Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu đặc tính trao đổi nhiệt ẩm và xác định các thông số công nghệ bảo quản lạnh quả vải tt

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Quả vải (Litchi chinensis Sonn) là loại quả có giá trị thương phẩm cao, màu sắc đẹp và giàu
hàm lượng dinh dưỡng [13]. Vì vậy quả vải được xác định là một trong 11 loại quả chủ lực của Việt
Nam dùng để xuất khẩu và nội tiêu. Theo Tổng cục thống kê [129], năm 2016 sản lượng quả vải
trong cả nước đạt 312.556,3 tấn, trong đó dẫn đầu là Bắc Giang với sản lượng khoảng 142.000 tấn,
tiếp đến là Hải Dương khoảng 25.000 tấn, Quảng Ninh khoảng 8.000 tấn …[12]. Đến nay huyện
Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang trở thành nơi trồng quả vải lớn nhất nước với tổng diện tích đạt khoảng
30.000 ha, sản lượng hàng năm dao động từ 100.000 ÷ 190.000 tấn và tổng doanh thu đạt trên 5.000
tỷ đồng.
Tuy nhiên, với đặc tính hô hấp thường biến [39][25], ưa bảo quản lạnh, khả năng mất nước
khá cao (độ hao hụt của quả vải ở nhiệt độ thường trong 24 h sau thu hoạch có thể lên đến 3 ÷ 5%
khối lượng), dẫn tới nhanh héo và nâu hóa vỏ, nên quả vải là loại quả rất khó bảo quản [39]. Không
những thế, quả vải còn có tính thời vụ rõ rệt, với mỗi mùa thu hoạch chỉ tối đa khoảng 45 ngày, nên
tạo áp lực lưu thông rất lớn. Chính vì vậy quả vải của Việt Nam chủ yếu mới được dùng nội tiêu
trong nước, chỉ khoảng 10 ÷ 15% sản lượng tương đương 20.000 ÷ 30.000 tấn quả được xuất thô
sang Trung Quốc. Tuy nhiên lượng xuất khẩu này luôn bị ép giá và không chủ động được về thị
trường, do chúng ta chưa có công nghệ bảo quản dài ngày loại sản phẩm này. Không những thế việc
“được mùa mất giá” luôn là một điệp khúc với những người sản xuất vải cho thị trường trong nước.
Do đó, sản xuất quả vải ở Việt Nam trong 10 năm gần đây tuy đã có bước phát triển vượt bậc nhưng
lại thiếu tính bền vững.

Xuất phát từ thực tế nêu trên nghiên cứu sinh (NCS) đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên
cứu đặc tính trao đổi nhiệt ẩm và xác định các thông số công nghệ bảo quản lạnh quả vải’’ với mục
đích là đề xuất cơ sở lý luận cho quá trình làm lạnh và bảo quản lạnh ở quy mô tập trung cho loại
quả hô hấp thường biến có vỏ dày, hạt lớn ưa bảo quản lạnh là quả vải.
2. Giới thiệu luận án
2.1. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu chung là xây dựng cơ sở khoa học cho việc phát triển công nghệ chế biến, bảo quản
lạnh quả vải.
2.2. Đối tượng & phạm vi nghiên cứu
Đối tượng được lựa chọn để nghiên cứu là quả vải huyện Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang, Việt
Nam có độ chín 3. Quả vải có khối lượng trung bình 15 ÷ 25 g, đường kính 25 ÷ 35 mm, chiều cao
26 ÷ 40 mm và hàm lượng nước trong cùi quả chiếm 80 ÷ 84%. Quả vải được nghiên cứu trong
phạm vi liên quan tới tính chất nhiệt vật lý, quá trình truyền nhiệt và tỏa ẩm, quá trình hô hấp xảy ra
khi làm lạnh sơ bộ và bảo quản lạnh sau thu hoạch.
2.3. Nội dung nghiên cứu
- Xây dựng mô hình dự đoán (tính toán) tính chất nhiệt vật lý hiệu dụng của quả vải Lục Ngạn
dựa vào thành phần chính của quả vải, trên cơ sở giả thiết coi quả vải là hệ nhiệt động cân bằng đa
thành phần; Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh sơ bộ và làm lạnh chính của quả vải,
trên cơ sở giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng dẫn nhiệt không ổn định sử dụng các thông
số nhiệt vật lý hiệu dụng kết hợp với điều kiện biên loại 3 đối xứng, cho hệ nhiệt động cân bằng
không đồng chất nhưng đẳng hướng; Tiến hành thí nghiệm để kiểm chứng mô hình trên quả vải của
3 mùa vụ trong 3 năm liên tiếp. Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong quá trình làm lạnh sơ bộ
quả vải bằng phương pháp gián tiếp; Trên cơ sở các nghiên cứu đó xác định được thời gian làm
lạnh, nhu cầu cấp lạnh cần thiết cho một đơn vị khối lượng quả. Từ đó xác định nhu cầu lạnh (đá
cây) cho một đơn vị khối lượng vải bảo quản; Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô hình cường độ
hô hấp và nhiệt hô hấp của quả vải phụ thuộc nhiệt độ thông qua mô hình nhiệt động của tốc độ
phản ứng Arrhenius. Thí nghiệm được thực hiện cho quả vải trong 3 mùa vụ của 3 năm liên tiếp;
Phát triển mô hình xác định độ hao hụt khối lượng của quả vải (độ hao hụt tự nhiên) trong quá trình
bảo quản trên cơ sở sử dụng giả thiết quả vải trong kho bảo quản và không khí trong kho là một hệ
nhiệt động tựa cân bằng, đẳng áp, dựa trên cách tiếp cận của Jadan xây dựng tia quá trình  cho
không khí tuần hoàn trong kho lạnh bảo quản quả vải; Xây dựng mô hình thí nghiệm kho lạnh bảo
1


quản quả vải với các thông số kỹ thuật thích hợp để bảo quản quả vải từ 30 ngày trở lên và để kiểm
chứng mô hình hao hụt khối lượng cũng như dùng để nghiên cứu phát triển các mẫu kho bảo quản
lạnh cũng như đánh giá về chất lượng quả vải sau bảo quản; Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã
đạt được đề xuất các mẫu kho lạnh với các thông số công nghệ thích hợp dùng cho bảo quản quả
vải.
2.4. Phương pháp nghiên cứu


- Nghiên cứu lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng quá trình kết hợp với nghiên cứu bằng
thực nghiệm để giải quyết các bài toán đặt ra; Vận dụng các kiến thức và hiểu biết thực tế để giải
quyết các vấn đề đặt ra trong luận án. Trong đó kiến thức được vận dụng bao gồm các kiến thức về:
nhiệt động, truyền nhiệt, nhiệt động hóa học, xử lý nhiệt ẩm không khí trong kho bảo quản, quá
trình sinh lý xảy ra trong quá trình bảo quản quả vải và kiến thức về toán ứng dụng.
2.5. Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu đạt được
Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã làm rõ bản chất của quá trình truyền
nhiệt và tỏa ẩm đối với quả vải. Từ đó mô phỏng quá trình làm lạnh, hao hụt tự nhiên của quả vải để
xác định các đặc tính kỹ thuật và công nghệ. Sử dụng các phần mềm tính toán phục vụ cho công
nghệ chế biến và bảo quản quả vải nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế.
2.6. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu đạt được
- Từ mô hình tính toán thông số nhiệt vật lý và làm lạnh sơ bộ có thể xác định được nhu cầu
đá cần cho quá trình làm lạnh sơ bộ, nhu cầu lạnh cho quá trình bảo quản. Trên cơ sở đó, có thể đề
xuất xây dựng các nhà máy sản xuất đá phục vụ cho vùng nguyên liệu khoảng 140.000 tấn/năm;
Xây dựng các thông số cường độ hô hấp và nhiệt tỏa hô hấp của quả vải tươi phụ thuộc vào nhiệt
độ. Đây là thông số rất cần thiết dùng cho công nghệ chế biến và bảo quản vải tươi; Đề xuất các yêu
cầu về các thông số công nghệ cần thiết để thiết kế kho lạnh dùng cho bảo quản vải.
2.7. Các đóng góp mới của luận án
1. Xây dựng được mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh của quả vải trên cơ sở hệ phương
trình vi phân dẫn nhiệt không ổn định, đối với đối tượng không đồng chất nhưng đẳng hướng với
điều kiện biên loại 3 viết cho hệ tọa độ cầu, trên cơ sở phát triển phương pháp tính toán tính chất
nhiệt vật lý hiệu dụng gồm có nhiệt dung riêng đẳng áp (Cp), hệ số dẫn nhiệt (), enthalpy riêng
phần (i), khối lượng riêng () của quả vải, trên cơ sở coi quả vải như hệ nhiệt động cân bằng, đa
thành phần, không có chuyển pha. Trong đó các thành phần hệ là các lớp quả.
2. Mô hình cường độ hô hấp đã được xây dựng dựa trên mô hình Arrhenius của tốc độ phản
ứng phụ thuộc vào nhiệt độ, dựa trên cơ sở xử lý hàng trăm số liệu của hơn 20 thí nghiệm được tiến
hành liên tiếp cho quả vải của 3 mùa vụ 3 năm liên tiếp 2014 ÷ 2016 ở 5 nhiệt độ khác nhau.
3. Luận án đã phát triển thành công mô hình xác định độ hao hụt tự nhiên cho quả vải trong
quá trình bảo quản dựa trên nguyên lý hệ nhiệt động cân bằng, đẳng áp.
4. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã xác định được các thông số công nghệ cần thiết cho
chuỗi lạnh bảo quản quả vải từ khâu làm lạnh sơ bộ, vận chuyển, tái lạnh và bảo quản lạnh.
5. Đề xuất yêu cầu kho lạnh phù hợp để kéo dài thời gian bảo quản và tăng chất lượng quả vải
sau bảo quản. Xây dựng mẫu thiết bị thí nghiệm để nghiên cứu thực nghiệm quá trình bảo quản.
2.8. Bố cục của luận án
Luận án được trình bày trong 5 chương với các nội dung: Chương 1 trình bày nghiên cứu tổng
quan; Chương 2 trình bày nội dung và phương pháp nghiên cứu; Chương 3 mô phỏng các quá trình
làm lạnh; Chương 4 xây dựng mô hình xác định độ hao hụt tự nhiên và phát triển công nghệ lạnh
cho quả vải; Chương 5 trình bày kết luận và kiến nghị.
Chương 1

TỔNG QUAN

1.1. Sản xuất quả vải của Việt Nam
1.1.1. Thực trạng sản xuất và chế biến rau quả
Ngành xuất khẩu hoa quả của nước ta còn rất khiêm tốn so với tiềm năng sản xuất. Phần lớn
rau quả Việt Nam, trong đó có quả vải được xuất khẩu thô, không qua chế biến vào thị trường
Trung Quốc nên giá trị gia tăng không cao và rất phụ thuộc vào mùa vụ.
Một trong những vấn đề tồn tại chính là công nghệ chế biến và bảo quản rau quả của nước ta
2


chưa phát triển nên lượng hao hụt khối lượng sau thu hoạch của rau quả Việt Nam rất lớn từ 25 ÷
30% [18] đồng thời chất lượng bảo quản sau thu hoạch cũng không cao, thời gian bảo quản ngắn.
Với những lý do trên, để nâng cao chất lượng chế biến và kéo dài thời gian bảo quản, giảm
mức độ hư hỏng sau thu hoạch của rau quả nói chung và quả vải nói riêng xuống dưới 10% như
Nghị Quyết 48/NQ-CP của Chính phủ, ban hành ngày 23/09/2009 đã yêu cầu, rất cần thiết phát
triển công nghệ chế biến sau thu hoạch [8]. Trong đó một trong những khâu quyết định là phát triển
công nghệ lạnh chế biến và bảo quản rau quả.
1.1.2. Tình hình sản xuất quả vải của Việt Nam
Để phát triển bền vững quả vải không thể tách rời việc nâng cao chất lượng khâu chế biến và
bảo quản lạnh quả vải. Đây là vấn đề đang tồn tại của sản xuất quả vải Việt Nam.
1.2. Qui trình chế biến và các phương pháp bảo quản quả vải
1.2.1. Qui trình chế biến quả vải và những tồn tại
Nếu như công đoạn 1, 2 đã được nhiều các tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu, thì đối với
công đoạn 3, 4, 5 cả trong và ngoài nước đều có rất ít nghiên cứu và một số nghiên cứu đó chủ yếu
là thực nghiệm, thiếu tính hệ thống. Một trong những lý do chính là do quả vải được sản xuất chủ
yếu ở các nước đang phát triển với sản lượng không cao, công nghệ chế biến còn lạc hậu. Hơn nữa
quả vải mới được thị trường rau quả thế giới chú ý trong vòng khoảng 10 năm trở lại đây. Do đó
gần đây các nước mới bắt đầu tập trung nghiên cứu phát triển công nghệ chế biến bảo quản quả vải.
1

