Nghiên cứu phương pháp xác định tỷ lệ nước đóng băng bên trong thực phẩm theo nhiệt độ lạnh đông

Science & Technology Development, Vol 11, No.09 - 2008 
Trang 58 
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỶ LỆ NƯỚC ĐÓNG BĂNG BÊN 
TRONG THỰC PHẨM THEO NHIỆT ĐỘ LẠNH ĐÔNG 
Nguyễn Tấn Dũng (1), Trịnh Văn Dũng (2), Trần Đức Ba (3) 
(1)Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, (2) Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM 
(3) Trường Đại học Công Nghiệp Tp.HCM 
(Bài nhận ngày 27 tháng 12 năm 2007, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 03 tháng 07 năm 2008) 
TÓM TẮT: Thực tế cho thấy rằng quá trình lạnh đông thực phẩm để bảo quản, kéo dài 
thời gian sử dụng sẽ đạt hiệu quả nhất khi nhiệt độ nguyên liệu đạt tới nhiệt độ lạnh đông tối 
ưu, tại đó nước tự do đóng băng hoàn toàn, vi sinh vật mất môi trường sống và bị giết chết 
hoặc bị mất khả năng sinh trưởng và phát triển. Chính vì lý do đó, chúng tôi đã nghiên cứu 
phương pháp xác định tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ lạnh đông, thông qua phương pháp 
này sẽ xác định được nhiệt độ lạnh đông tối ưu, kết quả thu được làm cơ sở cho việc tính toán 
thiết kế, chế tạo hệ thống lạnh (HTL), hệ thống sấy thăng hoa (HT-STH) chính xác hơn, đồng 
thời vận hành HTL, HT-STH đạt hiệu quả hơn, năng suất làm việc tốt hơn, tiết kiện năng 
lượng rất nhiều và nâng cao tuổi thọ máy nén lạnh trong quá trình sản xuất. 
Mặt khác, trong kỹ thuật sấy thăng hoa việc xác định tỉ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ 
lạnh đông của vật liệu sấy rất quan trọng, bởi vì thông qua thông số nhiệt - vật lý này sẽ xác 
định được nhiệt độ lạnh đông tối ưu và nước tụ do trong vật liệu ẩm đóng băng hoàn toàn, 
lượng ẩm đóng băng này cũng chính là lượng ẩm cần thăng hoa ở giai đoạn sấy thăng hoa, 
rút ngắn thời gian quá trình sấy. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Khi nghiên cứu chế biến lạnh đông thực phẩm để bảo quản, kéo dài thời gian sử dụng hoặc 
để thực hiện quá trình sấy thăng hoa thì vấn đề đặt ra ở đây: làm thế nào biết được lạnh đông ở 
nhiệt độ âm nào là tối ưu. Nếu lạnh đông ở nhiệt độ âm quá thấp thì HTL tiêu tốn rất nhiều 
năng lượng, mặt khác thực phẩm bị giảm chất lượng rất nhiều, còn nếu lạnh đông ở nhiệt độ 
âm cao thì vi sinh vật vẫn tồn tại và phát triển làm thực phẩm hư hỏng. Thực tế ở các nhà máy 
đông lạnh thực phẩm người ta lạnh đông đến một nhiệt độ âm nào đó, sau đó lấy mẫu kiểm tra 
vi sinh nếu vi sinh vật bị giết chết hoặc mất khả năng sinh trưởng và phát triển là đạt, làm như 
thế không biết được lạnh đông ở nhiệt độ nào là tối ưu. Vì vậy, việc nghiên cứu đưa ra phương 
pháp xác định tỷ lệ nước đóng băng của thực phẩm theo nhiệt độ lạnh đông là rất cần thiết, qua 
đó sẽ xác định được nhiệt độ lạnh đông tối ưu (Nhiệt độ lạnh đông tối ưu là ứng với nhiệt độ 
đó thì nước tự do trong thực phẩm đóng băng hoàn toàn, vi sinh vật sẽ bị giết chết hoặc ngừng 
hoạt động). Trong sấy thăng hoa nếu vật liệu sấy được làm lạnh đông tại nhiệt độ lạnh đông tối 
ưu thì kết thúc giai đoạn sấy thăng hoa ẩm tự do hóa hơi hết hoàn toàn, do đó giai đoạn sấy 
chân không cuối cùng chỉ việc tách ẩm liên kết còn lại. Mặt khác khi biết nhiệt độ lạnh đông 
tối ưu và tỷ lệ nước đóng băng thì việc tính toán thiết kế, chế tạo HTL, TH-STH sẽ chính xác 
hơn. 
