Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất và các giải pháp tiết kiệm năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ HUY KHUÊ

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT
VÀ CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
TRONG LẠNH ĐÔNG CÁ THU

Chuyên ngành: : Kỹ thuật nhiệt
Mã số:

62520115

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS: NGUYỄN XUÂN TIÊN
2. GS.TSKH: TRẦN VĂN PHÚ

Hà Nội – 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu
của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu
trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai khác
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào.
Tác giả

Vũ Huy Khuê

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cám ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội, Viện đào tạo sau đại học
Trƣờng ĐHBK Hà nội, Viện Khoa hoc và Công nghệ Nhiệt –Lạnh, Bộ mơn Kỹ thuật lạnh và
điều hồ khơng khí, các Giáo sƣ, Tiến sỹ, các đồng nghiệp trong Viện Khoa học và Công nghệ
Nhiệt Lạnh đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến q báu giúp tơi hồn
thành luận án này.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS. Nguyễn Xuân Tiên và GS TSKH. Trần
Văn Phú đã hƣớng dẫn giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện luận án.
Tơi xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Việt Dũng, trƣởng bộ mơn Kỹ thuật lạnh và
Điều hồ khơng khí, Viện trƣởng Viện KH&CN Nhiệt Lạnh, đã tạo điều kiện, hƣớng dẫn giúp
đỡ tôi trong thời gian tôi thực hiện luận án tại Bộ môn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt, Khoa Điện Trƣờng Đại Học Công
nghiệp Hà nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thí nghiệm tại phịng thí nghiệm
của Bộ mơn.
Tơi cũng xin trân trọng cảm ơn anh em, bạn bè đồng nghiệp trong và ngồi nƣớc đã giúp
đỡ tơi trong q trình học tập làm thí nghiệm, tiếp cận với hàng trăm bài báo quốc tế liên quan
đến vấn đề nghiên cứu của luận án.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn Bố, Mẹ, Vợ, Con, ngƣời thân và bạn bè đã luôn ủng hộ, động
viên tôi trong suốt chặng đƣờng nghiên cứu thực hiện luận án.
Tác giả
Vũ Huy Khuê

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. ii

MỤC LỤC ................................................................................................................................. iii
PHỤ LỤC ................................................................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN .............................................. ix
LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... xii
Chƣơng 1 .................................................................................................................................... 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN .................................................................................................. 1
1.1 Tổng quan về công nghệ lạnh đông thực phẩm ................................................................ 1
1.1.1 Vị trí, vai trị của cơng nghệ lạnh đơng ..................................................................... 1
1.1.2 Thực trạng, tiềm năng của công nghệ lạnh thủy sản tại Việt Nam ............................ 2
1.1.3 Tiêu hao năng lƣợng, hao hụt khối lƣợng và thời gian trong quá trình cấp đơng ..... 3
1.1.4 Cá thu, loại hải sản có giá trị dinh dƣỡng cao ........................................................... 4
1.2 Tổng quan về mơ hình truyền nhiệt truyền chất trong q trình cấp đơng thực phẩm. .... 4
1.2.1 Mơ hình bài tốn truyền nhiệt truyền chất liên hợp trong q trình cấp đơng thực
phẩm ................................................................................................................................... 4
1.2.1.1. Mơ hình bài tốn truyền nhiệt truyền chất tổng quát ........................................... 4
1.2.1.2. Vấn đề truyền nhiệt truyền chất trong q trình cấp đơng ................................... 5
1.2.1.3. Mơ hình truyền chất xảy ra trong q trình cấp đơng .......................................... 6
1.2.2 Các phƣơng pháp giải bài tốn truyền nhiệt khơng ổn định trong q trình cấp
đơng .................................................................................................................................... 9
1.2.2.1. Mơ hình bài tốn dẫn nhiệt khơng ổn định trong q trình cấp đơng .................. 9
1.2.2.2. Phƣơng pháp giải tích gần đúng và các công thức bán thực nghiệm kinh điển . 10
1.2.2.3 Ứng dụng phƣơng pháp số giải bài toán truyền nhiệt trong cấp đông thực
phẩm. ............................................................................................................................... 14
1.3 Tổng quan về mơ hình xác định tính chất nhiệt vật lý ................................................... 17
1.3.1 Thành phần băng trong thực phẩm kết đông ........................................................... 17
1.3.2 Nhiệt dung riêng ...................................................................................................... 18
1.3.3 Entanpi ..................................................................................................................... 20
1.3.4 Khối lƣợng riêng..................................................................................................... 21

1.3.5 Hệ số dẫn nhiệt ........................................................................................................ 22
1.4 Kết luận ......................................................................................................................... 25
1.5 Xác định đề tài luận án ................................................................................................... 26
1.5.1 Tên đề tài luận án..................................................................................................... 26
1.5.2 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 26
1.5.3 Đối tƣợng nghiên cứu .............................................................................................. 27
1.5.4 Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................... 27
1.5.5 Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 27
Chƣơng 2 .................................................................................................................................. 28
MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA CÁ THU ............................. 28
2.1 Phát triển mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý của cá thu ......................................... 28
2.1.1 Thành phần băng trong thực phẩm kết đơng .......................................................... 28
2.1.2 T lệ đóng băng của nƣớc trong q trình cấp đơng thực phẩm ............................. 30
2.1.3 Nhiệt dung riêng hiệu dụng ..................................................................................... 31
2.1.4 Entanpi .................................................................................................................... 34
2.1.5 Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng ....................................................................................... 34
iii


2.1.6 Khối lƣợng riêng..................................................................................................... 37
2.2 Xây dựng hoàn thiện phần mềm xác định tính chất nhiệt vật lý của cá thu theo nhiệt
độ. ......................................................................................................................................... 38
2.3 Đánh giá độ tin cậy của mơ hình tính chất nhiệt vật lý. ................................................. 39
2.3.1 Đối tƣợng nghiên cứu kiểm chứng .......................................................................... 39
2.3.2 So sánh kết quả tính tốn và kết quả thực nghiệm t lệ nƣớc đóng băng ............... 40
2.3.3 So sánh kết quả tính tốn và kết quả thực nghiệm nhiệt dung riêng hiệu dụng ...... 41
2.3.4 So sánh kết quả tính tốn và kết quả thực nghiệm entanpi...................................... 43
2.3.5 So sánh kết quả tính tốn và kết quả thực nghiệm hệ số dẫn nhiệt hiệu ................. 45
Chƣơng 3: ................................................................................................................................. 48
NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA TRUYỀN CHẤT VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH

CẤP ĐƠNG CÁ THU .............................................................................................................. 48
3.1 Đánh giá sự ảnh hƣởng của q trình trao đổi chất đến q trình cấp đơng cá thu. ....... 48
3.2 Lựa chọn mơ hình mơ phỏng q trình cấp đơng cá thu trong. ...................................... 48
3.2.1. Thí nghiệm kiểm chứng mơ hình ........................................................................... 48
3.2.2 Những giả thiết sử dụng khi lựa chọn mơ hình tốn học bài tốn dẫn nhiệt trong
thực phẩm cấp đơng. ......................................................................................................... 50
3.2.3 Bài tốn dẫn nhiệt trong thực phẩm cấp đơng theo mơ hình Chumak &
Onhishenko ....................................................................................................................... 50
3.2.4 Lựa chọn mơ hình tốn học theo mơ hình cấp đơng của Chumak & Onhishenko .. 51
3.3 Giải bài tốn dẫn nhiệt q trình cấp đơng cá thu. ......................................................... 54
3.3.1 Phƣơng pháp thể tích hữu hạn giải hệ phƣơng trình dẫn nhiệt trong quá trình cấp
đơng cá thu. ...................................................................................................................... 54
3.3.2 Thuật tốn giải bài tốn dẫn nhiệt bên trong q trình cấp đơng cá thu theo
phƣơng pháp thể tích hữu hạn xác định trƣờng nhiệt độ .................................................. 57
3.4 Xây dựng hồn thiện phầm mềm mơ phỏng q trình cấp đơng cá thu ......................... 59
3.5 Xác định nhiệt ẩn do quá trình trao đổi chất................................................................... 61
3.5.1. Khái niệm nhiệt độ trung bình entanpi và bài tốn xác định phụ tải lạnh khi cấp
đông thực phẩm. ............................................................................................................... 61
3.5.2. Xác định nhiệt ẩn trong quá trình trao đổi chất ...................................................... 62
3.6 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mơ phỏng q trình cấp đơng cá Thu. ..................... 63
3.6.1 Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm .................................................................... 63
3.6.1.1 Mơ tả tủ cấp đơng thí nghiệm ............................................................................. 63
3.6.1.2 Thiết bị đo ........................................................................................................... 64
3.6.1.3 Xác định các thông số đặc trƣng của mơ hình thí nghiệm .................................. 65
3.6.2 Nghiên cứu thực nghiệm xác định độ hụt khối lƣợng khi cấp đông ....................... 68
Kết luận ............................................................................................................................ 70
3.6.3 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trƣờng nhiệt độ và thời gian cấp đông cá thu ..... 71
3.7 Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................................... 77
Chƣơng 4 .................................................................................................................................. 79
ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN Q TRÌNH CẤP ĐƠNG VÀ

CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG Q TRÌNH CẤP ĐƠNG CÁ
THU .......................................................................................................................................... 79
4.1 Đánh giá ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng tới q trình cấp đơng cá Thu ............. 79
4.1.1 Đánh giá ảnh hƣởng của vận tốc khơng khí tới q trình cấp đơng cá thu ............. 79
4.1.2 Đánh giá ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng làm lạnh tới q trình cấp đơng
thực phẩm ......................................................................................................................... 82
4.1.3 Đánh giá ảnh hƣởng của chiều dày sản phẩm tới quá trình cấp đông thực phẩm ... 86
4.2 Nghiên cứu xác định vùng cấp đông hợp lý cho cá thu.................................................. 89
iv


4.2.1 Xây dựng hàm hồi quy ............................................................................................ 89
4.2.2 Tìm vùng cấp đông hợp lý cho cá Thu .................................................................... 91
4.3 Đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình cấp đơng cá thu ................ 92
4.3.1. Xác định chế độ cấp đông tối ƣu theo phƣơng pháp thực nghiệm ........................ 92
4.3.2 Giải pháp tiết kiệm năng lƣợng đối với thiết bị cấp đông dạng IQF tại nhà máy ... 93
4.3.2.1 Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho hệ thống cấp đông IQF ................................ 94
4.3.2.2 Khả năng tiết kiệm năng lƣợng khi thay đổi tốc độ quạt lƣu chuyển gió ........... 95
4.3.2.3 Khả năng tiết kiệm năng lƣợng khi thay đổi nhiệt độ buồng cấp đông và
chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ buồng. ............................................................. 96
4.4 Kết luận chƣơng 4 .......................................................................................................... 98
Chƣơng 5 ................................................................................................................................ 100
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 100
5.1 Kết luận ........................................................................................................................ 100
5.2 Những đóng góp mới của luận án................................................................................. 101
5.3 Kiến nghị và đề xuất hƣớng nghiên cứu mới ............................................................... 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 102
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................................. 108

PHỤ LỤC

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: GDP thủy sản trong nền kinh tế Quốc dân giai đoạn 2001-2011 ......................... 1
Bảng 1.2:Các công thức hiệu chỉnh cơng thức tính thời gian cấp đơng của Plank ............. 11
Bảng 1.3: Hằng số hình dáng cho tính tốn hệ số E ............................................................ 13
Bảng 1.4 Khối lƣợng riêng phụ thuộc nhiệt độ của các thành phần thực phẩm . ................ 22
Bảng 2.1: Quan hệ giữa độ ẩm và điểm kết đông của một số loại thực phẩm .................... 30
Bảng 2.2: Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của các thành phần trong thực phẩm . 32
Bảng 2.3 Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của từng thành phần trong thực phẩm .. 35
Bảng 2.4 Khối lƣợng riêng phụ thuộc nhiệt độ của các thành phần thực phẩm[30]. .......... 37
Bảng 2.5: Thành phần khối lƣợng và nhiệt độ bắt đầu kết đông của một số loại cá ........... 40
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát tốc độ quạt trong buồng cấp đông ........................................... 65
Bảng 3.2: Các chế độ thí nghiệm với cá thu trong tủ cấp đông KTE-5000 LT .................. 68
Bảng 3.3: Kết quả đo thời gian cấp đông và độ hụt khối lƣợng khi cấp đông cá Thu ........ 70
Bảng 3.4: Ảnh hƣởng của độ hụt khối tới tải nhiệt khi cấp đông của thực phẩm ............... 70
Bảng 3.5: Thời gian cấp đông thực nghiệm và tính tốn đối với cá Thu ............................ 76
Bảng 4.1: Kết quả xác định thời gian cấp đông cá thu cắt lát có chiều dày 3mm ............... 79
Bảng 4.2: Quan hệ giữa vận tốc khơng khí đến thời gian cấp đông ................................... 81
Bảng 4.3: Mối quan hệ  = f() .................................................................................... 81
Bảng 4.4: Mức độ ảnh hƣởng ở các chế độ vận tốc khác nhau ........................................... 82
Bảng 4.5: Quan hệ giữa nhiệt độ khơng khí đến thời gian cấp đơng .................................. 84
Bảng 4.6: Quan hệ  =f(T) ............................................................................................. 84
Bảng 4.7: Mức độ ảnh hƣởng ở các chế độ nhiệt độ khơng khí khác nhau ......................... 85
Bảng 4.8: Phƣơng trình hồi quy thiết lập mối quan hệ giữa thời gian cấp đông và chiều dày
sản phẩm ở các chế độ nhiệt độ khác nhau .......................................................................... 86
Bảng 4.9: Mức độ ảnh hƣởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông ................. 87
Bảng 4.10: Phƣơng trình hồi quy thiết lập mối quan hệ giữa thời gian cấp đông và chiều

dày sản phẩm ở các chế độ vận tốc khác nhau .................................................................... 88
Bảng 4.11: Mức độ ảnh hƣởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông ............... 88
Bảng 4.12: Phạm vi biến đổi của các nhân tố độc lập trong q trình cấp đơng ................. 89
Bảng 4.13: Số liệu xây dựng phƣơng trình hồi quy (4.3) .................................................... 90
Bảng 4.14:Kết quả tối ƣu thời gian cấp đông ...................................................................... 91
Bảng 4.15: Khoảng giá trị t, ω, chiều dày hợp lý khi cấp đông cá Thu ............................. 92
Bảng 4.16: Công suất quạt thay đổi theo vận tốc gió .......................................................... 96
Bảng 4.17: Cơng suất máy nén thay đổi theo nhiệt độ sôi .................................................. 97
Bảng 4.18: Mức độ tiết kiệm năng lƣợng khi thay đổi nhiệt độ sôi môi chất ..................... 97

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Kim ngạch xuất khẩu thủy sản Việt Nam và tăng trƣởng qua giai đoạn 2003 –
2013 ...................................................................................................................................... 2
Hình 1.2: Mơ hình cấp đơng theo phƣơng pháp CAS ........................................................... 3
Hình 1.3: a, b Hình ảnh cá thu thƣơng phẩm ;c Sản lƣợng đánh bắt cá thu đến 2010 .......... 4
Hình 1.4: Ảnh hƣởng của thời gian cấp đơng tới chiều dày thốt ẩm và tốc độ dehydration
Campanone ........................................................................................................................... 8
Hình 1.5: Ảnh hƣởng của sự hoạt hóa của nƣớc đến thời gian cấp đơng .............................. 8
Hình 1.6: Mơ tả nguồn gốc của phƣơng trình Plank ........................................................... 11
Hình 1.7: Sơ đồ chia lƣới các điểm nút trên trục không gian 0x và giá trị của hàm Fi tƣơng
ứng với nút i của lƣới. ......................................................................................................... 15
Hình 2.1: Lƣu đồ thuật toán xác định nhiệt dung riêng hiệu dụng ...................................... 33
Hình 2.2: Lƣu đồ thuật tốn xác định entanpi của thực phẩm ............................................. 34
Hình 2.3: Lƣu đồ thuật tốn tính hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng ............................................... 37
Hình 2.4: Giao diện khi khởi động của phần mềm xác định tính chất nhiệt vật lý và thời
gian cấp đơng ....................................................................................................................... 38
Hình 2.5: Giao diện làm việc của phần mềm ...................................................................... 39

Hình 2.6: Đồ thị biến thiên tính chất nhiệt vật lý theo nhiệt độ. File dữ liệu dạng excel của
phần mềm ............................................................................................................................ 39
Hình 2.7: Sự biến đổi của t lệ nƣớc đóng băng theo nhiệt độ với thịt bị .......................... 40
Hình 2.8: Sự biến đổi của t lệ nƣớc đóng băng theo nhiệt độ với cá Tuyết ...................... 40
Hình 2.9: Sự biến đổi của t lệ nƣớc đóng băng theo nhiệt độ với cá Vƣợc ....................... 41
Hình 2.10: Sự biến đổi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ đối với cá Ngừ ........................ 41
Hình 2.11: Sự biến đổi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ đối với cá Hồi ......................... 42
Hình 2.12: Sự biến đổi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ đối với cá thu .......................... 42
Hình 2.13: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối với cá Ngừ ...................................... 43
Hình 2.14: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối với cá Hồi........................................ 43
Hình 2.15: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối với cá thu ........................................ 43
Hình 2.16: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối với cá Tuyết .................................... 44
Hình 2.17: Sự biến đổi của entanpi theo nhiệt độ đối với cá Vƣợc ..................................... 44
Hình 2.18: Sự biến đổi của hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ đối với cá Ngừ .......................... 45
Hình 2.19: Sự biến đổi của hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ đối với cá Hồi ........................... 45
Hình 2.20: Sự biến đổi của hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ đối với cá thu ............................ 45
Hình 3.1a: Mơ hình mẫu cá thí nghiệm ............................................................................... 49
Hình 3.1b: Mơ hình lát cá thu cấp đông trên băng chuyền lƣới .......................................... 49
Hinh 3.1c: Biểu diễn phân tố theo tọa độ và thời gian. ....................................................... 54
Hình 3.2: Lƣu đồ thuật tốn xác định trƣờng nhiệt độ của thực phẩm đƣợc cấp đông ....... 58
Hình 3.3: Lƣu đồ thuật tốn xác định trƣờng nhiệt độ ở bƣớc thời gian tiếp theo .............. 59
Hình 3.4: Giao diện phần mềm mơ phỏng q trình dẫn nhiệt trong thực phẩm đƣợc cấp
đơng ..................................................................................................................................... 60
Hình 3.5: Dạng đồ thị nhiệt độ tâm và bề mặt điển hình..................................................... 61
Hình 3.6: Dữ liệu đƣợc xuất ra dƣới dạng file excel ........................................................... 61
Hình 3.7: Tủ thí nghiệm cấp đơng gió KTE-5000LT .......................................................... 64
Hình 3.8: Chu trình lạnh của thiết bị cấp đơng.................................................................... 64
Hình 3.9: Khối tín hiệu vào NI 9211A và Khối truyền thông cDAQ-9174 của Dataloger
nhiệt độ 8 kênh National Instruments Corporation ............................................................. 64
Hình 3.10: Bộ đo nhiệt độ chuyển mạch bằng tay 8 đầu đo dải nhiệt độ đo -1000C đến

