Giáo trình công nghệ bảo quản lạnh thực phẩm

Công nghệ bảo quản lạnh thực phẩm là dùng kỹ thuật lạnh để duy trì chất lượng thực phẩm, thông qua việc hạ thấp nhiệt độ làm vô hoạt hoạt tính enzyme và ức chế đến mức tối đa sự hoạt độn

CÔNG NGHỆ BẢO QUẢN LẠNH THỰC PHẨM

GIÁO TRÌNH

60

NGUYỄN TIẾN LỰC

ĐẶNG THỊ NGỌC DUNG

TS NGUYỄN TIẾN LỰC (Chủ biên)

ThS ĐẶNG THỊ NGỌC DUNG

CÔNG NGHỆ BẢO QUẢN LẠNH THỰC PHẨM

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật lạnh đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, trong đời sống và trong xuất khẩu thực phẩm Đặc biệt là đối với nước

ta - nền kinh tế xã hội chủ nghĩa theo cơ chế thị trường, đang từng bước

mở cửa hội nhập quốc tế Việc phát triển kinh tế với nền công nghiệp hiện đại, đòi hỏi thực phẩm chất lượng cao, an toàn, không thể thiếu vai trò của

kỹ thuật lạnh Ngành công nghiệp thực phẩm với sản phẩm ngày càng đa dạng, phong phú, chất lượng ngày càng được nâng cao và chiếm vị thế ngày càng lớn trong nền kinh tế xã hội Thực phẩm từ khâu sau thu hoạch, trong quá trình sản xuất, chế biến cần được bảo quản tốt để giữ được nguyên vẹn các tính chất ban đầu của thực phẩm, đồng thời kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm là vô cùng quan trọng Công nghệ bảo quản lạnh thực phẩm là dùng kỹ thuật lạnh để duy trì chất lượng thực phẩm, thông qua việc hạ thấp nhiệt độ làm vô hoạt hoạt tính enzyme và ức chế đến mức tối đa sự hoạt động, phát triển của vi sinh vật nhằm kéo dài thời gian bảo quản Vì vậy, kỹ thuật bảo quản lạnh giữ được những tính chất ban đầu của sản phẩm như giá trị dinh dưỡng, màu sắc, hương vị và các tính chất của thực phẩm tươi sống Phát triển công nghệ bảo quản lạnh thực phẩm

có ý nghĩa lớn trong việc dự trữ nguồn nguyên liệu cho công nghiệp chế biến, tăng khả năng điều hòa, cung cấp thực phẩm tươi sống cho các thành phố lớn, các khu đông dân, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao lưu hàng hóa thực phẩm, đặc biệt trong chế biến thực phẩm xuất khẩu vô cùng quan trọng đối với nước ta

Ngày nay, công nghệ kỹ thuật lạnh đạt được đỉnh cao của khoa học

kỹ thuật hiện đại Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày nay được mở rộng rất nhiều và kỹ thuật lạnh đang tiến dần đến độ không tuyệt đối Riêng

kỹ thuật lạnh là nhu cầu thiết yếu để phát triển nhanh, bền vững cho ngành

công nghiệp thực phẩm: “Lạnh cần cho công nghiệp thực phẩm như điện

và hơi nước cần cho công nghiệp nặng Điện và hơi nước đã đẩy công nghiệp nặng tiến tới, thì lạnh ở nhiệt độ thấp sẽ làm cho thực phẩm bảo

quản tốt và giữ nguyên tính chất hóa lý ban đầu”

Các nguyên liệu của thực phẩm giàu dinh dưỡng, quá trình chế biến

và sản phẩm sau chế biến của thực phẩm đều phải được bảo quản lạnh để đảm bảo an toàn chất lượng trong thời gian dài, nên công nghệ bảo quản lạnh đóng vai trò rất quan trọng Đối với Việt Nam một nước nhiệt đới, việc nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật lạnh trong ngành thực phẩm là rất cần thiết, nhằm phục vụ bảo quản, chế biến và xuất thẩu thực phẩm để đưa nền kinh tế nước nhà đi lên

Cuốn giáo trình được biên soạn gồm 6 chương:

Chương 1 Cơ sở của quá trình làm lạnh

Chương 2 Hệ thống máy lạnh

Chương 3 Kỹ thuật bảo quản lạnh thực phẩm

Chương 4 Kỹ thuật bảo quản lạnh đông thịt và thủy sản

Chương 5 Kỹ thuật bảo quản lạnh đông rau quả

Chương 6 Bảo quản thực phẩm trong kho lạnh

Giáo trình này được dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ bảo quản sau thu hoạch Giáo trình có thể là tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật và quản lý ngành thực phẩm Trong quá trình biên soạn, giáo trình cũng khó tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi mong nhận được ý kiến đóng góp để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn

Nhóm tác giả

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

Chương 1 CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH 11

1.1 TÁC DỤNG CỦA NHIỆT ĐỘ THẤP ĐỐI VỚI THỰC PHẨM 11

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA KỸ THUẬT LẠNH 11

1.3 VAI TRÒ CỦA KỸ THUẬT LẠNH TRONG ĐỜI SỐNG KINH TẾ 12

1.3.1 Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm 15

1.3.2 Điều hòa không khí 15

1.3.3 Sấy thăng hoa 18

1.3.4 Ứng dụng lạnh trong công nghiệp hóa chất 19

1.3.5 Siêu dẫn 20

1.3.6 Kỹ thuật Cryo 21

1.3.7 Ứng dụng trong các kỹ thuật đo và tự động 23

1.3.8 Ứng dụng trong thể dục, thể thao 24

1.3.9 Ứng dụng trong ngành y tế 25

1.3.10 Một số ứng dụng khác 26

1.4 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CƠ BẢN 27

1.4.1 Nhiệt độ 27

1.4.2 Áp suất 28

1.4.3 Thể tích riêng và khối lượng riêng 30

1.4.4 Nhiệt lượng và nhiệt dung riêng 30

1.4.5 Cơ sở truyền nhiệt 32

1.5 CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG TRONG KỸ THUẬT LẠNH 39

1.5.1 Định luật nhiệt động 39

1.5.2 Chu trình nhiệt động 40

Chương 2 HỆ THỐNG MÁY LẠNH 46

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY LẠNH 46

2.1.1 Nguyên tắc làm việc của máy lạnh 46

2.1.2 Chu trình làm việc của máy lạnh 47

2.2 MÔI CHẤT LẠNH, CHẤT TẢI LẠNH VÀ DẦU BÔI TRƠN 50

2.2.1 Môi chất lạnh 50

2.2.2 Chất tải lạnh 58

2.2.3 Dầu bôi trơn 61

2.3 MÁY LẠNH MỘT CẤP NÉN 63

2.3.1 Xác định chu trình làm việc của máy lạnh nén hơi một cấp 63

2.3.2 Xác định các thông số trạng thái cơ bản của chu trình 65

2.4 MÁY LẠNH HAI CẤP NÉN 67

2.4.1 Sự cần thiết phải dùng máy lạnh nhiều cấp 67

2.4.2 Chu trình hệ thống lạnh hai cấp nén, một lần tiết lưu, làm mát sơ bộ 68

2.4.3 Chu trình hai cấp, hai tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn 70

2.4.4 Chu trình hai cấp nén, hai tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn 73

2.4.5 Chu trình hai cấp nén, hai tiết lưu, làm mát trung gian có ống xoắn 76

2.5 CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG LẠNH 81

2.5.1 Máy nén 81

2.5.2 Thiết bị bay hơi 88

2.5.3 Thiết bị ngưng tụ 90

2.5.4 Van tiết lưu 92

2.6 MỘT SỐ KIỂU THIẾT BỊ LẠNH ĐÔNG 94

2.6.1 Hệ thống tủ cấp đông gió 94

2.6.2 Hệ thống tủ cấp đông tiếp xúc 97

2.6.3 Hệ thống tủ cấp đông IQF 99

Chương 3 KỸ THUẬT BẢO QUẢN LẠNH THỰC PHẨM 105

3.1 KỸ THUẬT LÀM LẠNH THỰC PHẨM 105

3.1.1 Phân loại giới hạn làm lạnh 105

3.1.2 Mục đích của quá trình làm lạnh 106

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH THỰC PHẨM 107

3.2.1 Điều kiện bảo quản lạnh 107

3.2.2 Các phương pháp bảo quản lạnh 108

3.2.3 Kỹ thuật làm lạnh bằng nước đá 114

3.2.4 Thời gian bảo quản lạnh thực phẩm 124

3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THẤP ĐỐI VỚI THỰC PHẨM 127

3.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đối với VSV 127

3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đối với tế bào cơ thể sống 129

3.4 BIẾN ĐỔI CỦA THỰC PHẨM TRONG LÀM LẠNH 132

3.4.1 Cơ chế bảo quản lạnh thực phẩm 132

3.4.2 Biến đổi vật lý 134

3.4.3 Biến đổi sinh hóa trong thực phẩm 135

3.4.4 Biến đổi hóa học 137

3.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bảo quản lạnh thực phẩm 139

