Thiết kế Tủ đông tiếp xúc năng suất lạnh 2Tngày

Do sự trao đổi nhiệt lớn, nhiệt độ thực phẩm giảm nhanh, mức độ di chuyển của nước trong quá trình kết tinh ít, nên các tinh thể nước đá có kích thước nhỏ, số lượng tinh thể nhiều.. Đặc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM



BÁO CÁO MÔN CÔNG NGHỆ BẢO QUẢN LẠNH:

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỦ ĐÔNG TIẾP XÚC

NĂNG SUẤT LẠNH 2 TẤN/NGÀY

GVHD:

SVTH:

Nguyễn Chí Công 10116008 Địch Thị Duyên 10116096 Trần Thị Thu Sang 10116052 Bùi Thị Tâm 10116053 Kiều Xuân Nhật Tuấn 10116089 Sơn Thị Thanh Tuyền 10116091

TP.HCM, 09/2013

Tủ đông tiếp xúc

Chương 1: Tổng quan lạnh đông.

I. Lịch sử phát triển và ứng dụng của lạnh đông.

Đã mấy ngàn năm trôi qua, từ khi con người còn chưa đạt được những thành tựu lớn

về khoa học, chúng ta đã biết sử dụng lửa vào việc sưởi ấm vào mùa đông và cũng biết sử dụng băng, tuyết vào việc giữ gìn, bảo quản thực phẩm Cách đây khoảng hơn 2000 năm người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết cách trộn muối với nước hoặc nước đá để tạo ra nhiệt

độ thấp hơn.

Vào năm 1761 – 1764, giáo sư Black đã tìm ra nhiệt ẩn hoá hơi và nhiệt ẩn nóng chảy

Từ đó mà con người đã biết làm lạnh bằng cách cho bay hơi chất lỏng ở áp suất thấp Năm 1810, máy lạnh hấp thụ chu kì với cặp môi chất H 2 O/H 2 SO 4 đầu tiên do Leslie (Pháp) đưa ra Đến giữa thế kỉ XIX nó được phát triển rầm rộ nhờ vào kĩ sư Carré (Pháp) với hàng loạt bằng phát minh về máy lạnh hấp thụ chu kì và liên tục với các cặp môi chất khác nhau.

Tủ đông tiếp xúc

Năm 1873, Van der Waals công bố phương trình trạng thái, cùng lúc đó nhà bác học Pháp là Charler Tellier trình bày luận án ở Viện hàn lâm Pháp về việc dùng lạnh để bảo quản thịt, ông là người được cả thế giới xem như là ông tổ ngành lạnh.

Năm 1898, Dewar hoá lỏng được H 2 và Linde hoá lỏng O 2 , N 2 và tách bằng chưng cất Đến cuối thế kỉ XIX, với hàng loạt cải tiến của Linde với việc sử dụng môi chất NH 3 cho máy lạnh nén hơi, làm cho máy lạnh nén hơi được sử dụng phổ biến ở nhiều nơi.

Năm 1904: Mollier xây dựng đồ thị i – s và logP – i.

Năm 1930, sự kiện quan trọng phát triển kĩ thuật lạnh là việc sản xuất và ứng dụng môi chất lạnh Freon ở Mĩ Môi chất lạnh Freon là hợp chất hữu cơ hydro cacbua no hoặc không no như metal (CH 4 ) hoặc etan (C 2 H 6 )…, được thay thế một phần hoặc toàn bộ các nguyên tử hydro bằng các nguyên tử halogen như Clo (Cl), Flo (F) hoặc Brom (Br).

Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm: Đây là lãnh vực quan trọng nhất của kỹ thuật lạnh đông, nhằm đảm bảo cho các thực phẩm: rau, quả, thịt, cá, sữa, …không bị phân hủy (thối rữa) do vi khuẩn gây ra Đặc biệt những nước có thời tiết nóng và ẩm như nước ta thì quá trình phân hủy (thối rữa) sẽ diễn ra càng nhanh Vì thế việc áp dụng kỹ thuật lạnh đông vào việc bảo quản thực phẩm là hết sức cần thiết.

Ứng dụng trong thể dục thể thao: Nhờ có kỹ thuật lạnh đông mà người ta có thể tạo ra sân trượt băng, đường đua trượt băng và trượt tuyết nhân tạo cho các vận động viên luyện tập hoặc cho các đại hội thể thao ngay cả khi nhiệt độ không khí còn rất cao, hoặc có thể để sưởi ấm bể bơi.

Ứng dụng trong công nghiệp hoá chất: Những ứng dụng quan trọng nhất trong công nghiệp hoá chất là sự hoá lỏng khí bao gồm hoá lỏng các chất khí là sản phẩm của công nghiệp hoá chất như: Cl 2 , NH 3 , CO 2 , SO 3 , HCl và các loại khí đốt khác Người ta thường dùng kỹ thuật lạnh để cô đặc nước quả, rượu nho, nhằm làm tăng hiệu suất ép nước rau, quả.

Ứng dụng trong ngành Công nghiệp: Luyện kim, Chế tạo máy, Y học, Dược phẩm, ngành Vải sợi, Cao su nhân tạo

Ứng dụng trong Nông nghiệp: nhằm bảo quản giống, lai tạo giống, điều hoà khí hậu cho các trại chăn nuôi trồng trọt, bảo quản và chế biến cá, nông sản thực phẩm.

Ứng dụng trong ngành Y học: Trong y tế người ta ứng dụng lạnh để bảo quản thuốc và các phẩm vật y tế… kỹ thuật lạnh được sử dụng trong y tế ngày càng nhiều và càng đem lại những hiệu quả hết sức to lớn Phần lớn những loại thuốc quí, hiếm đều cần được bảo quản lạnh ở nhiệt độ thích hợp: như các loại vacxine, kháng sinh, gây mê….

Tủ đông tiếp xúc

Ứng dụng trong đời sống: Sản xuất nước đá và dùng nước đá cho việc trữ lạnh khi vận chuyển, bảo quản nông sản, thực phẩm, cho chế biến thuỷ sản và cho sinh hoạt của con người, nhất là ở các vùng nhiệt đới để làm mát và giải khát.

II. Khái niệm và mục đích của lạnh đông.

Lạnh đông là phương pháp bảo quản thực phẩm bằng cách hạ nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ đóng băng của dịch bào nhằm biến nước trong thực phẩm thành đá do đó làm ngăn cản sự phát triển của vi sinh vật dẫn đến sự phân hủy của thực phẩm diễn ra chậm Tùy theo mức độ làm lạnh đông mà lượng nước đá trong sản phẩm chuyển thành đá từ 80% trở lên.

Mục đích của quá trình lạnh đông thực phẩm là hạ nhiệt độ xuống thấp Vì vậy làm chậm lại sự ươn hỏng và sản phẩm được tan giá sau thời gian bảo quản lạnh đông hầu như không bị thay đổi tính chất ban đầu của nguyên liệu tươi.

Hiện nay lạnh đông là biện pháp kỹ thuật thích hợp nhất cho công nghiệp chế biến bảo quản thực phẩm Theo cách này thực phẩm giữ được gần như nguyên vẹn tính chất ban đầu về hình dáng cũng như chất lượng dinh dưỡng bên trong Vì ở nhiệt độ thấp, vi sinh vật sẽ bị đóng băng nên nó sẽ bị ngủ và không làm hư hỏng thực phẩm.

Lạnh đông không những kìm hãm được những biến đổi về hoá học, sinh học mà đôi khi còn có tác dụng tăng phẩm chất của một số nguyên liệu rau quả như trái cây sẽ tích tụ được nhiều pectin hơn, mềm hơn từ đó độ tiêu hoá và giá trị hấp thu sẽ tăng lên Nhất là các loại đồ hộp trái cây, nước trái cây, kem trái cây, cocktail,… sẽ hấp dẫn người tiêu dùng hơn.

III. Cơ sở khoa học lạnh đông thực phẩm.

3.1. Sự kết tinh của nước trong thực phẩm khi lạnh đông.

3.1.1. Những tác động sự kết tinh nước đối với thực phẩm.

Sự kết tinh nước là một hiện tượng cơ bản làm thay đổi các tính chất của thực phẩm, nước chuyển sang trạng thái rắn làm mất đi môi trường lỏng của sự hoạt động vi sinh vật

và các enzym trong thực phẩm Sự giảm mức năng lượng do kết tinh của nước rất lớn so với các quá trình giảm nhiệt độ, đây là những yếu tố chủ yếu dẫn đến tiêu diệt hoặc kìm hãm hoạt động sống của vi sinh vật, hạn chế tác động của enzym Do đó, làm giảm đi rất nhiều những biến đổi hoá học xảy ra ttrong thực phẩm, ngoài ra cấu trúc thực phẩm được

Tủ đông tiếp xúc

nước đá bảo vệ hạn chế tác động của môi trường bên ngoải tác động trong quá trình vận chuyển bảo quản Vì vậy làm đông là biện pháp bảo vệ tốt nhất những tính chất ban đầu của thực phẩm trong một thời gian rất dài.

