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

Không những thế việc thiếu nghiên cứu một cách có hệ thống về quá trình cấp đông cá da trơn, đặc biệt là nghiên cứu về tính chất nhiệt vật lý của đối tượng cũng như ảnh hưởng của các thô

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về công nghệ làm lạnh và cấp đông cá da trơn

1.1.1 Hiện trạng sản xuất thủy sản của Việt Nam

Công nghiệp chế biến thủy sản của Việt Nam rất đa dạng và khác nhau về mặt vận hành và trình độ sản xuất Trong đó một số lĩnh vực chế biến của ngành rất phụ thuộc vào mùa vụ của nguyên liệu Hơn nữa công nghệ chế biến thủy sản xuất khẩu của Việt Nam từ nhiều năm nay vẫn chưa thoát khỏi tình trạng xuất khẩu nguyên liệu thô hoặc cao hơn là dạng bán thành phẩm Ngoài ra vẫn còn nhiều mặt hàng thủy sản được bán qua khách hàng trung gian nên kim ngạch xuất khẩu chưa cao so với năng lực sản xuất Hơn nữa tổn thất sau thu hoạch trong khâu chế biến, bảo quản và vận chuyển thủy sản là trên 20% là tỉ lệ cao so với các nước trong khu vực

Sản phẩm thủy sản rất đa dạng và phong phú tập trung vào các dạng chính đó là

đông lạnh, đồ hộp, khô, muối, nước mắm Trong đó, thủy sản lạnh đông chiếm tỷ trọng lớn

nhất trong sản phẩm xuất khẩu của Việt Nam [1-3,15]

Nguyên liệu thủy sản được vận chuyển từ ngư trường về xí nghiệp, tại đó nó được

xử lý bằng cách tách bỏ nội tạng, mang, vây, vảy …làm sạch và rửa, tùy theo yêu cầu của mỗi sản phẩm mà có các cách thức xử lý khác nhau Xử lý nhằm loại bỏ những phần có giá trị thấp, những phần không ăn được, tạo ra các dạng của sản phẩm Đối với sản phẩm đông lạnh, thì bán thành phẩm sau xử lý được đưa đi cấp đông ở nhiệt độ -40 ÷ -42oC và trữ

C[1-3,15] Tuy nhiên, công nghệ chế biến sản phẩm thủy sản của Khu vực đồng bằng sông Cửu Long chủ yếu mang tính thủ công, chỉ sử dụng một số máy móc thiết bị ở một vài công đoạn như cấp đông trong tủ cấp đông (đối với sản phẩm đông lạnh),

đóng hộp và tiệt trùng (sản phẩm đồ hộp), sấy, cán, xé…(sản phẩm khô), bao gói hút chân

không…

Tính tới thời điểm hiện 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 xem hình 1.1 và hình 1.2 Trong vòng 10 năm qua, sản lượng cá tracủa Việt Nam đã tăng 50 lần, giá trị xuất khẩu tăng 65% lần và hiện đang chiếm tới 90% thị phần thế giới [1-3,15]

Hình 1.2 Tình hình xuất khẩu cá tra từ năm 2009 đến ngày 15/6/2013[1-3]

Ở nước ta khu vực sản xuất cá da trơn là đồng bằng sông Cửu Long xuất khẩu sản

phẩm cá tra đem lại nguồn thu to lớn và quan trọng cho đất nước bởi vậy duy trì và phát triển bền vững nguồn lợi từ xuất khẩu cá da trơn là rất quan trọng

1.1.2 Quy trình công nghệ chế biến và bảo quản đông lạnh cá da trơn tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long - Việt nam

Theo [15] quy trình công nghệ chế biến và bảo quản cá fillet được trình bày trên hình 1.3 Tùy theo đặc điểm của sản phẩm chế biến và năng lực của nhà máy mà chủng loại và số lượng trang thiết bị chế biến được các doanh nghiệp trang bị tương đối khá đầy

đủ, đảm bảo cho chế biến chủ yếu bao gồm: Thiết bị cấp đông chính như tủ đông tiếp xúc,

tủ đông gió, tủ đông IQF dạng thẳng, tủ đông IQF dạng xoắn, hầm đông gió.Thiết bị chế biến như máy phân cỡ, thiết bị hấp, luộc, máy rửa nguyên liệu, máy sấy, máy xay, máy cắt, máy trộn, thiết bị chiên, thiết bị đóng gói, máy dò kim loại.Tùy qui mô của mỗi doanh nghiệp mà có trang bị các kho lạnh để bảo quản nguyên liệu, bán thành phẩm và thành phẩm lạnh Đồng thời phân xưởng sản xuất nước đá cây hoặc thiết bị làm nước đá vảy cũng được lắp đặt phục vụ cho việc bảo quản lạnh thủy sản trong suốt quá trình sản xuất Các máy móc thiết bị chế biến được sử dụng trên địa bàn khu vực nam bộ có nguồn gốc rất

đa dạng như Việt Nam, Nhật (Mycom, Mitsubishi, Nissui, Hitachi, Nikka ), Đức

(Gunner, Komet), Hà Lan (Grasso),Mỹ (Bally), Đan Mạch (Sabroe), Thụy Điển, Canada (Sandvik), Đài Loan (Sangchi, Mingjia, Cheafen), Malaysia, Bỉ (Isocab), Ý, Indonesia, Singapore(Marisco), Thái Lan, Pháp… trong đó thiết bị xuất xứ từ Nhật chiếm nhiều hơn

cả [15]

Mặc dù quy trình chế biến cá có một vài khác biệt trong quy trình chế biến tùy thuộc vào loại cá ở mức độ ”khâu” công nghệ Nhưng nhìn chung quy trình chế biến cá da trơn đều có rất nhiều sự tương đồng với nhau về thiết bị và công nghệ được thể hiện như sau ở hình 1.3 Trong đó cá da trơn thường được chế biến thành các miếng fillet, sau đó

được cấp đông bằng hệ thống cấp đông rời dạng IQF Ở một vài xí nghiệp chế biến thủy

sản đông lạnh tủ cấp đông tiếp xúc (CF) cũng được dùng để cấp đông bánh fillet cá da trơn Đối với phương pháp này các miếng fillet được xếp vào các khay nhôm, sau đó được châm nước và đưa vào cấp đông trong tủ đông tiếp xúc Tuy nhiên phương pháp cấp đông này có nhược điểm là hàm lượng nước trong bánh cá cao, chất lượng sản phẩm không cao cũng như khi tiêu thụ phải rã đông cả bánh cá vì thế loại sản phẩm này không thể xuất

được vào các thị trường khó tính Do vậy phương pháp cấp đông bằng tủ tiếp xúc hiện nay được dùng hết sức hạn chế

Mặt khác trong cơ cấu thành phần cá da trơn của Việt Nam dành cho xuất khẩu, cá tra chiếm tới khoảng 90%, phần còn lại là cá basa

Vì lý do nêu trên, trong khuôn khổ luận án này, đối tượng nghiên cứu là quá trình cấp đông cá tra bằng các thiết bị cấp đông rời dạng IQF

Hình 1.3 Quy trình công nghệ chế biến và bảo quản tôm và cá fillet[15]

1.1.3 Tiêu hao năng lượng trong chế biến cá da trơn

Điện năng là năng lượng tiêu thụ chính trong các nhà máy chế biến cá da trơn tại

khu vực đồng bằng sông cửu long, theo thống kê tại các nhà máy chế biến, suất tiêu thụ

điện năng để chế biến 1kg các da trơn từ nguyên liệu đến thành phẩm dao động từ 0.4 đến

0,45 kWh/kgSP Số liệu này tính trung bình chung, tuy nhiên giá trị này rất biến động tùy thuộc và sản lượng nguyên liệu cung cấp cho nhà máy Cụ thể tiêu hao điện năng điển hình của thiết bị trong nhà máy chế biến được trình bày trên hình 1.4 [15]

Hình 1.4 Tỷ lệ tiêu thụ điện năng điển hình của các thiết bị tiêu thụ điện tại các nhà máy

[15]

Theo thống kê về suất tiêu hao năng lượng [18],[50],[51],[60],[61],[97] đánh giá suất tiêu hao năng lượng trong chế biến thủy sản giữa Việt nam, các nước đang phát triển

và các nước phát triển như sau:

T ỷ lệ của các hộ theo tiêu thụ điên

Thiết bị 96%

Kho lạnh 10%

Máy điều hòa 5%

Tủ cấp đông 30%

Băng chuyền 27%

Máy đá vảy 22%

Tháp gi ả i nhi ệ t và các thi ế t b ị đ i kèm

h ệ th ố ng máy nén 9.39%

Qu ạ t dàn l ạ nh 2.50%

Tr ạ m b ơ m c ấ p

n ướ c+ x ử lý n ướ c 5.66%

Chi ế u sáng 5.94% Các thi ế t b ị khác 1.57%

Máy l ạ nh dân d ụ ng, máy tính 2.08%

Máy nén 72.86%

Bảng 1.1 Tiêu hao năng lượng trong chế biến thủy sản

Stt Ngành Loại SP Suất tiêu

hao điện Đơn vị Suất tiêu hao NL Đơn vị

Suất tiêu hao năng lượng trung bình các nước trên thế giới (MJ/tấn SP)

Tỷ lệ chênh lệch suất tiêu hao năng lượng giữa VN

và thế giới(%)

Từ các số liệu ở trên chúng ta thấy rằng để đảo bảo khả năng cạnh tranh sản phẩm thủy hải sản đông lạnh nói chung và cá da trơn nói riêng việc giảm tiêu hao năng lượng trong quá trình chế biến và bảo quản sản phẩm thủy hải sản đông lạnh là vấn đề cấp thiết,

đặc biệt là trong giai đoạn làm lạnh và cấp đông trong giai đoạn này năng lượng sử dụng

chiếm trên 70%

1.1.4 Hao hụt sản phẩm trong quá trình cấp đông

Đối với sản phẩm thủy hải sản trong quá trình đông lạnh, đặc biệt là các sản phẩm

có giá trị kinh tế cao hao hụt khối lượng trong quá trình cấp đông ảnh hưởng rất lớn đến giá thành sản phẩm Hao hụt khối lượng sản phẩm trong cấp đông do bốc hơi nước từ bề mặt sản phẩm vào không khí do có sự chênh lệch của áp suất riêng phần của hơi nước trong quá trình cấp đông

Đối với công nghệ cấp đông cá da trơn bằng IQF độ hao hụt khối lượng sản phẩm

tỷ lệ với diện tích bề mặt sản phẩm và thời gian cấp đông Khi tiết diện bề mặt sản phẩm càng lớn thì độ hao hụt càng lớn Ảnh hưởng của thời gian cấp đông đến độ hao hụt khối lượng sản phẩm cấp đông được thể hiện trên đồ thị sau:

0,5 1,0

0

Hình 1.5 Ảnh hưởng của thời gian cấp đông đến hao hụt khối lượng

Tuy nhiên trên thực tế trong công nghệ làm lạnh và cấp đông cá da trơn, sản phẩm sau khi cấp đông được mạ băng trước khi đóng gói, do đó ảnh hưởng hao hụt khối lượng trong khuôn khổ nghiên cứu này có thể bỏ qua

1.1.5 Xác định 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 Thường trong một ca sản xuất, bộ phận kiểm tra chất lượng sẽ kiểm tra định kỳ, thông thường từ 2 hay 3 tiếng đồng hồ kiểm tra một lần

bằng cách khoan miếng cá sau cấp đông tại vị trí dày nhất đến tâm và đo nhiệt độ tại vị trí này (hình 1.6) Còn công nhân vận hành thiết bị cấp đông (IQF) sẽ kiểm tra bằng cách gõ 2 miếng cá lại với nhau, nếu cá cứng không mềm, hay lật miếng cá lên, nếu ở dưới màu trắng, không còn đường nước ở trong miếng cá là đạt Nếu cá chưa đạt hay quá già (dư