3.5 KỸ THUẬT BẢO QUẢN LẠNH THỰC PHẨM 140

3.5.1 Kỹ thuật bảo quản lạnh rau quả 140

3.5.2 Kỹ thuật bảo quản cá ngừ đại dương sau đánh bắt 144

3.5.3 Kỹ thuật bảo quản thủy sản sau đánh bắt bằng đá CO2 147

3.5.4 Kỹ thuật bảo quản mực bằng đá lạnh 149

3.5.5 Kỹ thuật bảo quản lạnh thịt gia súc, gia cầm 152

Chương 4 KỸ THUẬT BẢO QUẢN LẠNH ĐÔNG THỊT VÀ THỦY SẢN 155

4.1 KỸ THUẬT LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM 155

4.1.1 Mục đích của quá trình lạnh đông 155

4.1.2 Các phương pháp lạnh đông thực phẩm 156

4.1.3 Quá trình lạnh đông thực phẩm 159

4.1.4 Bản chất quá trình lạnh đông 161

4.2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM 163

4.2.1 Nhiệt độ đóng băng của thực phẩm 163

4.2.3 Sự kết tinh của nước trong thực phẩm 150

4.2.3 Thời gian làm lạnh đông thực phẩm 164

4.3 BIẾN ĐỔI CỦA THỰC PHẨM TRONG LẠNH ĐÔNG 176

4.3.1 Biến đổi về vật lý 175

4.3.2 Biến đổi hóa học 175

4.3.3 Biến đổi vi sinh vật 180

4.4 XỬ LÝ THỰC PHẨM SAU LẠNH ĐÔNG 181

4.4.1 Mạ băng 182

4.4.2 Các biến đổi sau thời gian bảo quản sản phẩm lạnh đông 182

4.4.3 Giải pháp giảm hao hụt trong bảo quản lạnh đông 186

4.5 LÀM TAN GIÁ THỰC PHẨM 187

4.5.1 Tan giá 191

4.5.2 Các phương pháp làm tan giá thực phẩm 196

4.5.3 Các biến đổi của thực phẩm khi làm tan giá 197

4.6 KỸ THUẬT LẠNH ĐÔNG SẢN PHẨM THỊT VÀ THỦY SẢN 197

4.6.1 Kỹ thuật làm lạnh đông thịt gia súc, gia cầm 197

4.6.2 Kỹ thuật làm lạnh đông thịt gà 199

4.6.3 Kỹ thuật làm lạnh đông thịt bò 203

4.6.4 Kỹ thuật làm lạnh đông tôm sú 209

4.6.5 Kỹ thuật làm lạnh đông tôm thẻ IQF 212

4.6.6 Kỹ thuật làm lạnh đông cá tra, cá basa phi lê 216

4.6.7 Kỹ thuật làm lạnh đông thịt nghêu 222

4.6.8 Kỹ thuật làm lạnh đông cá rô phi 227

4.6.9 Kỹ thuật làm lạnh đông cá mú 234

4.6.10 Kỹ thuật làm lạnh đông mực 238

Chương 5 KỸ THUẬT BẢO QUẢN LẠNH ĐÔNG RAU QUẢ 245

5.1 TỔNG QUAN VỀ RAU QUẢ 245

5.1.1 Cấu tạo và chức năng của tế bào rau quả 245

5.1.2 Cấu tạo mô rau quả 247

5.1.3 Thành phần dinh dưỡng của rau quả 248

5.2 CÁC BIẾN ĐỔI CỦA RAU QUẢ SAU THU HOẠCH 255

5.2.1 Biến đổi sinh hóa 255

5.2.2 Biến đổi vật lý 256

5.2.3 Biến đổi hóa học 256

5.3 NGUYÊN LÝ BẢO QUẢN RAU QUẢ 257

5.3.1 Nguyên nhân gây hư hỏng rau quả 257

5.3.2 Các nguyên tắc bảo quản 259

5.4 KỸ THUẬT LẠNH ĐÔNG RAU QUẢ 260

5.4.1 Mục đích lạnh đông rau quả 260

5.4.2 Các biến đổi dinh dưỡng rau quả trong quá trình lạnh đông 261

5.4.3 Một số kỹ thuật bảo quản rau quả tươi 263

5.4.4 Các phương pháp lạnh đông rau quả 270

5.4.5 Các thiết bị lạnh đông rau quả 274

5.4.6 Bảo quản lạnh đông rau quả 278

5.5 MỘT SỐ KỸ THUẬT LẠNH ĐÔNG RAU QUẢ 278

5.5.1 Kỹ thuật lạnh đông dứa 278

5.5.2 Kỹ thuật làm lạnh đông bơ 284

5.5.3 Kỹ thuật lạnh đông hoa atiso 288

5.5.4 Kỹ thuật lạnh đông quả xoài 290

5.5.5 Kỹ thuật sấy thăng hoa quả gấc 292

5.5.6 Kỹ thuật lạnh đông quả vải 294

5.5.7 Kỹ thuất lạnh đông nấm hương 298

5.5.8 Kỹ thuật lạnh đông bắp non 302

5.5.9 Kỹ thuật lạnh đông măng tây 306

5.5.10 Kỹ thuật lạnh đông rau cải bó xôi 309

Chương 6 BẢO QUẢN THỰC PHẨM TRONG KHO LẠNH 313

6.1 GIỚI THIỆU KHO LẠNH 313

6.1.1 Kho lạnh bảo quản 313

6.1.2 Phân loại 313

6.1.3 Chọn nhiệt độ bảo quản 316

6.2 DUNG TÍCH, KẾT CẤU KHO LẠNH THỰC PHẨM 317

6.2.1 Dung tích kho lạnh 317

6.2.2 Kết cấu kho lạnh 318

6.2.3 Tính toán kích thước các buồng lạnh 320

6.3 TÍNH NHIỆT KHO LẠNH THỰC PHẨM 323

6.3.1 Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che (Q1) 323

6.3.2 Dòng nhiệt do sản phẩm và bao bì toả ra (Q2) 325

6.3.3 Dòng nhiệt do thông gió buồng lạnh (Q3) 331

6.3.4 Các dòng nhiệt do vận hành (Q4) 331

6.3.5 Dòng nhiệt tỏa ra do sự hô hấp của rau quả (Q5) 335

6.3.6 Xác định phụ tải thiết bị, máy nén và tổng hợp các kết quả 336

6.4 BỐ TRÍ KHO LẠNH THỰC PHẨM 339

6.4.1 Sơ đồ bố trí mặt bằng nhà máy thực phẩm 339

6.4.2 Lắp đặt hệ thống kho lạnh thực phẩm 341

6.4.3 Lắp đặt hệ thống lạnh 342

6.4.4 Kiểm tra và chạy thử hệ thống lạnh 344

6.4.5 Các vấn đề chú ý khi thiết kế, lắp đặt kho lạnh 347

TÀI LIỆU THAM KHẢO 352

Chương 1

CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH

1.1 TÁC DỤNG CỦA NHIỆT ĐỘ THẤP ĐỐI VỚI THỰC PHẨM

Năm 1745, nhà bác học Nga Lomonosov trong một luận án nổi tiếng

“Bàn về nguyên nhân của nóng và lạnh” đã cho rằng: “những quá trình sống và thối rửa diễn ra nhanh hơn do nhiệt độ cao và kìm hãm chậm lại

do nhiệt độ thấp” Biến đổi hóa sinh của thực phẩm tăng nhanh ở nhiệt độ cao làm phân giải enzyme trong bản thân thực phẩm, còn ở nhiệt độ thấp các phản ứng hóa sinh trong thực phẩm bị ức chế hoặc giảm Trong phạm

vi nhiệt độ bình thường cứ giảm 100C thì tốc độ phản ứng giảm xuống từ 1/2 đến 1/3 lần Nhiệt độ tác dụng đến hoạt động của các enzyme phân giải, nhưng nhiệt độ thấp không tiêu diệt được các enzyme mà chỉ có

phần lớn hoạt động của enzyme bị đình chỉ, tuy nhiên một số enzyme như lipase, trypsin, catalase ở nhiệt độ tuyệt đối -191,70C cũng không bị phá huỷ Nhiệt độ càng thấp khả năng phân giải càng giảm, khi nhiệt độ giảm thì hoạt động sống của tế bào giảm là do:

- Cấu trúc tế bào bị co rút

- Độ nhớt dịch tế bào tăng

- Sự khuếch tán nước và các chất tan của tế bào giảm

- Hoạt tính của enzyme có trong tế bào giảm

Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản, hoạt động sống có thể độc lập với cơ thể sống, vì vậy khả năng chịu lạnh cao, đa số tế bào thực vật không

bị chết khi nước trong nó chưa đóng băng Tế bào động vật có cấu trúc và hoạt động sống phức tạp, gắn liền với cơ thể sống Vì vậy khả năng chịu lạnh kém hơn Đa số tế bào động vật chết khi nhiệt độ giảm xuống dưới

40C so với thân nhiệt bình thường của nó Tế bào động vật chết chủ yếu là

do độ nhớt tăng và sự phân lớp của các chất tan trong cơ thể Một số loài động vật có khả năng tự điều chỉnh hoạt động sống khi nhiệt độ giảm, cơ thể giảm các hoạt động sống đến mức nhu cầu bình thường của điều kiện môi trường trong một khoảng thời gian nhất định Khi tăng nhiệt độ, hoạt

động sống của chúng phục hồi, điều này được ứng dụng trong vận chuyển động vật, đặc biệt là thuỷ sản ở dạng tươi sống, đảm bảo chất lượng tốt và giảm chi phí vận chuyển.

Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đối với vi sinh vật và khả năng chịu lạnh của mỗi loài vi sinh vật có khác nhau, một số loài vi sinh vật bị tiêu diệt ở nhiệt độ 200C, một số loài khác thì ở nhiệt độ thấp hơn Khi nhiệt độ tiếp tục

hạ xuống thấp, ở điều kiện nước kết đông, nước trong tế bào vi sinh vật đông đặc làm phá vỡ màng tế bào sinh vật Mặt khác nhiệt độ lạnh đông, nước đóng băng làm mất môi trường khuếch tán chất tan, gây biến tính nước làm cho vi sinh vật bị tiêu diệt Trong tự nhiên có 3 loại vi sinh vật thường phát triển theo

chế độ nhiệt riêng: vi khuẩn ưa lạnh (Psychrophiles) nhiệt độ thích hợp từ 10 -

200C, vi khuẩn ưa ấm (Mesophiles) nhiệt độ thích hợp từ 20 - 400C và vi khuẩn

ưa nóng (Thermophiles) nhiệt độ thích hợp 50 - 600C Nấm mốc chịu đựng nhiệt độ lạnh tốt hơn, nhưng ở nhiệt độ -100C hầu hết nấm mốc đều ngừng hoạt

động, ngoại trừ các loài Mucor, Rhizopus, Penicillium Để ngăn ngừa sự phát

triển của nấm mốc cần phải duy trì nhiệt độ thấp dưới -150C Các loài nấm có thể sống ở nơi khan nước, nhưng tối thiểu hàm lượng nước phải đạt 15%

cho vi sinh vật phát triển Vì vậy để bảo quản thực phẩm lâu dài, cần duy trì nhiệt độ kho lạnh ít nhất -180C

Để bảo quản thực phẩm, người ta có thể thực hiện nhiều cách như: phơi, sấy khô, đóng hộp và bảo quản lạnh Tuy nhiên, phương pháp bảo quản lạnh tỏ ra có ưu điểm nổi bật, vì hầu hết thực phẩm, hoa quả, nông sản thực phẩm đều thích hợp đối với phương pháp lạnh này Việc bảo quản lạnh dễ thực hiện, bảo quản nhanh chóng và rất hữu hiệu, phù hợp với tính chất mùa vụ của nhiều loại thực phẩm nông sản, hoa quả, tôm cá và thịt sau giết mổ Nhiệt độ càng thấp có tác dụng bảo tồn tối đa các thuộc tính tự nhiên của thực phẩm như giữ được hương vị, màu sắc, các vi chất và dinh dưỡng trong thực phẩm

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA KỸ THUẬT LẠNH

Từ lâu con người đã biết làm lạnh và sử dụng lạnh, cách đây khoảng

5000 năm con người đã biết bảo quản lương thực - thực phẩm trong các

hang động có nhiệt độ thấp do các mạch nước ngầm nhiệt độ thấp chảy qua Thời gian khoảng 2500 năm trước, trong các tranh vẽ trên tường

ở các kim tự tháp Ai Cập đã mô tả cảnh nô lệ quạt các bình gốm xốp cho nước bay hơi làm mát không khí Người Ấn Độ và người Trung Quốc cách đây 2000 năm đã biết trộn muối vào nước hoặc nước đá để tạo nhiệt

độ thấp hơn

Tuy nhiên, kỹ thuật lạnh hiện đại bắt đầu kể từ thế kỷ 18 và 19 với các sự kiện nổi bật sau: năm 1750 Cullen W đã làm cho nước trong cốc đặt trong một quả chuông thủy tinh hóa đá nhờ hút chân không trong quả chuông Năm 1761 Black J tìm ra nhiệt ẩn hóa hơi và nhiệt ẩn nóng chảy, nhờ ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào thực tế mà những năm sau đó người ta đã hóa lỏng được nhiều chất khí khác nhau như năm 1780 Clouet

và Monge lần đầu tiên hóa lỏng khí SO2, năm 1810 Leslie người Pháp đã chế tạo đầu tiên máy lạnh hấp thụ chu kỳ, với cặp môi chất H2O/H2SO4

CO2, C2H2, NH3, O2, N2, HCl Năm 1824, Carnot khám phá định luật nhiệt động 2 và năm 1834, Tacob Perkins người Anh đã phát minh ra máy lạnh nén hơi đầu tiên với đầy đủ các thiết bị hiện đại gồm có máy nén, dàn ngưng, dàn bay hơi và van tiết lưu Năm 1871, Tellier chế tạo máy nén hơi methyl ether đầu tiên Năm 1873, Van der Waals công bố phương trình trạng thái Năm 1874, Linde chế tạo máy lạnh nén hơi NH3 đầu tiên và nó

đã làm cho việc sản xuất và sử dụng máy lạnh nén hơi thực sự phát triển rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân Năm 1874 Pictet chế tạo máy lạnh nén hơi SO2, năm 1876 Tellier tổ chức tàu thủy lạnh chở thịt đông lạnh xuyên lục địa và vào năm 1878÷1882 ông cho xây dựng các kho lạnh đông cỡ lớn

ở Mỹ, Anh và Argentina và năm 1884 tàu hỏa điều hòa không khí đầu tiên khánh thành chạy tuyến đường Baltimore - Ohio Năm 1895 Linde chế tạo máy hóa lỏng không khí, năm 1906 Nernst phát hiện định luật nhiệt động học thứ 3 Máy lạnh hấp thụ khuếch tán được Gerppt người Đức đăng ký phát minh năm 1899 và được Platen cùng Munter (Thụy điển) hoàn thiện năm 1922 Máy lạnh Ejector hơi nước do Leiblane chế tạo năm 1910, nó cấu tạo rất đơn giản, năng lượng tiêu tốn là nhiệt năng do đó có thể tận dụng các nguồn phế thải Năm 1911, Carrier đặt nền móng đầu tiên cho kỹ thuật điều hòa không khí

Một sự kiện quan trọng của lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh là việc sản xuất và ứng dụng Freon ở Mỹ vào năm 1930 Freon là các khí liên carbon được thay thế một phần hay toàn bộ các nguyên tử hydro bằng các nguyên tử halogen như: Cl, F, Br Freon là những chất lạnh có nhiều đặc tính quý báu như không cháy không nổ, không độc hại, phù hợp với chu trình làm việc của máy lạnh nén hơi Việc phát minh freon đã góp phần tích cực vào việc thúc đẩy kỹ thuật lạnh phát triển, nhất là kỹ thuật điều hòa không khí Năm 1954, chu trình Stirling dùng cho H2, N2 tạo nhiệt độ -150 ÷ - 2500C Năm 1959 Gifford và Mahon M.C đã tạo ra chu trình máy lạnh nén khí (-220 ÷ -2600C), sau đó có hàng loạt các phát minh của Carres người Pháp năm 1959 về máy lạnh hấp thụ

NH3/H2O đầu tiên và liên tục với các môi chất khác nhau

Năm 1960 máy nén trục vít được sử dụng trong kỹ thuật lạnh, năm

1987 tại Montreal cấm các Freon làm suy giảm tầng Ozone như R11, R12,

R13B1, R113, R114, R115 và năm 1989 đã tạo được nhiệt độ 1.10-5K ở Bayreuth Hình 1.1 là mô hình đầu tiên do Perkins (1834) chế tạo, đăng ký bằng phát minh về máy lạnh nén hơi đầu tiên trên thế giới, với đầy đủ các thiết bị chính của một hệ thống máy lạnh nén hơi hiện đại là máy nén, dàn ngưng

tụ, van tiết lưu và dàn bay hơi với môi chất là ether

Hình 1.1 Máy lạnh nén hơi đầu tiên chạy bằng ether

(Perkins – 1834)

Ngày nay, kỹ thuật lạnh hiện đại đã phát triển rất mạnh mẽ Cùng với

sự phát triển của khoa học, kỹ thuật lạnh và ứng dụng kỹ thuật lạnh đã có những bước tiến vượt bậc Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày càng được mở rộng, con người đang dần tiến tới nhiệt độ không tuyệt đối (00K) Công suất lạnh của máy cũng được mở rộng, từ máy lạnh vài mW sử dụng trong phòng thí nghiệm đến các tổ hợp lạnh có công suất triệu W ở các trung tâm điều tiết không khí Hệ thống lạnh ngày nay thay vì lắp ráp các chi tiết, thiết bị lại với nhau thì tổ hợp này ngày càng hoàn thiện, nên ứng dụng kỹ thuật lạnh sẽ thuận tiện và chế độ làm việc hiệu quả hơn Hiệu suất máy lạnh tăng lên đáng kể, chi phí vật tư và chi phí cho một đơn vị lạnh giảm xuống, tuổi thọ và độ tin cậy tăng lên Mức độ tự động hóa của các hệ thống lạnh và các máy lạnh tăng lên rõ rệt, những thiết bị tự động hóa hoàn toàn bằng điện tử và vi điện tử thay thế cho các thiết bị thao tác bằng tay, cho phép hệ thống lạnh hoạt động an toàn, ổn định, chính xác và tiết kiệm hơn

1.3 VAI TRÒ CỦA KỸ THUẬT LẠNH TRONG ĐỜI SỐNG - KINH TẾ

1.3.1 Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm

Các thực phẩm nói chung như thịt, sữa, trứng, rau quả, trái cây và thủy sản nói riêng là môi trường gồm nhiều chất dinh dưỡng như: protein, lipid

và một số khoáng chất khác rất thuận lợi cho vi sinh vật phát triển cũng như là nơi xảy ra hiện tượng trao đổi chất Đa số các vi khuẩn chỉ có thể phát triển ở độ ẩm 15% trở lên nên khi sản phẩm ở trạng thái khô và được bảo quản thì sự sống của vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt hoàn toàn Enzyme trong thực phẩm cũng hoạt động rất mạnh, dưới tác dụng của enzyme và vi sinh vật, giá trị dinh dưỡng của thực phẩm dần dần bị mất đi, làm cho mùi vị và màu sắc của thực phẩm bị biến đổi hoàn toàn, đồng thời sinh ra những độc

tố có hại gây ngộ độc cho người sử dụng

Muốn bảo quản tốt thực phẩm, chúng ta phải hiểu và nghiên cứu những yếu tố gây ra hư hỏng như độ ẩm, bản chất hóa học, vi sinh vật, enzyme

và tốc độ hoạt động các phản ứng hóa học trong thực phẩm… để có những giải pháp, biện pháp được áp dụng và ngăn chặn kịp thời Cho đến nay,

chỉ có phương pháp bảo quản lạnh và lạnh đông hầu như giữ nguyên vẹn tính chất tươi sống, giữ được hoạt tính sinh học và mùi vị ban đầu của thực phẩm, trong quá trình bảo quản, vận chuyển hoặc sản phẩm sau chế biến cần phải giữ nhiệt độ từ -18 đến -200C Như vậy ở nhiệt độ thấp, phương pháp bảo quản lạnh tỏ ra có nhiều ưu điểm như ít làm giảm chất lượng về màu sắc, mùi vị thực phẩm trong nhiều tháng, thậm chí nhiều năm bảo quản so với các phương pháp sấy khô, phóng xạ, bao bì kín, xử lý khí, v.v Do đó, lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của kỹ thuật lạnh là bảo quản thực phẩm tốt nhất Theo một số thống kê thì khoảng 80% công suất lạnh được sử dụng trong công nghiệp là bảo quản lạnh thực phẩm

