Tài liệu Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất và các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lạnh đông cá thu

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai khác công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả Vũ Huy Khuê LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cám ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội, Viện đào tạo sau đại học Trƣờng ĐHBK Hà nội, Viện Khoa hoc và Công nghệ Nhiệt –Lạnh, Bộ môn Kỹ thuật lạnh và điều hoà không khí, các Giáo sƣ, Tiến sỹ, các đồng nghiệp trong Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS. Nguyễn Xuân Tiên và GS TSKH. Trần Văn Phú đã hƣớng dẫn giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Việt Dũng, trƣởng bộ môn Kỹ thuật lạnh và Điều hoà không khí, Viện trƣởng Viện KH&CN Nhiệt Lạnh, đã tạo điều kiện, hƣớng dẫn giúp đỡ tôi trong thời gian tôi thực hiện luận án tại Bộ môn. Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt, Khoa Điện Trƣờng Đại Học Công nghiệp Hà nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của Bộ môn. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn anh em, bạn bè đồng nghiệp trong và ngoài nƣớc đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập làm thí nghiệm, tiếp cận với hàng trăm bài báo quốc tế liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án. Cuối cùng tôi xin cảm ơn Bố, Mẹ, Vợ Con, ngƣời thân và bạn bè đã luôn ủng hộ, động viên tôi trong suốt chặng đƣờng nghiên cứu thực hiện luận án. Tác giả Vũ Huy Khuê ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................................. iii PHỤ LỤC ................................................................................................................................... v DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................. vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................................ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN .............................................. ix LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... xii Chƣơng 1 .................................................................................................................................... 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN .................................................................................................. 1 1.1 Tổng quan về công nghệ lạnh đông thực phẩm ........................................................... 1 1.1.1 Vị trí, vai trò của công nghệ lạnh đông ..................................................................... 1 1.1.2 Thực trạng, tiềm năng của công nghệ lạnh thủy sản tại Việt Nam ............................ 2 1.1.3 Tiêu hao năng lƣợng, hao hụt khối lƣợng và thời gian trong quá trình cấp đông ..... 3 1.1.4 Cá thu, loại hải sản có giá trị dinh dƣỡng cao ........................................................... 4 2 Tổng quan về mô hình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình cấp đông thực phẩm. ..................................................................................................................................... 4 1.2.1 Mô hình bài toán truyền nhiệt truyền chất liên hợp trong quá trình cấp đông thực phẩm ................................................................................................................................... 4 1.2.1.1. Mô hình bài toán truyền nhiệt truyền chất tổng quát ............................................. 4 1.2.1.2. Vấn đề truyền nhiệt truyền chất xảy ra trong quá trình cấp đông ......................... 6 1.2.1.3. Mô hình truyền chất xảy ra trong quá trình cấp đông ........................................... 6 1.2.2 Các phƣơng pháp giải bài toán truyền nhiệt không ổn định trong quá trình cấp đông .................................................................................................................................... 9 1.2.2.1. Mô hình bài toán dẫn nhiệt không ổn định trong quá trình cấp đông.................... 9 1.2.2.2. Phƣơng pháp giải tích gần đúng và các công thức bán thực nghiệm kinh điển .. 10 1.2.2.3 Ứng dụng phƣơng pháp số giải bài toán truyền nhiệt trong cấp đông thực phẩm. ................................................................................................................................ 14 1.3 Tổng quan về mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý .............................................. 17 1.3.1 Thành phần băng trong thực phẩm kết đông ........................................................... 17 1.3.2 Nhiệt dung riêng ...................................................................................................... 19 1.3.3 Entanpi ..................................................................................................................... 20 1.3.4 Khối lƣợng riêng..................................................................................................... 22 1.3.5 Hệ số dẫn nhiệt ........................................................................................................ 23 1.4 Kết luận ........................................................................................................................ 26 1.5 Mục tiêu luận án ........................................................................................................... 27 Trên cơ sở các nghiên cứu tổng quan ở trên luận án đề ra các mục tiêu phải giải quyết nhƣ sau. ................................................................................................................................. 27 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 27 1.5.2 Đối tƣợng nghiên cứu .............................................................................................. 28 1.5.3 Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................... 28 Chƣơng 2 .................................................................................................................................. 29 MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA CÁ THU ............................. 29 2.1 Phát triển mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý của cá Thu ................................ 29 2.1.1 Thành phần băng trong thực phẩm kết đông .......................................................... 29 2.1.2 T lệ đóng băng của nƣớc trong quá trình cấp đông thực phẩm ............................. 31 2.1.3 Nhiệt dung riêng hiệu dụng ..................................................................................... 32 2.1.4 Entanpi .................................................................................................................... 35 iii 2.1.5 Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng ....................................................................................... 