TỔNG QUAN VỀ NGÀNH KỸ THUẬT LẠNH
Tổng quan về kỹ thuật lạnh
Kỹ thuật lạnh là phương pháp tạo ra môi trường có nhiệt độ thấp hơn mức bình thường, thường được xác định là dưới 20℃ Giới hạn giữa nhiệt độ lạnh và nhiệt độ bình thường có thể khác nhau tùy theo quan điểm, nhưng nhìn chung, môi trường lạnh được công nhận là có nhiệt độ dưới 20℃.
Trong môi trường lạnh, nhiệt độ được chia thành hai vùng: vùng nhiệt độ dương thấp từ 0 đến 20℃ và vùng nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm Khoảng nhiệt độ này là nhiệt độ đóng băng của nước, nhưng tùy thuộc vào từng loại sản phẩm, nhiệt độ đóng băng sẽ có sự khác biệt.
Lịch sử phát triển ngành lạnh
Từ trước công nguyên, con người đã nhận thức được tác dụng của lạnh trong việc bảo quản thực phẩm, mặc dù chưa biết cách làm lạnh nhân tạo Họ đã sử dụng mạch nước ngầm có nhiệt độ thấp để lưu trữ thực phẩm, giúp thực phẩm được tươi lâu hơn.
Người ai cập cổ đại đã biết dùng quạt cho nước bay hơi ở các hộp xốp đế làm mát không khí cách đây 2500 năm.
Người ấn độ và người trung quốc cách đây 2000 năm đã biết trộn muối với nước hoặc với nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn.
Kỹ thuật lạnh hiện đại bắt nguồn từ phát hiện của giáo sư Black về ẩn nhiệt hóa hơi và ẩn nhiệt nóng chảy trong giai đoạn 1761-1764 Con người đã áp dụng phương pháp làm lạnh bằng cách cho bay hơi chất lỏng ở áp suất thấp.
Vào năm 1780, Clouet và Monge đã thành công trong việc hoá lỏng khí CO2 Đến thế kỷ 19, Faraday tiếp tục nghiên cứu và hoá lỏng nhiều loại khí khác nhau, bao gồm H2S, CO2 và C2H2.
Năm 1834, Tacob Perkins, một nhà phát minh người Anh, đã giới thiệu máy lạnh nén hơi đầu tiên với đầy đủ thiết bị hiện đại, bao gồm máy nén, dàn ngưng, dàn bay hơi và van tiết lưu.
Sau đó có hàng loạt các phát minh của kỹ sư Carres (Pháp) về máy lạnh hấp thụ chu kỳ và liên tục với các môi chất khác nhau.
Máy lạnh hấp thụ khuếch tán hoàn toàn, không có chi tiết chuyển động, được đăng ký phát minh bởi Gerppt (Đức) vào năm 1899 và được hoàn thiện bởi Platen cùng Munter (Thụy Điển).
Năm 1922, máy lạnh Ejector hơi nước đầu tiên được chế tạo bởi Leiblane vào năm 1910 với cấu trúc đơn giản và tiêu tốn năng lượng từ nhiệt, cho phép tận dụng nguồn phế thải Một sự kiện quan trọng trong lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh là sự ra đời và ứng dụng của Freon tại Mỹ vào năm 1930, là các khí Hidrocarbon có nguyên tử hiđro được thay thế một phần hoặc toàn bộ bằng các nguyên tử Halogen như Clo, Flo và Brom.
Freon là chất làm lạnh an toàn, không cháy, không nổ và không độc hại, rất phù hợp với quy trình hoạt động của máy lạnh nén hơi Chất này đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển của công nghệ lạnh, đặc biệt là trong lĩnh vực điều hòa không khí.
Kỹ thuật lạnh hiện đại ngày nay đã có những bước tiến vượt bậc nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ.
Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày càng được mở rộng Người ta đang tiến dần nhiệt độ không tuyệt đối.
Công suất lạnh của máy lạnh đã được mở rộng đáng kể, từ những thiết bị chỉ vài mW dùng trong phòng thí nghiệm cho đến những hệ thống có công suất lên đến hàng triệu W tại các trung tâm điều tiết không khí.
Hệ thống lạnh hiện đại ngày nay được tổ hợp hoàn thiện hơn, thay vì lắp ráp từng chi tiết và thiết bị riêng lẻ Điều này mang lại sự thuận tiện trong quá trình lắp ráp, sử dụng dễ dàng và hiệu quả trong chế độ làm việc.
Hiệu suất của máy lạnh được cải thiện đáng kể, dẫn đến giảm chi phí vật tư và chi phí cho mỗi đơn vị lạnh Tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị cũng tăng cao Hệ thống lạnh và máy lạnh hiện nay có mức độ tự động hóa cao hơn, với việc sử dụng các thiết bị điện tử và vi điện tử thay thế cho các thiết bị thao tác thủ công.
Ứng dụng của kỹ thuật lạnh
Kỹ thuật lạnh đang ngày càng trở thành yếu tố then chốt trong nền kinh tế và khoa học kỹ thuật, với sự ứng dụng rộng rãi trong hơn 70 ngành kinh tế quan trọng Các lĩnh vực như công nghệ thực phẩm, chế biến thủy sản, sản xuất rượu bia và nước giải khát, sinh học, hóa lỏng hóa chất, tách khí, điện tử, cơ khí chính xác, y tế và điều hòa không khí đều có sự góp mặt của kỹ thuật lạnh.
Kỹ thuật lạnh đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong ngành công nghệ thực phẩm, nơi khoảng 80% công nghệ lạnh được áp dụng Các sản phẩm như thịt, cá, sữa là những thực phẩm dễ hư hỏng do vi sinh vật và enzyme nội tạng, vì vậy việc bảo quản lạnh là cần thiết để duy trì chất lượng và an toàn thực phẩm.
Vi sinh vật và enzyme nội tạng là nguyên nhân chính gây hư hỏng thực phẩm Tuy nhiên, nhiệt độ thấp có khả năng bất hoạt hoặc ức chế hoạt động của chúng, giúp sản phẩm duy trì chất lượng, hương vị, màu sắc và dinh dưỡng tốt hơn Nhờ đó, thời gian bảo quản sản phẩm được kéo dài, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chế biến và tiêu thụ.
Lý do chọn đề tài
Kỹ thuật lạnh đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc gia, phục vụ không chỉ nhu cầu tiện nghi trong cuộc sống hàng ngày mà còn hỗ trợ các ngành công nghiệp hiện đại.
Ngành kỹ thuật lạnh tại Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, đặc biệt trong lĩnh vực chế biến và bảo quản thủy hải sản Với nguồn tài nguyên phong phú, Việt Nam có trữ lượng hải sản lên tới 10 triệu tấn, bao gồm cá, tôm, mực, và cua Mỗi năm, nước ta khai thác hơn 1 triệu tấn hải sản, do đó việc chế biến và bảo quản là rất quan trọng Việt Nam đã bắt đầu xuất khẩu thủy sản đông lạnh từ những năm 60 của thế kỷ trước Doanh thu xuất khẩu thủy sản tăng từ 205 triệu USD vào năm 1990 lên 4 tỷ USD vào năm 2005, và 5 tỷ USD vào đầu năm 2010 Mặc dù dự báo năm 2017 gặp khó khăn do nhu cầu thị trường thấp và rào cản kỹ thuật, kim ngạch xuất khẩu thủy sản vẫn đạt khoảng 7,4 tỷ USD, tăng 6% so với năm 2016.
Với tầm quan trọng của ngành nhiệt lạnh, nhóm sinh viên chúng em đã chọn đề tài tốt nghiệp “tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống cấp đông 2 cấp” với sản phẩm chính là tôm Mục tiêu của chúng em là củng cố và hoàn thiện kiến thức trong quá trình thực hiện đề tài, đồng thời áp dụng những gì đã học vào thực tiễn, góp phần vào sự phát triển của ngành chế biến và bảo quản thủy hải sản.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÀM ĐÔNG VÀ BẢO QUẢN SẢN PHẨM ĐÔNG LẠNH
Các vấn đề về cấp đông sản phẩm
Phân loại giới hạn làm lạnh
Nhiệt độ đóng băng của thực phẩm
Nhiệt độ đóng băng của thực phẩm khác nhau do nồng độ muối khoáng và chất hòa tan trong dịch tế bào Mỗi loại thực phẩm có nhiệt độ đóng băng riêng, thường thấp hơn 0℃, trong khi nước nguyên chất đóng băng tại 0℃.
Ví dụ: cá biển có điểm đóng băng khoảng −1,5℃, cá nước ngọt điểm đóng băng
Các cấp làm lạnh thực phẩm:
Người ta chia các cấp làm lạnh thực phẩm dựa vào nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông như sau:
Làm lạnh: Khi nhiệt độ sản phẩm cuối quá trình nằm trong khoảng t db < t < + 20℃
Làm lạnh đông (cấp đông): Nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông: −100℃ < t < t db
Làm lạnh thâm độ: Nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông: −273℃ < t < −100℃
Thực phẩm khi tiếp xúc với nhiệt độ cao và dưới tác động của enzym tự nhiên cũng như vi sinh vật sẽ trải qua quá trình biến đổi chất, dẫn đến tình trạng hư hỏng và ươn thối.
