PGS.TS. ĐINH VĂN THUậN, Ts. Võ chí chính Hệ thống máy và thiết bị lạnh Nhà xuất bản khoa học Và kỹ thuật PGS.TS. ĐINH VĂN THUậN, Ts. Võ chí chính Hệ thống máy và thiết bị lạnh Nhà xuất bản khoa học Và kỹ thuật Hà Nội - 2004 CHơNG I vai trò các hệ thống lạnh trong nền kinh tế quốc dân Kỹ thuật lạnh đã ra đời hàng trăm năm nay và đợc sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật rất khác nhau: trong công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm, công nghiệp hoá chất, công nghiệp rợu, bia, sinh học, đo lờng tự động, kỹ thuật sấy nhiệt độ thấp, xây dựng, công nghiệp dầu mỏ, chế tạo vật liệu, dụng cụ, thiết kế chế tạo máy, xử lý hạt giống, y học, thể thao, trong đời sống vv . Ngày nay ngành kỹ thuật lạnh đã phát triển rất mạnh mẽ, đợc sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, phạm vi ngày càng mở rộng và trở thành ngành kỹ thuật vô cùng quan trọng, không thể thiếu đợc trong đời sống và kỹ thuật của tất cả các nớc. Dới đây chúng tôi trình bày một số ứng dụng phổ biến nhất của kỹ thuật lạnh hiện nay. 1.1 ứng dụng trong ngành chế biến và bảo quản thực phẩm 1.1.1 Tác dụng của nhiệt độ thấp đối với thực phẩm Năm 1745 nhà bác học Nga Lômônôxốp trong một luận án nổi tiếng Bàn về nguyên nhân của nóng và lạnh đã cho rằng: Những quá trình sống và thối rửa diễn ra nhanh hơn do nhiệt độ cao và kìm hãm chậm lại do nhiệt độ thấp. Thật vậy, biến đổi của thực phẩm tăng nhanh ở nhiệt độ 40ữ50 o C vì ở nhiệt độ này rất thích hợp cho hoạt hoá của men phân giải (enzim) của bản thân thực phẩm và vi sinh vật. ở nhiệt độ thấp các phản ứng hoá sinh trong thực phẩm bị ức chế. Trong phạm vi nhiệt độ bình thờng cứ giảm 10 o C thì tốc độ phản ứng giảm xuống 1/2 đến 1/3 lần. Nhiệt độ thấp tác dụng đến hoạt động của các men phân giải nhng không tiêu diệt đợc chúng. Nhiệt độ xuống dới 0 o C, phần lớn hoạt động của enzim bị đình chỉ. Tuy nhiên một số men nh lipaza, trypsin, catalaza ở nhiệt độ -191 o C cũng không bị phá huỷ. Nhiệt độ càng thấp khả năng phân giải giảm, ví dụ men lipaza phân giải mỡ. 3 Khi nhiệt độ giảm thì hoạt động sống của tế bào giảm là do: - Cấu trúc tế bào bị co rút - Độ nhớt dịch tế bào tăng - Sự khuyếch tán nớc và các chất tan của tế bào giảm. - Hoạt tính của enzim có trong tế bào giảm. Bảng 1-1: Khả năng phân giải phụ thuộc nhiệt độ Nhiệt độ, o C 40 10 0 -10 Khả năng phân giải, % 11,9 3,89 2,26 0,70 Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản, hoạt động sống có thể độc lập với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh cao, đa số tế bào thực vật không bị chết khi nớc trong nó cha đóng băng. Tế bào động vật có cấu trúc và hoạt động sống phức tạp, gắn liền với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh kém hơn. Đa số tế bào động vật chết khi nhiệt độ giảm xuống dới 4 o C so với thân nhiệt bình thờng của nó. Tế bào động vật chết là do chủ yếu độ nhớt tăng 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, cơ thể giảm các hoạt động sống đến mức nhu cầu bình thờng của điều kiện môi trờng trong một