Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong quá trình tiệt trùng thực phẩm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA NÔNG NGHIỆP & SINH HỌC ỨNG DỤNG

NGÔ THANH THẮNG
MSSV: 2071838

MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG
QUÁ TRÌNH TIỆT TRÙNG THỰC PHẨM
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Cần Thơ, 2011


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA NÔNG NGHIỆP & SINH HỌC ỨNG DỤNG

Luận văn tốt nghiệp
Ngành: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Tên đề tài:

MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG
QUÁ TRÌNH TIỆT TRÙNG THỰC PHẨM

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

TS. Võ Tấn Thành

Ngô Thanh Thắng
MSSV: 2071838
Lớp: CB0708A2, K33

Cần Thơ, 2011


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

LỜI CAM ĐOAN
-----oOo----Luận văn đính kèm theo sau với đề tài: “Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong
quá trình tiệt trùng thực phẩm” do sinh viên Ngô Thanh Thắng thực hiện và báo
cáo đã được hội đồng chấm luận văn thông qua.

Giáo viên hướng dẫn

Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2011

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

i


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

LỜI CẢM ƠN

-----oOo----Luận văn tốt nghiệp này được thực hiện tốt đó cũng là nhờ sự nỗ lực của bản thân, sự
giúp đỡ của gia đình, thầy cô và bạn bè.
Con xin gửi đến ba mẹ và những người thân yêu nhất của con long biết ơn sâu sắc về
những gì mọi người đã làm cho con, để con có đầy đủ điều kiện học tập và nghiên cứu.
Xin trân thành cám ơn thầy Võ Tấn Thành đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo
mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này.
Để có được tất cả những hiểu biết và kiến thức quý giá đó, trước tiên tôi xin chân
thành cám ơn quý Thầy Cô Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Khoa Nông Nghiệp
& SHƯD, Trường Đại Học Cần Thơ đã dạy và truyền đạt những kiến thức liên quan
để tôi có thể tiếp thu những kiến thức hoàn thành luận văn này.
Trước khi dứt lời, tôi xin gửi đến quý thầy cô Bộ môn Công nghệ thực phẩm lời chúc
sức khoẻ và thành đạt.
Chân thành cảm ơn!
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2011

Sinh viên thực hiện

Ngô Thanh Thắng

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

ii


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

TÓM LƯỢC

Trong nghiên cứu, sử dụng mô hình hộp đen có chứa các tham số vật lý (hộp xám) để
biểu diễn quá trình truyền nhiệt từ dung dịch nước sản phẩm đến sản phẩm. Thí
nghiệm được thực hiện với nồng độ muối dung dịch rót từ 2% ÷ 4%, thể tích dịch rót
từ 90 ml ÷ 100 ml và nhiệt độ rót từ 700C ÷ 900C. Để thu được dữ liệu động học cho
việc mô hình hóa quá trình truyền nhiệt thí nghiệm “bước” được thực hiện với nhiệt
độ thay đổi nhiệt độ môi trường trong 2 khoảng từ 500C ÷ 950C và từ 950C ÷ 1050C.
Trong quá trình thí nghiệm 3 cảm biến loại T với độ chính xác 0,010C được kết nối với
máy tính thông qua Analog chuyển đổi tính hiệu Keithley 2700. Để ghi nhận dữ liệu
biến đổi nhiệt độ của sản phẩm, nước sản phẩm và môi trường với khoảng cách giữ 2
lần ghi là 10 giây. Thuật toán SRIV được lựa chọn để tính toán các tham số của hàm
truyền.
Kết quả cho thấy, hàm truyền bậc 1 từ quan hệ giữa nhiệt độ dung dịch nước của sản
phẩm và nhiệt độ tâm sản phẩm thu nhận từ thí nghiệm có hệ số tương quan R2 cao,
sai số thấp, và có chỉ số YIC thấp có thể biểu diễn cho quá trình truyền. Tham số vật
lý mô hình được sử dụng trong hàm truyền và có liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề
mặt, so sánh tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt từ nhiệt độ dung dịch rót
trong hộp đến sản phẩm với các điều kiện thí nghiệm tương ứng (nhiệt độ, nồng độ
muối, thể tích dịch rót) các kết quả cho thấy tham số có liên quan đến hệ số truyền
nhiệt bề mặt hoàn toàn tuân theo các lý thuyết về truyền nhiệt.

