Bài giảng công nghệ lạnh thực phẩm chương 1 những khái niệm cơ bản và các phương pháp làm lạnh nhân tạo

Quá trình nhiệt động: là một chuỗi nối tiếp các trạng thái của hệ nhiệt động do có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường bên ngoài.. Các phương pháp làm lạnh nhân tạo cơ bản Nguyên lý

- Hệ nhiệt động: Là tập hợp một hay nhiều vật thể được tách riêng ra để nghiên cứu về nhữngquy luật chuyển hóa năng lượng.

- Trạng thái của hệ nhiệt động: là tập hợp những đại lượng vật lý có giá trị xác định đặc trưngcho đặc tính của một hệ nhiệt động tại một thời điểm nào đó Những đại lượng vật lý đó gọi làthông số trạng thái của hệ nhiệt động

- Trạng thái cân bằng: là trạng thái mà các thông số trạng thái có giá trị đồng đều trong toàn

hệ và không đổi theo thời gian nếu không có tác động từ môi trường bên ngoài và bằng thông sốcủa môi trường xung quanh

19

CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

NHÂN TẠO

-Thông số trạng thái cơ bản của hệ nhiệt động:

+ Thông số cơ bản: là các thông số có thể đo được trực tiếp gồm có nhiệt độ (T, K), áp suất (p,

Quá trình nhiệt động: là một chuỗi nối tiếp các trạng thái của hệ nhiệt động

do có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường bên ngoài.

Chu trình nhiệt động: là một quá trình nhiệt động khép kín, trong đó hệ nhiệt động sau khi biến đổi qua các quá trình nhiệt động sẽ quay lại trạng thái ban đầu.

Môi chất: Để thực hiện quá trình chuyển hóa giữa nhiệt năng thành các dạng năng lượng khác trong chu trình nhiệt động, cần thiết phải thông qua chất trung gian gọi là môi chất.

21

Các định luật nhiệt động cơ bản

Định luật nhiệt động một : là hệ quả của định luật bảo toàn năng lượng Trong một hệ nhiệt

động lượng nhiệt sinh ra (hoặc mất đi) khi trao đổi với môi trường xung quanh trong quá trìnhbiến đổi từ trạng thái (1) đến trạng thái (2) bằng sự thay đổi năng lượng cộng với sự thay đổicông của toàn hệ

Q1-2=∆E1-2+L1-2

Hệ quả:

q1-2= (i2-i1) -∫v.dp=(i2-i1)+l1-2

trong quá trình đoạn nhiệt (q1-2=0): i2-i1=l1-2

trong quá trình đẳng áp (p=const): q1-2=i2-i1

Định luật nhiệt động hai: Xác định chiều biến đổi tự nhiên của hệ nhiệt động Trong tựnhiên, nhiệt chỉ có thể truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp 22

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng (Mendeleev-Clapeyron): biểu diễnmối liên hệ giữa các thông số cơ bản của hệ nhiệt động

𝑃 𝑉 = 𝑚

𝜇 𝑅 𝑇

Chu trình máy lạnh và biểu diễn : để tính toán, thiết kế, phân tích các hoạt động củamáy lạnh, người ta thường biểu diễn hoạt động của máy lạnh dưới dạng chu trình nhiệt động của môi chất lạnh được dùng trong máy lạnh (đồ thị logP-i (h) hoặc đồ thị T-S)

23

Các phương pháp làm lạnh nhân tạo cơ bản Nguyên lý chung: để làm lạnh cần thiết phải tạo ra nguồn có nhiệt độ thấp hơn

nhiệt độ môi trường Nguồn này sẽ nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh sau đó lượng nhiệt này sẽ được các hệ thống máy móc thiết bị chuyển tải đi và thải ra môi trường.

Nguyên lý làm lạnh nhân tạo

1 Môi chất lạnh (môi trường làm lạnh)

2 Bộ phận thải nhiệt (Bộ phận ngưng tụ)

3 Môi trường cần làm lạnh (sản phẩm)

4 Bộ phận sinh công (Máy nén)

Các phương pháp làm lạnh

• Phương pháp hòa trộn lạnh

• Phương pháp bay hơi chất lỏng

• Phương pháp khử từ đoạn nhiệt

• Bay hơi khuyếch tán

• Phương pháp dãn nở khí có sinh công

• Phương pháp tiết lưu không sinh ngoại công

• Giãn nở khí trong ống xoáy

• Hiệu ứng nhiệt điện

27

Phương pháp hòa trộn lạnh: Hòa trộn muối và nước hoặc nước đá theo những tỉ lệ nhất định.

