Tóm tắt Luận án Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất và các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lạnh đông cá Thu

1 
LỜI MỞ ĐẦU 
 Hải sản đánh bắt xa bờ là một trong những nhóm thủy hải sản có giá trị kinh tế cao nhất, bao gồm các 
mặt hàng như: cá Thu, cá Ngừ đại dương, cá Trích, cá Cơm Do ngư trường khai thác thường nằm cách 
xa bờ, phương pháp bảo quản duy nhất cho nhóm đối tượng này là làm lạnh cấp đông trên tàu, chế biến tại 
nhà máy và tái cấp đông bảo quản. Để nâng cao chất lượng, giảm hao hụt khi cấp đông và bảo quản, việc 
xây dựng bộ dữ liệu về thành phần, về tính chất nhiệt vật lý của sản phẩm và chế độ cấp đông phù là hết 
sức cần thiết. 
 Sự biến đổi tính chất của thực phẩm khi cấp đông là một quá trình lý hóa rất phức tạp. Sự giảm nhiệt 
độ của thực phẩm xuống dải nhiệt độ âm sẽ khiến dung dịch lỏng bên trong thực phẩm chuyển thành dạng 
rắn. Quá trình chuyển pha sẽ làm thay đổi hoàn toàn tính chất nhiệt vật lý của sản phẩm. Các nghiên cứu 
trên thế giới hiện nay chỉ mới đo được tính chất nhiệt vật lý của một số ít sản phẩm như cá efin, cá tuyết, cá 
vược. Đối với các sản phẩm khác, các nhà nghiên cứu chỉ đưa ra những dải giá trị có tính chất định hướng 
với sai số có thể lên đến 50%. Đây là một trong những lý do dẫn đến khó khăn trong việc tìm kiếm dữ liệu 
đầu vào cho quá trình tính toán, thiết kế và vận hành hệ thống lạnh hợp lý, góp phần nâng cao chất lượng, 
giảm hao hụt sản phẩm và tiết kiệm năng lượng trong quá trình cấp đông. Để giải quyết vấn đề đặt ra ở trên 
tác giả đã chọn đề tài luận án: 
“Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất 
và các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong lạnh đông cá Thu ”. 
 Luận án tập trung nghiên cứu những vấn đề sau: 
 Lựa chọn, phát triển mô hình hoàn chỉnh xác định các thông số nhiệt vật lý của cá Thu trong 
dải nhiệt độ rộng (-400C ÷ 400C). 
 Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt có xét đến ảnh hưởng của truyền chất, đánh giá thực nghiệm độ hao 
hụt của sản phẩm trong quá trình cấp đông. Đối tượng thực nghiệm là cá Thu. 
 Xây dựng mô hình xác định trường nhiệt độ, thời gian cấp đông thủy sản theo trường phái Chumak-
Onhishenko, giải trực tiếp bài toán dẫn nhiệt phi tuyến có đạo hàm riêng bằng phương pháp thể tích hữu 
hạn, ứng dụng cho vật thể có hình dạng bất kỳ. Trường nhiệt độ và thời gian cấp đông lý thuyết sẽ được 
kiểm chứng thông qua nghiên cứu thực nghiệm với cá Thu. 
 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố tới quá trình cấp đông, đưa ra một số giải pháp nhằm tiết 
kiệm năng lượng trong quá trình cấp đông. 
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu dự kiến đạt được: 
 Lựa chọn, phát triển mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý bằng phương pháp tính toán khoa học, chỉ 
thông qua phân tích thành phần của thực phẩm. Đối tượng nghiên cứu là cá Thu và có thể ứng dụng cho các 
loại thủy sản khác. Bằng phương pháp đơn giản này có thể xác định tính chất nhiệt vật lý của thủy sản theo 
lô sản xuất, theo vùng đánh bắt nhanh chóng. 
 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình truyền chất trong quá trình cấp đông thủy sản, đánh giá độ hụt 
khối lượng khi cấp đông cá Thu. 
 Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh cấp đông có xét đến ảnh hưởng của truyền chất, kết 
quả mô phỏng được so sánh đánh giá sai số với kết quả thực nghiệm. 
 Xây dựng hoàn thiện phần mềm xác định tính chất nhiệt vật lý của một số loại thủy sản phụ thuộc vào 
nhiệt độ trên cơ sở thành phần hóa học của sản phẩm và điều kiện ban đầu của thủy sản. Xác định thời gian 
và trường nhiệt độ khi cấp đông, phần mềm này có thể ứng dụng vào các cơ sở sản xuất chế biến. 
 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình cấp đông. Là cơ sở để đưa ra chế độ cấp đông 
hợp lý với cá Thu ở cơ sở sản xuất thực tế. Đưa ra giải pháp tiết kiệm năng lượng trong quá trình cấp đông. 
2 
Chương 1 
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 
1.1 Tổng quan về công nghệ lạnh đông thực phẩm 
1.1.1 Vị trí, vai trò của công nghệ lạnh đông 
 Nâng cao chất lượng chế biến các loại lương thực, thực phẩm sau thu hoạch đang đặt ra một thách thức 
đối với toàn cầu, bởi đây là chìa khóa giải quyết vấn đề an ninh lương thực. Vấn đề an ninh lương thực 
được thể hiện trên hai mặt, thứ nhất phải đảm bảo cung cấp đủ về số lượng, thứ hai phải bảo đảm về chất 
lượng. Trong khi đó công nghệ chế biến thực phẩm của nước ta, đặc biệt là công nghệ chế biến lạnh còn rất 
nhiều hạn chế và bất cập. Tỷ lệ tổn thất sản phẩm sau thu hoạch khá cao, ví dụ đối với rau quả khoảng 30%, 
đối với chế biến thủy sản khoảng 20%. Chất lượng các sản phẩm đầu ra không đồng đều và chưa cao, khả 
năng xuất khẩu bị hạn chế. 
