Mô phỏng quá trình cấp đông fillet cá tra Việt Nam: Bài toán kết hợp truyền nhiệt và truyền chất

ó có nghĩa là ảnh hưởng của nhiệt ẩn trở nên rõ ràng hơn bên trong mẫu cá vì thời gian cần thiết cho giai đoạn chuyển pha của phần bên trong dài hơn phần bên ngoài. Tuy nhiên, kết quả cho thấy thời gian cấp đông cần thiết từ thí nghiệm và mô phỏng số là tương thích với nhau. Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -40- Hình 8 Thời gian cấp đông mô phỏng tại hai điểm quan sát Với mục đích xem xét sự thay đổi của dữ liệu đầu ra một cách chi tiết, một số lát cắt dọc theo chiều dài miếng cá được tạo ra. Một số các kết quả mô phỏng của trường nhiệt độ được chụp sau mỗi 500 s như được trình bày Hình 9. Có thể nhận thấy rằng nhiệt độ của toàn bộ fillet cá tra sẽ giảm xuống dưới -18⁰C sau 2500 s. Điều đó có nghĩa là khu vực giảm nhiệt độ chậm nhất không nằm ở điểm A như dự đoán ban đầu. Thực tế này được thể hiện rõ ràng hơn trong Hình 10. Ở 2400s, một khu vực gần điểm A vẫn trong trong phạm vi nhiệt độ lớn hơn -18 ⁰C. Thời gian cấp đông cần thiết được tính từ khi bắt đầu quá trình cho đến khi vị trí cuối cùng trong miếng cá đạt được nhiệt độ mong muốn. Do đó, các phương pháp số nên được áp dụng cho các bài toán cấp đông ở quy mô công nghiệp, vì thời gian cấp đông là thông số không thể thiếu để tối ưu hóa chi phí năng lượng cho toàn bộ hệ thống. Hình 9 Phân bố nhiệt độ trên fillet cá tra trong quá trình mô phỏng Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -41- (a) (b) Hình 10 Phân bố nhiệt độ trên fillet cá tra ở (a) 2400 s và (b) 2500 s Bằng các quá trình truyền chất cục bộ gần các bề mặt như đã đề cập, độ ẩm của thực phẩm thay đổi theo thời gian là điều không thể tránh khỏi. Trên thực tế, nồng độ ẩm trên bề mặt giảm xuống đến giá trị nhỏ hơn khi đạt đến mức nhiệt độ mông muốn như 11. Từ dữ liệu này, hệ thống lạnh có thể được thiết kế lại để đáp ứng một số tiêu chí mới và duy trì chất lượng thực phẩm tốt hơn. 11 Nồng độ ẩm trong quá trình kết đông 5. Kết luận Các thông số nhiệt độ và nồng độ ẩm của fillet cá tra Việt Nam trong quá trình cấp đông đã được nghiên cứu dựa trên mô hình kết hợp truyền nhiệt và truyền chất theo phương pháp số. Kết quả cho thấy, thời gian cấp đông cần thiết theo mô phỏng khá tương thích với dữ liệu từ thực nghiệm. Mặc dù dữ liệu thực nghiệm cần thiết vẫn chưa đáp ứng đủ để so sánh với quá trình mô phỏng chính xác, nhưng phương pháp mô phỏng kết hợp giữa truyền nhiệt và truyền chất cũng cung cấp nhiều dữ liệu quan trọng liên quan đến quá trình cấp đông fillet cá tra. Do đó, các phương pháp số có thể được sử dụng để cải thiện việc thiết kế hệ thống cấp đông đối với thực phẩm có hình học phức tạp. Điều này giúp tạo ra một hệ thống và quy trình bảo quản Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -42- thực phẩm tốt hơn với tỷ lệ sản phẩm hư hỏng thấp hơn. Ngoài ra, chi phí đầu tư thiết bị và chi phí thử nghiệm có thể được giảm tối thiểu nhờ sự hỗ trợ của các công cụ toán học, trong khi các phương pháp thực nghiệm đòi hỏi nguồn kinh phí và thời gian nhiều hơn. Hơn nữa, nghiên cứu này là một khởi đầu cho các nghiên cứu tiên tiến khác liên quan đến việc ứng dụng trường điện từ trong các quá trình cấp đông để cải thiện không chỉ chất lượng thực phẩm mà còn hiệu quả năng lượng cho quá trình sản xuất ở quy mô công nghiệp trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P.J. Fellows, Food Processing Technology: Principles and Practices, second ed. (2000) Woodhead Publishing Ltd., London, pp. 418–439. [2] Q.T. Pham, Modeling heat and mass transfer in frozen foods: a review, International Journal of Refrigeration, 29 (2006), 876-888. [3] W.A. Johnston, F.J. Nicholson, A. Roge, and G. D. Stroud, Freezing and refrigerated storage in fisheries, FAO Fisheries Technical Paper 340 (1994), p. 143. [4] G. Petzold and J.M. Aguilera, Ice morphology: Fundamentals and technological applications in foods, Food Biophysics 4 (4) (2009) 378–396. [5] Q.T. Pham, Food Freezing and Thawing Calculations, New