Thời gian bảo quản lạnh và ảnh hưởng của nhiệt độ lên thời gian bảo quản lạnh thực phẩm như thịt cá, thịt gia cầm ở các nhiệt độ lạnh khác nhau, được trình bày trong Bảng 1.1 như sau:

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên thời gian bảo quản thực phẩm

Thực ra, thời gian bảo quản còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ

ẩm, phương pháp bao gói, thành phần không khí bảo quản, chất lượng bán thành phẩm, nhưng nhiệt độ lạnh đóng vai trò quan trọng nhất Ngày nay, công nghiệp thực phẩm như chế biến thịt gia súc - gia cầm, chế biến rau quả, công nghiệp đánh bắt thủy sản dài ngày trên biển không thể phát triển nếu như không có sự hỗ trợ tích cực của kỹ thuật lạnh Bên cạnh đó,

kỹ thuật lạnh cũng hỗ trợ cho sự phát triển của công nghiệp thực phẩm như công nghiệp sản xuất rượu, bia, bánh, kẹo, kem, nước giải khát, công nghiệp chế biến sữa, v.v

Làm lạnh trong sản xuất rượu bia, nước giải khát pha chế (nước ngọt)

Rượu bia là sản phẩm thực phẩm, thuộc loại đồ uống có độ cồn thấp,

thu nhận được bằng cách lên men rượu ở nhiệt độ thấp dịch đường (từ gạo, ngô, tiểu mạch, đại mạch, ), nước và hoa houblon Quy trình công nghệ sản xuất rượu bia trải qua nhiều công đoạn cần phải tiến hành làm lạnh mới đảm bảo yêu cầu

Đối với nhà máy sản xuất bia hiện đại, kỹ thuật lạnh được sử dụng ở các khâu cụ thể như sau:

- Sử dụng để làm lạnh nhanh dịch đường sau khi nấu, dịch đường sau quá trình houblon hóa có nhiệt độ khoảng 800C cần phải tiến hành hạ nhiệt

độ một cách nhanh chóng xuống nhiệt độ lên men 6÷80C, tốc độ làm lạnh khoảng 30÷45 phút Nếu làm lạnh chậm, một số chủng vi sinh vật có hại cho quá trình lên men sẽ kịp phát triển và làm giảm chất lượng bia Để làm lạnh dịch đường, người ta sử dụng thiết bị làm lạnh nhanh Như vậy, trong quá trình hạ nhiệt này đòi hỏi phải sử dụng một lượng lạnh khá lớn Tính trung bình đối với một nhà máy bia công suất 50 triệu lít/năm mỗi ngày

trong công đoạn này là rất lớn

- Quá trình lên men bia là quá trình lên men được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ nhất định khoảng 6÷80C Quá trình lên men là giai đoạn quyết định để chuyển hóa dịch đường houblon hóa thành bia dưới tác động của nấm men thông qua hoạt động sống của chúng Trong quá trình lên men bia thì lượng dung dịch tỏa ra một lượng nhiệt lớn

- Bảo quản và nhân men giống là một khâu vô cùng quan trọng, vì vậy trong nhà máy bia làm lạnh khâu bảo quản và nhân men giống là rất cần thiết Men giống được bảo quản trong những tank đặc biệt ở nhiệt độ thấp Tank cũng có cấu tạo tương tự tank lên men, nó có thân hình trụ bên ngoài

có các áo dẫn glycol làm lạnh Tuy nhiên, kích thước của tank men nhỏ hơn tank lên men rất nhiều, nên lượng lạnh cần thiết cho tank men giống không lớn

- Khí CO2 lại rất cần trong quy trình công nghệ bia như ở khâu chiết rót

và xử lý công nghệ ở tank lên men Khí CO2 thoát ra từ các tank lên men trong các quá trình sinh hóa cần phải được thu hồi, bảo quản để sử dụng vào trong dây chuyền công nghệ Để bảo quản CO2 tốt nhất chỉ có thể ở thể lỏng, ở nhiệt độ bình thường áp suất ngưng tụ của CO2 đạt gần 100at

Vì vậy, để giảm áp suất bảo quản CO2 xuống áp suất dưới 20 kg/cm2 cần thiết phải hạ nhiệt độ bảo quản xuống rất thấp, nhiệt độ lạnh thích hợp từ -30 ÷ -350C

- Nước lạnh được sử dụng trong nhà máy bia với nhiều mục đích khác nhau, đặc biệt được sử dụng để làm lạnh nhanh dịch đường sau khi được houblon hóa đến khoảng 200C Việc sử dụng nước ở nhiệt độ thấp 10C là một giải pháp rất hữu hiệu và kinh tế trong các nhà máy bia hiện đại Phụ tải nhiệt của các mẻ nấu theo thời gian trong ngày không đều và liên tục

mà có dạng hình xung Khi các mẻ nấu xong, yêu cầu phải tiến hành làm lạnh rất nhanh Nếu sử dụng làm lạnh trực tiếp thì công suất máy lạnh sẽ rất lớn, vì việc sử dụng nước lạnh 10C để hạ lạnh nhanh dịch đường, đòi hỏi một lượng trữ lạnh đáng kể để làm lạnh nhanh dịch đường của các mẻ nấu một cách nhanh chóng Để giảm công suất lạnh trong các nhà máy bia, hiện nay áp dụng công nghệ nước được làm lạnh nhờ glycol đến khoảng

10C qua thiết bị làm lạnh nhanh kiểu tấm bản, điều này cho phép không cần có hệ thống lạnh lớn nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu làm lạnh nhanh dịch đường sau nấu

- Cần làm lạnh hầm bảo quản tank lên men và điều hòa Trong một số nhà máy công nghệ cũ, bia được bảo quản lạnh trong các hầm làm lạnh, trong trường hợp này cần cung cấp lạnh (nhiệt độ thấp) để làm lạnh hầm bảo quản Có thể sử dụng nhiệt độ thấp của hệ thống lạnh để điều hòa không khí trong một số khu vực nhất định của nhà máy, các phòng bảo quản hoa quả, rượu, v.v…

Ví dụ: trong sản xuất rượu vang, sử dụng kỹ thuật lạnh ở nhiệt độ thấp

để bảo quản, lắng cặn, điều chỉnh nhiệt độ lên men, ổn định độ cồn hình thành và giữ được hương vị đặc biệt của rượu vang Trong sản xuất rượu sâm banh, lạnh còn có tác dụng làm trong, bão hòa và ổn định lượng CO2

và các chất thơm trong rượu

1.3.2 Điều hòa không khí

Ngày nay, kỹ thuật điều hòa không khí được sử dụng rất rộng rãi trong đời sống và trong công nghiệp Khâu quan trọng nhất trong các hệ thống điều hòa không khí đó là hệ thống lạnh Máy lạnh được sử dụng để xử lý nhiệt ẩm không khí trước khi cấp vào phòng Máy lạnh không chỉ được

sử dụng để làm lạnh về mùa hè mà còn được đảo chiều để sưởi ấm trong mùa đông

Điều hòa không khí hay điều hòa nhiệt độ là duy trì không khí trong phòng ổn định về nhiệt độ, độ ẩm, độ sạch và thay đổi thành phần và áp suất không khí Điều hòa không khí hay còn gọi là cưỡng bức không khí thông qua thiết bị làm lạnh hoặc làm nóng, quạt gió, phun ẩm, hút ẩm làm khô, tạo khí oxy, ion âm, Thường thiết bị điều hòa không khí chủ yếu phục vụ cho con người là chính, ngày nay thiết bị điều hòa không khí được

sử dụng rộng rãi hơn cho động vật, thực vật, máy móc, trang thiết bị y tế, thuốc men dược phẩm, Để đạt được mục đích điều hòa không khí phải điều chỉnh và duy trì các thông số của không khí: nhiệt độ không khí, độ

ẩm không khí, sự lưu thông và tuần hoàn không khí, hệ thống xử lý bụi và các tạp chất lạ trong không khí

Máy điều hòa không khí công nghiệp là tiện nghi ngày nay không thể thiếu và thực sự phát triển rất mạnh mẽ trong thế giới hiện đại Điều hòa không khí được sử dụng trong cuộc sống như nhà ở, khách sạn, phương tiện máy bay, ô tô và trong ngành công nghiệp Các yêu cầu nghiêm ngặt

về nhiệt độ, độ ẩm và thành phần không khí trong các quy trình công nghệ sản xuất như vải sợi, in ấn, thuốc lá, điện tử, vi điện tử, máy tính, quang học, cơ khí chính xác, nhất thiết phải có điều hòa không khí Tất cả các ngành y tế, thể dục thể thao, giao thông vận tải, vui chơi giải trí cũng như các dịch vụ khác như khách sạn, du lịch, cũng không thể thiếu được tiện nghi là điều hòa không khí

