Nghiên cứu mô phỏng và xác định chế độ cấp đông hợp lý cho cá tra việt nam

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

ĐỖ HỮU HỒNG

NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẤP
ĐÔNG HỢP LÝ CHO CÁ TRA VIỆT NAM
Chuyên ngành:: Kỹ Thuật Nhiệt
Mã số:

62520115

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
ĐẶNG QUỐC PHÚ

1. GS.TSKH.

:

2. TS.

: NGUYỄN VIỆT DŨNG

Hà Nội – 2014


i
Lời cam đoan
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình

nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả nêu trong luận án là trung thực
và chưa từng được ai khác cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nào.
Tác giả


ii

LỜI CÁM ƠN
Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau
Đại học và các Giáo sư, Tiến sỹ của Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt lạnh đã tạo điều
kiện thuận lợi và góp nhiều ý kiến quý báu giúp tơi hồn thành chương trình nghiên cứu
sinh 2009 - 2014 và luận án này.
Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới người Thầy quá cố GS.TSKH.Đặng
Quốc Phú và TS. Nguyễn Việt Dũng đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ, tin tưởng và tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài.
Tôi xin cảm ơn Ba, Mẹ, Vợ, các Con và người thân đã ủng hộ và động viên tôi trong q
trình nghiên cứu.
Tơi xin chân thành cảm ơn bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tơi trong q trình làm việc và
tạo điều kiện cho tôi tiếp cận trực tiếp với hàng trăm bài báo khoa học trên thế giới về xác
định tính chất nhiệt vật lý và phương pháp xác định thời gian cấp đông của thực phẩm.

Đỗ Hữu Hoàng


iii

MỤC LỤC

Trang
LỜI CAM ĐOAN

i

LỜI CÁM ƠN

ii

MỤC LỤC

iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

xii

MỞ ĐẦU

xiv

1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về công nghệ làm lạnh và cấp đông cá da trơn
1.1.1 Hiện trạng sản xuất thủy sản của Việt Nam

1
1
1

1.1.2 Quy trình cơng nghệ chế biến và bảo quản đông lạnh
cá da trơn tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long - Việt Nam

2

1.1.3 Tiêu hao năng lượng trong chế biến cá da trơn

3

1.1.4 Hao hụt sản phẩm trong q trình cấp đơng

4

1.1.5 Xác định thời gian cấp đông

4

1.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng cấp đông cá

5

1.1.7 Kết luận

5

1.2 Tổng quan về mô phỏng q trình làm lạnh cấp đơng thực phẩm
1.2.1 Vai trị của việc nghiên cứu mơ phỏng q trình lạnh đông

6
6

1.2.2 Thực trạng của việc nghiên cứu mô phỏng quá trình lạnh đơng

6

1.2.3 Phương pháp giải tích

7

1.2.4 Phương pháp số giải hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt

9

1.3 Mơ hình tốn dự đốn tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm
trong q trình cấp đơng
1.3.1 Thành phần băng

12
12

1.3.2 Nhiệt dung riêng

14

1.3.3 Enthalpy

18

1.3.4 Hệ số dẫn nhiệt

19

1.3.5 Khối lượng riêng

23

1.3.6 Hệ số dẫn nhiệt độ

23

1.3.7 Kết luận

26

1.4 Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu của luận văn
1.4.1 Mục tiêu của luận án
1.4.2 Nội dung nghiên cứu

26
26
26

iv
1.4.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

27

1.4.4. Phương pháp nghiên cứu

27

2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA CÁ TRA

28

2.1 Xác định hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ của cá tra
bằng thực nghiệm
2.1.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp đo

28
28

2.1.2 Những yêu cầu khi chế tạo thiết bị đo

30

2.1.3 Mô tả thiết bị đo được chế tạo

31

2.1.4 Phương pháp thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt

32

2.1.5 Quy trình thí nghiệm

35

2.1.6 Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng của cá tra (Việt Nam)
ở các nhiệt độ khác nhau
2.1.7 Nhận xét

36
38

2.2 Xây dựng mơ hình thơng số nhiệt vật lý trong dải nhiệt độ [-40C40C] 38
2.2.1 Phát triển mơ hình dự đốn tính chất nhiệt vật lý cho cá tra

38

2.2.2 Kết quả tính tốn các thơng số nhiệt vật lý của cá tra theo mơ hình

39

2.3 So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính theo mơ hình
2.3.1 Sai số phép đo và phương pháp đánh giá sai số phép đo

50
50

2.3.2 Kết quả đánh giá sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm

51

2.3.3 Xây dựng bảng thông số nhiệt vật lý cho cá tra

53

2.4 Đánh giá kết quả và thảo luận
3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Q TRÌNH CẤP ĐƠNG CÁ TRA

54
55

3.1 Xác định các thơng số đầu vào của mơ hình tốn cấp đơng
cá da trơn fillet
3.1.1 Các thơng số đầu vào của mơ hình

55
55

3.1.2 Nhiệt độ khơng khí của mơi trường cấp đơng

55

3.1.3 Vận tốc khơng khí của mơi trường cấp đơng

55

3.1.4 Kích thước hình học sản phẩm cá tra fillet

56

3.1.5 Bố trí sản phẩm trong q trình cấp đơng

56

3.1.6 Kết luận

57

3.2 Xây dựng mơ hình cấp đơng fillet cá tra
3.2.1 Mơ tả bài tốn và các giả thiết lập mơ hình tốn

57
57

3.2.2 Phương pháp PTHH dùng trong giải bài tốn
mơ phỏng cấp đơng cá tra

60

3.2.3 Trình tự giải bài tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn

60

3.2.4 Thiết lập phương trình đặc trưng

61

3.2.5 Xác định các đại lượng của phương trình đặc trưng

64

3.2.6 Rời rạc theo thời gian

66


v
3.3 Kết quả mơ phỏng q trình cấp đơng cá tra
3.3.1 Chọn mẫu sản phẩm cá, loại phần tử hữu hạn và chia lưới

67
67

3.3.2 Khai báo các tính chất nhiệt vật lý

68

3.3.3 Thực hiện q trình tính tốn

68

3.4 Các kết quả tính tốn mơ phỏng
3.4.1 Q trình biến đổi pha trong mẫu sản phẩm
3.4.2 Kết quả tính nhiệt độ tại các điểm
3.5 Thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của mô hình
3.5.1 Mô tả hệ thống thiết bị nghiên cứu thực nghiệm
3.5.2 Mơ tả thí nghiệm

69

69
69
69
70
70

3.5.3 Đánh giá sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm xác định thời
gian cấp đông
3.5.4 Kiểm tra thời gian cấp đông tại nhà máy

72
73

3.6 Áp dụng mô hình xác định thời gian cấp đông của cá tra
trong các điều kiện khác nhau

73

3.7 Nghiên cứu biến thiên trường nhiệt độ bên trong sản phẩm trong
quá trình cấp đơng
3.7.1 Biến thiên trường nhiệt độ bên trong sản phẩm ở chế độ
cấp đông  =10m/s, Te=-400C

74
75

3.7.2 So sánh thay đổi nhiệt trong các chế độ làm việc khác nhau

81

3.7.3 Kết luận

83

3.8 Xây dựng mô hình tiêu hao năng lượng riêng cho
q trình cấp đơng cá tra fillet
3.8.1 Xác định công suất hệ thống cấp đông

84
85

3.8.2 Xác định suất tiêu hao năng lượng cho q trình cấp đơng cá tra fillet 86
3.9 Kết luận

86

4 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ ĐỀ XUẤT
CHẾ ĐỘ CẤP ĐÔNG CÁ TRA FILLET HỢP LÝ

88

4.1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian cấp đông
cá tra dạng IQF thẳng
4.1.1 Ảnh hưởng của vận tốc khơng khí đến thời gian cấp đông

89
89

4.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường cấp đơng
đến thời gian cấp đơng

93

4.1.3 Ảnh hưởng của kích thước sản phẩm đến thời gian cấp đông

96

4.1.4 Kết luận

98

4.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến suất tiêu hao năng năng
lượng trong q trình cấp đơng cá tra dạng IQF thẳng
4.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc đến suất tiêu hao