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

iii


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
TÓM LƯỢC ................................................................................................... iii
MỤC LỤC ........................................................................................................iv
DANH SÁCH HÌNH ........................................................................................v
DANH SÁCH BẢNG ...................................................................................... vi
CHƯƠNG I. MỞ ĐẦU ......................................................................................1
1.1. Tổng quan ................................................................................................1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................1

CHƯƠNG II. LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU ............................................................2
2.1 Quá trình truyền nhiệt trong thực phẩm .......................................................2
2.2 Các hình thức truyền nhiệt ..........................................................................2
2.2.1 Truyền nhiệt do dẫn nhiệt ...................................................................2
2.2.2 Truyền nhiệt do đối lưu ......................................................................3
2.2.3 Truyền nhiệt do bức xạ nhiệt ...............................................................3
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt ..............................................4
2.4 Tính chất của sản phẩm thực phẩm .............................................................4
2.5 Tình hình nghiên cứu .................................................................................4
CHƯƠNG III. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................6
3.1 Phương tiện nghiên cứu ..............................................................................6
3.1.1. Địa điểm thực hiện ............................................................................6
3.1.2 Phương tiện dùng trong nghiên cứu .....................................................6
3.1.2 Nguyên liệu cá viên............................................................................8
3.2. Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................9
3.2.1. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát ................................................................9

3.2.2. Mô tả thí nghiệm............................................................................. 10

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

iv


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

3.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................... 11
3.3.1 Các giả sử trong nghiên cứu .............................................................. 11
3.3.2 Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt từ nhiệt độ nước sản phẩm truyền
nhiệt đến nhiệt độ trung tâm sản phẩm .................................................................11
3.4. Mô hình hộp đen có chứa các tham số có ý nghĩa vật lý (Data based
mechanistic modelling) ....................................................................................... 13
3.5. Xác định hàm truyền từ dữ liệu thu nhận thực tế ....................................... 14
3.6. Xây dựng hàm truyền từ các định luật của quá trình truyền ........................ 15

CHƯƠNG IV. KẾT QUẢ - THẢO LUẬN ...................................................... 17
4.1 Tính toán các tham số trong hàm truyền bậc 1............................................ 17
4.2 Ý nghĩa vật lý trong hàm truyền ............................................................... 20
4.3 Kết quả ảnh hưởng điều kiện chế biến đến tham số truyền nhiệt bề mặt α1
trong trường hợp nhiệt độ từ 500C ÷ 950C ............................................................ 21
4.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề
mặt α1 trong trường hợp nhiệt độ từ 500C ÷ 950C ................................................. 21
4.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ rót đến tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề
mặt α1 trong trường hợp nhiệt độ từ 500C ÷ 950C ................................................. 22
4.3.3 Ảnh hưởng của thể tích rót đến tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề

mặt α1 trong trường hợp nhiệt độ từ 500C ÷ 950C ................................................. 23
4.4 Kết quả ảnh hưởng điều kiện chế biến đến tham số truyền nhiệt bề mặt α2
trong trường hợp nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C........................................................... 24
4.4.1 Ảnh hưởng của nồng độ muối rót đến tham số liên quan hệ số truyền
nhiệt bề mặt α2 trong trường hợp nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C ....................................24
4.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề
mặt nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C .............................................................................. 26
4.4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề
mặt α2 trong trường hợp nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C ................................................ 27
4.5 Mối quan hệ tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề mặt α trong trường hợp
nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C và trong trường hợp nhiệt độ 950C ÷ 1050C ..................... 28
CHƯƠNG V. KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ ............................................................... 29
5.1 Kết luận.................................................................................................29
Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

v


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

5.2 Đề nghị .................................................................................................29

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 30
PHỤ LỤC ...................................................................................................... viii

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

vi

Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

DANH SÁCH HÌNH

Hình 3.1: Hệ thống thiết bị tiệt trùng......................................................................6
Hình 3.2: Analog chuyển đổi tính hiệu Keithley 2700 .............................................7
Hình 3.3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ PID ...........................................................7
Hình 3.4: Thiết bị tiệt trùng ...................................................................................7
Hình 3.5 Nguyên liệu cá viên ................................................................................8
Hình 3.6: Sơ đồ nghiên cứu tổng quát ....................................................................9
Hình 3.7: Hệ thống thiết bị dùng trong nghiên cứu ................................................ 10
Hình 3.8 Các cảm biến nhiệt độ được gắn vào bao bì và sản phẩm: ......................... 11
Hình 3.9: Quá trình tiệt trùng ghi nhận dữ liệu và cách bố trí mẫu trong thiết bị tiệt
trùng ................................................................................................................. 11
Hình 3.10 Thí nghiệm bước để mô tả quá trình truyền nhiệt: ..................................12
Hình 3.11. Sơ đồ mô hình hóa “hộp đen” với các tham số vật lý có ý nghĩa ............. 12
Hình 3.12. Sơ đồ mô hình hóa quá trình truyền nhiệt, (1) mô hình hộp đen, (2) mô
hình hộp trắng....................................................................................................13
Hình 3.12: Vị trí cảm biến nhiệt độ được bố trí trong vật thể dùng trong nghiên....... 15
Hình 4.1: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan đến hệ số
truyền nhiệt bề mặt α1 ......................................................................................... 22
Hình 4.2: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nồng độ rót đến tham số liên quan đến hệ số
truyền nhiệt bề mặt α1 ......................................................................................... 23
Hình 4.3: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của thể tích rót đến tham số liên quan đến hệ số
truyền nhiệt bề mặt α1 ......................................................................................... 24
Hình 4.4: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nồng độ rót đến tham số liên quan đến hệ số

truyền nhiệt bề mặt α2 ......................................................................................... 25
Hình 4.5: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan đến hệ số
truyền nhiệt bề mặt α2 ......................................................................................... 26
Hình 4.6: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của thể tích rót đến tham số liên quan đến hệ số
truyền nhiệt bề mặt α2 ......................................................................................... 27
Hình 4.7: Mối quan hệ giữa hệ số α1 và α2 ............................................................ 28