Khi nhiệt độ thực phẩm giảm, các quá trình sinh hóa bị ức chế, dẫn đến tốc độ phản ứng giảm đáng kể Nhiệt độ càng thấp, tốc độ phân giải càng bị ảnh hưởng mạnh mẽ Sự giảm nhiệt độ cũng làm giảm hoạt động sống của tế bào.
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 enzim có trong tế bào giảm.
Nhiệt độ thấp làm giảm tốc độ các phản ứng hoá sinh trong thực phẩm, với mỗi lần giảm 10℃, tốc độ phản ứng có thể giảm từ 1/2 đến 1/3 Mặc dù nhiệt độ thấp ảnh hưởng đến hoạt động của các enzim phân giải, nhưng chúng không bị tiêu diệt hoàn toàn; hoạt động của hầu hết các enzim sẽ bị đình chỉ khi nhiệt độ giảm xuống 0℃ Các enzim như lipaza, trypsin, và catalaza vẫn tồn tại ở nhiệt độ −191℃ mà không bị phá huỷ Do đó, nhiệt độ càng thấp thì khả năng phân giải của các enzim càng giảm, ví dụ như khả năng phân giải của men lipaza đối với mỡ.
Bảng 2.1: Khả năng phân giải của men phân giải mỡ lipaza
Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản và có thể hoạt động độc lập với cơ thể sống, cho phép chúng chịu lạnh tốt Đa số tế bào thực vật không bị chết khi nước bên trong chưa đóng băng.
Tế bào động vật có cấu trúc và hoạt động sống phức tạp, gắn liền với cơ thể sống.
Động vật có khả năng chịu lạnh kém, với hầu hết tế bào chết khi nhiệt độ giảm quá 4℃ so với thân nhiệt bình thường Nguyên nhân chính dẫn đến cái chết của tế bào động vật là do tăng độ nhớt 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, giảm thiểu nhu cầu sinh lý trong một thời gian nhất định Khi nhiệt độ tăng trở lại, hoạt động sống của chúng phục hồi, điều này rất hữu ích trong việc vận chuyển động vật, đặc biệt là thủy sản tươi sống, giúp đảm bảo chất lượng tốt và giảm chi phí vận chuyển.
Như vậy khi nhiệt độ thấp quá trình phân giải của thực phẩm sẽ bị chậm lại hoặc chấm dứt hoàn toàn là do:
Hoạt động của các men phân giải bị đình chỉ.
Sự phát triển của vi sinh vật thường bị ức chế ở nhiệt độ từ −3℃ đến −10℃, tuy nhiên vi khuẩn micrococcus vẫn có thể sống ở −10℃, mặc dù tốc độ phát triển rất chậm Các loại nấm mốc có khả năng chịu lạnh tốt hơn, có thể tồn tại đến −15℃ Để nấm mốc có thể sống sót, độ ẩm cần phải duy trì tối thiểu là 15%.
Nhiệt độ bảo quản thực phẩm lý tưởng là dưới −18℃, khi đó nước trong thực phẩm sẽ đóng băng đến 86%, giúp ngăn chặn hoàn toàn sự hoạt động của vi sinh vật và nấm mốc.
Sự kết tinh của nước trong thực phẩm
Nước trong thực phẩm, đặc biệt là trong thủy sản, chiếm tỷ lệ rất cao, có thể lên đến 80% Dựa vào mức độ liên kết, nước trong thực phẩm được phân thành hai dạng chính: nước tự do và nước liên kết.
Nước tự do chỉ liên kết cơ học và tồn tại trong trạng thái bất động trong mạng lưới cấu trúc mô cơ Nó hoạt động như một dung môi, giúp khuếch tán các chất qua tế bào.
Nước liên kết không chỉ đơn thuần là dung môi, mà còn tồn tại dưới dạng liên kết với các protein tan và các chất vô cơ, hữu cơ tan khác, tạo nên cấu trúc khung cho mô cơ.
Cơ chế đóng băng trong thực phẩm khi cấp đông
T(phút) di?m dóng bang di?m quá l?nh
Hình 2.1: Quá trình hình thành điểm đóng băng
Nước trong thực phẩm do có thể hoà tan các chất tan nên nhiệt độ đóng băng thấp hơn 0℃.
Khi hạ nhiệt độ thực phẩm xuống thấp, nước trong thực phẩm sẽ bắt đầu đóng băng dần dần, tùy thuộc vào mức độ liên kết của nó với các tế bào Quá trình này liên quan đến điểm đóng băng và điểm quá lạnh của thực phẩm.
Khi nhiệt độ giảm xuống mức đóng băng, tinh thể đá bắt đầu hình thành trong gian bào, làm tăng nồng độ chất tan trong tế bào Điều này dẫn đến áp suất thẩm thấu tăng, khiến nước trong tế bào có xu hướng thoát ra ngoài Nếu quá trình làm lạnh diễn ra chậm, nước ra ngoài sẽ làm cho các tinh thể hiện có lớn lên mà không hình thành tinh thể mới.
Nếu tốc độ làm lạnh nhanh thì tinh thể sẽ tạo ra cả ở bên ngoài lẫn bên trong tế bào, tinh thể đá sẽ nhuyễn và đều.
Hạ nhiệt chậm có thể dẫn đến mất nước trong tế bào, làm cho các tinh thể đá hình thành lớn và gây áp lực, từ đó làm rách màng tế bào Hậu quả là cấu trúc mô cơ bị biến dạng, dẫn đến giảm chất lượng sản phẩm.
Khi nước tự do đã đóng băng hết thì đến nước liên kết, bắt đầu từ nước có liên kết yếu đến nước có liên kết mạnh.
Tác động của sự kết tinh của nước đối với thực phẩm
Có sự phân bố lại nước trong thực phẩm không chỉ giữa gian bào và tế bào mà còn theo chiều sâu của sản phẩm.
Có sự biến đổi tế bào do sự phân bố lại nước, do tạo thành lớp đá, vỡ tế bào, biến đổi cấu trúc sợi cơ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự kết tinh của nước trong thực phẩm
Nồng độ các chất hoà tan
Một số biến đổi của thực phẩm trong quá trình cấp đông
Biến đổi về nhiệt vật lý
Sự kết tinh của nước trong quá trình cấp đông khiến nước tách ra và hình thành các tinh thể, làm cho sản phẩm trở nên rắn và tăng thể tích một chút Khi nước trong thực phẩm kết tinh, nó tạo thành mạng tinh thể xen kẽ giữa các thành phần khác, tạo ra cấu trúc vững chắc Tuy nhiên, khi làm tan băng, cấu trúc thực phẩm trở nên mềm yếu và kém đàn hồi hơn do các tinh thể làm rách cấu trúc liên kết tế bào.
Biến đổi màu sắc thực phẩm xảy ra đồng thời với quá trình đông lạnh, do hiệu ứng quang học từ các tinh thể đá Màu sắc của thực phẩm khi nước đóng băng phụ thuộc vào tính chất quang của các tinh thể nước đá.
Bay hơi nước là hiện tượng mất nước và giảm trọng lượng sản phẩm trong quá trình làm lạnh đông, xảy ra khi nước bốc hơi từ bề mặt thực phẩm vào không khí do chênh lệch mật độ Ẩm từ bề mặt sản phẩm sẽ bay lên không khí xung quanh; nếu sản phẩm có bề mặt ướt, khi đông lạnh, nước sẽ đông lại và sau đó diễn ra quá trình thăng hoa Chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt sản phẩm và không khí trong buồng cấp đông càng lớn, thì hiện tượng bay hơi càng mạnh, dẫn đến hao hụt khối lượng.
Khuếch tán nước: Khi cấp đông xảy ra hiện tượng khuếch tán nước trong cấu trúc thực phẩm, nước khuếch tán là do các nguyên nhân:
Sự chênh lệch nhiệt độ gây nên do chênh lệch mật độ ρ.
Sự lớn lên của tinh thể nước đá thu hút nước từ những vùng chưa kết tinh, khiến nước di chuyển từ nơi có nồng độ chất tan thấp đến nơi có nồng độ cao Quá trình này diễn ra nhờ tính bám thấm và mao dẫn của cấu trúc thực phẩm Động lực khuếch tán làm nước di chuyển từ trong tế bào ra gian bào, từ vị trí liên kết ra tự do Khi nước khuếch tán, cấu trúc tế bào co rút, dẫn đến một số chất tan biến tính và làm tan một phần thực phẩm gần bề mặt.