Khi nước kết tinh sẽ dãn nỡ thể tích, thường làm rách vỡ cấu trúc bên trong của thực phẩm, dẫn đến làm thay đổi một số tính chất của nó Quá trình kết tinh nước làm tăng tốc

độ mất nước, đồng thời có thể gây biến tính những chất dinh dưỡng có liên kết tốt với nước, dẫn đến làm giảm mùi vị, khả năng hút nước và giữ nước của thực phẩm, ngoài rra

nó còn thay đổi màu sắc của thực phẩm.

3.1.2. Quá trình kết tinh nước.

Quá trình kết tinh của nước là quá trình tạo thành các mầm tinh thể và tăng kích thước của chúng, quá trình giảm nhiệt độ tức là quá trình giảm mức năng lượng, dẫn đến giảm sự chuyển động tự do về nhiệt của các phân tử chất lỏng, đến một mức độ nào đó lực liên kết giữa các phân tử có thể cố định chúng lại tại những vị trí xác định, tạo thành tinh thể nước đá Ở trong nước thường luôn luôn có những phân tử chất rắn với kích thước nhỏ, ở nhiệt độ gần 0 0 C những phân tử chất rắn này sẽ ngừng chuyển động nhiệt, lực liên kết giữa chúng với các phân tử nước xung quanh lớn hơn lực kết hợp giữa các phân tử nước với nhau Vì vậy, các phân tử nước liên kết với các phân tử chất rắn ở 0 0 C để tạo thành những mầm tinh thể Do đó, xu hướng chủ yếu là các mầm tinh thể hút các phân tử nước để tăng kích thước tinh thể và ít có xu hướng tăng thêm số lượng mầm tinh thể Trong cấu trúc thực phẩm, nước chịu nhiều tác động ở các chất tan, chất không tan, ở những vị trí khác nhau trạng thái của chúng khác nhau, vì vậy nhiệt độ kết tinh của nước trong thực phẩm khác nhau là khác nhau.

3.1.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự kết tinh nước.

n: Số phân tử gam các chất tan.

∆t: Độ giảm nhiệt độ kết tinh.

Hiện tượng ở nhiệt độ dưới 0 0 C mà nước chưa kết tinh thành đá gọi là hiện tượng quá lạnh Hiện tượng quá lạnh phụ thuộc vào nồng độ chất tan, cấu trúc màng tế bào và tốc độ

hạ nhiệt độ của môi trường xung quanh Nhiệt độ điểm quá lạnh và nhiệt độ điểm đóng băng hoàn toàn khác nhau.

Các tinh thể đá xuất hiện ở điểm quá lạnh, tỏa ra ẩn nhiệt đóng băng làm tăng nhiệt

độ thực phẩm Bởi vì, tốc độ thải nhiệt không kịp với tốc độ sinh nhiệt do tạo mầm tinh thể

đá Ở điểm này, chủ yếu nước tự do cấu trúc bị tách ra và kết tinh Nhiệt độ thực phẩm tăng lên đến một mức cao nhất và dừng ở đó một lúc để hoàn thành quá trình đóng băng nước (nước tự do – cấu trúc) đây là điểm đóng băng, sau đó tiếp tục giảm nhiệt độ Ở mỗi loại thực phẩm khác nhau thì có điểm quá lạnh vá điểm đóng băng khác nhau.

Tốc độ làm đông có thể đo bằng tốc độ chuyển dịch của vạch phân cách giữa miền nước đang kết tinh và miền nước chưa kết tinh, thông thường phân biệt quá trình làm đông với tốc độ chậm, nhanh và thật nhanh Đối với nhiều loại thực phẩm giới hạn giữa làm đông chậm và làm đông nhanh có thể là 3 cm/h, nhưng nói chung tốc độ làm đông sẽ ảnh hưởng đến tinh thể nước đá và chất lượng sản phẩm

(1) − Lạnh đông chậm.

Do sự giảm nhiệt độ diễn ra chậm, quá trình kết tinh nước đá có điều kiện để hút các phân tử nước xung quanh dẫn đến số lượng tinh thể ít, thể thích và kích thước tinh thể nước đá lớn Do đó, khi làm lạnh đông chậm nó tác động nhiều đến cấu trúc sản phẩm (2) − Lạnh đông nhanh.

Do sự trao đổi nhiệt lớn, nhiệt độ thực phẩm giảm nhanh, mức độ di chuyển của nước trong quá trình kết tinh ít, nên các tinh thể nước đá có kích thước nhỏ, số lượng tinh thể nhiều Vì vậy, khi làm lạnh đông nhanh nó ít ảnh hưởng đến cấu trúc, chất lượng sản phẩm.

(3) − Lạnh đông tức thời.

Chuyển nước về trạng thái rắn ở ngay vị trí tồn tại ban đầu của chúng, với nhiệt độ kết tinh thấp Các tinh thể nước đá có kích thước rất nhỏ, ở dạng sợi nhỏ, một số trường hợp các tinh thể nước đá ở dạng vô định hình Như vậy, khi làm đông cực nhanh thì hầu như không ảnh hưởng đến cấu trúc, chất lượng của thực phẩm.

Tủ đông tiếp xúc

3.1.3.3. Trạng thái chất lượng của sản phẩm.

Trạng thái chất lượng của thực phẩm thường gắn liền trạng thái của nước trong thực phẩm, trong thực phẩm nước tồn tại ở hai dạng, nước tự do không tham gia vào cấu trúc thực phẩm, nước liên kết tham gia liên kết với các thành phần chất tan, với những chất rắn trong cấu trúc thực phẩm Khi chất lượng thực phẩm giảm thì dẫn đến tỉ lệ nước tự do tăng, nước liên kết giảm Đặc biệt trong quá trình biến đổi tự nhiên với giai đoạn co cứng (tê cứng) của động vật làm những trung tâm giữ nước trong cấu trúc thực phẩm giảm dẫn đến khi nước kết tinh khả năng di chuyển của nước tăng, các tinh thể nước đá có kích thước tăng, khối lượng thực phẩm giảm và làm ảnh hưởng xấu đối với chất lượng thực phẩm.

3.1.4. Sự kết tinh của nước trong thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ cấp đông.

Viện đại học Tokyo (Nhật Bản) bằng kỹ thuật hiện đại chụp thực phẩm lạnh đông bằng tia Rơnghen (tia X) truyền dẫn tín hiệu bằng hệ thống cảm biến kỹ thuật số đã phân tích và theo dõi được sự kết tinh của nước trong thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ lạnh đông thực phẩm.

Tập thể các nhà khoa học khoa Công nghệ lạnh thực phẩm của Viện đại học Tokyo đã nghiên cứu trên đối tượng thủy hải sản là chủ yếu Và kết quả được thể hiện rõ trên hình, đường (4) nói đến mối quan hệ giữa tỷ lệ nước đóng băng và nhiệt độ cấp đông là tuyến tính Các đường nằm trên đường (4) là những đối tượng thủy hải sản có thành phần protein là chủ yếu, còn lipid chiếm một lượng rất nhỏ, những đường nằm dưới ở dưới đường (4) là những đối tượng thủy hải sản có thành phần lipid là chủ yếu.

Đường (1) là quan hệ giữa tỷ lệ nước đóng băng và nhiệt độ cấp đông của cá cơm, con moi.

Đường (2) là quan hệ giữa

tỷ lệ nước đóng băng và nhiệt

độ cấp đông của tôm sú, tôm

bạc.

Đường (3) là quan hệ giữa

tỷ lệ nước đóng băng và nhiệt

độ cấp đông của cá thu, cá ngừ.