Quả vải
thu hái và
phân loại

Công nghệ
thu hoạch

2

Xử lý vi
sinh vật

- Xử lý chống nấm mốc
- Xử lý ruồi đục quả
- Xử lý chống nâu hóa

3

Làm lạnh
sơ bộ

- Bằng nước lạnh
- Bằng không khí đối lưu

4

Vận
chuyển

5

Làm lạnh
bảo quản

6

Tiêu thụ

- Bằng xe lạnh
- Bằng xe thường

Công nghệ
xử lý sau
thu hoạch

Công nghệ
lạnh

- Làm khô sau sơ chế
- Bảo quản lạnh

Hình 1.1 Qui trình chế biến quả vải sau thu hoạch
1.2.2. Các phương pháp bảo quản quả vải
1.2.2.1. Phương pháp bảo quản hóa học
a. Bảo quản bằng SO2
Đây là phương pháp rẻ tiền dễ thực hiện. Tuy nhiên có một hạn chế rất lớn là gây tồn dư hóa
chất trên trái cây gây ảnh hưởng tới sức khỏe người tiêu dùng. Do đó hiện nay phương pháp này
không còn được sử dụng nữa.
b. Bảo quản quả vải bằng chitosan và các axit hữu cơ
So với phương pháp cổ điển nêu trên phương pháp mới này sử dụng các hợp chất hữu cơ,
không gây ảnh hưởng tới sức khỏe của con người. Tuy nhiên phương pháp này vẫn có hạn chế là
các sản phẩm sau bảo quản thường vẫn còn lưu lại mùi hóa chất, lượng hóa chất tồn dư nên khó đáp
ứng được yêu cầu của thị trường khó tính khi xuất khẩu như Nhật Bản, Mỹ và Châu Âu.

3


1.2.2.2. Phương pháp bảo quản vật lý
a. Công nghệ bảo quản quả vải trong môi trường khí kiểm soát (CA)
Bản chất của phương pháp CA (Control Atmosphere) là quả vải được bảo quản trong một kho
lạnh kín gần như tuyệt đối [16][28][58][69][71][80][112][119]. Trong đó nồng độ O2 và CO2 được
duy trì theo một tỉ lệ nhất định bằng một hệ thống thiết bị điều khiển nồng độ khí. Ưu điểm của
phương pháp này là có thể tạo ra điều kiện bảo quản khá tối ưu để nâng cao chất lượng và kéo dài
thời gian bảo quản. Tuy nhiên nhược điểm chính là: (1) công nghệ này rất đắt tiền do phải có thêm
hệ thống điều khiển nồng độ khí cũng như vỏ kho cần kín gần tuyệt đối, (2) quả sau khi đưa ra khỏi
kho để đi tiêu thụ tiếp xúc với không khí thường sẽ bị sốc dẫn tới hô hấp mãnh liệt và bị thối hỏng
chỉ trong 2 ÷ 3 ngày. Điều này gây ra khó khăn trong việc tiêu thụ sản phẩm. Chính vì vậy hiện nay
phương pháp CA không được ứng dụng rộng rãi trong thương mại.
b. Công nghệ bảo quản quả vải trong môi trường khí điều biến (MAP)
Bảo quản MAP (Modified Atmosphere Packaging) [18][45][58][71][80][89] là kỹ thuật được
sử dụng để kéo dài thời gian sử dụng cho rau quả đã qua sơ chế, thông qua giảm cường độ hô hấp
bằng cách duy trì môi trường khí điều biến (giảm nồng độ O2, tăng nồng độ CO2) bên trong bao gói
bằng chất thấm được. Khí điều biến “Modified Atmosphere” là một thuật ngữ miêu tả quá trình trao
đổi và duy trì thành phần hỗn hợp khí trong bao gói bởi một sự tác động phức tạp tương hỗ lẫn nhau
giữa cường độ hô hấp của chính hoa quả và sự thấm khí qua màng bao gói.
c. Bảo quản quả vải ở nhiệt độ thấp
Bảo quản quả vải lân cận điểm băng: Shen Jiang và các cộng sự (2011) [75] nghiên cứu bảo
quản lạnh quả vải gần điểm băng theo qui trình sau:
10h
10h
10h
5 oC → 3 oC ⎯⎯⎯
→ 0 oC ⎯⎯⎯
→−0,5 oC ⎯⎯⎯
→−1, 2 oC;  = 87%
Tuy nhiên cũng như bảo quản MAP phương pháp này chỉ thích hợp cho việc bảo quản một số
lượng hạn chế. Do hệ thống kỹ thuật cho kho lạnh bảo quản phức tạp và yêu cầu vốn đầu tư lớn.
Chính vì vậy trong điều kiện hiện nay của Việt Nam việc nghiên cứu phát triển công nghệ lạnh
thích hợp với việc bảo quản quả vải số lượng lớn ở quy mô công nghiệp là vấn đề cần thiết.
Bảo quản quả vải trong môi trường điện từ trường yếu: Bản chất của phương pháp bảo quản
này là do trong quá trình hô hấp của quả vải sau thu hoạch sẽ giải phóng ra các ion H+, các ion này
sẽ kết hợp với O2 tạo ra nước. Do đó nếu đưa quả vải vào trong trường điện từ sẽ có tác dụng hạn
chế sự linh động của các ion này dẫn tới hạn chế phản ứng hô hấp. Bên cạnh đó việc đưa quả vải
vào trong trường điện từ yếu còn có tác dụng hạn chế sự xuất hiện của các vi sinh vật và làm đồng
đều sự phân bố của hơi nước trong không gian bảo quản. Do đó phương pháp này cho chất lượng
bảo quản rất cao. Tuy nhiên hiện nay phương pháp này mới đang trong giai đoạn nghiên cứu phát
triển do đó giá thành đầu tư rất đắt không thích hợp lắm với việc bảo quản quảvải là loại quả có giá
trị gia tăng không lớn trong điều kiện Việt Nam.
1.2.2.3. Kết luận
(i) phương pháp hóa học: dùng hóa chất để bảo quản, phương pháp này dễ thực hiện và chi
phí thấp. Tuy nhiên không đảm bảo về an toàn thực phẩm nên hiện nay được sử dụng hết sức hạn
chế và dần sẽ phải loại bỏ; (ii) phương pháp vật lý: sử dụng các tác động vật lý như nhiệt độ, nồng
độ khí, chiếu xạ, bảo quản trong trường điện từ để khống chế hô hấp và xử lý vi sinh vật. Các
phương pháp này hiện nay đang ngày càng phát triển và chiếm vị trí chủ đạo.
Trong tất cả phương pháp bảo quản không có phương pháp nào tách rời các khâu chế biến và
bảo quản lạnh. Trong điều kiện Việt Nam với thời vụ thu hoạch ngắn và dồn dập việc nghiên cứu
bảo quản lạnh quả vải ở quy mô công nghiệp có ý nghĩa rất lớn.
1.3. Các nghiên cứu về quá trình làm lạnh quả vải
1.3.1. Quá trình làm lạnh sơ bộ
Brosnan (2001) [42] đã khẳng định làm lạnh sơ bộ là quan trọng nhất trong các khâu xử lý sau
thu hoạch. Hơn nữa, quả vải là quả hô hấp thường biến [25][39] nên sau khi thu hoạch quả vải
không thể chín thêm được nữa. Tuy nhiên rất đáng tiếc ở Việt Nam quá trình làm lạnh sơ bộ quả vải
chưa được quan tâm nghiên cứu, chưa đưa thành một khâu riêng trong chuỗi chế biến bảo quản.

4


1.3.1.1. Làm lạnh sơ bộ bằng nước đá
Hiện nay đối với quy mô lớn, phương pháp làm lạnh sơ bộ chủ yếu sử dụng nước đá. Do đây
là phương pháp rẻ tiền, cho hiệu suất làm lạnh cao do hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa nước và quả
lớn. Việc nghiên cứu quá trình làm lạnh sơ bộ sẽ cho phép xác định năng suất lạnh cần thiết hay
suất tiêu hao của đá trong quá trình làm lạnh sơ bộ.
1.3.1.2. Làm lạnh sơ bộ bằng không khí đối lưu
Bên cạnh việc nghiên cứu quá trình làm lạnh sơ bộ bằng nước đá, một số tác giả còn nghiên
cứu quá trình làm lạnh bằng không khí đối lưu. Lý do chính là sau khi làm lạnh sơ bộ bằng nước,
quả bị thấm ướt nên cần làm bay hơi hết nước rồi mới đưa vào bảo quản. Quá trình này làm tăng
thêm độ phức tạp của công nghệ làm lạnh quả vải.
Do đặc thù của Việt Nam là toàn bộ các nhà máy chế biến rau quả đều ở xa vùng sản xuất. Vì
thế, phương pháp làm lạnh sơ bộ bằng gió là khó thực hiện và chi phí rất cao. Không những thế
phương pháp này còn cho chất lượng quả vải khi đưa vào bảo quản kém hơn nhiều so với sử dụng
nước lạnh do thời gian làm lạnh kéo dài từ 4 ÷ 10 h. Vì vậy, phương pháp làm lạnh sơ bộ bằng nước
đá có tính khả thi ở Việt Nam và trên thực tế đang được bà con nông dân áp dụng một cách tự phát
dựa theo kinh nghiệm, thiếu cơ sở khoa học để vận tải quả vải xuất sang Trung Quốc và chuyển vào
thị trường phía Nam.
1.3.1.3. Kết luận
(i) Quá trình làm lạnh sơ bộ của quả vải là rất cần thiết, để giảm tổn thất về chất lượng và hao
hụt về khối lượng. Tuy nhiên ở Việt Nam quá trình này chưa được quan tâm nghiên cứu, do đó làm
ảnh hưởng không nhỏ tới chất lượng quả vải sau thu hoạch; (ii) Kết quả nghiên cứu của các tác giả
khác nhau cho thấy làm lạnh sơ bộ bằng nước đá có nhiều ưu điểm hơn làm lạnh bằng không khí.
Trong quy mô công nghiệp thường áp dụng phương pháp này; (iii) Có một số nghiên cứu của các
tác giả nước ngoài về các phương pháp làm lạnh sơ bộ quả vải. Tuy nhiên đây mới chỉ là nghiên
cứu mang tính thực nghiệm. Chủ yếu đánh giá về hiệu quả của quá trình làm lạnh sơ bộ, chứ chưa
đi sâu vào bản chất năng lượng của quá trình. Có một vài nghiên cứu đã xây dựng mô hình mô
phỏng quá trình làm lạnh sơ bộ dưới dạng hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt không ổn định, tuy
nhiên lại không nghiên cứu tính chất nhiệt vật lý của quả vải nên mô hình còn có nhiều hạn chế; (iv)
Do đó đối với quả vải của Việt Nam, rất cần thiết có những nghiên cứu sâu hơn về quá trình làm
lạnh sơ bộ của quả vải, nhằm xác định thời gian làm lạnh sơ bộ, năng suất lạnh cần thiết trên đơn vị
khối lượng sản phẩm.
1.3.2. Quá trình làm lạnh và bảo quản
Nghiên cứu sinh chọn các thông số công nghệ để bảo quản quả vải trong luận án này là nhiệt
độ: 2 ÷ 5oC, độ ẩm: 90 ÷ 95%.
1.3.3. Mô phỏng quá trình làm lạnh

