đồ án thiết bị trong kỹ thuật lạnh

Ý NGHĨA KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỒ ÁN Kỹ thuật lạnh đóng vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế xã hội. Đặc biệt làđối với nước ta nền kinh tế chủ yếu là nông nghiệp, ngư nghiệp. Sảnphẩmnông nghiệp của chúng ta dồi dào, bên cạnh đó là quá trình phát triển nền kinhtế xã hội chúng ta đang dần tiến tới công nghiệp hóa hiện đại hóa.Sản phẩmbán ra ngày càng nhiều và chế biến tinh chế hơn, các ngành nông sản, chế biếnthủy sản ngày càng chiếm vị thế trong nền kinh tế xã hội. Đặc biệt với ngành chế biến thủy sản, sản phẩm sau chế biến phải được cấp đông để có thể bảo quản trong thời gian dài. Do đó để phát triển đượcngành này thì công nghệ lạnh đóng vai trò rất quan trọng với ngành trưng bày vàbán hàng tại các trung tâm thương mại, siêu thị. Và việc nghiên cứu và ứngdụng kỹ thuật lạnh đúng hướng ở nước ta là rất cần thiết đểđưa nền kinh tế nước nhà đi lên. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LẠNH 1.1. Lịch sử phát triển ngành 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. Cách đây khoảng 2500 năm trên 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 cỉ mới bắt đầu phát triển khi giáo sư Black tìm ra ẩn nhiệt hóa hơi và ẩn nhiệt ngưng tụ vào năm 1761 – 1764. Con người đã biết làm lạnh bằng cách cho bay hơi chất lỏng ở ấp suất thấp. Sau đó là sự hóa lỏng khí CO2 vào năm 1780 cho Clouet và Monge tiếnhành. Sang thế kỷ 19 thì Faraday đã hóa lỏng được hàng loạt các chất khí như: H2S, CO2, C2H2, NH3, O2, N2, HCl. Năm 1834 Tacob Perkins (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.

Ý NGHĨA KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỒ ÁN

Kỹ thuật lạnh đóng vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế

xã hội Đặc biệt làđối với nước ta nền kinh tế chủ yếu là nôngnghiệp, ngư nghiệp Sảnphẩmnông nghiệp của chúng ta dồi dào,bên cạnh đó là quá trình phát triển nền kinhtế xã hội chúng tađang dần tiến tới công nghiệp hóa hiện đại hóa.Sản phẩmbán rangày càng nhiều và chế biến tinh chế hơn, các ngành nông sản,chế biếnthủy sản ngày càng chiếm vị thế trong nền kinh tế xã hội

Đặc biệt với ngành chế biến thủy sản, sản phẩm sau chế biếnphải được cấp đông để có thể bảo quản trong thời gian dài Do đó

để phát triển đượcngành này thì công nghệ lạnh đóng vai trò rấtquan trọng với ngành trưng bày vàbán hàng tại các trung tâmthương mại, siêu thị Và việc nghiên cứu và ứngdụng kỹ thuật lạnhđúng hướng ở nước ta là rất cần thiết đểđưa nền kinh tế nước nhà

đi lên

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LẠNH

1.1 Lịch sử phát triển ngành lạnh

Từ lâu con người đã biết làm lạnh và sử dụng lạnh Cách đây khoảng 5000năm con người đã biết bảo quản lương thực – thực phẩm trong các hang động cónhiệt độ thấp do các mạch nước ngầm nhiệt độ thấp chảy qua

Cách đây khoảng 2500 năm trên các tranh vẽ trên tường ở các kim tự tháp AiCập đã mô tả cảnh nô lệ quạt các bình gốm xốp cho nước bay hơi làm mát khôngkhí

Người Ấn Độ và người Trung Quốc cách đây 2000 năm đã biết trộn muốivào nước hoặc nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn

Tuy nhiên, kỹ thuật lạnh hiện đại cỉ mới bắt đầu phát triển khi giáo sư Blacktìm ra ẩn nhiệt hóa hơi và ẩn nhiệt ngưng tụ vào năm 1761 – 1764 Con người đãbiết làm lạnh bằng cách cho bay hơi chất lỏng ở ấp suất thấp

Sau đó là sự hóa lỏng khí CO2 vào năm 1780 cho Clouet và Monge tiếnhành.Sang thế kỷ 19 thì Faraday đã hóa lỏng được hàng loạt các chất khí như: H2S, CO2,

C2H2, NH3, O2, N2, HCl

Năm 1834 Tacob Perkins (Anh) đã phát minh ra máy lạnh nén hơi đầu tiên

tạo năm 1910 Nó cấu tạo rất đơn giản, năng lượng tiêu tốn là nhiệt năng do đó cóthể tận dụng được các nguồn phế thải.

