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

CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH NHÂN TẠO -Hệ nhiệt động: Là tập hợp hay nhiều vật thể tách riêng để nghiên cứu quy luật chuyển hóa lượng -Trạng thái hệ nhiệt động: tập hợp đại lượng vật lý có giá trị xác định đặc trưng cho đặc tính hệ nhiệt động thời điểm Những đại lượng vật lý gọi thơng số trạng thái hệ nhiệt động - Trạng thái cân bằng: trạng thái mà thơng số trạng thái có giá trị đồng tồn hệ khơng đổi theo thời gian khơng có tác động từ mơi trường bên ngồi thông số môi trường xung quanh 19 -Thông số trạng thái hệ nhiệt động: + Thơng số bản: thơng số đo trực tiếp gồm có nhiệt độ (T, K), áp suất (p, Pa), thể tích riêng phần v (m3/kg) + Hàm trạng thái bản: thông số tổng hợp, tính tốn gián tiếp thơng qua thông số hệ nhiệt động Hàm trạng thái bao gồm: Nội năng: toàn dạng lượng bên hệ (nội nhiệt năng, nội hóa năng, lực phân tử, nguyên tử…) ký hiệu U (J) Entanpi: dạng nhiệt động, đặc trưng cho khả sinh cơng hữu ích trao đổi lượng với mơi trường bên ngồi Ký hiệu I h (J) I =U+P.V Entropi: Là hàm trạng thái đặc trưng cho mức độ không thuận nghịch hệ nhiệt động Ký hiệu S (J/oK) ds=∂q/T 20 Quá trình nhiệt động: chuỗi nối tiếp trạng thái hệ nhiệt động có trao đổi nhiệt công với môi trường bên ngồi Chu trình nhiệt động:là q trình nhiệt động khép kín, hệ nhiệt động sau biến đổi qua trình nhiệt động quay lại trạng thái ban đầu Môi chất: Để thực trình chuyển hóa nhiệt thành dạng lượng khác chu trình nhiệt động, cần thiết phải thông qua chất trung gian gọi môi chất 21 Các định luật nhiệt động Định luật nhiệt động một: hệ định luật bảo toàn lượng Trong hệ nhiệt động lượng nhiệt sinh (hoặc đi) trao đổi với môi trường xung quanh trình biến đổi từ trạng thái (1) đến trạng thái (2) thay đổi lượng cộng với thay đổi cơng tồn hệ Q1-2=∆E1-2+L1-2 Hệ quả: q1-2= (i2-i1) -∫v.dp=(i2-i1)+l1-2 trình đoạn nhiệt (q1-2=0): i2-i1=l1-2 trình đẳng áp (p=const): q1-2=i2-i1 Định luật nhiệt động hai: Xác định chiều biến đổi tự nhiên hệ nhiệt động Trong tự nhiên, nhiệt truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp 22 Phương trình trạng thái khí lý tưởng (Mendeleev-Clapeyron): biểu diễn mối liên hệ thông số hệ nhiệt động 𝑚 𝑃 𝑉 = 𝑅 𝑇 𝜇 Chu trình máy lạnh biểu diễn: để tính tốn, thiết kế, phân tích hoạt động máy lạnh, người ta thường biểu diễn hoạt động máy lạnh dạng chu trình nhiệt động mơi chất lạnh dùng máy lạnh (đồ thị logP-i (h) đồ thị T-S) 23 24 25 Các phương pháp làm lạnh nhân tạo Nguyên lý chung: để làm lạnh cần thiết phải tạo nguồn có nhiệt độ thấp nhiệt độ môi trường Nguồn nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh sau lượng nhiệt hệ thống máy móc thiết bị chuyển tải thải môi trường Môi chất lạnh (môi trường làm lạnh) Bộ phận thải nhiệt (Bộ phận ngưng tụ) Môi trường cần làm lạnh (sản phẩm) Bộ phận sinh công (Máy nén) Nguyên lý làm lạnh nhân tạo 26 Các phương pháp làm lạnh • Phương pháp hịa trộn lạnh • Phương pháp bay chất lỏng • Phương pháp khử từ đoạn nhiệt • Bay khuyếch tán • Phương pháp dãn nở khí có sinh cơng • Phương pháp tiết lưu khơng sinh ngoại cơng • Giãn nở khí ống xốy • Hiệu ứng nhiệt điện 27 Phương pháp hịa trộn lạnh: Hòa trộn muối nước nước đá theo tỉ lệ định Phương pháp dùng sơ chế hải sản, sử dụng muối ăn, loại muối khác giá thành cao ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Phương pháp bay chất lỏng: thông thường sử dụng nito lỏng, CO2 lỏng, môi chất lạnh khác Phương pháp có giá thành cao Dùng bảo quản loại thực phẩm chất lượng cao Phương pháp khử