 Giai đoạn 2001-2011, đóng góp của thủy sản vào GDP chung toàn quốc dao động trong khoảng từ 
3,72%-3,1%. Bình quân thủy sản giải quyết công ăn việc làm cho khoảng 150.000 lao động/năm. Thủy sản 
cung cấp thực phẩm cho trên 80 triệu người dân Việt Nam [3,4,5]. Hàng năm thủy sản đáp ứng khoảng từ 
39,3-42,86% tổng sản lượng thực phẩm, góp phần quan trọng trong việc đảm bảo an ninh thực phẩm và 
dinh dưỡng quốc gia. 
 Những năm gần đây, thủy sản đã có những đóng góp quan trọng trong chuyển dịch cơ cấu kinh tế 
ngành nông nghiệp. Cơ cấu sản xuất nông, lâm, thuỷ sản chuyển dịch theo hướng nâng cao năng suất, chất 
lượng, hiệu quả, giá trị gắn với thị trường. Cùng các đóng góp có giá trị về kinh tế, phát triển thủy sản còn 
có ý nghĩa sâu sắc về an ninh quốc phòng. 
1.1.2 Thực trạng, tiềm năng của công nghệ lạnh thủy sản tại Việt Nam 
 Việt Nam được xếp hạng trong 10 nhà cung cấp lớn nhất, và sản phẩm thủy sản được xuất khẩu đi 170 
quốc gia trên toàn thế giới. Theo tổng cục thống kê, năm 2013 Việt Nam gặt hái được nhiều thành công với 
tổng sản lượng đạt 5.918,6 ngàn tấn và thu về 6,8 tỷ USD [2]. 
 Cho tới nay ở nước ta chưa có nghiên cứu nào mang tính hệ thống và đầy đủ về lĩnh vực này. Chúng ta 
cũng chưa có sổ tay về tính chất nhiệt vật lý của thủy sản, cũng như quy trình cấp đông cho từng loại thủy 
sản. Đây là rào cản rất lớn để hoàn thiện công nghệ làm lạnh và cấp đông thủy sản đồng thời đảm bảo cả 
hai tiêu chí (i) đảm bảo chất lượng của thủy sản (ii) sử dụng hợp lý năng lượng. 
 Mặc dù trong thời gian gần đây Nhà nước đã có những bước đi rất mạnh mẽ trong lĩnh vực này. Tháng 
6/2013 Bộ Khoa học và Công nghệ khánh thành phòng thí nghiệm công nghệ CAS (Cell Alive System)- 
Công nghệ bảo quản tươi sống[10], bản chất CAS là công nghệ kết hợp làm lạnh nhanh trong trường điện 
tử kết hợp với sóng siêu âm để bảo quản sản phẩm tươi sống. Để công nghệ này ứng dụng hiệu quả ở Việt 
nam thì cần phải tiếp tục nghiên cứu. 
1.1.3 Tiêu hao năng lượng, hao hụt khối lượng và thời gian trong quá trình cấp đông 
 Tiêu hao năng lượng trong các nhà máy chế biên thực phẩm còn khá lớn. Cần có các giải pháp tiết 
kiệm năng lượng trong nhà máy đặc biệt hệ thống cấp đông. 
 Độ hụt khối lượng trong quá trình cấp đông do bốc hơi nước từ bề mặt sản phẩm vào môi trường là 
vấn đề phải nghiên cứu, đánh giá mức độ, tỷ lệ ảnh hưởng đến cả quá trình cấp đông. 
 Ở các nhà máy chế biến, thời gian cấp đông được xác định bằng thực nghiệm và kinh nghiệm. Cần có 
nghiên cứu để dự đoán bằng lý thuyết. 
1.1.4 Cá thu, loại hải sản có giá trị dinh dưỡng cao 
 Cá Thu là đối tượng quan trọng trong ngư nghiệp công nghiệp. Hàm lượng đạm cao nên thịt của cá thu 
dễ hư thối, chóng bị phân hủy và có thể gây ngộ độc nếu ăn phải cá ươn. Đặc điểm này của cá Thu khiến 
cho yêu cầu về kỹ thuật cấp đông trở nên rất khắt khe. Đây là một trong những yếu tố quan trọng trong việc 
lựa chọn cá thu là đối tượng nghiên cứu của luận án. 
1.2 Tổng quan về mô hình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình cấp đông thực phẩm. 
1.2.1 Mô hình bài toán truyền nhiệt truyền chất liên hợp trong quá trình cấp đông thực 
phẩm 
3 
1.2.1.1. Mô hình bài toán truyền nhiệt truyền chất tổng quát 
 Sử dụng phương trình cân bằng vật chất và năng lượng, khi xét đến sự tương hỗ giữa dẫn nhiệt và 
khuếch tán ẩm, phương trình tổng quát của quá trình truyền nhiệt truyền chất được viết như sau[19]: 

 


 
t
Ct 


 
C
qCD
 Để giải hệ phương trình (1.6) nêu trên, Trần Văn Phú [19] đã đưa ra một phương pháp giải tích dựa 
trên đại số Jordan riêng và định lý Sylvester. Phương pháp này có đặc trưng là đơn giải, sử dụng sự tương 
tự của bài toán dẫn nhiệt và bài toán dẫn ẩm tổng quát. Với cách tiếp cận này, một số các bài toán của quá 
trình sấy dịu với tốc độ chậm đã được giải quyết. 