 Một sự kiện quan trọng của lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh là việc sảnxuất và ứng dụng Freon ở Mỹ vào năm 1930 Freon là các khí carbon được thay thếmột phần hay toàn phần các nguyên tử hidro bằng các nguyên tử halogen như: Cl,

F, Br là những chất lạnh có những đặc tính quý báu như: không cháy, không nổ,không độc hại, phù hợp với chu trình làm việc của máy lạnh nén hơi Nó đã gópphần tích cực vào việc thúc đẩy kỹ thuật lạnh phát triển Nhất là kỹ thuật điều hòakhông khí

Ngày nay kỹ thuật lạnh hiện đại đã phát triển rất mạnh mẽ, cùng với sự pháttriển của khoa học, kỹ thuật lạnh đã có những bước tiến vượt bậc

 Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày càng được mở rộng Người tađang tiến dần nhiệt độ không tuyết đối

 Công suất lạnh của máy cũng được mở rộng, từ máy lạnh vài mW sửdụng trong phòng thí nghiệm các stoor hợp có công suất triệu W ở các trung tâmđiều tiết không khí

 Hệ thống lạnh ngày nay thay vì lắp ráp các chi tiết thiết bị lại với nhauthì tổ hợp này ngày càng hoàn thiện nên sử dụng sẽ thuận tiện và chế độ làm việc sẽhiệu quả hơn

 Hiệu suất máy tăng lên đáng kể, chi phí vật tư và chi phí cho một đơn

vị lạnh giảm xuống Tuổi thọ và độ tin cấy tăng lên Mức độ tự động hóa cảu hệthống lạnh và các máy lạnh tang lên rõ rệt Những chi tiết tự động hóa hoàn toànbằng điện tử và vi điện tử thay thế cho các thiết bị thao tác bằng tay

1.2 Tổng quan về công nghệ làm đông và bảo quản sản phẩm đông lạnh 1.2.1 Tác dụng của việc bảo quản lạnh

Bảo quản thực phẩm là quá trình bảo vệ và hạn chế những biến đổi về chấtlượng và hình thức của thực phẩm trong khi chờ đợi đưa đi sử dụng

Thực phẩm sau khi thu hoạch về chế biến được bảo quản ở nhiệt độ thấpcùng với chế độ thông gió và độ ẩm thích hợp trong kho lạnh, khi hạ nhiệt độ thấp

thì enzyme và vi sinh vật trong nguyên liệu bị ức chế hoạt động và có thể bị đìnhchỉ hoạt động Như vậy nguyên liệu được giữ tươi lâu khoảng một thời gian nữa.

Nói chung khi nhiệt độ nhỏ hơn 100C thì vi sinh vật gây thối rữa và vi khuẩngây bệnh bị kiềm chế phần nào hoạt động của chúng Khi nhiệt độ nhỏ hơn 100C thì

tỷ lệ phát triển của chúng rất thấp, ở -50C ÷ -100C thì hầu hết chúng không hoạtđộng

Tuy nhiên, có một số loài vi khuẩn và nấm mốc khi hạ nhiệt độ xuống -150C

chúng vẫn phát triển được như cloromobacter, Pseudomonas… Do đó, muốn bảo

quản được thực phẩm, nhất là các mặt hang thủy sản trong thời gian dài thì nhiệt độbảo quản phải dưới -150C

Như vậy, quá trình bảo quản có tác dụng như sau:

- Ở nhiệt độ thấp các phản ứng hóa sinh trong nguyên liệu giảm xuống.trong phạm vi hoạt động bình thường, cứ hạ 100C thì các phản ứng hóa sinh giảmxuông ½ - 1/3, khi hạ xuống thấp sẽ ức chế các hoạt động về sinh lý của vi khuẩncũng như nấm men

- Dưới tác dụng của nhiệt độ thấp, nước trong động vật thủy sản bịđóng băng làm cơ thể động vật bị mất nước, vi khuẩn thiếu nước nên giảm pháttriển và có khi còn bị tiêu diệt Nói chung là khi nhiệt độ hạ xuống thấp thì chỉ cótác dụng kiềm chế vi khuẩn hơn là giết chết chúng

1.2.2 Các vấn đề về cấp đông thực phẩm.

1.2.2.1 Phân loại giới hạn làm lạnh.

 Nhiệt độ đóng băng của thực phẩm

- Làm lạnh: khi nhiệt độ sản phẩm cuối quá trình nằm trong khoảng tdb

 Cơ chế đóng băng trong thực phẩm khi cấp đông

Nước trong thực phẩm do có hòa tan các chất tan nên nhiệt độ đóng băngthấp hơn 00C.Khi hạ nhiệt độ xuống thấp các dạng nước trong thực phẩm đóng băngdần dần tùy theo mức độ liên kết của chúng với tế bào

Khi hạ nhiệt độ xuống thấp bằng nhiệt độ cấp đông, trước tiên các tinh thể đáxuất hiện ở gian bào(khoảng trống giữa các tế bào) Khi đến điểm đóng băng đa sốnước ở gian bào kết tinh và làm tăng nồng độ chất tan lên cao hơn trong tế bào Do

áp suất thẩm thấu tăng lên làm cho nước trong tế bào có xu hướng ra ngoài qua gianbào, qua màng bán thấm của tế bào Nếu tốc độ làm lạnh chậm thì nước trong tế bào

ra sẽ làm cho các tinh thể hiện diện lớn lên mà không tạo tinh thể mới

Nếu tốc độ làm lạnh nhanh thì tinh thể sẽ tạo ra cả bên trong lẫn bên ngoài tếbào, tinh thể đá sẽ nhuyễn và đều

Do đó, nếu hạ nhiệt độ chậm, tế bào sẽ mất nước, các tinh thể đá tạo ra sẽ to

và chèn ép làm rách màng tế bào, cấu tạo mô cơ bị biến dạng, làm giảm chất lượngsản phẩm

