Nghiên cứu sử dụng dung dịch CaCl₂ trong công nghệ cấp đông cá

Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -93- NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DUNG DỊCH CaCl2 TRONG CÔNG NGHỆ CẤP ĐÔNG CÁ TRƯƠNG QUANG TRÚC 1 Faculty of Heat & Refrigeration Engineering, Industry University of Ho Chi Minh City, Vietnam truongquangtruc@iuh.edu.vn; quangtructt@yahoo.com Tóm tắt. Thủy sản được xác định là ngành kinh tế mũi nhọn của quốc gia. Trong đó, xuất khẩu cá giữ vai trò chủ đạo. Kim ngạch xuất khẩu cá tăng mạnh hằng năm. Bài báo này xem xét đến một trong những nội dung đó là nghiên cứu sử dụng dung dịch CaCl2 làm chất tải lạnh trong công nghệ cấp đông cá - một trong những mặt hàng xuất khẩu thủy sản chủ lực của nước ta trong những năm gần đây. Trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm, nghiên cứu đã cho thấy Phương pháp cấp đông nhúng là một phương pháp cấp đông có nhiều tính năng ưu việt như tiết kiệm năng lượng (hơn 30%, bảng 4), nâng cao chất lượng sản phẩm (thời gian cấp đông nhanh, sản phẩm không bị oxy hoá và mất nước), thiết bị gọn và năng suất cấp đông cao. Từ Khóa. cấp đông nhúng, dung dịch CaCl2, công nghệ cấp đông cá. RESEARCH USING CaCl2 SOLUTION IN FISHING LEVEL TECHNOLOGY Abstract. Fishery is identified as a key economic sector of the country. In which, export fish plays a key role, fish export turnover increases every year. This paper is view to a in the content that is Research on the use of CaCl2 as a refrigerant in fish freezing technology - one of the key seafood exports of our country in recent years. In fact, research shows that the immersion freezing method is a freezing method that has many outstanding features such as saving energy (more than 30%, table 4), improving product quality (fast frozen time, products are not oxidized and dehydrated), compact equipment and high-grade productivity. Keywords. immersion freezing, CaCl2 solution, fish freezing technology. ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ cấp đông thực phẩm trên thế giới hiện nay chủ yếu sử dụng hệ thống máy lạnh nén hơi, việc cấp đông được thực hiện trong môi trường không khí (hầm đông, tủ đông gió, băng chuyền IQF) hoặc cấp đông tiếp xúc (Contact Freezer). Trong tất cả các kiểu cấp đông thực phẩm trong môi trường không khí, ta nhận thấy có những vấn đề sau: a. Hệ số truyền nhiệt từ bề mặt sản phẩm đến dàn lạnh nhỏ làm thời gian cấp đông dài; đặc biệt là khi dàn lạnh bị bám tuyết vào cuối quá trình sản xuất. b. Bám băng trên băng tải làm cho băng tải dễ bị kẹt, gây quá tải động cơ, hư hỏng băng tải và gián đọan quá trình làm việc. Nó làm cho mặt băng tải bị bít kín nên không khí khó chuyển động qua. Nó còn làm cho sản phẩm bị dính vào băng tải và khó lấy sản phẩm ra, làm cho sản phẩm bị gãy, bể làm tăng tỉ lệ sản phẩm kém chất lượng. c. Việc đóng băng trong các kết cấu có dạng rỗng sẽ gây nên phá hủy thiết bị. d. Tổn thất lạnh ra môi trường do đối lưu lớn. e. Thiết bị cấp đông có kích thước nói chung là to lớn, cồng kềnh. HNKH-10 Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -94- Những nhược điểm nói trên của hệ thống cấp đông