CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về làm lạnh và cấp đông cá ngừ Ngày nay, công nghệ làm lạnh được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống. Trong công nghiệp chế biến thủy sản, công nghệ làm lạnh âm sâu đóng vai trò rất quan trọng là thời gian bảo quản lâu, nâng chất lượng sản phẩm sau thu hoạch và sản xuất. Những năm gần đây, thủy sản đặc biệt là cá ngừ Việt Nam đã xuất khẩu sang hơn 100 thị trường trong đó 10 thị trường chính chiếm hơn 85% tổng giá trị xuất khẩu (hình 1.1), bao gồm: Mỹ, Nhật Bản, EU, ASEAN, Tây Ban Nha, Israel, Canada… đã có những đóng góp quan trọng trong chuyển dịch cơ cấu kinh tế.1 Thị trường xuất khẩu cá ngừ tính theo giá trị Ngành cá ngừ Việt Nam liên tiếp sụt giảm về xuất khẩu trong những năm gần đây: Năm 2012, giá trị xuất khẩu cá ngừ là 567,5 triệu USD; năm 2013 còn 527 triệu USD; năm 2014 xuống còn 484 triệu USD. Xuất khẩu sang các thị trường 1 xuất khẩu chính như Mỹ, Nhật Bản và ASEAN đều rất ảm đạm.
Xuất khẩu cá ngừ của cả nước năm 2015 đạt gần 455 triệu USD, giảm 6% so với cùng kỳ năm 2014 (hình 1.2 Giá trị xuất khẩu cá ngừ 2010-2015 (tỷ USD) Sản xuất cá ngừ ở Việt Nam đem lại nguồn thu to lớn và quan trọng cho đất nước. Trong khi đó, chúng ta vẫn chưa xây dựng được một kế hoạch phát triển bền vững cho việc bảo quản cấp đông cá ngừ sau khi đánh bắt và sản xuất. Bởi vậy, duy trì và phát triển bền vững xuất khẩu cá ngừ là rất quan trọng. Hơn thế nữa, chất lượng sản phẩm cấp đông cá ngừ là một trong những yếu tố quan trọng quyết định sự gia tăng về sản lượng xuất khẩu của Việt Nam trong thời gian tới.
Do vậy, hoàn thiện công nghệ cấp đông cá ngừ không thể tách rời với việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số vật lý của cá ngừ, nhiệt độ môi trường cấp đông, vận tốc gió, kích thước cá ngừ trong quá trình cấp đông cũng như là sự tiêu tốn năng lượng trong quá trình cấp đông. Để giải quyết những khó khăn trên, luận văn này đã xây dựng phương pháp tính truyền nhiệt cấp đông cá ngừ trong tủ lạnh -180C. Từ đó, tác giả đã đánh giá sự ảnh 2 hưởng của các thông số : nhiệt độ môi trường cấp đông, vận tốc gió, kích thước sản phẩm đến quá trình cấp đông cá ngừ.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Các nghiên cứu ngoài nước Cho đến nay đã có nhiều nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt cấp đông. Trong công nghiệp chế biến thực phẩm, chúng ta thường thấy các quá trình như làm lạnh, đóng băng, sấy khô, và bốc hơi.
Những quá trình đó liên quan đến truyền nhiệt giữa một sản phẩm với một hệ thống gia nhiệt hoặc cấp đông. Hệ thống gia nhiệt hoặc cấp đông sản phẩm thực phẩm là cần thiết để ngăn chặn vi khuẩn. Ngoài ra, mong muốn của chúng ta về màu sắc hương vị, kết cấu, của thực phẩm còn tươi ngon khi được gia nhiệt hoặc làm mát. Trong nghiên cứu [2], tác giả nghiên cứu các nguyên tắc cơ bản của truyền nhiệt và phương án thiết kế và vận hành thiết bị chế biến thực phẩm.