Khi nước tự do đã đóng băng hết thì đến nước liên kết, bắt đầu từ nước cóliên kết yếu đến nước có liên kết mạnh

1.2.2.2 Một số biến đổi của thực phẩm trong quá trình bảo quản lạnh

đông

Sự kết tinh của nước đá

Trong quá trình cấp đông, nước tách ra và đông thành các tinh thể, làm chosản phẩm trở nên rắn, tăng thể tích một ít Khi nước trong thực phẩm kết tinh tạo

thành mạng tinh thể xen kẽ giữa các thành phần khác tạo nên cấu trúc vững chắc,nhưng khi làm tan băng, phục hồi trạng thái ban đầu thì cấu trúc thực phẩm sẽ bịmềm yếu hơn, kém đàn hồi hơn do các tinh thể làm rách cấu trúc tế bào thực phẩm.

Đối với các thực phẩm đông lạnh trong quá trình bảo quản, nếu chúng takhông duy trì được nhiệt độ bảo quản ổn định sẽ đẫn đến sự kết tinh lại của nước

đá Đây là hiện tượng gây ảnh hưởng xấu cho sản phẩm bảo quản.do nồng độ chấttan trong tinh thể nước đá khác nhau thì khác nhau, nên nhiệt độ kết tinh và nhiệt độnóng chảy cũng khác nhau

Sự biến đổi màu sắc

Đồng thời với quá trình trên, màu sắc thực phẩm cũng biến đổi do hiệu ứngquang học, do tinh thể đá khúc xạ ánh sáng Màu sắc thực phẩm khi nước đóngbang phụ thuộc tính chất ánh quang của tinh thể nước đá

Bay hơi nước

Trong quá trình làm lạnh đông có hiện tượng mất nước, giảm trọng lượngsản phẩm Đó là sự bay hơi nước vào không khí từ bề mặt sản phẩm, do chênh lệchmật độ ρ giữa không khí sát bề mặt và không khí xung quanh

Ẩm bốc lên từ bề mặt sản phẩm vào không khí xung quanh, nếu sản phẩmnhập có bề mặt còn ướt thì khi cấp đông chúng sẽ đông lại, sau đó diễn ra quá trìnhthăng hoa.Nếu chênh lệch nhiệt độ bề mặt sản phẩm và không khí trong buồng cấpđông càng lớn thì ẩm bốc càng mạnh, gây hao hụt khối lượng

Khuếch tán nước

Khi cấp đông xảy ra hiện tuongj khuếch tán nước trong cấu trúc thực phẩm,nước khuếch tán là do các nguyên nhân:

-Các thông số nhiệt vật lý thay đổi

 Biến đổi nhiệt dung: nhiệt dung sản phẩm thay đổi là do nước trongthực phẩm đã đóng băng

 Biến đổi hệ số dẫn nhiệt

 Biến đổi hệ số dẫn nhiệt độ

a Biến đổi hóa học

Trong quá trình bảo quản đông lạnh các biến đổi sinh hóa, hóa học diễn rachậm Các thành phần dễ bị biến đổi là các protein hòa tan, lipid, vitamin, chatmàu…

 Sự biến đổi protein: trong các loại protein thì protein hòa tan trongnước là dễ bị phân giải nhất, sự phân giải chủ yếu dưới tác dụng của enzyme có sẵntrong thực phẩm sự khuếch tán nước do kết tinh lại và thăng hoa của nước đá gâynên sự biến tính protein hòa tan Biến đổi pro tein làm giảm chất lượng sản phẩmkhi sử dụng

 Sự biến đổi của lipid: dưới tác dụng của enzyme nôi tạng làm cho chấtbéo bị phân giải cộng với quá trình thăng hoa của nước đá làm cho oxy xâm nhậpvào trong thực phẩm Đó là điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóa chất béo xảy

ra Quá trình oxy hóa này sinh ra các hợp chất có mùi vị xấu làm giảm giá trị sảnphẩm

 Các chất màu bị oxy hóa cũng làm thay đổi màu sắc của sản phẩm

b Biến đổi do vi sinh

Trước khi làm lạnh, thực phẩm thường được rửa sạch để loại bỏ tạp chấtnơi chứa nhiều loại vi sinh vật

Đối với sản phẩm đông lạnh có nhiệt độ thấp hơn -150C và được bảo quản

ổn định thì số lượng vi sinh vật giảm theo thời gian Ngược lại, nếu sản phẩm làmlạnh đông không đều, vệ sinh không đúng tiêu chuẩn, nhiệt độ bảo quản không ổnđịnh sẽ làm cho các sản phẩm bi lây nhiễm vi sinh vật, chúng hoạt động gây thốirữa và giảm chất lượng sản phẩm

1.2.2.3 Các phương pháp và thiết bị cấp đông thực phẩm

Thiết bị cấp đông thực phẩm có nhiều dạng, hiện nay nước ta sử dụng phổbiến các hệ thống sau:

 Kho cấp đông gió

 Tủ cấp đông tiếp xúc

 Tủ cấp đông gió

 Hệ thống cấp đông dạng rời, có băng chuyền IQF

 Hệ thống cấp đông có băng chuyền cấp đông thẳng

 Hệ thống cấp đông có băng chuyền cấp đông dạng xoắn

Phân loại

 Dựa vào thành phần hóa học:

 Môi chất vô cơ: NH3 (R717), CO2 (R744),…

 Năng suất lạnh riêng khối lượng q0 lớn.