C(t)(t)

t(x, )
= . (t)t(x,τ) + q(x, )


(

)

(1.2)

Điều kiện ban đầu: Cho biết phân bố trường nhiệt độ tại thời điểm ban đầu.

t(x, τ = 0) = t in (x)

(1.3)

Điều kiện biên là loại 3.

 t 
-λ   = α  t(x n ,τ)-t a (τ) 
 n n

(1.4)

Phương trình (1.2) nêu trên rất khó giải được bằng phương pháp giải tích vì hình dạng vật thể
phi tiêu chuẩn. Hơn nữa, quả vải không đồng chất, không đẳng hướng và bề mặt quả thô ráp.
Luận án sẽ đi sâu nghiên cứu mô phỏng quá trình làm lạnh sơ bộ và làm lạnh bảo quản của
quả vải Lục Ngạn dưới dạng hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt không ổn định đối xứng với điều
kiện biên loại 3 bằng phương pháp thể tích hữu hạn.
1.4. Các nghiên cứu về tính chất nhiệt vật lý
Để giải hệ phương trình dạng (1.2) cần thiết phải biết được các thông số nhiệt dung riêng, hệ
số dẫn nhiệt, khối lượng riêng (Cp, , ), đây chính là các thông số nhiệt vật lý của quả vải.
5


1.4.1. Xác định tính chất nhiệt vật lý bằng thực nghiệm
1.4.1.1. Đo nhiệt dung riêng đẳng áp
a. Phương pháp hỗn hợp: Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản. Tuy nhiên nhược điểm,
thời gian đo lâu độ chính xác của phương pháp này bị giới hạn, do khi tính toán bỏ qua quá trình hô
hấp tỏa nhiệt của vải vào môi trường. Do đó không thể xác định NDR của quả vải bằng phương
pháp này.
b. Phương pháp so sánh nhiệt lượng: Nhược điểm của phương pháp này là chỉ xác định được
NDR của chất lỏng do đó không thể áp dụng trong khuôn khổ nghiên cứu này cho quả vải.
c. Phương pháp đoạn nhiệt: Phương pháp do Moline và cộng sự đề xuất (1961): đây là
phương pháp đơn giản và xác định nhanh NDR của thực phẩm. Nhược điểm của phương pháp này:
Cần phải có mẫu chuẩn, đồng thời mẫu đưa vào đo phải đủ nhỏ. Do đó áp dụng cho quả vải là
không thể.
Phương pháp buồng đoạn nhiệt do Mohsenin (1980) đề xuất: Đối với phương pháp này cần
phải có mẫu chuẩn và yêu cầu tương tự như các phương pháp ở trên về độ nhạy của thiết bị đo và tự
ghi nhiệt độ cũng như tạo do đó rất khó áp dụng ở Việt Nam. Hơn nữa với quả vải có hô hấp chúng
ta cần phải tách riêng nhiệt hô hấp ra, đây là vấn đề rất khó có thể thực hiện được.
d. Phương pháp xác định NDR bằng (DSC): Phương pháp DSC thường sử dụng mẫu chuẩn là
Sapphire và indi, để tránh hiện tượng thoát hơi nước từ thực phẩm, mẫu cần đo được đặt trong
không gian kín.
DSC là phương pháp rất hiện đại có thể kết hợp với phương pháp quét ảnh nhiệt để xác định
đường cong nhiệt độ. Tuy nhiên vấn đề chính là mẫu đo phải đủ nhỏ để có thể coi là hệ nhiệt động
cân bằng để xây dựng đường cong thay đổi nhiệt độ. Nhưng đối với quả vải việc làm như vậy sẽ
làm thay đổi kết cấu của quả dẫn tới phép đo không còn chính xác. Bên cạnh đó nếu có thể có cách
nào đó đưa nguyên cả quả vải vào DSC thì do quá trình hô hấp sẽ làm cho công thức (1.9) không
nghiệm đúng. Do đó phương pháp DSC không thể dùng để đo NDR của quả vải cũng như các loại
quả có hạt khác.
Kết luận: Trong các phương pháp thí nghiệm trình bày ở trên để xác định NDR của thực
phẩm, không có phương pháp nào thích hợp để đo quả vải nên việc đo bằng thực nghiệm NDR của
quả vải là điều không thể. Chưa kể đến điều kiện thiết bị thí nghiệm của Việt Nam chúng ta không
có bom nhiệt lượng kế và DSC thích hợp để xác định NDR của thực phẩm nói chung và quả vải nói
riêng. Vì thế trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này chúng ta sẽ xác định NDR theo cách tiếp
cận tính toán theo NDR của các thành phần của quả vải, kiểm chứng tính hợp lý của mô hình gián
tiếp qua sự phù hợp của trường nhiệt độ đo được của ở tâm quả trong quá trình làm lạnh.
1.4.1.2. Đo hệ số dẫn nhiệt
a. Phương pháp ổn định: ưu điểm là xác định được hệ số dẫn nhiệt có độ chính xác tương đối
cao trong phạm vi nhiệt độ lớn, quá trình tính toán và xử lý đơn giản. Tuy nhiên phương pháp này
có một số nhược điểm: thời gian thí nghiệm rất lâu: vài chục giờ đến vài ngày; hệ thống đo cồng
kềnh, mẫu cần đo bắt buộc phải gia công; chỉ xác định được  trung bình mà không xác định được
 tức thời; vật liệu cần đo phải khô, vì khó có thể tạo được chế độ ổn định với vật ẩm; vật liệu đo
phải đồng chất và đẳng hướng. Có thể nói đối với quả vải, không đồng chất nên hệ số  rất phụ
thuộc vào tọa độ. Nếu  được xác định theo phương vuông góc với cuống quả sẽ cho một kết quả.
Còn nếu đo  dọc theo chiều của cuống quả, là nơi có nhiều ống mao dẫn, dẫn các chất dinh dưỡng
từ cây vào để nuôi quả, sau khi thu hái sẽ trở thành các ống rỗng chứa khí sẽ cho một kết quả khác
hẳn sai lệch có khi lên tới vài lần, do  khí nhỏ hơn nhiều  của nước và chất khô. Ngoài ra quả vải
có hàm lượng ẩm là trên 80% và thời gian thí nghiệm kéo dài hàng chục giờ dẫn tới ảnh hưởng của
nhiệt tỏa hô hấp là không thể bỏ qua. Do đó phương pháp này không sử dụng để xác định hệ số dẫn
nhiệt của quả vải trong khuôn khổ luận án này.
b. Phương pháp không ổn định: Tuy nhiên điểm yếu của các phương pháp này khi dùng để đo
quả vải là: (i) Phải bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt tỏa hô hấp; (ii) Do cấu tạo của quả vải chia thành
các lớp có cấu tạo rất khác nhau nên để sử dụng phương pháp này bắt buộc phải đo riêng hệ số dẫn
nhiệt của vỏ quả, cùi quả và hạt quả. Muốn đo hệ số dẫn nhiệt của vỏ quả chỉ có cách xay nhuyễn
vỏ quả ra và nén chặt lại để đo. Tuy nhiên độ chính xác rất thấp do có không khí lẫn vào mẫu đo.
6


Cùi quả vải rất mỏng chỉ dày 10 ÷ 20 mm chứa hàm lượng nước trên 80% nên gần như bất khả thi
để đưa nguồn nhiệt và đầu đo để thí nghiệm với sai số chấp nhận được. Giữa vỏ quả vải và cùi còn
lớp màng và lớp không khí mỏng không thể xác định được bằng thực nghiệm do đó việc đo riêng rẽ
3 lớp so với điều kiện thực của quả là khác xa.
(iii) Phương pháp đo trên vẫn dựa trên giả thiết Cp đã đo được chính xác. Đối với quả vải đây
lại là vấn đề không thực hiện được.
c. Kết luận
Tóm lại qua việc phân tích các phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt nêu trên cho thấy sự bất khả
thi khi áp dụng cho quả vải mà cho sai số có thể chấp nhận được. Do đó trong khuôn khổ của luận
án này, NCS sẽ áp dụng cách dự đoán hệ số dẫn nhiệt của của quả vải bằng tính toán dựa theo thành
phần quả vải, sau đó kiểm chứng tính hợp lý của mô hình gián tiếp qua sự phù hợp của trường nhiệt
độ đo được của ở tâm quả trong quá trình làm lạnh với kết quả mô phỏng bằng hệ phương trình
(1.2).
1.4.2. Dự đoán tính chất nhiệt vật lý bằng tính toán
1.4.2.1. Dự đoán nhiệt dung riêng hiệu dụng
Vậy nhiệt dung riêng thành phần của từng lớp có kể đến hàm lượng nước được phát triển trên
cơ sở mô hình của Siebel. Nhiệt dung riêng hiệu dụng của quả vải được xây dựng kế thừa dựa trên
mô hình của Choi và Okos (1986) [51].
1.4.2.2. Enthalpy của quả vải

i = ii  xi =   Ci  xi  dt

(1.19)

1.4.2.3. Hệ số dẫn nhiệt

 =  Vi  i

(1.22)
1.4.2.4. Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu hỗn hợp
 = con + ra +  trans
(1.23)
Trong điều kiện nghiên cứu của luận án này rất khó có thể tiến hành thực nghiệm để xác định
hệ số trao đổi nhiệt đối lưu  của quả vải với vỏ ngoài rất xù xì, nên trong luận án sẽ áp dụng
phương pháp luận của Mariangela Amendola để gián tiếp xác định  và hiệu chỉnh mô hình mô
phỏng.
1.5. Các nghiên cứu xác định độ hao hụt tự nhiên
1.5.1. Độ hao hụt tự nhiên
- Trong tế bào, nước ở dạng dung dịch liên kết. Nhờ quá trình hô hấp nước liên kết chuyển
thành nước tự do và dịch chuyển từ trong lòng quả ra bề mặt theo định luật Fick; Nước tại bề mặt
quả nhận một lượng nhiệt bằng chính nhiệt ẩn hóa hơi của nước để chuyển pha từ nước thành hơi
tại nhiệt độ ở bề mặt vào môi trường bảo quản; Khuếch tán hơi từ lớp bề mặt vào môi trường bảo
quản theo định luật Dalton.
1.5.2. Xác định độ hao hụt bằng định luật Dalton
1.5.2.1. Định luật Fick
(1.25)
Md = kt·A·C
Tuy nhiên các hệ số trong phương trình (1.25) chưa có ai nghiên cứu số liệu thực nghiệm cho
quả vải. Cũng như việc xác định chênh lệch nồng độ là rất khó, nên trên thực tế chưa có tác giả nào
sử dụng dạng định luật Fick để nghiên cứu độ mất nước của rau quả trong quá trình làm lạnh và bảo
quản. Chủ yếu các nghiên cứu này sử dụng định luật Dalton.
1.5.2.2. Định luật Dalton
Me = ke·A·(Pm - Pa)
(1.26)
Công thức (1.26) là khá phổ biến dùng để xác định độ hao hụt do mất nước của thực phẩm
trong quá trình chế biến và bảo quản lạnh. Về hình thức là hệ quả của công thức (1.25). Tuy nhiên
điểm khác nhau là công thức (1.26) được áp dụng cho điều kiện biên trên bề mặt của quả, khi nước
đã ở dạng hơi. Điểm hạn chế khi áp dụng công thức (1.26) như trên chúng ta đã đề cập là rất khó
xác định ke là rất khó vì nó phụ thuộc vào hình dáng sản phẩm cũng như tính chất vật lý và diện tích
dính ướt, tức là phần diện tích có tham gia vào quá trình làm bay hơi nước.
Bryan R. Becker và Brian A. Fricke (1996)
7


.

m = k m  (Pm − Pa )

(1.27)

