Luận văn thạc sĩ về mô phỏng quá trình cấp đông thịt heo nửa con sử dụng ANSYS

• Người hướng dẫn: PGS. LÊ ANH KIÊN
• Trường học: Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Mô phỏng cấp đông thịt heo nửa con bằng ANSYS
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

I. Giới thiệu

Bài viết này trình bày về quá trình mô phỏng cấp đông thịt heo nửa con bằng phần mềm ANSYS. Quá trình đông lạnh thực phẩm là một trong những phương pháp quan trọng trong ngành chế biến thực phẩm nhằm bảo quản chất lượng thực phẩm lâu dài. Sử dụng ANSYS, một phần mềm mạnh mẽ trong lĩnh vực mô phỏng nhiệt và động học, cho phép phân tích chính xác quá trình cấp đông và các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian đông lạnh.

1.1. Tầm quan trọng của mô phỏng cấp đông

Mô phỏng cấp đông thịt heo nửa con là cần thiết để tối ưu hóa quy trình bảo quản thực phẩm. Quá trình này không chỉ giúp duy trì chất lượng thịt mà còn giảm thiểu tổn thất trong quá trình chế biến. Phân tích nhiệt độ và tốc độ lưu thông không khí trong quá trình đông lạnh giúp xác định thời gian cần thiết để đạt được nhiệt độ -18°C, từ đó cải thiện hiệu suất sản xuất.

II. Phương pháp mô phỏng

Phương pháp mô phỏng nhiệt sử dụng ANSYS Fluent để mô phỏng quá trình đông lạnh nhanh của thịt heo. Mô hình được xây dựng dựa trên các thông số vật lý của thịt và điều kiện môi trường. Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc không khí được đưa vào mô hình để phân tích ảnh hưởng của chúng đến quá trình cấp đông. Kết quả từ mô phỏng cho thấy sự thay đổi của nhiệt độ trong thời gian thực, giúp đánh giá chính xác hơn về thời gian đông lạnh.

2.1. Xây dựng mô hình

Mô hình mô phỏng được thiết lập với các thông số đầu vào như nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt và khối lượng riêng của thịt heo. Việc xác định chính xác các thông số này là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của mô phỏng. Mô hình hóa được thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp tính toán số để mô phỏng quá trình đông lạnh và phân tích sự phân bố nhiệt độ trong sản phẩm.

III. Kết quả và phân tích

Kết quả từ mô phỏng cho thấy thời gian cần thiết để trung tâm sản phẩm đạt -18°C là 4 giờ, với sai số giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm là 4%. Sự khác biệt này cho thấy mô hình mô phỏng số có thể được áp dụng hiệu quả trong việc tối ưu hóa quy trình cấp đông thực phẩm. Phân tích các yếu tố như nhiệt độ và vận tốc không khí cho thấy rằng việc tăng tốc độ không khí có thể giảm thời gian cấp đông một cách đáng kể.

3.1. Đánh giá hiệu quả mô phỏng

Sử dụng ANSYS cho phép đánh giá chi tiết về hiệu quả của quá trình cấp đông. Kết quả cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số như nhiệt độ môi trường và vận tốc gió có thể ảnh hưởng lớn đến thời gian và hiệu quả của quá trình đông lạnh. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giúp tiết kiệm chi phí sản xuất.

IV. Kết luận

Quá trình mô phỏng cấp đông thịt heo nửa con bằng ANSYS đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả trong việc tối ưu hóa quy trình bảo quản thực phẩm. Kết quả mô phỏng không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và phát triển công nghệ đông lạnh thực phẩm. Việc áp dụng các công nghệ mô phỏng số trong ngành chế biến thực phẩm sẽ góp phần nâng cao hiệu suất và giảm thiểu lãng phí.

4.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc mở rộng mô hình để bao gồm các loại thực phẩm khác và các điều kiện môi trường khác nhau. Việc áp dụng công nghệ mô phỏng động học và phân tích nhiệt có thể mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp thực phẩm trong việc phát triển các quy trình bảo quản mới hiệu quả hơn.

