Tài liệu Nghiên cứu mô phỏng và xác định chế độ cấp đông hợp lý cho các tra việt nam (tt)

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cá tra và basa là loài cá da trơn có xuất xứ từ sông Mê Kông đã được ngư dân miền nam Việt Nam gây giống và nuôi thả. Cá có chứa các chất béo chưa bão hòa, gồm chất béo omega-3, omega-6 và một số khoáng chất sắt, phốt-pho, can-xi, kẽm,..là những chất rất có lợi cho sức khỏe con người, do đó cá da trơn của Việt Nam được nhiều nước trên thế giới ưa chuộng, nhập khẩu [114-115], và đã thúc đẩy nghề cá da trơn của nước ta phát triển mạnh. Hiện nay cá da trơn Việt Nam đã chiếm tới 90% sản lượng cá da trơn trên toàn cầu. Tuy nhiên chính sự phát triển nhanh chóng này đã làm nảy sinh những vấn đề bất cập như: chất lượng sản phẩm không ổn định, còn dư lượng chất bảo quản, kháng sinh, các vấn đề ô nhiễm môi trường, vấn đề giá cả và cạnh tranh thị trường,…Điều này gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới năng lực xuất khẩu cá da trơn của nước ta.Chất lượng sản phẩm thủy, hải sản phụ thuộc vào cá nguyên liệu, quy trình công nghệ chế biến, trong đó quá trình làm lạnh và cấp đông sản phẩm có một vai trò quan trọng. Các sản phẩm thủy, hải sản sau đánh bắt, thu hoạch nếu không được làm lạnh hoặc cấp đông kịp thời sẽ phân hủy rất nhanh trong vòng từ 6-24h ở điều kiện nhiệt độ ngoài trời. Không những thế, quá trình chế biến lạnh đông cá da trơn còn quyết định chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm đầu ra, ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng xuất khẩu của hàng hóa. Đó là chưa kể đến công nghệ cấp đông cá da trơn chưa hợp lý dẫn tới lãng phí điện năng tiêu thụ làm tăng giá thành và giảm tính cạnh tranh của sản phẩm. Do vậy việc nghiên cứu nâng cao chất lượng chế biến cá da trơn thông qua việc hoàn thiện công nghệ cấp đông cá da trơn có một ý nghĩa thực tiễn rất lớn. Tuy nhiên, hiện tại ở Việt Nam, chưa có nghiên cứu chuyên sâu về quá trình làm lạnh thủy sản ngay sau khi thu hoạch, các hệ thống kết đông thực phẩm được thiết kế theo một quy trình chung, không tính toán cho một sản phẩm riêng biệt. Vì vậy hiệu quả sử dụng năng lượng chưa cao và đặc biệt là chất lượng sản phẩm không ổn định, độ tổn hao sản phẩm lớn tới gần 20% [15]. Như trên đã nêu thì đây là một bài toán thực tế cấp bách chưa có lời giải. Để giải quyết được bài toán này cần phải xác định được trường nhiệt độ trong sản phẩm khi làm lạnh và thời gian cấp đông, đánh giá được ảnh hưởng của các nhân tố tới quá trình làm lạnh và kết đông sản phẩm. Từ đó đề ra được quy trình làm lạnh và cấp đông hợp lý sao cho chất lượng sản phẩm được đảm bảo ổn định, đồng thời giảm tiêu hao năng lượng và chi phí nhân công, mang lại hiệu quả kinh tế trong công nghệ chế biến thủy sản của đất nước. Trong khuôn khổ của luận án này quy trình vừa nêu trên được hiểu là quy trình hợp lý. Nghiên cứu quá trình hợp lý trong đông 1 lạnh thực phẩm chỉ có thể thực hiện thông qua việc xây dựng mô hình mô phỏng quá trình. Hiện nay các mô hình cấp đông thực phẩm phổ biến trên thế giới được xây dựng trên cơ sở phương trình vi phân dẫn nhiệt phi tuyến không ổn định, không đẳng hướng với điều kiện biên loại 3. Để xây dựng và giải được hệ phương trình này, bắt buộc phải biết được mối tương quan của các tính chất nhiệt vật lý cơ bản của đối tượng cấp đông với nhiệt độ: c(T), (T), (T) [7-10]. Bởi vậy việc xây dựng mô hình đông lạnh thực phẩm và khảo sát các đặc tính nhiệt vật lý của mô hình để đưa ra một quy trình hợp lý là hết sức cần thiết và cấp bách. Từ trên cho thấy việc nâng cao chất lượng, áp dụng quy trình công nghệ tiên tiến và sản xuất có quy mô lớn là một yêu cầu bắt buộc nhằm bảo đảm duy trì và phát triển bền vững nguồn lợi từ xuất khẩu thủy sản của đất nước. 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Mục tiêu chính của luận án gồm: Xây dựng mô hình dự đoán thời gian cấp đông và trường nhiệt độ của sản phẩm thay đổi theo thời gian; Áp dụng mô hình đánh giá ảnh hưởng của các thông số của môi trường làm lạnh tới quá trình làm lạnh và kết đông sản phẩm. Trên cơ sở đó đề xuất quy trình làm lạnh và cấp đông sản phẩm cá da trơn hợp lý theo tiêu chí bảo đảm thời gian cấp đông bé nhất (chất lượng) với điều kiện tiêu hao năng lượng hợp lý. Để thực hiện đƣợc mục tiêu nêu trên luận án cần giải quyết những nội dung cụ thể nhƣ sau: (i) Xây dựng mô hình thông số nhiệt vật lý, gồm: hệ số dẫn nhiệt  = f1(T); nhiệt dung riêng Cp = f2(T); và khối lượng riêng  = f3(T) của cá da trơn phụ thuộc vào nhiệt độ trong dải rộng (-40 ÷ 40oC). (ii) Thiết kế chế tạo hệ thống đo hệ số dẫn nhiệt (T), hệ số dẫn nhiệt độ a(T) bằng phương pháp que thăm kép – xung nhiệt; (iii) Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh và cấp đông cá da trơn trên cơ sở kết hợp mô hình nhiệt vật lý với giải bài toán dẫn nhiệt phi tuyến không ổn định không đồng chất, đẳng hướng kết hợp với điều kiện biên loại ba trong lòng và trên bề mặt của sản phẩm cấp đông. (iv) Tiến hành thực nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm và đo trên thực tế sản xuất để kiểm chứng mô hình; (v) Sử dụng mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chính của môi trường làm lạnh (không khí) như nhiệt độ, tốc độ gió tới thời gian làm lạnh và cấp đông cá da trơn. 2 (vi) Trên cơ sở đánh giá các ảnh hưởng của các thông số môi trường làm lạnh và cấp đông, phân tích đề xuất quy trình cấp đông hợp lý đảm bảo được thời gian cấp đông trong khi giảm năng lượng tiêu hao tới phạm vi có thể. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu: cá tra đồng bằng sông Cửu Long 3.2 Phạm vi nghiên cứu : - Phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt (T), hệ số dẫn nhiệt độ a(T) - Các thông số nhiệt vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ trong khoảng từ - 40oC đến +40oC. - Trường nhiệt độ, thời gian làm lạnh và cấp đông cá da trơn. - Ảnh hưởng của các thông số chính của môi trường làm lạnh và cấp đông tới thời gian cấp đông và tiêu thụ năng lượng của hệ thống lạnh. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu (i) Thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt (T), hệ số dẫn nhiệt độ a(T) bằng phương pháp que thăm kép – xung nhiệt kết hợp với sử dụng các mô hình toán xây dựng mô hình dự đoán tính chất nhiệt vật lý của cá da trơn; (ii) Xây dựng mô hình toán học mô phỏng quá trình làm lạnh và cấp đông cá da trơn. Kiểm chứng mô hình trong quy mô phòng thí nghiệm và thực tế sản xuất; (iii) Sử dụng mô hình mô phỏng để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số của môi trường làm lạnh, đề xuất quy trình làm lạnh và cấp đông thích hợp. 5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 5.1 Ý nghĩa khoa học:  Phát triển phương pháp que thăm kép – xung nhiệt và chế tạo thành công thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt (T), hệ số dẫn nhiệt độ a(T) ở dưới nhiệt độ điểm đông;  Xây dựng cơ sở dữ liệu các thông số nhiệt vật lý của cá tra trong dải nhiệt độ [-400C  400C];  Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh và cấp đông cá tra, dùng để dự đoán thời gian cấp đông và đánh giá ảnh hưởng của các thông số của môi trường cấp đông tới quá trình cấp đông. 5.2 Ý nghĩa thực tiễn :  Xây dựng được bảng các tính chất nhiệt vật lý của cá da trơn phụ thuộc vào nhiệt độ, là các thông số cần thiết dùng để tính toán thiết kế các quá trình chế biến nhiệt của cá da trơn (sấy, làm lạnh, cấp đông).  Dự đoán thời gian cấp đông của cá tra, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian cấp đông, từ đó đề xuất quy trình cấp đông cá da trơn phù 3 hợp (hợp lý) vừa đảm bảo chất lượng nhưng lại tiết kiệm năng lượng áp dụng trong quy mô công nghiệp;  Xây dựng cơ sở tính toán thiết kế hệ thống lạnh phù hợp. Bố cục luận văn được chia thành 5 chương, Luận án dày 117 trang với 13 phụ lục và 115 TLTK . CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về công nghệ làm lạnh và cấp đông cá da trơn Cho đến nay trên thế giới chưa có một sản phẩm thủy sản nào chỉ trong một thời gian ngắn mà được nhiều thị trường chấp nhận, ưa chuộng và có tốc độ phát triển nhanh như sản phẩm cá tra (và basa) của Việt Nam Trong vòng 10 năm qua, sản lượng cá tra của Việt Nam đã tăng 50 lần, giá trị xuất khẩu tăng 65% và hiện đang chiếm tới 90% thị phần thế giới [13,15]. Quy trình công nghệ:Theo [15] quy trình công nghệ chế biến và bảo quản cá fillet được trình bày trên hình 1.3. Nhìn chung Quy trình công nghệ ít được nghiên cứu cải tiến Điện chiếu sáng, DHKK…. Nước lạnh, đá vảy (0-50C) Điện cho máy công cụ Nước lạnh, đá vảy (0-50C) Điện cho máy công cụ Nước lạnh, đá vảy (0-50C) Fillet, lạng da,rửa Điện cho máy công cụ Nước lạnh, đá vảy (0-50C) ình . uy trình công nghệ chế biến và bảo quản tôm và cá fillet [15] rửa Điện cho máy công cụ Nước lạnh, đá vảy (0-50C) Kho lạnh ( t<-100C) Nước lạnh, (0-50C) Băng chuyền IQF t<-400C Máy cấp đông tiếp xúc t<-400C Nước lạnh, (0-50C) Băng chuyền IQF t<-400C Nước lạnh, (0-50C) Điện cho máy đóng gói Trữ lạnh t(0-5)0C Tiêu hao năng lƣợng:Tiêu hao điện năng lượng điển hình của thiết bị trong nhà máy chế biến được trình bày trên hình 1.4 [15]. Nhận xét chung Tiêu hao điện năng còn khá lớn. Biểu đồ phân bố các khu vực tiêu thụ năng lượng Tỷ lệ chi phí năng lƣợng Trong nhà máy Dầu DO Nước 14.1% 0.4% Tỷ lệ của các hộ theo tiêu thụ điên Chiếu sáng 2% Máy nén 72.86% Tỷ lệ theo tiêu thụ điện Văn phòng 2% Thiết bị phụ trợ 6% Kho lạnh 10% Máy đá vảy 22% Thiết bị sản xuất 96% Tủ cấp đông 30% Tháp giải nhiệt và các thiết bị đi kèm Máy lạnh dân dụng, máy tính 2.08% Máy điều hòa 5% Điện 85.5% Băng chuyền 27% Chiếu sáng 5.94% hệ thống máy nén 9.39% Các thiết bị khác 1.57% Trạm bơm cấp nước+ xử lý nước 5.66% Quạt dàn lạnh 2.50% ình .4 Tỷ lệ tiêu thụ điện năng điển hình của các thiết bị tiêu thụ điện tại các nhà máy [15] Hao hụt khối lƣợng: đối với công nghệ cấp đông cá da trơn bằng IQF độ hao hụt khối lượng sản phẩm t lệ với diện tích bề mặt sản phẩm và thời gian cấp đông. Tuy nhiên sau khi cấp đông cá được mạ băng nên độ hao hụt thường bị bỏ qua. Kiểm tra nhiệt độ sản phẩm và thời gian cấp đông: Hầu hết các nhà máy đều xác định thời gian cấp đông cá da trơn một cách thủ công, thông qua kiểm tra nhiệt độ tâm sản phẩm, xem hình 1.6 [15]. Tuy nhiên việc kiểm tra này phụ thuộc rất lớn vào người kiểm tra,vị trí đo nhiệt độ. Do đó 4 việc xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cấp đông là một yêu cầu cấp thiết để đánh giá một cách chính xác thời gian cấp đông và nhiệt độ sản phẩm, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm cũng như tiêu hao năng lượng trong quá trình cấp đông. ình .6 Đo nhiệt độ của cá sau cấp đông [ 5] Các yếu tố ảnh hƣởng: Đối với sản phẩm thủy hải sản nói chung và cá da trơn nói riêng yếu tố quyết định chất lượng sản phẩm là tốc độ cấp đông. Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ cấp đông bao gồm: vận tốc không khí, nhiệt độ môi trường cấp đông, kích thước sản phẩm và tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm Để giải quyết được vấn đề nêu trên, thực hiện thành công Nghị Quyết 48, một trong những khâu then chốt là hoàn thiện công nghệ chế biến lạnh thực phẩm của Việt Nam theo hai tiêu chí: nâng cao chất lượng chế biến và sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả. Muốn vậy cần thiết phải có những nghiên cứu đầy đủ, có hệ thống hơn về công nghệ lạnh thực phẩm cả về đối tượng được chế biến, cũng như công nghệ và thiết bị được sử dụng làm lạnh hay cấp đông. 1.2 Tổng quan về mô phỏng quá trình làm lạnh cấp đông thực phẩm Cho tới nay trong và ngoài nước đã có hàng chục mô hình được đề xuất để mô phỏng quá trình cấp đông thực phẩm. Mô hình toán học dạng tổng quát nhất là hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt viết cho một phân tố vật thể được cấp đông như sau:              T r,    T  r,   q r,  CT T     T r,   0  Tin r   T  T    T rn ,   Ta    n  n  (1.1a) Phương pháp giải tích nổi tiếng nhất cho bài toán lạnh đông là phương trình Plank (1913)[90], hay còn gọi là phương pháp giả ổn định. Lời giải của bài toán là thời gian cấp đông, τPlank, tìm được khi bề mặt phân pha đạt tới tâm sản phẩm. ρLf  2PR 4QR 2  , (1.2) τ = + Plank  (Tf -Ta )  α λ   Theo mô hình do Plank (1913) đề xuất, kết quả cho sai số đến 50%, nguyên nhân gây ra sai số là do sử dụng quá nhiều giả thiết không phù hợp với bản chất vật lý của hiện tượng. Để khắc phục nhược điểm trên, các tác 5 giả trong các công trình [23-30, 35-37, 40-44, 80-88,...] đã cải tiến mô hình do R. Plank đề xuất, bằng cách đưa thêm một số hệ số hiệu chỉnh, tuy nhiên kết quả vẫn cho sai số rất lớn (trên 20%). Đối với cá tra tại Việt nam đặc biệt với thông số nhiệt vật lý chưa được xác định, không thể áp dụng các mô hình toán trên để xác định thời gian cấp đông của thực phẩm. Giải pháp tốt nhất để mô phỏng quá trình cấp đông cá da trơn (tra) là giải phương trình dạng (1.1) bằng phương pháp số. - Phương pháp Sai phân hữu hạn (SPHH) là phương pháp số tương đối đơn giản và ổn định. - Phương pháp thể tích hữu hạn (TTHH) tinh tế hơn phương pháp SPHH và trở nên phổ biến trong kỹ thuật tính nhiệt và động học dòng chảy (Patankar 1980). - Phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH) là phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng cùng với các điều kiện biên cụ thể. 1.3 Mô hình toán dự đoán tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm trong quá trình cấp đông 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 (1.1a)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. 1.3.1 Thành phần băng Thành phần băng trong thực phẩm theo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định những đặc điểm nhiệt vật lý và sự biến đổi enthanlpy của thực phẩm trong quá trình lạnh đông, bảo quản và phân phối thực phẩm kết đông (Fikiin, 1998)[52]. Mô hình toán xác định hàm lượng băng trong thực phẩm được nhiều tác giả trên thế giới công bố như: 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 hạn chế của phương pháp này là cần biết trước 3 tham số. Do đó trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này, chúng ta chấp nhận áp dụng công thức Chen (1985)[33]. 1.3.2 Nhiệt dung riêng Người đầu tiên đặt nền móng cho việc xây dựng mô hình xác định NDR của thực phẩm là Sibel (1892) [95], tuy nhiên mô hình này chỉ xét ảnh hưởng của hàm lượng nước đến NDR, thực tế ngoài ảnh hưởng của hàm lượng nước còn có ảnh hưởng của các yếu tố khác như: thành phần chất khô, nhiệt độ…. Do đó một số tác giả đã dựa vào mô hình do Sibel (1892) 6 [95] đề xuất, đã cải tiến phát triển mô hình xác định NDR như: 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 thức do Trumak.IG-Onhisenko V.P cho kết quả có thể chấp nhận được, tuy nhiên đòi hỏi phải biết trước hàm lượng nước đóng băng. Trong khuôn khổ nghiên cứu này chúng ta chấp nhận sử dụng công thức Schwartzberg(1.31) vì công thức này thống nhất với công thức tính hàm lượng nước đóng băng của Chen (1.18) và có độ tin cậy cao. Khi áp dụng các công thức dạng (1.18, 1.31) vào mô phỏng, độ chính xác đã được khẳng định trong các nghiên cứu của Nguyễn Việt Dũng, Hoàng Khánh Duy [46-47]. 