35 2.1.6 Khối lƣợng riêng..................................................................................................... 38 2.2 Xây dựng hoàn thiện phần mềm xác định tính chất nhiệt vật lý của cá Thu theo nhiệt độ. ............................................................................................................................... 39 2.3 Đánh giá độ tin cậy của mô hình tính chất nhiệt vật lý. ............................................ 40 2.3.1 Đối tƣợng nghiên cứu kiểm chứng .......................................................................... 40 2.3.2 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm t lệ nƣớc đóng băng ............... 41 2.3.3 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm nhiệt dung riêng ....................... 42 2.3.4 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm entanpi...................................... 44 2.3.5 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hệ số dẫn nhiệt hiệu ................. 46 Chƣơng 3: ................................................................................................................................. 49 NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA TRUYỀN CHẤT VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG CÁ THU .............................................................................................................. 49 3.1 Đánh giá sự ảnh hƣởng của quá trình trao đổi chất đến quá trình cấp đông cá Thu. ...................................................................................................................................... 49 3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cấp đông cá Thu . ...................................... 49 3.2.1 Những giả thiết sử dụng khi xây dựng mô hình toán học bài toán dẫn nhiệt bên trong thực phẩm cấp đông. ............................................................................................... 49 3.2.2 Bài toán dẫn nhiệt trong thực phẩm cấp đông theo mô hình Chumak & Onhishenko ....................................................................................................................... 50 3.3 Giải bài toán dẫn nhiệt quá trình cấp đông cá Thu . ................................................ 53 3.3.1 Phƣơng pháp thể tích hữu hạn giải hệ phƣơng trình dẫn nhiệt trong quá trình cấp đông cá Thu. ..................................................................................................................... 53 3.3.2 Thuật toán giải bài toán dẫn nhiệt bên trong quá trình cấp đông cá Thu theo phƣơng pháp thể tích hữu hạn xác định trƣờng nhiệt độ .................................................. 57 3.4 Xây dựng hoàn thiện phầm mềm mô phỏng quá trình cấp đông cá Thu ................ 59 3.5 Xác định nhiệt ẩn do quá trình trao đổi chất ............................................................. 61 3.5.1. Khái niệm nhiệt độ trung bình entanpi và bài toán xác định phụ tải lạnh khi cấp đông thực phẩm. ............................................................................................................... 61 3.5.2. Xác định nhiệt ẩn trong quá trình trao đổi chất ...................................................... 62 3.6 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng quá trình cấp đông cá Thu. ............. 63 3.6.1 Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm .................................................................... 63 3.6.1.1 Mô tả tủ cấp đông thí nghiệm ............................................................................... 63 3.6.1.2 Thiết bị đo............................................................................................................. 64 3.6.1.3 Xác định các thông số đặc trƣng của mô hình thí nghiệm ................................... 65 3.6.2 Nghiên cứu thực nghiệm xác định độ hụt khối lƣợng khi cấp đông ....................... 68 3.6.3 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trƣờng nhiệt độ và thời gian cấp đông cá thu ..... 71 3.7 Kết luận chƣơng 3........................................................................................................ 77 Chƣơng 4 .................................................................................................................................. 79 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG CÁ THU .......................................................................................................................................... 79 4.1 Đánh giá ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng tới quá trình cấp đông cá Thu .... 79 4.1.1 Đánh giá ảnh hƣởng của vận tốc không khí tới quá trình cấp đông cá thu ............. 79 4.1.2 Đánh giá ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng làm lạnh tới quá trình cấp đông thực phẩm ......................................................................................................................... 82 4.1.3 Đánh giá ảnh hƣởng của chiều dày sản phẩm tới quá trình cấp đông thực phẩm ... 86 4.2 Nghiên cứu xác định vùng cấp đông hợp lý cho cá thu ............................................. 89 4.2.1 Xây dựng hàm hồi quy ............................................................................................ 89 iv 4.2.2 Tìm vùng cấp đông hợp lý cho cá Thu .................................................................... 91 4.3 Đề xuất các giải pháp tiêu hao năng lƣợng trong quá trình cấp đông cá Thu........ 92 4.3.1. Xác định chế độ cấp đông tối ƣu theo phƣơng pháp thực nghiệm ........................ 92 4.3.2 Giải pháp tiết kiệm năng lƣợng đối với thiết bị cấp đông dạng IQF tại nhà máy ... 93 4.3.2.1 Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho hệ thống cấp đông IQF .................................. 94 4.3.2.2 Khả năng tiết kiệm năng lƣợng khi thay đổi tốc độ quạt lƣu chuyển gió ............. 95 4.3.2.3 Khả năng tiết kiệm năng lƣợng khi thay đổi nhiệt độ buồng cấp đông và chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ buồng. ......................................................................... 96 4.4 Kết luận chƣơng 4......................................................................................................... 98 Chƣơng 5 ................................................................................................................................ 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 100 5.1 Kết luận ....................................................................................................................... 100 5.1.1 Tóm tắt nội dung luận án .................................................................................. 100 5.1.2 Những đóng góp của luận án ................................................................................. 100 5.2 Kiến nghị và đề xuất hƣớng nghiên cứu mới ...................................................... 