1.2.1.2. Vấn đề truyền nhiệt truyền chất xảy ra trong quá trình cấp đông 
 Quá trình cấp đông thực phẩm có nhiều đặc trưng riêng biệt. Trong quá trình cấp đông xảy ra hiện 
tượng biến đổi pha nước thành băng nhưng không tồn tại mặt phẳng phân pha theo nghĩa cổ điển mà tồn tại 
trường của các hạt băng gọi là pha không liên tục, mặc dù hàm lượng nước trong thực phẩm thường chiếm 
tới hơn 70%. Quá trình chuyển pha từ nước sang băng trong thực phẩm diễn ra trong khoảng nhiệt độ rộng 
bắt đầu từ nhiệt độ điểm đông kéo dài đến gần nhiệt độ không tuyệt đối. Mặt khác do xảy ra quá trình trao 
đổi nhiệt liên hợp gồm (i) dẫn nhiệt không ổn định trong lòng thực phẩm,(ii) trao đổi nhiệt đối lưu giữa bề 
mặt thực phẩm và môi trường làm lạnh, nên trường nhiệt độ của thực phẩm là không đồng đều. Dẫn tới mỗi 
một phân tố của thực phẩm có một nhiệt độ tương ứng với hàm lượng băng và tính chất nhiệt vật lý (Cp(T); 
 (T);(T)) riêng biệt. Vì vậy hệ phương trình (1.6) có tính phi tuyến rõ rệt. 
 Vì những lý do nêu trên, trong các nghiên cứu kinh điển cũng như cho tới nay bài toán mô phỏng quá 
trình trao đổi nhiệt-trao đổi chất trong cấp đông thực phẩm sẽ suy biến về phương trình dẫn nhiệt không ổn 
định có nguồn nhiệt bên trong có kể đến trao đổi chất. 
 )(),(),()(),()()( iimhxqxTT
xT
TTC   





1.2.1.3. Mô hình truyền chất xảy ra trong quá trình cấp đông 
 Quá trình cấp đông thực phẩm luôn luôn gắn liền với quá trình truyền chất, đây là yếu tố quan trọng 
ảnh hưởng trực tiếp đến hụt khối lượng và chất lượng thực phẩm. Dẫn nhiệt không phải là phương thức trao 
đổi nhiệt duy nhất, trong quá trình nó còn được thực hiện thông qua việc khuếch tán vật chất. Thành phần 
này được biểu diễn thông qua phương trình cân bằng nhiệt viết dưới dạng entanpi là dạng rút gọn của 
phương trình (1.8) [75]. 
 ww mht
h
.  




 (1.8) 
Trong đó: hw và wm là entanpi và dòng khếch tán của thành phần nước bên trong thực phẩm. 
 Khi nước trên bề mặt thực phẩm đã đóng băng, cấu tử nước trong thực phẩm bị cố định và quá trình 
khuếch tán bên trong sẽ giảm đi, hiện tượng bốc hơi dừng lại, quá trình trao đổi ẩm lúc này diễn ra theo cơ 
chế thăng hoa. Nước từ thể rắn trên bề mặt thực phẩm sẽ thăng hoa tạo thành hơi bay vào môi trường cấp 
đông. Hiện tượng này chỉ diễn ra trong 1 lớp rất mỏng trên bề mặt thực phẩm, gọi hiện tượng mất nước trên 
bề mặt sản phẩm do quá trình hóa hơi và thăng hoa là Dehydration. Năm 1984, Q.T. Pham và J. Willix [76] 
lần đầu tiên đã đưa ra công thức xác định gần đúng tốc độ quá trình dehydration này. 
w
1 /
s a t s a
g
P T P
m
R T
D 




 Trong đó, δ là chiều dày thoát ẩm và Dδ là hệ số khuếch tán qua lớp thoát ẩm đó, μw là khối lượng 
kg/kmol của nước. Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này, đối tượng nghiên cứu là cá thu là vật đặc 
do đó như ở trên đã đề cập ảnh hưởng của quá trình truyền chất là không lớn. Hơn nữa để mô phỏng quá 
trình truyền chất trong quá trình cấp đông thực phẩm bằng lý thuyết của các nhà khoa học đã trình bày ở 
(1.7
(1.9) 
(1.6) 
4 
trên trong điều kiện Việt Nam là khó có thể thực hiện được. Do chúng ta không thể xây dựng được mô hình 
cho hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng (Dw) của vật liệu. 
 Do đó để đánh giá ảnh hưởng của truyền chất phải thông qua con đường bán thực nghiệm, trong đó 
khái niệm enthalpy trung bình sẽ được sử dụng để ước lượng, lượng nhiệt ẩn sinh ra do sự hụt khối lượng 
trong quá trình cấp đông. 