1.3.3 Enthalpy Phương trình xác định enthalpy của Chen (1985a) thực hiện phù hợp nhất, trong khi mối tương quan của Miki và Hayakawa (1996)[73] là chưa phù hợp lắm. Hai phương pháp này dễ dàng cải tiến được. Đặc điểm của các phương trình enthalpy của Schwartzberg (1976) và Chang và Tao (1981) là có sai số lớn hơn. Do đó luận án này sử dụng công thức tính enthalpy của Chen. 1.3.4 Hệ số dẫn nhiệt (HSDN) Mô hình xác định HSDN đầu tiên được Maxwell (1904) đề xuất, để tăng độ chính xác, một số tác giả khác như: Eucken (1940), Kopelman (1966), Levy (1981), Choi và Okos (1986)… phát triển mô hình xác định HSDN từ mô hình của Maxwell. Tuy nhiên HSDN của thực phẩm theo mô hình của Levy (1981) có sai số trung bình tuyệt đối thấp nhất. 1.3.5 Khối lƣợng riêng  1  n X  i i 1  i (1.77) 1.3.6 Hệ số dẫn nhiệt độ (HSDNĐ) Hệ số dẫn nhiệt độ là thông số đặc trưng cho khả năng lan truyền trường nhiệt độ của thực phẩm trong quá trình dẫn nhiệt, được xác định bởi:  (1.78) a .C p 1.3.7 Kết luận Để nghiên cứu, mô phỏng quá trình cấp đông của cá da trơn mà đặc trưng là cá tra cần thiết phải xây dựng được các mô hình tính chất nhiệt vật lý Ce(T), (T), (T), h(T)cho đối tượng trên. Các mô hình này hiện nay ở Việt Nam chưa có tác giả nào nghiên cứu. 1.4 Nhiệm vụ của luận văn 7 Trên cơ sở đánh giá tổng quan ở trên, mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của luận án này bao gồm những nội dung cụ thể như sau. - Xây dựng mô hình dự đoán thời gian cấp đông và trường nhiệt độ của sản phẩm thay đổi theo thời gian; - Nghiên cứu trường nhiệt độ sản phẩm trong quá trình cấp đông - Áp dụng mô hình đánh giá ảnh hưởng của các thông số của môi trường làm lạnh tới quá trình làm lạnh và kết đông sản phẩm. Trên cơ sở đó đề xuất quy trình làm lạnh và cấp đông sản phẩm cá da trơn hợp lý theo tiêu chí bảo đảm chất lượng sản phẩm với điều kiện tiêu hao năng lượng nhỏ nhất. CHƢƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA CÁ TRA 2.1 Xác định hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ của cá tra bằng thực nghiệm 2.1.1 Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp đo Mô hình toán mô tả cơ sở lý thuyết cho phương pháp đo như sau:  T   2 T 1 T     a  r 2  r r     T (r,   0)  T0  const  T (r  , )  T0  const  Tr,   lim 2  q '  const r  r 0 (2.1) Lời giải của (2.1)Theo Carslaw và Jaeger [59] xác định được hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ như sau: - Hệ số dẫn nhiệt (HSDN): t t  q (2.2)   ln  4T  T   t  t  - Hệ số dẫn nhiệt độ (HSDNĐ) : Theo (NIX và cộng sự., 1967[80-81]), HSDNĐ a được xác định như sau: q  C   ; (2.4) T    ln     ... 2 1 2 0 1 0 2 2  2 với:   4 2.1! 4.2! r   2 a   Hệ số  được xác định theo chương trình Goal seek của Microsoft excel,. Giá trị HSDNĐ được xác định theo  tìm được theo Goal seek. 2.1.2 Những yêu cầu về cấu hình thiết bị đo Để hạn chế sai số khi chế tạo thiết bị đo, thiết bị đo cần thỏa mãn các yêu cầu sau:  T số giữa chiều dài và đường kính que thăm L / d  30 8  Theo (Sweat và Haugh, 1974)[97] 4.a.  0,6 d2  Công suất nhiệt thiết bị đo phải bé khi thực hiện thí nghiệm trong vùng kết đông. 2.1.3 Mô tả thiết bị đo đƣợc chế tạo 2.1.3.1 Cấu hình thiết bị Việc chế tạo que thăm đòi hỏi phải tỉ mỉ và chính xác. Hình 2.3 trình bày cấu tạo que thăm. Tác giả Đã tiến hành chế tạo thành công 5 bộ đo. ình 2. Sơ đồ cấu tạo thiết bị đo 2.1.3.2 Kiểm chuẩn thiết bị đo Để đánh giá độ chính xác của thiết bị đo sau khi chế tạo. Bộ đo được kiểm tra và hiệu chuẩn tại trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 3 (QUATEST 3) 2.1.3.3 Sơ đồ lắp đặt thiết bị Trên cơ sở thiết bị đo đã chế tạo, tiến hành thiết kế hệ thống thu thập số liệu trong quá trình thí nghiệm. Hệ thống bao gồm máy vi tính, bộ ghi dữ liệu, bộ cung cấp nguồn chothiết bị đo, hệ thống thu thập số liệu được lắp đặt như hình 2.5. ình 2.5 Sơ đồ bố trí lắp đặt thiết bị thí nghiệm 2.1.4 Phƣơng pháp thí nghiệm xác định HSDN 2.1.4.1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Cá tra được mua tại TP Hồ Chí Minh; sau khi bỏ đầu, nội tạng và da mẫu thí nghiệm với dạng ống trụ có khối lượng M = 1,82,0 kg, đường kính d =140160 mm, chiều dài l = 200220 mm. Với thông số kích thước mẫu trên thỏa mãn điều kiện: Dmau  5,2 a.t Mẫu thí nghiệm được đưa vào tủ thí nghiệm cùng với thiết bị que thăm kép, trong vòng (224) giờ để tạo ra và ổn định nhiệt độ của mẫu trước khi đo. 2.1.4.2 Tạo môi trƣờng nhiệt độ thí nghiệm Môi trường nhiệt độ thí nghiệm với thông số sau:  = 0,20,02m/s, T=0,4K 2.1.5 Quy trình thí nghiệm 9 Trình tự thí nghiệm:Các thí nghiệm được tiến hành theo trình tự sau  Lắp đặt thiết bị đo với máy tính, kết nối que thăm dạng kép với bộ nguồn và bộ nguồn với máy tính, hình 2.8(a).  Bố trí đầu đo: đầu đo được cắm dọc theo thân cá, xem hình 2.8(b). Số liệu thí nghiệm được ghi lại tự động.  Đặt mẫu thí nghiệm vào tủ cấp đông, dây cặp nhiệt và dây nguồn cấp cho que thăm được đưa ra lỗ có sẵn trên tủ cấp đông.Tủ được thiết kế chuyên dùng cho đo thông số nhiệt vật lý nên tại lỗ này được chế tạo đặc biệt không tổn thất nhiệt ra ngoài .  Điều chỉnh cường độ dòng điện theo yêu cầu  Khởi động tủ cấp đông bắt đầu thực hiện quá trình đo (để kết quả đo đảm bảo chính xác, cần phải đợi nhiệt độ mẫu đo và nhiệt độ buồng cấp đông cân bằng tại mỗi điểm đo, điều này rất quan trọng)  Khi nhiệt độ mẫu đo đạt đến nhiệt độ buồng cấp đông, tiến hành thực hiện thí nghiệm.  Trong quá trình đo điện áp cấp cho điện trở cần phải được duy trì ổn định.  Nhiệt độ mẫu và nhiệt độ buồng phải bằng nhau (chênh lệch không được vượt quá 1K).  