 Năng suất lạnh riêng thể tích qv lớn (máy nén và thiết bị gọn nhẹ)

 Nhiệt độ cuối tầm nén cao (làm mát đầu xi lanh và phải hút hơi bãohòa)

 Độ nhớt nhỏ, tính lưu động cao(tổn thất áp suất nhỏ, đường ống vàcác van gọn nhẹ)

 Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn (thuận lợi cho việc thiết kế, chếtạo thiết bị ngưng tụ và bay hơi)

 Bền vững trong khoảng nhiêt độ và áp suất công tác chỉ phân hủy ở

2600C tuy nhiên nếu bề mát xi lanh làm bằng thép và có mặt ẩm làm chất xúc tácthì ở nhiệt độ 110– 1200C đã bị phân hủy

2,681,92

 Khi bị ngạt phải đưa ra chổ thoáng nhưng phải ấm, xông hơi ấm vàuống các chất kích thích: cà phê, trà nóng…

 Khi bị bỏng phải nhanh chóng rửa bang nước sạch và ấm Nếu nặngphải đưa đến bệnh viện

1.3.2 Ứng dụng của kỹ thuật lạnh

Bảo quản thực phẩm

Lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của kỹ thuật lạnh lá dung để bảo quảnthực phẩm Theo thống kê thì khoảng 80% năng suất lạnh được sử dụng trong côngnghiệp bảo quản thực phẩm Thực phẩm hầu hết là các sản phẩm bị ôi thiu hư hỏng

do vi khuẩn gây ra

Để bảo quản thực phẩm ngoài phương pháp sấy khô, phóng xạ, bao bì, xử lýkhí… Phuong pháp làm lạnh tỏ ra có nhiêu ưu điểm như ít làm giảm chất lượng,màu sắc, mùi vị thực phẩm trong nhiều tháng, thậm chí nhiều năm bảo quản

Bảng 1.2 Số ngày bảo qản phụ thuộc vào nhiệt độ đối với cá, thịt bò, gia cầm

Ngày nay, công nghiệp thực phẩm xuất khẩu đang giữ một vai trò hết sứcquan trọng trong nền kinh tế của nước ta và nền công nghiệp chế biến thực phẩmnày không thể thiếu những trang thiết bị hiện đại nhất của kỹ thuật lạnh

Công nghiệp hóa chất

Ứng dụng quan trọng nhất trong công nghệ hóa chất là việc hóa lỏng và táchkhí như công nghiệp sản xuất khí clo, amoniac, carbonic, sulfuro, clohydryd, cácloại khí đốt, khí sinh học, khí thiên nhiên, hóa lỏng và tách không khí,…

Hóa lỏng và tách không khí từ không khí 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 nito được sử dụng nhiều ở lĩnh vực khác nhau như hàn, cắt kimloại, sản xuất phân đạm, làm chất tải lạnh…các loại khí trơ như heli, argon được sửdụng trong nghiên cứu vật lí, trong công nghiệp hóa chất và sản xuất bóng đèn Kỹthuật lạnh cũng hỗ trợ đắc lực trong các công nghệ sản xuất vải, sợi, tơ, cao su nhântạo, phim ảnh…nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng hóa học nênngười ta còn sử dụng lạnh để điều khiển tốc độ phản ứng hóa học

Điều hòa hóa chất

Điều hòa không khí công nghiệp và tiện nghi ngày nay là không thể thiếu vàthực sự đang phát triển rất mạnh mẽ 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…nhất thiết phải có điều hòa khôngkhí

Các dịch vụ như khách sạn, du lịch, vui chơi giải trí, y tế, thể dục thể thao,giao thông vận tải…cũng không thể thiếu được điều hòa không khí Ngày nay kỹthuật lạnh đã thâm nhập và hỗ trợ cho hàng trăm ngành kinh tế khác nhau

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian cấp đông

1.4.1 Loại máy cấp đông

1.4.2 Nhiệt độ buồng cấp đông

Nhiệt độ cấp đông càng thấp thì giời gian cấp đông càng nhanh và ngượclại.Vì vây, cần chọn nhiệt độ buồng hợp lý.Thường nhiệt độ không khí trong buồngcấp đông đạt là -350C

1.4.3 Tốc độ gió trong buồng cấp đông

Tốc độ gió càng cao thì thời gian cấp đông càng nhanh do hệ số tỏa nhiệt đốilưu tăng, kết quả hệ số truyền nhiệt tăng

1.4.4 Nhiệt độ sản phẩm trước cấp đông

Việc chế biến thực phẩm diễn ra trong một thời gian khá lâu, vì vậy khi chếbiến được khay sản phẩm nào, người ta sẽ tạm cho vào các kho chờ đông để tạmthời bảo quản, chờ cho đủ khối lượng cần thiết cho một mẻ cấp đông mới đem cấpđông.Mặc khác trong quá trình chế biến, thực phẩm được ướp đá và xử lý trongkhông gian khá lạnh.Vì thế, nhiệt độ thực phẩm đưa vào thiết bị cấp đông thườngchỉ cỡ 10-120C.Nếu thời gian bảo quản trong kho chờ đông lâu thì nhiệt độ thựcphẩm vào cấp đông còn nhỏ hơn.Nhiệt độ thực phẩm vào cấp đông càng thấp thìthời gian cấp đông càng ngắn