1.3.3 Sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa hay đông khô là phương pháp chế biến thực phẩm hiện

trong thực phẩm biến thành đá sau đó được làm khô thăng hoa trong điều kiện chân không Thăng hoa là quá trình chuyển pha từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi không thông qua pha lỏng

Ngay từ những năm 1761÷1764, giáo sư Black trong những lần thí nghiệm nhiệt – lạnh đã tìm ra lý thuyết về nhiệt ẩn hóa hơi của chất lỏng và rắn (ẩn nhiệt hóa hơi của chất rắn sau này gọi là ẩn nhiệt thăng hoa), nhiệt

ẩn nóng chảy của chất rắn Dựa vào lý thuyết này, con người biết làm lạnh

bằng cách cho chất lỏng bay hơi hoặc cho chất rắn hóa hơi (gọi là thăng hoa), quá trình bay hơi là quá trình thu nhiệt và vật bị bay hơi sẽ bị mất nhiệt Năm 1940 ÷ 1942, thăng hoa huyết tương được áp dụng trong ngành quân y của Hoa Kỳ Ngày nay, kỹ thuật sấy thăng hoa đã trở thành ngành công nghiệp lớn của thế giới, ở Nhật Bản có tới 26 công ty chế biến thăng hoa thực phẩm với giá trị trên 170 tỷ yên/năm, nhiều sản phẩm sinh học sấy thăng hoa của Nhật Bản đang dẫn đầu thế giới.

Muốn sấy thăng hoa thì sản phẩm sấy phải được làm lạnh đông xuống

thăng hoa là một phương pháp sấy hiện đại hầu như không làm giảm chất lượng của sản phẩm sau khi sấy Nước được bay hơi gần như hoàn toàn và sản phẩm trở thành dạng bột, bảo quản và vận chuyển dễ dàng, đồng thời khả năng hồi lưu sản phẩm trở về trạng thái ban đầu tốt Tuy nhiên, giá thành sấy thăng hoa cao, do đó người ta chỉ ứng dụng để sấy những sản phẩm quý, hiếm như dược liệu từ hoa, quả, thủy đặc sản những sản phẩm

y dược dễ biến đổi chất lượng do tác động của nhiệt độ như máu, các loại thuốc tiêm, hormone, hoặc trong công nghiệp nuôi cấy vi khuẩn, sản xuất probiotics, v.v

1.3.4 Ứng dụng lạnh trong công nghiệp hóa chất

Những ứng dụng quan trọng nhất trong công nghiệp hóa chất là sự hóa lỏng khí bao gồm hóa lỏng chất khí làm sản phẩm của công nghiệp hóa học như clo, amoniac, carbonic, sunfuro, các loại khí đốt, các loại khí sinh học,

Hóa lỏng và tách khí từ không khí là ngành công nghiệp có ý nghĩa rất

to lớn đối với ngành luyện kim, chế tạo máy và các ngành kinh tế khác kể

cả y học và sinh học Oxy và nitơ được sử dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau như hàn, cắt gọt kim loại, sản xuất phân đạm, làm chất tải lạnh, các loại khí trơ như heli, argon được sử dụng trong nghiên cứu vật lý, công nghiệp hóa chất và sản xuất bóng đèn Kỹ thuật lạnh cũng hỗ trợ đắc lực trong các công nghệ sản xuất vải, sợi, tơ, cao su nhân tạo, phim ảnh, nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng hóa học nên người ta còn sử dụng lạnh để điều khiển tốc độ phản ứng hóa học

Cao su và các chất dẻo khi hạ nhiệt độ xuống thấp sẽ trở nên giòn và

dễ vỡ như thuỷ tinh Nhờ đặc tính này người ta có thể chế tạo được cao su bột Khi hòa trộn với bột sắt để tạo nên cao su từ tính hoặc hòa trộn với phụ gia nào đó có thể đạt được độ đồng đều rất cao

Trong công nghiệp hóa chất hiện nay, kỹ thuật lạnh được sử dụng rất nhiều trong các quy trình sản xuất khác nhau để tạo ra nhiệt độ lạnh thích hợp nhất cho từng hóa chất

1.3.5 Siêu dẫn

Một ứng dụng quan trọng của kỹ thuật lạnh là ứng dụng hiện tượng siêu dẫn để tạo ra các nam châm cực mạnh trong các máy gia tốc ở các nhà máy điện nguyên tử, nhiệt hạch, trong các phòng thí nghiệm nguyên tử, các đệm từ cho tàu hỏa cao tốc

Năm 1911 nhà vật lý Hà Lan O.Kamerlingh phát hiện ra rằng, khi giảm đến một nhiệt độ rất thấp nào đó, điện trở biến mất, kim loại trở thành siêu dẫn Nhiệt độ khi điện trở biến mất gọi là nhiệt độ nhảy Do nhiệt độ nhảy thường rất thấp, ví dụ: đối với chì nhiệt độ nhảy là 7,20K, thường là khoảng ở nhiệt độ sôi của heli (40K) nên việc hóa lỏng Heli rất đắt

Để có thể ứng dụng rộng rãi siêu dẫn trong công nghiệp phải tìm được các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao, trên nhiệt độ sôi của nitơ lỏng (-1960C), nhiệt độ thăng hoa của nước đá (-78,50C) hoặc cao hơn nữa Với tiến bộ của khoa học, nhiệt độ siêu dẫn càng gần nhiệt độ môi trường, chi phí để làm lạnh dây dẫn ngày càng giảm

Năm 1964, V Litle (Hoa Kỳ) và Ginsbua (Nga) đã đưa ra những cơ chế mới về siêu dẫn ở nhiệt độ cao Tháng 2/1987, hai nhà bác học ở trường Alabama (Hoa Kỳ) đã mở ra bước đột phá, tìm ra chất siêu dẫn ở -1800C Sau đó, C W Chu ở trường Houston (Hoa Kỳ) tìm ra chất siêu dẫn

ở -1750C Gần đây, ở Hungari, các nhà bác học đã chế tạo được chất siêu

dẫn ở -230C

Những thành tựu về siêu dẫn trên đã làm cho các đường dây tải điện không hao hụt điện năng, các nam châm cực mạnh, các tàu hỏa cao tốc trên đệm đã trở thành hiện thực

1.3.6 Kỹ thuật Cryo

Kỹ thuật Cryo còn gọi kỹ thuật lạnh thâm độ, là làm lạnh đến nhiệt độ

T0 < -1200K Trong thực tế, kỹ thuật lạnh Cryo là hóa lỏng không khí và các đơn khí của không khí như oxygen (O2), nitrogen (N2), hydogen (H2), carbondioxide (CO2), argon (Ar2), xenon (Xe2), krypton (Kr2)

Năm 1877, khí CO2, O2, N2 đã được hóa lỏng bằng máy lạnh piston

Thời gian đầu phát triển kỹ thật lạnh Cryo người ta sử dụng máy nén lạnh piston nhiều cấp và nhiều tầng rất phức tạp, chủ yếu thực hiện ở các phòng thí nghiệm Năm 1939, turbine dãn nở với hiệu suất cao (đạt 82%) được chế tạo thành công Các máy lạnh cryo ngày nay sử dụng máy nén là piston hoặc turbine (công suất lớn), máy giãn nở piston hoặc turbine kết hợp với van tiết lưu, sử dụng các thiết bị hồi nhiệt hoàn thiện, quá trình phân chia đơn khí được thực hiện ở các tháp chưng cất Việc tạo kỹ thuật lạnh thâm độ được ứng dụng trong mọi ngành kỹ thuật

Ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong thực tế rất lớn:

- Ứng dụng trong luyện kim: không khí đẩy vào các lò luyện gang, luyện thép, được làm giàu oxy tới 3540 lần, làm giảm khối lượng than, tăng năng suất và chất lượng gang thép

- Ứng dụng trong công nghệ hóa học: sử dụng nitơ sạch (nitơ kỹ thuật)

để sản xuất amôniac, làm phân đạm, acid nitríc hoặc dùng oxy để làm chất xúc tác trong một số phản ứng thực phẩm, y dược

- Ứng dụng trong cơ khí: người ta sử dụng oxy trong việc hàn, cắt kim loại hoặc khí argon cho hàn cao áp

- Ứng dụng trong ngành điện: các khí trơ dùng để nạp vào các bóng đèn thắp sáng hoặc khí Heli lỏng dùng trong kỹ thuật siêu dẫn

- Ứng dụng trong kỹ thuật tên lửa, tàu vũ trụ: sử dụng oxy và hyđrô dạng lỏng

- Ứng dụng trong y tế: dùng nitơ lỏng bay hơi để bảo quản các phôi, máu khô, các dược liệu quý hiếm

Ngày nay, kỹ thuật Cryo ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nông, lâm nghiệp, sinh học, vi sinh y sinh, và trong y tế như bảo quản thuốc trong các buồng lạnh, đến bảo quản các bộ phận cơ thể, cấy ghép, phẫu thuật

Kỹ thuật Cryo đã hỗ trợ đắc lực cho việc lai tạo giống, bảo quản tinh đông, gây đột biến hoặc cho các quá trình xử lý trong công nghệ sinh học Nhờ

kỹ thuật Cryo hiện đại mà một con bò đực có thể lưu trữ tinh trùng và phối giống cho hàng vạn con bò cái, ngay cả sau khi bò đực đã chết hàng chục năm Thực tế kỹ thuật Cryo ngày nay đã trở thành một môn khoa học đầy hấp dẫn, thú vị và được ứng dụng rộng trong mọi ngành khoa học hiện đại

