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

1


LỜI MỞ ĐẦU

Hải sản đánh bắt xa bờ là một trong những nhóm thủy hải sản có giá trị kinh tế cao nhất, bao gồm các
mặt hàng như: cá Thu, cá Ngừ đại dương, cá Trích, cá Cơm… Do ngư trường khai thác thường nằm cách
xa bờ, phương pháp bảo quản duy nhất cho nhóm đối tượng này là làm lạnh cấp đông trên tàu, chế biến tại
nhà máy và tái cấp đông bảo quản. Để nâng cao chất lượng, giảm hao hụt khi cấp đông và bảo quản, việc
xây dựng bộ dữ liệu về thành phần, về tính chất nhiệt vật lý của sản phẩm và chế độ cấp đông phù là hết
sức cần thiết.
Sự biến đổi tính chất của thực phẩm khi cấp đông là một quá trình lý hóa rất phức tạp. Sự giảm nhiệt
độ của thực phẩm xuống dải nhiệt độ âm sẽ khiến dung dịch lỏng bên trong thực phẩm chuyển thành dạng
rắn. Quá trình chuyển pha sẽ làm thay đổi hoàn toàn tính chất nhiệt vật lý của sản phẩm. Các nghiên cứu
trên thế giới hiện nay chỉ mới đo được tính chất nhiệt vật lý của một số ít sản phẩm như cá efin, cá tuyết, cá
vược. Đối với các sản phẩm khác, các nhà nghiên cứu chỉ đưa ra những dải giá trị có tính chất định hướng
với sai số có thể lên đến 50%. Đây là một trong những lý do dẫn đến khó khăn trong việc tìm kiếm dữ liệu
đầu vào cho quá trình tính toán, thiết kế và vận hành hệ thống lạnh hợp lý, góp phần nâng cao chất lượng,
giảm hao hụt sản phẩm và tiết kiệm năng lượng trong quá trình cấp đông. Để giải quyết vấn đề đặt ra ở trên
tác giả đã chọn đề tài luận án:
“Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất
và các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lạnh đông cá Thu ”.
Luận án tập trung nghiên cứu những vấn đề sau:
Lựa chọn, phát triển mô hình hoàn chỉnh xác định các thông số nhiệt vật lý của cá Thu trong
dải nhiệt độ rộng (-40
0
C ÷ 40
0
C).
Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng của truyền chất, đánh giá thực nghiệm độ hao
hụt của sản phẩm trong quá trình cấp đông. Đối tượng thực nghiệm là cá Thu.

Xây dựng mô hình xác định trường nhiệt độ, thời gian cấp đông thủy sản theo trường phái Chumak-
Onhishenko, giải trực tiếp bài toán dẫn nhiệt phi tuyến có đạo hàm riêng bằng phương pháp thể tích hữu
hạn, ứng dụng cho vật thể có hình dạng bất kỳ. Trường nhiệt độ và thời gian cấp đông lý thuyết sẽ được
kiểm chứng thông qua nghiên cứu thực nghiệm với cá Thu.
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố tới quá trình cấp đông, đưa ra một số giải pháp nhằm tiết
kiệm năng lượng trong quá trình cấp đông.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu dự kiến đạt được:
Lựa chọn, phát triển mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý bằng phương pháp tính toán khoa học, chỉ
thông qua phân tích thành phần của thực phẩm. Đối tượng nghiên cứu là cá Thu và có thể ứng dụng cho các
loại thủy sản khác. Bằng phương pháp đơn giản này có thể xác định tính chất nhiệt vật lý của thủy sản theo
lô sản xuất, theo vùng đánh bắt nhanh chóng.
Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình truyền chất trong quá trình cấp đông thủy sản, đánh giá độ hụt
khối lượng khi cấp đông cá Thu.
Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh cấp đông có xét đến ảnh hưởng của truyền chất, kết
quả mô phỏng được so sánh đánh giá sai số với kết quả thực nghiệm.
Xây dựng hoàn thiện phần mềm xác định tính chất nhiệt vật lý của một số loại thủy sản phụ thuộc vào
nhiệt độ trên cơ sở thành phần hóa học của sản phẩm và điều kiện ban đầu của thủy sản. Xác định thời gian
và trường nhiệt độ khi cấp đông, phần mềm này có thể ứng dụng vào các cơ sở sản xuất chế biến.
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình cấp đông. Là cơ sở để đưa ra chế độ cấp đông
hợp lý với cá Thu ở cơ sở sản xuất thực tế. Đưa ra giải pháp tiết kiệm năng lượng trong quá trình cấp đông.
2

Chương 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về công nghệ lạnh đông thực phẩm
1.1.1 Vị trí, vai trò của công nghệ lạnh đông
Nâng cao chất lượng chế biến các loại lương thực, thực phẩm sau thu hoạch đang đặt ra một thách thức
đối với toàn cầu, bởi đây là chìa khóa giải quyết vấn đề an ninh lương thực. Vấn đề an ninh lương thực
được thể hiện trên hai mặt, thứ nhất phải đảm bảo cung cấp đủ về số lượng, thứ hai phải bảo đảm về chất
lượng. Trong khi đó công nghệ chế biến thực phẩm của nước ta, đặc biệt là công nghệ chế biến lạnh còn rất

nhiều hạn chế và bất cập. Tỷ lệ tổn thất sản phẩm sau thu hoạch khá cao, ví dụ đối với rau quả khoảng 30%,
đối với chế biến thủy sản khoảng 20%. Chất lượng các sản phẩm đầu ra không đồng đều và chưa cao, khả
năng xuất khẩu bị hạn chế.
Giai đoạn 2001-2011, đóng góp của thủy sản vào GDP chung toàn quốc dao động trong khoảng từ
3,72%-3,1%. Bình quân thủy sản giải quyết công ăn việc làm cho khoảng 150.000 lao động/năm. Thủy sản
cung cấp thực phẩm cho trên 80 triệu người dân Việt Nam [3,4,5]. Hàng năm thủy sản đáp ứng khoảng từ
39,3-42,86% tổng sản lượng thực phẩm, góp phần quan trọng trong việc đảm bảo an ninh thực phẩm và
dinh dưỡng quốc gia.
Những năm gần đây, thủy sản đã có những đóng góp quan trọng trong chuyển dịch cơ cấu kinh tế
ngành nông nghiệp. Cơ cấu sản xuất nông, lâm, thuỷ sản chuyển dịch theo hướng nâng cao năng suất, chất
lượng, hiệu quả, giá trị gắn với thị trường. Cùng các đóng góp có giá trị về kinh tế, phát triển thủy sản còn
có ý nghĩa sâu sắc về an ninh quốc phòng.
1.1.2 Thực trạng, tiềm năng của công nghệ lạnh thủy sản tại Việt Nam
Việt Nam được xếp hạng trong 10 nhà cung cấp lớn nhất, và sản phẩm thủy sản được xuất khẩu đi 170
quốc gia trên toàn thế giới. Theo tổng cục thống kê, năm 2013 Việt Nam gặt hái được nhiều thành công với
tổng sản lượng đạt 5.918,6 ngàn tấn và thu về 6,8 tỷ USD [2].
Cho tới nay ở nước ta chưa có nghiên cứu nào mang tính hệ thống và đầy đủ về lĩnh vực này. Chúng ta
cũng chưa có sổ tay về tính chất nhiệt vật lý của thủy sản, cũng như quy trình cấp đông cho từng loại thủy
sản. Đây là rào cản rất lớn để hoàn thiện công nghệ làm lạnh và cấp đông thủy sản đồng thời đảm bảo cả
hai tiêu chí (i) đảm bảo chất lượng của thủy sản (ii) sử dụng hợp lý năng lượng.
Mặc dù trong thời gian gần đây Nhà nước đã có những bước đi rất mạnh mẽ trong lĩnh vực này. Tháng
6/2013 Bộ Khoa học và Công nghệ khánh thành phòng thí nghiệm công nghệ CAS (Cell Alive System)-
Công nghệ bảo quản tươi sống[10], bản chất CAS là công nghệ kết hợp làm lạnh nhanh trong trường điện
tử kết hợp với sóng siêu âm để bảo quản sản phẩm tươi sống. Để công nghệ này ứng dụng hiệu quả ở Việt
nam thì cần phải tiếp tục nghiên cứu.
1.1.3 Tiêu hao năng lượng, hao hụt khối lượng và thời gian trong quá trình cấp đông
Tiêu hao năng lượng trong các nhà máy chế biên thực phẩm còn khá lớn. Cần có các giải pháp tiết
kiệm năng lượng trong nhà máy đặc biệt hệ thống cấp đông.
Độ hụt khối lượng trong quá trình cấp đông do bốc hơi nước từ bề mặt sản phẩm vào môi trường là
vấn đề phải nghiên cứu, đánh giá mức độ, tỷ lệ ảnh hưởng đến cả quá trình cấp đông.

Ở các nhà máy chế biến, thời gian cấp đông được xác định bằng thực nghiệm và kinh nghiệm. Cần có
nghiên cứu để dự đoán bằng lý thuyết.
1.1.4 Cá thu, loại hải sản có giá trị dinh dưỡng cao
Cá Thu là đối tượng quan trọng trong ngư nghiệp công nghiệp. Hàm lượng đạm cao nên thịt của cá thu
dễ hư thối, chóng bị phân hủy và có thể gây ngộ độc nếu ăn phải cá ươn. Đặc điểm này của cá Thu khiến
cho yêu cầu về kỹ thuật cấp đông trở nên rất khắt khe. Đây là một trong những yếu tố quan trọng trong việc
lựa chọn cá thu là đối tượng nghiên cứu của luận án.
1.2 Tổng quan về mô hình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình cấp đông thực phẩm.
1.2.1 Mô hình bài toán truyền nhiệt truyền chất liên hợp trong quá trình cấp đông thực
phẩm
3

1.2.1.1. Mô hình bài toán truyền nhiệt truyền chất tổng quát
Sử dụng phương trình cân bằng vật chất và năng lượng, khi xét đến sự tương hỗ giữa dẫn nhiệt và
khuếch tán ẩm, phương trình tổng quát của quá trình truyền nhiệt truyền chất được viết như sau[19]:

 





t
Ct


 





C
qCD

Để giải hệ phương trình (1.6) nêu trên, Trần Văn Phú [19] đã đưa ra một phương pháp giải tích dựa
trên đại số Jordan riêng và định lý Sylvester. Phương pháp này có đặc trưng là đơn giải, sử dụng sự tương
tự của bài toán dẫn nhiệt và bài toán dẫn ẩm tổng quát. Với cách tiếp cận này, một số các bài toán của quá
trình sấy dịu với tốc độ chậm đã được giải quyết.
1.2.1.2. Vấn đề truyền nhiệt truyền chất xảy ra trong quá trình cấp đông
Quá trình cấp đông thực phẩm có nhiều đặc trưng riêng biệt. Trong quá trình cấp đông xảy ra hiện
tượng biến đổi pha nước thành băng nhưng không tồn tại mặt phẳng phân pha theo nghĩa cổ điển mà tồn tại
trường của các hạt băng gọi là pha không liên tục, mặc dù hàm lượng nước trong thực phẩm thường chiếm
tới hơn 70%. Quá trình chuyển pha từ nước sang băng trong thực phẩm diễn ra trong khoảng nhiệt độ rộng
bắt đầu từ nhiệt độ điểm đông kéo dài đến gần nhiệt độ không tuyệt đối. Mặt khác do xảy ra quá trình trao
đổi nhiệt liên hợp gồm (i) dẫn nhiệt không ổn định trong lòng thực phẩm,(ii) trao đổi nhiệt đối lưu giữa bề
mặt thực phẩm và môi trường làm lạnh, nên trường nhiệt độ của thực phẩm là không đồng đều. Dẫn tới mỗi
một phân tố của thực phẩm có một nhiệt độ tương ứng với hàm lượng băng và tính chất nhiệt vật lý (C
p
(T);
(T);(T)…) riêng biệt. Vì vậy hệ phương trình (1.6) có tính phi tuyến rõ rệt.
Vì những lý do nêu trên, trong các nghiên cứu kinh điển cũng như cho tới nay bài toán mô phỏng quá
trình trao đổi nhiệt-trao đổi chất trong cấp đông thực phẩm sẽ suy biến về phương trình dẫn nhiệt không ổn
định có nguồn nhiệt bên trong có kể đến trao đổi chất.