Hệ số tỏa ẩm km cũng được xác định bằng các công thức thực nghiệm. Tuy nhiên công thức
(1.27) chưa phản ánh được đầy đủ bản chất của quá trình và các hệ số trong phương trình chưa có ai
nghiên cứu số liệu thực nghiệm cho quả vải. Do đó rất khó áp dụng cho quả vải.
Bryant (2012)
(1.28)
W = 1,074 + 3,731·, %
Tuy nhiên công thức gần đúng này cho sai số tính toán rất lớn, do đó công thức này không
phát triển dùng cho các giống vải khác nhau được.
Do đó việc sử dụng công thức này, cần phải kết hợp với việc nghiên cứu thực nghiệm để hiệu
chỉnh các thông số. Tuy nhiên đây là việc rất khó trong điều kiện Việt Nam, do vậy để xác định độ
hao hụt do mất nước của quả vải theo một cách tiếp cận khác, theo giả thiết của quá trình hao hụt
này xảy ra theo nguyên tắc đẳng áp đẳng enthalpy.
1.5.3. Xác định độ hao hụt do mất nước theo giả thiết quá trình đẳng áp - đẳng
enthalpy
Mô hình N.R. Markarian và các cộng sự (2006)

dh
= q p + qope + q r + q v + qloss
dt
dW R trans + R spray − R cond + R vent
=
dt
ma

(1.29)
(1.30)

Như vậy, Markarian và các cộng sự đã tính đến quá trình truyền nhiệt, truyền chất đồng thời
nên kết quả tính toán thu được sẽ tốt và đúng bản chất hơn so với các mô hình khác. Nhưng các số
liệu đưa vào tính toán vẫn là các số liệu thực nghiệm.
Phương pháp Jadan (1984)


Qres + Qloss + Qope = Qa

mf = Wa


Q
Q
=
→W=
W


(1.31)

(1.33)

Như vậy nếu xác định được Q và  hoàn toàn có thể xác định lượng ẩm W tỏa ra từ rau quả
với sai số hoàn toàn có thể chấp nhận được.
Trong khuôn khổ của luận án này nghiên cứu sinh cũng áp dụng phương pháp đẳng áp – đẳng
enthalpy và cách tiếp cận của Jadan [34] để xác định độ hao hụt do mất nước của quả vải trong bảo
quản. Lý do để chọn cách tiếp cận này là phương pháp Jadan rất thích hợp cho các kho bảo quản
lớn, quả vải tiếp xúc trực tiếp với không khí, có độ ẩm cân bằng cao  = 90 ÷ 98% và nhiệt độ bảo
quản trong khoảng t = 0 ÷ 15oC.
1.6. Xác định cường độ hô hấp và nhiệt tỏa do hô hấp của quả vải
Cho tới thời điểm hiện tại các công trình nghiên cứu xác định cường độ hô hấp của quả vải
chủ yếu là ở nước ngoài và cũng không thật rõ ràng với đối tượng là quả vải của họ, có thành phần
khác hẳn thành phần quả vải Lục Ngạn. Nghiên cứu của tác giả Cao Văn Hùng chưa đủ độ chính
xác và thuyết phục để có thể sử dụng cho quả vải của Việt Nam.
Như vậy cần có một nghiên cứu đầy đủ hơn, sử dụng phương pháp hiện đại về cường độ hô
hấp phụ thuộc vào nhiệt độ của quả vải Lục Ngạn trong khoảng 3 ÷ 4 mùa vụ. Ngoài ra cũng cần
xây dựng một qui trình nghiên cứu cường độ hô hấp phù hợp với quả vải và nghiên cứu cường độ
hô hấp phụ thuộc vào nhiệt độ với dải nhiệt độ rộng hơn có tối thiểu 5 điểm nhiệt độ và thiết bị đảm
bảo nhiệt độ có độ dao động ± 0,5°C ÷ ± 1,0°C.

8


1.7. Kết luận chương 1
1.7.1. Tổng kết các nghiên cứu tổng quan
Để phát triển công nghệ lạnh bảo quản quả vải, một nhiệm vụ cấp thiết hiện nay rất cần phải
tiến hành nghiên cứu một cách có hệ thống và giải quyết các vấn đề còn tồn tại nêu trên. Đó là nội
dung và mục tiêu nghiên cứu của luận án này.
1.7.2. Đề xuất hướng nghiên cứu
Qua nghiên cứu tổng quan, từ những phân tích đánh giá đã trình bày, để thấy rằng: phát triển
công nghệ lạnh bảo quản quả vải, một nhiệm vụ cấp thiết hiện nay rất cần phải tiến hành nghiên cứu
một cách có hệ thống và giải quyết các vấn đề còn tồn tại nêu trên. Từ đó nghiên cứu sinh đã đề
xuất mục tiêu nghiên cứu của mình vào xây dựng cơ sở khoa học cho việc phát triển công nghệ chế
biến, bảo quản lạnh quả vải Việt Nam với đề tài cụ thể “Nghiên cứu đặc tính trao đổi nhiệt ẩm và
xác định các thông số công nghệ bảo quản lạnh quả vải’’ như đã giới thiệu trong phần mở đầu.
Chương 2

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nội dung và phương pháp nghiên cứu kết quả chính dự kiến được diễn giải tóm tắt trên Hình
2.1.
2.2. Những nội dung và phương pháp nghiên cứu chính
2.2.1. Nội dung nghiên cứu
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu
Mục tiêu
nghiên cứu

Nội dung, phương pháp

Kết quả dự kiến

Xây dựng mô hình tính chất
nhiệt vật lý

1

Làm lạnh
sơ bộ

Mô phỏng các quá trình làm
lạnh theo hệ phương trình vi
phân dẫn nhiệt không ổn định
đối xứng với điều kiện biên loại
3
Xác định gián tiếp hệ số trao
đổi nhiệt của quả vải

Đóng góp khoa học
Mô hình tính
chất nhiệt vật


Bảo quản
lạnh

Nghiên cứu thực nghiệm cường
độ hô hấp

Xác định suất
tiêu hao đá

Xác định 
Mô phỏng
quá trình làm
lạnh sơ bộ

Xác định cường
độ hô hấp
Phần mềm tính
nhiệt tỏa do hô
hấp

Nghiên cứu đặc tính nhiệt - ẩm
(theo phương pháp Jadan)

2

Đóng góp thực tiễn

Mô hình xác
định độ hao
hụt tự nhiên

Đề xuất tiêu chí
cho kho lạnh bảo
quản quả vải

Yêu cầu của kho lạnh bảo quản

Hình 2.1 Nội dung và phương pháp nghiên cứu
2.3. Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình làm lạnh
Quả vải là loại quả hô hấp thường biến và có cường độ hô hấp nhỏ. Do thời gian làm lạnh ngắn
nhỏ hơn 24 h và nhiệt tỏa hô hấp nhỏ hơn nhiều so với nhiệt tỏa ra từ quả nên có thể bỏ qua nguồn nhiệt
trong và (2.1) được viết lại như sau:
t
= a  2t
(2.4)



2.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình hao hụt tự nhiên
W = WH O + WC
2
9

(2.5)


2.5. Nghiên cứu thực nghiệm
2.5.1. Quy trình thu hái và phân loại quả vải
Thu hái: Quả vải được hái ở độ chín 3 là khi màu vỏ quả chuyển từ vàng sáng chuyển hồng.
Thu hái khi thời tiết khô ráo vào thời điểm sáng sớm trong ngày. Thu hái được tiến hành nhẹ nhàng,
cẩn thận không được để quả rơi chạm đất và tránh các tổn thương cơ học. Hái xong được tập kết về
nơi râm mát.
Phân loại: Chọn quả vải loại 1, loại bỏ các quả vải có khuyết tật nhẹ ở vỏ. Quả vải phải đồng
đều, cùng giống, chất lượng, kích thước, màu sắc. Loại bỏ quả có tổn thương cơ học: loại bỏ quả
dập nát, xây xước. Loại bỏ quả hình dáng không bình thường, quả có sâu đầu cuống, quả thối hỏng.
Chọn các quả có cùng một độ chín 3, chọn quả đồng đều nhau về mầu sắc, kích thước. Làm sạch
các tạp chất cơ học bám trên bề mặt quả vải, cắt cuống. Quy trình thu hái và phân loại này là qui
trình chung sử dụng cho tất cả các thí nghiệm được thực hiện. Bước này được thực hiện đầu tiên sau
đó mới tới các bước tiếp theo của quy trình thí nghiệm trình bày trong các thí nghiệm dưới đây.
2.5.2. Xác định đường kính tương đương
Dtđ = (Dh·Dw·Dd)1/3
(2.9)

Hình 2.2 Kích thước quả vải
2.5.3. Nghiên cứu thực nghiệm các quá trình làm lạnh
2.5.3.1. Thí nghiệm làm lạnh sơ bộ bằng nước đá
Thí nghiệm xác định thời gian làm lạnh sơ bộ, sự thay đổi trường nhiệt độ của quả khi quả
được làm lạnh trong môi trường nước đá từ nhiệt độ ban đầu sau thu hoạch tới nhiệt độ bảo quản.
Thí nghiệm này được lặp đi lặp lại 03 lần. Kết quả thí nghiệm này dùng để kiểm chứng và hiệu
chỉnh mô hình làm lạnh sơ bộ quả vải bằng nước lạnh trước khi vận tải.
2.5.3.2. Thí nghiệm về quá trình làm lạnh bằng không khí đối lưu
Mục đích thí nghiệm: xác định thời gian làm lạnh, sự thay đổi trường nhiệt độ của quả khi quả
được làm lạnh trong môi trường không khí từ nhiệt độ ban đầu tới nhiệt độ bảo quản. Thí nghiệm
này được lặp đi lặp lại 03 lần. Kết quả thí nghiệm này dùng để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình
làm lạnh quả trước khi bảo quả bằng không khí.
Thiết bị thí nghiệm.

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo

10


Bảng 2.3 Ký hiệu và tên gọi các thiết bị trong sơ đồ nguyên lý cấu tạo
Ký hiệu
Tên gọi
Ký hiệu
Tên gọi
1
Vách cách nhiệt
10
Cửa cấp
2
Vách áo băng
11
Thiết bị hút ẩm
3
Nguồn lạnh
12
Thiết bị phun ẩm
4
Luồng không khí đẳng nhiệt
13
Thiết bị cấp gió tươi
5
Quạt gió
14
Nắp đậy bình tích lạnh
6
Buồng hòa trộn
15
Gân tăng cứng bình tích lạnh
7
Bình tích lạnh
16
Cửa đẳng nhiệt
8
Không gian bảo quản
17
Kênh gió
9
Cửa hút
Thử nghiệm thiết bị thí nghiệm

Hình 2.8 Độ ổn định nhiệt độ môi trường bảo
Hình 2.9 Độ ổn định nhiệt độ môi trường bảo
quản không tải
quản tbq khi làm lạnh và bảo quản
2.5.3.3. Thí nghiệm xác định lượng nước bám trên vỏ quả
Thí nghiệm dùng để xác đinh lượng nước bám trên quả vải sau quá trình làm lạnh bằng nước.
Thí nghiệm nhằm xác định thời gian và nhu cầu về năng suất lạnh cho quá trình làm khô quả.
Kết quả này được sử dụng trong chương 4. Các kết quả xác định lượng nước bám trên vỏ quả
cho từng năm được thể hiện trong phụ lục.
2.5.3.4. Thí nghiệm xác định thành phần nước của các lớp quả vải
Sử dụng phương pháp sấy làm bay hơi hết hơi nước trong mẫu. Cân trọng lượng mẫu trước và
sau khi sấy khô, từ đó tính ra phần trăm nước có trong thực phẩm.