1.2.2 Các phương pháp giải bài toán truyền nhiệt không ổn định trong quá trình cấp đông 
 Như đã trình bày ở trên, trong thực phẩm được cấp đông, quá trình truyền nhiệt và truyền chất cùng 
xảy ra đồng thời. Tuy nhiên, do quá trình truyền chất xảy ra với cường độ thấp (đặc biệt là đối với các thực 
phẩm đặc như thịt, cá), phần lớn các tác giả [12,17,40,88,37] đã đề xuất bỏ qua ảnh hưởng của quá trình 
truyền chất. Lúc này quá trình cấp đông chỉ thuần túy là quá trình dẫn nhiệt. 
1.2.2.1. Mô hình bài toán dẫn nhiệt không ổn định trong quá trình cấp đông 
 Khi bỏ qua quá trình khuếch tán vật chất bên trong và trên bề mặt khối thực phẩm được cấp đông, quá 
trình cấp đông lúc này hoàn toàn là quá trình dẫn nhiệt thuần túy. Đây là quá trình dẫn nhiệt phi tuyến do 
vật chất là không đồng chất, không đẳng hướng, tính chất nhiệt vật lý của môi trường thay đổi theo nhiệt 
độ. Phương trình vi phân dẫn nhiệt (Carslaw and Jaeger, 1959) mô tả quá trình lạnh đông thực phẩm viết 
cho phân tố có toạ độ véc tơ x
, thời điểm τ như sau[40]. 
 T(x, )C(T) (T) . (T) T(x,τ) q(x, )     

 (1.10) 
Trong đó: 
C(T) – Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, kJ/kg.K 
ρ(T) – Khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, kg/m3 
λ(T) – Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm, W/m.K 
q(x,τ) – Lượng nhiệt do nguồn nhiệt trong sinh ra do sự chuyển pha của nước trong phân tố phụ thuộc vào 
tọa độ và thời gian, W 
T(x,τ) – Nhiệt độ của phân tố phụ thuộc vào tọa độ và thời gian, K 
Để xác định được trường nhiệt độ của thực phẩm lạnh đông từ việc giải phương trình 1.10 ta phải bổ xung 
điều kiện đơn trị. Điều kiện đơn trị bao gồm điều kiện ban đầu và các điều kiện biên[6]: 
Điều kiện ban đầu: Cho biết phân bố trường nhiệt độ tại thời điểm ban đầu 
 inT(x, τ = 0) = T (x)
 (1.11) 
Điều kiện biên: Trong bài toán làm lạnh và cấp đông thực phẩm, chủ yếu gặp điều kiện biên loại 3 hoặc 
điều kiện biên liên hợp (điều kiện biên loại 4). 
Điều kiện biên loại 3 đặc trưng cho trường hợp bề mặt thực phẩm tiếp xúc trực tiếp với môi trường làm 
lạnh và quy luật truyền nhiệt giữa bề mặt và môi trường đã biết trước. 
 n a
n
T
-λ = α T(x ,τ)-T (τ)
n
  
 (1.12a) 
Bài toán làm lạnh cấp đông thực phẩm với điều kiện biên loại 3 thường gặp ở phương pháp lạnh đông bằng 
thiết bị ABF ( Air Blast freezer) và IQF (Individual quickly Freezer). 
Trường hợp đặc biệt của điều kiện biên loại 3, còn gọi là điều kiện biên loại 4 hoặc điều kiện biên liên hợp, 
xảy ra khi bề mặt tiếp xúc trực tiếp với vật rắn khác (gặp ở phương pháp lạnh đông tiếp xúc). 
1 2
1 2
1,n 2,n
T T
-λ = -λ
n n
  
  (1.12b) 
 Khi nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt bên trong thực phẩm, các nhà nghiên cứu đã áp dụng rất nhiều các 
phương pháp khác nhau để giải bài toán trên, song có thể chia các phương pháp đó thành hai nhóm chính 
sau. 
