Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất và xác định chế độ sấy tôm thẻ châ

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. Tổng quan về nguyên liệu và phương pháp sấy 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]. 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.