Tổng quan luận án

Đề tài luận án tiến sĩ "Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, truyền chất và xác định chế độ sấy tôm thẻ chân trắng Việt Nam bằng bơm nhiệt kết hợp với hồng ngoại" thuộc chuyên ngành Kỹ thuật nhiệt và Công nghệ chế biến thủy sản sau thu hoạch. Nghiên cứu tiếp cận theo hướng kết hợp giữa tính toán lý thuyết, mô hình hóa toán học, mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm.

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ tiềm năng tự nhiên và vị thế kinh tế biển của Việt Nam với chiều dài bờ biển 3.670 km (xếp thứ 32 trong số 156 quốc gia và vùng lãnh thổ có biển). Theo số liệu từ Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu Thủy sản Việt Nam (VASEP), năm 2019 xuất khẩu tôm Việt Nam đạt xấp xỉ 3,38 tỷ USD; trong đó tôm thẻ chân trắng đông lạnh chiếm 2,36 tỷ USD (tương đương 70% tổng giá trị tôm xuất khẩu) và mặt hàng tôm khô chế biến tăng trưởng 40,7% so với năm 2018. Tuy nhiên, hoạt động chế biến tôm khô xuất khẩu trong nước chủ yếu mang tính nhỏ lẻ, thủ công tại các làng nghề thông qua phương pháp phơi nắng hoặc dùng lò sấy tự chế (đốt than đá, củi hoặc gia nhiệt điện trở). Các phương pháp này phụ thuộc vào thời tiết, thời gian kéo dài, nhiệt độ sấy cao làm biến tính protein, biến đổi màu sắc, mùi vị và không bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định gồm:

  • Các nghiên cứu sấy tôm hiện hữu chủ yếu tập trung vào quy trình thực nghiệm và đánh giá chất lượng cảm quan, thiếu vắng các nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế truyền nhiệt và truyền chất (TNTC) trong cấu trúc mô cơ tôm.
  • Chưa xác định đầy đủ các thông số nhiệt vật lý phụ thuộc vào thành phần hóa học, thông số sinh học đặc trưng và hiện tượng co rút thể tích theo thời gian sấy.
  • Thiếu mô hình mô phỏng số mô tả tác động đồng thời của nhiệt độ, áp suất nội tại và hàm lượng ẩm trong mao quản đến động học sấy tôm thẻ chân trắng.

Luận án xác định các mục đích nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu khả năng sấy bằng bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại (HP-IR) cho các sản phẩm thủy sản và tôm sau thu hoạch.
  2. Nghiên cứu xây dựng mô hình toán, mô phỏng quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR, xác định chế độ sấy tối ưu và thời gian sấy làm cơ sở thiết kế, chế tạo máy sấy.
  3. Đề xuất quy trình chế biến tôm thẻ chân trắng khô sấy bằng HP-IR phục vụ xuất khẩu.

Các nội dung nghiên cứu triển khai bao gồm:

  1. Xây dựng mô hình toán mô tả quá trình TNTC bên trong tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR.
  2. Thiết lập điều kiện biên và phương pháp giải mô hình toán quá trình TNTC.
  3. Xác định phương pháp tính các thông số nhiệt vật lý và thông số đặc trưng sinh học của tôm thẻ chân trắng.
  4. Lập trình mô phỏng quá trình TNTC có xét đến áp suất mao quản và độ co rút theo thời gian.
  5. Nghiên cứu xác định chế độ sấy tối ưu bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm; đánh giá khả năng ứng dụng thực tế.
  6. Đánh giá chất lượng và hiệu quả năng lượng tại chế độ tối ưu so với các phương pháp khác.
  7. Đề xuất quy trình chế biến tôm thẻ chân trắng khô sấy bằng HP-IR.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp ba trụ cột:

  • Tính toán lý thuyết nhiệt - ẩm.
  • Mô phỏng toán học trường nhiệt độ, trường áp suất và trường ẩm trên phần mềm COMSOL Multiphysics.
  • Thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình sấy HP-IR tự chế tạo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình truyền nhiệt và truyền chất bên trong vật liệu sấy (VLS).
  • Phạm vi nghiên cứu: Tôm thẻ chân trắng (Penaeus) đã bóc vỏ, bỏ đầu, làm sạch nội tạng; xây dựng mô hình toán, xác định các thông số nhiệt vật lý theo nhiệt độ và thành phần hóa học; xác định các thông số sinh học đặc trưng; thiết lập điều kiện biên bức xạ - đối lưu và mô phỏng xác định chế độ sấy tối ưu bằng công nghệ bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu của luận án hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến công nghệ sấy và mô hình hóa quá trình truyền nhiệt, truyền chất:

Các hướng nghiên cứu về công nghệ sấy

  • Sấy bằng bơm nhiệt (HP): Tại Việt Nam, Võ Duy Mạnh và Lê Chí Hiệp nghiên cứu sấy cà rốt bằng bơm nhiệt thùng quay (40°C, 2,5 m/s); Phạm Văn Tùy và cộng sự ứng dụng sấy kẹo Jelly giảm 42% chi phí điện so với hệ thống hút ẩm hấp phụ kết hợp điều hòa; sấy mực ống lột da ở 35°C, 2 m/s trong 11 giờ. Trên thế giới, Zhang Gupchen và cộng sự chỉ ra tôm sấy HP có màu sắc tốt hơn sấy khí nóng; Yuvanaree Namsanguan và cộng sự áp dụng hệ thống sấy hai cấp (hơi quá nhiệt 140°C kết hợp HP 45°C) giúp giảm co rút và tăng độ hồi ẩm; Dirk và cộng sự, Wang D. và Chang C.S. khẳng định sấy HP tiết kiệm chi phí; Strommen cùng Levent Taşeri chứng minh sấy HP tiêu thụ ít hơn 60% đến 80% năng lượng so với không khí nóng ở cùng nhiệt độ; Claussen I.C. nhấn mạnh khả năng kiểm soát đồng thời nhiệt độ và độ ẩm tác nhân sấy (TNS). Hạn chế chung của sấy HP đơn lẻ đối với thủy sản là thời gian sấy kéo dài (lên tới 10-11 giờ).
  • Sấy bằng bức xạ hồng ngoại (IR): Rosenthal I. xác định dải bước sóng nước hấp thụ năng lượng tối đa là 2,7 đến 25 µm; Krishnamurthy phân tích dao động phân tử nước dưới bức xạ IR; Matsuura M. khảo sát phổ hấp thụ của polyme sinh học, protein và lipid (hấp thụ mạnh ở dải 3-4 µm và 6-9 µm); Lê Như Chính, Lê Văn Hoàng đề xuất khoảng cách đèn sấy lớn hơn 300 mm. Về thực nghiệm, Nguyễn Thị Bích Thủy sấy lạc và thóc bằng IR; Supawan sấy tôm bằng công suất IR 500 W ở 70°C; Ratti C. sấy chuối, xoài rút ngắn thời gian 2 đến 3 lần. Nhược điểm của IR đơn lẻ là cường độ nhiệt lớn dễ làm cháy cục bộ, cong vênh và biến tính bề mặt vật liệu giàu đạm.
  • Sấy kết hợp bơm nhiệt và hồng ngoại (HP-IR): Trần Đại Tiến khảo sát sấy mực ở 35°C, 2 m/s, khoảng cách đèn 40 cm trong 10,2 giờ; Lê Như Chính, Phạm Văn Tùy, Trần Thị Bảo Tiên chế tạo máy sấy tầng sôi HP-IR cho lá hẹ (45°C, 6 m/s, công suất 4,2 kW). Trên thế giới, Mustafa Aktas chứng minh hệ thống IR kết hợp HP rút ngắn thời gian sấy 69% và giảm 43,2% năng lượng tiêu thụ; Yun Deng nghiên cứu sấy mực ống ở 50°C, 0,8 m/s; Xiaoyong Song, Song Xiaoyong chỉ ra sấy HP-IR làm giảm phản ứng Maillard; Muhmmed Hussain Riadh, Moses, Minea, Park J.H. và Lee J.M. khẳng định năng lượng IR là giải pháp bổ trợ để khắc phục nhược điểm kéo dài thời gian của bơm nhiệt.

Các hướng nghiên cứu về mô hình toán và mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền chất