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

vii


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Tổng kết các kết quả nghiên cứu ở trong và ngoài nước liên quan đến đề tài
........................................................................................................................... 4
Bảng 3.1: Thành phần dinh dưỡng trong cá viên .................................................... 8
Bảng 4.1: Kết quả tính toán các tham số của mô hình khi thực hiện thí nghiệm bước từ
nhiệt độ 500C ÷ 950C ......................................................................................... 17
Bảng 4.2: Kết quả tính toán các tham số của mô hình khi thực hiện thí nghiệm bước từ
nhiệt độ 500C ÷ 950C .......................................................................................... 18
Bảng 4.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề
mặt α1 nhiệt độ từ 500C ÷ 950C............................................................................ 21
Bảng 4.4: Ảnh hưởng của nồng độ muối rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền
nhiệt bề mặt α1 nhiệt độ từ 500C ÷ 950C................................................................ 22
Bảng 4.5: Ảnh hưởng của thể tích rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề

mặt α1 nhiệt độ từ 500C ÷ 950C............................................................................ 23
Bảng 4.6: Ảnh hưởng của nồng độ muối rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền
nhiệt bề mặt α2 nhiệt độ từ 500C ÷ 950C ............................................................... 25
Bảng 4.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề
mặt α2 nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C .......................................................................... 26
Bảng 4.8: Ảnh hưởng của thể tích rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề
mặt α2 nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C .......................................................................... 27

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

viii


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

CHƯƠNG I. MỞ ĐẦU
1.1. Tổng quan
Chế biến nhiệt là hình thức bảo quản thực phẩm với mục đích giảm mật số vi sinh vật
trong sản phẩm ở mức độ cho phép vừa bảo quản được thực phẩm vừa bảo đảm mức
độ an toàn cho người tiêu dùng. Và sự truyền nhiệt đến nhiệt độ trong sản phẩm là
một trong những yếu tố ảnh hưởng đến việc xây dựng chế độ tiệt trùng cũng như mức
độ an toàn của các sản phẩm chế biến cần phải được kiểm soát chính xác.
Hiện nay việc kiểm soát nhiệt độ sản phẩm bên trong đồ hộp gặp rất nhiều khó khăn ở
các nhà máy. Đặc biệt là những loại đồ hộp có chứa dung dịch nước sản phẩm và vật
thể bên trong hộp như: đồ hộp quả nước đường, cá ngâm dầu…. Do sản phẩm bên
trong hộp khó để đo đạc, việc đo đạc nhiệt độ của sản phẩm có thể thực hiện được khi
đưa các cảm biến nhiệt độ đo đạc trực tuyến nhiệt độ sản phẩm và môi trường chỉ có
thể thực hiện được tại phòng thí nghiệm không thể sử dụng trong sản xuất lớn. Việc

hiện nay ở các nhà máy chỉ đo đạc nhiệt độ của môi trường và xem nhiệt độ môi
trường là tham số cần kiểm soát, điều này không đúng vì nhiệt độ môi trường luôn dao
động trong quá trình sản xuất, dẫn đến chỉ số truyền nhiệt không đúng cho các vật thể
ở bên trong hộp.
Chính vì vậy đề tài “Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong quá trình tiệt trùng
thực phẩm” giúp kiểm soát nhiệt độ mà không cần đo đạc nhiệt độ của sản phẩm một
cách chính xác làm tiện lợi cho quá trình kiểm soát nhiệt độ trong quá trình sản xuất.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là kiểm soát nhiệt độ của sản phẩm với đồ hộp có chứa các
chất rắn lơ lửng trong dung dịch.
Để thực hiện được mục tiêu trên, nghiên cứu được thực hiện:
+ Mô hình tìm tham số có ý nghĩa vật lý trong mô hình có thể để kiểm soát nhiệt độ
sản phẩm bên trong hộp.

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

1


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

CHƯƠNG II. LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1 Quá trình truyền nhiệt trong thực phẩm
Truyền nhiệt là quá trình di chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ
thấp. Trong đó có hai quá trình truyền nhiệt là truyền nhiệt ổn định và truyền nhiệt
không ổn định.
- Truyền nhiệt ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt lượng không thay đổi trong
suốt quá trình truyền (không phụ thuộc vào thời gian).