Trong suốt quá trình đo, mẫu đo phải được cố định không được dịch chuyển. Thí nghiệmđược tiến hành trên ba mẫu cá khác nhau, có cùng khối lượng và thông số hình học. ình 2. ố trí đầu đo trong m u thí nghiệm, (a) Sơ đồ kết nối với máy tính, (b) Bố trí đầu đo trong m u thí nghiệm Để áp dụng lời giải của bài toán dẫn nhiệt không ổn định với nguồn nhiệt dạng đường, dây đốt nóng được xem là tập hợp những điểm không khối lượng, nhưng thực tế que thăm có khối lượng, do đó trong quá trình xử lý số liệu cần hiệu chỉnh thời gian t0. Hình 2.9 Biến thiên Hình 2.10 nhiệt độ trong chu Hồi quy quan kỳ đốt nóng và làm hệ giữa nhiệt nguội que thăm độ và ln(t) 2.1.6 Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt, hệ số dẫn nhiệt độ của cá tra (Việt Nam) ở các nhiệt độ khác nhau Các kết quả đo HSDN và HSDNĐ của cá tra trong khoảng nhiệt độ 40400C cho ba mẫu cá có cùng kích thước và khối lượng được trình bày trong bảng 2.4 Phương trình hồi quy giữa nhiệt độ và ln(t) 13 Đốt nóng 12 NhIệt độ [0 C] Làm nguội R2= 99.2533 % 11 q 4  10 9 8 7 1.5 2 2.5 3 3.5 4 ln(t) 10 4.5 5 5.5 6 ảng 2.4 Kết quả thực nghiệm xác định hệ số d n nhiệt, hệ số d n nhiệt độ và khối lượng riêng của cá tra(-40400C) TT t[0C] R2(%) tn[W/m.K] atn[m2/s] [kg/m3] -7 1 40 97,6 0,436 1023 1,2610 2 35 98,3 0,439 1025 1,3910-7 3 30 96,8 0,471 1027 1,4110-7 4 25 98,5 0,464 1028 1,4310-7 5 20 98,9 0,459 1029 1,4510-7 -7 6 15 97,8 0,476 1030 1,4310 7 10 98,3 0,448 1031 1,4110-7 8 5 97,6 0,452 1032 1,4910-7 9 -5 96,3 1,158 1003 1,6610-7 10 -10 97,8 1,300 992 3,7610-7 11 -15 98,2 1,400 989 5,2010-7 12 -20 97,6 1,410 988 6,2410-7 13 -25 98,5 1,478 988 7,8410-7 14 -30 97,7 1,505 989 1,0910-6 15 -35 98,4 1,534 989 1,1810-6 16 -40 98,6 1,573 989 1,5810-6 2.2 Xây dựng mô hình thông số nhiệt vật lý trong dải nhiệt độ [400C400C] Trên cơ sở phân tích ở chương một, các dạng các mô hình toán dự đoán tính chất nhiệt vật lý gồm NDR hiệu dụng Ce(T), HSDN (T) và KLR (T)của cá tra mà tác giả lựa chọn để áp dụng được thể hiện trong tính toán so sánh với thực nghiệm Khối lƣợng riêng đươc xác định theo Choi và Okos(1986)[36], Hệ số dẫn nhiệt của cá tra có thể tính theo phương pháp của Levy (1981)[67]. NDR của thực phẩm chưa kết đông, được tính theo công thức của Choi và Okos(1986), NDR của thực phẩm tại điểm bắt đầu kết đông được tính theo mô hình dự đoán của Chen(1985), HSDNĐ xác định như sau: a   /(C.) 2.3 So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính theo mô hình Trên cơ sở kết quả tính toán từ các mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm trình bày trong bảng 2.5 kết hợp với phương pháp đánh giá sai số: E%  1 n XE  XP  n i 1 X E (2.21) 11 Ly thuyet va thuc nghiem xac dinh he so dan nhiet cua ca tra Ly thuyet xac dinh khoi luong rieng cua ca tra He so dan nhiet , [W/m.K] 1.8 1030 3 Khoi luong rieng, [m /kg] 1040 1020 1010 1000 990 Tinh theo mo hinh [34] 980 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 -40 40 Tinh theo mo hinh [67] Thuc nghiem 1.6 -30 -20 Nhiet do, [0C] Nhiet dung rieng, [J/kg.K] 2 He so dan nhiet do, [m /s] Tinh theo mo hinh Thuc nghiem 1.5 1 0.5 -20 -10 0 10 10 20 30 40 4 Lyx thuyet va thuc nghiem xac dinh nhiet dung rieng cua ca tra 10 2 -30 0 Nhiet do, [0C] -6 Lyxthuyet va thuc nghiem xac dinh he so dan nhiet do cua ca tra 10 0 -40 -10 20 30 10 6 4 2 0 -40 40 Nhiet do, [0C] Tinh theo mo hinh[94a] thuc nghiem 8 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Nhiet do, [0C] ảng 2. 4 Thực nghiệm xác định tính chất nhiệt v t l của cá tra trong khoảng -400C t 400 bằng phương pháp que thăm dạng k p 0 t[ C] a [m2/s] C[J/kg.K] [kg/m3] [W/m.K] 40 1023 0,436 3380,9 1,2610-7 -7 35 1025 0,439 3080,9 1,3910 -7 30 1027 0,471 3253,6 1,4110 25 1028 0,464 3156,1 1,4310-7 20 1029 0,459 3075,4 1,4510-7 15 1030 0,476 3230,5 1,4310-7 -7 10 1031 0,448 3080,6 1,4110 -7 5 1032 0,452 2938,6 1,4910 0 1033 0,465 3455 1,30310-7 -2,2 1033 0,462 94284 4,74210-9 -5 1003 1,108 7026,5 1,6610-7 -10 992 1,300 3502,3 3,7610-7 -7 -15 989 1,400 2730,0 5,2010 -7 -20 988 1,41 2289,9 6,2410 -25 988 1,478 1910,9 7,8410-7 -30 989 1,505 1397,8 1,0910-6 -35 989 1,534 1316,5 1,1810-6 -6 -40 989 1,573 1007,4 1,5810 2.4 Đánh giá kết quả và thảo luận Phân tích kết quả tính toán giữa lý thuyết và thực nghiệm, có thể nhận xét sau: 12 1. Các số liệu thu thập được theo thực nghiệm và tính toán lý thuyêt đã tuân theo đúng quy luật. 2. Sai số giữa thực nghiệm và lý thuyết tính theo các mô hình, đối với ệ số d n nhiệt nằm trong khoảng 5% đến 11%,đối với ệ số d n nhiệt độ sai số nằm trong khoảng 7% đến 19%, các giá trị này chỉ xét trong vùng không biến đổi pha. 3. Số liệu thực nghiệm tính chất nhiệt vật lý của các tra tương đối chính xác.Trên cơ sở dữ liệu đó có thể hiệu chỉnh mô hình tính chất nhiệt vật lý (T), C(T) dùng cho nghiên cứu xây dựng mô hình toán xác định thời gian cấp đông của cá tra (Việt Nam) trong chương tiếp theo. CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PH NG QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG CÁ TRA 3.1 Xác định các thông số đầu vào của mô hình toán cấp đông cá da trơn fillet Quá trình cấp đông cá tra fillet được thực hiện công nghệ cấp đông nhanh dạng IQF thẳng xem hình 3.1(a,b,c,d),theo [15], giới hạn làm việc của các thông số công nghệ như sau: =515m/s,Te=-45-350C, =1224mm (a) (b) (c) (d) ình . Sản phẩm cá tra fillet được sắp xếp trên băng chuyền I F 3.2 Xây dựng mô hình cấp đông fillet cá tra Bài toán mô phỏng quá trình cấp đông sẽ đươc giải cho thiết diện ngang lớn nhất của miếng các tại vị trí này có tiết diện gần dạng chữ nhật, hình 3.2 Hình3.2 Mô tả sơ đồ vị trí xếp đặt sản phẩm đông lạnh Không khí Tỏa nhiệt y Tỏa nhiệt