  • Mô hình truyền nhiệt và truyền ẩm: Nguyễn Xuân Vượng thiết lập phương trình dẫn nhiệt một chiều có xét nguồn nhiệt thể tích do IR; Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự xây dựng mô hình truyền nhiệt dạng trụ cho sấy thăng hoa; Nguyễn Thị Yên giải phương trình dẫn nhiệt trong gỗ bằng biến đổi Laplace; Nguyễn Mạnh Hùng mô hình hóa TNTC một chiều cho lát khoai tây sấy lạnh; Trương Minh Thắng bổ sung yếu tố co rút vào mô hình sấy cà rốt.
  • Mô hình cho tôm và vật liệu xốp: Chalida Niamnuya và cộng sự xây dựng mô hình TNTC ba chiều theo định luật Fick cho tôm sấy tầng sôi; Worachard và cộng sự thiết lập hệ phương trình vi phân truyền nhiệt và khuếch tán ẩm hai chiều; Burubai W. mô tả chuyển động ẩm dạng lỏng trong tôm.
  • Lý thuyết truyền nhiệt truyền chất liên kết của A.V. Luikov: Luikov thiết lập hệ ba phương trình đạo hàm riêng mô tả liên kết chéo giữa gradient độ ẩm, gradient nhiệt độ và gradient áp suất tổng bên trong vật liệu mao quản xốp. Hầu hết các nghiên cứu tiếp theo (Brooker, Trần Văn Phú, Chalida Niamnuya, Worachard Chawanasporn) đều lược bỏ ảnh hưởng của gradient áp suất để đơn giản hóa bài toán.
  • Mô phỏng số: Chalida Niamnuya dùng COMSOL Multiphysics 3.3 mô phỏng tôm sấy không khí nóng ở 80°C, 100°C, 120°C; Worachard dùng FEMLAB mô phỏng tôm sấy ở 70°C. Cả hai công trình đều bỏ qua sự biến đổi áp suất mao quản và vận tốc dòng ẩm đối lưu.

Các hướng nghiên cứu về tối ưu hóa chế độ sấy

  • Phương pháp tối ưu đơn mục tiêu: Box-Wilson (cá cơm của tác giả mục [20], rong nho của tác giả mục [68]); nguyên lý vượt khe hướng chiếu Affine (tôm của tác giả mục [66], cá sấu của tác giả mục [67], lá hành của Phạm Văn Hậu).
  • Phương pháp tối ưu đa mục tiêu: Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) được sử dụng bởi R. Chakraborty (sấy thăng hoa tôm sú), Wen-Rong Fu (sấy tôm bằng IR), Nwakuba (sấy đậu bắp), Mahdis Mosayebi (sấy hạt hướng dương), Luo Lei (sấy kim ngân bằng HP-IR).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án kế thừa hệ phương trình Luikov nhưng không bỏ qua gradient áp suất; tích hợp định luật Darcy để mô tả vận tốc dòng ẩm đối lưu bên trong các mao quản do áp suất hơi hình thành dưới tác dụng nhiệt thể tích của bức xạ hồng ngoại. Đồng thời, mô hình tích hợp ảnh hưởng của độ co rút thể tích đến hệ số khuếch tán ẩm, xác định các thông số nhiệt vật lý phụ thuộc trực tiếp vào thành phần hóa học của tôm, và sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) trên nền tảng số liệu mô phỏng COMSOL Multiphysics để tìm chế độ sấy tối ưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình giải tích

Luận án xây dựng cơ sở lý thuyết dựa trên các định luật vật lý kinh điển áp dụng cho vật liệu mao quản xốp:

  • Định luật dẫn nhiệt Fourier: Mô tả sự truyền dẫn nhiệt trong khối cơ thịt tôm, có xét đến nguồn nhiệt thể tích bức xạ nội sinh ($q_{v,IR}$) và tính dị hướng của hệ số dẫn nhiệt (mô hình song song và vuông góc với thớ cơ).
  • Định luật khuếch tán thứ hai của Fick: Mô tả dòng ẩm dịch chuyển do chênh lệch nồng độ ẩm giữa bên trong và bề mặt.
  • Định luật Darcy: Mô tả dòng ẩm đối lưu dạng pha lỏng và pha hơi chuyển động qua cấu trúc mao quản dưới tác dụng của gradient áp suất tổng ($\Delta P$).
  • Định luật Lambert và Định luật Wien: Xác định độ sâu thâm nhập và bước sóng cực đại của bức xạ hồng ngoại vào mô cơ tôm.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng

  1. Mô hình hóa hình học: Tôm thẻ chân trắng được đo đạc kích thước thực tế sau khi xử lý (bỏ đầu, bóc vỏ, làm sạch nội tạng), xây dựng mô hình hình học không gian 2D và 3D trên phần mềm AutoCAD theo kích thước: chiều dài thân 70,8 mm; đường kính đốt đầu 14,5 mm; đường kính đốt đuôi 6,6 mm.
  2. Mô phỏng phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics để giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến ghép đôi giữa phương trình năng lượng, phương trình chuyển khối và phương trình áp suất mao quản.
  3. Thực nghiệm và chế tạo thiết bị:
    • Chế tạo hệ thống tủ sấy HP-IR đa năng kiểm soát độc lập nhiệt độ, vận tốc gió và khoảng cách bức xạ hồng ngoại.
    • Thiết kế đầu dò đo áp suất bên trong mô tôm bằng cách ứng dụng bộ kim tiêm truyền dịch trong ngành y tế kết hợp cảm biến áp suất để ghi nhận biến thiên áp suất thực nghiệm.
    • Đo độ xốp ($\varepsilon_p$) của mô cơ tôm thông qua xử lý ảnh thu thập từ kính hiển vi quang học.
  4. Phương pháp tối ưu hóa: Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) đa mục tiêu để xây dựng các hàm hồi quy và xác định giá trị tối ưu của các thông số đầu vào (nhiệt độ sấy, vận tốc gió, khoảng cách đèn IR).

Nguồn tư liệu và dữ liệu đầu vào

  • Số liệu thành phần hóa học của tôm thẻ chân trắng Việt Nam làm cơ sở tính toán nhiệt vật lý.
  • Dữ liệu thực nghiệm đo đạc từ hệ thống sấy HP-IR: nhiệt độ bề mặt đèn hồng ngoại ($t_{IR} = 160^\circ\text{C}$, tương đương $T_{IR} = 433\text{ K}$), kích thước cụm đèn ($0,25 \times 0,25\text{ m}$), khoảng cách sấy ($H = 0,35\text{ m}$).
  • Giá trị bước sóng cực đại tính theo định luật Wien đạt $\lambda_{max} = 6,69\text{ }\mu\text{m}$, độ sâu thâm nhập bức xạ vào thân tôm tính toán được là $\delta = 0,009\text{ m}$ ($9\text{ mm}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nguyên liệu và phương pháp sấy

Chương 1 tập trung khảo cứu các đặc tính sinh học, cấu trúc giải phẫu, thành phần hóa học của tôm thẻ chân trắng (Penaeus), cùng các biến đổi hóa lý diễn ra trong quá trình sấy khô.

Về phân bố và phân loại học, vùng biển Việt Nam có 255 loài tôm thuộc 68 giống; riêng họ Penaeidae có hơn 70 loài. Giống tôm thẻ Penaeus phân bố tập trung tại các tỉnh duyên hải miền Trung: Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa. Về cấu tạo cơ thể, tôm gồm ba phần chính: đầu, vỏ và cơ thịt. Tỷ lệ cơ thịt (phần ăn được) của tôm thẻ chiếm 60,00% khối lượng, đầu chiếm 31,00% và vỏ chiếm 9,00%.

Bộ phận cơ thể Tôm He Tôm Sú Tôm Chỉ Tôm Sắt Tôm Thẻ Tôm Rảo
Đầu (%) 29,80 31,40 31,55 31,95 31,00 31,75
Vỏ (%) 10,00 8,90 11,09 11,62 9,00 12,10
Phần cơ thịt (%) 60,20 50,70 57,36 56,43 60,00 56,75

Thành phần hóa học cơ bản của cơ thịt tôm thẻ chân trắng tươi gồm: nước chiếm 76,63%, protein chiếm 19,27%, tro chiếm 1,55%, lipit chiếm 0,92% và carbohydrate chiếm 1,63%.

Loài tôm Nước (%) Protein (%) Tro (%) Lipit (%) Carbohydrate (%)
Tôm He 77,00 20,00 1,63 0,70 0,67
Tôm Sú 75,90 21,00 1,42 1,07 0,61
Tôm Thẻ 76,63 19,27 1,55 0,92 1,63
Tôm Chỉ 75,98 18,97 1,28 0,93 2,84
Tôm Rảo 76,32 20,05 1,55 0,70 1,59
Tôm Sắt 76,56 19,05 1,44 0,60 1,76
Tôm Càng 76,65 18,97 1,14 1,19 2,05
Tôm Hùm 74,57 20,81 1,32 1,30 2,00

Các biến đổi hóa lý của nguyên liệu trong quá trình làm khô được phân tích chi tiết:

  • Biến đổi cấu trúc: Sự mất nước dẫn đến co rút các sợi cơ; sấy càng nhanh thì cấu trúc cơ thịt càng ít co rút, độ xốp cao và khả năng hồi ẩm tốt.
  • Biến đổi hóa học: Phản ứng oxy hóa lipit xảy ra dưới tác động của nhiệt độ và oxy không khí, phân hủy các axit béo không no thành peroxit, aldehit, cacboxyl gây mùi ôi khét; sự biến tính protein phụ thuộc vào nhiệt độ gia nhiệt; chất ngấm ra (chiếm 2% đến 3% khối lượng thịt tôm, quyết định mùi vị đặc trưng) bị phân hủy hoặc thất thoát nếu thời gian sấy kéo dài.
  • Sắc tố: Sắc tố astaxanthin liên kết với protein bị giải phóng khi gia nhiệt, chuyển vỏ và cơ thịt tôm sang màu đỏ hoặc vàng da cam.