Đường (5) là quan hệ giữa

tỷ lệ nước đóng băng và nhiệt

độ cấp đông của cá mập, cá voi

3.2. Những biến đổi của thực phẩm khi làm đông.

3.2.1. Những biến đổi về vật lý.

Trong quá trình làm đông trạng thái của thực phẩm trở nên cứng, rắn do sự kết tinh của nước, nhưng khi phục hồi lại trạng thái ban đầu (làm tan nước đá của thực phẩm, tan giá) thì độ cứng, độ đàn hồi, tính chặt chẽ của cấu trúc thực phẩm giảm đó là do những tác động đến thực phẩm của sự giản nở các tinh thể nước đá làm rách vỡ cấu trúc thực phẩm Trong quá trình làm đông màu sắc của thực phẩm thay đổi, mức độ biến đổi độ cứng phụ thuộc vào kích thước tinh thể nước đá, nếu kích thước càng nhỏ, số lượng tinh thể nhiều thì sự biến đổi càng ít, sự mất nước của thực phẩm trong quá trình làm đông diễn ra khá phức tạp chủ yếu do sự kết tinh của nước Khi nước kết tinh bắt đầu từ bên ngoài rồi đến bên trong, các tinh thể nước đá hình thành đầu tiên ở những vị trí nước tự do Chúng có khả năng thu hút nước từ vị trí nước kết hợp gây nên sự chuyển dịch của nước, ngoài ra khi nước ở vị trí tự do kết tinh nồng độ các chất tan ở đây tăng dần gây nên sự chệnh lệch

áp suất thẩm thấu Sự chênh lệch hàm lượng nước dẫn đến nước sẽ dịch chuyển từ nơi có

vị trí hàm lượng cao về vị trí có hàm lượng thấp, mặc khác quá trình trao đổi nhiệt cũng tác động đến sự khuếch tán của nước, nước chuyển động từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp.

Còn ở trên bề mặt thực phẩm, khi nước chưa đóng băng thì có sự bay hơi nước với cường độ lớn, khi nước đóng băng thì có sự thăng hoa của các tinh thể nước đá với mức độ thăng hoa không nhiều Như vậy, nước có thể kết tinh trong trong cấu trúc thực phẩm, trọng lượng của nó ít thay đổi, nhưng khi làm tan nước đá để phục hồi trạng thái thực phẩm thì một phần nước nóng chảy sẽ chảy ra ngoài dẫn đến hao hụt trọng lượng và một

số biến đổi về hình thức chất lượng thực phẩm Mức độ mất nước của thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ thực phẩm và

nhiệt độ môi trường thực phẩm được

biểu diễn trên đồ thị, ở nhiệt độ âm

càng sâu thì độ mất nước càng giảm

và ngược lại.

Trong đó:

∆g: Độ mất nước tương đối

của thực phẩm, %;

Tủ đông tiếp xúc

t: Nhiệt độ của thực phẩm, 0 C;

t 0 : Nhiệt độ môi trường làm lạnh thực phẩm, 0 C.

Khi làm đông, nước sẽ đóng băng làm cho thể tích của chúng tăng lên khoảng từ 8% đến 10%, tùy theo các loại thực phẩm khác nhau thì thể tích của chúng tăng khác nhau Đối với loại thực phẩm thủy hải sản vì thành phần của nước chiếm đến 90% nên thể tích thực phẩm sau khi cấp đông là 10%, còn đối với gia súc, gia cầm thì nhỏ hơn 8%.

3.2.2. Những biến đổi về hóa học.

Sự biến đổi về mặt hóa học chủ yếu là sự biến tính protein hòa tan trong nước và sự tạo thành acid lacitc tứ quá trình chuyển hóa glucose (glucogen), bình thường các chất protein hòa tan cùng với chất béo, glucose và các muối tạo thành dung dịch Khi nước kết tinh chúng tách ra khỏi phân tử protein làm cho các phân tử protein biến đổi cấu trúc, làm giảm đi những trung tâm liên kết với nước trong cấu trúc phân tử của chúng Do đó, khi phục hồi trạng thái khả năng hút nước và giữ nước của thực phẩm giảm, các biến đổi này

sẽ được hạn chế khi kích thước các tinh thể nước đá giảm.

Màu sắc bị thay đổi là do các hợp chất màu bản thân của nó sẽ liên kết với protein và nước, nhưng khi nước đóng băng nước sẽ tách ra, protein bị biến tính hợp chất màu không còn là bản thân của nó nữa, nó sẽ thay đổi sắc tố Như vậy, quá trình tách nước là quá trình làm thay đổi màu sắc không nhiều thì ít vì lúc đó hoạt độ của nước cũng bị thay đổi Ngoài ra, khi làm đông thì mùi, vị của thực phẩm cũng bị thay đổi tuy không đáng kể nhưng nó cũng bị ảnh hưởng.

Các chất béo khi đông lạnh dễ bị oxy hóa, dễ bị chua do lipid thủy phân và hàm lượng acid béo tự do tăng lên, acid béo tự do có thể phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian bảo quản, ngoài sự thay đổi của chất béo thì vitamin cũng bị thay đổi nhất là các loại vitamin tan trong chất béo như A, D,

Trong trường hợp nếu nhiệt độ đông lạnh quá sâu và thời gian làm đông kéo dài, dẫn đến xảy ra hiện tượng cháy lạnh làm cho protein bị biến tính không thuận nghịch, gây biến đổi sâu sắc về chất lượng thực phẩm.

3.2.3. Những biến đổi về vi sinh vật.

Hầu hết các vi sinh vật bị tiêu diệt, những vi sinh vật đã xâm nhập trong cấu trúc thực phẩm khó bị tiêu diệt hơn so với vi sinh vật ở trên bề mặt Mức độ tiêu diệt vi sinh vật phụ thuộc vào nhiệt độ chủ yếu là nhiệt độ cấp đông và mức độ hoạt động của chúng trước khi làm đông.

Cần phải chú ý rằng, cơ thể vi sinh vật nước chiếm một tỷ lệ là 90% Do đó, khi làm lạnh đông nước trong tế bào vi sinh vật sẽ đóng băng, thể tích nước tăng làm cho cấu trúc

tế bào vi sinh vật rách, vỡ làm cho vi sinh vật chết, mặc khác khi làm đông protein, nước

3.3. Xác định thời gian làm đông.

Thông thường xem quá trình làm đông thực phẩm có ba giai đoạn:

− Giai đoạn 1: làm lạnh thực phẩm tới điểm đóng băng.

− Giai đoạn 2: đóng băng ở điểm kết tinh (t db = const).

− Giai đoạn 3: kết thúc quá trình làm đông và tiếp tục hạ nhiệt độ thực phẩm xuống tới nhiệt

độ cần thiết bảo quản đông lạnh.

Trong đó: t 1 là nhiệt độ ban đầu

.n

dQ L= ρ ϕW F dX

Trong đó:

L: Nhiệt động đặc của nước, kJ/kg;

F: Diện tích trao đổi nhiệt, m 2 ;

ρ n : Khối lượng riêng của nước, kg/m 3 ;

φ: Hàm lượng nước trong thực phẩm trước khi có sự đóng băng của nước;

W: Tỷ lệ nước đóng băng.

Giả sử lượng nhiệt Q tỏa ra từ sự kết tinh của nước được truyền ra bề mặt trao đổi nhiệt theo một hướng nhất định thì phương trình truyền nhiệt có thể được viết như sau:

( 0) .1

db

t t F d dQ

T db : Nhiệt đóng băng của nước trong thực phẩm, 0 C;

t 0 : Nhiệt môi trường làm đông thực phẩm, 0 C;

α: hệ số cấp nhiệt, W/m 2 độ;

Tủ đông tiếp xúc

λ

: Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm, W/m.độ;

τ: Thời gian làm đông toàn bộ nước trong thực phẩm, h.

Ta có thể viết lại như sau:

thực phẩm ∆h, ρ n = ρ

(khối lượng riêng trung bình), khi φ.W = 1, R bằng nửa bề dày của thực phẩm (R = δ/2), t db là nhiệt độ trung bình trong quá trình làm đông, α vàλ

được lấy theo giá trị trung bình thì ta có:

Tủ đông tiếp xúc

∆h là sự biến đổi hàm nhiệt ở trạng thái đầu và trạng thái cuối của thực phẩm đóng băng (entalpi đầu và cuối của thực phẩm được tính theo giá trị nhiệt độ của chúng), kJ/kg Trong thực tế, để xác định thời gian làm đông có nhiều cách xác định khác nhau và rất phức tạp Tùy thuộc vào môi trường làm đông, hình dáng, tính chất của thực phẩm làm đông,

3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian lạnh đông.

− Loại máy cấp đông.

− Nhiệt độ buồng cấp đông.

− Tốc độ gió trong buồng cấp đông.

− Nhiệt dộ sản phẩm trước cấp đông.

3.5. Chi phí lạnh quá trình làm đông.

Chi phí làm lạnh của quá trình đông là lượng nhiệt cần lấy ra từ thực phẩm, từ môi trường chứa đựng thực phẩm để hạ thấp nhiệt độ làm đông thực phẩm.Vì vậy năng suất lạnh của máy nén lạnh cần phải đáp ứng được để tải lượng nhiệt này đưa trở lại môi trường bên ngoài.