1.3.7 Ứng dụng trong các kỹ thuật đo và tự động

Áp suất bay hơi của một chất lỏng luôn phụ thuộc vào nhiệt độ vì vậy người ta ứng dụng hiện tượng này trong các dụng cụ đo lường như đồng

hồ áp suất, nhiệt kế, trong các rơ le áp suất, v.v

Hiệu ứng nhiệt điện phản ánh mối quan hệ của độ chênh nhiệt độ hai đầu cặp nhiệt với dòng điện chạy qua mạch cặp nhiệt điện Ứng dụng hiện tượng này người ta đã tạo ra các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất hoặc thiết bị điều khiển tự động

Khi áp suất tăng, nhiệt độ tăng và khi áp suất giảm, nhiệt độ giảm Hiệu ứng nhiệt điện nói lên sự liên quan giữa nhiệt độ và cường độ dòng điện của hai cặp dây dẫn khác tính Khi cho dòng điện chạy qua một dây dẫn gồm hai dây khác tính (cặp nhiệt điện) một đầu sẽ nóng lên và đầu còn

lại sẽ lạnh đi Ứng dụng hiện tượng này người ta có thể tạo ra các dụng cụ

đo đạc nhiệt độ, áp suất hoặc các dụng cụ tự điều chỉnh, bảo vệ trong kỹ thuật đo và tự động

1.3.8 Ứng dụng trong thể dục, thể thao

Trong thể dục, thể thao hiện đại, nhờ có kỹ thuật lạnh, người ta có thể tạo ra các sân trượt băng, các đường đua trượt băng và trượt tuyết nhân tạo cho các vận động viên luyện tập hoặc cho các đại hội thể thao ngay cả khi nhiệt độ không khí rất cao

Trước đây để làm lạnh các sân băng, người ta thường hay sử dụng nước muối làm chất tải lạnh Nước muối có nhiệt độ khoảng -100C và nhiệt độ môi chất lạnh nằm trong khoảng -15÷-170C Do chiều dài ống rất lớn nên không thể phân bố nhiệt độ đều ở tất cả mọi vị trí trên sân băng và chi phí rất cao để bơm tuần hoàn nước, nhiệt độ vào và ra của

điểm nữa của hệ thống dùng nước muối là luôn luôn phải kiểm tra sự rò

rỉ của nước muối, đề phòng hoen gỉ kết cấu nền và gây ra trên sân băng Ngày nay, người ta thường sử dụng hệ thống lạnh kỹ thuật mới là làm lạnh trực tiếp sân băng; do đó, có thể khắc phục được các nhược điểm của

hệ thống sử dụng nước muối làm chất tải lạnh Mặc khác, hệ thống lạnh này còn phát huy các ưu điểm sau:

- Nhiệt độ bay hơi trực tiếp -100C, cao hơn 5 đến 70K so với dùng nước muối nên tiêu tốn năng lượng cho máy nén giảm từ 25 đến 35%

- Bơm tuần hoàn môi chất lạnh tiêu tốn năng lượng chỉ bằng 15 đến 25% năng lượng tiêu tốn cho bơm nước muối vì khối lượng tuần hoàn rất nhỏ

- Các đường ống sân băng đỡ bị hoen gỉ hơn rất nhiều, nên giảm chi phí và sử dụng lâu

- Nhiệt độ ở mọi vị trí sân băng luôn đảm bảo bằng nhau

Khi tính tải lạnh sân băng cần chú ý đến dòng nhiệt truyền từ nền đất lên, dòng nhiệt từ không khí, tốc độ không khí và hệ số truyền nhiệt… Hiện nay, Việt Nam với khí hậu nóng đã sử dụng và sở hữu nhiều sân trượt băng bằng kỹ thuật lạnh như sân băng Vincom Thảo Điền, sân trượt băng

Vincom Ice Rink Biên Hòa, sân trượt băng tại Vincom Mega Mall Hà Nội,… đã tạo điều kiện phát triển môn nghệ thuật trượt băng và trượt tuyết nhân tạo tại các nước nhiệt đới.

1.3.9 Ứng dụng trong ngành y tế

Kỹ thuật lạnh được sử dụng trog ngành y tế càng nhiều và đem lại hiệu quả càng lớn Phần lớn các loại thuốc, các thuốc kháng sinh thường được bảo quản ở nhiệt độ lạnh 15÷200C, một số loại thuốc cần được bảo quản ở nhiệt độ 0÷50C hoặc thấp hơn Các loại thuốc quý, cao gan, các loại thuốc giàu hoạt tính sinh học, hồng huyết cầu khô,… đều phải dùng môi trường lạnh trong bào chế, bảo quản và lưu giữ Từ những năm 1940 ở các nước Tây Âu, người ta đã áp dụng lạnh để điều trị vô sinh, dùng lạnh để bảo quản tinh trùng, lập ngân hàng trinh trùng và bảo quản trứng trong chữa bệnh vô sinh Mặc khác, các nước châu Âu còn phổ biến dùng lạnh để gây ngủ nhân tạo, đưa bệnh nhân vào trạng thái ngủ để phục vụ cho các ca đại phẫu thuật và vi phẫu thuật

Dùng lạnh để hạ nhiệt độ gây tê giảm đau, giảm nhiễm trùng, trong phẫu thuật dùng lạnh hạ thân nhiệt đem lại hiệu quả cao trong mổ tim, phổi, thận… vì lạnh đưa vào cơ thể ở trạng thái nằm yên nên kìm hãm được những phản ứng bảo vệ của tuần hoàn máu và trao đổi chất ở cơ thể Người ta có thể chế tạo ra những “bộ áo quần lạnh” cho bệnh nhân,

thuật ở nhiệt độ này có thể nói hầu như không gây chảy máu, còn gọi là phẫu thuật khô

Kỹ thuật lạnh được sử dụng để sản xuất vắc xin cho người, gia súc, gia cầm với quy mô lớn Trong y học hiện đại, lạnh thâm độ còn được sử dụng

để bảo quản các cơ quan nội tạng phục vụ phẫu thuật cấy ghép và thay thế Lạnh thâm độ cũng được ứng dụng để chữa bệnh ung thư, ví dụ như khi nghiên cứu phẫu thuật tại Vanxo ở Áo, các bác sĩ đã dùng nitơ lỏng có nhiệt độ -1960C bơm vào khối u để tiêu diệt các mô ung thư và loại trừ khả năng lan truyền của tế bào ung thư

Nhìn chung cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, kỹ thuật lạnh ngày càng được úng dụng vào ngành y và mang lại hiệu quả cao trong khám, chữa bệnh và phục vụ đời sống con người

1.3.10 Một số ứng dụng khác

Trong ngành hàng không và du hành vũ trụ, máy bay hoặc tàu vũ trụ phải làm rất nhiều việc trong rất nhiều điều kiện khác nhau Nhiệt độ bên ngoài có lúc tăng lên hàng ngàn độ nhưng có lúc hạ xuống dưới -1000C Kỹ thuật lạnh khi đó giúp các nhà khoa học kiểm tra xem máy bay hoặc tàu vũ trụ có làm việc được trong các điều kiện tương tự không Trong khai thác

mỏ, hầm lò càng sâu, nhiệt độ càng cao và độ ẩm càng lớn vì trung bình cứ khoang sâu xuống đất 30m, nhiệt độ tăng lên 100C; vì vậy, cần được điều hòa không khí để đảm bảo điều kiện làm việc cho công nhân

Kỹ thuật lạnh còn được ứng dụng trong xây dựng để làm lạnh bê tông

ở các đập chắn nước Quá trình kết rắn của bê tông gắn liền với quá trình tỏa nhiệt, trong đó nhiệt hydrat hóa tùy theo thành phần xi măng có thể đạt

từ 250÷500 kJ/kg xi măng Nhiệt đó sẽ tỏa ra môi trường Các thử nghiệm cho thấy một nửa lượng nhiệt đó tỏa ra trong 3 ngày đầu và toàn bộ nhiệt lượng toả ra suốt trong một năm mới kết thúc Do bê tông tỏa nhiệt nên nhiệt độ tăng khoảng 20÷30oC so với nhiệt độ môi trường Đối với tường mỏng thì nhiệt đó không quá quan trọng vì nhiệt nhanh chóng tỏa ra môi trường và nhiệt độ tường được duy trì có thể coi đồng đều Nhưng đối với những công trình được đổ bằng các khối bê tông lớn, ví dụ như các đập chắn sóng Do hệ số dẫn nhiệt của bê tông λ=2 W/m.K và hệ số dẫn nhiệt

độ a = 0,004 m2/h, nên nhiệt tỏa từ các khối bê tông ra bên ngoài chậm, ảnh hưởng nhất định đến chất lượng của bê tông Khi tường dày 2m thời gian làm nguội 4 ngày, trong khi tường dày 60m thời gian làm nguội lên đến trên 10 năm mà hiệu nhiệt độ so với môi trường bên ngoài không giảm xuống còn một nửa so với lúc ban đầu Như vậy, trong khi bề mặt đập đã lạnh và đông cứng từ lâu mà trong tường đập nhiệt độ vẫn còn rất cao Sự chênh lệch nhiệt độ đó tạo ra ứng lực kéo trên bề mặt đập gây ra các vết rạn nứt bê tông Do không thể thải nhiệt tự do ra môi trường và để tránh hiệu nhiệt độ quá cao giữa tâm tường và bề mặt tường cần phải có biện pháp làm lạnh nhân tạo tường đập khi đổ bê tông Vì vậy, phương pháp khả thi

là đặt ngầm các đường ống làm lạnh bên trong đập Người ta bố trí các

ống nước lạnh đường kính 25mm trong đập cách nhau theo chiều ngang khoảng 2,4 m, chiều cao khoảng 3m và liên tục bơm nước lạnh qua để thải nhiệt cho bê tông với tốc độ nước trong ống khoảng 0,6 m/s

