Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Nhiệt: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án nhằm nghiên cứu khả năng sấy bằng bơm nhiệt kết hợp với hồng ngoại(HP-IR) cho các sản phẩm thủy sản và tôm sau thu hoạch; nghiên cứu xây dựng mô hình toán, mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền chất bên trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR, xác định chế độ sấy tối ưu, thời gian sấy làm cơ sở thiết kế và chế tạo máy sấy tôm thẻ chân trắng bằng HP-IR; đềxuất quy trình chế biến tôm thẻ chân trắng khô sấy bằng HP-IR.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Nhiệt: 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

MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Việt Nam là nước có tổng chiều dài bờ biển là 3670 km, xếp thứ 32 trong 156 quốc gia và vùng lãnh thổ có biển. Đây là một điều kiện tự nhiên hết sức thuận lợi cho việc khai thác và nuôi trồng thủy sản. Theo hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam (VASEP), năm 2019 xuất khẩu tôm của Việt Nam ước đạt 3,38 tỷ USD. Trong đó, tôm thẻ chân trắng đông lạnh xuất khẩu đạt 2,36 tỷ USD chiếm 70% giá trị tôm xuất khẩu, mặt hàng tôm khô chế biến cũng đã tăng 40,7% so với cùng kỳ năm 2018 [1]. Tuy nhiên, hiện nay chất lượng sản phẩm tôm khô xuất khẩu ở nước ta còn nhiều hạn chế và chủ yếu là chế biến nhỏ lẻ, thủ công từ các làng nghề bằng phương pháp truyền thống như phơi nắng. Phương pháp phơi nắng có một số nhược điểm như nhiệt độ sấy phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và thời gian làm khô quá dài làm cho chất lượng tôm bị giảm đáng kể. Hiện nay, một số làng nghề chế biến tôm khô vẫn sử dụng các dạng lò sấy tự chế dùng nhiên liệu than đá, củi hoặc bộ phận gia nhiệt bằng điện trở,... Các thiết bị này thường có nhiệt độ sấy cao làm cho protein dễ bị biến tính và màu sắc, mùi vị của sản phẩm cũng bị biến đổi nhiều [2, 3]. Ngoài ra vấn đề về vệ sinh, an toàn thực phẩm không đảm bảo khi sấy bằng phương pháp này cũng làm giảm giá trị sử dụng, giá trị kinh tế và làm cho sản phẩm khô không đủ tiêu chuẩn để xuất khẩu [3]. Do vậy, việc nghiên cứu một phương pháp sấy có thể ứng dụng cho sấy thủy sản nói chung và đặc biệt là tôm thẻ nói riêng là vấn đề cấp thiết trong thực tế. Bên cạnh đó, các nghiên cứu về sấy tôm hiện nay còn rất hạn chế và tập trung nhiều về nghiên cứu quy trình sấy, đánh giá chất lượng tôm sấy mà chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về quá trình truyền nhiệt, truyền chất (TNTC) trong con tôm khi sấy, cũng như xác định các thông số đặc trưng của quá trình TNTC, thông số nhiệt vật lý và hiện tượng co rút của con tôm theo thời gian sấy. Đặc biệt, nghiên cứu mô phỏng quá TNTC để thấy được sự thay đổi cũng như những tác động đồng thời của các thông số như nhiệt độ, áp suất và hàm lượng ẩm bên trong con tôm thẻ đến tốc độ và thời gian sấy ở trong và ngoài nước còn là vấn đề cần được nghiên cứu làm rõ. Như vậy, việc nghiên cứu xác định phương pháp sấy, xây dựng mô hình toán, giải bài toán và mô phỏng quá trình TNTC trong con tôm, từ đó tối ưu hóa quá trình và xác định chế độ sấy tối ưu 1
cho tôm thẻ chân trắng sao cho chất lượng tôm khô được đảm bảo và giảm chi phí năng lượng là cần thiết và thời sự trong bối cảnh kính tế, năng lượng của nước ta hiện nay. Xuất phát từ ý nghĩa, yêu cầu thực tiễn trên và qua kết quả nghiên cứu tổng quan của luận án, tác giả đã chọn đề tài “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“. Đây là đề tài cần thiết cho sự phát triển của ngành thuỷ sản Việt Nam. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Luận án được thực hiện với các mục đích nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu khả năng sấy bằng bơm nhiệt kết hợp với hồng ngoại (HP-IR) cho các sản phẩm thủy sản và tôm sau thu hoạch. - 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, thời gian sấy làm cơ sở thiết kế và chế tạo máy sấy tôm thẻ chân trắng bằng HP-IR. - Đề xuất quy trình chế biến tôm thẻ chân trắng khô sấy bằng HP-IR. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Luận án được thực hiện với các nội dung nghiên cứu sau đây: - Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô tả quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR. - Xây dựng điều kiện biên và phương pháp giải mô hình toán quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ sấy bằng HP-IR. - Nghiên cứu phương pháp xác định các thông số nhiệt vật lý và các thông số đặc trưng sinh học của con tôm thẻ chân trắng. - Lập trình mô phỏng quá trình TNTC trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR có xem xét đến ảnh hưởng của áp suất bên trong các mao quản và độ co rút của con tôm thẻ đến quá trình truyền ẩm trong tôm theo thời gian sấy. - Nghiên cứu xác định chế độ sấy tối ưu cho tôm thẻ bằng phương pháp mô phỏng quá trình TNTC và phương pháp thực nghiệm. Đánh giá khả năng sử dụng phương pháp mô phỏng vào thực tiễn để giảm chi phí năng lượng và thời gian. - Đánh giá chất lượng và hiệu quả năng lượng quá trình sấy tôm khô ở chế độ sấy tối ưu so với các phương pháp sấy khác. 2