1.2.2.2. Phương pháp giải tích gần đúng và các công thức bán thực nghiệm kinh điển 
5 
 Phương pháp giải tích được dựa trên giả thuyết quá trình chuyển pha là lý tưởng, sự chuyển pha và giải 
phóng nhiệt ẩn đóng băng diễn ra ở nhiệt độ điểm băng không đổi. Đồng thời tồn tại bề mặt phân pha giữa 
vùng đóng băng và  ... c chế độ vận tốc khác nhau với mẫu điển hình có chiều dày 3cm 
Kích thước 
sản phẩm 
Nhiệt 
độ (0C) 
Vận tốc không khí môi trường cấp đông 
5 7.5 10 12.5 15 5 7.5 10 12.5 15 
Mức độ giảm thời gian cấp đông ( phút) Mức độ giảm thời gian cấp đông ( %) 
Chiều dày 
30 mm 
Diện tích 
S:0.0421 m2 
Thể tích 
V:0.000754 
m3 
-25 -6.1 -4.7 -3.3 -1.9 -0.5 -5.96 -5.75 -4.86 -3.24 -1.01 
-30 -4.9 -3.8 -2.7 -1.5 -0.4 -5.62 -5.43 -4.58 -3.11 -1.03 
-35 -3.9 -3.1 -2.2 -1.4 -0.5 -4.98 -4.91 -4.23 -3.05 -1.31 
-40 -3.6 -2.8 -1.9 -1.1 -0.3 -5.01 -4.80 -4.00 -2.65 -0.72 
-45 -3.0 -2.3 -1.7 -1.0 -0.3 -4.37 -4.29 -3.69 -2.58 -1.03 
Trung bình -4.3 -3.34 -2.36 -1.38 -0.4 -5.19 -5.04 -4.27 -2.93 -1.02 
4.1.2 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường làm lạnh tới quá trình cấp đông thực phẩm 
 -45 -40 -35 -30 -2530
40
50
60
70
80
90
100
110
Nhiet do khong khi moi truong cap dong, (0C)
T
h
o
i 
g
ia
n
 c
a
p
 d
o
n
g
, 
(p
h
u
t)
Anh huong cua nhiet do den thoi gian cap dong, Mau S:0.0421, V:0.000754
5m/s
7,5m/s
10m/s
12,5m/s
15m/s
Hình 4.3 : Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời gian cấp đông cá Thu 3mm 
21 
Bảng 4.7: Mức độ ảnh hưởng ở các chế độ nhiệt độ không khí khác nhau 
Kích thước sản 
phẩm 
Vận 
tốc 
không 
khí 
Nhiệt độ không khí môi trường cấp đông 
-25 -30 -35 -40 -45 -25 -30 -35 -40 -45 
Mức độ giảm thời gian cấp đông (phút) Mức độ giảm thời gian cấp đông ( %) 
Chiều dày: 30 
mm 
Diện tích 
S:0.0421 m2 
Thể tích 
V:0.000754m3 
5 4.2 3.3 2.5 1.6 0.8 4.12 3.85 3.17 2.26 1.13 
7,5 3.5 2.8 2.2 1.5 0.8 4.31 4.08 3.46 2.56 1.47 
10 3.3 2.6 1.9 1.2 0.5 4.84 4.47 3.66 2.55 1.21 
12,5 2.9 2.3 1.7 1.2 0.6 5.00 4.71 3.91 2.79 1.44 
15 2.8 2.3 1.7 1.1 0.5 5.57 5.30 4.28 3.06 1.58 
Trung bình 3.34 2.66 2 1.32 0.64 4.77 4.48 3.7 2.64 1.37 
 Thời gian cấp đông giảm đi khi nhiệt độ môi trường giảm xuống. Khi nhiệt độ môi trường thấp, độ 
chênh nhiệt độ lớn sẽ làm cho mật độ tỏa nhiệt lớn và ngược lại 
 Tốc độ biến thiên thời gian cấp đông ban đầu rất nhanh nhưng sau đó chậm dần, khi nhiệt độ bề mặt 
giảm từ -400C xuống -500C, tốc độ thay đổi thời gian cấp đông có xu hướng chậm hơn khá nhiều so với 
giai đoạn từ -250C đến -350C. Điều này có thể lý giải là do lúc này cường độ trao đổi nhiệt bề mặt đủ lớn, 
quá trình dẫn nhiệt lúc này phụ thuộc chủ yếu vào quá trình khuếch tán nhiệt bên trong thực phẩm. 
4.1.3 Đánh giá ảnh hưởng của chiều dày sản phẩm tới quá trình cấp đông thực phẩm 
Chế độ thứ nhất chọn vận tốc không khí không đổi với v=10m/s 
Chế độ thứ hai chọn nhiệt độ môi trường cấp đông không đổi t =-350C. 
a. Ảnh hưởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông với v=10m/s 
Bảng 4.9: Mức độ ảnh hưởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông 
Chiều dày sản phẩm (mm) 
Vận 
tốc 
(m/s) 
Nhiệt 
độ 
(0C) 
2 2.5 3 3.5 4 2 2.5 3 3.5 4 
Mức độ giảm thời gian cấp đông 
( phút) 
Mức độ giảm thời gian cấp đông ( %) 
10 
-25 31.5 31.2 31.0 30.7 30.5 66.7 50.1 39.6 32.7 28.0 
-30 24.6 24.8 25.0 25.1 25.3 65.3 50.1 40.1 33.4 29.0 
-35 20.4 20.7 21.0 21.2 21.5 65.1 50.1 40.2 34.1 29.4 
-40 20.4 20.7 21.0 21.2 21.5 75.5 58.6 46.9 39.6 34.6 
-45 15.9 15.7 15.5 15.3 15.1 67.5 50.5 39.3 32.7 27.7 
b. Ảnh hưởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông với t=-350C 
Bảng 4.11: Mức độ ảnh hưởng của chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông 
Nhiệt 
độ (0C) 
Vận tốc 
(m/s) 
Mức độ giảm thời gian cấp đông (phút) Mức độ giảm thời gian cấp đông (%) 
2 2.5 3 3.5 4 2 2.5 3 3.5 4 
-35 
5 27.5 27.0 26.4 25.8 25.3 67.2 49.7 39.0 31.8 27.0 
7,5 23.5 23.2 22.8 22.5 22.2 67.6 49.9 39.4 32.5 27.5 
10 20.4 20.7 21.0 21.2 21.5 65.1 50.1 40.2 34.1 29.4 
12,5 20.0 19.7 19.4 19.2 18.9 69.5 51.5 40.3 32.7 28.0 
15 17.8 18.2 18.5 18.9 19.2 66.5 50.9 41.2 34.7 30.1 
4.2 Nghiên cứu xác định vùng cấp đông hợp lý cho cá thu 
4.2.1 Xây dựng hàm hồi quy 
 Sử dụng phần mềm STATGRAPHICS Centurion XVI thiết lập phương trình hồi quy. 