Công suất lạnh tính toán để có thể hạ nhiệt độ bê tông xuống là tùy thuộc vào loại xi măng sử dụng, khả năng làm mát của môi chất, ảnh hưởng bức xạ mặt trời, để đạt hiệu nhiệt độ cần làm lạnh thích hợp khi ứng dụng trong xây dựng

Kỹ thuật lạnh còn được sử dụng để làm lạnh lòng đất khi xây dựng các cửa vào hầm mỏ, các công trình ngầm, công trình xây dựng metro, các công trình đê đập, cũng như sử dụng để xử lý nền móng các công trình ở vùng đất yếu, vùng đất phức hợp về địa chất thuỷ văn Đặc biệt là các công trình xây dựng trên nền đất sình lầy và có nhiều nước ngầm Nền móng xây dựng đôi khi không đủ chắc chắn, nên khi đào móng đất trượt như cát chảy Để ngăn ngừa hiện tượng đó, người ta đưa ra một phương pháp sử dụng lạnh để tạo ổn định móng, đó là phương pháp sử dụng cọc kết đông.Nhờ có kỹ thuật lạnh người ta có thể điều tiết được lượng không khí trong lò hầm đảm bảo điều kiện làm việc của công nhân Đối với các lò xây dựng ở vùng đầm lầy, nhờ có kỹ thuật lạnh làm đông cứng đất ướt, mới có thể xây dựng được hầm lò Các công trình ngầm quân sự hoặc dân

sự cũng có sự hỗ trợ của kỹ thuật lạnh để đảm bảo được nhiệt độ, độ ẩm và các thành phần không khí như các hầm ngầm, các đường tàu ngầm, v.v

1.4 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CƠ BẢN

1.4.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ biểu thị trạng thái nhiệt của vật chất là nóng hoặc lạnh Nhiệt

độ chính là mức độ vận động hoặc rung động trung bình của các phân tử trong nội bộ vật chất ở thời điểm đó Càng làm lạnh vật chất thì mức độ rung động các phân tử càng nhỏ đi Nếu làm lạnh vật chất đến nhiệt độ -273,150C thì tất cả các rung động vật chất sẽ mất Nhiệt độ t = -273,150C gọi là nhiệt độ không tuyệt đối

Hệ đơn vị quốc tế SI sử dụng nhiệt độ Bách phân Celsius (0C) và nhiệt

độ 1000C trong điều kiện áp suất tiêu chuẩn (áp suất p = 1 atm = 1,01325 bar = 760mmHg) Sau đó chia nhỏ thành 100 vạch chia, mỗi vạch chia ứng với 1 độ

Thang nhiệt độ Kelvin đặt theo tên nhà vật lý người Anh (1824÷1907), xác định nhiệt độ của các vật theo độ K (viết tắt là K) Thang nhiệt độ Kelvin đưa đến khái niệm độ không tuyệt đối Trong kỹ thuật, người ta thường hay sử dụng nhiệt độ Kelvin (K) 0K ứng với nhiệt độ không tuyệt đối 0K=-273,150C Do đó, liên hệ giữa thang nhiệt độ Kelvin và thang nhiệt độ Celsius theo công thức (1.1)

0K = 0C + 273,15 0C (1.1)

giai Fahrenheit đặt theo tên nhà vật lý người Đức (1686÷1736), xác định nhiệt độ của các vật theo độ F (viết tắt là 0F) Với 10F= 5/90C ứng với 320F,

1000C ứng với 2120F Tính chuyển đổi theo công thức:

0C= (0F – 32) (1.2)

0F = 32 +

9

Cách đo nhiệt độ, có hai phương pháp đo như sau:

- Phương pháp đo trực tiếp, dựa trên tính chất vật lý chung của nhiệt

độ là luôn truyền từ vật nóng sang vật lạnh hơn Lợi dụng tính chất này cho tiếp xúc nhiệt kế vào vật cần đo, nhiệt độ từ vật sẽ truyền sang nhiệt

kế cho đến khi đạt trạng thái cân bằng nhiệt thì số chỉ của nhiệt kế chính là

số chỉ nhiệt độ của vật

- Phương pháp đo nhiệt độ gián tiếp là thông qua quang phổ của vật phát ra, căn cứ vào màu sắc ánh sáng do vật phát ra Khi một vật thay đổi nhiệt độ, ánh sáng (quang phổ) do vật đó phát ra cũng biến đổi theo, bằng cách so sánh quang phổ của vật đó phát ra với một bảng quang phổ (đã biết nhiệt độ tương ứng) người ta có thể xác định được nhiệt độ của vật cần đo

1.4.2 Áp suất

Áp suất là lực tác dụng vuông góc của vật chất trên một đơn vị diện tích với bề mặt của vật thể Trong hệ SI, đơn vị của áp suất bằng Newton trên mét vuông (N/m2) Ngoài ra, người ta còn sử dụng nhiều đơn vị đo

khác như atmosphere vật lý, atmosphere kỹ thuật, bar, mm cột nước, mm cột thủy ngân, Torr hoặc kg/cm2

Đơn vị áp suất trong hệ SI là pascal, ký hiệu là Pa, với định nghĩa: Pascal là áp suất gây trên diện tích phẳng 1 mét vuông bởi một hệ vuông góc phân bố đều mà tổng là 1 Newton (1 P = 1 N/m2) thường áp suất được

đo với tỷ lệ bắt đầu bằng 1kPa = 1000Pa và bội số như kPa (103 Pa), bar (105 Pa), Mpa (106 Pa)…

Phương trình miêu tả áp suất như sau

Ptd = P b+Pư (trường hợp Ptd lớn hơn áp suất khí quyển)

Ptd = P b-Pck (trường hợp Ptd nhỏ hơn áp suất khí quyển)

Áp suất khí quyển P b được đo bằng Baromet Baromet là một ống hình chữ U, một đầu kính chân không, trong có thủy ngân hoặc nước Một atmosphere vật lý (1atm) được biểu thị qua cột thủy ngân cao 760mmHg trên mặt nước biển ở 00C

Áp suất atmosphere kỹ thuật (at) được quy định cho cột thủy ngân 735,5mm và cột nước đúng 10m ở điều kiện trên

Áp suất chân không được đo bằng chân không kế (vacumet)

Áp suất dư được đo bằn áp kế (manomet), có loại áp kế đo được cả áp suất dư và áp suất chân không gọi là áp chân không kế (mano - vacumet)

1.4.3 Thể tích riêng và khối lượng riêng

Thể tích riêng của một vật (v) là tỷ số của thể tích chiếm bởi một đơn

vị khối lượng của nó, đơn vị m3/kg

m là khối lượng của vật, kg

Từ đó xác định khối lượng riêng là giá trị nghịch đảo của thể tích riêng, kg/m3

Joul (J) là một đơn vị năng lượng (nhiệt hoặc công) Một công có đơn

vị 1J được thực hiện khi có một lực 1N dịch chuyển một vật đi 1m theo hướng lực Một năng lượng 1J cũng được thực hiện khi một dòng điện 1A chạy qua dây dẫn với điện thế 1V với thời gian 1s.

m là khối lượng của vật, kg

C là nhiệt dung riêng của vật, kcal/kg0C

∆t là chênh lệch nhiệt độ của vật, 0C

b) Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của 1kg chất đó lên 10C Ký hiệu (C) có đơn vị là kcal/kg0C, theo hệ SI là kJ/kg.K Ví dụ nhiệt dung riêng của nước là C = 1 kcal/kg0C

Trong đó: Q là nhiệt lượng (J), m là khối lượng của vật (kg), ∆t là độ tăng nhiệt của vật (0C hoặc K), C là nhiệt dung riêng của vật (J/kg.K).Phương pháp tính nhiệt dung riêng của các loại thực phẩm là tính nhiệt dung riêng của nó trên điểm băng và dưới điểm băng Nếu biết nhiệt dung riêng của chất khô trong thực phẩm là 0,4 và nhiệt dung riêng của nước trên điểm băng là 1 và dưới điểm băng là 0,5 thì:

Nhiệt dung riêng của thịt khi nhiệt độ ở trên điểm băng:

Và khi nhiệt độ ở dưới điểm băng là:

Trong đó: a là tỷ lệ phần trăm của nước trong thực phẩm

b là tỷ lệ phần trăm chất khô trong thực phẩm

Cách tính nhiệt dung riêng của một vật thể khi nhiệt độ biến đổi như sau:

Trong đó Cj nhiệt dung riêng của các chất, Xj là tỷ lệ phần trăm của thành phần các chất

1.4.5 Cơ sở truyền nhiệt

Sự truyền nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt lượng giữa hai môi trường

có nhiệt độ khác nhau qua vách ngăn cách Cũng có thể truyền nhiệt từ vật này sang vật khác bằng hình thức dẫn nhiệt Quá trình trao đổi nhiệt diễn

ra theo hướng chuyển nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Có ba phương pháp truyền nhiệt chính: dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ Ngoài ra cần nắm rõ tỷ nhiệt là nhiệt lượng

để nâng nhiệt độ của một gam vật chất lên thêm một độ và trao đổi nhiệt hỗn hợp

Hệ số dẫn nhiệt λ là mật độ dòng nhiệt tính bằng J truyền qua một đơn

vị diện tích vật chất, trong một đơn vị thời gian, dưới gradient của nhiệt

độ, đơn vị: w/m0K

Theo định luật Fourrier, hệ số dẫn nhiệt

= (w/m0K) (1.13)Trong đó: λ là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, w/mK