Chi phí lạnh của quá trình làm đông thực phẩm được xác định theo công thức sau:

∆g : độ mất nước tương đối của thực phẩm

τ : thời gian của giai đoạn 1, giai đoạn làm lạnh

r : nhiệt hóa hơi của nước

q : nhiệt sinh hóa do 1kg thực phẩm thải ra

 Q 2 : lượng nhiệt lấy ra từ thực phẩm để làm kết tinh nước ở trong đó

Tủ đông tiếp xúc

Q 2 = G.L.W.φ Với:

G: khối lượng của thực phẩm, KG

L: nhiệt đông đặc của nước, KJ/KG

φ: tỉ lệ hàm lượng ẩm có trong thực phẩm, %

W: tỉ lệ hàm lượng nước đóng băng, %

 Q 3 : lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của phần nước đá được tạo thành trong thực phẩm xuống nhiệt độ cuối cùng của quá trình làm đông

Q 3 = c.G φ.W (t db – t 2 ) Với:

c: nhiệt dung riêng của nước đá

 Q 4 : lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của phần nước không kết tinh trong thực phẩm

Q 4 = c’.G φ (l.W).( t db – t 2 ) Với:

c’: nhiệt dung riêng của nước

 Q 5 : lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của các chất khô trong thưc phẩm

Q 5 = c”.G.(l φ).( t db – t 2 ) Với:

c”: nhiệt dung riêng của chất khô thực phẩm

 Q 6 : lượng nhiệt lấy ra để đóng băng và giảm nhiệt độ của nước châm khuôn

Năng suất lạnh của máy nén được lắp đặt chạy cho quá trình làm đông được xác định theo phương trình sau:

Q o mn = ((Q sp + Q k + Q kk )/τ + Q MT +Q qn ) β

Tủ đông tiếp xúc

Với:

Q sp : chi phí lạnh trong quá trình làm đông, kJ

Q k : lượng nhiệt lấy ra để hạ nhiệt độ của khay đựng sản phẩm, kJ

Q kk : lượng nhiệt lấy ra để hạ nhiệt độ không khí ở trong môi trường chứa thực phẩm cần làm đông, KJ

Q MT : lượng nhiệt lấy ra do sự xâm nhập từ môi trường bên ngoài vào bên trong môi trường cấp, KW

Q qn : lượng nhiệt lấy ra do quá nhiệt hơi môi chất trên đường hút về máy nén, KW

τ : tổng thời gian làm đông lạnh thực phẩm, s

β: (1.1 ÷ 1.2) hệ số an toàn cho tải của máy nén

− Làm đông bằng môi trường không khí:

Làm đông bằng môi trường không khí thường có các thiết bị tủ đông gió (không khí đối lưu cưỡng bức), hoặc tủ đông không khí đối lưu tự nhiên không dùng quạt gió.

Làm đông trong không khí phù hợp với thực phẩm có nguồn gốc ở trên cạn, quá trình làm đông bảo đảm vệ sinh tốt hơn, điều kiện vận hành đơn giản phù hợp vớ mọi hình dáng kích thước của thực phẩm.Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là dể mất nước, thực phẩm dể

bị tác động oxy không khí, khả năng trao đổi nhiệt chậm.

− Làm đông bằng tủ đông tiếp xúc:

Môi trường làm đông bằng hai tấm panel kim loại kẹp giữa là thực phẩm cần cấp đông, thiết bị này thường có các tủ đông tiếp xúc.

Nhờ truyền nhiệt môi trường kim loại ở tủ đông tiếp xúc với tốc độ truyền nhiệt lớn, thực phẩm ít bị tác động môi trường không khí, chất lượng thực phẩm được đảm bảo, thiết bị có độ tin cậy cao, có khả năng điều chỉnh được năng suất lạnh Tuy nhiên do hoạt động không liên tục nên thực phẩm phải chờ đợi trước khi cấp đông, việc tổ chức sản xuất khó khăn.

− Làm đông bằng khí hóa lỏng:

Tủ đông tiếp xúc

Môi trường làm đông bằng khí hóa lỏng thường có hai loại thiết bị : thiết bị kín và thiết bị hở Thông thường dùng khí nito hóa lỏng để làm lạnh Phương pháp làm đông bằng khí hóa lỏng, là thiết bị làm đông nhanh, cực nhanh (gọi là thiết bị làm đông siêu tốc), trước đây thiết bị này thường dùng cho các loại thực phẩm đặc biệt, nhưng hiện nay do sự phát triển khoa học đạt tới mức hoàn thiện Vì vậy, nó được ứng dụng rộng rãi.

Các chất lỏng bay hơi ở niệt độ thấp, khi tiếp xúc với thực phẩm sẽ có khả năng trao đổi nhiệt lớn nhờ có tốc độ làm đông cao, khả năng tiêu diệt vi sinh vật lớn đảm bảo được chất lượng của thực phẩm, thiết bị làm đông thường có cấu trúc đơn giản, an toàn dể vận chuyển Phương pháp này thường được áp dụng với thực phẩm có kích thước nhỏ Nó không phù hợp với thực phẩm có kích thước lớn, bởi vì cường độ trao đổi nhiệt rất lớn gây nên những hư hỏng về cấu trúc thực phẩm và sự chênh lêch nhiệt độ ở các lớp bên trong

và bên ngoài của thực phẩm rất lớn có nhiều lớp bên ngoài đóng băng, các chất khí hóa lỏng thường có giá thành cao dẫn đến hạn chế sử dụng phương pháp này.

3.7. Các phương pháp làm đông chia theo sản phẩm.

− Làm đông rời:

Làm đông rời: là quá trình làm đông, trong đó các cá thể thực phẩm không có sự liên kết với nhau do hiện tượng liên kết của nước So với phương pháp làm đông khối thì phương pháp làm đông rời tiết kiệm nhiều chi phí sản xuất và đảm bảo yêu cầu làm đông nhanh, do giữ nguyên kích thước và hình dạng sản phẩm Vì vậy, tiêu thụ và sử dụng nó thuận tiện và dễ dàng hơn so với sản phẩm làm đông khối Tuy nhiên do tác động của môi trường không khí nên phương pháp làm đông rời chỉ được áp dụng cho các trường hợp về bản chất hoặc cấu trúc chất lượng thực phẩm, nó có khả năng tự bảo vệ khi chịu sự ảnh hưởng của môi trường không khí trong quá trình làm đông và bảo quản Làm đông rời không cần châm nước, không có khuôn.

Thực phẩm làm đông rời được thực hiện chủ yếu trong môi trường không khí, một số trường hợp làm đông bằng tủ đông tiếp xúc, tủ đông băng chuyền, khi đó bề mặt thực phẩm được bao bọc bằng vật liệu cách ẩm, đểngăn cách chúng không tiếp xúc với nhau Hiện nay, đông rời được thực hiện trên thiết bị băng chuyền IQF cấp đông nhanh, thiết bị đông từng sôi.

− Làm đông khối:

Là quá trình làm đông, trong đó các cá thể thực phẩm liên kết với nhau nhờ sự liên kết của nước So với phương pháp làm đông rời thì chi phí sản xuất của làm đông khối lớn hơn nhiều, do phải làm đông, bảo quản và vận chuyển, một lượng nước có thể chiếm tới 25%

Tủ đông tiếp xúc

khối lượng của sản phẩm và khi kích thước của sản phẩm tăng thì thời gian làm đông kéo dài Đồng thời khi tan giá phục hồi lại trạng thái như ban đầu của thực phẩm khó khăn, thời gian tan giá kéo dài Tuy nhiên lớp nước đá bao bọc trên bề mặt thực phẩm sẽ có tác dụng bảo vệ cho thực phẩm chống lại những tác động của môi trường không khí Trong quá trình làm đông và bảo quản sản phẩm sau khi làm đông, nó còn có tác dụng chống lại những tác động cơ học trong hộp xếp vận chuyển, đồng thời giữ cho nhiệt độ bên trong của sản phẩm được ổn định hơn Do dó phương pháp này được áp dụng để làm đông các loại thực phẩm có bản chất hoặc do yêu cầu công nghệ làm cho chúng đã bị mất lớp bảo vệ bên ngoài hoặc chất lượng sản phẩm suy giảm dẫn đến dễ biến đổi do tác động của môi trường không khí trong quá trình làm đông và bảo quản Thực phẩm được làm đông khối trong những khuôn kim loại và có thể làm đông trong những môi trường khác nhau, nhưng thường gặp nhất trong tủ đông tiếp xúc.