- Đề xuất quy trình chế biến tôm thẻ chân trắng khô sấy bằng HP-IR xuất khẩu. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án được thực hiện với các phương pháp nghiên cứu như sau: - Tính toán lý thuyết. - Mô phỏng toán học quá trình TNTC, xác định trường nhiệt độ, áp suất và hàm lượng ẩm bên trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR. - Thực nghiệm kiểm chứng để áp dụng thực tế. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Quá trình truyền nhiệt và truyền chất bên trong VLS. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu xây dựng mô hình toán về TNTC, xác định các thông số nhiệt vật lý theo nhiệt độ và thành phần hóa học của con tôm thẻ chân trắng; xác định các thông số sinh học đặc trưng của quá trình TNTC trong con tôm thẻ; xác định điều kiện biên truyền nhiệt, truyền chất từ đó mô phỏng quá trình TNTC xác định chế độ tối ưu cho tôm thẻ bằng HP-IR. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN Đóng góp về khoa học: Phương pháp luận nghiên cứu, phát triển lý thuyết về TNTC và thực nghiệm để phục vụ cho chế biến tôm thẻ chân trắng Việt Nam. Cụ thể là các phương pháp như sau: - Mô hình toán về TNTC, điều kiện biên phù hợp với VLS là con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR. - Phương pháp xác định các thống số nhiệt vật lý, các thông số đặc trưng của quá trình TNTC trong con tôm thẻ chân trắng. - Phương pháp xác định chế độ sấy cho tôm thẻ bằng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu từ số liệu mô phỏng trên phần mềm COMSOL Multiphysics. Đóng góp về thực tiễn: - Ứng dụng số liệu về thông số nhiệt vật lý và các thông số đặc trưng để mô phỏng quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR. - Ứng dụng số liệu về sự biến đổi của nhiệt độ, áp suất và hàm lượng ẩm bên trong con tôm thẻ theo thời gian để nghiên cứu động học quá trình sấy. - Ứng dụng các phương trình hồi quy dự đoán thời gian sấy, tỷ lệ HNPH, suất tiêu hao năng lượng vào thiết kế máy sấy tôm đảm bảo chất lượng và hiệu quả năng lượng. 3
- Ứng dụng chế độ sấy tối ưu, quy trình chế biến tôm thẻ chân trắng khô vào thực tế sản xuất đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế biển tại Việt Nam. CÁC KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN Kết quả nghiên cứu lý thuyết: - Kế thừa và phát triển mô hình toán về TNTC trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR. Trong đó bao gồm phương trình truyền nhiệt theo định luật Fourier; phương trình truyền ẩm được kết hợp giữa định luật Fick và định luật Darcy. Đặc biệt phương trình dòng ẩm đối lưu theo định luật Darcy đã mô tả được sự thay đổi của áp suất bên trong con tôm thẻ theo thời gian sấy. - Đề xuất phương pháp xác định thông số nhiệt vật lý và các thông số đặc trưng của quá trình TNTC bên trong con của tôm thẻ chân trắng trước và trong quá trình sấy. - Đề xuất phương pháp xác định chế độ sấy tối ưu cho tôm thẻ bằng HP-IR. - Đề xuất phương pháp đánh giá chất lượng và hiệu quả năng lượng trong quá trình sấy tôm thẻ chân trắng bằng HP-IR. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm: - Xây dựng và chế tạo mô hình nghiên cứu thực nghiệm bao gồm máy sấy HP- IR có thể vận hành được với nhiều chế độ sấy phù hợp với yêu cầu nghiên cứu. Đặc biệt, thiết bị đo áp suất bên trong con tôm đã ứng dụng được bộ kim tiêm truyền dịch trong ngành Y tế làm đầu dò lấy tín hiệu áp suất trong VLS đáp ứng yêu cầu nghiên cứu của luận án. - Số liệu áp suất bên trong con tôm có thể phục vụ cho nghiên cứu quy luật TNTC trong quá trình sấy. - Số liệu về thông số nhiệt vật lý, các thông số sinh học đặc trưng đáp ứng yêu cầu giải mô hình toán về TNTC trong quá trình sấy tôm thẻ bằng HP-IR. Kết quả ứng dụng: - Ứng dụng số liệu về hàm lượng ẩm, tốc độ sấy, trường nhiệt độ và thời gian sấy vào mô phỏng, thiết kế và chế tạo máy sấy tôm thẻ bằng HP-IR. - Ứng dụng phương pháp sấy, chế độ sấy tối ưu để xây dựng quy trình chế biến tôm khô sấy bằng HP-IR xuất khẩu. 4
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nguyên liệu và phương pháp sấy 1.1.1. Tôm thẻ chân trắng Việt Nam Các nghiên cứu gần đây cho thấy thành phần của tôm biển rất phong phú. Tổng số họ penaeidae hiện nay có 5 họ (trước đây có 4 họ, đó là Aristeidae, Benthesicymidae, penaeidae, Sicyonidae và Solenoceridae). Theo điều tra sơ bộ thì ở vùng biển Việt Nam đã xác định được 255 loài, thuộc 68 giống. Trong đó, họ tôm penaeidae chiếm trên 70 loài được phân bố rộng rãi ở vùng biển ven bờ, xa bờ và các lưu vực sông. Hiện nay, có 4 giống quan trọng đối với nghề nuôi và khai thác: Penaeus, Fenneropenaeus, Matapenaeus và Matapenaeopsis. Đặc biệt, giống tôm thẻ Penaeus được tập trung nhiều ở các vùng biển như Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa [2]. 