khoảng thời gian nhất định. Khi tăng nhiệt độ, hoạt động sống của chúng phục hồi, điều này đợc ứng dụng trong vận chuyển động vật đặc biệt là thuỷ sản ở dạng tơi sống, đảm bảo chất lợng tốt và giảm chi phí vận chuyển. * ảnh hởng của lạnh đối với vi sinh vật. - Khả năng chịu lạnh của mỗi loài vi sinh vật có khác nhau. Một số loài chết ở nhiệt độ 20ữ0 o C. Tuy nhiên một số khác chịu ở nhiệt độ thấp hơn. Khi nhiệt độ hạ xuống thấp nớc trong tế bào vi sinh vật đông đặc làm vỡ màng tế bào sinh vật. Mặt khác nhiệt độ thấp, nớc đóng băng làm mất môi trờng khuyếch tán chất tan, gây biến tính của nớc làm cho vi sinh vật chết. Trong tự nhiên có 3 loại vi sinh vật thờng phát triển theo chế độ nhiệt riêng 4 Bảng 1-2: ảnh hởng của nhiệt độ đến vi sinh vật Vi khuẩn Nhiệt độ thấp nhất Nhiệt độ thích hợp nhất Nhiệt độ cao nhất - Vi khuẩn a lạnh (Psychrophiles) - Vi khuẩn a ấm (Mesophiles) - Vi khuẩn a nóng (Thermopphiles) 0 o C 10 ữ 20 o C 40 ữ 90 o C 15 ữ 20 o C 20 ữ 40 o C 50 ữ 55 o C 30 o C 45 o C 50 ữ 70 o C Nấm mốc chịu đựng lạnh tốt hơn, nhng ở nhiệt độ -10 o C hầu hết ngừng hoạt động ngoài trừ các loài Mucor, Rhizopus, Penicellium. Để ngăn ngừa mốc phải duy trì nhiệt độ dới -15 o C. Các loài nấm có thể sống ở nơi khan nớc nhng tối thiểu phải đạt 15%. ở nhiệt độ -18 o C, 86% lợng nớc đóng băng, còn lại 14% không đủ cho vi sinh vật phát triển. Vì vậy để bảo quản thực phẩm lâu dài cần duy trì nhiệt độ kho lạnh ít nhất -18 o C. Để bảo quả thực phẩm ngời ta có thể thực hiện nhiều cách nh: Phơi, sấy khô, đóng hộp và bảo quản lạnh. Tuy nhiên phơng pháp bảo quả lạnh tỏ ra có u điểm nổi bật vì: - Hầu hết thực phẩm, nông sản đều thích hợp đối với phơng pháp này. - Việc thực hiện bảo quản nhanh chóng và rất hữu hiệu phù hợp với tính chất mùa vụ của nhiều loại thực phẩm nông sản. - Bảo tồn tối đa các thuộc tính tự nhiên của thực phẩm, giữ gìn đợc hơng vị, màu sắc, các vi lợng và dinh dỡng trong thực phẩm. 1.1.2 Các chế độ xử lý lạnh thực phẩm Thực phẩm trớc khi đợc đa vào các kho lạnh bảo quản, cần đợc tiến hành xử lý lạnh để hạ nhiệt độ thực phẩm từ nhiệt độ ban đầu sau khi đánh bắt, giết mổ xuống nhiệt độ bảo quản. Có hai chế độ xử lý lạnh sản phẩm là xử lý lạnh và xử lý lạnh đông 5 a) Xử lý lạnh là làm lạnh các sản phẩm xuống đến nhiệt độ bảo quản lạnh yêu cầu. Nhiệt độ bảo quản này phải nằm trên điểm đóng băng của sản phẩm. Đặc điểm là sau khi xử lý lạnh, sản phẩm còn mềm, cha bị hóa cứng do đóng băng. b) Xử lý lạnh đông là kết đông (làm lạnh đông) các sản phẩm. Sản phẩm hoàn toàn hóa cứng do hầu hết nớc và dịch trong sản phẩm đã đóng thành băng. Nhiệt độ tâm sản phẩm đạt -8 0 C, nhiệt độ bề mặt đạt từ -18 0 C đến -12 0 C. Xử lý lạnh đông có hai phơng pháp: a) Kết đông hai pha Thực phẩm nóng đầu tiên đợc làm lạnh từ 37 0 C xuống khoảng 4 0 C sau đó đa vào thiết bị kết đông để nhiệt độ tâm khối thực phẩm đạt -8 0 C. b) Kết đông một pha Thực phẩm còn nóng đợc đa ngay vào thiết bị kết đông để hạ nhiệt độ tâm khối thực phẩm xuống đạt dới -8 0 C. Kết đông một pha có nhiều u