 
)(),(),()(
),(
)()(
ii
mhxqxTT

xT
TTC 










1.2.1.3. Mô hình truyền chất xảy ra trong quá trình cấp đông
Quá trình cấp đông thực phẩm luôn luôn gắn liền với quá trình truyền chất, đây là yếu tố quan trọng
ảnh hưởng trực tiếp đến hụt khối lượng và chất lượng thực phẩm. Dẫn nhiệt không phải là phương thức trao
đổi nhiệt duy nhất, trong quá trình nó còn được thực hiện thông qua việc khuếch tán vật chất. Thành phần
này được biểu diễn thông qua phương trình cân bằng nhiệt viết dưới dạng entanpi là dạng rút gọn của
phương trình (1.8) [75].

   
ww
mht
h
.






(1.8)
Trong đó: h
w
và
w
m

là entanpi và dòng khếch tán của thành phần nước bên trong thực phẩm.
Khi nước trên bề mặt thực phẩm đã đóng băng, cấu tử nước trong thực phẩm bị cố định và quá trình
khuếch tán bên trong sẽ giảm đi, hiện tượng bốc hơi dừng lại, quá trình trao đổi ẩm lúc này diễn ra theo cơ
chế thăng hoa. Nước từ thể rắn trên bề mặt thực phẩm sẽ thăng hoa tạo thành hơi bay vào môi trường cấp
đông. Hiện tượng này chỉ diễn ra trong 1 lớp rất mỏng trên bề mặt thực phẩm, gọi hiện tượng mất nước trên
bề mặt sản phẩm do quá trình hóa hơi và thăng hoa là Dehydration. Năm 1984, Q.T. Pham và J. Willix [76]
lần đầu tiên đã đưa ra công thức xác định gần đúng tốc độ quá trình dehydration này.


 
w
1 /
s a t s a
g
P T P
m
R T
D







   

   
   


Trong đó, δ là chiều dày thoát ẩm và D
δ
là hệ số khuếch tán qua lớp thoát ẩm đó, μ
w
là khối lượng
kg/kmol của nước. Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này, đối tượng nghiên cứu là cá thu là vật đặc
do đó như ở trên đã đề cập ảnh hưởng của quá trình truyền chất là không lớn. Hơn nữa để mô phỏng quá
trình truyền chất trong quá trình cấp đông thực phẩm bằng lý thuyết của các nhà khoa học đã trình bày ở
(1.
7
(1.
9
)

(1.6)
4

trên trong điều kiện Việt Nam là khó có thể thực hiện được. Do chúng ta không thể xây dựng được mô hình
cho hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng (D
w
) của vật liệu.
Do đó để đánh giá ảnh hưởng của truyền chất phải thông qua con đường bán thực nghiệm, trong đó
khái niệm enthalpy trung bình sẽ được sử dụng để ước lượng, lượng nhiệt ẩn sinh ra do sự hụt khối lượng

trong quá trình cấp đông.
1.2.2 Các phương pháp giải bài toán truyền nhiệt không ổn định trong quá trình cấp đông
Như đã trình bày ở trên, trong thực phẩm được cấp đông, quá trình truyền nhiệt và truyền chất cùng
xảy ra đồng thời. Tuy nhiên, do quá trình truyền chất xảy ra với cường độ thấp (đặc biệt là đối với các thực
phẩm đặc như thịt, cá), phần lớn các tác giả [12,17,40,88,37] đã đề xuất bỏ qua ảnh hưởng của quá trình
truyền chất. Lúc này quá trình cấp đông chỉ thuần túy là quá trình dẫn nhiệt.
1.2.2.1. Mô hình bài toán dẫn nhiệt không ổn định trong quá trình cấp đông
Khi bỏ qua quá trình khuếch tán vật chất bên trong và trên bề mặt khối thực phẩm được cấp đông, quá
trình cấp đông lúc này hoàn toàn là quá trình dẫn nhiệt thuần túy. Đây là quá trình dẫn nhiệt phi tuyến do
vật chất là không đồng chất, không đẳng hướng, tính chất nhiệt vật lý của môi trường thay đổi theo nhiệt
độ. Phương trình vi phân dẫn nhiệt (Carslaw and Jaeger, 1959) mô tả quá trình lạnh đông thực phẩm viết
cho phân tố có toạ độ véc tơ
x

, thời điểm τ như sau[40].
 
T(x, )
C(T) (T) . (T) T(x,
τ) q(x, )
 
      


 
(1.10)
Trong đó:
C(T) – Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, kJ/kg.K
ρ(T) – Khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, kg/m
3

λ(T) – Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, W/m.K
q(x,τ) – Lượng nhiệt do nguồn nhiệt trong sinh ra do sự chuyển pha của nước trong phân tố phụ thuộc vào
tọa độ và thời gian, W
T(x,τ) – Nhiệt độ của phân tố phụ thuộc vào tọa độ và thời gian, K
Để xác định được trường nhiệt độ của thực phẩm lạnh đông từ việc giải phương trình 1.10 ta phải bổ xung
điều kiện đơn trị. Điều kiện đơn trị bao gồm điều kiện ban đầu và các điều kiện biên[6]:
Điều kiện ban đầu: Cho biết phân bố trường nhiệt độ tại thời điểm ban đầu

in
T(x,
τ = 0) = T (x)
 
(1.11)
Điều kiện biên: Trong bài toán làm lạnh và cấp đông thực phẩm, chủ yếu gặp điều kiện biên loại 3 hoặc
điều kiện biên liên hợp (điều kiện biên loại 4).
Điều kiện biên loại 3 đặc trưng cho trường hợp bề mặt thực phẩm tiếp xúc trực tiếp với môi trường làm
lạnh và quy luật truyền nhiệt giữa bề mặt và môi trường đã biết trước.

n
a
n
T
-
λ = α T(x ,τ)-T (τ)
n

 
 
 
 


 

(1.12a)
Bài toán làm lạnh cấp đông thực phẩm với điều kiện biên loại 3 thường gặp ở phương pháp lạnh đông bằng
thiết bị ABF ( Air Blast freezer) và IQF (Individual quickly Freezer).
Trường hợp đặc biệt của điều kiện biên loại 3, còn gọi là điều kiện biên loại 4 hoặc điều kiện biên liên hợp,
xảy ra khi bề mặt tiếp xúc trực tiếp với vật rắn khác (gặp ở phương pháp lạnh đông tiếp xúc).

1 2
1 2
1,n 2,n
T T
-λ = -λ
n n
 
   
   
 
   
(1.12b)
Khi nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt bên trong thực phẩm, các nhà nghiên cứu đã áp dụng rất nhiều các
phương pháp khác nhau để giải bài toán trên, song có thể chia các phương pháp đó thành hai nhóm chính
sau.
1.2.2.2. Phương pháp giải tích gần đúng và các công thức bán thực nghiệm kinh điển
5

Phương pháp giải tích được dựa trên giả thuyết quá trình chuyển pha là lý tưởng, sự chuyển pha và giải
phóng nhiệt ẩn đóng băng diễn ra ở nhiệt độ điểm băng không đổi. Đồng thời tồn tại bề mặt phân pha giữa
vùng đóng băng và vùng không đóng băng, các thông số nhiệt vật lý được lấy là hằng số. Phương pháp

giải tích giải bài toán lạnh đông nổi tiếng nhất là của Plank.R (1913).

2
f
Plank
f a f
L PD RD
T T
 

  
 
  
 
(1.13)
Phương trình Plank sử dụng nhiều giả thiết gần đúng dẫn đến kết quả tính toán không xát với thực tế (sai số
lên đến 50-70% khi dự đoán thời gian cấp đông) [40,79]. Tuy nhiên, nó là cơ sở để phát triển những mô
hình thực nghiệm dự doán thời gian cấp đông chính xác hơn, trong đó nổi bật là công thức của Q.T.Pham
(1986a) [22,70,72], Rewtov [22], Hung, Thompson [22]
1.2.2.3 Ứng dụng phương pháp số giải bài toán truyền nhiệt trong cấp đông thực phẩm.
1. Phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH)
Phương pháp sai phân hữu hạn đơn giản, dễ dàng lập trình giải các bài toán vi phân bậc 2 hoặc cao hơn
nữa. Nhược điểm của phương pháp này là không ứng dụng được với các vật thể có hình dáng phức tạp do
việc chia lưới không gian rất khó khăn.
2. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)
Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp tốt nhất về mặt toán học, phương pháp này có thể được áp
dụng cho các vật thể và lưới phức tạp. Tuy nhiên, phương pháp này là phương pháp phức tạp nhất trong các
phương pháp số, cả về mặt thuật toán và về mặt lập trình ứng dụng.
3. Phương pháp thể tích hữu hạn (TTHH)
Trong các phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp có độ chính xác toán học

cao nhất, cho phép giải được các bài toán rất nhiều chiều, phi tuyến. Tuy nhiên phương pháp này có thuật
toán phức tạp, khó thực hiện. Phương pháp thể tích hữu hạn, với ưu điểm là thuật toán đơn giản, có khả
năng giải quyết được bài toán vi phân phi tuyến trên các đối tượng hình học phức tạp. Phương pháp này
được lựa chọn để giải hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt trong thực phẩm cấp đông và sẽ được trình bày chi
tiết trong phần tiếp theo của luận án dựa theo thuật toán của Onhishenko V.P.[31]
1.3 Tổng quan về mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý
Để giải quyết mô hình toán của quá trình cấp đông thực phẩm dưới dạng phương trình vi
phân phi tuyến dẫn nhiệt không ổn định dạng (1.7), phải xác định được các thông số nhiệt vật lý
của thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì các thông số nhiệt vật lý đóng vai trò là các hệ số trong
mô hình toán học, tính toán chính xác các thông số đó có tính chất quyết định đến tính chính xác
của mô hình.
1.3.1 Thành phần băng trong thực phẩm kết đông
Thành phần băng trong thực phẩm đóng vai trò quan trọng trong việc xác định những thông
số nhiệt vật lý của thực phẩm. Mô hình toán xác định hàm lượng băng trong thực phẩm được nhiều
tác giả trên thế giới công bố như: Chen (1985) [28], Tchigeov(1979) [92], Latyshev(1992) [49] …
Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này để xác định thành phần băng trong thực phẩm, tác
giả áp dụng công thức Tchigeov (1979)[92].

1,105
0,7138
1
ln( 1)
ice
wo
f
x
x
t t

 


 

1.3.2 Nhiệt dung riêng
Mô hình thực nghiệm đầu tiên dự đoán nhiệt dung riêng thực phẩm là phương trình của Sibel (1982)
[89] tuy nhiên mô hình này chỉ xét ảnh hưởng của hàm lượng nước đến nhiệt dung riêng. Những phương
trình khác được đưa ra bởi Leniger& Beverloo (1975) và Charm (1978) [27,51] Schwartzberg (1976,1981),
Heldman và Singh(1981), Choi va Okos (1986), Chen (1985) đã đề xuất, đã cải tiến phát triển mô hình xác
định nhiệt dung riêng chính xác hơn.
(1.32)
6

