- ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MƠ HÌNH HĨA TRONG KIỂM SỐT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ SẢN PHẨM TRONG KHƠNG. - GIAN BA CHIỀU CỦA KHO BẢO QUẢN LẠNH ĐƠNG. - Ứng dụng kỹ thuật mơ hình hĩa trong việc kiểm sốt đồng nhất nhiệt độ của sản phẩm trong khơng gian 3 chiều của kho bảo quản sản phẩm thủy sản lạnh đơng được thực hiện tại 6 kho bảo quản của các nhà máy lạnh đơng thủy sản thuộc khu vực đồng bằng sơng Cửu Long. - Năm mươi bốn cảm biến khơng dây (Maxim DS1921G) được sử dụng để ghi nhận nhiệt độ khơng khí và vật liệu thay thế được bố trí trong kho bảo quản lạnh theo ma trận 3x3x3 với khoảng cách 2 lần ghi là 1 phút với tổng thời gian ghi nhận dữ liệu 24 giờ.. - Mục tiêu của nghiên cứu nầy là phát triển mơ hình hộp đen cĩ chứa tham số vật lý cĩ ý nghĩa trong trường hợp kho bảo quản lạnh. - Hàm truyền bậc 1 thu nhận từ cặp dữ liệu nhiệt độ của mơi trường và sản phẩm tại một vị trí tương ứng cung cấp tham số cĩ liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt với hệ số tương quan R 2 cao, sai số chuẩn (SE) thấp và hệ số YIC thấp. - Hàm truyền thu nhận cĩ khả năng sử dụng để tính tốn phân bố giĩ trong kho bảo quản, giúp điều chỉnh thiết kế, sắp xếp sản phẩm trong kho hoặc thiết kế hệ thống điều khiển nhằm kiểm sốt đồng nhất nhiệt độ sản phẩm trong kho bảo quản lạnh đơng.. - Từ khĩa: bảo quản lạnh, phân bố nhiệt độ, mơ hình hĩa. - Đồng nhất nhiệt độ trong kho bảo quản là yêu cầu cấp thiết trong các nhà máy chế biến, đặc biệt là kho bảo quản cĩ kích thước lớn. - Kho bảo quản lạnh đơng tại các nhà máy chế biến thủy sản dùng bảo quản các sản phẩm sau khi cấp đơng với mục. - đích duy trì nhiệt độ sản phẩm ở mức độ cho phép tùy theo loại sản phẩm tránh các hư hỏng do hĩa học, vi sinh vật, enzym, kéo dài thời gian bảo quản (Theofania et al., 2009) là một trường hợp của kho bảo quản lớn. - Khơng đồng nhất nhiệt độ sản phẩm trong kho làm giảm chất lượng các sản phẩm trong quá trình bảo quản do sự tan chảy và kết lại của nước (Geneviève &. - Sự đồng nhất nhiệt độ sản phẩm trong kho bảo quản phụ thuộc vào phân bố nhiệt độ và vận tốc khơng khí trong phịng bảo quản (Verboven et al., 2004. - Trong đĩ hệ số truyền nhiệt bề mặt (heat transfer coefficient) đĩng vai trị chính trong việc kiểm sốt đồng nhất nhiệt độ sản phẩm trong quá trình bảo quản (Bryan &. - Hệ số truyền nhiệt bề mặt là một tham số phụ thuộc vào: nhiệt độ mơi trường bảo quản, tốc độ giĩ, hình dạng, kích thước vật thể….Trong đĩ phân bố vận tốc giĩ cĩ vai trị rất quan trọng và quyết định nhiệt độ của sản phẩm và sự đồng nhất của khối sản phẩm. - Nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện sự khơng đồng nhất trong khơng gian 3 chiều của kho bảo quản như sử dụng mơ hình hố phân bố vận tốc bằng phương pháp CFD (computation fluid dynamic) của các tác giả