Chương này cũng tổng kết các nghiên cứu về mô hình động học sấy bán thực nghiệm của A. Ajala, Suvarnakuta, Supawan Tirawanichakul với phương trình dạng hàm số mũ của tỷ lệ ẩm ($MR = \exp(-k\tau^n)$), phân chia hằng số $k, n$ cho tôm cỡ nhỏ (200 con/kg) và tôm cỡ lớn (100 con/kg) với hệ số xác định $R^2 = 0,96$.

Chương 2: Xây dựng mô hình toán và mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR

Chương 2 thiết lập hệ thống phương trình lý thuyết mô tả quá trình truyền nhiệt, truyền chất và phân bố áp suất bên trong tôm thẻ chân trắng.

Hệ giả thiết kỹ thuật của mô hình gồm:

  • Phương pháp sấy gián đoạn, năng suất nhỏ, vật liệu trải thành một lớp trên lưới sấy.
  • Nguồn nhiệt bức xạ hồng ngoại trao đổi liên tục và đồng đều.
  • Vận tốc và nhiệt độ của tác nhân sấy trên lưới và bề mặt tôm phân bố đều.
  • Vật liệu tôm đồng nhất, không phát sinh phản ứng hóa học tạo nhiệt; mật độ nguồn nhiệt thể tích $q_{v,IR}$ hoàn toàn do năng lượng hồng ngoại hấp thụ.
  • Nhiệt độ và độ ẩm ban đầu phân bố đồng nhất ($t_0 = 25^\circ\text{C}$, $M_0 = 2,333\text{ kg/kg vlk}$, tương đương $41.264,970\text{ mol/m}^3$).
  • Hệ số khuếch tán ẩm phụ thuộc vào nhiệt độ và độ co rút thể tích; hình dạng hình học được giả thiết giữ nguyên khung kích thước khi giải lưới phần tử hữu hạn.
  • Sự truyền ẩm diễn ra đồng thời ở cả pha lỏng và pha hơi.

Hệ phương trình vi phân chủ đạo được xây dựng:

  1. Phương trình truyền nhiệt: $$\rho C_{eq} \frac{\partial t}{\partial \tau} = \nabla \cdot (\lambda_{TB} \nabla t) + q_{v,IR}$$ Trong đó, $\lambda_{TB}$ là hệ số dẫn nhiệt trung bình tính từ mô hình dẫn nhiệt song song ($\lambda_{//}$) và vuông góc ($\lambda_{\perp}$) với thớ thịt cơ tôm: $\lambda_{TB} = (\lambda_{//} + \lambda_{\perp})/2$.
  2. Phương trình truyền ẩm: $$\frac{\partial M}{\partial \tau} = \nabla \cdot (D_{effST} \nabla M) - \nabla \cdot (\mathbf{u} M)$$ Phương trình gồm thành phần khuếch tán Fick (với hệ số khuếch tán $D_{effST}$ có xét ảnh hưởng của nhiệt độ và độ co rút) và thành phần dòng đối lưu mao quản vận tốc $\mathbf{u}$.
  3. Phương trình áp suất mao quản theo định luật Darcy: Vận tốc dòng ẩm đối lưu $\mathbf{u}$ trong cấu trúc mao quản xốp được liên kết với gradient áp suất tổng $\nabla P$: $$\mathbf{u} = -\frac{K K_{r}}{\mu} \nabla P$$ Áp suất hơi nước gia tăng do sự bay hơi nhanh của nước tự do dưới tác động của bức xạ xuyên thấu hồng ngoại, hình thành dòng đối lưu thoát ẩm từ tâm ra bề mặt ngoài.

