Mô phỏng cấp đông thịt heo nửa con bằng Ansys

 NLN *156 - 6/2021*10 
Số: 156 - 6/2021 
Trang 10 - 16 
MÔ PHỎNG CẤP ĐÔNG THỊT HEO NỬA CON 
BẰNG ANSYS 
Võ Văn Sim, Đỗ Hữu Hoàng 
Khoa CN Hóa Học, Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Tp. HCM 
E-mail: hoangdhuu@hufi.edu.vn 
Ngày nhận bài: 20/01/2021 Ngày nhận bài được sửa theo ý kiến phản biện: 21/05/2021 
Ngày bài được duyệt đăng: 29/06/2021 
Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả mô phỏng xác định thời gian cấp đông thịt heo nửa con bằng 
phương pháp CFD. Sai số thời gian cấp đông giữa mô phỏng và thực nghiệm tương ứng 4%. Trên cơ 
sở kết quả mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và vận tốc dòng khí lên thời gian cấp đông, kết 
quả mô phỏng được sử dụng để tối ưu hóa điều kiện vận hành và thiết kế kho cấp đông thịt heo. 
Từ khóa: Ansys, cấp đông heo, CFD, mô phỏng cấp đông, thòi gian cấp đông. 
KÝ HIỆU: 
 : Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, W.m-2.K-1; Mw: Khối lượng phân tử nước kg.kmol-1; 
: Vận tốc dòng, m.s-1; Ms: Khối lượng phân tử chất khô kg.kmol-1; 
c: Nhiệt dung riêng, J.kg-1K-1; : Độ xốp của nguyên liệu; 
cw: Nhiệt dung riêng nước, J.kg-1K-1; xi: Thành phần khối lượng thứ i, %; 
cice: Nhiệt dung riêng băng, J.kg-1K-1; 
v
ix : thành phần thể tích,%; 
cu: Nhiệt dung riêng chưa cấp đông, J.kg-1K-1; xb: Thành phần Protein trong thực phẩm %; 
ca: Nhiệt dung riêng nguyên liệu, J.kg-1K-1; xice: Thành phần băng; 
H: enthalpy, J.kg-1 xwo: thành phần nước chưa đóng băng, %; 
 : Khối lượng riêng, Kg.m-3; tf: Nhiệt độ bắt đầu kết đông, oC; 
: Hệ số dẫn nhiệt, W.m-1.K-1 t: Nhiệt độ, oC; 
R: 8.314 kJ.kg-1mol-1K-1; : Thời gian, s-1; 
L0: Nhiệt ẩn đông đặc của nước tại 273,15 K T: Nhiệt độ, K; 
T0: nhiệt độ đông đặc của nước tại 273,15 K; 
E: Tỷ lệ giữa khối lượng phân tử nước với khối lượng phân tử chất khô; 
I. MỞ ĐẦU 
Thịt heo từ lâu là loại thực phẩm được ưa chuộng 
và tiêu thụ rất nhiều trên toàn thế giới. Ngày nay, 
trong chuỗi cung ứng từ nông trại đến bàn ăn, 
quá trình vận chuyển, bảo quản chiếm vị trí quan 
trọng, ảnh hưởng rất lớn chất lượng thịt. Sự biến 
tính các thành phần của thịt phụ thuộc chế độ cấp 
đông. Vì thế chọn chế độ bảo quản phù hợp là 
điều hết sức quan trọng. Lợi ích cấp đông không 
chỉ lưu giữ gần như nguyên vẹn được các thành 
phần dinh dưỡng, giá trị cảm quan và hạn chế sự 
phát triển của vi sinh vật [1]. Trong đó, thời gian 
cấp đông bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác 
nhau như nhiệt độ nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ 
phòng cấp đông, vận tốc dòng khí lạnh. Từ những 
lý do trên, bài báo này xây dưng quan hệ giữa 
nhiệt độ và vận tốc ảnh hưởng đến thời gian cấp 