đạt), họ sẽ tăng hay giảm tốc độ của băng chuyền bằng biến tần Đồng thời trên tủ điều

khiển của IQF có thiết bị hiển thị thời gian cấp đông (bằng phút) [15]

Hình 1.6 Đo nhiệt độ của cá sau cấp đông [15]

Hạn chế của phương pháp nêu trên, là miếng cá thường có hình dạng hình học phi tiêu chuẩn, do đó việc xác định chính xác tâm của miếng cá là không khả thi Đồng thời

định nghĩa tâm cũng không rõ ràng là tâm thấm nhiệt hay là tâm hình học Do đó kết quả

xác định thời gian cấp đông là hoàn toàn chủ quan phụ thuộc vào người thực hiện và kinh nghiệm của họ Việc này ảnh hưởng không nhỏ tới chất lượng sản phẩm và tiêu hao năng lượng cho quá trình cấp đông sản phẩm Do đó cần thiết phải có những nghiên cứu để dự

đoán thời gian cấp đông của sản phẩm chính xác hơn

1.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng cấp đông cá

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 Tốc độ càng nhanh, thời gian cấp đông càng ngắn thì chất lượng sản phẩm càng tốt và thời gian bảo quản càng được kéo dài Tuy nhiên để thực hiện được điều này, nhiệt độ môi trường cấp đông phải rất thấp, tốc độ gió cao, dẫn tới công suất điện tiêu thụ của hệ thống lạnh tăng lên, hiệu suất năng lượng giảm đi, giá thành sản phẩm tăng cao Do đó, việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số môi trường cấp

đông là nhiệt độ và tốc độ gió có ý nghĩa rất quan trọng trong việc kiểm soát chất lượng

sản phẩm và tiêu hao năng lượng trong quá trình làm lạnh và cấp đông

Trên thực tế sản xuất nghiên cứu vấn đề này bằng thực nghiệm là hết sức khó khăn

và thậm chí là bất khả thi, do chiều dài buồng cấp đông lớn và có cấu trúc đóng kín với trường nhiệt độ và tốc độ là thông số rải, không cho phép chúng ta đo đạc trực tiếp khi thiết bị đang vận hành Hơn nữa cần thiết phải thực hiện một khối lượng thí nghiệm không

hề nhỏ để có thể giải quyết vấn đề trên, đòi hỏi chi phí rất lớn Do vậy giải pháp tốt nhất là xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh và cấp đông cá da trơn để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông của môi trường cấp đông Mô hình này cho phép chúng ta xác định

các thông số (1) thời gian cấp đông, (2) trường nhiệt độ của thực phẩm

1.1.7 Kết luận

Cá da trơn là nguồn lợi thủy sản lớn của Việt Nam với tổng kim ngạch xuất khẩu

đạt gần hai tỉ USD trong thời gian gần đây Trong đó cá tra chiếm chủ đạo tới khoảng 90%

Tuy nhiên việc phát triển xuất khẩu mặt hàng cá da trơn đông lạnh đang gặp nhiều thách thức Trong đó thách thức lớn là chất lượng chế biến chưa cao do công nghệ cấp đông chưa hợp lý với tỷ lệ tổn thất sản phẩm sau thu hoạch khá cao khoảng 20%

Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này là công nghệ cấp đông

cá da trơn chưa được nghiên cứu một cách chặt chẽ có hệ thống Trong hơn hai mươi năm qua tuy sản lượng xuất khẩu cá da trơn tăng trưởng vượt bậc, trang thiết bị cấp đông của

các nhà máy được đầu tư khá hiện đại, nhưng công nghệ cấp đông vẫn chỉ dựa trên kinh nghiệm thực tế và mỗi nhà máy lại có quy trình riêng không giống nhau Do đó dẫn tới chất lượng sản phẩm cấp đông không ổn định, độ hao hụt lớn, suất tiêu hao năng lượng cao, giảm tính cạnh tranh của mặt hàng này trên thị trường xuất khẩu

Không những thế việc thiếu nghiên cứu một cách có hệ thống về quá trình cấp đông

cá da trơn, đặc biệt là nghiên cứu về tính chất nhiệt vật lý của đối tượng cũng như ảnh hưởng của các thông số chính của môi trường làm lạnh tới kết quả cấp đông dẫn tới việc thiết kế lắp đặt, vận hành, hệ thống cấp đông chưa thật hợp lý với suất tiêu hao năng lượng cao, trong khi chất lượng sản phẩm khó kiểm soát được

Trong khi đó việc nâng cao chất lượng chế biến các loại hải sản sau thu hoạch nói chung và cá da trơn nói riêng, đang được đặt ra như một thách thức đối với nước ta Điều này đã được cụ thể hóa trong Nghị Quyết 48/ NQ-CP ngày 23/9/2009[5] 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 Vì đây là chìa khóa giải quyết vấn đề an ninh lương thực, đồng thời góp phần giảm ô nhiễm và hủy hoại môi trường thiên nhiên, đảm bảo sự phát triển bền vững của nông nghiệp nước ta

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 [5] 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

1.2.1 Vai trò của việc nghiên cứu mô phỏng quá trình lạnh đông

Trong quá trình làm lạnh hay cấp đông rất quan trọng: (1) dự đoán được thời gian

cấp đông, (2) trường nhiệt độ của thực phẩm theo thời gian Giải quyết được vấn đề (1)

giúp giải quyết bài toán nâng cao chất lượng chế biến, giải quyết được vấn đề (2) cho phép thiết kế, chọn lựa hệ thống lạnh hợp lý (bài toán tiết kiệm năng lượng) Muốn dự

đoán được các thông số trên và đánh giá chất lượng quá trình chế biến lạnh trong điều kiện

thực nghiệm không phải bao giờ cũng thực hiện được, cùng với với sự đa dạng về đối tượng cấp đông và thiết bị trong thực tế sản xuất Rất cần thiết phải kết hợp lý thuyết - thực nghiệm xây dựng được mô hình làm lạnh, cấp đông cho thực phẩm Đây là vấn đề được quan tâm cả ở trong và ngoài nước từ mấy chục năm trở lại đây

1.2.2 Thực trạng của việc nghiên cứu mô phỏng quá trình lạnh đông

Cho tới nay đã có hàng chục dạng mô hình dùng để mô phỏng quá trình cấp đông thực phẩm được đưa ra sử dụng trong và ngoài nước Tuy nhiên về bản chất các mô hình này đều dựa trên cơ sở giải hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt phi tuyến kết hợp với điều kiện biên cho thực phẩm ở môi trường cấp đông Phương trình vi phân dẫn nhiệt tổng quát viết cho một phân tố của vật thể được cấp đông có dạng như sau:

),rq)]

,rgradT)

T([div),rT)T()T(

C(T)- nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, kJ/kg.K

ρ(T)- khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, kg/m3

λ(T)- hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, W/m.K

qv(r, τ)- nguồn nhiệt trong, sinh ra do sự chuyển pha của nước phụ thuộc vào tọa độ của phân tố và thời gian τ, W/m3

T(r, τ)- nhiệt độ của phân tố phụ thuộc vào tọa độ và thời gian, K

Phương trình dạng (1.1) lần đầu tiên do Stefan đề xuất năm 1889 khi nghiên cứu quá trình đóng băng của lớp nước Phương trình trên là phương trình viết cho một phân tố của đối tượng được cấp đông Kết hợp các phân tố lại với nhau ta sẽ có hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt, mô tả quá trình dẫn nhiệt không ổn định bên trong vật thể được cấp đông Tại bề mặt của vật thể bài toán dẫn nhiệt của chúng ta sẽ kết hợp với các điều kiện biên xác

định bản chất quá trình trao đổi nhiệt ở bề mặt của vật thể được cấp đông với môi trường

cấp đông

Điều kiện biên: Trong bài toán làm lạnh và cấp đông thực phẩm, chủ yếu gặp điều

kiện biên loại 3 hoặc điều kiện biên liên hợp (điều kiện biên loại 4)

Điều kiện biên loại 3 đặc trưng cho trường hợp bề mặt thực phẩm tiếp xúc trực tiếp với

môi trường làm lạnh và quy luật truyền nhiệt giữa bề mặt và môi trường đã biết trước

n

T -λ = α T(x ,τ)-T (τ) n

Đối với cá da trơn hiện nay chủ yếu là dùng công nghệ cấp đông rời bằng thiết bị

cấp đông dạng IQF Do đó điều kiện biên trong khuôn khổ luận án này được hiểu là điều kiện biên loại 3, có tính đối xứng

Như vậy, có thể nói bản chất mô hình toán học mô tả quá trình cấp đông của thực phẩm chính là sự liên hợp của hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt không ổn định trong vật thể và phương trình trao đổi nhiệt mô tả điều kiện biên ở bề mặt của vật thể Điều kiện ban đầu của hệ phương trình vi phân là trường nhiệt độ trong lòng thực phẩm đồng đều nhau và bằng nhiệt độ môi trường không khí

đột ngột lân cận điểm đóng băng, dẫn đến những phương trình vi phân từng phần có độ phi

tuyến cao, rất phức tạp để giải Đối với những vật thể có hình dạng phức tạp như thực phẩm, quá trình đóng băng càng khó dự đoán Lạnh đông trong thực tế bao gồm một vài hiện tượng vật lý diễn ra đồng thời: truyền nhiệt, truyền chất, sự lớn lên của mầm tinh thể, thay đổi thể tích, căng cơ học và các ứng suất

Các cách tiếp cận khác nhau để giải quyết hệ phương trình vi phân dạng (1.1) sẽ cho các dạng mô hình mô phỏng khác nhau của quá trình cấp đông thực phẩm với độ chính xác khác nhau Như đã trình bày ở trên các dạng mô hình này rất đa dạng, tuy nhiên nhìn chung có thể chia làm hai dạng chính liên quan tới phương pháp giải quyết bài toán nêu trên (1) các lời giải dựa trên phương pháp giải tích, (2) các lời giải dựa trên phương pháp

số Dưới đây chúng ta sẽ khảo sát chi tiết từng phương pháp

1.2.3 Phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích dựa trên giả thuyết quá trình chuyển pha là lý tưởng, sự chuyển pha và giải phóng nhiệt ẩn đóng băng diễn ra ở nhiệt độ điểm băng không đổi, thường được ký hiệu là Tf, đồng thời tồn tại bề mặt phân pha giữa vùng đóng băng và vùng chưa đóng băng Bỏ qua thành phần nhiệt hiện giải phóng trong quá trình kết đông, thông

số nhiệt vật lý được xem là hằng số, thực phẩm được xem là dung dịch đồng chất và đẳng hướng Kết quả nhận được bằng cách giải mô hình 1.1a trong hai vùng tương ứng với cùng

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 cho thời gian cấp đông, τPlank, tìm được khi bề mặt phân pha đạt tới tâm sản phẩm

2 f

đông bằng dạng nghiệm thuần túy của Plank cho thực phẩm có sự sai lệch rất lớn trong

thực tế, đặc biệt với các loại thực phẩm có cấu trúc phức tạp, có dạng hình học phi tiêu chuẩn sai số lên đến 50% khi dự đoán thời gian cấp đông

Khắc phục các nhược điểm trên các tác giả trong các công trình 44,80-88] đã cải tiến mô hình do R Plank đề xuất, bằng cách đưa thêm một số hệ số hiệu chỉnh Chẳng hạn Phạm (1986a) mở rộng cho những vật có hình dáng tiêu chẩn khác (hình trụ hữu hạn, thanh hình chữ nhật dài vô hạn…) bằng cách sử dụng hệ số hình học E như sau:E=1 đối với tấm phẳng, E=2 với hình trụ dài vô hạn, E=3 với hình cầu Đối với những vật có hình dáng xác định nhiều chiều (thanh hình chữ nhật dài vô hạn, hình trụ hữu hạn…), biểu thức giải tích cho hệ số E cho dưới dạng chuỗi vô hạn (McNabb, 1990a, 1990b)[69-70] và đồ thị (Hossain, 1992a) [71].Nhìn chung các hệ số này được xác định bằng phương pháp hồi quy từ số liệu thực nghiệm cho trước [19-22, 62-63,106-108 ] Bảng 1.3 trình bày tổng hợp các dạng công thức tính toán thời gian cấp đông là biến thể của dạng nghiệm của phương trình Plank (1.2)