Frederic et al., 2004. - Tuy vậy, phương pháp CFD chỉ thích hợp cho thiết kế các kho bảo quản mới khơng thể áp dụng cho các kho bảo quản đang cĩ trước và đặc biệt khơng thể sử dụng cho thiết kế các hệ thống điều khiển (Oltjen &. - Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ thực hiện ở vài vị trí, việc ứng dụng phương trình làm lạnh Newton để tính tốn với giả sử nhiệt độ mơi trường bằng hằng số là khơng thực tế khi nhiệt độ mơi trường bảo quản luơn thay đổi.. - Việc kết hợp kỹ thuật đo đạc nhiệt độ trong khơng gian 3 chiều với kỹ thuật mơ hình hĩa ở trạng thái động cĩ khả năng xác định phân bố hệ số truyền nhiệt bề mặt trong khơng gian 3 chiều của kho bảo quản giúp cải thiện tính sự đồng nhất về chất lượng của các sản phẩm lạnh đơng.. - Thí nghiệm được thực hiện tại 6 kho bảo quản của các nhà máy đơng lạnh thủy sản trên địa bàn đồng bằng sơng Cửu Long: xí nghiệp đơng lạnh An Phước (Vĩnh Long), cơng ty đơng lạnh Hùng Vương (Vĩnh Long), xí nghiệp đơng lạnh Tơ Châu (Đồng Tháp), xí nghiệp đơng lạnh Hùng Cá (Đồng Tháp), cơng ty đơng lạnh Seapro (Trà Vinh), cơng ty cổ phần Basa (Cần Thơ). - Năm mươi bốn cảm biến nhiệt độ khơng dây Maxim DS1921G với độ chính xác 0,5 o C (Hình 1), cĩ khả năng ghi nhận và lưu 2048 dữ liệu với khoảng cách giữa 2 lần ghi là 1 phút được sử dụng để ghi nhận nhiệt độ của mơi trường và sản phẩm trong kho bảo quản.. - Để dễ dàng cho việc đo đạc nhiệt độ sản phẩm, vật liệu giả sản phẩm được sử dụng. - Vật liệu giả sản phẩm được làm bằng gelatin hình cầu cĩ đường kính 4 cm. - được chế biến giống nhau cho tất cả các thí nghiệm (do tính phân bố tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt, từ đĩ đánh giá mức độ đồng nhất. - Với các vật liệu thay thế khác nhau hệ số truyền nhiệt bề mặt tới các vật thể sẽ khác nhau, nhưng tính tốn theo tương đối hồn tồn cĩ thể sử dụng các vật liệu thay thế thay cho sản phẩm thật (Vigneault et al., 2005)).. - Các cảm biến nhiệt độ khơng dây được bố trí theo ma trận 3x3x3 trong kho. - Với 27 cảm biến được sử dụng cho mơi trường và 27 cảm biến sử dụng cho đo đạc nhiệt độ của vật liệu thay thế tại các vị trí tương ứng (Hình 2) tùy theo kích thước thực tế của kho bảo quản.. - Hình 2: Bố trí cảm biến nhiệt độ theo ma trận 3x3x3 trong kho bảo quản lạnh đơng. - Dữ liệu thu nhận nhiệt độ theo thời gian thí nghiệm của mơi trường và vật liệu thay thế (sản phẩm) là cơ sở để tính tốn phân bố nhiệt, tính tốn chỉ số đồng nhất, mơ hình hĩa và truy tìm tham số cĩ ý nghĩa vật lý đáp ứng yêu cầu cho việc kiểm sốt phân bố nhiệt độ sản phẩm trong kho bảo quản.. - Tính tốn phân bố nhiệt độ (mơi trường và sản phẩm) trong khơng gian 3 chiều của kho bảo quản lạnh đơng theo thời gian được thực hiện bằng phương pháp nội suy trong khơng gian 3 chiều.. - Tính tốn chỉ số đồng nhất được thực hiện dựa trên lý thuyết đồng nhất (well