W=

(m1 − m2 ) 100
m1 − m

(2.9)

2.5.4. Nghiên cứu quá trình bảo quản lạnh quả vải
2.5.4.1. Xác định cường độ hô hấp

Hình 2.10 Bình kín đựng quả vải để xác định
cường độ hô hấp

Hình 2.11 Máy phân tích khí model 6600
xác định nồng độ O2 và CO2

11


Cường độ hô hấp của quả vải theo thời gian được sử dụng để xử lý số liệu xây dựng cường độ
hô hấp phụ thuộc vào nhiệt độ ở chương 4 mục 4.1.1.
2.5.4.2. Xác định chỉ tiêu chất lượng quả vải
Chỉ tiêu chất lượng quả vải được Bộ môn chế biến Nông sản thuộc Viện Cơ Điện Nông
nghiệp và Công nghệ Sau thu hoạch tiến hành phân tích, xác định với các chỉ tiêu cụ thể: Lấy mẫu
quả tươi theo phương pháp TCVN 5102-90 (ISO 874-1980); Xác định đường tổng số theo phương
pháp Lain-ay mol; Xác định axit malic theo phương pháp trung hòa; Xác định vitamin C theo
phương pháp Ierkuzt; Sử dụng máy đo REF-103 để xác định hàm lượng chất khô hòa tan.
Kết quả xác định chất lượng của quả vải theo thời gian bảo quản được sử dụng để kiểm chứng
nội dung nghiên cứu ở chương 4.
2.5.4.3. Xác định độ hao hụt tự nhiên
Thí nghiệm xác định độ hao hụt tự nhiên trong kho lạnh bảo quản bằng phương pháp sử dụng
cân phân tích xác định khối lượng quả ban đầu và khối lượng quả sau các khoảng thời gian bảo
quản khác nhau. Sau đó lấy khối lượng xác định được tại thời điểm bảo quản trừ đi khối lượng ban
đầu sẽ xác định được độ hao hụt tự nhiên của quả vải. Thí nghiệm này được lặp đi lặp lại 03 lần.
Kết quả thí nghiệm này dùng để kiểm chứng mô hình xác định độ hao hụt tự nhiên của quả vải
trong chương 4.
2.6. Phương pháp đánh giá sai số thí nghiệm
Xác định độ tin cậy trung bình của các giá trị đo lường bằng cách sử dụng tất cả độ lệch tạo
thành một hợp số dương và sau đó tính trung bình các số này. Cuối cùng lấy căn bậc hai của kết quả
trung bình đó sẽ thu được một giá trị giống như giá trị x của chính nó. Giá trị này gọi là độ lệch
chuẩn của dãy giá trị: x1, x2,…, xN và được ký hiệu là x được biểu diễn dưới dạng John R. Taylor
(1997) [119]:
1 N 2
1 N
(2.14)
x =
  di =
  (x i − x)2
N i =1
N i =1
2.7. Kết luận chương 2
Nội dung nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt trong quá trình làm lạnh đã được trình bày là hệ
phương trình vi phân dẫn nhiệt không ổn định với điều kiện biên loại 3.
Mô hình độ hao hụt tự nhiên được xây dựng trên cơ sở nghiên cứu đặc tính nhiệt ẩm của quá
trình bảo quản quả vải trong kho lạnh được xây dựng với sự trợ giúp của hệ số góc tia quá trình có
dạng như của điều hòa công nghệ.
- Xây dựng thiết bị thí nghiệm có độ dao động nhiệt độ  0,5oC   1,0oC, độ đồng đều nhiệt
độ  0,5oC   1,0oC phù hợp để tiến hành các thí nghiệm làm lạnh bảo quản quả vải, đo cường độ
hô hấp, nghiên cứu độ hao hụt tự nhiên;
- Xác định được thông số vật lý là đường kính tương đương sử dụng trong mô hình mô phỏng
các quá trình làm lạnh;
- Đã tiến hành nghiên cứu các quá trình làm lạnh sơ bộ, làm lạnh và bảo quản với số liệu
trong 04 năm liên tục;
- Nghiên cứu đo cường độ hô hấp với 5 điểm nhiệt độ có qui trình phù hợp và được tiến hành
trong 3 năm liên tiếp.
Chương 3

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH

3.1. Phát triển mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý
t
Cp    =  2 t



(3.1)

Trong đó để giải phương trình trên với điều kiện biên loại 3 đối xứng rất cần thiết phải xác
định được các hệ số Cp, ,  chính là tính chất nhiệt vật lý hiệu dụng của quả vải.

12


3.1.1. Xác định khối lượng riêng hiệu dụng
1
1
1
 = Xv 
+ Xc 
+ Xh 
X vw
Xcw
X hw
vw
cw
hw
3.1.2. Xác định hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng
Vv  v
V  c
Vh  h
=
+
+
X v Xc X h X v Xc X h X v Xc X h

v

+

c

+

h

v

+

c

+

h

v

+

c

+

(3.6)

(3.12)

h

3.1.3. Xác định nhiệt dung riêng hiệu dụng đẳng áp
Cp = X v  Cv + Xc  Cc + Xh  Ch
3.1.4. Xác định Enthalpy

i =  Cp  dt = Cp  t

(3.17)
(3.19)

3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh
3.2.1. Giả thiết cho mô hình
- Quả vải được coi như là một vật không đồng chất nhưng vật chất gồm 3 thành phần chính là
vỏ, cùi, hạt được phân bố đều, các thành phần cấu tạo được xem là liên tục; Quả vải có bán kính
tương đương R; Phân bố nhiệt độ bên trong quả vải đối xứng qua tâm và đồng nhất với nhiệt độ ban
đầu t0 ở điều kiện ban đầu; Cơ chế truyền nhiệt trong quả vải chỉ là dẫn nhiệt; Bán kính quả vải
không đổi trong quá trình dẫn nhiệt; Hệ số (Cp, , ) trong suốt quá trình làm lạnh chỉ phụ thuộc
vào thành phần của quả; Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu là trung bình cho toàn bộ bề mặt quả; Không
có quá trình chuyển pha trong suốt quá trình làm lạnh; Hao hụt khối lượng do hô hấp quả vải trong
quá trình làm lạnh là vô cùng nhỏ nên có thể bỏ qua.
Để đo nhiệt độ trên bề mặt của vải rất khó, do vỏ mỏng, thô ráp và xù xì rất khó có thể gắn
cặp nhiệt để đo. Nhiệt độ trong cùi quả cũng rất khó xác định vì cùi quả có nhiều nước và mềm nên
rất khó cố định vị trí cảm biến, cũng như đổ paraffin cách nhiệt. Do đó trên thực tế người ta chỉ có
thể đo chính xác nhiệt độ ở tâm quả. Do vậy mô hình toán học được mô tả ở phần tiếp theo cũng sẽ
chỉ được kiểm chứng và hiệu chỉnh để phù hợp với nhiệt độ đo được vị trí nêu trên.
3.2.2. Mô hình toán học của quá trình làm lạnh

t
 t
=a ( )

r r

(3.20)

Chia lưới phân tố của quả vải

Hình 3.2 Chia lưới trong mô phỏng quả vải

13


3.2.3. Phương pháp giải và lưu đồ thuật toán

A P  t P = A w  t W + Ae  t E + B

A P1  t P = Ae  t E + B
A  t = A  t + B
w W
1
 P2 P

(3.37)

Xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức của dòng chảy rối theo Campbeell (1977) [46] và
Dincer (1997) [61] được xác định như sau:
  Nu

 d 0,6
f = f
= 0,34  f  (
)
(3.38)
d
d
f
Xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên như sau:

  Nu
n = n
d

(3.39)

Tiêu chuẩn Nu đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt đối lưu được xác định theo Churchill
(1983) [52]:
0,589  Ra 0,25

Nu = 2 +

4

9 9

0, 469 16 

) 
1 + (
Pr





(3.40)

Lưu đồ thuật toán giải hệ (3.37) được thể hiện ở Hình 3.3.
Bắt đầu

Bắt đầu

N = 200, Dh, Dd, Dw
Nhiệt độ ban đầu: t0
Nhiệt độ kết thúc: t1

N = 200,  = 1, Dtd
 Cp,  t (r, )exp
ri = 1 ÷ 100, i = − ÷ 

Tính:  theo (3.12); Cp theo (3.17)
 theo (3.6); Dtd theo (2.9)
Xác định:

ri = 1
i theo lát cắt vàng
f(i) theo (3.44)
ri = i + 1

 cưỡng bức
Đúng

Sai

Xác định:

Xác định  theo (3.38)

Xác định  theo (3.39)

Giải hệ (3.37) theo TDMA

Giải hệ (3.37) theo TDMA

t(1, )sim = t1

t(1, )sim = t1

Đúng

Xuất t(1, )sim ra file *.xls

ri + 1 = i + 1
i + 1 theo lát cắt vàng
f(i + 1) theo (3.44)

Đúng

Sai
f(i+1)  f(i)

Đúng

Sai
 = i
Xác định r theo lát cắt vàng

Xuất t(1, )sim ra file *.xls

Giải hệ (3.37) theo TDMA
Kết thúc

Xuất t(r, )sim ra file *.xls

Kết thúc

Kết thúc

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán mô phỏng quá
trình làm lạnh quả vải

Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán xác định r và
 gián tiếp

14


3.3.3. Kết quả mô phỏng quá trình làm lạnh quả vải và thảo luận
3.3.3.1. Kết quả mô phỏng quá trình làm lạnh quả vải trong nước đá

Hình 3.8 Biến thiên nhiệt độ quả vải trong quá
trình làm lạnh sơ bộ bằng nước đá có nhiệt độ
4,28oC

Hình 3.10 Biến thiên nhiệt độ quả vải có đường
kính 31 mm tại R = 14,97 mm trong quá trình
làm lạnh bằng không khí có nhiệt độ 4,35oC, tốc
độ 0,5 m·s-1 từ nhiệt độ quả vải ban đầu
31,25oC xuống 7,05oC
Từ kết quả mô phỏng thể hiện trên Hình 3.8 cho thấy sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm là
có thể chấp nhận được đối với trường hợp làm lạnh bằng nước đá. Do đó mô hình có thể ứng dụng
cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.3.3.2. Kết quả mô phỏng quá trình làm lạnh quả vải trong không khí đối lưu
Từ kết quả mô phỏng thể hiện trên Hình 3.10 cho thấy sai số trung bình 0,28oC khi làm lạnh
bằng không khí cưỡng bức, sai số lớn nhất 1,42oC thì đây là kết quả rất tốt.
Tiếp tục kiểm chứng Hình 3.11 cho kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình làm lạnh quả
vải trong môi trường không khí đối lưu tự nhiên.