- Truyền nhiệt không ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt lượng thay đổi khi
truyền nhiệt từ vị trí này sang vị trí khác (nhiệt độ sản phẩm là hàm số của không gian
và thời gian).
Quá trình truyền nhiệt xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ trong hệ thống. Khi đó,
dòng nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. Bản chất của quá
trình là do chuyển động của các phân tử ở nơi có nhiệt độ cao truyền năng lượng cho
các phân tử ở nơi có nhiệt độ thấp thông qua va chạm, làm cho phân tử có nhiệt độ
thấp nóng lên còn phân tử có nhiệt độ cao lạnh đi (Nguyễn Huy Sinh, 2006).
2.2 Các hình thức truyền nhiệt
Sự truyền nhiệt diễn ra dưới 3 hình thức: dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt (tia
hồng ngoại). Trong đó, dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt là hai hình thức truyền nhiệt chủ yếu
trong quá trình tiệt trùng thực phẩm. Tất cả vật liệu, bao gồm cả không khí, vật liệu
xây dựng (chẳng hạn như gỗ, kính nhựa và vật liệu cách nhiệt) và thực phẩm đều có
hình thức truyền nhiệt như nhau. Các vật liệu rắn có sự khác biệt ở hệ số truyền nhiệt,
phụ thuộc vào tỷ trọng, trọng lượng, hình dạng và cấu trúc phân tử. Vật liệu có tính
dẫn nhiệt kém được xem là vật liệu cách nhiệt. Hướng truyền nhiệt là một yếu tố quan
trọng cần được xem xét. Nhiệt lượng được bức xạ và truyền dẫn theo mọi hướng, tuy
nhiên đối lưu nhiệt chủ yếu từ thấp lên cao.
2.2.1 Truyền nhiệt do dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là kết quả của sự va chạm giữa các phân tử đang chuyển động nhanh trên bề
mặt có nhiệt độ cao với các phân tử đang chuyển động chậm hơn ở bề mặt có nhiệt độ
thấp và truyền năng lượng cho các phân tử này. Nhiệt độ càng cao thì phân tử chuyển
động càng nhanh, trong khi chuyển động các phân tử có sự tương tác lẫn nhau và tạo
thành năng lượng.
Trong quá trình truyền nhiệt, hệ số dẫn nhiệt là một hệ số quan trọng. Hệ số dẫn nhiệt
là tốc độ truyền năng lượng bên trong vật liệu và hệ số dẫn nhiệt:
+ Biểu thị cho tốc độ nhiệt có thể thêm vào hoặc loại bỏ nhiệt khỏi vật liệu.

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

2


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

+ Hiểu biết về hệ số dẫn nhiệt giúp phỏng đoán hoặc kiểm soát mật độ dòng nhiệt
trong các quá trình chế biến: sấy, chiên, lạnh đông, thanh trùng, tiệt trùng …
+ Tham số cần xác định để bảo đảm an toàn thực phẩm và hiệu quả sử dụng thiết bị.
2.2.2 Truyền nhiệt do đối lưu
Là quá trình truyền nhiệt từ lưu chất đến vật thể khi có sự khác biệt nhiệt độ giữa dòng
lưu thể và vật thể.
Khác với tính toán truyền nhiệt do dẫn nhiệt. Tính toán các quá trình truyền nhiệt do
đối lưu dựa trên việc giải các phương trình thực nghiệm với các thực nghiệm và phân
tích thứ nguyên.
Phương trình truyền nhiệt trong đối lưu nhiệt được mô tả ở công thức
Q  A.h(Ts  T )

Trong đó:
Q: nhiệt lượng cung cấp (W)
h: hệ số truyền nhiệt bề mặt (W/m2 0C)
A: diện tích bề mặt (m2)
Ts: nhiệt độ tại bề mặt (0C)
T : nhiệt độ của môi trường (0C)

Hệ số truyền nhiệt bề mặt h (W/m2 0C) phụ thuộc vào vận tốc lưu thể và tính chất vật
lý của môi trường như môi trường không khí, chất lỏng, hơi nước hay môi trường hỗn
hợp hơi nước và không khí.
- Trong truyền nhiệt đối lưu xảy ra trao đổi nhiệt như sau:

+ Trao đổi nhiệt đối lưu:
Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt nhờ sự chuyển động của chất lỏng
hoặc chất khí không thể không có những phần tử có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với
nhau, do đó trao đổi nhiệt đối lưu luôn luôn kèm theo hiện tượng dẫn nhiệt trong chất
lỏng hoặc chất khí. Tuy nhiên quá trình truyền nhiệt ở đây chủ yếu được thực hiện
bằng đối lưu cho lên gọi là trao đổi nhiệt đối lưu. Trong thực tế ta thường gặp quá
trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng hoặc chất khí chuyển động, quá
trình này tỏa nhiệt đối lưu.
2.2.3 Truyền nhiệt do bức xạ nhiệt
Là sự truyền nhiệt (năng lượng nhiệt) dưới dạng sóng điện từ (tia tử ngoại) xuyên qua
khoảng không. Sóng bức xạ, giống như sóng radio nằm giữa sóng ánh sáng và sóng