+ Trữ thêm lạnh cho thực phẩm để bảo quản lâu dài.

− Phương pháp mạ băng sản phẩm đông lạnh:

Có 2 phương pháp mạ băng: nhúng trong nước lạnh và phun nước lên bề mặt sản phẩm.

Phương pháp nhúng đảm bảo đều hơn, đẹp hơn, thực hiện đơn giản nhưng tổn hao lạnh lớn, sau khi nhúng một số lần thì nước bị nhiễm bẩn nên phải thay thế.Nước nhúng có nhiệt độ khoảng 3÷5 0 C.

Phương pháp phun thực hiện từ nhiều phía, hệ thống điều khiển tự động phải nhịp nhàng giữa các khâu.

Để mạ đều sản phẩm cần tiến hành mạ nhiều lần, không để cho các lớp thực phẩm tiếp xúc với nhau nhiều.Chiều dày băng mạ ít nhất là 0,3mm.

− Nhiệt độ không khí cao hơn −25 0 C.

− Vận tốc không khí đối lưu nhỏ hơn 1m/s.

− Tốc độ cấp đông dưới 0,5 cm/h.

− Thời gian lạnh đông kéo dài 10 – 15h.

− Thời gian lạnh đông kéo dài 2 – 10h.

− Nhiệt độ sản phẩm đầu vào: 10 0 C ÷ 12 0 C.

− Nhiệt độ trung bình sản phẩm đầu ra: −18 0 C

− Nhiệt độ dàn lạnh/không khí: −43/−44 0 C.

− Tốc độ cấp đông lớn hơn hoặc bằng 15cm/h.

− Thời gian cấp đông rất ngắn 10 – 15 phút(dưới 20 phút).

− Phương pháp lạnh đông cực nhanh làm tăng năng suất 40 – 50 lần.

− Giảm hao hụt sản phẩm 3 – 4 lần.

− Đảm bảo nguyên vẹn chất lượng sản phẩm.

Bảo quản sản phẩm đông lạnh chính là giai đoạn cân bằng nhiệt xảy ra giữa các lớp bên trong và bên ngoài của thực phẩm, chính vì vậy nó phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ môi trường bảo quản Mục đích chính của đông lạnh thực phẩm chính là làm giảm sự biến đổi của thực phẩm trong khi chờ đợi đưa đi sử dụng.

Nhiệt độ của sản phẩm trong quá trình bảo quản được tính theo nhiệt độ trung bình của thể tích thực phẩm Nhiệt độ này được tính như sau, đây cũng là nhiệt độ của môi trường bảo quản hoặc lớn hơn môi trường bảo quản từ 2 0 C đến 4 0 C cũng có thể chấp nhận được.

t f = 0,5 (t fs + t fc ) Trong đó :

t f : Là nhiệt độ trung bình cuối của quá trình cấp đông, 0 C ;

t fs : Là nhiệt độ bề mặt cuối quá trình cấp đông, 0 C ;

t fc : Là nhiệt độ tạm sản phẩm cuối quá trình cấp đông, 0 C.

Trong sản xuất thì nhiệt độ trung bình của sản phẩm cuối cùng của quá trình cấp đông

là t f = −18 0 C và nhiêt đô môi trường bảo quản là −20 0 C, nhiệt độ t fs = 0.7 t c (t c là nhiệt độ môi trường làm đông), nhiêt độ t fc = 2t f – t fs Vì vậy khi tính toán thiết kế hệ thống lạnh thí cần phải xác định nhiệt độ nhiệt độ trung bình của quá trình cấp đông và nhiệt độ môi

5.1.2. Nhiệt độ môi trường không khí.

Trong kho bảo quản phải đảm bảo cân bằng với nhiệt độ bảo quản của sản phẩm như vậy sẽ hạn chế đến mức thấp nhất sự trao đổi nhiệt và trao đổi hơi nước giữa sản phẩm và môi trường không khí Nhiệt độ môi trường không khí phải ổn định bởi vì sự dao động nhiệt của không khí dẩn đến sự dao động nhiệt độ của sản phẩm làm cho sản phẩm bị biến đổi chất lượng Giới hạn của sự dao động nhiệt độ không khí đối với sản phẩm phụ thộc vào bản chất của thực phẩm, nhưng nó có thể chênh lệch trong khoảng ±1 0 C, sau khi làm đông nhiệt độ các lớp bên trong sản phẩm còn cao hơn nhiều so với nhiệt độ của các lớp bề mặt bởi vì nó chưa hể cân bằng kịp Vì vậy ở giai đoạn đầu của quá trình bảo quản cần giảm nhiệt độ của môi trường không khí xuống từ (3 ÷ 5) 0 C so với nhiệt độ bảo quản, nhiệt

độ ổn định của nó là khi trạng thái nhiệt độ của thực phẩm tương đối cân bằng lúc này có thể nâng nhiệt độ của môi trường không khí lên bằng nhiệt độ bảo quản của sản phẩm.

5.1.3. Sự lưu thông của không khí

Không khí lưu thông sẽ có tác dụng làm cân bằng nhiêt độ, độ ẩm giữa các điểm khác nhau trong không gian kho lạnh hạn chế sự xâm nhập của những dòng nhiệt vào cấu trúc của thực phẩm, hạn chế sự hoạt động của vi sinh vật, sự kết tủa của các mùi hôi Tuy nhiên khi tăng vận tốc không khí sẽ làm tăng khả năng thăng hoa của nước đá, tăng mức hao phí trọng lượng của sản phẩm, vì vậy vận tốc lưu thông của không khí trong kho lạnh được xác định tùy theo loại sản phẩm và cấu trúc của kho Những trường hợp sản phẩm bao gói cách ẩm tốt không khí có thể lưu thông với vận tốc v = (2 ÷ 3) m/s Trường hợp sản phẩm không được bao gói, cách ẩm thì không khí chỉ đối lưu tự nhiên và các dàn lạnh phải che phủ những phần diện tích có khả năng trao đổi nhiệt lớn của tường và trần kho, như vậy mới ngăn chặn được những dòng nhiệt từ bên ngoài xâm nhập vào và giữ cho nhiệt độ và

− Sự thăng hoa: các tinh thể nước đá còn thăng hoa Sự thăng hoa sẽ tăng lên khi nhiệt lượng bên ngoài xâm nhập vào sản phẩm trong quá trình bảo quản càng nhiều và vận tốc chuyển động của không khí càng tăng Các tinh thể nước đá thăng hoa không đồng đều sẽ tạo nên những lỗ hổng tạo điều kiện cho không khí xâm nhập vào bên trong cấu trúc của sản phẩm.

Hiện tượng kết tinh lại và thăng hoa của các tinh thể nước đá là nguyên nhên dẫn đến

sự thay đổi cấu trúc tế bào, làm giảm khả năng giữ nước, làm độ rắn chắc, tính đàn hồi của sản phẩm khi sử dụng Muốn hạn chế những biến đổi này cần phải giữ ổn định nhiệt độ không khí và hạn chế sự xâm nhập của những nguồn nhiệt bên ngoài vào thực phẩm.

5.2.2. Biến đổi về mặt hóa học.

Khi bảo quản lạnh đông trong kho lạnh hầu hết quá trình biến đổi tự nhiên của thực phẩm đều bị kiềm hãm, một số chất biến đổi thì tiếp tục biến đổi do tác động của enzyme, chẳng hạn chư chất béo, vitamin, Đa số các phản ứng hóa sinh bị kìm hãm.

5.2.3. Biến đổi về mặt vi sinh.

Nếu môi trường bảo quản sản phẩm ở nhiệt độ ổn định nhỏ hơn −15 0 C thì vi sinh vật giảm dần theo thời gian của quá trình bản quản, một số vi sinh vật có hại gây thối sẽ bị chết ở điều kiện nhiệt này, tuy nhiên một số loại nấm mốc có khả năng tồn tại ở nhiệt độ này nhưng không thể phát triển được.