Các thông số nhiệt vật lý thay đổi
Biến đổi nhiệt dung : Nhiệt dung sản phẩm thay đổi là do nước trong thực phẩm đã được đóng băng Nhiệt dung khi đó được tính:
Csp, Cck, Ck, Cn - Nhiệt dung riêng của sản phẩm, chất khô, nước đá và của nước, kJ/kg.K; w - Tỉ lệ nước đã đóng băng ở nhiệt độ t db ;
W - Hàm lượng nước trong sản phẩm.
Nhiệt dung riêng sản phẩm trước khi đóng băng:
Có thể xác định nhiệt dung riêng sản phẩm theo công thức thực nghiệm như sau:
Ac, Bc - Là các hằng số thực nghiệm.
Biến đổi hệ số dẫn nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của sản phẩm cũng thay đổi thể hiện ở công thức dưới đây:
sp - Hệ số dẫn nhiệt của sản phẩm lạnh đông và ở nhiệt độ kết tinh ( nhưng sản phẩm chưa kết tinh), W/m.K;
, kt t t - Nhiệt độ sàn phẩm cấp đông và nhiệt độ kết tinh ( không kể dấu âm), ℃.
Biến đổi hệ số dẫn nhiệt độ
Hệ số dẫn nhiệt độ của sản phẩm cũng thay đổi và được tính theo công thức sau đây:
- Hệ số dẫn nhiệt độ của sản phẩm lạnh đông và ở nhiệt độ kết tinh ( nhưng sản phẩm chưa kết tinh), m s / 2 ; a , a
, kt t t - Nhiệt độ sản phẩm cấp đông và nhiệt độ kết tinh (không kể dấu âm), ℃.
Bảng 2.2: Các thông số của một số sản phẩm Đại lượng Thịt bò Cá
Quá trình biến đổi hóa học của thực phẩm khi làm lạnh chủ yếu là sự phân giải các chất dự trữ năng lượng, được thúc đẩy bởi các enzym có sẵn trong thực phẩm.
Mức độ biến đổi hóa học của thực phẩm phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và phương pháp làm lạnh Thông thường, việc giảm nhiệt độ nhanh chóng và thời gian làm lạnh ngắn giúp hạn chế các biến đổi hóa học, từ đó giảm thiểu hư hỏng và đảm bảo chất lượng thực phẩm.
Sự ôxi hoá các sắc tố là nguyên nhân chính gây biến màu thực phẩm, phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc với không khí và chất lượng ban đầu của thực phẩm Để giảm thiểu ôxi hoá, có thể loại bỏ sắc tố trước khi làm lạnh, hạn chế hoạt tính của enzim, giảm tiếp xúc với không khí và tăng tốc độ làm lạnh.
Biến đổi do vi sinh
Trước khi làm lạnh thực phẩm thường được rửa sạch để loại bỏ các tạp chất nơi chứa chấp nhiều loại vi sinh vật.
Trong quá trình làm lạnh, nhiệt độ môi trường không phù hợp có thể tiêu diệt vi sinh vật ở bề mặt thực phẩm, nhưng số còn lại sẽ bị hạn chế khả năng hoạt động Tuy nhiên, vi sinh vật này có khả năng thích nghi với nhiệt độ lạnh, dẫn đến thời gian bảo quản thực phẩm bị rút ngắn.
Thời gian làm lạnh đông thực phẩm Định nghĩa
Thời gian cấp đông là khoảng thời gian cần thiết để giảm nhiệt độ trung tâm của sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu xuống mức yêu cầu Đối với thực phẩm đông lạnh, nhiệt độ trung bình hoặc cân bằng cần phải nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ bảo quản Nhiệt độ trung bình của sản phẩm thường được xác định bằng cách tính trung bình cộng giữa nhiệt độ trung tâm và nhiệt độ bề mặt.
Vì vậy cần chọn nhiệt độ tâm phù hợp để đạt yêu cầu này.
Ví dụ: Xác định nhiệt độ tâm sản phẩm khi cấp đông ở kho cấp đông, biết nhiệt độ không khí −35℃, nhiệt độ bảo quản là −18℃.
Nhiệt độ tâm sản phẩm: t t 2�t tb t f 2 ( 18) ( 24,5)� 11,5�C
Vì vậy chọn nhiệt độ tâm sản phẩm ít nhất là −12℃.
Quá trình làm lạnh đông thực phẩm qua 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Làm lạnh sản phẩm đến điểm đóng băng.
Giai đoạn 2: Đóng băng ở điểm kết tinh ( = const).
Giai đoạn 3: Kết thúc quá trình làm lạnh đông và tiếp tục hạ nhiệt độ sản phẩm tới nhiệt độ cần thiết để bảo quản lạnh đông.
Khi làm lạnh đông do tạo thành các lớp tinh thể từ phía bề mặt và tâm nên ngăn cản quá trình truyền nhiệt sâu vào bên trong.
Xác định thời gian kết tinh nước trong thực phẩm
Thời gian kết tinh là khoảng thời gian mà nước trong thực phẩm chuyển hóa thành đá, với điều kiện nhiệt độ của đá kết tinh giữ nguyên và bằng t db.
Công thức Plank thường được sử dụng để xác định thời gian làm lạnh thực phẩm: q P R 2 v t k
� � � �� Trong đó: q - Nhiệt lượng cần thải từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ kết tinh cuối cùng, kCal/kg; v - Thể tích riêng của thực phẩm, m kg 3 / ;
Độ chênh nhiệt độ giữa điểm đóng băng ban đầu của thực phẩm và môi trường được ký hiệu là ∆t (℃), trong khi δ đại diện cho chiều dày lớp thực phẩm (m) Hệ số truyền nhiệt bề mặt, bao gồm cả bao gói, được ký hiệu là k (kCal m h / 2 K) Cuối cùng, hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm được ký hiệu là λ (kCal/m.h.K).
P, R - Các hằng số tuỳ thuộc hình dạng thực phẩm.
Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian cấp đông
Có nhiều loại thiết bị cấp đông khác nhau, mỗi loại có nguyên lý hoạt động riêng biệt Thiết bị cấp đông gió cưỡng bức hoạt động dựa trên nguyên tắc tiếp xúc và làm lạnh sản phẩm trực tiếp, trong khi đó có những loại thiết bị sử dụng bề mặt các tấm kim loại hoặc nhúng sản phẩm trong dịch Nitơ lỏng để đạt được hiệu quả làm lạnh nhanh chóng.
Tốc độ làm lạnh của các máy cấp đông có sự khác biệt rõ rệt do nguyên lý hoạt động khác nhau Ngay cả khi sử dụng cùng một loại máy, phương pháp cấp dịch cho thiết bị bay hơi cũng ảnh hưởng đáng kể đến thời gian đông lạnh, vì hệ số trao đổi nhiệt bên trong phụ thuộc nhiều vào cách thức cấp dịch.
Nhiệt độ buồng cấp đông
Nhiệt độ cấp đông càng thấp, thời gian cấp đông càng nhanh Do đó, việc lựa chọn nhiệt độ buồng cấp đông hợp lý là rất quan trọng Thông thường, nhiệt độ không khí trong buồng cấp đông cần đạt mức tối ưu để đảm bảo hiệu quả đông lạnh.
Tốc độ gió trong buồng cấp đông
Tốc độ gió càng cao thì thời gian cấp đông càng nhanh do hệ số toả nhiệt đối lưu tăng, kết quả hệ số truyền nhiệt tăng.
Nhiệt độ sản phẩm trước cấp đông
Quá trình chế biến thực phẩm thường kéo dài, do đó, sau khi hoàn thành một khay sản phẩm, người ta sẽ lưu trữ tạm thời trong các kho chờ đông Việc này giúp bảo quản sản phẩm cho đến khi đạt đủ khối lượng cần thiết để thực hiện một mẻ cấp đông mới.
Trong quá trình chế biến, thực phẩm thường được ướp đá và xử lý trong môi trường lạnh, với nhiệt độ thực phẩm đưa vào thiết bị cấp đông chỉ khoảng 10 độ C Nếu thời gian bảo quản trong kho chờ đông kéo dài, nhiệt độ thực phẩm vào cấp đông có thể còn thấp hơn Nhiệt độ càng thấp thì thời gian cấp đông sẽ càng ngắn.
Bề dày sản phẩm cấp đông
Thời gian đông lạnh thực phẩm tăng lên đáng kể khi độ dày của chúng tăng Mối quan hệ giữa thời gian cấp đông và chiều dày không theo quy luật tuyến tính, mà theo bậc bình phương của chiều dày.
Các sản phẩm cấp đông dạng khối (block) có thời gian cấp đông khá lâu, nhưng dạng rời thì thời gian ngắn hơn nhiều.