Tuan Pham [3] đã đề xuất mở rộng phương trình Plank bằng cách đề xuất sử dụng hệ số hình học E, từ đó để dự đoán thời gian đóng băng của thực phẩm có hình dạng đơn giản. Tuan Pham [4] đã mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong quá trình cấp đông thực phẩm và đã đưa ra các giá trị ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt cấp đông như là entanpy, nhiệt dung riêng, áp suất, hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm. Kumar và Panigrahi [5] đã mô hình hóa các biến đổi của nhiệt độ trong cá đông lạnh, nghiên cứu cho thấy sự thay đổi của nhiệt độ tại tâm của vật liệu là nhỏ nhất và sự thay đổi nhiệt độ của các điểm góc của mô hình nghiên cứu là nhanh nhất. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào phân tích sự đóng băng và quá trình làm khô các sản phẩm thực phẩm trong suốt quá trình làm đông lạnh và sấy khô.
Kết quả nghiên cứu các mô hình này cho phép việc đánh giá vào sự đóng băng và sự thăng hoa bề mặt, thời gian đóng băng, nhiệt độ bề mặt và sự hao hụt khối lượng trong thời 3 gian lưu trữ thực phẩm đông lạnh. Nghiên cứu này được sử dụng để đánh giá sự hao hụt khối lượng sản phẩm trong quá trình sấy các sản phẩm thực phẩm [6]. Sự đóng băng của hai sản phẩm: thịt cua và càng cua trong túi nhựa và đã được tiến hành mô phỏng và thực nghiệm. Phương trình vi phân không tuyến tính, dẫn nhiệt không dừng đã được giải quyết để mô phỏng sự đóng băng của sản phẩm trong túi, sử dụng một chương trình tính toán trong phần tử hữu hạn được mã hóa.
Kết quả cho thấy rằng sự ảnh hưởng của tỷ lệ nước đóng băng được xác định bằng các mô hình toán học. Những mô phỏng này có giá trị lớn cho quá trình thiết kế cấp đông thực phẩm và có thể giúp tối ưu hóa và kiểm soát sự đóng băng của sản phẩm mới [7]. Quá trình đóng băng là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng thực phẩm đông lạnh, các yếu tố liên quan đến việc đảm bảo dự đoán chính xác thời gian cấp đông thực phẩm với sự phụ thuộc vào thông số đầu vào. Do sự phức tạp của quá trình đóng băng nên không kết luận chính xác thời gian đóng băng hiệu quả nhất cho tất cả sản phẩm cấp đông [8].
Mô hình phần tử hữu hạn số của Galerkin được thành lập để phân tích quá trình đóng băng và tan băng cho thực phẩm đông lạnh chế biến, để dự đoán thời gian đóng băng cho bất kỳ loại thực phẩm ở điều kiện đông lạnh khác nhau, mô hình đã được chứng minh rằng phương pháp phần tử hữu hạn số của Galerkin có hiệu quả để giải quyết các vấn đề Stefan cho tính chính xác, tính ổn định và hội tụ. Các kết quả thu được cho thấy hình dạng và kích thước thực phẩm, nhiệt độ môi trường cấp đông và tốc độ không khí là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ đóng băng [9]. Tủ lạnh có CO2 làm chất làm lạnh. Hệ thống làm lạnh bằng dây chuyền có công suất làm lạnh 9 kW tại 500C.