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

3


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

radar (có quang phổ từ 3 ÷15 m ). Vì vậy, khi nói đến sóng bức xạ, ta chỉ đề cập đến
sóng phóng xạ, chẳng hạn như dàn nóng máy lạnh, bếp, vách và ngay cả các vật liệu
cách nhiệt thong thường, đều phát xạ ở các cấp độ khác nhau. Nhiệt bức xạ không
nhìn thấy được và không có nhiệt độ, thực chất là một dạng truyền năng lượng. Chỉ
khi tia bức xạ đập vào một bề mặt, năng lượng bức xạ mới sinh ra nhiệt làm cho bề
mặt này nóng lên.
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt
- Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm.
- Bề mặt truyền nhiệt của thực phẩm.

- Khoảng cách mà nhiệt phải di chuyển xuyên qua thực phẩm (kích cỡ của nguyên
liệu).
- Sự chênh lệch nhiệt độ giữa thực phẩm và môi trường.
2.4 Tính chất của sản phẩm thực phẩm
Các loại đồ hộp có tính chất khác nhau về độ nhớt, tính dẫn nhiệt và trọng lượng
riêng, dẫn đến thời gian truyền nhiệt khác nhau. Các loại sản phẩm thực phẩm đựng
trong các loại bao bì làm bằng vật liệu khác nhau, có độ dầy khác nhau, kích thước
khác nhau thì thời gian truyền nhiệt trong chế độ tiệt trùng cũng khác nhau.
Tính dẫn nhiệt và độ dầy của bao bì chỉ có ảnh hưởng đáng kể đến thời gian truyền
nhiệt trong chế độ tiệt trùng khi có các dòng đối lưu mạnh. Trường hợp đồ hộp chứa
sản phẩm đặc, sự truyền nhiệt chủ yếu bằng dẫn nhiệt, chủ yếu là tính chất của sản
phẩm, sản phẩm càng đặc, càng có hệ số dẫn nhiệt nhỏ và bề dầy lớp sản phẩm từ
ngoài vào lớp giữa hộp càng lớn, thời gian truyền nhiệt càng lâu (Hồ sưởng, 1982).
2.5 Tình hình nghiên cứu
Các nghiên cứu liên quan đến việc kiểm soát nhiệt độ trong quá trình chế biến nhiệt
được tổng kết ở Bảng 2.1.
Bảng 2.1: Tổng kết các kết quả nghiên cứu ở trong và ngoài nước liên quan đến đề tài
Tên tác giả Năm

Nội dung nghiên cứu

Vấn đề đạt được

P.C. Young
and
H.Garnier

Identification and estimation
of continuous-time, data-based
mechanistic (DBM) models for

environmenal systems.

Sử dụng mô hình data based
mechenistic để xác định các hằng
số trong phương trình nhằm mục
đích kiểm soát nhiệt độ của môi
trường.

2006

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

4


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

V.T.Thanh
et al.

2007

Modelling of threedimensional air temperature
distributions in porous media.

Các tham số của mô hình được
thu nhận dựa vào thuật toán
SRIVC có thể dùng để tính toán

hệ số truyền nhiệt bề mặt.

R. Simpson
et al.

2007

Advances with intelligen online retort control and
automation in thermal
processing of canned foods.

Sử dụng phương pháp đo nhiệt độ
trực tuyến, ghi nhân thời gian gia
nhiệt từ đó mô hình hóa tính toán
hệ số truyền nhiệt bề mặt với giả
sử nhiệt độ môi trường là hằng số
trong quá trình chế biến nhiệt thực
phẩm.

B.Woinet
et al.

1998

Experimental and theoretical
study of model food freezing.
Part I. Heat tranfer modelling.

Mô hình phỏng đoán nhiệt độ
trung tâm sản phẩm bằng phương

pháp dùng số liệu để tính sự thay
đổi nhiệt độ liên tục của thực
phẩm dựa vào mô hình Newton.

“Data-based mechanistic
modelling of threedimensional temperature in
ventilated rooms filled with
biological material”.

Mô hình hóa “hộp xám” (DBM)
để kiểm soát sự phân bố nhiệt độ
trong không gian ba chiều (3D)
của thiết bị gia nhiệt (gia nhiệt
bằng dòng khí nóng).

Vo Tan
2008
Thanh et al.