99


vi
năng lượng trong q trình cấp đơng

99

4.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khơng khí đến
suất tiêu hao năng lượng trong q trình cấp đơng

101

4.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước sản phẩm đến suất
tiêu hao năng lượng trong q trình cấp đơng

4.2.4 Kết luận

103
105

4.3 Xây dựng mơ hình tốn chọn chế độ hợp lý
cho q trình cấp đơng cá tra
4.3.1 Thiết lập bài tốn tối ưu

105
105

4.3.2 Xây dựng hàm mục tiêu

105

4.4 Chọn chế độ hợp lý quá trình làm lạnh và cấp đơng cá tra fillet
4.4.1 Tổng quan tối ưu hóa theo phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM)
4.4.2 Chọn chế độ hợp lý cho quá trình cấp đông cá tra fillet

4.5 Kết luận
4.5.1 Ảnh hưởng của vận tốc,nhiệt độ khơng khí và kích thước sản phẩm
đến thời gian cấp đông

109
109
113

115
115

4.5.2 Ảnh hưởng của vận tốc, nhiệt độ khơng khí và kích thước sản phẩm
đến suất tiêu hao năng lượng

115

4.5.3 Ảnh hưởng của vận tốc, nhiệt độ khơng khí và kích thước sản phẩm
đến suất tiêu hao năng lượng
5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
5.1 Kết luận
5.1.1 Về lý thuyết
5.1.2 Về thực nghiệm
5.2 Những đóng góp của luận án
5.3 Kiến nghị những vấn đề tiếp tục nghiên cứu
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

116
117
117
117
118
118
119
120

TÀI LIỆU THAM KHẢO

121

PHỤ LỤC

127


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
a

Ý nghĩa
Hệ số dẫn nhiệt độ

C

Nhiệt dung riêng

Ce

Hằng số Euler, Ce = 0,57721

Cef

Nhiệt dung riêng hiệu dụng

J/kgK

Cf

Nhiệt dung riêng của thực phẩm kết đông

J/kgK

Cu

Nhiệt dung riêng của thực phẩm chưa kết đơng

J/kgK

d

Đường kính

mm

E

Hệ số hình học

F

Hàm của R và  trong cơng thức Levy

H

Enthalpy

kJ/kg

I

Cường độ dịng điện

A

L

Chiều dài

mm

L0

Nhiệt ẩn đóng băng

kJ/kg

M

Khối lượng

kg

Ms

Khối lượng phân tử của chất khơ hịa tan

kg/kmol

Mw

Khối lượng phân tử của nước

kg/kmol

N

Hàm nội suy

n

Số thí nghiệm

Ne

Cơng suất

kW

Q

Cơng suất nhiệt

kW

q

Mật độ dịng nhiệt

W/m2

qv

Mật độ nguồn nhiệt bên trong

W/m

R

Bán kính

m

r

Khoảng cách giữa hai que thăm

m

Re

Tiêu chuẩn Reynolds

Rg

Hằng số chất khí

J/kmol.K

S

Diện tích bề mặt truyền nhiệt

m2

t

Nhiệt độ

C

T

Nhiệt độ

K

T0

Nhiệt độ đóng băng của nước

K

Te

Nhiệt độ môi trường cấp đông

C

tf

Nhiệt độ điểm bắt đầu kết đông

C

Tm

Nhiệt độ bề mặt cá

C

U

Hiệu điện thế

V

Thứ nguyên
m2/s
J/kgK


viii
V

Thể tích

m3

W

Chiều rộng

mm

w

Thành phần khối lượng

%



Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu

W/m2K



Tham số không thứ nguyên



Chiều dày



Độ xốp hay độ rỗng



Hệ số dẫn nhiệt

W/mK



Nhiệt độ lấy ở giá trị dương

C

ρ


Khối lượng riêng
Thời gian cấp đơng

kg/m3
s



Vận tốc khơng khí



Hàm của  trong cơng thức Levy

Ω

Phân tố thể tích



Độ chênh lệch



Tỷ số hệ số truyền nhiệt của thành phần 1 và 2

Các ký hiệu chân
as
thành phần tro
b

nước muối

Bi

tiêu chuẩn Biot

CHO

thành phần carbonhydrate

d

phần cơ khơ

ec

eutecti

Eu

tiêu chuẩn Euler

f

kết đơng

fa

thành phần mỡ

ice

thành phần băng

m

trung bình

p

thành phần protein

pa

mơ hình song song

PK

tiêu chuẩn Plank

Re

tiêu chuẩn Reynolds

ref

tham chiếu

s

chất rắn

se

mơ hình nối tiếp

Ste

tiêu chuẩn Stefan

u

chưa kết đơng

w

thành phần nước

mm


ix
Chữ viết tắt
ĐBSCL

Đồng bằng sông Cửu Long

DOE

Design Of Experiments

DSC

Differential scanning calorimeter

FDM

Finite Differences Method

FEM

Finite Elements Method

FVM

Finite Volumes Method

HSDN

Hệ số dẫn nhiệt

HSDNĐ

Hệ số dẫn nhiệt độ

IQF

Individual Quick Frozen

NDR

Nhiệt dung riêng

NL

Năng lượng

NMR

Nucler Macgnetic Resonal

PTHH

Phần tử hữu hạn

RSM

Response Surface Methodology

SP

Sản phẩm

SPHH

Sai phân hữu hạn

TTHH

Thể tích hữu hạn


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Tên bảng
Bảng 1.1 Tiêu hao năng lượng trong chế biến thủy sản

Trang
4

Bảng 1.2 Đánh giá tỷ lệ suất tiêu hao năng lượng

4

Bảng 1.3 Tổng hợp các mô hình xác định thời gian cấp đơng điển hình

8

Bảng 2.1 Sai số của hàm 

30

Bảng 2.2 Kết quả đo vận tốc gió trong khơng gian tủ

34

Bảng 2.3 Kết quả thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt, hệ số dẫn nhiệt độ và kết quả
tính tốn khối lượng riêng của cá tra trong khoảng nhiệt độ -40  40C

36

Bảng 2.4 Nhiệt dung riêng của cá tra trong khoảng -40C  t  40C

37

Bảng 2.5 Tổng hợp mơ hình dự đốn tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm

39

Bảng 2.6 Nhiệt độ bắt đầu kết đông của các loại cá theo thành phần

40

Bảng 2.7 Khối lượng riêng của các thành phần theo Choi-Okos (1986)

40

Bảng 2.8 Kết quả tính tốn khối lượng riêng của cá tra trong q trình cấp đơng

41

Bảng 2.9 Kết quả xác định khối lượng riêng của chất khô

41

Bảng 2.10 Kết quả xác định khối lượng riêng của chất khô

43

Bảng 2.11 Kết quả xác định khối lượng riêng của chất khơ

44

Bảng 2.12 Kết quả tính thơng số nhiệt vật lý của cá tra theo mơ hình trong
khoảng nhiệt độ t=-40400C

49

Bảng 2.13 Lý thuyết và thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ của
cá tra trong khoảng -400C t 400C bằng phương pháp que thăm dạng kép 52
Bảng 2.14 Thực nghiệm xác định tính chất nhiệt vật lý của cá tra trong khoảng

-400C t 400C bằng phương pháp que thăm dạng kép

53

Bảng 3.1 Thông số hình học cá fillet

56

Bảng 3.2 Miền giới hạn các thơng số làm việc của q trình cấp đơng fillet cá da trơn
trên các băng truyền IQF

57

Bảng 3.3 Lý thuyết và thực nghiệm xác định thời gian cấp đông

72

Bảng 3.4 So sánh kết quả tính tốn lý thuyết với số liệu nhà máy

73

Bảng 3.5 Kết quả xác định thời gian cấp đông cá tra fillet

74

Bảng 3.6 Công suất máy nén N1612LSC-MBL-53 của hãng MYCOM

85

Bảng 3.7 Kết quả xác định công suất hệ thống cấp đông cá tra fillet

với năng suất 1000kg/h

85

Bảng 3.8 Suất tiêu hao năng lượng riêng ở các chế độ cấp đông khác nhau

86

Bảng 4.1 Kết quả xác định thời gian cấp đông cá tra fillet

89

Bảng 4.2 Phương trình hồi quy bậc 2 thể hiện ảnh hưởng của vận tốc
đến thời gian cấp đông
Bảng 4.3 Sự phụ thuộc thời gian cấp đơng với vận tốc khơng khí