Hình dạng thực phẩm ảnh hưởng đến tốc độ làm lạnh, với diện tích tiếp xúc là yếu tố quan trọng Các sản phẩm dạng khối có diện tích tiếp xúc nhỏ nhất, dẫn đến thời gian làm lạnh lâu hơn, trong khi thực phẩm dạng rời có diện tích tiếp xúc lớn, giúp giảm đáng kể thời gian làm lạnh Sản phẩm nhỏ hơn sẽ có diện tích tiếp xúc lớn hơn, do đó thời gian cấp đông cũng nhanh hơn.
Diện tích bề mặt tiếp xúc
Khi diện tích tiếp xúc giữa thực phẩm và bề mặt làm lạnh tăng, thời gian làm lạnh sẽ giảm Trong tủ đông tiếp xúc, bề mặt không phẳng với diện tích tiếp xúc nhỏ sẽ làm tăng thời gian làm lạnh Do đó, các khay cấp đông cần có bề mặt phẳng, không gồ ghề Ngoài ra, trong các thiết bị đông rời, sản phẩm nên được bố trí đều trên toàn bộ khay hoặc băng chuyền cấp đông để tối ưu hóa hiệu quả làm lạnh.
Trên các tấm lắc cấp đông nếu có băng cũng có thể làm giảm diện tích tiếp xúc.
Một số sản phẩm đông lạnh được đóng gói sẵn có thể làm tăng nhiệt trở khi cấp đông Đặc biệt, nếu bao bì chứa không khí bên trong, nó sẽ tạo ra lớp cách nhiệt, dẫn đến việc tăng đáng kể thời gian đông lạnh.
Mỗi loại thực phẩm sở hữu nhiệt dung và nhiệt hàm riêng biệt, dẫn đến lượng nhiệt cần thiết để đông lạnh 1kg thực phẩm khác nhau một cách rõ rệt.
Các phương pháp và thiết bị cấp đông thực phẩm
Thiết bị cấp đông có rất nhiều dạng, hiện nay ở nước ta sử dụng phổ biến các hệ thống như sau:
Kho cấp đông gió (Air Blast Freezer);
Tủ cấp đông tiếp xúc (Contact Freezer);
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 dạng xoắn;
Hệ thống cấp đông siêu tốc;
Hệ thống cấp đông nhúng N2 lỏng.
Làm đông thực phẩm trong không khí lạnh
Thực phẩm được làm lạnh bằng không khí có nhiệt độ âm sâu đối lưu cưỡng bức qua bề mặt Quá truyền nhiệt là trao đổi nhiệt đối lưu.
Sản phẩm cấp đông có thể dạng block hoặc dạng rời, nhưng thích hợp nhất là dạng sản phẩm rời. Ưu điểm
Không khí có nhiệt dung riêng nhỏ nên giảm nhiệt độ nhanh.
Khi tiếp xúc, không tạo ra các tác động cơ học, giúp thực phẩm giữ nguyên hình dáng và kích thước, từ đó đảm bảo tính thẩm mỹ và khả năng tự bảo vệ cao.
Hoạt động liên tục, dễ tự động hoá sản xuất.
Thực phẩm dễ bị khô và oxy hóa do bay hơi nước bề mặt và tiếp xúc với khí O2 Do đó, việc ứng dụng đông thực phẩm dưới dạng rời và block trong các kho và tủ cấp đông là rất quan trọng để bảo quản chất lượng thực phẩm.
Các sản phẩm được đặt trên khay và kẹp giữa các tấm lắc cấp đông, với các tấm kim loại bên trong rỗng cho phép môi chất lạnh lưu thông, đạt nhiệt độ bay hơi từ -40 đến -45℃ Nhờ vào việc tiếp xúc với các tấm lắc có nhiệt độ cực thấp, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra hiệu quả, rút ngắn thời gian làm đông xuống còn 1,5 đến 2 giờ khi sử dụng bơm cấp dịch, hoặc 4 đến 4,5 giờ nếu cấp dịch từ bình giữ mức theo kiểu ngập dịch.
Truyền nhiệt trong tủ đông tiếp xúc là dẫn nhiệt.
Phương pháp làm đông tiếp xúc thường được áp dụng cho các loại sản phẩm dạng khối (block).
Thực phẩm được vận chuyển trên băng chuyền và được làm lạnh bằng ni tơ lỏng với nhiệt độ bay hơi -196℃, giúp quá trình đông lạnh diễn ra nhanh chóng chỉ trong 5 đến 10 phút Phương pháp này hiện đang được áp dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia phát triển.
Bảng 2.3: Các thông số về phương pháp cấp đông
Làm đông bằng hổn hợp đá và muối
Phương pháp làm lạnh này có thể áp dụng ở những khu vực không có điện năng để sử dụng máy lạnh Khi muối được hòa tan trong nước đá, nó tạo ra một hỗn hợp có khả năng làm giảm nhiệt độ Tùy thuộc vào tỷ lệ muối được sử dụng, hỗn hợp sẽ đạt được các mức nhiệt độ khác nhau.
Phương pháp này có ưu điểm đơn giản dễ thực hiện.
Phương pháp này có nhược điểm là nhiệt độ hỗn hợp chỉ đạt khoảng −12℃, dẫn đến khả năng bảo quản thực phẩm tươi sạch trong thời gian ngắn Thêm vào đó, thực phẩm cũng bị mất trọng lượng và giảm chất lượng bề mặt.
Làm đông bằng nước muối lạnh
Cá được cho vào giỏ lưới và ngâm trong bể nước muối lạnh, được làm mát bởi giàn bốc hơi amôniăc Nước muối được lưu thông bằng bơm, với nhiệt độ đạt -18℃, và thời gian đông lạnh là 3 giờ.
Phương pháp này được ứng dụng trong chế biến thuỷ sản.
Cá được vận chuyển trên băng chuyền và phun nước muối lạnh ở nhiệt độ -25℃ Sau khi đông lạnh, cá được rửa bằng nước sạch 20℃ để loại bỏ muối bám Cuối cùng, cá được phun nước 0℃ để mạ băng trước khi chuyển về kho bảo quản.
Phương pháp này giúp rút ngắn thời gian đông lạnh, giảm thiểu hao hụt trọng lượng và lượng muối thấm vào thực phẩm Tuy nhiên, thực phẩm vẫn có thể bị ngấm muối ở mức độ nhất định.
Xử lý thực phẩm sau cấp đông
Mạ băng sản phẩm đông Ý nghĩa
Mạ băng là quá trình làm đóng băng 1 lớp nước đá trên bề mặt sản phẩm Việc mạ băng có các tác dụng sau:
Lớp băng có tác dụng bảo vệ thực phẩm chống ôxi hoá các thành phần dinh dưỡng do tiếp xúc với không khí.
Chống quá trình thăng hoa nước đá trong thực phẩm.
Làm đẹp các sản phẩm.
Trữ thêm lạnh cho thực phẩm để bảo quản lâu dài.
Phương pháp mạ băng sản phẩm đông
Có 2 phương pháp mạ băng: Nhúng trong nước lạnh và phun nước lên bề mặt sản phẩm.
Phương pháp nhúng mang lại sự đồng đều và thẩm mỹ cao, dễ thực hiện nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng lạnh Sau một vài lần nhúng, nước sẽ bị ô nhiễm và cần phải được thay thế Nhiệt độ của nước nhúng dao động từ 3 đến 5℃.
Phương pháp phun yêu cầu thực hiện từ nhiều phía với hệ thống điều khiển tự động phối hợp nhịp nhàng giữa các khâu Đặc biệt, khi phun mặt dưới của sản phẩm, cần có biện pháp bổ sung vì khu vực này sẽ không được mạ.
Người ta thường kết hợp cả hai phương pháp nhúng và phun để tối ưu hóa quá trình mạ Khi phun, sản phẩm sẽ chuyển động vòng xuống máng chứa nước, giúp cả hai mặt đều được mạ băng: mặt trên nhờ phun và mặt dưới nhờ nước trong máng Phương pháp này đảm bảo độ đồng đều cho cả hai mặt, đồng thời giảm thiểu lượng nước cần thiết và tổn thất lạnh không đáng kể.
Sau khi làm ướt bề mặt sản phẩm, nước từ thực phẩm sẽ kết tinh và tạo thành lớp băng bám chặt Để tăng cường lớp băng mạ, không nên kéo dài thời gian mạ, vì điều này sẽ dẫn đến mất nhiệt Cần thực hiện mạ nhiều lần và tránh để các lớp thực phẩm tiếp xúc với nhau Độ dày của lớp băng mạ tối thiểu phải đạt 0,3mm.
Sau khi mạ băng xong do nhiệt độ sản phẩm tăng nên người ta đưa vào tái đông lại lần nữa để làm lạnh thực phẩm.
Bao gói thực phẩm là bước quan trọng nhằm bảo vệ và bảo quản thực phẩm, đồng thời nâng cao giá trị thẩm mỹ và thu hút khách hàng Sau khi thực phẩm được cấp đông, việc chuyển sang đóng gói bao bì không chỉ giúp bảo quản mà còn quảng bá sản phẩm hiệu quả Bao bì cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản để đảm bảo chất lượng và sự hấp dẫn của thực phẩm.
