Xem mẫu
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 03/2008
VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT - VẬT LÝ NHÓM GIÁP XÁC (TÔM SÚ, TÔM
BẠC, TÔM THẺ) ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CẤP NHIỆT VÀ TÁCH ẨM
TRONG SẤY THĂNG HOA
SURVERY THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF CRUSTACEAN GROUP (PENAEUS
MONODON, PENAEUS MERGUIENSIS, PENAEUS VANNAMEI) EFFECTED HEAT AND MASS
TRANSFER IN PROCESSING FREEZE – DRYING
1
2
3
Nguyễn Tấn Dũng , Trịnh Văn Dũng , Trần Đức Ba
1
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM,
2
Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM,
3
Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM
Tóm tắt
Ở bài viết này, chúng tôi sẽ công bố kết quả khảo sát một số các tính chất nhiệt – vật lý nhóm
giáp xác (tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ) ảnh hưởng đến quá trình cấp nhiệt và tách ẩm trong quá trình sấy
thăng hoa (STH). Kết quả thu được làm cơ sở dữ liệu cho việc xây dựng mô hình toán giải bài toán
truyền nhiệt, truyền khối đồng thời trong điều kiện STH, từ đó xác định chế độ công nghệ STH và ứng
dụng STH để bảo quản thủy hải sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ) có giá trị kinh tế trong
sản xuất công nghiệp.
Từ khóa: khối lượng riêng, nhiệt rung riêng, hệ số dẫn nhiệt
Abstract
In this paper, we will proclaim result of survery thermophysical properties of crustacean group
(Penaeus monodon, Penaeus merguiensis, Penaeus vannamei). Example for: Density, Specific heat,
Thermal conductivity of material humidity effected heat and mass transfer in processing Freeze –
Drying. That result is data base for work establishing mathematical model heat and mass transfer
concurrent in processing Freeze - Drying, since installed technological regime Freeze – Drying and
applied conserving fishery food of crustacean group had economic value in industrial production.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
trong điều kiện đó thì cần phải biết các tính
Khi nghiên cứu ứng dụng STH để bảo
quản thủy hải sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm
chất nhiệt – vật lý của vật liệu đối tượng
nghiên cứu. Vì vậy chúng tôi phải đi nghiên
bạc, tôm thẻ) có giá trị kinh tế trong công
nghiệp sản xuất là vấn đề mới ở Việt Nam, thì
cứu khảo sát các tính chất nhiệt vật lý như:
3
khối lượng riêng ρ[kg/m ], nhiệt dung riêng
việc xây dựng mô hình toán để giải bài toán
truyền nhiệt, truyền khối đồng thời trong điều
c[kJ/(kgK)], hệ số dẫn nhiệt λ[W/(mK)] và hệ
kiện STH (sấy ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp
ẩm thuỷ hải sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm
nhỏ hơn trạng thái điểm ba thể của ẩm trong
0
vật liệu: 0,0098 C; 4,58mmHg), từ đó làm cơ
bạc, tôm thẻ) ảnh hưởng đến quá trình cấp
sở khoa học cho việc xác định chế độ công
nghệ là rất quan trọng. Tuy nhiên khi đã xây
dựng xong mô hình toán và muốn giải được
bài toán truyền nhiệt, truyền khối đồng thời
34
2
số dẫn nhiệt độ a = λ/( c.ρ
ρ) [m /s] của vật liệu
nhiệt và tách ẩm trong sấy thăng hoa.
II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là thủy hải sản
nhóm giáp xác như: tôm sú, tôm bạc và tôm
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 03/2008
thẻ có giá trị kinh tế. tôm nguyên liệu bóc vỏ,
⇒λ =
-3
bỏ đầu và đuôi tạo chiều dài l = 70.10 m, sau
đó filet tôm tạo thành dạng phẳng, ghép các
tâm phẳng với nhau rồi ép chặt tạo ra môi
trường rắn liên tục dạng phẳng, chú ý lực ép
vừa phải không làm tôm chảy nước, làm như
thế phù hợp với thiết bị nghiên cứu, bề dày
tấm phẳng đặt vật liệu nghiên cứu của thiết bị
q.δ 0
(t 01 − t 02 )
(3)
Phương trình (3) là cơ sở chế tạo thiết
bị để xác định hệ số dẫn nhiệt, thiết bị được
chế tạo dạng phẳng, xem hình 1, hai bên là
-
hai tấm đồng có cùng bề dày là δ1 = 1,5x10
3
[m] và HSDN λ1 = 383,8[W/(mK)], có diện tích
-4
2
trao đổi nhiệt là F = axb = 9,2x6x10 [m ] trong
được chế tạo có thể điều chỉnh được sao cho
phù hợp với kích thước thực tế khi thực
đó a >> δ1, tấm đồng bên trái gắn điện trở đốt
nghiệm.
nóng, hai bề mặt ngoài của hai tấm đồng có
dày 2R = 8.10 m; chiều dài l = (70÷75).10 m.
gắn hai bộ cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ
0
0
mặt ngoài tấm đồng T1[ C], T2[ C], bên trong là
2.2. Thiết bị dụng cụ nghiên cứu
rỗng có bề dày là δ = 15x10 [m] đặt vật liệu
Tôm làm nghiên cứu có kích thước: bề
-3
-3
-3
• Thiết bị đo nhiệt dung riêng của vật rắn
cần xác định HSDN là λ[W/(mK)], xung quanh
và hệ số dẫn nhiệt do chúng tôi tự chế tạo,
xem sơ đồ nguyên lý hình 1 và hình 2.