1.1.1.1. Thành phần cấu tạo của tôm Thành phần cấu tạo của tôm là tỷ lệ phần trăm về khối lượng của các phần trong cơ thể so với toàn bộ cơ thể nguyên liệu (% khối lượng). Thành phần cấu tạo của tôm biến đổi theo giống loài, giới tính, thời tiết, khu vực sinh sống, trạng thái sinh lý, mức độ trưởng thành. Thành phần cấu của tôm được chia ra các phần cơ thịt, đầu và vỏ. Trong đó phần ăn được là cơ thịt, phần còn lại là phế phẩm dùng trong sản xuất thức ăn chăn nuôi và nguyên liệu trong công nghiệp [2]. Bảng 1.1. Thành phần cấu tạo của một số loài tôm, % (khối lượng) [2] Bộ phận Loài tôm 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 1.1.1.2. Thành phần hóa học của tôm Thành phần hóa học của thịt tôm gồm có: nước, protein, lipit, gluxit, khoáng, vitamin, enzym, hoocmon, sắc tố,… Những thành phần có khối lượng lớn là nước, protein, lipit (Bảng 1.2). 5
Bảng 1.2. Thành phần hóa học cơ bản của một số loài tôm, % (khối lượng tươi) [2] Loài tôm Thành phần hóa học 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 a) Protein Protein là thành phần chủ yếu trong cơ thịt tôm, chiếm 70% đến 80% tỷ lệ chất khô. Protein trong tôm thường liên kết với các hợp chất hữu cơ khác như lipit, axit nucleic, glycogel,…Protein khi liên kết với các chất khác sẽ tạo thành phức chất phức tạp và có đặc tính sinh học khác nhau. Thành phần cấu tạo nên protein là các axit amin. Hiện nay, người ta phát hiện được 25 loại axit amin có trong thành phần của các tổ chức cơ thịt của động vật thủy sản, trong đó tôm thẻ chiếm trên 19 loại axit amin. Giá trị dinh dưỡng của thịt tôm thẻ cao là do chúng chứa đầy đủ các axit amin mà đặc biệt là các axit amin cưỡng bức. Hàm lượng Protein trong tôm tương đương hoặc cao hơn thịt gia súc, gia cầm và cá [2]. b) Lipit và gluxit Trong thịt tôm chứa rất ít mỡ, mỡ chiếm từ 1,0% đến 1,8%. Thành phần chủ yếu của lipit là photpholipit và lipit trung tính. Hàm lượng gluxit rất bé chỉ chiếm khoảng 0,4% đến 1,5%, chủ yếu là glycogel [2]. c) Chất ngấm ra trong tôm Khi ta ngâm động vật thủy sản vào trong nước ấm hoặc nước nóng, sẽ có một số chất trong tổ chức cơ thịt hòa tan ra gọi là chất ngấm ra hay chất rút. Hàm lượng chất ngấm ra thay đổi theo từng loại động vật thủy sản nhưng nói chung chiếm 2% đến 3% thịt tôm tươi, trong đó có khoảng 1/3 là chất hữu cơ mà phần lớn là các chất hữu cơ có đạm, phần còn lại là chất vô cơ. Lượng chất ngấm ra, về mặt dinh dưỡng 6
không lớn lắm nhưng đóng một vai trò quan trọng, bởi vì nó quyết định mùi vị đặc trưng của mỗi loại sản phẩm. d) Các vitamin và khoáng chất Lượng vitamin và khoáng chất của tôm đặc trưng theo loài và biến đổi theo mùa vụ. Nhìn chung, thịt tôm giàu vitamin A, vitamin B,…Về mặt chất khoáng, thịt tôm được coi là nguồn quý về calcium và phốt pho nói riêng nhưng nó cũng là nguồn quý về cung cấp chất sắt [2]. e) Các sắc tố trong tôm Tôm có chứa nhiều sắc tố khác nhau nhưng chủ yếu là astaxanthin. Astaxanthin kết hợp với protein tạo thành nhiều màu sắc khác nhau như vàng da cam, hồng, tím, nâu, xanh, lục,…Tuy nhiên, tôm sau khi bị gia nhiệt như luộc, nấu thì vỏ của chúng đều biến thành màu vàng hay đỏ tím [2]. f) Hàm lượng nước trong tôm Cơ thịt tôm chứa 70% đến 80% nước. Hàm lượng này tùy thuộc vào giống loài tôm, tình trạng dinh dưỡng của tôm. Nước còn ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan của thực phẩm nói chung và tôm nói riêng. Tuy nhiên, hàm lượng nước cao sẽ làm cho nguyên liệu tôm dễ bị dập nát tạo điều kiện cho enzym và vi sinh vật hoạt động và phát triển [2]. g) Enzym Enzym của động vật thủy sản nói chung và tôm nói riêng có hoạt động mạnh hơn enzym của động vật trên cạn. Trong quá trình bảo quản người ta cần ức chế hoạt động của chúng để kéo dài thời gian bảo quản [2]. 1.1.1.3. Các biến đổi của tổ chức cơ thịt tôm thẻ trong quá trình sấy khô Trong quá trình làm khô, do mất nước nên tổ chức của nguyên liệu co rút lại chặt chẽ hơn và sự biến đổi đó khác nhau theo phương pháp sấy. Quá trình sấy càng nhanh, tổ chức cơ thịt của nguyên liệu càng ít bị co rút, tổ chức cơ thịt của sản phẩm sau khi sấy xốp, mức độ hút nước tốt và khả năng phục hồi về trạng thái ban đầu tốt. Nhìn chung, các sản phẩm đã sấy bằng phương pháp nào đi nữa thì cũng không trở lại trạng thái ban đầu được. Do đó, chất lượng của sản phẩm cũng bị giảm đi phần nào so với nguyên liệu tươi [2]. 7