điểm hơn so với kết đông hai pha vì tổng thời gian của quá trình giảm, tổn hao khối lợng do khô ngót giảm nhiều, chi phí lạnh và diện tích buồng lạnh cũng giảm. Đối với chế biến thịt thờng sử dụng phơng pháp 01 pha. Đối với hàng thuỷ sản do phải qua khâu chế biến và tích trữ trong kho chờ đông nên thực tế diễn ra 2 pha. Các loại thực phẩm khác nhau sẽ có chế độ bảo quản (bảng 1-3 và 1-4) và đông lạnh thích hợp khác nhau (bảng 1-5). ở chế độ bảo quản lạnh và trong giai đoạn đầu của quá trình kết động hai pha, ngời ta phải gia lạnh sản phẩm. Thông thờng thực phẩm đợc gia lạnh trong môi trờng không khí với các thông số sau: - Độ ẩm không khí trong buồng: 85 ữ 90% - Tốc độ không khí đối lu tự nhiên: 0,1 ữ 0,2 m/s; đối lu cỡng bức cho phép 0,5 m/s (kể cả rau quả, thịt, cá, trứng .). - Giai đoạn đầu, khi nhiệt độ sản phẩm còn cao, ngời ta giữ nhiệt độ không khí gia lạnh thấp hơn nhiệt độ đóng băng của sản phẩm chừng 1 ữ 2 0 C. Nhiệt độ đóng băng của một số sản phẩm nh sau: thịt -1,2 0 C, cá từ 0,6 ữ -2 0 C, rau quả - 0,84 -4,2 0 C. Nhiệt độ không khí gia tăng 2 0 C thì thời gian gia nhiệt kéo dài thêm 5h. 6 Sau khi tăng nhiệt độ sản phẩm đạt 348 o C, nhiệt độ không khí tăng lên -140 0 C. Tóm lại, cần tăng tốc độ gia lạnh nhng phải tránh đóng băng trong sản phẩm. Bảng 1-3. Chế độ bảo quản rau quả tơi Sản phẩm Nhiệt độ 0 C Độ ẩm khôngkhí,% Chế độ thông gió Thời gian bảo quản - Bởi 045 85 Mở 142 tháng - Cam 0,54 2 85 142 tháng - Chanh 14 2 85 142 tháng - Chuối chín 14416 85 5410 ngày - Chuối xanh 11,54 13,5 85 3410 tuần - Dứa chín 447 85 34 4 tuần - Dứa xanh 10 85 446 tháng - Đào 041 85490 446 tháng - Táo 043 90495 3410 tháng - Cà chua chín 042 85490 146 Tuần - Cà chua xanh 5415 85490 144 Tuần - Cà rốt 041 -18 90495 90 Đóng 143 Tháng 12418 Tháng - Da chuột -18 - 29 90 90 5 Tháng 1 Năm - Đậu tơi 2 90 Mở 344 Tuần - Hành 0 4 4 75 142 Năm - Khoai tây 3 4 10 85490 8410 Tháng - Nấm tơi 0 4 2 -18 80490 90 Đóng 0,543 Tháng 10412 Tháng - Cải bắp, súp lơ -240 -18 90 90 247 Tuần 243 Tuần - Su hào -140,5 85490 - Dừa 0 85 - Xoài 13 85490 - Hoa nói chung 1 4 3 85490 - Cúc 1,6 80 - Huệ 1,6 80 - Phong lan 2 4 4,5 80 7 - Hoa hồng 4,5 80 Bảng 1-4: Chế độ bảo quản sản phẩm động vật Sản phẩm Nhiệt độ 0 C Độ ẩm khôn g khí % Chế độ thông gió Thời gian bảo quản Thịt bò, hơi, nai, cừu -0,540,5 82485 Đóng 10415 ngày Thịt bò gầy 040,5 80485 Gà, vịt, ngan, ngỗng mổ sẵn -140,5 85490 Thịt lợn tơi ớp lạnh 044 80485 10412 Tháng Thịt lợn tơi ớp đông -1,84-23 80485 12418 Tháng Thịt đóng hộp kín 042 75480 Cá tơi ớp đá từ 50 đến 100% lợng cá -1 100 Đóng 6412 Ngày Cá khô (W=14417%) 244 50 12 Tháng Cá thu muối, sấy 244 75480 Mở Vài tháng Lơn sống 243 854100 Vài tháng ố c sống 243 854100 Sò huyết -1411 854100 15430 ngày Tôm sống 243 854100 Vài ngày Tôm nấu chín 243 Vài ngày Bơ muối ngắn ngày 12415 75480 Mở 38 Tuần Bơ muối lâu ngày -144 75480 12 Tuần Bơ muối lâu ngày -184-20 75480 36 Tuần Pho mát cứng 1,544 70 4412 Tháng Pho mát nhão 7415 80485 ít ngày Sữa bột đóng hộp 5 75480 Đóng 346 Tháng Sữa đặc có