Qua các đề tài tham khảo, cho thấy có nhiều nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt
trong thanh trùng và tiệt trùng thực phẩm như các tính toán phỏng đoán các quá trình
thanh trùng luôn giả sử nhiệt độ môi trường là đồng nhất (Young and Garnier., 2006;
R. Simpson et al.,2007). Ngoài ra còn có các nghiên cứu về sự di chuyển nhiệt của
thực phẩm dựa trên cơ sở nhiệt độ môi trường ổn định (Woinet et al., 1998), phương
pháp xác định các tham số của mô hình dựa vào thuật toán SRIVC có thể dùng để tính
toán hệ số truyền nhiệt bề mặt (Thanh et al., 2008). Tuy nhiên chưa có thấy nghiên
cứu nào liên quan đến kiểm soát nhiệt độ của các vật thể lơ lửng ở bên trong hộp trong
quá trình tiệt trùng. Việc phát triển đề tài mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong quá
trình tiệt trùng thực phẩm là rất cần thiết, nhằm kiểm soát nhiệt độ sản phẩm bên trong
hộp tiến tới chế biến sản phẩm an toàn.

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

5


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

CHƯƠNG III. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Phương tiện nghiên cứu
3.1.1. Địa điểm thực hiện
Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Khoa
Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng, Trường Đại học Cần Thơ.
3.1.2 Phương tiện dùng trong nghiên cứu
- Analog chuyển đổi tính hiệu Keithley 2700 (USA) Hình 3.2.
- Hệ thống điều khiển nhiệt độ PID Hình 3.3.
- Thiết bị tiệt trùng có đường kính  = 42 cm, chiều cao h= 43 cm, với thể tích V=
0,018 m3, Hình 3.4.
- Cảm biến nhiệt độ loại T Farnell 163-3499 (Anh) với độ chính xác 0,010C.
- Đồ hộp thực phẩm, hộp hình trụ có đường kính  = 7,8 cm, cao h = 4,5 cm, khối
lượng hộp m = 0,05 kg.
- Máy tính và phần mềm Matlab R2009a.

2
1

3
1. là Analog chuyển đổi tính hiệu Keithley 2700; 2. Là hệ thống điều khiển nhiệt độ PID; 3. Là thiết bị tiệt trùng

THC 888 (China).

Hình 3.1: Hệ thống thiết bị tiệt trùng

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

6


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

Hình 3.2: Analog chuyển đổi tính hiệu Keithley 2700 (USA)

Hình 3.3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ PID

Hình 3.4: Thiết bị tiệt trùng THC 888 (China)

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

7


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

3.1.3 Nguyên liệu cá viên

Hình 3.5: Nguyên liệu cá viên
Cá viên được làm từ cá basa được mua từ siêu thị Metro Cần Thơ của công ty cổ phần
xuất nhập khẩu thủy sản An Giang sản xuất. Khối lượng 500 (g) với kích thước chiều
dài là 30 cm, chiều rộng là 25 cm. Thành phần dinh dưỡng trong cá viên được thể hiện
trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Thành phần dinh dưỡng trong cá viên
Thành phần dinh dưỡng/ 100 (gam) sản phẩm

Giá trị

Năng lượng

93 kcal

Protein

13 g

Tổng lượng chất béo

2g

Tổng lượng carbohydrate

6g
(Nguồn: công ty cổ phần xuất nhập khẩu thủy sản An Giang)

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

8

Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

3.2. Phương pháp nghiên cứu
3.2.1. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát
Nghiên cứu được tiến hành theo sơ đồ Hình 3.6

Nhiệt đô môi trường
o

50 C

105oC

95oC

Sản phẩm
tiệt trùng

Nhiệt độ nước sản phẩm

Nhiệt độ tâm sản phẩm
105oC

105oC
95oC
o

o

50 C

95oC

50 C

Mô hình hóa các tham
số từ dung dịch bên
trong hộp đến vật thể
cá viên trong dung
dịch, tìm hệ số truyền
nhiệt bề mặt

Phỏng đoán quá trình

Hình 3.6: Sơ đồ nghiên cứu tổng quát

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

9


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

Thí nghiệm được bố trí theo sơ đồ Hình 3.7.

Hình 3.7: Hệ thống thiết bị dùng trong nghiên cứu

3.2.2. Mô tả thí nghiệm
Đầu tiên các cảm biến nhiệt độ được gắn vào sản phẩm cá viên như Hình 3.8. Tiếp
đến mẫu được rót với các mức nồng độ muối rót, nhiệt độ rót, thể tích dịch rót theo
từng thí nghiệm, tiếp đến mang ghép nắp và cho vào thiết bị tiệt trùng (cách bố trí
mẫu như Hình 3.9). Lượng nước chứa trong thiết bị bằng 1/6 thể tích thiết bị 0,003 m3
(3 lít), sao cho lượng nước ngập điện trở trong thiết bị (nếu thấp hơn sẽ gây hư hỏng
thiết bị, nếu lượng nước nhiều thời gian gia nhiệt kéo dài gây hao phí). Nhiệt độ của
thiết bị điều chỉnh bởi bộ điều khiển nhiệt độ PID Hình 3.3. Tiến hành gắn mẫu có
cảm biến nhiệt độ trong thiết bị tiệt trùng với các cảm biến nhiệt độ được kết nối với
hệ thống Analog chuyển đổi tín hiệu Hình 3.2. Mở máy tính và hệ thống chuyển đổi
tính hiệu Analog kiểm tra sự hoạt động của các kênh (cảm biến nhiệt độ) ghi nhận
nhiệt độ. Mở chương trình ghi dữ liệu, nhiệt độ của sản phẩm trong quá trình tiệt trùng
được ghi nhận trực tuyến với khoảng cách hai lần ghi là 10 giây. Nhiệt độ được khảo
sát từ 500C lên 950C và đến 1050C như Hình 3.10. Tại nhiệt độ 500C giữ nhiệt ổn định
trong 10 phút, sau đó nâng lên 950C với tổng thời gian nâng và giữ nhiệt là 50 phút,
cuối cùng ta nâng lên 1050C với tổng thời gian nâng và giữ nhiệt ổn định là 40 phút.

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

10


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

Quá trình thí nghiệm tiệt trùng được biểu diễn theo các Hình 3.8 và Hình 3.9.

Hình 3.8: Các cảm biến nhiệt độ được gắn vào bào bì và sản phẩm

Hình 3.9: Quá trình tiệt trùng ghi nhận dữ liệu và cách bố trí mẫu trong thiết bị tiệt trùng

3.3. Nội dung nghiên cứu
3.3.1 Các giả sử trong nghiên cứu
+ Nhiệt độ của nước và vật thể bên trong hộp đồng nhất và một nhiệt độ khác biệt
chấp nhận.
+ Tính chất của thực phẩm ít thay đổi (nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, khối lượng
riêng) và xem như không có sự khác biệt ở bên trong hộp sản phẩm trong quá trình
tiệt trùng.
3.3.2 Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt từ nhiệt độ dung dịch nước sản phẩm truyền
nhiệt đến nhiệt độ trung tâm sản phẩm

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

11


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

Nhiệt độ ( 0C)

1050C
Nhiệt độ cài đặt

950C

Nhiệt độ nước sản phẩm
Nhiệt độ tâm sản phẩm

500C

10 phút

50 phút

40 phút

Thời gian (phút)

Hình 3.10: Thí nghiệm bước để mô tả quá trình truyền nhiệt

- Thí nghiệm đo đạc tham số dung dịch nước sản phẩm và sản phẩm bên trong hộp
theo diễn biến “bước” (step). Thí nghiệm “bước” (step experimental method) thay đổi
nhiệt độ của dung dịch nước sản phẩm, thu nhận biến đổi nhiệt độ của tâm sản phẩm
bên trong hộp. Diễn biến thí nghiệm bước được thể hiện ở Hình 3.10.
- Sử dụng kỹ thuật mô hình hóa “hộp đen có chứa các tham số vật lý có ý nghĩa”
(Data Based mechanistics modeling approach) để tìm tham số có liên quan đến hệ số
truyền nhiệt bề mặt được mô tả theo sơ đồ Hình 3.11.

105oC
95oC
50oC

Ti (t )

Nhiệt độ nước sản phẩm

105oC
t m (t ) 


o
ti (t ) 50 C
sa

95oC

Tm (t )

Nhiệt độ tâm sản phẩm

Mô hình hóa (hộp đen có ý nghĩa vật lý)
Data Based Mechanistics (DBM)

Tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề
mặt (Heat transfer coefficient)
Hình 3.11. Sơ đồ mô hình hóa (hộp đen) với các tham số vật lý có ý nghĩa.

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

12


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

- Sử dụng kỹ thuật mô hình hóa “Data based mechanistics modelling approach” để tìm
các tham số có ý nghĩa vật lý trong mô hình từ dữ liệu biến thiên nhiệt độ dung dịch
nước sản phẩm theo thời gian và biến thiên nhiệt độ sản phẩm theo thời gian. Các
tham số của mô hình được thu nhận dựa vào thuật toán SRIVC (Simplified Refined
Instrusmental Variable Countinous Method) được tích hợp trong “Captain Toolbox
Matlab”.
3.4. Mô hình hộp đen có chứa các tham số có ý nghĩa vật lý (Data based
mechanistic modelling)
Mô hình động học hộp đen có chứa các tham số có ý nghĩa vật lý (hộp xám) được chia
làm hai giai đoạn thể hiện ở Hình 3.11.
- Sử dụng dữ liệu từ thí nghiệm, để tìm các hàm truyền để thể hiện dữ liệu (có thể bậc
1, bậc 2,…), đây là phương trình thực nghiệm.
- Dựa trên các phương trình truyền lý thuyết, biến đổi các phương trình truyền thành
các hàm truyền có thể biểu diễn cho quá trình truyền (hay nói cách khác là tìm
phương trình truyền từ lý thuyết). Từ đó đồng dạng các phương trình tìm được ở hai
giai đoạn và tìm các tham số có ý nghĩa vật lý liên quan đến quá trình truyền, chi tiết
thể hiện ở Hình 3.12.
(1)Thực nghiệm
(Data phase)
Dữ liệu theo thời
gian từ thí nghiệm

Mô hình hóa tìm tham số các
tham số của hàm truyền thực
tế với R2 cao, độ lệch chuẩn
thấp, YIC thấp

Đồng dạng

hàm truyền thực tế và
hàm truyền lý thuyết

(2) Lý thuyết
(Mechanistic phase)
Từ các phương trình
truyền lý thuyết

Biến đổi tìm các hàm
truyền tương ứng (hàm
truyền lý thuyết)

Tham số có ý nghĩa vật lý
biểu thị cho quá trình
Hình 3.12. Sơ đồ mô hình hóa quá trình truyền nhiệt, (1) Mô hình hộp đen, (2) Mô hình hộp
trắng

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

13


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

Phương trình tổng quát cho hàm truyền (một đầu vào và một đầu ra) SISO (Single
input single output) có dạng:
x(t ) 

Hoặc
Với: s 

d
;
dt

B( s)
u (t   ) và y (t )  x (t )  e(t )
A( s )

y (t ) 

B( s)
u (t   )  e(t )
A( s)

A( s )  s n  a1s n 1  ...  an 1 s  an ;

B ( s )  b0 s m  b1s m 1  ...  bm 1s  am

Thuật toán SRIVC được sử dụng để tìm các tham số của hàm truyền do có khả năng
mô hình hóa trực tuyền. YIC (Young Information Criterion) là một tham số được định
nghĩa bởi Young (1981), YIC là tham số rất phức tạp, tuy nhiên YIC bao gồm R2, SE
(standard error) và bậc của phương trình. Mô hình được lựa chọn dựa trên giá trị
YIC, YIC càng nhỏ phương trình càng chính xác.
 2 
R2  1   2 
y 
 

 2 
YIC  ln  2   ln NEVN 
y 
1
p
NEVN    2 ii
p k
i
p  m  n 1

 2 là phương trình sai của mô hình,  y2 là phương trình sai của dữ liệu

P là tổng số các tham số trong hàm truyền được xác định
Pii là đường chéo của ma trận quan hệ từ kết quả đánh giá
3.5. Xác định hàm truyền thực tế từ dữ liệu thu nhận
Trong thí nghiệm, thời gian thu nhận dữ liệu (10 giây/lần) thường được áp dụng trong
các thí nghiệm động học, trên cơ sở đó tìm ra được một hàm truyền thích hợp với độ
chính xác cao được lựa chọn. Mặc dù có nhiều kỹ thuật để tìm các tham số của mô
hình, tuy nhiên thuật toán SRIVC có khả năng tìm các tham số của mô hình và có khả
năng mô hình hóa trực tuyến nên được lựa chọn để tìm các tham số của hàm truyền.
Thuật toán SRIVC sử dụng trong tính toán được tích hợp trong Captain Toolbox
Matlab (trang Web của Captain Toolbox). Hàm truyền tốt nhất được lựa chọn dựa trên
YIC thấp.

Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

14


Luận văn tốt nghiệp khóa 33 - 2011

Trường đại học Cần Thơ

3.6. Xây dựng hàm truyền lý thuyết từ các định luật của quá trình truyền
Sử dụng các định luật cơ bản của quá trình truyền để xây dựng hàm truyền lý thuyết.
Giả sử có một vùng môi trường được kiểm soát về nhiệt độ với một nhiệt độ khác biệt
có thể chấp nhận, trong môi trường có một vật thể quan sát như ở Hình 3.13.

Tm(t)
Thơi nước

Ti(t)

Vùng kiểm soát

Hình 3.13: Vị trí cảm biến nhiệt độ được bố trí trong vật thể dùng trong nghiên cứu

Cân bằng nhiệt độ cho hệ thống có một vật thể trong vùng môi trường kiểm soát. Quá
trình truyền nhiệt từ nhiệt độ dung dịch nước sản phẩm đến tâm sản phẩm phụ thuộc
vào vận tốc của dòng chất lỏng và đặc tính của môi trường truyền nhiệt.
Quá trình truyền nhiệt từ nhiệt độ dung dịch nước sản phẩm vào sản phẩm bên trong
hộp có thể biểu diễn
mCp

dTm (t )
 k m S m (Ti (t )  Tm (t ))
dt

(3.1)

Với:
m khối lượng sản phẩm trong mẫu, kg
Cp nhiệt dung riêng của sản phẩm trong mẫu, J/kg oC
km hệ số truyền nhiệt bề mặt giữa vùng quan sát và mẫu, W/m2oC
Sm diện tích bề mặt của vật liệu hình cầu, m2
Ti (t) nhiệt độ dung dịch nước sản phẩm theo thời gian t, oC
Ngành Công Nghệ Thực Phẩm – Khoa Nông Nghiệp & SHƯD

15