1000C ................................................................................................................................... 64
vii


Hình 3.11: Dataloger đo nhiệt độ di động Datatrace MPIII, MPRF dải nhiệt độ đo -800C
đến 140oC ............................................................................................................................ 64
Hình 3.12: Thiết bị đo tốc độ gió TSI 8347......................................................................... 65
Hình 3.13: Cân kỹ thuật UEC – 7500; ................................................................................ 65
Hình 3.14. a) Kích thƣớc buồng cấp đơng
b) Vị trí các điểm đo xác định trƣờng tốc
độ gió, c) Vị trí gắn các điểm đo trên miếng cá Thu ........................................................... 66
Hình 3.15: Bố trí sản phẩm trong tủ cấp đơng (a), gắn các cặp nhiệt lên miếng cá (b) ...... 67
Hình 3.16: Quy trình thí nghiệm q trình cấp đơng cá Thu .............................................. 67
Hình 3.17: Bố trí thí nghiệm xác định độ hao hụt khối lƣợng cá thu khi cấp đơng ........... 68
Hình 3.18: Mật độ thoát ẩm của mẫu cá thu cấp đơng theo thời gian ................................. 69
Hình 3.19: Sự biến đổi nhiệt độ của khối thực phẩm theo thời gian ( mẫu 5) .................... 69
Hình 3.20: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính tốn và thực nghiệm với cá thu trong chế
độ thí nghiệm 01 .................................................................................................................. 71
Hình 3.21: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính tốn và thực nghiệm với cá thu trong chế
độ thí nghiệm 02 .................................................................................................................. 72
Hình 3.22: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính tốn và thực nghiệm với cá thu trong chế
độ thí nghiệm 03 .................................................................................................................. 72
Hình 3.23: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính tốn và thực nghiệm với cá thu trong chế
độ thí nghiệm 04 .................................................................................................................. 73
Hình 3.24: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính tốn và thực nghiệm với cá thu trong chế
độ thí nghiệm 05 .................................................................................................................. 73
Hình 3.25: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính tốn và thực nghiệm với cá thu trong chế
độ thí nghiệm 06 .................................................................................................................. 74
Hình 3.26: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính tốn và thực nghiệm với cá thu trong chế
độ thí nghiệm 07 .................................................................................................................. 74

Hình 3.27: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính tốn và thực nghiệm với cá thu trong chế
độ thí nghiệm 08 .................................................................................................................. 75
Hình 3.28: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính tốn và thực nghiệm với cá thu trong chế
độ thí nghiệm 09 .................................................................................................................. 75
Hình 3.29: Sự sai khác giữa trƣờng nhiệt độ tính tốn và thực nghiệm với cá thu trong chế
độ thí nghiệm 10 .................................................................................................................. 76
Hình 4.1: Ảnh hƣởng của tốc độ gió đến thời gian cấp đơng cá thu cắt lát 30mm ............. 80
Hình 4.2: Quan hệ giữa vận tốc khơng khí đến thời gian cấp đơng .................................... 81
Hình 4.3 : Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến thời gian cấp đông cá thu cắt lát 30mm ............... 83
Hình 4.4: Quan hệ giữa thời gian cấp đơng với nhiệt độ khơng khí ................................... 84
Hình 4.5: Quan hệ giữa kích thƣớc sản phẩm và thời gian cấp đơng .................................. 87
Hình 4.6: Quan hệ giữa chiều day sản phẩm và thời gian cấp đông ................................... 88
Hình 4.7: Mối quan hệ tƣơng quan giữa số liệu tính tốn và số liệu từ mơ hình tốn (4.3) ..... 90
Hình 4.8: Lƣợc đồ phƣơng pháp tối ƣu hóa thực nghiệm ................................................... 93

viii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu
C
Cp
Cf
Cu
Ca
C
B
Bi
E
F

S
f
h
hf
L
Lo
Ms
ΔC
n
T
t
Tin
To
Tr
Tref
T
q
R
Rg
rf
V
v
r
x
m
Ký tự Hy
lạp
α

Đại lƣợng

Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng đẳng áp
Nhiệt dung riêng thực phẩm đóng băng hồn tồn
Nhiệt dung riêng của thực phẩm trên điểm đóng băng
Nhiệt dung riêng biểu kiến
Ma trận nhiệt dung.

T N
Tiêu chuẩn Biot (αR/λ)
Hệ số hình dáng thời gian lạnh đơng
Diện tích bề mặt
Diện tích tiết diện
Ma trận nguồn nhiệt
Entanpi
Enthanlpy của khối thực phẩm ở nhiệt độ đơng đặc,
Nhiệt ẩn đóng băng
Nhiệt ẩn đóng băng của nƣớc, Lo = 333600 J/kg
Phân tử lƣợng của chất khô hòa tan
Chênh lệch nhiệt dung riêng của nƣớc và băng
Vectơ đơn vị theo phƣơng pháp tuyến với bề mặt.
Nhiệt độ
Nhiệt độ
Nhiệt độ ban đầu
Nhiệt độ kết đông của nƣớc, To=273,15 K
Nhiệt độ tham chiếu (entanpi = 0), Tr = 233,15K (-40oC)
Nhiệt độ tham chiếu trong phƣơng trình Cleland & Earle, Tref
= 263,15K
Vectơ các nút nhiệt độ
Nguồn nhiệt trong phân tố
Kích thƣớc xác định

Hằng số khí lý tƣởng, Rg = 8314 J/kgK
Bề dày lớp băng
Thể tích
Vận tốc
Tọa độ vị trí
Thành phần khối lƣợng
Khối lƣợng thực phẩm

Đơn vị
J.kg−1K−1
J.kg−1K−1
J.kg−1K−1
J.kg−1K−1
J.kg−1K−1

m2
m2
J.kg-1
J.kg-1
J.kg−1
J.kg-1
kg.kmol-1

K
0
C
K
K
K

K
J.m-3
m
M
m3
ms-1
M
% kg
kg

Wm-2K-1

Hệ số toả nhiệt tổng
ix


Ký hiệu
αp
αc
β
λ

λ
ρ
τ
τPlank
τf
Ω
ɛ
δ

ɷ
Chỉ số
dƣới
air
s
f
u
in
wo
g
w
ice
s
p
CH
fa
fi
as
ce
pa
se
c
d
e
i
j
Chỉ số
trên
o

Đại lƣợng
Hệ số tỏa nhiệt bức xạ
Hệ số tỏa nhiệt đối lƣu
Hệ số dãn nở nhiệt độ
Hệ số dẫn nhiệt,
Ma trận dẫn nhiệt

Đơn vị
Wm-2K-1
Wm-2K-1
K-1
W.m-1K-1

Khối lƣợng riêng,
Thời gian,
Thời gian làm lạnh đông theo công thức Plank,
Thời gian kết đơng,
Phân tố thể tích
Độ rỗng thực phẩm
Chiều dày miếng cá cắt lát
T lệ nƣớc đóng băng

kg.m-3
s
s
s

Mơi trƣờng làm lạnh, mơi trƣờng xung quanh
Bề mặt sản phẩm
Kết đơng, đóng băng, bề mặt phân pha

Chƣa kết đông
Thời điểm ban đầu
Thành phần nƣớc ban đầu
Thành phần khí
Nƣớc
Băng
Chất khơ
Protein
Carbohydrate
Mỡ
Chất xơ
Tro
Tâm
Mơ hình song song
Mơ hình nối tiếp
Pha liên tục
Pha gián đoạn
Hiệu dụng
Nút tọa độ hoặc thành phần thứ i trong thực phẩm
Nút thời gian

Thời điểm ban đầu, trƣớc khi kết đông
x


Ký hiệu
u
b
Chữ viết
tắt

FAO
GDP
NQ- CP
CAS
VASEP

Đại lƣợng
Chƣa kết đông
Thành phần liên kết

Đơn vị

Food Agriculture Organization of the United Nations ( Tổ
chức nông nghiệp và lƣơng thực Liên hiệp quốc)
Tổng sản phẩm quốc nội
Nghị quyết chính phủ
(Cell Alive System)- Cơng nghệ bảo quản tƣơi sống
Hiệp hội chế biến và nuôi trồng thu sản

xi


LỜI MỞ ĐẦU
Nghị quyết 48/NQ-CP của Chính phủ ban hành ngày 23/09/2009 về cơ chế, chính sách
giảm tổn thất sau thu hoạch đối với nông sản, thu sản đã chỉ ra những yếu điểm của công nghệ
bảo quản sau thu hoạch ở nƣớc ta. Tổn thất về sản lƣợng trong và sau thu hoạch đối với lúa 11 –
13%, ngô 13 – 15%, rau quả và thủy sản đánh bắt bị tổn thất trên 20% cả về sản lƣợng và chất
lƣợng [11,12,13]. Tổn thất về sản lƣợng dẫn đến chi phí sản xuất trên 1 đơn vị thành phẩm tăng
cao trong khi sự sụt giảm chất lƣợng sau thu hoạch khiến cho sản phẩm nơng nghiệp Việt Nam
có giá trị thƣơng mại thấp, không thể cạnh tranh đƣợc với sản phẩm của các nƣớc khác trên thế