4.2.2 Tìm vùng cấp đông hợp lý cho cá Thu 
Bằng phần mềm STATGRAPHICS Centurion XVI tác giả đã tìm được vùng cấp đông hợp 
lý cho quá trình cấp đông cá Thu như sau: 
Bảng 4.15: Khoảng giá trị t, ω, chiều dày hợp lý khi cấp đông cá Thu 
Thông số Đơn vị Khoảng làm việc hợp lý Thời gian cấp đông hợp lý  (phút) 
Vận tốc m/s 10  12 
19  48 Nhiệt độ 0C -39  -35 
Chiều dày cm 2.3 3 
22 
4.3 Đề xuất các giải pháp tiêu hao năng lượng trong quá trình cấp đông cá thu 
4.3.1. Xác định chế độ cấp đông tối ưu theo phương pháp thực nghiệm 
Tối ưu hóa thực nghiệm là việc xác định nghiệm tối ưu bằng cách làm các thí nghiệm để xác 
định lượng tiêu thụ năng lượng tại từng chế độ được xác định. Phương pháp này đơn giản, cho 
phép tìm ra điểm tối ưu mà không cần tính toán phức tạp. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược 
điểm là: tổng số thí nghiệm lớn, chế độ tối ưu được xác định cho từng loại thực phẩm khác nhau, 
khi thay đổi loại thực phẩm, nhà sản xuất sẽ phải tiến hành tối ưu hóa chế độ làm việc từ đầu. 
Trong trường hợp thực phẩm cấp đông có giá trị kinh tế cao, không có điều kiện để làm nhiều thí 
nghiệm vì thiệt hại kinh tế sẽ rất lớn, phương pháp này sẽ trở thành bất khả thi. 
4.3.2 Giải pháp tiết kiệm năng lượng đơi với thiết bị cấp đông dạng IQF tại nhà máy 
Các giải pháp tiết kiệm năng lượng có thể phân thành ba nhóm sau: (i),Nhóm 1: Lắp đặt hợp lý, 
(ii) Nhóm 2: Bảo trì và bảo dưỡng thiết bị định kỳ nhằm nâng cao hiệu suất thiết bị trong vận 
hành, (iii) Nhóm 3: Ứng dụng các giải pháp tiết kiệm năng lượng nhằm đảm bảo công suất tiêu 
hao của hệ thống là hợp lý. 
Trong nội dung luận án này, tác giả sử dụng nhóm thứ 3 để áp dụng cho hệ thống cấp đông 
IQF (thay đổi nhiệt độ môi trường cấp đông và vận tốc không khí môi trường cấp đông từ kết quả 
nghiên cứu mục 4.1). 
4.3.2.1 Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho hệ thống cấp đông IQF 
Các thông số hệ thống lạnh IQF tại nhà máy: Công suất cấp đông của thiết bị là 3000kg/h. Hệ thống máy 
lạnh sử dụng máy nén MYCOM ký hiệu là N2520SSC 
Thiết bị cấp đông IQF tại nhà máy có công suất là: 
∑Ne = Nemáy nén+ Nequạt dàn lạnh + Ne ngưng tụ + Necấp dịch +Nebăng chuyền 
 = 250 + 6x5,5 + 34 + 2,2 + 0,18= 319,38 kW 
Suất tiêu hao năng lượng cho 01 kg sản phẩm là 319,38/3000 = 0,107 kW/kg sp 
Tại thời điểm khảo sát thiết bị cấp đông IQF vận hành với chế độ nhiệt độ đặt T0 = -41
0C, khảo sát thực thế 
trong băng chuyền nhiệt độ dao động từ -400C đến -440C, vận tốc không khí là v= 15±1 m/s. Đối với băng 
chuyền IQF để xác định suất tiêu hao năng lượng riêng chúng tôi đã chấp nhận một số giả thiết công suất 
lạnh của thiết bị coi như không đổi trong suất quá trình cấp đông. 
4.3.2.2 Khả năng tiết kiệm năng lượng khi thay đổi tốc độ quạt lưu chuyển gió 
Trong khoảng vận tốc tối ưu trong quá trình cấp đông giả sử ta lấy tốc độ gió tối ưu cho thiết bị 
nói trên là 10m/s như vậy công suất quạt sẽ giảm đi là: 
3 3 3 3
2 2 2 2 2
2 1 1
1 1 1 1 1
Ne Q v Q v
Ne Ne Ne
Ne Q v Q v
Bảng 4.16: Công suất quạt thay đổi theo vận tốc gió 
Công suất quạt thay đổi theo vận tốc không khí 
Vận tốc 
(m/s) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 
Công suất 
quạt (kW) 1.22 2.11 3.35 5.01 7.13 9.78 13.01 16.90 21.48 26.83 33.00 
NL Tiết kiệm 
(kW) 31.78 30.89 29.65 27.99 25.87 23.22 19.99 16.10 11.52 6.17 0.00 
Nhận xét 
Như vậy khi thay đổi tốc độ quạt từ 15m/s xuống còn 10 m/s thì công suất quạt giảm xuống còn là 
9,78 kW. 
Tổng công suất hệ thống khi thay đổi tốc độ quạt từ 15m/s xuống 10m/s giảm từ 319,38kW 
xuống còn là 296,16kW tiết kiệm 23,22kW. 