đờng 0410 75480 6 Tháng Sữa tơi 042 75480 2 Ngày Trong một kho lạnh có thể có buồng gia lạnh riêng biệt. Song cũng có thể sử dụng buồng bảo quản lạnh để gia lạnh. Khi đó, số lợng sản phẩm đa vào phải phù hợp với năng suất lạnh của buồng. Các sản 8 phẩm nóng phải bố trí đều cạnh các dàn lạnh để rút ngắn thời gian gia lạnh. Sản phẩm khi gia lạnh xong phải thu dọn và sắp xếp vào vị trí hợp lý trong buồng để tiếp tục gia lạnh đợt tiếp theo. Bảng 1-5. Các thông số về phơng pháp kết đông Nhiệt độ tâm thịt, 0 C Thông số không khí trong buồng kết đông Phơng pháp kết đông Ban đầu Cuối Nhiệt độ, 0 C Tốc độ chuyển động, m/s Thời gian kết đông Tốn hao khối lợng, % Kết đông hai pha - Chậm - Tăng cờng - Nhanh Kết đông một pha - Chậm - Tăng cờng - Nhanh 4 4 4 37 37 37 -8 -8 -8 -8 -8 -8 -18 -23 -15 -23 -30 -35 0,140,2 0,540,8 344 0,140,2 0,540,8 142 40 26 16 36 24 20 2,58 2,35 2,20 1,82 1,60 1,20 1.2 ứng dụng trong các ngành khác Ngoài ứng dụng trong kỹ thuật chế biến và bảo quản thực phẩm, kỹ thuật lạnh còn đợc ứng dụng rất rộng rãi trong rất nhiều ngành kinh tế, kỹ thuật khác nhau. Dới đây là các ứng dụng thông dụng nhất. 1.2.1 ứng dụng trong sản xuất bia, nớc ngọt Bia là sản phẩm thực phẩm, thuộc loại đồ uống độ cồn thấp, thu nhận đợc bằng cách lên men rợu ở nhiệt độ thấp dịch đờng (từ gạo, ngô, tiểu mạch, đại mạch vv .), nớc và hoa húp lông. Qui trình công nghệ sản xuất bia trải qua nhiều giai đoạn cần phải tiến hành làm lạnh mới đảm bảo yêu cầu. Đối với nhà máy sản xuất bia hiện đại, lạnh đợc sử dụng ở các khâu cụ thể nh sau: 1.2.1.1. Sử dụng để làm lạnh nhanh dịch đờng sau khi nấu 9 [...]... mền lạnh Từ cách thử nghiệm trên súc vật ngời ta đã xây dựng đợc một thiết bị dùng hạ thân nhiệt và đợc điều chỉnh rất dễ dàng Bệnh nhân đợc đặt trong một khoang nhỏ có gió lạnh lu thông, khoang đợc làm bằng chất dẻo trong suốt, bên 23 dới bố trí dàn lạnh và quạt gió Không khí đợc làm lạnh xuống +4oC ở cửa vào Nhiệt độ gió có thể điều chỉnh xuống -2oC Toàn bộ các thiết bị khác của hệ thống lạnh nh máy. .. hoàn nớc bị hạn chế Nhiệt độ vào và ra của nớc muối chênh nhau khoảng 3 đến 4K Một nhợc điểm nữa của hệ thống dùng nớc muối là luôn luôn phải kiểm tra sự rò rỉ của nớc muối, đề phòng hoen rỉ kết cấu 25 nền và gây rả băng Khi nớc muối rò rỉ ra lớp băng, nhiệt độ đông đặc của hỗn hợp nớc muối giảm nên băng bị chảy ra Hình 1-4 và hình 1-5 mô tả sơ đồ hệ thống lạnh và sơ đồ hệ thống cấp nớc muối làm lạnh sân... và làm lạnh sơ bộ bằng nớc lạnh sau đó đợc chứa vào các silô và đợc làm lạnh tiếp bằng không khí lạnh nhiệt độ -1oC thổi qua silô Cát đợc làm lạnh trực tiếp ngay trên các phơng tiện băng tải bằng chất tải lạnh Nớc trộn bê tông đợc làm lạnh trong các máy sản xuất nớc lạnh đến 1oC Nớc đá đa vào máy trộn cần đợc nghiền nhỏ để nớc đá tan nhanh Tốc độ tan đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh nhiệt độ máy trộn,... rộng rãi trong đời sống và trong công nghiệp Khâu quan trọng nhất trong các hệ thống điều hoà không khí đó là hệ thống lạnh Máy lạnh đợc sử dụng để