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................................. 108 PHỤ LỤC v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: GDP thủy sản trong nền kinh tế Quốc dân giai đoạn 2001-2011[3] ..................... 1 Bảng 1.2:Các công thức hiệu chỉnh công thức tính thời gian cấp đông của Plank ............. 11 Bảng 1.3: Hằng số hình dáng cho tính toán hệ số E ............................................................ 13 Bảng 1.4 Khối lƣợng riêng phụ thuộc nhiệt độ của các thành phần thực phẩm [22 ]. ........ 23 Bảng 2.1: Quan hệ giữa độ ẩm và điểm kết đông của một số loại thực phẩm [22] ............. 31 Bảng 2.2: Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của các thành phần trong thực phẩm . 33 Bảng 2.3 Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của từng thành phần trong thực phẩm .. 36 Bảng 2.4 Khối lƣợng riêng phụ thuộc nhiệt độ của các thành phần thực phẩm[30]. .......... 38 Bảng 2.5: Thành phần khối lƣợng và nhiệt độ bắt đầu kết đông của một số loại cá ........... 41 Bảng 3.1. Kết quả khảo sát tốc độ quạt trong buồng cấp đông ........................................... 65 Bảng 3.2: Các chế độ thí nghiệm với cá Thu trong tủ cấp đông KTE-5000 LT ................ 68 Bảng 3.3: Kết quả đo thời gian cấp đông và độ hụt khối lƣợng khi cấp đông cá Thu ........ 69 Bảng 3.4: Ảnh hƣởng của độ hụt khối tới tải nhiệt khi cấp đông của thực phẩm ............... 70 Bảng 3.5: Thời gian cấp đông thực nghiệm và tính toán đối với cá Thu ............................ 76 Bảng 4.1: Kết quả xác định thời gian cấp đông cá Thu cắt lát có chiều dày 3mm.............. 79 Bảng 4.2: Quan hệ giữa vận tốc không khí đến thời gian cấp đông ................................... 81 Bảng 4.3: Mối quan hệ  = f() .................................................................................... 81 Bảng 4.4: Mức độ ảnh hƣởng ở các chế độ vận tốc khác nhau ........................................... 82 Bảng 4.5: Quan hệ giữa nhiệt độ không khí đến thời gian cấp đông .................................. 84 Bảng 4.6: Quan hệ  =f(T) ............................................................................................. 84 Bảng 4.7: Mức độ ảnh hƣởng ở các chế độ nhiệt độ không khí khác nhau ......................... 85 Bảng 4.8: Phƣơng trình hồi quy thiết lập mối quan hệ giữa thời gian cấp đông và chiều dày sản phẩm ở các chế độ nhiệt độ khác nhau .......................................................................... 86 Bảng 4.9: Mức độ ảnh hƣởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông ................. 87 Bảng 4.10: Phƣơng trình hồi quy thiết lập mối quan hệ giữa thời gian cấp đông và chiều dày sản phẩm ở các chế độ vận tốc khác nhau .................................................................... 88 Bảng 4.11: Mức độ ảnh hƣởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông ............... 88 Bảng 4.12: Phạm vi biến đổi của các nhân tố độc lập trong quá trình cấp đông ................. 89 Bảng 4.13: Số liệu xây dựng phƣơng trình hồi quy (4.3) .................................................... 90 Bảng 4.14:Kết quả tối ƣu thời gian cấp đông ...................................................................... 91 Bảng 4.15: Khoảng giá trị t, ω, chiều dày hợp lý khi cấp đông cá Thu ............................. 92 Bảng 4.16: Công suất quạt thay đổi theo vận tốc gió .......................................................... 96 Bảng 4.17: Công suất máy nén thay đổi theo nhiệt độ sôi .................................................. 97 Bảng 4.18: Mức độ tiết kiệm năng lƣợng khi thay đổi nhiệt độ sôi môi chất ..................... 97 vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Kim ngạch xuất khẩu thủy sản Việt Nam và tăng trƣởng qua giai đoạn 2003 – 2013 [2] ................................................................................................................................. 2 Hình 1.2: Mô hình cấp đông theo phƣơng pháp CAS ........................................................... 3 Hình 1.3: a, b Hình ảnh cá Thu thƣơng phẩm ;c Sản lƣợng đánh bắt cá Thu đến 2010........ 4 Hình 1.4: Ảnh hƣởng của thời gian cấp đông tới chiều dày thoát ẩm và tốc độ dehydration Campanone [50] .................................................................................................................... 8 Hình 1.5: Ảnh hƣởng của sự hoạt hóa của nƣớc đến thời gian cấp đông [21] ...................... 8 Hình 1.3: Mô tả nguồn gốc của phƣơng trình Plank ........................................................... 11 Hình 3.7: Sơ đồ chia lƣới các điểm nút trên trục không gian 0x và giá trị của hàm Fi tƣơng ứng với nút i của lƣới. ......................................................................................................... 16 Hình 2.1: Sơ đồ giải thuật xác định nhiệt dung riêng hiệu dụng ......................................... 34 Hình 2.2: Sơ đồ giải thuật xác định entanpi của thực phẩm ................................................ 35 Hình 2.3: Sơ đồ thuật giải tính hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng................................................... 38 Hình 2.4: Giao diện khi khởi động của phần mềm xác định tính chất nhiệt vật lý và thời gian cấp đông ....................................................................................................................... 39 Hình 2.5: Giao diện làm việc của phần mềm ...................................................................... 40 Hình 2.6: Đồ thị biến thiên tính chất nhiệt vật lý theo nhiệt độ. File dữ liệu dạng excel của phần mềm ............................................................................................................................ 40 Hình 2.7: Sự biến đổi của t lệ nƣớc đóng băng theo nhiệt độ với thịt bò .......................... 41 Hình 2.8: Sự biến đổi của t lệ nƣớc đóng băng theo nhiệt độ với cá Tuyết ...................... 41 Hình 2.9: Sự biến đổi của t lệ nƣớc đóng băng theo nhiệt độ với cá Vƣợc ....................... 42 Hình 2.10: Sự biến đổi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ đối với cá Ngừ ........................ 42 Hình 2.11: Sự biến đổi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ đối với cá Hồi ......................... 43 Hình 2.12: Sự biến đổi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ đối với cá Thu ......................... 43 Hình 2.13: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối với cá Ngừ ...................................... 44 Hình 2.14: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối với cá Hồi........................................ 44 Hình 2.15: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối với cá Thu ....................................... 44 Hình 2.16: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối với cá Tuyết .................................... 