Không khí Không khí Tỏa nhiệt Không khí x Tỏa nhiệt Không khí Tỏa nhiệt Không khí Tỏa nhiệt Mô hình toán cho bài toán cấp đông cá tra fillet được mô tả như sau:    2T  2T  T  (T) 2  2   q V  (T)C P (T) y    x   T   T        0  x  x 0  y  y0     T  T  Tf x  x     T    x  x   x   T      T  Tf y  y  T    y  y  y    0  T  Tx , y,0   const   (3.1) Để áp dụng phương pháp PTHH cho bài toán cấp đông cá tra fillet, từ phương trình vi phân dẫn nhiệt kết hợp với điều kiện biên, theo 13 phép biến đổi Galerkin được viết dưới dạng phương trình ma trận đặc trưng viết cho 1 PTHH như sau: (3.27) C T   KT  f     τ  Theo phương pháp SPHH, (3.27) được rời rạc theo thời gian như sau:  1 (3.37) C  KT p1  f  C 1 T p  1   T p        1  3.3 Kết quả mô phỏng quá trình cấp đông cá tra Bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS, phương trình 3.37 được giải theo lưu đồ thuật toán như hình 3.4, lời giải hội tụ tuyệt đối xem hình 3.7 Bắt đầu Tạo tiết diện hình học Định nghĩa phần tử hữu hạn,tạo lưới cho bài toán Định nghĩa thuộc tính vật liệu và điều kiện biên Chọn phương pháp giải và bước thời gian Tính mới Thực hiện giải bài toán Không hội tụ Hội tụ Kết thúc Mô phỏng quá trình kết đông sản phẩm Hình 3.7 Quá trình lặp khi giải bài toán Xuất kết quả tính toán Kết thúc ình .4 Lưu đồ thu t toán 3.4. Các kết quả tính toán mô phỏng Quá trình hình thành và phát triển pha rắn trong mẫu sản phẩm cá được thể hiện trên đồ thị 3.8. Diễn biến nhiệt độ trên hình 3.9 ình . uá trình hình thành và phát triển pha rắn trong m u sản phẩm cá Bien thien nhiet do cua ca tra trong qua trinh cap dong 15 Hình 3.9 Diễn biến nhiệt độ trên tiết diện ngang m u sản phẩm Nhiet do san pham 10 5 0 -5 -10 -15 -20 0 -25 -30 0 10 20 50 100 150 200 250 30 Do sơ đồ có rất nhiều điểm nút, số liệu hết sức dày đặc, nhiệt độ tại các điểm được trích xuất tùy theo yêu cầu được trình bày trong phụ luc 10. 3.5 Thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của mô hình Để đánh giá độ tin cậy của mô hình, các kết quả tính toán trường nhiệt độ và thời gian cấp đông được so sánh với số liệu thí nghiệm, được tiến hành trên mô hình thí nghiệm. Ngoài ra kết quả tính toán bằng mô hình thời gian cấp đông cá tra còn được so sánh với các số liệu thực tế được đo kiểm tại các nhà máy đông lạnh cá tra. 14 Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm kiểm chứng kết quả lý thuyết Các thí nghiệm được thực hiện trên 03 loại mẫu cá tra tươi có kích thước và khối lượng khác nhau, mỗi mẫu được thực hiện 3 lần có cùng chế độ nhiệt độ và vận tốc không khí môi trường cấp đông là: nhiệt độ Te=420C,vận tốc =18m/s. Hình 3.11, 3.12,3.13 và bảng 3.3 thể hiện kết quả đo nhiệt độ thay đổi theo thời gian tại vị trí: tâm của sản phẩm. Mẫu sản phẩm có kích thước dày x rộng (12x70)mm, khối lượng 100g Ly thuyet va thuc kiem xac dinh thoi gian cap dong, mau (3-5) 15 Thuc nghiem Tinh toan ly thuyet Hình 3.11 Lý thuyết và thực nghiệm xác định thời gian cấp đông, m u sản phẩm có khối lượng 100g, kích thước(12x70)mm 5 0 Nhiet do san pham, [ C] 10 0 -5 -10 -15 -20 0 100 200 300 400 Thoi gian cap dong, [S] 500 600 Mẫu sản phẩm có kích thước dày x rộng (15x85)mm, khối lượng 160 g Hình 3.12 Lý thuyết và thực nghiệm xác định thời gian cấp đông, m u sản phẩm có khối lượng 60g, kích thước(15x85)mm Ly thuyet va thuc nghiem xac dinh thoi gian cap dong, mau (5x7) 15 Thuc nghiem Tinh toan ly thuyet 0 Nhiet do san pham, [ C] 10 5 0 -5 -10 -15 -20 0 100 200 300 400 500 Thoi gian cap dong, [S] 600 700 Mẫu sản phẩm có kích thước dày x rộng khối lượng 200g (18x90)mm Hình 3.13 Lý thuyết và thực nghiệm xác định thời gian cấp đông, m u sản phẩm có khối lượng 200g, kích thước(18x90)mm 0 Nhiet do san pham, [ C] Ly thuyet va thuc nghiem xac dinh thoi gian cap dong, mau(7x9) 15 Tinh toan ly thuyet Thuc nghiem 10 5 0 -5 -10 -15 -20 0 100 200 300 400 500 Thoi gian cap dong, [S] 600 700 Theo kết quả trên, cho thấy rằng sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm chưa tới 3%, với mức độ phức tạp của quá trình, mô hình mô phỏng quá trình cấp đông có thể áp dụng để xác định thời gian cấp đông. 3.6 Áp dụng mô hình xác định thời gian cấp đông của cá tra trong các điều kiện khác nhau Kết quả tính toán thời gian cấp đông cho 125 chế độ cấp đông ứng với nhiệt độ, vận tốc không khí và kích thước sản phẩm cá tra khác nhau được thể hiện trong bảng 3.5 3.7 Nghiên cứu biến thiên trƣờng nhiệt độ bên trong sản phẩm trong quá trình cấp đông Quá trình thay đổi nhiệt độ tại 25 điểm trên tiết diện ngang được thể hiện trên hình 3.14 15 1 6 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 (a) (d) (b) (c) (e) (f) Nhận xét: + Diến biến nhiệt độ trên các lớp ngang: lớp 1 gồm các điểm 1,2,3,4,5; lớp 2: gồm 6,7,8,9,10; lớp 3 gồm: 11,12,13,14,15; lớp 4 gồm : 21, 22, 23, 24, 25 có dạng giống nhau là các mặt cong xoắn cùng chiều; bởi vì : - Các đường cong thay đổi nhiệt độ qua điểm 1, 6, 11, 16, 21 có dạng giống nhau;Các đường qua điểm 2, , 12, 17, 22 tương tự như vậy có dạng giống nhau. Các đường qua điểm 5, 10, 15, 20, 25 có dạng giống nhau. - Điều đó có nghĩa là quy luật thay đổi nhiệt độ của các lớp trên giống nhau. + Các điểm trên mặt ngoài 1,6,11,16,21 có tốc độ giảm nhiệt độ nhanh nhất và giảm xuống thấp nhất; có thể giải thích là