Luận án 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.

Tên luận án:

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

Ngành:

Kỹ thuật Chế biến Thủy sản

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Tài liệu này trình bày về một đề tài nghiên cứu cấp thiết nhằm giải quyết những hạn chế của các phương pháp sấy tôm thẻ chân trắng truyền thống tại Việt Nam, vốn gây biến tính sản phẩm, không đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm và giảm giá trị kinh tế. Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển một phương pháp sấy tiên tiến bằng bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại (HP-IR) để tối ưu hóa quá trình sấy, nâng cao chất lượng sản phẩm tôm khô và hiệu quả năng lượng.

Nội dung nghiên cứu bao gồm việc xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình truyền nhiệt, truyền chất (TNTC) bên trong tôm thẻ chân trắng khi sấy bằng HP-IR, có xét đến các yếu tố như ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất trong mao quản và độ co rút của tôm. Các thông số nhiệt vật lý và sinh học đặc trưng của tôm thẻ chân trắng đã được xác định thông qua cả phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics và thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu đã thành công trong việc xây dựng mô hình toán chính xác cho quá trình TNTC, xác định được sự biến đổi của các thông số nhiệt vật lý, độ xốp, hệ số khuếch tán ẩm và vận tốc dòng ẩm theo thời gian sấy. Đặc biệt, luận án đã đề xuất một phương pháp xác định chế độ sấy tối ưu cho tôm thẻ chân trắng bằng cách kết hợp mô phỏng và thực nghiệm (phương pháp Taguchi và RSM). Chế độ sấy tối ưu được xác định với nhiệt độ 60°C, vận tốc gió 2m/s, khoảng cách từ đèn hồng ngoại đến vật liệu sấy 35cm, công suất hồng ngoại 3.475 kW/m², độ dày lớp vật liệu sấy 10mm, hàm lượng ẩm ban đầu 70% và cuối 20%, với thời gian sấy khoảng 2,7 giờ. Chất lượng tôm khô đạt được theo phương pháp này rất tốt, với hiệu quả năng lượng cao (54,403%) và tỷ lệ hút nước phục hồi đạt 93,77%. Luận án cũng đề xuất một quy trình chế biến tôm thẻ chân trắng khô sấy bằng HP-IR để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU
• TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
• NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• Đối tượng nghiên cứu:
• Phạm vi nghiên cứu:
• Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN
• Đóng góp về khoa học:
• Đóng góp về thực tiễn:
• CÁC KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN
• Kết quả nghiên cứu lý thuyết:
• Kết quả nghiên cứu thực nghiệm:
• Kết quả ứng dụng:
• Chương 1. TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về nguyên liệu và phương pháp sấy
• 1.1.1. Nguyên liệu tôm thẻ chân trắng Việt Nam
• 1.1.2. Tổng quan theo các phương pháp sấy
• 1.2. Nghiên cứu về truyền nhiệt, truyền chất bên trong VLS
• 1.2.1. Nghiên cứu lý thuyết
• 1.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm
• 1.3. Nghiên cứu về phương pháp tối ưu hóa xác định chế độ sấy
• 1.3.1. Các kết quả nghiên cứu tại Việt Nam
• 1.3.2. Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài
• Kết luận chương 1
• 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
• 2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình toán TNTC trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR
• 2.2. Xây dựng mô hình toán cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất
• 2.2.1. Hệ phương trình mô tả quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR
• 2.2.1.1. Phương trình truyền nhiệt trong con tôm sấy bằng HP-IR
• 2.2.1.2. Phương trình truyền ẩm trong con tôm sấy HP-IR
• 2.2.2. Điều kiện đơn trị
• 2.2.2.1. Điều kiện ban đầu
• 2.2.2.2. Điều kiện biên
• 2.2.2.3. Điều kiện vật lý của VLS