bằng gió đã được nhiều nhà chế tạo nỗ lực nghiên cứu hướng giải quyết và đã tìm ra được những giải pháp để hạn chế chúng. Tuy nhiên không thể lọai trừ hoàn toàn những nhược điểm này vì bản chất của các nguyên nhân chưa được thay đổi. Nếu chúng ta thay môi trường không khí trong các thiết bị truyền thống bằng môi trường lỏng thì những vấn đề ta đề cập ở trên sẽ được khắc phục tốt hơn rất nhiều hoặc được lọai trừ hoàn toàn. Bài báo này xem xét đến một trong những nội dung đó là nghiên cứu sử dụng dung dịch CaCl2 làm chất tải lạnh trong công nghệ cấp đông cá - một trong những mặt hàng xuất khẩu thủy sản chủ lực của nước ta trong những năm gần đây. CƠ SỞ LÝ LUẬN Làm đông lạnh thực phẩm tức là lấy nhiệt ra khỏi sản phẩm để hạ nhiệt độ sản phẩm xuống dưới điểm đóng băng, kết tinh phần lớn nước trong nó nhằm tiêu diệt vi khuẩn và hạn chế tối đa hoạt động của các men phân hủy nhằm bảo quản sản phẩm lâu dài. Quá trình tỏa nhiệt từ bề mặt sản phẩm ta môi trường được diễn tả bằng phương trình sau: Q = .F.∆T Trong đó Q là cường độ dòng nhiệt, W;  là hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2K; F là diện tích bề mặt sản Hình 1: Thiết bị cấp đông IQF xoắn Hình 2: Băng chuyền cấp đông IQF lưới thẳng Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -95- phẩm, m2; ∆T là độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt sản phẩm và môi trường, K. Quá trình truyền nhiệt càng mạnh (Q lớn) khi đại lượng  ở vế phải phương trình càng lớn. Ta đã biết rằng hệ số tỏa nhiệt đối lưu  của sản phẩm vào không khí nhỏ hơn nhiều so với vào môi trường lỏng. Do đó khi thay đổi chất tải lạnh từ không khí sang dung dịch CaCl2 thì hệ số tỏa nhiệt  sẽ tăng lên đáng kể. Nhờ sự tăng hệ số  này, ta có thể giảm độ chênh nhiệt độ T (ở một mức độ nào đó sao cho đảm bảo vẫn có sự gia tăng Q), tức là thực hiện chu trình máy lạnh ở nhiệt độ bay hơi không quá thấp như trong trường hợp cấp đông gió. Điều này sẽ làm tăng COP của chu trình máy lạnh, tức là góp phần tiết kiệm năng lượng. Khi tăng nhiệt độ bay hơi lên 1oC thì COP sẽ tăng lên từ 1 – 1,5% [5]. Nếu gọi m là khối lượng sản phẩm, kg;  là thời gian cấp đông, phút thì nhiệt lượng cần lấy ra khỏi sản phẩm là ∆i = 60.Q./m, J/kg là đại lượng xem như là hằng số đối với mỗi loại sản phẩm. Do đó khi Q tăng lên (do sự tăng lên mạnh mẽ của ) thì thời gian cấp đông  giảm xuống. Trong một chừng mực nào đó, việc cấp đông thực hiện càng nhanh thì chất lượng thực phẩm càng tốt, đó cũng là một tiêu chí quan trọng đánh giá chất lượng của thực phẩm đông lạnh. Như vậy ta có thể thấy rằng việc cấp đông trong môi trường dung dịch lỏng sẽ rút ngắn thời gian cấp đông, gia tăng chất lượng sản phẩm. Khi giải bài toán truyền nhiệt trong trường hợp cấp đông nhúng cá có lớp bọc ny lon, có một đại lượng ta phải giả định để tính toán rồi sau đó kiểm tra lại tính đúng đắn của giả định nhờ thực nghiệm, đó là hệ số tỏa nhiệt đối lưu . Ở đây ta sẽ tính hệ số này như sau: TF mi Q  + =  = .. 1 1 .60 .        −   = mi TF .1000 ..60 1 , (W/m2K) Trong đó i: hiệu enthalpy sản phẩm trong khoảng nhiệt độ xem xét, kJ/kg; m: khối lượng sản phẩm, kg; F: diện tích bề mặt sản phẩm, m2;  : khoảng thời gian xem xét, ph; T: hiệu nhiệt độ bề mặt cá (bên trong lớp nylon) và môi trường, K; : chiều dày lớp nylon, m; : hệ số dẫn nhiệt của lớp nylon, W/mK. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Mục đích thực nghiệm là: o Đo thời gian cấp đông cá rô phi nguyên con dày khoảng 4cm; so sánh với thời gian cấp đông cùng loại sản phẩm khi cấp đông gió. o Đo các thông số cần thiết của quá trình cấp đông để từ đó xác định hệ số tỏa nhiệt  của bề mặt cá trong quá trình truyền nhiệt. Tiến hành thực nghiệm trong bể đựng dung dịch CaCl2 có kích thước H x W x L = 0,56m x 0,75m x 0,77m. Bể được làm lạnh bởi cụm máy lạnh 2 bán kín, công suất 3HP chạy bằng môi chất lạnh R22. Dung dịch được tuần hoàn nhờ quạt khuấy có công suất 0,5HP, được điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi tiết diện cửa vào buồng cánh khuấy. Sản phẩm đưa vào cấp đông là cá rô phi nguyên con, đã móc nội tạng, vẫn còn đủ đầu, đuôi, vi, vảy; có chiều dày xấp xỉ 2 = 4,6cm, khối lượng m = 0,56kg/con, diện tích bề mặt F = 0,034m2 và có nhiệt độ ban đầu 28oC. Cá được bao gói hút chân không với tấm nylon có chiều dày 0,05mm. Dung dịch có nồng độ  = 28%; vận tốc dòng chảy trung bình là w = 0,1m/s. Các thông số cần đo là: o Nhiệt độ tâm sản phẩm tc. o Nhiệt độ sản phẩm mặt dưới bao nylon tbm. o Nhiệt độ dung dịch tf. Tiến hành thí nghiệm nhiều lần, mỗi lần đo trên 2 con cá ngẫu nhiên. Các thông số được đo theo tần suất 5 phút/lần kể từ phút thứ 40 cho đến khi tâm cá đạt nhiệt độ -12oC. Gọi  là thời gian tính từ lúc bắt đầu cấp đông, ph; tc là nhiệt độ tâm trung bình thu được từ 2 nhiệt kế, 0C; tbm là nhiệt độ bề mặt trung bình Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -96- thu được từ 2 nhiệt kế, 0C; tf là trung bình cộng của nhiệt độ dung dịch phía trước và phía sau của cá, oC Kết quả trung bình nhận được như sau: Từ các số liệu đo thu nhận được, tiến hành tính toán để xác định hệ số tỏa nhiệt . Enthalpy của cá theo nhiệt độ được cho trong bảng 2 dưới đây [2]. Chương trình Matlab hàm số hóa bậc 2 đường cong cho kết quả : I = 0,0727t2 + 5,3921t + 78,6808, kJ/kg Trong quá trình cấp đông, trường nhiệt độ bên trong sản phẩm khá phức tạp tuy nhiên khi quá trình kết thúc thì trường nhiệt độ có thể xem như là tuyến tính từ ngoài vào trong; khi đó nhiệt độ trung bình sản phẩm sẽ bằng trung bình cộng nhiệt độ của bề mặt và nhiệt độ tâm. Nhiệt độ bề mặt được đo bằng nhiệt kế xuyên qua tâm vật tf, khi đó ttb = 0,5(tf + tc) [6]. Hệ số tỏa nhiệt  trung bình trong khoảng thời gian xem xét của quá trình cấp đông sẽ được tính như sau: 𝛼 = 1 60𝐹∗∆𝑇∗𝜏 1000∗∆𝑖∗𝑚 − 𝛿 𝜆 , 𝑊 𝑚2𝐾 Trong đó : o i : hiệu enthalpy sản phẩm trong khoảng thời gian xem xét, chính là nhiệt lượng đã trao đổi được đối với 1kg cá, kJ/kg o m : khối lượng sản phẩm, kg o F : diện tích bề mặt sản phẩm, m2 o T : hiệu nhiệt độ bề mặt cá (bên trong lớp nylon) và dung dịch tại thời điểm đang xét tbm – tf, K.  : khoảng thời gian xem xét = 5phút. o : chiều dày lớp nylon = 0,00005m. o : hệ số dẫn nhiệt của lớp nylon = 0,42W/mK. Chương trình Matlab tính toán hệ số tỏa nhiệt  tức thời trong khoảng thời gian từ sau khi kết tinh tâm sản phẩm cho đến khi cấp đông đạt yêu cầu cho kết quả như sau: Bảng 1: Kết quả thực nghiệm đo nhiệt độ  40 45 50 55 60 65 70 tdd -27 -27,15 -27,25 -27,35 -27,4 -27,5 -27,6 tc -1,55 -3,2 -5,0 -6,75 -8,5 -10,2 -11,8 tf -26,2 -26,3 -26,45 -26,6 -26,7 -26,85 -27 Bảng 2: Enthalpy của cá theo nhiệt độ Nhiệt độ, 0C -20 -18 -15 -12 I cá gầy, kJ/kg 0 5 14.3 24.8 I cá béo kJ/kg 0 5 14.3 24.4 Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -97- Ta thấy hệ số tỏa nhiệt  trong khoảng thời gian từ phút thứ 40 đến phút thứ 65 khá ổn định, dao động trong khoảng 198 đến 208 W/m2K. Trong dãy thực nghiệm đã được tiến hành, hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt cá vào dung dịch CaCl2 28% nhận giá trị trung bình là 202,891W/m2K. Dùng số liệu này để tính toán thời gian đông lạnh lý thuyết cá rô phi nguyên con bằng chương trình Matlab, ta sẽ nhận được kết quả như đồ thị sau: Hình 4: So sánh thời gian cấp đông gió (trên) và cấp đông nhúng (dưới) Theo đồ thị trên thì thời gian cấp đông nhúng chỉ khoảng hơn một nửa thời gian cấp đông gió ở mọi chiều dày sản phẩm. Theo số liệu thực tế sản xuất mặt hàng cá tra fillet tại công ty Xijang Qiao (Quảng Đông - Trung Quốc) thì kết quả rất khả quan, nêu ra đây các số liệu để minh họa: o Thời gian cấp đông mảnh cá tra fillet có chiều dày trung bình 2,5 – 3cm là 17phút. o Nhiệt độ tâm sản phẩm đạt -150C. o Năng suất cấp đông thiết bị dạng thủ công: 200kg/h. o Hệ thống lạnh có công suất máy nén 22kW. Còn theo số liệu thống kê từ thực tế sản xuất các mặt hàng đông lạnh ở Công ty Cổ phần Đầu tư Thương mại Thủy sản (INCOMFISH) ta có bảng sau: 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6 60 80 100 120 140 160 180 200 chieu day san pham, cm T n , T g ( p h u t) Su phu thuoc Tn, Tg vao delta Tn Tg Hình 3: Kết quả tính hệ số  dựa trên thực nghiệm và chương trình Matlab 40 45 50 55 60 65 180 185 190 195 200 205 210 215 220 thoi gian, phut he s o an ph a, W /m 2K Su thay doi anpha theo thoi gian Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -98- TÍNH KINH TẾ CỦA HỆ THỐNG CẤP ĐÔNG NHÚNG Trong một trường hợp cụ thể, ta tính toán các chi phí vận hành của hệ thống cấp đông gió và cấp đông nhúng liên tục có công suất 500kg/h, sản phẩm là cá rô phi nguyên con, chiều dày trung bình 5cm, hệ thống lạnh dùng môi chất lạnh NH3. Thời gian sử dụng hệ thống trong một năm là 3000h. Kết quả tính toán các chi phí vận hành có sự khác biệt (cho hệ thống thiết bị máy lạnh và cấp đông), ngàn đồng/năm được thể hiện ở bảng 4 như sau: Theo bảng tính ở trên thì tổng chi phí vận hành giữa cấp đông gió và cấp đông nhúng là tương đương nhau. Tuy nhiên cấp đông nhúng sẽ cho sản phẩm có chất lượng cao hơn, không hao hụt sản phẩm và nhờ chu trình máy lạnh chạy ở nhiệt độ bay hơi cao hơn nên tuổi thọ hệ thống lạnh cao hơn. CÁC NHẬN XÉT 1. Cần bao gói sản phẩm theo cách tốt nhất. Tuy dung dịch này không độc nhưng việc nhiễm dung dịch này vào sản phẩm là không cho phép, do đó sản phẩm muốn cấp đông phải được bao gói trước. Việc bao gói này dẫn đến 2 điều không mong muốn là tốn kém bao bì cũng như công đọan hút chân không và xuất hiện lớp cách nhiệt đối với sản phẩm. (Tuy nhiên lớp nylon này lại có tác dụng bảo vệ cách ly sản phẩm ngay từ đầu – điều này giúp nâng cao chất lượng sản phẩm). 