York: Springer, (2014). [6] D.J. Cleland, A.C. Cleland, R. L. Earle, S.J. Byrne, Prediction of freezing and thawing times for multi- dimensional shapes by numerical methods, International Journal of Refrigeration, 10 (1987c) 32–39. [7] Q.T. Pham, Effect of supercooling on freezing times due to dendritic growth of ice crystals, International Journal of Refrigeration, 12 (1989) 295–300. [8] A. Delgado, D.W. Sun, One-dimensional finite difference modeling of heat and mass transfer during thawing of cooked cured meat, J. Food Eng. 57 (2003) 383-389. [9] A.C. Cleland, R.L. Earle, The third kind of boundary condition in numerical freezing calculations, International Journal of Heat and Mass Transfer 20 (1997) 1029-1034. [10] S. Thorne, Mathematical Modeling of Food Processing Operations, Elsevier (1992), Essex. [11] M.A. Rao, S.S.H. Rizvi, Engineering Properties of Food, Marcel Decker (1995), New York. [12] R.C. Hsieh, L.E. Lerew, D.R. Heldman, Prediction of freezing times for foods as influenced by product properties, Journal of Food Process Engineering 1 (1997) 183-197. [13] Y.C. Hung, D.R. Thompson, Freezing time prediction for slab shape foods stuffs by an improved analytical method, Journal of Food Science 48 (1983) 555-560 [14] H.A. Wilson, R.P. Singh, Numerical simulation of individual quick freezing of spherical foods, International Journal of Refrigeration 10 (1987) 149-155. [15] A.C. Cleland, R.L. Earle, Assessment of freezing time prediction methods. J. Food Sci. 49 (1984) 1034-1042. [16] A.C. Rubiolo, Average and center time temperature vs time calculation for freezing and thawing rectangular foods, Journal of Food Engineering 30 (1996) 299-311 [17] V.M. Puri, R.C. Anantheswaran, The finite element method in food processing: a review, Journal of Food Engineering 19 (1993) 242-274. [18] D.D. Wang, E. Kolbe, Analysis of food block freezing using a PC-based finite element package, Journal of Food Engineering 21 (1994) 521-530. [19] V.M. Chavarria, D.R. Heldman, Measurement of convective heat transfer coefficients during food freezing processes, Journal of Food Science 49 (1984) 810-814. [20] L. Segerlind, Applied Finite Element Analysis, second ed. John Wiley and Sons, New York, 1984. [21] V.R. Voller, An overview of numerical methods for solving phase change problems, in: W.J. Minkowycz, E.M. Sparrow (Eds.), Advances in Numerical Heat Transfer 1 (1996) 341-375, Taylor & Francis, London. [22] C.S. Chen, Thermodynamic analysis of freezing and thawing of foods: enthalpy and apparent specific heat, Journal of Food Science 50 (1985) 1158-1162. [23] H.G. Schwartzberg, Effective heat capacities for the freezing and thawing of foods, Journal of Food Science 41 (1976) 152-156. Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -43- [24] H.G. Schwartzberg, Mathematical analysis of the freezing and thawing of foods, Tutorial presented at the AIChE Summer Meeting (1981), Detroit, Michigan [25] G. Comini, S. Del Giudice, Thermal aspects of cryosurgery, Journal of Heat Transfer 98 (1976) 543- 549. [26] E.C. Lemmon, Phase change technique for finite element conduction code, in: R.W. Lewis, K. Morgan (Eds.), Numerical Methods in Thermal Problems, Pineridge Press, Swansea, (1979) 149-158. [27] D.J. Cleland, A.C. Cleland, R.W. Earle, S.J. Byrne, Prediction of rates of freezing, thawing and cooling in solids of arbitrary shape using the finite element method, International Journal of Refrigeration 7 (1984) 6-13. [28] K. Morgan, R.W. Lewis, O.C. Zienkiewicz, An improved algorithm for heat conduction problems with phase change, International Journal of Numerical Methods in Engineering 12 (1978) 1191-1195. [29] Q.T. Pham, Comparison of general purpose finite element methods for the Stefan problem, Numerical Heat Transfer Part B - Fundamentals 27 (1995) 417-435. [30] V.R. Voller, C.R. Swaminathan, B.G. Thomas, Fixed grid techniques for phase change problems: a review, International Journal of Numerical Methods in Engineering 30 (1990) 875-898.