• 2.2.2.4. Xác định các thông số, tham số đầu vào của mô hình theo điều kiện biên và điều kiện vật lý
• 2.3. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ sấy bằng HP-IR
• 2.3.1. Lựa chọn thông số đầu vào và đầu ra của mô hình
• 2.3.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán giải bài toán TNTC trong quá trình sấy tôm bằng HP-IR
• 2.3.3. Lựa chọn phần mềm tính toán quá trình TNTC trong VLS
• 2.3.2.1. Phần mềm mô phỏng quá trình TNTC trong con tôm thẻ khi sấy
• 2.3.2.2. Phần mềm mô tả điều kiện hình học của tôm thẻ chân trắng
• 2.3.2.3. Phần mềm tính toán độ xốp trong cấu trúc của con tôm thẻ
• 2.3.4. Lựa chọn loại lưới và bước thời gian trong quá trình mô phỏng
• 2.3.5. Các bước tiến hành mô phỏng quá trình truyền nhiệt truyền chất
• Kết luận chương 2
• CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 3.1. Vật liệu nghiên cứu
• 3.1.1. Tôm thẻ chân trắng Việt Nam
• 3.2. Xây dựng mô hình nghiên cứu
• 3.2.1. Máy sấy bằng bức xạ hồng ngoại kết hợp với bơm nhiệt IR-HP
• 3.2.2. Thiết bị đo áp suất trong tôm thẻ sấy bằng áp kế chữ U
• 3.3. Trình tự thí nghiệm
• 3.3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định chế độ sấy tối ưu
• 3.3.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định các thông số đặc trưng của quá trình TNTC trong con tôm thẻ sấy
• 3.3.3. Sơ đồ bố thí thí nghiệm xác định miền tối ưu của các thông số đầu vào
• 3.3.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm đánh giá chất lượng tôm thẻ ở chế độ sấy tối ưu
• 3.3.5. Thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi
• 3.4. Phương pháp xử lý số liệu
• 3.4.1. Xác định thông số và tham số đầu vào của mô hình
• 3.4.2. Phương pháp xác định các đại lượng bên trong VLS và tủ sấy
• 3.4.3. Xác định chế độ sấy bằng phương pháp bề mặt đáp ứng RSM
• 3.4.4. Phương pháp đánh giá sai số của phương trình dự đoán và thực nghiệm
• 3.5. Phương pháp đánh giá chất lượng tôm thẻ chân trắng khô
• 3.6. Phương pháp xác định hiệu quả năng lượng trong quá trình sấy
• 3.6.1. Năng lượng tiêu thụ trong quá trình sấy tôm bằng HP-IR
• 3.6.2. Xác định hiệu quả năng lượng trong quá trình sấy tôm bằng HP-IR
• 3.6.3. Xác định hiệu quả sấy trong quá trình sấy tôm bằng HP-IR
• Kết luận chương 3
• Chương 4: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SẤY TÔM THẺ CHÂN TRẮNG VIỆT NAM BẰNG HP-IR
• 4.1. Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu xác định chế độ sấy
• 4.1.1. Mô hình toán học của bài toán quy hoạch đa mục tiêu
• 4.2. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy
• 4.3. Hàm mục tiêu và xác định miền tối ưu của các thông số
• 4.3.1. Hàm mục tiêu của đối tượng nghiên cứu
• 4.3.2. Thực nghiệm xác định các thông số đầu vào của bài toán tối ưu hóa
• 4.3.2.1. Nghiên cứu thời gian luộc tôm thích hợp
• 4.3.2.2. Xác định hàm lượng ẩm của tôm thẻ chân trắng trước khi sấy
• 4.3.2.3. Nhiệt độ sấy (t)
• 4.3.2.4. Vận tốc tác nhân sấy (V)
• 4.3.2.5. Khoảng từ nguồn bức xạ đến VLS (H)
• 4.3.2.6. Công suất hồng ngoại (IP)
• 4.3.2.7. Độ dày của lớp vật liệu sấy (DVLS)
• 4.3.3. Xây dựng phương trình hồi quy từ số liệu mô phỏng theo phương pháp RSM
• 4.3.3.1. Thông số đầu vào và đầu ra của bài toán tối ưu
• 4.3.3.2. Các mức thí nghiệm
• 4.3.3.3. Kết quả mô phỏng theo chế độ sấy tôm thẻ bằng HP-IR
• 4.3.3.4. Xây dựng phương trình hồi quy dự đoán thời gian sấy τMP [h]
• 4.3.3.5. Xây dựng phương trình hồi quy dự đoán năng suất tách ẩm WMP [g/h]
• 4.3.3.6. Xây dựng phương trình hồi quy dự đoán hệ số khuếch tán ẩm DeffT [m²/s]
• 4.3.3.7. Xác định chế độ sấy bằng phương pháp RSM
• 4.3.4. Xây dựng phương trình hồi quy từ số liệu thực nghiệm theo phương pháp RSM
• 4.3.4.1. Xây dựng mô hình toán xác định thời gian sấy τTN (h)
• 4.3.4.2. Xây dựng mô hình toán xác định năng suất tách ẩm WTN [g/h]