Thực tế ở dưới điểm kết đông của thực phẩm, dòng nhiệt tỏa ra từ sản phẩm bao gồm: nhiệt hiện để
thay đổi trường nhiệt độ và nhiệt ẩn dưới dạng hoá băng nước do có sự chuyển pha nên việc tính toán nhiệt
dung riêng khó khăn và phức tạp hơn. Trong luận án này sử dụng mô hình của trường phái Trumak I.G-
Onhishenko V.P, được xây dựng trên cơ sở lý thuyết coi thực phẩm như hệ nhiệt động đa thành phần cân
bằng có biến pha[31,33,66].
1.3.3 Entanpi
Nghiên cứu của Chang và Tao (1981) Chen (1985a) Schwartzberg (1976) là những mô hình được xây
dựng từ nghiên cứu thực nghiệm. Khi sử dụng những mô hình đó tính cho các nhóm thực phẩm khác nhau
sẽ có sai số khác nhau. Do đó trong luận án này entanpi sẽ được tính theo công thức xác định nhiệt dung
riêng hiệu dụng C
e
(T) của TrumakI.G-Onhishenko V.P[31,33] được trình bầy trong chương tiếp theo.
1.3.4 Khối lượng riêng
Khối lượng riêng của thực phẩm phụ thuộc chủ yếu vào thành phần thực phẩm và nhiệt độ. Thực phẩm
được coi là một hệ nhiều pha. Trong luận án sử dụng mô hình của Choi & Okos (1986)[30,61] để xác định
khối lượng riêng của thực phẩm khi đã biết thành phần khối lượng của chúng:
1.3.5 Hệ số dẫn nhiệt
Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt khác nhau để xác định hệ số dẫn nhiệt. Mô

hình xác định hệ số dẫn nhiệt đầu tiên được Maxwell (1904) đề xuất, để tăng độ chính xác, một số tác giả
khác như: Eucken (1940), Kopelman (1966), Levy (1981), Choi và Okos (1986) Levy (1981) phát triển mô
hình xác định hệ số dẫn nhiệt từ mô hình của Maxwell. Trong khuôn khổ luận án này tác giả dùng mô hình
của Viện sĩ Novikov (2000)[67] để xác định hệ số dẫn nhiệt  được trình bầy ở chương tiếp theo.
1.4 Kết luận
Đối với thủy sản của Việt Nam cho đến nay chưa có tác giả nào nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình
truyền chất trong quá trình cấp đông tới mô hình cấp đông được xây dựng trên cơ sở phương trình truyền
nhiệt không ổn định. Do vậy việc nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của truyền chất là rất cần thiết và từ đó
chúng ta mới có thể khẳng định được có thể bỏ qua ảnh hưởng của truyền chất, chỉ tính đến yếu tố truyền
nhiệt trong quá trình cấp đông thủy sản hay không.
Mô hình mô phỏng quá trình cấp đông được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt
phi tuyến không ổn định kết hợp với điều kiện biên loại ba. Phương pháp thể tích hữu hạn với thuật toán
làm tăng độ hội tụ của Trumak I.G- OnhishenkoV.P[31,33] được sử dụng trong luận án này để giải hệ
phương trình mô tả quá trình truyền nhiệt không ổn định xảy ra đối với cá thu trong quá trình cấp đông.
Trong các nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm tác giả chọn
cách tiếp cận của trường phái Chumak I.G & Onhishenko V.P.[31,32,33], dựa trên cơ sở coi thực phẩm
như một hệ nhiệt động đa thành phần, cân bằng và có chuyển pha theo nhiệt độ. Cách tiếp cận này cho kết
quả đáng tin cậy và có cơ sở lý thuyết chặt chẽ hơn cả. Trong chương 2 tác giả trình bầy mô hình xác định
các thông số nhiệt vật lý của thực phẩm.
1.5 Mục tiêu luận án
- Lựa chọn và phát triển mô hình hoàn chỉnh xác định các thông số nhiệt vật lý của cá Thu trong dải
nhiệt độ rộng (-40
0
C ÷ 40
0
C).
- Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng của truyền chất, đánh giá thực nghiệm độ hụt
khối lượng của sản phẩm trong quá trình cấp đông. Đối tượng thực nghiệm là cá Thu .
- Xây dựng mô hình xác định trường nhiệt độ, thời gian cấp đông hợp lý theo trường phái Chumak-
Onhishenko, giải trực tiếp bài toán dẫn nhiệt phi tuyến có đạo hàm riêng bằng phương pháp thể tích hữu

hạn, có khả năng ứng dụng cho vật thể có hình dạng bất kỳ. Kết quả nghiên cứu lý thuyết được kiểm chứng
bằng thực nghiệm với đối tượng nghiên cứu cá Thu .
- Áp dụng mô hình mô phỏng, kết hợp với khảo sát thực tế tại nhà máy, nghiên cứu ảnh hưởng của một
số yếu tố tới quá trình cấp đông , đưa ra một số giải pháp nhằm tiết kiệm năng lượng trong quá trình cấp
đông.

7

Chương 2
MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA CÁ THU
Qua phân tích đánh giá tổng quan trong chương 1 tác giả thấy rằng vẫn còn một số hạn chế trong các
mô hình đã nêu, từ đó dẫn đến các kết quả tính toán có sai số lớn. Trong chương 2 tác giả sử dụng những
mô hình mới hơn, có độ tin cậy cao hơn để xác định tính chất nhiệt vật lý của cá Thu phục vụ cho việc
nghiên cứu xây dựng mô hình toán học mô phỏng trường nhiệt độ và thời gian cấp đông ở chương tiếp
theo.
2.1 Phát triển mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý của cá Thu
2.1.1 Thành phần băng trong thực phẩm kết đông
2.1.1.1. Các dạng liên kết của nước trong thực phẩm kết đông
Nước là chìa khoá của sự sống, là dung môi quan trọng nhất trong toàn bộ đời sống sinh vật. Bản chất
của quá trình kết đông là sự chuyển pha của nước từ lỏng sang rắn quyết định đến khả năng bảo vệ hay phá
huỷ cấu trúc sinh vật.
Trong thực phẩm chứa nhiều loại nước khác nhau. Trong trường hợp thực phẩm kết đông, các thành
phần này bao gồm: nước đã kết đông - băng (x
ice
), nước liên kết (x
b
), nước chưa kết đông (x
u
). Nếu coi tổng
lượng nước ban đầu là x

wo
, ta có phương trình liên hệ:
x
wo
= x
u
+ x
ice
+ x
b
(2.1)
2.1.2 Tỷ lệ đóng băng của nước trong quá trình cấp đông thực phẩm
Công thức (1.32) xác định tỷ lệ đóng băng của Tchigeov (1979)[92] được Fikiin (1996)[37,38] đánh
giá đúng với nhiều loại thực phẩm trong dải nhiệt độ rộng. Chính vì vậy, luận án lựa chọn công thức
Tchigeov làm công thức xác định tỷ lệ nước đóng băng trong thực phẩm cấp đông.
2.1.3 Nhiệt dung riêng hiệu dụng
Đại lượng nhiệt dung riêng hiệu dụng C
e
được Chumak- Onhishenko [33,93] đưa ra để tính đến ảnh
hưởng của cả nhiệt ẩn và nhiệt hiện trong quá trình làm lạnh cấp đông. Trong phương trình vi phân dẫn
nhiệt tổng quát của quá trình lạnh đông thực phẩm 1.7,
q(r,
τ)

được coi là lượng nhiệt do nguồn nhiệt trong
sinh ra do sự chuyển pha của nước trong phân tố phụ thuộc vào tọa độ và thời gian[85].

 
     
 

 
     
 
 
   











d
dTLTx
TLTx
V
TLVTx
V
Q
rq
wo
wo
V
wo
V
V

.
lim
.

lim
.
lim,
0
0
0
0
0
0




















     









,
.,
rT
dT
d
TLTxrq
wo


(2.3)
Thay phương trình 2.3 vào phương trình 1.8, ta thu được phương trình 2.4:


  


 

  












,)(
,
)()()(
,
)()(.,)(
,
)()(
rTT
rT
T
dT
d
TLxTC
rT
dT
d
TLTxrTT

rT
TTC
wo
wo





















(2.4)

Nếu đặt:
( ) ( ) ( )
e wo

d
C T C T x L T
dT

 
, thì phương trình 2.4 trở thành:
   
e
T(r, )
C T . (T) . (T) T(r,
τ)
 
    




(2.5)
Trong đó C
e
(T) là nhiệt dung riêng hiệu dụng có tính đến ảnh hưởng của thành phần nhiệt ẩn và nhiệt hiện
trong quá trình làm lạnh cấp đông.
2.1.3.1. Đối với thực phẩm trên điểm băng
8

Khi cấp đông ở trên điểm băng nước trong thực phẩm chưa đóng băng nên không có nhiệt ẩn chuyển
pha, khi đó công thức tính nhiệt dung riêng hiệu dụng được lấy theo phương trình của Choi & Okos
(1986)[30]:

CHO

CHOfifiasasfafappwwo
i
i
ipe
CxCxCxCxCxCx
CxTCTC

)()(



(2.6)
2.1.3.2. Đối với thực phẩm dưới điểm băng
Nước trong thực phẩm bắt đầu đóng băng khi đó lượng băng hình thành trong thực phẩm phụ thuộc
vào nhiệt độ. Đồng thời trong biểu thức nhiệt dung riêng hiệu dụng có xuất hiện thành phần nhiệt ẩn
chuyển pha của nước. Nhiệt dung riêng hiệu dụng được xác định theo công thức:


dT
d
TLxTCTC
woe

)()()( 
. ( ) (1 ). ( ) . . ( ) ( )
si si wo w wo ice wo
i
d
x C T x C T x C T x L T
dT


 
    

(2.11)
2.1.4 Entanpi
Xuất phát từ công thức xác định nhiệt dung riêng hiệu dụng theo nhiệt độ 2.6 và 2.11, entanpi được xác
định như sau:

 
dTtCTh
t
e



40
)(
(2.14)
2.1.5 Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng
Trong thực phẩm có nhiều thành phần có cấu trúc nằm đan xen lẫn nhau. Nếu xem xét hệ số dẫn nhiệt
của một thành phần bất kỳ với các thành phần còn lại thông qua hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng thì lúc này coi
như hệ gồm hai thành phần. Khi đó hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của thành phần còn lại được tính như sau
[66,67]:
i j j
j i
L V

 


(2.17)
Trong đó:

j

- hệ số dẫn nhiệt của thành phần thứ j phụ thuộc vào nhiệt độ, theo bảng 2.3 trong luận án

j
j
j
x
V


.

- thành phần thể tích thứ j
Xác định hệ số dẫn nhiệt K
i
của hệ cấu thành từ hai phần tử: thành phần thứ i
(
i i
, V

) và thành phần còn lại (
i i
L ,1 V

)[66,67]
i i

1 1/3 1/3 1
m
K L . 1
(1 ) (1 m)(1 m )(1 m )
 
 
 
 
     
 
(2.18)
Trong đó:
i
m 1 V
 
- thành phần thể tích của phần còn lại;
i
i
L

 

Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của toàn hệ sẽ bằng[66,67]

i i
i
i
i i
K L
(T) .

L

  
 

(2.19)
Như vậy hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của thực phẩm được thực hiện qua các bước sau [66]:
Các bước tính toán theo thuật toán được mô tả như sau:
Bước 1: Xác định hệ số dẫn nhiệt


i
T

của thành phần tử thứ i theo bảng 2.3
Bước 2: Xác định hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng


i
L T
của hệ phần tử bao quanh phần tử i theo công thức 2.17
Bước 3: Xác định hệ số dẫn nhiệt K
i
của hệ cấu thành từ hai phần tử: thành phần thứ i (
i i
, V

) và thành
phần còn lại (
i i

L ,1 V

) theo 2.18
Bước 4: Xác định hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của toàn hệ theo công thức 2.19.
9

2.1.6 Khối lượng riêng




i
i
i
x



1


(2.20)
Trong đó:

- thành phần rỗng của vật (đối với thịt, cá
0

)
x
i

– thành phần khối lượng thứ i của thực phẩm

i

- khối lượng riêng thành phần thứ i của thực phẩm được lấy theo bảng 2.4 trong luận án
2.2 Xây dựng hoàn thiện phần mềm xác định tính chất nhiệt vật lý của cá Thu theo nhiệt độ.
Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab với giao diện đơn giản, dễ sử dụng nhưng đầy đủ.
Sử dụng mô hình xác định các tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm đã được tổng hợp ở mục 2.1. Dữ liệu
đầu vào là thành phần khối lượng : nước, protein, mỡ, tro, hydrocacbon, nhiệt độ điểm băng. Phần mềm xẽ
xuất dữ liệu ra dạng excel hoặc đồ thị ngày trên màm hình.