Suất tiêu hao năng lượng cho 01 kg sản phẩm là 296,16/3000 = 0,0987 kW/kg sp. Giảm 7,73% 
 Trung bình hệ thống máy IQF hoạt độ 15h/ngày, như vậy tổng công suất điện tiết kiệm được trong 1 ngày 
vận hành hệ thống là 348,3 kWh. Tiết kiệm 7,28% công suất điện. 
23 
4.3.2.3 Khả năng tiết kiệm năng lượng khi thay đổi nhiệt độ buồng cấp đông và chênh lệch giữa 
nhiệt độ sôi và nhiệt độ buồng. 
Thực tế, khi nhiệt độ môi trường cấp đông càng thấp thì thời gian cấp đông giảm, hiệu suất 
làm lạnh (COP) giảm dẫn đến công suất điện của máy nén tăng lên. Khả năng tiết kiệm năng lượng 
trong trường hợp này dựa vào độ chênh lệch hệ số COP. Trong cùng điều kiện vận hành và phụ tải 
lạnh, năng lượng tiết kiệm tỷ lệ thuận với hệ số COP: 
12
0.
COPCOP
Q
P
 (kW.h) 
Hệ thống cấp đông được khảo sát để nghiên cứu là hệ thống băng chuyền IQF của nhà 
máy chế biến xuất khẩu thủy sản Việt Hải, Bà rịa- Vũng Tàu, sử dụng là máy nén trục vít 
MYCOM có mã hiệu N5220SSC. 
Bảng 4.17: Công suất máy nén thay đổi theo nhiệt độ sôi 
Chế độ 
Nhiệt độ 
ngưng tụ (0C) 
Năng suất 
lạnh (kW) 
Nhiệt độ 
sôi (0C) 
Nhiệt độ 
buồng (0C) 
COP 
Công suất 
máy nén (kW) 
1 
40 322 
-40 -35 1,46 221.0 
2 -42 -37 1,36 237.2 
3 -44 -39 1,26 256.0 
4 -46 -41 1,17 275.7 
5 -48 -43 1,07 301.5 
6 -50 -45 0,984 327.8 
Bảng 4.18: Mức độ tiết kiệm năng lượng khi thay đổi nhiệt độ sôi môi chất 
Stt 
Nhiệt độ sôi 
thực tế (0C) 
Nhiệt độ sôi 
điều chỉnh (0C) 
Độ thay đổi công suất máy 
nén (kW) 
Năng lượng tiết kiệm / 
ngày(kWh) 
1 
-46 
-40 54.7 820.5 
2 -42 38.5 577.5 
3 -44 19.7 295.5 
4 -46 0 0 
5 -48 -25.8 -387 
6 -50 -52.1 -781.5 
Khi thay đổi nhiệt độ sôi của môi chất từ -460C xuống -400C tức là thay đổi nhiệt độ buồng cấp đông từ -
410C xuống -350C thì công suất lạnh từ 275,7kW xuống còn 221kW tiết kiệm được 19,7,7kW. Năng lượng 
tiết kiệm được trong một ngày (15 giờ/ngày) là 820,5kWh tương đương 15,85% công suất điện. 
Khi thay đổi nhiệt độ sôi của môi chất từ -460C xuống -440C tức là thay đổi nhiệt độ buồng cấp đông từ 
-410C xuống -390C thì công suất lạnh từ 275,7kW xuống còn 256kW tiết kiệm được 54,7 kW. Năng 
lượng tiết kiệm được trong một ngày (15 giờ/ngày) là 295,5kWh tương đương 5,70% công suất điện. 
Suất tiêu hao năng lượng cho 01 kg sản phẩm là (221+69,38)/3000 = 0,0967 kW/kg sp. Giảm 7,75% 
4.4 Kết luận chương 4 
Ảnh hưởng của nhiệt độ 
- Thời gian cấp đông giảm đi khi độ âm sâu của môi trường cấp đông tăng lên. 
- Cường độ tỏa nhiệt bề mặt của thực phẩm cũng phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ môi trường cấp đông. 
Khi nhiệt độ môi trường thấp, độ chênh nhiệt độ lớn sẽ làm cho mật độ tỏa nhiệt lớn và ngược lại 
- Khoảng nhiệt độ tối ưu cho quá trình cấp đông cá Thu là t= -350C ÷-390C 
Ảnh hưởng của tốc độ gió 
- Tốc độ không khí ảnh hưởng rất lớn đến thời gian làm lạnh và cấp đông. Khi tốc độ không khí lớn, hệ 
số trao đổi nhiệt đối lưu lớn làm cho mật độ tỏa nhiệt của thực phẩm lớn và thời gian làm lạnh sẽ giảm 
đi. 
- Khoảng tốc độ gió tối ưu cho quá trình cấp đông cá Thu là ω=10m/s ÷12m/s 
Ảnh hưởng của chiều dày 
- Mật độ tỏa nhiệt của thực phẩm thay đổi theo kích thước xác định của khối thực phẩm. Trong trường 
hợp khối thực phẩm dày, mật độ tỏa nhiệt bé hơn nhiều do lúc này yếu tố quyết định là quá 
 trình khuếch tán nhiệt bên trong thực phẩm. 
24 
Khi thay đổi tốc độ gió trong buồng cấp đông từ 15m/s xuống 10m/s công suất điện tiết kiệm được trong 
một ngày của hệ thống là 348,3 kWh. Tiết kiệm 7,28% công suất điện. 