đông thịt heo nửa con. 
II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN 
CỨU 
2.1 Thực nghiệm 
2.1.1. Xây dựng thực nghiệm 
Quá trình cấp đông thịt heo ½ con được thực 
hiện tại Trung tâm thí nghiệm thực hành, 
 NLN *156 - 6/2021*11 
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm, Tp 
Hồ Chí Minh. Kho lạnh có kích thước dài (4000 
mm), rộng (3000 mm) và cao (1800 mm). Thịt 
được treo lên thanh ngang phía trên cách trần 
420 mm và sàn 460mm. Điều này giúp quá trình 
tiếp xúc dòng khí lạnh tốt nhất, xuyên suốt quá 
trình cấp đông. Dàn lạnh cung cấp dòng khí (t = 
(-35± 0.1)oC,  = (2.5 ± 0.1) m/s). Nhiệt độ tại 
tâm sản phẩm ở 9 mẫu khác nhau (hình 1) 
được ghi nhận liên tục qua hệ thống cảm biến 
nhiệt đến khi đạt -18oC tại mọi điểm. Số liệu 
được ghi nhận sau mỗi 100s. 
2.1.2. Tiến trình thực nghiệm 
Thịt đươc đặt mua của hệ thống cung cấp 
Vissan phù hợp yêu cầu của mẫu thí nghiệm 
nửa con. Trước khi tiến hành cấp đông, thịt 
được xử lý nhiệt đạt đồng nhất 25oC. Đầu dò 
nhiệt sẽ đặt tại tâm sản phẩm. Quá trình cấp 
đông ở 9 chế độ nhiệt và vận tốc khác nhau. Hệ 
thống sẽ dừng lại khi các điểm ghi nhận đạt (-
18oC). Sau quá trình cấp đông. sản phẩm sẽ 
được rã đông trong 12h để tiến hành cho quá 
trình tiếp theo. 
2.2. Xây dựng mô hình toán cho quá trình 
mô phỏng 
2.2.1. Xây dựng mô hình vật lý. 
Mô hình hóa thịt heo nữa con dạng hình hộp 
được có kích thước (920x360x85)mm được 
treo thẳng dứng trong kho cấp đông. Khối 
lượng mỗi miếng thịt 30.15 kg. Mô hình này 
được đo theo kích thước mẫu gần đúng với sản 
phẩm thực tế. Mẫu được xếp thành 5 hàng, mỗi 
hàng treo 16 miếng thịt với kích thước bố trí 
như hình 1. Dòng khí lạnh vào và ra được bố trí 
ở 2 đầu kho. Nhiệt độ sẽ được ghi nhận tại vị 
trí tâm cách đều theo chiều dọc, ngang của của 
mẫu. 
Hình 1. Mô hình bố trí nguyên liệu trong 
phòng lạnh 
2.2.2. Tạo lưới. 
Miền toán học chính được mô tả trên sản 
phẩm. Quá trình chia lưới đươc thực hiện 
không đồng nhất. Với ưu tiên kết quả thật chính 
xác tại tâm sản phẩm. Vì thế, lưới được chia 
mịn hơn tại tâm và sẽ dần thô hơn ra phía 
ngoài [2]. Tại phía tâm, lưới chia 5 lớp, lớp đầu 
0.6 mm tăng dần 1.2 lần ra ngoài. Tổng số phần 
tử 1,384,632. 
2.2.3. Mô hình toán 
Mẫu có kích thước theo chiều dài rất lớn so với 
chiều rộng và dày, truyền nhiệt theo phương 
dọc sản phẩm rất nhỏ nên có thể bỏ qua, nên 
xem nhiệt độ chỉ thay đổi theo hai hướng rộng 
và dày của mẫu, tương ứng với phương x và y. 
T = f(x,y,) 
2.2.3.1.Điều kiện biên 
Quá trình cấp đông thịt được mô tả bằng 
phương trình vi phân dẫn nhiệt không ổn định 
với điều kiện biên loại 3, phương trình toán học 
mô tả và các điều kiện sau [3]: 
( ) ( ) ( ) 