mixed zone approach) với khác biệt nhiệt độ cĩ thể chấp nhận T. - Chỉ số đồng nhất I được tính theo cơng thức:. - Với: I: chỉ số đồng nhất. - thể tích vùng đồng nhất với khác biệt nhiệt độ T quanh nhiệt độ trung bình (T tb ) của mơi trường hoặc sản phẩm (m 3. - 2.2.1 Hàm truyền (transfer function) thực tế từ dữ liệu thí nghiệm. - Ở giai đoạn (1) (Hình 3) dữ liệu biến đổi nhiệt độ theo thời gian của mơi trường và sản phẩm trong quá trình thí nghiệm (time-series data) được sử dụng cho việc mơ hình hĩa tìm các tham số của các hàm truyền tương ứng. - 2.2.2 Hàm truyền lý thuyết trong quá trình bảo quản lạnh đơng. - Nghiên cứu trên sự đồng nhất của nhiệt độ khơng khí trong phịng khơng cĩ vật thể. - Berckmans (1993) chứng minh rằng khơng thể cĩ đồng nhất nhiệt độ với một nhiệt độ xác định trong vùng quan sát. - Sự đồng nhất nhiệt độ chỉ cĩ thể cĩ dựa trên một nhiệt độ nào đĩ với một khác biệt nhiệt độ cĩ thể chấp nhận đã được định nghĩa trước. - Các tác giả cũng chứng minh, hồn tồn cĩ thể định nghĩa một vùng đồng nhất xung quanh cảm biến đo nhiệt độ.. - Thể tích của vùng đồng nhất được xác định thơng qua một khác biệt nhiệt độ. - Trong trường hợp kho bảo quản lạnh đơng. - Với các giả sử: đồng nhất nhiệt độ sản phẩm trong vùng cĩ nhiệt độ mơi trường đồng nhất với một khác biệt nhiệt độ cĩ thể chấp nhận nào đĩ (ví dụ trong kho bảo quản lạnh đơng Geneviève Blond &. - Martine Le Meste (2004) đề nghị khác biệt nhiệt độ cĩ thể chấp nhận của mơi trường trong kho bảo quản là ± 1,5 o C), phần lớn nước trong sản phẩm đã kết tinh (xem như quá trình truyền nhiệt khơng cĩ sự thay đổi pha), nhiệt dung riêng của sản phẩm ít biến đổi theo nhiệt độ.. - Phương trình truyền nhiệt từ sản phẩm tới một vùng đồng nhất nhiệt độ (như định nghĩa) được thể hiện ở Hình 4 (quá trình truyền nhiệt do đối lưu), tính tốn cân bằng năng lượng trong vùng quan sát mơ tả theo Phương trình (1) (tổng năng lượng mất đi từ các sản phẩm bằng với nhiệt lượng mơi trường thu nhận).. - Hình 4: Biểu diễn quá trình truyền nhiệt từ sản phẩm đến một vùng mơi trường làm lạnh. - C p : nhiệt dung riêng của sản phẩm. - k m : hệ số truyền nhiệt bề mặt (W/m 2 o C). - S m : tổng diện tích bề mặt của sản phẩm (m 2. - T m (t): nhiệt độ của sản phẩm theo thời gian làm lạnh ( o C. - tương ứng với nhiệt độ của mơi trường T i và nhiệt độ sản phẩm và T m . - Nếu xét thay đổi nhiệt độ mơi trường và nhiệt độ sản phẩm so với nhiệt độ ở trạng thái ổn định tương ứng t t i. - Hàm truyền biểu thị cho quá trình truyền nhiệt từ sản phẩm đến mơi trường làm lạnh cĩ dạng:. - Hàm truyền (Phương trình (7)) thu nhận từ tính tốn cân bằng năng lượng trong vùng đồng nhất với các giả sử tương ứng được gọi là hàm truyền lý thuyết.. - Dữ liệu nhiệt độ của mơi trường và nhiệt độ của vật liệu thay thế (sản phẩm) thu nhận tại 6 nhà máy là cơ sở để tính tốn các