[23-30,35-37,40-Bảng 1.3 Tổng hợp các mô hình xác định thời gian cấp đông điển hình

2 f

F pi V F i pu i i 2

c f F

' f

− +

− +

− ρ

∆

= τ

ρ

=

+

f ref f i

ste pk

N 1727 , 0 Bi N 0017 , 0

0550 , 0 ste

9576 , 0 ste ste Bi i

2 pi f

tt

ttlnN65,1110

NN

125,0NN

5,0E

aC3179,1t

;4

N1T

HT

H2

2 2 1

1 slab  + 

∆

∆α

ρ

=τ

E

phang tam batky

τ

= τ

=βπ

=ββ+β

++β+β

++

=

3 1

2 2 1 Bi

2 2 2 Bi Bi

1 2 1 Bi

R34

V

;R

A

;

N2N

21

N2N

211E

Giả thiết quá trình chuyển pha là lý tưởng, sự chuyển pha và giải phóng nhiệt ẩn

đóng băng diễn ra ở nhiệt độ điểm băng không đổi đồng thời tồn tại bề mặt phân pha giữa

vùng đóng băng và vùng chưa đóng băng là không đúng Vì trong khi thực tế trong quá trình kết đông diễn ra ở nhiệt độ thay đổi do sự phát triển của mầm tinh thể băng và không tồn tại bề mặt phân pha

Do đó 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 tra là giải phương trình dạng (1.1) bằng phương pháp số

1.2.4 Phương pháp số giải hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt

Bản chất phương pháp số để giải hệ phương trình (1.1) bao gồm hai bước: rời rạc hóa các miền liên tục để thu được một bộ phương trình vi phân thường (ODE) tương ứng với các nút nhiệt độ, sau đó giải bộ phương trình ODE bằng cách chuyển phương trình vi phân về phương trình đại số tuyến tính qua phép xấp xỉ sai phân Bộ phương trình vi phân thường có thể viết dưới dạng ma trận như sau:

Trong đó T là vectơ các nút nhiệt độ, C là ma trận nhiệt dung (bao gồm nhiệt dung

riêng c), λ là ma trận dẫn nhiệt (bao gồm hệ số dẫn nhiệt λ), f là ma trận nguồn nhiệt (bao

gồm nguồn nhiệt bên trong và dòng nhiệt từ biên) Dạng chính xác của hệ phương trình dạng (1.3) phụ thuộc vào phương pháp rời rạc hóa được sử dụng Hiện nay có 3 phương pháp rời rạc hóa thông dụng là: sai phân hữu hạn (FDM), phần tử hữu hạn (FEM) và thể tích hữu hạn (FVM)

- Phương pháp Sai phân hữu hạn (SPHH) là phương pháp số tương đối đơn giản và

ổn định Nội dung của phương pháp này là biến đổi một cách gần đúng các đạo hàm riêng

của phương trình vi phân chủ đạo thành sai phân, tức là tỉ số của các số gia tương ứng Bằng cách dùng các họ đường song song với các trục toạ độ để tạo thành một mạng lưới chia miền nghiệm trong vật thể thành một số hữu hạn các điểm nút, rồi xác định nhiệt độ của phần tử tại các nút đó thay cho việc tính nhiệt độ trên toàn miền Như vậy phương pháp SPHH đã xấp xỉ các phương trình vi phân đạo hàm riêng thành các phương trình đại

số Kết quả thiết lập được hệ phương trình đại số gồm n phương trình tương ứng với giá trị nhiệt độ của n nút cần tìm

Mức độ chính xác của nghiệm trong phương pháp SPHH có thể được cải thiện nhờ việc tăng số điểm nút Phương pháp SPHH rất hữu hiệu trong việc giải nhiều bài toán truyền nhiệt phức tạp mà phương pháp giải tích gặp khó khăn Tuy nhiên khi gặp phải vật thể có hình dạng bất quy tắc hoặc điều kiện biên giới bất thường, phương pháp SPHH cũng

có thể khó sử dụng

Theo phương pháp SPHH, nhiệt độ tại các điểm nút được xác định như sau:

- Từ phương trình vi phân dẫn nhiệt, chuyển về phương trình ma trận đặc trưng:

+

− ρ

j , 1 i j , i j , 1 i p

j , i 1 p j , i

y

T T 2 T x

T T 2 T C t

T T

(1.4)

Nhiệt độ các điểm nút (i,j) được xác định từ lời giải 2 sơ đồ sau:

- Sơ đồ hiện (sai phân tiến)

p j 2

p 1 j

p j

p 1 j 2

p j 1 i

p j

p j 1 i 1

p

y

TT2T

x

TT2Tt.C

∆

+

−

∆ρ

λ

+

(1.5) -Sơ đồ ẩn (sai phân lùi)

1 p j 2

1 p 1 j 1 p j 1

p 1 j 2

1 p j 1 i 1 p j 1

p j 1 i p

y

TT2Tx

TT2Tt.C

+ + +

+

−

+ + + +

∆

+

−

∆ρ

λ

- 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) Trong tính nhiệt, phương pháp TTHH dựa trên cơ sở cân bằng năng lượng của phân tố thể tích Phương pháp thể tích hữu hạn tập trung vào điểm giữa phân tố thể tíchtương tự như phương pháp SPHH (Malanvà cộng sự 2002)

Nhiệt độ tại các điểm nút được xác định tương tự phương pháp sai phân hữu hạn, bằng cách rời rạc phương trình ma trận đặc trưng theo thời gian ứng với thời gian p (sai phân lùi) hoặc p+1 (sai phân tiến), cụ thể như sau Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, tại tất

cả các phân tố cũng như trong toàn vật thể ta có:

Ω

T

ρc - λ T - q dΩ = 0 τ

i

m m Ω

T T

N i

ij j j=1

Với Bij là hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp các phân tố thể tích

Tổng hợp các phương trình tại điểm nút ta sẽ thu được phương trình ma trận có dạng 1.11

=

∂

∂ ρ

δ

=

n 1

i ij j

i

V q T B t

T c

- 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

Cơ sở của phương pháp này là rời rạc miền nghiệm liên tục và phức tạp của bài toán thành các miền con gọi là các phần tử hữu hạn Tuỳ theo yêu cầu của bài toán mà các miền con tức các phần tử hữu hạn này có cấu trúc khác nhau, tinh xảo và liên kết với nhau bởi các nút Việc tìm lời giải chính xác của bài toán được thay thế bằng việc tìm dạng gần đúng tại các nút thông qua hàm xấp xỉ trên từng phần tử Hàm xấp xỉ được gọi là phương trình đặc

trưng của phần tử, có thể được xác định bằng phương pháp biến phân, hoặc phương pháp

số dư trọng số

Theo phương pháp PTHH, nhiệt độ tại các điểm nút được xác định như sau:

- Từ phương trình vi phân dẫn nhiệt, chuyển về phương trình ma trận đặc trưng:

T

dV N N ρ.c

1 T

1 C f T

K C

T K 0,5 C T

K 0,5

τ τ

Tóm lại phương pháp số về nguyên tắc có thể cho lời giải với độ chính xác yêu cầu trong trường hợp tổng quát, mặc dù vậy trong thực tế độ chính xác của chúng bị giới hạn bởi các thông số đầu vào (tính chất nhiệt vật lý, kích thước hình học và thành phần cấu tạo của thực phẩm)

Đối với bài toán mô phỏng quá trình cấp đông của cá da trơn (tra) bằng hệ phương

trình vi phân phi tuyến đạo hàm riêng kết hợp với điều kiện biên có dạng hệ phương trình (1.1), áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải là thích hợp hơn cả Trong khuôn khổ luận án này chúng ta sẽ áp dụng phương pháp trên để xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cấp đông của cá da trơn

Ở trên chúng ta đã xem xét tới các phương pháp để giải hệ phương trình vi phân phi

tuyến dạng (1.1) Tuy nhiên trong hệ phương trình trên các hệ số đặc trưng cho tính chất nhiệt vật lý của cá da trơn (tra) như nhiệt dung riêng (C), khối lượng riêng (ρ), hệ số dẫn nhiệt (λ), hàm lượng nước đóng băng (ω) phụ thuộc vào nhiệt độ Do điều quan trọng không kém để xây dựng được mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh và cấp đông cá da trơn

là phải xây dựng được mô hình tính chất nhiệt vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ trong dải rộng

Mô hình này sẽ quyết định tính chính xác cũng như phạm vi ứng dụng của mô hình cấp

đông cá da trơn

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 (1.1) cần thiết phải xây dựng mô hình tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ Trong đó, thông số nhiệt vật lý đóng vai trò là các hệ số trong mô hình toán học quyết định rất lớn đến tính chính xác của mô hình

Tuy nhiên cho đến nay đa phần các mô hình nhiệt vật lý sử dụng trong mô phỏng quá trình làm lạnh cấp đông chỉ dừng lại ở mức độ đơn giản: thông số nhiệt vật lý là không

đổi trong vùng trên điểm băng và dưới điểm băng hoặc là các công thức thưc nghiệm

không phản ánh bản chất vật lý của thực phẩn với phạm vi áp dụng hạn chế Điều này là do (1) mô hình mô phỏng quá trình lạnh đông bằng phương pháp giải tích và công thức thực nghiệm chỉ yêu cầu mô hình nhiệt vật lý đơn giản hoặc không đầy đủ (phương trình xác

định thời gian lạnh đông của Plank, [92], các công thức thực nghiệm của Phạm [82-90],

Clealand & Earle[19-24], Salvadori & Mascheroni [93]), (2) một số mô hình phương pháp

số không có khả năng giải cho những mô hình nhiệt vật lý phức tạp, tính chất nhiệt vật lý

là hàm của nhiệt độ và thành phần thực phẩm – bài toán dẫn nhiệt phi tuyến (mô hình của Zengfu Wang, Han Wu, Guanghua Zhao, Xiaojun Liao, Fang Chen, Jihong Wu, Xiaosong

Hu, 2007)

Tocci, A.M & Mascheroni, R.H (1995)[79] trong một nghiên cứu về mô hình xác

đinh thời gian lạnh đông thịt bò băm viên sử dụng 3 mô hình nhiệt vật lý khác nhau của

Sanz (1989), Cleland & Earle (1984) và Cleland & Earle (1986) đã chỉ ra rằng: (a) dữ liệu

về tính chất nhiệt vật lý phù hợp là chìa khóa đạt được độ chính xác trong mô hình dự đoán thời gian lạnh đông, (b) tính chất nhiệt vật lý phải kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ và thành phần thực phẩm, (c) mỗi một mô hình mô phỏng được phát triển dựa trên một mô hình nhiệt vật lý nhất định và kết quả dự đoán sẽ chính xác hơn nếu mô hình đó được sử dụng Trong các nghiên cứu về mô phỏng tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm cách tiếp cận của trường phái Latushev và Chumark I.G & Onistchenko V.P.[35-37], dựa trên cơ sở coi thực phẩm như một hệ nhiệt động đa thành phần, cân bằng và có chuyển pha cho kết quả khả quan và có cơ sở lý thuyết chặt chẽ hơn cả Dưới đây chúng ta sẽ lần lượt xem xét các mô hình nêu trên

Trong thực phẩm, nước chiếm tỷ trọng rất lớn Sự chuyển pha của thành phần nước từ lỏng thành băng quyết định rất lớn đến sự thay đổi tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm vì tính chất của nước và băng là hoàn toàn khác nhau Dự đoán chính xác thành phần băng trong thực phẩm theo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định những 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]