91


xi
môi trường cấp đông

92

Bảng 4.4 Độ giảm thời gian kết đông (s) ứng với  =1m/s
ở các chế độ khác nhau

92

Bảng 4.5 Quan hệ giữa thời gian cấp đông và nhiệt độ môi trường cấp đông

94

Bảng 4.6 Sự phụ thuộc thời gian cấp đông vào nhiệt độ môi trường cấp đông

95

Bảng 4.7 Độ giảm thời gian kết đông (s) ứng với Te =1K
ở các chế độ khác nhau
Bảng 4.8 Kết quả tính tốn thời gian cấp đơng cho các kích thước khác nhau
Bảng 4.9 Quan hệ giữa thời gian cấp đơng với kích thước sản phẩm
Bảng 4.10 Độ tăng thời gian cấp đơng theo kích thước sản phẩm
Bảng 4.11 Độ tăng thời gian kết đông ,[s] ứng với =1mm ở các
chế độ khác nhau
Bảng 4.12 Kết quả xác định suất tiêu hao năng lượng trong q trình
cấp đơng cá tra fillet
Bảng 4.13 Mối quan hệ giữa vận tốc khơng khí và suất tiêu hao năng lượng
Bảng 4.14 STH năng lương P,[kW/kgsp] ứng với  =1m/s ở các chế độ
khác nhau
Bảng 4.15 Mối quan hệ giữa nhiệt độ môi trường cấp đông và suất
tiêu hao năng lượng
Bảng 4.16 STH năng lương P, [kW/kgsp] ứng với Te =1K
ở các chế độ khác nhau
Bảng 4.17 Ảnh hưởng cua chiều dày đến suất tiêu hao năng lượng
Bảng 4.18 Mối quan hệ giữa chiều dày sản phẩm và suất tiêu hao năng lượng
Bảng 4.19 STH năng lương P(kW/kgsp) ứng với  =1mm ở các chế độ khác nhau
Bảng 4.20 Phạm vi biến đổi của các nhân tố độc lập trong q trình cấp đơng
Bảng 4.21 kết quả tối ưu q trình cấp đơng theo phương pháp RMS
Bảng 4.22 Vùng làm việc tối ưu cho quá trình cấp đơng cá tra fillet
Bảng 5.1 Vùng làm việc tối ưu cho q trình cấp đơng cá tra fillet

95
96
97
98
98
99
99
100
101
102
103
104
104
106
114
114
119


xii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình
Tên hình
Hình 1.1 Kim ngạch xuất khẩu cá đông lạnh và giáp xác,
thân mềm của Việt Nam 2002 -2011 (triệu USD)

Trang
1

Hình 1.2 Tình hình xuất khẩu cá tra từ năm 2009 đến ngày 15/6/2013 [1-3]

2

Hình 1.3 Quy trình cơng nghệ chế biến và bảo quản tơm và cá fillet [15]

3

Hình 1.4 Tỷ lệ tiêu thụ điện năng điển hình của các thiết bị
tiêu thụ điện tại các nhà máy [15]

3

Hình 1.5 Ảnh hưởng của thời gian cấp đơng đến hao hụt khối lượng

4

Hình 1.6 Đo nhiệt độ của cá sau cấp đơng [15]

5

Hình 1.7 Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nhiệt độ

14

Hình 1.8 Bộ đo hệ số dẫn nhiệt độ bằng que thăm dạng kép

25

Hình 1.9 Thiết bị đo và phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt độ

25

Hình 2.1 Đồ thị hồi quy quan hệ giữa nhiệt độ và ln(t)

29

Hình 2.2 Kiểm tra thiết bị đo sau khi chế tạo

31

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo thiết bị đo

31

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí lắp đặt thiết bị thí nghiệm

32

Hình 2.5 Cấu tạo tủ thí nghiệm

33

Hình 2.6 Kiểm tra sự phân bố nhiệt độ bên trong khơng gian tủ

33

Hình 2.7 Bố trí đầu đo trong mẫu thí nghiệm

35

Hình 2.8 Biến thiên nhiệt độ trong chu kỳ đốt nóng và làm nguội que thăm

35

Hình 2.9 Hồi quy quan hệ giữa nhiệt độ và ln(t)

35

Hình 2.10 Biến thiên tính chất nhiệt vật lý của cá tra trong khoảng nhiệt độ
-400C400C

37

Hình 2.11 Ảnh hưởng của hàm lượng chất tan đến nhiệt độ bắt đầu kết đơng

40

Hình 2.12 Biến thiên tính chất nhiệt vật lý tính theo mơ hình

49

Hình 2.13 Lý thuyết và thực nghiệm xác định biến thiên tính chất nhiệt vật lý theo
nhiệt độ của cá tra trong khoảng t = -4040,[0C]

52

Hình 3.1 Sản phẩm cá tra fillet được sắp xếp trên băng chuyền IQF

56

Hình 3.2 Mơ tả sơ đồ vị trí xếp đặt sản phẩm đơng lạnh

58

Hình 3.3 Phần tử chữ nhật trong tọa độ x,y

65

Hình 3.4 Lưu đồ thuật tốn

67

Hình 3.5 Sơ đồ chia lưới cho tiết diện ngang của cá tra fillet

67

Hình 3.6 Biến thiên tính chất nhiệt vật lý của cá trong q trình cấp đơng

68

Hình 3.7 Q trình lặp khi giải bài tốn

69

Hình 3.8 Q trình hình thành và phát triển pha rắn trong mẫu sản phẩm cá

69

Hình 3.9 Phân bố nhiệt độ trên tiết diện ngang

69


xiii
Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm kiểm chứng kết quả lý thuyết

70

Hình 3.11 Lý thuyết và thực nghiệm xác định thời gian cấp đơng,
mẫu sản phẩm có khối lượng 100g, kích thước(12x70)mm

71

Hình 3.12 Lý thuyết và thực nghiệm xác định thời gian cấp đơng,
mẫu sản phẩm có khối lượng 160g, kích thước(15x85)mm

72

Hình 3.13 Lý thuyết và thực nghiệm xác định thời gian cấp đơng,
mẫu sản phẩm có khối lượng 200g, kích thước(18x90)mm

72

Hình 3.14 Các điểm nút khảo sát biến thiên nhiệt độ trên tiết diện ngang
của miếng cá fillet

75

Hình 3.15. Tồn cảnh diễn biến nhiệt độ tại 25 điểm nút

75

Hình 3.16 Diễn biến nhiệt độ tại mặt phía trên mẫu sản phẩm

76

Hình 3.17 Diễn biến nhiệt độ tại mặt phía trước mẫu sản phẩm qua các điểm

77

Hình 3.18 Diễn biến nhiệt độ trên đường qua các điểm 5, 10, 15, 20, 25

78

Hình 3.19 Diễn biến nhiệt độ trên đường qua các điểm 21,22 ,23,24,2

79

Hình 3.20 So sánh thay đổi nhiệt độ qua các điểm 1, 13, 25

80

Hình 3.21 Toàn cảnh diễn biến nhiệt độ trong chế độ vận tốc khác nhau

82

Hình 3.22 Thay đổi nhiệt độ trong chế độ vận tốc khác nhau

83

Hình 4.1 Ảnh hưởng của vận tốc khơng khí đến thời gian ở
nhiều chế độ nhiệt độ khác nhau
Hình 4.2 Ảnh hưởng của vận tốc khơng khí đến thời gian cấp đơng

90
91

Hình 4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ khơng khí đến thời gian ở
nhiều chế độ vận tốc khác nhau

93

Hình 4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ khơng khí mơi trường cấp đơng đến thời gian
cấp đơng ở các chế độ vận tốc khác nhau
Hình 4.5 Ảnh hưởng của kích thước sản phẩm đến thời gian cấp đơng

94
97

Hình 4.6 Quan hệ giữa thời gian cấp đơng với kích thước sàn phẩm
ở các chế độ cấp đơng khác nhau

97

Hình 4.7 Ảnh hưởng của vận tốc đến suất tiêu hao năng lượng

100

Hình 4.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ khơng khí đến suất tiêu hao năng lượng