Hình 3.11 Nhiệt độ tại vị trí 16,1 mm của quả vải trong quá trình làm lạnh
bằng không khí đối lưu tự nhiên có nhiệt độ 4,27oC và Dtđ = 32 mm
Khi làm lạnh sơ bộ trong không khí đối lưu tự nhiên giá trị mô phỏng và thực nghiệm sai số
lớn nhất 9,01oC, sai số trung bình 5,44oC thể hiện trên Hình 3.11.
Như vậy khác với các phần trước đã trình bày, kết quả mô phỏng trường nhiệt độ và đo đạc
thực tế trong trường hợp làm lạnh quả vải bằng đối lưu tự nhiên có sai khác rất lớn. Điều này có thể
lý giải là do hệ số trao đổi nhiệt  xác định theo Churchill là chưa phù hợp. Do đó cần thiết phải
hiệu chỉnh lại hệ số này.
3.3.3.3. Thảo luận
Đánh giá mô hình trong trường hợp môi trường làm lạnh là nước: So sánh giữa nhiệt độ ở tâm
quả vải đo được bằng thực nghiệm và các đường cong nhiệt độ mô phỏng trong trường hợp làm
lạnh quả vải trong nước lạnh cho thấy: (i) mô hình cho kết quả nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đo được,
đặc biệt là trong giai đoạn đầu của quá trình, (ii) mô hình có nhiệt độ thấp hơn thực nghiệm
(1,03oC) trong giai đoạn cuối của quá trình làm lạnh. Sự khác biệt này có thể do đã bỏ qua các yếu
tố không được đề cập trong mô hình đề xuất: (i) ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất nhiệt vật lý,
15


do nhiệt độ thay đổi từ nhiệt độ ban đầu 31,31oC đến 7,05oC, và (ii) bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt tỏa
do hô hấp và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu  không đủ chính xác.
Tuy nhiên có thể thấy mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh quả vải trong nước lạnh và thực
nghiệm kiểm chứng cho kết quả khá tốt thể hiện ở các điểm sau:
- so với kết quả đã công bố của các tác giả khác [60][99] mô phỏng cho sai số 0,04oC. Điều
này chứng tỏ mô hình có độ chính xác cao, có thể dùng để nghiên cứu quá trình làm lạnh quả vải ở
các bước sau;
- so sánh kết quả mô phỏng và thí nghiệm kiểm chứng quá trình làm lạnh sơ bộ cho kết quả
sai số trung bình trong trường hợp (i) về trường nhiệt độ là 0,76oC, (ii) về thời gian làm lạnh là 86 s.
Như vậy có thể thấy mô hình dự đoán tính chất nhiệt vật lý khá phù hợp đối với quả vải;
- mô hình có độ chính xác cao, có thể dùng để nghiên cứu quá trình làm lạnh quả vải ở các
bước sau.
Đánh giá mô hình trong trường hợp môi trường làm lạnh là không khí: Kết quả so sánh giữa
mô phỏng và thực nghiệm về trường nhiệt độ ở tâm quả vải trong trường hợp đối lưu cưỡng bức
cho thấy sai số nhiệt độ trung bình là -0,28oC sai số lớn nhất là 1,42oC, còn về thời gian làm lạnh là
1052 s. Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm về trường nhiệt độ ở tâm quả vải trong
trường hợp đối lưu tự nhiên cho thấy sai số nhiệt độ trung bình là 5,44oC sai số lớn nhất là 9,01oC,
còn về thời gian làm lạnh là 213,5 phút. Như vậy có thể thấy trong trường hợp này mô hình mô
phỏng không phù hợp với thực tế. Sai số lớn trong quá trình làm lạnh bằng không khí đối lưu tự
nhiên là do hệ số trao đổi nhiệt đối lưu  xác định theo Churchill trong trường hợp này chưa thật
phù hợp.
Do vậy, cần thiết phải nghiên cứu hiệu chỉnh lại hệ số này từ kết quả thực nghiệm.
3.4. Phương pháp gián tiếp xác định hệ số trao đổi nhiệt
3.4.1. Phương pháp
m N
2
(3.44)
  (tiexp − tSim
i ) = f () → min
j=1i =1
3.4.2. Thuật toán tối ưu phiếm hàm f
Lưu đồ thuật toán thể hiện trên Hình 3.13
3.4.3. Đánh giá hiệu quả phương pháp và thảo luận
Bảng 3.5 So sánh kết quả xác định bằng phương pháp gián tiếp với Silva
Đại lượng
Phương pháp Silva
Phương pháp gián tiếp
Chênh lệch
-2 -1
-2 -1
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
33,95 W.m .K
34,27 W.m .K
0,94%
Như vậy, phương pháp gián tiếp sử dụng số liệu thí nghiệm và thuật toán lát cắt vàng để cực
tiểu hóa phiếm hàm xác định  có độ tin cậy, chính xác cao. Nên phương pháp gián tiếp sẽ được sử
dụng để xác định  trong các quá trình làm lạnh quả vải nhằm hiệu chỉnh mô hình mô phỏng sẽ
được trình bày dưới đây.
3.4.3.1. Hiệu chỉnh  cho quá trình làm lạnh sơ bộ bằng nước đá
Từ phương pháp gián tiếp hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên được xác định giảm 12,77% so
với tính toán theo Churchill. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình làm lạnh sơ bộ
quả vải được thể hiện ở Hình 3.15.
Từ kết quả so sánh mô phỏng và thực nghiệm trong 2 trường hợp của hệ số trao đổi nhiệt đối
lưu  (1) tính theo Churchill; (2) hiệu chỉnh lại theo thuật toán lát cắt vàng được thể hiện trên Bảng
3.7, cho thấy hiệu quả của phương pháp gián tiếp hiệu chỉnh  để nâng độ chính xác của mô hình.
Bảng 3.7 Kết quả kiểm chứng xác định  gián tiếp của nước đá
Stt
Đánh giá kết quả mô phỏng
Phương pháp hiệu chỉnh
gián tiếp 
Theo Churchill
1
Trường nhiệt độ
Sai số trung bình
0,36oC
- 0,76oC
o
Sai số lớn nhất
1,1 C
-3,58oC
2
Sai số thời gian làm lạnh
121 s
86 s
16


Hình 3.15 Xác định vị trí cặp nhiệt và hệ số trao đổi Hình 3.16 Nhiệt độ quả vải trong quá trình
nhiệt đối lưu tự nhiên
làm lạnh bằng nước đá có nhiệt độ 4,28oC
3.4.3.2. Hiệu chỉnh  cho quá trình làm lạnh bằng không khí đối lưu tự nhiên

Hình 3.18 Xác định vị trí cặp nhiệt trong quá trình
làm lạnh bằng không khí từ vị trí thể tích 1 tới 100

Hình 3.19 Nhiệt độ tại vị trí quả vải trong
quá trình làm lạnh bằng không khí đối lưu
tự nhiên có nhiệt độ 4,27oC
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu khi làm lạnh sơ bộ trong không khí đối lưu theo phương pháp
gián tiếp giảm 64,59% so với tính toán theo Churchill.
Từ Bảng 3.9 cho thấy tính hiệu quả khi hiệu chỉnh hệ số trao đổi nhiệt đối lưu .
Bảng 3.9 Kết quả kiểm chứng xác định  gián tiếp của không khí đối lưu tự nhiên
Stt
Đánh giá kết quả mô phỏng
Phương pháp
gián tiếp
Theo Churchill
1
Nhiệt độ
Sai số trung bình
-0,17oC
5,44oC
Sai số lớn nhất
1,52oC
9,01oC
2
Sai số thời gian làm lạnh
3,89%
63,73%
3.4.3.3. Thảo luận
Kết quả hiệu chỉnh  cho thấy hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức xác định bằng phương
pháp gián tiếp lần lượt cho quá trình làm lạnh quả vải trong nước đá và không khí có giá trị là
0,94% và 12,77% so với tính toán là khá phù hợp. Ngoài ra trong quá trình làm lạnh sơ bộ quả vải
bằng nước đá, sử dụng công thức Churchill xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu  là khả dụng.
Trong trường hợp làm lạnh quả vải bằng không khí đối lưu tự nhiên rõ ràng ảnh hưởng của độ
ẩm là mạnh. Do đó khi xác định lại hệ số  bằng phương pháp gián tiếp, cho kết quả nhỏ hơn với
tính toán tới 64%. Đây là một kết quả khá tương đồng với kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả.

17


3.5. Ứng dụng mô hình mô phỏng

Hình 3.20 Biến thiên nhiệt độ quả vải có đường kính
32 mm tại tâm và bề mặt trong quá trình làm lạnh sơ
bộ bằng nước đá có nhiệt độ 4,28oC, với các tốc độ
nước khác nhau từ nhiệt độ quả vải ban đầu 31,31oC
xuống 7,05oC

Hình 3.21 Biến thiên nhiệt độ quả vải
có đường kính 32 mm tại tâm và bề mặt
trong quá trình làm lạnh bằng không khí
đối lưu có nhiệt độ 4,27oC, với các tốc độ
không khí khác nhau từ nhiệt độ quả vải
ban đầu 29oC xuống 7,05oC
Như vậy chúng ta thấy nếu làm lạnh bằng không khí sẽ mất nhiều thời gian và tăng chi phí
năng lượng, đồng thời sẽ phải trang bị nhiều kho lạnh lớn. Do đó có thể thấy làm lạnh sơ bộ quả vải
bằng nước đá sẽ phù hợp hơn với sản xuất quy mô công nghiệp và điều kiện Việt Nam.
3.6. Kết luận chương 3
- Đã phát triển thành công mô hình tính toán để dự đoán tính chất nhiệt vật lý hiệu dụng cơ
bản (Cp, , ) của quả vải, trên cơ sở coi quả như hệ nhiệt động cân bằng, đa thành phần, không có
chuyển pha. Trong đó các thành phần hệ chính của hệ là các lớp vỏ, cùi và hạt quả. Kết quả này đã
được kiểm chứng gián tiếp thông qua so sánh kết quả mô phỏng trường nhiệt độ tại tâm quả và đo
đạc thực nghiệm, cho thấy giả thiết và cách tiếp cận để xây dựng mô hình là hợp lý. Do đó đây là
kết quả mới có thể dùng để xây dựng bộ số liệu thông số nhiệt vật lý của quả vải Lục Ngạn;
- Mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh của quả vải trên cơ sở hệ phương trình vi phân dẫn
nhiệt không ổn định, với điều kiện biên loại 3 viết cho hệ tọa độ cầu đã được xây dựng thành công.
So với kết quả đã công bố của các tác giả khác chúng ta thấy mô phỏng cho sai số 0,04 oC. Điều này
chứng tỏ mô hình có độ chính xác cao, có thể dùng để nghiên cứu quá trình làm lạnh quả vải ở các
bước sau;
- So sánh kết quả mô phỏng và thí nghiệm kiểm chứng quá trình làm lạnh sơ bộ trong 2
trường hợp (i) trong môi trường nước lạnh; (ii) trong môi trường không khí, cho kết quả sai số trung
bình trong trường hợp (i) về trường nhiệt độ là 0,76oC, về thời gian làm lạnh là 86 s. Kết quả của
trường hợp (ii) về trường nhiệt độ 0,28oC về thời gian làm lạnh 1052 s;
- Từ nghiên cứu mô phỏng cho thấy trong quá trình làm lạnh quả vải bằng không khí, sai số
lớn so với thực nghiệm, cho thấy hệ số trao đổi nhiệt đối lưu  xác định theo công thức Churchill
không thật phù hợp. Do vậy cần thiết phải nghiên cứu hiệu chỉnh lại hệ số này từ kết quả thực
nghiệm, trên cơ sở sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu và thuật toán lát cắt vàng. Sau khi
hiệu chỉnh xong sai số giữa mô hình và thực nghiệm là không đáng kể. Đây là điểm mới của luận
án;
- Bên cạnh đó luận án đã phát triển một phương pháp xác định vị trí của cặp nhiệt bên trong
quả vải tương đương hình cầu. Với giả thiết vị trí cặp nhiệt là chưa biết và nó được xác định tại một
số phần tử thể tích khác nhau. Phương pháp này đã loại bỏ được một số lỗi có thể xảy ra trong tính
toán;
-Như vậy có thể thấy mô hình mô phỏng và mô hình tính chất nhiệt vật lý có độ tin cậy cao
đối với quả vải. Mô hình này có thể được áp dụng cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm rút ngắn thời
gian nghiên cứu, khối lượng và chi phí thực nghiệm để phát triển công nghệ bảo quản quả vải;