5.3.1. Bản chất của quá trình tan giá.

Bản chất của sự tan giá là phục hồi lại trạng thái của thực phẩm như trước khi cấp đông Khả năng phục hồi trạng thái của thực phẩm phụ thuộc vào những biến đổi của nó trong quá trình chế biến làm đông bảo quản, đồng thời cũng phụ thuộc vào phương pháp tan giá Trong quá trình tan giá có hai hiện tượng xảy ra, hiện tượng nóng chảy của các tinh thể nước đá và hiện tượng hút nước của cấu trúc thực phẩm Các tinh thể nước đá nóng chảy do thu nhiệt từ môi trường tan giá Vì vậy tốc độ làm tan giá phụ thuộc vào nhiệt độ, vận tốc chuyển động và bản chất của môi trường tan giá, phụ thuộc vào kích thước hình dạng của thực phẩm Trong đó nhiệt độ môi trường tan giá bị giới hạn bởi sự

bị kìm hãm, sau khi tan giá những biến đổi này sẽ tiếp tục nhưng với cường độ lớn hơn so với thực phẩm khi chưa làm đông Ngoài ra, những biến đổi hóa học của thực phẩm còn phụ thuộc vào sự hoạt động của vi sinh vật sau khi tan giá Những biến đổi này sẽ dẫn đến cấu trúc của thực phẩm lỏng lẻo hơn, giảm khả năng đàn hồi, giảm khả năng hút nước, giảm khả năng giữ nước, số lượng vi sinh vật tăng.

5.3.2. Các phương pháp làm tan giá.

− Môi trường không khí:

Thường áp dụng với những thực phẩm có nguồn gốc ở trên cạn ít bị biến đổi do tác động của oxy không khí, để làm giảm sự mất nước có thể tăng độ ẩm của không khí môi trường tan giá đến mức bão hòa nhờ hệ thống phun hơi nước Nhiệt độ của không khí bị giới hạn trong khoảng từ (15 ÷ 20) 0 C, nếu tăng nhiệt độ cao hơn thì tạo điều kiện cho vi sinh vật gây thối phát triển gây thối rữa thực phẩm Không khí chuyển động với tốc độ v = (1 ÷ 2) m/s, thực phẩm có thể để trên giá đỡ hoặc treo hạn chế sự tiếp xúc với nhau hoặc với các vật rắn khác Như vậy sẽ làm tăng khả năng trao đổi nhiệt với không khí và hạn chế vị trí ẩn núp của vi sinh vật Thời gian làm tan giá có thể kéo dài bởi vì khả năng hoạt động của vi sinh vật trong môi trường không khí bị hạn chế.

− Môi trường lỏng:

Có thể nước hoặc nước muối có khả năng trao đổi nhiệt lớn, những chất thải thoát ra

từ thực phẩm rất dễ nhiễm bẩn và là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật hoạt động Ngoài

ra thời gian làm tan giá bị hạn chế, vì nước ngấm vào cấu trúc thực phẩm sẽ làm giảm giá trị dinh dưỡng của nó Vì vậy đối với thực phẩm có kích thước lớn có thể làm tan giá trong môi trường lỏng không hoàn toàn sau đó phải kết tụ làm tan giá trong môi trường không khí Môi trường lỏng có thể chuyển động với vận tốc v = 1 m/s, trong quá trình làm tan giá môi trường phải được lọc sạch các tạp chất và áp dụng các biện pháp tiêu diệt vi sinh vật, nước muối thường sử dụng để tan giá nhựng thực phẩm sau khi đem chế biến mặn có nồng độ muối C m < 4%, sau khi tan giá ở lớp bề mặt dày 1 cm hàm lượng muối có thể đạt 0,6%.

− Tan giá bằng dòng điện cao tần:

Sản phẩm đông có thể được tan giá bằng năng lượng của dòng điện cao tần, điện năng truyền qua sản phẩm với vận tốc cực nhanh làm cho trường nhiệt độ biến thiên nhanh

Tủ đông tiếp xúc

trong môi trường sản phẩm, làm cho quá trình tan giá xảy ra nhanh, rút ngắn thời gian tan giá Tuy nhiên khó đảm bảo an toàn cho sản phẩm, bởi vì khả năng truyền điện và truyền nhiệt không đều, đặc biệt ở mỗi chỗ tiếp xúc, có thể có hiện tượng dòng điện làm cháy sản phẩm Hiện nay, thế giới đang nghiên cứu phương pháp tan giá bằng các tia bức

xạ có bước sóng cực ngắn, nếu phương pháp này được ứng dụng thì đây được xem là phương pháp hiệu quả nhất, rút ngắn được thời gian tan giá Bởi vì, khả năng truyền nhiệt của các tia bức xạ này rất lớn, chúng truyền được trong mọi môi trường, kể cả môi trường chân không.

Chương 2: Tổng quan về tủ đông tiếp xúc.

I. Giới thiệu tủ đông tiếp xúc.

1.1. Cấu tạo chung và phân loại.

1.1.1. Cấu tạo chung.

Tủ cấp đông tiếp xúc được sử dụng để cấp đông các mặt hàng dạng block Mỗi block thường có khối lượng 2kg.

Vỏ tủ có hai bộ cánh cửa ở 2

phía: bộ 4 cánh và bộ 2 cánh, cách

nhiệt polyurethan dày 125÷150 mm,

hai mặt bọc inox dày 0,6mm.

Khung sườn vỏ tủ được chế tọ từ

thép chịu lực và gỗ để tránh cầu

nhiệt Để tăng tuổi thọ cho gỗ người

ta sử dụng loại gỗ satimex có thấm

dầu.

Vật liệu bên trong tủ làm bằng

thép không rỉ, đảm bảo điều kiện vệ sinh thực phẩm.

Tủ gồm có nhiều tấm lắc cấp đông (freezer plates) bên trong, khoảng cách giữa các tấm có thể điều chỉnh được bằng ben thủy lực, thường chuyển dịch từ 50 – 105 mm Kích thước chuẩn của các tấm lắc là 2200L×1250W×22D (mm) Đối với tủ cấp đông lớn từ

Tủ cấp đông tiếp xúc

Tủ đông tiếp xúc

2000 kg/mẻ trở lên, người ta sử dụng các tấm lắc lớn, có kích thước là 2400L×1250W×22D (mm) Sản phẩm cấp đông được đặt trong các khay cấp đông sau đó đặt trực tiếp lên các tấm lắc hoặc lên các mâm cấp đông, mỗi mâm có 4 khay Đặt trực tiếp khay lên các tấm lắc tốt hơn khi có khay vì hạn chế được nhiệt trở dẫn nhiệt.

Ben thủy lực nâng hạ các tấm lắc trên tủ cấp đông Pitong và cần dẫn ben thủy lực làm bằng thép không rỉ đảm bảo yêu cầu vệ sinh Hệ thống có bộ phân phối dầu cho truyền động bơm thủy lực Khi cấp đông ben thủy lực ép các tấm lắc để cho các khay tiếp xúc 2 mặt với tấm lắc Quá trình trao đổi nhiệt là nhờ dẫn nhiệt

Hình: Cấu tạo ben thủy lực

12 – xi lanh của ben thủy lực

Phía trên bên trong tủ là

cùm ben vừa là giá nâng các

tấm lắc không di chuển qua

lại khi chuyển động, trên mỗi

tấm lắc có gắn các tấm định hướng, các tấm này luôn tựa lên thanh định hướng trong quá trình chuyển động Bên trong tủ còn có ống góp cấp lỏng và hơi ra Do các tấm lắc luôn di chuyển nên đường ống môi chất nối từ các ống góp vào các tấm lắc là các ống nối mềm bằng cao su chịu áp lực cao, bên ngoài có lớp inox bảo vệ Tấm lắc trao đổi nhiệt làm

từ nhôm đúc có độ bền cơ học và chống ăn mòn cao, tiếp xúc 2 mặt Tủ có trang bị nhiệt

kế để theo dõi nhiệt độ bên trong tủ trong quá trình vận hành Trong các tấm lắc chứa ngập dịch lỏng ở nhiệt độ âm sâu −40 ÷ −45 o C.

Trên tủ cấp đông người ta đặt bình trống tràn, hệ thống máy nén thủy lực của ben và nhiều thiết bị phụ khác.

Thông số kỹ thuật của tủ như sau:

− Kiểu cấp đông: Tiếp xúc trực tiếp 2 mặt.

− Sản phẩm cấp đông: Thịt, thủy sản các loại.

Tủ đông tiếp xúc

− Nhiệt độ sản phẩm đầu vào: 10 o C÷12 o C.

− Nhiệt độ trung bình sản phẩm sau cấp đông: -18 o C

− Nhiệt độ tâm sản phẩm sau cấp đông: -12 o C

− Thời gian cấp đông:

+ Cấp dịch từ bình trống tràn: 4÷6 giờ.

+ Cấp dịch bằng bơm: 1,5÷2,5 giờ.

+ Cấp dịch bằng tiết lưu trực tiếp: 7-9 giờ.