thơng tin cần thiết. - Dữ liệu tại một nhà máy bất kỳ được lựa chọn để tính tốn xem như là một ví dụ của tính tốn với mục tiêu kiểm sốt sự đồng nhất của sản phẩm trong kho bảo quản lạnh đơng.. - 3.1 Phân bố nhiệt độ của mơi trường và sản phẩm tại một thời điểm quan sát Tính tốn và thể hiện phân bố nhiệt độ trong khơng gian 3 chiều của mơi trường và sản phẩm tại một thời điểm quan sát cụ thể thể hiện ở Hình 5 (ví dụ tại 300 phút khi bắt đầu ghi nhận dữ liệu). - Chỉ số đồng nhất và vị trí đồng nhất của nhiệt độ mơi trường và sản phẩm tương ứng được xác định với một khác biệt nhiệt độ so với nhiệt độ trung bình được thể hiện ở Hình 6.. - Hình 5: Phân bố nhiệt độ mơi trường (a) và sản phẩm (b) tại một thời điểm quan sát tại một nhà máy. - Từ kết quả Hình 5 cho thấy: sự khơng đồng nhất của nhiệt độ mơi trường (a) và sản phẩm (b) xảy ra trong kho bảo quản lạnh đơng tại thời điểm quan sát. - Tính tốn các vùng đồng nhất với khác biệt nhiệt độ 1 o C thể hiện ở Hình 6. - Cĩ thể nhận thấy chỉ số đồng nhất nhiệt độ mơi trường (a) (62%) và sản phẩm (b) (44%) cĩ sự khác biệt ở cùng một mức độ nhiệt độ 1 o C. - Sự khác biệt cịn thể hiện ở vị trí các vùng đồng nhất khơng trùng khớp nhau (Hình 6). - Sự khác biệt giữa phân bố nhiệt độ và sản phẩm biểu thị ở Hình 5 và Hình 6 phù hợp với lý thuyết truyền nhiệt.. - cĩ ảnh hưởng đến nhiệt độ sản phẩm. - Từ đây cĩ thể kết luận, khơng thể sử dụng đồng nhất nhiệt độ mơi trường để kiểm sốt sự đồng nhất nhiệt độ của sản phẩm.. - 3.2 Đồng nhất nhiệt độ của mơi trường và sản phẩm với các mức độ khác biệt nhiệt độ khác nhau. - Kết quả phân tích chỉ số đồng nhất theo thời gian tương ứng với các mức khác biệt nhiệt độ và 2 o C cho mơi trường và sản phẩm được thể hiện ở Hình 7, cĩ thể nhận thấy chỉ số đồng nhất càng cao khi khác biệt nhiệt độ càng cao, chỉ số đồng nhất của mơi trường và sản phẩm luơn dao động theo thời gian khảo sát.. - Chứng tỏ, khi nhiệt độ mơi trường thay đổi sẽ dẫn đến chỉ số đồng nhất thay đổi do quá trình đĩng mở cửa kho bảo quản khi nhập, xuất hàng. - Tuy nhiên, nếu xét kỹ sự đồng nhất của mơi trường và sản phẩm khơng thật sự trùng khớp với nhau tương ứng với các thời điểm khảo sát. - Chứng tỏ, khi mở cửa kho bảo quản khơng khí lạnh trong kho di chuyển theo hướng rất khác (so với lúc đĩng kho) dẫn đến chỉ số đồng nhất khác biệt.. - Chỉ số đồng nhất trung bình với các khác biệt nhiệt độ trong suốt thời gian khảo sát (24 giờ) được thể hiện ở bảng 1.. - Hình 7: Thay đổi chỉ số đồng nhất của mơi trường (a). - sản phẩm (b) tại nhà máy khảo sát Bảng 1: Chỉ số đồng nhất trung bình của mơi trường và sản phẩm trong suốt thời gian khảo sát. - Khác biệt nhiệt độ ( o C) Mơi trường. - Sản phẩm. - Sự khác biệt chỉ số đồng nhất theo từng thời điểm cĩ khác nhau (Hình 7). - 3.3 Mơ hình hĩa tìm tham số vật lý liên quan đến quá trình trình