+


=


2
2
2
2
y
T
x
T
T
T
TCT (1) 
Điều kiện đầu: 
 = 0, T= to = 25oC). 
Điều kiện biên, tỏa nhiệt tại mặt ngoài sản 
phẩm: 
( ) ( )km TT
y
T
x
T
T − = 


+


 (2) 
Quá trình mô phỏng được thực hiện trên 
phần mềm ANSYS 19.2 Khí động học bên trong 
kho được mô tả theo phương trình Reynolds 
Averaged Navier Stokes (RANS). Quá trình 
truyền nhiệt theo mô hình rối k- và the 
Enhanced Wall Treatment (EWT). Dòng khí 
lạnh truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức bên trong 
kho cấp đông, bỏ qua bức xạ nhiệt và bay hơi 
ẩm. 
2.2.3.2. Đặc tính nhiệt của nguyên liệu và 
dòng khí 
Mô phỏng quá trình cấp đông thịt heo bản 
chất là giải bài toán dẫn nhiệt không ổn định với 
điều kiện biên loại 3, với nhiệt độ môi trường 
cấp đông tm = (-40-35) 0C, hệ số trao đổi nhiệt 
đối lưu trên bề mặt sản phẩm được xác định 
theo [4]: 
( )126.0 .25 −−= KmW (3) 
Đối với mẫu là thịt heo trong bài nghiên cứu 
này, xem như toàn bộ khối thịt đồng nhất về 
thành phần. Thịt heo có tỷ lệ protein: 22.32%, 
fat: 5.71%, nước 68.26% và một số thành phần 
khác. Theo [5], các giá trị tính chất nhiệt của vật 
liệu: nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ số 
cấp nhiệt, khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt 
 NLN *156 - 6/2021*12 
độ và thành phần. Tính chất nhiệt vật lý này 
được xác định như sau: 
Hàm lượng băng phụ thuộc vào nhiệt độ 
được xác định theo phương trình (4) Chen 
(1985) [4]: 
( )1ttln
8765.0
1
x105.1
x
f
wo
i
+−
+
= (4) 
Khối lượng riêng và hệ số dẫn nhiệt được 
xác định theo Choi, Y. and Okos M. R (1986) [5] 
như sau: 
( )

= 
−
= 
n
1i
i
ix
1
 (5) 
Hệ số dẫn nhiệt 

=
=
n
1i
i
v
ix (6) 
Nhiệt dung riêng nguyên liệu khi cấp đông 
được xác định theo phương trình (7) 
Schwartzberg, H.G.,(1976) [6]: 
( )
 −+
 −+=
C8.0
tM
RT
Ex
CxxCC
2
w
2
0
s
wobua
 (7) 
Trong đó: 
( ) f0bwo
2
0s
s
tLxx
RTx
M
−−
= : Khối lượng phân 
tử của chất khô; 
( )
tt
tt
LM
RTx
x
f
f
0s
2
0s
ice
−
= : Hàm lượng băng; 
 pb x4,0x = : Thành phần nước không kết 
đông; 
 s
w
M
M
E = : Tỷ số giữa khối lượng phân tử 
nước đối với khối lượng phân tử chất khô; 
 icew
ccc −= : độ chênh lệch giữa nhiệt 
dung riêng của nước và băng; 