giới. Để sớm khắc phục tồn tại, yếu kém nêu trên, Chính phủ ban hành Nghị quyết về cơ chế,
chính sách giảm tổn thất sau thu hoạch đối đối với nông, thủy sản. Cụ thể, mặt hàng thủy hải sản,
rau quả sẽ giảm mức độ tổn thất (cả về số lƣợng và chất lƣợng) từ 20% hiện nay xuống dƣới
10% vào năm 2020[12,13]. Để đáp ứng yêu cầu đề ra, nghị quyết đã chỉ ra một trong những giải
pháp quan trọng đối với công nghệ bảo quản thủy, hải sản: Cải tiến công nghệ bảo quản đơng
cho những nhóm thƣơng phẩm có giá trị cao.
Nhóm sản phẩm hải sản đánh bắt xa bờ là một trong những nhóm thủy hải sản có giá trị
thƣơng mại cao nhất. Nhóm này bao gồm các mặt hàng nhƣ: cá thu, cá ngừ đại dƣơng, cá trích,
cá cơm … Do ngƣ trƣờng khai thác thƣờng nằm cách xa bờ, phƣơng pháp bảo quản duy nhất
cho nhóm đối tƣợng này là làm lạnh cấp đông trên tàu, chế biến tại nhà máy và tái cấp đông bảo
quản. Để nâng cao chất lƣợng và giảm hao hụt khi 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 hợp đặt ra hết sức cần thiết.
Sự biến đổi tính chất của thực phẩm khi cấp đơng là một q 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 hồn tồn tính chất nhiệt vật
lý của sản phẩm. Các nghiên cứu trên thế giới hiện nay chỉ mới đo đƣợc tính chất nhiệt vật lý của
một số ít sản phẩm nhƣ cá efin, cá tuyết, cá vƣợc. Đối với các sản phẩm khác, các nhà nghiên
cứu chỉ đƣa ra những dải giá trị có tính chất định hƣớng với sai số có khi lên đến 50%. Đây là
một trong những lý do dẫn đến khó khăn trong việc tìm kiếm dữ liệu đầu vào cho q trình tính
tốn, thiết kế và vận hành hệ thống lạnh hợp lý, góp phần nâng cao chất lƣợng, giảm hao hụt sản
phẩm và tiết kiệm năng lƣợng trong q trình cấp đơng. Để giải quyết vấn đề đặt ra ở trên tác giả
lựa chọn hƣớng đề tài luận án là thông qua: Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất,
tìm kiếm các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong lạnh đông một loại hải sản phổ biến có
giá trị cao là cá thu
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu:
Với việc lựa chọn và phát triển mơ hình xác định tính chất nhiệt vật lý bằng phƣơng
pháp tính tốn khoa học, chỉ thơng qua phân tích thành phần của thực phẩm. Đối tƣợng
nghiên cứu là cá thu. Bằng phƣơng 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.
-

Xây dựng mơ hình mơ phỏng q trình làm lạnh cấp đơng có xét đến ảnh hƣởng của
truyền chất, kết quả mô phỏng đƣợc so sánh đánh giá sai số với kết quả thực nghiệm.

-

Xây dựng, hoàn thiện phần mềm xác định tính chất nhiệt vật lý, mơ phỏng xác định thời
gian và trƣờng nhiệt độ khi cấp đơng, các cơ sở sản xuất chế biến có thể sử dụng phần mềm
dễ dàng.
xii


-

Nghiên cứu ảnh hƣởng của quá trình truyền chất trong q trình cấp đơng thủy sản, thực
nghiệm đánh giá độ hao hụt khối lƣợng khi cấp đông cá thu.

-

Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố đến quá trình cấp đông sẽ là cơ sở để đƣa ra
chế độ cấp đông hợp lý với cá thu ở cơ sở sản xuất thực tế. Đƣa ra giải pháp tiết kiệm năng
lƣợng trong q trình cấp đơng.

Luận án đƣợc bố trí thành 5 chƣơng. Chƣơng một trình bày nghiên cứu tổng quan về
cơng nghệ làm lạnh đơng. Mơ hình truyền nhiệt truyền chất trong q trình cấp đơng, các mơ
hình xác định tính chất nhiệt vật lý, mơ phỏng bài tốn dẫn nhiệt cấp đơng. Nội dung chƣơng 2
trình bầy mơ hình xác định tính chất nhiệt vật lý, xác định tính chất nhiệt vật lý cho đối tƣợng
nghiên cứu, kiểm chứng mơ hình và phầm mềm với các đối tƣợng cụ thể. Chƣơng 3 trình bày
mơ hình bài tốn dẫn nhiệt cấp đông, đánh giá ảnh hƣởng của truyền chất tới q trình cấp đơng,
giải phƣơng trình vi phân dẫn nhiệt bằng phƣơng pháp thể tích hữu hạn (TTHH). Kiểm chứng

mơ hình bằng thực nghiệm và các kết quả thu đƣợc từ thực nghiệm, so sánh đánh giá kết quả
thực nghiệm và kết quả tính tốn lý thuyết. Chƣơng 4 đánh giá ảnh hƣởng của các yếu tố môi
trƣờng tới q trình cấp đơng và đƣa ra một số giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong q trình cấp
đơng. Một số kết luận và kiến nghị sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 5, là chƣơng cuối cùng của
luận án.

xiii


Chƣơng 1

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về công nghệ lạnh đơng thực phẩm
1.1.1 Vị trí, vai trị của cơng nghệ lạnh đông
Nâng cao chất lƣợng chế biến các loại lƣơng thực, thực phẩm sau thu hoạch đang đặt ra
một thách thức đối với tồn cầu, bởi đây là chìa khóa giải quyết vấn đề an ninh lƣơng thực, đồng
thời góp phần giảm ơ nhiễm và hủy hoại mơi trƣờng thiên nhiên, đảm bảo sự phát triển bền vững
của nhân loại. Vấn đề an ninh lƣơng thực đƣợc thể hiện trên hai mặt, thứ nhất phải đảm bảo cung
cấp đủ về số lƣợng, thứ hai phải bảo đảm về chất lƣợng. Trong khi đó cơng nghệ chế biến thực
phẩm của nƣớc ta, đặc biệt là công nghệ chế biến lạnh còn rất nhiều hạn chế và bất cập. T 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 lƣợng các sản phẩm đầu ra không đồng đều và chƣa cao, khả năng xuất khẩu bị
hạn chế.
Để giải quyết đƣợc vấn đề nêu trên, thực hiện thành cơng Nghị quyết 48/NQ-CP ngày
23/9/2009 của Chính phủ về giảm một nửa tổn thất sau thu hoạch đối với các sản phẩm nông, lâm,
thủy hải sản cho tới năm 2020, một trong những khâu then chốt là hoàn thiện công nghệ chế biến
lạnh thực phẩm của Việt Nam theo hai tiêu chí: nâng cao chất lƣợng chế biến và sử dụng năng
lƣợng tiết kiệm hiệu quả [11]. Nhằm giải quyết các tiêu chí đã đề ra, những nghiên cứu cần thiết
về công nghệ lạnh thực phẩm, cả về đối tƣợng chế biến, công nghệ và thiết bị cấp đơng phải đƣợc
tiến hành đầy đủ và có hệ thống.

Giai đoạn 2001-2011, đóng góp của thủy sản vào GDP chung tồn quốc dao động trong
khoảng từ 3,1%-3,72%. Bình qn 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 ngƣời dân Việt Nam [3,4,5]. Hàng năm
thủy sản đáp ứng khoảng từ 39,3-42,86% tổng sản lƣợng thực phẩm, góp phần quan trọng trong
việc đảm bảo an ninh thực phẩm và dinh dƣỡng quốc gia.
Bảng 1.1: GDP thủy sản trong nền kinh tế Quốc dân giai đoạn 2001-2011[3]
Đơn vị tính: T đồng
Tăng trƣởng bình qn %
TT

1
2

1
2

Hạng mục

2001

2005

2010

2011

GDT tồn quốc
481.295 839.211 1.980.914 2.303.439
(GTT)
GDP thủy sản

17.904
32.947
66.130
71.504
T trọng so với toàn
3,72
3,93
3,34
3,10
quốc
GDP toàn quốc (GSS) 292.535 393.031 551.609
587.654
GDP thủy sản
7.449
10.181
14.286
15.279
T trọng so với toàn
2,55
2,59
2,59
2,60
quốc

20012005

20062011

20012011

14,91

18,78

16,95

16,47

13,28

14,85

7,66
8,12

6,68
6,85

7,22
7,45

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, thu sản chuyển dịch theo hƣớng nâng cao
năng suất, chất lƣợng, hiệu quả, giá trị gắn với thị trƣờng. Cùng các đóng góp có giá trị về kinh tế,
phát triển thủy sản cịn có ý nghĩa sâu sắc về an ninh quốc phịng.

1


1.1.2 Thực trạng, tiềm năng của công nghệ lạnh thủy sản tại Việt Nam

Trong xu thế tồn cầu hóa và hội nhập kinh tế quốc tế nhƣ hiện nay, vấn đề cạnh tranh về
chất lƣợng và giá cả hàng hóa càng trở nên gay gắt. Sản phẩm của các công ty nƣớc ngồi hay các
cơng ty liên doanh chiếm một ƣu thế nhất định. Nguyên nhân chính là do chênh lệch về trình độ
cơng nghệ sản xuất và bảo quản. Với bờ biển dài trên 3000 Km, nguồn nhân lực trực tiếp tham gia
chăn nuôi, nuôi trồng và khai thác thủy hải sản chiếm t lệ lớn. Do vậy, Việt Nam vẫn là nƣớc có
tiềm năng rất lớn về sản xuất các sản phẩm thực phẩm.

