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 tt

Bên cạnh đó, 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 đặc trưng của quá trình TNTC, thông số nhiệt vật

MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việt Nam là nước có tổng chiều dài bờ biển là 3670 km Đây là một điều kiện tự nhiên hết sức thuận lợi cho việc khai thác và nuôi trồng thủy sản Theo hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam (VASEP), năm 2019 xuất khẩu tôm của Việt Nam ước đạt 3,38 tỷ USD Trong đó, tôm thẻ chân trắng đông lạnh xuất khẩu đạt 2,36 tỷ USD chiếm 70% giá trị tôm xuất khẩu, mặt hàng tôm khô chế biến cũng đã tăng 40,7% so với cùng kỳ năm 2018 [1] Tuy nhiên, hiện nay, một số làng nghề 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 sấy cao làm cho protein dễ bị biến tính và màu sắc, mùi vị của sản phẩm cũng bị biến đổi nhiều Ngoài ra vấn đề

về vệ sinh, an toàn thực phẩm không đảm bảo khi sấy bằng phương pháp này cũng làm giảm giá trị sử dụng, giá trị kinh tế và làm cho sản phẩm khô không đủ tiêu chuẩn để xuất khẩu Do vậy, việc nghiên cứu một phương pháp sấy có thể ứng dụng cho sấy thủy sản nói chung và đặc biệt là tôm thẻ nói riêng là vấn đề cấp thiết trong thực tế Bên cạnh

đó, 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 đặc trưng của quá trình TNTC, thông số nhiệt vật lý và hiện tượng co rút của con tôm theo thời gian sấy Đặc biệt, nghiên cứu mô phỏng quá TNTC

để thấy được sự thay đổi cũng như những tác động đồng thời của các thông số như nhiệt độ, áp suất và hàm lượng ẩm bên trong con tôm thẻ sấy đến tốc độ và thời gian sấy ở trong và ngoài nước còn là vấn đề cần được nghiên cứu làm rõ Như vậy, việc nghiên cứu xác định phương pháp sấy, giải bài toán về TNTC, mô phỏng quá trình TNTC trong con tôm sấy, từ đó tối ưu hóa quá trình và xác định chế độ sấy tối ưu cho tôm thẻ chân trắng sao cho chất lượng tôm khô được đảm bảo và giảm chi phí năng lượng là cần thiết và thời sự trong bối cảnh kính tế, năng lượng của nước ta hiện nay Xuất phát từ ý nghĩa, yêu cầu thực tiễn trên

và qua nghiên cứu 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 thực sự 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 con tôm 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 bằng HP-IR có xét đến ảnh hưởng của áp suất bên trong các mao quản và độ co rút của 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 mô phỏng quá trình TNTC và phương pháp thực nghiệm Đánh giá khả năng sử dụng phương pháp xác định chế độ sấy tôm bằng phương pháp tính toán, 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 Đề xuất quy trình chế biến tôm thẻ chân trắng khô sấy bằng HP-IR xuất khẩu

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tác giả nghiên cứu, tính toán lý thuyết kết hợp với phương pháp

mô phỏng quá trình TNTC xác định trường nhiệt độ, áp suất, hàm lượng

ẩm bên trong con tôm thẻ, chế độ sấy tôm thẻ bằng HP-IR và 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 các thông số nhiệt vật lý theo

nhiệt độ và thành phần hóa học của con tôm thẻ chân trắng; xác định các thông số sinh học đặc trưng của quá trình TNTC trong con tôm thẻ; xác định điều kiện biên truyền nhiệt và truyền ẩm từ đó mô phỏng quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ ở chế độ sấy tối ưu

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

Đóng góp về khoa học:

Trình bày 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 của tôm thẻ chân trắng

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

- Có thể ứng dụng chế độ sấy tối ưu, quy trình chế biến tôm thẻ chân trắng khô vào thực tế sản xuất đáp ứng yêu cầu phát triển kinh biển tại Việt Nam

CÁC KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN

Kết quả nghiên cứu lý thuyết:

- Xây dựng mô hình toán về TNTC trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR Trong đó bao gồm phương trình truyền nhiệt theo định luật Fourier; phương trình truyền ẩm kết hợp giữa định luật Fick và định luật Darcy Đặc biệt phương trình dòng ẩm đối lưu theo định luật Darcy

đã mô tả được sự thay đổi của 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 trưng của quá trình TNTC bên trong con của tôm thẻ chân trắng

trước và trong quá trình sấy

- Tìm ra 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:

- Đã xây dựng mô hình 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 Đặc biệt, thiết bị đo áp suất bên trong con tôm đã ứng dụng được

bộ kim tiêm truyền dịch trong ngành Y tế làm đầu dò lấy tín hiệu áp suất trong VLS đáp ứng yêu cầu nghiên 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

Kết quả ứng dụng:

- Ứng dụng số liệu về hàm lượng ẩm, tốc độ sấy, trường nhiệt độ,

áp suất và thời gian sấy vào mô phỏng, thiết kế và chế tạo máy sấy tôm thẻ bằng HP-IR

- Ứng dụng phương pháp sấy, chế độ sấy tối ưu và quy trình chế biến tôm khô sấy bằng HP-IR vào trong thực tế sản xuất

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

1.1.1 Nguyên liệu tôm thẻ chân trắng Việt Nam

1.1.2 Tổng quan theo các phương pháp sấy

Có thể nói phương pháp sấy bằng HP-IR có nhiều ưu điểm như giảm thời gian sấy, tăng sự đồng đều về nhiệt độ trong VLS và qua đó góp phần tăng chất lượng của sản phẩm khô Đây là cơ sở lựa chọn

phương pháp sấy HP-IR trong nghiên cứu của luận án

1.2 Nghiên cứu về truyền nhiệt, truyền chất bên trong VLS

1.2.1 Nghiên cứu lý thuyết

1.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

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

1.3.2 Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài

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:

Hiện nay các nghiên cứu về tính toán, thiết kế thiết bị sấy bằng

HP-IR đang còn rất hạn chế, các mẫu thiết bị sấy bằng HP-HP-IR trong nước sản xuất còn kém hiệu quả, chất lượng sản phẩm sấy không cao Do đó nghiên cứu về phương pháp sấy và từ đó chế tạo tủ sấy HP-IR đáp ứng được 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 của quá trình truyền nhiệt, truyền chất bên trong vật liệu sấy:

Kết quả phân tích tổng quan cho thấy các mô hình toán TNTC hiện nay chưa làm rõ được ảnh hưởng của thành phần hóa học của tôm, nguồn nhiệt do IR đến trường nhiệt độ trong VLS cũng như ảnh hưởng của áp suất bên trong các mao quản đến trường ẩm trong VLS Do đó, đây là nội dung chính mà luận án cần nghiên cứu

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

Các nghiên cứu trước chưa mô phỏng được sự biến đổi của áp suất bên trong VLS theo thời gian sấy Do đó, việc ứng dụng bộ giải trong phần mềm COMSOL Multiphysics để mô phỏng được đồng thời mối quan hệ của nhiệt độ, áp suất và hàm lượng ẩm trong tôm thẻ sấy bằng HP-IR là nhiệm vụ nghiên cứu của luận 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:

Kết quả nghiên cứu cho thấy tôm thẻ là loại thủy sản giàu chất dinh dưỡng Do đó, thông số nhiệt vật lý cần được tính toán theo nhiệt độ và các 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 cần phải tính toán hệ số Deff trong tôm thẻ theo ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ, hàm lượng ẩm và

độ co rút của con tôm thẻ khi sấy Hơn nữa, hiện nay chưa có nghiên cứu xác định các thông số sinh học của tôm thẻ 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 cần nghiên cứu và xác định

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

Từ việc phân tích tổng quan cho thấy vấn đề phương pháp xác định chế độ sấy tối ưu cho tôm thẻ theo 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 tồn tại, có ý kiến khác nhau hoặc chưa được đề cập trong các

nghiên cứu, kết hợp với nhu cầu thực tế công nghiệp và điều kiện cụ thể của Việt Nam cũng như quỹ thời gian dành cho một luận án Tiến sĩ, tác giả xin đề xuất hướng nghiên cứu của luận án bao gồm các nội dung sau:

1) Nghiên cứu xây dựng và phát triển mô hình toán về quá trình TNTC trong con tôm thẻ sấy bằng HP-IR Trong đó, mô hình toán truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng của các thống số nhiệt vật lý theo nhiệt độ, thành phần hóa học của tôm và mô hình toán truyền ẩm có kể đến ảnh hưởng của gradient áp suất, 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 trưng của con tôm thẻ chân trắng

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

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

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT, TRUYỀN CHẤT TRONG CON TÔM THẺ CHÂN TRẮNG SẤY BẰNG HP-IR

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 xây dựng với các giả thiết như sau:

- Phương pháp sấy gián đoạn, 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 và vận tốc gió trên lưới sấy tôm là đồng đều

- VLS là đồng chất, không có phản ứng hóa học, nguồn nhiệt thể tích hấp thụ trong VLS qv,IR (W/m3) hoàn toàn là do nhiệt hồng ngoại IR - Theo đó, qv,IR đóng vai trò như là “nguồn nhiệt trong” 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 toán TNTC là giá trị trung bình trong quá trình sấy

- 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

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

Xây dựng phương trình truyền nhiệt trong con tôm khi sấy có xét

đến nguồn nhiệt do IR (qv,IR), thông số nhiệt vật lý theo thành phần hóa

học, đặc biệt là hệ số dẫn nhiệt tính đến hướng song song và vuông góc

với thớ thịt của con tôm:

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

Lựa chọn và phát triển phương trình toán mô tả quá trình truyền ẩm

bên trong con tôm thẻ có kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ và độ co rút

của tôm sấy theo định luật 2 của Fick và định luật Darcy:

theo định luật Darcy

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 khi sấy như

sau:

Tại τ = 0, to = ti = 25oC

Mo = Mi = 2,333 kg.kg-1.db-1

Mo = Mi = 41264,970 mol.m-3

2.2.2.2 Điều kiện biên

Hình 2.2 Mô hình 2 chiều về quá trình TNTC trong sấy tôm bằng HP-IR

a) Điều kiện biên truyền nhiệt

Điều kiện biên truyền nhiệt trong quá trình sấy tôm bằng phương

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

Giai đoạn sấy nâng nhiệt:

2.2.2.3 Điều kiện vật lý của VLS

Nghiên cứu để xác định các tham số đầu vào của mô hình như

các thông số nhiệt vật lý (λ, Cp, ρ, a) và các thông số sinh học đặc trưng

trong tôm thẻ (µ, K, Kr, S, Deff, εp, u,…) điều kiện tiên quyết để giải bài

toán TNTC bên trong VLS

2.2.2.4 Xác định các thông số, tham số đầu vào của mô hình theo điều

kiện biên và điều kiện vật lý

a) Xác đinh hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi chất

b) Xác định điều kiện biên bức xạ

+ Xác định nguồn nhiệt IR hấp thụ vào tôm trong quá trình sấy

+ Xác định mật độ nguồn nhiệt thể tích trong con tôm thẻ chân

trắng khi sấy bằng HP-IR

v IR

shr

Q q

V

 (2.18)

c) Điều kiện biên vật lý

 Xác định các thông số nhiệt vật lý của tôm thẻ chân trắng sấy



 (2.19)

/ / 1

N

i pi i



 (2.20)

- Nhiệt dung riêng:

i pi

n i i

 Vận tốc của dòng ẩm trong vật liệu xốp mao dẫn

Xác định vận tốc dòng ẩm trong VLS được xác định theo định luật Darcy như sau:

 Xác định độ xốp trong tổ chức cơ thịt của con tôm thẻ khi sấy

 Xác định hệ số khuếch tán ẩm có kể đến ảnh hưởng của nhiệt

độ, hàm lượng ẩm và độ co rút của con tôm khi sấy

2 , 0

,0

2

a E

TB RT

refF TB effST

R

R D

 Xác định độ ẩm của vật liệu sấy

d) Điều kiện hình học của tôm thẻ chân trắng

Hình 2.3 Hình dạng hình học tôm thẻ chân trắng được nghiên cứu

2.3 Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ sấy bằng HP-IR

2.3.1 Lựa chọn thông số đầu vào và đầu ra của mô hình

Hình 2.4 Sơ đồ khối mô phỏng quá trình TNTC trong con tôm thẻ khi sấy

2.3.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán giải bài toán TNTC trong quá trình sấy tôm bằng HP-IR

2.3.3 Lựa chọn phần mềm tính toán quá trình TNTC trong VLS

2.3.2.1 Phần mềm mô phỏng quá trình TNTC trong con tôm thẻ khi sấy

COMSOL Multiphysics là phần mềm mô phỏng quá trình TNTC phù hợp nhất trong chế biến thực phẩm, thủy sản

2.3.2.2 Phần mềm mô tả điều kiện hình học của tôm thẻ chân trắng

Thiết kế hình học tôm thẻ chân trắng được thực hiện bằng phần mềm Autocad 2013 và phần mềm COMSOL Multiphysics

Hình 2.6 Hình ảnh tôm thẻ chân trắng trong COMSOL Multiphysics

2.3.2.3 Phần mềm tính toán độ xốp trong cấu trúc của con tôm thẻ

Phần mềm ImageJ được ứng dụng để tính độ xốp trong VLS

2.3.4 Lựa chọn loại lưới và bước thời gian trong quá trình mô phỏng

Luận án lựa chọn lưới loại Extremely Fine với bước thời gian được lựa chọn là 1s

2.3.5 Các bước tiến hành mô phỏng quá trình truyền nhiệt truyền chất

Thông số sinh học đặc trưng của tôm (ε p , u, µ, µ l , µ v , S l , S v ,

D effST , D effC)

Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán giải bài toán TNTC trong VLS

Kết luận chương 2

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.1 Vật liệu nghiên cứu

3.1.1 Tôm thẻ chân trắng Việt Nam

Tôm thẻ chân trắng (White - Leg shrimp) được thử nghiệm trong luận án có kích cỡ là khoảng 46 ÷ 50 con/kg

3.2 Xây dựng mô hình nghiên cứu

3.2.1 Máy sấy bằng bức xạ hồng ngoại kết hợp với bơm nhiệt

IR-HP

Hình 3.2 Hình ảnh máy sấy hồng ngoại kết hợp với bơm nhiệt HP-IR

Hình 3.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tủ sấy HP-IR

Nghiên cứu được tiến hành trên máy sấy HP-IR (Hình 3.2) Thông số kỹ thuật của máy như sau: Năng suất đạt 1 kg/mẻ, công suất bơm nhiệt là 0,745 kW, tổng công suất đèn IR là 2 kW, công suất của quạt ly tâm là 0,1 kW Máy sấy có thể điều chỉnh được các thông số theo yêu cầu của công nghệ như sau: công suất hồng ngoai IP từ 200 ÷ 2000W, nhiệt độ sấy từ 20 ÷ 70oC, tốc độ gió trong tủ sấy từ 0,5 ÷ 5 m/s, độ ẩm tương đối của TNS từ 15 ÷ 17%, khoảng cách từ đèn IR đến VLS là 0,2 ÷ 0,4 m Theo đó, các thông số vận hành trên cho thấy tủ sấy HP-IR có thể đáp ứng được yêu cầu và phạm vi nghiên cứu của luận án