Mô hình hóa kiểm soát đồng nhất nhiệt độ sản phẩm đồ hộp trong quá trình thanh trùng

- MÔ HÌNH HÓA KIỂM SOÁT ĐỒNG NHẤT NHIỆT ĐỘ SẢN PHẨM ĐỒ HỘP TRONG QUÁ TRÌNH THANH TRÙNG.
- Chế biến nhiệt, đồng nhất nhiệt độ, mô hình hóa, phân bố nhiệt.
- Đồng nhất nhiệt độ sản phẩm khi thanh trùng là vấn đề cần phải kiểm soát để đảm bảo an toàn và chất lượng.
- Trong nghiên cứu này, mô hình hộp đen chứa tham số vật lý có ý nghĩa (DBM) được sử dụng để kiểm soát đồng nhất nhiệt độ sản phẩm trong quá trình thanh trùng.
- Thí nghiệm “bước” được thực hiện bằng cách thay đổi nhiệt độ môi trường gia nhiệt từ 35-60oC cho 231 lon dung dịch carboxymethyl cellulose (CMC) 2,5%, kết hợp thay đổi lưu lượng bơm từ 0,6-1,8 m3/giờ.
- Trong suốt thí nghiệm, dữ liệu của 20 cảm biến đo nhiệt độ môi trường nước trong thiết bị và 18 cảm biến đo nhiệt độ sản phẩm được ghi nhận liên tục bởi datalogger Keithley 2700.
- Hàm truyền bậc ba phát triển từ quan hệ trao đổi nhiệt giữa nhiệt độ môi trường ngõ vào của thiết bị và nhiệt độ sản phẩm có hệ số tương quan cao, sai số thấp có chứa tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề mặt.
- Đồng dạng hàm truyền thu được tham số vật lý α có chứa hệ số truyền nhiệt bề mặt thể hiện sự phân bố nhiệt độ của sản phẩm.
- Biểu diễn phân bố tham số α trong không gian ba chiều là cơ sở để điều chỉnh thiết kế hoặc thiết kế hệ thống điều khiển đồng nhất nhiệt độ sản phẩm..
- Mô hình hóa kiểm soát đồng nhất nhiệt độ sản phẩm đồ hộp trong quá trình thanh trùng.
- Đồng nhất nhiệt độ và các điều kiện truyền nhiệt trong thiết bị thanh trùng là yếu tố quan trọng trong việc áp dụng thành công các phương pháp bảo quản để tạo ra sản phẩm thực phẩm an toàn và chất lượng cao (Smout et al., 2001).
- Sự không đồng nhất nhiệt độ môi trường của thiết bị thanh trùng trong quá trình gia nhiệt có thể đạt đến 10 o C (Smout et al., 1997) và thời gian chết nhiệt của sản phẩm (F-value) cũng không đồng nhất trong thiết bị thanh trùng (Smout et al., 2000).
- Khác biệt nhiệt độ sản phẩm trong quá trình thanh trùng là 1 o C sẽ làm cho thời gian chết nhiệt (F-value) khác nhau 25% Lewis, 2006).
- trong môi trường kho bảo quản, của Lê Thị Hoa Xuân và Võ Tấn Thành (2011) trong thiết bị thanh trùng đã chứng minh không thể có đồng nhất nhiệt độ sản phẩm trong không gian ba chiều của thiết bị, mà chỉ có thể chấp nhận đồng nhất nhiệt độ sản phẩm với một mức khác biệt nhiệt độ nào đó so với nhiệt độ trung bình của một vùng sản phẩm, muốn làm đồng nhất nhiệt độ sản phẩm cần phải sử dụng mô hình để kiểm soát phân bố hệ số truyền nhiệt bề mặt.
- Nghiên cứu của Lê Thị Hoa Xuân và Võ Tấn Thành (2011) với phương pháp sử dụng mô hình hộp đen chứa tham số vật lý có ý nghĩa “Data based mechanistic” (DBM) trong kiểm soát đồng nhất.