Để bảo quản sản phẩm hiệu quả, cần đảm bảo kín để tránh tiếp xúc với không khí, ngăn chặn quá trình ôxi hoá Đồng thời, cần chống thâm nhập hơi ẩm và thoát ẩm của thực phẩm Thường thì, sản phẩm được bao bọc bên trong bằng bao ni lông và bên ngoài là thùng các tông được tráng sáp.
Bao bì phải đẹp và hấp dẫn, đảm bảo thẩm mĩ công nghiệp.
Bao bì dạng khối dễ dàng xếp đặt và vận chuyển.
Sau khi thực phẩm được cấp đông, chúng cần trải qua các bước như mạ băng và đóng gói, dẫn đến việc mất một phần nhiệt Do đó, trước khi bảo quản, thực phẩm thường được đưa qua thiết bị tái đông để hạ nhiệt độ, giúp bảo quản hiệu quả hơn.
Buồng tái đông có cấu tạo giống buồng cấp đông dạng thẳng nhưng kích thước ngắn hơn.
TÍNH TOÁN CẤU TRÚC MÔ HÌNH TỦ CẤP ĐÔNG
Các thông số ban đầu của mô hình
Mô hình là một tủ cấp đông với các thông số sau:
Một máy nén cao áp 1HP
Một máy nén hạ áp 2HP với V nta 10, 21 m h 3 /
Tủ cấp đông có diện tích F 0,64 m 2
Sản phẩm cấp đông: thịt tôm nguyên vỏ.
Nhiệt độ phòng cấp đông: t f 35 � C
Kiểu cấp đông: thổi gió
Hệ thống dùng chu trình hai cấp làm mát hoàn toàn.
Thông số môi trường ở thành phố Hồ Chí Minh, từ bảng 1-1, trang 8, tài liệu [1], ta có các thông số về nhiệt độ và độ ẩm như sau:
Bảng 3.1: Thông số về nhiệt độ và độ ẩm ở thành phố Hồ Chí Minh
TB cả năm Mùa hè Mùa đông Mùa hè Mùa đông
Mạ băng Bao gói Bảo quản sản phẩm
Giai đoạn đưa đi làm lạnh trước khi cấp đông.
Kiểm soát và cân lại
Xếp khuôn Xếp tôm vỏ có đầu, xếp tôm vỏ không đầu, xếp tôm thịt.
Rửa Phân cỡ hạng Rửa sau phân cỡ
Xử lý tôm vỏ nguyên con, xử lý tôm vỏ bỏ đầu, xử lý tách vỏ (hay tôm thịt),
Quy trình xử lý nguyên liệu: Tôm đông lạnh
Khay được làm từ inox dày 1mm với thiết kế lỗ trên bề mặt giúp không khí lưu thông hiệu quả Khối lượng hàng trong mỗi khay cần được lựa chọn hợp lý dựa trên công suất của tủ Kích thước khay là 277×217×70 và 267×207.
Hình 3.1: Quy trình xử lý tôm đông lạnh
Tính toán nhiệt chu trình
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Nguyên lý làm việc của chu trình
Hơi môi chất từ thiết bị bay hơi được máy nén hạ áp hút về và nén từ trạng thái 1 lên trạng thái 2 Sau đó, hơi được đẩy vào bình trung gian có ống xoắn, nơi hơi được làm mát xuống trạng thái bão hoà 3 Hơi ở trạng thái 3 tiếp tục được máy nén cao áp hút về và nén lên trạng thái 4, rồi được đẩy vào thiết bị ngưng tụ để chuyển thành lỏng Lỏng môi chất sau thiết bị ngưng tụ chia làm hai phần: một phần nhỏ qua tiết lưu thứ nhất vào bình trung gian để làm mát hơi hút về máy nén cao áp, và phần còn lại qua ống xoắn của bình trung gian được làm quá lạnh đến trạng thái 9 Cuối cùng, lỏng môi chất được giảm áp qua van tiết lưu 2 để cấp cho giàn bay hơi, nơi lỏng môi chất bay hơi thu nhiệt từ môi trường cần làm lạnh, hoàn thành chu trình tuần hoàn khép kín.
Hình 3.3: Đồ thị logpHHình 3.2: Đồ thị T-s
Bảng 3.2: Thông số điểm nút của tru trình
THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CÁC ĐIỂM NÚT (R22) Điểm T p(bar) v(dm3/kg) h(kJ/kg) s(kJ/kg)
Chu trình được tính cho 1kg môi chất lạnh đi qua thiết bị bay hơi hạ áp.
Lượng lỏng trung áp bay hơi để làm quá lạnh 1kg lỏng cao áp ở bình trung gian bằng:
Lượng lỏng trung áp bay hơi để làm mát hoàn toàn 1kg hơi quá nhiệt trung áp ở bình trung gian bằng:
Lượng hơi sau van tiết lưu 1 bằng:
Công cấp cho máy nén thấp áp:
Công cấp cho máy nén cao áp:
Công cấp cho máy nén:
Nhiệt lượng riêng thể tích nhận được ở thiết bị bay hơi:
Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ:
l Thể tích tuần hoàn qua máy nén thấp áp:
Khối lượng tuần hoàn qua máy nén thấp áp:
Tổng nhiệt tải của máy nén:
Khối lượng tuần hoàn qua máy nén cao áp:
Thể tích tuần hoàn qua máy nén cao áp:
Công Lnta cấp cho máy nén thấp áp:
Công L cấp cho máy nén:
Nhiệt lượng Qk nhả ra ở thiết bị ngưng tụ:
Nhiệt lượng Q0 nhận được ở thiết bị bay hơi:
Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt
3.3.1 Tính toán thiết bị ngưng tụ
Thông số kết cấu: dùng ống đồng cánh nhôm;
Đường kính trong của ống d i 0,06 m ;
Khoảng cách các ống S= 0,09m, ống xếp tam giác đều;
Cánh tròn phẳng đường kính ngoài D c 0,1 m ;
Hình 3.5: Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt gió
Chọn các thông số nhiệt độ cần thiết. Độ tăng nhiệt độ không khí qua dàn ngưng thường chọn:
Nhiệt độ ngưng tụ thường cao hơn nhiệt độ không khí khoảng 13-17℃, và trong trường hợp này, chúng ta chọn 17℃ Do đó, nhiệt độ ngưng tụ t_k được tính là 54,3℃ Nếu độ tăng nhiệt độ không khí qua chùm ống là 9℃, thì nhiệt độ không khí ra sẽ được xác định dựa trên giá trị này.
2 37,3 9 46,3 t �C (nhiệt độ ra của không khí phải thấp hơn nhiệt độ nhưng tụ tối thiểu là 4℃, ở đây vẫn đảm bảo).
Nhiệt độ trung bình của không khí:
Với t 2 41,8 � C tra phụ lục tìm được thông số vật lý của không khí tương ứng là :
2 16,92 10 / s v � m Pr 2 0,699 Tốc độ dòng không khí qua chỗ hẹp nhất sơ bộ chọn ω = 8m/s (sau này sẽ kiểm tra lại sau).
� � [Theo TL1 tr 443] Ở đây chùm ống bố trí sole nên C = 0,45
Diện tích bế mặt ngoài của ống trơn tương ứng với 1 mét ống F0:
Diên tích bế mặt trao đổi nhiệt của cánh ứng với 1 mét ống :
Diện tích bề mặt ngoài ống không có cánh ứng với 1 mét ống :
� Tổng diện tích bề mặt ngoài ứng với 1 mét ống F:
Thay số liệu vào ta tìm được:
Do sự phân bố nhiệt độ nên hệ số tỏa nhiệt không đồng đều trên toàn bề mặt cánh, thực tế 2 ' 2 , trong đó � 0,85, do đó:
Tính cường độ tỏa nhiệt lãnh chất ngưng trong ống.
Khi ngưng hơi R22 trong ống nằm ngang co Re < 35000, cường độ tỏa nhiệt được tính:
Thông số vật lý λ, ρ, μ, ν chọn theo nhiệt độ trung bình của màng lãnh chất ngưng
Để tính toán ẩn nhiệt hóa hơi r theo nhiệt độ bão hòa của hơi ngưng tụ t s, ta sử dụng công thức 0,5(w)m s t = t + t Trong đó, d i là đường kính trong của ống (m) và t w là nhiệt độ bề mặt vách ống (℃) Hiện tại, nhiệt độ bề mặt t w (hoặc ρ) vẫn chưa được xác định, vì vậy chúng ta sẽ dựa vào đặc tính nhiệt trở để đưa ra giả thiết sơ bộ, và sau đó sẽ tiến hành kiểm tra và hiệu chỉnh lại.