45 Hình 2.18: Sự biến đổi của hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ đối với cá Ngừ .......................... 46 Hình 2.19: Sự biến đổi của hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ đối với cá Hồi ........................... 46 Hình 2.20: Sự biến đổi của hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ đối với cá Thu ........................... 46 Hinh 3.1: Biểu diễn phân tố theo tọa độ và thời gian. ......................................................... 54 Hình 3.2: Sơ đồ thuật toán xác định trƣờng nhiệt độ của thực phẩm đƣợc cấp đông ......... 58 Hình 3.3: Giải thuật xác định trƣờng nhiệt độ ở bƣớc thời gian tiếp theo .......................... 59 Hình 3.4: Giao diện phần mềm mô phỏng quá trình dẫn nhiệt trong thực phẩm đƣợc cấp đông ..................................................................................................................................... 60 Hình 3.5: Dạng đồ thị nhiệt độ tâm và bề mặt điển hình..................................................... 61 Hình 3.6: Dữ liệu đƣợc xuất ra dƣới dạng file excel ........................................................... 61 Hình 3.7: Tủ thí nghiệm cấp đông gió KTE-5000LT .......................................................... 64 Hình 3.8: Chu trình lạnh của thiết bị cấp đông.................................................................... 64 Hình 3.9: Khối tín hiệu vào NI 9211A và Khối truyền thông cDAQ-9174 của Dataloger nhiệt độ 8 kênh National Instruments Corporation ............................................................. 64 Hình 3.10: Bộ đo nhiệt độ chuyển mạch bằng tay 8 đầu đo dải nhiệt độ đo -1000C đến 1000C .................................................................................................................................. 64 Hình 3.11: Dataloger đo nhiệt độ di động Datatrace MPIII, MPRF dải nhiệt độ đo -800C đến 140oC ............................................................................................................................ 64 Hình 3.12: Thiết bị đo tốc độ gió TSI 8347......................................................................... 65 Hình 3.13: Cân kỹ thuật UEC – 7500; ................................................................................ 65 vii Hình 3.14. a) Kích thƣớc buồng cấp đông b) Vị trí các điểm đo xác định trƣờng tốc độ gió, c) Vị trí gắn các điểm đo trên miếng cá Thu ................................................................ 66 Hình 3.15: Bố trí sản phẩm trong tủ cấp đông (a), gắn các cặp nhiệt lên miếng cá (b) ...... 67 Hình 3.16: Quy trình thí nghiệm quá trình cấp đông cá Thu .............................................. 67 Hình 3.17: Bố trí thí nghiệm xác định độ hao hụt khối lƣợng cá Thu khi cấp đông .......... 68 Hình 3.18: Sự thay đổi khối lƣợng của mẫu cá Thu theo thời gian.................................... 69 Hình 3.19: Sự biến đổi nhiệt độ của khối thực phẩm theo thời gian ................................... 69 Hình 3.20: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá Thu trong chế độ thí nghiệm 01 ........................................................................................................... 71 Hình 3.21: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá Thu trong chế độ thí nghiệm 02 ........................................................................................................... 72 Hình 3.22: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá Thu trong chế độ thí nghiệm 03 ........................................................................................................... 72 Hình 3.23: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá Thu trong chế độ thí nghiệm 04 ........................................................................................................... 73 Hình 3.24: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá Thu trong chế độ thí nghiệm 05 ........................................................................................................... 73 Hình 3.25: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá Thu trong chế độ thí nghiệm 06 ........................................................................................................... 74 Hình 3.26: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá Thu trong chế độ thí nghiệm 07 ........................................................................................................... 74 Hình 3.28: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá Thu trong chế độ thí nghiệm 09 ........................................................................................................... 75 Hình 3.29: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá Thu trong chế độ thí nghiệm 10 ........................................................................................................... 76 (Γ: Hệ số hình học, τthực nghiệm: thời gian cấp đông thực nghiệm, τtính toán: thời gian cấp đông tính toán ) ............................................................................................................. 77 Hình 4.1: Ảnh hƣởng của tốc độ gió đến thời gian cấp đông cá Thu 3mm......................... 80 Hình 4.2: Quan hệ giữa vận tốc không khí đến thời gian cấp đông .................................... 81 Hình 4.3 : Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến thời gian cấp đông cá Thu 3mm........................... 83 Hình 4.4: Quan hệ giữa thời gian cấp đông với nhiệt độ không khí ................................... 84 Hình 4.5: Quan hệ giữa kích thƣớc sản phẩm và thời gian cấp đông .................................. 87 Hình 4.6: Quan hệ giữa chiều day sản phẩm và thời gian cấp đông ................................... 88 Hình 4.7: Mối quan hệ tƣơng quan giữa số liệu tính toán và số liệu từ mô hình toán (4.3) 90 Hình 4.8: Lƣợc đồ phƣơng pháp tối ƣu hóa thực nghiệm ................................................... 93 Hình 4.7: Thiết bị đo và lƣu trữ nhiệt độ sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm ............ 