Hình 2.4: Giao diện khi khởi động của phần mềm

Hình 2.5: Giao diện làm việc của phần mềm
2.3 Đánh giá độ tin cậy của mô hình tính chất nhiệt vật lý.
Để đánh giá độ tin cậy của mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý, tác giả sẽ tiến hành so sánh các kết
quả tính toán bằng phần mềm và các kết quả thực nghiệm đối với các loại thực phẩm khác nhau có thành
phần khối lượng và tính chất nhiệt vật lý đã được công bố trên thế giới của các nhà khoa học khác.
2.3.1 Đối tượng nghiên cứu kiểm chứng
Đối tượng nghiên cứu của luận án là cá Thu vịnh bắc bộ. Loài cá này chỉ có một vài số liệu đo thực
nghiệm tại một số nhiệt độ khác nhau về tính chất nhiệt vật lý nên rất khó khăn khi kiểm định độ tin cậy.
Tác giả đã lựa chọn một số loại cá biển khác có đặc tính gần với cá Thu để kiểm định độ chính xác của mô
hình xác định tính chất nhiệt vật lý. Các loại cá này bao gồm: cá Ngừ, cá Hồi, cá Vược, cá Tuyết. Ngoài ra,
tác giả còn kiểm chứng với thịt bò, các thực phẩm này đã có sẵn các tính chất nhiệt vật lý được công bố
trong một số bài báo quốc tế và ASHARE 2010
2.3.2 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm tỷ lệ nước đóng băng
Hình 2.7: Sự biến đổi của tỷ lệ nước đóng băng
theo nhiệt độ với thịt bò
Hình 2.8: Sự biến đổi của tỷ lệ nước đóng băng
theo nhiệt độ với cá Tuyết

10

Độ sai lệch giữa kết quả đo thực nghiệm và kết quả tính toán lý thuyết khá nhỏ (cao nhất là 4% với thịt
bò và 12% đối với cá Tuyết và cá Vược). Đây là độ sai lệch chấp nhận được do cấu trúc không đồng nhất
và sự dao động của thành phần khối lượng ban đầu xung quanh giá trị trung bình.
2.3.3 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm nhiệt dung riêng

Hình 2.10: Sự biến đổi của nhiệt dung riêng theo
nhiệt độ đối với cá Hồi

Hình 2.12: Sự biến đổi của nhiệt dung riêng theo
nhiệt độ đối với cá Thu
Các số liệu thực nghiệm thu được hiện nay đều nằm ở vùng nhiệt độ dương và vùng nhiệt độ âm sâu.
Kết quả tính toán của mô hình và thực nghiệm gần như trung nhau. Sai số tại những điểm đo được và mô
hình là khoảng 1%. Tại vùng lân cận dưới điểm nhiệt độ bắt đầu kết đông, nhiệt dung riêng hiệu dụng tăng
nhanh đột ngột sau đó lại giảm xuống nhanh chóng là do trong vùng này tỷ lệ nước đóng băng tăng đột
ngột dẫn đến ẩn nhiệt cần để thực hiện hiện tượng chuyển pha rất lớn. Sau khi nhiệt độ giảm đi, tốc độ tăng
của tỷ lệ nước đóng băng giảm dần theo độ giảm nhiệt độ, dẫn đến nhiệt dung riêng hiệu dụng giảm dần.
Khi nhiệt độ thực phẩm nhỏ hơn nhiệt độ bắt đầu kết đông khoảng 10
o
C, tỷ lệ nước đóng băng thay đổi rất
chậm theo nhiệt độ, ảnh hưởng của ẩn nhiệt chuyển pha giảm dần và nhiệt dung riêng thay đổi chậm theo
độ giảm nhiệt độ.
2.3.4 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm entanpi

Hình 2.13: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối
với cá Ngừ

Hình 2.15: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ

đối với cá Thu
Sự thay đổi của entanpi theo nhiệt độ được chia làm 3 giai đoạn: giai đoạn nhiệt độ dương, giai đoạn
nhiệt độ nằm ở lân cận dưới nhiệt độ bắt đầu kết đông và giai đoạn nhiệt độ âm sâu. Sai số giữa kết quả tính
toán và mô hình là khoảng 3%.
2.3.5 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hệ số dẫn nhiệt hiệu

Hình 2.18: Sự biến đổi của hệ số dẫn nhiệt theo
nhiệt độ đối với cá Ngừ

Hình 2.20: Sự biến đổi của hệ số dẫn nhiệt
theo nhiệt độ đối với cá Thu
11

Với nhiệt độ lân cận dưới nhiệt độ bắt đầu kết đông, hệ số dẫn nhiệt tăng đột ngột do sự xuất hiện của
thành phần băng (tại 0
o
C, hệ số dẫn nhiệt của băng lớn gấp 3,9 lần so với nước ở dạng lỏng). Sai số giữa
thực nghiệm và tính tính toán lớn nhất là 7%.
Kết quả tính chất nhiệt vật lý theo nhiệt độ của cá Thu.
Thông số nhiệt vật lý của cá thu trong dải nhiệt độ (t= -40
0
C đến 40
0
C). x
w0
= 72,02 %, x
p
=
15,82%, x
f

= 6,48%, x
a
= 1,18%, x
ch
=4,50%. t
cr
=-2,2
o
C.
T, [K] t, [oC]
Tỷ lệ nước
đóng băng,
%
Khối lượng
riêng,
[kg/m3]
Hệ số dẫn
nhiệt, [W/mK]
Enthalpy tính
toán, [kJ/kg]
Nhiệt dung
riêng,
[kJ/kgK]
233.15

-40 0.937

932.015

1.393 0

2.3822077

243.15

-30 0.919

931.576

1.322 24.105

2.4321517

253.15

-20 0.889

931.475

1.245 51.545

2.860829

263.15

-10 0.813

933.668

1.129 90.189

4.8660383

268.15

-5 0.659

940.914

0.958 135.755

14.400095

269.15

-4 0.563

945.871

0.86 159.3

24.564457

270.15

-3 0.336

958.075

0.639 211.813

61.285237

271.15

-2 976.86

0.404 309.361

3.5606318

272.15

-1 976.789

0.405 313.142

3.5582641

273.15

0 976.707

0.407 316.928

3.5562848

283.15

10 975.306

0.423 355.307

3.5503504

293.15

20 973.057

0.436 394.461

3.5488326

303.15

30 970.134

0.448 432.899

3.5411427

313.15

40 966.622

0.457 471.38

3.5523684

2.4 Kết luận chương 2

Từ những nhận xét, đánh giá sai số, quan sát đồ thị ở trên tác giả có thể khẳng định mô hình xác định
tính chất nhiệt vật lý theo nhiệt độ đã phản ánh chính xác, đúng quy luật của sự biến đổi của các đại lượng
này khi nhiệt độ thay đổi. So sánh với kết quả thực nghiệm, kết quả tính toán theo mô hình là đáng tin cậy.
Qua những số liệu tính toán và thực nghiệm trên đồ thị chúng ta nhận thấy các tính chất nhiệt vật lý
như λ, ρ, c, Entanpi chia thành các vùng tương đối rõ rệt.
Khoảng nhiệt độ từ 5
o
C đến 40
o
C là khoảng nhiệt độ trong thực phẩm không có biến đổi pha do vậy
tính chất nhiệt vật lý đo đạc thực nghiệm tương đối dễ dàng, các kết quả thực nghiệm với tính toán tương
đối chính xác, sai số khoảng 5%.
Trong khoảng nhiệt độ từ -5
o
C đến 5
o
C, các tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm có sự biến đổi đột
ngột. Nguyên nhân là trong khoảng nhiệt độ này nước trong thực phẩm bắt đầu chuyển pha từ lỏng sang
rắn và xuất hiện một lượng nhiệt giải phóng ra gọi là nhiệt ẩn chuyển pha. Nhiệt dung riêng tăng đột ngột,
hệ số dẫn nhiệt tăng gần gấp 4 lần của nước.
Trong khoảng nhiệt độ từ -5
o
C đến -40
o
C tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm thay đổi theo quy luật,
trong khoảng nhiệt độ này nước trong thực phẩm đóng băng gần như hoàn toàn, do vậy nhiệt ẩn chuyển
pha của nước có ảnh hưởng không đáng kể mà chỉ còn lại lượng nhiệt hiện được giải phóng để giảm nhiệt
độ sản phẩm.
Tác giả đã lựa chọn, phát triển xây dựng được mô hình mô phỏng xác định tính chất nhiệt vật lý của cá
Thu từ những mô hình được nhiều nhà khoa học trên thế giới kiểm chứng và chứng mình là có độ tin cậy

cao.
Phương pháp xác định tính chất nhiệt vật lý mà tác giả đưa ra đơn giản, số liệu đầu vào chỉ là thành
phần thực phẩm có thể dễ dàng phân tích xác định ngay tại cơ sở sản xuất chế biến thủy hải sản. Như vậy,
khi sử dụng mô hình và phần mềm này có thể xác định tính chất nhiệt vật lý một cách nhanh chóng cho
từng lô sản phẩm, sản phẩm của từng vùng miền ngay khi đánh bắt.
12

Bằng ngôn ngữ Matlab tác giả đã xây dựng hoàn thiện được phần mềm xác định được các tính chất
nhiệt vật lý của cá Thu mà chỉ cần biết thành phần của thực phẩm. Phần mềm có thể ứng dụng tra cứu bất
kỳ tính chất nhiệt vật lý nào của thủy hải sản và ở bất kỳ nhiệt độ nào trong khoảng nhiệt độ -40
0
C ÷ 40
0
C.
Bộ số liệu tính chất nhiệt vật lý của cá Thu phụ thuộc vào nhiệt độ bằng mô hình thông qua phầm mềm
mà tác giả đưa ra đảm bảo độ tin cậy, Trên cơ sở dữ liệu này dùng cho nghiên cứu xây dựng mô hình toán
xác định thời gian cấp đông và trường nhiệt độ khi cấp đông cho cá Thu trong chương tiếp theo.

Chương 3:
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRUYỀN CHẤT VÀ MÔ PHỎNG
QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG CÁ THU
3.1 Đánh giá sự ảnh hưởng của quá trình trao đổi chất đến quá trình cấp đông cá Thu .
Quá trình trao đổi chất giữa bề mặt thực phẩm và môi trường xung quanh là nhân tố chính ảnh hưởng
đến độ hụt khối lượng và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm khi cấp đông. Trong giai đoạn đầu quá trình
cấp đông, nước ở pha lỏng sẽ bay hơi vào trong môi trường. Sau khi nước trên bền mặt đã kết đông hình
thành nên lớp băng trên bề mặt làm cản trở quá trình trao đổi chất giữa thực phẩm và môi trường. Lúc này
quá trình bốc hơi trên bề mặt sản phẩm trở thành hiện tượng thăng hoa chuyển pha rắn –hơi. Trong chương
này tác giả sẽ kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của trao đổi nhiệt do
truyền chất đến quá trình trao đổi nhiệt giữa thực phẩm và môi trường trong quá trình cấp đông cá Thu.
Đưa ra phương pháp xác đinh hao hụt khối lượng bằng lý thuyết và xác định tỷ lệ nhiệt ẩn trong quá trình

cấp đông ở phần sau.
3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cấp đông cá Thu .
3.2.1 Những giả thiết sử dụng khi xây dựng mô hình toán học bài toán dẫn nhiệt bên trong
thực phẩm cấp đông.
Khi xây dựng mô hình toán học hiện tượng dẫn nhiệt bên trong thực phẩm được cấp đông gió, một số
giả thiết gần đúng sau đây được chấp nhận:
Quá trình trao đổi nhiệt bên trong thực phẩm chỉ thuần túy là quá trình dẫn nhiệt, bỏ qua các hiện tượng
khuếch tán và đối lưu bên trong pha lỏng của thực phẩm. Bỏ qua hiện tượng trao đổi chất giữa thực phẩm
và môi trường cấp đông.
3.2.2 Bài toán dẫn nhiệt trong thực phẩm cấp đông theo mô hình Chumak & Onhishenko
Chumak I.G & Onhishenko V.P đã đề xuất việc sử dụng hệ số hình học

chuyển từ mô hình bài toán
3 chiều viết trong hệ tọa độ Đề các sang mô hình bài toán một chiều viết trong hệ tọa độ tổng quát (x* =
x

). Hệ phương trình toán học mô tả quá trình dẫn nhiệt quy đổi về hệ tọa độ 1 chiều được viết như sau:

   


 


   
 
 
 
     
 

 
     
e
1 2
1
1
1 1 c1 1
2
2
2 2 c2 2
T r, Т r,
1
C T T T r , 0
r r
r
T r, 0 f r ,r R ,R
T R ,
F
T R , T T R , 0,
r F
T R ,
T R , T T R , 0.
r



   
 

      


 
  
 

 


 

         
   
   



 

            
   