Hơi Freon ngưng tụ có cường độ tỏa nhiệt khoảng 900-2000 W/m²K, trong khi cường độ tỏa nhiệt của không khí chỉ dao động từ 2-30 W/m²K Điều này cho thấy nhiệt trở về phía hơi Freon rất nhỏ so với phía không khí Do đó, có thể sơ bộ chọn độ suy giảm nhiệt độ là s = w 3 t a t t C.
Nhiệt độ trung bình màng lỏng ngưng:
0,5( w) 0,5(54,3 51,3) 52,8 m s t t t �C Ứng với nhiệt độ này thông số vật lý của lỏng R22 tra ở phần phụ lục là:
Với t s 54,3 � C tìm được r a 147,98 kJ kg /
Từ tính ở trên ta có F 1 0,1884 m 2
Mật độ dòng nhiệt của R22 ngưng tự trong ống được quy về 1 đơn vị diện tích bề mặt ngoài là:
Theo định luật bảo toàn năng lượng:
Các nhiệt trở dẫn nhiệt phụ xuất hiện ở phía cánh (phía không khí), bao gồm nhiệt trở do bám bụi với giá trị khoảng R b ≈ 0,0003 m K²/W, cùng với nhiệt trở tiếp xúc khi lắp cánh vào ống.
Các nhiệt trở dẫn nhiệt phát sinh từ phía chất lỏng, chẳng hạn như nhiệt trở của lớp dầu, có thể được bỏ qua trong trường hợp Freon, vì nó là chất hòa tan dầu Do đó, nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống đồng không cần phải tính đến.
Với giả thiết sơ bộ t a � � 3 C thì:
Mật độ dòng nhiệt quy đổi về phía không khí:
Sự chênh lệch giữa q a và q ang còn quá lớn, do đó phải giả thiết lại t a Chọn lại a 3, 4 t C
�, vì nhiệt độ thay đổi rất ít nên thông số vật lý màng lỏng gần như không thay đổi đáng kể.
Sai lệch này không đáng kể nên kết quả tính toán này được dùng tính tiếp phần sau. Tổng diện tích bề mặt ngoài của thiết bị: F 2 � :
Nếu chọn chiều dài 1 đoạn ống là L 1 0,8 m thì tổng số ống của thiết bị n sẽ là:
� chọn n = 123 ống Với tất cả các thông số đã tính toán về truyền nhiệt và kết cấu, kiểm tra lại giả thiết về tốc độ.
Diện tích tiết diện ngang của dòng khí lưu động tự do ứng với 1m chiều dài ống:
Số dãy ống theo chiều dòng thông thường chọn trong khoảng 3~8 dãy, ở đây chọn n 2 8 dãy (8 row) thì số ống ngang dòng n 1 sẽ là:
n ống chọn 16 ống Tiết diện tự do chỗ hẹp nhất cho dòng khí lưu động qua thiết bị:
Lưu lượng dòng không khí qua thiết bị:
Nhiệt độ trung bình của không khí t 2 41,8 � C , từ phụ lục ta tìm thấy 2 1,1217 kg/ m 3 , do đó:
Tốc độ dòng khí qua chỗ hẹp nhất 2max :
Tốc độ này gần như tương đương với tốc độ giả thiết, vì vậy có thể xem xét lại mà không có sự khác biệt đáng kể Cần kiểm tra xem tốc độ hứng dòng có nằm trong phạm vi sử dụng thông thường hay không, đồng thời cần lưu ý tỷ lệ thu hẹp tiết diện tự do của dòng khí do cánh và ống choáng chỗ.
Tốc độ hứng dòng 0 0,188 2 ax m 0,188 3,86 0, 73 /� m s < 5m/s nên chấp nhận được số liệu đã tính.
Kiểm tra lại độ chênh lệch độ gió qua dàn ngưng:
Kết quả kiểm tra tương đối phù hợp, do đó lưu lượng quạt chọn khoảng:
Theo TL1 trang 383 chọn dàn ngưng FNH-1052.
3.3.2 Tính toán thiết bị bay hơi
Hình 3.6: Thiết bị bay hơi kiểu dàn lạnh quạt trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức
Chọn thiết bị bay hơi kiểu dàn lạnh quạt trao đổi nhiệt đối lưu cuỡng bức không khí.
Vì loại này có ưu điểm so với dàn tĩnh:
Có thể bố trí ở trong buồng hoặc ngoài buồng lạnh.
Ít tốn thể tích bảo quản sản phẩm.
Nhiệt độ đồng đều, hệ số trao đổi nhiệt lớn.
Ít tốn nguyên vật liệu.
Nhưng chúng cũng có nhược điểm là ồn và tốn thêm năng suất lạnh cho động cơ quạt gió.
F - Diện tích trao đổi nhiệt, m 2
Q0 - Công suất lạnh của thiết bị bay hơi, W
∆t - Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit. min max min ln max tb t t t t t
k - Hệ số truyền nhiệt k của dàn quạt ống cánh phụ thuộc vào nhiệt độ sôi của R22 TheoTL1- Trang 298 chọn k 12 W/m 2 K với t = 9 0 C
Theo TL1 trang 297 chọn dàn quạt 2B020 có các thông số kỹ thuật sau:
Tính chọn đường ống và thiết bị phụ
Việc tính chọn đường ống cho hệ thống phụ thuộc cách bố trí
Công thức chung để chọn đường ống là:
G - Lưu lượng môi chất qua ống (kg/s);
- Khối lượng riêng của môi chất (Kg/m 3 ); v - Thể tích riêng của môi chất (m 3 /kg).
Tính chọn đường ống hút
Tính chọn đường ống đẩy
Tính chọn đường ống dẫn lỏng
� Kết luận: Theo mô hình thực tế chọn đường kính ống như sau:
Bảng 3.3: Bảng chọn đường ống thực tế Ống hút
Công thức chung để chọn các thiết bị phụ là:
D t - Đường kính tring của bình, m;
Vh - Lưu lượng thể tích dòng hơi qua bình tách lỏng, m 3 /s; ω - Tốc độ của hơi môi chất trong bình, m/s Lấy ω = 0,5m/s.
G - Lưu lượng khối lượng môi chất qua bình; vh - Thể tích riêng trạng thái hơi qua các bình.
Bình tách lỏng cho máy nén thấp áp
Để bảo vệ máy nén khỏi hiện tượng ngập lỏng, cần lắp đặt bình tách lỏng kiểu nón chắn trên đường hơi hút Bình tách lỏng này có chức năng tách các giọt hơi ẩm còn lại trong dòng hơi trước khi vào máy nén.
Bình tách lỏng làm việc theo nguyên lý:
Khi tốc độ dòng hơi cao giảm đột ngột xuống khoảng 0,5m/s, các giọt lỏng sẽ mất động năng và rơi xuống đáy bình Sự giảm tốc độ này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.
Việc thay đổi đột ngột hướng chuyển động của dòng môi chất là một yếu tố quan trọng Dòng môi chất thường được đưa vào bình không theo phương thẳng đứng mà thường được điều chỉnh theo những góc nhất định.
Sử dụng các tấm chắn để ngăn chặn các giọt lỏng, giúp giảm thiểu động năng khi dòng môi chất va chạm với vách chắn, khiến các giọt lỏng rơi xuống Đường kính trong của bình Dt cũng là yếu tố quan trọng trong quá trình này.
5 - Cửa hơi xả vào bình
7 - Dầu về bình chứa dầu
5 - Cửa hơi xả vào bình
Hình 3.8: Bình tách dầu kiểu nón chắn
Các máy lạnh cần bôi trơn các chi tiết chuyển động để giảm ma sát và kéo dài tuổi thọ thiết bị Trong quá trình hoạt động, dầu thường bị cuốn theo môi chất lạnh, dẫn đến một số hiện tượng không mong muốn.
Máy nén thiếu dầu, chế độ bôi trơn không tốt nên chóng hư hỏng.
Dầu sau khi tiếp xúc với môi chất lạnh sẽ tích tụ trên các thiết bị trao đổi nhiệt như thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi, dẫn đến giảm hiệu quả trao đổi nhiệt và ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động chung của toàn hệ thống.
Bình tách dầu máy nén cao áp Đường kính trong của Dt của bình:
Chọn bình tách dầu máy nén cao áp có đường kính Dt = 26mm
Bình tách dầu máy nén hạ áp Đường kính trong của Dt của bình:
Chọn bình tách dầu máy nén hạ áp có đường kính Dt = 45mm
Bình trung gian ống xoắn
Khử độ quá nhiệt của hơi từ xi lanh hạ áp giúp giảm công tiêu hao cho xi lanh cao áp Làm lạnh chất lỏng của tác nhân lạnh trước khi vào van tiết lưu đến nhiệt độ gần hoặc bằng nhiệt độ bay hơi ở áp suất trung gian để giảm tổn thất nhiệt Đồng thời, tách một phần dầu ra khỏi hơi để tối ưu hóa hiệu suất.