2.NỘI DUNG 
2.1. Cơ sở khoa học xác định tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ lạnh đông 
2.1.1. Các giả thiết ban đầu khi thiết lập bài toán 
- Hàm mục tiêu cần xây dựng có dạng: ω = f(Te, T0, τ, R) (1) 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 11, SOÁ 09 - 2008 
Trang 59 
Trong đó: xem các thông số nhiệt– vật lý vật liệu ẩm gần như không đổi. 
• Te [0C]: nhiệt độ trung bình vật liệu ẩm cần lạnh đông, Te ≤ Tkt (nhiệt độ kết tinh của 
nước trong vật liệu ẩm nghiên cứu: Tkt = -1,15 ÷ -1,50C) 
• T0 [0C]: nhiệt độ môi trường lạnh đông. 
• δ = 2R [m]: bề dày của vật liệu ẩm dạng phẳng cần nghiên cứu. 
• ρ [kg/m3]: khối lượng riêng của vật liệu ẩm. 
• Cpn [kJ/(kgK)]: nhiệt dung riêng của ẩm (nước) có trong vật liệu ẩm. 
• Cpb [kJ/(kgK)]: nhiệt dung riêng của ẩm (nước) đóng băng bên trong vật liệu ẩm. 
• Cpk [kJ/(kgK)]: nhiệt dung riêng của chất khô tuyệt đối của vật liệu ẩm. 
• ω ∈ [0,1]: tỷ lệ nước đóng băng trung bình theo nhiệt động lạnh đông của vật liệu ẩm. 
• ω = Gnb/Gn ∈ [0,1]: tỷ lệ ẩm (nước) đóng băng bn trong vật liệu ẩm. 
• Gnb, Gn, G [kg]: khối lượng ẩm (nước) đã đóng băng và tổng khối lượng ẩm (nước) 
có trong vật liệu và khối lượng vật liệu ẩm. 
• Wa = Gn/G ∈ (0,1): tỷ lệ ẩm (hay độ ẩm tương đối) có trong vật liệu và được phân bố 
đều. 
• L [kJ/kg]: ẩn nhiệt đông đặc của nước. 
• τ[h]: là thời gian làm lạnh đông vật liệu. 
- Làm lạnh đông tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ với mô hình dạng tấm phẳng, xem hình 1. 
• dx: bề dày của lớp nước đóng băng trong vật liệu ẩm khi Te bắt đầu bé hơn Tkt. 
• F[m2]: tiết diện trao đổi nhiệt của vật liệu ẩm dạng tấm phẳng. 
• α [W/(m2.độ)]: hệ số tỏa nhiệt của môi trường làm lạnh đông. 
• Điều kiện ban đầu: khi Te = Tkt thì τ = 0, ω = 0; ω = 0. 
• Điều kiện biên: khi τ = 0 thì x = 0; khi τ = τ thì x = δ. 
2.1.2. Thiết lập bài toán xác định tỷ lệ nước đóng băng 
- Phương trình cân bằng nhiệt: dQ = dQ1 + dQ2 (2) 
Có nghĩa nhiệt lượng của vật liệu ẩm trao đổi nhiệt với môi trường bằng tổng nhiệt lượng 
lấy ra để làm kết tinh ẩm bên trong vật liệu ẩm và nhiệt lượng lấy ra để làm giảm nhiệt độ vật 
liệu ẩm từ nhiệt độ kết tinh TKt xuống nhiệt độ Te. 
Science & Technology Development, Vol 11, No.09 - 2008 
Trang 60 
Trong đó: xem hình 2. 
Hình 2. Đồ thị T-τ của quá trình làm lạnh đông thực phẩm; (1) - Giai đoạn kết tinh Tkt = const; (2) - 
Giai đoạn hạ nhiệt độ từ Tkt xuống Te 
• dQ [kJ]: dòng nhiệt trao đổi giữa phân tố lớp băng dx có nhiệt độ Tkt với môi trường 
làm lạnh đông có nhiệt độ T0. 
• dQ1 [kJ]: dòng nhiệt lấy ra để làm kết tinh nước trong vật liệu ẩm làm lạnh đông tại 
điểm Tkt. 