1.1.1.4. Biến đổi hóa học a) Sự thối rữa và oxy hóa lipit Phản ứng thuỷ phân lipit xảy ra cả khi có enzym cũng như không có enzym xúc tác. Phản ứng xảy ra trong môi trường đồng thể, khi nước hòa tan trong chất béo mới tham gia phản ứng. Ở nhiệt độ bình thường, tốc độ thủy phân rất bé. Tuy nhiên, khi có enzym thì phản ứng xảy ra ở mặt tiếp xúc giữa nước và lipit tăng lên. Enzym lipaza có sẵn trong tôm hoặc do vi sinh vật ở ngoài mang vào. Hiện tượng thủy phân lipit thường xảy ra trong giai đoạn đầu của quá trình sấy. Trong quá trình sấy, bảo quản tôm, các chất béo là lipit và các axit béo rất dễ bị xảy ra hiện tượng ôxy hoá. Quá trình ôxy hoá càng nhanh khi lipit và axit béo tiếp xúc với không khí có nhiệt độ cao [2]. Nhiệt độ: Nhiệt độ làm tăng quá trình phát triển của các gốc tự do làm ảnh hưởng đến tốc độ ôxy hoá. Độ ẩm: Độ ẩm cao thì tốc độ ôxy hoá càng mạnh do tăng bề mặt tiếp xúc giữa lipit và nước, lúc này xảy ra quá trình thủy phân chất béo để tạo thành axit béo, các axit béo này tham gia vào quá trình ôxy hoá. Tôm nguyên liệu giàu hàm lượng các axit béo, đặc biệt là các axit béo không no một nối đôi, axit béo không no nhiều nối đôi và axit béo không no cao độ. Các axit béo trên trong môi trường không khí dưới tác dụng của nhiệt sẽ bị ôxy hóa và tạo ra những gốc tự do. Các gốc tự do này gặp ôxy trong không khí sẽ chuyển thành peroxit và phản ứng cứ xảy ra liên tục tạo thành những chất như aldehit, cacboxyl, cacbua hydrô,…là những chất làm cho sản phẩm có mùi hôi khó chịu. Quá trình ôxy hóa làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của sản phẩm trong quá trình sấy và bảo quản tiếp theo như giảm giá trị dinh dưỡng. Do vậy, nên sấy, bảo quản tôm ở nhiệt độ thấp và hạn chế sự tiếp xúc của tôm khô với ôxy trong không khí thì chất lượng sản phẩm sẽ được cải thiện tốt hơn [2]. b) Sự biến tính protein Sự biến tính của protein phụ thuộc vào VLS, nếu VLS đã được gia nhiệt thì protein ít biến đổi vì đã biến đổi từ trước. Vật liệu đã ướp muối và điều kiện làm khô tốt thì protein ít biến đổi, nếu điều kiện làm khô không tốt thì ngược lại. Nhiệt độ là nhân tố ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng sản phẩm trong quá trình sấy [2]. 8
c) Sự biến đổi thành phần của chất ngấm ra Trong quá trình làm khô, thành phần của chất ngấm ra biến đổi nhiều. Đặc biệt là tôm tươi làm khô trực tiếp. Mùi, vị của sản phẩm khô do nhiều yếu tố quyết định nhưng trong đó thành phần chất ngấm ra đóng vai trò quan trọng. Do trong quá trình sấy khô, các enzym và vi sinh vật hoạt động phân hủy một số chất ngấm ra làm cho hàm lượng của chúng giảm xuống. Đối với sản phẩm tôm khô phải qua khâu hấp hoặc luộc cũng làm tổn thất nhiều chất ngấm ra. Quá trình làm khô càng dài thì sự tổn thất của chất ngấm ra càng nhiều và làm cho mùi vị của sản phẩm càng giảm. Vì vậy, làm khô nhanh chóng là biện pháp tích cực để giảm bớt tổn thất của chất ngấm ra trong tôm [2]. Như vậy, qua phân tích tổng quan về VLS ở trên cho thấy thịt tôm là nguồn nguyên liệu có giá trị dinh dưỡng cao, dễ bị biến tính trong quá trình chế biến, bảo quản nói chung và quá trình sấy nói riêng [2]. Do đó, cần phải nghiên cứu để tìm phương pháp chế biến thích hợp, đặc biệt là phương pháp sấy, bảo quản sản phẩm sau khi sấy để hạn chế được sự giảm chất lượng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế. 1.1.2. Các phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt và hồng ngoại 1.1.2.1. Phương pháp sấy bằng bơm nhiệt a) Nghiên cứu về sấy bằng bơm nhiệt tại Việt Nam Nghiên cứu của Võ Duy Mạnh, Lê Chí Hiệp [4] cho thấy khi sấy cà rốt bằng bơm nhiệt thùng quay ở chế độ nhiệt độ sấy 40oC, vận tốc tác nhân sấy 2,5m/s, số vòng quay 15 vòng/phút, khối lượng vật liệu sấy ban đầu 4,5 kg, hệ thống sấy đạt hiệu suất tách ẩm cao, làm việc ổn định và hiệu quả hơn, sản phẩm sấy giữ được màu sắc tốt hơn so với phương pháp sấy thông thường. Phạm Văn Tùy cùng cộng sự đã nghiên cứu công nghệ sấy kẹo Jelly bằng bơm nhiệt (HP), kết quả là chi phí điện năng cho phòng sấy giảm chỉ còn 42% so với phương pháp sấy sử dụng máy hút ẩm hấp phụ kết hợp với máy điều hòa không khí để làm lạnh [5]. Đối với công nghệ sấy thủy sản, kết quả nghiên cứu cho thấy mực ống lột da khi được sấy bằng HP ở chế độ sấy có nhiệt độ 35oC, vận tốc gió 2m/s, độ ẩm của TNS dao động từ 20 ÷ 40% và thời gian sấy 11h sẽ có chất lượng tốt hơn so với phương pháp sấy truyền thống [6, 7]. 9
b) Nghiên cứu về sấy bằng bơm nhiệt trên thế giới Zhang Gupchen và cộng sự [8] đã nghiên cứu sấy tôm bằng HP, kết quả cho thấy chất lượng và màu sắc của tôm sau khi sấy tốt hơn so với phương pháp sấy bằng không khí nóng thông thường. Yuvanaree Namsanguan và cộng sự [9] cho rằng tôm khô sử dụng máy sấy hai cấp với cấp đầu sấy bằng hơi quá nhiệt (SSD) và sau cấp sấy bằng HP ở nhiệt độ tương ứng là 140°C và 45°C cho độ co rút thấp hơn, độ hút nước phục hồi cao hơn và màu sắc tốt hơn so với tôm khô sấy một cấp bằng SSD. Các nghiên cứu của Dirk và cộng sự [10], Wang D và Chang C.S [11] cũng đã cho thấy sấy HP là một phương pháp tốt để cải thiện chất lượng sản phẩm thủy sản khô do quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp. Nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng phương pháp sấy bằng HP cho chi phí năng lượng thấp và hiệu quả kinh tế cao hơn so với phương pháp sấy thông thường. Strommen [12] và Levent Taşeri., 2018 [13] cho rằng sấy bằng HP tiêu thụ năng lượng ít hơn 60% đến 80% so với