1.4.5 Bề dày sản phẩm cấp đông

Thời gian cấp đông càng lâu nếu thực phẩm càng dày Người ta nhận thấythời gian cấp đông tăng lên một cách nhanh chống nếu tăng chiều dày thực phẩm.Mối quan hệ này không theo qui luật tuyến tính mà theo bậc bình phương của chiềudày Các sản phẩm cấp đông dạng khối (block) có thời gian cấp đông khá lâu,nhưng dạng rời thì thời gian ngắn hơn nhiều

1.4.6 Hình dạng sản phẩm

Hình dạng của thực phẩm cũng ảnh hưởng tới tốc độ làm lạnh.Hình dạng cólien quan tới diện tích tiếp xúc.Dạng khối sẽ có diện tích tiếp xúc kém nhất, trongkhi các sản phẩm dạng rời có diện tích tiếp xúc lớn nên thời gian làm lạnh giam đi

nhiều.Sản phẩm càng nhỏ sẽ có diện tích tiếp xúc càng lớn nên thời gian cấp đôngcàng nhanh.

1.4.7 Diện tích tiếp xúc

Khi diện tích tiếp xúc giữa thực phẩm với các tác nhân hoặc với bề mặt làmlạnh tăng thì thời gian làm lạnh giảm Vì thế, các khay cấp đông phải có bề mặtphẳng, không gồ ghề lồi lõm Trong các thiết bị đông rời nên bố trí sản phẩm đềutheo toàn bộ khay hay bang chuyền cấp đông Trên các tấm lắc cấp đông nếu cóbăng cũng có thể làm giảm diện tích tiếp xúc

1.4.8 Bao gói sản phẩm

Một số sản phẩm cấp đông được đông gói trước khi cấp đông làm tăng nhiệt trơ Đặc biệt khi bao gói có lọt các lớp khí bên trong thì tạo ra các lớp cách nhiệt thì làm tăng đáng kể thời gian cấp đông

1.4.9 Loại thực phẩm

Mỗi loại thực phẩm có nhiệt dung và nhiệt hàm khác nhau Do đó nhiệtlượng cần thiết để cấp đông 1kg mỗi loại thực phẩm rất khác nhau

Chương 2 DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

2.1 Giới thiệu về tủ cấp đông tiếp xúc

Hình 2.1 Tủ cấp đông tiếp xúc

Trên hình 2.1 là cấu tao một tủ cấp đông tiếp xúc để cấp đông các mặt hàngdạng block Mỗi block thường có khối lượng 2kg Tủ gồm có nhiều tấm lắc cấpđông (freezer plates) bên trong, khoảng cách giữa các tấm có thể điều chỉnh đượcbằng ben thủy lực, thường chuyển dịch từ 50 – 105mm Kích thước chuẩn của cáctấm lắc là 2200L x 1250W x 22D (mm) Đối với tủ cấp đông lớn từ 2000kg/mẻ trởlên, người ta sử dụng các tấm lắc lớn, có kích thước là 2400L x 1250W x 22D(mm).Sản phẩm cấp đông được đặt trong các khay cấp đông sau đó đặt trực tiếp lêncác tấm lắc hoặc lên các mâm cấp đông, mỗi mâm có 4 khay.Thông thường người tađặt trực tiếp lên tấm lắc cì hạn chế được nhiệt trở dẫn nhiệt

Ben thủy lực nâng hạ các tấm lắc đặc trên tủ cấp đông.Pittông và cần dẫn benthủy lực làm bằng thép không rỉ đảm bảo yêu cầu vệ sinh.Hệ thống có bộ phận phânphối dầu cho truyền động bơm thủy lực

Khi cấp đông ben thủy lức ép các tấm lắc để cho các khay tiếp xúc hai mặtvới tấm lắc.Quá trình trao đổi nhiệt là nhờ dẫn nhiệt.Trong các tấm lắc chứa ngậpdịch lỏng ở nhiệt độ âm sâu -400C ÷ -450C

Theo nguyên lý cấp dịch, hệ thống lạnh tủ cấp đông tiếp xúc có thể chia ralàm các dạng sau:

- Cấp dịch từ bình chống tràn: với tủ cấp đông dạng này, dịch lỏngchuyển dịch dần vào các tấm lắc nhờ chêch lệch cột áp suất thủy tĩnh, nên tốc độchuyển động chậm với thời gian cấp đông lâu 4-6 giờ/mẻ

- Cấp dịc nhờ bơm dịch: môi chất chuyển động vào các tấm lắc dướidạng cưỡng bức do bơm tạo ra nên tốc độ chuyển động lớn, thời gian cấp đônggiảm còn 1h30 đến 2h30 phút/mẻ Hiện nay người ta thường dùng cấp dịch loại này