Hình 1.1: Kim ngạch xuất khẩu thủy sản Việt Nam và tăng trƣởng qua
giai đoạn 2003 – 2013 [2]
Trong công nghiệp chế biến thu sản Việt Nam là nƣớc sản xuất và xuất khẩu thu sản có
thứ hạng trên thế giới. Theo số liệu của tổng cục thống kê, năm 2013 Việt Nam gặt hái đƣợc nhiều
thành công với tổng sản lƣợng đạt 5918,6 ngàn tấn và thu về 6,8 t USD [2].
Theo nhận định của VASEP ngành công nghiệp nuôi trồng, khai thác, chế biến và xuất
khẩu của Việt Nam vẫn có nhiều tiềm năng và lợi thế chƣa đƣợc khai thác hết. Trong đó đặc biệt
phải kể đến cơng nghệ chế biến lạnh và cấp đơng thủy sản cịn rất nhiều hạn chế, chƣa đƣợc quan
tâm đúng mức[2]. Cho tới nay ở nƣớc ta chƣa có nghiên cứu nào mang tính hệ thống và đầy đủ về
lĩnh vực này. Chúng ta cũng chƣa có sổ tay về tính chất nhiệt vật lý của thủy sản, cũng nhƣ quy
trình cấp đơng 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 lƣợng của thủy sản (ii) sử
dụng hợp lý năng lƣợng.
Thời gian gần đây Nhà nƣớc đã có những bƣớc đi mạnh mẽ trong lĩnh vực này, tháng
6/2013 Bộ Khoa học và Cơng nghệ khánh thành phịng thí nghiệm cơng nghệ CAS (Cell Alive
System)- Công nghệ bảo quản tƣơi sống. Đây là công nghệ tiên tiến về bảo quản hải sản, nông sản
và thực phẩm trên thế giới do Tập đoàn ABI Nhật Bản là chủ sở hữu độc quyền sáng chế, đã đƣợc
công nhận tại 22 quốc gia, Liên minh châu Âu (EU) và bảo hộ trên toàn thế giới [10]. Bản chất
CAS là công nghệ kết hợp làm lạnh nhanh trong trƣờng điện tử kết hợp với sóng siêu âm để bảo
quản sản phẩm tƣơi sống, giúp các phân tử nƣớc trong tế bào dao động, không bị đóng băng trong
thời gian cấp đơng mà tạo thành nƣớc quá lạnh giúp trƣờng nhiệt độ đều hơn. Kết thúc q trình
cấp đơng, trƣờng từ đƣợc đột ngột tắt, thay vào đó là sóng siêu âm đƣợc kích hoạt để thúc đẩy quá
trình biến pha từ nƣớc sang băng diễn ra gần nhƣ tức thời . Nhờ vậy cấu trúc mơ tế bào trong q

trình cấp đơng sẽ khơng bị phá vỡ, ức chế q trình oxy hóa, chống sự nhiễm khuẩn và làm cho
sản phẩm giữ đƣợc chất lƣợng.
2


b

a

Hình 1.2: Mơ hình cấp đơng theo phƣơng pháp CAS
a: Cấp đơng gió thơng thƣờng; b: Cấp đơng theo phƣơng pháp CAS;
Tuy nhiên để trả lời câu hỏi ứng dụng công nghệ này trong công nghệ cấp đông và bảo
quản thu sản có giá trị kinh tế cao nhƣ cá ngừ, cá thu, cá hồi ở Việt Nam có thực sự đem lại giá
trị kinh tế lớn do chất lƣợng tăng lên nhƣ phía Nhật quảng cáo, cũng nhƣ với các loại thực phẩm
của Việt Nam quy trinh áp dụng CAS thế nào là hợp lý, hiện vẫn còn đang để ngỏ. Để giải quyết
vấn đề đặt ra ở trên, một lần nữa bài tốn nghiên cứu về tính chất nhiệt vật lý và mơ phỏng q
trình cấp đơng lại đƣợc đặt ra nhƣ một vấn đề cấp thiết.
Tóm lại, có thể thấy ở nƣớc ta việc hồn thiện cơng nghệ cấp đông thủy sản không thể tách
rời với việc nghiên cứu bản chất vật lý của thực phẩm và mơi trƣờng cấp đơng thay đổi thế nào
trong q trình cơng nghệ. Đây là chìa khóa để có thể dần giải quyết những vấn đề trên

1.1.3 Tiêu hao năng lƣợng, hao hụt khối lƣợng và thời gian trong quá trình cấp
đơng
Điện năng là năng lƣợng tiêu thụ chính trong nhà máy chế biến thủy sản, theo [2,4,5,6,7]
suất tiêu hao điện năng để chế biến một kg thành phẩm dao động khoảng từ 0.4 đến 0,45kWh/kg.
Điện năng tiêu thụ cho giai đoạn làm lạnh và cấp đông chiếm khoảng 30 % tổng năng lƣợng tiêu
thụ điện của nhà máy[6,7]. Nhƣ vậy nếu có các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong hệ thống cấp
đông sẽ làm giảm tiêu hao năng lƣợng trên một đơn vị sản phẩm và điều này đồng nghĩa với việc
giảm giá thành sản xuất đối với thành phẩm.
Trong q trình làm lạnh và cấp đơng thực phẩm do có chênh lệch nhiệt độ và phân áp

suất của nƣớc giữa bên trong và bên ngoài sản phẩm nên xảy ra quá trình trao đổi chất, dẫn đến
hao hụt khối lƣợng trong q trình cấp đơng do bốc hơi nƣớc từ bề mặt sản phẩm vào môi trƣờng.
Khi tiết diện của bề mặt sản phẩm càng lớn, thời gian làm lạnh sơ bộ càng dài thì độ hao hụt càng
lớn. Vấn đề này cần phải đƣợc nghiên cứu, đánh giá chi tiết mức độ, t lệ ảnh hƣởng đến cả q
trình cấp đơng.
Trong các nhà máy chế biến thủy sản, thời gian cấp đông đƣợc xác định bằng thực nghiệm
và kinh nghiệm của cán bộ kỹ thuật. Những kỹ thuật viên có kinh nghiệm lâu năm chỉ cần nhìn
vào màu sắc của sản phẩm sau cấp đơng là có thể biết đƣợc sản phẩm đạt hay chƣa đạt. Còn ở
phịng kiểm sốt chất lƣợng của nhà máy, họ dùng khoan khoan một lỗ nhỏ vào đến tâm sản phẩm
và đo nhiệt độ. Với mỗi sản phẩm mới, kỹ thuật viên phải bằng kinh nghiệm thực tế kết hợp với
hƣớng dẫn của nhà cung cấp thiết bị để xác định thời gian cấp đông. Đa số các nghiên cứu về q
trình cấp đơng cuối cùng để đi đến một kết quả, đó là xác định thời gian cấp đơng hợp lý cho một
đối tƣợng sản phẩm. Nếu chúng ta có đƣợc một công cụ đơn giản xác đƣợc thời gian cấp đơng và
trƣờng nhiệt độ mơ phỏng q trình cấp đơng của một đối tƣợng sản phẩm hợp lý thì sẽ giúp ích
rất nhiều cho các nhà máy chế biến thủy hải sản.

3


1.1.4 Cá thu, loại hải sản có giá trị dinh dƣỡng cao
Nằm trong khu vực Biển Đơng, Việt Nam có bờ biển dài 3260km, có vùng đặc quyền kinh
tế biển khoảng 1 triệu km2 cùng hàng nghìn đảo lớn nhỏ. Nhờ đặc điểm địa hình, biển nƣớc ta
thuộc loại giàu hải sản. Đối tƣợng thực phẩm đƣợc lựa chọn cho nghiên cứu trong luận án này là
cá thu. Cá thu là thực phẩm thuộc nhóm thủy hải sản có chất lƣợng thịt thơm ngon, hàm lƣợng
dinh dƣỡng cao, có tiềm năng xuất khẩu lớn, trong khi hiện nay chƣa có nghiên cứu nào đầy đủ về
chế độ cấp đông.
Cá thu là tên chung áp dụng cho một số loài cá khác nhau chủ yếu là thuộc họ cá thu
ngừ.[6]. Tên khoa học của nhóm cá này là Mackarel. Chúng sinh sống cả ở các vùng biển nhiệt
đới và biển ôn đới. Phần lớn các loại cá thu sống xa bờ ở mơi trƣờng đại dƣơng nhƣng có một số
loại sống tƣơng đối gần bờ. Loại cá thu lớn nhất là cá thu Vua (tên khoa học Scomberomorus

cavalla) có thể dài tới 1,68 m. Đặc điểm chung của các loại cá thu là thân dài, thon (khác với cá
ngừ đại dƣơng là lồi có thân bầu), có nhiều vây nhỏ nằm sau các vây lớn ở lƣng và bụng.
Cá thu là đối tƣợng quan trọng trong ngƣ nghiệp công nghiệp. Thịt của cá thu dễ hƣ thối,
chóng bị phân hủy, nhất là trong mơi trƣờng nhiệt đới nóng ẩm, và vì thế có thể gây ngộ độc nếu
ăn phải cá ƣơn. 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 tƣợng nghiên cứu
của luận án.