Điều kiện biên truyền nhiệt và truyền chất:

  • Biên truyền nhiệt: Giai đoạn nâng nhiệt xét cân bằng giữa dòng nhiệt bức xạ hồng ngoại ($q_0$), nhiệt trao đổi đối lưu với không khí sấy qua hệ số $\alpha_{dl}$ và nhiệt ẩn hóa hơi; giai đoạn giảm tốc bổ sung thêm tổn thất bức xạ từ bề mặt tôm ra môi trường buồng sấy qua hệ số bức xạ $\alpha_{bx}$.
  • Biên truyền chất: Dòng ẩm khuếch tán và đối lưu đi tới bề mặt ngoài cân bằng với dòng bốc hơi vào tác nhân sấy: $$-D_{effST} \nabla M - \mathbf{u}M = \alpha_m (M_s - M_e)$$ Trong đó $\alpha_m$ là hệ số trao đổi chất, $M_s$ là độ ẩm bề mặt và $M_e$ là độ ẩm cân bằng tính theo nhiệt độ $t$ và độ ẩm tương đối $\varphi$ của không khí sấy.

Các thông số nhiệt vật lý của các thành phần hóa học trong tôm được xác định phụ thuộc vào nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$):

Thông số nhiệt vật lý Thành phần Phương trình theo nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$)
Hệ số dẫn nhiệt $\lambda$ ($\text{W/m}\cdot\text{K}$) Nước $\lambda_w = 0,571 + 1,762\cdot 10^{-3}t - 6,703\cdot 10^{-6}t^2$
Khối lượng riêng $\rho$ ($\text{kg/m}^3$) Nước $\rho_w = 997,18 + 3,144\cdot 10^{-3}t - 3,757\cdot 10^{-3}t^2$
Nhiệt dung riêng $C$ ($\text{kJ/kg}\cdot\text{K}$) Nước $C_w = 4,1762 - 9,086\cdot 10^{-5}t + 5,473\cdot 10^{-6}t^2$
Nhiệt dung riêng $C$ ($\text{kJ/kg}\cdot\text{K}$) Protein $C_p = 2,0082 + 1,2089\cdot 10^{-3}t - 1,3129\cdot 10^{-6}t^2$
Khuếch tán nhiệt $a$ ($10^{-7}\text{ m}^2/\text{s}$) Nước $a_w = 0,317 + 6,247\cdot 10^{-4}t - 3,504\cdot 10^{-6}t^2$

Các thông số đặc trưng sinh học và thủy lực học mao quản được xác lập:

  • Trạng thái bão hòa pha ban đầu: pha lỏng $S_l = 0,775$; pha hơi $S_v = 0,225$.
  • Độ thấm tương đối pha lỏng $K_{r,l} = S_l^3$; pha hơi $K_{r,v} = (1 - S_l)^2(1 - S_l^2)$.
  • Hệ số khuếch tán ẩm có xét co rút $D_{effST}$ liên kết giữa phương trình Arrhenius, chuỗi Fourier đường kính trung bình $d_{TB}$ và tỷ số co rút bán kính thân tôm.
  • Độ xốp mô cơ $\varepsilon_p$ xác định từ tỷ lệ diện tích lỗ mao quản trên ảnh kính hiển vi quang học: $\varepsilon_p = 1 - (A_{sd}/A_T)$.

Lưu đồ thuật toán trên COMSOL Multiphysics giải tuần tự theo bản chất vật lý: trường nhiệt độ $t(x,y,z,\tau)$ được giải trước từ phương trình năng lượng nhận bức xạ và đối lưu; nhiệt độ tâm tăng làm bay hơi nước cục bộ tạo áp suất $\Delta P$, tiếp đó giải phương trình dòng đối lưu Darcy để tìm trường áp suất $P(x,y,z,\tau)$; cuối cùng tích hợp vào phương trình truyền chất để tìm trường ẩm $M(x,y,z,\tau)$.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học lý luận

  • Phát triển mô hình toán học toàn diện mô tả quá trình truyền nhiệt và truyền chất liên kết trong vật liệu mao quản xốp tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR. Mô hình tích hợp đồng thời định luật dẫn nhiệt Fourier (có nguồn nhiệt thể tích bức xạ), định luật khuếch tán Fick và định luật Darcy mô tả động học dòng ẩm đối lưu do áp suất mao quản sinh ra.
  • Thiết lập phương pháp tính toán các thông số nhiệt vật lý phụ thuộc đồng thời vào nhiệt độ và thành phần hóa học chi tiết (nước, protein, lipit, tro, carbohydrate) của tôm thẻ chân trắng.
  • Đề xuất mô hình xác định hệ số khuếch tán ẩm hữu hiệu $D_{effST}$ có tính đến ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và độ co rút cơ học của thân tôm theo thời gian sấy.
  • Xây dựng quy trình mô phỏng số đồng thời trường nhiệt độ, trường áp suất và trường ẩm trên phần mềm COMSOL Multiphysics làm công cụ dự báo động học sấy.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và kỹ thuật

  • Thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống máy sấy bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại (HP-IR) có khả năng điều chỉnh linh hoạt các thông số công nghệ (nhiệt độ, vận tốc gió, khoảng cách và cường độ bức xạ hồng ngoại).
  • Sáng tạo giải pháp kỹ thuật sử dụng kim tiêm truyền dịch y tế làm đầu dò kết nối cảm biến đo áp suất cục bộ bên trong mô thịt tôm, cung cấp chuỗi số liệu thực nghiệm về áp suất mao quản phục vụ kiểm chứng mô hình toán.
  • Xác lập bộ cơ sở dữ liệu số về trường nhiệt, áp suất, độ ẩm và thông số nhiệt vật lý của tôm thẻ chân trắng Việt Nam trong suốt quá trình sấy khô.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng mô hình toán và phần mềm mô phỏng COMSOL Multiphysics vào công tác tính toán, thiết kế và tối ưu hóa kết cấu máy sấy HP-IR quy mô bán công nghiệp và công nghiệp nhằm rút ngắn chu kỳ thử nghiệm thực tế.
  • Sử dụng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu bề mặt đáp ứng (RSM) để thiết lập chế độ vận hành tối ưu nhằm hạ thấp suất tiêu hao năng lượng và duy trì chất lượng cảm quan, giá trị dinh dưỡng của tôm khô xuất khẩu.
  • Hoàn thiện và ban hành quy trình công nghệ chế biến tôm thẻ chân trắng khô bằng hệ thống HP-IR thay thế tập quán phơi nắng thủ công và lò sấy than củi tại các làng nghề ven biển.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế ghi nhận từ văn bản

  • Hệ phương trình toán học sử dụng giả thiết coi hình dạng hình học của con tôm là cố định trong quá trình phân chia lưới phần tử hữu hạn; ảnh hưởng của co rút mới chỉ được tích hợp gián tiếp thông qua công thức biến thiên của hệ số khuếch tán ẩm $D_{effST}$.
  • Mô hình giả định vật liệu sấy là đồng chất và không xét đến các phản ứng sinh hóa nội tại có thể phát sinh nhiệt hoặc làm biến đổi cục bộ tính chất mao quản trong quá trình làm khô.
  • Các điều kiện biên và thử nghiệm thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên chế độ sấy gián đoạn với vật liệu rải một lớp đơn trên lưới sấy, chưa mô phỏng cho lớp vật liệu dày hoặc cấu hình sấy liên tục.
  • Thông số nhiệt vật lý khi đưa vào giải mô hình được lấy giá trị trung bình tích phân trong quá trình sấy để đơn giản hóa quá trình hội tụ của bộ giải.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Phát triển mô hình mô phỏng chuyển động lưới biến dạng (ALE - Arbitrary Lagrangian-Eulerian) trên COMSOL để mô tả trực tiếp sự co ngót hình học đa chiều của con tôm theo thời gian thực.
  • Mở rộng nghiên cứu động học truyền nhiệt truyền chất cho lớp vật liệu sấy có độ dày lớn và dòng tác nhân sấy đảo chiều.
  • Khảo sát sự thay đổi hàm lượng vi chất dinh dưỡng và phản ứng biến tính protein ở cấp độ tế bào mô cơ tôm trong các pha sấy bức xạ khác nhau.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp giá trị học thuật và tài liệu kỹ thuật hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Cung cấp phương pháp luận mẫu mực về xây dựng mô hình toán kết hợp hiện tượng truyền nhiệt, khuếch tán ẩm và cơ học chất lưu mao quản (Darcy); kỹ thuật thiết lập điều kiện biên phức hợp và giải bài toán phi tuyến ghép đôi trên COMSOL Multiphysics.
  • Giảng viên và các nhà nghiên cứu Kỹ thuật Nhiệt - Máy lạnh, Công nghệ Thực phẩm: Nguồn dữ liệu tham khảo về các phương trình nhiệt vật lý theo nhiệt độ và thành phần hóa học của thủy sản; cơ sở lý thuyết về tương tác bức xạ hồng ngoại bước sóng trung và dài với phân tử nước trong thực phẩm.
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị và doanh nghiệp chế biến thủy sản: Bản vẽ hình học, thông số thông lượng bức xạ, giải pháp chế tạo cảm biến đo áp suất thực nghiệm và quy trình công nghệ chế biến tôm sấy bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại phục vụ sản xuất quy mô công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án khẳng định sấy tôm thẻ bằng bơm nhiệt đơn thuần (HP) vẫn chưa phải là giải pháp tối ưu?