6 mặt hình hộp phẳng phải bọc cách nhiệt dày
• Cân điện tử Satoriusbasic Type
BA310S và dụng cụ đo thể tích, các bộ cảm
biến đo nhiệt độ.
2.3. Phương pháp xác định các thông số
-2
40x10 [m] bằng sứ cách nhiệt, polyurethan và
bông thuỷ tinh để đảm bảo cho quá trình
truyền nhiệt ổn định đẳng hướng, Ampere kế
đo dòng điện I [A], Volt kế đo hiệu điện thế U
[V].
nhiệt - vật lý theo các thiết bị trên
a/ Khảo sát và đo khối lượng riêng (KLR:
Density)
Dùng cân điện tử Satoriusbasic Type
BA310S để xác định khối lượng G [kg] vật liệu
ẩm.
Dùng thiết bị đo thể tích, cho vào thiết bị
3
V1 [m ] nước, sau đó cho G [kg] vật liệu ẩm đã
3
cân ở trên vào thì thể tích tăng lên là V2 [m ].
Khối lượng riêng của vật liệu ẩm xác
định:
ρ=
G
,
V2 − V1
3
[kg/m ]
(1)
b/ Khảo sát và đo hệ số dẫn nhiệt (HSDN:
Thermal conductivity)
Ở mô hình dạng phẳng dài vô hạn, và
truyền nhiệt ổn định đẳng hướng, theo định
Q
dt
Như vậy: q =
= -λ
F .τ
dx
Mật độ dòng nhiệt qua vách phẳng
được xác định: q =
luật Furier:
Q = -λ.gradt.F.τ
Hình 1. Sơ đồ mạch điện của thiết bị đo hệ số
dẫn nhiệt λ [W/(m.K)]
(2)
Q
U .I
2
=
[W/m ] (4)
F .τ
F
Hệ số dẫn của vật liệu cần khảo sát được
xác định:
35
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 03/2008
λ=
q.δ
(T1 − T2 ) − 2
sau đó cấp nguồn cho điện trở đốt nóng hoạt,
q.δ 1
[W/(mK)]
(5)
λ1
c/ Khảo sát và đo nhiệt dung riêng (NDR:
specific heat)
Dùng cân điện tử Satoriusbasic Type
BA310S để xác định khối lượng G [kg] vật liệu
ẩm cần xác định NDR.
Thiết bị được chế tạo dạng hình hộp,
thành hình hộp mỏng làm bằng đồng có NDR
c1 = 0,38[kJ/(kgK)], có khối lượng là G1 =
0,025[kg], hai bên thành chiều dài gắn hai điện
trở đốt nóng, bên trong rỗng đặt vật liệu cần
sau một khoảng thời gian τ[s] ngừng cấp
nguồn cho điện trở, nhiệt độ T1, T2, T3 tăng lên
T1’, T2’, T3’ rồi chờ đền lúc cân bằng nhiệt xảy
ra T1’ = T2’ = T3’. Như vậy, nhiệt độ cuối của
vật liệu sau khi đốt nóng được xác định: tc =
T1’ = T2’ = T3’
NDR được xác định:
c=
U .I .τ − c1G1 (t c − t d )
[kJ/(kgK)]
G (t c − t d )
(6)
Các thiết bị trên đã được kiểm định độ
chính xác bằng cách xác định bằng một vật
3
liệu chuẩn biết trước KLR ρ[kg/m ], HSDN
khảo sát NDR, thiết bị được gắn ba bộ cảm
0
biến đo nhiệt T1, T2, T3 [ C], hai bộ cảm biến T1
λ[W/(mK)], NDR c[kJ/(kgK)], thấy sai số 2,91%
và T2 đặt trên mặt trong của thành hình hộp, T3
đo HSDN; 3,64% đối với thiết bị đo NDR.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
đặt ở tâm vật liệu cần đo NDR., xung quanh
bọc lớp sứ cách nhiệt, polyurethan và bông
-2
thuỷ tinh 40x10 [m], không cho nhiệt tổn thất
ra môi trường xung quanh, xem hình 2.
đối với thiết bị đo KLR; 4,21% đối với thiết bị
Mô hình thực nghiệm và tối ưu mô hình
thực nghiệm dựa trên thiết bị đã được chế tạo.