do các điểm này nằm ở mặt trước bị không khí lạnh thổi vuông góc vào nên nhiệt mất đi do tỏa nhiệt lớn nhất, trong đó điểm 1 có nhiệt độ âm đạt thấp nhất (-33,570C, thời điểm 52 =1003,75s). Các điểm nằm bên trong có tốc độ giảm nhiệt độ chậm hơn; chậm nhất là các 5, 10, 15, 20, 25; trong đó điểm 25 có nhiệt độ âm đạt cao nhất (-18,220C, thời điểm 52) Các nhận xét trên hoàn toàn phù hợp với quy luật xảy ra trong thực tế ở chỗ, các lớp mặt ngoài tiếp xúc với không khí lạnh có nhiệt độ thấp nên nhiệt độ giảm rất nhanh; các lớp tiếp theo gần sát mặt ngoài dẫn nhiệt khá lớn bởi độ chênh nhiệt độ. Các lớp bên trong xa mặt ngoài dẫn nhiệt kém hơn nên nhiệt độ giảm chậm. Thay đổi nhiệt độ trên tiết diện ngang ở các chế độ cấp đông khác nhau (c) (b) (a)  Nhận xét: - Toàn cảnh diễn biến nhiệt độ trong 3 chế độ tốc độ không khí lạnh khác nhau : =5/m/s,  =10/m/s,  =15/m/s đều là các mặt cong xoắn có dạng giống nhau, nghĩa là thay đổi nhiệt độ theo thời gian và các vi trí tương ứng trong 3 chế độ có cùng quy luật. - Diễn biến nhiệt độ khác nhau ở chỗ các mặt nhiệt độ trong chế độ  =10m/s được kéo dài hơn chế độ =5m/s, trong chế độ  =15m/s được 16 kéo dài hơn nữa. Nghĩa là khi tốc độ càng lớn nhiệt độ các điểm tương ứng càng giảm xuống thấp hơn.  Kết luận Các kết quả tính toán nhiệt độ đã thể hiện sự phù hợp với quy luật thực tế: Khi đặt mẫu sản phẩm cá trong môi trường không khí lạnh, nhiệt độ các điểm trong sản phẩm thay đổi theo 3 giai đoạn có đặc điểm khác nhau: a) giảm nhanh từ nhiệt đô dương đến 00C, đoạn này rất dốc do tỏa nhiệt tại mặt ngoài rất mạnh; b) biến đổi pha, đường nhiệt độ hơi dốc và khá gần với đường nằm ngang do thành phần nước kết đông sinh nhiệt đông đặc làm nhiệt độ giảm rất chậm. c) nhiệt độ giảm khá nhanh do hệ số dẫn nhiệt tăng đột biến sau biến đổi pha, sau nhiệt độ các điểm tiến dần tới nhiệt độ môi trường.  Tùy thuộc vào vị trí của từng điểm trong mẫu sản phẩm mà đặc điểm của từng giai đoạn trên có thể hiện rõ nét hay không. Tại mặt trước và đặc biệt ở góc sản phẩm do tỏa nhiệt rất mạnh nên nhiệt độ giảm rất nhanh, quá trình kết đông rất ngắn , hầu như không thấy giai đoạn b. Các điểm bên trong đều thể hiện rõ 3 giai đoạn trên. Càng vào sâu bên trong giai đoạn b càng dài và thể hiện càng rõ; đặc biệt điểm ở tâm sản phẩm có giai đoạn b dài nhất.  Căn cứ vào đặc tính thay đổi nhiệt độ theo 3 giai đoạn như trên tại mỗi điểm trong sản phẩm có thể dự đoán được thời điểm và nhiệt độ đóng băng hoàn toàn, từ đó quyết định chọn thời gian kết đông phù hợp.  Khi tốc độ không khí tăng, các đường thay đổi nhiệt độ tại các điểm phân kỳ trong góc rộng hơn, các giai đoạn a và b thu hẹp hơn. Nhiệt độ tại các điểm đạt thấp hơn. 3.8 Xây dựng mô hình tiêu hao năng lƣợng riêng cho quá trình cấp đông cá tra fillet Trên cơ sở thời cấp đông đã được xác định, kết hợp với một hệ thống IQF trong thực tế, tác giả đã xác định suất tiêu hao năng lượng trong quá trình cấp đông cá tra fillet, kết quả được thể hiện trong bảng 3.8 3.9 Kết luận  Theo phương pháp lý thuyết kết hợp với khảo sát thực tế tại nhà máy, tác giả đã xây dựng được mô hình toán cho bài toán dẫn nhiệt không ổn định trong quá trình làm lạnh và cấp đông cá tra fillet.  Xây dựng mô hình thí nghiệm kiểm tra độ tin cậy lời giải của mô hình toán xác định thời gian cấp đông.  Kết quả tính toán lý thuyết, đo đạc thực nghiệm trên mẫu được so sánh với số liệu đo đạc tại các nhà máy sản xuất thực tế chỉ ra rằng sai lệch chưa đến 3%. Như vậy có thể sử dụng mô hình này trong tính toán 17 chọn vùng thông số môi trường cấp đông phù hợp với mục đích hợp lý quá trình làm lạnh và cấp đông cá tra fillet.  Nghiên cứu biến thiên trường nhiệt độ bên trong sản phẩm ở một số chế độ điển hình.  Xây dựng được bộ số liệu xác định thời gian cấp đông và suất tiêu hao năng lượng riêng của cá tra fillet trong vùng chế độ cấp đông như sau:Te=-45-350C; =515m/s; =1224mm, w=70125mm CHƢƠNG 4 NGHIÊN CỨU TỐI ƢU HÓA QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG CÁ TRA FILLET 4.1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến thời gian cấp đông cá tra dạng IQF thẳng 4.1.1 Ảnh hƣởng của vận tốc không khí và nhiệt độ đến thời gian cấp đông Kết quả tính toán thời gian cấp đông được trình bày trong bảng 3.5 ảnh hưởng của vận tốc không khí đến thời gian cấp đông trình bày trên hình 4.2. Để đánh giá ảnh hưởng của thay đổi tốc độ đến thời gian cấp đông trong khoảng Te=-45-350C, kết quả hồi 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 Thoi gian cap dong,[s] 1400 (d) Te=-42,5 0C (e) Te=-45 0C 1300 Hình 4.2 Ảnh hưởng của v n tốc không khí đến thời gian cấp đông 1200 1100 1000 (a) 900 (b) (c) 800 (d) 700 600 (e) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Van toc khong khi, [m/s] - Nhận xét: Khi vận tốc không khí thay đổi, thời gian cấp đông cũng thay đổi, mức độ thay đổi ở vận tốc thấp lớn hơn ở vận tốc cao ở mọi chế độ nhiệt độ khác nhau, mức độ giảm thời gian cấp đông trong khoảng =72% khi vận tốc tăng =1m/s với mọi vận tốc =515m/s 4.1.2 Ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng cấp đông đến thời gian cấp đông Kết quả xác định thời gian cấp đông của cá tra fillet trong khoảng nhiệt độ từ -450C -350C cho mẫu có kích thước 15x85mm được cho trong hình 4.3. 