Khi thay đổi nhiệt độ sôi của môi chất lạnh R134a trong hệ thống lạnh từ -460C xuống -400C công suất 
điện máy nén giảm từ 275,7kW xuống còn 221kW tiết kiệm được 19,7kW. Năng lượng tiết kiệm được 
trong một ngày (hệ thống hoạt động 15h) là 820,5kWh tương đương 15,85% công suất điện. 
Chương 5 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
5.1. Kết luận 
1. Luận án đã đánh giá ảnh hưởng của quá trình truyền chất thông qua việc xác định tỷ lệ hụt khối lượng 
trong quá trình cấp đông cá Thu bằng thực nghiệm từ đó rút ra được mức độ ảnh hưởng của quá trình 
truyền chất đến quá trình truyền nhiệt trong quá trình cấp đông cá Thu khoảng 5% và có thể bỏ qua trong 
quá trình tính toán. 
2. Luận án đã lựa chọn và phát triển hoàn thiện được mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý λ(T), C(T), 
ρ(T), i(T) phụ thuộc vào nhiệt độ, đối tượng kiểm chứng là cá Thu. Phương pháp xác định tính chất nhiệt vật 
lý đơn giản, số liệu đầu vào chỉ là thành phần thực phẩm có thể dễ dàng phân tích xác định ngay tại cơ sở sản 
xuất chế biến cá Thu và có thể ứng dụng để xác định cho những loại cá khác. Xây dựng hoàn thiện phần 
mềm xác định tính chất nhiệt vật lý của hải sản. Sử dụng mô hình và phần mềm có thể xác định tính chất nhiệt 
vật lý một cách nhanh chóng cho từng lô sản phẩm, sản phẩm của từng vùng miền ngay khi đánh bắt. 
3. Sử dụng khái niệm nhiệt độ trung bình entanpi xác định nhiệt độ trung bình của khối thực phẩm, để xác 
định thời gian cấp đông cho kết quả chính xác hơn. Xác định entanpi trung bình của khối thực phẩm để 
đánh giá ảnh hưởng của quá trình trao đổi chất trên bề mặt thực phẩm trong quá trình cấp đông, từ đó xây 
dựng được công thức xác định được độ hụt khối lượng trong quá trình cấp đông. 
4. Xây dựng mô hình toán học giải bài toán dẫn nhiệt bên trong thực phẩm cấp đông có ảnh hưởng của 
quá trình biến đổi pha theo mô hình của Chumark & Onischenko, giải trực tiếp phương trình vi phân dẫn 
nhiệt bằng phương pháp số thể tích hữu hạn. Xây dựng được phầm mềm xác định trường nhiệt độ và thời 
gian cấp đông hải sản 
5. Thực nghiệm xác định trường nhiệt độ và thời gian cấp đông cá Thu ở các chế độ khác nhau nhằm 
kiểm chứng tính toán lý thuyết với sai số lớn nhất khoảng 7%. Đây là sai số có thể chấp nhận được đối với 
một bài toán truyền nhiệt phức tạp có biến đổi pha liên tục trong khoảng nhiệt độ rộng. 
6. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố: Nhiệt độ môi trường cấp đông, tốc độ gió trong môi trường cấp 
đông, chiều dày sản phẩm đến thời gian cấp đông cá Thu từ đó xác định được vùng làm việc tối ưu nhiệt độ 
t= -390C÷ -350C , tốc độ gió v= 10  12 m/s, chiều dày sản phẩm δ = 2 ÷ 3,2 cm, khi cấp đông cá thu. 
Khảo sát, đo đạc lấy số liệu thực tế tại nhà máy, qua phân tích tại nhà máychế biến thuỷ hải sản luận án đã 
đưa ra các giải pháp có khả năng tiết kiệm năng lượng trong một hệ thống dây chuyền cấp đông IQF tại nhà 
máy là i) thay đổi tốc độ quạt gió và ii) thay đổi nhiệt độ sôi của môi chất lạnh . Khả năng tiết kiệm năng 
lượng với phương án thay đổi nhiệt độ sôi của môi chất là khoảng 15,85%. Suất tiêu hao năng lượng tiết 
kiệm được cho 1kg sản phẩm cấp đông là 7,75%. 
5.2 Kiến nghị và đề xuất hướng nghiên cứu mới 
 Trong thời gian thực hiện luận án tác giả nhận thấy còn có những vấn đề mới cần được nghiên cứu 
hoàn thiện. Tác giả xin đưa ra một số hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm đáp ứng tốt hơn những yêu cầu của 
thực tế sản xuất: 
1. Xây dựng bài toán trao đổi nhiệt có kèm theo quá trình biến đổi chất trong thực phẩm được bảo quản 
dài ngày nhằm nâng cao chất lượng bảo quản thực phẩm. 
2. Xây dựng cơ sở dữ liệu mở về thành phần cấu tạo, các thông số nhiệt vật lý của thực phẩm Việt Nam 
nhằm cung cấp đầu vào tin cậy cho các tính toán kỹ thuật. 
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường đến chất lượng thực phẩm và thời gian cấp đông đối với đối 
tượng hải sản nhằm đánh giá chất lượng và khả năng ứng dụng công nghệ CAS – Công nghệ bảo quản tươi 
sống vào thực tiễn.