102

Hình 4.9 Ảnh hưởng của KT sản phẩm đến suất tiêu hao năng lượng

103

Hình 4.10 Thời gian cấp đơng giữa mơ hình hồi qui và tính tốn

106

Hình 4.11 Mức độ và thứ tự ảnh hưởng của các thơng số đến thời gian cấp đơng

107

Hình 4.12 Suất tiêu hao năng lượng riêng giữa mơ hình hồi qui và tính tốn

108

Hình 4.13 Tương quan suất tiêu hao năng lượng riêng giữa
mơ hình hồi qui và tính tốn

108

Hình 4.14 Các bước thực hiện q trình tối ưu hóa thời gian cấp đơng

113

Hình 4.15 Kết quả thực hiện tối ưu hóa bài tốn cấp đơng

114


xiv

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
1.1 Thực trạng và yêu cầu nâng cao chất lượng chế biến cá da trơn
Cá tra và basa là loài cá da trơn có xuất xứ từ sơng Mê Kơng đã được ngư dân miền
nam Việt Nam gây giống và nuôi thả. Cá có chứa các chất béo chưa bão hịa - là chất rất có
lợi cho hoạt động màng tế bào của cơ thể người. Chất béo omega-3 của cá giúp làm giảm
nồng độ mỡ xấu trong máu, tạo chất xám trong não giúp trẻ phát triển tốt và tăng trí thơng
minh. Chất béo omega-6 của cá làm tăng khả năng tập trung trí nhớ, chống lão hóa. Protein
của cá cung cấp nhiều acid amin thiết yếu cho cơ thể con người và được hấp thu gần như
hoàn toàn. Ngoài ra cá cịn cung cấp một số chất khống rất quan trọng cho sự sống của
con người như chất sắt, phốt-pho, can-xi, kẽm,... Vitamin trong cá cũng rất dồi dào, nhất là
nhóm B như B2, B12 và cả vitamin PP [113]. Do có giá trị dinh dưỡng cao như vậy nên cá
da trơn của Việt Nam được nhiều nước ưa chuộng và đã được xuất khẩu tới rất nhiều thị
trường trên thế giới [1-3,114-115].
Trong 12 năm qua, lĩnh vực sản xuất cá da trơn đã có sự phát triển “thần tốc”. Sản
lượng cá da trơn tăng 50 lần, kim ngạch xuất khẩu tăng 65%. Hiện nay cá da trơn Việt
Nam đã có mặt trên 130 quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới, chiếm tới 90% sản lượng
cá da trơn trên tồn cầu.
Tuy nhiên chính sự phát triển nhanh chóng này đã dấy lên những vấn đề bất cập
như: chất lượng sản phẩm khơng ổn định, cịn dư lượng chất bảo quản, kháng sinh, các vấn
đề ô nhiễm môi trường, vấn đề cạnh tranh thị trường, giá cả,… Điều này gây ảnh hưởng
nghiêm trọng tới năng lực xuất khẩu cá da trơn của nước ta. Thực tế đã cho thấy, năm
2008, do đã nhiều lần vi phạm quy định về chất lượng thực phẩm nên sản phẩm thủy sản
(cá, mực) của Việt Nam đã bị Nhật Bản áp dụng lệnh kiểm tra 100%. Nga là thị trường lớn

thứ 2 nhập khẩu cá tra VN (chiếm 14,4%) sau EU (39,2%), nhưng cuối năm 2006, Nga đã
áp dụng quy định mới về kiểm soát thủy sản nhập khẩu, với một số chỉ tiêu an tồn thực
phẩm cịn nghiêm ngặt hơn quy định của Codex (tiêu chuẩn châu Âu). Theo đó, Nga chỉ
nhập khẩu sản phẩm theo công suất nhà máy và phải được cơ quan chuyên ngành VN cấp
chứng thư, không chấp nhận hàng gia cơng, nhằm bảo đảm chất lượng an tồn [1-3].
Từ những nhận xét trên cho thấy việc nâng cao chất lượng, áp dụng quy trình cơng
nghệ tiên tiến và sản xuất có quy mơ lớn là một u cầu bắt buộc nhằm bảo đảm duy trì
và phát triển bền vững nguồn lợi từ xuất khẩu thủy sản của đất nước.

1.2 Việc nghiên cứu hoàn thiện (tối ưu) quá trình lạnh và kết đông cá da
trơn là một nhu cầu hết sức cấp thiết
Chất lượng sản phẩm thủy, hải sản phụ thuộc vào cá ngun liệu, quy trình
cơng nghệ chế biến, trong đó q trình làm lạnh và cấp đơng sản phẩm có một vai trị
quan trọng. Các sản phẩm thủy, hải sản sau đánh bắt, thu hoạch nếu không được làm lạnh
hoặc cấp đông kịp thời sẽ phân hủy rất nhanh trong vòng từ 6-24h ở điều kiện nhiệt độ
ngồi trời. Khơng những thế, q trình chế biến lạnh đơng cá da trơn cịn quyết định chất
lượng dinh dưỡng của sản phẩm đầu ra, ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng xuất khẩu của
hàng hóa. Đó là chưa kể đến công nghệ cấp đông cá da trơn chưa hợp lý dẫn tới lãng phí
điện năng tiêu thụ làm tăng giá thành và giảm tính cạnh tranh của sản phẩm. Do vậy việc


xv
nghiên cứu nâng cao chất lượng chế biến cá da trơn thơng qua việc hồn thiện cơng nghệ
cấp đơng cá da trơn có một ý nghĩa thực tiễn rất lớn.
Tuy nhiên, hiện tại ở Việt Nam, chưa có nghiên cứu chuyên sâu về quá trình làm lạnh
thủy sản ngay sau khi thu hoạch, các hệ thống kết đông thực phẩm được thiết kế theo một
quy trình chung, khơng tính tốn cho một sản phẩm riêng biệt. Vì vậy hiệu quả sử dụng
năng lượng chưa cao và đặc biệt là chất lượng sản phẩm không ổn định, độ tổn hao sản
phẩm lớn tới gần 20% [15]. Như trên đã nêu thì đây là một bài tốn thực tế cấp bách chưa
có lời giải.

Để giải quyết được bài toán này cần phải xác định được trường nhiệt độ trong sản
phẩm khi làm lạnh và cấp đông, thời gian làm lạnh và cấp đông, đánh giá được ảnh hưởng
của các nhân tố tới q trình làm lạnh và kết đơng sản phẩm. Từ đó đề ra được quy trình
làm lạnh và cấp đơng hợp lý sao cho chất lượng sản phẩm được đảm bảo ổn định, đồng
thời giảm tiêu hao năng lượng và chi phí nhân cơng, mang lại hiệu quả kinh tế trong công
nghệ chế biến thủy sản của đất nước. Trong khn khổ của luận án này quy trình vừa nêu
trên được hiểu là quy trình tối ưu. Nghiên cứu quá trình tối ưu trong đơng lạnh thực phẩm
chỉ có thể thực hiện thơng qua việc xây dựng mơ hình mơ phỏng q trình.
Hiện nay các mơ hình cấp đơng thực phẩm phổ biến trên thế giới được xây dựng trên
cơ sở phương trình vi phân dẫn nhiệt phi tuyến khơng ổn định, không đẳng hướng với điều
kiện biên loại 3. Để xây dựng và giải được hệ phương trình này, bắt buộc phải biết được
mối tương quan của các tính chất nhiệt vật lý cơ bản của đối tượng cấp đông với nhiệt độ:
c(t), (t), (t) [7-10]. Bởi vậy việc xây dựng mơ hình đơng lạnh thực phẩm và khảo sát các
đặc tính nhiệt vật lý của mơ hình để đưa ra một quy trình tối ưu là hết sức cần thiết và cấp
bách.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu mô phỏng q trình cấp đơng cá tra fillet và ảnh hưởng của các thơng
số cơng nghệ đến q trình cấp đơng. Trên cơ sở đó xây dựng các cơ sở khoa học tin cậy
(các mơ hình tốn) cho phép đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian cấp đơng và suất
tiêu hao năng lượng trong q trình cấp đơng. Từ đó đưa ra quy trình cấp đơng hợp lý đảm
bảo về thời gian cấp đông (chất lượng) và suất tiêu hao năng lượng là bé nhất. Đây chính là
các mục tiêu cơ bản của luận án.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là cá da trơn tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long , Việt
Nam, đối tượng chủ yếu là cá tra, với mục đích đảm bảo thời gian cấp đơng hợp lý và tối
thiểu suất tiêu hao năng lượng trong quá trình cấp đơng cá tra nói riêng và cá da trơn nói
chung.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Xây dựng mơ hình tính chất nhiệt vật lý của cá tra trong khoảng nhiệt độ từ 4040 C. Trên cơ sở mơ hình tính chất nhiệt vật lý đã được xây dựng thực hiện mơ phỏng
q trình cấp đơng cá tra fillet trên băng chuyền IQF dạng thẳng.
0