- nhiệt độ sản phẩm khi thanh trùng, kết quả nghiên cứu cho ra hàm truyền bậc 1 thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ môi trường bề mặt của sản phẩm với nhiệt độ tâm của sản phẩm.
- Do đó, hàm truyền chỉ thực hiện điều khiển kiểm soát làm đồng nhất nhiệt độ sản phẩm thông qua dữ liệu ghi nhận nhiệt độ môi trường tại bề mặt.
- Trong nghiên cứu này, giải pháp sử dụng mô hình DBM nhằm phát triển mở rộng hàm truyền biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ môi trường tại ngõ vào của thiết bị thanh trùng với nhiệt độ tâm của sản phẩm khi thay đổi lưu lượng bơm trong thiết bị thanh trùng.
- Qua đó, sử dụng hàm truyền kiểm soát hệ số truyền nhiệt bề mặt trong quá trình gia nhiệt sản phẩm từ một vị trí ghi nhận nhiệt độ môi trường ở ngõ vào của thiết bị và điều khiển đồng nhất nhiệt độ tâm sản phẩm với một mức khác biệt nhiệt độ chấp nhận..
- 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hệ thống thiết bị thí nghiệm.
- Hệ thống gia nhiệt kiểm soát nhiệt độ cho phép điều chỉnh nhiệt độ khảo sát từ 35 o C lên 60 o C có công suất 4 kW (Hình 1a, Hình 1b)..
- 2.2 Bố trí cảm biến nhiệt độ.
- (xuất xứ Trung Quốc) nhằm tạo sản phẩm có tính đồng nhất, ổn định, mô phỏng cho sản phẩm thí nghiệm.
- Đặc tính thay đổi độ nhớt ổn định theo nhiệt độ là minh chứng cho tính ổn định trong quá trình truyền nhiệt vào sản phẩm (Hình 2).
- nhớt theo nhiệt độ từ phương trình Arrhenius.
- Trong đó, µ: Độ nhớt của dung dịch ở nhiệt độ T.
- T: Nhiệt độ của dung dịch theo thời gian (K).
- Hình 2: Thay đổi độ nhớt của dung dịch CMC 2,5% theo nhiệt độ.
- Sản phẩm được xếp khối 11×07×03 (lon).
- Dữ liệu nhiệt độ sản phẩm và nhiệt độ môi trường được.
- ghi nhận bằng cảm biến nhiệt độ loại T (hiệu Omega, Mỹ) độ chính xác ± 0,01 o C, 18 cảm biến đo nhiệt độ tâm sản phẩm.
- 18 cảm biến đo nhiệt độ tại bề mặt sản phẩm, 02 cảm biến đặt tại vị trí bơm nước vào và ra của thiết bị (Hình 3).
- Lưu lượng bơm nước tuần hoàn được khảo sát từ 0,6-1,8 m 3 /giờ, đồng thời thay đổi “bước” nhiệt độ môi trường từ 35 o C lên 60 o C.
- Thời gian giữ nhiệt ở mỗi “bước” nhiệt độ là 60 phút.
- Dữ liệu nhiệt độ được ghi nhận liên tục với khoảng cách thời gian là 10 giây (Hình 4)..
- Hình 3: Sơ đồ bố trí cảm biến nhiệt độ trong không gian ba chiều của thiết bị.
- Hình 4: Biểu diễn thí nghiệm “bước” nhiệt độ 2.3 Mô hình hộp đen chứa tham số vật lý có.
- Trong trường hợp thanh trùng, giả sử đồng nhất nhiệt độ sản phẩm với khác biệt nhiệt độ chấp nhận, nhiệt dung riêng của sản phẩm ít thay đổi theo nhiệt độ.
- Quá trình truyền nhiệt từ một vùng đồng nhất của môi trường đến bên trong lon sản phẩm (Hình 6) được cân bằng năng lượng tổng quát qua phương trình (1):.
- là nhiệt độ môi trường nước trong thiết bị ( o C), T 0 ( t.
