Tổng quan nghiên cứu

Ngành kỹ thuật lạnh tại Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực bảo quản và chế biến thủy sản. Với bờ biển dài hơn 3200 km cùng hệ thống sông ngòi phong phú, nguồn nguyên liệu thủy sản của Việt Nam rất dồi dào, trong đó cá hồi SaPa là một sản phẩm có giá trị kinh tế và dinh dưỡng cao. Sản lượng thủy sản đánh bắt và nuôi trồng hàng năm rất lớn, tuy nhiên việc bảo quản sau thu hoạch vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là quá trình cấp đông nhằm giữ nguyên chất lượng sản phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích và mô phỏng quá trình cấp đông cá hồi SaPa nhằm xác định thời gian cấp đông tối ưu, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ cấp đông, tốc độ gió và kích thước miếng cá đến chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi cá hồi fillet có kích thước chuẩn, sử dụng thiết bị cấp đông gió tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2021.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho các doanh nghiệp chế biến thủy sản trong việc lựa chọn phương pháp cấp đông phù hợp, tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm xuất khẩu. Kết quả nghiên cứu góp phần giảm hao hụt khối lượng, tăng doanh thu và phát triển bền vững ngành thủy sản Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình về truyền nhiệt không ổn định trong thực phẩm cấp đông, bao gồm:

  • Phương trình dẫn nhiệt phi tuyến mô tả sự biến đổi nhiệt độ trong cá hồi fillet trong quá trình cấp đông, kết hợp với điều kiện biên loại 3 (điều kiện liên hợp) để mô tả trao đổi nhiệt giữa sản phẩm và môi trường cấp đông.

  • Mô hình tính chất nhiệt vật lý phụ thuộc nhiệt độ: Nhiệt dung riêng, khối lượng riêng và hệ số dẫn nhiệt của cá hồi được xác định theo các công thức thực nghiệm của các tác giả như Chen, Schwartzberg, Murakami và Okos, trong đó tính đến sự thay đổi pha lỏng-rắn và hàm lượng băng trong sản phẩm.

  • Mô hình mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) được sử dụng để mô phỏng trường nhiệt độ và vận tốc gió trong buồng cấp đông, giúp phân tích ảnh hưởng của luồng khí đến quá trình cấp đông.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt dung riêng, khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, chuyển pha nước thành băng, và ảnh hưởng của tốc độ gió và nhiệt độ môi trường đến tốc độ kết đông.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các thí nghiệm cấp đông cá hồi fillet trong buồng cấp đông gió với các chế độ nhiệt độ từ -25°C đến -45°C, tốc độ gió 4 m/s, sử dụng thiết bị Benary Refrigeration Trainer (Model KTE-5000LT). Nhiệt độ tại tâm, giữa và bề mặt miếng cá được đo liên tục bằng cảm biến nhiệt độ chính xác.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán các tính chất nhiệt vật lý của cá hồi theo nhiệt độ, kết hợp với mô hình số giải phương trình dẫn nhiệt bằng phương pháp thể tích hữu hạn. Mô phỏng CFD được thực hiện trên phần mềm ANSYS Fluent với mô hình 3D buồng cấp đông và miếng cá hồi hình hộp kích thước 170x50x40 mm.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong năm 2021, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu thực nghiệm, xây dựng mô hình tính toán, mô phỏng và so sánh kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ cấp đông đến thời gian kết đông: Thời gian cấp đông giảm khi nhiệt độ môi trường cấp đông giảm từ -25°C đến -45°C. Ví dụ, thời gian cấp đông tại tâm miếng cá giảm từ khoảng 38 phút ở -25°C xuống còn khoảng 20 phút ở -45°C. Tuy nhiên, sự giảm thời gian cấp đông không còn đáng kể khi nhiệt độ thấp hơn -30°C, cho thấy việc chọn nhiệt độ cấp đông quá thấp có thể gây lãng phí năng lượng.

  2. Phân bố nhiệt độ trong miếng cá hồi: Tốc độ kết đông nhanh nhất ở bề mặt ngoài, tiếp theo là vùng giữa và chậm nhất tại tâm miếng cá. Điều này được giải thích do sự tiếp xúc trực tiếp của bề mặt với không khí lạnh và quá trình dẫn nhiệt từ trong ra ngoài.

  3. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng: Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ và thời gian cấp đông có sự sai khác với thực nghiệm, trong đó thời gian cấp đông mô phỏng dài hơn khoảng 2-3 lần so với thực nghiệm. Nguyên nhân do mô hình giả định hệ số dẫn nhiệt vuông góc với thớ cá hồi, bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường và điều kiện thực tế không đồng nhất.

  4. Mô phỏng quá trình chuyển pha: Mô phỏng CFD thể hiện rõ quá trình hình thành và phát triển pha rắn từ bề mặt vào sâu trong miếng cá, với vùng chuyển pha kéo dài trong thời gian cấp đông. Vector vận tốc gió phân bố đều trong buồng cấp đông, vận tốc cao nhất tại vị trí tiếp xúc với miếng cá, giảm dần về phía đáy buồng.