• dQ2 [kJ]: dòng nhiệt lấy ra để giảm nhiệt độ vật liệu ẩm làm lạnh đông từ nhiệt độ Tkt 
xuống nhiệt độ Te. 
• dQ = ( )
λα
τ
x
dFTTkt
+
−
1
...0 (3) 
• dQ1 = L.dGnb = L.ω.Wa.dG = L.ω.Wa.ρ.F.dx (4) 
• dQ2 = [Cpn(1 - ω).Wa + Cpb. ω.Wa + Cpk.(1 – Wa)].(Tkt – Te). ρ.F.dx (5) 
• Thay (3), (4), (5) vào (2) sẽ thu được: 
( )
λα
τ
x
dFTTkt
+
−
1
..0 = [L.ω.Wa + [Cpn(1 - ω).Wa + Cpb. ω.Wa 
 + Cpk.(1 – Wa)].(Tkt – Te)]. ρ.F.dx (6) 
• Biến đổi (6) rồi lấy tích phân hai vế sẽ thu được: 
[L.ω.Wa + [Cpn(1 - ω).Wa + Cpb. ω.Wa + Cpk.(1 – Wa)].(Tkt – Te)]. ρ.δ. ).2
1( λ
δ
α + 
= (Tkt – T0).τ 
 (7) 
• Biến đổi (7) và thay δ = 2R sẽ thu được : ( ) [ ]
).().(.
).()1.(.
1
.
..2
. 0
ektapnpba
ektapkapn
kt
TTWCCWL
TTWCWC
Bi
TT
R
−−+
−−+−+
−
= ρ
τα
ω
 (8) 
T [0C] 
(1) (2) 
τ [h]
0 
Tkt 
Te 
T0 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 11, SOÁ 09 - 2008 
Trang 61 
Đặt: A = 3,6α/(2.ρ); hệ số 3,6 chuyển đổi từ τ[h] → τ[s] v Q[J] → Q[kJ] 
B = Cpn.Wa + Cpk.(1 – Wa); C = L.Wa ; D = (Cpb – Cpn).Wa ; Bi = α.R/λ 
Như vậy (8) sẽ viết gọn lại : 
( )
).(
).(
)1.(
.. 0
ekt
ekt
kt
TTDC
TTB
BiR
TTA
−+
−−+
−
=
τ
ω (9) 
Khi ta giữ T0 = const; Tkt = const; R = const; xem τ = f(T), lúc đó hàm ω được xác định 
như sau: 
( )
).(
).()(.
)1.(
.
)(
0
TTDC
TTBTf
BiR
TTA
T
kt
kt
kt
−+
−−+
−
=ω (10) 
Trong đó: T [0C]: nhiệt độ vật liệu ẩm lạnh đông, T chạy từ Tkt đến Te. Như vậy, tỷ lệ nước 
đóng băng trung bình theo nhiệt độ của vật liệu ẩm lạnh đông được xác định: 
( )
dT
TTDC
TTBTf
BiR
TTA
TT
dTT
TT
kt
e
kt
e
T
T kt
kt
kt
ekt
T
Tekt
.
).(
).()(.
)1.(
.
.1)(.1
0
∫∫ −+
−−+
−
−=−= ωω
 (11) 
∫ −+−+ −=
kt
e
T
T ktekt
kt
TTDC
dTTf
TTBiR
TTA
).(
).(..
)).(1.(
).( 0ω - 
D
B + )(1ln.
).(
.
2 ekt
ekt
TT
C
D
TTD
CB −+−
 (12) 
Công thức (12) là cơ sở xác định tỷ lệ nước đóng băng trung bình theo nhiệt độ vật liệu 
lạnh đông. 
Nếu hàm τ = f(T) theo quy luật τ = f(T) = a1T2 + b1T + c1, thay vào (12) sẽ xác định được: 
ω = -
D
B + )(1ln.
).(
.
2 ekt
ekt
TT
C
D
TTD
CB −+− 
+ )()()(
2
.[
)).(1.(
).(
2
112210
ektktekt
ekt
kt TTDTC
D
a
D
b
TT
D
a
TTBiR
TTA −⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ++−−−−+
−
+ [c1 + (C + DTkt). ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ++ 211 )( D
aDTC
D
b
kt ]. )(1ln.