phương pháp sấy bằng không khí nóng hoạt động ở cùng nhiệt độ. Điều này cho thấy sấy bằng HP là một lựa chọn đáng quan tâm về tiết kiệm năng lượng so với phương pháp sấy bằng không khí nóng (Schmidt EL [14]). Claussen IC và cộng sự [15] đã cho rằng ưu điểm của phương pháp sấy bằng HP là sự tiết kiệm năng lượng, khả năng kiểm soát nhiệt độ sấy đồng thời với độ ẩm của TNS. Như vậy, qua các phân tích tổng quan trên, có thể thấy, so với phương pháp sấy nóng truyền thống thì phương pháp sấy bằng HP có thể tiết kiệm năng lượng và tạo ra nhiệt độ môi trường sấy thấp nên giữ được chất lượng thực phẩm và rất phù hợp cho sấy nông sản. Tuy nhiên, bơm nhiệt ứng dụng cho sấy thủy sản thì thường là thời gian sấy dài đến 11h [6, 7]. Theo đó, VLS là thủy sản, nên được sấy kiểu bơm nhiệt lai như bơm nhiệt kết hợp với hồng ngoại, hay bơm nhiệt kết hợp với bức xạ mặt trời (Sandra Budžaki [16]). Tuy nhiên, bơm nhiệt kết hợp với bức xạ mặt trời lại phụ thuộc vào thời tiết và khí hậu. Do đó, phương pháp sấy bằng bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại cho thủy sản là tốt nhất (Zbicinski, I [17]). 1.1.2.2. Phương pháp sấy bằng hồng ngoại a) Tương tác của bức xạ hồng ngoại với các thành phần của thực phẩm Sấy bằng bức xạ hồng ngoại (IR) là phương pháp sấy dùng tia hồng ngoại chiếu vào trong VLS. Kết quả là các phần tử nước sẽ dao động mạnh, tạo ma sát và sinh 10
nhiệt rất lớn. Hiện tượng này chỉ xảy ra ở bước sóng nhất định (λ = 0,4 ÷ 40μm) [18]. Kết quả nghiên cứu ứng dụng của Rosenthal I [19] cho thấy khoảng bước sóng, mà nước hấp thụ năng lượng tối đa với sấy thủy sản bằng IR là 2,7 ÷ 25 µm. VLS thủy sản có cấu trúc hóa học chủ yếu bởi các chất hữu cơ và nước. Trong đó, nước hấp thụ năng lượng tối đa, có thể coi là vật “đen tuyệt đối”, các phân tử nước hấp thụ năng lượng IR sẽ bay hơi và mang theo nhiệt, còn các chất hữu cơ khác hấp thụ năng lượng rất ít, có thể coi như “trong suốt” [20]. Khả năng hấp thụ năng lượng IR của nước ở các bước sóng khác nhau được thể hiện trên (hình 1.1) Hình 1.1. Đường cong hấp thụ của nước theo các bước sóng khác nhau [20, 21] Hình 1.2. Sự chuyển động của nguyên tử khi nước hấp thụ năng lượng bức xạ hồng ngoại Krishnamurthy [21] cho rằng sự dao động của các nguyên tử trong phân tử nước khi hấp thụ năng lượng IR được thể hiện trong Hình 1.2. Khi hấp thụ IR, các nguyên tử H chuyển động quanh nguyên tử O theo chiều mũi tên như trên (hình 1.2). Cường độ hấp thụ của các liên kết hóa trị theo tỷ lệ v1, v2, v3 tương ứng là 0,07, 1,47 và 1,00. Kết quả là các lực ma sát sinh ra rất mạnh dẫn tới nhiệt độ của vật bị chiếu IR tăng lên một cách nhanh chóng. Nghiên cứu của các tác giả Lê Như Chính cùng cộng sự [22] và Lê Văn Hoàng [23] đã cho thấy khoảng cách giữa bề mặt bóng đèn IR đến VLS có ảnh hưởng đến tốc độ sấy và đã đề xuất khoảng cách này nên lớn hơn 300mm. Ưu điểm của phương pháp sấy khô bằng IR so với sấy 11
bằng không khí nóng là rút ngắn thời gian sấy và bảo đảm được chất lượng của sản phẩm [2], [20]. Nghiên cứu khả năng hấp thụ của các thành phần dinh dưỡng trong VLS so với nước theo bước sóng hồng ngoại: Nghiên cứu của Matsuura M [24] cho thấy trong thực phẩm bao gồm nhiều thành phần khác nhau như các polyme sinh học, muối khoáng, nước, amino axit và protein có sự hấp thụ mạnh của IR ở các khoảng bước sóng 3 ÷ 4 μm và 6 ÷ 9 μm. Trong đó, lipid có khả năng hấp thụ mạnh bức xạ hồng ngoại ở phạm vi toàn bộ của dải bước sóng hồng ngoại; nước và những hợp chất hữu cơ như protein, tinh bột là một trong những thành phần chính của thực phẩm hấp thụ IR ở những bước sóng lớn hơn 2,5 µm (hình 1.3). Hình 1.3. Dải hấp thụ của các chất dinh dưỡng chính trong thực phẩm so với nước b) Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng sấy bằng IR trong nước và thế giới  Nghiên cứu về sấy bằng bức xạ hồng ngoại tại Việt Nam. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Bích Thủy [26] cho thấy nông sản khô như lạc, thóc được sấy bằng IR có tỷ lệ hàm lượng protein tăng từ 10,21% lên 10,33%, glucose tăng từ 19,51% tới 22,03%, số lượng vi sinh vật giảm rất nhanh và gần như bị diệt hoàn toàn. Tuy nhiên, phương pháp sấy IR cũng có nhược điểm là do cường độ bức xạ lớn, nhiệt độ sấy cao nên VLS dễ bị cong vênh và biến tính một số thành phần hóa học nhạy cảm với nhiệt độ [23].  Nghiên cứu về sấy bằng bức xạ hồng ngoại trên thế giới. Nghiên cứu của Supawan [25] cho thấy mẫu tôm sử dụng IR với công suất 500W và nhiệt độ sấy là 70oC có màu sắc đỏ đẹp hơn các phương pháp khác. Hơn nữa, sấy bằng IR có tốc độ sấy cao và thời gian ngắn hơn so với phương pháp sấy 12
đối lưu bằng không khí nóng. Krishnamurthy [21] cho rằng công nghệ sấy bằng IR có thể duy trì nhiệt độ đều trong VLS, rút ngắn thời gian sấy và đảm bảo chất lượng sản phẩm khô. Tương tự, nghiên cứu của Ratti C [27] khi sấy chuối, xoài, rau thì là bằng IR cho rằng thời gian sấy rút ngắn được 2 ÷ 3 lần và đặc biệt là chất lượng và màu sắc của sản phẩm sấy bằng IR tốt hơn nhiều so với phương pháp sấy nóng thông thường. Bengang Wu., 2018 [28] đã so sánh ở cùng nhiệt độ sấy là 90oC, phương pháp sấy bằng IR có tốc độ sấy cao hơn và chất lượng cà rốt tốt hơn phương pháp sấy bằng không khí nóng. Có thể nói phương pháp sấy bằng IR có cường độ bức xạ hồng ngoại lớn, sẽ phù hợp cho sấy các loại nông sản, thực phẩm có thể chịu được nhiệt độ sấy cao. Tuy nhiên, VLS là thủy sản là sản phẩm giàu các chất dinh dưỡng và đặc biệt các thành phần hóa học trong VLS rất nhạy cảm với nhiệt độ. Do đó, để đảm bảo được chất lượng của các sản phẩm và rút ngắn được thời gian sấy. Phương pháp sấy bằng HP kết hợp với IR là lựa chọn rất phù hợp và dễ ứng dụng trong thực tế sản xuất. 1.1.2.3. Phương pháp sấy bằng bơm nhiệt kết hợp với hồng ngoại a) Các kết quả nghiên cứu sấy bằng HP-IR tại Việt Nam Trần Đại Tiến [7] đã nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp sấy HP-IR đến chất lượng mực khô. Kết quả cho chế độ sấy thích hợp là nhiệt độ 35oC, vận tốc gió 2m/s, độ ẩm tương đối của TNS từ 20 đến 40%, khoảng cách từ đèn IR đến bề mặt của mực là 40 cm, nhiệt độ không khí thổi qua bề mặt mực nguyên liệu sấy 25± 10C và thời gian sấy 10,2h. Các tác giả Lê Như Chính, Phạm Văn Tùy, Trần thị Bảo Tiên [22] đã nghiên cứu chế tạo máy sấy bơm nhiệt tầng sôi kết hợp với hồng ngoại năng suất 8 kg/mẻ, thời gian sấy là 6h, công suất tiêu thụ điện trung bình 4,2 kW. Thử nghiệm với lá hẹ ở chế độ sấy tối ưu là nhiệt độ 45oC, vận tốc gió 6 m/s, khoảng cách từ đèn IR đến VLS 40 cm, chiều dày của lớp VLS 5 cm và độ ẩm tương đối của TNS từ 20 ÷ 40%. b) Các kết quả nghiên cứu sấy bằng HP-IR trên thế giới Mustafa Aktas [29, 30] cho rằng hiệu suất sấy của các hệ thống bằng IR và sấy bằng HP được tính tương ứng là 39% và 25%, hệ thống IR không chỉ rút ngắn thời gian sấy lên đến 69%, mà còn làm giảm tiêu thụ năng lượng của hệ thống 43,2%. Nghiên cứu của Yun Deng [31, 32] cho thấy mực ống được sấy khô bằng HP-IR ở 13
chế độ sấy là nhiệt độ 50oC và tốc độ gió 0,8 m/s, hệ số khuếch tán ẩm tăng từ 0,53.10-10 ÷ 1,33.10-10 m2/s. Sự gia tăng cường độ IR đã góp phần tăng tốc độ sấy và giảm thời gian sấy. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy mực sấy bằng HP-IR (500W) cho khả năng hút nước phục hồi, hàm lượng axit amin và protein của mực khô cao hơn so với các phương pháp sấy khác. Suji P.V.,2018 [33] cũng cho rằng hệ thống sấy bơm nhiệt lai với chu trình kín tiêu thụ năng lượng ít hơn chu trình hở. Nghiên cứu của Xiaoyong Song [34] và Song Xiaoyong [35] cho thấy với phương pháp sấy bằng HP-IR thì tổng năng lượng được sử dụng cho quy trình sấy giảm khi tăng cường độ IR. Song Xiaoyong còn nhận xét là máy sấy HP-IR làm tăng tốc độ sấy và làm giảm mức độ phản ứng Maillard và nâng cao chất lượng sản phẩm khô. Nghiên cứu của Muhmmed Hussain Riadh [36] đã cho thấy nên kết hợp sấy bằng IR với các phương pháp sấy khác như bơm nhiệt hay chân không để có được hiệu quả năng lượng tối ưu nhất. Theo đó, Moses [37] và Minea [38] đã cho rằng sấy bằng HP có thể cải thiện hiệu quả năng lượng, độc lập kiểm soát nhiệt độ sấy và độ ẩm không khí nhưng thời gian sấy khá dài. Do đó, để rút ngắn thời gian sấy cho phương pháp sấy bằng HP, cần phải bổ sung thêm nguồn năng lượng khác và sử dụng năng lượng IR cho mục đích này là một phương pháp khá hiệu quả (Park J H, Lee J M [39]). Có thể nói phương pháp sấy bằng HP-IR có nhiều ưu điểm như giảm thời gian sấy, tăng sự đồng đều về nhiệt độ trong VLS và qua đó góp phần tăng chất lượng của sản phẩm khô. Điều này, có thể được giải thích là nhờ khả năng đâm xuyên của tia hồng ngoại vào tâm của VLS, khi đó sẽ có sự hấp thụ giữa tia IR với nước và các chất dinh dưỡng sinh ra nhiệt, làm tăng nhiệt độ tại tâm của VLS kết hợp với không khí khô đã được tách ẩm từ dàn bay hơi của bơm nhiệt thổi qua bề mặt của VLS, làm giảm nhanh nhiệt độ bề mặt ngoài của VLS. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt ngoài của VLS lớn sẽ xuất hiện dòng ẩm đối lưu di chuyển trong các mao quản của VLS do chênh lệch áp suất theo định luật Darcy và dòng ẩm khuếch tán di chuyển do chênh lệch nhiệt độ theo định luật Fick. Khi đó, các dòng ẩm sẽ di chuyển cùng chiều theo hướng từ tâm ra bề mặt của VLS, tăng cường quá trình khuếch tán nội, tăng tốc độ sấy và giảm thời gian sấy. Đây là cơ sở cho sự xuất hiện của phương pháp sấy bằng HP-IR được lựa chọn trong nghiên cứu của luận án. 14