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình làm lạnh và bảo quản thực phẩm đông lạnh đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, đặc biệt là đối với sản phẩm thịt lợn đông lạnh. Theo ước tính, việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian làm lạnh ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ an toàn của sản phẩm. Nghiên cứu này tập trung mô phỏng quá trình làm lạnh nửa carcass thịt lợn bằng phần mềm Ansys Fluent, nhằm xác định thời gian đông lạnh khi nhiệt độ trung tâm sản phẩm đạt -18°C, một tiêu chuẩn quan trọng trong bảo quản thực phẩm đông lạnh. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 6/2020 đến tháng 12/2021, với mục tiêu tối ưu hóa điều kiện vận hành và thiết kế kho lạnh bảo quản thịt lợn đông lạnh. Kết quả mô phỏng có sai số chỉ khoảng 4% so với thực nghiệm, cho thấy độ chính xác cao và khả năng ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp thực phẩm. Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả bảo quản, giảm thiểu thất thoát nhiệt và tổn thất chất lượng sản phẩm, đồng thời hỗ trợ thiết kế hệ thống làm lạnh phù hợp với điều kiện khí hậu và yêu cầu kỹ thuật tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết truyền nhiệt và truyền khối trong thực phẩm đông lạnh: Quá trình làm lạnh nửa carcass thịt lợn là sự kết hợp truyền nhiệt dẫn và truyền khối, đồng thời có sự chuyển pha từ nước sang đá, làm thay đổi đáng kể tính chất nhiệt vật lý của sản phẩm tại điểm đông lạnh.

• Mô hình enthalpy để mô phỏng chuyển pha: Sử dụng enthalpy làm biến số chính để mô phỏng quá trình chuyển pha trong thực phẩm, tính toán nhiệt dung riêng biến thiên theo nhiệt độ và thành phần cấu tạo.

• Mô hình tính toán tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm: Bao gồm nhiệt dung riêng, khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, và hệ số truyền nhiệt bề mặt, được xác định dựa trên thành phần protein, nước, carbohydrate và chất béo trong thịt lợn.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt dung riêng biến thiên theo nhiệt độ, enthalpy, chuyển pha đông lạnh, truyền nhiệt dẫn, và mô hình CFD (Computational Fluid Dynamics).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm về nhiệt độ và thời gian đông lạnh nửa carcass thịt lợn được thu thập tại các kho lạnh ở TP. Hồ Chí Minh. Thông số vật lý của thịt lợn được tham khảo từ các nghiên cứu khoa học và bảng dữ liệu nhiệt vật lý thực phẩm.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Ansys Fluent để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và chuyển pha trong nửa carcass thịt lợn. Mô hình toán học dựa trên phương trình truyền nhiệt có tính đến enthalpy và thay đổi tính chất vật lý theo nhiệt độ. Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Lưới tính toán được xây dựng với kích thước phù hợp (khoảng 4000 x 3000 x 1800 mm cho mô hình kho lạnh).

  • Phép lặp thời gian (time step) được lựa chọn phù hợp để đảm bảo độ chính xác và ổn định của mô phỏng.

  • Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ và vận tốc dòng khí đến thời gian đông lạnh.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 6/2020 đến tháng 12/2021, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và đối chiếu kết quả với thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thời gian đông lạnh đạt -18°C tại trung tâm sản phẩm: Mô phỏng cho thấy thời gian đông lạnh trung bình là khoảng 17 giờ với dòng khí lạnh trực tiếp ở -18°C và vận tốc phù hợp. Sai số so với thực nghiệm chỉ khoảng 4%, chứng tỏ mô hình CFD có độ tin cậy cao.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ kho lạnh: Khi nhiệt độ kho lạnh giảm từ -10°C xuống -20°C, thời gian đông lạnh giảm khoảng 30%, từ khoảng 24 giờ xuống còn 17 giờ, cho thấy nhiệt độ kho lạnh là yếu tố quyết định trong quá trình làm lạnh.

3. Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí: Tăng vận tốc dòng khí từ 1 m/s lên 3 m/s giúp giảm thời gian đông lạnh khoảng 20%, nhờ tăng cường truyền nhiệt bề mặt sản phẩm.

4. Thay đổi tính chất nhiệt vật lý trong quá trình đông lạnh: Nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt của thịt lợn thay đổi đáng kể khi chuyển pha từ nước sang đá, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ truyền nhiệt và thời gian đông lạnh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do quá trình truyền nhiệt trong thực phẩm đông lạnh chịu ảnh hưởng lớn bởi sự thay đổi tính chất vật lý khi chuyển pha. So sánh với các nghiên cứu khác trên thế giới, kết quả mô phỏng phù hợp với các báo cáo về thời gian đông lạnh và ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến quá trình làm lạnh. Việc sử dụng mô hình enthalpy trong Ansys Fluent giúp mô phỏng chính xác quá trình chuyển pha và truyền nhiệt phức tạp trong sản phẩm thực phẩm đông lạnh. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và vận hành kho lạnh, giúp tối ưu hóa điều kiện làm lạnh, giảm thiểu thất thoát nhiệt và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ kho lạnh, vận tốc dòng khí và thời gian đông lạnh sẽ minh họa rõ ràng sự ảnh hưởng của các yếu tố này đến hiệu quả làm lạnh.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường kiểm soát nhiệt độ kho lạnh: Đề xuất duy trì nhiệt độ kho lạnh ở mức -18°C hoặc thấp hơn để đảm bảo thời gian đông lạnh tối ưu, giảm thiểu sự phát triển vi sinh vật và bảo quản chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: ngay lập tức; Chủ thể thực hiện: quản lý kho lạnh.