xử lý nhiệt ẩm không khí trớc khi cấp vào phòng Máy lạnh không chỉ đợc sử dụng để làm lạnh về mùa hè mà còn đợc đảo chiều để sởi ấm mùa đông Điều hoà không khí đợc sử dụng với 2 mục đích: - Phục vụ cuộc sống tiện nghi của con ngời (Hệ thống điều hoà trong... yêu cầu Nớc đợc làm lạnh nhờ glycol đến khoảng 1oC qua thiết bị làm lạnh nhanh kiểu tấm bản 1.2.1.6 Làm lạnh hầm bảo quản tank lên men và điều hoà Trong một số nhà máy công nghệ cũ, bia đợc bảo quản lạnh trong các hầm làm lạnh, trong trờng hợp này cần cung cấp lạnh để làm lạnh hầm bảo quản 12 Có thể sử dụng lạnh của glycol để điều hoà không khí trong một số khu vực nhất định của nhà máy, các phòng bảo... vào; 2- Máy nén khí thiên nhiên; 3- Máy nén lạnh; 4- Máy nén lạnh hỗn hợp môi chất; 5- Bình ngng; 6- Thiết bị trao đổi nhiệt; 7- Van tiết lu Hình 1-2: Chu trình ghép tầng hoá lỏng khí thiên nhiên 17 Một giải pháp tích cực là ứng dụng hỗn hợp môi chất lạnh đợc viết tắt là phơng pháp ARC (Auto-Refrigerated Cascade) Hỗn hợp môi chất lạnh gồm nitơ, mêtan, êtan, propan và butan đợc nén trong máy nén 4 và. .. 20 nh vậy rất khó chịu và ảnh hởng nhất định đến hiệu quả và chất lợng công việc Ngợc lại mùa đông, nhiệt độ có thể hạ xuống 10oC Hiện nay ngời ta sử dụng nhiều hệ thống điều hoà khác nhau trong đời sống nh: Máy điều hoà dạng cửa sổ, máy điều hoà 2 mãnh, máy điều hoà kiểu VRV, máy điều hoà làm lạnh bằng nớc và máy điều hoà trung tâm Đối với các hộ gia đình, thích hợp nhất là các máy điều hoà công suất... chất lạnh, ví dụ nh êtan Sau đó khí đợc dãn nở và một phần khí đợc hoá lỏng Hình 1-2 giới thiệu chu trình hoá lỏng khí thiên nhiên bằng máy lạnh ghép tầng Chu trình cổ điển thông dụng (hình 1-2a) có nhợc điểm là quá nhiều thiết bị với nhiều loại máy nén, thiết bị trao đổi nhiệt, đờng ống vv làm cho công tác vận hành, bảo dỡng, sửa chữa gặp khó khăn, đặc biệt khi tải dao động và việc hút hơi lạnh về máy. .. trong ngày không đều và liên tực mà có dạng hình xung Khi các mẻ nấu hoàn thành yêu cầu phải tiến hành làm lạnh rất nhanh Rõ ròng nếu sử dụng làm lạnh trực tiếp thì công suất máy lạnh sẽ rất lớn Việc sử dụng nớc lạnh 1oC để hạ lạnh nhanh dịch đờng cho phép trữ một lợng lạnh đáng kể để làm lạnh dịch đờng của các mẻ nấu một cách nhanh chóng Điều này cho phép không cần có hệ thống lạnh lớn nhng vẫn đảm... môi chất lạnh lỏng trực tiếp vào thiết bị kết tinh cũng đợc sử dụng để sản xuất phân bón hoá học nitrophotphat 14 Phơng pháp làm lạnh gián tiếp qua một ống xoắn ruột gà, hệ số toả nhiệt sẽ bị giảm mạnh do các tinh thể bám vào bề mặt trao đổi nhiệt Nếu phân phối đều môi chất lạnh lỏng, butan hoặc propan từ phía dới để làm lạnh trực tiếp thùng kết tinh có tác dụng rất tốt cả về mặt làm lạnh và cả về . chí chính Hệ thống máy và thiết bị lạnh Nhà xuất bản khoa học Và kỹ thuật PGS.TS. ĐINH VĂN THUậN, Ts. Võ chí chính Hệ thống máy và thiết bị lạnh Nhà xuất. a) b) 1-Khí thiên nhiên vào; 2- Máy nén khí thiên nhiên; 3- Máy nén lạnh; 4- Máy nén lạnh hỗn hợp môi chất; 5- Bình ngng; 6- Thiết bị trao đổi nhiệt; 7-