- Ngoài các tủ cấp đông sử dụng các phương pháp cấp dịch nêu trên,vẫn còn có dạng tủ cấp đông cấp dịch bằng tiết lưu trực tiếp Trong trường hợp này,môi chất bên trong các tấm lắc ở dạng hơi bão hòa ẩm, nên hiệu quả truyền nhiệtkhông cao, khả năng làm lạnh kem, thời gian cấp đông kéo dài

- Phía trên bên trong tủ là cùm ben vừa là giá nâng các tấm lắc vừa làtấm ép khi ben các tấm lắc xuống Để các tấm lắc không di chuyển qua lại khichuyển động, trên mỗi tấm lắc có gắn các tấm định hướng, các tấm này luôn tựa lênthanh định hướng trong quá trình chuyển động Bên trong tủ còn có ống góp cấplỏng và hơi ra Do các tấm lắc luôn di chuyển nên đường ống môi chất nối từ cácống góp vào các tấm lắc là các ống nối mềm bằng cao su chịu áp lực cao, bên ngoài

có lưới inox bảo vệ

- Trên tủ cấp đông người ta đặt bình chống tràn, hệ thống máy nén thủylực của ben và thiết bị phụ khác

2.2.Sơ đồ tủ cấp đông cấp dịch nhờ bơm

2.3 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống cấp đông làm lạnh ở nhiệt độ thấp -400C vì vậy máy nén có tỉ sốnén cao do đó phải sử dụng chu trình nén 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát bằng bình trunggian có ống xoắn

Hơi môi chất sẽ được hút về máy nén hạ áp và nén lên bình trung gian, tạiđây môi chất sẽ được làm mát trung gian hoàn toàn.Sau khi được làm mát, hơi môichất được máy nén cao áp hút về và tiếp tục nén cao áp.Hơi sau khi nén cao áp sẽ điqua bình tách dầu Tại đây, dầu sẽ được tách ra khỏi hơi môi chất để tránh trườnghợp dầu sẽ theo hơi vào các thiết bị trao đổi nhiệt làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt.Sau đó, môi chất sẽ đi vào thiết bị nhưng tụ.Đây là bình ngưng ống chùm nằmngang sử dụng cho môi chất NH3.Bình ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt ngượcdòng nên môi chất được làm lạnh ngay ở thiết bị ngưng tụ.Tại bình ngưng môi chấtlỏng sẽ được làm mát bằng nước nhờ một tháp giải nhiệt Sauk hi hơi môi chất đượcngưng tụ thành lỏng sẽ đi qua bình chứa cao áp, đường ống nối từ bình ngưng tụxuống bình chứa cao áp chính là đường ống cân bằng áp Bình chứa cao áp dùng đểchứa lỏng môi chất ở áp suất cao, giải phóng bề mặt của thiết bị ngưng tụ duy trì sựcấp lỏng lien tục cho van tiết lưu Sau đó, môi chất lỏng sẽ được tiết lưu tự động,lỏng tiếp tục đi theo ống dẫn lỏng qua phin lọc, khi qua dây thì các cặn bẩn cơ học,nước, các axit sẽ được loại trừ Lỏng qua phin sấy lọc qua van điện từ, van điện từ

có nhiệm vụ đóng mở nhầm cung cấp dịch hoặc ngưng cấp dịch cho tiết lưu Môichất sau đó lại đi vào tiết lưu nhiệt (ở đây ta dùng van tiết lưu tự động), van tiết lưu

tự động trong quá trình làm việc tự động điều chỉnh khe hở van nhầm khống chếmức dịch vào bình trung gian vừa đủ duy trì, với nhiệm vụ duy trì mức dịch luôn ổnđịnh nên trong bình trung gian có gắn phao để khống chế mức dịch cực đại trongbình Môi chất tiếp tục đi qua van điện từ vào van tiết lưu để tiến hành quá trình cấpdịch cho hệ thống.Theo sơ đồ dịch lỏng đươc bơm thẳng vào các tấm lắc nên tốc đôchuyển động bên trong rất cao, hiệu quả truyền nhiệt tăng lên rõ rệt do đó giảmđáng kể thời gian cấp đông.Tuy nhiên, hê thống phải được trang bị bình chứa hạ áp.Bình chứa hạ áp có vai trò quan trọng, nó vừa có nhiệm vụ chứa dịch cho bơm hoạtđộng, vừa giữ vai trò tách lỏng: do dịch chuyển động qua tấm lắc là cưỡng bức nên

ở đầu ra các tấm lắc vẫn còn một lượng lớn lỏng chưa bay hơi, nếu đưa trực tiếp vềđầu hút máy nén sẽ rất nguy hiểm, gây va đập thủy lực hư hỏng máy nén Bình táchlỏng nhỏ không có khả năng tách hết lượng lỏng quá lớn, vì thế chỉ có bình chứa hạ

áp mới có khả năng tách hết lượng lỏng này Hơi môi chất sau khi tách lỏng sẽ đượchút về lại máy nén hạ áp và như vậy chu trình mới sẽ được lặp lại và tiếp tục

Chương 3 Tính toán sơ bộ tủ cấp đông

3.1 Kích thước sơ bộ

 Kích thước, số lượng khay và tấm lắc cấp đông

Các sản phẩm cho vào tủ cấp đông đều được đặt vào trong các khay nhỏ vàđặt trên các tấm trao đổi nhiệt (tấm lắc-freezer plates)