=
=
n
1i i
i
i
i
v
i
x
x
x :thành phần thể tích; 
2.2.3.3. Quá trình mô phỏng 
Quá trình cấp đông là quá trình phức tạp, 
bao gồm quá trình dẫn nhiệt, chuyển pha của 
nước bên trong sản phẩm. Thời gian cấp đông 
diễn ra rất lâu để nhiệt tại tâm đạt (-18oC). Chọn 
nhiệt độ ban đầu để cài đặt cho phần mềm là 
rất quan trọng, quyết định thời gian của quá 
trình. Vì thế giai đoạn đầu, bài toán sẽ chạy chế 
độ Steady đến hội tụ. Sử dụng kết quả cài đặt 
lại cho quá trình chạy chế độ không ổn định [7]. 
Với phương pháp chạy như trên, thời gian mô 
phỏng giảm hơn 40%. Với bước thời gian 50 
giây, kích thước phần tử khi mesh ( x) 40mm. 
Sử dụng phương pháp số tìm giá trị của các 
tính chất vật lý của thịt theo nhiệt độ. Thiết lập 
định nghĩa hàm: “user specific heat”, “user 
thermal conductivity”, “user density” để nhập 
biến array tương đương các giá trị theo nhiệt độ 
của mẫu. Thêm dữ liệu vào Interpreted – 
Functions để hoàn thiện khai báo dữ liệu cho 
Ansys [8]. Đây là bước cực lỳ quan trọng giúp 
quá trình tính chính xác thời gian cấp đông [9], 
[10]. 
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. 
3.1. Kết quả mô phỏng 
3.1.1. Trường nhiệt độ phân bố 
Kết quả mô phỏng thể hiện trên hình (2-8) 
Hình 2. Trường nhiệt mặt cắt tâm phương 
ngang của mẫu ở -40oC 
Hình 3. Trường nhiệt mặt cắt tâm phương 
ngang của mẫu ở -35oC 
 NLN *156 - 6/2021*13 
Hình 4: Phân bố dòng khí lạnh vận tốc 2,5 m/s 
Hình 5: Phân bố dòng khí lạnh vận tốc 5 m/s 
Hình 6: Phân bố dòng khí lạnh vận tốc 7.5 m/s 
 NLN *156 - 6/2021*14 
Hình 7: Ảnh hưởng các yếu tố và vị trí mẫu đến thời gian cấp đông 
Hình 8: Thời gian cấp đông trung bình ở các chế độ khác nhau 
3.2 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm. 
Quá trình thực nghiệm được thực hiện tại khu 
thực hành Trường Đại học Công Nghiệp Thực 
Phẩm Tp HCM. Nhiệt độ được ghi và lưu trên 
thiết bị lưu nhiệt Model R3-NM1-R; 
No:OLO24692 MSYSTEM. Kết quả thu được 
được thể hiện trên bảng 1, hình 9 và hình 10. 
Kiểm chứng thực nghiệm tại chế độ hoat động 
(-37.5oC) và 5.0m/s tại 9 mẫu, độ lêch chuẩn 
dương giữa thời gian cấp đông mô phỏng và 
thực nghiệm cao nhất max = 7.8%, thấp nhất 
0.8%. Sai số trung bình 4.0%. Điều này có thể 
lý giải sai số do bản chất sai lệch về thành phần 
của, ảnh hưởng đến các giá trị nhiệt vật lý mẫu. 
Các giá trị nhiệt vật lý được lấy gần đúng theo 
tỷ lệ dinh dưỡng của thịt nên các thông số nhiệt 
dung riêng, enthalpy và khối lượng riêng có sai 
số lớn làm ảnh hưởng đến quá trình mô phỏng. 
Bảng 1: Thời gian cấp mô phỏng và thực nghiệm chế độ -37.5oC và 5.0m/s 
Thứ tự Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6 Mẫu 7 Mẫu 8 Mẫu 9 
Mô phỏng (h) 7.60 15.60 11.70 8.66 15.40 11.89 7.70 15.28 11.56 
Thực nghiệm (h) 7.8 15.01 11.25 9.02 14.2 11.8 8.05 14.9 12.35 
Hình 91. Độ lệch chuẩn dương thời gian cấp đông giữa mô phỏng và thực nghiệm. 
 NLN *156 - 6/2021*15 
Hình 20. Ảnh hưởng vận tốc đến thời gian cấp đông. 
3.3 Ảnh hưởng của các yếu tố đến thời 
gian cấp đông. 
Thời gian cấp đông sản phẩm chịu ảnh hưởng 
bởi các yếu tố nhiệt độ, vân tốc dòng khí 
lạnh[11],[12]. Quá trình khảo sát bằng thực 
nghiệm và mô phỏng được thể hiện trên bảng 1 
và hình 9. 
Ảnh hưởng vận tốc đến thời gian cấp đông. 
Khi tăng vận tốc dòng khí từ 2.5 m/s lên 5.0 
m/s, thời gian cấp đông giảm khoảng 5.6h. 
Trong khi đó, vận tốc 5.0 m/s lên đến 7.5 m/s, 
thời gian giảm ít hơn, khoảng 2.5h. Tỷ lệ giữa 
thời gian cấp đông và vận tốc dòng khí lạnh có 
xu hướng giảm dần. Có thể thấy khi tăng vận 
tốc dòng, thời gian cấp đông giảm đi đáng kể 
nhưng độ giảm thời gian cấp đông ở tốc độ 
thấp sẽ lớn hơn ở tốc độ cao. 
Ảnh hưởng nhiệt độ đến thời gian cấp đông. 
 - Có thể thấy tỷ lệ giữa biến thiên thời gian cấp 
đông và biến thiên nhiệt độ dòng khí có xu 
hướng giảm đều, gần như tuyến tính. 
- Ở vận tốc 2.5 m/s, vị trí 2,5,8, thời gian giảm 
khoảng 5.2 h khi hạ từ -35 oC xuống -37.5oC. 
Và hạ tiếp nhiệt độ xuống -40 oC, thời gian giảm 
khoảng 2h. - Ở vận tốc 7.5m/s, khi thay đổi 
