Nghiên cứu xác định các thông số truyền nhiệt, truyền âm đối lưu và thông số nhiệt vật lý của tôm thẻ trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kết hợp với bức xạ hồng ngoại

LỜI CẢM ƠNTrong khoảng thời gian 3 tháng, dưới nhiều sự giúp đỡ, tôi đã hoàn thành đề tài “Nghiên cứu xác định các thông số truyền nhiệt, truyền ẩm đối lưu và thông số nhiệt - vật lý củ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Khánh Hòa, 2018

Giảng viên hướng dẫn : ThS LÊ NHƯ CHÍNH

Sinh viên thực hiện : LÊ ĐỨC TÀI

Mã số sinh viên : 56135159

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Khánh Hòa,7 - 2018

GVHD : ThS LÊ NHƯ CHÍNH SVTH : LÊ ĐỨC TÀI

MSSV : 56135159

LỜI CẢM ƠN

Trong khoảng thời gian 3 tháng, dưới nhiều sự giúp đỡ, tôi đã hoàn thành đề tài

“Nghiên cứu xác định các thông số truyền nhiệt, truyền ẩm đối lưu và thông số

nhiệt - vật lý của tôm thẻ trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kết hợp với bức xạ

hồng ngoại”

Để hoàn thành đề tài tốt nghiệp này trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th.S Lê Như Chính Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực tập và viết báo cáo tốt nghiệp

Qua đây tôi cũng gửi lời cảm ơn đến quý thầy, cô trong phòng thí nghiệm Chuyên ngành Nhiệt Lạnh đã giúp đỡ tạo điều kiện tôi trong quá trình thực tập

Cuối cùng tôi dành sự biết ơn sâu sắc nhất đến tất cả mọi người trong gia đình, bạn

bè đã động viên giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập

Nha Trang, tháng 07 năm 2018

Người thực hiện

Lê Đức Tài

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về nguyên liệu tôm thẻ chân trắng 3

1.1.1 Nguồn lợi 3

1.1.2 Phân loại 3

1.1.3 Đặc điểm hình thái 4

1.1.4 Điều kiện phát triển và phân bố ở Việt Nam 5

1.2 Tổng quan về kỹ thuật sấy 5

1.2.1 Khái niệm về sấy 5

1.2.2 Phân loại các phương pháp sấy 6

1.2.3 Phân loại vật liệu ẩm và các trạng thái của nước trong vật liệu 9

1.2.4 Cơ chế thoát ẩm khỏi vật liệu trong quá trình sấy 11

1.2.5 Các giai đoạn trong quá trình sấy 13

1.2.6 Biến đổi của tôm trong quá trình sấy 15

1.3 Tổng quan về bức xạ hồng ngoại 16

1.3.1 Khái niệm về bức xạ hồng ngoại 16

1.3.2 Một số ứng dụng của bức xạ hồng ngoại 18

1.3.3 Nhiệt bức xạ hồng ngoại 18

1.3.4 Cơ chế sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại 19

1.3.5 Ưu và nhược điểm của công nghệ sấy bức xạ hồng ngoại 19

1.4 Tổng quan về sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt 20

1.4.1 Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt 20

1.4.2 Sơ đồ và nguyên lý làm việc của bơm nhiệt 21

1.5 Sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại 22

1.5.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc 22

1.5.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về sấy bơm nhiệt kết hợp với bức xạ

hồng ngoại 23

1.6 Tổng quan về phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa 27

1.6.1 Xây dựng mô hình giải tích cho đối tượng nghiên cứu 27

1.6.2 Đặt bài toán 28

1.6.3 Phương pháp quy hoạch trực giao 29

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

2.1 Đối tượng nghiên cứu 37

2.1.1 Vị trí, phân loại tôm thẻ chân trắng 37

2.1.2 Thành phần acid amine và acid béo của tôm thẻ chân trắng 38

2.2 Thiết bị phục vụ nghiên cứu 40

Sơ đồ nguyên lý thiết bị: 40

2.3 THỜI GIAN

2.3.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm 44

2.4 Phương pháp phân tích 48

2.5 Phương pháp xử lý số liệu 48

2.5.5.2 Xác định thông số nhiệt - vật lý của tôm thẻ chân trắng trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại 53

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 55

3.1 Kết quả nghiên cứu công đoạn luộc 55

3.2 Kết quả nghiên cứu độ ẩm ban đầu của tôm sau luộc 56

3.3 Hàm mục tiêu và xác định miền tối ưu của các thông số 56

3.3.1 Hàm mục tiêu của đối tượng nghiên cứu 56

3.3.2 Nghiên cứu xác định miền tối ưu của các thông số 56

3.4.1 Các thông số 59

3.4.2 Các mức thí nghiệm 59

3.4.3 Tối ưu hóa bằng phần mềm MINITAB 60

3.5 Ảnh hưởng của các chế độ sấy tối thời gian sấy 63

3.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và vận tốc gió tới thời gian sấy 633

3.5.2 Ảnh hưởng của khoảng cách bức xạ và công suất hồng ngoại đến thời gian sấy 64

3.6 Đánh giá chất lượng tôm sấy ở chế độ tối ưu so với các phương pháp sấy khác 69 3.6.1 So sánh các chỉ tiêu của tôm khô sấy chế độ tối ưu và tôm khô phơi nắng 69

3.6.1.1 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy 69

3.7 Đánh giá tôm sấy chế độ tối ưu so với các phương pháp sấy khác 73

3.8 Tính toán hệ số khuếch tán ẩm và thông số nhiệt vật lý của tôm thẻ chân trắng khi sấy ở chế độ tối ưu 78

3.9 Đề xuất quy trình sấy tôm thẻ chân trắng ở chế độ tối ưu bằng thiết bị sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại 96

3.10 Kết luận 97

3.11 Kiến nghị 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

PHỤ LỤC I 100

PHỤ LỤC II 104

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Số liệu thí nghiệm 28

Bảng 1.2: Ma trận quy hoạch trực giao cấp hai k yếu tố 31

Bảng 2.1: Thành phần acid béo của tôm thẻ chân trắng 38

Bảng 2.2: Thành phần acid amin của tôm thẻ chân trắng 39

Bảng 2.3: Bố trí thí nghiệm theo phần mềm MINITAB với 5 yếu tố 50

Bảng 3.1: Các mức thí nghiệm 59

Bảng 3.2: Kết quả thực nghiệm 60

Bảng 3.3: Bảng so sánh chế độ sấy tối ưu và chế độ phơi nắng 69

Bảng 3.4: Bảng so sánh chế độ sấy tối ưu, sấy bơm nhiệt và sấy BXHN 73

Bảng 3.5: Kết quả tính toán hiệu quả khuếch tán ẩm 79

Bảng 3.6: Biến đổi HSDN λs của tôm theo thời gian 80

Bảng 3.7: Biến đổi nhiệt dung riêng CPs của tôm theo thời gian 82

Bảng 3.8: Biến đổi khối lượng riêng 𝜌𝑠 của tôm theo thời gian 84

Bảng 3.9: Biến đổi HSDNĐ a của tôm theo thời gian 86

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Đường cong sấy Hình 1.2: Đường cong tốc độ sấy 13

Hình 1.3: Đường cong phân bố nhiệt độ trong thí nghiệm của Hersel 16

Hình 1.4: Sơ đồ chuyển năng lượng bức xạ hồng ngoại vào vật thể 17

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt 21

Hình 1.6: Sơ đồ sấy bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại 23

Hình 1.7: Sơ đồ sấy bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại 26

Hình 2.1: Tôm thẻ chân trắng 37

Hình 2.2: Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý thiết bị 40

Hình 2.3: Đồ thị I - d 41

Hình 2.4: Hình ảnh tổng thể của thiết bị 43

Hình 2.5: Hộp điện điều khiển 43

Hình 2.6: Đèn hồng ngoại trên 44

Hình 2.7: Đèn hồng ngoại dưới 44

Hình 2.8: Sơ đồ bố trí thí nghiệm thăm dò thời gian luộc 45

Hình 2.9: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng thể 46

Hình 3.1: Điểm CLCQ của các mẫu tôm theo thời gian sấy khác nhau 55

Hình 3.2: Kết quả nghiên cứu tốc độ sấy U theo các mức công suất hồng ngoại 58

Hình 3.3: Kết quả chạy phần mềm MINITAB của phương trình thời gian sấy Y3 61

Hình 3.4: Kết quả tối ưu hóa bằng phần mền MINITAB 62

Hình 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ và vận tốc gió đến thời gian sấy 63

Hình 3 6: Ảnh hưởng của khoảng cách bức xạ và công suất hồng ngoại đến thời gian sấy 65

Hình 3.7: Ảnh hưởng của độ dày đến thời gian sấy 67

Hình 3.8: Đường cong sấy 70

Hình 3.9: Đường cong tốc độ sấy 70

Hình 3.10: Điểm chất lượng cảm quan của tôm sấy khô chế độ tối ưu và phơi nắng 71