Phương trình 3.8 là phương trình vi phân dẫn nhiệt viết trong tọa độ tổng quát
Phương trình 3.9 là phương trình điều kiện ban đầu.
Phương trình 3.10, 3.11 là phương trình điều kiện biên loại 3 viết cho bề mặt rỗng bên trong (nếu có) và bề
mặt bên ngoài vật được làm lạnh
R
1
, R
2

là kích thước xác định ứng với bề mặt bên trong và bề mặt bên ngoài.
α
1
(τ), α
2
(τ) là hệ số tỏa nhiệt ứng với bề mặt trong và bề mặt ngoài
Hệ số hình học

được xác định theo phương trình:
RF
Г= -1
V
(3.12)
(3.8)
(3.9)
(3.10)
(3.11)
13

Trong đó, R là kích thước xác định của khối thực phẩm, F và V lần lượt là diện tích và thể tích của khối
thực phẩm. Với các khối thể tích kinh điển,

sẽ nhận giá trị bằng 0, 1, 2 tương ứng với vật làm lạnh có
hình dạng: tấm phẳng vô hạn, khối trụ dài vô hạn, khối cầu
Trong thực tế, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ở 2 phía của khối thực phẩm có thể sai khác nhau. Tuy nhiên,
do thực tế không thể xác định được tốc độ cục bộ của từng điểm trên bề mặt khối thực phẩm, hệ số trao đổi
nhiệt đối lưu tại bề mặt được xem là như nhau và được xác định theo tốc độ trung bình tại tất cả các mặt
xung quanh khối thực phẩm.
Do hệ số tỏa nhiệt đối lưu của hai phía trong trường hợp này bằng nhau tức là điều kiện biên đối lưu ở
hai phía là đối xứng, nên bài toán chỉ được xét trên không gian ½ kích thước xác định của vật. Hệ phương

trình mô tả bài toán được viết lại như sau:
   


 


   
 
 
     
 
 
e
1 2
c
T r, Т r,
1
C T T T r , 0
r r r
R R
T r, 0 f r ,r 0,R
2
T R,
T R, T T R, 0,
r
T 0,
T 0, 0.
r




    

      

 
  
 



 

  
 

 

 

            

   


 

   


 


3.3 Giải bài toán dẫn nhiệt quá trình cấp đông cá Thu .
3.3.1 Phương pháp thể tích hữu hạn giải hệ phương trình dẫn nhiệt trong quá trình cấp đông
cá Thu .
Để rời rạc hóa bài toán theo phương pháp thể tích hữu hạn, hai trục tọa độ không gian r và thời gian τ được
chia thành những khoảng có kích thước như nhau:

1i i
r r r

  
với
1N0i  ,
,
r R N
 
(3.18)

j+1 j
τ = τ + τ

với j = 0, 1, 2, … (3.19)
Trong đó:
r

và



được gọi là bước không gian và bước thời gian.

Hinh 3.1: Biểu diễn phân tố theo tọa độ và thời gian.
Các bước biến đổi được thể hiện trong sơ đồ thuât toán và thuật giải dưới đây.
3.3.2 Thuật toán giải bài toán dẫn nhiệt bên trong quá trình cấp đông cá Thu theo phương
pháp thể tích hữu hạn xác định trường nhiệt độ
r

r r

i
-
1
i

i+1
τ

τ

τ

j+1
j

j
-
1
A

B
C
M
N
D

K

P
f

g
e
h
L
τ

r
(3.14)
(3.15)
(3.16)
(3.17)
14


Hình 3.2: Sơ đồ thuật toán xác định trường nhiệt
độ của thực phẩm được cấp đông

Hình 3.3: Giải thuật xác định trường nhiệt độ
ở bước thời gian tiếp theo

3.4 Xây dựng hoàn thiện phầm mềm mô phỏng quá trình cấp đông cá Thu .

Hình 3.4: Giao diện phần mềm mô phỏng quá trình
cấp đông

Hình 3.5: Dạng đồ thị nhiệt độ tâm và bề
mặt điển hình
Phần mềm mô phỏng quá trình cấp đông, với các thông số đầu vào là dữ liệu về thành phần khối lượng
thực phẩm và nhiệt độ môi trường cấp đông, nhiệt độ tâm sản phẩm cần đạt được, kích thước xác định, diện
tích, thể tích sản phẩm, tốc độ gió . Kết quả xuất ra trường nhiệt độ, thời gian cấp đông dạng đồ thị hoặc file
excel.
3.5 Xác định nhiệt ẩn do quá trình trao đổi chất
3.5.1. Khái niệm nhiệt độ trung bình entanpi và bài toán xác định phụ tải lạnh khi cấp
đông thực phẩm.
Việc thiết kế một hệ thống lạnh phục vụ cho làm lạnh và kết đông thực phẩm rất cần phải biết quan hệ giữa
phụ tải lạnh và thời gian cấp đông. Nếu gọi



i
h
là entanpi trung bình thể tích của sản phẩm tại thời điểm τ
ta có:








0 i
q h h
  
 


)]()(.[)](.[)(
0

ibmmt
hhmttQ 
(3.31)
Trong đó:



i
h
là entanpi trung bình thể tích tại thời điểm τ;




0
h
là entanpi thể tích ở thời điểm ban đầu của sản phẩm.
Entanpi trung bình thể tích tại thời điểm τ được định nghĩa như sau:
Nạp giá trị ma trận A, véc tơ B theo phương
trình 3.28, 3.29, 3.30 trong đó giá trị tính chất
nhiệt vật lý như λ,C

e
, ρ được tạm tính theo
nhiệt độ T
i,j-1
Nạp giá trị ma trận A, véc tơ B theo phương
trình 3.28, 3.29, 3.30 trong đó giá trị tính chất
nhiệt vật lý như λ,C
e
, ρ được tạm tính theo
nhiệt độ T
i,j-1
và T
i,j
15


 
1
( ) ,
i
V
h h r dV
V
 




Mặt khác
dV = x dx


nên
2
2
1
1
R
R
V
1 1
1
2 1
0 R
R
R Rx
V dV x dx
1 1
 



   
  
 
do đó
 
2
1
1 1
2 1

1
. ( , )
R
i
R
h x h x dx
R R
 

 
 



(3.32)
Từ 3.32 ta thấy muốn tính được entanpi trung bình thể tích tại thời điểm τ ta phải biết h(x,τ) tức là phải biết
trường nhiệt độ. Từ đây nảy sinh vấn đề, cần phải có một nhiệt độ đặc trưng cho sản phẩm tại thời điểm τ
trong quá trình lạnh đông.
Nhiệt độ đó được gọi là nhiệt độ trung bình entanpi (T
*
) của sản phẩm được xác định theo phương trình:



*
( )
i
h T h



(3.33)
Với h(T) là entanpi của sản phẩm phụ thuộc nhiệt độ xác định theo công thức 2.14
Khi đó phụ tải lạnh phụ thuộc thời gian của khối thực phẩm có khối lượng là m sẽ được tính theo
công thức:
Q(τ) = m [




*
0
Thh 

], (3.34)

Thời gian làm lạnh thực phẩm được xác định là thời gian cần thiết để đạt tới nhiệt độ trung bình
entanpi yêu cầu.
Bằng lý thuyết này ta có thể xác định được entanpi, phụ tải lạnh của khối thực phẩm có hình
dạng bất kì. Vấn đề này được Chumak & Onhishenko trình bày khá chi tiết trong các tài liệu [
37,38 ]. Theo lý thuyết truyền nhiệt ta cũng có thể xác định được phụ tải của khối thực phẩm, và từ
đây sử dụng phương trình cân bằng năng lượng ta hoàn toàn có thể xác định được tỷ lệ hụt khối
lượng của khối thực phẩm khi cấp đông.
3.5.2. Xác định nhiệt ẩn trong quá trình trao đổi chất
Giả sử tại thời điểm i ta xác định được nhiệt độ trung bình entanpi là T
*
i
, thời gian là τ
i
sản phẩm cấp
đông có khối lượng là m

i
, và entanpi của khối thực phẩm tại thời điểm τ
i
là m
i
.h
(Ti)

Tại thời điểm i+1 ta xác định được nhiệt độ trung bình entanpi là T
*
i+1
, thời gian là τ
i+1
sản phẩm lúc
này có khối lượng là m
i+1
, và entanpi của khối thực phẩm tại thời điểm τ
i+1
là m
i+1
.h
(τi+1)

Gọi Q
i
là lượng nhiệt thải ra khi cấp đông từ thời điểm τ
i
đến thời điểm τ
i+1

Nếu không có tổn thất khối lượng tức là bỏ qua trao đổi chất ta xác định được lượng nhiệt toả ra từ sản
phẩm trong thời gian từ τ
i
đến τ
i+1
theo công thức.





1
.
i i i i
Q m h h
 

 
 
 
(3.35)
Khi tính tới quá trình trao đổi chất trên bề mặt sản phẩm tiếp xúc với môi trường do bay hơi hoặc thăng
hoa trong quá trình cấp đông thì phải tính tới nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi hoặc thăng hoa chất lỏng
(gọi chung là nhiệt tổn thất do quá trình dehydration) được xác định bằng công thức sau:



os 1
. .
l t i th i i th

Q m r m m r

     (3.36)

Trong đó: Δm
i
: là khối lượng thực phẩm hao hụt. r
th
: là nhiệt ẩn trung bình của quá trình dehydration
Trong khi đó ta có công thức tính tổng lượng nhiệt trong quá rình cấp đông như sau

Tong Hien An
i i i
Q Q Q
 
(3.37)



















1 1 1 1 1
. . . . . . .
Tong
i i i i i i i i i i i i i i i i i
Q m h m m h m h m h m h m h h m h
       
    
         
 
(3.38)
Từ đây ta có thể thấy rằng nhiệt hoá hơi/ nhiệt tổn thất do quá trình dehydration hay nhiệt ẩn hoàn toàn
được xác định bằng công thức.







os 1 1 1
. .
An
i l t i i i i i
Q Q m h m m h
 
  

    
(3.39)
Như vậy sự ảnh hưởng của dehydration được đánh giá dựa trên tỷ lệ giữa Q
lost
/ Q
tổng
. Vấn đề này sẽ được
tác giả kiểm chứng bằng thực nghiệm và tính toán ở phần tiếp theo.
16

3.6 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng quá trình cấp đông cá Thu.
3.6.1 Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm
Để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm quá trình cấp đông gió cho thực phẩm, hệ thống thí nghiệm phải tạo
ra môi trường có nhiệt độ âm sâu phù hợp, nhiệt độ phải có độ ổn định cao, tốc độ gió phải đồng đều, các
thiết bị đo lường điều khiển đồng bộ, có độ tin cậy cao. Việc xây dựng hệ thống thí nghiệm đáp ứng đầy đủ
các yêu cầu trên sẽ là điều kiện tiên quyết cho việc đảm bảo độ tin cậy của nghiên cứu thực nghiệm kiểm
chứng.
3.6.1.1 Mô tả tủ cấp đông thí nghiệm

Hình 3.7: Tủ thí nghiệm cấp đông gió KTE-5000LT

Hình 3.8: Chu trình lạnh của thiết bị cấp đông
3.5.1.2 Thiết bị đo
a, Thiết bị đo nhiệt độ Bộ temperature dataloger
b, Thiết bị đo tốc độ gió Thiết bị đo tốc độ gió TSI 8347 do hãng TSI
c, Cân điện tử EUC-7500, xác định khối lượng thực phẩm thí nghiệm.
3.6.1.3 Xác định các thông số đặc trưng của mô hình thí nghiệm
a, Xác định trường tốc độ gió của thiết bị cấp đông KTE-5000 LT

a)

b)

c)
Hình 3.14. a) Kích thước buồng cấp đông b) Vị trí các điểm đo xác định trường tốc độ gió, c) Vị trí gắn
các điểm đo trên miếng cá Thu
b, Quy trình xử lý mẫu thực phẩm và tiến hành thí nghiệm
Cá tươi nguyên con được kiểm tra kích thước. Sau khi đạt các yêu cầu về kích thước cá được rửa sạch, cắt
miếng theo chiều dày cho trước, xác định khối lượng ban đầu của miếng cá. Gắn các đầu đo cặp nhiệt, đưa
vào buồng cấp đông, giám sát nhiệt độ và vận tốc gió trong buồng. Khi nhiệt độ tâm đạt -18
0
C, kết thúc quá
trình cấp đông, nhanh chóng lấy miếng cá ra và cân nhanh nhằm đảm bảo độ chính xác của việc xác định
khối lượng. Thực hiện ở 10 chế độ với các nhiệt buồng lạnh, tốc độ gió và chiều dày sản phẩm khác nhau,
mỗi thí nghiệm chế độ được lặp đi lặp lại 3 lần.