Các kết quả thí nghiệm bao gồm sự biến đổi nhiệt độ trong sản phẩm đông lạnh, nhiệt độ bốc hơi CO2 và thời gian đóng băng cho thấy một liên kết rõ ràng giữa thời gian đông và nhiệt độ bốc hơi CO2 trung bình, sự giảm nhiệt độ 10C làm giảm khoảng 2 phút thời gian cấp đông. Các kết quả thu được chứng minh 4 việc sử dụng CO2 làm chất làm lạnh trong tấm tủ đông là một thay thế hữu hiệu cho các chất làm lạnh đang được sử dụng.2 Các nghiên cứu trong nước Xuất khẩu là một trong những ngành mũi nhọn của nước ta trong giao thương với quốc tế, đem lại lợi nhuận lớn hàng năm. Hiện nay Việt Nam đã mở rộng được quan hệ với rất nhiều đối tác như Anh, Mỹ, Nhật Bản, EU… Xuất khẩu là thành công lớn nhất của nước ta là xuất khẩu thủy sản, đặc biệt là cá ngừ. Trong những năm gần đây, ở Việt Nam cũng có nhiều nhà nghiên cứu về vấn đề cấp đông thực phẩm như : Nguyễn Việt Dũng, Hoàng Khánh Duy [10] nghiên cứu mô hình hóa quá trình làm lạnh cấp đông cho một số loại thực phẩm như : xoài giống Cam Ranh – Nha Trang và thịt bò loại 1 Việt Nam, qua đó nghiên cứu đã chỉ ra rằng thời gian làm lạnh giảm khi nhiệt độ môi trường làm lạnh giảm và tốc độ lưu chuyển không khí tăng.
Tuy nhiên sự suy giảm này là không đáng kể khi tốc độ không khí quá lớn và nhiệt độ môi trường làm lạnh quá thấp ( với thịt bò v > 2 m/s và t > - 350C). Ảnh hưởng của vận tốc không khí tới thời gian làm lạnh thực phẩm ở nhiệt độ môi trường làm lạnh cao hơn rõ nét hơn ở nhiệt độ môi trường làm lạnh thấp hơn. Vũ Huy Khuê [11] nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt, truyền chất và các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lạnh đông cá thu, giải trực tiếp bài toán dẫn nhiệt phi tuyến có đạo hàm riêng bằng phương pháp thể tích hữu hạn, ứng dụng cho vật thể có hình dạng bất kỳ. Trường nhiệt độ và thời gian cấp đông lý thuyết đã được tác giả kiểm chứng thông qua nghiên cứu thực nghiệm với cá Thu.
Kết quả là so sánh trường nhiệt độ và thời gian cấp đông đã chứng minh lời giải của bài toán dẫn nhiệt là phù hợp với thực tiễn kỹ thuật (sai số nhỏ hơn 7% đối với thời gian cấp đông và 70C đối với nhiệt độ tâm và ½ tâm). Đỗ Hữu Hoàng [12] đã trình bày nghiên cứu quá trình lưu động của môi trường kết đông và quá trình trao đổi nhiệt giữa môi trường kết đông và thực phẩm bên trong 5 tủ cấp đông bằng phương pháp CFD. Mô hình bài toán dẫn nhiệt có nguồn trong bên trong khối thực phẩm, do hiện tượng chuyển pha lỏng rắn của thành phần nước, đã được tác giả chuyển về mô hình bài toán dẫn nhiệt phi tuyến trong đó tính chất nhiệt vật lý thay đổi theo nhiệt độ. Kết quả là giải được bài toán dẫn nhiệt có biến đổi pha hai chiều cho thực phẩm cá tra khi kết đông.
Bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm Ansys, bài toán dẫn nhiệt có biến đổi pha hai chiều cho thực phẩm cá tra khi kết đông đã được giải trọn vẹn. Kết quả tính toán hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm và thực tế. Lê Kiều Hiệp và Trần Thị Thu Hằng [13] đã mô phỏng quá trình truyền nhiệt 3 chiều trong thực phẩm kết đông gió với đối tượng là thịt bò. Kết quả là nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt trong thực phẩm kết đông, quá trình thực phẩm kết đông sẽ thải ra môi trường một nhiệt lượng thay đổi theo thời gian, khi bề mặt của thực phẩm có nhiệt độ bé hơn nhiệt độ kết đông thì nhiệt độ bề mặt thay đổi rất chậm làm cho tải lạnh cũng thay đổi rất chậm, cuối quá trình kết đông, tải lạnh có xu hướng giảm nhanh hơn do lúc này nhiệt độ bề mặt thay đổi nhanh hơn trong giai đoạn chuyển pha.