1
ekt TTC
D
D
−+ ] (13) 
Nếu hàm τ = f(T) theo quy luật hàm mũ τ = f(T) = exp(a1T + b1), khai triển thành 
chuỗi Mac Laurin τ = f(T) = B1. ( )∑∞
=0
1
!
.
n
n
n
Ta
 thay vào (12) rồi tính tương tự. 
( )
∫
∑
−+
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−+
−=
∞
=kt
e
T
T kt
n
n
ekt
kt
TTDC
dT
n
TaB
TTBiR
TTA
).(
.
!
..
.
)).(1.(
).( 0
1
1
0ω - 
D
B + )(1ln.
).(
.
2 ekt
ekt
TT
C
D
TTD
CB −+− (14) 
Science & Technology Development, Vol 11, No.09 - 2008 
Trang 62 
Vấn đề quan trọng ở đây là qua thực nghiệm phải xác định hàm quan hệ giữa thời gian – 
nhiệt độ của vật liệu lạnh đông τ = f(T) và các hệ số a1, b1, c1,  vì ứng với mỗi loại vật liệu 
làm lạnh đông khác nhau sẽ có hàm τ = f(T) biến đổi theo quy luật khác nhau, điều đó phụ 
thuộc rất nhiều vào tính chất nhiệt –vật lý, sau đó thay vào (13) hoặc (14) sẽ tính được ω . 
Trước khi xác định ω cần phải xác định các đại lượng nhiệt – vật lý: A, B, C, D, R, chuẩn 
số không thứ nguyên Bi = α.R/λ và Te, T0 bằng thực nghiệm, đồng thời xây dựng hàm số τ = 
f(T) quan hệ giữa nhiệt độ vật liệu [0C]– thời gian [h] lạnh đông từ số liệu thực nghiệm đo đạc 
được. 
2.2. Thiết bị dụng cụ, nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu 
2.2.1. Thiết bị dụng cụ nghiên cứu 
Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm sử dụng để thực nghiệm xác định các thông số như τ[h]: thời 
gian làm lạnh đông, Tc, Tf, T0 [0C]: nhiệt độ tâm, bề mặt của vật liệu lạnh đông và nhiệt độ môi 
trường lạnh đông bao gồm các dụng cụ, thiết bị sau: 
Ba bộ hiển thị nhiệt độ Dual Digital Thermometer, made in Japan, đo nhiệt độ. 
Đồng hồ đo thời gian Casio, made in Japan. Hệ thống lạnh (HTL) hai cấp nén (chúng tôi 
tự tính toán thiết kế, chế tạo DL-3), xem hình 3. 
2.2.2. Nguyên vật liệu nghiên cứu 
Bảng 1.Thành phần hoá học cơ bản của nguyên liệu 
Loại tôm 
Nước 
(%) 
Protein thô (%) Lipit 
(%) 
Tro 
(%) 
Vitamine nhóm 
A, B , C (mg%) 
75,22 ± 0,55 21,04 ± 0,48 1,83 ± 0,06 1,91 ± 0,05 170 ± 0,045 
Tôm sú 
(72,31 ÷ 77,29) (19,25 ÷ 23,45) (1,62 ÷ 2,12) (1,91 ÷ 2,21) (165,7 ÷ 173,4) 
76,49 ± 0,55 19,89 ± 0,5 1,76 ± 0,06 1,92 ± 0,05 134 ± 0,045 
Tôm bạc 
(74,31 ÷ 77,30) (19,25 ÷ 22,63) (1,52 ÷ 2,09) (1,89 ÷ 2,11) (130,6 ÷ 165,9) 
75,34 ± 0,63 20,04 ± 0,56 1,84 ± 0,06 2,09 ± 0,05 167 ± 0,045 
Tôm thẻ 
(72,31 ÷ 78,75) (18,98 ÷ 23,72) (1,71 ÷ 2,08) (1,95 ÷ 2,35) (156,3 ÷ 179,5) 
Hình 3. Hệ thống lạnh 2 cấp nén DL-3 chạy cho tủ đông gió (-50 ÷ - 45)0C 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 11, SOÁ 09 - 2008 
Trang 63 
Đối tượng nghiên cứu là thủy hải sản nhóm giáp xác như: tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ  
Hiện nay công nghệ nuôi tôm đã phát triển mạnh mẽ trên toàn quốc. Có được sự phát triển đó 
là nhờ quá trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước, đồng thời tiếp thu những thành 
tựu khoa học tiên tiến của thế giới. Đó chính là nền tảng cho sự phát triển toàn diện và bền 
vững của ngành nuôi tôm tại Việt Nam, tạo ra lợi ích xã hội, kinh tế rất lớn cho Quốc Gia. 