c
b
A
Hình 1.3: a, b Hình ảnh cá thu thƣơng phẩm ;c Sản lƣợng đánh bắt cá thu đến 2010

1.2 Tổng quan về mơ hình truyền nhiệt truyền chất trong q trình cấp
đơng thực phẩm.
1.2.1 Mơ hình bài tốn truyền nhiệt truyền chất liên hợp trong q trình cấp
đơng thực phẩm
1.2.1.1. Mơ hình bài tốn truyền nhiệt truyền chất tổng qt
Q trình truyền nhiệt và truyền chất bên trong thực phẩm đều là các q trình khơng
thuận nghịch. Trong khi động lực của quá trình truyền nhiệt là sự chênh lệch nhiệt độ, động lực
quá trình khuếch tán vật chất bên trong thực phẩm là sự chênh lệch nồng độ, động lực quá trình
khuếch tán trên bề mặt là sự chênh lệch phân áp suất của cấu tử bay hơi. Theo Onsager và
Prigorine [19], đối với 1 hệ xảy ra N quá trình dịch chuyển đồng thời, tốc độ tăng entropi của hệ sẽ
bằng tổng các tích giữa dịng tổng qt và lực nhiệt động tƣơng ứng trong N quá trình liên hợp đó.
N
ds
(1.1)
  Jk X k
d k 1
Trong đó, Jk và Xk là dòng tổng quát và lực nhiệt động tƣơng ứng của hiện tƣợng dịch

chuyển thứ K. Theo quan điểm của lý thuyết cổ điển về dẫn nhiệt và khuếch tán, mỗi dòng dịch
4


chuyển (dịng nhiệt và dịng vật chất) chỉ có quan hệ riêng lẻ với lực nhiệt động sẽ gây ra sự dịch
chuyển đó. Trong quan điểm hiện đại về dịch chuyển liên hợp, dịng dịch chuyển khơng chỉ gây ra
bởi lực nhiệt động tƣơng ứng mà chịu ảnh hƣởng của tất cả các lực nhiệt động liên hợp có trong
hệ. Mối quan hệ này đƣợc biểu diễn nhƣ sau.
N

J i   Lik X k
k 1

(1.2)

Theo biểu thức này, nếu hiện tƣợng dẫn nhiệt và khuếch tán cùng xuất hiện trong 1 hệ thì dịng
nhiệt và dịng vật chất sẽ đƣợc xác định theo các biểu thức 1.3a và 1.3b nhƣ sau[19].

J1  L11 X1  L12 X 2

(1.3a)

J 2  L21 X1  L22 X 2

(1.3b)

Trong đó, J1, X1 và J2, X2 tƣơng ứng là dòng và lực nhiệt động của hiện tƣợng dẫn nhiệt và
khuếch tán. Dựa trên phƣơng pháp thống kê, Onsager đã chứng minh hệ số chéo trong phƣơng
trình 1.2 bằng nhau từng đơi một. Với quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán liên hợp, 2 hệ số chéo L12
và L21 sẽ bằng nhau.

L12  L21

(1.4)

Dựa trên định luật Fourrier về dẫn nhiệt, định luật Fick về khuếch tán vật chất (bỏ qua ảnh
hƣởng chéo), Trần Văn Phú [19] đã đƣa ra phƣơng trình dịng tổng quát của quá trình truyền nhiệt
truyền chất liên hợp.

J1  b111
J 2  b22 2

(1.5)

Trong đó: J1, J2 là dịng nhiệt và dòng vật chất; θ1, θ2 là nhiệt độ và nồng độ của vật chất; b11, b22
lần lƣợt là hệ số dẫn nhiệt và hệ số khuếch tán ẩm.
Sử dụng phƣơng trình cân bằng vật chất và năng lƣợng riêng rẽ giữa dẫn nhiệt và khuếch
tán ẩm, phƣơng trình tổng quát của quá trình truyền nhiệt truyền chất đƣợc viết nhƣ sau[19]:
  t   C 

t


DC   q 

C


(1.6)

Trong đó : λ: hệ số dẫn nhiệt; D: hệ số khuếch tán ẩm; C: nhiệt dung riêng; ρ: khối lƣợng riêng
Để giải hệ phƣơng trình (1.6) nêu trên, Trần Văn Phú [19] đã đƣa ra một phƣơng pháp
giải tích dựa trên đại số Jordan riêng và định lý Sylvester. Phƣơng pháp này có đặc trƣng là đơn
giải, sử dụng sự đồng dạng của bài toán dẫn nhiệt và bài toán dẫn ẩm tổng quát. Với cách tiếp cận
này, một số các bài tốn của q trình sấy dịu với tốc độ chậm đã đƣợc giải quyết.

1.2.1.2. Vấn đề truyền nhiệt truyền chất trong q trình cấp đơng
Q trình cấp đơng thực phẩm có nhiều đặc trƣng riêng biệt so với các quá trình sấy và xử
lý nhiệt khác. Trong q trình cấp đơng xảy ra hiện tƣợng biến đổi pha nƣớc thành băng nhƣng
không tồn tại mặt phẳng phân pha theo nghĩa cổ điển mà tồn tại trƣờng của các hạt băng gọi là pha
không liên tục, mặc dù hàm lƣợng nƣớc trong thực phẩm thƣờng chiếm tới hơn 70%. Quá trình
chuyển pha từ nƣớc sang băng trong thực phẩm diễn ra trong khoảng nhiệt độ rộng bắt đầu từ
5


nhiệt độ điểm đông kéo dài đến gần nhiệt độ khơng tuyệt đối. Mặt khác do xảy ra q trình trao
đổi nhiệt liên hợp gồm (i) dẫn nhiệt không ổn định trong lòng thực phẩm,(ii) trao đổi nhiệt đối lƣu
giữa bề mặt miếng thực phẩm và môi trƣờng làm lạnh, nên trƣờng nhiệt độ của thực phẩm là
không đồng đều. Dẫn tới mỗi một phân tố của thực phẩm ở mỗi thời điểm có một nhiệt độ tƣơng
ứng với hàm lƣợng băng và tính chất nhiệt vật lý (Cp(T); (T);(T)…) riêng biệt. Vì vậy hệ
phƣơng trình (1.6) có tính phi tuyến rõ rệt. Trong đó chỉ riêng việc giải phƣơng trình dẫn nhiệt
khơng ổn định mơ tả q trình truyền nhiệt đã khá phức tạp cho tới nay còn nhiều tồn tại vì khơng
tồn tại một mơ hình tính chất nhiệt vật lý vạn năng cho tất cả các loại thực phẩm.
Việc giải phƣơng trình truyền chất lại càng phức tạp hơn và cho tới nay các tác giả trên thế
giới mới giải đƣợc phƣơng trình trên cho một số loại thực phẩm cụ thể. Lý do chính là các hệ số
trong phƣơng trình truyền chất phần lớn chƣa xác định đƣợc do thiếu một lý thuyết và phƣơng
pháp xác định hồn chỉnh.
Thêm vào đó q trình trao đổi chất chỉ diễn ra một cách mãnh liệt trong giai đoạn làm
lạnh và tiền đông của thực phẩm, cho tới khi hình thành một lớp băng bao kín miệng ống mao dẫn
trên bề mặt thực phẩm. Lớp băng này tạo thành lớp áo cản trở quá trình bay hơi trên bề mặt của

thực phẩm. Hơn nữa về mặt bản chất trong q trình cấp đơng, thành phần trao đổi chất đƣợc thể
hiện thông qua độ hụt về khối lƣợng của sản phẩm và gián tiếp đóng góp vào dịng nhiệt tổng toả
ra từ bề mặt sản phẩm dƣới dạng nhiệt ẩn thăng hoa.
Vì những lý do nêu trên, trong các nghiên cứu kinh điển cũng nhƣ cho tới nay bài toán mơ
phỏng q trình trao đổi nhiệt-trao đổi chất trong cấp đơng thực phẩm sẽ suy biến về phƣơng trình
dẫn nhiệt không ổn định cộng thêm thành phần nhiệt ẩn đánh giá ảnh hƣởng của q trình trao đổi
chất thơng qua thành phần nhiệt ẩn toả ra từ thực phẩm trong qua trình cấp đơng theo dạng
phƣơng trình sau.
C (T )  (T )

T (r , )
    (T )T (r , )   q(r , )  (hi mi )


(1.7)

Chính vì vậy hiện nay các mơ hình mơ phỏng q trình cấp đơng của thực phẩm có thể
chia thành hai nhóm(a) sử dụng thuần túy phƣơng trình dẫn nhiệt không ổn định, phi tuyến kết
hợp với điều kiện biên để xây dựng mơ hình (b) vẫn sử dụng phƣơng trình dẫn nhiệt khơng ổn
định, phi tuyến để mơ tả q trình cấp đơng, tuy nhiên có tính đến thành phần nhiệt ẩn, biểu hiện
qua độ hao hụt về khối lƣợng của thực phẩm để hiệu chỉnh kết quả mơ phỏng.

