Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, truyền chất và xác định chế độ sấy tôm thẻ chân trắng việt nam bằng bơm nhiệt kết hợp với hồng ngoại

Bên cạnh đó, các nghiên cứu về sấy tômhiện nay còn rất hạn chế và tập trung nhiều về nghiên cứu quy trình sấy, đánh giáchất lượng tôm sấy mà chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về quá trìn

MỞ ĐẦUTÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việt Nam là nước có tổng chiều dài bờ biển là 3670 km, xếp thứ 32 trong 156quốc gia và vùng lãnh thổ có biển Đây là một điều kiện tự nhiên hết sức thuận lợicho việc khai thác và nuôi trồng thủy sản Theo hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủysản Việt Nam (VASEP), năm 2019 xuất khẩu tôm của Việt Nam ước đạt 3,38 tỷUSD Trong đó, tôm thẻ chân trắng đông lạnh xuất khẩu đạt 2,36 tỷ USD chiếm70% giá trị tôm xuất khẩu, mặt hàng tôm khô chế biến cũng đã tăng 40,7% so vớicùng kỳ năm 2018 [1] Tuy nhiên, hiện nay chất lượng sản phẩm tôm khô xuất khẩu

ở nước ta còn nhiều hạn chế và chủ yếu là chế biến nhỏ lẻ, thủ công từ các làngnghề bằng phương pháp truyền thống như phơi nắng Phương pháp phơi nắng cómột số nhược điểm như nhiệt độ sấy phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và thời gianlàm khô quá dài làm cho chất lượng tôm bị giảm đáng kể Hiện nay, một số làngnghề chế biến tôm khô vẫn sử dụng các dạng lò sấy tự chế dùng nhiên liệu than đá,củi hoặc bộ phận gia nhiệt bằng điện trở, Các thiết bị này thường có nhiệt độ sấycao làm cho protein dễ bị biến tính và màu sắc, mùi vị của sản phẩm cũng bị biếnđổi nhiều [2, 3] Ngoài ra vấn đề về vệ sinh, an toàn thực phẩm không đảm bảo khisấy bằng phương pháp này cũng làm giảm giá trị sử dụng, giá trị kinh tế và làm chosản phẩm khô không đủ tiêu chuẩn để xuất khẩu [3] Do vậy, việc nghiên cứu mộtphương pháp sấy có thể ứng dụng cho sấy thủy sản nói chung và đặc biệt là tôm thẻnói riêng là vấn đề cấp thiết trong thực tế Bên cạnh đó, các nghiên cứu về sấy tômhiện nay còn rất hạn chế và tập trung nhiều về nghiên cứu quy trình sấy, đánh giáchất lượng tôm sấy mà chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về quá trình truyền nhiệt,truyền chất (TNTC) trong con tôm khi sấy, cũng như xác định các thông số đặctrưng của quá trình TNTC, thông số nhiệt vật lý và hiện tượng co rút của con tômtheo thời gian sấy Đặc biệt, nghiên cứu mô phỏng quá TNTC để thấy được sự thayđổi cũng như những tác động đồng thời của các thông số như nhiệt độ, áp suất vàhàm lượng ẩm bên trong con tôm thẻ đến tốc độ và thời gian sấy ở trong và ngoàinước còn là vấn đề cần được nghiên cứu làm rõ Như vậy, việc nghiên cứu xác địnhphương pháp sấy, xây dựng mô hình toán, giải bài toán và mô phỏng quá trìnhTNTC trong con tôm, từ đó tối ưu hóa quá trình và xác định chế độ sấy tối ưu

1

tổng quan của luận án, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt,

truyền chất và xác định chế độ sấy tôm thẻ chân trắng Việt Nam bằng bơm nhiệt kết hợp với hồng ngoại“ Đây là đề tài cần thiết cho sự phát triển của ngành thuỷ sản

Việt Nam

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Luận án được thực hiện với các mục đích nghiên cứu như sau:

- Nghiên cứu khả năng sấy bằng bơm nhiệt kết hợp với hồng ngoại (HP-IR) cho các sản phẩm thủy sản và tôm sau thu hoạch

- Nghiên cứu xây dựng mô hình toán, mô phỏng quá trình TNTC bên trong contôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR, xác định chế độ sấy tối ưu, thời gian sấy làm cơ

sở thiết kế và chế tạo máy sấy tôm thẻ chân trắng bằng HP-IR

- Đề xuất quy trình chế biến tôm thẻ chân trắng khô sấy bằng HP-IR

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Luận án được thực hiện với các nội dung nghiên cứu sau đây:

- Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô tả quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR

- Xây dựng điều kiện biên và phương pháp giải mô hình toán quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ sấy bằng HP-IR

- Nghiên cứu phương pháp xác định các thông số nhiệt vật lý và các thông số đặc trưng sinh học của con tôm thẻ chân trắng

- Lập trình mô phỏng quá trình TNTC trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằngHP-IR có xem xét đến ảnh hưởng của áp suất bên trong các mao quản và độ co rútcủa con tôm thẻ đến quá trình truyền ẩm trong tôm theo thời gian sấy

- Nghiên cứu xác định chế độ sấy tối ưu cho tôm thẻ bằng phương pháp môphỏng quá trình TNTC và phương pháp thực nghiệm Đánh giá khả năng sử dụng phương pháp mô phỏng vào thực tiễn để giảm chi phí năng lượng và thời gian

- Đánh giá chất lượng và hiệu quả năng lượng quá trình sấy tôm khô ở chế độ sấy tối ưu so với các phương pháp sấy khác

2

- Đề xuất quy trình chế biến tôm thẻ chân trắng khô sấy bằng HP-IR xuất khẩu.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận án được thực hiện với các phương pháp nghiên cứu như sau:

- Tính toán lý thuyết

- Mô phỏng toán học quá trình TNTC, xác định trường nhiệt độ, áp suất và hàm lượng ẩm bên trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR

- Thực nghiệm kiểm chứng để áp dụng thực tế

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Quá trình truyền nhiệt và truyền chất bên trong VLS Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu xây dựng mô hình toán về TNTC, xác định

các thông số nhiệt vật lý theo nhiệt độ và thành phần hóa học của con tôm thẻ chântrắng; xác định các thông số sinh học đặc trưng của quá trình TNTC trong con tômthẻ; xác định điều kiện biên truyền nhiệt, truyền chất từ đó mô phỏng quá trìnhTNTC xác định chế độ tối ưu cho tôm thẻ bằng HP-IR

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC

TIỄN Đóng góp về khoa học:

Phương pháp luận nghiên cứu, phát triển lý thuyết về TNTC và thực nghiệm để phục

vụ cho chế biến tôm thẻ chân trắng Việt Nam Cụ thể là các phương pháp như sau:

-Mô hình toán về TNTC, điều kiện biên phù hợp với VLS là con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR

- Phương pháp xác định các thống số nhiệt vật lý, các thông số đặc trưng của quá trình TNTC trong con tôm thẻ chân trắng

- Phương pháp xác định chế độ sấy cho tôm thẻ bằng phương pháp tối ưu hóa đamục tiêu từ số liệu mô phỏng trên phần mềm COMSOL Multiphysics

Kết quả nghiên cứu lý thuyết:

- Kế thừa và phát triển mô hình toán về TNTC trong con tôm thẻ chân trắng sấybằng HP-IR Trong đó bao gồm phương trình truyền nhiệt theo định luật Fourier;phương trình truyền ẩm được kết hợp giữa định luật Fick và định luật Darcy Đặcbiệt phương trình dòng ẩm đối lưu theo định luật Darcy đã mô tả được sự thay đổicủa áp suất bên trong con tôm thẻ theo thời gian sấy

- Đề xuất phương pháp xác định thông số nhiệt vật lý và các thông số đặc trưngcủa quá trình TNTC bên trong con của tôm thẻ chân trắng trước và trong quá trìnhsấy

- Đề xuất phương pháp xác định chế độ sấy tối ưu cho tôm thẻ bằng HP-IR

- Đề xuất phương pháp đánh giá chất lượng và hiệu quả năng lượng trong quá trình sấy tôm thẻ chân trắng bằng HP-IR

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm:

- Xây dựng và chế tạo mô hình nghiên cứu thực nghiệm bao gồm máy sấy

HP-IR có thể vận hành được với nhiều chế độ sấy phù hợp với yêu cầu nghiên cứu Đặcbiệt, thiết bị đo áp suất bên trong con tôm đã ứng dụng được bộ kim tiêm truyềndịch trong ngành Y tế làm đầu dò lấy tín hiệu áp suất trong VLS đáp ứng yêu cầunghiên cứu của luận án

- Số liệu áp suất bên trong con tôm có thể phục vụ cho nghiên cứu quy luật TNTC trong quá trình sấy

- Số liệu về thông số nhiệt vật lý, các thông số sinh học đặc trưng đáp ứng yêu cầu giải mô hình toán về TNTC trong quá trình sấy tôm thẻ bằng HP-IR

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nguyên liệu và phương pháp sấy

1.1.1 Tôm thẻ chân trắng Việt Nam

Các nghiên cứu gần đây cho thấy thành phần của tôm biển rất phong phú Tổng

số họ penaeidae hiện nay có 5 họ (trước đây có 4 họ, đó là Aristeidae,Benthesicymidae, penaeidae, Sicyonidae và Solenoceridae) Theo điều tra sơ bộ thì

ở vùng biển Việt Nam đã xác định được 255 loài, thuộc 68 giống Trong đó, họ tômpenaeidae chiếm trên 70 loài được phân bố rộng rãi ở vùng biển ven bờ, xa bờ vàcác lưu vực sông Hiện nay, có 4 giống quan trọng đối với nghề nuôi và khai thác:Penaeus, Fenneropenaeus, Matapenaeus và Matapenaeopsis Đặc biệt, giống tômthẻ Penaeus được tập trung nhiều ở các vùng biển như Quảng Ngãi, Bình Định, PhúYên, Khánh Hòa [2]