- là nhiệt độ nước sau khi gia nhiệt đi vào thiết bị ( o C), T m.
- t : là nhiệt độ tâm sản phẩm ( o C), T buff.
- t : là nhiệt độ vùng đồng nhất môi trường trong thiết bị WMZ1 ( o C);.
- nhiệt dung riêng của môi trường nước và của môi trường nước trong vùng WMZ (J/kg.
- khối lượng riêng của môi trường nước (kg/m 3.
- k 1 : hệ số truyền nhiệt bề mặt giữa môi trường nước trong thiết bị với vùng WMZ1 (W/m 2 .
- S 1 : diện tích vùng WMZ1 và môi trường (m 2.
- n: số lượng sản phẩm (lon).
- Giả sử khối lượng riêng, nhiệt dung riêng của môi trường gia nhiệt ở ngõ vào và ra của thiết bị bằng nhau.
- Trong thiết bị với thể tích vùng đồng nhất WMZ (V), thể tích của nước vào thiết bị (V i.
- thể tích lon sản phẩm (V m.
- độ rỗng của sản phẩm.
- Lon sản phẩm có đường kính (d) chiều cao (h), diện tích bề mặt hình trụ được tính: S m.
- trong vùng đồng nhất “well mixed zone” (WMZ) được.
- Hình 6: Quá trình trao đổi nhiệt trong các vùng đồng nhất của thiết bị.
- Quá trình trao đổi nhiệt ở vùng đồng nhất (WMZ1) môi trường trong thiết bị:.
- V buff C p − (6) Quá trình truyền nhiệt từ môi trường đến vùng đồng nhất (WMZ) của sản phẩm:.
- định nghĩa là tốc độ gia nhiệt từ môi trường vào sản phẩm (1/giây)..
- Trong đó, To : nhiệt độ ngõ vào ở trạng thái ổn định ( o C).
- T i : nhiệt độ môi trường trạng thái ổn định ( o C).
- T m : nhiệt độ sản phẩm ở trạng thái ổn định ( o C).
- T buff : nhiệt độ môi trường ở vùng WMZ1 trong trạng thái ổn định ( o C).
- Khi thay đổi nhiệt độ rất nhỏ so với nhiệt độ ở trạng thái ổn định, lấy phương trình (9) trừ trừ trừ (14) và đặt.
- biến đổi nhiệt độ môi trường nước vào thiết bị so với trạng thái ổn định ( o C);.
- t t i biến đổi nhiệt độ môi trường so với trạng thái ổn định ( o C).
- t : biến đổi nhiệt độ sản phẩm so.
- t : biến đổi nhiệt độ môi trường vùng WMZ1 so với trạng thái ổn định ( o C)..
- K m + K 1 , thế phương trình vào (18) rút gọn được hàm truyền lý thuyết (21) thể hiện mối quan hệ truyền nhiệt từ ngõ vào môi trường truyền nhiệt trong thiết bị thanh trùng đến vùng đồng nhất của sản phẩm với các giả sử tương ứng..
- 3.2 Hàm truyền thực tế, mô hình hộp đen DBM.
- Dữ liệu tính toán các mô hình hàm truyền từ 18 vị trí cảm biến nhiệt độ tâm sản phẩm được thực hiện qua thuật toán SRIV tích hợp trong công cụ Matlab..
- Mô hình hàm truyền bậc [2-3] được chọn do có chỉ số YIC thấp hơn hàm truyền bậc [1-3].
- Hình 7: Tính toán tham số tốc độ gia nhiệt α (1/giây) từ mô hình Đồng dạng hàm truyền bậc [2-3] với hàm truyền.
- K , từ các tham số.
- Vị trí Bậc hàm truyền [m, n, τ].
- trong quá trình truyền nhiệt.
- Tham số 2.
- thu được từ quá trình đồng dạng hàm truyền có chứa hệ số truyền nhiệt bề mặt (k m ) của sản phẩm.