1.2.1.3. Mơ hình truyền chất xảy ra trong q trình cấp đơng
Q trình cấp đơng thực phẩm ln ln gắn liền với q trình truyền chất, đây là yếu tố
quan trọng ảnh hƣởng trực tiếp đến hao hụt khối lƣợng và chất lƣợng thực phẩm. Mặc dù sự dịch
chuyển chất tan cũng xảy ra bên trong thực phẩm cấp đơng nhƣng vì q trình dịch chuyển này rất
bé nên ta sẽ chỉ tập trung vào quá trình dịch chuyển nƣớc, đây là quá trình truyền chất mạnh mẽ
nhất bên trong thực phẩm.
Khi quá trình khuếch tán ẩm xảy ra, dẫn nhiệt không phải là phƣơng thức trao đổi nhiệt
duy nhất, nhiệt năng cũng có thể đƣợc truyền đi thông qua việc khuếch tán vật chất. Thành phần

này đƣợc biểu diễn thơng qua phƣơng trình cân bằng nhiệt viết dƣới dạng entanpi là dạng rút gọn
của phƣơng trình (1.7) [72,75].
h
 t   hw .mw 


(1.8)
6


Trong đó: hw và mw là entanpi và dịng khếch tán của thành phần nƣớc bên trong thực phẩm.
Trong phƣơng trình 1.8, tác động cơ học khác nhƣ sự khuếch tán nhờ gradient nhiệt độ
(hiệu ứng Soret) và sự khuếch tán nhiệt nhờ gradient nồng độ (hiệu ứng Dufour) hay sự ảnh hƣởng
của áp suất, của gia tốc trọng trƣờng đƣợc bỏ qua. Thành phần thứ 2 của vế phải phƣơng trình có
thể bỏ qua đối với thực phẩm có dạng đặc do tốc độ khuếch tán chậm. Đối với thực phẩm dạng
xốp, dịng khuếch tán bên trong có giá trị lớn, thành phần này ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình
trao đổi nhiệt bên trong thực phẩm.
Trong các loại thực phẩm đông lạnh dạng đặc nhƣ thịt hay cá, nƣớc bốc hơi từ bề mặt thực
phẩm và đƣợc bổ sung bởi nƣớc khuếch tán từ bên trong ra phía bề mặt cho đến khi đóng băng
xảy ra. Sau khi q trình đơng đặc xảy ra, nƣớc pha rắn sẽ thăng hoa trở thành hơi nƣớc ngay trên
bề mặt thực phẩm. Hiện tƣợng chuyển khối chỉ xảy ra trong 1 lớp mỏng ngay trên bề mặt thực
phẩm, điều này hoàn tồn trái ngƣợc với q trình truyền nhiệt xảy ra trong cả khối thực phẩm.
Trong q trình cấp đơng thực phẩm xốp nhƣ bánh mì hay bột, quá trình trao đổi chất tiếp tục diễn
ra ngay cả khi nhiệt độ đã xuống dƣới nhiệt độ kết đông. Đối với mỗi loại thực phẩm, ta cần sử
dụng những loại mơ hình khác nhau.
Quá trình trao đổi chất trong thực phẩm đặc
Nhƣ đã thảo luận, lƣợng nƣớc bên trong thực phẩm có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau:
hơi, chất lỏng tự do, và một số dạng chất lỏng liên kết hóa lý, mỗi dạng này lại có tốc độ khuếch
tán khác nhau. Tuy nhiên, quá trình này thƣờng đƣợc giả thiết là quá trình khuếch tán 1 pha, tuân
theo phƣơng trình 1.8 với hệ số khuếch tán hiệu dụng Dw. Phƣơng trình này có dạng tƣơng tự

phƣơng trình truyền nhiệt và do vậy có thể áp dụng các phƣơng pháp giải tƣơng tự nhƣ phƣơng
trình truyền nhiệt. Đối với dạng thực phẩm đặc, tốc độ khuếch tán ẩm là rất chậm và ảnh hƣởng
của nó đến q trình truyền nhiệt bên trong thực phẩm có thể đƣợc bỏ qua. Tuy nhiên, quá trình
trao đổi hơi ẩm trên bề mặt của thực phẩm là đáng kể và cần phải đƣợc xem xét, đánh giá.
Vấn đề cần đƣợc xem xét ở đây là sự thay đổi của điều kiện biên và độ chênh lệch phân áp
suất, nhiệt độ bề mặt đến sự ảnh hƣởng của khuếch tán ẩm tới truyền nhiệt. Trƣớc khi bề mặt bị
đóng băng, tốc độ nƣớc trên bề mặt bốc hơi t lệ thuận với hiệu phân áp suất tại bề mặt và trong
môi trƣờng của hơi nƣớc (Ps – Pa). Phân áp suất của hơi nƣớc tại lớp khơng khí bề mặt Ps lại là
hàm phi tuyến của nhiệt độ và hàm lƣợng nƣớc tại bề mặt. Do vậy khi áp dụng phƣơng pháp số
giải bài toán truyền chất sử dụng sơ đồ hiện, phân áp suất bề mặt Ps đƣợc coi là tuyến tính xung
quanh nhiệt độ và độ ẩm đang xét, hoặc sử dụng phƣơng pháp lặp để tính tốn cho tất cả các bƣớc
thời gian.
Do sự khác biệt lớn giữa tốc độ khuyếch tán nhiệt và tốc độ khuếch tán ẩm trong thực
phẩm đặc, sau khi q trình đóng băng đƣợc hồn thành, sự thay đổi về độ ẩm chỉ xảy ra trên một
lớp rất mỏng gần bề mặt. Do vậy, khi mô phỏng q trình dẫn ẩm bằng phƣơng pháp số, khơng
gian tại bề mặt cần phải chia lƣới rất mịn, điều đó dẫn đến bƣớc thời gian mô phỏng là rất nhỏ, số
bƣớc tính cần thực hiện rất lớn, thời gian mơ phỏng rất dài. Q.T. Phạm và Karuri [77] đã đề xuất
phƣơng pháp sử dụng 2 lƣới chia đồng thời nhằm giải quyết khó khăn này. Bên cạnh lƣới chia xác
định trƣờng nhiệt độ, 1 lƣới chia khác mịn hơn rất nhiều đƣợc sử dụng để tính tốn q trình trao
đổi chất. Tại mỗi thời điểm, trƣờng nhiệt độ đƣợc tính tốn trên lƣới thơ sau đó kết quả tính tốn
nhiệt độ đƣợc sử dụng để xác định cƣờng độ trao đổi chất. Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện lần
đầu tiên bởi Trujillo [75] khi mơ phỏng q trình làm lạnh cấp đơng thịt bị, sử dụng phần mềm
CFD FLUENT.
7


Khi nƣớc trên bề mặt thực phẩm đã đóng băng, cấu tử nƣớc trong thực phẩm bị cố định và
quá trình khuếch tán bên trong sẽ giảm đi, hiện tƣợng bốc hơi dừng lại, quá trình trao đổi ẩm lúc
này diễn ra theo cơ chế thăng hoa. Nƣớc từ thể rắn trên bề mặt thực phẩm sẽ thăng hoa tạo thành
hơi bay vào môi trƣờng cấp đông. Hiện tƣợng này chỉ diễn ra trong 1 lớp thực phẩm rất mỏng trên

bề mặt thực phẩm. Để gọi chung q trình hóa hơi và quá trình thăng hoa của nƣớc, thuật ngữ
Dehydration đƣợc sử dụng nhằm biểu thị hiện tƣợng mất nƣớc trên bề mặt. Năm 1984, Q.T. Pham
và J. Willix [76] lần đầu tiên đã đƣa ra công thức xác định gần đúng tốc độ quá trình dehydration
này.

m

Psat Ts   Pa





1/     RT


D
g



w









(1.9)

Dự báo thời gian đóng băng (phút)

Tốc độ (kg/m2s)105

Chiều dày(mm)

Trong đó, δ là chiều dày thoát ẩm và Dδ là hệ số khuếch tán qua lớp thốt ẩm đó, μw là
khối lƣợng của một kmol nƣớc. Phƣơng trình này có độ chính xác đối với trƣờng hợp cấp đông
thịt cừu trong kho lạnh, trở lực của q trình truyền chất đƣợc coi là tuyến tính với khối lƣợng ẩm
đã trao đổi.

Thời gian đóng băng thực nghiệm (phút)

Hình 1.4: Ảnh hƣởng của thời gian cấp đơng Hình 1.5: Ảnh hƣởng của sự hoạt hóa
tới chiều dày thoát ẩm và tốc độ
của nƣớc đến thời gian cấp đông [21]
dehydration Campanone [50]
Năm 2001, Campanone [50] lần đầu tiên đã đƣa ra mơ hình tốn học xác định chiều dày
thoát ẩm đối với sản phẩm dạng thịt. Thời gian cấp đơng và độ hao hụt khối lƣợng tính từ mơ hình
có độ chính xác rất tốt so với kết quả thực nghiệm. Năm 2007, A.E. Delgado và Da-Wen Sun [21]
đã xem xét đánh giá ảnh hƣởng của sự hoạt hóa của nƣớc trên bề mặt đến thời gian cấp đơng và sự
hao hụt khối lƣợng. Sự hoạt hóa của nƣớc ở đây đƣợc hiểu là khả năng kìm hãm sự phát triển của
vi sinh vật trên bề mặt thực phẩm, với độ hoạt hóa khác nhau, thời gian cấp đông và độ hao hụt
khối lƣợng sẽ khác nhau.
Năm 2011, Yuthana Phimolsiripol [65] và cộng sự đã xem xét đánh giá ảnh hƣởng của sự
dao động nhiệt độ môi trƣờng cấp đông tới độ hao hụt khối lƣợng của thực phẩm cấp đơng. Nhóm
nghiên cứu này đã đánh giá q trình hao hụt khối lƣợng trong điều kiện nhiệt độ dao động ±