1.2. Nghiên cứu về truyền nhiệt, truyền chất bên trong VLS khi sấy bằng HP-IR 1.2.1. Kết quả nghiên cứu về mô hình toán truyền nhiệt, truyền chất trong VLS 1.2.1.1. Các nghiên cứu tại Việt Nam Nguyễn Xuân Vượng [18] đã đề xuất phương trình truyền nhiệt trong quá trình sấy bằng IR. Tác giả cho rằng năng lượng của IR đi sâu vào trong VLS, lan truyền trong thể tích của nó, ảnh hưởng tới đặc tính của trường nhiệt độ bên trong vật liệu sấy. Tác giả đã đề xuất phương trình vi phân dẫn nhiệt bên trong VLS: t  2t 1  a 2  qv ( x, t ) (1.1)  x c Trong đó: qv (x, t) là năng lượng của IR hấp thụ vào trong một đơn vị thể tích của vật liệu sấy, W/m3. Theo đó, phương trình (1.1) là phương trình vi phân dẫn nhiệt không ổn định một chiều, có xét đến nguồn nhiệt thể tích. Tuy nhiên, trong thực tế, quá trình TNTC trong VLS là bài toán dẫn nhiệt không ổn định 3 chiều. Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự [40] đã nghiên cứu thiết lập và giải mô hình toán truyền nhiệt trong quá trình sấy thăng hoa. Tác giả đã xây dựng mô hình toán truyền nhiệt trong điều kiện sấy thăng hoa: t q  w.gradt  v  a. 2 t (1.2)  Cp Tác giả đã giả thiết rằng vật liệu sấy là các loại thực phẩm dạng trụ có bán kính R (d = 2R) và không có nguồn nhiệt bên trong (qv = 0). Do VLS là thể rắn nên w 0 và đồng thời xem các mặt đẳng nhiệt là các mặt trụ đồng tâm. Theo đó, phương trình vi phân dẫn nhiệt bên trong VLS được viết là:  ( r , z , )   2 t (r, z, ) 1 t (r, z, )  2 t (r, z, )   a.   ,  0 (1.3)   r 2 r r z 2  Nguyễn Thị Yên [41] đã nghiên cứu xác định bằng giải tích và thực nghiệm thời gian sấy trong quá trình sấy gỗ đối lưu. Kết quả là tác giả đã đề xuất phương trình truyền nhiệt trong quá trình sấy gỗ: 15
t ( x, ) 2t ( x, ) a ,  0,   x  0 (1.4)  x2 t(x,0) = t0 = const (1.5)    ,      t f  t   ,    0 (1.6) x t  0,  0 (1.7) x Có nhiều phương pháp giải bài toán (1.4) – (1.7) và tác giả đã sử dụng phương pháp biến đổi tích phân Laplace. Như vậy, từ việc giải phương trình và phân tích nghiệm của phương trình mà có thể chứng minh được khi Bi  thì n = (2n-1)/2 và nghiệm của phương trình sẽ có dạng: t  x,   t0  2n  1  x   2n  1  2  2  4  1    1 n 1  cos exp  F0  (1.8) t f  t0 n 1  2n  1  2  4  Nguyễn Mạnh Hùng [42] đã xây dựng được mô hình toán cho quá trình TNTC bên trong khoai tây cắt lát khi sấy lạnh bằng bơm nhiệt:  t  r.s M    .C .(t )  .C .   p p (1.9)  M  D (T ).2 M   eff Bài toán dẫn nhiệt và dẫn ẩm trong khoai tây cắt lát mỏng sẽ là một chiều, để thuận lợi cho việc giải hệ phương trình (1.9) theo phương pháp sai phân hữu hạn. Tác giả viết hệ phương trình (1.9) ở dạng (1.10):  t  2t M    a.  b. x 2   (1.10)  M  D (T ).  M 2   eff x 2 Trương Minh Thắng [43] đã nghiên cứu xây dựng mô hình toán TNTC trong quá trình sấy cà rốt bằng chu trình bơm nhiệt kiểu bậc thang. Tác giả đã xem xét đến ảnh hưởng của hiện tượng co ngót của VLS trong quá trình sấy là cần thiết và 16
bổ sung ảnh hưởng đó vào hệ phương trình (1.9) để trở thành hệ phương trình TNTC một chiều có dạng:  t t 1 r.k M    x x  .C .(t )  .C .   p p (1.11)  M   M  D(T ).2 M   x x 1.2.1.2. Các nghiên cứu trên thế giới Nghiên cứu của Chalida Niamnuya và cộng sự [44] đã đề xuất mô hình toán cho quá trình TNTC trong con tôm sấy đối lưu bằng không khí nóng kiểu tầng sôi. Phương trình truyền nhiệt trong con tôm được viết: t   t    t    t  C p         x  x  y  y  z  z  (1.12) Phương trình truyền ẩm trong con tôm được viết theo định luật Fick: M   M    M    M    Deff    Deff    Deff  (1.13) t x  x  y  y  z  z  Điều kiện biên truyền nhiệt đối lưu trên bề mặt con tôm khi sấy: t  dl (ts  ta )  d rm (M s  Me ) (1.14) Điều kiện truyền chất đối lưu trên bề mặt con tôm khi sấy: – Deff∇M = αm(Ms –Me) (1.15) Worachard và cộng sự [45] đã nghiên cứu quá trình TNTC trong tôm sấy đối lưu bằng không khí nóng và đề xuất các phương trình vi phân TNTC trong con tôm là phương trình truyền nhiệt kết hợp với phương trình khuếch tán ẩm theo định luật 2 của Fick: Phương trình truyền nhiệt trong tôm theo thời gian sấy: t   t    t  C p       x  x  y  y  (1.16) Phương trình truyền ẩm trong con tôm theo định luật 2 của Fick: M   M    M    Deff    Deff  (1.17) t x  x  y  y  17
Burubai W 2017 [46] đã xác định dòng ẩm di chuyển trong tôm khi sấy chủ yếu là do sự khuếch tán ở dạng lỏng. Theo đó, phương trình truyền ẩm trong con tôm theo thời gian sấy được viết là: M   2 M 1 M   Deff  2   (1.18) t   r r r  A. Luikov [47] đã đề xuất hệ phương trình vi phân TNTC trong qúa trình sấy lý thuyết cho VLS:  M    K11 M  K12 t  K13 P 2 2 2   t   K 21 M  K 22 t  K 23 P 2 2 2 (1.19)    P    K31 M  K32 t  K33 P 2 2 2  Trong đó: K11, K22, K33 là các hệ số ảnh hưởng chính và các kij là các hệ số ảnh hưởng chéo giữa hàm lượng ẩm M, nhiệt độ t và áp suất tổng P. Các hệ số này được xác định theo công thức thực nghiệm. Mô hình toán học (1.19) là tổng quát cho quá trình TNTC trong các VLS bất kỳ. Brooker [48] và Trần Văn Phú [49] đã cho rằng nếu bỏ qua ảnh hưởng của áp suất bên trong mao quản của VLS, thì hệ phương trình (1.19) có thể viết lại:  M   K112 M  K122t    (1.20)  t  K 2 M  K 2t    21 22 Như vậy, lý thuyết về TNTC của A. Luikov [47] đã cho thấy trong quá trình sấy, các thông số như nhiệt độ, áp suất và hàm lượng ẩm bên trong VLS có sự ảnh hưởng qua lại, tác động đến tốc độ và thời gian sấy, thể hiện qua hệ phương trình TNTC (1.19). Tuy nhiên, nghiên cứu của A. Luikov mới đưa ra mô hình đầy đủ về lý thuyết mà chưa làm rõ được phương pháp xác định áp suất bên trong VLS theo thời gian sấy. Các nghiên cứu còn lại chỉ mô tả hoặc quá trình truyền nhiệt [18], [40, 41] hoặc quá trình truyền ẩm [46] hoặc đồng thời cả hai quá trình truyền nhiệt, truyền ẩm [42, 43, 44, 45] và [48, 49]. Kết quả nghiên cứu của các tác giả trên đều có điểm chung là xem ảnh hưởng của áp suất bên trong VLS đến quá trình truyền ẩm trong VLS theo thời gian sấy là rất nhỏ và có thể bỏ qua trong nghiên cứu. Vấn 18