Diện tích trao đổi nhiệt ống xoắn:
Qtg: phụ tải nhiệt của chùm ống xoắn;
K = 580÷700W/m 2 K hệ số truyền nhiệt của ống xoắn, chọn K = 580W/m 2 K; Δttb: độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit của bình trung gian.
Vậy diện tích trao đổi nhiệt của ống xoắn là:
� Tổng chiều dài ống xoắn trong bình trung gian: tr
Trong đó Dtr là đường kính trong của ống xoắn Với Dtr = 10mm đã tính chọn ở chương 2.
Chọn bình trung gian ống xoắn có dường kính Dt = 10mm và chiều dài là 4,77m.
Hình 3.9: Bình trung gian ống xoắn
1 - Hơi hút về máy nén áp cao 9 - Hồi lỏng
2 - Hơi nén tầm thấp vào 10 - Xã đáy, hồi dầu
3 - Tiết lưu vào 11 - Chân bình
4 - Cách nhiệt bình trung gian 12 - Tấm bạ
6 - Lỏng ra 14 - Ống góp lắp van phao
7 - Ống xoắn ruột gà 15 - Ống lắp van an toàn
Bình chứa cao áp được lắp đặt ngay sau dàn ngưng tụ nhằm chứa lỏng cao áp, giúp giải phóng bề mặt trao đổi nhiệt cho dàn ngưng tụ và duy trì việc cung cấp lỏng liên tục cho van tiết lưu Thông thường, bình này được đặt dưới dàn ngưng và được cân bằng áp suất với dàn ngưng thông qua các đường ống cân bằng hơi và lỏng.
Hình 3.10: Cấu tạo bình chứa cao áp
1 - Đường cân bằng áp suất với bình ngưng 8 - Kính xem gas
2 - Đường nối với thiết bị tách khí không ngưng 9 - Xả dầu
3 - Van an toàn 10 - Ống xả đáy
5 - Đường lỏng từ bình ngưng xuống
6 - Đường lỏng từ bình tách khí không ngưng về
7 - Đường cấp dịch,tiết lưu vào bình tách khí không ngưng
Thể tích bình chứa cao áp:
Vd - Thể tích hệ thống bay hơi.
Thể tích của dàn lạnh được tính như sau:
Trong đó: d - đường kính trong của ống inox, d = 0,02m;
L - chiều dài của toàn bộ số ống, m.
Ta có 1 dàn lạnh mỗi dàn có: số ống theo hàng dọc là 9 ống, số ống theo hàng ngang là 5 ống, chiều dài mỗi ống là l = 0,8 m.
Vậy chiều dài của toàn bộ ống là L = 9 × 5 × 0,8 = 36m
Chọn bình chứa cao áp có thể tích là 0,016m 3
Dựa vào phần mềm Coolselector 2 của Danfoss ta chọn được : 2 van
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của van tiết lưu
Kiểu van Kích thước danh nghĩa
Với vận tốc ở trong ống = 0,5m/s, dựa vào phần mềm Coolselector 2 của Danfoss ta chọn được :
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của van điện từ
Kiểu van Kích thước danh nghĩa
Van chặn đường ống đẩy
Ta có:Tốc độ dòng chảy trong ống = 12m/s
Dựa vào phần mềm Coolselector2 của Danfoss ta chọn được :
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của van chặn đường ống đẩy
Tổn thất áp suất (Pa)
Van chặn đường ống hút
Ta có:Tốc độ dòng chảy trong ống = 10m/s
Dựa vào phần mềm Coolselector2 của Danfoss ta chọn được :
Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của van chặn đường ống hút
Kiểu van Kích thước danh nghĩa
Tổn thất áp suất (Pa)
Van chặn đường ống dẫn lỏng
Ta có:Tốc độ dòng chảy trong ống = 0,5m/s
Dựa vào phần mềm Coolselector2 của Danfoss ta chọn được :
Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật của van chặn đường ống dẫn lỏng
Kiểu van Kích thước danh nghĩa
Tổn thất áp suất (Pa)
Tính toán cách nhiệt cách ẩm
3.5.1 Mục đích, ý nghĩa, yêu cầu đối với vật liệu cách nhiệt, cách ẩm Đối với các kho lạnh có nhiệt độ thấp thì sẽ có tổn thất lượng lạnh ra môi trường xung quanh Dòng nhiệt truyền qua trần, tường, nền kho lạnh Để giảm bớt tổn thất lạnh ra môi trường xung quanh, người ta tiến hành bọc cách nhiệt kho lạnh Các thiết bị phần hạ áp nằm ở ngoài trời lạnh cũng được bọc cách nhiệt.
Hơi ẩm xâm nhập vào kho lạnh qua các tường chắn do áp suất hơi nước bên ngoài thường cao hơn bên trong, dẫn đến việc hơi nước thẩm thấu vào lớp cách nhiệt và làm tăng khả năng dẫn nhiệt Nếu nhiệt độ tường thấp hơn điểm đọng sương, hơi nước sẽ ngưng tụ thành lỏng và có thể gây đóng băng, đặc biệt là ở lớp cách nhiệt, từ đó phá hủy kho lạnh Vì vậy, việc thực hiện cách ẩm cho kho lạnh là cần thiết để bảo vệ lớp cách nhiệt khỏi sự xâm nhập của độ ẩm.
Mục đích tính toán cách nhiệt, cách ẩm là xác định chiều dày lớp cách nhiệt cn , chiều dày lớp cách ẩm ca
Các yêu cầu đối với vật liệu cách nhiệt, cách ẩm
Các yêu cầu đối với vật liệu cách nhiệt:
Bền vững với nhiệt độ thấp.
Không bị nấm mối phá hoại, không bị mục.
Không cháy hoặc khó cháy.
Tương đối bền vững cơ học.
Khả năng chứa ẩm, hút ẩm, thẩm thấu ẩm kém.
Dễ chế tạo, rẻ tiền.
Các yêu cầu đối với vật liệu cách ẩm:
Bền vững nhiệt ở dải làm việc.
Cấu trúc xây dựng tường, trần và nền đều sử dụng tấm panel cách nhiệt, đảm bảo độ dày lớp cách nhiệt đồng nhất cho tất cả các phần Thiết bị được thiết kế dưới dạng khối lập phương, vì vậy các mặt của nó đều giống nhau.
STT Tên vật liệu cách nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt độ
[Theo TL1 tr 85] k - Hệ số truyền nhiệt vách ngoài phụ thuộc vào nhiệt độ buồng lạnh k = 0,19 [Tra bảng 3.3 TL1 tr 84] α2 - Hệ số toả nhiệt bên trong phòng 2 10,5 2
[Tra bảng 3.7 TL1 tr 86] α1 - Hệ số truyền nhiệt bên ngoài phòng 1 23,3 2
Hai lớp Inox 1 2 0 5 mm [Theo TL1 tr10]
Một lớp Polyurethan có hệ số dẫn nhiệt là 0,041 W/m 2 K [Theo TL1 tr 81]
Do đó chiều dày lớp cách nhiệt là:
Chọn chiều dày lớp cách nhiệt cn = 0,20 m = 200mm
Như vậy hệ số truyền nhiệt thực tế ktt :
Hình 3.11: Kết cấu tấm panel
3.5.3 Kiểm tra hiện tượng đọng sương và ngưng tụ ẩm.
Kiểm tra hiện tượng đọng sương.
Nếu nhiệt độ bên ngoài kết cấu bao che thấp hơn nhiệt độ điểm sương của không khí, hiện tượng ngưng tụ sẽ xảy ra trên bề mặt kết cấu Để tránh tình trạng đọng sương gây mục nát và hư hỏng vật liệu, cần đảm bảo rằng nhiệt độ bề mặt ngoài của kết cấu luôn cao hơn nhiệt độ điểm sương.
ng : hệ số toả truyền nhiệt phía ngoài buồng lạnh; t1 : nhiệt độ bên ngoài buồng lạnh,℃; t2 : nhiệt độ buồng lạnh; ts : nhiệt độ điểm sương.
Nơi đặt kho lạnh là Thành phố Hồ Chí Minh, tra bảng 1-1 [Theo TL1] ta chọn được các thông số ngoài trời như sau:
Nhiệt độ trung bình cả năm là 27 0 C,
Nhiệt độ trung bình tháng nóng nhất mùa hè là 37,3 0 C, Độ ẩm tương đối mùa hè là 74%.
Gọi t1, 1 và t2 lần lượt là nhiệt độ, độ ẩm tương đối ở ngoài trời nơi đặt kho lạnh và nhiệt độ trong phòng kho lạnh, ta có: t1 = 37,3 0 C, 1 = 74%, và t2 = −30C.
Sử dụng đồ thị I - d, nhiệt độ đọng sương ngoài trời được xác định là ts = 32℃ Từ đó, có thể tính toán hệ số truyền nhiệt tối đa cho phép để tránh hiện tượng đọng sương trên bề mặt lớp cách nhiệt.