132 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu C Cp Cf Cu Ca C B Bi E F f h hf L Lo Ms ΔC n T t Tin To Tr Tref T q R Rg rf V v r x m Ký tự Hy lạp α αp Ý nghĩa Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng đẳng áp Nhiệt dung riêng thực phẩm đóng băng hoàn toàn Nhiệt dung riêng của thực phẩm trên điểm đóng băng Nhiệt dung riêng biểu kiến Ma trận nhiệt dung. T N Tiêu chuẩn Biot (αR/λ) Hệ số hình dáng thời gian lạnh đông Diện tích bề mặt Ma trận nguồn nhiệt Entanpi Enthanlpy của khối thực phẩm ở nhiệt độ đông đặc, Nhiệt ẩn đóng băng Nhiệt ẩn đóng băng của nƣớc, Lo = 333600 Phân tử lƣợng của chất khô hòa tan Chênh lệch nhiệt dung riên của nƣớc và băng Vectơ đơn vị theo phƣơng pháp tuyến với bề mặt. Nhiệt độ Nhiệt độ Nhiệt độ ban đầu Nhiệt độ kết đông của nƣớc, To=273,15 K Nhiệt độ tham chiếu (entanpi = 0), Tr = 233,15K (-40oC) Nhiệt độ tham chiếu trong phƣơng trình Cleland & Earle, Tref = 263,15K Vectơ các nút nhiệt độ Nguồn nhiệt trong phân tố Kích thƣớc xác định (một nửa bề dầy tấm phẳng, bán kính hình trụ hoặc bán kính khối cầu) Hằng số khí lý tƣởng, Rg = 8314 J/kgK Bề dày lớp băng Thể tích Vận tốc Tọa độ vị trí Thành phần khối lƣợng Khối lƣợng thực phẩm Đơn vị J.kg−1K−1 J.kg−1K−1 J.kg−1K−1 J.kg−1K−1 J.kg−1K−1 m2 J.kg-1 J.kg-1 J.kg−1 J.kg-1 kg.kmol-1 K 0 C K K K K J.m-3 Mm M m3 ms-1 M kgkg-1 Kg Wm-2K-1 Wm-2K-1 Hệ số toả nhiệt tổng Hệ số tỏa nhiệt bức xạ ix Ký hiệu αc β λ λ ρ τ τPlank τf Ω ɛ δ ɷ Chỉ số dƣới a S f u in g w ice s p CH f fi a ce pa se c d e i j Chỉ số trên o u b Ý nghĩa Hệ số tỏa nhiệt đối lƣu Hệ số dãn nở nhiệt độ Hệ số dẫn nhiệt, Ma trận dẫn nhiệt Đơn vị Wm-2K-1 K-1 W.m-1K-1 Khối lƣợng riêng, Thời gian, Thời gian làm lạnh đông theo công thức Plank, Thời gian kết đông, Phân tố thể tích Thành phần thể tích của pha gián đoạn, Độ rỗng thực phẩm T lệ nƣớc đóng băng kg.m-3 S S S Môi trƣờng làm lạnh, môi trƣờng xung quanh Bề mặt sản phẩm Kết đông, đóng băng, bề mặt phân pha Chƣa kết đông Thời điểm ban đầu Thành phần khí Nƣớc Băng Chất khô Protein Carbohydrate Mỡ Chất xơ Tro Tâm Mô hình song song Mô hình nối tiếp Pha liên tục Pha gián đoạn Hiệu dụng Nút tọa độ hoặc thành phần thứ i trong thực phẩm Nút thời gian Thời điểm ban đầu, trƣớc khi kết đông Chƣa kết đông Thành phần liên kết x m3kg-1 Ký hiệu Chữ viết tắt FAO GDP NQ- CP CAS VASEP Ý nghĩa Đơn vị Food Agriculture Organization of the United Nations ( Tổ chức nông nghiệp và lƣơng thực Liên hiệp quốc) Tổng sản phẩm quốc nội Nghị quyết chính phủ (Cell Alive System)- Công nghệ bảo quản tƣơi sống Hiệp hội chế biến và nuôi trồng thu sản xi LỜI MỞ ĐẦU Nghị quyết 48/NQ-CP của Chính phủ ban hành ngày 23/09/2009 về cơ chế, chính sách giảm tổn thất sau thu hoạch đối với nông sản, thu sản đã chỉ ra những yếu điểm của công nghệ bảo quản sau thu hoạch ở nƣớc ta. Tổn thất về sản lƣợng trong và sau thu hoạch đối với lúa 11 – 13%, ngô 13 – 15%, rau quả và thủy sản đánh bắt bị tổn thất trên 20% cả về sản lƣợng và chất lƣợng [11,12,13]. Tổn thất về sản lƣợng dẫn đến chi phí sản xuất trên 1 đơn vị thành phẩm tăng cao trong khi sự sụt giảm chất lƣợng sau thu hoạch khiến cho sản phẩm nông nghiệp Việt Nam có giá trị thƣơng mại thấp, không thể cạnh tranh đƣợc với sản phẩm của các nƣớc khác trên thế giới. Để sớm khắc phục tồn tại, yếu kém nêu trên, Chính phủ ban hành Nghị quyết về cơ chế, chính sách giảm tổn thất sau thu hoạch đối đối với nông, thủy sản. Cụ thể, mặt hàng thủy hải sản, rau quả sẽ giảm mức độ tổn thất (cả về số lƣợng và chất lƣợng) từ 20% hiện nay xuống dƣới 10% vào năm 2020[12,13]. Để đáp ứng yêu cầu đề ra, nghị quyết đã chỉ ra một trong những giải pháp quan trọng đối với công nghệ bảo quản thủy, hải sản: Cải tiến công nghệ bảo quản đông cho những nhóm thƣơng phẩm có giá trị cao. Nhóm sản phẩm hải sản đánh bắt xa bờ là một trong những nhóm thủy hải sản có giá trị thƣơng mại cao nhất. Nhóm này bao gồm các mặt hàng nhƣ: cá Thu, cá Ngừ đại dƣơng, cá Trích, cá Cơm … Do ngƣ trƣờng khai thác thƣờng nằm cách xa bờ, phƣơng pháp bảo quản duy nhất cho nhóm đối tƣợng này là làm lạnh cấp đông trên tàu, chế biến tại nhà máy và tái cấp đông bảo quản. Để nâng cao chất lƣợng và giảm hao hụt khi bảo quản, việc xây dựng bộ dữ liệu về thành phần, về tính chất nhiệt vật lý của sản phẩm và chế độ cấp đông phù hợp đặt ra hết sức bức thiết. Sự biến đổi tính chất của thực phẩm khi cấp đông là một quá trình lý hóa rất phức tạp. Sự giảm nhiệt độ của thực phẩm xuống dải nhiệt độ âm sẽ khiến dung dịch lỏng bên trong thực phẩm chuyển thành dạng rắn. Quá trình chuyển pha sẽ làm thay đổi hoàn toàn tính chất nhiệt vật lý của sản phẩm. Các nghiên cứu trên thế giới hiện nay chỉ mới đo đƣợc tính chất nhiệt vật lý của một số ít sản phẩm nhƣ cá efin, cá tuyết, cá vƣợc. Đối với các sản phẩm khác, các nhà nghiên cứu chỉ đƣa ra những dải giá trị có tính chất định hƣớng với sai số có thể lên đến 50%. Đây là một trong những lý do dẫn đến khó khăn trong việc tìm kiếm dữ liệu đầu vào cho quá trình tính toán, thiết kế và vận hành hệ thống lạnh hợp lý, góp phần nâng cao chất lƣợng, giảm hao hụt sản phẩm và tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình cấp đông. Để giải quyết vấn đề đặt ra ở trên tác giả đã chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất và các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong lạnh đông cá Thu ”. Nội dung chính của luận án gồm: - Lựa chọn và phát triển hoàn chỉnh mô hình xác định các thông số nhiệt vật lý của cá Thu trong dải nhiệt độ rộng (-400C ÷ 400C). - Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt có xét đến ảnh hƣởng của truyền chất, đánh giá thực nghiệm độ hao hụt của sản phẩm trong quá trình cấp đông. Đối tƣợng thực nghiệm là cá Thu . - Xây dựng mô hình xác định trƣờng nhiệt độ, thời gian cấp đông hợp lý theo trƣờng phái Chumak-Onhishenko, giải trực tiếp bài toán dẫn nhiệt phi tuyến có đạo hàm riêng bằng phƣơng xii pháp thể tích hữu hạn, có khả năng ứng dụng cho vật thể có hình dạng bất kỳ. Kết quả nghiên cứu lý thuyết đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm với đối tƣợng là cá Thu. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố tới quá trình cấp đông, đƣa ra một số giải pháp nhằm tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình cấp đông. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu dự kiến đạt đƣợc: Lựa chọn và phát triển mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý bằng phƣơng pháp tính toán khoa học, chỉ thông qua phân tích thành phần của thực phẩm. Đối tƣợng nghiên cứu là cá Thu. Bằng phƣơng pháp đơn giản này có thể xác định tính chất nhiệt vật lý của thủy sản theo lô sản xuất, theo vùng đánh bắt nhanh chóng. - Xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh cấp đông có xét đến ảnh hƣởng của truyền chất, kết quả mô phỏng đƣợc so sánh đánh giá sai số với kết quả thực nghiệm. - Xây dựng, hoàn thiện phần mềm xác định tính chất nhiệt vật lý, mô phỏng xác định thời gian và trƣờng nhiệt độ khi cấp đông, các cơ sở sản xuất chế biến có thể sử dụng phần mềm dễ dàng. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của quá trình truyền chất trong quá trình cấp đông thủy sản, thực nghiệm đánh giá độ hao hụt khối lƣợng khi cấp đông cá Thu. - Nghiên cứu về ảnh hƣởng của một số yếu tố đến quá trình cấp đông. Là cơ sở để đƣa ra chế độ cấp đông hợp lý với cá Thu ở cơ sở sản xuất thực tế. Đƣa ra giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình cấp đông. Luận án đƣợc bố trí gồm 5 chƣơng. Chƣơng một trình bày nghiên cứu tổng quan về công nghệ làm lạnh đông. Mô hình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình cấp đông, các mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý, mô phỏng bài toán dẫn nhiệt cấp đông. Nội dung chƣơng 2 trình bầy mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý, xác định tính chất nhiệt vật lý cho đối tƣợng nghiên cứu, kiểm chứng mô hình và phầm mềm với các đối tƣợng cụ thể. Chƣơng 3 trình bày mô hình bài toán dẫn nhiệt cấp đông, đánh giá ảnh hƣởng của truyền chất tới quá trình cấp đông, giải phƣơng trình vi phân dẫn nhiệt bằng phƣơng pháp thể tích hữu hạn (TTHH). Kiểm chứng mô hình bằng thực nghiệm và các kết quả thu đƣợc từ thực nghiệm, so sánh đánh giá kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán lý thuyết. Chƣơng 4 đánh giá ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng tới quá trình cấp đông và đƣa ra một số giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình cấp đông. Một số kết luận và kiến nghị sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 5, là chƣơng cuối cùng của luận án. xiii Chƣơng 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về công nghệ lạnh đông thực phẩm 1.1.1 Vị trí, vai trò của công nghệ lạnh đông Nâng cao chất lƣợng chế biến các loại lƣơng thực, thực phẩm sau thu hoạch đang đặt ra một thách thức đối với toàn cầu, bởi đây là chìa khóa giải quyết vấn đề an ninh lƣơng thực, đồng thời góp phần giảm ô nhiễm và hủy hoại môi trƣờng thiên nhiên, đảm bảo sự phát triển bền vững của nhân loại. Vấn đề an ninh lƣơng thực đƣợc thể hiện trên hai mặt, thứ nhất phải đảm bảo cung cấp đủ về số lƣợng, thứ hai phải bảo đảm về chất lƣợng. Trong khi đó công nghệ chế biến thực phẩm của nƣớc ta, đặc biệt là công nghệ chế biến lạnh còn rất nhiều hạn chế và bất cập. T lệ tổn thất sản phẩm sau thu hoạch khá cao, ví dụ đối với rau quả khoảng 30%, đối với chế biến thủy sản khoảng 20%. Chất lƣợng các sản phẩm đầu ra không đồng đều và chƣa cao, khả năng xuất khẩu bị hạn chế. Để giải quyết đƣợc vấn đề nêu trên, thực hiện thành công Nghị quyết 48/NQ-CP ngày 23/9/2009 của Chính phủ về giảm một nửa tổn thất sau thu hoạch đối với các sản phẩm nông, lâm, thủy hải sản cho tới năm 2020, 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 lƣợng chế biến và sử dụng năng lƣợng tiết kiệm hiệu quả [11]. Nhằm giải quyết các tiêu chí đã đề ra, những nghiên cứu cần thiết về công nghệ lạnh thực phẩm, cả về đối tƣợng chế biến, công nghệ và thiết bị cấp đông phải đƣợc tiến hành đầy đủ và có hệ thống. Giai đoạn 2001-2011, đóng góp của thủy sản vào GDP chung toàn quốc dao động trong khoảng từ 3,72%-3,1%. Bình quân thủy sản giải quyết công ăn việc làm cho khoảng 150.000 lao động/năm. Thủy sản cung cấp thực phẩm cho trên 80 triệu ngƣời dân Việt Nam [3,4,5]. Hàng năm thủy sản đáp ứng khoảng từ 39,3-42,86% tổng sản lƣợng thực phẩm, góp phần quan trọng trong việc đảm bảo an ninh thực phẩm và dinh dƣỡng quốc gia. Bảng 1.1: GDP thủy sản trong nền kinh tế Quốc dân giai đoạn 2001-2011[3] Đơn vị tính: T đồng Tăng trƣởng bình quân % TT 1 2 1 2 Hạng mục 2001 2005 2010 2011 GDT toàn quốc 481.295 839.211 1.980.914 2.303.439 (GTT) GDP thủy sản 17.904 32.947 66.130 71.504 T trọng so với toàn 3,72 3,93 3,34 3,10 quốc GDP toàn quốc (GSS) 292.535 393.031 551.609 587.654 GDP thủy sản 7.449 10.181 14.286 15.279 T trọng so với toàn 2,55 2,59 2,59 2,60 quốc 20012005 20062011 20012011 14,91 18,78 16,95 16,47 13,28 14,85 7,66 8,12 6,68 6,85 7,22 7,45 Những năm gần đây, thủy sản đã có những đóng góp quan trọng trong chuyển dịch cơ cấu kinh tế ngành nông nghiệp. Cơ cấu sản xuất nông, lâm, thu sản chuyển dịch theo hƣớng nâng cao năng suất, chất lƣợng, hiệu quả, giá trị gắn với thị trƣờng. Cùng các đóng góp có giá trị về kinh tế, phát triển thủy sản còn có ý nghĩa sâu sắc về an ninh quốc phòng. 1 1.1.2 Thực trạng, tiềm năng của công nghệ lạnh thủy sản tại Việt Nam Trong xu thế toàn cầu hóa và hội nhập kinh tế quốc tế nhƣ hiện nay, vấn đề cạnh tranh về chất lƣợng và giá cả hàng hóa càng trở nên gay gắt. Sản phẩm của các công ty nƣớc ngoài hay các công ty liên doanh chiếm một ƣu thế nhất định. Nguyên nhân chính là do chênh lệch về trình độ công nghệ sản xuất và bảo quản. Với bờ biển dài trên 3000 Km, nguồn nhân lực trực tiếp tham gia chăn nuôi, nuôi trồng và khai thác thủy hải sản chiếm t lệ lớn. Do vậy, Việt Nam vẫn là nƣớc có tiềm năng rất lớn về sản xuất các sản phẩm thực phẩm. Hình 1.1: Kim ngạch xuất khẩu thủy sản Việt Nam và tăng trƣởng qua giai đoạn 2003 – 2013 [2] Trong công nghiệp chế biến thu sản Việt Nam là nƣớc sản xuất và xuất khẩu thu sản có thứ hạng trên thế giới. Theo số liệu của tổng cục thống kê, năm 2013 Việt Nam gặt hái đƣợc nhiều thành công với tổng sản lƣợng đạt 5918,6 ngàn tấn và thu về 6,8 t USD [2]. Theo nhận định của VASEP ngành công nghiệp nuôi trồng, khai thác, chế biến và xuất khẩu của Việt Nam vẫn có nhiều tiềm năng và lợi thế chƣa đƣợc khai thác hết. Trong đó đặc biệt phải kể đến công nghệ chế biến lạnh và cấp đông thủy sản còn rất nhiều hạn chế, chƣa đƣợc quan tâm đúng mức[2]. Cho tới nay ở nƣớc ta chƣa có nghiên cứu nào mang tính hệ thống và đầy đủ về lĩnh vực này. Chúng ta cũng chƣa có sổ tay về tính chất nhiệt vật lý của thủy sản, cũng nhƣ quy trình cấp đông cho từng loại thủy sản. Đây là rào cản rất lớn để hoàn thiện công nghệ làm lạnh và cấp đông thủy sản đồng thời đảm bảo cả hai tiêu chí (i) đảm bảo chất lƣợng của thủy sản (ii) sử dụng hợp lý năng lƣợng. Thời gian gần đây Nhà nƣớc đã có những bƣớc đi mạnh mẽ trong lĩnh vực này, tháng 6/2013 Bộ Khoa học và Công nghệ khánh thành phòng thí nghiệm công nghệ CAS (Cell Alive System)- Công nghệ bảo quản tƣơi sống. Đây là công nghệ tiên tiến về bảo quản hải sản, nông sản và thực phẩm trên thế giới do Tập đoàn ABI Nhật Bản là chủ sở hữu độc quyền sáng chế, đã đƣợc công nhận tại 22 quốc gia, Liên minh châu Âu (EU) và bảo hộ trên toàn thế giới [10]. Bản chất CAS là công nghệ kết hợp làm lạnh nhanh trong trƣờng điện tử kết hợp với sóng siêu âm để bảo quản sản phẩm tƣơi sống, giúp các phân tử nƣớc trong tế bào dao động, không bị đóng băng trong thời gian cấp đông mà tạo thành nƣớc quá lạnh giúp trƣờng nhiệt độ đều hơn. Kết thúc quá trình cấp đông, trƣờng từ đƣợc đột ngột tắt, thay vào đó là sóng siêu âm đƣợc kích hoạt để thúc đẩy quá trình biến pha từ nƣớc sang băng diễn ra gần nhƣ tức thời . Nhờ vậy cấu trúc mô tế bào trong quá trình cấp đông sẽ không bị phá vỡ, ức chế quá trình oxy hóa, chống sự nhiễm khuẩn và làm cho sản phẩm giữ đƣợc chất lƣợng. 