Thành lập phương trình hồi quy thực
nghiệm để xác định KLR, HSDN, NDR có
dạng:
y =f(xi, b0, b1, …, bk) bằng cách xây
dựng phương trình hồi quy từ số liệu thực
nghiệm theo phương pháp tổng bình phương
độ lệch cực tiểu:
n
∆S(b0, b1,…, bn) =
∑(y
∧
i
− yi ) 2 →
i =1
∂ (∆S )
=0
∂b0
∂ (∆S )
∂ (∆S )
và
= 0 ; …;
= 0 (7)
∂b1
∂bn
min
⇔
Hệ phương trình (7) là cơ sở xác định các
Hình 2. Sơ đồ mạch điện của thiết bị đo nhiệt
dung riêng c[kJ/(kg.K)]
Ban đầu khi đặt vật liệu vào bên trong
hình hộp, lúc này chưa được cấp nguồn cho
điện trở đốt nóng làm việc, chờ cho hệ ổn
định, nếu thấy T1 = T3 = T2 có nghĩa nhiệt độ
vật liệu đo NDR đã đồng đều, lúc đó nhiệt độ
ban đầu của vật liệu được xác định td = T1 = T3 = T2,
36
hệ số phương trình hồi quy thực nghiệm, sau
đó kiểm tra tiêu chuẩn student xem hệ số nào
không ảnh hưởng sẽ loại bỏ, kiểm tra tiêu
chuẩn Fisher xem phương trình hồi quy thực
nghiệm có tương thích không? Nếu không
chọn lại dạng hàm rồi tính toán lại.
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Khảo sát và đo khối lượng riêng
a. Kết quả nghiên cứu
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 03/2008
Bảng 1. Kết quả khảo sát và đo khối lượng riêng của tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ nguyên liệu
Số thí
nghiệm
1
Tôm sú có Wa = 74.67%
Nhiệt độ
KLR trung
0
T[ C]
bình ρtb
3
[kg/m ]
45
839,731
Tôm bạc có Wa = 74.21%
Nhiệt độ
KLR trung
0
3
T[ C]
bình ρtb [kg/m ]
45
840,728
Tôm thẻ có Wa = 74.23%
Nhiệt độ
KLR trung
0
T[ C]
bình ρtb
3
[kg/m ]
45
845,182
2
40
839,747
40
840,887
40
845,052
3
35
839,588
35
840.797
35
844,938
4
30
839,514
30
840.810
30
844,858
5
25
839,372
25
840,588
25
844,847
6
20
839,255
20
840,682
20
844,726
7
15
839,211
15
840,470
15
844,668
8
10
839,154
10
840,529
10
844,550
9
4
838,976
4
840,572
4
844,514
10
0
838,743
0
840,604
0
844,548
11
-1,21
839,424
-1,18
840,287
-1,17
844,390
12
-5
838,589
-5
840,326
-5
844,381
13
-10
838,774
-10
840,199
-10
844,368
14
-15
838,699
-15
840,159
-15
844,146
15
-20
838,554
-20
840,161
-20
844,096
16
-25
838,571
-25
839,952
-25
844,048
17
-30
838,382
-30
839,823
-30
843,991
18
-35
838,295
-35
839,845
-35
843,953
19
-40
838,254
-40
839,762
-40
843,889
20
-45
838,116
-45
839,638
-45
843,768
21
-50
838,030
-50
839,470
-50
843,712
Bảng 2. Phương trình thực nghiệm để tính khối lượng riêng cho tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ
Đối tượng nghiên cứu
Phương trình thực nghiệm
Hệ số tương quan mẫu R
Tôm sú
ρ = 838,959 + 0,0183.T
0,9857
Tôm bạc
ρ = 840,342 + 0,01513.T
0,9887
Tôm thẻ
ρ = 844,448+ 0,01495.T
0,9798
b. Thảo luận
2
thay đổi trong phạm vi lớn nhưng KLR của vật
Từ bng 1 số liệu thực nghiệm KLR
liệu thay đổi rất ít, vì thế KLR trung bình theo
phụ thuộc vào nhiệt độ của vật liệu (tôm sú,
tôm bạc, tôm thẻ) và xem hàm ẩm nguyên liệu
có độ ẩm trung bình Wa = const ở trạng thái
thể tích gần như không thay đổi, do đó rất
thuận lợi khi giải bài toán tuyền nhiệt và truyền
bão hòa, cho phép chúng tôi xử lý số liệu và
xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm
quan hệ giữa KLR và nhiệt độ của vật liệu, kết
quả sau khi tính toán xem bng 2, rõ ràng
quan hệ giữa KLR và nhiệt độ của vật liệu chỉ
là quan hệ bậc nhất. Tuy nhiên, khi nhiệt độ
khối đồng thời trong sấy thăng hoa.
Một điều đáng chú ý ở đây: ta xét một
cách tương đối là Wa = const, tuy nhiên ứng
với mỗi nguyên liệu khác nhau sẽ có hàm ẩm
khác, hàm ẩm nguyên liệu tôm sú, tôm bạc và
tôm thẻ dao động trong khoảng (72 ÷ 79)%,
hàm lượng ẩm của vật liệu nó ảnh hưởng rất
37
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 03/2008
lớn đến KLR, bởi vì KLR cũng có thể xác định
mà chỉ ứng dụng trong việc xem xét ảnh
theo định luật bảo toàn vật chất: ρVL = (1 –
hưởng của hàm ẩm đến khối lượng riêng và
quan hệ này cũng là quan hệ đồng biến bậc
Wa).ρ
ρCK + Wa.ρ
ρn, khi lượng ẩm tăng thì KLR
nhất.
3.2. Khảo sát và đo hệ số dẫn nhiệt
a. Kết quả nghiên cứu
vật liệu tăng, tuy nhiên trong trường hợp này
hàm lượng ẩm W a dễ xác định, KLR của chất
khô của vật liệu khó xác định. Chính vì vậy,
thực tế công thức này rất ít được ứng dụng
0
Bảng 3. Kết quả khảo sát và HSDN λ[W/(mK)] theo nhiệt độ T[ C] và tỉ lệ nước đóng băng W
của tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ nguyên liệu bóc vỏ, đầu và đuôi; S TN: s thí nghim
Tôm sú có Wa = 74.67%
Số
TN
T [ C]
0
W
1
45
2
3
Tôm bạc có Wa = 74.21%
Tôm thẻ có Wa = 74.23%
λtb[W/(mK)]
T
0
[ C]
W
λtb[W/(mK)]
T [ C]
0
W
λtb[W/(mK)]
0
0,5891
45
0
0,5936
45
0
0,5919
40
0
0,5763
40
0
0,5808
40
0
0,5804
35
0
0,5640
35
0
0,5686
35
0
0,5664
4
30
0
0,5511
30
0
0,5558
30
0
0,5545
5
25
0
0,5387
25
0
0,5425
25
0
0,5422
6
20
0
0,5271
20
0
0,5291
20
0
0,5281
7
15
0
0,5134
15
0
0,5166
15
0
0,5161
8
10
0
0,5009
10
0
0,5044
10
0
0,5033
9
4
0
0,4850
4
0
0,4887
4
0
0,4878
10
0
0
0,4761
0
0
0,4778
0
0
0,4784
11
-1,21
0
0,4727
-1,18
0
0,4747
-1,17
0
0,4743
12
-5
0,1112
0,6047
-5
0,1009
0,5749
-5
0,1125
0,5957
13
-10
0,2914
0,8202
-10
0,2815
0,7616
-10
0,3009
0,8127
14
-15
0,4987
1,0777
-15
0,4896
0,9814
-15
0,5017
1,0459
15
-20
0,7130
1,3429
-20
0,7054
1,2214
-20
0,7139
1,3047
16
-25
0,9318
1,6196
-25
0,9266
1,4694
-25
0,9386
1,5747
17
-30
0,9999
1,7046
-30
0,9999
1,5523
-30
0,9999
1,6456
18
-35
0,9999
1,7094
-35
0,9999
1,5640
-35
0,9999
1,6515
19
-40
0,9999
1,7134
-40
0,9999
1,5766
-40
0,9999
1,6540
20
-45
0,9999
1,7171
-45
0,9999
1,5885
-45
0,9999
1,6581
21
-50
0,9999
1,7184
-50
0,9999
1,6001
-50
0,9999
1,6596
Bảng 4. Phương trình thực nghiệm để tính HSDN cho tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ
Đối tượng
nghiên cứu
Khoảng nhiệt độ xác
định
0
0
-1,21 C ≤ T ≤ 45 C
Phương trình thực nghiệm
-3
λ = 0,47561 + 2,54.10 .T
Tôm sú
-4
2
λ = 0,42294 - 0,04304.T + 6,7.10 .T
0
-3
-1,18 C ≤ T ≤ 45 C
0
0
-4
2
λ = 0,44154 - 0,02759.T + 10.10 .T
0
0
0
-22 C ≤ T < -1,18 C
-3
-50 C ≤ T < -22 C
0
-3
-1,17 C ≤ T ≤ 45 C
λ = 1,47214 – 2,61.10 .T
-4
2
λ = 0,4335 - 0,03695.T + 8,1.10 .T
-3
λ = 1,62442 – 0,75.10 .T
0
0
λ = 0,47771 + 2,55.10 .T
38
-22 C ≤ T < -1,21 C
-50 C ≤ T < -22 C
λ = 0,47843 + 2,56.10 .T
Tôm thẻ
0
-3
λ = 1,67919 – 0,85.10 .T
Tôm bạc
0
0
0
0
-22 C ≤ T < -1,17 C
0
0
-50 C ≤ T < -22 C
2
R
0,956
0,967
0,963
0,961
0,952
0,976
0,971
0.953
0.987
nguon tai.lieu . vn
VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT - VẬT LÝ NHÓM GIÁP XÁC (TÔM SÚ, TÔM
BẠC, TÔM THẺ) ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CẤP NHIỆT VÀ TÁCH ẨM
TRONG SẤY THĂNG HOA
SURVERY THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF CRUSTACEAN GROUP (PENAEUS
MONODON, PENAEUS MERGUIENSIS, PENAEUS VANNAMEI) EFFECTED HEAT AND MASS
TRANSFER IN PROCESSING FREEZE – DRYING
1
2
3
Nguyễn Tấn Dũng , Trịnh Văn Dũng , Trần Đức Ba
1
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM,
2
Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM,
3
Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM
Tóm tắt
Ở bài viết này, chúng tôi sẽ công bố kết quả khảo sát một số các tính chất nhiệt – vật lý nhóm
giáp xác (tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ) ảnh hưởng đến quá trình cấp nhiệt và tách ẩm trong quá trình sấy
thăng hoa (STH). Kết quả thu được làm cơ sở dữ liệu cho việc xây dựng mô hình toán giải bài toán
truyền nhiệt, truyền khối đồng thời trong điều kiện STH, từ đó xác định chế độ công nghệ STH và ứng
dụng STH để bảo quản thủy hải sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ) có giá trị kinh tế trong
sản xuất công nghiệp.
Từ khóa: khối lượng riêng, nhiệt rung riêng, hệ số dẫn nhiệt
Abstract
In this paper, we will proclaim result of survery thermophysical properties of crustacean group
(Penaeus monodon, Penaeus merguiensis, Penaeus vannamei). Example for: Density, Specific heat,
Thermal conductivity of material humidity effected heat and mass transfer in processing Freeze –
Drying. That result is data base for work establishing mathematical model heat and mass transfer
concurrent in processing Freeze - Drying, since installed technological regime Freeze – Drying and
applied conserving fishery food of crustacean group had economic value in industrial production.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
trong điều kiện đó thì cần phải biết các tính
Khi nghiên cứu ứng dụng STH để bảo
quản thủy hải sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm
chất nhiệt – vật lý của vật liệu đối tượng
nghiên cứu. Vì vậy chúng tôi phải đi nghiên
bạc, tôm thẻ) có giá trị kinh tế trong công
nghiệp sản xuất là vấn đề mới ở Việt Nam, thì
cứu khảo sát các tính chất nhiệt vật lý như:
3
khối lượng riêng ρ[kg/m ], nhiệt dung riêng
việc xây dựng mô hình toán để giải bài toán
truyền nhiệt, truyền khối đồng thời trong điều
c[kJ/(kgK)], hệ số dẫn nhiệt λ[W/(mK)] và hệ
kiện STH (sấy ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp
ẩm thuỷ hải sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm
nhỏ hơn trạng thái điểm ba thể của ẩm trong
0
vật liệu: 0,0098 C; 4,58mmHg), từ đó làm cơ
bạc, tôm thẻ) ảnh hưởng đến quá trình cấp
sở khoa học cho việc xác định chế độ công
nghệ là rất quan trọng. Tuy nhiên khi đã xây
dựng xong mô hình toán và muốn giải được
bài toán truyền nhiệt, truyền khối đồng thời
34
2
số dẫn nhiệt độ a = λ/( c.ρ
ρ) [m /s] của vật liệu
nhiệt và tách ẩm trong sấy thăng hoa.
II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là thủy hải sản
nhóm giáp xác như: tôm sú, tôm bạc và tôm
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 03/2008
thẻ có giá trị kinh tế. tôm nguyên liệu bóc vỏ,
⇒λ =
-3
bỏ đầu và đuôi tạo chiều dài l = 70.10 m, sau
đó filet tôm tạo thành dạng phẳng, ghép các
tâm phẳng với nhau rồi ép chặt tạo ra môi
trường rắn liên tục dạng phẳng, chú ý lực ép
vừa phải không làm tôm chảy nước, làm như
thế phù hợp với thiết bị nghiên cứu, bề dày
tấm phẳng đặt vật liệu nghiên cứu của thiết bị
q.δ 0
(t 01 − t 02 )
(3)
Phương trình (3) là cơ sở chế tạo thiết
bị để xác định hệ số dẫn nhiệt, thiết bị được
chế tạo dạng phẳng, xem hình 1, hai bên là
-
hai tấm đồng có cùng bề dày là δ1 = 1,5x10
3
[m] và HSDN λ1 = 383,8[W/(mK)], có diện tích
-4
2
trao đổi nhiệt là F = axb = 9,2x6x10 [m ] trong
được chế tạo có thể điều chỉnh được sao cho
phù hợp với kích thước thực tế khi thực
đó a >> δ1, tấm đồng bên trái gắn điện trở đốt
nghiệm.
nóng, hai bề mặt ngoài của hai tấm đồng có
dày 2R = 8.10 m; chiều dài l = (70÷75).10 m.
gắn hai bộ cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ
0
0
mặt ngoài tấm đồng T1[ C], T2[ C], bên trong là
2.2. Thiết bị dụng cụ nghiên cứu
rỗng có bề dày là δ = 15x10 [m] đặt vật liệu
Tôm làm nghiên cứu có kích thước: bề
-3
-3
-3
• Thiết bị đo nhiệt dung riêng của vật rắn
cần xác định HSDN là λ[W/(mK)], xung quanh
và hệ số dẫn nhiệt do chúng tôi tự chế tạo,
xem sơ đồ nguyên lý hình 1 và hình 2.
6 mặt hình hộp phẳng phải bọc cách nhiệt dày
• Cân điện tử Satoriusbasic Type
BA310S và dụng cụ đo thể tích, các bộ cảm
biến đo nhiệt độ.
2.3. Phương pháp xác định các thông số
-2
40x10 [m] bằng sứ cách nhiệt, polyurethan và
bông thuỷ tinh để đảm bảo cho quá trình
truyền nhiệt ổn định đẳng hướng, Ampere kế
đo dòng điện I [A], Volt kế đo hiệu điện thế U
[V].
nhiệt - vật lý theo các thiết bị trên
a/ Khảo sát và đo khối lượng riêng (KLR:
Density)
Dùng cân điện tử Satoriusbasic Type
BA310S để xác định khối lượng G [kg] vật liệu
ẩm.
Dùng thiết bị đo thể tích, cho vào thiết bị
3
V1 [m ] nước, sau đó cho G [kg] vật liệu ẩm đã
3
cân ở trên vào thì thể tích tăng lên là V2 [m ].
Khối lượng riêng của vật liệu ẩm xác
định:
ρ=
G
,
V2 − V1
3
[kg/m ]
(1)
b/ Khảo sát và đo hệ số dẫn nhiệt (HSDN:
Thermal conductivity)
Ở mô hình dạng phẳng dài vô hạn, và
truyền nhiệt ổn định đẳng hướng, theo định
Q
dt
Như vậy: q =
= -λ
F .τ
dx
Mật độ dòng nhiệt qua vách phẳng
được xác định: q =
luật Furier:
Q = -λ.gradt.F.τ
Hình 1. Sơ đồ mạch điện của thiết bị đo hệ số
dẫn nhiệt λ [W/(m.K)]
(2)
Q
U .I
2
=
[W/m ] (4)
F .τ
F
Hệ số dẫn của vật liệu cần khảo sát được
xác định:
35
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 03/2008
λ=
q.δ
(T1 − T2 ) − 2
sau đó cấp nguồn cho điện trở đốt nóng hoạt,
q.δ 1
[W/(mK)]
(5)
λ1
c/ Khảo sát và đo nhiệt dung riêng (NDR:
specific heat)
Dùng cân điện tử Satoriusbasic Type
BA310S để xác định khối lượng G [kg] vật liệu
ẩm cần xác định NDR.
Thiết bị được chế tạo dạng hình hộp,
thành hình hộp mỏng làm bằng đồng có NDR
c1 = 0,38[kJ/(kgK)], có khối lượng là G1 =
0,025[kg], hai bên thành chiều dài gắn hai điện
trở đốt nóng, bên trong rỗng đặt vật liệu cần
sau một khoảng thời gian τ[s] ngừng cấp
nguồn cho điện trở, nhiệt độ T1, T2, T3 tăng lên
T1’, T2’, T3’ rồi chờ đền lúc cân bằng nhiệt xảy
ra T1’ = T2’ = T3’. Như vậy, nhiệt độ cuối của
vật liệu sau khi đốt nóng được xác định: tc =
T1’ = T2’ = T3’
NDR được xác định:
c=
U .I .τ − c1G1 (t c − t d )
[kJ/(kgK)]
G (t c − t d )
(6)
Các thiết bị trên đã được kiểm định độ
chính xác bằng cách xác định bằng một vật
3
liệu chuẩn biết trước KLR ρ[kg/m ], HSDN
khảo sát NDR, thiết bị được gắn ba bộ cảm
0
biến đo nhiệt T1, T2, T3 [ C], hai bộ cảm biến T1
λ[W/(mK)], NDR c[kJ/(kgK)], thấy sai số 2,91%
và T2 đặt trên mặt trong của thành hình hộp, T3
đo HSDN; 3,64% đối với thiết bị đo NDR.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
đặt ở tâm vật liệu cần đo NDR., xung quanh
bọc lớp sứ cách nhiệt, polyurethan và bông
-2
thuỷ tinh 40x10 [m], không cho nhiệt tổn thất
ra môi trường xung quanh, xem hình 2.
đối với thiết bị đo KLR; 4,21% đối với thiết bị
Mô hình thực nghiệm và tối ưu mô hình
thực nghiệm dựa trên thiết bị đã được chế tạo.
Thành lập phương trình hồi quy thực
nghiệm để xác định KLR, HSDN, NDR có
dạng:
y =f(xi, b0, b1, …, bk) bằng cách xây
dựng phương trình hồi quy từ số liệu thực
nghiệm theo phương pháp tổng bình phương
độ lệch cực tiểu:
n
∆S(b0, b1,…, bn) =
∑(y
∧
i
− yi ) 2 →
i =1
∂ (∆S )
=0
∂b0
∂ (∆S )
∂ (∆S )
và
= 0 ; …;
= 0 (7)
∂b1
∂bn
min
⇔
Hệ phương trình (7) là cơ sở xác định các
Hình 2. Sơ đồ mạch điện của thiết bị đo nhiệt
dung riêng c[kJ/(kg.K)]
Ban đầu khi đặt vật liệu vào bên trong
hình hộp, lúc này chưa được cấp nguồn cho
điện trở đốt nóng làm việc, chờ cho hệ ổn
định, nếu thấy T1 = T3 = T2 có nghĩa nhiệt độ
vật liệu đo NDR đã đồng đều, lúc đó nhiệt độ
ban đầu của vật liệu được xác định td = T1 = T3 = T2,
36
hệ số phương trình hồi quy thực nghiệm, sau
đó kiểm tra tiêu chuẩn student xem hệ số nào
không ảnh hưởng sẽ loại bỏ, kiểm tra tiêu
chuẩn Fisher xem phương trình hồi quy thực
nghiệm có tương thích không? Nếu không
chọn lại dạng hàm rồi tính toán lại.
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Khảo sát và đo khối lượng riêng
a. Kết quả nghiên cứu
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 03/2008
Bảng 1. Kết quả khảo sát và đo khối lượng riêng của tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ nguyên liệu
Số thí
nghiệm
1
Tôm sú có Wa = 74.67%
Nhiệt độ
KLR trung
0
T[ C]
bình ρtb
3
[kg/m ]
45
839,731
Tôm bạc có Wa = 74.21%
Nhiệt độ
KLR trung
0
3
T[ C]
bình ρtb [kg/m ]
45
840,728
Tôm thẻ có Wa = 74.23%
Nhiệt độ
KLR trung
0
T[ C]
bình ρtb
3
[kg/m ]
45
845,182
2
40
839,747
40
840,887
40
845,052
3
35
839,588
35
840.797
35
844,938
4
30
839,514
30
840.810
30
844,858
5
25
839,372
25
840,588
25
844,847
6
20
839,255
20
840,682
20
844,726
7
15
839,211
15
840,470
15
844,668
8
10
839,154
10
840,529
10
844,550
9
4
838,976
4
840,572
4
844,514
10
0
838,743
0
840,604
0
844,548
11
-1,21
839,424
-1,18
840,287
-1,17
844,390
12
-5
838,589
-5
840,326
-5
844,381
13
-10
838,774
-10
840,199
-10
844,368
14
-15
838,699
-15
840,159
-15
844,146
15
-20
838,554
-20
840,161
-20
844,096
16
-25
838,571
-25
839,952
-25
844,048
17
-30
838,382
-30
839,823
-30
843,991
18
-35
838,295
-35
839,845
-35
843,953
19
-40
838,254
-40
839,762
-40
843,889
20
-45
838,116
-45
839,638
-45
843,768
21
-50
838,030
-50
839,470
-50
843,712
Bảng 2. Phương trình thực nghiệm để tính khối lượng riêng cho tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ
Đối tượng nghiên cứu
Phương trình thực nghiệm
Hệ số tương quan mẫu R
Tôm sú
ρ = 838,959 + 0,0183.T
0,9857
Tôm bạc
ρ = 840,342 + 0,01513.T
0,9887
Tôm thẻ
ρ = 844,448+ 0,01495.T
0,9798
b. Thảo luận
2
thay đổi trong phạm vi lớn nhưng KLR của vật
Từ bng 1 số liệu thực nghiệm KLR
liệu thay đổi rất ít, vì thế KLR trung bình theo
phụ thuộc vào nhiệt độ của vật liệu (tôm sú,
tôm bạc, tôm thẻ) và xem hàm ẩm nguyên liệu
có độ ẩm trung bình Wa = const ở trạng thái
thể tích gần như không thay đổi, do đó rất
thuận lợi khi giải bài toán tuyền nhiệt và truyền
bão hòa, cho phép chúng tôi xử lý số liệu và
xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm
quan hệ giữa KLR và nhiệt độ của vật liệu, kết
quả sau khi tính toán xem bng 2, rõ ràng
quan hệ giữa KLR và nhiệt độ của vật liệu chỉ
là quan hệ bậc nhất. Tuy nhiên, khi nhiệt độ
khối đồng thời trong sấy thăng hoa.