− Khay cấp đông: Loại 2 kg

− Nhiệt độ châm nước: 3÷6 o C

− Cấp dịch nhờ bơm dịch Môi chất lỏng chuyển động vào các tấm lắc dưới dạng cưỡng bức

do bơm tạo ra nên tốc độ chuyển động lớn, thời gian cấp đông giảm còn 1h30 đến 2h30 phút/mẻ Hiện nay người ta thường sử dụng cấp dịch dạng 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 nhiệt không cao, khả năng làm lạnh kém, thời gian cấp đông kéo dài.

1.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống lạnh.

1.2.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt đông của tủ cấp đông cấp dịch từ bình trống tràn.

Ta có 2 sơ đồ nguyên lý tủ cấp đông tiếp xúc sử dụng môi chất NH 3 và R 22 cấp dịch từ bình trống tràn.

− Sơ nguyên lý tủ cấp đông tiếp xúc sử dụng môi chất NH 3

Tủ đông tiếp xúc

Hình: Sơ nguyên lý tủ cấp đông tiếp xúc sử dụng môi chất NH 3

− Sơ nguyên lý tủ cấp đông tiếp xúc sử dụng môi chất R 22

Hình: Sơ nguyên lý tủ cấp đông tiếp xúc sử dụng môi chất R 22

Nguyên lý cấp dịch dựa trên cột áp thủy tĩnh.

Theo 2 sơ đồ này, môi chất được tiết lưu vào một bình gọi là bình trống tràn Bình trống tràn thực chất là bình giữ nước – tách lỏng, có 2 nhiệm vụ:

− Chứa dịch ở nhiệt độ thấp để cấp cho các tấm lắc Bình phải đảm bảo duy trì trong các tấm lắc luôn luôn ngập đầy dịch lỏng, như vậy hiệu quả trao đổi nhiệt khá cao.

− Tách lỏng môi chất hút về máy nén, tránh không gây ngập lỏng máy nén Để đảm bảo không hút lỏng về máy nén trên bình trống tràn có trang bị van phao duy trì mức lỏng, khi mức lỏng vượt quá mức cho phép thì van phao tác động ngắt điện van điện từ cấp dịch vào bình trống tràn Ngoài ra trong bình còn có thể có các tấm chắn đóng vai trò như các nón chắn trong bình tách lỏng để tránh hút ẩm về máy nén.

Tủ cấp đông tiếp xúc là một trong những thiết bị không thể thiếu được của nhà máy chế biến thủy sản và thực phẩm xuất khẩu.

Tủ cấp đông hoạt động theo nguyên lý cấp dịch từ bình trống tràn, trước đây sử dụng rất rộng rãi do hệ thống thiết bị đơn giản, dễ vận hành, chi phí đầu tư ít hơn so với cấp dịch bằng bơm nhưng do tốc độ môi chất chuyển động bên trong các tấm lắc chậm nên thời gian cấp đông tương đối dài từ 4÷6 giờ/mẻ.

Hiện nay, trước yêu cầu về vệ sinh thực phẩm đòi hỏi phải hạn chế thời gian cấp đông nên người ta ít sử dụng sơ đồ kiểu này, mà chuyển sang sử dụng sơ đồ cấp dịch bằng bơm.

1.2.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của tủ cấp đông cấp dịch nhờ bơm.

Hình: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của tủ cấp đông cấp dịch nhờ bơm

Trên hình là sơ đồ nguyên lý hệ thống tủ đông tiếp xúc sử dụng bơm cấp dịch Theo sơ

đồ này, dịch lỏng được bơm bơm thẳng vào các tấm lắc nên tốc độ chuyển động bên trong rất cao, hiệu quả truyền nhiệt tăng lên rõ rệt, do đó giảm đáng kể thời gian cấp đông Thời gian cấp đông chỉ còn khoảng 1 giờ 30’ ÷ 2 giờ 30’

Tuy nhiên hệ thống bắt buộc phải trang bị bình chứa hạ áp Bình chứa hạ áp đóng vai trò rất quan trọng, cụ thể:

− Chứa dịch để cung cấp ổn định cho bơm hoạt động.

− Đảm nhiệm chức năng tách lỏng: Do dịch chuyển đông qua các 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 về đầu

Tủ đông tiếp xúc

hút máy nén sẽ rất nguy hiểm, đưa vào các bình tách lỏng nhỏ thì không có khả năng tách hết vì lượng lỏng quá lớn Vì thế chỉ có bình chứa hạ áp mới có khả năng tách hết lượng lỏng này.

Bình chứa hạ áp có dung tích khá lớn, tương đương bình chứa cao áp, được bọc cách nhiệt polyurethan dày khoảng 200mm, bên ngoài bọc inox thẩm mỹ Bình được bảo vệ bằng: 03 van phao, van an toàn Nhiệm vụ của các van phao như sau:

− Van phao trên cùng, bảo vệ mức dịch cực đại, ngăn ngừa hút lỏng về máy nén Khi mức dịch trong bình đạt đến mức cực đại, van phao này tác động đóng van điện tử từ cấp dịch vào bình trống tràn.

− Van phao giữa, bảo vệ mức dịch trung bình, tác động mở van điện từ cấp dịch cho bình.

− Van phao dưới cùng bảo vệ mức dịch thấp, đây là mức dịch sự cố Khi dịch lỏng quá thấp,

sẽ tác động dừng bơm, tránh bơm làm việc không có dịch.

Bình trung gian kiểu đặt đứng của tủ cấp đông được bảo vệ bằng 02 van phao, 01 van an toàn Nhiệm vụ của các van phao như sau:

− Van phao trên, bảo vệ mức lỏng cực đại, ngăn ngừa hút ẩm về máy nén cao áp Khi mức lỏng dâng lên cao, van phao sẽ tác động đóng van điện từ cấp dịch vào bình.

− Van phao dưới, bảo vệ mức dịch cực tiểu: Khi mức dịch trong bình quá thấp, không đủ ngập ống xoắn ruột gà, nên hiệu quả làm lạnh ống xoắn kém, trong trường hợp này van phao sẽ tác động mở van điện từ cấp dịch cho bình.

II. Sơ lược các thiết bị trong hệ thống cấp đông bằng tủ đông tiếp xúc.

2.1.1. Bình trống tràn.

Bình trống tràn về thực chất là bình giữ mức – tách lỏng được sử dụng để giữ mức dịch trong các tấm lắc và tách lỏng môi chấ về máy nén.

Bình có cấu tạo dạng trụ, đặt nằm ngang, phía dưới có ống lỏng ra để đến các tấm lắc

và ống hơi từ các tấm lắc vào bình Ống hơi vào bình được đưa lên phía trên bề mặt thoáng của lỏng trong bình để tạo nên vòng tuần hoàn tự nhiên của môi chất lạnh lỏng Ống hơi ra bình về máy nén được uốn cong và bố trí 01 đoạn nằm ngang dọc phía trên khoang hơi thân bình Trên đoạn nằm ngang đó người ta khoan các lổ nhỏ Φ10 để hút hơi phần trên của ống nhằm tránh hút ẩm Ống cấp dịch sục vào cột lỏng để quá lạnh khối lỏng trong bình một cách nhanh chóng Bình thường trang bị 01 van phao nhằm khống chế mức dịch cực đại bảo vệ máy nén khỏi bị hút ẩm Khi lắp đặt, bình trống tràn được lắp ở ngay trên nóc tủ vừa thuận lợi lắp đặt vừa dễ đi vào đường ống.

Tủ đông tiếp xúc

Hình: Cấu tạo bình trống tràn.

2.1.2. Máy nén.

Năng suất lạnh nằm trong khoảng 7,5 – 40 kW, máy nén thích hợp nhất để sử dụng là

máy nén piston kiểu nửa kín, trong một số trường hợp công suất nhỏ có thể sử dụng máy nén kiểu kín.

Cấu tạo của máy nén piston kiểu nửa kín Hiện nay có hai chủng máy nén nửa kín được sử dụng rất phổ biến ở nước ta là máy lạnh COPELAND (Mỹ) và Biitzer (Đức).

Tủ đông tiếp xúc

Hình: Máy nén nửa kín.

Máy nén thường được sử dụng là máy nén piston một cấp kiểu hở hoặc nửa kín Máy nén COPELAND công suất nhỏ và trung bình là loại máy nén piston kiểu nửa kín Máy nén piston kiểu nửa kín của COPELAND có hai loại cổ điển và kiểu đĩa Máy nén kiểu đĩa có van kiểu đĩa làm tăng năng suất đến 25% và tiết kiện chi phí năng lượng 16% Trên hình

là cơ cấu van đĩa làm giảm thể tích chết và làm tăng năng suất hút thực của máy nén.

Hình: Cơ cấu van đĩa làm giảm thể tích chết.