đề ảnh hưởng của áp suất bên trong lòng VLS đến quá trình truyền ẩm lớn hay nhỏ là phụ thuộc vào phương pháp sấy [47]. Do đó, đây cũng là nội dung mà luận án cần làm rõ. 1.2.2. Nghiên cứu về mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong VLS Công nghệ sấy thực phẩm, thủy sản là một quá trình phức tạp bao gồm sự kết hợp giữa các quá trình truyền nhiệt, truyền chất với sự thay đổi tính chất lý – hóa trong thực phẩm và co rút của VLS theo thời gian sấy. Do đó, mô hình hóa quá trình này là thực sự cần thiết để tối ưu hóa quá trình sấy và cải thiện hiệu quả năng lượng của quá trình sấy. Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển mô hình toán học dựa trên mô phỏng quá trình TNTC trong VLS. Mô hình này có thể được sử dụng để dự đoán trường nhiệt độ, áp suất và ẩm bên trong VLS. Các phương trình mô tả quá trình TNTC có thể được giải với phần mềm COMSOL Multiphysics 4.4 ([44], [50]). Mô phỏng quá trình TNTC trong VLS như thủy sản là một vấn đề khó, đặc biệt là các thông số đặc trưng của mô hình trên lại phụ thuộc vào hàm lượng ẩm, thành phần hóa học còn lại trong VLS [2], [43]. Do đó, các kết quả nghiên cứu mô phỏng TNTC trong thực phẩm nói chung và trong tôm thẻ nói riêng trong nước là rất hạn chế. Một số kết quả nghiên cứu mô phỏng quá trình TNTC trong sấy tôm bằng không khí nóng trên thế giới đã cho kết quả và cũng cho thấy có thể phát triển sâu hơn về phương pháp mô phỏng này trong công nghiệp chế biến thủy sản. Cụ thể là nghiên cứu của Chalida Niamnuya [44] đã ứng dụng phần mềm COMSOL Multiphysics 3.3 để mô phỏng quá trình TNTC và biến dạng cơ học của con tôm khi sấy đối lưu bằng không khí nóng. Kết quả đã mô phỏng, xác định được sự thay đổi của nhiệt độ, hàm lượng ẩm và biến dạng cơ học trong tôm ở các chế độ nhiệt độ 80oC, 100oC và 120oC với vận tốc gió 2m/s theo thời gian sấy. Tương tự, Worachard [45] cũng đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm FEMLAB để mô phỏng quá trình TNTC trong con tôm khi sấy đối lưu bằng không khí nóng. Kết quả tác giả đã xác định được sự thay đổi của trường nhiệt độ và trường ẩm trong tôm ở chế độ sấy là nhiệt độ 70oC, độ ẩm tương đối của TNS 10% với thời gian mô phỏng lần lượt là 0s, 500s, 1000s và 2000s. Kết quả phân tích cho thấy các nghiên cứu trên cũng còn những hạn chế như đã bỏ qua ảnh hưởng của áp suất, vận tốc của dòng ẩm đối lưu trong các mao quản của con tôm đến quá trình truyền ẩm và thời gian sấy. 19
Do đó, Các nghiên cứu cũng chưa mô phỏng được sự thay đổi của áp suất trong con tôm theo thời gian sấy. 1.2.3. Nghiên cứu về xác định các thông số đầu vào của mô hình toán 1.2.3.1. Nghiên cứu về xác định thông số nhiệt vật lý cho mô hình toán a) Nghiên cứu tại Việt Nam  Phương pháp xác định thông số nhiệt vật lý của VLS tại Việt Nam - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu sấy: Hệ số dẫn nhiệt của VLS nói chung phụ thuộc không những vào bản chất của chất khô, hàm lượng ẩm mà còn phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc các hang xốp, đường kính các mao quản. Do đó, hệ số dẫn nhiệt của VLS có thể tính như sau [2], [18]: w 1  (1  ) Vs d   d (1.21) 1  (  1)Vp Trong đó: λd và λw là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khô và của nước trong các hang xốp; Vs và Vp tương ứng là thể tích của vật chất rắn khô và của tất cả các mao quản, Ψ là hệ số hình dáng của các mao quản tạo nên VLS. Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu thủy sản do thành phần hóa học quyết định mà đặc biệt là hàm lượng mỡ và hệ số dẫn nhiệt tỷ lệ nghịch với hàm lượng mỡ trong VLS. Do đó, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu thủy sản có thể được tính theo công thức [2]: λ = λw.W + λd.N (1.22) Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự [52] đã đề xuất công thức thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của tôm thẻ chân trắng trong quá trình sấy thăng hoa ở khoảng nhiệt độ xác định là (-1,17 ÷ 45)oC: λ = 0,477 + 2,550.10-3t (1.23) - Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy: Là lượng nhiệt thu vào hay tỏa ra để làm cho một đơn vị khối lượng vật thể tăng lên hoặc giảm xuống 1oC, đơn vị là kJ/kgK. Nhiệt dung riêng của tôm thường thay đổi, tỷ lệ thuận với hàm lượng nước trong cơ thể của chúng. Trong phạm vi nhiệt độ nhất định, nhiệt dung riêng của tôm có thể được tính theo công thức sau [2]: C = Cw.W + Cd.N (1.24) 20