từ đoạn nhiệt: Sử dụng loại muối nhiễm từ Phương pháp chủ yếu dùng phịng thí nghiệm để tạo nhiệt độ gần nhiệt độ không tuyệt đối 28 Bay khuyếch tán: chất bay nước đẳng entanpi vào khơng khí chưa bão hịa Kết độ ẩm khơng khí tăng lên, môi trường làm lạnh 29 30 Phương pháp dãn nở khí có sinh cơng: theo phương trình trạng thái pv=C.R.T, giãn nở khí, áp suất giảm dẫn tới nhiệt độ giảm 31 Phương pháp tiết lưu không sinh ngoại cơng (hiệu ứng Joule-Thomson): cho dịng mơi chất qua ống có tiết diện bị thu hẹp đột ngột Bản chất hạ nhiệt độ môi trường cách hóa (chuyển pha) mơi chất lỏng nhiệt độ thấp có áp suất tương ứng Hiệu ứng Joule –Thomson Sau tiết lưu elthanpy mơi chất giữ nguyên không đổi Ý nghĩa vật lý hiệu ứng tiết lưu Joule-Thomson nội dịng mơi chất trước tiết lưu sử dụng khơng phải để sinh công mà để thắng lực cản phân tử môi chất sinh ma sát 32 VD Dịng khí có áp suất bar thổi qua ống Ø12mm cho nguồn nóng có nhiệt độ +58 độ C phía lạnh có nhiệt độ 12 độ C Giãn nở khí ống xốy: dịng khí nén bơm theo phương tiếp tiếp với thành ống, chênh lệnh vận tốc góc luồng khí trục ống luồng khí sát thành ống xuất lực ma sát, làm giảm động luồng khí trục dẫn tới áp suất nhiệt độ luồng khí giảm Phương pháp sử dụng hiệu 33 thấp Hiệu ứng nhiệt điện( hiệu ứng Peltier): Khi cho dịng điện chiều thích hợp qua cặp nhiệt điện (lưỡng kim bán dẫn), đầu cặp nhiệt điện có nhiệt độ cao mơi trường (tỏa nhiệt), đầu có nhiệt độ thấp môi trường (làm lạnh) Hiệu ứng nhiệt điện 34 Cơ sở nhiệt động máy lạnh Máy lạnh: hệ thống thiết bị dùng để lấy nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp nhiệt độ mơi trường sau chuyển lên nguồn có nhiệt độ cao nhiệt độ mơi trường để thải nhiệt ngồi Trong q trình máy lạnh nhận cơng từ bên ngồi 35 Phương trình lượng hệ số lạnh máy lạnh Phương trình lượng máy lạnh 𝑸𝑲 = 𝑸𝑶 + 𝑳 Trong đó: 𝑄𝐾 – Nhiệt thải mơi trường (nguồn có nhiệt độ cao, suất thải nhiệt) 𝑄𝑂 – Nhiệt thu từ nguồn có nhiệt độ thấp (năng suất lạnh) L – Công nén Hệ số lạnh (ε, COP): tỉ số suất lạnh công nén Đặc trưng cho mức độ hiệu mặt lượng 𝑸𝟎 𝜺= 𝑳 Hệ số lạnh đạt lớn hoạt động theo chu trình Carno đó: 𝜺𝒎𝒂𝒙 𝑻𝟐 = 𝜺𝒄 = 𝑻𝟐 − 𝑻 𝟏 Trong đó: T1 – nhiệt độ nguồn có nhiệt độ thấp T2 – nhiệt độ nguồn có nhiệt độ cao; Hệ số đánh giá độ hồn thiện chu trình 𝜼= 𝜺 𝜺𝒎𝒂𝒙 36 Các loại máy lạnh thực tế: Các loại máy lạnh Máy lạnh nén Máy lạnh hấp thụ Máy lạnh ejecter Máy lạnh nén khí loại máy lạnh đầu sử dụng van tiết lưu (hiệu ứng Joule-Thomson) để tạo nguồn có nhiệt độ thấp; mơi chất có chuyển pha Loại thứ sử dụng máy dãn nở khí sinh ngoại cơng; mơi chất khơng chuyển pha 37 Máy lạnh nén hơi: dàn bay (GBH) mơi chất lạnh dạng lỏng (có chứa phần nhận nhiệt vật cần làm lạnh, hóa Hơi sau hút máy nén (MN) nén lên áp suất cao nhiệt độ cao môi trường, đẩy vào dàn ngưng (GN) Tại dàn ngưng môi chất thải nhiệt (Qk) cho môi trường ngưng tụ áp suất Pk Môi chất lạnh lỏng qua van tiết lưu (TL) hạ áp xuống Po Sơ đồ nguyên lý làm việc máy lạnh nén 38 Máy lạnh hấp thụ: vai trò máy nén thay vịng tuần hồn bình hấp thụ (HT), sinh (SH) bơm dung dịch (BDD), van tiết lưu dung dịch (TL2) Ứng dụng xí nghiệp tận dụng nhiệt thừa Sơ đồ nguyên lý làm việc máy lạnh hấp thụ 39 Máy lạnh Ejector: 40 Máy lạnh nén khí: Khí từ buồng lạnh hút nén lên áp suất cao nhiệt độ cao trạng thái 2, sau đưa vào bình làm mát thải nhiệt cho nước làm mát Khí sau làm mát đưa vào máy dãn nở dãn nở xuống áp suất thấp nhiệt độ thấp phun vào buồng lạnh Quá trình lặp lại Ứng dụng: điều hịa khơng khí máy bay, dùng kỹ thuật lạnh cryo để hóa lỏng khí 41