Phương pháp này hiện chỉ dùng trong sơ chế hải sản, sử dụng muối ăn, vì các loại muối khác giáthành cao và có thể ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm

Phương pháp bay hơi chất lỏng: thông thường sử dụng nito lỏng, CO2 lỏng, các môi chất lạnh

khác Phương pháp này có giá thành cao Dùng trong bảo quản các loại thực phẩm chất lượng cao

Phương pháp khử từ đoạn nhiệt: Sử dụng các loại muối nhiễm từ Phương pháp này hiện nay

chủ yếu dùng trong các phòng thí nghiệm để tạo ra nhiệt độ gần nhiệt độ không tuyệt đối

Bay hơi khuyếch tán: bản chất là bay hơi nước đẳng entanpi vào không khí chưa bão hòa Kết

quả độ ẩm không khí tăng lên, môi trường được làm lạnh

29

Phương pháp dãn nở khí có sinh công: theo phương trình trạng thái pv=C.R.T, khi giãn nở

khí, áp suất giảm dẫn tới nhiệt độ giảm

31

Hiệu ứng Joule –Thomson

32

Phương pháp tiết lưu không sinh ngoại công (hiệu ứng Joule-Thomson): cho dòng môi chất

đi qua ống có tiết diện bị thu hẹp đột ngột Bản chất là hạ nhiệt độ của môi trường bằng cách hóahơi (chuyển pha) môi chất lỏng ở nhiệt độ thấp có áp suất tương ứng

Sau khi tiết lưu thì elthanpy của môi chất được giữ nguyên không đổi Ý nghĩa vật lý của hiệu ứng tiết lưu Joule-Thomson là nội năng của dòng môi chất trước tiết lưu được sử dụng không phải để sinh công mà là để thắng lực cản của các phân tử môi chất sinh ra do ma sát

Giãn nở khí trong ống xoáy: dòng khí nén được bơm theo phương tiếp tiếp với

thành ống, do chênh lệnh vận tốc góc giữa luồng khí ở trục ống và luồng khí đi sát thành ống xuất hiện lực ma sát, làm giảm động năng của luồng khí ở trục dẫn tới

áp suất và nhiệt độ luồng khí này giảm Phương pháp này ít sử dụng vì hiệu quả

VD Dòng khí có áp suất 6 bar thổi qua ống Ø12mm cho nguồn nóng có nhiệt độ +58

độ C và phía lạnh có nhiệt độ

-12 độ C.

Hiệu ứng nhiệt điện( hiệu ứng Peltier): Khi cho dòng điện một chiều thích hợp đi qua cặp nhiệt

điện (lưỡng kim hoặc bán dẫn), ở một đầu của cặp nhiệt điện có nhiệt độ cao hơn môi trường (tỏanhiệt), đầu kia có nhiệt độ thấp hơn môi trường (làm lạnh)

34

Hiệu ứng nhiệt điện

Máy lạnh: là hệ thống thiết bị dùng để lấy nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi

trường sau đó chuyển lên nguồn có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường để thải nhiệt ra ngoài.Trong quá trình này máy lạnh nhận công từ bên ngoài

Cơ sở nhiệt động của máy lạnh

35

Phương trình năng lượng và hệ số lạnh của máy lạnh Phương trình năng lượng của máy lạnh

Trong đó: T1 – nhiệt độ nguồn có nhiệt độ thấp

T2 – nhiệt độ nguồn có nhiệt độ cao;

Hệ số đánh giá độ hoàn thiện của chu trình

𝜼 = 𝜺

𝜺𝒎𝒂𝒙

Các loại máy lạnh cơ bản trong thực tế:

Các loại máylạnh cơ bản

Máy lạnhnén hơi

Máy lạnhhấp thụ

Máy lạnhejecter

Máy lạnhnén khí

3 loại máy lạnh đầu sử dụng van tiết lưu (hiệu ứng Joule-Thomson) để tạo ra nguồn có nhiệt độ thấp; môi chất có chuyển pha

Loại thứ 4 sử dụng máy dãn nở khí sinh ngoại công; môi chất không chuyển pha

Máy lạnh nén hơi: ở dàn bay hơi (GBH) môi chất lạnh ở dạng lỏng (có chứa một phần hơi

nhận nhiệt của vật cần làm lạnh, hóa hơi Hơi sau đó được hút về máy nén (MN) được nénlên áp suất cao và nhiệt độ cao hơn môi trường, đẩy vào dàn ngưng (GN) Tại dàn ngưngmôi chất thải nhiệt (Qk) cho môi trường và ngưng tụ tại áp suất Pk Môi chất lạnh lỏng quavan tiết lưu (TL) hạ áp xuống Po

Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy lạnh nén hơi 38

Máy lạnh hấp thụ: vai trò của máy nén được thay bằng vòng tuần hoàn của các bình hấp thụ

(HT), sinh hơi (SH) và bơm dung dịch (BDD), van tiết lưu dung dịch (TL2) Ứng dụng trong các

xí nghiệp tận dụng nhiệt thừa

Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ 39

Máy lạnh Ejector:

Máy lạnh nén khí: Khí từ buồng lạnh 1 được hút và nén lên áp suất cao và nhiệt độ cao ở trạng

thái 2, sau đó được đưa vào bình làm mát thải nhiệt cho nước làm mát Khí sau khi được làm mátđưa vào máy dãn nở và được dãn nở xuống áp suất thấp và nhiệt độ thấp rồi được phun vào buồnglạnh Quá trình được lặp lại

Ứng dụng: trong điều hòa không khí trên máy bay, dùng trong kỹ thuật lạnh cryo để hóa lỏng khí.