0,1oC, ± 1oC, ± 3oC và ± 5oC và đánh giá tính tốn trên mơ hình ở điều kiện nhiệt độ ổn định. Các
kết quả thu đƣợc cho thấy sự dao động của độ hao hụt khối lƣợng khi nhiệt độ môi trƣờng cấp
đông dao động.
Năm 2012, Nelson O. Moraga [65] và cộng sự đã tiến hành mô phỏng q trình cấp đơng
đối lƣu cho thực phẩm trong tủ cấp đơng kín. Bằng việc giải bài tốn liên hợp quá trình trao đổi
8


nhiệt trao đổi chất trên bề mặt thực phẩm, tác giả này đã đƣa ra lời giải liên hợp cho mơ hình bài
tốn truyền nhiệt, truyền chất bên trong thực phẩm. Kết quả tính tốn trƣờng nhiệt độ bên trong
thực phẩm gần nhƣ trùng với kết quả thực nghiệm. Phân bố nhiệt độ, độ ẩm của môi trƣờng cấp
đông cũng đƣợc xem xét và đánh giá.
Tuy nhiên phần lớn các nghiên cứu đều chỉ ra rằng số hạng cuối cùng của phƣơng trình
(1.7) thể hiện ảnh hƣởng của quá trình truyền chất tới cấp đơng là khơng lớn và có thể bỏ qua mà
không làm ảnh hƣởng tới kết quả mô phỏng [20, 21, 50, 54, 64, 66, 72, 75].
Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này, đối tƣợng nghiên cứu là cá thu là vật đặc do
đó nhƣ ở trên đã đề cập ảnh hƣởng của quá trình truyền chất rất phức tạp. Hơn nữa để mô phỏng
quá trình truyền chất trong q trình cấp đơng thực phẩm nhƣ các nhà khoa học đã trình bày ở trên
trong điều kiện Việt Nam là khó có thể thực hiện đƣợc. Do chúng ta khơng thể xây dựng đƣợc mơ
hình cho hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng (Dw) của vật liệu, độ hoạt hóa aw.
Chính vì vậy, để đánh giá ảnh hƣởng của truyền chất phải thông qua con đƣờng bán thực
nghiệm, trong đó khái niệm entanpi trung bình sẽ đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng, lƣợng nhiệt ẩn sinh
ra do sự hao hụt khối lƣợng.

1.2.2 Các phƣơng pháp giải bài tốn truyền nhiệt khơng ổn định trong q trình
cấp đơng
Nhƣ đã trình bày ở trên, trong thực phẩm đƣợc cấp đơng, q trình truyền nhiệt và truyền
chất cùng xảy ra đồng thời. Tuy nhiên, do quá trình truyền chất xảy ra với cƣờng độ thấp (đặc biệt
là đối với các thực phẩm đặc nhƣ thịt, cá), phần lớn các tác giả [12,17,40,88,37] đã đề xuất bỏ qua
ảnh hƣởng của quá trình truyền chất. Lúc này quá trình cấp đơng chỉ thuần túy là q trình dẫn

nhiệt.

1.2.2.1. Mơ hình bài tốn dẫn nhiệt khơng ổn định trong q trình cấp đơng
Khi bỏ qua q trình khuếch tán vật chất bên trong và trên bề mặt khối thực phẩm đƣợc
cấp đơng, q trình cấp đơng lúc này hồn tồn là quá trình dẫn nhiệt thuần túy. Đây là quá trình
dẫn nhiệt phi tuyến do vật chất là không đồng chất, khơng đẳng hƣớng, tính chất nhiệt vật lý của
khối thực phẩm thay đổi theo nhiệt độ. Phƣơng trình vi phân dẫn nhiệt (Carslaw and Jaeger, 1959)
mơ tả q trình lạnh đơng thực phẩm viết cho phân tố có toạ độ véc tơ r , thời điểm
sau[40].

C(T)(T)

T(r, )
 . (T)T(r,τ)   q(r, )




nhƣ

(1.10)

Trong đó:
C(T) – Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, J/kg.K
ρ(T) – Khối lƣợng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, kg/m3
λ(T) – Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, W/m.K
q(r,τ) – Lƣợng nhiệt do nguồn nhiệt trong sinh ra do sự chuyển pha của nƣớc trong phân tố phụ
thuộc vào tọa độ và thời gian, W/m3
T(r,τ) – Nhiệt độ của phân tố phụ thuộc vào tọa độ và thời gian, K
Để xác định đƣợc trƣờng nhiệt độ của thực phẩm lạnh đông từ việc giải phƣơng 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 trƣờng nhiệt độ tại thời điểm ban đầu
9


T(r, τ = 0) = Tin (r )

(1.11)

Điều kiện biên: Trong bài tốn làm lạnh và cấp đơng 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 trƣng cho trƣờng hợp bề mặt thực phẩm tiếp xúc trực tiếp với môi trƣờng
làm lạnh và quy luật truyền nhiệt giữa bề mặt và môi trƣờng đã biết trƣớc.

 T 
-λ   = α T(rn ,τ)-Ta (τ) 
 n n

(1.12a)

Bài tốn làm lạnh cấp đơng thực phẩm với điều kiện biên loại 3 thƣờng gặp ở phƣơng pháp lạnh
đông bằng thiết bị ABF ( Air Blast freezer) và IQF (Individual quickly Freezer).
Trƣờng 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 phƣơng pháp lạnh đông tiếp
xúc).

 T 
 T 
-λ1  1  = -λ 2  2 
 n 1,n

 n 2,n

(1.12b)

Khi nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt bên trong thực phẩm, các nhà nghiên cứu đã áp dụng
rất nhiều các phƣơng pháp khác nhau để giải bài tốn trên, song có thể chia các phƣơng pháp đó
thành hai nhóm chính sau.

1.2.2.2. Phƣơng pháp giải tích gần đúng và các công thức bán thực nghiệm kinh
điển
Phƣơng pháp giải tích đƣợc dựa trên giả thuyết q trình chuyển pha là lý tƣởng, 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 khơng đóng băng, các thông số nhiệt vật lý
đƣợc lấy là hằng số.
Phƣơng pháp giải tích giải bài tốn lạnh đơng nổi tiếng nhất là của Plank.R (1913).
Phƣơng pháp này chỉ xét đến nhiệt ẩn đơng đặc, bỏ qua q trình làm lạnh sơ bộ và q trình q
lạnh sau khi đơng đặc [72]. Dựa trên cơ sở đó, Plank đã đƣa ra cơng thức xác định thời gian để
nhiệt độ tâm của khối thực phẩm đạt đến nhiệt độ yêu cầu.

Plank

Lf  PD RD2 




Tf  Ta  f
f 

(1.13)

αf : Hệ số trao đổi nhiệt đối lƣu; λf : Hệ số truyền nhiệt khi thực phẩm kết đơng hồn tồn; Ta:
nhiệt độ môi trƣờng; Tf :nhiệt độ điểm kết đông; Lf: Nhiệt ẩn chuyển pha
P, R – là các hệ số hình học; D: là chiều dày với tấm phẳng, đƣờng kính với hình cầu hoặc hình trụ
• Tấm phẳng rộng vơ hạn: P=1/2, R=1/8.
• Hình cầu: P=1/6, R=1/24.
• Hình trụ dài vô hạn: P=1/4, R=1/16.

10


Hình 1.6: Mơ tả nguồn gốc của phƣơng trình Plank
Bảng 1.2:Các cơng thức hiệu chỉnh cơng thức tính thời gian cấp đông của Plank

STT

Tác giả

Công thức

1

Pham (1986a)
[22,70,72]

Plank 

2

Rewtov [22]



3

Hung,
Thompson
[22]

4

Cleland, Earle
[22]

Lf R
 Bi 
1  
E.f . Tf  Ta  
2 


4  q1  0,0053tbd  mC  t kt  t mt
 
 2  ln
 0,21
   1 
1 
  8t kt  t e 
  ttc  t mt


h18  PD RD 2  t  t f  tm  




t  
 f 


(td  t f )2

h18  PD RD 2  1,65Ste  tc  tmt

1 

ln
t t
t  
S 
S
 ref mt

C2
C
 (tkt  tc )2 S
2
2
h18






Phƣơng pháp giải tích này phải sử dụng quá nhiều giả thiết khơng phù hợp với bản chất
vật lý của q trình cấp đơng, đặc biệt giả thiết coi tính nhất nhiệt vật lý (Cp(T); (T);(T)…) của
vùng dƣới điểm đơng ít thay đổi. Do đó kết quả tính tốn bằng phƣơng trình của Plank có sự sai
lệch lớn trong thực tế, đặc biệt với các loại thực phẩm có cấu trúc phức tạp và có dạng hình học
phi tiêu chuẩn, có khi tính tốn thời gian cấp đơng sai số lên tới 50-70%. Để bổ khuyết cho công
thức của Plank, các nhà nghiên cứu sau này đã đƣa một số hệ số hiệu chỉnh cho chính xác hơn.
Các cơng thức này đƣợc trình bày trong bảng 1.2.
Phƣơng trình Plank sử dụng nhiều giả thiết gần đúng dẫn đến kết quả tính tốn không xát
với thực tế (sai số lên đến 50-70% khi dự đốn thời gian cấp đơng) [40,79]. Tuy nhiên, nó là cơ sở
để phát triển những mơ hình thực nghiệm dự dốn thời gian cấp đơng chính xác hơn, trong đó nổi
bật là cơng thức của Q.T.Pham [70,71].
Mơ hình của Pham [69,72] đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

τf =

R  Δh1 Δh 2   Bi 
+

 1+ 
Eα  ΔT1 ΔT2   2 

(1.14)

11