Hình 3.16: Quy trình thí nghiệm quá trình cấp đông cá Thu
17

Bảng 3.2: Các chế độ thí nghiệm với cá Thu trong tủ cấp đông KTE-5000 LT
Chế độ
R
mm
F.10
3

m
2
V.10

4

m
3

W
0

gam
T
0

o
C
Tốc độ gió
m/s
T
c

o
C
Chế độ 1 35,0 8,24 1,11 115.4 17,0 2,5 -40,0
Chế độ 2 30,0 6,77 0,85 88,0 20,0 2,5 -40,0
Chế độ 3 30,0 6,29 0,59 61.2 24,0 2,5 -25,0
Chế độ 4 25,0 4,82 0,46 48.1 24,0 2,5 -30,0
Chế độ 5 30,0 6,27 0,67 69.8 21,0 2,5 -35,0
Chế độ 6 35,0 16,40 1,79 185.8 23,0 1,5 -45,0
Chế độ 7 40,0 16,52 2,54 264.1 23,0 1,5 -40,0
Chế độ 8 40,0 1,544 2,13 221,0 23,0 1,5 -35,0
Chế độ 9 30,0 19,22 2,01 209,2 21,0 5,0 -40,0

Chế độ 10 35,0 17,83 2,04 212,3 19,0 5,0 -40,0
(R: Kích thước xác định, V: thể tích của khối thực phẩm, F: diện tích khối thực phẩm, T
0
: Nhiệt độ ban đầu,
T
c
: Nhiệt độ gió, W
0
: Khối lượng ban đầu)
3.6.2 Nghiên cứu thực nghiệm xác định độ hụt khối lượng khi cấp đông
Mô tả thí nghiệm xác định độ hụt khối lượng cá Thu
Cân điện tử hiện số được đặt bên ngoài phía trên buồng cấp đông, sử dụng giá đỡ luồn vào
trong tủ cấp đông, treo miếng cá Thu trên giá đỡ. Ghi khối lượng miếng cá 5 phút một lần kể từ
khi đưa miếng cá vào cấp đông.
Hình 3.17: Thí nghiệm XĐ độ hụt
khối lượng cá Thu khi cấp đông
Hình 3.18: Sự thay đổi khối lượng
của mẫu cá Thu theo thời gian
Hình 3.19: Sự biến đổi nhiệt độ của
khối thực phẩm theo thời gian
Bảng 3.3: Kết quả đo thời gian cấp đông và độ hao hụt khối lượng khi cấp đông cá Thu
Chế độ
Kích thước
xác định, mm
w
o
, g t
0
,
0

C t
a
,
0
C ω, m/s τ, phút w
1
, g w
lost
, %
Chế độ 1 35,0 115,4 17 -40 2,5 57 113,6 1,56
Ch
ế độ 2

30,0

88,0

20

-
40

2,5

51

87,0

1,14

Ch
ế độ 3

30,0

61,2

24

-
25

2,5

67

60,3

1,47

Chế độ 4 25,0 48,1 24 -30 2,5 52 47,4 1,46
Chế độ 5 30,0 69,8 21 -35 2,5 52 68,7 1,58
Ch
ế độ 6

35,0

185,8

23

-
45

1,5

60

183,2

1,40

Ch
ế độ 7

40,0

264,1

23

-
40

1,5

93

259,9

1,59

Chế độ 8 40,0 221,0 23 -35 1,5 95 217,1 1,76
Chế độ 9 30,0 209,2 21 -40 5 29 207,3 0,91
Chế độ 10 35,0 212,3 19 -40 5 35 208,9 1,60
Độ hụt khối lượng w
lost
trong các trường hợp thí nghiệm giao động từ 0,91% đến 1,76%. Với tỷ lệ hao hụt
như trên lượng nhiệt tổn thất theo dự đoán của tác giả là không lớn. Lượng nhiệt tổn thất này được tính toán
theo lý thuyết trình bày trong mục 3.5 của luận án. Sử dụng các giá trị entanpi từ tính toán lý thuyết, tải
nhiệt của thực phẩm được tính toán theo công thức 3.35, trong đó nhiệt độ của thực phẩm khi kết thúc cấp
đông được dùng trong khi tính là h
-18
tính theo nhiệt độ trung bình entanpi của khối thực phẩm.
Các kết quả tính toán được trình bầy trong bảng 3.4. Tỷ lệ Q
lost
/Q
0
trong nghiên cứu này giao động trong
khoảng từ 2,65% đến 5,19%.
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của độ hụt khối tới tải nhiệt khi cấp đông của thực phẩm
18

Q
0
, kJ Q
lost
, kJ Q
lost
/Q

0,
% Q
0
, kJ Q
lost
, kJ Q
lost
/Q
0,
%
Chế độ 1 36,15 1,76 4,86 Chế độ 6 63,30 2,54 4,01
Chế độ 2 27,50 0,98 3,55 Chế độ 7 86,66 4,10 4,73
Ch
ế độ 3

20,06

0,88

4,38

Ch
ế độ 8

73,31

3,81

5,19

Ch
ế độ 4

15,52

0,68

4,40

Ch
ế độ 9

70,07

1,85

2,65

Chế độ 5 22,49 1,07 4,77 Chế độ 10 68,87 3,32 4,82
Kết luận
Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết sự cho thấy ảnh hưởng của độ hụt khối lượng
tới tải nhiệt cấp đông của thực phẩm trong thiết bị cấp đông gió cho cá Thu dao động khoảng 5%. Sự ảnh
hưởng này có thể được bỏ qua khi biên độ giao động tính chất nhiệt vật lý của đối tượng có thể lên tới 10%.
Đây chính là cơ sở khoa học đáng tin cậy để bỏ qua quá trình dehydration khi nghiên cứu bài toán trao đổi
nhiệt quá trình cấp đông thực phẩm.
3.6.3 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
Với đối tượng cá Thu, 10 chế độ thí nghiệm đã được tiến hành với các thông số được cho như trong
Bảng 3.3. Kết quả xác định trường nhiệt độ bằng thực nghiệm và tính toán mô phỏng bằng phần mềm được
trình bày từ Hình 3.20 đến 3.29. Các số liệu thực nghiệm và chi tiết được trình bày trong phụ lục 5. Kết
quả tổng hợp thời gian cấp đông của các chế độ được trình bày trong Bảng 3.4.

Hình 3.20: Trường nhiệt độ tính
toán và thực nghiệm với
trong chế độ thí nghiệm 01
Hình 3.21: Trường nhiệt độ tính
toán và thực nghiệm trong chế độ
thí nghiệm 02

Hình 3.22: Trường nhiệt độ tính
toán và thực nghiệm trong chế độ
thí nghiệm 03

Hình 3.23: Trường nhiệt độ tính
toán và thực nghiệm trong chế độ
thí nghiệm 04
Hình 3.24: Trường nhiệt độ tính
toán và thực nghiệm trong chế độ
thí nghiệm 05

Hình 3.25: Trường nhiệt độ tính
toán và thực nghiệm trong chế độ
thí nghiệm 06
Dựa trên các số liệu đã được trình bày, tác giả rút ra một số kết luận như sau:
- Nhiệt độ tại bề mặt và tâm của các loại thực phẩm theo tính toán bằng mô hình khá phù hợp với giá trị
thực nghiệm với sai số tuyệt đối không quá 5
0
C.
- Đồ thị biến thiên nhiệt độ theo thời gian tại bề mặt và tâm của khối thực phẩm chia làm 3 giai đoạn rõ rệt.
Trong đoạn đầu tiên nhiệt độ giảm khá nhanh, ở giai đoạn này thực phẩm chỉ trao đổi nhiệt hiện với môi
trường bên ngoài. Giai đoạn tiếp theo, khi bề mặt của thực phẩm bắt đầu đạt đến nhiệt độ kết đông, nước

trong thực phẩm bắt đầu chuyển từ pha lỏng sang pha rắn. Nhiệt độ có xu hướng giảm rất chậm do sự xuất
hiện của nhiệt ẩn chuyển pha, đường nhiệt độ có xu hướng nằm ngang. Sau khi phần lớn lượng nước bên
trong thực phẩm đã chuyển sang pha rắn, nhiệt độ của khối thực phẩm sẽ giảm nhanh.
Bảng 3.5: Thời gian cấp đông thực nghiệm và tính toán đối với cá Thu
Chế độ Γ τ
thực nghiệm
, phút

τ
tính toán
, phút Sai số, %
Chế độ 1 0,31 57 58 1.75
Chế độ 2 0,19 51 51 0.00
19

Chế độ 3 0,58 67 66 -1.49
Chế độ 4 0,32 52 49 -5.77
Chế độ 5 0,41 52 51 -1.92
Chế độ 6 0,62 60 63 5.00
Chế độ 7 0,31 93 95 2.15
Chế độ 8 0,45 95 97 2.11
Chế độ 9 0.43 31 29 6.90
Chế độ 10 0.52 37 35 5.71
Độ chính xác kết quả dự đoán thời gian cấp đông được đánh giá bằng sự sai lệch giữa kết quả tính toán và
kết quả thực nghiệm, các số liệu này được trình bày trong Bảng 3.4. Sai số tương đối giữa thời gian cấp
đông tính toán và thực nghiệm nằm trong khoảng -5,77% đến 6.9%. Sai số này đã chứng minh rằng mô
hình toán học của bài toán dẫn nhiệt, mô hình tính toán tính chất nhiệt vật lý và phương pháp giải có độ
chính xác cao, đáp ứng được các yêu cầu đề ra trong tính toán kỹ thuật.
3.7 Kết luận chương 3
 Tác giả đã sử dụng lý thuyết và thực nghiệm để khẳng định truyền chất có ảnh hưởng không lớn đến

bài toán truyền nhiệt truyền chất trong quá trình cấp đông và có thể bỏ qua, chỉ giải bài toàn truyền nhiệt
có xét đến nhiệt chuyển pha trong quá trình cấp đông khi giải bài toán xác định trường nhiệt độ và thời
gian khi cấp đông cá Thu cho kết quả đáng tin cậy.
 Tác giả đã mô phỏng thành công quá trình cấp đông đối với vật thể có hình dáng bất kỳ theo trường
phái Chumak & Onhishenko. Giải trực tiếp phương trình vi phân dẫn nhiệt bằng phương pháp số thể tích
hữu hạn. Các kết quả tính toán bằng mô hình phù hợp với quy luật thực thế. Nhiệt độ tại bề mặt và tâm
các chế độ đối với cá Thu tính toán bằng mô hình khá phù hợp với giá trị thực nghiệm với sai số tuyệt
đối không quá 7
0
C. Điều này một lần nữa khẳng định tính chính xác của mô hình nhiệt vật lý xây dựng
trong chương 2
 Tác giả đã xây dựng hoàn thiện phần mềm bằng ngôn ngữ Matlab mô phỏng quá trình cấp đông thủy
sản với các thông số đầu vào đơn giản gồm thành phần khối lượng của thực phẩm, nhiệt độ bắt đầu kết
đông, nhiệt độ buồng cấp đông, tốc độ gió, kích thước vật thể. Sau khi tính toán phần mềm cho ra kết quả
là trường nhiệt độ cấp đông, thời gian cấp đông và số liệu dưới dạng excel.
 Đường cong nhiệt độ tâm sản phẩm dự đoán bằng mô hình cũng phản ánh đúng giá trị thực nghiệm,
được chia làm 3 đoạn rõ rệt. Trong đoạn đầu tiên nhiệt độ giảm khá nhanh, ở giai đoạn này thực phẩm
chỉ trao đổi nhiệt hiện với môi trường bên ngoài. Tuy nhiên, do nhiệt trở lớp bên trong thực phẩm lớn
hơn lớp bề mặt, nên tốc độ giảm nhiệt độ tại tâm cũng chậm hơn so với bề mặt. Giai đoạn tiếp theo, khi
nước trong thực phẩm bắt đầu chuyển pha, xuất hiện thành phần nhiệt ẩn, nhiệt độ tâm gần như ở trang
thái ổn định (nhiệt độ điểm băng), trong khi nhiệt độ bề mặt vẫn tiếp tục giảm. Sau khi tâm sản phẩm kết
thúc quá trình chuyển pha, nhiệt dung riêng hiệu dụng giảm nhanh đồng thời hệ số dẫn nhiệt tăng lên,
nhiệt độ tâm tiếp tục giảm, nhanh hơn cả giai đoạn ban đầu, cho đến khi sản phẩm đóng băng hoàn toàn.
 Từ đây ta có thể sử dụng mô hình xác định các chế độ cấp đông của cá Thu, trên cơ sở số liệu thu
được có thể đánh giá ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ, tốc độ gió, độ dày sản phẩm đến thời
gian cấp đông và trường nhiệt độ, được xem xét trong chương tiếp theo.
Chương 4
ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG VÀ CÁC
GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG CÁ THU
4.1 Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tới quá trình cấp đông cá Thu