1.3.1.1 Các thành phần nước trong thực phẩm

Trong thực phẩm chứa nhiều loại nước khác nhau Trong trường hợp thực phẩm kết

w

W ), nước chưa kết đông ( u

w

W ) Nếu coi tổng lượng nước ban đầu là o

w

W , ta có phương trình liên hệ:

w w ice w

Ở bất kì giá trị nhiệt độ nào trong trạng thái kết đông nước trong thực phẩm cũng

bao gồm 3 thành phần kể trên Nước liên kết được định nghĩa là thành phần nước không thể kết đông ở bất kì nhiệt độ nào Khi nhiệt độ môi trường làm lạnh giảm dưới điểm kết

đông, thành phần băng tăng lên và thành phần nước chưa kết đông giảm đi [52]

1.3.1.2 Mô hình toán dự đoán thành phần băng trong thực phẩm kết đông

Thực phẩm chứa nước, chất khô hoà tan và chất khô không hoà tan Trong quá trình đóng băng, một lượng nước tinh thể hoá nên chất khô hoà tan trong lượng nước còn lại trở nên đặc lại, kết quả là làm giảm nhiệt độ đông đặc Dịch không tan này được cho là tuân theo phương trình điểm đông của định luật cân bằng chất tan trong dung dịch Raoult Dựa trên định luật này, Chen (1985)[33] đưa ra mô hình dự đoán thành phần băng trong thực phẩm như sau:

2

s g o f ice

s o f

W R T (t t) W

Với, Wp là thành phần protein trong thực phẩm

Thế phương trình (1.19) vào thành phần phân tử lượng của chất khô hòa tan trong phương trình (1.18) ta thu được phương pháp đơn giản nhất dự đoán thành phần băng trong thực phẩm (Miles 1974)[74]

o b f ice w w

Tchigeov (1979)[98] bằng các số liệu thực nghiệm chỉ ra rằng phương trình (1.19)

đánh giá quá thấp thành phần băng ở nhiệt độ gần điểm đông của thực phẩm và đánh giá

quá cao thành phần băng ở dải nhiệt độ thấp, ông đã đưa ra công thức thực nghiệm thay thế như sau:

o w ice

f

1,105W W

0,8765 1

ln(t t 1)

= +

− +

(1.22)

Công thức (1.22) được Fikiin (1998)[52] đánh giá đúng với nhiều loại thực phẩm trong dải nhiệt độ rộng

Đối với việc dự đoán thành phần băng, các phương pháp của Chen áp dụng phù

hợp cho tất cả các loại thực phẩm được kiểm tra Tuy nhiên, phương pháp kết hợp đánh giá thực nghiệm khối lượng phân tử tại mỗi thời điểm, bị giới hạn đối với cá, thịt bò, nước táo

và nước cam ép Đối với tất cả các loại thực phẩm được kiểm tra, các phương trình của Tchigeov cho kết quả cũng gần với các phương pháp của Chen và đôi khi còn dễ thực hiện hơn Tính toán thành phần băng dựa trên phương trình Miles (1974) cho các sai số dự đoán lớn nhất

Tuy nhiên trên thực tế bản chất vật lý của hiện tượng chuyển pha nước thành băng

được mô tả dựa trên định luật cân bằng về nồng độ dung dịch chất hòa tan Raoult, không

hoàn toàn diễn tả được bản chất quá trình biến đổi pha lỏng –rắn của nước trong cá là quá trình nhiệt động cân bằng, có hấp thụ và tỏa nhiệt trong môi trường nhiệt độ thay đổi liên tục Chính vì vậy trong các công thức (1.18÷1.21) chúng ta thấy xuất hiện hằng số chất khí,

mà hằng số này liên quan gì tới quá trình biến đổi pha lỏng-rắn

Do đó Latyshev (1992)[65] đã đề xuất cách tính hàm lượng nước đóng băng phụ thuộc vào nhiệt độ trên cơ sở coi quá trình biến đổi nước-băng trong lòng thực phẩm là quá trình biến đổi cân bằng pha có tỏa nhiệt Trên cơ sở đó tác giả đã đề xuất công thức cải tiến công thức (1.22) có dạng như sau:

Mô hình trên khá phù hợp với số liệu thực nghiệm của nhiều loại thực phẩm (thịt, cá)

và dự đoán tương đối chính xác thành phần băng của thực phẩm khi 0

f

-45 C≤ ≤t t và 0

f

-2 ≤ ≤ t -0,4 C[52]

Quá trình cấp đông của thực phẩm đều diễn ra tại áp suất khí quyển hoặc ở một phạm

vi dao động hẹp của nó Do vậy nhiệt dung riêng của cá da trơn trong quá trình cấp đông

mà chúng ta nghiên cứu trong luận án này là nhiệt dung riêng đẳng áp Mặt khác nhiệt dung riêng là đại lượng nhiệt vât lý chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt độ,trong đó ảnh hưởng của nhiệt độ đến nhiệt dung riêng là không đáng kể tại nhiệt độ trên điểm băng, và rất lớn trong phạm vi nhiệt độ dưới điểm băng (hình 1.7)

Nhiệt dung riêng thường được sử dụng để tính tải lạnh cho thiết bị của quá trình làm lạnh

và cấp đông và được đưa dưới dạng các công thức thực nghiệm và bán thực nghiệm

1.3.2.1 Mô hình toán dự đoán biến nhiệt dung riêng của thực phẩm trong quá trình cấp đông

Mô hình đầu tiên dự đoán nhiệt dung riêng (NDR)thực phẩm là phương trình của Siebel (1892)[95]

Hình 1.7 Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nhiệt độ

-40 0 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 20

40 60 80

Heldman và Singh (1981) [54] giới thiệu phương trình xác định NDR C dựa trên thành phần nước, carbohydrate, protein, mỡ và tro trong thực phẩm ở 200C như sau:

Gupta (1990) [53] đề xuất phương trình xác định nhiệt dung riêngthực phẩm như là hàm của nhiệt độ và thành phần nước trong dải nhiệt độ 303 ÷ 336K và thành phần nước 0,1%

÷80% như sau:

Mô hình toàn diện nhất xác định nhiệt dung riêng của các loại thực phẩm có kể đến

ảnh hưởng của nhiệt độ và các tất cả các thành phần trong thực phẩm được Choi và Okos đưa ra năm 1986:[34]

i i

Trong đó Wi, Ci, là nhiệt dung riêng và thành phần khối lượng của thành phần thứ i Phụ lục 1 trình bày nhiệt dung riêng của các thành phần trong thực phẩm là hàm phụ thuộc nhiệt độ Sự sai lệch giữa số liệu thí nghiệm và mô hình của Choi & Okos là do: (1) nhiệt dung riêng của nước liên kết có sự sai khác rất lớn so với phần lớn lượng nước trong thực phẩm, và (2) nhiệt dung riêng dôi ra do sự tác động qua lại của các pha thành phần Rahman (1993) [91] đã tính đến nhiệt dung riêng dôi ra để xác định C theo phương trình (1.23), tuy nhiên việc này rất là khó thực hiện nếu chỉ dùng những phương pháp đơn giản Phương trình của Choi & Okos (1986)[34] chỉ ra rằng nhiệt dung riêng tăng khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên ảnh hưởng nhiệt độ trên và dưới điểm kết đông là hoàn toàn khác nhau (hình 1.7) Công thức tính nhiệt dung riêng của thực phẩm trong giai đoạn kết đông dùng

] 2

w ice

∆ = − - chênh lệch nhiệt dung riêng của nước và băng

E = M / M - tỷ lệ khối lượng phân tử nước (w) và chất khô thực phẩm (s)

Tuy nhiên công thức trên trong nhiều trường hợp cho sai số lớn, vì thế chính Schwartzberg (1981) [94b], đã mở rộng nghiên cứu, và đề xuất mô hình khác cho phép ta tính được nhiệt dung riêng chính xác hơn như sau:

Bằng mô hình đơn giản tương tự như của Schwartzberg (1976)[94a], Chen [33] đưa

ra mô hình xác định nhiệt dung riêng của thực phẩm kết đông bằng cách mở rộng phương trình Siebel (1892)[95]:

dự đoán nhiệt dung riêng hiệu dụng của Chen (1985a)[33] là dễ sử dụng nhất, mặc dù có sai số lớn nhất

Mặt khác các công thức từ (1.30÷1.33) đều dựa trên công thức xác định hàm lượng nước đóng băng dạng (1.18÷1.21), như chúng ta đã phân tích, thiếu cơ sở bản chất vật lý rõ rệt Do đó những công thức tính NDR nêu trên chỉ áp dụng được trong một phạm vi thực phẩm nhất định chủ yếu là nhóm thực phẩm thịt cá và cho sai số đáng kể khi sử dụng cho các sản phẩm khác có hàm lượng nước hoặc chất béo cao Tuy nhiên ưu điểm chính của những công thức này là dễ tính toán áp dụng trong điều kiện thiếu số liệu thực nghiệm

Cho đến nay các công thức hay còn gọi là mô hình xác định NDR phụ thuộc vào nhiệt độ cho kết quả chính xác hơn cả là các công thức của trường phái Trumak I.G-Onhishenko V.P dựa trên quan điểm coi thực phẩm là hệ nhiệt động cân bằng nhiều thành phần có chuyển pha Trong đó các tác giả đã đề xuất công thức (1.34) tính toán NDR hiệu dụng của thực phẩm trên cơ sở có tính đến ảnh hưởng của nhiêt chuyển pha nước-băng

w w p p fa fa as as fi fi CHO CHO e

Trong đó các NDR thành phần khô và chất béo, đạm của một số loại thực phẩm

được viết dưới dạng đa thức tuyến tính phụ thuộc vào nhiệt độ[58]

ω - thành phần nước đóng băng được tính theo công thức (1.23)

L(T) - nhiệt ẩn đóng băng phụ thuộc nhiệt độ được tính như sau:

C (T) - nhiệt dung riêng của thành phần nước tính theo [38]

Các công thức (mô hình) (1.34÷1.37) cho sai số tính toán chấp nhận được đối với

đa phần các loại thực phẩm, kể cả các loại cá Tuy nhiên có vấn đề bất tiện như trên đã

trình bày là cần phải có thí nghiệm chính xác về hàm lượng nước đóng băng phụ thuộc vào nhiệt độ ω(T) Mà trong điều kiện Việt Nam không tiến hành được do đó 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) cũng như

có độ tin cậy cao Độ chính xác khi áp dụng các công thức dạng (1.18, 1.31) vào mô phỏng

đã được khẳng định trong các nghiên cứu của Nguyễn Việt Dũng, Hoàng Khánh Duy

[46-47]

1.3.2.2 Phương pháp xác định nhiệt dung riêng bằng thực nghiệm

Ngoài phương pháp xác định NDR theo mô hình, để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình người ta còn dùng các phương pháp thực nghiệm xác định NDR Phương pháp xác

định nhiệt dung riêng trên nguyên tắc dựa vào phương trình cân bằng nhiệt, đối với các

phương pháp thực nghiệm xác định nhiệt dung riêng yêu cầu phải có mẫu chuẩn, trong quá trình đo NDR dựa vào sự thay đổi nhiệt độ của mẫu đo và mẫu chuẩn kết hợp với phương trình cân bằng nhiệt sẽ tính được nhiệt dung riêng của mẫu cần đo Phương pháp xác định NDR được thực hiện theo nhiều cách khác nhau gồm: Phương pháp hỗn hợp, phương pháp nhiệt lượng kế so sánh, phương pháp buồng đoạn nhiệt, phương pháp Differential scanning calorimeter (DSC)

Theo sơ đồ nguyên lý các phương pháp đo được trình bày trong phụ lục 2, các phương pháp đo có ưu nhược điểm như sau:

Ưu điểm:

- Các bộ thí nghiệm thiết kế đơn giản, ngoại trừ phương pháp DSC

- Các thí nghiệm thực hiện nhanh, kích thước mẫu nhỏ

Nhược điểm:

- Các thí nghiệm đo NDR cần phải có mẫu chuẩn

- Tổn thất nhiệt lớn, tổn thất nhiệt trong quá trình đo không khống chế được

- Không thể xác định được nhiệt dung riêng trong vùng kết đông của thực phẩm

- Thiết bị đo cần phải có độ chính xác cao

Phương pháp DSC có ưu điểm sau:

- Các thí nghiệm thực hiện nhanh, số liệu chính xác

- Kích thước mẫu nhỏ

- Số lượng mẫu cho thí nghiệm ít

- Xác định được NDR của thực phẩm trong vùng kết đông

Nhược điểm:

- Trong quá trình thí nghiệm cần phải có mẫu chuẩn để so sánh

- Nhiệt độ mẫu đo cần phải đồng nhất

- Thiết bị thí nghiệm phải hoàn toàn kín,tránh mất nước khi thực hiện các phép đo ở nhiệt độ cao

- Chi phí thiết bị cao…

Kết luận: Trong các phương pháp thí nghiệm trình bày ở trên để xác định NDR

của thực phẩm, phương pháp DSC là phương pháp thích hợp nhất cho kết quả chính xác khi nghiên cứu NDR của thực phẩm trong miền kết đông tinh thể nước Phương pháp thí nghiệm này hiện nay đang được sử dụng rộng rãi ở các nước tiên tiến để xác định NDR của thực phẩm trong quá trình cấp đông Tuy nhiên đây là hệ thống thí nghiệm đắt tiền, đòi hỏi phải tạo và giữ được môi trường nhiệt độ đồng đều trong mẫu vật thể dao động không quá 10-3K Không những thế phải có thiết bị đo và tự ghi hiệu nhiệt độ với cấp chính xác rất cao mà ở Việt Nam chỉ có thể có ở Viện đo lường chất lượng Việt Nam và một vài phòng thí nghiệm vật lý của hai trường Đại học Quốc gia có thể đạt được (nhưng lại không

đi kèm với bom nhiệt lượng kế và hệ thống làm lạnh mẫu bằng He lỏng) nên việc đo bằng

thực nghiệm NDR của thực phẩm nói chung và cá tra nói riêng là điều không thể

Vì thế trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này chúng ta sẽ xác định NDR theo hai cách: (1) tính toán theo mô hình Schwartzberg đã trình bày ở mục trên; (2) xác định gián tiếp NDR từ kết quả đo hệ số dẫn nhiệt λ(T) và hệ số dẫn nhiệt độ a(T) Kiểm chứng tính hợp lý của mô hình và kết quả thực nghiệm cũng như gián tiếp qua sự phù hợp của trường nhiệt độ đo được của fillet cá tra trong quá trình cấp đông

H

Từ mô hình nhiệt dung riêng của Chen (1985), enthalpy của thực phẩm chưa kết

đông được xác định bằng cách tích phân phương trình 1.21 theo nhiệt độ

s s

f

H

Trong đó Hf là enthalpy của thực phẩm ở điểm đóng băng, J/kg

Đối với thực phẩm dưới điểm kết đông, biểu thức toán học của enthalpy thu được

nhờ tích phân các biểu thức mô phỏng nhiệt dung riêng tương ứng Tích phân phương trình nhiệt dung riêng của Schwartzberg (1976)[94a] từ nhiệt độ tham chiếu Tr đến nhiệt độ của thực phẩm T ta được phương trình: Schwartzberg

∆

−+

−

tM

TREWCWWCTT

w

2 0 g s o

w b w u

Trong đó nhiệt độ tham chiếu Tr=233,15K (-40oC), tại nhiệt độ này enthalpy của thược phẩm được định nghĩa bằng 0 (Riedel, 1957a, 1957b; Schwartberg, 2007)

2 0 g s s f

t M

T R W W 1260 1550 t t

t.t

tLWWW.12601550t

mô hình được dưa ra bởi Chang & Tao như sau:

( )

f y T 1 y T H

1.3.4 Hệ số dẫn nhiệt

1.3.4.1 Vai trò của hệ số dẫn nhiệt trong quá trình cấp đông

Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm ảnh hưởng bởi ba yếu tố: thành phần, cấu trúc và

điều kiện của quá trình Thành phần nước cũng đóng vai trò rất quan trọng vì nước chiếm

một tỷ lệ rất lớn trong thực phẩm Các yếu tố cấu trúc bao gồm độ rỗng, kích thước, hình dáng và sự sắp xếp hay phân bố pha trong thực phẩm (khí, nước, băng và chất khô) Trong

đó độ rỗng đóng vai trò rất quan trọng vì hệ số dẫn nhiệt của chất khí nhỏ hơn của chất

lỏng và rắn tới hàng chục thậm chí cả trăm lần Các yếu tố quá trình bao gồm nhiệt độ, áp suất và điều kiện truyền nhiệt Khác với định nghĩa của hệ số dẫn nhiệt theo các lý thuyết truyền nhiệt kinh điển, hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm có thể thay đổi theo phương vuông góc hay song song với các thớ trong thực phẩm, do đó việc dự đoán và đo hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm là rất phức tạp và hệ số đo được ở đây là hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng

1.3.4.2 Mô hình toán dự đoán hệ số dẫn nhiệt

Maxwell (1904) [68] là người đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp hai pha Phương trình của Maxwell dựa trên lý thuyết điện thế được viết như sau:

Mô hình dựa trên hệ số dẫn nhiệt của nhiều quả cầu chứa chất tan trong một pha

liên tục và giả thuyết rằng các quả cầu là đủ xa để chúng không tương tác lẫn nhau Do đó

mô hình Maxwell chỉ được sử dụng khi thành phần thể tích của pha không liên tục là rất

thấp Eucken (1940) [49] đưa ra mô hình cho hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm phỏng theo

công thức của Maxwell:

C

C

VV

Vb

;2

3a

+

=λ

+λ

λ

Kopelman (1966) [64] đã nghiên cứu về mô hình truyền nhiệt trong các loại thực

phẩm có thớ và tìm ra sự khác biệt khi nhiệt truyền dọc thớ và ngang thớ thịt Đối với hệ

đẳng hướng, hệ hai thành phần được cấu thành từ pha liên tục và pha gián đoạn, hệ số dẫn

nhiệt độc lập với hướng dòng nhiệt, Kopelman đưa ra biểu thức hệ số dẫn nhiệt sau:

ε là thành phần thể tích của pha gián đoạn

Theo (1.47), hệ số dẫn nhiệt của pha liên tục được cho là lớn hơn rất nhiều so với

hệ số dẫn nhiệt của pha gián đoạn Tuy nhiên, nếu hệ số dẫn nhiệt của pha gián đoạn lớn

hơn nhiều hệ số dẫn nhiệt của pha liên tục thì công thức sau được sử dụng:

Mô hình đưa ra chia làm hai pha liên tục và gián đoạn trong thực phẩm Thành phần

gián đoạn là nước đã kết đông và thành phần liên tục là nước chưa kết đông và chất khô

trong thực phẩm Việc xác định hệ số dẫn nhiệt của thành phần liên tục là phức tạp song

mô hình trên chỉ đưa ra công thức mà không đề cập cách tính mô hình liên tục

Đối với hệ dị hướng, hệ hai thành phần có hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc hướng dòng nhiệt

(như trong thực phẩm có thớ), Kopeman (1966)[64] đưa ra hai phương trình hệ số dẫn

nhiệt như sau:

+ Dòng nhiệt truyền song song với thớ:

Công thức của Kopeman đưa ra có kể đến hướng truyền của dòng nhiệt Ứng với

hai phương của dòng nhiệt, ta có thể giải được bài toán dẫn nhiệt một chiều Trong thực tế

thì dòng nhiệt là vô hướng và cần phải sử dụng đến hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng thì từ hai mô hình theo hai phương của dòng nhiệt lại chưa đưa ra được

Levy (1981) [67] đưa ra dạng khác kết hợp cả công thức Maxwell và Eucken cho

hệ hai thành phần như sau:

1

(2 ) 2( 1)F (2 ) ( 1)F

Khi thực phẩm bao gồm nhiều hơn hai pha riêng biệt, phương pháp đề ra trên đây

để dự đoán hệ số dẫn nhiệt được ứng dụng để tính hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm Ví dụ,

trong trường hợp thực phẩm kết đông, hệ số dẫn nhiệt của băng và nước lỏng được tính toán trước bằng phương pháp trên Hệ số dẫn nhiệt thu được của hỗn hợp băng nước này lần lượt được kết hợp với hệ số dẫn nhiệt của từng thành phần trong thực phẩm để xác định

được hệ số dẫn nhiệt của toàn khối thực phẩm Phương pháp nêu trên hiện nay được đánh

giá là cho sai số khi tính toán là thấp nhất

Một số các nhà nghiên cứu đưa ra mô hình dẫn nhiệt song song và dọc theo thớ thực phẩm dựa trên mô hình tương tự điện trở (Murakami và Okos 1989) [76] Mô hình song song, hệ số dẫn nhiệt tổng là tổng của tích các hệ số dẫn nhiệt thành phần với thành phần thể tích:

pa Vi i

Trong đó Vi là thành phần thể tích của thành phần thứ i,

i i i

i i

W /V

(W / )

ρ

=

Ở mô hình nối tiếp, dòng nhiệt vuông góc với thớ, hệ số dẫn nhiệt bằng nghịch đảo

của tổng các thương giữa thành phần thể tích và hệ số dẫn nhiệt thành phần:

se

i i

1 (V / )

mô hình ngang thớ là 34% Trong khuôn khổ của luận án này tác giả sử dụng mô hình của Levy để mô phỏng sự thay đổi của hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của cá tra trong dải nhiệt độ rộng

1.3.4.3 Phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt

Thực nghiệm chia phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt thành 3 nhóm: (1) Nhóm

ổn định, (2) nhóm tương tự ổn định và (3) nhóm không ổn định Tuy nhiên hai phương

pháp được ứng dụng rộng rãi nhất là: Phương pháp đĩa nóng (cho nhóm ổn định) và que thăm (cho nhóm không ổn định)

a Phương pháp ổn định

Phương pháp ổn định dựa vào phương trình dòng nhiệt Fourier:

x

T dx

dT q

Bằng cách tạo ra dòng nhiệt ổn định một chiều qua vật thể có điều kiện biên loại 1

ổn định, hệ số dẫn nhiệt được xác định khi đo được mật độ dòng nhiệt dẫn qua vật và nhiệt

độ trên hai mặt ngoài vật Dòng nhiệt dẫn qua vật thí nghiệm được xem là công suất nhiệt

của dòng điện đốt nóng Điều quan trọng là chọn dạng vật đo và thiết bị đo sao cho phù hợp để dòng nhiệt là một chiều

Phương pháp ổn định có ưu điểm: xác định được hệ số dẫn nhiệt có độ chính xác tương đối cao trong phạm vi nhiệt độ lớn, quá trình tính toán và xử lý đơn giản Tuy nhiên phương pháp này có một số nhược điểm:

- Thời gian thí nghiệm rất lâu: vài chục giờ đến vài ngày

- Hệ thống đo cồng kềnh,mẫu cần đo bắt buộc phải gia công

- Chỉ xác định được λ trung bình mà không xác định được λ tức thời

- Vật liệu cần đo phải khô, vì khó có thể tạo được chế độ ổn định với vật ẩm

- Không thể xác định λ của vật có trị số dẫn nhiệt rất nhỏ (λ<0.05W/mK)

Do đó các phương pháp này không sử dụng để xác định hệ số dẫn nhiệt của cá da trơn (cá tra) trong khuôn khổ luận án này

b Phương pháp không ổn định

Phương pháp không ổn định rất phong phú được phân loại theo nhiều cách khác nhau:

- Theo đặc trưng điều kiện biên của bài toán dẫn nhiệt

- Theo đặc tính biến đổi của trường nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm

Theo cách thứ 2, phương pháp không ổn định được chia thành hai phương pháp là phương pháp chế độ điều hòa nhiệt độvà phương pháp không ổn định thuần túy

Phương pháp chế độ nhiệt điều hòa

Phương pháp chế độ nhiệt điều hòa không cho phép xác định trực tiếp hệ số dẫn nhiệt λ,

mà xác định hệ số dẫn nhiệt độ a, rồi xác định hệ số tỏa nhiệt α trên mẫu chuẩn, từ đó tính

ra hệ số dẫn nhiệt λ

Phương pháp không ổn định thuần túy

Phương pháp này chia thành hai phương pháp: phương pháp mẫu chuẩn (phương pháp so sánh) và phương pháp nguồn

Phương pháp mẫu chuẩn dựa trên cơ sở bài toán dẫn nhiệt điều kiện biên loại 4 trên mẫu

chuẩn để tránh việc xác định nhiệt lượng truyền qua vật thí nghiệm Tương tự như phương pháp chế độ nhiệt điều hòa, phương pháp này cũng chỉ cho phép xác định một cách tổng hợp các tính chất nhiệt vật lý của vật liệu, tức không thể xác định hệ số dẫn nhiệt một cách trực tiếp

Phương pháp nguồn là phương pháp quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong các

phương pháp đo không thuần túy

Về nguyên tắc, có thể xem phương pháp được xây dựng trên cơ sở khảo sát quá trình dẫn nhiệt qua nhiều lớp vật liệu (phương pháp đạo hàm số) là một trong những phương pháp thuộc nhóm nguồn Sự đặc thù của phương pháp này là ở chỗ xác định gratient nhiệt độ tại bề mặt nguồn bằng phương pháp số trên cơ sở các kết quả đo biến thiên nhiệt độ ở những lớp vật liệu cách đều nhau, lớp đầu tiên được xem là tiếp xúc lý tưởng với nguồn Ưu điểm của phương pháp này là thời gian đo ngắn, nên có thể xác định

được hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm, vật liệu dạng hạt, mẫu đo có kích thước bé

Tùy theo đặc tính tác động của nguồn, người ta phân biệt phương pháp nguồn thành hai phương pháp: Phương pháp xung nhiệt và phương pháp”que thăm” Phương pháp xung mặc dù được pháp triển dưới rất nhiều dạng khác nhau Phổ biến rộng rãi hơn là phương pháp dây đốt do Schleidermacher đề xuất 1880 Đây là phương pháp tiền thân của tất cả các phương pháp được biết đến dưới tên gọi là phương pháp”que thăm”sau này Như đã đề cập ở trên phương pháp này tuy có thể dùng để đo hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm cấp đông, nhưng quá trình thực nghiệm của phương pháp này khá phức tạp, rất khó xác định chính xác lượng nhiệt truyền qua các lớp vật liệu do không xác định được thật chính xác nhiệt lượng tích tại nguồn

Vì những lý do trên trong khuôn khổ nội dung nghiên cứu của luận án này tác giả đề xuất áp dụng phương pháp xung nhiệt để xác định bằng thực nghiệm hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng λ(T) và hệ số dẫn nhiệt độ a(T)

Khối lượng riêng của thực phẩm phụ thuộc chủ yếu vào thành phần thực phẩm và nhiệt độ Thực phẩm được coi là một hệ nhiều pha, trong đó khối lượng và thể tích là không đổi trong các quá trình hỗn hợp Choi & Okos (1986)[34] để xuất phương trình dưới

đây xác định khối lượng riêng của thực phẩm khi đã biết thành phần khối lượng của chúng:

i

i i

1W

=

n

1 i i iW

1

(1.60)

Choi & Okos (1986)[34] cũng trình bày công thức xác định khối lượng riêng của hầu hết các thành phần trong thực phẩm trong dải nhiệt độ -400C tới 150 0C như trong Phụ lục 1 Do đó tác giả sẽ sử dụng mô hình của Choi & Okos để áp dụng cho các tính toán ở sau

trường nhiệt độ sớm hơn so với vật liệu có hệ số dẫn nhiệt độ bé, do đó ta có mối quan hệ sau:

1 2

2

1

t

t a

a

∆

∆

Trong đó: a1,a2: hệ số dẫn nhiệt độ của vật liệu 1 và vật liệu 2[m2/s]

∆t1,∆t2: Thời gian cần thiết để đạt được cùng một trường nhiệt độ[S]

1.3.6.2 Phương pháp xác định

Về phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt độ được chia ra thành 2 phương pháp: phương pháp xác định gián tiếp và phương pháp xác định trực tiếp

a Phương pháp xác định gián tiếp

Theo phương pháp này, hệ số dẫn nhiệt độ được xác định thông qua 3 thông số nhiệt vật lý khác là: hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng C và khối lượng riêng, được tính như sau:

ρ

λ

=

C

Theo phương pháp này,ta cần biết trước 3 thông số trên, đối với phương pháp này

là mất rất nhiều thời gian và thiết bị đo đề xác định hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và khối lượng riêng và rất khó thực hiện để đạt độ chính xác

b Phương pháp xác định trực tiếp:

Theo phương pháp này,hệ số dẫn nhiệt độ được xác định dựa vào lời giải phương trình vi phân của bài toán dẫn nhiệt không ổn định một chiều, bao gồm các phương pháp sau: phương pháp nguồn nhiệt dạng đường (phương pháp que thăm dạng kép) và phương pháp Dickerson[39]

Phương pháp nguồn nhiệt dạng đường:

Phương pháp này do Mc Curry(1968); Nix và cộng sự(1967,1969)[80-81] đề xuất, nếu sử dụng que thăm đo hệ số dẫn nhiệt, nó cũng có thể đo hệ số dẫn nhiệt độ nếu lắp thêm một que thăm có cảm biến nhiệt độ song song với que thăm đo hệ số dẫn nhiệt và khoảng cách giữa hai que thăm này biết trước (hình 1.12) Khi thực hiện thí nghiệm, mối quan hệ giữa thời gian và trường nhiệt độ theo Carslaw và Jaeger (1947)[59] như sau:

× π

2

q T

2

(1.64) Trong đó β: tham số không thứ nguyên;

( )×τ

=

β

a2

−

−λ

×π

×

=

!24

!12

ln2

C2

qT

4 2

e

(1.66) Trong đó:

Ce là hằng số Euler, Ce=0,57721

Giải phương trình (1.66), xác định được β, thay β vào phương (1.65) ta xác định

được a

Hình 1.8 Bộ đo hệ số dẫn nhiệt độ bằng que thăm dạng kép

Phương pháp Dickerson[40]

Theo phương pháp Dickerson (1965)[39], bộ thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt

độ được xây dựng dựa vào quá trình dẫn nhiệt không ổn định một chiều trong thanh trụ dài

vô hạn có bán kính R được mô tả qua mô hình toán sau:

∂

∂+

∂

∂

=Ω

0r,0t,

0drdT

Rr,0tT

t.T

bienkien Dieu

67.1r

Tr

1r

Ta

nhietdan phan trinh viPhuong

s

2 2

Giải phương trình (1.67) kết hợp với điều kiện biên, nghiệm phương trình được viết như sau:

a 4 T

R a

Tuy nhiên phương pháp trên thí nghiệm phức tạp đòi hỏi phải có bom nhiệt lượng

kế vi phân nên khó có thể sử dụng trong điều kiện của Việt Nam

Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này chúng ta sẽ sử dụng phương pháp xung nhiệt

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), λ(T), ρ(T), h(T)cho đối tượng trên Các mô hình này hiện nay ở Việt Nam chưa có một cá nhân và đơn

vị nào nghiên cứu

Trong khuôn khổ của luận án này và điều kiện thí nghiệm của Việt Nam mô hình tính chất nhiệt vật lý của cá tra sẽ được xây dựng bằng phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm như sau:

- Hệ số NRD hiệu dụng Ce (T) và W(T) được xác định theo các công thức của Chen

và Schwartzberg Trong đó Ce (T) sẽ được kiểm chứng thông qua việc đo hệ số λ(T) và a(T) cũng như độ chính xác của mô hình mô phỏng quá trình cấp đông cá tra Enthalpyh(T)

- Hệ sốρ(T) được xác định theo công thức trình bày trong tài liệu Choi & Okos (1986)

- Hệ số λ(T) và a(T) được đo bằng phương pháp xung nhiệt và sẽ được kiểm chứng thông qua độ chính xác của mô hình mô phỏng quá trình cấp đông cá tra

1.4 Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu của luận án

Trên cơ sở các nghiên cứu tổng quan đã được trình bày ở các mục nêu trên, mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của luận án này bao gồm những nội dung cụ thể như sau:

1.4.1 Mục tiêu của luận án

- 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

1.4.2 Nội dung nghiên cứu

Để thực hiện được mục tiêu nêu trên luận án cần giải quyết những bài toán cụ thể

(iii) Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh và cấp đông cá da trơn trên cơ sở kết hợp mô hinh 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 Tiến hành thực nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm và đo trên thực tế sản xuất để kiểm chứng mô hình;

(iv) 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 (v) 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 chất lượng thông qua

khống chế thời gian cấp đông trong khi giảm năng lượng tiêu hao tới phạm vi có thể

1.4.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.3.1 Đối tượng nghiên cứu: là cá da trơn đồng bằng sông Cửu long, cụ thể là cá tra 1.4.3.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt λ (T) và 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

gian cấp đông và tiêu thụ năng lượng của hệ thống lạnh

1.4.4 Phương pháp nghiên cứu

(i) Thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt λ (T), 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 nghiên cứu biến thiên trường nhiệt độ trong quá trình cấp đông

(iv) Sử dụng mô hình mô phỏng để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số của môi trường cấp đông

(v) 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 hợp lý

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA

CÁ TRA

Như chương 1 đã đề cập, việc xây dựng mô hình cho các tính chất nhiệt vật lý gồm nhiệt dung riêng hiệu dụng Ce(T), hệ số dẫn nhiệt λ(T) và khối lượng riêng ρ(T) của thực phẩm trong quá trình làm lạnh và cấp đông là hết sức phức tạp và có ý nghĩa rất lớn đối với lĩnh vực đông lạnh thực phẩm

Cho đến nay các số liệu về tính chất nhiệt vật lý của các da trơn của Việt Nam chưa

có, trong khi đó trên thế giới rất nhiều tác giả đã tìm cách xây dựng các công thức xác định thông số nhiệt vật lý của các loại thực phẩm theo các thành phần cấu tạo Tuy nhiên công thức xác định thông số nhiệt vật lý đối với cá cụ thể là Cá tra của Việt Nam là không có, hơn nữa các công thức đó cũng không phù hợp với khoảng nhiệt độ cần khảo sát của đề tài Các tác giả đã sử dụng nhiều phương pháp thực nghiệm khác nhau, trong đó sử dụng Differential scanning calometry (DSC) là phương pháp cho kết quả chính xác, nhưng đòi hỏi thiết bị rất đắt tiền nên rất khó áp dụng trong điều kiện hạn hẹp của đề tài Do đó trong khuôn khổ nội dung chương này tác giả trình bày phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm để xác định hệ số dẫn nhiệt λ(T) và a(T), và NDR hiệu dụng Ce(T)

2.1 Xác định hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ của cá tra bằng thực nghiệm

Trên cơ sở phân tích các phương pháp đo đã trình bày ở chương một, phương pháp

đo hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ theo phương pháp nguồn nhiệt đường dạng que

thăm dạng kép được tác giả sử dụng để đo hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ cho cá tra trong khoảng nhiệt độ từ -40÷400C

Để xác định hệ số dẫn nhiệt, cần xác định sự thay đổi của trường nhiệt độ theo thời

gian trong vật cần đo dưới tác động của một nguồn nhiệt có công suất biết trước Tùy theo

đặc trưng của trường nhiệt độ và đặc tính của nguồn mà phương pháp xác định được phân

thành: phương pháp ổn định, không ổn định, phương pháp chế độ nhiệt điều hòa cũng như phương pháp nguồn đường, nguồn bề mặt, nguồn xung vv

Khó khăn lớn nhất đối với phương pháp không ổn định mà nó được sử dụng chủ yếu hiện nay là xác định và khử lượng nhiệt tích trong chính đầu đo trước khi bắt đầu tạo

ra sự thay đổi trường nhiệt độ Điều này tạo ra độ trễ của thiết bị và hạn chế độ tin cậy của kết quả đo Trong quá trình làm lạnh và kết đông thực phẩm, do có sự biến đổi pha phức tạp, môi trường đo vốn đã không đồng nhất càng trở nên rất không đồng nhất, tính chất nhiệt vật lí của nó thay đổi có tính đột biến theo cả không gian lẫn thời gian, đặc biệt là ở lân cận điểm kết tinh, nên xác định chính xác nó là điều đặc biệt khó khăn

Phương pháp xác định tính chất nhiệt vật lý bằng xung nhiệt, có thể gọi là phương pháp que thăm kép, được ứng dụng khá rộng rãi trong công nghệ chế biến thực phẩm, ưu

điểm của phương pháp này là thời gian thí nghiệm ngắn và phù hợp với mẫu có kích thước

nhỏ [75],[80],[111] Do đó thích hợp dùng để đo hệ số dẫn nhiệt của cá tra

Theo phương pháp này, hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ được xác định đồng thời theo nguyên lý nguồn nhiệt đường Nguồn nhiệt dạng đường được tạo ra bằng dây

điện trở có đường kính hết sức bé đặt trong vật đo được coi là môi trường “dày vô hạn”

Nếu duy trì công suất nguồn nhiệt không đổi sẽ tạo ra trường nhiệt độ xác định trong vật

đo Khi đó nhiệt được truyền theo không gian hình trụ với nguồn nằm trên trục oz để biểu

=τ

∂

∂

=τ

constT

),rT

constT

)0,rT

r

Tr

1r

TaT

0 r

0 0 2 2

(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:

= λ

0 1

0 2 1

t t ln T T 4

q

(2.2) Theo (2.2) hệ số dẫn nhiệt λ theo độ dốc của mối quan hệ tuyến tính giữa logarithm thời gian với nhiệt độ theo mối quan hệ sau:

ln

T

(2.3) Hay

−πλ

=

!2.4

!1.2

ln2

C2

qT

4 2

(2.5)

Phương trình (2.5) được sử dụng để xác định hệ số dẫn nhiệt độ, Theo Nix và cộng

sự [94] để bài toán hội tụ khi giải phương trình cần xét đến 40 số hạng đầu nếu 0,16 <β< 3,1;còn nếu β< 0,16 thì chỉ cần xét đến 2 số hạng đầu tiên của phương trình là đủ Sai số của a khi β< 0,16 được trình bày trong bảng 2.1 Hệ số dẫn nhiệt được xác định dựa vào độ tăng nhiệt độ của que thăm đo hệ số dẫn nhiệt độ trong khoảng thời gian cấp nhiệt cho que thăm đo hệ số dẫn nhiệt Hệ số β được xác định theo chương trình Goal seek của Microsoft excel Giá trị hệ số dẫn nhiệt độ được xác định theo β tìm được theo Goal seek

Bảng 2.1: Sai số của hàm β (nguồn:Murakami và cộng sự (1996-a)[81])

Để hạn chế sai số khi chế tạo thiết bị đo, thiết bị đo cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

Theo nguyên tắc phương pháp đo là dựa vào phương pháp nguồn nhiệt dạng đường, xem nguồn nhiệt được phát ra từ thanh trụ dài vô hạn và không khối lượng Xem dòng nhiệt chỉ được xem theo phương bán kính của thanh trụ Thực tế luôn tồn tại dòng nhiệt theo phương dọc trục Cho nên để bỏ qua ảnh hưởng của dòng nhiệt theo hướng dọc trục, theo Murakami, Sweat, Sastry, Kolbe, Hayakawa, và Datta (1996b)[97] nếu tỷ số giữa chiều dài và đường kính que thăm L/d≥30 thì sai số thiết bị đo giảm xuống còn ≤0,1%

Do khác nhau về tính chất nhiệt vật lý giữa mẫu đo và que thăm và nhiệt trở dẫn nhiệt giữa que thăm và mẫu cũng gây ra sai số cho thiết bị đo Theo Van der Held và van Drunen (1949)[100] cần đưa vào thông số thời gian bù t0 (thời gian tích nhiệt tại que thăm) với mục đích giảm sai số trong các phép đo, theo Nix và cộng sự (1967)[80], t0 càng lớn khi đường kính que thăm càng lớn

Theo (Sweat và Haugh, 1974)[97] phương pháp này không sử dụng được cho tấm phẳng có chiều dày mỏng do ảnh hưởng của môi trường xung quanh, nếu trong thời gian thí nghiệm nhiệt độ môi trường thay đổi Để giảm sai số cho các phép đo, tỷ lệ giữa đường kính mẫu với đường kính que thăm phải lớn hơn 30 (Drouzas & Saravacos, 1988), hơn thế nữa, nếu 0,6

2τ < theo Vos (1955) sai số do kích thước gây ra có thể bỏ qua

Công suất nhiệt thiết bị đo phải bé khi thực hiện thí nghiệm trong vùng kết đông

Đối với thực phẩm có hệ số dẫn nhiêt lớn công suất nhiệt phải lớn để đạt độ tăng nhiệt độ

đủ lớn Tuy nhiên trong vùng kết đông, nếu tăng công suất nhiệt của thiết bị đo dẫn đến

làm tan chảy các tinh thể nước đá vừa kết tinh kết quả tính chất nhiệt vật lý thay đổi rất lớn trong vùng thí nghiệm này Theo Sweat (1995)[97] đề nghị giá trị công suất nhiệt của que thăm được chọn dựa vào độ tăng nhiệt độ

Hạn chế của thiết bị đo là khó xác định tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm trong vùng lân cận điểm bắt đầu kết đông

2.1.3 Mô tả thiết bị đo được chế tạo

2.1.3.1 Cấu hình thiết bị

Trên cơ sở các yêu c

thiết bị đo que thăm dạng kép dùng đ

nhiệt độ của cá tra với cấu t

Bộ phận chủ yếu củ

khác nhau, que thăm đo h

l=90mm,bên trong luồn dây đ

72Ω/m có lớp keo Epoxy

0.2mm được cách điện bởi v

ống thép (về phía trong) Dây đ

ống kim loại để tránh đốt nóng c

kính db=1.27mm, chiều dài 90mm bên trong

kính 0.2mm được cách điện b

Hai que thăm này được lắp đ

từ tâm ống) Sau khi luồn dây nung và c

lưỡng để đảm bảo dây không b

và hiển thị đúng nhiệt độ

Hình 2

Việc chế tạo que thă đ

thăm Tác giả Đã tiến hành ch

điện, do đó công suất phát nhi

2.1.3.2 Kiểm tra và hiệu chỉ

31

các yêu cầu về cấu hình nêu ở mục trên, tác giả đã ti

ng kép dùng để làm thí nghiệm xác định hệ s

u tạo được mô tả dưới đây

ủa que thăm dạng kép là hai ống thép không g

n dây điện trở đốt nóng Ni-Cr có đường kính 0.1mm, đoxy ở phía ngoài và dây cặp nhiệt Đồng -Niken có đư

i vỏ nhựa bên ngoài Đầu cặp nhiệt gắn vào chính giphía trong) Dây điện trở và cặp nhiệt được luồn thẳng và song song theo doc

t nóng cục bộ.Que thăm đo hệ số dẫn nhiệt độ

u dài 90mm bên trong ống luồn dây cặp nhiệt Đồng

n bởi vỏ nhựa bên ngoài đến giữa ống

p đặt song song với nhau, khoảng cách giữa hai

n dây nung và cặp nhiệt vào ống thép,phải tiế

o dây không bị rối, không bị ngắn mạch, đầu cặp nhiệ

Hình 2.2 Kiểm tra thiết bị đo sau khi chế tạo

o que thăm đòi hỏi phải tỉ mỉ và chính xác Hình 2.3 trình bày c

n hành chế tạo thành công 5 bộ đo

Dây c ặ p nhi ệ t Niken, 2mm

Dây đ i ệ n tr ở

Ni, d=0.1mm

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo thiết bị đo

ng –Niken đo nhiệt độ, (3) keo epoxy, (4) dây điệ

p cho thiết bị đo có thông số: điện áp nguồn cung cấp U

4 A Bộ nguồn có thể điều chỉnh được hiệu điện th

t phát nhiệt của bộ đo được điều chỉnh trong phạm vi q = 5

n vào chính giữa chiều dài

ng và song song theo doc

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) theo phương pháp hiệu chuẩn QTHC/KT3 17:2013 nhiệt kế hiện số với độ phân giải 0,10C và tương tự, cặp nhiệt

sử dụng loại K, môi trường hiệu chuẩn có t= 23±20C, độ ẩm 50±10% Kết quả kiểm tra và hiệu chuẩn trình bày trong phụ lục 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 2.4 Số liệu được ghi lại một cách tự động, sau 5 giây ghi lại một lần

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí lắp đặt thiết bị thí nghiệm

2.1.4 Phương pháp thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt

Với mục đích xác định hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ của cá tra theo phương pháp que thăm dạng kép, tác giả đã tiến hành thí nghiệm trên 3 mẫu cá khác nhau nhưng cùng thông số về hình học và khối lượng

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:

2.1.4.2Tạo môi trường nhiệt độ thí nghiệm

Môi trường nhiệt độ thí nghiệm của các mẫu được tạo ra tại tủ điều nhiệt củaBộ môn công nghệ nhiệt lạnh trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh.Tủ thí nghiệm là không gian kín bọc bảo ôn, có kích thước: Dài x Rộng xCao (407x279x298)mmvới giải nhiệt độ làm việc trong khoảng: -75 ~ 200oC với sai số nhiệt độ điều khiển ∆T=±0.3[K]

Thông số kỹ thuật tủ thí nghiệm:

Dòng điện 120V/1ph/60Hz: 18A

Kích thước bên ngoài tủ: WxDxH (940x572x807mm)

Kích thước bên trong tủ:

Nhiệt độ làm việc của buồng k

C th

C th

Sai lệch trung bình vận tốc tại vị trí bố trí mẫu

Sai lệch trung bình nhiệt độ tại vị trí bố trí mẫu

Hình 2.5 Cấu tạo tủ thí nghi

Để kiểm tra, đánh giá sự phân b

lạnh được bố trí các cặp nhi

giữa, ở các góc (hình 2.5)

Đánh giá trường nhiệt độ

Các cặp nhiệt được kết nối v

2.6b:

(a) Sơ đồ bố

Hình 2.6 Ki

Nhận xét: dựa vào biến thiên nhi

6 phút (bằng với thời gian cho m

trong vùng khảo sát không l

Với điều kiện này tủ thí nghi

Loại đầu dò dây nóng thẳng, đ

Thang đo tốc độ gió:

Độ phân giải:

33

WxDxH (407x279x298mm)

ng kết đông: -75÷2000C

C thời gian hoạt động của tủ là 60 phút

C thời gian làm việc của tủ là 55 phút

Sai lệch trung bình vận tốc tại vị trí bố trí mẫu: V = 0 , 2 ± 0 , 02 m / s

Sai lệch trung bình nhiệt độ tại vị trí bố trí mẫu: T = T ± 0 , 4 K

(a)

thí nghiệm (a) Cấu tạo bên ngoài tủ, (b)Cấu tạ

phân bố nhiệt độ và vận tốc không khí bên trong không gian làm

p nhiệt tại các vị trí khác nhau như miệng thổcác góc (hình 2.5) để kiểm tra phân bố nhiệt độ và vận tốc

của tủ thí nghiệm

i với hệ thống thu thập số liệu tự động và cho k

khảo sát Hình 2.6 Kiểm tra sự phân bố nhiệt độ bên trong không gian t

n thiên nhiệt độ trong vùng khảo sát, ta thấy rằng v

i gian cho một lần thí nghiệm) độ biến đổi nhiệt đ

o sát không lớn so với nhiệt độ cài đặt của tủ, sai số lớn nhthí nghiệm nêu trên hoàn toàn có thể sử dụng trong thí nghi

ụng phụ thuộc vào nhiệt độ của mẫu cá thí nghi

không khí trong buồng thí nghiệm, chúng tôi sgióTesto 425 Với thông số kỹ thuật như sau:

trên màn hình LCD có đèn chiếu sáng giá trị đo tốc độ gió và nhi

ng, điều chỉnh được chiều dài

0÷20m/s 0,1m/s

0 50 100 150 200 250 11.6

11.8 12 12.2 12.4

ạo bên trong tủ

c không khí bên trong không gian làm

ổi, miệng gió hồi, ở

ng và cho kết quả như hình

t độ trong thời điểm

o sát bên trong không gian tủ

ng với thời gian đo là

t độ giữa các điểm đo

n nhất ∆Tmax= 0,5K

ng trong thí nghiệm xác

u cá thí nghiệm

m, chúng tôi sử dụng thiết bị gió và nhiệt độ

300 350

tb

ωTốc độ gió nhỏ nhất tại các vị trí xa quạt nhất, cụ thể là tại các điểm: 10,11, 13, 14, 19, 20, 22,23 Vận tốc trung bình:

[m/s]

2,08

21,019,019,019,022,02,02,019

2 , 0 45 , 2

=

=

−

= ω

∆

Tốc độ không khí trung bình của 27 điểm đo:

[ ] m s 797 , 0 27

, 2

797 , 0 45 , 2tb

max tb tb max

ω

ω

− ω

= ω

∆

% 75 75 , 0 797

, 0

2 , 0 797 , 0tb

min tb tb min

ω

ω

− ω

= ω

∆

Kết luận:

Từ những kết quả đánh giá ở trên, ta thấy rằng, tốc độ không khí phân bố không đồng đều

Đây là yếu tố rất quan trọng trong việc chọn vùng có tốc độ không khí ổn định và nhỏ để

bố trí mẫu khi thí nghiệm

Tại vùng có vận tốc tương đối ổn định (vận tốc bé nhất) cho thấy sai lệch giữa vận tốc trung bình và vận tốc tại các điểm đo là ±0,02m/s Sai lệch này là do vị trí bố trí mẫu khi làm thí nghiệm

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 2.7(a)

Bố trí đầu đo: đầu đo được cắm dọc theo thân cá, xem hình 2.7(b) Số liệu thí nghiệm được ghi lại tự động

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

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 nghiệm được tiến hành trên ba mẫu cá khác nhau, có cùng khối lượng và thông số hình học

Hình 2.7 Bố trí đầu đo trong mẫu thí nghiệm (a) Sơ đồ kết nối với máy tính, (b) Bố trí đầu đo

trong mẫu 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 trong que thăm có

khối lượng, do đó trong quá trình xử lý số liệu cần hiệu chỉnh thời gian t0

Hình 2.8 Biến thiên nhiệt độ trong chu kỳ

2.1.6 Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng của cá tra (Việt Nam) ở các nhiệt độ khác nhau

Các kết quả đo hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ của cá tra trong khoảng nhiệt

2.3 và hình 2.10

Trên cơ sở các giá trị λ(T) và a(T) đo được từ thực nghiệm chúng ta có thể xác định gián tiếp NDR hiệu dụng của cá tra theo công thức:

( )T ρ(T)a

Đối với khối lượng riêng, trong khuôn khổ đề tài không xác định bằng thực nghiệm

mà sử dụng công thức sau để xác định, trên cơ sở tiến hành thí nghiệm xác định các thành phần của cá tra:

Bảng 2.3 Kết quả thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt, hệ số dẫn nhiệt độvà kết quả tính

toán khối lượng riêng của cá tra trong khoảng nhiệt độ -40÷40 0 C

theo quy luật [34,67 ], tuy nhiên giá trị thực nghiệm có biến thiên tuy nhiên không theo quy luật và mức độ biến thiên không lớn Độ biến thiên không theo quy luật là do sai số trong quá trình thí nghiệm

• Trong khoảng nhiệt độ từ t=(-5÷5)0C, tính chất nhiệt vật lý của cá tra có sự biết đổi

đột ngột nguyên nhân gây ra tượng trên được giải thích như sau:

- Trong vùng này nước trong thực phẩm bắt đầu cô đặc lại, khi nhiệt độ giảm đến nhiệt độ kết đông nước chuyển pha từ lỏng sang băng và lúc này xuất hiện thêm một thành phần nhiệt lượng được giải phóng là nhiệt ẩn đông đặc Do đó nhiệt dung riêng của cá tra

sẽ tăng đột ngột tại điểm bắt đầu đóng băng Với điều kiện hiện tại ở Việt Nam chưa có phòng thí nghiệm nào xác định được điểm bắt đầu kết đông của thực phẩm

- Khi nước chuyển pha thành băng (pha lỏng chuyển sang pha rắn) do đó hệ số dẫn nhiệt sẽ tăng đột ngột với giá trị ước tính λbăng ≈ 4λnước

sẽ tăng dẫn đến khối lượng riêng giảm Do đó hệ số dẫn nhiệt độ của cá tra sẽ giảm đột ngột tại điểm bắt đầu kết đông

- Nhược điểm lớn nhất của phương pháp đo này là phá vỡ cấu trúc trong vùng kết

• Trong khoảng nhiệt độ t=(-40÷-5)0C, tính chất nhiệt vật lý của cá tra thay đổi theo những quy luật khác nhau, cụ thể:

- Trong vùng này nước trong cá tra xem như đóng băng hoàn toàn, do đó nhiệt lượng

được giải phóng chỉ là nhiệt hiện Cho nên nhiệt dung riêng sẽ giảm, hệ số dẫn nhiệt tăng

và như vậy hệ số dẫn nhiệt độ sẽ tăng

Cho nên trong vùng lân cận điểm băng t=(-5÷5)0C với những phương pháp đo thông thường không thể xác định được tính chất nhiệt vật lý Vì vậy tác giả phải dựa vào một số mô hình đã được sử dụng rộng rãi để kiểm chứng lại thông số thực nghiệm và nội suy trong vùng không thể đo được bằng phương pháp xung nhiệt

2.2 Xây dựng mô hình thông số nhiệt vật lý trong dải nhiệt độ

[-400C ÷÷÷÷ 400C]

Trên cơ sở các phương pháp thực nghiệm, ta xác định được tính chất nhiệt vật lý của cá tra trong khoảng nhiệt độ từ -400C đến 400C đã trình bày ở phần trên và phương pháp luận xây dựng các mô hình toán dự đoán tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm như: khối lượng riêng , hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng Tác giả xây dựng các mô hình xác

và khối lượng riêng ρ(T) của cá tra Đánh giá độ tin cậy của mô hình so với kết quả thực nghiệm để áp dụng cho mô hình toán xác định thời gian cấp đông của Cá tra

2.2.1 Phát triển mô hình dự đoán tính chất nhiệt vật lý cho cá tra

Trên cơ sở phân tích ở chương một, các dạng các mô hình toán dự đoán tính chất nhiệt vật lý gồm nhiệt dung riêng hiệu dụng Ce(T), hệ số dẫn nhiệt λ(T) và khối lượng riêng ρ(T)của cá tra mà tác giả lựa chọn để áp dụng được thể hiện trong bảng 2.5

Để phát triển các dạng mô hình được trình bày trong bảng 2.5 sử dụng cho cá tra của Việt

Nam trước hết tác giả cần thiết phải tiến hành thí nghiệm để xác định các thành phần cơ bản của cá tra Thành phần cấu tạo của mẫu cá tra (%) được xác định tại Trung tâm dịch vụ phân tích thí nghiệm TP.Hồ Chí Minh:Chất béo: 15,4; Nước: 67,3; Protein: 16,3; Carbohydrate: 0; Sugar:0; Tro: 1,02.Trên cơ sở các thành phần cấu tạo cơ bản này mô hình tính chất nhiệt vật lý của cá tra được xây dựng Kết quả tính toán của các mô hinh này sẽ

được so sánh với các kết quả thực nghiệm và dùng để hiệu chỉnh mô hình

Bảng 2.5 Tổng hợp mô hình dự đoán tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm

n

1 i 1 i

W

) 1 (

12

122

F

F

−Λ

−Λ+

−Λ+Λ+

= λλ

;

1/ 2

Λ = λ λ

0,5 2

( 1)( 1) ( / 2)

Λ −

σ =

Λ + + Λ ;

1 1 1

∆

− +

t M

RT EX c X X c c

w S wo

b u

2 0

i i i

u X c c

2.2.2 Kết quả tính toán các thông số nhiệt vật lý của cá tra theo mô hình

2.2.2.1 Xác định điểm bắt đầu kết đông

Nhiệt độ bắt đầu kết đông của thực phẩm là nhiệt độ mà tại đó tinh thể băng đầu tiên được hình thành Quá trình cấp đông thực phẩm rất khác biệt so với quá trình đông đặc nước tinh khiết Nước tinh khiết bắt đầu đông đặc ở 00C, tại nhiệt độ này toàn bộ nhiệt ẩn

đông đặc được giải phóng Do đó quá trình đông đặc nước tinh khiết chỉ xảy ra ở một nhiệt

độ duy nhất Tuy nhiên, thực phẩm nói chung và cá tra nói riêng chứa bên trong một lượng

nước rất lớn đồng thời có cấu trúc phức tạp và đa thành phần gồm: nước, protein, chất béo, tro, chất khoáng hòa tan (đường, muối…) Cho nên nhiệt độ bắt đầu kết đông của nước trong thực phẩm luôn nhỏ hơn nhiệt độ kết đông của nước tinh khiết Theo [58] nhiệt độ bắt đầu kết đông của thực phẩm dao đông trong khoảng t=(-3,9÷-0,5)0C

Trong quá trình cấp đông cá tra, khi đạt đến nhiệt độ kết đông các tinh thể băng hình thành hàm lượng nước trong thực phẩm giảm, cho nên nồng độ các chất tan chứa bên trong cá tra tăng lên cho nên nhiệt độ bắt đầu kết đông tiếp tục giảm xuống Do đó quá trình kết đông cá tra không ở một nhiệt độ duy nhất mà diễn ra trong một khoảng nhiệt độ nhất định tùy thuộc vào hàm lượng các chất tan chứa bên trong (xem hình 2.11)

Hiện tại, xác định điểm kết đông của thực phẩm được các tác giả công bố dựa vào 3 phương pháp chính: phương pháp lý thuyết, phương pháp bán thực nghiệm và phương pháp thực nghiệm Trong 3 phương pháp trên phương pháp thực nghiệm đạt độ chính xác cao nhất, với phương pháp này đòi hỏi trang thiết bị hiện đại, chi phí đầu tư lớn và ở Việt Nam chưa có phòng thí nghiệm nào xác định được điểm bắt đầu kết đông của thực phẩm Cho nên trong khuôn khổ luận án này, tác giả dựa vào một số tài liệu đã công bố với hàm lượng nước tương tự cá tra để chọn điểm kết đông Theo [58] với thành phần các chất cho trong bảng 2.6 đều có nhiệt độ bắt đầu kết đông ở tf =-2,20C Do đó với thành phần cá tra

đã phân tích cũng nằm trong phạm vi trên, cho nên tác giả chọn nhiệt độ bắt đầu kết đông

của cá tra tf=-2,20C

Hình 2.11 ảnh hưởng của hàm lượng chất tan đến nhiệt độ bắt đầu kết đông

Bảng 2.6 Nhiệt độ bắt đầu kết đông của các loại cá theo thành phần

Loại cá Hàm lượng các chất chứa trong sản phẩm(%) Nhiệt độ bắt đầu

kết đông, tf[0C] Nước Protein Mỡ Carbo Chất xơ Tro

2.2.2.2 Khối lượng riêng

Biến thiên khối lượng riêng của cá tra trong quá trình cấp đông được xác định theo

mô hình dự đoán của Choi và Okos(1986)[36], với khối lượng riêng của các thành phần thay đổi theo nhiệt độ được trình bày trong bảng 2.7

Bảng 2.7 Khối lượng riêng của các thành phần theo Choi-Okos (1986)

Thành phần Khối lượng riêng ρ (kg/m3)