Thảo luận kết quả

Sự biến đổi tính chất nhiệt vật lý theo nhiệt độ, đặc biệt là nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ kết đông. Kết quả thực nghiệm cho thấy việc lựa chọn nhiệt độ cấp đông hợp lý (khoảng -30°C) vừa đảm bảo chất lượng sản phẩm vừa tiết kiệm năng lượng. Mô hình số và mô phỏng CFD cung cấp công cụ hữu ích để dự đoán trường nhiệt độ và thời gian cấp đông, tuy nhiên cần cải tiến mô hình tính chất nhiệt vật lý và điều kiện biên để nâng cao độ chính xác.

Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian tại các vị trí trong miếng cá có thể được trình bày để minh họa rõ ràng quá trình chuyển pha và tốc độ làm lạnh. Bảng so sánh thời gian cấp đông thực nghiệm và mô phỏng cũng giúp đánh giá hiệu quả mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Cải tiến mô hình tính chất nhiệt vật lý: Phát triển hàm UDF chính xác hơn để xác định hệ số dẫn nhiệt của cá hồi trong quá trình cấp đông, nhằm nâng cao độ chính xác của mô phỏng CFD.

  2. Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện thêm các thí nghiệm với các kích thước miếng cá khác nhau, tốc độ gió cấp và vị trí đặt mẫu trong buồng cấp đông để đánh giá toàn diện ảnh hưởng đến tốc độ kết đông.

  3. Nghiên cứu hao hụt khối lượng: Đánh giá mức độ hao hụt khối lượng cá hồi trong quá trình cấp đông dưới các điều kiện nhiệt độ và vận tốc gió khác nhau, từ đó xây dựng cẩm nang hướng dẫn cho doanh nghiệp.

  4. Ứng dụng công nghệ mô phỏng: Khuyến khích các doanh nghiệp chế biến thủy sản áp dụng mô phỏng CFD để thiết kế và tối ưu hóa hệ thống cấp đông, tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp chế biến thủy sản: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu quy trình cấp đông, giảm hao hụt và nâng cao chất lượng sản phẩm xuất khẩu.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt, công nghệ thực phẩm: Tham khảo phương pháp mô phỏng và phân tích quá trình cấp đông thực phẩm, đặc biệt là cá hồi.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển ngành thủy sản: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ bảo quản thủy sản.

  4. Nhà cung cấp thiết bị cấp đông: Nắm bắt yêu cầu kỹ thuật và đặc tính sản phẩm để thiết kế thiết bị phù hợp với thực tế thị trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nhiệt độ cấp đông quá thấp không làm giảm đáng kể thời gian cấp đông?
    Do sự thay đổi tính chất nhiệt vật lý và giới hạn truyền nhiệt trong sản phẩm, khi nhiệt độ quá thấp, tốc độ truyền nhiệt không tăng tương ứng, dẫn đến hiệu quả giảm thời gian cấp đông không đáng kể.

  2. Mô hình CFD có thể thay thế hoàn toàn thí nghiệm thực tế không?
    Mô hình CFD là công cụ hỗ trợ đắc lực nhưng không thể thay thế hoàn toàn thí nghiệm do các giả định và sai số trong mô hình. Cần kết hợp cả hai để có kết quả chính xác.

  3. Ảnh hưởng của kích thước miếng cá đến quá trình cấp đông như thế nào?
    Kích thước lớn làm tăng thời gian cấp đông do khoảng cách truyền nhiệt lớn hơn, đồng thời ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ và chất lượng sản phẩm.

  4. Làm thế nào để giảm hao hụt khối lượng trong quá trình cấp đông?
    Kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm môi trường cấp đông, sử dụng bao bì phù hợp và tối ưu tốc độ gió giúp giảm bay hơi nước và hao hụt khối lượng.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại thủy sản khác không?
    Các nguyên lý và phương pháp mô phỏng có thể áp dụng, tuy nhiên cần điều chỉnh thông số nhiệt vật lý phù hợp với từng loại thủy sản cụ thể.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ gió đến quá trình cấp đông cá hồi SaPa, với thời gian cấp đông giảm khi nhiệt độ cấp đông giảm nhưng hiệu quả không tăng đáng kể dưới -30°C.
  • Mô hình tính chất nhiệt vật lý và mô phỏng CFD cung cấp công cụ dự đoán trường nhiệt độ và thời gian cấp đông, hỗ trợ thiết kế quy trình cấp đông hiệu quả.
  • Kết quả thực nghiệm và mô phỏng có sự sai khác do các giả định và điều kiện thực tế, cần cải tiến mô hình để nâng cao độ chính xác.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu về kích thước mẫu, vận tốc gió và hao hụt khối lượng nhằm hoàn thiện cẩm nang kỹ thuật cho doanh nghiệp.
  • Khuyến khích ứng dụng công nghệ mô phỏng trong thiết kế và vận hành hệ thống cấp đông thủy sản để tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh và bảo quản thủy sản, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các doanh nghiệp và nhà quản lý trong ngành. Đề nghị các bên liên quan tiếp tục đầu tư nghiên cứu và ứng dụng để phát triển ngành thủy sản Việt Nam bền vững.