Xây dựng phương pháp tính tốn, kiểm tra đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến q
trình cấp đơng cá tra, từ đó đưa ra chế độ cấp đơng hợp lý cho các nhà máy chế biến cá tra
tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long


xvi

5. Bố cục luận văn
Luận án được trình bày trong 199 trang, bao gồm phần mở đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục
4 chương nội dung chi tiết và 1 chương kết luận và đề xuất. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ
LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, Chương 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH CHẤT NHIỆT
VẬT LÝ CỦA CÁ TRA, Chương 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Q TRÌNH
CẤP ĐƠNG CÁ TRA, Chương 4: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ ĐỀ
XUẤT CHẾ ĐỘ CẤP ĐÔNG CÁ TRA FILLET HỢP LÝ, Chương 5: KẾT LUẬN VÀ
ĐỀ XUẤT


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.1

Tổng quan về công nghệ làm lạnh và cấp đông cá da trơn

1.1.1 Hiện trạng sản xuất thủy sản của Việt Nam

Kim ngạch
xuất khẩu
Kim ngạch xuất khẩu

Công nghiệp chế biến thủy sản của Việt Nam rất đa dạng và khác nhau về mặt vận
hành và trình độ sản xuất. Trong đó một số lĩnh vực chế biến của ngành phụ thuộc rất
nhiều vào mùa vụ của nguyên liệu. Hơn nữa công nghệ chế biến thủy sản xuất khẩu của
Việt Nam từ nhiều năm nay vẫn chưa thốt khỏi tình trạng xuất khẩu ngun liệu thơ hoặc
cao hơn là dạng bán thành phẩm. Ngồi ra vẫn còn nhiều mặt hàng thủy sản được bán qua
khách hàng trung gian nên kim ngạch xuất khẩu chưa cao so với năng lực sản xuất. Hơn
nữa tổn thất sau thu hoạch trong khâu chế biến, bảo quản và vận chuyển thủy sản là trên
20% là tỉ lệ cao so với các nước trong khu vực.
Sản phẩm thủy sản rất đa dạng và phong phú tập trung vào các dạng chính đó là
đơng lạnh, đồ hộp, khơ, muối, nước mắm. Trong đó, thủy sản lạnh đơng chiếm tỷ trọng lớn
nhất trong sản phẩm xuất khẩu của Việt Nam [1-3,15].
Nguyên liệu thủy sản được vận chuyển từ ngư trường về xí nghiệp, tại đó ngun
liệu sẽ được xử lý bằng cách tách bỏ nội tạng, mang, vây, vảy,… làm sạch và rửa, tùy theo
yêu cầu của mỗi sản phẩm mà có các cách thức xử lý khác nhau. Xử lý nhằm loại bỏ
những phần có giá trị thấp, những phần không ăn được, tạo ra các dạng của sản phẩm. Đối
với sản phẩm đơng lạnh, thì bán thành phẩm sau khi xử lý được đưa đi cấp đông ở nhiệt độ
-40 ÷ -42oC và trữ đơng ở -18 ÷ -25oC [1-3,15]. Tuy nhiên, công nghệ chế biến các sản
phẩm thủy sản của khu vực đồng bằng sông Cửu Long chủ yếu mang tính thủ cơng, chỉ sử
dụng một số máy móc thiết bị ở một vài cơng đoạn: cấp đơng trong tủ cấp đơng (đối với
sản phẩm đơng lạnh), đóng hộp và tiệt trùng (sản phẩm đồ hộp), sấy, cán, xé,… (sản phẩm
khơ), bao gói hút chân khơng,…
Tính tới thời điểm hiện nay trên thế giới chưa có một sản phẩm thủy sản nào chỉ
trong một thời gian ngắn lại được nhiều thị trường chấp nhận, ưa chuộng và có tốc độ phát
triển nhanh như sản phẩm cá tra (và basa) của Việt Nam (hình 1.1 và hình 1.2). Trong
vịng 15 năm qua, sản lượng cá tra của Việt Nam đã tăng 50 lần, giá trị xuất khẩu tăng 65%
lần và hiện đang chiếm tới 99% thị phần thế giới [1-3,15].

Cá đông
lạnh2: Cá đông
Giáp xác
Thân mềm
1:Giáp
xác,
lạnh, 3: thân
mềm

300
250
200
150
100
50
0

1

2

3

Năm

Hình 1.1 Kim ngạch xuất khẩu cá đông lạnh và giáp xác, thân mềm của Việt Nam 2002 2011 (triệu USD)[1-3]
1

Hình 1.2 Tình hình xuất khẩu cá tra từ năm 2009 đến ngày 15/6/2013[1-3]
Ở nước ta khu vực sản xuất cá da trơn tập trung chủ yếu ở đồng bằng sông Cửu
Long. Việc xuất khẩu sản phẩm cá tra không chỉ đem lại nguồn lợi kinh tế rất lớn cho khu
vực đồng bằng sơng Cửu Long nói riêng mà cịn cho cả nước nói chung. Vì vậy việc duy
trì và phát triển bền vững nguồn lợi từ xuất khẩu cá da trơn là rất quan trọng.

1.1.2 Quy trình cơng nghệ chế biến và bảo quản đông lạnh cá da trơn tại khu
vực đồng bằng sông Cửu Long - Việt Nam
Quy trình cơng nghệ chế biến và bảo quản cá fillet [15] được trình bày trên hình
1.3. Tùy theo đặc điểm của sản phẩm chế biến và năng lực của nhà máy mà chủng loại và
số lượng trang thiết bị chế biến được các doanh nghiệp trang bị tương đối khá đầy đủ, đảm
bảo cho chế biến chủ yếu bao gồm: Thiết bị cấp đơng chính như tủ đơng tiếp xúc, tủ đơng
gió, tủ đơng IQF dạng thẳng, tủ đơng IQF dạng xoắn, hầm đơng gió.Thiết bị chế biến như
máy phân cỡ, thiết bị hấp, luộc, máy rửa nguyên liệu, máy sấy, máy xay, máy cắt, máy
trộn, thiết bị chiên, thiết bị đóng gói, máy dị kim loại. Tùy qui mơ của mỗi doanh nghiệp
mà có trang bị các kho lạnh để bảo quản nguyên liệu, bán thành phẩm và thành phẩm lạnh.
Đồng thời phân xưởng sản xuất nước đá cây hoặc thiết bị làm nước đá vảy cũng được lắp
đặt phục vụ cho việc bảo quản lạnh thủy sản trong suốt q trình sản xuất.
Các máy móc thiết bị chế biến được sử dụng trên địa bàn khu vực nam bộ có nguồn gốc rất
đa dạng như Việt Nam, Nhật (Mycom, Mitsubishi, Nissui, Hitachi, Nikka,...), Đức
(Gunner, Komet), Hà Lan (Grasso), Mỹ (Bally), Đan Mạch (Sabroe), Thụy Điển, Canada
(Sandvik), Đài Loan (Sangchi, Mingjia, Cheafen), Malaysia, Bỉ (Isocab), Ý, Indonesia,
Singapore (Marisco), Thái Lan, Pháp,… trong đó thiết bị xuất xứ từ Nhật chiếm nhiều hơn
cả [15].
Mặc dù quy trình chế biến cá có một vài khác biệt trong quy trình chế biến tùy
thuộc vào loại cá ở mức độ ”khâu” công nghệ. Nhưng nhìn chung quy trình chế biến cá da
trơn đều có rất nhiều sự tương đồng với nhau về thiết bị và cơng nghệ được thể hiện như
sau ở hình 1.3. Trong đó cá da trơn thường được chế biến thành các miếng fillet, sau đó
được cấp đơng bằng hệ thống cấp đơng rời dạng IQF. Ở một vài xí nghiệp chế biến thủy
sản đông lạnh tủ cấp đông tiếp xúc (CF) cũng được dùng để cấp đông bánh fillet cá da