2. Tối ưu hóa vận tốc dòng khí trong kho lạnh: Khuyến nghị điều chỉnh vận tốc dòng khí trong khoảng 2-3 m/s để tăng hiệu quả truyền nhiệt, rút ngắn thời gian đông lạnh mà không gây tổn hại cấu trúc sản phẩm. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng; Chủ thể thực hiện: kỹ thuật vận hành kho lạnh.

3. Áp dụng mô hình mô phỏng CFD trong thiết kế kho lạnh mới: Sử dụng phần mềm Ansys Fluent để mô phỏng và thiết kế hệ thống làm lạnh phù hợp với đặc tính sản phẩm và điều kiện môi trường, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả bảo quản. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; Chủ thể thực hiện: nhà thiết kế và kỹ sư công trình.

4. Đào tạo nhân viên vận hành về kỹ thuật làm lạnh và mô phỏng: Tổ chức các khóa đào tạo về kiến thức truyền nhiệt, chuyển pha và sử dụng phần mềm mô phỏng để nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống làm lạnh. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể thực hiện: phòng nhân sự và đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống kho lạnh: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và mô hình mô phỏng giúp thiết kế kho lạnh tối ưu, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả bảo quản.

2. Nhà quản lý và vận hành kho lạnh thực phẩm: Hiểu rõ ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ và dòng khí đến chất lượng sản phẩm, từ đó điều chỉnh vận hành phù hợp.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, kỹ thuật nhiệt: Tài liệu tham khảo về mô hình truyền nhiệt, chuyển pha và ứng dụng CFD trong thực phẩm đông lạnh.

4. Doanh nghiệp chế biến và bảo quản thịt lợn: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình làm lạnh, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu tổn thất.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình CFD có thể áp dụng cho các loại thực phẩm khác không?
   Có, mô hình CFD với phương pháp enthalpy có thể áp dụng cho nhiều loại thực phẩm khác nhau có quá trình chuyển pha đông lạnh tương tự, như cá, hải sản, rau củ quả.

2. Sai số 4% trong mô phỏng có ý nghĩa như thế nào?
   Sai số 4% cho thấy mô hình mô phỏng rất gần với thực tế, đủ độ tin cậy để sử dụng trong thiết kế và tối ưu hóa quy trình làm lạnh.

3. Làm thế nào để lựa chọn vận tốc dòng khí phù hợp?
   Vận tốc dòng khí nên được điều chỉnh dựa trên kích thước kho lạnh, đặc tính sản phẩm và yêu cầu thời gian làm lạnh, thường trong khoảng 2-3 m/s là hiệu quả.

4. Tại sao nhiệt độ -18°C được chọn làm tiêu chuẩn đông lạnh?
   Nhiệt độ -18°C là tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật và duy trì chất lượng thực phẩm trong thời gian dài.

5. Phần mềm Ansys Fluent có khó sử dụng không?
   Ansys Fluent là phần mềm chuyên sâu, đòi hỏi người dùng có kiến thức về CFD và truyền nhiệt, tuy nhiên với đào tạo phù hợp, nó là công cụ mạnh mẽ cho mô phỏng kỹ thuật.

Kết luận

• Mô hình CFD sử dụng Ansys Fluent mô phỏng chính xác quá trình làm lạnh nửa carcass thịt lợn với sai số khoảng 4% so với thực nghiệm.
• Nhiệt độ kho lạnh và vận tốc dòng khí là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thời gian đông lạnh và chất lượng sản phẩm.
• Tính chất nhiệt vật lý thay đổi đáng kể trong quá trình chuyển pha, cần được tính toán chính xác để mô phỏng hiệu quả.
• Kết quả nghiên cứu hỗ trợ thiết kế và vận hành kho lạnh tối ưu, giảm thất thoát nhiệt và nâng cao chất lượng bảo quản.
• Đề xuất áp dụng mô hình mô phỏng CFD trong thiết kế kho lạnh và đào tạo nhân viên vận hành để nâng cao hiệu quả công tác bảo quản.

Next steps: Triển khai áp dụng mô hình vào thiết kế kho lạnh thực tế, đào tạo nhân sự và mở rộng nghiên cứu sang các loại thực phẩm khác.

Call-to-action: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên tích hợp công nghệ mô phỏng CFD để nâng cao chất lượng và hiệu quả bảo quản thực phẩm đông lạnh.