Hình 3.11: Mấu sấy tôm phơi nắng Hình 3.12: Mẫu sấy tôm chế độ tối ưu 72

Hình 3.13: Tỷ lệ hút nước phục hồi của mẫu tôm sấy chế độ tối ưu và phơi nắng 72

Hình 3.14: Đường cong sấy 74

Hình 3.15: Đường cong tốc độ sấy 74

Hình 3.16: Điểm chất lượng cảm quan giữa các phương pháp sấy 75

Hình 3.17: Mẫu tôm sấy ở chế độ tối ưu Hình 3.18: Mẫu tôm sấy bằng BXHN 75

Hình 3.19: Mẫu tôm sấy bằng bơm nhiệt 76

Hình 3.20: Tỷ lệ hút nước phục hồi giữa các phương pháp sấy 77

Hình 3.21: Hiệu suất tiêu hao năng lượng của các phương pháp sấy 77

Hình 3.22: Mối quan hệ giữa độ ẩm và HSDN của tôm thẻ theo phương trình tuyến tính 81

Hình 3.23: Biến đổi HSDN của tôm thẻ theo độ ẩm và thời gian sấy 81

Hình 3.24: Mối quan hệ giữa độ ẩm và NDR của tôm thẻ theo phương trình tuyến tính 82

Hình 3.25: Biến đổi NDR của tôm thẻ theo độ ẩm và thời gian sấy 83

Hình 3.26: Mối quan hệ giữa độ ẩm và KLR của tôm thẻ theo phương trình tuyến tính 84

Hình 3.27: Biến đổi KLR của tôm thẻ theo độ ẩm và thời gian sấy 85

Hình 3.28: Mối quan hệ giữa độ ẩm và HSDNĐ của tôm thẻ theo phương trình tuyến tính 86

Hình 3.29: Biến đổi HSDNĐ theo độ ẩm và thời gian sấy 87

Hình 3.30: Biến đổi HSDN tôm thẻ theo độ ẩm của các phương pháp sấy 88

Hình 3.31: Biến đổi NRD tôm thẻ theo độ ẩm của các phương pháp sấy 89

Hình 3.32: Biến đổi KLR tôm thẻ theo độ ẩm của các phương pháp sấy 90

Hình 3.33: Biến đổi HSDNĐ tôm thẻ theo độ ẩm của các phương pháp sấy 91

Hình 3.34: Biến đổi HSDN tôm thẻ theo độ ẩm của các mức công suất hồng ngoại 92

Hình 3.35: Biến đổi NDR tôm thẻ theo độ ẩm của các mức công suất hồng ngoại 93

Hình 3.36: Biến đổi KLR tôm thẻ theo độ ẩm của các mức công suất hồng ngoại 94

Hình 3.37: Biến đổi HSDNĐ tôm thẻ theo độ ẩm của các mức công suất hồng ngoại 95 Hình 3.38: Sơ đồ quy trình đề xuất 96

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

LỜI NÓI ĐẦU

Nước ta có 3200 km bờ biển với gần 1 triệu km2 thềm lục địa Tổng trữ lượng cá trong vùng biển Việt Nam khoảng 3 triệu tấn, với trữ lượng cá trên đã tạo điều kiện cho nước ta phát triển mạnh nhiều ngành nghề về thủy sản Trong đó xuất khẩu thủy sản là ngành mang lại giá trị kinh tế hết sức to lớn Xuất khẩu thủy sản của cả nước trong tháng 3/2018 đạt 700 triệu USD, tăng 16% so với cùng kỳ năm ngoái Trong đó, tôm thẻ chân trắng đạt 510 triệu USD, tăng 29% và chiếm 70% tổng sản lượng tôm xuất khẩu Trong các mặt hàng thủy sản xuất khẩu thì mặt hàng khô là một trong những thế mạnh của xuất khẩu thủy sản và tỉ trọng ngày càng tăng Trong đó sản phẩm tôm khô là sản phẩm mới và ngày càng được ưa chuộng Tuy nhiên vẫn còn nhiều nơi chế biến tôm khô bằng phương pháp thủ công thô sơ, chưa mang lại hiệu quả cao Phương pháp làm khô chủ yếu là sấy bằng không khí nóng từ lò than, phơi nắng hoặc sử dụng các phương pháp sấy khô khác nhưng hiệu quả không cao Tuy nhiều doanh nghiệp, xưởng chế biến

đã cải tiến quy trình lắp đặt, máy móc trang thiết bị hiện đại nhưng vẫn chưa tìm ra được chế độ tối ưu cho thiết bị mà họ lắp đặt, dẫn đến dù vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm, thời gian sấy có cải thiện nhưng vẫn chưa phải là nhanh nhất và giúp đảm bảo chất lượng của sản phẩm là tốt nhất

Hiện nay có rất nhiều phương pháp sấy và mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng Khi yêu cầu chất lượng sản phẩm ngày càng cao, hiệu quả kinh tế, chúng ta cần tìm ra phương pháp kết hợp để khắc phục nhược điểm của các phương pháp, từ đó làm giảm được thời gian sấy, nâng cao được chất lượng sản phẩm Việc nghiên cứu động học sấy giúp ta tìm hiểu được tốc độ thoát ẩm của nguyên liệu ở từng chế độ sấy khác nhau, thay đổi nhanh hay chậm và từ đó có thể chọn được chế độ phù hợp cho việc sấy tôm thẻ chân trắng, cải tiến quy trình Xuất phát từ yêu cầu bức thiết của thực tế tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:

“Nghiên cứu xác định chế độ sấy và thông số nhiệt vật lý trong quá trình sấy tôm thẻ chân trắng bằng bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại”

Nhằm hiện đại hóa công nghệ sấy thủy sản, tiết kiệm thời gian sấy, năng lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm từ đó làm tăng giá trị sử dụng, giá trị kinh tế cho sản

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nghiên cứu chế độ sấy, tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy tôm thẻ chân trắng bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại Từ đó tìm ra chế độ sấy tối ưu cho quá trình sấy tôm thẻ chân trắng, nâng cao tốc độ sấy và giảm thời gian sấy giúp tiết kiệm chi phí về năng lượng, tăng hiệu quả kinh tế

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu chế độ sấy nhằm xác định chế độ tối ưu cho việc sấy tôm thẻ chân trắng bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại

Tìm ra phương pháp mới, đổi mới công nghệ theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa

Giảm thời gian sấy, tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm tôm khô, cũng như sản phẩm thủy sản khô

Nâng cao giá trị sử dụng, nâng cao giá trị kinh tế cho sản phẩm thủy sản khô Giảm lượng phế phẩm trong quá trình sấy khô thủy sản

Nâng cao hiệu quả kinh tế cho ngành chế biến thủy sản Việt Nam

Nội dung nghiên cứu

Thực nghiệm tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất, tốc độ sấy và chất lượng sản phẩm

Xác định chế độ sấy tối ưu cho tôm thẻ chân trắng bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại qua thực nghiệm và tính toán các thông số

Phân tích đánh giá một số chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm tôm thẻ chân trắng khô

và so sánh với tôm sấy bằng một số phương pháp khác

Xác định các thông số nhiệt vật lý trong quá trình sấy tôm thẻ chân trắng bằng bơm nhiệt kết hợp với bức xạ hồng ngoại

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về nguyên liệu tôm thẻ chân trắng

1.1.1 Nguồn lợi

Tôm thẻ chân trắng (Tên tiếng Anh: White Leg Shrimp)

Tôm có màu xanh tím hay đỏ nhạt, trên thân tôm có vằn ngang, râu có khoang vàng nhạt, cỡ trưởng thành từ 40 ÷ 150g Tôm chân trắng lớn rất nhanh trong giai đoạn đầu, mỗi tuần có thể tăng trưởng 3g với mật độ 100 con/m2, sau khi đã đạt được 20g tôm bắt đầu lớn chậm lại, khoảng 1g/tuần, tôm cái thường lớn nhanh hơn tôm đực Đặc điểm: Ít bị nhiễm bệnh tật hơn tôm sú, chu kì nuôi ngắn ngày, giá cả ổn định trên thế giới

Tôm thẻ có nhiều loài nhưng hiện đang được nuôi và nhu cầu tiêu thụ nhiều nhất

là tôm thẻ chân trắng Tôm thẻ chân trắng là loài được các nước thế giới ưa chuộng nhất đặc biệt là Hoa Kỳ và các nước Châu Âu Theo Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu thủy sản Việt Nam (VASEP), xuất khẩu tôm tiếp tục tăng trưởng mạnh trong năm 2017, kim ngạch xuất khẩu ước đạt 3,8 tỷ USD, tăng 22% so với năm 2016 Sản lượng tôm thẻ 4 tháng đầu năm 2018 ở nước ta ước đạt 62,9 nghìn tấn Riêng vùng Đồng bằng sông Cửu Long sản lượng tôm thẻ ước đạt 51,5 nghìn tấn, tăng 28 % so với cùng kỳ năm 2017

1.1.2 Phân loại

Nhóm gần bờ: Có số lượng loài đông nhất, tập trung ở độ sâu dưới 50m Đặc biệt

quan trọng là các loài tôm có giá trị đều tập trung ở nhóm này, tiêu biểu có: Penaeus monodon, P merguiensis, P indicus, P semisulcatus, Metapenaeus ensis, M affinis…

Nhóm phân bố rộng: Phân bố từ bờ đến độ sâu 200m, chúng phân bố làm hai nhóm

phụ, nhóm phụ một phân bố từ bờ đến độ sâu 100m, tiêu biểu có P japonicus, P cananiculatus, Metapenaosis palmensis, M barbuta…; Nhóm phụ thứ hai thích nghi với độ sâu từ 50m – 200m, như các loài Solenocera Pestinata, S melantho, S koelbeli, Parapenaeus fissures, Pa sextaberculatus…

Nhóm biển sâu: Tồn tại ở độ sâu từ 140m đến 400m nước Đại diện có các loài: P

1.1.3 Đặc điểm hình thái

Như cấu tạo chung của tôm, tôm thẻ chân trắng được chia làm hai phần: Đầu ngực (Cephalothorax) và phần bụng (Abdoment) Phần đầu ngực có 13 đốt được dính liền với nhau, được bao bọc phía trên và 2 bên bởi giáp ngực (carapace), phía trước của giáp đầu ngực kéo dài thành chủy đầu (Rostrum) Phía dưới chủy đầu là mắt kép có cuống Phần đầu ngực có 13 đôi phần phụ theo thứ tự từ trước ra sau là: 2 đôi râu (Anten),

1 đôi hàm trên, 2 đôi hàm dưới, 3 đôi chân hàm và 5 đôi chân bò (Pereiopod) Hai đôi râu làm nhiệm vụ xúc giác, đôi râu thứ hai có một nhánh rất dài và mảnh Ba đôi hàm làm nhiệm vụ nghiền thức ăn Ba đôi chân hàm góp phần giữ, đưa thức ăn vào miệng và quạt nước, tạo dòng nước lưu chuyển qua mang Năm đôi chân bò dùng để bám và bò trên nền đáy Ba đôi chân bò trước có đốt cuối biến thành kìm có tác dụng gắp thức ăn

Ở gốc các chân hàm và chân bò có một phần biến đổi thành mang để hô hấp

Phần bụng có 7 đốt được bao bọc bởi 7 tấm vỏ Ở năm đốt đầy của phần bụng, mỗi đốt mang một đôi phần phụ gọi là chân bơi (Pleopod) có tác dụng như mái chèo trong khi tôm bơi Đốt bụng 6 không có phần phụ Đốt bụng 7 biến đổi thành một cấu trúc gọi

là Telson, hai bên Telson có đôi phần phụ gọi là chân đuôi (Uropod) có tác dụng như những bánh lái, điều khiển hướng trong khi tôm bơi

Cũng như các loài tôm cùng họ Penaeid, tôm thẻ chân trắng cái ký thác hoặc rải trứng ra thay vì mang trứng tới khi trứng nở Chủng tôm này có 2 răng cưa ở bụng và 8-

9 răng cưa ở lưng Tôm nhỏ lúc thay vỏ cần vài giờ để vỏ cứng nhưng khi tôm đã lớn thì cần khoảng 1-2 ngày Trong thiên nhiên, tôm trưởng thành giao hợp, sinh đẻ trong những vùng biển có độ sâu 70 mét với nhiệt độ 26-28oC, độ mặn khá cao (35 phần ngàn) Trứng nở ra ấu trùng và vẫn loanh quanh ở khu vực sâu này Tới giai đoạn Potlarvae, chúng bơi vào gần bờ và sinh sống ở đáy những vùng cửa sông cạn Nơi đây điều kiện môi trường rất khác biệt: Đồ ăn nhiều hơn, độ mặn thấp hơn, nhiệt độ cao hơn Sau một vài tháng, tôm con trưởng thành, chúng bơi ngược ra biển và tiếp diễn cuộc sống giao hợp, sinh sản làm chọn chu kỳ

1.1.4 Điều kiện phát triển và phân bố ở Việt Nam

Khu vực Nghĩa Bình – Phú Yên, Khánh Hòa, đối tượng khai thác chủ yếu là tôm Vỗ, tôm Bạc, tôm Rồng, tôm Hùm,… Mùa vụ vào tháng 5 – 9, cao điểm là vào tháng 6 – 7

Khu vực Nam Hoàng Sa, chủ yếu là tôm Rồng

Khu vực Côn Sơn có tôm Vỗ và các loại tôm nhỏ thuộc họ tôm Gai và họ

Pandalidae Mùa vụ khai thác từ tháng 5 – 7 và tháng 11 – 1 năm sau

Khu vực Tây Nam Bộ chủ yếu là tôm Vỗ, tôm Bạc, tôm Rảo,… Mùa vụ từ tháng

10 – 4 năm sau

Khu vực Cù lao Thu, Bình Thuận, chủ yếu là tôm Vỗ, tôm Bạc, tôm Rảo, tôm Hùm,… Mùa vụ chính là tháng 1 – 3 và mùa phụ từ tháng 5 – 9

1.2 Tổng quan về kỹ thuật sấy

1.2.1 Khái niệm về sấy

Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng cách cung cấp cho vật liệu một năng lượng dưới dạng nhiệt nhờ vào tác nhân sấy và thiết bị sấy Nhiệt được cung cấp cho vật liệu bằng dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc năng lượng điện trường có tần số cao

Mục đích của quá trình sấy là làm giảm hàm lượng nước trong vật liệu, tăng độ bền từ đó làm tăng thời gian bảo quản, việc sấy khô giúp thuận tiện trong khâu vận

Trong quá trình sấy nước của nguyên liệu được vận chuyển từ thể lỏng sang thể hơi nhờ vào sự chênh lệch của áp suất của hơi nước trên bề mặt với áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm Sấy là một quá trình không ổn định, độ ẩm của nguyên liệu thay đổi theo không gian và thời gian

Quá trình sấy được khảo sát về hai mặt: Tĩnh lực học và động lực học

Trong tĩnh lực học, sẽ xác định được mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy và các tác nhân sấy dựa trên phương trình cân bằng vật chất – năng lượng, từ đó xác định được trạng thái vật liệu và sản phẩm, sự tiêu hao tác nhân sấy và tiêu hao nhiệt lượng cần thiết

Trong động lực học, sẽ khảo sát mối quan hệ giữa sự biến thiên của độ ẩm vật liệu với thời gian và các thông số của quá trình Ví dụ như tính chất và cấu trúc của vật liệu, kích thước vật liệu, và các điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy,… Từ đó xác định được chế độ sấy, tốc độ sấy và thời gian sấy thích hợp

1.2.2 Phân loại các phương pháp sấy

1.2.2.1 Sấy tự nhiên (phơi nắng)

Đây là phương pháp truyền thống sử dụng năng lượng mặt trời để tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy

Ưu điểm: Không tốn kém về nhiên liệu, diệt trừ một số nấm mốc, côn trùng Nhược điểm: Không chủ động, phụ thuộc vào thời tiết Tốn nhiều công lao động

và không cơ giới hóa được Vật liệu sấy dễ bị nhiễm bẩn, bị ẩm khi gặp mưa

1.2.2.2 Sấy nhân tạo

Sử dụng tác nhân sấy để thực hiện quá trình sấy, tác nhân sử dụng là không khí

ẩm, khói lò, hơi quá nhiệt,… Có nhiều phương pháp sấy nhân tạo khác nhau Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt có thể chia ra các loại sau:

a) Sấy đối lưu

Nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy là nhiệt truyền từ môi chất sấy đến vật liệu bằng cách truyền nhiệt đối lưu

Sấy bằng đối lưu là phương pháp dùng không khí nóng hoặc hỗn hợp không khí nóng với khói lò làm khô sản phẩm

Không khí sau khi được đốt nóng, đưa vào buồng sấy, trao đổi nhiệt với vật liệu sấy, vật liệu sấy được cung cấp một nhiệt lượng cần thiết và làm cho ẩm trong vật liệu bốc hơi

Ở trong nước, phương pháp sấy đối lưu đã được TS.Trần Đại Tiến, ThS.Lê Như Chính [1], thí nghiệm thành công và đưa ra kết luận:” Thiết bị sấy đối lưu bằng bơm nhiệt không những cải thiện được chất lượng sản phẩm thủy sản khô mà còn tiết kiệm năng lượng cho quá trình sấy”

b) Sấy bức xạ

Phương pháp sấy bức xạ nguồn nhiệt cung cấp cho vật sấy bằng cách cho quá trình sấy thực hiện bằng bức xạ từ một bề mặt nào đó đến vật sấy Nguồn nhiệt bức xạ thường dùng là đèn hồng ngoại, gốm hồng ngoại, dây, tấm hoặc thanh điện trở, dùng nhiên liệu lỏng hay khí Sấy bức xạ có thể tiến hành trong điều kiện tự nhiên hoặc trong buồng kín

Ưu điểm:

Cường độ bay hơi ẩm lớn, có thể tới vài lần so với sấy đối lưu và tiếp xúc Điều này được giải thích là dòng nhiệt bức xạ trên một đơn vị diện tích lớn hơn đáng kể Thiết bị sấy gọn nhẹ, chiếm ít diện tích

Thời gian sấy cho phép rút ngắn, do đó tăng năng suất, chất lượng sản phẩm cao, giá thành sản phẩm cao

Nhược điểm:

Sản phẩm sấy dễ bị nứt vỡ và cong vênh Do vậy các vật liệu sấy như gỗ, men sứ không thích hợp với kiểu sấy này

Phương pháp sấy bức xạ không thích hợp với các vật liệu sấy có kích thước dày

Vì vậy để khắc phục được hai nhược điểm trên thì điều kiện nguyên liệu sấy phải mỏng, sự cách biệt nhiệt độ và độ ẩm trong quá trình chiếu không lớn, có thể dùng phương pháp sấy gián đoạn đối với những nguyên liệu có chiều dày lớn

ThS Lê Như Chính [2], đã trình bày kết quả nghiên cứu xác định chế độ sấy thích hợp khi sấy tôm thẻ chân trắng bằng phương pháp bơm nhiệt máy nén kết hợp bức xạ hồng ngoại cho chất lượng sản phẩm tôm thẻ khô tốt nhất

c) Sấy tiếp xúc

Phương pháp sấy tiếp xúc là phương pháp sấy mà quá trình gia nhiệt vật liệu sấy được thực hiện trực tiếp giữa vật liệu sấy với bề mặt gia nhiệt Quá trình truyền nhiệt từ

Sấy tiếp xúc được thực hiện khi đốt nóng sản phẩm bằng chất tải nhiệt qua thành dẫn nhiệt Không khí nóng hay khói lò, hơi nước đi qua phần dưới của buồng sấy, ngăn cách phần trên bởi thanh đặc Trên đó xếp vật liệu ẩm Nhờ tiếp xúc với thành đã đốt nóng mà sản phẩm nóng lên và được sấy khô

d) Sấy bằng dòng điện cao tầng

Nhiệt cung cấp cho vật sấy nhờ dòng điện cao tần tạo nên điện trường cao tần trong vật sấy làm vật sấy nóng lên Vật sấy được đặt giữa hai bản tụ điện có điện áp tần số cao Dưới tác dụng của điện trường tần số cao vật được gia nhiệt và ẩm trong vật sẽ hóa hơi và thoát ra ngoài

Ưu điểm:

Sấy bằng điện trường có tần số cao có ưu điểm hơn các kiểu sấy khác là sự gia nhiệt vật liệu được thực hiện nhờ trong toàn bộ thể tích vật nên nhiệt độ dễ đồng đều hơn

Gia nhiệt bằng điện trường có tần số cao vật sẽ có nhiệt độ cao hơn nên gradient nhiệt độ và gradient độ ẩm cùng chiều nên thuận lợi cho quá trình sấy

Dễ dàng điều chỉnh được nhiệt độ của vật liệu sấy, thích hợp với các loại vật liệu dày

Nhược điểm:

Tiêu hao năng lượng sấy lớn, chi phí đầu tư lớn

Thiết bị phức tạp vì vậy việc vận hành bảo dưỡng đòi hỏi người có trình độ chuyên môn

e) Sấy thăng hoa

Phương pháp này được thực hiện bằng cách làm lạnh vật đồng thời hút chân không

để cho vật sấy đạt đến trạng thái thăng hoa của nước Ẩm thoát ra khỏi vật liệu sấy nhờ quá trình thăng hoa

Ưu điểm của phương pháp sấy chân không thăng hoa là thực hiện ở áp suất chân không, có nhiệt độ thấp nên vật liệu sấy giữ được tính chất tươi sống của sản phẩm Nếu dùng để sấy thực phẩm sẽ giữ được chất lượng và hương vị của sản phẩm, không bị mất các vitamin

Tiêu hao năng lượng để bay hơi ẩm thấp

Nhược điểm của sấy thăng hoa là giá thành thiết bị cao, vận hành rất phức tạp, người vận hành cần có trình độ kỹ thuật cao, tiêu hao điện năng lớn

1.2.3 Phân loại vật liệu ẩm và các trạng thái của nước trong vật liệu

1.2.3.1 Các loại vật liệu ẩm

Theo quan điểm hóa lý: Vật ẩm là một hệ liên kết phân tán giữa pha phân tán và môi trường phân tán Pha phân tán là một chất có cấu trúc mạng và khung không gian

từ chất rắn phân tán đều trong môi trường phân tán (là một chất khác)

Dựa theo tính chất lý học, người ta có thể chia vật ẩm ra thành ba loại:

Vật liệu keo: Đặc trưng là vật có tính dẻo do có cấu trúc hạt Nước hoặc ẩm ở dạng

liên kết hấp thụ và thẩm thấu Các vật keo có đặc điểm chung là khi sấy bị co lại khá nhiều, nhưng vẫn giữ được tính dẻo Ví dụ: gelatin, các sản phẩm từ bột nhão, tinh bột,…

Vật liệu xốp mao dẫn: Nước hoặc ẩm ở dạng liên kết cơ học do áp lực mao quản

hay còn gọi là lực mao dẫn Vật liệu này thường dò hầu như không có lại và dễ dàng làm nhỏ (vỡ vụn) sau khi làm khô Ví dụ: đường tinh thể, muối ăn,…

Vật liệu keo xốp mao dẫn: Bao gồm tính chất của hai nhóm trên Về cấu trúc tinh

chất các vật này thuộc xốp mao dẫn, nhưng về bản chất là các vật keo, có nghĩa là thành mao dẫn của chúng có tính dẻo, khi hút ẩm các mao dẫn của chúng trương lên, khi sấy khô thì co lại Loại vật liệu này chiếm phần lớn các vật liệu sấy Ví dụ: thủy sản,…

1.2.3.2 Các trạng thái của nước trong vật liệu

Các liên kết giữa ẩm với vật khô có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy Nó sẽ chi phối đến diễn biến của quá trình sấy

Vật ẩm thường tập hợp của ba pha: Rắn, lỏng và khí hơi Các vật rắn đem đi sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn Trong các mao dẫn có chứa ẩm lỏng cùng với hỗn hợp hơi khí có thể tích rất lớn (thể tích xốp) nhưng tỷ lệ khối lượng của nó so với phần rắn và phần lỏng có thể bỏ qua Do vậy trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và chất lỏng

Dựa vào bản chất của liên kết người ta xếp thành ba nhóm liên kết chính: Liên kết hóa học, liên kết hóa lý và liên kết cơ lý

Liên kết hóa học

Liên kết hóa học giữa ẩm và vật khô rất bền vững trong đó các phân tử nước đã trở

Loại ẩm này gọi là ẩm liên kết chỉ có thể tách ra khi có phản ứng hóa học hoặc thường phải nung nóng đến nhiệt độ cao Sau khi tách ẩm tính chất hóa lý của vật sấy thay đổi Ẩm này có thể tồn tại ở dạng liên kết phân tử như muối hydrat MgCl2.6H2O hoặc ở dạng liên kết ion như Ca(OH)2

Trong quá trình sấy (nhiệt độ 12 oC ÷ 150oC) không tách được ẩm liên kết hóa học

Liên kết hóa lý

Liên kết này không đòi hỏi nghiêm ngặt về tỷ lệ thành phần liên kết Có hai loại: Liên kết hấp phụ và liên kết thẩm thấu Liên kết hấp phụ của nước có gắn liền với các hiện tượng xảy ra trên bề mặt giới hạn của các pha (rắn hoặc lỏng) Các vật ẩm thường

là các vật keo, có cấu tạo hạt Bán kính tương đương của hạt từ 10-9 ÷ 10-7 m Do cấu tạo hạt nên vật keo có bề mặt trong rất lớn, vì vậy nó có năng lượng bề mặt tự do không đáng kể Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với ẩm, ẩm sẽ xâm nhập vào các

bề mặt tự do này tạo thành liên kết hấp phụ giữa ẩm và bề mặt

Liên kết thẩm thấu là sự liên kết hóa lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào Khi nước ở bề mặt vật thể bay hơi thì nồng độ của dung dịch ở đó tăng lên và nước ở sâu bên trong sẽ thấm ra ngoài Ngược lại thì khi ta đặt vật thể vào trong nước thì nước sẽ thấm vào trong

Liên kết cơ lý

Đây là dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu được tạo thành do sức căng bề mặt của

ẩm trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật Liên kết cơ học bao gồm liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ướt

Liên kết cấu trúc: Là liên kết giữa ẩm và vật liệu hình thành trong quá trình vật Ví

dụ: nước ở trong các tế bào động vật, do vật đông đặc khi nó chứa sẵn nước Để tách ẩm trong trường hợp liên kết cấu trúc ta có thể làm ẩm bay hơi, nén ép vật hoặc phá vỡ cấu trúc vật… Sau khi tách ẩm, vật bị biến đổi tính chất và thậm chí thay đổi trạng thái pha

Liên kết mao dẫn: Nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản Trong các vật thể này có vô

số các mao quản Các vật thể này khi để trong nước, nước sẽ theo các mao quản xâm nhập vào vật thể Khi vật thể này để trong môi trường không khí ẩm thì hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao quản và theo các mao quản xâm nhập vào trong vật thể