trơn. Đối với phương pháp này các miếng fillet được xếp vào các khay nhơm, sau đó được
châm nước và đưa vào cấp đông trong tủ đông tiếp xúc. Tuy nhiên phương pháp cấp đơng
này có nhược điểm là hàm lượng nước trong bánh cá cao, chất lượng sản phẩm không cao
cũng như khi tiêu thụ phải rã đông cả bánh cá vì thế loại sản phẩm này khơng thể xuất
được vào các thị trường khó tính. Do vậy phương pháp cấp đông bằng tủ tiếp xúc hiện nay
được dùng hết sức hạn chế.
Hiện nay trong việc xuất khẩu cá da trơn của Việt Nam thì tỷ lệ xuất khẩu cá Tra
chiếm khoảng 90%, cịn lại là cá Basa.
Vì lý do nêu trên, trong khuôn khổ luận án này, đối tượng nghiên cứu là q trình
cấp đơng cá tra bằng các thiết bị cấp đông rời dạng IQF.
2


Điện chiếu sáng, DHKK….
Nước lạnh, đá vảy (0-50C)
Điện cho máy công cụ
Nước lạnh, đá vảy (0-50C)
Điện cho máy công cụ
Nước lạnh, đá vảy (0-50C)

Fillet, lạng da,rửa

Điện cho máy công cụ
Nước lạnh, đá vảy (0-50C)

rửa

Điện cho máy công cụ
Nước lạnh, đá vảy (0-50C)
Kho lạnh ( t<-100C)

Nước lạnh,
(0-50C)

Băng chuyền
IQF t<-400C

Máy cấp
đông tiếp
xúc t<-400C

Nước lạnh,
(0-50C)
Băng chuyền
IQF t<-400C

Nước lạnh,
(0-50C)
Điện cho máy đóng gói
Trữ lạnh t(0-5)0C

Hình 1.3 Quy trình công nghệ chế biến và bảo quản tôm và cá fillet [15]

1.1.3 Tiêu hao năng lượng trong chế biến cá da trơn
Điện năng là năng lượng tiêu thụ chính trong các nhà máy chế biến cá da trơn tại
khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Theo thống kê tại các nhà máy chế biến, suất tiêu thụ
điện năng để chế biến 1kg các da trơn từ nguyên liệu đến thành phẩm dao động từ 0,4 đến
0,45 kWh/kgSP. Số liệu này tính trung bình chung, tuy nhiên giá trị này rất biến động tùy
thuộc vào sản lượng nguyên liệu cung cấp cho nhà máy. Cụ thể tiêu hao điện năng điển
hình của thiết bị trong nhà máy chế biến được trình bày trên hình 1.4 [15].

Tỷ lệ chi phí năng lượng Trong nhà máy
Dầu DO
Nước 14.1%
0.4%

Tỷ lệ của các hộ theo tiêu thụ điên
Chiếu sáng
2%

Điện 85.5%

Biểu đồ phân bố các khu vực tiêu thụ năng lượng

Thiết bị phụ trợ
6%

Máy đá vảy
22%

Tháp giải nhiệt và
các thiết bị đi kèm

Máy lạnh dân dụng,
máy tính
2.08%

Máy điều hịa
5%

Tủ cấp đơng

30%

Thiết bị
sản xuất
96%

Máy nén
72.86%

Tỷ lệ theo tiêu thụ điện

Kho lạnh
10%

Văn phòng
2%

Băng chuyền
27%

Chiếu sáng
5.94%

hệ thống máy nén
9.39%
Các thiết bị khác
1.57%

Trạm bơm cấp
nước+ xử lý nước

5.66%

Quạt dàn lạnh
2.50%

Hình 1.4 Tỷ lệ tiêu thụ điện năng điển hình của các thiết bị tiêu thụ điện tại các nhà máy
[15]
Theo thống kê về suất tiêu hao năng lượng [18],[50],[51],[60],[61],[97] đánh giá
suất tiêu hao năng lượng trong chế biến thủy sản giữa Việt Nam, các nước đang phát triển
và các nước phát triển như sau:
3


Bảng 1.1 Tiêu hao năng lượng trong chế biến thủy sản
STT Ngành
1

Loại SP

Thủy
sản

Suất tiêu
hao điện

Đơn vị

637,11

kWh/tấn SP

Suất tiêu hao NL
Đơn vị
DO
FO Than
35,837

lít/tấnSP

Bảng 1.2 Đánh giá tỷ lệ suất tiêu hao năng lượng

STT

Ngành

Suất tiêu hao
năng lượng Việt
Nam (MJ/tấn SP)

1

Thủy sản

3.690,9

Suất tiêu hao năng
lượng trung bình các
nước trên thế giới
(MJ/tấn SP)

Tỷ lệ chênh lệch
suất tiêu hao năng
lượng giữa VN
và thế giới(%)

1.166,4-15.883,2

68

Từ các số liệu nêu trên chúng ta thấy rằng để đảm bảo khả năng cạnh tranh các sản
phẩm thủy hải sản đơng lạnh nói chung và cá da trơn nói riêng, việc giảm tiêu hao năng
lượng trong quá trình chế biến và bảo quản sản phẩm thủy hải sản đông lạnh là một vấn đề
rất quan trọng, đặc biệt là trong giai đoạn làm lạnh và cấp đông trong giai đoạn này năng
lượng sử dụng chiếm trên 70% tổng năng lượng tiêu hao.

1.1.4 Hao hụt sản phẩm trong quá trình cấp đơng
Đối với sản phẩm thủy hải sản trong q trình đơng lạnh, đặc biệt là các sản phẩm
có giá trị kinh tế cao vấn đề hao hụt khối lượng trong q trình cấp đơng có ảnh hưởng rất
lớn đến giá thành sản phẩm. Hao hụt khối lượng sản phẩm trong cấp đơng là do q trình
bốc hơi nước từ bề mặt sản phẩm vào khơng khí khi có sự chênh lệch áp suất riêng phần
của hơi nước trong quá trình cấp đông.
Trong công nghệ cấp đông cá da trơn bằng IQF, độ hao hụt khối lượng sản phẩm tỷ
lệ với diện tích bề mặt sản phẩm và thời gian cấp đơng. Khi tiết diện bề mặt sản phẩm càng
lớn thì độ hao hụt càng lớn. Ảnh hưởng của thời gian cấp đông đến độ hao hụt khối lượng
sản phẩm cấp đông được thể hiện trên đồ thị sau:
Hao hụt(%)

1,0

0,5

Thời gian ( phút)
0
50

100

150

200

Hình 1.5 Ảnh hưởng của thời gian cấp đông đến hao hụt khối lượng.
Tuy nhiên trên thực tế trong công nghệ làm lạnh và cấp đông cá da trơn, sản phẩm
sau khi cấp đông được mạ băng trước khi đóng gói, do đó ảnh hưởng hao hụt khối lượng
trong khn khổ nghiên cứu này có thể bỏ qua.

1.1.5 Xác định thời gian cấp đông
Hầu hết các nhà máy đều xác định thời gian cấp đông cá da trơn một cách thủ công,
thông qua kiểm tra nhiệt độ tâm sản phẩm. Thông thường trong một ca sản xuất, bộ phận
kiểm tra chất lượng sẽ kiểm tra định kỳ, 2 hay 3 giờ sẽ kiểm tra một lần bằng cách khoan
4


miếng cá sau cấp đơng tại vị trí dày nhất đến tâm và đo nhiệt độ tại vị trí này (hình 1.6).
Cịn cơng nhân vận hành thiết bị cấp đơng (IQF) sẽ kiểm tra bằng cách gõ 2 miếng cá lại
với nhau, nếu cá cứng không mềm, hay lật miếng cá lên, nếu ở dưới màu trắng, khơng cịn
đường nước ở trong miếng cá là đạt yêu cầu. Nếu cá chưa đạt hay quá già (dư đạt), họ sẽ
tăng hay giảm tốc độ của băng chuyền bằng biến tần. Đồng thời trên tủ điều khiển của IQF
có thiết bị hiển thị thời gian cấp đông (bằng phút) [15].