• 4.3.4.3. Xây dựng mô hình toán xác định tỷ lệ hút nước phục hồi RTN [g vla/g vlk]
• 4.3.4.4. Xây dựng mô hình toán xác định suất tiêu hao năng lượng SECTN [kWh/kgH2O]
• 4.3.4.5. Giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu xác định chế độ sấy từ thực nghiệm
• 4.3.5. Đánh giá độ tin cậy của mô hình và thông số tối ưu
• 4.3.5.1. Đánh giá độ tin cậy của mô hình dự đoán thời gian sấy từ số liệu mô phỏng với sấy thử nghiệm
• 4.3.5.2. Đánh giá chế độ sấy tối ưu từ kết quả mô phỏng và thực nghiệm
• Kết luận chương 4
• Chương 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. Kết quả mô phỏng quá trình TNTC bên trong con tôm thẻ khi sấy bằng HP-IR
• 5.1.1. Kết quả xác định các thông số đầu vào của mô hình
• 5.1.2. Kết quả xác định các tham số đầu vào của mô hình
• 5.1.2.1. Kết quả xác định thông số nhiệt vật lý của tôm thẻ chân trắng tươi và tôm thẻ sau khi sấy ở chế độ tối ưu
• 5.1.2.2. Xác định các thông số đặc trưng của quá trình TNTC trong con tôm thẻ chân trắng
• 5.1.3. Kết quả xác định các thông số đầu ra của mô hình
• 5.1.3.1. Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ, áp suất và trường ẩm trong con tôm thẻ
• 5.2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm xác định trường nhiệt độ, độ ẩm và áp suất bên trong con tôm ở chế độ sấy tối ưu
• 5.2.1. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trường nhiệt độ trong tôm theo thời gian sấy
• 5.2.2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trường ẩm trong tôm theo thời gian sấy
• 5.2.3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trường áp suất trong tôm thẻ theo thời gian sấy
• 5.2.3.1. Ảnh hưởng của hệ số thấm đến áp suất trong tôm thẻ sấy
• 5.2.3.2. Kết quả mô phỏng so với thực nghiệm trường áp suất trong con tôm thẻ sấy bằng HP-IR
• 5.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và hàm lượng ẩm đến áp suất bên trong tôm sấy
• 5.2.4.1. Xây dựng mô hình hồi quy từ thực nghiệm xác định áp suất trong tôm theo thời gian sấy
• 5.2.4.2. Đánh giá sai số giữa giá trị áp suất từ phương trình dự đoán và thực nghiệm
• 5.2.5. Mối quan hệ giữa hàm lượng ẩm, nhiệt độ và áp suất trong tôm theo thời gian sấy
• 5.3. Đánh giá hiệu quả năng lượng và hiệu quả sấy tôm thẻ sấy ở chế độ tối ưu so với các phương pháp sấy khác
• 5.3.1. Đánh giá tiêu hao năng lượng, hiệu quả năng lượng và hiệu quả sấy ở chế độ sấy tối ưu so với phương pháp sấy khác
• 5.3.2. Xây dựng phương trình hồi quy xác định suất tiêu hao năng lượng trong quá trình sấy tôm thẻ bằng HP-IR
• 5.3.2.1. Phương trình hồi quy xác định suất tiêu hao năng lượng SECTN
• 5.3.2.2. Đánh giá sai số giữa mô hình dự đoán và thực nghiệm
• 5.4. Đánh giá chất lượng tôm thẻ chân trắng sấy ở chế độ tối ưu so với các phương pháp sấy khác
• 5.4.1. Biến đổi thành phần hóa học của tôm thẻ theo thời gian sấy
• 5.4.2. Biến đổi hàm lượng NH3 của tôm theo các phương pháp sấy
• 5.4.3. Biến đổi điểm CLCQ của tôm thẻ khô theo các phương pháp sấy
• 5.4.4. Xác định tỷ lệ HNPH của tôm thẻ chân trắng khô
• 5.4.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước đến khả năng HNPH
• 5.4.4.2. Biến đổi tỷ lệ HNPH của tôm thẻ chân trắng khô theo các phương pháp sấy
• 5.4.5. Biến đổi độ dai của cơ thịt tôm thẻ khô theo các phương pháp sấy
• 5.4.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt độ nước (aw) và phương pháp xác định
• 5.4.6.1. Biến đổi của hoạt độ nước và độ ẩm theo thời gian sấy tôm
• 5.4.6.2. Xây dựng phương trình hồi quy dự đoán aw theo độ ẩm của tôm sấy
• 5.4.7. Biến đổi của vi sinh vật trên sản phẩm tôm khô theo các phương pháp sấy
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• * Kết quả mới về lý thuyết
• * Kết quả mới về thực nghiệm và ứng dụng
• Kiến nghị và đề xuất