Kiểm tra đọng sương trên bề mặt tường.
Nhiệt độ phòng cấp đông t2 = -35 0 C và ktt = 0,199 W/m 2 K
Nhiệt độ bên ngoài phòng: t1 = 37,3 o C. Điều kiện để bề mặt ngoài của kết cấu không bị đọng sương:
Kết luận: Vậy kt < ks nên không xảy ra hiện tượng đọng sương trên bề mặt ngoài tường bao.
Kiểm tra ngưng tụ ẩm
Dòng ẩm di chuyển từ vùng có nhiệt độ cao vào kết cấu cách nhiệt qua mao dẫn, dẫn đến sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa các vùng Tại khu vực có nhiệt độ cao, áp suất riêng phần của hơi nước lớn hơn, tạo ra lực dẫn ẩm Khi áp suất riêng phần của hơi nước tại một điểm trong kết cấu thấp hơn áp suất bảo hòa, hiện tượng ngưng tụ ẩm xảy ra.
Nếu tổng trở dẫn của kết cấu Rn mà nhỏ hơn lực tổng trở lực dẫn ẩm của vật liệu trong lòng kết cấu : cn cn i i
thì không có hiện tượng ngưng tụ ẩm trong lòng kết cấu.
Nghĩa là: mt f cn cn i i P P
i - Độ dẫn ẩm của vật liệu;
Pmt - Phân áp suất của hơi nước trong không khí;
Pf - Phân áp suất của hơi nước trong phòng lạnh.
Kết cấu bao che của phòng lạnh được làm từ vật liệu Inox, do đó hoàn toàn ngăn chặn dòng ẩm xâm nhập vào, với chỉ số độ ẩm (μ) bằng 0 Vì lý do này, việc kiểm tra hiện tượng ngưng tụ ẩm trong kho lạnh là không cần thiết.
Tính khối lượng sản phẩm cấp đông
Khối lượng sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong việc xác định công suất lạnh, tính toán nhiệt kho lạnh và thời gian làm lạnh Từ việc tính toán nhiệt kho lạnh, chúng ta có thể xác định chính xác khối lượng sản phẩm cần đông lạnh.
Tính nhiệt kho lạnh là quá trình xác định các dòng nhiệt từ môi trường bên ngoài xâm nhập vào kho lạnh Đây là các dòng nhiệt tổn thất mà hệ thống máy lạnh cần đủ công suất để thải ra môi trường nóng, nhằm duy trì sự chênh lệch nhiệt độ ổn định giữa buồng lạnh và không khí bên ngoài.
Dòng nhiệt tổn thất vào kho lạnh được xác định bằng biểu thức sau:
Q1 - Dòng nhiệt đi qua kết cấu bao che của buồng lạnh;
Q2 - Dòng nhiệt do sản phẩm toả ra trong quá trình xử lý;
Q3 - Dòng nhiệt từ không khí bên ngoài do thông gió buồng lạnh;
Q4 - Dòng nhiệt từ các nguồn khác nhau khi vận hành kho lạnh;
Q5 - Dòng nhiệt toả ra khi sản phẩm hô hấp.
3.6.1 Tổn thất lạnh ra môi trường xung quanh :
Q n - Tổn thất lạnh qua nền;
Q tr - Tổn thất lạnh qua trần;
Q bx - Tổn thất lạnh do bức xạ mặt trời;
Q t - Tổn thất lạnh qua tường.
Kho lạnh là hình vuông cạnh là 0,8m.
Trong đó: kn - Hệ số truyền nhiệt của nền kn = 0,199 W/m 2 K;
Fn - Diện tích nền, Fn = 0,8 ×0,8 = 0,64 m 2 ;
t - Độ chênh lệch nhiệt đo bên ngoài và phòng trữ đông.
Trong đó: ktr - Hệ số truyền nhiệt của trần ktr = 0,199 W/m 2 K;
Ftr - Diện tích trần, Ftr = 0,8 ×0,8 = 0,64 m 2 ;
t - Độ chênh lệch nhiệt đo bên ngoài và phòng trữ đông.
Trong đó: kt - Hệ số truyền nhiệt của tường kt = 0,199 W/m 2 K;
Ft - Diện tích tường, Ft = 4(0,8 ×0,8) = 2,56 m 2 ;
t - Độ chênh lệch nhiệt đo bên ngoài và phòng trữ đông.
Q bx - Là tổn thất lạnh do bức xạ, nhưng do thiết kế trần và tường đều có kết cấu bao che, nên Q 1 bx 0.
Như vậy tổng tổn thất lạnh ra môi trường xung quanh là:
3.6.2 Tổn thất do làm lạnh sản phẩm:
Q2sp - Tổn thất lạnh để làm lạnh sản phẩm;
Q2bb - Tổn thất lạnh để làm lạnh bao bì.
Tổn thất lạnh để làm lạnh sản phẩm Q 2sp, W
Trong đó: h1, h2 - Entanpi của sản phẩm trước và sau khi làm lạnh, kJ /kg;
- Thời gian trữ đông sản phẩm, h;
Gsp - Khối lượng sản phẩm cần làm lạnh, tấn Gsp = M, tấn.
Hàng thực phẩm nhập vào một số kho lạnh thương nghiệp, ta chọn nhiệt độ sản phẩm vào kho lạnh là t1 = 4 o C, nhiệt độ ra t2 = −18 o C [Theo TL1 Tr 112]
Tra bảng 4.2 TL1 Tr 110 ta được: h1 = 245,5 kJ/kg, h2 = 4,6 kJ/kg.
Hay dùng công thức sau: 2 1 2
�3600 hệ số chuyển đổi đơn vị kg/s.
Tổn thất lạnh để làm lạnh bao bì Q 2bb , W
Mb - Khối lượng bao bì đưa vào cùng sản phẩm t/ngày.đêm;
Cb - Nhiệt dung riêng của bao bì, khay bằng thiết lấy Cb = 0,21 kJ/kgK;
Hệ số chuyển đổi từ tấn trên 24 giờ sang kilogam trên giây là 1000:(24.3600) Nhiệt độ trước và sau khi làm lạnh của bao bì được ký hiệu là t1 và t2, đo bằng độ C Sản phẩm thịt tôm được chọn là loại đã xếp lớp trong khay, với kích thước chuẩn là 277×217×70 và 267×207, bề dày khuôn là 1m, từ đó thể tích được tính toán dựa trên các thông số này.
Khối lượng bao bì: Chọn 6 khay
Khối lượng riêng của thiếc là 7230 kg/m³, với nhiệt độ t1 = 37,3°C và t2 = -35°C Sau khi xử lý, thịt được cho vào khay với nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường, và nhiệt độ ra được xác định là nhiệt độ phòng.
3.6.3 Dòng nhiệt do thông gió buồng lạnh.
Vì sản phẩm bảo quản là thịt tôm nên không cần thông gió vì vậy Q3 = 0.
3.6.4 Tổn thất lạnh do vận hành.
Q41 - Tổn thất lạnh do chiếu sáng;
Q42 - Tổn thất lạnh do người làm việc trong phòng;
Q43 - Tổn thất lạnh do động cơ tỏa ra;
Q44 - Tổn thất lạnh do mở cửa phòng lạnh.
Tổn thất lạnh do chiếu sáng Q 41, W:
A - Nhiệt lượng tỏa ra khi chiếu sáng 1m 2 diện tích buồng hay diện tích nền;
Do diện tích buồng nhỏ nên không cần chiếu sáng vậy: Q41 = 0
Tổn thất lạnh do người làm việc trong phòng Q 42 , W:
350 - Nhiệt lượng do một người thải ra khi làm việc nặng nhọc, W/người; n - Số người làm việc.
Do diện tích buồng nhỏ nên không cần người làm việc trong phòng vậy: Q42 = 0
Tổn thất lạnh do động cơ tỏa ra Q 43 [W]
Tổn thất lạnh do mở cửa phòng lạnh Q 44 [W]:
B - Dòng nhiệt riêng khi mở cửa, W/m 2 , Chọn B = 32 W/m 2 ;
3.6.5 Dòng nhiệt do hoa quả hô hấp Q 5
Do sản phẩm là tôm nên không có hô hấp vậy Q5 = 0
Vậy tổng tổn thất lạnh trong phòng trữ đông là:
3.6.6 Năng suất lạnh của máy nén.
Trong đó: k - Hệ số tính đến tổn thất trên đường ống và thiết bị của hệ thống lạnh t0 = − 45 0 C nên k =
1,115 dùng phương pháp nội suy [Theo TL1 Tr 121]; b - Hệ số thời gian làm việc Chọn b = 0,7 [Theo TL1 Tr 121];
Qmn - Tổng nhiệt tải của máy nén đối với một chế độ nhiệt độ bay hơi.
3.6.7 Phụ tải nhiệt cho máy nén:
Q MN Q Q Q M Vậy công suất M = 23,92 kg/mẻ