Hình 1.6 Đo nhiệt độ của cá sau cấp đông [15]
Hạn chế của phương pháp này là miếng cá thường có hình dạng hình học phi tiêu
chuẩn, do đó việc xác định chính xác tâm của miếng cá là không khả thi. Đồng thời định
nghĩa tâm cũng không rõ ràng là tâm thấm nhiệt hay là tâm hình học. Vì vậy kết quả xác
định thời gian cấp đơng là hồn tồn chủ quan phụ thuộc vào người thực hiện và kinh
nghiệm của họ. Điều này ảnh hưởng không nhỏ tới chất lượng sản phẩm và tiêu hao năng
lượng cho q trình cấp đơng sản phẩm. Do đó cần thiết phải có những nghiên cứu để dự
đốn thời gian cấp đơng của sản phẩm được chính xác hơn.

1.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng cấp đông cá
Đối với sản phẩm thủy hải sản nói chung và cá da trơn nói riêng, yếu tố quyết định
chất lượng sản phẩm chính là tốc độ cấp đông. Tốc độ càng nhanh, thời gian cấp đông càng
ngắn, chất lượng sản phẩm càng tốt và thời gian bảo quản càng được kéo dài. Tuy nhiên để
thực hiện được điều này, nhiệt độ môi trường cấp đông phải rất thấp, tốc độ gió cao, dẫn
tới cơng suất điện tiêu thụ của hệ thống lạnh tăng lên, hiệu suất năng lượng giảm đi, giá
thành sản phẩm tăng cao. Do đó, việc đánh giá ảnh hưởng của các thơng số mơi trường cấp
đơng là nhiệt độ và tốc độ gió có ý nghĩa rất quan trọng trong việc kiểm sốt chất lượng
sản phẩm và tiêu hao năng lượng trong quá trình làm lạnh và cấp đơng.
Trên thực tế sản xuất nghiên cứu vấn đề này bằng thực nghiệm là hết sức khó khăn
và thậm chí là khơng khả thi, do chiều dài buồng cấp đơng lớn và có cấu trúc đóng kín với
trường nhiệt độ và tốc độ là thơng số rải, không cho phép chúng ta đo đạc trực tiếp khi
thiết bị đang vận hành. Hơn nữa cần thiết phải thực hiện một khối lượng thí nghiệm khơng
hề nhỏ để có thể giải quyết vấn đề trên, địi hỏi chi phí rất lớn. Do vậy giải pháp tốt nhất là
xây dựng mơ hình mơ phỏng q trình làm lạnh và cấp đông cá da trơn để nghiên cứu ảnh
hưởng của các thông số của môi trường cấp đông. Mô hình này cho phép chúng ta xác định
các thơng số (1) thời gian cấp đông, (2) trường nhiệt độ của thực phẩm.

1.1.7 Kết luận
Cá da trơn là nguồn lợi thủy sản lớn của Việt Nam với tổng kim ngạch xuất khẩu
đạt gần hai tỉ USD trong thời gian gần đây. Trong đó cá tra chiếm chủ đạo tới khoảng 90%

Tuy nhiên việc phát triển xuất khẩu mặt hàng cá da trơn đơng lạnh đang gặp nhiều thách
thức. Trong đó thách thức lớn là chất lượng chế biến chưa cao do công nghệ cấp đông chưa
hợp lý với tỷ lệ tổn thất sản phẩm sau thu hoạch khá cao khoảng 20%.
Một trong những ngun nhân chính dẫn đến tình trạng này là công nghệ cấp đông
cá da trơn chưa được nghiên cứu một cách chặt chẽ có hệ thống. Trong hơn hai mươi năm
qua tuy sản lượng xuất khẩu cá da trơn tăng trưởng vượt bậc, trang thiết bị cấp đông của
5


các nhà máy được đầu tư khá hiện đại, nhưng công nghệ cấp đông vẫn chỉ dựa trên kinh
nghiệm thực tế và đồng thời mỗi nhà máy lại có quy trình riêng khơng giống nhau. Từ đó
dẫn tới chất lượng sản phẩm cấp đông không ổn định, độ hao hụt lớn, suất tiêu hao năng
lượng cao, giảm tính cạnh tranh của mặt hàng này trên thị trường xuất khẩu.
Ngoài ra việc nghiên cứu một cách có hệ thống về quá trình cấp đơng cá da trơn
cịn ít, đặc biệt là nghiên cứu về tính chất nhiệt vật lý của đối tượng cũng như ảnh hưởng
của các thơng số chính của môi trường làm lạnh tới kết quả cấp đông dẫn tới việc thiết kế
lắp đặt, vận hành, hệ thống cấp đông chưa thật hợp lý với suất tiêu hao năng lượng cao,
trong khi chất lượng sản phẩm khó kiểm sốt được.
Trong khi đó, việc nâng cao chất lượng chế biến các loại hải sản sau thu hoạch nói
chung và cá da trơn nói riêng hiện nay đang được đặt ra như một thách thức đối với nước
ta. Điều này đã được cụ thể hóa trong Nghị Quyết 48/NQ-CP ngày 23/9/2009 [5] 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. Đây chính là chìa khóa giải quyết vấn đề an ninh lương thực,
đồng thời góp phần giảm ô nhiễm và hủy hoại môi trường thiên nhiên, đảm bảo sự phát
triển bền vững của nông nghiệp nước ta.
Để giải quyết được vấn đề này, thực hiện thành công Nghị Quyết 48, một trong
những khâu then chốt là hồn thiện cơng nghệ chế biến lạnh thực phẩm của Việt Nam theo
hai tiêu chí: nâng cao chất lượng chế biến và sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả [5]. Vì
vậy cần thiết phải có những nghiên cứu đầy đủ, có hệ thống hơn về cơng nghệ lạnh thực
phẩm cả về đối tượng được chế biến, cũng như công nghệ và thiết bị được sử dụng làm

lạnh hay cấp đơng.

1.2 Tổng quan về mơ phỏng q trình làm lạnh cấp đơng thực phẩm
1.2.1 Vai trị của việc nghiên cứu mơ phỏng q trình lạnh đơng
Trong q trình làm lạnh hay cấp đơng có hai vấn đề rất quan trọng: (1) dự đốn
được thời gian cấp đơng, (2) dự đoán trường nhiệt độ của thực phẩm theo thời gian. Giải
quyết được vấn đề (1) giúp giải quyết bài toán nâng cao chất lượng chế biến, giải
quyết được vấn đề (2) cho phép thiết kế, chọn lựa hệ thống lạnh hợp lý (bài toán tiết
kiệm năng lượng). Việc xác định được các thông số trên và đánh giá chất lượng q trình
chế biến lạnh trong điều kiện thực nghiệm khơng phải bao giờ cũng thực hiện được, bên
cạnh đó sự đa dạng về đối tượng cấp đông và thiết bị trong thực tế sản xuất cũng gây khó
khăn trong việc dự đốn. Vì vậy để giải quyết vấn đề này phải kết hợp lý thuyết - thực
nghiệm xây dựng được mơ hình làm lạnh, cấp đơng cho thực phẩm. Đây là vấn đề được
quan tâm cả ở trong và ngoài nước từ mấy chục năm trở lại đây.

