C ửu Long.
    Ứng d ụng k ết qu ả nghiên c ứu đề xu ất quy trình công ngh ệ c ấp đông th ủy h ải sàn ở Vi ệt Nam, đặc bi ệt là quá trình c ấp đông tôm và một s ố m ặt hàng th ủy hài sàn có giá tr ị kinh t ế cao t ại Vi ệt Nam.
    Ti ếp t ục nghiên c ứu m ở r ộng xác định tính ch ất nhi ệt v ật lý cho các lo ại th ủy h ải s ản ở khu v ực đồng b ằng sông C ửu Long.
    Hoàn thi ện ph ươ ng pháp xác định tính ch ất nhi ệt v ật lý c ủa th ực ph ẩm trên c ơ s ở ứng d ụng các ph ươ ng pháp tiên ti ến. 24
25. DANH M ỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA H ỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LU ẬN ÁN 1. Đỗ H ữu Hoàng, Đ ặ ng Qu ố c Phú . Xác định bi ến thiên tính ch ất nhi ệt v ật lý c ủa cá basa trong quá trình c ấp đông, t ạp chí N ăng l ượng nhi ệt,9/2010 2. Đỗ H ữu Hoàng, Đ ặ ng Qu ố c Phú . Công ngh ệ ch ế bi ến cá da tr ơn t ại khu v ực đồng b ằng sông c ửu long, t ạp chí KH&CN Tr ường Đại học CN TP. H ồ Chí Minh,02/2011 3. Đỗ H ữu Hoàng, Đ ặ ng Qu ố c Phú . Xác đị nh th ời gian c ấp đông c ủa cá da tr ơn b ằng ph ươ ng pháp ph ần t ử h ữu h ạn theo bi ến đổ i enthalpy k ết h ợp v ới công th ức kirchhoff , H ội ngh ị khoa h ọc toàn qu ốc về C ơ khí l ần 3, 3/2013 4. Đỗ H ữu Hoàng, Đặ ng Qu ố c Phú , Nguy ễn Vi ệt D ũng, Xác định bi ến thiên h ệ s ố d ẫn nhi ệt c ủa cá tra trong quá trình làm l ạnh và c ấp đông b ằng ph ươ ng pháp xung nhi ệt, t ạp chí n ăng l ượng nhi ệt, 5/2013 5. Hoang Huu DO, Phu Quoc DANG , Duy Khanh HOANG, Determining the thermal properties of the catfish in freezing and chilling using a dual needle heat-pulse sensor, the 3 rd International Conference on Sustainable Energy, 10/2013 6. Hoang Huu DO, Phu Quoc DANG , Dung Viet Nguyen ,Determining the time to freeze catfishby applying the finite element analysis, the 3 rd International Conference on Sustainable Energy, 10/2013 25