Kích thước khay cấp đông tiêu chuẩn như sau:

+ Đáy trên: 290 x 210 mm

+ Đáy dưới: 280 x 200 mm

+Chiều cao: 70 mm

Ta chọn tấm lắc chứa 36 khay, mỗi khay chứa 2kg sản phẩm

→Khối lượng hàng trên một tấm lắc: 36.2=72kg

Từ hình vẽ trên ta có:

+ Chiều rộng của tấm lắc: W = 4.290 + 3.30 = 1250mm

+ Chiều dài của tấm lắc: L = 9.210 + 8.13 + 206 = 2200mm

→ Tấm lắc có kích thước : 2200L x 1250W x 22D (mm)

3.2.1 Xác định chiều dài bên trong tủ

Chiều dài bên trong tủ cấp đông bằng chiều dài tấm lắc cộng với khoảng hởhai đầu Khoảng hở hai đầu các tấm lắc vừa đủ để lắp đặt các ống góp, khônggian

Hình2.2 Bố trí khay trên tấm lắc

3.2.2 Xác định chiều rộng bên trong tủ

Chiều rộng bên trong tủ bằng chiều rộng của các tấm lắc cộng thêm khoảng

hở 2 bên ( mỗi khoảng 125mm):

W1= 1250 + 2.125= 1500mmKhi lắp các cánh cửa tủ, một phần 45mm cánh lọt vào bên trong tủ và phầncòn lại 80mm nhô ra ngoài, vì vậy kích thước bề rộng phủ bì là:

W=W1+2.80=1660mm

3.2.3 Xác định chiều cao bên trong tủ

Khoảng cách cực đại giữa các tấm lắc: hmax=105mm

Chiều cao bên trong tủ:

H 1 =N 1 105 + h 1 + h 2

N 1 - Số tấm lắc chứa hàng

h 1 - Khoảng hở phía dưới cùng các tấm lắc: h 1 =100mm

h 2 - Khoảng hở phía trên các tấm lắc: h2 =400÷450mm

3.2.4 Tính cách nhiệt cách ẩm

Cấu tạo vỏ tủ cấp đônggồm các lớp như sau: lớp cách nhiệt chủ yếu làpolyurethan dày 150mm, được chế tạo theo phương pháp rót ngập có mật độ 40-42kg/m3, có độ đồng đều và độ bám cao, hai mặt trong và ngoài của vỏ tủ được bọcbằng inox dày 0,6mm bảo vệ khỏi tác động cơ học, chống ẩm và chống đọng sươngbên ngoài mặt tủ.Ngoài ra bên trong vỏ tủ là hệ thống khung chịu làm bằng thép có

mạ kẽm và các thanh gỗ chống tạo cầu nhiệt

SSTT Lớp vật liệu Độ dàymm Hệ số dẫn nhiệt W/m.K

2 Lớp polyurethane

Vách tủCửa tủ

150125

0,018 ¿ 0,02

Bảng 3.1 Cấu trúc cách nhiệt của tủ đông tiếp xúc

Chương 4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO TỦ CẤP ĐÔNG

4.1 Tổn thất nhiệt do truyền nhiệt qua kết cấu bao che (Q 1 )

 Dòng nhiệt đi qua kết cấu bao che được định nghĩa là tổng các dòng nhiệt tổnthất qua tường bao, trần và nền của tủ cấp đông do sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên ngoài và bên trong tủ cộng với các dòng nhiệt tổn thất do bức xạ mặt trời qua tường bao và trần

 Do tủ cấp đông được đặt trong nhà xưởng nên không chịu ảnh hưởng bởi bức

xạ mặt trời Vì vậy ta chỉ xét tổn thất nhiệt qua vách tủ, cửa tủ cấp đông

 Tổn thất nhiệt qua thân tủ gồm vách tủ, cửa tủ được tính như sau:

Q= k.F(t 1 -t 2 )

→Q 1 =(k v F v + k c F c )(t KKN -t KKT )

+ k v , k c - Hệ số truyền nhiệt qua vách và qua thân tủ (W/m2.K)

+ F v , F c - Diện tích của cửa tủ và vách tủ (m2)

+ t KKN= 250C: Nhiệt độ của không khí bên ngoài tủ

+ t KKT = -350C: Nhiệt độ không khí trong tủ ở cuối quá trình cấp đông

 F v= 2.1,66.2,425 +2.1,66.3,3 = 19,007m2

 F c= 2.3,3.2,425 = 16m2

 Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức sau:

+ α 1 - Hệ số toả nhiệt bên ngoài tường,α1= 23,3W/m2K

k c=

11

23,3+

0,120,03+

0,0012

22 +

19 =0,24 W/m2K

→Q 1 = (0,194 19,007 +0,24 16)(25+35) = 452W = 0,452kW

4.2 Tổn thất nhiệt do sản phẩm mang vào (Q 2 )

Tổn thất nhiệt Q 2 gồm:

- Tổn thất nhiệt làm đông sản phẩm Q SP

- Tổn thất nhiệt làm lạnh khay cấp đông Q K

- Ngoài ra một số sản phẩm khi cấp đông người ta tiến hành châm thêmnước để mạ một lớp băng trên bề mặt làm cho bề mặt phẳng đẹp, chống oxi hoá

thực phẩm, nên cũng cần tính thêm tổn thất nhiệt làm đông nước Q N

+ G - Khối lượng sản phẩm một mẻ cấp đông (kg).