Liên kết dính ướt: Là liên kết do nước bám dính vào bề mặt vật Ẩm liên kết dính

ướt dễ tách khỏi vật bằng phương pháp bay hơi đồng thời có thể tách ra bằng các phương pháp cơ học như: lau, thấm, thổi, vắt

1.2.4 Cơ chế thoát ẩm khỏi vật liệu trong quá trình sấy

Quá trình làm khô là một quá trình hết sức phức tạp Nếu quá trình cung cấp nhiệt ngừng lại thì quá trình làm khô sẽ dừng lại Do đó khi làm khô vật liệu phải được cung cấp một lượng nhiệt nhất định để nguyên liệu nhiệt độ cần thiết

Nhiệt cung cấp cho vật liệu Q được đưa tới bằng ba phương thức: Bức xạ, truyền dẫn và đối lưu

Sự cân bằng nhiệt khi làm khô được biểu thị:

Trong đó:

Q: Nhiệt lượng cung cấp cho nguyên liệu

q1: Nhiệt lượng làm cho các phân tử hơi và hơi nước tách ra trong nguyên liêu

q2: Nhiệt lượng để cắt đứt các mối liên kết giữa nước và protit trong nguyên liệu

q3: Nhiệt lượng dung làm khô các tổ chức tế bào

Trong khi sấy khô còn phải tính đến nhiệt lượng làm nóng dụng cụ, thiết bị q4 và nhiệt lượng tổn thất ra môi trường bên ngoài q5

Trong quá trình làm khô, nước ở trong vật liệu chuyển dần ra ngoài và đi vào trong không khí làm cho không khí xung quanh ẩm lên, nếu không khí ẩm đó đứng yên thì chỉ đến một lúc nào đó quá trình làm khô sẽ dừng lại

Quá trình chuyển ẩm trong vật liệu sấy bao gồm hai quá trình đó là quá trình khuếch tán ngoại và quá trình khuếch tán nội

1.2.4.1 Khuếch tán ngoại

Trong quá trình làm khô sự chuyển động của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu chuyển dần ra ngoài và đi vào trong không khí gọi là quá trình khuếch tán ngoại Lượng nước bay hơi do khuếch tán ngoại thực hiện được dưới điều kiện: Áp suất hơi nước bão

hòa trên bề mặt nguyên liệu P bh lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không

khí p, sự chênh lệch đó là:

Lượng nước bay hơi tỉ lệ thuận với ∆P với bề mặt bay hơi F và thời gian làm khô

dW = B(Pbh-p)F.dT (1.3) Trong đó:

W: Lượng nước bay hơi (kg)

F: Diện tích bay hơi (m2)

T: Thời gian bay hơi (h)

Pbh: Là áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt nguyên liệu (mmHg)

p: Áp suất hơi nước riêng phần của hơi nước trong không khí (mmHg)

B: Hệ số bay hơi

Ẩm chuyển dời từ bề mặt vật liệu sấy ra môi trường sấy xung quanh cần được đền

bù bằng cách chuyển ẩm từ bên trong vật liệu sấy ra đến bề mặt của nó

dW

Trong đó:

W: Lượng nước khuếch tán ra (kg)

T: Thời gian khuếch tán (h)

độ ẩm và dòng dịch chuyển dưới tác dụng của nhiệt độ có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với nhau Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển cùng chiều với nhau sẽ làm thúc đẩy quá trình thoát ẩm, rút ngắn thời gian sấy Và ngược lại nếu hai dòng ẩm dịch chuyển ngược chiều dễ kìm hãm sự thoát ẩm, kéo dài thời gian sấy

1.2.4.3 Mối quan hệ giữa khuếch tán nội và khuếch tán ngoại

Khuếch tán nội và khuếch tán ngoại có mối quan hệ mật thiết, tức là khuếch tán ngoại có được tiến hành thì khuếch tán nội mới được tiếp tục và như thế độ ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần

Nếu khuếch tán nội lớn hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ nhanh, nhưng điều đó thì ít có Khuếch tán nội của nước trong nguyên liệu thường nhỏ hơn tốc độ bay hơi trên bề mặt Khi khuếch tán nội nhỏ hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ

1.2.5 Các giai đoạn trong quá trình sấy

Hình 1.1: Đường cong sấy Hình 1.2: Đường cong tốc độ sấy

𝛕 (h)

1.2.5.1 Giai đoạn làm nóng vật liệu (A-B)

Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho tới khi đạt đến nhiệt độ bầu ướt tương ứng với nhiệt độ của không khí bao quanh tiếp xúc với vật liệu sấy Trong giai đoạn này toàn bộ vật liệu sấy được gia nhiệt Ẩm lỏng trong vật cứng cũng được gia nhiệt cho đến khi đạt nhiệt độ sôi tương ứng với phân

áp suất hơi nước trong một trường không khí trong buồng sấy

Quá trình tăng nhiệt độ diễn ra không đồng đều ở phần ngoài và phần trong vật Vùng trong vật đạt tới tư chậm hơn Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy trong giai đoạn này là một đường cong, do năng lượng liên kết nước của nước liên kết cơ lý nhỏ vì vậy đường cong tốc độ sấy và đường cong sấy là một đường cong lồi

1.2.5.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc (B-C)

Là giai đoạn ẩm bay hơi ở nhiệt độ không đổi, do sự chênh lệch giữa nhiệt độ của vật liệu sấy và nhiệt độ của môi trường không khí xung quanh không đổi nên tốc độ sấy không đổi Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trong vật sẽ truyền

ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi Ẩm thoát ra trong giai đoạn này là ẩm liên kết cơ lý và hóa lý Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi biến thiên của độ chứa ẩm theo thời gian

là tuyến tính Từ đó đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy trong giai đoạn này là một đường thẳng

1.2.5.3 Giai đoạn sấy giảm tốc (C-D)

Ở giai đoạn cuối thì hàm lượng nước còn lại trong nguyên liệu ít và chủ yếu là nước liên kết do đó năng lượng liên kết lớn Vì vậy việc tách ẩm cũng khó khăn hơn và cần năng lượng lớn hơn nên đường cong tốc độ sấy và đường cong sấy thường có dạng cong Tuy nhiên, hình dạng của đường cong là phụ thuộc vào dạng liên kết ẩm trong vật liệu và tùy thuộc vào dạng vật liệu sấy Độ ẩm của vật liệu cuối quá trình sấy phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường không khí xung quanh

1.2.6 Biến đổi của tôm trong quá trình sấy

1.2.6.1 Các biến đổi về trạng thái

Về khối lượng: Do lượng nước mất đi trong quá trình sấy, làm cho khối lượng tôm

giảm xuống Sự giảm khối lượng của sản phẩm đáng ra đúng bằng khối lượng của hàm lượng nước mất đi, nhưng thực tế lại nhỏ hơn Nguyên nhân là do quá trình làm khô sản phẩm bị oxy hóa làm cho khối lượng tăng lên chút ít

Về thể tích: Do nước mất đi trong quá trình làm khô, nên thể tích của nguyên liệu

co rút lại, mức độ co rút phụ thuộc vào phương pháp làm khô Đúng ra thể tích của nguyên liệu giảm đi bằng đúng thể tích của nước mất đi nhưng thực tế cũng nhỏ hơn Nguyên nhân là tổ chức kết cấu của thịt tôm ở thể keo xốp cho nên khi mất nước đi, các khoảng trống của mô cơ vẫn tồn tại hoặc chỉ co rút phần nào nên thể tích co rút nhỏ hơn thể tích nước mất đi

Sự biến đổi về màu sắc và mùi vị: Trong quá trình làm khô, màu sắc và mùi vị của

sản phẩm cũng biến đổi Nguyên nhân là do nguyên liệu bị mất nước, thể tích co rút, hoặc bị oxy hóa, các sắc tố bị khử, điều đó là do quá trình phát triển của vi sinh vật gây nên và nguyên nhân nữa là do nước mất đi làm cho nồng độ các thành phần trong thịt tôm tăng lên, sản phẩm sẽ có màu đậm hơn và có mùi vị cháy khét Phương pháp làm khô càng thô sơ thì màu sắc, mùi vị của sản phẩm bị biến đổi càng nhiều

Sự biến đổi về kết cấu tổ chức của nguyên liệu: Trong quá trình làm khô, do mất

nước nên tổ chức của nguyên liệu co rút lại chặt chẽ hơn, sự biến đổi đó khác nhau theo phương pháp làm khô Quá trình làm khô càng nhanh, tổ chức cơ thịt của nguyên liệu càng ít co rút, tổ chức cơ thịt của sản phẩm sau khi sấy xốp, mức độ hút nước tốt và phục hồi lại gần giống với trạng thái ban đầu