nhiệt độ thì thời gian giảm thấp nhất so với các 
chế độ khác, khoảng 0.5h. 
- Trong khi đó, chế độ 2,5 m/s, khoảng thời gian 
giảm đáng kể nhất, khoảng 3.1h từ -35oC xuống 
-37.5oC. 
 Có thể thấy rằng khi giảm nhiệt độ không khí 
lạnh sẽ làm giảm đáng kể thời gian cấp đông. 
Tuy nhiên, ảnh hưởng của nhiệt độ nhỏ hơn 
ảnh hưởng của vận tốc không khí lạnh (Hình 
11a,b,c). 
(a) 
(b)
(c) 
Hình 31. Ảnh hưởng nhiệt độ dòng khí đến 
thời gian cấp đông. 
IV. KẾT LUẬN 
Các kết quả tính toán trên Ansys so với kết quả 
thực nghiệm cùng điều kiện có độ lệch chuẩn 
dương thời gian trung bình 4.0%. Với tính chất 
vật liệu không đồng nhất về thành phần, quá 
trình cấp đông nhiều giai đoạn phức tạp. Dẫn 
đến các giá trị vật lý nhiệt như khối lượng riêng, 
hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, có sai số 
đáng kể. Nên sai số giữa mô phỏng và thực 
nghiệm trung bình như trên có thể chấp nhận 
được. Dữ liệu bài nghiên cứu này có thể làm cơ 
sở cho các bài toán thiết kế hệ thống lạnh trong 
cùng điều kiện. Cũng như làm cơ sở cho bài 
toán về tối ưu hóa thời gian cấp đông khi thay 
đổi các yếu tố ảnh hưởng, vị trí sản phẩm trong 
kho. 
 NLN *156 - 6/2021*16 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Lene Meinert, “Stability of pork during frozen storage”, Consultant, Danish Meat Research Institute. 
[2] Duy K. Hoang, Simon J. Lovatt, Jamal R. Olatunji, James K. Carson, “Validated numerical model of 
heat transfer in the forced air freezing of bulk packed whole chickens”, International Journal of 
Refrigeration 118 (2020) 93–103. 
[3] Đỗ Hữu Hoàng, “Nghiên cứu mô phỏng và xác định chế độ cấp đông cá tra fillet trên băng chuyền 
IQF” , Tạp chí Khoa học công nghệ và thực phẩm 12, 2017. 
[4] Chen, C.S. (1985b). Thermodynamic Analysis of the Freezing and Thawing of Foods: Ice Content 
and Mollier Diagram. Journal of Food Science 50(4):1163-1166.. 
[5] Choi, Y. and Okos M. R. - Effects of temperature and composition on the thermal properties of foods, 
In: Food Engineering and Process Applications 1 (1986) 93-101. 
[6] Schwartzberg, H.G., Effective Heat Capacities for the Freezing and Thawing of Food. Journal of 
Food Science 41(1) (1976) pp.152-156; 
[7] Willix, J., Harris, M.B., and Carson, J.K., Local surface heat transfer coefficients on a model beef 
side. Journal of Food Engineering, 74, (2006), pp. 561–567; 
[8] ANSYS, Inc. ANSYS Fluent Tutorial Guide, 01, 2019.. 
[9] Cleland, A.C., and R.L. Earle. 1982b. Freezing time prediction for foods—A simplified procedure. 
International Journal of Refrigeration 5(3):134140. 
[10] Cleland, A.C., and R.L. Earle. 1984. Freezing time predictions for different final product 
temperatures. Journal of Food Science 49(4):1230-1232. 
[11] Đỗ Hữu Hoàng, “Nghiên cứu mô phỏng và xác định chế độ cấp đông cá tra fillet trên băng chuyền 
IQF” , Tạp chí Khoa học công nghệ và thực phẩm 12, 2017. 
[12] Pham Q. T. - An approximate analytical method for predicting freezing times for rectangular blocks 
of food stuffs, International Journal of Refrigeration 8 (1985) 3-47. 
SIMULATION HAFT PORKS FREEZING BY USING 
ANSYS 
Vo Van Sim, Do Huu Hoang 
Faculty of Chemical Engineering, Ho Chi Minh City University of Food 
Industry 
E-mail: hoangdhuu@hufi.edu.vn 
ABSTRACT: 
This article presents the results of half- pork freezing time by CFD. Freezing pork is the process of heat 
conduction with phase change including heat and mass transfer occur simultaneously. At the freezing 
point, the physical thermal properties of the product change dramatically. Using ANSYS software to 
simulate the process, determine the time when the center of products reach -18 oC. Error of simulating 
and experimental freezing time are 4%. Based on simulation results assessing the effects of 
temperature and airflow velocity on freezing time, the data can be used to optimize operating conditions 
and the design of pork freezer storage. 
Key words: Ansys, freezing pork, CFD, freezing simulation, freezing time.