2. Giá thành dung dịch Giá thành dung dịch không quá cao nhưng không phải là “miễn phí” như không khí nên trong tính kinh tế của giải pháp ta không nên bỏ qua điểm này. Điều này đã được thể hiện cụ thể trong bảng tính toán hiệu quả kinh tế ở trên. 3. Lưa chọn vật liệu chế tạo thích hợp và tính toán giá thành Dung dịch có tính ăn mòn thiết bị nên việc lựa chọn vật liệu chế tạo là điều cần phải quan tâm. Thông thường ta lựa chọn vật liệu là inox 304 hay 316 (inox công nghiệp). Đơn giá chế tạo thiết bị cấp đông sẽ tăng lên nhưng được bù lại ở chỗ khối lượng chế tạo sẽ giảm xuống nhờ thiết bị nhỏ gọn hơn. Bảng 3: Thời gian cấp đông cá có chiều dày khác nhau  40 45 50 55 60 65 70 tdd -27 -27,15 -27,25 -27,35 -27,4 -27,5 -27,6 tc -1,55 -3,2 -5,0 -6,75 -8,5 -10,2 -11,8 tf -26,2 -26,3 -26,45 -26,6 -26,7 -26,85 -27 Bảng 4: So sánh các chi phí vận hành Cấp đông gió Cấp đông nhúng Chi phí điện năng 300.000 192.000 Chi phí nước dùng trong quá trình cấp đông 24.000 15.000 Chi phí bổ sung nước muối 0 30.000 Chi phí bao bì 100.000 187.000 Tổng các chi phí khác biệt/ năm 424.000 424.000 Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -99- 4. Chi phí bảo trì hệ thống thiết bị cấp đông Có 2 nội dung phát sinh so với bảo trì hệ thống cấp đông gió, đó là: o Bảo trì các chi tiết không thể inox hóa như một số ổ bi, trục, phoss chặn, bơm dung dịch và một số chi tiết của băng chuyền bị dung dịch ăn mòn. o Làm sạch, tái sinh và bổ sung dung dịch chất tải lạnh. Bù lại, ở hệ thống này sẽ giảm đi công tác bảo trì các quạt gió – đây cũng là một khối lượng công việc khá lớn. KẾT LUẬN Trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm, có thể giúp chúng ta có một số kết quả và nhận định như sau: 1. Hệ số tỏa nhiệt đối lưu  giữa bề mặt cá khi bề mặt có bọc lớp nylon và dung dịch CaCl2 28% có giá trị nằm trong khoảng 190 – 210W/m2K. 2. Phương pháp cấp đông nhúng là một phương pháp cấp đông có nhiều tính năng ưu việt như tiết kiệm năng lượng (hơn 30%, bảng 4), nâng cao chất lượng sản phẩm (thời gian cấp đông nhanh, sản phẩm không bị oxy hoá và mất nước), thiết bị gọn và năng suất cấp đông cao. 3. Hệ thống thiết bị cấp đông nhúng nằm trong khả năng cung cấp và chế tạo. 4. Trong quá trình ứng dụng công nghệ và cải tiến thiết bị có rất nhiều khả năng các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật cũng được cải thiện theo. Điều đó hứa hẹn một tiềm năng ứng dụng rộng rãi công nghệ này trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thanh Kỳ - Máy lạnh – NXB Giáo dục - 1994. [2] Đinh Văn Thuận, Võ Chí Chính – Máy và thiết bị lạnh. NXB KH&KT - 2007 [3] Lê Chí Hiệp – Kỹ thuật điều hoà không khí. NXB Đại học Quốc gia TPHCM - 2004. [4] Nguyễn Đức Lợi – Ga, dầu và chất tải lạnh – NXB Giáo dục - 2006. [5] Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Thế Bảo - Bảo toàn năng lượng, sử dụng hợp lý, tiết kiệm, hiệu quả trong công nghiệp. NXB KH&KT – 2006. [6] Yunus A. Çengel – Heat Transfer a Practical Aproach – WCB McGraw-Hill - 2002