bảo quản lạnh đơng. - Do khơng thể thực hiện thí nghiệm “bước” trong các kho bảo quản cĩ trước. - Thay đổi nhiệt độ mơi trường từ -15 o C đến nhiệt độ của kho bảo quản được xem là dữ liệu thay đổi động học cho quá trình mơ hình hĩa (tại nhiệt độ -15 o C khoảng 80%. - Biểu diễn dữ liệu động học của nhiệt độ mơi trường và vật liệu thay thế được cho ở Hình 8.. - Nhiệt độ mơi trường Nhiệt độ sản phẩm. - Nhiệt độ (oC) -15 o C. - Kết quả tính tốn các tham số theo hàm truyền bậc 1 cĩ dạng:. - b o , a 1 : các tham số của hàm truyền.. - Các tham số trong hàm truyền (b 0 và a 1 ) tại một vài vị trí trong kho thể hiện ở bảng 2.. - Chứng tỏ hàm truyền bậc 1 cĩ thể sử dụng để biểu diễn quá trình truyền nhiệt sản phẩm đến mơi trường trong kho bảo quản lạnh (Nguyễn Thị Phương Linh (2010) đã chứng minh hàm truyền bậc 1 biểu thị cho quá trình truyền khi sản phẩm lạnh đơng cĩ nhiệt độ thấp hơn -15 o C).. - Bảng 2: Các tham số trong hàm truyền tại một vài vị trí trong kho bảo quản lạnh. - a 1 , b o là các tham số trong hàm truyền thực tế. - hệ số YIC.. - Vì vậy, α là tham số vật lý thu nhận được từ thí nghiệm cĩ liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt, cĩ khả năng sử dụng để kiểm sốt đồng nhất nhiệt độ sản phẩm trong kho bảo quản lạnh đơng. - 3.4 Biểu diễn phân bố vận tốc khơng khí trong kho bảo quản (thơng qua hệ số truyền nhiệt bề mặt). - Tuy vậy, hồn tồn cĩ thể sử dụng tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α để so sánh mức độ trao đổi năng lượng trong khơng gian 3 chiều của kho bảo quản lạnh. - Từ phân bố hệ số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt ta cĩ thể điều chỉnh thiết kế kho, bố trí các sản phẩm trong kho hoặc thiết kế hệ thống điều khiển trực tuyến nhằm kiểm sốt đồng nhất nhiệt độ sản phẩm thơng qua tham số thơng qua tham số cĩ liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α.. - Sự đồng nhất nhiệt độ của mơi trường và sản phẩm trong kho rất khác biệt (theo vị trí) nên khơng thể sử dụng đồng nhất nhiệt độ mơi trường để kiểm sốt đồng nhất nhiệt độ sản phẩm trong kho bảo quản lạnh.. - Hàm truyền bậc 1 thu nhận từ việc sử dụng dữ liệu động học từ nhiệt độ mơi trường và vật liệu thay thế với các giả sử tương ứng cĩ hệ số tương quan cao và YIC thấp. - Tham số vừa tìm được cĩ khả năng được sử dụng để điều chỉnh thiết kế, bố trí sản phẩm trong kho cũng như thiết kế hệ thống điều khiển nhằm kiểm sốt sự đồng nhất của nhiệt độ sản phẩm trong kho bảo quản lạnh đơng.. - Đề nghị mở rộng nghiên cứu việc mơ hình hĩa tương ứng với nhiệt độ khơng khí vào và nhiệt độ mơi trường để cĩ thể thiết kế hệ thống điều khiển trực tuyến thơng qua điều khiển các điều kiện khơng khí vào như nhiệt độ, lưu lượng và hướng đi của khơng khí từ hệ thống cung cấp.. - Phát triển phương pháp phỏng đốn nhiệt độ sản phẩm trong quá trình lạnh đơng thực phẩm