Báo cáo Mô hình hóa nhằm kiểm soát đồng nhất nhiệt độ sản phẩm trong không gian 3 chiều của thiết bị thanh trùng

MÔ HÌNH HÓA NHẰM KIỂM SOÁT ĐỒNG NHẤT NHIỆT ĐỘ SẢN PHẨM TRONG KHÔNG GIAN 3 CHIỀU CỦA THIẾT BỊ THANH TRÙNG Thực hiện: Ths. Lê Thị Hoa Xuân, Ts. Võ Tấn Thành Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm – Đại Học Cần Thơ 26/11/2010 BÁO CÁO KHOA HỌC 2Nội dung báo cáo Đặt vấn đề Phương pháp thí nghiệm Kết quả thảo luận Mục tiêu nghiên cứu Kết luận 1 2 3 4 5 3Đặt vấn đề - Trong quá trình thanh trùng vấn đề kiểm soát nhiệt độ là yêu cầu rất cần thiết - Thanh trùng là hình thức bảo quản thực phẩm bằng nhiệt độ, nhằm đảm bảo an toàn chất lượng sản phẩm 4Mục tiêu nghiên cứu Kiểm soát nhiệt độ và sự đồng nhất của nhiệt độ trong không gian 3D của thiết bị thanh trùng. Để đạt được mục tiêu này cần thực hiện: (1) Khảo sát sự đồng nhất nhiệt độ để đánh giá các vùng đồng nhất tiến đến việc xác định các vị trí cần kiểm soát. (2) Mô hình hóa tìm các tham số vật lý có ý nghĩa có thể sử dụng để kiểm soát trong vùng không gian đồng nhất đã được xác định. 5Mục tiêu nghiên cứu Để kiểm soát được nhiệt độ trong không gian 3D cần phải: - Dùng cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ của sản phẩm. - Sử dụng mô hình tính toán phân bố nhiệt độ của sản phẩm nhằm kiểm soát đồng nhất hoặc điều chỉnh thiết kế. 6Phương pháp thí nghiệm Hệ thống gia nhiệt và kiểm soát nhiệt độ Bơm nước nóngThiết bị thanh trùng Hệ thống thiết bị dùng trong nghiên cứu 7Phương pháp thí nghiệm Sơ đồ bố trí cảm biến nhiệt độ Sản phẩm Môi trường 22 10 cm 10 cm 20 cm 13 cm 13 cm 37 32 31 33 36 34 35 26 27 25 38 2133 2032 1931 30312 29311 28310 34 313 314 38 39 316 317 318 37 315 35 23 2436 8Phương pháp thí nghiệm Bao bì gắn cảm biến nhiệt độ ghi nhận nhiệt độ tâm sản phẩm 9Phương pháp thí nghiệm Bố trí thí nghiệm và thu nhận kết quả trong quá trình thanh trùng 10 Phương pháp thí nghiệm (1) Đồng nhất nhiệt độ sản phẩm trong bao bì với một mức nhiệt độ khác biệt chấp nhận. (2) Quá trình truyền nhiệt một chiều qua diện tích xung quanh của vật thể, bỏ qua truyền nhiệt qua 2 nắp của hộp hình trụ. (3) Tính chất vật lý của thực phẩm và môi trường ít thay đổi trong quá trình thí nghiệm. Các giả sử dùng trong nghiên cứu: 11 Phương pháp thí nghiệm Khảo sát sự thay đổi nhiệt độ của sản phẩm theo sự thay đổi nhiệt độ của môi trường theo thời gian gia nhiệt với mục tiêu xác định các vùng cần kiểm soát - Đo đạc ghi nhận nhiệt độ môi trường và sản phẩm theo thời gian gia nhiệt. - Biểu diễn phân bố nhiệt độ của môi trường và sản phẩm trong không gian 3 chiều của thiết bị thanh trùng - Đánh giá vùng cần kiểm soát bằng lý thuyết đồng nhất (WMZ) với khác biệt nhiệt độ có thể chấp nhận 1 12 Phương pháp thí nghiệm Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ trung tâm sản phẩm với mục tiêu kiểm soát đồng nhất nhiệt độ sản phẩm Sử dụng mô hình hộp đen có chứa các tham số vật lý (Data Based Mechanistic Modeling) để mô hình hóa quá trình truyền nhiệt từ môi trường đến sản phẩm 2 Phương pháp thí nghiệm 2 Từ các dữ liệu thu nhận trong thí nghiệm Từ phương trình truyền lý thuyết Biến đổiMô hình hóa Hàm truyềnHàm truyền có R2 cao, SE nhỏ, YIC thấp Tìm tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt dùng trong kiểm soát , điều chỉnh thiết kế … Đồng dạng hàm truyền 14 Kết quả thảo luận 0 500 1000 1500 2000 30 35 40 45 50 55 60 Thời gian (x 10 giây) N h iệ t đ ộ ( o C ) Đồ thị biểu diễn nhiệt độ sản phẩm và môi trường trong quá trình thanh trùng 1 15 Kết quả thảo luận Biểu diễn phân bố 3D nhiệt độ của sản phẩm và môi trường sau 20 phút gia nhiệt Phân bố 3D nhiệt độ môi trường Phân bố 3D nhiệt độ sản phẩm 1 2.5 22.5 2.5 12.5 22.5 6.5 19.5 32.5 54.1 54.2 54.4 54.5 54.6 54.8 54.9 55.1 55.2 55.3 55.5 54 54.5 55 55.5 0 10 20 U I ( % ) 2.5 22.5 2.5 12.5 22.5 6.5 19.5 32.5 52.9 53.1 53.2 53.3 53.5 53.6 53.8 53.9 4 54.2 54.3 52.8 53 53.2 53.4 53.6 53.8 54 54.2 54.4 54.6 0 10 20 U I ( % ) (a) (b) Kết quả thảo luận 2.5 22.5 2.5 12.5 22.5 6.5 19.5 32.5 Width (m) Thoi gian 20 min Dong nhat = 38.8889% Length (m) H ei gh t (m ) Đồng nhất nhiệt độ môi trường ở khác biệt nhiệt độ 0,2oC Đồng nhất nhiệt độ sản phẩm ở khác biệt nhiệt độ 0,2oC Đồng nhất nhiệt độ sau 20 phút gia nhiệt 1 2.5 22.5 2.5 12.5 22.5 6.5 19.5 32.5 Width (m) Thoi gian 20 min Dong nhat = 27.7778% Length (m) H ei gh t ( m ) Không thể dùng nhiệt độ môi trường để đánh giá nhiệt độ sản phẩm 17 Tính toán các tham số của hàm truyền và lựa chọn hàm truyền thích hợp Dữ liệu thu nhận Tính toán hàm truyền bậc 1, 2 … Vị trí Bậc của hàm truyền [m,n,t] Các tham số trong mô hình SE R2 Chỉ số YIC 1 Bậc 1 [0,1,10] a1= 0,071 0,04 0,9968 -13,65 b0= 0,071 Bậc 2 [1,2,10] a1= 0,549 0,01 0,9989 -11,70 a2= 0,008 b0= 0,406 b1= 0,008 15 Bậc 1 [0,1,10] a1= 0,054 0,06 0,9951 -13,24 b0= 0,054 Bậc 2 [1,2,10] a1= 0,221 0,02 0,9984 -2,87 a2 =0,003 b0= 0,159 b1= 0,003 1 Hàm truyền bậc 1 được lựa chọn để biểu diễn cho quá trình truyền Phương trình truyền thực tế Phương trình lý thuyết tm(t): Nhiệt độ sản phẩm ti(t): Nhiệt độ môi trường s: Toán tử Laplace bo, a1: Tham số của hàm truyền km: Hệ số truyền nhiệt bề mặt Sm: Bề mặt truyền nhiệt m: Khối lượng sản phẩm Cp,m: Nhiệt dung riêng sản phẩm )()( 1 tt as b tt i o m )()( tt s tt im mp, mm . . Cm Sk Đồng dạng hàm truyền = b0 = a1 2 19 Phân bố 3D hệ số trong thiết bị thanh trùng Kết quả thảo luận 2.5 22.5 2.5 12.5 22.5 6.5 19.5 32.5 0 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 0.2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0 20 40 V (% ) Kết quả tính toán hệ số tại 18 vị trí trong thiết bị thanh trùng và biểu diễn phân bố 3D hệ số truyền nhiệt cho phép kết luận có thể sử dụng phân bố 3D của hệ số truyền nhiệt ( có liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt km) để kiểm soát trực tuyến hoặc điều chỉnh thiết kế nhằm thu nhận sản phẩm có nhiệt độ đồng nhất cao 2 20 Kết luận - Không thể dùng đồng nhất nhiệt độ môi trường để đánh giá đồng nhất nhiệt độ sản phẩm - Hàm truyền bậc 1 được lựa chọn để biểu diễn cho quá trình truyền nhiệt từ môi trường đến sản phẩm có hệ số tương quan R2 cao và YIC thấp. - Các tham số vật lý có ý nghĩa được xác định từ hàm truyền bậc 1 có liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt km nên có thể dùng để kiểm soát đồng nhất trực tuyến (online) hoặc điều chỉnh thiết kế nhằm đạt sản phẩm có chất lượng đồng nhất cao