Một điều đáng chú ý ở đây: ta xét một
cách tương đối là Wa = const, tuy nhiên ứng
với mỗi nguyên liệu khác nhau sẽ có hàm ẩm
khác, hàm ẩm nguyên liệu tôm sú, tôm bạc và
tôm thẻ dao động trong khoảng (72 ÷ 79)%,
hàm lượng ẩm của vật liệu nó ảnh hưởng rất
37
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 03/2008
lớn đến KLR, bởi vì KLR cũng có thể xác định
mà chỉ ứng dụng trong việc xem xét ảnh
theo định luật bảo toàn vật chất: ρVL = (1 –
hưởng của hàm ẩm đến khối lượng riêng và
quan hệ này cũng là quan hệ đồng biến bậc
Wa).ρ
ρCK + Wa.ρ
ρn, khi lượng ẩm tăng thì KLR
nhất.
3.2. Khảo sát và đo hệ số dẫn nhiệt
a. Kết quả nghiên cứu
vật liệu tăng, tuy nhiên trong trường hợp này
hàm lượng ẩm W a dễ xác định, KLR của chất
khô của vật liệu khó xác định. Chính vì vậy,
thực tế công thức này rất ít được ứng dụng
0
Bảng 3. Kết quả khảo sát và HSDN λ[W/(mK)] theo nhiệt độ T[ C] và tỉ lệ nước đóng băng W
của tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ nguyên liệu bóc vỏ, đầu và đuôi; S TN: s thí nghim
Tôm sú có Wa = 74.67%
Số
TN
T [ C]
0
W
1
45
2
3
Tôm bạc có Wa = 74.21%
Tôm thẻ có Wa = 74.23%
λtb[W/(mK)]
T
0
[ C]
W
λtb[W/(mK)]
T [ C]
0
W
λtb[W/(mK)]
0
0,5891
45
0
0,5936
45
0
0,5919
40
0
0,5763
40
0
0,5808
40
0
0,5804
35
0
0,5640
35
0
0,5686
35
0
0,5664
4
30
0
0,5511
30
0
0,5558
30
0
0,5545
5
25
0
0,5387
25
0
0,5425
25
0
0,5422
6
20
0
0,5271
20
0
0,5291
20
0
0,5281
7
15
0
0,5134
15
0
0,5166
15
0
0,5161
8
10
0
0,5009
10
0
0,5044
10
0
0,5033
9
4
0
0,4850
4
0
0,4887
4
0
0,4878
10
0
0
0,4761
0
0
0,4778
0
0
0,4784
11
-1,21
0
0,4727
-1,18
0
0,4747
-1,17
0
0,4743
12
-5
0,1112
0,6047
-5
0,1009
0,5749
-5
0,1125
0,5957
13
-10
0,2914
0,8202
-10
0,2815
0,7616
-10
0,3009
0,8127
14
-15
0,4987
1,0777
-15
0,4896
0,9814
-15
0,5017
1,0459
15
-20
0,7130
1,3429
-20
0,7054
1,2214
-20
0,7139
1,3047
16
-25
0,9318
1,6196
-25
0,9266
1,4694
-25
0,9386
1,5747
17
-30
0,9999
1,7046
-30
0,9999
1,5523
-30
0,9999
1,6456
18
-35
0,9999
1,7094
-35
0,9999
1,5640
-35
0,9999
1,6515
19
-40
0,9999
1,7134
-40
0,9999
1,5766
-40
0,9999
1,6540
20
-45
0,9999
1,7171
-45
0,9999
1,5885
-45
0,9999
1,6581
21
-50
0,9999
1,7184
-50
0,9999
1,6001
-50
0,9999
1,6596
Bảng 4. Phương trình thực nghiệm để tính HSDN cho tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ
Đối tượng
nghiên cứu
Khoảng nhiệt độ xác
định
0
0
-1,21 C ≤ T ≤ 45 C
Phương trình thực nghiệm
-3
λ = 0,47561 + 2,54.10 .T
Tôm sú
-4
2
λ = 0,42294 - 0,04304.T + 6,7.10 .T
0
-3
-1,18 C ≤ T ≤ 45 C
0
0
-4
2
λ = 0,44154 - 0,02759.T + 10.10 .T
0
0
0
-22 C ≤ T < -1,18 C
-3
-50 C ≤ T < -22 C
0
-3
-1,17 C ≤ T ≤ 45 C
λ = 1,47214 – 2,61.10 .T
-4
2
λ = 0,4335 - 0,03695.T + 8,1.10 .T
-3
λ = 1,62442 – 0,75.10 .T
0
0
λ = 0,47771 + 2,55.10 .T
38
-22 C ≤ T < -1,21 C
-50 C ≤ T < -22 C
λ = 0,47843 + 2,56.10 .T
Tôm thẻ
0
-3
λ = 1,67919 – 0,85.10 .T
Tôm bạc
0
0
0
0
-22 C ≤ T < -1,17 C
0
0
-50 C ≤ T < -22 C
2
R
0,956
0,967
0,963
0,961
0,952
0,976
0,971
0.953
0.987