1600 Quan he giua nhiet do khong khi voi thoi gian cap dong o cac che do van toc khac nhau (a) v=5m/s (b) v=7,5m/s (c) v=10m/s (d) v=12,5m/s (e) v=15m/s 1500 Hình 4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí môi trường cấp đông đến thời gian cấp đông ở các chế độ v n tốc khác nhau: =515m/s 1300 0 Thoi gian cap dong,[ C] 1400 (a) 1200 1100 (b) 1000 900 800 700 (c) 600 -45 -44 -43 -42 -41 -40 -39 (e) (d) -38 -37 -36 -35 Nhiet do moi truong cap dong, [s] - Nhận xét: Khi nhiệt độ không khí lạnh thay đổi, thời gian cấp đông cũng thay đổi, mức độ thay đổi ở nhiệt độ cao lớn hơn ở nhiệt độ thấp ở mọi 18 chế độ vận tốc khác nhau, mức độ giảm thời gian cấp đông trong khoảng =2,53,2% khi nhiệt độ giảm Te=1K với mọi nhiệt độ Te=-45-350C 4.1.3 Ảnh hƣởng của kích thƣớc sản phẩm đến thời gian cấp đông Anh huong cua kich thuoc san pham den thoi gian cap dong 3000 (a), v=5m/s, Te=-35 0C (b), v=7,5m/s, Te=-37,5 0C (c), v=10m/s, Te=-40 0C (e), v=15m/s, Te=-45 0C Thoi gian cap dong,[s] Hình 4.6 Quan hệ giữa thời gian cấp đông với kích thước sàn phẩm ở các chế độ cấp đông khác nhau. (d), v=12,5m/s, Te=-42,5 0C 2500 (e) (d) (c) 2000 (b) (a) 1500 1000 500 12 14 16 18 20 22 24 Chieu day ca tra fillet, [mm] Nhận xét: theo kết quả trên cho thấy rằng, mức độ tăng thời gian cấp đông gần như tuyến tính với độ tăng kích thước, đồng thời ở chế độ nhiệt độ cao, vận tốc thấp độ tăng thời gian cấp đông rất nhanh( hình 4.5) 4.1.4 Kết luận  Ảnh hƣởng của vận tốc : Khi tăng vận tốc không khí sẽ làm thời gian cấp đông giảm đi, nhưng ở vận tốc thấp (=5m/s) thời gian giảm nhiều hơn so với ở vận tốc cao (=15m/s).  Ảnh hƣởng của nhiệt độ không khí : Khi nhiệt độ âm môi trường cấp đông giảm thấp sẽ làm thời gian cấp đông giảm, nhưng ở nhiệt độ âm cao (Te=-350C) thời gian giảm nhiều hơn so với ở nhiệt độ âm thấp (Te=-450C).  Ảnh hƣởng của kích thƣớc sản phẩm: Khi kích thước sản phẩm giảm sẽ làm thời gian kết đông giảm đối với các mẫu nhỏ, các mẫu kích thước lớn thời gian kết đông giảm ít và không phù hợp lắm với băng chuyền IQF 4.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến suất tiêu hao năng lƣợng riêng trong quá trình cấp đông cá tra dạng IQF thẳng 4.2.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng của vận tốc đến suất tiêu hao năng lƣợng riêng trong quá trình cấp đông Ảnh hưởng của vận tốc đến suất tiêu hao năng lượng riêng được thể hiện trong hình 4.6 Anh huong cua van toc khong khi den suat tieu hao nang luong 0.29 (a), Te=-35 0C (b), Te=-37,5 0C Suat tieu hao nang luong,[kWh/kgsp] 0.28 (c), Te=-40 0C (d), Te=-42,5 0C 0.27 Hình 4.6 Ảnh hưởng của v n tốc đến suất tiêu hao năng lượng riêng (e), Te=-45 0C 0.26 (a) 0.25 (b) (d) (c) (e) 0.24 0.23 0.22 0.21 0.2 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Van toc khong khi, [m/s] Nhận xét Ảnh hƣởng của vận tốc không khí: khi vận tốc không khí môi trường cấp đông thay đổi, suất tiêu hao năng lượng sẽ thay đổi - Trong khoảng vận tốc =(510) m/s, khi vận tốc tăng, suất tiêu hao năng lượng sẽ giảm, ở nhiệt độ âm cao mức độ giảm nhỏ hơn ở nhiệt độ âm thấp. 19 - Trong khoảng vận tốc =(1015) m/s, khi vận tốc tăng, suất tiêu hao năng lượng sẽ tăng, ở nhiệt độ âm thấp mức độ tăng suất tiêu hao nhỏ hơn ở nhiệt độ âm cao 4.2.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ không khí môi trƣờng cấp đông đến suất tiêu hao năng lƣợng riêng trong quá trình cấp đông Anh huong cua nhiet do khong khi den suat tieu hao nang luong Suat tieu hao nang luong, [kWh/kgsp] 0.29 (a), v=5m/s (b), v=7,5m/s (c), v=10m/s (d), v=12,5m/s (e), v=15m/s 0.28 0.27 (a) (c) (b) (d) Hình 4.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đến suất tiêu hao năng lượng riêng (e) 0.26 0.25 0.24 0.23 0.22 0.21 0.2 -45 -44 -43 -42 -41 -40 -39 -38 -37 -36 -35 Nhiet do khong khi moi truong cap dong, [0C] Nhận xét Ảnh hƣởng của nhiệt độ không khí: khi nhiệt độ âm không khí giảm: - Ở vận tốc cao =15m/s, suất tiêu hao năng lượng giảm, ở nhiệt độ âm càng thấp mức độ giảm suất tiêu hao năng lượng càng lớn. - Ở vận tốc thấp =5m/s, suất tiêu hao năng lượng tăng. - Ở hai chế độ =7,510 m/s, suất tiêu hao năng lượng giảm. 4.2.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng của chiều dày sản phẩm đến suất tiêu hao năng lƣợng riêng trong quá trình cấp đông Anh huong cua kich thuoc san pham den suat tieu hao nang luong 0.3 Suat tieu hao nang luong,[kWh/kgsp] (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 Hình 4.8 Ảnh hưởng của KT sản phẩm đến suất tiêu hao năng lượng riêng (e), v=15m/s, Te=-45 0C 0.24 0.22 0.2 0.18 (a) (b) (c) (d) (e) 0.16 12 14 16 18 20 22 24 Kich thuoc san pham, [mm] Nhận xét:  Ảnh hƣởng của kích thƣớc sản phẩm: khi kích thước thay đổi suất tiêu hao năng lượng thay đổi: - Khi kích thước sản phẩm tăng, suất tiêu hao năng lượng giảm, - Ở sản phẩm có kích thước nhỏ, mức độ giảm suất tiêu hao năng lượng lớn hơn sản phẩm có kích thước lớn. - Ở sản phẩm có kích thước khá lớn (21x115) khi kích thước tăng, suất tiêu hao năng lượng tăng. 4.3 Xây dựng mô hình toán cho quá trình cấp đông cá tra Giới hạn các thông số ảnh hưởng đến thời gian cấp đông của cá tra fillet được mã hóa: Bảng 4.20 Phạm vi biến đổi của các nhân tố độc l p trong quá trình cấp đông Mức nghiên cứu Nhân tố được Nhân tố Đơn vị mã hoá 0 1 -1 20