1.2.2 Thực trạng của việc nghiên cứu mơ phỏng q trình lạnh đơng
Cho đến nay đã có hàng chục dạng mơ hình dùng để mơ phỏng q trình cấp đơng
thực phẩm được đưa ra sử dụng trong và ngoài nước [19-31, 35-38, 40-44, 48, 82-90, 106108, 111-112]. Tuy nhiên về bản chất các mơ hình này đều dựa trên cơ sở giải hệ phương
trình vi phân dẫn nhiệt phi tuyến kết hợp với điều kiện biên cho thực phẩm ở môi trường
cấp đông. Phương trình vi phân dẫn nhiệt tổng quát viết cho một phân tố của vật thể được
cấp đơng có dạng như sau:
T(r, )
C(T)(T)
 div[(T)  gradT(r, )]  q v (r, )
(1.1a)

Trong đó:
C(T)- nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, kJ/kg.K
(T)- khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, kg/m3
(T)- hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, W/m.K

6


qv(r, )- nguồn nhiệt trong, sinh ra do sự chuyển pha của nước phụ thuộc vào tọa độ
của phân tố và thời gian , W/m3
T(r, )- nhiệt độ của phân tố phụ thuộc vào tọa độ và thời gian, K.
Phương trình dạng (1.1) lần đầu tiên do Stefan đề xuất năm 1889 khi nghiên cứu
q trình đóng băng của lớp nước. Phương trình trên là phương trình viết cho một phân tố
của đối tượng được cấp đông. Kết hợp các phân tố lại với nhau ta sẽ có hệ phương trình vi
phân dẫn nhiệt, mơ tả q trình dẫn nhiệt không ổn định bên trong vật thể được cấp đông.
Tại bề mặt của vật thể bài toán dẫn nhiệt ta sẽ kết hợp với các điều kiện biên xác định bản
chất quá trình trao đổi nhiệt ở bề mặt của vật thể được cấp đông với môi trường cấp đông.
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 trưng cho trường hợp bề mặt thực phẩm tiếp xúc trực tiếp với
môi trường làm lạnh và quy luật truyền nhiệt giữa bề mặt và môi trường đã biết trước.

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

(1.1b)

Đối với cá da trơn hiện nay chủ yếu là dùng công nghệ cấp đông rời bằng thiết bị
cấp đông dạng IQF. Do đó điều kiện biên trong khn khổ luận án này được hiểu là điều
kiện biên loại 3, có tính đối xứng.
Như vậy, có thể nói bản chất mơ hình tốn học mơ tả q trình cấp đơng của thực
phẩm chính là sự liên hợp của hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt khơng ổn định trong vật
thể và phương trình trao đổi nhiệt mô tả điều kiện biên ở bề mặt của vật thể. Điều kiện ban
đầu của hệ phương trình vi phân là trường nhiệt độ trong lịng thực phẩm đồng đều nhau và

bằng nhiệt độ môi trường không khí.

T(x, τ = 0) = Tin (x) ,

(1.1c)
Lời giải của hệ (1.1) cho chúng ta phân bố trường nhiệt độ trong lịng sản phẩm và
thời gian cấp đơng.
Tuy nhiên khi giải hệ phương trình vi phân dạng (1.1) sẽ gặp phải một số vấn đề
khó khăn. Tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm như: nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt thay
đổi đột ngột lân cận điểm đóng băng, dẫn đến những phương trình vi phân từng phần có độ
phi tuyến cao, rất phức tạp để giải. Đối với những vật thể có hình dạng phức tạp như thực
phẩm, q trình đóng băng càng khó dự đốn. Lạnh đơng trong thực tế bao gồm một vài
hiện tượng vật lý diễn ra đồng thời: truyền nhiệt, truyền chất, sự lớn lên của mầm tinh thể,
thay đổi thể tích, căng cơ học và các ứng suất.
Với các cách tiếp cận khác nhau nhằm giải quyết hệ phương trình vi phân dạng
(1.1) sẽ cho các dạng mơ hình mơ phỏng khác nhau của q trình cấp đơng thực phẩm với
độ chính xác khác nhau. Như đã trình bày ở trên các dạng mơ hình này rất đa dạng, tuy
nhiên nhìn chung có thể chia làm hai dạng chính liên quan tới phương pháp giải quyết bài
toán nêu trên: (1) các lời giải dựa trên phương pháp giải tích, (2) các lời giải dựa trên
phương pháp số. Nội dung tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát chi tiết từng phương pháp.

1.2.3 Phương pháp giải tích
Phương pháp giải tích dựa trên giả thuyết quá trình chuyển pha là lý tưởng, sự
chuyển pha và giải phóng nhiệt ẩn đóng băng diễn ra ở nhiệt độ điểm băng không đổi,
thường được ký hiệu là tf, đồng thời tồn tại bề mặt phân pha giữa vùng đóng băng và vùng
chưa đóng băng. Bỏ qua thành phần nhiệt hiện giải phóng trong q trình kết đơng, thơng
số nhiệt vật lý được xem là hằng số, thực phẩm được xem là dung dịch đồng chất và đẳng
hướng. Kết quả nhận được bằng cách giải mơ hình 1.1a trong hai vùng tương ứng với cùng
điều kiện biên t = tf ở bề mặt phân pha.
7

Phương pháp giải tích nổi tiếng nhất cho bài tốn lạnh đơng là phương trình Plank
(1913)[90], hay cịn gọi là phương pháp giả ổn định. Lời giải của bài toán cho thời gian
cấp đơng, τPlank, tìm được khi bề mặt phân pha đạt tới tâm sản phẩm.
τ Plank =

ρLf  2PR 4QR 2 
+


(Tf -Ta )  α
λ 

(1.2)

Trong đó:
P = 1/2 với tấm phẳng rộng vô hạn, 1/4 với hình trụ dài vơ hạn, 1/6 với khối cầu và
Q = P/4; R: chiều dày sản phẩm
Do sử dụng phương pháp giải tích phải sử dụng quá nhiều giả thiết không phù hợp
với bản chất vật lý của hiện tượng như đã nêu ở trên, do đó kết quả tính tốn thời gian cấp
đơng bằng dạng nghiệm thuần túy của Plank cho thực phẩm có sự sai lệch rất lớn trong
thực tế, đặc biệt với các loại thực phẩm có cấu trúc phức tạp, có dạng hình học phi tiêu
chuẩn, sai số lên đến 50% khi dự đoán thời gian cấp đông.
Khắc phục các nhược điểm trên các tác giả trong các cơng trình [23-30,35-37,4044,80-88] đã cải tiến mơ hình do R. Plank đề xuất, bằng cách đưa thêm một số hệ số hiệu
chỉnh. Chẳng hạn Phạm (1986a) mở rộng cho những vật có hình dáng tiêu chẩn khác (hình
trụ hữu hạn, thanh hình chữ nhật dài vơ hạn,…) bằng cách sử dụng hệ số hình học E như
sau: E=1 đối với tấm phẳng, E=2 với hình trụ dài vơ hạn, E=3 với hình cầu. Đối với những
vật có hình dáng xác định nhiều chiều (thanh hình chữ nhật dài vơ hạn, hình trụ hữu
hạn…), biểu thức giải tích cho hệ số E cho dưới dạng chuỗi vô hạn (McNabb, 1990a,

1990b) [69-70] và đồ thị (Hossain, 1992a) [71]. Nhìn chung các hệ số này được xác định
bằng phương pháp hồi quy từ số liệu thực nghiệm cho trước [19-22, 62-63,106-108..].
Bảng 1.3 trình bày tổng hợp các dạng cơng thức tính tốn thời gian cấp đơng là biến thể
của dạng nghiệm của phương trình Plank (1.2).
Bảng 1.3 Tởng hợp các mơ hình xác định thời gian cấp đông điển hình
Stt

Tác giả

1

R Plank

2

J Nagaoka, S Takagi,
S Hotan

3

FL Levy

4

Cleland

Mơ hình tốn
τ Plank =

ρLf  2PR 4QR 2 

+


(Tf -Ta )  α
λ 

H '  Pa Ra 2 
 

t F  t f  c
i 
H'  1  0,008 t i C pu t i  t F   L V C pi t F  t 
f 

H'  1  0,008t i  t F C pu t i  t F   L V C pi t F  t 
1,3179 C pia 2  0,5
0,125 
tf 



i E
 N Bi N ste N ste 
10

slab
5

Q.T. Phạm

0 , 0017N Bi  0 ,1727N pk

0 , 9576
0 , 0550
N ste

 1,65 N ste  t  t f
ln 
1 
i
 t ref  t f






 tam phang
a  H1 H 2   N Bi  



; batky

 1
E
2  T1 T2  
4 

2

2
1
A
V
N Bi
N Bi
E 1

; 1 
; 2 
2
2

2

R
 4 
12  1  22  2
1 
3 
N Bi
N Bi
 3R 
1

8