+ i 1 - entanpy của sản phẩm ở nhiệt độ ban đầu đưa vàocấp đông (kJ/kg), i 1

= 314,4 kJ/kg (mặt hàng thủy sản)

+ i 2 - entanpy của sản phẩm ở nhiệt độ sau khi cấp đông (kJ/kg), ), i 1 = 5 kJ/kg

+ τ – Thời gian cấp đông một mẻ sản phẩm (giờ).

Do sản phẩm đã được bảo quản trước khi đưa vào làm đông nên nhiệt độ sảnphẩm ta chọn là 150C

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm lấy ra là -180C, với cấp đông cưỡng bứcbằng bơm dịch do đó thời gian cấp đông 2 giờ

→Q SP=1080 \f(, = 46 kW

4.2.2 Tổn thất nhiệt làm đông nước châm khuôn (Q N )

Năng suất tủ 1500kg, khối lượng sản phẩm thực là 1080kg, vậy khối lượngnước châm khuôn là 420kg/mẻ, để hạ nhiệt độ nước châm khuôn từ nhiệt độ đầuđến nhiệt độ cuối quá trình cấp đông cần qua ba giai đoạn:

Q N = Q N1 + Q N2 + Q N3

+ Q N1 - nhiệt lượng để làm hạ nước châm khuôn từ nhiệt độ ban đầu đếnnhiệt độ điểm băng của nước

+ Q N2 - nhiệt tổn thất để làm đóng băng nước châm khuôn

+ Q N3- nhiệt tổn thất để hạ nhiệt độ nước châm khuôn từ nhiệt độ điểmbăng đến nhiệt độ cuối của sản phẩm

Q N1 = M nck C (t N1 – t N2 )

+ M nck : khối lượng nước châm khuôn M nck = 420 kg/ mẻ

+ C: nhiệt dung riêng của nước, C = 4,186 kJ/kg0C

+ tN1: nhiệt độ của nước châm khuôn 50C

+ t N2: nhiệt độ điểm băng của nước 00C

Q N1 = 420.4,186.(5 - 0) = 8790,6 kJ/mẻThời gian làm việc mỗi mẻ là 2 giờ:

→ Q N1 = 5860,42.3600

8790,6 2.3600 =1,22 kW

Q N2 = M nck L + L - Nhiệt lượng đóng băng của nước L = 335 kJ/kg.

→Q N2 = 420.335 = 140700 kJ/mẻ = 19,54 kW

4.2.3 Tổn thất nhiệt làm lạnh khay cấp đông (Q K )

Q K = C K M K\f(t1K-t2K,τ

+ M K - Tổng khối lượng khay cấp đông (kg)

+ C K - Nhiệt dung riêng của vật liệu làm khay, với vật liệu làm khay bằng

kẽm theo tài liệu, C K = 0,094kcal/kg = 0,39 kJ/kg0C

+ t 1K - nhiệt độ khay trước khi đưa vào cấp đông lấy t 1K = 250C

+ t 2K - nhiệt độ của khay sau quá trình cấp đông lấy t 2K = -350C

+ τ- thời gian của một mẻ cấp đông (giờ).

Ta có 16 tấm lắc, 15 tấm đựng sản phẩm, mỗi tấm có 36 khay, mỗi khaynặng 2kg → Vậy ta có tổng khối lượng khay cấp đông là : 15 36 = 540 khay

Khối lượng mỗi khay là 2kg vậy: M K= 2 540 = 1080 kg/mẻ

→Q K = 0,39.1080 \f(,2.360025+35

2.3600= 3,51 kW

→Vậy tổn thất nhiệt do sản phẩm mang vào

Q 2 = Q SP + Q N + Q K = 46 + 23,049 + 3,51 = 72,559 kW

4.3 Tổn thất nhiệt từ các nguồn khác nhau (Q 3 )

Ngoài những tổn thất nhiệt nói trên còn phải kể đến:

- Tổn thất nhiết làm lạnh các tấm lắc Q TL

- Tổn thất nhiệt làm lạnh không khí trong tủ Q KK

- Tổn thất nhiệt khi mở cửa Q C

4.3.1 Tổn thất nhiệt làm lạnh tấm lắc (Q TL )

Tủ đông tiếp xúc làm việc từng mẻ sau khi làm đông xong sẽ dừng máy và rahàng, khối lượng và diện tích của tấm lắc rất lớn do đó nhiệt để làm lạnh các tấmlắc là rất lớn vì vậy ta phải tính lượng nhiệt này

+ t 1 , t 2- Nhiệt độ trước và sau khi cấp đông, t1 = 250C, t2 = -350C.

1771.0,92

2 3600 (25+35)=19,75 kW

4.3.2 Tổn thất nhiệt làm lạnh không khí trong tủ (Q KK )

Nhiệt tổn thất do không khí trong tủ được tính như sau:

Q kk = C kk G kk (t d – t c )

 t d - nhiệt độ không khí lúc bắt đầu chạy máy 250C

 t c- nhiệt độ không khí cuối quá trình cấp đông -350C

 C kk -nhiệt dung riêng của không khí trong tủ C kk=0,242 Kcal/kg0C