Tôm làm nghiên cứu có kích thước: nửa bề dày R = 6.10-3m; chiều dài l = (70÷75).10-3m. 
Thành phần hoá học cơ bản của nguyên liệu tôm sú, tôm bạc, tôm thẻ được phân tích tại Trung 
Tâm Phân Tích Hóa Học và Thực Phẩm 79 – Trương Định, Q.1, Tp.HCM trình bày ở bảng 1. 
2.3. Phương pháp nghiên cứu 
- Phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm và bằng phương pháp xây dựng mô hình 
toán. 
- Để xác định tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ lạnh đông của vật liệu chúng tôi đã thiết 
kế, chế tạo HTL hai cấp nén DL-3, nhiệt độ âm (-50 ÷ -45)0C và thực nghiệm trên HTL DL-3 
này. Dùng đồng hồ xác định thời gian làm lạnh đông, dùng ba bộ cảm biến và hiển thị nhiệt độ 
để xác định: nhiệt độ môi trường làm lạnh đông (T0), nhiệt độ bề mặt (Tf) và nhiệt độ tâm (Tc) 
của vật liệu làm lạnh đông, lúc đó nhiệt độ trung bình của vật liệu ẩm ở dạng tấm phẳng được 
xác định theo công thức: 
T = Te = ∫δδ 0 )(
1 dxxT = 0,5.(Tf + Tc) [0C] (15) 
3.KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 
3.1. Kết quả nghiên cứu 
Xác định các đại lượng vật lý: Từ kết quả đo đạc bằng thực nghiệm và tham khảo tài liệu 
(TKTL) [1], [2] sẽ tính được các thông số nhiệt - vật lý của vật liệu làm lạnh đông, xem kết 
quả ở bảng 2. 
Bảng 2. Các đại lượng nhiệt – vật lý của nguyên vật liêu nhóm giáp xác 
Thông 
số 
Nguyên 
liệu 
Tkt 
[0C] 
R 
[m] 
α [W/ 
(m2.K)] 
λ 
[W/ 
(mK)] 
ρ 
[kg 
/m3] 
Bi A [Wm/ 
(kgK)] 
B 
[kJ/ 
(kgK)] 
C [kJ/ 
kg] 
D [kJ/ 
(kgK)] 
Tôm sú -1,21 6.10-3 8,1 0,543 787,5 0,09 18,515.10-3 3,4645 250,2 -1,572 
Tôm 
bạc 
-1,18 6.10-3 8,1 0,527 789,2 0,092 18,475.10-3 3,4501 248,53 -1,561 
Tôm thẻ -1,17 6.10-3 8,1 0,561 788,4 0,086 18,493.10-3 3,4589 249,07 -1,563 
Science & Technology Development, Vol 11, No.09 - 2008 
Trang 64 
T e , [
0 C ] τ , [ h ] ϖ ϖ . 1 0 0
- 1 , 1 8 0 0 0
- 3 0 , 1 9 7 0 , 0 3 1 2 5 6 3 , 1 2 5 5 7 7
- 6 0 , 6 9 8 0 , 1 4 2 2 8 9 1 4 , 2 2 8 9 1
- 8 1 , 1 9 9 0 , 2 1 8 0 8 9 2 1 , 8 0 8 8 9
- 1 2 1 , 6 8 9 9 0 , 3 7 4 1 4 7 3 7 , 4 1 4 6 6
- 1 6 2 , 6 4 9 0 , 5 3 6 4 5 3 5 3 , 6 4 5 3 4
- 2 0 3 , 1 8 0 , 7 0 5 4 0 4 7 0 , 5 4 0 4
- 2 4 3 , 7 5 6 0 , 8 8 1 4 2 9 8 8 , 1 4 2 9 3
- 2 5 4 , 0 3 1 7 0 , 9 2 6 5 9 5 9 2 , 6 5 9 5 4
- 2 6 4 , 2 0 5 0 , 9 7 2 2 4 1 9 7 , 2 2 4 0 8
- 2 6 , 4 4 , 2 7 4 3 2 0 , 9 9 0 6 3 5 9 9 , 0 6 3 5
Bảng 3. Các thông số Te và τ xác định bằng thực nghiệm của tôm sú. 