1.2.6.2 Sự biến đổi hóa học

Trong quá trình sấy khô, do men và vi sinh vật hoạt động phân hủy một số chất ngấm ra làm cho hàm lượng của chúng giảm xuống Đối với các sản phẩm khô mặn hoặc khô chín, vì khi qua khâu luộc cũng làm tổn thất nhiều chất ngấm ra Trong quá trình làm khô, lượng acid amin tự do cũng giảm bớt Quá trình làm khô càng dài, sự tổn thất của chất ngấm ra càng nhiều và các phản ứng hóa học như phản ứng thủy phân, oxy hóa… Có điều kiện xảy ra làm cho mùi vị, màu sắc của sản phẩm cũng giảm theo Vì

vậy, việc làm khô nhanh chóng là biện pháp tích cực đẻ giảm bớt sự tổn thất của chất ngấm ra

1.3 Tổng quan về bức xạ hồng ngoại

1.3.1 Khái niệm về bức xạ hồng ngoại

Năm 1980, khi nghiên cứu phổ mặt trời, lần đầu tiên Uliam Hersel [14] đã phát hiện ra bức xạ nhiệt ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy Khi di chuyển nhiệt kế trong trường phổ mặt trời, thấy rằng trong vùng không nhìn thấy có nhiệt độ cao nhất, nó được phân

bố một cách tự nhiên sau màu đỏ

Hình 1.3: Đường cong phân bố nhiệt độ trong thí nghiệm của Hersel

Trên hình 1.3 đường cong R thể hiện vùng của phổ nhìn thấy được, đường cong S thể hiện vùng không thấy được Chúng đạt nhiệt độ cực đại khi kết thúc phổ nhìn thấy được, sau màu đỏ Gọi các tia này là tia nhiệt đặc biệt, nó khác về chất lượng so với các tia sáng thấy được Sau đó, ông chứng minh được bức xạ đó nằm trong dải hồng ngoại

và tuân theo những quy luật như bức xạ nhìn thấy

Bức xạ hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy được nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba Chữ "hồng ngoại" có nghĩa là "dưới mức đỏ", màu đỏ

là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường Bức xạ được hiểu là quá trình sinh hay chuyển năng lượng bằng các sóng điện từ Cùng với sự sáng lập bức xạ hồng ngoại, các nhà bác học phát triển sử dụng các tia hồng ngoại trong kĩ thuật, gọi là kĩ thuật hồng ngoại

Tia hồng ngoại có thể được phân chia thành ba vùng theo bước sóng, trong khoảng

từ 0.7µm ÷ 1 mm

Đặc điểm của bức xạ hồng ngoại:

Tia hồng ngoại có bản chất là sóng điện từ, nó truyền đi với vận tốc ánh sáng

2.99×108 m/s, nó không đốt nóng không khí mà nó đi qua, một phần không đáng kể được hấp thụ bởi CO2, hơi nước và một số hạt khác trong không khí, nó chỉ bị hấp thụ, phản xạ, hoặc truyền qua bởi vật thể mà nó tác động vào

Hình 1.4: Sơ đồ chuyển năng lượng bức xạ hồng ngoại vào vật thể

Bất kể một đối tượng nào có nhiệt độ lớn hơn 0oK ( - 273oC) đều phát tia hồng ngoại

Tia hồng ngoại có tác dụng nhiệt Khi tia hồng ngoại chiếu đến một đối tượng nào

đó, đối tượng sẽ hấp thụ một phần năng lượng bức xạ làm cho các điện tử kích thích và dao động, sự dao động này tạo ra nhiệt

Cường độ bức xạ hồng ngoại giảm dần theo khoảng cách từ nguồn phát

Nhiệt độ cũng như các thuộc tính vật lý của nó sẽ quyết định hiệu quả cũng như bước sóng phát ra

Tia hồng ngoại có thể gây ra hiện tượng quang điện trong ở chất bán dẫn

Có thể tác dụng lên một số kính ảnh đặc biệt Tia hồng ngoại truyền đi theo đường thẳng từ nguồn phát xạ ra nó, nó có thể được định hướng vào những đối tượng cụ thể thông qua việc sử dụng các gương phản chiếu

Tia hồng ngoại có thể được so sánh với sóng radio, tia sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia cực tím, và tia X Chúng đều có bản chất là sóng điện từ và truyền đi trong không gian với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng (2.99×108 m/s) và chỉ khác nhau ở bước sóng phát ra Và đều tuân theo một số định luật về ánh sáng như: Định luật Plank, định luật Stefan-bolzamann, định luật Wien

1.3.2 Một số ứng dụng của bức xạ hồng ngoại

Do tính ưu việt nên bức xạ hồng ngoại ngày càng được ứng dụng rộng rải trong các ngành khoa học và trong đời sống xã hội Ngày nay khi mà khoa học ngày càng phát triển thì người ta càng tìm được ra được nhiều ứng dụng mới của bức xạ hồng ngoại Mỗi một lĩnh vực ứng dụng sẽ sử dụng các bước sóng và nguồn phát bức xạ hợp lý Sau đây là một số ứng dụng của bức xạ hồng ngoại:

Trong ngành nông nghiệp bức xạ hồng ngoại được ứng dụng sấy các loại hạt, rau quả, hạt giống Trong lĩnh vực chế biến thủy sản ứng dụng để sấy cá, mực, tôm và các mặt hàng khô khác Trong công nghiệp thực phẩm và đồ uống thì bức xạ hồng ngoại được ứng dụng rất rộng như: Điều khiển các quá trình trong công nghiệp sản xuất mía đường, đánh giá chất lượng thịt, xác định sự oxy hóa dầu ăn, xác định hàm lượng casein

và triglycerid,…

Trong y học sử dụng công nghệ này cho phép sấy các đối tượng sinh học quan trọng như enzyme, mô động thực vật,… Trong đó tính chất của chúng được bảo toàn đầy đủ, các sản phẩm đạt chất lượng vệ sinh cao

Ngoài ra bức xạ hồng ngoại còn được ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghệ sinh học, khoa học về trái đất, pháp luật, an ninh và quốc phòng,… [17]

1.3.3 Nhiệt bức xạ hồng ngoại

Đốt nóng bằng bức xạ hồng ngoại là sự truyền nhiệt năng theo dạng của sóng điện

từ Khi chiếu bức xạ hồng ngoại vào một đối tượng nào đó thì nó có thể hấp thụ hay phản xạ với một bước sóng khác, khi đối tượng hấp thụ bức xạ thì nó sẽ bị nóng lên Nhiệt bức xạ hồng ngoại thay đổi theo hiệu quả phát xạ của nguồn, bước sóng và tính phản xạ của đối tượng Nhờ vào đặc tính này mà người ta có thể sử dụng nhiệt bức

xạ có hiệu quả hơn trong những ứng dụng nhất định Hiệu quả phát bức xạ phụ thuộc vào vật liệu của nguồn nhiệt Về cơ bản thì hiệu quả này là tỷ lệ giữa năng lượng phát

xạ và năng lượng hấp phụ, ngoài ra còn có một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến hiệu

suất phát xạ Một yếu tố nữa là giá trị phát xạ của nguồn dựa vào mức độ đen của vật

Mức độ đen của vật thể  là tỉ số giữa khả năng bức xạ toàn phần của vật thể đó E, W/m 2

và khả năng bức xạ toàn phần của vật thể đen tuyệt đối E 0 cũng ở nhiệt độ đó

1.3.4 Cơ chế sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại

Vật liệu sấy trong công nghiệp thực phẩm thường được cấu tạo chủ yếu bởi chất hữu cơ và nước, phổ hấp thụ năng lượng bức xạ của nước và các chất hữu cơ là khác nhau

Ở mỗi bước sóng chất hữu cơ trở thành vật trong suốt – không hấp thụ năng lượng bức xạ hồng ngoại mà nước sẽ trở thành vật đen hấp thụ năng lượng bức xạ tối đa Do

đó khi chiếu tia hồng ngoại có bước sóng nằm trong khoảng 2.5 ÷ 3.5µm tương ứng với bước sóng mà nước có thể hấp thụ tối đa năng lượng bức xạ Kết quả là các phân tử nước sẽ dao động mạnh, tạo thành ma sát và sinh nhiệt lớn

Mặt khác dưới tác động của năng lượng bức xạ, phân tử nước dễ dàng bị phân li thành các ion H+ và OH-, do đó làm cho ẩm trong vật liệu sấy thoát ra rất nhanh Lúc này chiều chuyển động của dòng ẩm cùng chiều với chiều chuyển động của dòng nhiệt (từ trong vật liệu sấy đi ra bên ngoài bề mặt) làm tăng quá trình khuếch tán nội Điều này trái ngược hẳn với cách gia nhiệt thông thường là dòng nhiệt di chuyển từ lớp bên ngoài bề mặt vật liệu vào trong tâm vật liệu còn ẩm thì di chuyển từ trong ra ngoài bề mặt

Người ta chứng minh rằng dưới tác dụng của bức xạ hồng ngoại có tần số tương ứng với tần số dao động riêng của liên kết hóa học các nhóm chức có khả năng phản ứng cao như: - OH, - COOH,… Sẽ tác dụng trực tiếp đến liên kết hóa học tạo ra sự cộng hưởng làm đứt các liên kết hóa học Kết quả là luôn làm tăng nhanh vận tốc phản ứng

và quá trình sấy lớp sơn phủ bóng tăng

1.3.5 Ưu và nhược điểm của công nghệ sấy bức xạ hồng ngoại

Ưu điểm: Sấy khô bằng tia hồng ngoại là tốc độ truyền nhiệt lớn dễ điều chỉnh nguồn nhiệt và nhiệt độ trên bề mặt sản phẩm, rút ngắn được rất nhiều thời gian, do đó

nhiệt của nguyên liệu sau khi sấy rất nhỏ nhất là sấy bằng bóng đèn, tức có thể ngưng quá trình sấy một cách dễ dàng

Sản phẩm sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại đảm bảo được phẩm chất của sản phẩm, sản phẩm không bị tổn thất về chất lượng, mùi vị, hàm lượng các vitamin được bảo toàn đồng thời sản phẩm lại được đảm bảo về mặt vệ sinh thực phẩm tốt

Sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại phần lớn năng lượng bức xạ chuyển biến thành nhiệt năng cần thiết làm cho nước bốc hơi Vì vậy hiệu suất sử dụng nhiệt cao giảm sự tổn hao năng lượng

Gradient nhiệt độ và độ ẩm ở lớp sát bề mặt vật và cùng chiều, do đó tăng cường tốc độ khuếch tán nội dẫn đến tốc độ sấy tăng Cường độ bay hơi ẩm có thể lớn hơn có thể vài lần so với đối lưu và tiếp xúc Tránh được quá nhiệt cục bộ và làm chai, nứt nẻ

1.4 Tổng quan về sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt

1.4.1 Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt

Bơm nhiệt có quá trình hình thành và phát triển lâu dài, bắt đầu từ khi Nicholas Carnot đề xuất những khái niệm chung đầu tiên Một dòng nhiệt thông thường di chuyển

từ vùng nóng đến một vùng lạnh, Carnot đưa ra lập luận rằng một thiết bị có thể sử dụng

để đảo ngược quá trình tự nhiên và bơm nhiệt sẽ điều chỉnh dòng nhiệt từ một vùng lạnh đến một vùng ấm hơn

Đầu những năm 1850, Lord Kelvin đã phát triển các lý thuyết về bơm nhiệt bằng cách lập luận rằng các thiệt bị làm lạnh có thể được sử dụng để gia nhiệt Các nhà khoa

học và kỹ sư đã cố gắng chế tạo ra một bơm nhiệt nhưng không một mô hình nào thành công Cho đến giữa những năm 30, khi những bơm nhiệt sử dụng theo mục đích cá nhân được lắp đặt Việc lắp đặt các bơm nhiệt gia tăng đáng kể sau thế chiến thứ II, người ta nhận thấy rằng bơm nhiệt có thể được thương mại hóa nếu hoàn tất lý thuyết và đảm bảo chất lượng sản phẩm Sản phẩm bơm nhiệt đầu tiên được bán vào năm 1952

Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới Hàng lọat bơm nhiệt đủ mọi kích cỡ cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí, sấy, hút

ẩm, đun nước,… [17]

1.4.2 Sơ đồ và nguyên lý làm việc của bơm nhiệt

Bơm nhiệt (heat pump) là thiết bị gom nhiệt thải của dàn ngưng trong chu trình máy lạnh và vận chuyển nguồn nhiệt đó đến nơi cần phục vụ

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt

Trong đó:

1 Buồng sấy 2 Thiết bị duy trì độ ẩm 3 Cửa thải

4 Dàn ngưng ngoài 5 Bơm nhiệt khử ẩm 6 Đường nước ngưng

7 Giá sấy 8 Quạt ly tâm 9 Hướng phân bố gió

Nguyên lý làm việc:

Trong chu trình máy lạnh, tại dàn ngưng, hơi môi chất sau khi được máy nén nén lên với nhiệt độ cao và áp suất cao sẽ cần phải nhả nhiệt để chuyển pha thành trạng thái lỏng và tiếp tục chu trình của mình Do đó, chúng ta sẽ tận dụng nguồn nhiệt thải này để phục vụ cho các các hoạt động trong cuộc sống như sấy, sưởi, sản xuất nước nóng,…

1.5 Sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại

1.5.1 Mục đích

Sấy lạnh giúp cho không khí được tách ẩm và nâng nhiệt làm cho áp suất riêng phần hơi nước trong không khí nhỏ, chênh lệch gradient độ ẩm lớn nhờ đó thúc đẩy quá trình khuếch tán ngoại Sấy bằng không khí lạnh giữ được màu sắc, mùi vị, chất lượng sản phẩm

Sấy bằng bức xạ hồng ngoại do nhiệt bức xạ hồng ngoại cao, xuyên thấu vào bên trong vật liệu sấy làm nóng từ trong nóng ra làm cho gradient nhiệt độ tăng thúc đẩy quá trình khuếch tán nội đẩy nhanh quá trình sấy

Khi kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp sấy sẽ giúp tăng cường quá trình khuếch tán nội Cụ thể, sấy lạnh giúp tách ẩm và nâng nhiệt làm cho áp suất riêng phần hơi nước trong không khí nhỏ, chênh lệch gradient độ ẩm lớn nhờ đó thúc đẩy quá trình khuếch tán ngoại Sấy bức xạ hồng ngoại nhờ khả năng xuyên thấu gia nhiệt cho vật liệu

từ bên trong, tạo sự chệnh lệch gradient nhiệt độ ở tâm vật liệu so với bề mặt, giúp dòng

ẩm từ tâm sản phẩm di chuyển ra bề mặt, tăng cường quá trình khuếch tán nội Hai dòng

ẩm, một từ tâm sản phẩm di chuyển ra bề mặt nhờ bức xạ hồng ngoại và một từ bề mặt

di chuyển ra không khí bên ngoài nhờ bơm nhiệt, hai dòng ẩm diễn ra cùng chiều giúp đẩy nhanh quá trình khuếch tán ẩm, tăng tốc độ sấy, giảm thời gian quá trình sấy điều này có ý nghĩa rất lớn khi sấy các sản phẩm có nguồn gốc thủy sản, giảm được nhiệt độ sản phẩm và thời gian ngắn do đó tránh được sự biến tính của sản phẩm và giữ được màu sắc tự nhiên, mùi vị, khả năng phục hồi trở lại tốt Nâng cao chất lượng sản phẩm

1.5.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về sấy bơm nhiệt kết hợp với bức xạ hồng ngoại

1.5.2.1 Nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới việc nghiên cứu ứng dụng của bức xạ hồng ngoại vào các ngành công nghiệp phát triển Chủ yếu vào việc chế biến thực phẩm nói chung và thủy sản nói riêng Cùng với các nghiên cứu nhằm mục đích đánh giá và so sánh tốc độ sấy giữa các chế độ sấy khác nhau trong đó có cả bơm nhiệt kết hợp với bức xạ hồng ngoại Sau đây là một

số nghiên cứu ngoài nước:

Song Xiaoyong và Cheng Luming [9] đã nghiên cứu và đưa ra mô hình sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại như sau:

Hình 1.6: Sơ đồ sấy bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại

Trong đó:

6 DC cung cấp điện quy định

Yamada và Wada [10], đã nghiên cứu khi sấy cá bằng gốm hồng ngoại với khoảng cách từ nguồn bức xạ đến cá là 20 cm, nhiệt độ 35oC cho sản phẩm với chất lượng cao, tổn thất nhiệt ít

TIRAWANICHAKUL cùng với các cộng sự của mình [11], đã thí nghiệm trên 2 mẫu tôm lớn (100 con/kg), nhỏ (200kg/con) bằng phương pháp sấy đối lưu bức xạ hồng ngoại để so sánh cùng với các phương pháp sấy khác như sấy bằng điện trở, phơi nắng,… Kết quả thu được sấy đối lưu bức xạ hồng ngoại thu được sản phẩm có màu sắc đồng đều hơn, tốc độ sấy nhanh hơn, và độ co rút của sản phẩm ít hơn các phương pháp sấy khác Nghiên cứu của ông còn chứng minh được phương trình tính toán “Độ

ẩm cân bằng” (EMC) của Halsey và Oswin có tỷ lệ chính xác cao nhất kể cả ở mẫu tôm lớn và nhỏ, cùng với đó là phương trình dự đoán độ ẩm của tôm khi sấy dựa vào nhiệt

Phương trình của Oswin: Meq = 0.103(1 − 𝑅𝐻𝑅𝐻 )0.645 (1.9)

Phương trình dự đoán độ ẩm: MR = exp( - ktn ) (1.10) Trong đó:

Andriazafimahazo cùng các cộng sự [12], nghiên cứu về sự ảnh hưởng của nhiệt

độ, vận tốc gió và độ ẩm trong buồng sấy ảnh hướng đến tốc độ sấy tôm Nghiên cứu còn đưa ra được cách xác định được tốc độ sấy thông qua công thức toán học để xác

định hằng số sấy m và đã được kiểm chứng với kết quả thực tế và lý thuyết chỉ lệch nhau

khoảng 5%

m = exp(−5542

𝑇 𝑝 − 0.11 ℎ𝑟 + 1.76𝑉𝑎 + 16.1174) (1.11) Trong đó:

m: Hằng số sấy (h-1)

Tp: Nhiệt độ buồng sấy (oC)

hr: Độ ẩm không khí (%)

Va: Vận tốc gió trong buồng sấy (m/s)

Pankaj B Pathare cùng với G.P Sharma [13] đã nghiên cứu về sự ảnh hưởng của nhiệt độ buồng sấy, cường độ bức xạ và tốc độ gió đến độ khếch tán ẩm của vật liệu sấy trong quá trình sấy đối lưu kết hợp bức xạ hồng ngoại, thí nghiệm được thực hiện trên mẫu hành tây thái lát dày 6 mm Nghiên cứu đã đưa ra được công thức toán học giúp xác định độ khuếch tán ẩm hiệu dụng trung bình Deff,avg thông qua các hằng số là nhiệt

độ, cường độ bức xạ và vận tốc gió ở buồng sấy

1.5.2.2 Nghiên cứu trong nước

Ở nước ta hiện nay cũng có rất nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng của bức xạ hồng ngoại vào trong công nghệ sấy, đặc biệt nghiên cứu ứng dụng bức xạ hồng ngoại vào sấy khô nông sản, thủy sản

Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt lạnh, trường Đại học Nha Trang [16] đã nghiên cứu và chế tạo thành công máy sấy bơm nhiệt tầng sôi kết hợp bức xạ hồng ngoại như sau:

Hình 1.7: Sơ đồ sấy bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại

Lê Như Chính [2] đã nghiên cứu ảnh hường của các chế độ sấy bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại đến chất lượng của tôm thẻ chân trắng Bài báo cáo trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ sấy hợp lý khi sấy tôm thẻ chân trắng bằng bơm nhiệt máy nén kết hợp bức xạ hồng ngoại gián đoạn Các kết quả nghiên

cứu cho thấy khi sấy tôm thẻ ở nhiệt độ: t = 45oC, vận tốc gió: v = 2,5m/s, khoảng cách bức xạ hồng ngoại: hBX = 40cm, độ ẩm tương đối của không khí: φ = (20 - 40)% cho chất lượng sản phẩm tôm khô tốt nhất (màu sắc, mùi, vị và chất dinh dưỡng) và năng suất sấy cao nhất

Nguyễn Đức Bảo [3] đã ứng dụng công nghệ sấy bơm nhiệt kết hợp với đèn hồng ngoại sấy gián đoạn tôm thẻ chân trắng và kết quả nghiên cứu đạt được là đưa ra quy trình sấy và chế độ sấy tối ưu ở:

Nhiệt độ không khí trong buồng sấy là: t = 45oC

Vận tốc không khí trong buồng sấy là: v = 2.55 m/s

Khoảng cách từ nguồn bức xạ tới nguyên liệu: hBX = 35 cm

Trần Đại Tiến [5] nghiên cứu ảnh hưởng của một số chế độ sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh đến chất lượng mực ống khô lột da Kết quả nghiên cứu đưa đến kết luận: Chất lượng mực ống khô được sấy khô bằng sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh tốt hơn so với phương pháp sấy bức xạ kết hợp với sấy đối lưu Chế độ sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh thích hợp nhất: Nhiệt độ sấy 35oC ± 1oC, vận tốc gió 2m/s ± 1m/s, khoảng cách từ nguồn bức xạ tới nguyên liệu là 40 cm Cùng nhiệt

độ sấy với các phương pháp sấy khác nhau có thời gian sấy ngắn hơn chất lượng càng tốt

Đào Trọng Hiếu [6] nghiên cứu ứng dụng công nghệ gốm bức xạ hồng ngoại giải tần số hẹp chọn lọc kết hợp với không khí có nhiệt độ thấp để sấy cá cơm săng Kết quả nghiên cứu cho ra được chế độ tối ưu: Nhiệt độ không khí trong buống sấy 45oC, vận tốc gió 1.2 m/s, khoảng cách từ nguồn bức xạ tới nguyên liệu là 7cm

1.6 Tổng quan về phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa

1.6.1 Xây dựng mô hình giải tích cho đối tượng nghiên cứu

Từ các kết quả thực nghiệm dùng xác suất thống kê để thu được phương trình gần đúng là mô hình toán học của đối tượng Phương pháp như vậy gọi là phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phương trình giải tích thu được gọi là phương trình hồi quy

1.6.2 Đặt bài toán

Giả sử cần nghiên cứu một đại lượng y trong hệ thống nào đó.Thông thường trong

hệ thống một mặt y phụ thuộc vào các yếu tố độc lập x1, x2, …, xk có thể điều khiển được, mặt khác y còn bị ảnh hưởng của các tác động ngẫu nhiên thường xuyên và không điều khiển được ξ Các biến x1, x2, …, xk gọi là các biến vào hay các nhân tố, biến ngẫu nhiên ξ gọi là nhiễu

Vấn đề là phải tìm ra mối quan hệ giữa y và (x1, x2, …, xk) Thông thường có trước một số thông tin tiên nghiệm về hệ thống đang xét bởi vậy người ta thường giả thiết mối

quan hệ giữa y và (x1, x2, …, xk) có dạng:

y = f(x1, x2, …, xk; θ0, θ1, θ2, …, θm) + ξ (1.13)

Trong đó dạng hàm của f đã biết, nhưng còn m tham số θ0, θ1, θ2, …, θm chưa biết Nếu giả thiết thêm rằng M ξ = 0, Dξ = η2 nghĩa là: ξ ~ N(0,σ2) và kí hiệu ỹ = My thì từ (1.13) suy ra:

ỹ = My = f(x1, x2, …, xk; θ0, θ1, θ2, …, θm) (1.14)

Hàm số ỹ được coi là hàm phản hồi của y Phương trình được gọi là hàm hồi quy

lý thuyết của y theo x1, x2, …, xk

Để tìm mối quan hệ thật giữa y và x1, x2, …, xk người ta tiến hành N thí nghiệm và

Điểm Xi = (xi1, xi2, …, x1k) thuộc Rk , (i = 1, 2, …, N) gọi là một điểm thí nghiệm,

Rk là không gian nhân tố

Đối với mỗi bài toán cụ thể các điểm thí nghiệm chỉ có thể chạy trên một miền xác định X thuộc Rk gọi là miền thí nghiệm Bài toán đặt ra là: Trên cơ sở các số liệu thu được hãy tìm hàm số:

biểu diễn gần đúng nhất hàm ỹ và tìm một ước lượng tốt nhất cho σ2

Hàm số ŷ là một mô hình thống kê của hệ thống thực ta đang nghiên cứu Phương trình (1.16) là phương trình hồi quy thực nghiệm

1.6.3 Phương pháp quy hoạch trực giao

1.6.3.1 Tính chất trực giao

Từ bảng số liệu thí nghiệm …:

Giả thiết: ỹ = β0 + β1x1 + β2x2 + … + βkxk + ξ (1.17)

(1.17) gọi là phương trình hồi quy lý thuyết

Bằng phương pháp bình phương cực tiểu tính được:

B

:1 0

N

k k

x x x

x x x

x x x

1

:

:::

2 22 21

1 12 11

:2 1

Tính B theo (1.18) thay vào (1.17) ta được:

ŷ = b0 + b1x1 + b2x2 + … + bkxk (1.19) (1.19) là phương trình hồi quy thực nghiệm

X được gọi là ma trận tính toán Quy hoạch trực giao là quy hoạch bố trí các thí nghiệm sao cho ma trận X có tính chất sau:N 0

x

i

Như vậy ma trận X lúc này sẽ có tính chất sau:

Tích vô hướng của 2 vectơ cột bất kỳ bằng 0

Tổng các phân tử trong một cột bất kỳ (trừ cột 0) đều bằng 0

Sau khi xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm ta cũng cần tiến hành kiểm định lại

Phương pháp quy hoạch trực giao có ưu điểm là:

Số thí nghiệm ít (số điểm thí nghiệm của QHTG cấp 1 là 2k, cấp 2 là 2k +2k +

n0 với k là số biến, n0 là số thí nghiệm tại tâm)

Tính toán gọn, đảm bảo được độ chính xác

1.6.3.2 Phương pháp quy hoạch trực giao cấp hai

Phương pháp quy hoạch trực giao cấp hai là phương pháp quy hoạch thực nghiệm cấp hai thuộc vào phương pháp cấu trúc có tâm

Giả sử xét ảnh hưởng của k yếu tố vào thông số tối ưu hóa y, phương trình hồi quy bậc hai có dạng:

l j

l j il k

j j

b b

1

2

1 1

Khi kiểm định mô hình tuyến tính hoặc mô hình cấp 2 không đầy đủ mà thấy không thích hợp thì việc sử dụng quy hoạch trực giao cấp 1 không hiệu quả ta cần thiết bổ sung:

Bổ sung 2k điểm sao (*) nằm trên các trục tọa độ của không gian yếu tố Các tọa

độ của điểm sao là: (±α, 0, … , 0), (0, ±α, … , 0); … ; (0, 0, … , ±α), α là khoảng cách

từ tâm phương án đến các điểm sao (*), được gọi là cánh tay đòn sao

Làm thêm n0 thí nghiệm ở tâm phương án