Chất lượng thực phẩm sau cấp đông phụ thuộc rất nhiều vào quá trình biến đổi thành phần
thực phẩm trong khi cấp động và nó phụ thuộc vào nhiệt độ, tốc độ gió và chiều dày sản phẩm. Nếu
tốc độ cấp đông hợp lý các tinh thể đá hình thành trong thực phẩm sẽ ở dạng vô định hình và như
vậy sẽ không phá vỡ cấu trúc tế bào của thực phẩm trong quá trình cấp đông.
4.1.1 Đánh giá ảnh hưởng của vận tốc không khí tới quá trình cấp đông cá thu
20

Theo kết quả trình bày trong bảng 4.4 cho thấy rằng khi vận tốc không khí tăng thời gian cấp
đông giảm. Mức độ giảm thời gian cấp đông không đồng đều ở các chế độ vận tốc khác nhau. Tốc
độ không khí ảnh hưởng rất lớn đến thời gian làm lạnh. Khi tốc độ không khí lớn, hệ số trao đổi
nhiệt đối lưu lớn làm cho mật độ tỏa nhiệt của thực phẩm lớn và thời gian làm lạnh sẽ giảm đi.
Tại vùng tốc độ lớn, thời gian có giảm đi khi tốc độ gió tăng nhưng tốc độ giảm lúc này không lớn như ở
vùng tốc độ thấp. Điều này có thể được giải thích là khi tốc độ gió lớn, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu lớn, quá
trình trao đổi nhiệt lúc này phụ thuộc chủ yếu vào quá trình khuếch tán nhiệt bên trong thực phẩm.





5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Anh huong cua van toc khong khi den thoi gian cap dong, mau S:0.0421,V:0.000754

Thoi gian cap dong, (phut)
Van toc khong khi, (m/s)


t=-25
0
C
t=-30
0
C
t=-35
0
C
t=-40
0
C
t=-45
0
C

Hình 4.1: Ảnh hưởng của tốc độ gió đến thời gian cấp đông cá Thu 3mm
Bảng 4.4: Mức độ ảnh hưởng ở các chế độ vận tốc khác nhau với mẫu điển hình có chiều dày 3cm
Kích thước
sản phẩm
Nhiệt
độ (
0
C)
Vận tốc không khí môi trường cấp đông
5 7.5 10 12.5 15 5 7.5 10 12.5 15

Mức độ giảm thời gian cấp đông ( phút) Mức độ giảm thời gian cấp đông ( %)
Chiều dày
30 mm
Diện tích
S:0.0421 m
2
Thể tích
V:0.000754
m
3



-25 -6.1 -4.7 -3.3 -1.9 -0.5 -5.96 -5.75 -4.86 -3.24 -1.01
-30 -4.9 -3.8 -2.7 -1.5 -0.4 -5.62 -5.43 -4.58 -3.11 -1.03
-35 -3.9 -3.1 -2.2 -1.4 -0.5 -4.98 -4.91 -4.23 -3.05 -1.31
-40 -3.6 -2.8 -1.9 -1.1 -0.3 -5.01 -4.80 -4.00 -2.65 -0.72
-45 -3.0 -2.3 -1.7 -1.0 -0.3 -4.37 -4.29 -3.69 -2.58 -1.03
Trung bình
-4.3 -3.34 -2.36 -1.38 -0.4 -5.19 -5.04 -4.27 -2.93 -1.02
4.1.2 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường làm lạnh tới quá trình cấp đông thực phẩm





-45 -40 -35 -30 -25
30
40
50

60
70
80
90
100
110
Nhiet do khong khi moi truong cap dong, (
0
C)
Thoi gian cap dong, (phut)
Anh huong cua nhiet do den thoi gian cap dong, Mau S:0.0421, V:0.000754


5m/s
7,5m/s
10m/s
12,5m/s
15m/s

Hình 4.3 : Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời gian cấp đông cá Thu 3mm
21

Bảng 4.7: Mức độ ảnh hưởng ở các chế độ nhiệt độ không khí khác nhau
Kích thước sản
phẩm

Vận
tốc
không
khí

Nhiệt độ không khí môi trường cấp đông
-25 -30 -35 -40 -45 -25 -30 -35 -40 -45
Mức độ giảm thời gian cấp đông (phút) Mức độ giảm thời gian cấp đông ( %)
Chiều dày: 30
mm
Diện tích
S:0.0421 m
2
Thể tích
V:0.000754m
3
5 4.2 3.3 2.5 1.6 0.8 4.12 3.85 3.17 2.26 1.13
7,5 3.5 2.8 2.2 1.5 0.8 4.31 4.08 3.46 2.56 1.47
10 3.3 2.6 1.9 1.2 0.5 4.84 4.47 3.66 2.55 1.21
12,5 2.9 2.3 1.7 1.2 0.6 5.00 4.71 3.91 2.79 1.44
15 2.8 2.3 1.7 1.1 0.5 5.57 5.30 4.28 3.06 1.58
Trung bình 3.34 2.66 2 1.32 0.64 4.77 4.48 3.7 2.64 1.37
Thời gian cấp đông giảm đi khi nhiệt độ môi trường giảm xuống. Khi nhiệt độ môi trường thấp, độ
chênh nhiệt độ lớn sẽ làm cho mật độ tỏa nhiệt lớn và ngược lại
Tốc độ biến thiên thời gian cấp đông ban đầu rất nhanh nhưng sau đó chậm dần, khi nhiệt độ bề mặt
giảm từ -40
0
C xuống -50
0
C, tốc độ thay đổi thời gian cấp đông có xu hướng chậm hơn khá nhiều so với
giai đoạn từ -25
0
C đến -35
0

C. Điều này có thể lý giải là do lúc này cường độ trao đổi nhiệt bề mặt đủ lớn,
quá trình dẫn nhiệt lúc này phụ thuộc chủ yếu vào quá trình khuếch tán nhiệt bên trong thực phẩm.
4.1.3 Đánh giá ảnh hưởng của chiều dày sản phẩm tới quá trình cấp đông thực phẩm
Chế độ thứ nhất chọn vận tốc không khí không đổi với v=10m/s
Chế độ thứ hai chọn nhiệt độ môi trường cấp đông không đổi t =-35
0
C.
a. Ảnh hưởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông với v=10m/s
Bảng 4.9: Mức độ ảnh hưởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông
Chiều dày sản phẩm (mm)
Vận
tốc
(m/s)
Nhiệt
độ
(
0
C)
2 2.5 3 3.5 4 2 2.5 3 3.5 4
Mức độ giảm thời gian cấp đông
( phút)
Mức độ giảm thời gian cấp đông ( %)
10
-25 31.5 31.2 31.0 30.7 30.5 66.7 50.1 39.6 32.7 28.0
-30 24.6 24.8 25.0 25.1 25.3 65.3 50.1 40.1 33.4 29.0
-35 20.4 20.7 21.0 21.2 21.5 65.1 50.1 40.2 34.1 29.4
-40 20.4 20.7 21.0 21.2 21.5 75.5 58.6 46.9 39.6 34.6
-45 15.9 15.7 15.5 15.3 15.1 67.5 50.5 39.3 32.7 27.7
b. Ảnh hưởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông với t=-35
0

C
Bảng 4.11: Mức độ ảnh hưởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông
Nhiệt
độ (
0
C)
Vận tốc
(m/s)
Mức độ giảm thời gian cấp đông (phút) Mức độ giảm thời gian cấp đông (%)
2 2.5 3 3.5 4 2 2.5 3 3.5 4
-35
5 27.5 27.0 26.4 25.8 25.3 67.2 49.7 39.0 31.8 27.0
7,5 23.5 23.2 22.8 22.5 22.2 67.6 49.9 39.4 32.5 27.5
10 20.4 20.7 21.0 21.2 21.5 65.1 50.1 40.2 34.1 29.4
12,5 20.0 19.7 19.4 19.2 18.9 69.5 51.5 40.3 32.7 28.0
15 17.8 18.2 18.5 18.9 19.2 66.5 50.9 41.2 34.7 30.1
4.2 Nghiên cứu xác định vùng cấp đông hợp lý cho cá thu
4.2.1 Xây dựng hàm hồi quy
Sử dụng phần mềm STATGRAPHICS Centurion XVI thiết lập phương trình hồi quy.
4.2.2 Tìm vùng cấp đông hợp lý cho cá Thu
Bằng phần mềm STATGRAPHICS Centurion XVI tác giả đã tìm được vùng cấp đông hợp
lý cho quá trình cấp đông cá Thu như sau:
Bảng 4.15: Khoảng giá trị t, ω, chiều dày hợp lý khi cấp đông cá Thu
Thông số Đơn vị Khoảng làm việc hợp lý
Thời gian cấp đông hợp lý

(phút)
Vận tốc m/s 10

12

19  48 Nhiệt độ
0
C -39

-35

Chiều dày cm 2.3

3
22

4.3 Đề xuất các giải pháp tiêu hao năng lượng trong quá trình cấp đông cá thu
4.3.1. Xác định chế độ cấp đông tối ưu theo phương pháp thực nghiệm
Tối ưu hóa thực nghiệm là việc xác định nghiệm tối ưu bằng cách làm các thí nghiệm để xác
định lượng tiêu thụ năng lượng tại từng chế độ được xác định. Phương pháp này đơn giản, cho
phép tìm ra điểm tối ưu mà không cần tính toán phức tạp. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược
điểm là: tổng số thí nghiệm lớn, chế độ tối ưu được xác định cho từng loại thực phẩm khác nhau,
khi thay đổi loại thực phẩm, nhà sản xuất sẽ phải tiến hành tối ưu hóa chế độ làm việc từ đầu.
Trong trường hợp thực phẩm cấp đông có giá trị kinh tế cao, không có điều kiện để làm nhiều thí
nghiệm vì thiệt hại kinh tế sẽ rất lớn, phương pháp này sẽ trở thành bất khả thi.
4.3.2 Giải pháp tiết kiệm năng lượng đơi với thiết bị cấp đông dạng IQF tại nhà máy
Các giải pháp tiết kiệm năng lượng có thể phân thành ba nhóm sau: (i),Nhóm 1: Lắp đặt hợp lý,
(ii) Nhóm 2: Bảo trì và bảo dưỡng thiết bị định kỳ nhằm nâng cao hiệu suất thiết bị trong vận
hành, (iii) Nhóm 3: Ứng dụng các giải pháp tiết kiệm năng lượng nhằm đảm bảo công suất tiêu
hao của hệ thống là hợp lý.
Trong nội dung luận án này, tác giả sử dụng nhóm thứ 3 để áp dụng cho hệ thống cấp đông
IQF (thay đổi nhiệt độ môi trường cấp đông và vận tốc không khí môi trường cấp đông từ kết quả
nghiên cứu mục 4.1).
4.3.2.1 Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho hệ thống cấp đông IQF
Các thông số hệ thống lạnh IQF tại nhà máy: Công suất cấp đông của thiết bị là 3000kg/h. Hệ thống máy

lạnh sử dụng máy nén MYCOM ký hiệu là N2520SSC
Thiết bị cấp đông IQF tại nhà máy có công suất là:
∑Ne = Ne
máy nén
+ Ne
quạt dàn lạnh
+ Ne
ngưng tụ
+ Ne
cấp dịch
+Ne
băng chuyền

= 250 + 6x5,5 + 34 + 2,2 + 0,18= 319,38 kW
Suất tiêu hao năng lượng cho 01 kg sản phẩm là 319,38/3000 = 0,107 kW/kg sp

Tại thời điểm khảo sát thiết bị cấp đông IQF vận hành với chế độ nhiệt độ đặt T
0
= -41
0
C, khảo sát thực thế
trong băng chuyền nhiệt độ dao động từ -40
0
C đến -44
0
C, vận tốc không khí là v= 15±1 m/s. Đối với băng
chuyền IQF để xác định suất tiêu hao năng lượng riêng chúng tôi đã chấp nhận một số giả thiết công suất
lạnh của thiết bị coi như không đổi trong suất quá trình cấp đông.
4.3.2.2 Khả năng tiết kiệm năng lượng khi thay đổi tốc độ quạt lưu chuyển gió
Trong khoảng vận tốc tối ưu trong quá trình cấp đông giả sử ta lấy tốc độ gió tối ưu cho thiết bị

nói trên là 10m/s như vậy công suất quạt sẽ giảm đi là:
3 3 3 3
2 2 2 2 2
2 1 1
1 1 1 1 1
Ne Q v Q v
Ne Ne Ne
Ne Q v Q v
         
    
         
         

Bảng 4.16: Công suất quạt thay đổi theo vận tốc gió
Công suất quạt thay đổi theo vận tốc không khí
Vận tốc
(m/s) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Công suất
quạt (kW) 1.22 2.11 3.35

5.01 7.13 9.78 13.01 16.90 21.48

26.83 33.00
NL Tiết kiệm
(kW) 31.78 30.89 29.65

27.99 25.87 23.22 19.99 16.10 11.52

6.17 0.00
Nhận xét

Như vậy khi thay đổi tốc độ quạt từ 15m/s xuống còn 10 m/s thì công suất quạt giảm xuống còn là
9,78 kW.
Tổng công suất hệ thống khi thay đổi tốc độ quạt từ 15m/s xuống 10m/s giảm từ 319,38kW
xuống còn là 296,16kW tiết kiệm 23,22kW.
Suất tiêu hao năng lượng cho 01 kg sản phẩm là 296,16/3000 = 0,0987 kW/kg sp. Giảm 7,73%
Trung bình hệ thống máy IQF hoạt độ 15h/ngày, như vậy tổng công suất điện tiết kiệm được trong 1 ngày
vận hành hệ thống là 348,3 kWh. Tiết kiệm 7,28% công suất điện.

23

4.3.2.3 Khả năng tiết kiệm năng lượng khi thay đổi nhiệt độ buồng cấp đông và chênh lệch giữa
nhiệt độ sôi và nhiệt độ buồng.
Thực tế, khi nhiệt độ môi trường cấp đông càng thấp thì thời gian cấp đông giảm, hiệu suất
làm lạnh (COP) giảm dẫn đến công suất điện của máy nén tăng lên. Khả năng tiết kiệm năng lượng
trong trường hợp này dựa vào độ chênh lệch hệ số COP. Trong cùng điều kiện vận hành và phụ tải
lạnh, năng lượng tiết kiệm tỷ lệ thuận với hệ số COP:

12
0
.
COPCOP
Q
P



(kW.h)
Hệ thống cấp đông được khảo sát để nghiên cứu là hệ thống băng chuyền IQF của nhà
máy chế biến xuất khẩu thủy sản Việt Hải, Bà rịa- Vũng Tàu, sử dụng là máy nén trục vít
MYCOM có mã hiệu N5220SSC.

Bảng 4.17: Công suất máy nén thay đổi theo nhiệt độ sôi
Chế độ
Nhiệt độ
ngưng tụ (
0
C)
Năng suất
lạnh (kW)
Nhiệt độ
sôi (
0
C)
Nhiệt độ
buồng (
0
C)
COP
Công suất
máy nén (kW)
1

40 322
-
40

-
35

1,46

221.0

2

-
42

-
37

1,36

237.2

3

-
44

-
39

1,26

256.0

4

-
46

-
41

1,17

275.7

5

-
48

-
43

1,07

301.5

6

-
50

-
45

0,984

327.8

Bảng 4.18: Mức độ tiết kiệm năng lượng khi thay đổi nhiệt độ sôi môi chất
Stt
Nhiệt độ sôi
thực tế (
0
C)
Nhiệt độ sôi
điều chỉnh (
0
C)
Độ thay đổi công suất máy
nén (kW)
Năng lượng tiết kiệm /
ngày(kWh)
1
-46
-40 54.7 820.5
2 -42 38.5 577.5
3 -44 19.7 295.5
4 -46 0 0
5 -48 -25.8 -387
6 -50 -52.1 -781.5
Khi thay đổi nhiệt độ sôi của môi chất từ -460C xuống -400C tức là thay đổi nhiệt độ buồng cấp đông từ -
41
0
C xuống -35
0
C thì công suất lạnh từ 275,7kW xuống còn 221kW tiết kiệm được 19,7,7kW. Năng lượng

tiết kiệm được trong một ngày (15 giờ/ngày) là 820,5kWh tương đương 15,85% công suất điện.
Khi thay đổi nhiệt độ sôi của môi chất từ -460C xuống -440C tức là thay đổi nhiệt độ buồng cấp đông từ
-410C xuống -390C thì công suất lạnh từ 275,7kW xuống còn 256kW tiết kiệm được 54,7 kW. Năng
lượng tiết kiệm được trong một ngày (15 giờ/ngày) là 295,5kWh tương đương 5,70% công suất điện.
Suất tiêu hao năng lượng cho 01 kg sản phẩm là (221+69,38)/3000 = 0,0967 kW/kg sp. Giảm 7,75%

4.4 Kết luận chương 4
Ảnh hưởng của nhiệt độ
- Thời gian cấp đông giảm đi khi độ âm sâu của môi trường cấp đông tăng lên.
- Cường độ tỏa nhiệt bề mặt của thực phẩm cũng phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ môi trường cấp đông.
Khi nhiệt độ môi trường thấp, độ chênh nhiệt độ lớn sẽ làm cho mật độ tỏa nhiệt lớn và ngược lại
- Khoảng nhiệt độ tối ưu cho quá trình cấp đông cá Thu là t= -35
0
C ÷-39
0
C
Ảnh hưởng của tốc độ gió
- Tốc độ không khí ảnh hưởng rất lớn đến thời gian làm lạnh và cấp đông. Khi tốc độ không khí lớn, hệ
số trao đổi nhiệt đối lưu lớn làm cho mật độ tỏa nhiệt của thực phẩm lớn và thời gian làm lạnh sẽ giảm
đi.
- Khoảng tốc độ gió tối ưu cho quá trình cấp đông cá Thu là ω=10m/s ÷12m/s
Ảnh hưởng của chiều dày
- Mật độ tỏa nhiệt của thực phẩm thay đổi theo kích thước xác định của khối thực phẩm. Trong trường
hợp khối thực phẩm dày, mật độ tỏa nhiệt bé hơn nhiều do lúc này yếu tố quyết định là quá
trình khuếch tán nhiệt bên trong thực phẩm.
24

Khi thay đổi tốc độ gió trong buồng cấp đông từ 15m/s xuống 10m/s công suất điện tiết kiệm được trong
một ngày của hệ thống là 348,3 kWh. Tiết kiệm 7,28% công suất điện.
Khi thay đổi nhiệt độ sôi của môi chất lạnh R134a trong hệ thống lạnh từ -46

0
C xuống -40
0
C công suất
điện máy nén giảm từ 275,7kW xuống còn 221kW tiết kiệm được 19,7kW. Năng lượng tiết kiệm được
trong một ngày (hệ thống hoạt động 15h) là 820,5kWh tương đương 15,85% công suất điện.
Chương 5
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận
1. Luận án đã đánh giá ảnh hưởng của quá trình truyền chất thông qua việc xác định tỷ lệ hụt khối lượng
trong quá trình cấp đông cá Thu bằng thực nghiệm từ đó rút ra được mức độ ảnh hưởng của quá trình
truyền chất đến quá trình truyền nhiệt trong quá trình cấp đông cá Thu khoảng 5% và có thể bỏ qua trong
quá trình tính toán.
2. Luận án đã lựa chọn và phát triển hoàn thiện được mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý λ(T), C(T),
ρ(T), i(T) phụ thuộc vào nhiệt độ, đối tượng kiểm chứng là cá Thu. Phương pháp xác định tính chất nhiệt vật
lý đơn giản, số liệu đầu vào chỉ là thành phần thực phẩm có thể dễ dàng phân tích xác định ngay tại cơ sở sản
xuất chế biến cá Thu và có thể ứng dụng để xác định cho những loại cá khác. Xây dựng hoàn thiện phần
mềm xác định tính chất nhiệt vật lý của hải sản. Sử dụng mô hình và phần mềm có thể xác định tính chất nhiệt
vật lý một cách nhanh chóng cho từng lô sản phẩm, sản phẩm của từng vùng miền ngay khi đánh bắt.
3. Sử dụng khái niệm nhiệt độ trung bình entanpi xác định nhiệt độ trung bình của khối thực phẩm, để xác
định thời gian cấp đông cho kết quả chính xác hơn. Xác định entanpi trung bình của khối thực phẩm để
đánh giá ảnh hưởng của quá trình trao đổi chất trên bề mặt thực phẩm trong quá trình cấp đông, từ đó xây
dựng được công thức xác định được độ hụt khối lượng trong quá trình cấp đông.
4. Xây dựng mô hình toán học giải bài toán dẫn nhiệt bên trong thực phẩm cấp đông có ảnh hưởng của
quá trình biến đổi pha theo mô hình của Chumark & Onischenko, giải trực tiếp phương trình vi phân dẫn
nhiệt bằng phương pháp số thể tích hữu hạn. Xây dựng được phầm mềm xác định trường nhiệt độ và thời
gian cấp đông hải sản
5. Thực nghiệm xác định trường nhiệt độ và thời gian cấp đông cá Thu ở các chế độ khác nhau nhằm
kiểm chứng tính toán lý thuyết với sai số lớn nhất khoảng 7%. Đây là sai số có thể chấp nhận được đối với
một bài toán truyền nhiệt phức tạp có biến đổi pha liên tục trong khoảng nhiệt độ rộng.

6. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố: Nhiệt độ môi trường cấp đông, tốc độ gió trong môi trường cấp
đông, chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông cá Thu từ đó xác định được vùng làm việc tối ưu nhiệt độ
t= -39
0
C÷ -35
0
C , tốc độ gió v= 10  12 m/s, chiều dày sản phẩm δ = 2 ÷ 3,2 cm, khi cấp đông cá thu.
Khảo sát, đo đạc lấy số liệu thực tế tại nhà máy, qua phân tích tại nhà máychế biến thuỷ hải sản luận án đã
đưa ra các giải pháp có khả năng tiết kiệm năng lượng trong một hệ thống dây chuyền cấp đông IQF tại nhà
máy là i) thay đổi tốc độ quạt gió và ii) thay đổi nhiệt độ sôi của môi chất lạnh . Khả năng tiết kiệm năng
lượng với phương án thay đổi nhiệt độ sôi của môi chất là khoảng 15,85%. Suất tiêu hao năng lượng tiết
kiệm được cho 1kg sản phẩm cấp đông là 7,75%.
5.2 Kiến nghị và đề xuất hướng nghiên cứu mới
Trong thời gian thực hiện luận án tác giả nhận thấy còn có những vấn đề mới cần được nghiên cứu
hoàn thiện. Tác giả xin đưa ra một số hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm đáp ứng tốt hơn những yêu cầu của
thực tế sản xuất:
1. Xây dựng bài toán trao đổi nhiệt có kèm theo quá trình biến đổi chất trong thực phẩm được bảo quản
dài ngày nhằm nâng cao chất lượng bảo quản thực phẩm.
2. Xây dựng cơ sở dữ liệu mở về thành phần cấu tạo, các thông số nhiệt vật lý của thực phẩm Việt Nam
nhằm cung cấp đầu vào tin cậy cho các tính toán kỹ thuật.
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường đến chất lượng thực phẩm và thời gian cấp đông đối với đối
tượng hải sản nhằm đánh giá chất lượng và khả năng ứng dụng công nghệ CAS – Công nghệ bảo quản tươi
sống vào thực tiễn.