18


- Sử dụng mô hình mô phỏng để nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ của môi trường làm lạnh
cho thấy đối với làm lạnh quả vải trong môi trường nước đá, tốc độ nước không ảnh hưởng nhiều
tới thời gian làm lạnh quả vải khoảng từ. Do đó có thể thấy với tốc độ nước tuần hoàn < 0,2 m·s-1 sẽ
là thích hợp. Tốc độ lớn hơn nữa sẽ gia tăng công suất của bơm, tăng tiêu thụ năng lượng, đồng thời
sẽ tăng khả năng va đập giữa các quả với nhau có thể làm dập quả, trong khi thời gian làm lạnh
không tăng. Đây là kết luận rất quan trọng có tính mới cho việc đề xuất công nghệ làm lạnh vải;
- Đối với làm lạnh sơ bộ trong không khí, thời gian làm lạnh tăng lên khoảng 2,5 ÷ 4 lần so
với làm lạnh bằng nước đá. Lý do chính là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí nhỏ hơn nước
nhiều. Ngoài ra khi làm lạnh bằng không khí tốc độ không khí có ảnh hưởng rõ rệt tới thời gian làm
lạnh. Với tốc độ không khí đạt khoảng 1,5 m·s-1 ở trên bề mặt quả vải, thời gian làm lạnh quả vải từ
nhiệt độ 29oC xuống nhiệt độ 7,05oC với nhiệt độ môi trường 4,27oC khoảng 1 h. Như vậy chúng ta
thấy nếu làm lạnh bằng không khí sẽ mất nhiều thời gian và tăng chi phí năng lượng, đồng thời sẽ
phải trang bị nhiều kho lạnh lớn. Do đó có thể thấy làm lạnh sơ bộ quả vải bằng nước đá sẽ phù hợp
hơn với sản xuất quy mô công nghiệp và điều kiện Việt Nam.
Chương 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH ĐỘ HAO HỤT TỰ NHIÊN VÀ THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ LẠNH CHO QUẢ VẢI
4.1. Độ hao hụt tự nhiên
W = WH2O + WC
4.1.1. Xác định cường độ hô hấp phụ thuộc vào nhiệt độ

(4.1)

Hình 4.1 Cường độ hô hấp quả vải ở các nhiệt Hình 4.2 Cường độ hô hấp quả vải phụ thuộc
độ khác nhau
nhiệt độ
2
(0,066

t)

1

1
R CO = 5,855  e
, mlCO2  kg  h với R = 0,993654
(4.5)
2
4.1.2. Xác định lượng nhiệt tỏa do hô hấp
33594,64 10−3  e0,066t
(4.8)
Q = m
, kJ

(t + 273)

4.2. Xây dựng mô hình xác định độ hao hụt do bay hơi nước
4.2.1. Giả thiết cho mô hình
Như vậy chúng ta thấy lượng nhiệt tổng mà không khí trong kho bảo quản nhận được sẽ bằng
sự thay đổi enthalpy của không khí. Vì enthalpy là hàm trạng thái nên sự thay đổi enthalpy của
không khí chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của quá trình mà không phụ thuộc vào đường
đi. Do vậy có thể giả thiết quá trình biến đổi không khí trong kho lạnh xảy ra theo sơ đồ sau (Hình
4.5).
Trong khoảng độ chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ đầu vào và ra khỏi vùng bảo quản vải là
nhỏ chỉ khoảng 2 ÷ 3 K thì có thể bỏ qua độ cong của đường  = 1 và coi là đường thẳng trong
khoảng nhiệt độ đó. Do đó có thể tuyến tính hóa từng đoạn của đường  = 1 để xác định quá trình
trao đổi nhiệt ẩm trong kho lạnh.

19


Không khí tuần hoàn

W

Dàn lạnh

Qres

Qloss+Qope

Vùng chứa
vải

Kết cấu
bao che

Hình 4.4 Sơ đồ trao đổi nhiệt không khí
Hình 4.5 Quá trình biến đổi trạng thái của
trong kho bảo quản quả vải
không khí khi đi qua các lớp quả vải
4.2.2. Xây dựng mô hình
Với dải nhiệt độ bảo quản từ 0oC ÷ 25oC tia quá trình được tính gần đúng như sau:
(4.17)
 = 6019,5 - 114,6·t với R2 = 0,9513
Hao hụt do mất nước của sản phẩm cuối cùng sẽ được tính theo mô hình tính toán sau đây:

WH O =
2

Q
, kg
(6019,5 − 114,6·t)

(4.18)

4.3. Xác định độ hao hụt tự nhiên
W = m    68 10−8  R CO2 +

Q
6019,5 − 114,6  t

(4.21)

4.4. Kiểm chứng mô hình xác định độ hao hụt tự nhiên

Hình 4.10 Hao hụt khối lượng quả vải bảo
Hình 4.11 Độ hao hụt tự nhiên của quả vải
quản
bảo quản trong kho lạnh
Kết quả so sánh giữa thực nghiệm và tính toán cho thấy giữa tính toán và mô hình thực
nghiệm có sự sai khác không hề lớn như Hình 4.10, 4.11.
Tóm lại từ thí nghiệm kiểm chứng cho thấy mô hình (4.18) xác định độ hao hụt tự nhiên được
nghiên cứu sinh phát triển từ cách tiếp cận của Jadan cho quả vải Lục Ngạn của Việt Nam, cho kết
quả đáng tin cậy. Mô hình này phù hợp cho việc tính toán xác định độ hao hụt tự nhiên, một đại
lượng rất quan trọng để kiểm soát thời gian và chất lượng bảo quản. Ngoài ra còn cho phép giải
quyết hiệu quả bài toán xác định độ hụt của quả vải là vấn đề khá phức tạp cho tới trước luận án này
chưa giải quyết được.
4.5. Xác định các thông số công nghệ lạnh dành cho quả vải
4.5.1. Xác định suất tiêu hao đá trong chuỗi lạnh chế biến quả vải

Làm lạnh sơ bộ
bằng nước đá (1)

Vận tải lạnh,
bằng xe lạnh (2)

Làm lạnh trước
khi bảo quản (3)

Hình 4.12 Chuỗi lạnh chế biến và vận tải quả vải
20


4.5.1.1. Suất tiêu hao đá trong quá trình làm lạnh sơ bộ
f + m w ) = 612,5 kg/1.000 kg vải
mice = 1,3  (mice
ice
Từ đó xác định được suất tiêu hao đá cho quá trình làm lạnh sơ bộ 1000 kg quả vải từ nhiệt độ
ban đầu 30oC xuống 7oC, thời gian làm lạnh sơ bộ trong một giờ sau khi làm tròn là: 650 kg đá +
1.000 kg nước có nhiệt độ 25oC và cần một bể chứa nước được bảo ôn có dung tích 2.000 lít.
4.5.1.2. Suất tiêu hao đá trong quá trình vận chuyển
Như vậy công thức bán thực nghiệm tính tiêu hao đá trên đường vận tải vải bằng xe bảo ôn là:
(4.30)
mice = 26 + 3,16·, kg đá·(tấn vải)-1
4.5.1.3. Năng suất lạnh cần thiết để tái lạnh quả vải
Lượng nhiệt do bay hơi nước theo Brooker (1967) 273  T  323 có dạng như sau [41]Error!
Reference source not found.:
r t = 3,154 106 − 2,386 103  T, J  kg −1
(4.31)

()

Qtransp = r(t) · mws
(4.32)
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm này cũng khá tương đồng với các nghiên cứu đã được công
bố bởi các tác giả nước ngoài [34] cho thấy lượng nước này chiếm khoảng 1,19% khối lượng quả,
khi đó công thức (4.34) có thể biến đổi về (4.35) như ở dưới đây:



t


Q = m  i(t in ) − i(t)  + 0,0119  (3.154 − 2,386  (t + 273,15))dt 


t in



(4.35)

Sử dụng các giả thiết như ở phần trên chúng ta có thể xác định nhu cầu về lượng lạnh để tái
lạnh 1 tấn quả vải từ nhiệt độ 10oC về nhiệt độ 5oC và bay hơi lượng nước bám trên bề mặt bằng
con số (4.35). Con số này là 54.857,56 kJ·(1.000 kg quả)-1.
Dựa vào phần mềm mô phỏng ở chương 3 trong trường hợp làm lạnh bằng không khí và các
nghiên cứu thực nghiệm cho thấy thời gian làm lạnh quả vải là 20 phút. Tuy nhiên để làm bay hơi
hết lượng nước bám trên bề mặt quả cần khoảng 1 h. Như vậy nhu cầu năng suất lạnh trung bình
cho một tấn vải của quá trình tái lạnh và làm ráo quả là 15,24 kW·(1.000 kg quả)-1.
4.5.2. Đề xuất các mẫu kho bảo quản phù hợp cho quả vải Việt Nam
4.5.2.1. Phân tích các hệ thống kho lạnh bảo quản
a. Kho lạnh thông thường

Hình 4.13 Kho lạnh cưỡng bức dàn
Hình 4.14 Sơ đồ công nghệ kho lạnh có dàn lạnh
lạnh quạt gió
quạt gió
Các kho lạnh hiện có ở nước ta rất không thích hợp với việc bảo quản hoa quả, trong đó có
quả vải. Lý do chính là các kho này để tác động của nhiệt từ bên ngoài cũng như dòng nhiệt vận
hành tác động trực tiếp vào rau quả gây ra độ hao hụt lớn của các loại sản phẩm này, rút ngắn thời
gian bảo quản. Bên cạnh đó việc tổ chức thông gió cho khu vực bảo quản thường để “tự do” gây ra
sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa các vùng bảo quản, kích thích hô hấp, đọng sương gây ra sự thối
hỏng, úa héo.
b. Đề xuất tiêu chí tiên quyết khi thiết kế kho lạnh bảo quản vải
(i) Tổ chức thông gió hợp lý để đảm bảo sự đồng đều về trường nhiệt độ và độ ẩm trong
không gian bảo quản; (ii) Phải khử tối đa nhiệt truyền từ bên ngoài vào cũng như dòng nhiệt vận
hành; (iii) Tạo độ ẩm tương đối () cao trong môi trường bảo quản.
21


4.5.2.2. Đề xuất kho lạnh thử nghiệm bảo quản vải
Tủ thí nghiệm này đạt được các thông số như sau: Dải nhiệt độ làm việc 0  30oC; độ đồng
đều nhiệt độ đạt được  0,5oC, độ dao động nhiệt độ  0,5oC và tốc độ không khí lạnh  0,5 m.s-1;
độ ẩm tương đối  cao từ 0,9 ÷ 0,98.
Bảng 4.3 Chất lượng mẫu số 1: quả vải bảo quản có làm lạnh sơ bộ năm 2014
Thời gian
Đường tổng Hàm lượng axit
Vitamin C,
Hàm lượng chất khô hòa
bảo quản,
tan,
số, (%)
malic, (%)
(mg/100g)
tuần
(Brix)
1
7.54
0.18
21.87
15.00
2
5.80
0.12
65.33
16.50
3
9.38
0.13
123.08
17.00
4
9.49
0.11
77.26
16.5
Bảng 4.4 Chất lượng mẫu số 2: quả vải bảo quản có làm lạnh sơ bộ năm 2014
Thời gian
Đường tổng Hàm lượng axit
Vitamin C,
Hàm lượng chất khô hòa
bảo quản,
tan,
số, (%)
malic, (%)
(mg/100g)
tuần
(Brix)
1
7.54
0.18
21.87
15.00
2
6.66
0.08
72.37
15.50
3
9.38
0.13
123.08
17.00
4
8.87
0.12
84.94
16
Bảng 4.5 Chất lượng quả vải bảo quản không làm lạnh sơ bộ năm 2015
Thời gian bảo
Đường
Hàm lượng
Vitamin C
Hàm lượng chất khô hòa tan
quản,
tổng số
axit malic
(mg/100 g)
(Brix)
ngày
(%)
(%)
Ban đầu
14.53
0.12
21.24
15.00
Sau 14 ngày
11.66
0.08
22.37
16.00
Sau 19 ngày
12.02
0.09
18.17
15
Sau 37 ngày
13.04
0.10
29.72
15
4.6. Kết luận chương 4
(i) Dựa trên cách tiếp cận của Jadan, nghiên cứu sinh đã phát triển thành công mô hình xác
định độ hao hụt tự nhiên cho quả vải trong quá trình bảo quản cơ sở trên nguyên lý hệ nhiệt động
đẳng áp và định luật bảo toàn năng lượng. Sai số giữa mô hình tính toán và thực nghiệm cao nhất là
1,3%. Từ mô hình xác định độ hao hụt tự nhiên có thể dự báo được thời gian bảo quản lạnh tối đa
phục vụ cho xuất khẩu quả vải tốt nhất là từ 28 ÷ 35 ngày;
(ii) Dựa trên mô hình Arrhenius tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ và hơn 20 thí nghiệm
đo cường độ hô hấp được lặp đi lặp lại trong 3 mùa vụ vải của 3 năm 2014, 2015, 2016, luận án đã
xây dựng thành công mô hình hô hấp của vải Lục Ngạn phụ thuộc vào nhiệt độ. Đây là tham số đặc
biệt quan trọng trong quá trình chế biến và bảo quản quả vải của Việt Nam. Kết quả này là lần đầu
tiên việc đo và xây dựng cường độ hô hấp của một loại quả cụ thể được tiến hành một cách bài bản,
được lặp đi lặp lại trong ít nhất 3 mùa vụ tại Việt Nam. Kết quả này có độ tin cậy cao, có thể dùng
trong các nghiên cứu và tính toán khác;
(iii) Từ mô hình xác định nhiệt tỏa do hô hấp phụ thuộc vào cường độ hô hấp, nhiệt độ bảo
quản, nghiên cứu sinh đã xây dựng được phần mềm tính nhiệt tỏa do hô hấp và xác định lượng
không khí cần thiết cho thông gió;
(iv) Ứng dụng kết quả nghiên cứu ở mục 3.1 về tính chất nhiệt vật lý và 3.2 về mô phỏng quá
trình làm lạnh, mục 4.2, 4.3 về mô hình hô hấp, nhiệt tỏa do hô hấp, mục 4.4 độ hao hụt của quả,
chúng ta có thể xác định được nhu cầu về năng suất lạnh cho từng khâu trong các quá trình từ làm
lạnh sơ bộ cho tới quá trình bảo quản lạnh. Chuỗi lạnh này gồm các khâu làm lạnh sơ bộ, vận tải, tái
lạnh. Lần đầu tiên ở Việt Nam có một nghiên cứu đã đưa ra cơ sở khoa học và phương pháp tính
toán cho việc xác định các thông số công nghệ cơ bản của một chuỗi lạnh dành cho việc chế biến và
bảo quản quả vải. Từ đó mới có thể nâng cao chất lượng và kéo dài thời gian bảo quản cho quả vải.
22