2 b a Hình 1.2: Mô hình cấp đông theo phƣơng pháp CAS a: Cấp đông gió thông thƣờng; b: Cấp đông theo phƣơng pháp CAS; Tuy nhiên để trả lời câu hỏi ứng dụng công nghệ này trong công nghệ cấp đông và bảo quản thu sản có giá trị kinh tế cao nhƣ cá Ngừ, cá Thu, cá Hồi ở Việt Nam có thực sự đem lại giá trị kinh tế lớn do chất lƣợng tăng lên nhƣ phía Nhật quảng cáo, cũng nhƣ với các loại thực phẩm của Việt Nam quy trinh áp dụng CAS thế nào là hợp lý, hiện vẫn còn đang để ngỏ. Để giải quyết vấn đề đặt ra ở trên, một lần nữa bài toán nghiên cứu về tính chất nhiệt vật lý và mô phỏng quá trình cấp đông lại đƣợc đặt ra nhƣ một vấn đề cấp thiết. Tóm lại, có thể thấy ở nƣớc ta việc hoàn thiện công nghệ cấp đông thủy sản không thể tách rời với việc nghiên cứu bản chất vật lý của thực phẩm và môi trƣờng cấp đông thay đổi thế nào trong quá trình công nghệ. Đây là chìa khóa để có thể dần giải quyết những vấn đề trên 1.1.3 Tiêu hao năng lƣợng, hao hụt khối lƣợng và thời gian trong quá trình cấp đông Điện năng là năng lƣợng tiêu thụ chính trong nhà máy chế biến thủy sản, theo [2,4,5,6,7] suất tiêu hao điện năng để chế biến một kg thành phẩm dao động khoảng từ 0.4 đến 0,45kWh/kg. Điện năng tiêu thụ cho giai đoạn làm lạnh và cấp đông chiếm khoảng 30 % tổng năng lƣợng tiêu thụ điện của nhà máy[6,7]. Nhƣ vậy nếu có các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong hệ thống cấp đông sẽ làm giảm tiêu hao năng lƣợng trên một đơn vị sản phẩm và điều này đồng nghĩa với việc giảm giá thành sản xuất đối với thành phẩm. Trong quá trình làm lạnh và cấp đông thực phẩm do có chênh lệch nhiệt độ và phân áp suất của nƣớc giữa bên trong và bên ngoài sản phẩm nên xảy ra quá trình trao đổi chất, dẫn đến hao hụt khối lƣợng trong quá trình cấp đông do bốc hơi nƣớc từ bề mặt sản phẩm vào môi trƣờng. Khi tiết diện của bề mặt sản phẩm càng lớn, thời gian làm lạnh sơ bộ càng dài thì độ hao hụt càng lớn. Vấn đề này cần phải đƣợc nghiên cứu, đánh giá chi tiết mức độ, t lệ ảnh hƣởng đến cả quá trình cấp đông. Trong các nhà máy chế biến thủy sản, thời gian cấp đông đƣợc xác định bằng thực nghiệm và kinh nghiệm của cán bộ kỹ thuật. Những kỹ thuật viên có kinh nghiệm lâu năm chỉ cần nhìn vào màu sắc của sản phẩm sau cấp đông là có thể biết đƣợc sản phẩm đạt hay chƣa đạt. Còn ở phòng kiểm soát chất lƣợng của nhà máy, họ dùng khoan khoan một lỗ nhỏ vào đến tâm sản phẩm và đo nhiệt độ. Với mỗi sản phẩm mới, kỹ thuật viên phải bằng kinh nghiệm thực tế kết hợp với hƣớng dẫn của nhà cung cấp thiết bị để xác định thời gian cấp đông. Đa số các nghiên cứu về quá trình cấp đông cuối cùng để đi đến một kết quả, đó là xác định thời gian cấp đông hợp lý cho một đối tƣợng sản phẩm. Nếu chúng ta có đƣợc một công cụ đơn giản xác đƣợc thời gian cấp đông và trƣờng nhiệt độ mô phỏng quá trình cấp đông của một đối tƣợng sản phẩm hợp lý thì sẽ giúp ích rất nhiều cho các nhà máy chế biến thủy hải sản. 3 1.1.4 Cá thu, loại hải sản có giá trị dinh dƣỡng cao Nằm trong khu vực Biển Đông, Việt Nam có bờ biển dài 3260km, có vùng đặc quyền kinh tế biển khoảng 01 triệu km2 cùng hàng nghìn đảo lớn nhỏ. Nhờ đặc điểm địa hình, biển nƣớc ta thuộc loại giàu hải sản. Đối tƣợng thực phẩm đƣợc lựa chọn cho nghiên cứu trong luận án này là cá thu. Cá Thu là thực phẩm thuộc nhóm thủy hải sản có chất lƣợng thịt thơm ngon, hàm lƣợng dinh dƣỡng cao, có tiềm năng xuất khẩu lớn, trong khi hiện nay chƣa có nghiên cứu nào đầy đủ về chế độ cấp đông. Cá Thu là tên chung áp dụng cho một số loài cá khác nhau chủ yếu là thuộc họ Cá Thu ngừ.[6]. Tên khoa học của nhóm cá này là Mackarel. Chúng sinh sống cả ở các vùng biển nhiệt đới và biển ôn đới. Phần lớn các loại cá Thu sống xa bờ ở môi trƣờng đại dƣơng nhƣng có một số loại sống tƣơng đối gần bờ. Loại cá Thu lớn nhất là Cá Thu Vua (tên khoa học Scomberomorus cavalla) có thể dài tới 1,68 m. Đặc điểm chung của các loại cá Thu là thân dài, thon (khác với cá ngừ đại dƣơng là loài có thân bầu), có nhiều vây nhỏ nằm sau các vây lớn ở lƣng và bụng. Cá Thu là đối tƣợng quan trọng trong ngƣ nghiệp công nghiệp. Thịt của cá Thu dễ hƣ thối, chóng bị phân hủy, nhất là trong môi trƣờng nhiệt đới nóng ẩm, và vì thế có thể gây ngộ độc nếu ăn phải cá ƣơn. Đặc điểm này của cá Thu khiến cho yêu cầu về kỹ thuật cấp đông trở nên rất khắt khe. Đây là một trong những yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn cá Thu là đối tƣợng nghiên cứu của luận án. c b A Hình 1.3: a, b Hình ảnh cá Thu thƣơng phẩm ;c Sản lƣợng đánh bắt cá Thu đến 2010 2 Tổng quan về mô hình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình cấp đông thực phẩm. 1.2.1 Mô hình bài toán truyền nhiệt truyền chất liên hợp trong quá trình cấp đông thực phẩm 1.2.1.1. Mô hình bài toán truyền nhiệt truyền chất tổng quát Quá trình truyền nhiệt và truyền chất bên trong thực phẩm đều là các quá trình không thuận nghịch. Trong khi động lực của quá trình truyền nhiệt là sự chênh lệch nhiệt độ, động lực quá trình khuếch tán vật chất bên trong thực phẩm là sự chênh lệch nồng độ, động lực quá trình khuếch tán trên bề mặt là sự chênh lệch phân áp suất của cấu tử bay hơi. Theo Onsager và Prigorine [19], đối với 1 hệ xảy ra N quá trình dịch chuyển đồng thời, tốc độ tăng entropi của hệ sẽ bằng tổng các tích giữa dòng tổng quát và lực nhiệt động tƣơng ứng trong N quá trình liên hợp đó. N ds   Jk X k d k 1 (1.1) 4 Trong đó, Jk và Xk là dòng tổng quát và lực nhiệt động tƣơng ứng của hiện tƣợng dịch chuyển thứ K. Theo quan điểm của lý thuyết cổ điển về dẫn nhiệt và khuếch tán, mỗi dòng dịch chuyển (dòng nhiệt và dòng vật chất) chỉ có quan hệ riêng lẻ với lực nhiệt động sẽ gây ra sự dịch chuyển đó. Trong quan điểm hiện đại về dịch chuyển liên hợp, dòng dịch chuyển không chỉ gây ra bởi lực nhiệt động tƣơng ứng mà chịu ảnh hƣởng của tất cả các lực nhiệt động liên hợp có trong hệ. Mối quan hệ này đƣợc biểu diễn nhƣ sau. N J i   Lik X k k 1 (1.2) Theo biểu thức này, nếu hiện tƣợng dẫn nhiệt và khuếch tán cùng xuất hiện trong 1 hệ thì dòng nhiệt và dòng vật chất sẽ đƣợc xác định theo các biểu thức 1.3a và 1.3b nhƣ sau[19]. J1  L11 X1  L12 X 2 (1.3a) J 2  L21 X1  L22 X 2 (1.3b) Trong đó, J1, X1 và J2, X2 tƣơng ứng là dòng và lực nhiệt động của hiện tƣợng dẫn nhiệt và khuếch tán. Dựa trên phƣơng pháp thống kê, Onsager đã chứng minh hệ số chéo trong phƣơng trình 1.2 bằng nhau từng đôi một. Với quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán liên hợp, 2 hệ số chéo L12 và L21 sẽ bằng nhau. L12  L21 (1.4) Dựa trên định luật Fourrier về dẫn nhiệt, định luật Fick về khuếch tán vật chất (bỏ qua ảnh hƣởng chéo), Trần Văn Phú [19] đã đƣa ra phƣơng trình dòng tổng quát của quá trình truyền nhiệt truyền chất liên hợp. J1  b111 J 2  b22 2 (1.5) Trong đó: J1, J2 là dòng nhiệt và dòng vật chất; θ1, θ2 là nhiệt độ và nồng độ của vật chất; b11, b22 lần lƣợt là hệ số dẫn nhiệt và hệ số khuếch tán ẩm. Sử dụng phƣơng trình cân bằng vật chất và năng lƣợng riêng rẽ giữa dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm, phƣơng trình tổng quát của quá trình truyền nhiệt truyền chất đƣợc viết nhƣ sau[19]:   t   C  t  DC   q  C  (1.6) Để giải hệ phƣơng trình (1.6) nêu trên, Trần Văn Phú [19] đã đƣa ra một phƣơng pháp giải tích dựa trên đại số Jordan riêng và định lý Sylvester. Phƣơng pháp này có đặc trƣng là đơn giải, sử dụng sự đồng dạng của bài toán dẫn nhiệt và bài toán dẫn ẩm tổng quát. Với cách tiếp cận này, một số các bài toán của quá trình sấy dịu với tốc độ chậm đã đƣợc giải quyết. 