- Hệ số truyền nhiệt bề mặt đóng vai trò chính trong việc kiểm soát đồng nhất nhiệt độ (Thanh et al., 2007).
- Khi thay đổi vận tốc môi trường truyền nhiệt sẽ làm thay đổi hệ số truyền nhiệt bề mặt (k m.
- Sự phân bố α ở các vị trí có liên quan rõ rệt đến thay đổi vận tốc môi trường truyền nhiệt, do đó α là tham số thể hiện ý nghĩa vật lý khi điều kiện truyền nhiệt thay đổi..
- Kết quả tính chỉ số đồng nhất nhiệt độ môi trường và sản phẩm đại diện tại 120 phút gia nhiệt với các mức khác biệt nhiệt độ ± 0,1 o C.
- Với UI: là chỉ số đồng nhất.
- là thể tích vùng đồng nhất với khác biệt nhiệt độ T quanh nhiệt độ trung bình (T tb ) của sản phẩm (m 3.
- Bảng 2: Chỉ số đồng nhất nhiệt độ sản phẩm khảo sát tại 120 phút gia nhiệt Khác biệt nhiệt độ.
- Đồng nhất nhiệt độ môi trường.
- Đồng nhất nhiệt độ sản phẩm.
- Bảng 2 cho thấy mức độ đồng nhất nhiệt độ môi trường và sản phẩm thay đổi không đều nhau ở các mức lưu lượng.
- Khác biệt nhiệt độ chấp nhận càng lớn, chỉ số đồng nhất càng cao.
- Tuy nhiên, mối quan hệ giữa mức độ đồng nhất nhiệt độ môi trường và sản phẩm là không rõ rệt.
- Nên không thể sử dụng mức độ đồng nhất nhiệt độ môi trường để đánh giá đồng nhất nhiệt độ sản phẩm, mà cần phải kiểm soát hệ số truyền nhiệt bề mặt (k m ) để làm đồng nhất nhiệt độ sản phẩm (Thanh et al., 2007)..
- Sử dụng mô hình hàm truyền làm đồng nhất tham số α trong không gian ba chiều của thiết bị.
- thanh trùng, có thể xem như làm đồng nhất hệ số truyền nhiệt bề mặt (k m ) khi thay đổi vận tốc môi trường trong thiết bị.
- Điều khiển thay đổi giá trị α từ hàm truyền được thực hiện thông qua việc điều chỉnh lưu lượng bơm phù hợp trên từng thiết bị thanh trùng thực tế, đây là cơ sở để điều khiển kiểm soát đồng nhất nhiệt độ sản phẩm.
- Đồ thị Hình 8 minh họa cho mức độ điều khiển làm đồng nhất giá trị α trong không gian ba chiều của thiết bị.
- Khi vùng đồng nhất α càng cao, mức độ đồng nhất nhiệt độ sản phẩm với mức khác biệt nhiệt độ chấp nhận sẽ càng lớn..
- Hình 8: Phân bố tham số α trong không gian của thiết bị ở lưu lượng 1,2 m 3 /giờ 4 KẾT LUẬN.
- được chọn từ hàm truyền thực tế biểu thị cho quá trình truyền nhiệt từ môi trường ngõ vào của thiết bị thanh trùng đến sản phẩm, phù hợp với cơ sở lý thuyết của quá trình truyền nhiệt.
- Đồng dạng hàm truyền thu được tham số vật lý α có chứa hệ số truyền nhiệt bề mặt k m , có ý nghĩa vật lý khi thay đổi điều kiện truyền nhiệt.
- Từ phân bố tham số α, sử dụng hàm truyền tính toán mức độ đồng nhất α và sử dụng mức độ.
- đồng nhất α để điều chỉnh lưu lượng bơm là cơ sở để kiểm soát đồng nhất nhiệt độ sản phẩm..
- Ứng dụng kỹ thuật mô hình hóa nhằm kiểm soát phân bố hệ số truyền nhiệt trong không gian ba chiều của thiết bị thanh trùng