(v) Từ việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số tới độ hao hụt tự nhiên, cường độ hô hấp
làm cơ sở để nghiên cứu sinh xây dựng thành công một tủ lạnh phù hợp với việc bảo quản quả vải
với các thông số có dải nhiệt độ làm việc 0  30oC. Độ đồng đều nhiệt độ đạt được  0,5oC, độ dao
động nhiệt độ  0,5oC và tốc độ không khí lạnh  0,5 m.s-1 cũng như độ ẩm tương đối cao 90 ÷
98%;
(vi) Với tủ lạnh chế tạo nghiên cứu sinh đã tiến hành các thí nghiệm bảo quản quả vải cho kết
quả có thể bảo quản tới 37 ngày với chất lượng tốt. Đây là tiền đề để phát triển mở rộng ứng dụng
ra các kho lạnh lớn hơn.
Luận án cũng đã đề xuất các tiêu chí đối với việc thiết kế lắp đặt kho lạnh dùng để bảo quản
quả vải. Kết quả này có ý nghĩa ứng dụng rất lớn.
Chương 5
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận
5.1.1. Ý nghĩa khoa học đạt được
1. Phát triển thành công mô hình tính toán dùng để dự đoán tính chất nhiệt vật lý hiệu dụng cơ bản
gồm có nhiệt dung riêng đẳng áp (Cp), hệ số dẫn nhiệt (), enthalpy riêng phần (i), khối lượng riêng
() của quả vải, trên cơ sở coi quả vải như hệ nhiệt động cân bằng, đa thành phần, không có chuyển
pha. Trong đó các thành phần hệ chính là các lớp chính của quả vỏ, cùi, hạt. Tính chất nhiệt vật lý
của từng lớp được xác định thông hàm lượng nước được xác định qua thực nghiệm.
2. Đã xây dựng được mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh của quả vải trên cơ sở hệ phương trình
vi phân dẫn nhiệt không ổn định, đối với đối tượng không đồng chất nhưng đẳng hướng với điều
kiện biên loại 3 viết cho hệ tọa độ cầu. Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thí nghiệm kiểm chứng
quá trình làm lạnh sơ bộ trong 2 trường hợp: (i) trong môi trường nước lạnh, (ii) trong môi trường
không khí đối lưu, cho sai số trong trường hợp (i) về nhiệt độ là 0,76oC, về thời gian làm lạnh là 86
s. Kết quả của trường hợp (ii) về trường nhiệt độ 0,28oC về thời gian làm lạnh 1052 s. Như vậy, mô
hình mô phỏng và mô hình tính chất nhiệt vật lý có độ tin cậy cao đối với quả vải. Mô hình này có
thể được áp dụng cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm rút ngắn thời gian nghiên cứu, khối lượng và
chi phí thực nghiệm để phát triển công nghệ bảo quản quả vải;
3. Trên cơ sở sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu và thuật toán lát cắt vàng luận án cũng đã
đề xuất phương án gián tiếp xác định  để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng phù hợp với đối tượng quả
có vỏ thô ráp;
4. Luận án cũng đã phát triển được một phương pháp xác định vị trí của cặp nhiệt bên trong quả vải
tương đương hình cầu. Với giả thiết vị trí cặp nhiệt là chưa biết và nó được xác định tại một số phần
tử thể tích khác nhau. Phương pháp này đã loại bỏ được một số sai số tích lũy có thể xảy ra trong
tính toán.
5. Mô hình cường độ hô hấp đã được xây dựng dựa trên mô hình Arrhenius của tốc độ phản ứng
phụ thuộc vào nhiệt độ, dựa trên cơ sở xử lý hàng trăm số liệu của hơn 20 thí nghiệm được tiến
hành liên tiếp cho quả vải của 3 mùa vụ 3 năm liên tiếp 2014 ÷ 2016 ở 5 nhiệt độ khác nhau. Đây là
tham số đặc biệt quan trọng trong quá trình chế biến và bảo quản quả vải Lục Ngạn của Việt Nam.
Kết quả này có độ tin cậy cao, có thể dùng trong các nghiên cứu và tính toán khác cho quá trình chế
biến – bảo quản quả vải;
6. Luận án đã phát triển thành công mô hình xác định độ hao hụt tự nhiên cho quả vải trong quá
trình bảo quản dựa trên nguyên lý hệ nhiệt động kín, đẳng áp, bảo toàn năng lượng. Sai số giữa mô
hình tính toán và thực nghiệm cao nhất là 1,3%. Từ mô hình xác định độ hao hụt tự nhiên có thể dự
báo được thời gian bảo quản lạnh tối đa phục vụ cho xuất khẩu quả vải.
5.1.2. Ý nghĩa thực tiễn đạt được
1. Sử dụng mô hình mô phỏng để đề xuất tốc độ nước tuần hoàn < 0,2 m·s-1 của quá trình làm lạnh
quả vải trong môi trường nước đá là thích hợp. Đối với làm lạnh sơ bộ bằng không khí đối lưu, tốc
độ không khí có ảnh hưởng rõ rệt tới thời gian làm lạnh. Làm lạnh sơ bộ bằng không khí đối lưu sẽ
mất nhiều thời gian hơn và tăng chi phí năng lượng, đồng thời sẽ phải xây dựng nhiều kho lạnh lớn.
Do đó làm lạnh sơ bộ quả vải bằng nước đá sẽ phù hợp hơn với sản xuất quy mô công nghiệp và
nhất là ở điều kiện Việt Nam.
23


2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu về: tính toán tính chất nhiệt vật lý, mô phỏng quá trình làm lạnh,
mô hình hô hấp, nhiệt tỏa do hô hấp và mô hình độ hao hụt của quả vải chúng ta có thể xác định
được nhu cầu về năng suất lạnh cho từng khâu trong quá trình từ làm lạnh sơ bộ cho tới quá trình
bảo quản lạnh. Chuỗi lạnh này gồm các khâu làm lạnh sơ bộ, vận tải, tái lạnh. Đây là cơ sở khoa
học và phương pháp tính toán cho việc xác định các thông số công nghệ cơ bản của một chuỗi lạnh
dành cho việc chế biến và bảo quản quả vải. Từ đó có thể nâng cao chất lượng và kéo dài thời gian
bảo quản cho quả vải.
3. Luận án đã xây dựng được phần mềm tính nhiệt tỏa do hô hấp và lưu lượng không khí cần thiết
cho quá trình bảo quản. Từ đó có cơ sở tính toán năng suất lạnh cho hệ thống, với lưu lượng không
khí cần thiết là cơ sở để thiết kế và tổ chức thông gió cho kho lạnh.
4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số tới độ hao hụt tự nhiên, cường độ hô hấp là cơ sở để xây
dựng thành công một mẫu tủ lạnh phù hợp với việc bảo quản quả vải với các thông số có dải nhiệt
độ làm việc 0  30oC. Độ đồng đều nhiệt độ đạt được  0,5oC, độ dao động nhiệt độ  0,5oC và tốc
độ không khí lạnh  0,5 m.s-1 cũng như độ ẩm tương đối cao 90 ÷ 98%. Với mẫu tủ lạnh chế tạo,
đặc biệt đã tiến hành các thí nghiệm bảo quản quả vải cho kết quả: có thể bảo quản tới 37 ngày với
chất lượng tốt. Đây là tiền đề tốt để phát triển mở rộng ứng dụng ra các kho lạnh lớn hơn.
5. Luận án cũng đã đề xuất các tiêu chí đối với việc thiết kế lắp đặt kho lạnh dùng để bảo quản quả
vải. Kết quả này có ý nghĩa ứng dụng rất lớn.
5.2. Kiến nghị
5.2.1. Về các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo
1. Dựa trên các yêu cầu và các tiêu chí của kho lạnh bảo quản quả vải đã được nghiên cứu, nghiên
cứu sinh đề xuất phát triển mẫu kho lạnh thử nghiệm trong luận án để áp dụng vào thực tế. Mẫu kho
lạnh bảo quản có khả năng kiểm soát độ hao hụt tự nhiên kiến nghị áp dụng trong thực tế là kho
lạnh cỡ nhỏ.
2. Trên cơ sở có được mẫu kho áp dụng trong thực tế, tiến hành nghiên cứu tối ưu khả năng chất tải
trong một đơn vị thể tích kho.
3. Phát triển mô hình mô phỏng quá trình làm lạnh, hô hấp, độ hao hụt tự nhiên để tối ưu hóa các
thông số công nghệ của mẫu kho lạnh cỡ nhỏ để giảm thiểu năng lượng tiêu hao trong quá trình bảo
quản và cũng để tìm ra phương pháp phù hợp thiết kế kho lạnh dùng cho bảo quản rau quả trong
thực tế sử dụng.
5.2.2. Về các nghiên cứu khoa học tiếp theo
1. Nghiên cứu phát triển mô hình truyền nhiệt có nguồn nhiệt bên trong với điều kiện biên loại 3 kết
hợp với điều kiện biên loại 4. Với cấp độ chính xác cao hơn phù hợp với nghiên cứu tối ưu các
thông số công nghệ bảo quản lạnh quả vải sau thu hoạch.
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ethylen, CO2, O2 tới cường độ hô hấp của quả vải sau thu
hoạch.
3. Luận án này đã được thực hiện để nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, tỏa ẩm của quả vải. Các
nghiên cứu trong tương lai có thể được mở rộng tới việc xem xét ảnh hưởng của các yếu tố khác:
như thay đổi kích thước vật lý do co ngót trong quá trình làm lạnh và phân bố nhiệt tỏa do hô hấp
theo cấu trúc tế bào.
4. Quả vải bảo quản lạnh nhằm phục vụ một phần nhu cầu rộng rãi của thị trường về hoa quả tươi.
Trên thực tế, quả vải còn dùng cho sản xuất đồ uống đóng chai, đây là một phần nhu cầu không thể
thiếu. Vì vậy, việc xây dựng mô hình thông số nhiệt vật lý của quả vải dưới điểm băng nhằm hỗ trợ
nghiên cứu chi tiết về quá trình cấp đông quả vải và bảo quản đông lạnh là điều cần thiết trong
tương lai.

24



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×