5 1.2.1.2. Vấn đề truyền nhiệt truyền chất xảy ra trong quá trình cấp đông Quá trình cấp đông thực phẩm có nhiều đặc trƣng riêng biệt so với các quá trình sấy và xử lý nhiệt khác. Trong quá trình cấp đông xảy ra hiện tƣợng biến đổi pha nƣớc thành băng nhƣng không tồn tại mặt phẳng phân pha theo nghĩa cổ điển mà tồn tại trƣờng của các hạt băng gọi là pha không liên tục, mặc dù hàm lƣợng nƣớc trong thực phẩm thƣờng chiếm tới hơn 70%. Quá trình chuyển pha từ nƣớc sang băng trong thực phẩm diễn ra trong khoảng nhiệt độ rộng bắt đầu từ nhiệt độ điểm đông kéo dài đến gần nhiệt độ không tuyệt đối. Mặt khác do xảy ra quá trình trao đổi nhiệt liên hợp gồm (i) dẫn nhiệt không ổn định trong lòng thực phẩm,(ii) trao đổi nhiệt đối lƣu giữa bề mặt miếng thực phẩm và môi trƣờng làm lạnh, nên trƣờng nhiệt độ của thực phẩm là không đồng đều. Dẫn tới mỗi một phân tố của thực phẩm ở mỗi thời điểm có một nhiệt độ tƣơng ứng với hàm lƣợng băng và tính chất nhiệt vật lý (Cp(T); (T);(T)…) riêng biệt. Vì vậy hệ phƣơng trình (1.6) có tính phi tuyến rõ rệt. Trong đó chỉ riêng việc giải phƣơng trình dẫn nhiệt không ổn định mô tả quá trình truyền nhiệt đã khá phức tạp cho tới nay còn nhiều tồn tại vì không tồn tại một mô hình tính chất nhiệt vật lý vạn năng cho tất cả các loại thực phẩm. Việc giải phƣơng trình truyền chất lại càng phức tạp hơn và cho tới nay các tác giả trên thế giới mới giải đƣợc phƣơng trình trên cho một số loại thực phẩm cụ thể. Lý do chính là các hệ số trong phƣơng trình truyền chất phần lớn chƣa xác định đƣợc do thiếu một lý thuyết và phƣơng pháp xác định hoàn chỉnh. Thêm vào đó quá trình trao đổi chất chỉ diễn ra một cách mãnh liệt trong giai đoạn làm lạnh và tiền đông của thực phẩm, cho tới khi hình thành một lớp băng bao kín miệng ống mao dẫn trên bề mặt thực phẩm. Lớp băng này tạo thành lớp áo cản trở quá trình bay hơi trên bề mặt của thực phẩm. Hơn nữa về mặt bản chất trong quá trình cấp đông, thành phần trao đổi chất đƣợc thể hiện thông qua độ hụt về khối lƣợng của sản phẩm và gián tiếp đóng góp vào dòng nhiệt tổng toả ra từ bề mặt sản phẩm dƣới dạng nhiệt ẩn thăng hoa. Vì những lý do nêu trên, trong các nghiên cứu kinh điển cũng nhƣ cho tới nay bài toán mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt-trao đổi chất trong cấp đông thực phẩm sẽ suy biến về phƣơng trình dẫn nhiệt không ổn định cộng thêm thành phần nhiệt ẩn đánh giá ảnh hƣởng của quá trình trao đổi chất thông qua thành phần nhiệt ẩn toả ra từ thực phẩm trong qua trình cấp đông theo dạng phƣơng trình sau.    T ( x , ) C (T )  (T )   (T )T ( x ,  )   q( x, )  (hi mi )  (1.7) Chính vì vậy hiện nay các mô hình mô phỏng quá trình cấp đông của thực phẩm có thể chia thành hai nhóm(a) sử dụng thuần túy phƣơng trình dẫn nhiệt không ổn định, phi tuyến kết hợp với điều kiện biên để xây dựng mô hình (b) vẫn sử dụng phƣơng trình dẫn nhiệt không ổn định, phi tuyến để mô tả quá trình cấp đông, tuy nhiên có tính đến thành phần nhiệt ẩn, biểu hiện qua độ hao hụt về khối lƣợng của thực phẩm để hiệu chỉnh kết quả mô phỏng. 1.2.1.3. Mô hình truyền chất xảy ra trong quá trình cấp đông Quá trình cấp đông thực phẩm luôn luôn gắn liền với quá trình truyền chất, đây là yếu tố quan trọng ảnh hƣởng trực tiếp đến hao hụt khối lƣợng và chất lƣợng thực phẩm. Mặc dù sự dịch chuyển chất tan cũng xảy ra bên trong thực phẩm cấp đông nhƣng vì quá trình dịch chuyển này rất 6 bé nên ta sẽ chỉ tập trung vào quá trình dịch chuyển nƣớc, đây là quá trình truyền chất mạnh mẽ nhất bên trong thực phẩm. Khi quá trình khuếch tán ẩm xảy ra, dẫn nhiệt không phải là phƣơng thức trao đổi nhiệt duy nhất, nhiệt năng cũng có thể đƣợc truyền đi thông qua việc khuếch tán vật chất. Thành phần này đƣợc biểu diễn thông qua phƣơng trình cân bằng nhiệt viết dƣới dạng entanpi là dạng rút gọn của phƣơng trình (1.7) [72,75]. h  t   hw .mw   (1.8) Trong đó: hw và mw là entanpi và dòng khếch tán của thành phần nƣớc bên trong thực phẩm. Trong phƣơng trình 1.8, tác động cơ học khác nhƣ sự khuếch tán nhờ gradient nhiệt độ (hiệu ứng Soret) và sự khuếch tán nhiệt nhờ gradient nồng độ (hiệu ứng Dufour) hay sự ảnh hƣởng của áp suất, của gia tốc trọng trƣờng đƣợc bỏ qua. Thành phần thứ 2 của vế phải phƣơng trình có thể bỏ qua đối với thực phẩm có dạng đặc do tốc độ khuếch tán chậm. Đối với thực phẩm dạng xốp, dòng khuếch tán bên trong có giá trị lớn, thành phần này ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình trao đổi nhiệt bên trong thực phẩm. Trong các loại thực phẩm đông lạnh dạng đặc nhƣ thịt hay cá, nƣớc bốc hơi từ bề mặt thực phẩm và đƣợc bổ sung bởi nƣớc khuếch tán từ bên trong ra phía bề mặt cho đến khi đóng băng xảy ra. Sau khi quá trình đông đặc xảy ra, nƣớc pha rắn sẽ thăng hoa trở thành hơi nƣớc ngay trên bề mặt thực phẩm. Hiện tƣợng chuyển khối chỉ xảy ra trong 1 lớp mỏng ngay trên bề mặt thực phẩm, điều này hoàn toàn trái ngƣợc với quá trình truyền nhiệt xảy ra trong cả khối thực phẩm. Trong quá trình cấp đông thực phẩm xốp nhƣ bánh mì hay bột, quá trình trao đổi chất tiếp tục diễn ra ngay cả khi nhiệt độ đã xuống dƣới nhiệt độ kết đông. Đối với mỗi loại thực phẩm, ta cần sử dụng những loại mô hình khác nhau. Quá trình trao đổi chất trong thực phẩm đặc Nhƣ đã thảo luận, lƣợng nƣớc bên trong thực phẩm có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau: hơi, chất lỏng tự do, và một số dạng chất lỏng liên kết hóa lý, mỗi dạng này lại có tốc độ khuếch tán khác nhau. Tuy nhiên, quá trình này thƣờng đƣợc giả thiết là quá trình khuếch tán 1 pha, tuân theo phƣơng trình 1.9 với hệ số khuếch tán hiệu dụng Dw. Phƣơng trình này có dạng tƣơng tự phƣơng trình truyền nhiệt và do vậy có thể áp dụng các phƣơng pháp giải tƣơng tự nhƣ phƣơng trình truyền nhiệt. Đối với dạng thực phẩm đặc, tốc độ khuếch tán ẩm là rất chậm và ảnh hƣởng của nó đến quá trình truyền nhiệt bên trong thực phẩm có thể đƣợc bỏ qua. Tuy nhiên, quá trình trao đổi hơi ẩm trên bề mặt của thực phẩm là đáng kể và cần phải đƣợc xem xét, đánh giá. Vấn đề cần đƣợc xem xét ở đây là sự thay đổi của điều kiện biên và độ chênh lệch phân áp suất, nhiệt độ bề mặt đến sự ảnh hƣởng của khuếch tán ẩm tới truyền nhiệt. Trƣớc khi bề mặt bị đóng băng, tốc độ nƣớc trên bề mặt bốc hơi t lệ thuận với hiệu phân áp suất tại bề mặt và trong môi trƣờng của hơi nƣớc (Ps – Pa). Phân áp suất của hơi nƣớc tại bề mặt Ps lại là hàm phi tuyến của nhiệt độ và hàm lƣợng nƣớc tại bề mặt. Do vậy khi áp dụng phƣơng pháp số giải bài toán truyền chất sử dụng sơ đồ hiện, phân áp suất bề mặt Ps đƣợc coi là tuyến tính xung quanh nhiệt độ và độ ẩm đang xét, hoặc sử dụng phƣơng pháp lặp để tính toán cho tất cả các bƣớc thời gian. Do sự khác biệt lớn giữa tốc độ khuyếch tán nhiệt và tốc độ khuếch tán ẩm trong thực phẩm đặc, sau khi quá trình đóng băng đƣợc hoàn thành, sự thay đổi về độ ẩm chỉ xảy ra trên một 7