Bảng 4. Các thông số Te và τ xác định bằng thực nghiệm của tôm bạc 
Bảng 5. Các thông số Te và τ xác định bằng thực nghiệm của tôm thẻ 
T e , [ h ] τ , [ h ] ϖ ϖ . 1 0 0
- 1 , 2 1 0 0 0
- 3 0 , 2 0 , 0 4 6 4 , 5 9 9 9 7 6
- 6 0 , 7 7 0 , 1 5 5 8 5 1 5 , 5 8 5
- 8 1 , 2 0 , 2 3 0 8 4 3 2 3 , 0 8 4 2 9
- 1 2 1 , 7 5 0 , 3 8 5 2 4 2 3 8 , 5 2 4 1 9
- 1 6 2 , 6 5 0 , 5 4 5 8 2 7 5 4 , 5 8 2 6 8
- 2 0 3 , 1 7 0 , 7 1 2 9 8 8 7 1 , 2 9 8 8 2
- 2 4 3 , 7 5 0 , 8 8 7 1 5 3 8 8 , 7 1 5 2 9
- 2 5 4 , 0 3 2 3 0 , 9 3 1 8 4 2 9 3 , 1 8 4 2 2
- 2 6 4 , 2 0 4 6 0 , 9 7 7 0 0 6 9 7 , 7 0 0 5 8
- 2 6 , 5 4 , 2 9 0 7 5 0 , 9 9 9 7 6 8 9 9 , 9 7 6 8
T e , [
0 C ] τ , [ h ] ϖ ϖ . 1 0 0
- 1 , 1 7 0 0 0
- 3 0 , 2 1 0 , 0 4 2 0 4 9 4 , 2 0 4 9 2 7
- 6 0 , 7 0 5 0 , 1 5 2 7 0 6 1 5 , 2 7 0 5 6
- 8 1 , 2 3 0 , 2 2 8 2 4 8 2 2 , 8 2 4 7 9
- 1 2 1 , 7 0 8 0 , 3 8 3 7 7 6 3 8 , 3 7 7 5 6
- 1 6 2 , 6 7 0 , 5 4 5 5 3 1 5 4 , 5 5 3 1 3
- 2 0 3 , 1 8 9 0 , 7 1 3 9 0 8 7 1 , 3 9 0 8 2
- 2 4 3 , 7 6 0 , 8 8 9 3 3 6 8 8 , 9 3 3 6
- 2 5 4 , 0 4 7 0 , 9 3 4 3 4 9 9 3 , 4 3 4 8 9
- 2 6 4 , 2 2 0 4 0 , 9 7 9 8 3 9 9 7 , 9 8 3 9 4
- 2 6 , 3 4 , 2 7 2 4 2 0 , 9 9 3 5 8 1 9 9 , 3 5 8 0 9
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 11, SOÁ 09 - 2008 
Trang 65 
Xây dựng hàm τ = f(T): Khi xây dựng hàm τ = f(T) quan hệ giữa thời gian (τ) với nhiệt 
độ vật liệu (Te) trong quá trình lạnh đông ở điều kiện T0 = - 450C = const, phải tiến hành thực 
nghiệm trên HTL hai cấp nén DL-3 để xác định được T và τ, xem kết quả đo đạc tại cột 1 [Te], 
cột 2 [τ] ở bảng 3, 4, 5. 
Điểm đóng băng (Tkt) của tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ xác định bằng thực nghiệm, xem 
bảng 2 (phương pháp xác định điểm đóng băng của nước trong vật liệu ẩm với các thông số 
nhiệt - vật lý sẽ được công bố ở lần tiếp theo). Từ số liệu thực nghiệm ở bảng 3, 4, 5 chúng tôi 
xây dựng hàm thực nghiệm τ = f(T) trên phần mềm Excel, xem hình 4, 5, 6. Rỏ ràng quan hệ 
thời gian τ và nhiệt độ vật liệu Te trong quá trình làm lạnh đông thay đổi theo quy luật hàm đa 
thức parabol, các hệ số: a1, b1, c1 được xác định, xem bảng 6. Sau đó thay vào công thức (13) 
để tính toán xác định tỷ lệ nước đóng băng ω [%] theo nhiệt độ lạnh đông của vật liệu Te[0C]. 
Bảng 6. Hàm thực nghiệm τ = f(T) và các hệ số a1, b1, c1 của tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ 
Vật liệu 
lạnh đông 
Hàm thực nghiệm τ = f(T) Các hệ số R2 
Tôm sú τ = f(T) = 0,0001.T2 – 0,1724.T – 0,2752 a1 = 0,0001; 
b1 = - 0,1724; 
c1 = -0,2752 
0,9959 
Tôm bạc τ = f(T) = 0,0001.T2 – 0,1734.T – 0,3008 a1 = 0,0001; 
b1 = - 0,1734; 
c1 = -0,3008 
0,9958 
Tôm thẻ τ = f(T) = 0,0001.T2 – 0,1735.T – 0,2880 a1 = 0,0001; 
b1 = - 0,1735; 
c1 = -0,2880 
0,9957 
Xác định tỷ lệ nước đóng băng: viết chương trình trên EXCEL hoặc MATLAB cho công 
thức (13) chạy trên máy tính sẽ cho kết quả tính toán xem tại cột 3 [ω ] và cột 4 [ω .100] ở 
bảng 3, 4, 5. 
Hình 4. Hàm τ = f(T) tôm sú 
Science & Technology Development, Vol 11, No.09 - 2008 
Trang 66 
3.2. Bàn luận 
ƒ Qua thực nghiệm rất nhiều lần với đối tượng nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc và tôm 
thẻ) trên HTL DL-3 chạy cho tủ cấp đông gió, chúng tôi đã nhận thấy rằng: qui luật thay đổi 
giữa thời gian τ [h] và nhiệt độ vật liệu Te[0C] trong quá trình làm lạnh đông là qui luật hàm đa 
thức parabol: τ = f(T) = a1T2 + b1T + c1 với độ chính xác R2 > 99,5% chứ không phải theo qui 
luật hàm mũ. Vì vậy, để xác định tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ lạnh đông của vật liệu 
nhóm này là bằng công thức (13) đã được thiết lập. 
ƒ Kết quả nghiên cứu cho thấy, tỷ lệ nước đóng băng không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, 
thời gian lạnh đông, hệ số tỏa nhiệt của môi trường (tùy thuộc vào tủ cấp đông gió, cấp đông 
tiếp xúc, cấp đông nhanh) mà còn phụ thuộc vào bề dày, tính chất nhiệt – vật lý của vật liệu, 
xem công thức (13). 
ƒ Một số công trình nghiên cứu của Heiss đã công bố: đối với vật liệu (75÷79,5)% ẩm ở 
dạng keo xốp trong đó có 6,1% ẩm tự do qua lại màng tế bào thì kết tinh ở t = -1 ÷ -1,50C; 
65,5% ẩm tự do nằm trong tế bào thì kết tinh ở t = -1,5 ÷ -200C; 7,5% ẩm liên kết thì kết tinh 
ở t = -20 ÷ -650C TLTK [3], [4] điều đó chứng tỏ phương pháp xác định tỉ lệ nước đóng băng 
theo nhiệt độ lạnh đông ở trên có độ tin cậy rất cao. 
ƒ Một vấn đề cần nói ở đây, nếu khi ta thực hiện quá trình lạnh đông bằng HTL cấp 
đông nhanh IQF lúc đó nhiệt độ môi trường làm lạnh đông âm rất sâu T0 = (-70 ÷ -60)0C, hệ 
số tỏa nhiệt thay đổi, độ biến thiên nhiệt độ theo thời gian xảy ra rất nhanh, có nghĩa: Tf, Tc 
giảm nhanh, Te = 0,5.(Tf + Tc) giảm nhanh theo thời gian lạnh đông. Vì vậy làm cho đường 
parabol τ = f(T) = a1T2 + b1T + c1 có độ dốc hơn, hệ số a1 tăng, trong khi đó T0 giảm, do đó tỷ 
lệ nước đóng băng gần như không thay đổi, TLTK [2]. 
Hình 5. Hàm τ = f(T) tôm bạc 
Hình 6. Hàm τ = f(T) tôm thẻ 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 11, SOÁ 09 - 2008 
Trang 67 
ƒ Từ kết quả nghiên cứu này chúng tôi cung cấp cho các nhà kỹ thuật – công nghệ 
phương pháp tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị đo tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ lạnh 
đông của vật liệu ẩm mà hiện nay trên thị trường chưa có và đóng góp một phần phát triển cho 
ngành phân tích, đồng thời giúp cho việc tính toán thiết kế, chế tạo các HTL làm lạnh đông sản 
phẩm và các HT-STH một cách tính xác hơn, giúp cho việc xác định chế độ công nghệ sấy 
thăng hoa dễ dàng hơn. 
4.KẾT LUẬN 
Hiện nay, các nhà máy, xí nghiệp chế biến lạnh đông thực phẩm thông thường lạnh đông ở 
nhiệt độ (-45÷ -30)0C tuỳ theo loại sản phẩm, sau đó lấy mẫu và kiểm tra vi sinh, thấy vi sinh 
bị giết chết hoặc mất khả năng sinh trưởng và phát triển là đạt, TLTK [1], [2], [4], [5] và 
không biết được lạnh đông đến nhiệt độ nào là tối ưu. Vì thế việc nghiên cứu đưa ra phương 
pháp xác định tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ lạnh đông là một giải pháp về mặt công nghệ 
rất thiết thực, qua đó sẽ xác định nhiệt độ lạnh đông tối ưu, tại đó nước tự do đóng băng hoàn 
toàn vi sinh vật mất môi trường sống sẽ bị giết chết. 
Kết quả nghiên cứu cho thấy, đối với nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ) thì lạnh 
đông ở nhiệt độ mơi trường T0 = -450C, khi đó nhiệt độ lạnh đông tối ưu của vật liệu ẩm Te[0C] 
nhóm giáp xác dao động trong khoảng như sau: 
- Đối với tôm sú: Te = (-25 ÷ -22,5)0C lúc đó: Tc = (-18 ÷ -15)0C, Tf = (-32 ÷ -30)0C là 
đạt, khi đó tỷ lệ nước đóng băng ω = (79,98 ÷93,18)% xem bảng 3, và nước tự do đóng băng 
hoàn toàn. 
- Đối với tôm bạc: Te = (-25,5 ÷ -23)0C lúc đó: Tc = (-18,5 ÷ -16)0C, Tf = (-32,5 ÷ -30)0C 
là đạt, khi đó tỷ lệ nước đóng băng ω = (79,87 ÷92,98)% xem bảng 4, và nước tự do đóng 
băng hoàn toàn. 
- Đối với tôm thẻ: Te = (-25 ÷ -22,8)0C lúc đó: Tc = (-18 ÷ -15,8)0C, Tf = (-32 ÷ -29,8)0C 
là đạt, khi đó tỷ lệ nước đóng băng ω = (79,86 ÷93,43)% xem bảng 5, và nước tự do đóng 
băng hoàn toàn. 
Science & Technology Development, Vol 11, No.09 - 2008 
Trang 68 
RESEARCHING THE METHOD TO DETERMINE THE RALATION 
BETWEEN ICE RATIO AND TEMPERATURE OF FREEZING 
Nguyen Tan Dung(1), Trinh Văn Dung(2), Tran Duc Ba(3) 
(1)Ho Chi Minh City of University Technical Education 
 (2) University of Technology, VNU-HCM, (3) University of Industry Ho Chi Minh City 
ABSTRACT: In the fact that freezing processing will be the most effecivet, when the 
temperatures of materials reach to the optimal temperatures of freezing. At that time free 
water of materials will be completely frozen and microogranism will be killed. How to 
determine free water of materials freezing completely in the purpose of our research, we 
researched the method to determine the relation between ice ratio and temperature of freeze. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[2]. Nguyễn Trọng Cẩn, Đỗ Minh Phụng, Công nghệ chế biến thực phẩm thủy hải sản 
Tập 1, 2, NXB Nông Nghiệp, (1997). 
[3]. Nguyễn Tấn Dũng, Trần Đức Ba, Công nghệ lạnh Tập 1, NXB ĐHQG Tp.HCM, 
(2007). 
[4]. Phạm Văn Bôn, Truyền nhiệt và Thiết bị truyền nhiệt Tập 5, Quyển 1, 2, NXB 
ĐHQG, (2004). 
[5]. Gebhart B., Heat Conduction and Mass Diffusion, McGraw – Hill, New York, 
(1992). 
[6]. Holman J., Heat Transfer, McGraw – Hill, New York, (1992).