Theo tổng quan luận án, phương pháp sấy bơm nhiệt (HP) có ưu điểm tiết kiệm năng lượng (tiêu thụ ít hơn 60% đến 80% so với sấy không khí nóng) và vận hành ở dải nhiệt độ thấp giúp bảo vệ chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của sấy HP khi áp dụng cho thủy sản là thời gian sấy kéo dài (nghiên cứu sấy mực ống phải mất tới 11 giờ). Do đó, cần kết hợp năng lượng bức xạ hồng ngoại (IR) để bổ sung nhiệt thể tích, tăng tốc độ thoát ẩm và rút ngắn chu kỳ sấy.

2. Sự xuất hiện của áp suất bên trong mao quản con tôm được giải thích bằng cơ chế vật lý nào?

Dưới tác dụng của tia hồng ngoại bước sóng $\lambda_{max} = 6,69\text{ }\mu\text{m}$, bức xạ đâm xuyên vào sâu bên trong thân tôm (độ sâu thâm nhập tính toán đạt $\delta = 9\text{ mm}$). Nước tự do trong các mao quản hấp thụ mạnh năng lượng bức xạ, dao động phân tử sinh nhiệt và bay hơi cục bộ làm tăng áp suất hơi nước bão hòa bên trong lòng vật liệu, tạo nên chênh lệch áp suất ($\Delta P$) giữa tâm và bề mặt ngoài. Chênh lệch này hình thành dòng ẩm đối lưu chuyển động theo định luật Darcy thoát nhanh ra bề mặt.

3. Tác giả đã giải quyết bài toán đo áp suất nội tại của con tôm trong thực nghiệm bằng cách nào?

Để thu thập số liệu áp suất thực nghiệm bên trong cấu trúc mao quản con tôm nhằm kiểm chứng mô hình toán Luikov, tác giả đã chế tạo bộ đầu dò đặc thù bằng cách ứng dụng kim tiêm truyền dịch trong ngành y tế cắm trực tiếp vào tâm thân tôm, kết nối với cảm biến ghi nhận tín hiệu áp suất trong suốt chu trình sấy.

4. Hệ số dẫn nhiệt của tôm thẻ chân trắng được tính toán dựa trên những yếu tố nào trong mô hình?

Hệ số dẫn nhiệt không dùng một giá trị cố định mà được xác định từ thành phần thể tích và phương trình dẫn nhiệt theo nhiệt độ của 5 cấu tử hóa học cơ bản: nước, protein, lipit, tro và carbohydrate. Đồng thời, mô hình tính đến tính dị hướng của thớ thịt bằng cách lấy trung bình cộng giữa hệ số dẫn nhiệt theo hướng song song ($\lambda_{//}$) và hướng vuông góc ($\lambda_{\perp}$) với thớ cơ: $\lambda_{TB} = (\lambda_{//} + \lambda_{\perp})/2$.

5. Phương pháp tối ưu hóa nào được lựa chọn để xác định chế độ sấy và vì sao?

Luận án lựa chọn phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) tối ưu hóa đa mục tiêu. Qua tổng quan tài liệu, các phương pháp như Box-Wilson hay nguyên lý vượt khe Affine đòi hỏi lập trình giải thuật phức tạp và thường chỉ áp dụng cho bài toán đơn mục tiêu. RSM cho phép thiết lập quan hệ định lượng giữa nhiều biến đầu vào (nhiệt độ, vận tốc gió, khoảng cách đèn IR) đến các hàm mục tiêu (thời gian sấy, tỷ lệ hồi ẩm, suất tiêu hao năng lượng) một cách hiệu quả và trực quan.

Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán mô hình hóa quá trình truyền nhiệt và truyền chất liên kết trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại (HP-IR). Bằng việc đưa gradient áp suất mao quản theo định luật Darcy và độ co rút thể tích vào hệ phương trình vi phân liên kết, công trình đã làm sáng tỏ quy luật vận động của trường nhiệt, trường ẩm và áp suất nội sinh trong vật liệu sấy sinh học. Kết quả nghiên cứu không chỉ bổ sung cơ sở lý luận cho lý thuyết sấy vật liệu mao quản xốp mà còn cung cấp giải pháp kỹ thuật chế tạo thiết bị và quy trình sấy tôm khô xuất khẩu có hiệu quả năng lượng cao cho ngành thủy sản Việt Nam.