Đối với hệ thống lạnh có công suất nhỏ có thể chọn máy lạnh ghép sẵn của các hãng, cụm máy lạnh như vậy gồm có đầy đủ tất cả các thiết bị ngoại trừ dàn lạnh Có thể gọi là cụm máy lạnh dàn nhưng gồm 2 loại, hoạt động ở 2 chế độ nhiệt khác nhau: Chế độ nhiệt trung bình và lạnh sâu Đối với các tổ máy công suất nhỏ người ta thường chỉ thiết kế

Tủ đông tiếp xúc

dùng freon Do đó sử dụng cho kho lạnh rất phù hợp, không sợ môi chất rò rỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Đối với hệ thống lạnh công suất lớn có thể sử dụng máy nén trục vít Máy nén trục vít

có ưu điểm là có độ bền cao và ít rung động do môi chất tuần hoàn liên tục Dưới đây trình bày hình dạng bên ngoài của máy nén trục vít chủng loại SP1 của hãng GRASSO (Đức).

Hình: Máy nén trục vít Grasso (Đức)

2.1.3. Thiết bị trung gian.

Công dụng chính của bình trung gian là để làm mát trung gian giữa các cấp nén trong

hệ thống lạnh máy nén nhiều cấp

Thiết bị làm mát trung gian trong các hệ thống lạnh gồm có 3 dạng chủ yếu sau:

− Bình trung gian kiểu đặt đứng có ống xoắn ruột gà sử dụng cho NH 3 và frêôn

− Bình trung gian nằm ngang sử dụng cho Frêôn.

− Bình trung gian kiểu tấm bản

Bình trung gian có ống xoắn ruột gà ngoài việc sử dụng để làm mát trung gian, bình có

2.3.2. Bình trung gian kiểu nằm ngang.

Các máy lạnh frêôn của hãng MYCOM thường sử dụng bình trung gian kiểu nằm ngang Cấu tạo bình trung gian kiểu nằm ngang tương đối giống bình ngưng tụ, gồm: Thân hình trụ, hai đầu có các mặt sàng, bên trong là các ống trao đổi nhiệt Nguyên lý làm việc tương tự như bình trung gian kiểu ống xoắn ruột gà Môi chất lạnh lỏng từ bình chứa cao áp đến được đưa vào không gian giữa các ống trao đổi nhiệt và thân bình Bên trong bình, môi chất lỏng chuyển động theo đường zichzac nhờ các tấm ngăn Hơi quá nhiệt từ máy nén cấp 1 đến, sau khi hoà trộn với dòng hơi sau tiết lưu đi vào bên trong các ống trao đổi nhiệt theo hướng ngược chiều so với dịch lỏng.

Hình: Bình trung gian nằm ngang.

Tủ đông tiếp xúc

Bình trung gian kiểu nằm ngang có kích thước không lớn, nên thường không trang bị các thiết bị bảo vệ như van phao, van an toàn và đồng hồ áp suất Bình trung gian kiểu nằm ngang được sử dụng để làm mát trung gian hơi nén cấp 1 và quá lạnh lỏng trước tiết lưu vào dàn lạnh Sử dụng bình trung gian kiểu nằm ngang có hiệu quả giải nhiệt rất tốt, nhưng chi phí rẻ hơn so với bình trung gian kiểu đặt đứng vì cấu tạo nhỏ gọn, ít trang thiết

bị đi kèm Bình trung gian kiểu nằm ngang cũng được bọc cách nhiệt dày khoảng 50 ÷ 75

mm, bên ngoài bọc inox hoặc tôn để bảo vệ.

2.1.4. Bình tách dầu.

Các máy lạnh khi làm việc cần phải tiến hành bôi trơn các chi tiết chuyển động nhằm giảm ma sát, tăng tuổi thọ thiết bị Trong quá trình máy nén làm việc dầu thường bị cuốn theo môi chất lạnh Việc dầu bị cuốn theo môi chất lạnh có thể gây ra các hiện tượng:

− Máy nén thiếu dầu, chế độ bôi trơn không tốt nên chóng hư hỏng.

− Dầu sau khi theo môi chất lạnh sẽ đọng bám ở các thiết bị trao đổi nhiệt như thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt, ảnh hưởng chung đến chế độ làm việc của toàn hệ thống

Để tách lượng dầu bị cuốn theo dòng môi chất khi máy nén làm việc, ngay trên đầu ra đường đẩy của máy nén người ta bố trí bình tách dầu Lượng dầu được tách ra sẽ được hồi lại máy nén hoặc đưa về bình thu hồi dầu.

2.4.1. Nguyên lý làm việc.

Nhằm đảm bảo tách triệt để dầu bị cuốm theo môi chất lạnh, bình tách dầu được thiết

kế theo nhiều nguyên lý tách dầu như sau:

− Giảm đột ngột tốc độ dòng gas từ tốc độ cao (khoảng 18÷25 m/s) xuống tốc độ thấp 0,5÷1,0 m/s Khi giảm tốc độ đột ngột các giọt dầu mất động năng và rơi xuống.

− Thay đổi hướng chuyển động của dòng môi chất một cách đột ngột Dòng môi chất đưa vào bình không theo phương thẳng mà thường đưa ngoặc theo những góc nhất định.

− Dùng các tấm chắn hoặc khối đệm để ngăn các giọt dầu Khi dòng môi chất chuyển động va vào các vách chắn, khối đệm các giọt dầu bị mất động năng và rơi xuống.

− Làm mát dòng môi chất xuống 50 ÷ 60 0 C bằng ống xoắn trao đổi nhiệt đặt bên trong bình tách dầu.

− Sục hơi nén có lẫn dầu vào môi chất lạnh ở trạng thái lỏng.

Tủ đông tiếp xúc

Bình tách dầu được sử dụng ở hầu hết các hệ thống lạnh có công suất trung bình, lớn

và rất lớn, đối với tất cả các loại môi chất Đặc biệt các môi chất không hòa tan dầu như

NH 3 , hòa tan một phần như R 22 thì cần thiết phải trang bị bình tách dầu.

Đối với các hệ thồng nhỏ, như hệ thống lạnh ở các tủ lạnh, máy điều hòa rất ít khi sử dụng bình tách dầu.

2.4.3. Phương pháp hồi dầu từ bình tách dầu.

− Xả định kỳ về máy nén: Trên đường hồi dầu từ bình tách dầu về cacte máy nén có bố trí van chặn hoặc van điện từ Trong quá trình vận hành quan sát thấy mức dầu trong cacte xuống quá thấp thì tiến hành hồi dầu bằng cách mở van chặn hoặc nhấn công tắc mở van điện từ

xả dầu.

− Xả tự động nhờ van phao: Sử dụng bình tách dầu có van phao tự động hồi dầu Khi mức dầu trong bình dâng lên cao, van phao nổi lên và mở cửa hồi dầu về máy nén.

− Hồi trực tiếp về cacte máy nén.

− Hồi dầu về bình thu hồi dầu Cách hồi dầu này thường được sử dụng cho hệ thống amoniac Bình thu hồi dầu không chỉ dùng thu hồi dầu từ bình tách dầu mà còn thu từ tất

cả các bình khác Để thu gom dầu, người ta tạo áp lực thấp trong bình nhờ đường nối bình thu hồi dầu với đường hút máy nén.

− Xả ra ngoài Trong một số hệ thống, những thiết bị nằm ở xa hoặc trường hợp dầu bị bẩn, việc thu gom dầu khó khăn, người ta xả dầu ra ngoài Sau khi được xử lý có thể sử dụng lại.

2.4.5. Các lưu ý khi lắp đặt và sử dụng bình tách dầu.

Quá trình thu hồi dầu về các cacte máy nén cần lưu ý các trường hợp đặc biệt sau:

− Đối với bình tách dầu chung cho nhiều máy nén Nếu đưa dầu về bình thu hồi dầu rồi bổ sung cho các máy nén sau thì không có vần đề gì Trường hợp thu hồi trực tiếp về cacte của các máy nén rât dễ xảy ra tình trạng có máy nén thừa dầu, máy khác lại thiếu dầu Vì vậy các máy nén đều có bố trí van phao và tự động hồi dầu khi thiếu.

− Việc thu hồi dầu về cacte máy nén khi đang làm việc, có nhiệt độ cao là không tốt, vì vậy hồi dầu vào lúc hệ thống đang dừng, nhiệt độ bình tách dầu thấp Đối với bình thu hồi dầu

tự động bằng van phao mỗi lần thu hồi thường không nhiều lắm nên có thể chấp nhận được.

Để nâng cao hiệu quả tách dầu các bình được thiết kế thường kết hợp một vài nguyên lý tách dầu khác nhau.