1.1.1.1 Thành phần cấu tạo của tôm

Thành phần cấu tạo của tôm là tỷ lệ phần trăm về khối lượng của các phần trong

cơ thể so với toàn bộ cơ thể nguyên liệu (% khối lượng) Thành phần cấu tạo củatôm biến đổi theo giống loài, giới tính, thời tiết, khu vực sinh sống, trạng thái sinh

lý, mức độ trưởng thành Thành phần cấu của tôm được chia ra các phần cơ thịt, đầu

và vỏ Trong đó phần ăn được là cơ thịt, phần còn lại là phế phẩm dùng trong sảnxuất thức ăn chăn nuôi và nguyên liệu trong công nghiệp [2]

Bảng 1.1 Thành phần cấu tạo của một số loài tôm, % (khối lượng) [2]

Bộ phận

ĐầuVỏPhần cơ thịt

1.1.1.2 Thành phần hóa học của tôm

Thành phần hóa học của thịt tôm gồm có: nước, protein, lipit, gluxit, khoáng,vitamin, enzym, hoocmon, sắc tố,… Những thành phần có khối lượng lớn là nước,protein, lipit (Bảng 1.2)

5

Tôm HeTôm SúTôm ThẻTôm ChỉTôm RảoTôm SắtTôm CàngTôm Hùma) Protein

Protein là thành phần chủ yếu trong cơ thịt tôm, chiếm 70% đến 80% tỷ lệ chấtkhô Protein trong tôm thường liên kết với các hợp chất hữu cơ khác như lipit, axitnucleic, glycogel,…Protein khi liên kết với các chất khác sẽ tạo thành phức chấtphức tạp và có đặc tính sinh học khác nhau Thành phần cấu tạo nên protein là cácaxit amin Hiện nay, người ta phát hiện được 25 loại axit amin có trong thành phầncủa các tổ chức cơ thịt của động vật thủy sản, trong đó tôm thẻ chiếm trên 19 loạiaxit amin Giá trị dinh dưỡng của thịt tôm thẻ cao là do chúng chứa đầy đủ các axitamin mà đặc biệt là các axit amin cưỡng bức Hàm lượng Protein trong tôm tươngđương hoặc cao hơn thịt gia súc, gia cầm và cá [2]

b) Lipit và gluxit

Trong thịt tôm chứa rất ít mỡ, mỡ chiếm từ 1,0% đến 1,8% Thành phần chủ yếucủa lipit là photpholipit và lipit trung tính Hàm lượng gluxit rất bé chỉ chiếmkhoảng 0,4% đến 1,5%, chủ yếu là glycogel [2]

c) Chất ngấm ra trong tôm

Khi ta ngâm động vật thủy sản vào trong nước ấm hoặc nước nóng, sẽ có một

số chất trong tổ chức cơ thịt hòa tan ra gọi là chất ngấm ra hay chất rút Hàm lượngchất ngấm ra thay đổi theo từng loại động vật thủy sản nhưng nói chung chiếm 2%đến 3% thịt tôm tươi, trong đó có khoảng 1/3 là chất hữu cơ mà phần lớn là các chấthữu cơ có đạm, phần còn lại là chất vô cơ Lượng chất ngấm ra, về mặt dinh dưỡng

6

không lớn lắm nhưng đóng một vai trò quan trọng, bởi vì nó quyết định mùi vị đặc trưng của mỗi loại sản phẩm.

d) Các vitamin và khoáng chất

Lượng vitamin và khoáng chất của tôm đặc trưng theo loài và biến đổi theo mùa

vụ Nhìn chung, thịt tôm giàu vitamin A, vitamin B,…Về mặt chất khoáng, thịt tômđược coi là nguồn quý về calcium và phốt pho nói riêng nhưng nó cũng là nguồnquý về cung cấp chất sắt [2]

e) Các sắc tố trong tôm

Tôm có chứa nhiều sắc tố khác nhau nhưng chủ yếu là astaxanthin Astaxanthinkết hợp với protein tạo thành nhiều màu sắc khác nhau như vàng da cam, hồng, tím,nâu, xanh, lục,…Tuy nhiên, tôm sau khi bị gia nhiệt như luộc, nấu thì vỏ của chúngđều biến thành màu vàng hay đỏ tím [2]

f) Hàm lượng nước trong tôm

Cơ thịt tôm chứa 70% đến 80% nước Hàm lượng này tùy thuộc vào giống loàitôm, tình trạng dinh dưỡng của tôm Nước còn ảnh hưởng đến chất lượng cảm quancủa thực phẩm nói chung và tôm nói riêng Tuy nhiên, hàm lượng nước cao sẽ làmcho nguyên liệu tôm dễ bị dập nát tạo điều kiện cho enzym và vi sinh vật hoạt động

và phát triển [2]

g) Enzym

Enzym của động vật thủy sản nói chung và tôm nói riêng có hoạt động mạnhhơn enzym của động vật trên cạn Trong quá trình bảo quản người ta cần ức chếhoạt động của chúng để kéo dài thời gian bảo quản [2]

1.1.1.3 Các biến đổi của tổ chức cơ thịt tôm thẻ trong quá trình sấy khô

Trong quá trình làm khô, do mất nước nên tổ chức của nguyên liệu co rút lạichặt chẽ hơn và sự biến đổi đó khác nhau theo phương pháp sấy Quá trình sấy càngnhanh, tổ chức cơ thịt của nguyên liệu càng ít bị co rút, tổ chức cơ thịt của sản phẩmsau khi sấy xốp, mức độ hút nước tốt và khả năng phục hồi về trạng thái ban đầu tốt.Nhìn chung, các sản phẩm đã sấy bằng phương pháp nào đi nữa thì cũng không trởlại trạng thái ban đầu được Do đó, chất lượng của sản phẩm cũng bị giảm đi phầnnào so với nguyên liệu tươi [2]

7

tác Phản ứng xảy ra trong môi trường đồng thể, khi nước hòa tan trong chất béomới tham gia phản ứng Ở nhiệt độ bình thường, tốc độ thủy phân rất bé Tuy nhiên,khi có enzym thì phản ứng xảy ra ở mặt tiếp xúc giữa nước và lipit tăng lên Enzymlipaza có sẵn trong tôm hoặc do vi sinh vật ở ngoài mang vào Hiện tượng thủy phânlipit thường xảy ra trong giai đoạn đầu của quá trình sấy Trong quá trình sấy, bảoquản tôm, các chất béo là lipit và các axit béo rất dễ bị xảy ra hiện tượng ôxy hoá.Quá trình ôxy hoá càng nhanh khi lipit và axit béo tiếp xúc với không khí có nhiệt

Tôm nguyên liệu giàu hàm lượng các axit béo, đặc biệt là các axit béo không nomột nối đôi, axit béo không no nhiều nối đôi và axit béo không no cao độ Các axitbéo trên trong môi trường không khí dưới tác dụng của nhiệt sẽ bị ôxy hóa và tạo ranhững gốc tự do Các gốc tự do này gặp ôxy trong không khí sẽ chuyển thànhperoxit và phản ứng cứ xảy ra liên tục tạo thành những chất như aldehit, cacboxyl,cacbua hydrô,…là những chất làm cho sản phẩm có mùi hôi khó chịu Quá trình ôxyhóa làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của sản phẩm trong quá trình sấy và bảoquản tiếp theo như giảm giá trị dinh dưỡng Do vậy, nên sấy, bảo quản tôm ở nhiệt

độ thấp và hạn chế sự tiếp xúc của tôm khô với ôxy trong không khí thì chất lượngsản phẩm sẽ được cải thiện tốt hơn [2]

b) Sự biến tính protein

Sự biến tính của protein phụ thuộc vào VLS, nếu VLS đã được gia nhiệt thìprotein ít biến đổi vì đã biến đổi từ trước Vật liệu đã ướp muối và điều kiện làmkhô tốt thì protein ít biến đổi, nếu điều kiện làm khô không tốt thì ngược lại Nhiệt

độ là nhân tố ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng sản phẩm trong quá trình sấy [2]

8

c) Sự biến đổi thành phần của chất ngấm ra

Trong quá trình làm khô, thành phần của chất ngấm ra biến đổi nhiều Đặc biệt làtôm tươi làm khô trực tiếp Mùi, vị của sản phẩm khô do nhiều yếu tố quyết định nhưngtrong đó thành phần chất ngấm ra đóng vai trò quan trọng Do trong quá trình sấy khô,các enzym và vi sinh vật hoạt động phân hủy một số chất ngấm ra làm cho hàm lượngcủa chúng giảm xuống Đối với sản phẩm tôm khô phải qua khâu hấp hoặc luộc cũnglàm tổn thất nhiều chất ngấm ra Quá trình làm khô càng dài thì sự tổn thất của chấtngấm ra càng nhiều và làm cho mùi vị của sản phẩm càng giảm Vì vậy, làm khô nhanhchóng là biện pháp tích cực để giảm bớt tổn thất của chất ngấm ra trong tôm [2]

Như vậy, qua phân tích tổng quan về VLS ở trên cho thấy thịt tôm là nguồnnguyên liệu có giá trị dinh dưỡng cao, dễ bị biến tính trong quá trình chế biến, bảoquản nói chung và quá trình sấy nói riêng [2] Do đó, cần phải nghiên cứu để tìmphương pháp chế biến thích hợp, đặc biệt là phương pháp sấy, bảo quản sản phẩmsau khi sấy để hạn chế được sự giảm chất lượng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế

1.1.2 Các phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt và hồng ngoại

1.1.2.1 Phương pháp sấy bằng bơm nhiệt

a) Nghiên cứu về sấy bằng bơm nhiệt tại Việt Nam

Nghiên cứu của Võ Duy Mạnh, Lê Chí Hiệp [4] cho thấy khi sấy cà rốt bằngbơm nhiệt thùng quay ở chế độ nhiệt độ sấy 40oC, vận tốc tác nhân sấy 2,5m/s, sốvòng quay 15 vòng/phút, khối lượng vật liệu sấy ban đầu 4,5 kg, hệ thống sấy đạthiệu suất tách ẩm cao, làm việc ổn định và hiệu quả hơn, sản phẩm sấy giữ đượcmàu sắc tốt hơn so với phương pháp sấy thông thường Phạm Văn Tùy cùng cộng sự

đã nghiên cứu công nghệ sấy kẹo Jelly bằng bơm nhiệt (HP), kết quả là chi phí điệnnăng cho phòng sấy giảm chỉ còn 42% so với phương pháp sấy sử dụng máy hút ẩmhấp phụ kết hợp với máy điều hòa không khí để làm lạnh [5] Đối với công nghệ sấythủy sản, kết quả nghiên cứu cho thấy mực ống lột da khi được sấy bằng HP ở chế

độ sấy có nhiệt độ 35oC, vận tốc gió 2m/s, độ ẩm của TNS dao động từ 20

÷ 40% và thời gian sấy 11h sẽ có chất lượng tốt hơn so với phương pháp sấy truyền thống [6, 7]

9

bằng không khí nóng thông thường Yuvanaree Namsanguan và cộng sự [9] chorằng tôm khô sử dụng máy sấy hai cấp với cấp đầu sấy bằng hơi quá nhiệt (SSD) vàsau cấp sấy bằng HP ở nhiệt độ tương ứng là 140°C và 45°C cho độ co rút thấp hơn,

độ hút nước phục hồi cao hơn và màu sắc tốt hơn so với tôm khô sấy một cấp bằngSSD Các nghiên cứu của Dirk và cộng sự [10], Wang D và Chang C.S [11] cũng đãcho thấy sấy HP là một phương pháp tốt để cải thiện chất lượng sản phẩm thủy sảnkhô do quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp Nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằngphương pháp sấy bằng HP cho chi phí năng lượng thấp và hiệu quả kinh tế cao hơn

so với phương pháp sấy thông thường Strommen [12] và Levent Taşeri., 2018[13] cho rằng sấy bằng HP tiêu thụ năng lượng ít hơn 60% đến 80% so với phươngpháp sấy bằng không khí nóng hoạt động ở cùng nhiệt độ Điều này cho thấy sấybằng HP là một lựa chọn đáng quan tâm về tiết kiệm năng lượng so với phươngpháp sấy bằng không khí nóng (Schmidt EL [14]) Claussen IC và cộng sự [15] đãcho rằng ưu điểm của phương pháp sấy bằng HP là sự tiết kiệm năng lượng, khảnăng kiểm soát nhiệt độ sấy đồng thời với độ ẩm của TNS

Như vậy, qua các phân tích tổng quan trên, có thể thấy, so với phương pháp sấynóng truyền thống thì phương pháp sấy bằng HP có thể tiết kiệm năng lượng và tạo

ra nhiệt độ môi trường sấy thấp nên giữ được chất lượng thực phẩm và rất phù hợpcho sấy nông sản Tuy nhiên, bơm nhiệt ứng dụng cho sấy thủy sản thì thường làthời gian sấy dài đến 11h [6, 7] Theo đó, VLS là thủy sản, nên được sấy kiểu bơmnhiệt lai như bơm nhiệt kết hợp với hồng ngoại, hay bơm nhiệt kết hợp với bức xạmặt trời (Sandra Budžaki [16]) Tuy nhiên, bơm nhiệt kết hợp với bức xạ mặt trời lạiphụ thuộc vào thời tiết và khí hậu Do đó, phương pháp sấy bằng bơm nhiệt kết hợphồng ngoại cho thủy sản là tốt nhất (Zbicinski, I [17])

1.1.2.2 Phương pháp sấy bằng hồng ngoại

a) Tương tác của bức xạ hồng ngoại với các thành phần của thực phẩm

Sấy bằng bức xạ hồng ngoại (IR) là phương pháp sấy dùng tia hồng ngoại chiếuvào trong VLS Kết quả là các phần tử nước sẽ dao động mạnh, tạo ma sát và sinh

10

nhiệt rất lớn Hiện tượng này chỉ xảy ra ở bước sóng nhất định (λ = 0,4 ÷ 40μm)[18]. Kết quả nghiên cứu ứng dụng của Rosenthal I [19] cho thấy khoảng bướcsóng, mà nước hấp thụ năng lượng tối đa với sấy thủy sản bằng IR là 2,7 ÷ 25 µm.VLS thủy sản có cấu trúc hóa học chủ yếu bởi các chất hữu cơ và nước Trong

đó, nước hấp thụ năng lượng tối đa, có thể coi là vật “đen tuyệt đối”, các phân tửnước hấp thụ năng lượng IR sẽ bay hơi và mang theo nhiệt, còn các chất hữu cơkhác hấp thụ năng lượng rất ít, có thể coi như “trong suốt” [20] Khả năng hấp thụnăng lượng IR của nước ở các bước sóng khác nhau được thể hiện trên (hình 1.1)

Hình 1.1 Đường cong hấp thụ của nước theo các bước sóng khác nhau [20, 21]

Hình 1.2 Sự chuyển động của nguyên tử khi nước hấp thụ năng lượng bức xạ hồng ngoại

Krishnamurthy [21] cho rằng sự dao động của các nguyên tử trong phân tửnước khi hấp thụ năng lượng IR được thể hiện trong Hình 1.2 Khi hấp thụ IR, cácnguyên tử H chuyển động quanh nguyên tử O theo chiều mũi tên như trên (hình

1.2) Cường độ hấp thụ của các liên kết hóa trị theo tỷ lệ v 1 , v 2 , v 3 tương ứng là0,07, 1,47 và 1,00 Kết quả là các lực ma sát sinh ra rất mạnh dẫn tới nhiệt độ củavật bị chiếu IR tăng lên một cách nhanh chóng Nghiên cứu của các tác giả Lê NhưChính cùng cộng sự [22] và Lê Văn Hoàng [23] đã cho thấy khoảng cách giữa bềmặt bóng đèn IR đến VLS có ảnh hưởng đến tốc độ sấy và đã đề xuất khoảng cáchnày nên lớn hơn 300mm Ưu điểm của phương pháp sấy khô bằng IR so với sấy

11

nước theo bước sóng hồng ngoại:

Nghiên cứu của Matsuura M [24] cho thấy trong thực phẩm bao gồm nhiềuthành phần khác nhau như các polyme sinh học, muối khoáng, nước, amino axit vàprotein có sự hấp thụ mạnh của IR ở các khoảng bước sóng 3 ÷ 4 μm và 6 ÷ 9 μm.Trong đó, lipid có khả năng hấp thụ mạnh bức xạ hồng ngoại ở phạm vi toàn bộcủa dải bước sóng hồng ngoại; nước và những hợp chất hữu cơ như protein, tinhbột là một trong những thành phần chính của thực phẩm hấp thụ IR ở những bướcsóng lớn hơn 2,5 µm (hình 1.3)

Hình 1.3 Dải hấp thụ của các chất dinh dưỡng chính trong thực phẩm so với nước

b) Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng sấy bằng IR trong nước và thế giới

 Nghiên cứu về sấy bằng bức xạ hồng ngoại tại Việt Nam

Nghiên cứu của Nguyễn Thị Bích Thủy [26] cho thấy nông sản khô như lạc,thóc được sấy bằng IR có tỷ lệ hàm lượng protein tăng từ 10,21% lên 10,33%,glucose tăng từ 19,51% tới 22,03%, số lượng vi sinh vật giảm rất nhanh và gần như

bị diệt hoàn toàn Tuy nhiên, phương pháp sấy IR cũng có nhược điểm là do cường

độ bức xạ lớn, nhiệt độ sấy cao nên VLS dễ bị cong vênh và biến tính một số thànhphần hóa học nhạy cảm với nhiệt độ [23]

 Nghiên cứu về sấy bằng bức xạ hồng ngoại trên thế giới.

Nghiên cứu của Supawan [25] cho thấy mẫu tôm sử dụng IR với công suất500W và nhiệt độ sấy là 70oC có màu sắc đỏ đẹp hơn các phương pháp khác Hơnnữa, sấy bằng IR có tốc độ sấy cao và thời gian ngắn hơn so với phương pháp sấy

12

đối lưu bằng không khí nóng Krishnamurthy [21] cho rằng công nghệ sấy bằng IR

có thể duy trì nhiệt độ đều trong VLS, rút ngắn thời gian sấy và đảm bảo chất lượngsản phẩm khô Tương tự, nghiên cứu của Ratti C [27] khi sấy chuối, xoài, rau thì làbằng IR cho rằng thời gian sấy rút ngắn được 2 ÷ 3 lần và đặc biệt là chất lượng vàmàu sắc của sản phẩm sấy bằng IR tốt hơn nhiều so với phương pháp sấy nóngthông thường Bengang Wu., 2018 [28] đã so sánh ở cùng nhiệt độ sấy là 90oC,phương pháp sấy bằng IR có tốc độ sấy cao hơn và chất lượng cà rốt tốt hơn phươngpháp sấy bằng không khí nóng

Có thể nói phương pháp sấy bằng IR có cường độ bức xạ hồng ngoại lớn, sẽphù hợp cho sấy các loại nông sản, thực phẩm có thể chịu được nhiệt độ sấy cao.Tuy nhiên, VLS là thủy sản là sản phẩm giàu các chất dinh dưỡng và đặc biệt cácthành phần hóa học trong VLS rất nhạy cảm với nhiệt độ Do đó, để đảm bảo đượcchất lượng của các sản phẩm và rút ngắn được thời gian sấy Phương pháp sấy bằng

HP kết hợp với IR là lựa chọn rất phù hợp và dễ ứng dụng trong thực tế sản xuất

1.1.2.3 Phương pháp sấy bằng bơm nhiệt kết hợp với hồng ngoại

a) Các kết quả nghiên cứu sấy bằng HP-IR tại Việt Nam

Trần Đại Tiến [7] đã nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp sấy HP-IR đếnchất lượng mực khô Kết quả cho chế độ sấy thích hợp là nhiệt độ 35oC, vận tốc gió2m/s, độ ẩm tương đối của TNS từ 20 đến 40%, khoảng cách từ đèn IR đến bề mặtcủa mực là 40 cm, nhiệt độ không khí thổi qua bề mặt mực nguyên liệu sấy 25± 10C

và thời gian sấy 10,2h Các tác giả Lê Như Chính, Phạm Văn Tùy, Trần thị Bảo Tiên[22] đã nghiên cứu chế tạo máy sấy bơm nhiệt tầng sôi kết hợp với hồng ngoại năngsuất 8 kg/mẻ, thời gian sấy là 6h, công suất tiêu thụ điện trung bình 4,2 kW Thửnghiệm với lá hẹ ở chế độ sấy tối ưu là nhiệt độ 45oC, vận tốc gió 6 m/s, khoảngcách từ đèn IR đến VLS 40 cm, chiều dày của lớp VLS 5 cm và độ ẩm tương đốicủa TNS từ 20 ÷ 40%

b) Các kết quả nghiên cứu sấy bằng HP-IR trên thế giới

Mustafa Aktas [29, 30] cho rằng hiệu suất sấy của các hệ thống bằng IR và sấybằng HP được tính tương ứng là 39% và 25%, hệ thống IR không chỉ rút ngắn thờigian sấy lên đến 69%, mà còn làm giảm tiêu thụ năng lượng của hệ thống 43,2%.Nghiên cứu của Yun Deng [31, 32] cho thấy mực ống được sấy khô bằng HP-IR ở

13

gian sấy Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy mực sấy bằng HP-IR (500W) cho khả nănghút nước phục hồi, hàm lượng axit amin và protein của mực khô cao hơn so với cácphương pháp sấy khác Suji P.V.,2018 [33] cũng cho rằng hệ thống sấy bơm nhiệt laivới chu trình kín tiêu thụ năng lượng ít hơn chu trình hở Nghiên cứu của XiaoyongSong [34] và Song Xiaoyong [35] cho thấy với phương pháp sấy bằng HP-IR thì tổngnăng lượng được sử dụng cho quy trình sấy giảm khi tăng cường độ IR Song Xiaoyongcòn nhận xét là máy sấy HP-IR làm tăng tốc độ sấy và làm giảm mức độ phản ứngMaillard và nâng cao chất lượng sản phẩm khô Nghiên cứu của Muhmmed HussainRiadh [36] đã cho thấy nên kết hợp sấy bằng IR với các phương pháp sấy khác nhưbơm nhiệt hay chân không để có được hiệu quả năng lượng tối ưu nhất Theo đó,Moses [37] và Minea [38] đã cho rằng sấy bằng HP có thể cải thiện hiệu quả nănglượng, độc lập kiểm soát nhiệt độ sấy và độ ẩm không khí nhưng thời gian sấy khá dài.

Do đó, để rút ngắn thời gian sấy cho phương pháp sấy bằng HP, cần phải bổ sung thêmnguồn năng lượng khác và sử dụng năng lượng IR cho mục đích này là một phươngpháp khá hiệu quả (Park J H, Lee J M [39])

Có thể nói phương pháp sấy bằng HP-IR có nhiều ưu điểm như giảm thời giansấy, tăng sự đồng đều về nhiệt độ trong VLS và qua đó góp phần tăng chất lượngcủa sản phẩm khô Điều này, có thể được giải thích là nhờ khả năng đâm xuyên củatia hồng ngoại vào tâm của VLS, khi đó sẽ có sự hấp thụ giữa tia IR với nước và cácchất dinh dưỡng sinh ra nhiệt, làm tăng nhiệt độ tại tâm của VLS kết hợp với khôngkhí khô đã được tách ẩm từ dàn bay hơi của bơm nhiệt thổi qua bề mặt của VLS,làm giảm nhanh nhiệt độ bề mặt ngoài của VLS Sự chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và

bề mặt ngoài của VLS lớn sẽ xuất hiện dòng ẩm đối lưu di chuyển trong các maoquản của VLS do chênh lệch áp suất theo định luật Darcy và dòng ẩm khuếch tán dichuyển do chênh lệch nhiệt độ theo định luật Fick Khi đó, các dòng ẩm sẽ dichuyển cùng chiều theo hướng từ tâm ra bề mặt của VLS, tăng cường quá trìnhkhuếch tán nội, tăng tốc độ sấy và giảm thời gian sấy Đây là cơ sở cho sự xuất hiệncủa phương pháp sấy bằng HP-IR được lựa chọn trong nghiên cứu của luận án

14

1.2 Nghiên cứu về truyền nhiệt, truyền chất bên trong VLS khi sấy bằng HP-IR

1.2.1 Kết quả nghiên cứu về mô hình toán truyền nhiệt, truyền chất trong VLS

1.2.1.1 Các nghiên cứu tại Việt Nam

Nguyễn Xuân Vượng [18] đã đề xuất phương trình truyền nhiệt trong quá trìnhsấy bằng IR Tác giả cho rằng năng lượng của IR đi sâu vào trong VLS, lan truyềntrong thể tích của nó, ảnh hưởng tới đặc tính của trường nhiệt độ bên trong vật liệusấy Tác giả đã đề xuất phương trình vi phân dẫn nhiệt bên trong VLS:

Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự [40] đã nghiên cứu thiết lập và giải mô hình toántruyền nhiệt trong quá trình sấy thăng hoa Tác giả đã xây dựng mô hình toán truyềnnhiệt trong điều kiện sấy thăng hoa:

t

w.gradt

Tác giả đã giả thiết rằng vật liệu sấy là các loại thực phẩm dạng trụ có bán kính

R (d = 2R) và không có nguồn nhiệt bên trong (qv = 0) Do VLS là thể rắn nên w 0

và đồng thời xem các mặt đẳng nhiệt là các mặt trụ đồng tâm Theo đó, phươngtrình vi phân dẫn nhiệt bên trong VLS được viết là:

(r, z, )

Nguyễn Thị Yên [41] đã nghiên cứu xác định bằng giải tích và thực nghiệm thờigian sấy trong quá trình sấy gỗ đối lưu Kết quả là tác giả đã đề xuất phương trìnhtruyền nhiệt trong quá trình sấy gỗ:

t(x,0) = t0 = const

,

t f t x

t 0,

0

x

Có nhiều phương pháp giải bài toán (1.4) – (1.7) và tác giả đã sử dụng phương

pháp biến đổi tích phân Laplace Như vậy, từ việc giải phương trình và phân tích

nghiệm của phương trình mà có thể chứng minh được khi Bi thì n = (2n-1) /2 và

nghiệm của phương trình sẽ có dạng:

Nguyễn Mạnh Hùng [42] đã xây dựng được mô hình toán cho quá trình TNTC

bên trong khoai tây cắt lát khi sấy lạnh bằng bơm nhiệt:

t C p

M

D (T) 2M

eff

Bài toán dẫn nhiệt và dẫn ẩm trong khoai tây cắt lát mỏng sẽ là một chiều, để

thuận lợi cho việc giải hệ phương trình (1.9) theo phương pháp sai phân hữu hạn

Tác giả viết hệ phương trình (1.9) ở dạng (1.10):

t

a.

x M

D eff (T ).

Trương Minh Thắng [43] đã nghiên cứu xây dựng mô hình toán TNTC trongquá trình sấy cà rốt bằng chu trình bơm nhiệt kiểu bậc thang Tác giả đã xem xétđến ảnh hưởng của hiện tượng co ngót của VLS trong quá trình sấy là cần thiết và

16

x M

x

1.2.1.2 Các nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu của Chalida Niamnuya và cộng sự [44] đã đề xuất mô hình toán cho

quá trình TNTC trong con tôm sấy đối lưu bằng không khí nóng kiểu tầng sôi

Phương trình truyền nhiệt trong con tôm được viết:

C p

Phương trình truyền ẩm trong con tôm được viết theo định luật Fick:

M

t

Điều kiện biên truyền nhiệt đối lưu trên bề mặt con tôm khi sấy:

Điều kiện truyền chất đối lưu trên bề mặt con tôm khi sấy:

– Deff∇M = αm(Ms –Me) (1.15) Worachard và cộng sự [45] đã

nghiên cứu quá trình TNTC trong tôm sấy đối lưu bằng không khí nóng và đề xuất các

phương trình vi phân TNTC trong con tôm là phương trình truyền nhiệt kết hợp với

phương trình khuếch tán ẩm theo định luật

t x

17

Brooker [48] và Trần Văn Phú [49] đã cho rằng nếu bỏ qua ảnh hưởng của ápsuất bên trong mao quản của VLS, thì hệ phương trình (1.19) có thể viết lại:

lý thuyết mà chưa làm rõ được phương pháp xác định áp suất bên trong VLS theothời gian sấy Các nghiên cứu còn lại chỉ mô tả hoặc quá trình truyền nhiệt [18], [40,41] hoặc quá trình truyền ẩm [46] hoặc đồng thời cả hai quá trình truyền nhiệt,truyền ẩm [42, 43, 44, 45] và [48, 49] Kết quả nghiên cứu của các tác giả trên đều

có điểm chung là xem ảnh hưởng của áp suất bên trong VLS đến quá trình truyền

ẩm trong VLS theo thời gian sấy là rất nhỏ và có thể bỏ qua trong nghiên cứu Vấn

18

1.2.2 Nghiên cứu về mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong VLS

Công nghệ sấy thực phẩm, thủy sản là một quá trình phức tạp bao gồm sự kếthợp giữa các quá trình truyền nhiệt, truyền chất với sự thay đổi tính chất lý – hóatrong thực phẩm và co rút của VLS theo thời gian sấy Do đó, mô hình hóa quá trìnhnày là thực sự cần thiết để tối ưu hóa quá trình sấy và cải thiện hiệu quả năng lượngcủa quá trình sấy Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển mô hình toán học dựatrên mô phỏng quá trình TNTC trong VLS Mô hình này có thể được sử dụng để dựđoán trường nhiệt độ, áp suất và ẩm bên trong VLS Các phương trình mô tả quátrình TNTC có thể được giải với phần mềm COMSOL Multiphysics 4.4 ([44], [50]).

Mô phỏng quá trình TNTC trong VLS như thủy sản là một vấn đề khó, đặc biệt

là các thông số đặc trưng của mô hình trên lại phụ thuộc vào hàm lượng ẩm, thànhphần hóa học còn lại trong VLS [2], [43] Do đó, các kết quả nghiên cứu mô phỏngTNTC trong thực phẩm nói chung và trong tôm thẻ nói riêng trong nước là rất hạnchế Một số kết quả nghiên cứu mô phỏng quá trình TNTC trong sấy tôm bằngkhông khí nóng trên thế giới đã cho kết quả và cũng cho thấy có thể phát triển sâuhơn về phương pháp mô phỏng này trong công nghiệp chế biến thủy sản Cụ thể lànghiên cứu của Chalida Niamnuya [44] đã ứng dụng phần mềm COMSOLMultiphysics 3.3 để mô phỏng quá trình TNTC và biến dạng cơ học của con tôm khisấy đối lưu bằng không khí nóng Kết quả đã mô phỏng, xác định được sự thay đổicủa nhiệt độ, hàm lượng ẩm và biến dạng cơ học trong tôm ở các chế độ nhiệt độ

80oC, 100oC và 120oC với vận tốc gió 2m/s theo thời gian sấy Tương tự,Worachard [45] cũng đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm FEMLAB để mô phỏngquá trình TNTC trong con tôm khi sấy đối lưu bằng không khí nóng Kết quả tác giả

đã xác định được sự thay đổi của trường nhiệt độ và trường ẩm trong tôm ở chế độsấy là nhiệt độ 70oC, độ ẩm tương đối của TNS 10% với thời gian mô phỏng lầnlượt là 0s, 500s, 1000s và 2000s Kết quả phân tích cho thấy các nghiên cứu trêncũng còn những hạn chế như đã bỏ qua ảnh hưởng của áp suất, vận tốc của dòng ẩmđối lưu trong các mao quản của con tôm đến quá trình truyền ẩm và thời gian sấy

19

Do đó, Các nghiên cứu cũng chưa mô phỏng được sự thay đổi của áp suất trong con

tôm theo thời gian sấy

1.2.3 Nghiên cứu về xác định các thông số đầu vào của mô hình toán

1.2.3.1 Nghiên cứu về xác định thông số nhiệt vật lý cho mô hình toán

a) Nghiên cứu tại Việt Nam

 Phương pháp xác định thông số nhiệt vật lý của VLS tại Việt Nam

- Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu sấy:

Hệ số dẫn nhiệt của VLS nói chung phụ thuộc không những vào bản chất của

chất khô, hàm lượng ẩm mà còn phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc các hang xốp,

đường kính các mao quản Do đó, hệ số dẫn nhiệt của VLS có thể tính như sau [2],

[18]:

1 (1

d

1Trong đó: λd và λw là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khô và của nước trong các

hang xốp; Vs và Vp tương ứng là thể tích của vật chất rắn khô và của tất cả các mao

quản, Ψ là hệ số hình dáng của các mao quản tạo nên VLS

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu thủy sản do thành phần hóa học quyết định mà đặc

biệt là hàm lượng mỡ và hệ số dẫn nhiệt tỷ lệ nghịch với hàm lượng mỡ trong VLS

Do đó, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu thủy sản có thể được tính theo công thức [2]:

λ = λw.W + λd.N (1.22) Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự

[52] đã đề xuất công thức thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của tôm thẻ chân

trắng trong quá trình sấy thăng hoa ở khoảng nhiệt

độ xác định là (-1,17 ÷ 45)oC:

λ = 0,477 + 2,550.10-3t

- Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy:

Là lượng nhiệt thu vào hay tỏa ra để làm cho một đơn vị khối lượng vật thể tăng

lên hoặc giảm xuống 1oC, đơn vị là kJ/kgK Nhiệt dung riêng của tôm thường thay

đổi, tỷ lệ thuận với hàm lượng nước trong cơ thể của chúng Trong phạm vi nhiệt độ

nhất định, nhiệt dung riêng của tôm có thể được tính theo công thức sau [2]:

C = Cw.W + Cd.N

20

thẻ có thể được xác định theo nhiệt độ sấy (-1,17 ÷ 45)oC:

- Khối lượng riêng của vật liệu sấy:

Nghiên cứu của Nguyễn Tấn Dũng [52] đã cho thấy nhiệt dung riêng của tômthẻ có thể được xác định theo nhiệt độ sấy (-1,17 ÷ 45)oC:

- Hệ số khuếch tán nhiệt:

Hệ số khuếch tán nhiệt là đại lượng dùng để chỉ tốc độ lan truyền thay đổi nhiệt

độ trong cơ thể tôm, cá khi được gia nhiệt hay làm lạnh Hệ số khuếch tán nhiệt phụthuộc vào nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt và khối lượng riêng của VLS [2], [49]:

C

Hệ số khuếch tán nhiệt càng lớn thì sự lan truyền thay đổi nhiệt độ trong vậtliệu thủy sản càng nhanh [2]

b) Nghiên cứu trên thế giới

 Phương pháp xác định thông số nhiệt vật lý của VLS trên thế giới

- Hệ số dẫn nhiệt của tôm:

Chalida Niamnuya [44] và Erdogdu [51] đã cho rằng hệ số dẫn nhiệt của tômphụ thuộc vào hàm lượng ẩm trong tôm (M) và có thể được xác định theo công thức:

0,0798 0,517

- Nhiệt dung riêng của tôm:

Chalida Niamnuya [44], Erdogdu [51] và Worachard Chawanasporn [45] đã xácđịnh nhiệt dung riêng của VLS theo hàm lượng ẩm M và đề xuất công thức:

C 1675 250

- Khối lượng riêng của tôm:

21

Trong đó: C1, C2 là hằng số xác định bằng thực nghiệm

Nghiên cứu của Ghiaus [53] cho thấy khối lượng riêng của chất khô trong tôm

có thể được xác định theo công thức:

Trong đó, Do là hệ số của phương trình Arrhenius; Ea là năng lượng hoạt hóa; R

là hằng số chất khí và T là nhiệt độ tuyệt đối

Nghiên cứu của Chalida Niamnuya [44] và Kuma G Erko et al [59] đã xác định

hệ số khuếch tán ẩm DeffTM phụ thuộc cả 2 thông số là nhiệt độ và hàm lượng ẩmtrong tôm theo công thức:

D

Trong đó: C1, C2, C3 là các hằng số được xác định từ thực nghiệm Theo đó, hệ

số DeffTM có thể được xác định:

D

eff

Nghiên cứu của các tác giả Asie Farhang [60], M V C Silva1 (2016) [61],

Marcus Vinicius da Costa 2018 [62] và Watcharin Dongbang [63] đã cho thấy hệ số

khuếch tán ẩm có thể xác định theo phương trình của định luật Fick:

Trong đó: τ là thời gian sấy và

Khi hệ số Fourier Fo > 0,2, phương trình (1.37) có thể được đơn giản thành

phương trình sau:

D

effF

d TB

Phương trình (1.38) cho phép xác định hệ số khuếch tán ẩm trong con tôm khi

biết thời gian sấy τ; hàm lượng ẩm ban đầu và cuối của VLS Mo và Mτ; đường kính

trung bình của con tôm khi sấy dTB.

1.2.3.2 Nghiên cứu về phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt và hệ số trao đổi

chất trong quá trình sấy tôm

a) Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong quá trình sấy tôm

Chalida Niamnuya và cộng sự [44] đã đưa ra phương pháp xác định tiêu chuẩn

đồng dạng Nu trong quá trình sấy tôm kiểu tầng sôi:

V

max

1,23

Pr 0,33

Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong quá trính sấy tôm bằng phương pháp

sấy nóng và bơm nhiệt như sau (Worachard Chawanasporn [45]):

Nu

dl .d

TB

1.2.3.3 Nghiên cứu về mô hình bán thực nghiệm

a) Các nghiên cứu tại Việt Nam

Nguyễn Trọng Cẩn [2] cho rằng khi bỏ qua giai đoạn đốt nóng VLS thì thờigian sấy được tính thông qua hai giai đoạn là thời gian sấy đẳng tốc (τ1) và thời giansấy giảm tốc (τ2) Như vậy, tổng thời gian sấy được tính theo công thức:

12

Trong đó: N là hằng số tốc độ sấy; các thông số: Mo, Mτ, Mk, Me, lần lượt làhàm lượng ẩm ban đầu, hàm lượng ẩm cuối, hàm lượng ẩm tới hạn và độ ẩm cânbằng của vật liệu sấy

b) Kết quả nghiên cứu trên thế giới

A.S Ajala và F.A Ajala [64], Suvarnakuta [65] và Supawan Tirawanichakul[25] đã nghiên cứu động học quá trình sấy tôm và đề xuất mô hình xác định thời gian sấy bán thực nghiệm theo phương trình sau:

M

Trong đó: MR là tỷ lệ của hàm lượng ẩm, k, n là các hằng số và τ là thời giansấy tôm.

Các hằng số k và n có thể được xác định bằng thực nghiệm theo cỡ tôm nhỏ và

cỡ tôm lớn, T là nhiệt độ sấy (oK) [25]

Đối với tôm cỡ nhỏ (200 con/kg):

k (T 0,178 ) 2, 757; n 232, 63T 1 ; R2 0,96

24

Như vậy, phương trình (1.44 ÷ 1.46) cho phép chúng ta xác định thời gian sấybằng thực nghiệm cho cả cỡ tôm lớn và cỡ tôm nhỏ.

1.3 Nghiên cứu về phương pháp tối ưu hóa xác định chế độ sấy

1.3.1 Các kết quả nghiên cứu tại Việt Nam

Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa chế độ sấy và các yếu tố ảnh hưởng đến chấtlượng của tôm bằng HP-IR Sử dụng thuật toán tối ưu hóa theo nguyên lý vượt khehướng chiếu Affine đã thu được kết quả tối ưu như sau: nhiệt độ sấy t = 45oC, vậntốc gió V = 2,5m/s và khoảng cách IR đến VLS H = 41cm [66] Tương tự, thịt cásấu tẩm gia vị sấy bằng HP-IR cũng cho thấy chế độ tối ưu là t = 45oC, V = 3m/s, H

= 45cm, độ ẩm tương đối của TNS φTNS = 20 ÷ 40% cho chất lượng sản phẩm khôtốt nhất và năng suất sấy cao nhất [67] Nghiên cứu sự biến đổi thành phần hóa học,tính chất vật lý và đề xuất biện pháp nâng cao chất lượng của cá cơm sấy bằng IR.Kết quả tác giả đã tối ưu hóa đơn mục tiêu theo phương pháp Box-Wilson và xácđịnh được chế độ sấy tối ưu: H = 10 cm, t = 55oC, V = 1,4 m/s Với chế độ sấy này,chỉ cần 3,5 giờ hàm lượng ẩm của cá cơm khô đạt 20 ± 2% và cho chất lượng sảnphẩm tốt [20] Cùng với phương pháp tối ưu của Box-Wilson khi tối ưu hóa côngđoạn sấy rong nho bằng phương pháp sấy HP-IR, kết quả nghiên cứu cho thấy rongnho sấy ở chế độ tối ưu là nhiệt độ 44oC, vận tốc gió 2,6 m/s, khoảng cách bức xạ

19 cm, độ dày lớp VLS là 1,8 cm cho chất lượng tốt hơn hẳn so với rong nho sấybằng không khí nóng hoặc phơi nắng [68]

Nghiên cứu của Nguyễn Tấn Dũng [69] đã xác định được chế độ tối ưu cho tômbạc sấy thăng hoa bằng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu Kết quả đã thu đượcchế độ sấy tối ưu như sau: Giai đoạn 1: nhiệt độ môi trường lạnh đông - 45oC, nhiệt

độ bề mặt VLS là 33,05oC, nhiệt độ tâm VLS là 11,97 oC Giai đoạn 2 và 3: nhiệt độthăng hoa - 24,62oC, nhiệt độ môi trường sấy 34,05 oC, áp suất môi trường sấy0,009 mmHg, thời gian sấy giai đoạn 2: 11,403 h, khi đó nhiệt độ VLS ≥ - 1,18 oC,thời gian sấy chân không ở giai đoạn 3: 1,857 h, tổng thời gian sấy là: 13,26 h, chochi phí quá trình nhỏ nhất và chất lượng sản phẩm là lớn nhất [69]

25

Nghiên cứu của Phạm Văn Hậu [70] đã xác định chế độ sấy tối ưu trên máybơm nhiệt cho lá hành Ứng dụng phương pháp tối ưu hóa theo nguyên lý vượt khehướng chiếu Affine đưa ra được chế độ sấy tối ưu cho lá hành là chu kỳ làm việccủa máy τlv = 90 phút, khối lượng vật liệu trong một mẻ sấy Gvls = 10kg, lưu lượngtác nhân sấy LTNS = 0,42kg/s cho lượng ẩm tách được của máy lớn nhất bằng7,2g/phút Nghiên cứu tương tự trên cùng máy sấy và phương pháp tối ưu cho củhành tây cắt lát cũng thu được chế độ sấy tối ưu là: t = 340C, V = 2m/s, GVLS =8kg/mẻ, tỷ lệ bypass BP = 55% Ở chế độ sấy này lượng ẩm tách ra trong một đơn

vị thời gian là 22,21g/phút [71] Nghiên cứu tối ưu chế độ sấy đối lưu cho thóc bằngbơm nhiệt theo lớp dày cố định [72] Kết quả là đã xây dựng được 03 phương trìnhhồi quy, xét ảnh hưởng đồng thời của các thông số đầu vào như t, V, D và tĐ tácđộng đến các hàm mục tiêu như tỷ lệ nguyên hạt (HRY), tiêu hao năng lượng (Q) vàthời gian sấy (Dt) của quá trình sấy thóc Ứng dụng phương pháp tối ưu hóa đa mụctiêu theo nguyên lý vượt khe hướng chiếu Affine, đã xác định được chế độ sấy tối

ưu cho quá trình sấy thóc như sau: Nhiệt độ sấy t = 42 ÷ 43oC, chiều dày lớp hạt D

= 35 ÷ 40cm, thời gian đảo gió tĐ = 6 ÷ 6,5h, tốc độ gió V = 0,22 ÷ 0,26m/s

1.3.2 Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài

R. Chakraborty và cộng sự (2011) [73] đã nghiên cứu tối ưu chế độ sấy tôm súbằng phương pháp sấy thăng hoa Kết quả đã xây dựng được 03 phương trình hồiquy, xét đến ảnh hưởng đồng thời của các thông số đầu vào là X1, X2, X3 và X4 đếnhàm mục tiêu là nhiệt độ cuối của sản phẩm (Tp), tỷ lệ HNPH (RR) và độ ẩm cuốicủa tôm khô (Mc) Tác giả đã tối ưu hóa quá trình sấy trên bằng phương pháp bềmặt đáp ứng (RSM) và thu được chế độ sấy tối ưu cho quá trình sấy tôm như sau:nhiệt độ bề mặt hồng ngoại IR là 65oC, khoảng cách từ hồng ngoại tới tôm sấy là 60

mm, độ dày tôm sấy là 10 mm và thời gian sấy là 6,37h Tương tự với nghiên cứucủa Wen-Rong Fu [74] về ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt nguồn IR và nhiệt độkhông khí và khoảng cách từ IR tới VLS đến chất lượng, thời gian và hiệu quả nănglượng của quá trình sấy tôm Kết quả với phương pháp tối ưu RSM đã xác địnhđược chế độ sấy tối ưu cho chất lượng tôm khô tốt nhất là: khoảng cách hồng ngoại

là 12,5cm, nhiệt độ bề mặt nguồn IR là 357oC, nhiệt độ không khí sấy 43oC và vậntốc gió 2m/s.

26

RSM đã cho thấy chế độ sấy tối ứu là: nhiệt độ sấy đạt 59,8 C, vận tốc gió đạt 2m/s,

độ dày VLS đạt 10mm, tương ứng với năng lượng tiêu thụ bé nhất đạt 3,54kWh/kgH2O và thời gian sấy ngắn nhất là 94,54 phút Mahdis Mosayebi và cộng sự(2018) [76] đã ứng dụng phương pháp tối ưu hóa RSM để xác định chế độ sấy chohạt hướng dương sấy bằng IR kết hợp đối lưu bằng không khí nóng Kết quả nghiêncứu đã xác định được chế độ sấy tối ưu là: Công suất hồng ngoại đạt 425,7 W, nhiệt

độ sấy đạt 123,4oC và thời gian sấy đạt 3,7 phút, cho chất lượng hạt khô tốt nhất.Nghiên cứu của Luo Lei và cộng sự (2016) [77] đã xác đinh chế độ sấy tối ưu chothảo dược là Kim ngân bằng phương pháp sấy HP-IR Kết quả cho thấy so với sấybằng bơm nhiệt thì phương pháp kết hợp HP-IR đã tiết kiệm được thời gian sấy là52,1% và năng lượng tiêu thụ giảm là 59,8%, khả năng hút nước phục hồi của sảnphẩm khô tăng 7,9% và giảm độ biến nâu của Kim ngân 4,1%

Qua phân tích các kết quả nghiên cứu của các tác giả [20], [66, 67, 68], [70, 71],[74] đã xác định chế độ sấy tối ưu bằng phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu Tuynhiên, chế độ sấy trên chỉ đúng với một mục tiêu đã chọn, trong thực tế các bài toántối ưu thường là các bài toán đa mục tiêu như các nghiên cứu [69], [72, 73], [75, 76,77] đã sử dụng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu để xác định chế độ sấy Hơnnữa, đa số các tác giả nước ngoài cũng cho thấy phương pháp tối ưu hóa đa mụctiêu bề mặt đáp ứng RSM là phương pháp tối ưu hiệu quả và dễ áp dụng để xác địnhchế độ tối ưu cho quá trình sấy nông sản, thực phẩm và thủy sản Các phương pháptối ưu khác như phương pháp vượt khe, hay phương pháp Box-Wilson là khó khănhơn, khi sử dụng phải lập trình chương trình tối ưu hóa Do đó, trong nghiên cứuxác định chế độ sấy của luận án, chúng tôi ứng dụng phương pháp tối ưu hóa đamục tiêu RSM để giải bài toán tối ưu xác định chế độ sấy tôm thẻ chân trắng ViệtNam sấy bằng HP-IR

27

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Một số vấn đề còn tồn tại cần phát triển và nghiên cứu làm rõ.

Vấn đề về các phương pháp sấy:

Kết quả nghiên cứu tổng quan về một số phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt

và hồng ngoại tại mục 1.1.2, bao gồm các nghiên cứu về sấy bằng HP [4 ÷ 17],phương pháp sấy bằng IR [18 ÷ 28] và phương pháp sấy bằng HP-IR [6], [21, 22]

và [29 ÷ 39] Các kết quả nghiên cứu tổng quan trên cho thấy phương pháp sấy bằngHP-IR có nhiều ưu điểm hơn như tiết kiệm năng lượng, tốc độ sấy cao, thời gian sấyngắn và giữ được chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, hiện nay các nghiên cứu về tínhtoán, thiết kế thiết bị sấy bằng HP-IR đang còn rất hạn chế, các mẫu thiết bị sấybằng HP-IR trong nước sản xuất còn kém hiệu quả, chất lượng sản phẩm sấy khôngcao Do đó nghiên cứu về phương pháp sấy và từ đó chế tạo tủ sấy HP-IR đáp ứngđược yêu cầu nghiên cứu là nhiệm vụ của luận án

Vấn đề về xây dựng mô hình toán và mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong vật liệu sấy:

+ Vấn đề về mô hình toán cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất bên trong vật liệu sấy:

Kết quả phân tích tại mục 1.2 cho thấy các nghiên cứu trên đã xây dựng được

mô hình toán mô tả quá trình TNTC trong VLS Tuy nhiên, các mô hình này chưalàm rõ được ảnh hưởng của thành phần hóa học trong VLS, nguồn nhiệt do IR đếntrường nhiệt độ trong VLS, ảnh hưởng của áp suất bên trong các mao quản đếntrường ẩm trong VLS Hơn nữa, các nghiên cứu trước cũng chưa giải và mô phỏngđược quá trình TNTC trong con tôm thẻ sấy bằng HP-IR để đánh giá được sự ảnhhưởng của các thông số như nhiệt độ, áp suất và hàm lượng ẩm bên trong con tômđến tốc độ và thời gian sấy Do đó, đây cũng là nội dung chính mà luận án cầnnghiên cứu

+ Vấn đề về phương pháp mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền chất bên trong vật liệu sấy:

Qua kết quả phân tích tổng quan về phương pháp mô phỏng quá trình TNTCtrong VLS tại mục 1.2.1.3 cho thấy các tác giả đã giải bài toán TNTC trong VLSbằng phần mềm COMSOL Multiphysics và phần mềm FEMLAB [44, 45], [50]

28

suất và hàm lượng ẩm trong tôm thẻ sấy bằng HP-IR là nhiệm vụ nghiên cứu củaluận án.

Vấn đề về xác định thông số nhiệt vật lý và các thông số sinh học đặc trưng của tôm thẻ chân trắng:

+ Thông số nhiệt vật lý của tôm thẻ chân trắng:

Theo kết quả nghiên cứu tại mục 1.2.1.4 cho thấy một số tác giả tập trung xácđịnh thông số nhiệt vật lý thay đổi theo hàm lượng nước trong VLS [44, 45], [51,

52, 53], bên cạnh đó tài liệu [65] đã xây dựng các công thức xác định thông số nhiệtvật lý của tôm theo nhiệt độ sấy Tuy nhiên, đối với tôm thẻ là loại thủy sản giàuchất dinh dưỡng [2], các thông số nhiệt vật lý cần được tính toán theo nhiệt độ vàcác thành phần hóa học chính trong con tôm thẻ chân trắng

+ Các thông số sinh học đặc trưng của tôm thẻ chân trắng:

Kết quả phân tích tổng quan cho thấy đa số các nghiên cứu xác định hệ sốkhuếch tán ẩm Deff (m2/s) trong VLS theo nhiệt độ sấy [45], [54 ÷ 58] Bên cạnh đó,một số tác giả đã sử dụng công thức thực nghiệm để xác định hệ số khuếch tán ẩmtheo nhiệt độ và hàm lượng ẩm trong tôm sấy [44], [59]; theo hàm lượng ẩm và thờigian sấy [60 ÷ 63] Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chưa tính toán hệ số Deff trongtôm thẻ theo ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ, hàm lượng ẩm và độ co rút của contôm thẻ khi sấy Do đó, đây cũng là nội dung nghiên cứu của luận án

Hơn nữa, hiện nay chưa có nghiên cứu xác định các thông số sinh học của tômthẻ như độ xốp trong cơ thịt tôm, vận tốc dòng ẩm trong các mao quản, hệ số thấm,

độ nhớt của pha lỏng, pha hơi trong tôm,… Đây là những thông số mà luận án cầnnghiên cứu và xác định

Vấn đề về phương pháp xác định chế độ sấy cho tôm thẻ chân trắng:

Kết quả phân tích tại mục 1.3 của các tác giả [20] và [66 ÷ 77] đều cho thấy cónhiều phương pháp tối ưu hóa để xác định chế độ sấy cho nông sản, thực phẩm,thủy sản Tuy nhiên, đa số các nghiên cứu cho thấy phương pháp tối ưu hóa đa mụctiêu bằng phương pháp RSM là thực sự hiệu quả và thích hợp cho vấn đề nghiên

29

cứu xác định chế độ sấy cho thủy sản nói chung và tôm thẻ chân trắng nói riêng Do

đó, nghiên cứu phương pháp xác định chế độ sấy tối ưu cho tôm thẻ theo phươngpháp mô phỏng và thực nghiệm trên máy sấy HP-IR, xác định hiệu quả năng lượng

và hiệu quả sấy cũng là nội dung mà luận án cần nghiên cứu

Hướng nghiên cứu của luận án:

Như đã trình bày ở phần kết luận chương 1, cho đến nay còn một số vấn đề tồntại, có ý kiến khác nhau hoặc chưa được đề cập trong các nghiên cứu, kết hợp vớinhu cầu thực tế công nghiệp, đời sống và điều kiện cụ thể của Việt Nam cũng nhưquỹ thời gian dành cho một luận án Tiến sĩ Tác giả đề xuất hướng nghiên cứu củaluận án bao gồm các nội dung sau:

1) Nghiên cứu xây dựng và phát triển mô hình toán về quá trình TNTC trongcon tôm thẻ sấy bằng HP-IR Trong đó, mô hình toán truyền nhiệt có kể đếnảnh hưởng của các thông số nhiệt vật lý theo nhiệt độ, thành phần hóa họccủa tôm và mô hình toán truyền ẩm có kể đến ảnh hưởng của gradient ápsuất, độ co rút của con tôm theo thời gian sấy

2) Nghiên cứu xác định các thông số nhiệt vật lý và thông số sinh học đặc trưngcủa con tôm thẻ chân trắng

3) Nghiên cứu mô phỏng quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ chân trắng sấybằng HP-IR, xác định trường nhiệt độ, áp suất và trường ẩm theo thời giansấy

4) Nghiên cứu phương pháp xác định chế độ sấy tối ưu cho tôm thẻ chân trắng bằng HP-IR

30

THẺ CHÂN TRẮNG SẤY BẰNG HP-IR

TNTC trong con tôm thẻ sấy bằng HP-IR là quá trình diễn ra rất phức tạp, phụthuộc vào nguồn nhiệt trao đổi và bản chất vật lý của VLS Do đó, nghiên cứu quyluật thay đổi cũng như xác định các thông số nhiệt vật lý, các thông số sinh học đặctrưng trong VLS theo thời gian là cần thiết ([78], [79]) Hiện nay, các nghiên cứuxây dựng mô hình toán và mô phỏng quá trình TNTC trong Kỹ thuật sấy thủy sảnnói chung còn nhiều hạn chế, đặc biệt với tôm thẻ chân trắng, một loài thủy sản giàuchất dinh dưỡng so với các loài nông sản, thực phẩm khác Vì vậy, mục tiêu củachương này là xây dựng được mô hình toán về TNTC trong VLS, xác định điều kiệnbiên truyền nhiệt, truyền chất và điều kiện vật lý phù hợp với con tôm thẻ sấy bằngHP-IR từ đó làm cơ sở để xây dựng lưu đồ thuật toán giải bài toán TNTC, xác địnhtrường nhiệt độ, áp suất và hàm lượng ẩm trong con tôm thẻ theo thời gian sấy

2.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình toán TNTC trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR

Mô hình toán về TNTC trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR được xâydựng với các giả thiết như sau:

Phương pháp sấy gián đoạn, năng suất sấy nhỏ và VLS trên lưới là một lớp.Nguồn nhiệt IR trao đổi với VLS là liên tục và không đổi trong quá trình sấy.Nhiệt độ, vận tốc gió trên lưới sấy và trên các bề mặt của con tôm được coi làđồng đều

VLS là đồng chất, không có phản ứng hóa học, mật độ nguồn nhiệt thể tíchtrong VLS qv,IR [W/m3] hoàn toàn là do nhiệt hồng ngoại IR hấp thụ vào VLS Theo

đó, qv,IR đóng vai trò như là “nguồn nhiệt thể tích” trong mô hình toán

Hàm lượng ẩm, nhiệt độ ban đầu của tôm là đồng nhất

Số liệu các thông số nhiệt vật lý của tôm khi đưa vào quá trình giải bài toánTNTC là giá trị trung bình trong quá trình sấy

Hệ số khuếch tán ẩm của tôm phụ thuộc vào nhiệt độ và độ co rút của tôm theothời gian sấy

31

Truyền ẩm bên trong con tôm khi sấy là ở cả pha lỏng và pha hơi.

Xét ảnh hưởng của độ co rút của con tôm đến quá trình truyền ẩm thông qua hệ

số khuếch tán DeffST nhưng coi hình dạng của tôm là không đổi

2.2 Xây dựng mô hình toán cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất

2.2.1 Hệ phương trình mô tả quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR

TNTC đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật sấy Nó chịu ảnh hưởng của nhiềuyếu tố như sự chuyển pha bay hơi của nước (Datta, A (2002) [78]), sự co rút cấutrúc, sự tạo màng ngoài bề mặt và sự thay đổi trạng thái của VLS trong quá trình sấy(Tornberg (2005) [80]; Talla, A (2004) [81]; Purlis (2010) [82]) Những thay đổi này

có thể ảnh hưởng trực tiếp đến cơ chế TNTC, cụ thể là các thông số đặc trưng củaTNTC như hệ số dẫn nhiệt, hệ số khuếch tán ẩm và tính thấm trong VLS,…(Feyissa et al., (2013) [83]; Fc Muga (2019) [84]) Nghiên cứu về cơ chế khuếch tán

ẩm trong VLS như khoai tây, cà rốt, củ cải của Mingheng Shi et al., (2005) [85] đãchỉ ra có năm cơ chế truyền ẩm từ bên trong ra bề mặt VLS trong quá trình làm khô

đó là: (1) sự khuếch tán ẩm do gradient độ ẩm, (2) khuếch tán ẩm gây ra bởi lựcmao dẫn, (3) khuếch tán ẩm do gradient nhiệt độ, (4) khuếch tán ẩm do nước bayhơi và ngưng tụ trong các mao dẫn, và (5) khuếch tán ẩm gây ra bởi gradient áp suấttạo ra dòng đối lưu bên trong VLS Cường độ của dòng dịch chuyển ẩm đối lưu lớnhơn nhiều lần dòng dịch chuyển ẩm dưới tác động của lực mao dẫn và khuếch tán.Mingheng Shi [85] cho rằng trong quá trình làm khô nhanh VLS thì dòng ẩm chảytrong cấu trúc mao dẫn theo áp suất ΔP là cơ chế chủ yếu Nhận định này cũng phùhợp với kết quả nghiên cứu của Soner Celen et al., (2013) [86] cho thấy áp suất bêntrong vật liệu sấy tăng trong giai đoạn đầu quá trình sấy và sau đó giảm dần theohàm lượng ẩm còn lại trong VLS Theo đó, nghiên cứu để xây dựng mô hình toán

về TNTC xét đến ảnh hưởng của áp suất bên trong mao quản, sự co rút của VLS vàgiải bài toán TNTC trong con tôm nhằm nâng cao hiệu quả sấy là cần thiết Nhưvậy, trên cơ sở cấu trúc cơ thịt và mao quản của con tôm thẻ (hình 2.1) và các kếtquả nghiên cứu lý thuyết của tài liệu Chalida Niamnuya (2008) [44], A Luikov[47], Trần Văn Phú [49], Datta [87], Daniel I Onwud et al., 2018 [88, 89], [90] đãđược công bố Hệ phương trình toán TNTC dựa trên định luật

32

Hình 2.1 Hình ảnh cấu trúc cơ thịt và mao quản bên trong con tôm thẻ chân trắng

2.2.1.1 Phương trình truyền nhiệt trong con tôm thẻ sấy bằng HP-IR

Mô hình truyền nhiệt trong VLS bằng HP-IR là quá trình phức tạp bao gồmnăng lượng do IR từ bề mặt đèn hồng ngoại kết hợp với quá trình trao đổi nhiệt đốilưu của không khí khô từ bơm nhiệt đến bề mặt của VLS (Krishnamurthy et al.,

2008 [21]; Pan và Atungulu (2011) [91]) Việc tính toán năng lượng IR hấp thụ vàotrong VLS là rất quan trọng trong mô phỏng TNTC (Prakash, 2011 [92]) Tanaka,Uchino (2011) [93] và Phạm Xuân Vượng [18] cho rằng nhiệt IR hấp thụ vào VLS

sẽ được lan tỏa trên bề mặt và truyền vào bên trong tâm của VLS Do đó, nănglượng IR hấp thụ vào VLS chính là nguồn nhiệt thể tích (qv,IR) Theo đó, phươngtrình truyền nhiệt trong VLS đã được lựa chọn và phát triển dựa trên định luậtFourier, đặc biệt là phương trình truyền nhiệt xét đến nguồn nhiệt thể tích (qv,IR) và

hệ số dẫn nhiệt λTB theo các hướng dẫn nhiệt song song và vuông góc với thớ thịtcủa tôm Như vậy, phương trình vi phân truyền nhiệt trong con tôm thẻ sấy bằngHP-IR được viết như sau:

2.2.1.2 Phương trình truyền ẩm bên trong con tôm thẻ sấy bằng HP-IR

a) Phương trình truyền ẩm do đối lưu và khuếch tán trong con tôm sấy bằngHP-IR

Quá trình truyền chất bên trong con tôm theo thời gian sấy chủ yếu là sự khuếchtán của dòng ẩm theo hướng từ tâm ra bề mặt ngoài của con tôm [44], [47], [84],[90] và J.Aprajeeta (2015) [94] Theo đó, luận án lựa chọn và phát triển phươngtrình toán mô tả quá trình truyền ẩm bên trong con tôm thẻ có kể đến ảnh hưởng củanhiệt độ, độ co rút của con tôm khi sấy đến hệ số khuếch tán ẩm (DeffST) theo địnhluật 2 của Fick và ảnh hưởng của áp suất tổng đến dòng ẩm đối lưu (u) bên trongcác mao quản của VLS theo định luật Darcy như sau:

effST

Theo đó, phương trình (2.2) bao gồm dòng ẩm do khuếch tán được tính

theo định luật Fick và dòng ẩm đối lưu được xác định theo định luận Darcy

- Dòng ẩm khuếch tán theo định luật Fick được xác định thông qua hệ số

khuếch tán ẩm có Deff-ST [m2/s] và độ chênh lệch nồng độ giữa hàm lượng ẩm trên

bề mặt VLS và độ ẩm cân bằng trong TNS

- Dòng ẩm đối lưu trong mao quản của VLS theo định luật Darcy được xác địnhthông qua vận tốc dòng ẩm u [m/s] và độ chênh lệch nồng độ giữa hàm lượng ẩmtrên bề mặt VLS và độ ẩm cân bằng trong TNS

b) Phương trình truyền ẩm đối lưu mô tả áp suất trong VLS theo định luật

A. Luikov [47], Trần Văn Phú [49] cho rằng trong quá trình sấy cường độ cao,nếu nhiệt độ sấy lớn hơn 100oC và ở điều kiện áp suất khí quyển, sẽ xuất hiện độchênh lệch áp suất ΔP giữa tâm và bề mặt ngoài của VLS (P > Pa) Khi đó, dòng hơi

ẩm do khuếch tán trong vật xốp mao dẫn được thay thế bởi dòng ẩm do đối lưu.Hơn nữa, A Luikov [47] còn cho rằng nếu quá trình sấy được thực hiện bằng quátrình đốt nóng từ bên trong VLS như phương pháp sấy bằng dòng điện cao tần, visóng hay bức xạ hồng ngoại thì ΔP xuất hiện ngay cả khi nhiệt độ bé hơn 100oC.Điều này có thể giải thích là do nước tự do trong cấu trúc mao quản nhận nhiệt vàbay hơi làm tăng áp suất hơi nước bão hòa trong các mao quản Theo đó, các phân

tử (khí- hơi) chuyển động, tạo ra dòng đối lưu trong mao quản của VLS và tăng tốc

34

p M v

Trong đó:

Mv v S v

2.2.2 Điều kiện đơn trị

2.2.2.1 Điều kiện ban đầu

Quá trình sấy được bắt đầu với nhiệt độ và hàm lượng ẩm trong tôm như sau:

Tại τ = 0, to = ti = 25oC

Mo = Mi = 2,333 kg/kg vlk

Mo = Mi = 41264,970 mol/m3

2.2.2.2 Điều kiện biên

a) Điều kiện biên truyền nhiệt

- Điều kiện biên trao đổi nhiệt do đối lưu và bức xạ

+ Điều kiện biên trao đổi nhiệt đối lưu trong quá trình sấy tôm bằng phương

pháp sấy HP-IR được chia thành hai giai đoạn như sau:

Giai đoạn sấy nâng nhiệt: Đây là giai đoạn VLS nhận nhiệt từ nguồn IR và từ

HP thông qua TNS, nhiệt độ của VLS liên tục tăng và đạt đến nhiệt độ sấy Theo đó,phương trình điều kiện biên truyền nhiệt trên các mặt biên số 1, 2, 3 (Hình 2.2) củacon tôm khi sấy được mô tả theo phương trình (2.5) Trong đó, bao gồm dòng nhiệt

do IR trao đổi với bề mặt VLS (qo), dòng nhiệt trao đổi do đối lưu giữa không khíkhô từ cụm bơm nhiệt với bề mặt của con tôm và năng lượng nhiệt để bay hơi ẩmtrên bề mặt con tôm khi sấy vào TNS

n.( eq t C ut) qodl (ta t s) m r(M Me)Giai đoạn sấy giảm tốc: Giai đoạn mà nhiệt độ của VLS đã đạt đến nhiệt độ sấy

và duy trì ổn định trong suốt quá trình sấy, khi đó nhiệt độ tâm và bề mặt VLS cao