Q là nhiệt lượng dẫn qua vách thẳng, J/s hoặc w

F là diện tích bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt, m2

tw1 là nhiệt độ thành nóng của vách đầu, 0C

tw4 là nhiệt độ thành nguội của vách cuối, 0C

δ là chiều dày vách, với δ1, δ2, δ3 là chiều dày các lớp vách, m

λ1, λ2, λ3 là hệ số dẫn nhiệt của vách nhiều lớp, W/mK

Hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu được trình bày ở Bảng 1.3 sau

Bảng 1.3 Hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu

ĐồngHợp kim đóngThép carbonThép hợp limGang

200÷23036010045÷5517÷4556÷64

2 Vật liệu xây dựng Bê tông

Gạch chịu lửa

Gỗ dọc thớ

Gỗ ngang thớKính

Tường gạch

Đá sỏi

1.30,8÷1,70,35÷0,70,14÷0,20,750,7÷0,751,6÷2,09

3 Vật liệu cách nhiệt Bấc

AmilăngMùn cưaBông thủy tinhBọt xốp polystyrolBọt polyurethanKhông khí đứng im

0,05÷0,10,15÷0,20,070,040,0330,0260,023

Xác định hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm là một vấn đề rất phức tạp

vì mỗi một loại thực phẩm có thành phần tính chất khác nhau nên sự dẫn nhiệt trong thực phẩm của chúng cũng khác nhau Do thực phẩm thường

có tính bất đẳng hướng, thành phần phức tạp nên số liệu trong các tài liệu

có thể không giống nhau Bảng 1.4 cho biết hệ số dẫn nhiệt của một số thành phần cơ bản trong thực phẩm

Bảng 1.4 Hệ số dẫn nhiệt và khối lượng riêng trong thực phẩm

1, khi sợi cơ xếp song song thì hệ số dẫn nhiệt giảm xuống còn 0,8÷0,9 Nếu cùng một loại thịt và ở trường hợp song song thì hệ số dẫn nhiệt của tổ chức cơ thịt có nhiều mỡ nhỏ hơn tổ chức cơ thịt ít mỡ một nửa

Hệ số dẫn nhiệt trong thịt nạc và thịt mỡ trong thịt gia súc được nêu trong Bảng 1.5

- Máu có thể đông sau 24h là 2,71 đơn vị

Hệ số dẫn nhiệt của thịt đông kết cao hơn so với thịt chưa đông kết và nhiệt độ đông kết càng thấp thì hệ số dẫn nhiệt của nó càng cao Hệ số dẫn nhiệt của thịt sau khi giải đông lớn hơn trước khi cấp đông

Ví dụ: hệ số dẫn nhiệt của thịt tươi là 0,43 (w/m0C), hệ số dẫn nhiệt của thịt cấp đông ở nhiệt độ -10÷-200C là 1,3 (w/m0C), hệ số dẫn nhiệt của thịt ướp nước đá là 1,2 (w/m0C)

b) Trao đổi nhiệt đối lưu

Sự lan truyền nhiệt trong chất lỏng và chất khí chuyển động được gọi

là trao đổi nhiệt đối lưu hay đối lưu nhiệt Ở đây các phần tử rất nhỏ tiếp xúc với nguồn nhiệt, nhận nhiệt qua dẫn nhiệt, sau đó chuyển sang vị trí khác (tự nhiên hay cưỡng bức) để các phần tử khác còn lại vào tiếp xúc với nguồn nhiệt

Trong đối lưu, nhiệt được phân thành hai loại: đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức.

- Đối lưu tự nhiên là sự lan truyền nhiệt thành dòng khí hoặc chất lỏng tự nhiên do mật độ thay đổi vì nhiệt độ của dòng khí hoặc chất lỏng thay đổi

- Đối lưu cưỡng bức là sự truyền nhiệt cho một dòng không khí hoặc chất lỏng chảy cưỡng bức qua bề mặt mang nhiệt, ví dụ: bằng quạt gió hoặc bơm khuấy

Nhờ có quạt, không khí được thổi cưỡng bức qua thiết bị trao đổi nhiệt, có thể là dạng ngưng tụ tỏa nhiệt hoặc dàn bay hơi thu nhiệt để trao đổi nhiệt với bề mặt dàn ngưng Nhờ có quạt, hiệu suất trao đổi nhiệt được tăng lên rõ rệt Thực nghiệm đã xác định rằng dòng nhiệt q của quá trình trao đổi nhiệt đối lưu tỷ lệ thuận với bề mặt F, hiệu nhiệt độ giữa môi trường với bề mặt vách và phụ thuộc vào hệ số tỏa nhiệt α đặc trưng cho môi trường lỏng hoặc khí

Công thức tính nhiệt lượng như sau:

Trong đó:

q là nhiệt lượng trao đổi đối lưu nhiệt, W

tf1 là nhiệt độ môi trường (lỏng hoặc khí) 0C

tw1 là nhiệt độ vách, 0C

F là bề mặt đối lưu nhiệt, m2

α là hệ số tỏa nhiệt của môi trường, W/m2.0K

Hệ số tỏa nhiệt của môi trường được xác định theo Bảng 1.6

Bảng 1.6 Hệ số tỏa nhiệt α một số chất với điều kiện xác định

TT Chất và điều kiện đối lưu nhiệt α, W/m 2 0 K

2 giữa các ốngKhông khí chuyển động trong ống hoặc 30÷100

3 Hơi nước trong các ống của bộ quá nhiệt 100÷500

c) Trao đổi nhiệt bức xạ

Trao đổi nhiệt bức xạ là sự truyền nhiệt bằng các tia bức xạ dạng sóng Ánh sáng cũng là trao đổi nhiệt bức xạ nhưng mắt người có thể nhìn thấy được còn phần lớn trao đổi nhiệt bức xạ không nhìn thấy được Tất cả các vật có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ không tuyệt đối đều phát bức xạ nhiệt.Giống như trong dẫn nhiệt, nhiệt lượng chỉ truyền từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp hơn Những bề mặt đen, xám, nhám có khả năng bức xạ nhiệt tốt hơn và cũng có khả năng hấp thụ nhiệt tốt hơn và khả năng phản xạ sẽ kém Những bề mặt sáng, trắng và nhẵn có khả năng bức

xạ nhiệt yếu hơn và hấp thụ bức xạ nhiệt cũng yếu hơn, chúng có khả năng phản xạ nhiệt tốt Vật đen hoàn toàn có tính chất hấp thụ hầu hết các loại bức xạ nhiệt hướng tới nó, vì vậy khả năng bức xạ nhiệt của vật đen hoàn toàn là lớn nhất

Gương tráng bạc có tính chất phản xạ hầu hết các tia bức xạ, kể cả ánh sáng trông thấy Vì vậy khả năng phản xạ của gương tráng bạc là lớn nhất

và khả năng hấp thụ các tia bức xạ là nhỏ nhất Kính là loại vật liệu để cho hầu hết các tia bức xạ mặt trời đi qua có bước sóng ngắn, nhưng lại phản

xạ hầu hết các bức xạ nhiệt có bước sóng dài không nhìn thấy như các tia hồng ngoại

W là khối lượng nước tính bằng gam

C2 là tỷ nhiệt của mỡ, trong khoảng 0÷300C thì C2 = 0,500

M là khối lượng mỡ tính bằng gam

C3 là tỷ nhiệt của chất khô: C3 = 0,32

K là khối lượng của chất khô, chất không mỡ (protein, muối khoáng)

G là tổng khối lượng của tực phẩm tính bằng gam

e) Trao đổi nhiệt hỗn hợp

Trao đổi nhiệt hỗn hợp là quá trình trao đổi nhiệt bao gồm hai hoặc nhiều hình thức trao đổi nhiệt như dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Nếu hai chất lỏng hoặc chất khí được ngăn cách bởi vách ngăn, trao đổi nhiệt cho nhau thì quá trình truyền nhiệt được thực hiện qua ba bước là: đối lưu – dẫn nhiệt – đối lưu Công thức xác định trao đổi nhiệt hỗn hợp như sau

Trong đó:

Q là nhiệt lượng truyền qua, W

F là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2

a1 là hệ số tỏa nhiệt từ môi trường vào vách, W/m2. 0K

a2 là hệ số tỏa nhiệt từ vách vào phòng lạnh, W/m2. 0K

di là bề dày vách lớp thứ i, m

l1 là hệ số dẫn nhiệt của vách lớp thứ i, W/m.0K

1.5 CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG TRONG KỸ THUẬT LẠNH

1.5.1 Định luật nhiệt động

a) Định luật 1 nhiệt động

Trong kỹ thuật lạnh, định luật tổng quát và bao trùm cho các quá trình

là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, định luật này được phát biểu là: “Trong các quá trình biến đổi của tự nhiên, năng lượng không tự tạo ra cũng không tự mất đi, nó chỉ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác” Theo định luật này, sự biến đổi năng lượng của một hệ thống bằng tổng năng lượng trao đổi với môi trường xung quanh (thường ở 2 dạng: nhiệt và công), có nghĩa là:

Ở đây, người ta quy định nhiệt cấp cho hệ thống là (+) và ngược lại là (-) Trong đó:

E1, E2 lần lượt là năng lượng đầu và cuối của hệ nhiệt

Q là năng lượng hệ nhiệt nhận từ môi trường xung quanh

L là số công mà hệ nhiệt thực hiện lên môi trường xung quanh

Trong quá trình giãn nở, công thực hiện là:

Trong đó V1, V2 lần lượt là thể tích trước và sau khi giãn nở

Xét trong quá trình giãn nở của một hệ, rE chính là biến đổi nội năng của hệ và rE = rU Như vậy, ta có: