Bài giảng Kỹ thuật lạnh

- 0 - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------------- BÀI GIẢNG KỸ THUẬT LẠNH Biên soạn: GVC. ThS. Trần Thế Truyền Khoa: Hóa Đà Nẵng, 2007 - 1 - Mục lục MỞ ĐẦU .................................................................................................................... - 4 - I. Lịch sử phát triển ngành lạnh:............................................................................. - 4 - II. Ý nghĩa kinh tế của kỹ thuật lạnh: ..................................................................... - 4 - III. Kỹ thuật lạnh ở Vịêt Nam: ............................................................................... - 6 - CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ VỀ KỸ THUẬT LẠNH................................... - 7 - 1.1. Các phương pháp làm lạnh nhân tạo: .............................................................. - 7 - 1.1.1. Phương pháp bay hơi khuếch tán: ............................................................ - 7 - 1.1.2. Phương pháp hòa tan: ............................................................................... - 8 - 1.1.3. Phương pháp hóa lỏng (nóng chảy):......................................................... - 8 - 1.1.4. Phương pháp thăng hoa: ........................................................................... - 8 - 1.1.5. Phương pháp bay hơi chất lỏng:............................................................... - 8 - 1.1.6. Phương pháp khử từ đoạn nhiệt: .............................................................. - 9 - 1.1.7. Phương pháp giản nở khí có sinh ngoại công: ......................................... - 9 - 1.1.8. Phương pháp tiết lưu không sinh ngoại công:.......................................... - 9 - 1.1.9. Làm lạnh bằng hiệu ứng xoáy: ............................................................... - 10 - 1.1.10. Hiệu ứng nhiệt điện (hiệu ứng Pentier): ............................................... - 11 - 1.2. Tác nhận lạnh: (Môi chất lạnh, gaz lạnh)...................................................... - 12 - 1.2.1. Định nghĩa: ............................................................................................. - 12 - 1.2.2. Yêu cầu:.................................................................................................. - 12 - 1.2.3. Một số tác nhân điển hình: ..................................................................... - 13 - 1.3. Chất tải lạnh:.................................................................................................. - 16 - 1.3.1. Định nghĩa: ............................................................................................. - 16 - 1.3.2. Yêu cầu:.................................................................................................. - 16 - 1.3.3. Chất tải lanh điển hình............................................................................ - 17 - CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VỀ KỸ THUẬT LẠNH THỰC PHẨM ............................... - 22 - 2.1. Tác dụng của nhiệt độ thấp đối với vi sinh vật (ảnh hưởng)......................... - 22 - 2.1.1. Nguyên nhân làm hỏng thực phẩm: 3 nguyên nhân chính ..................... - 22 - 2.1.2. Các loại VSV phá hoại thực phẩm: ........................................................ - 22 - 2.1.3. Tác dụng của nhiệt độ thấp đối với VSV ............................................... - 22 - 2.2. Tác dụng chủa nhiệt độ thấp đối với cơ thể sống và thực phẩm ................... - 23 - 2.2.1. Đối với động vật ..................................................................................... - 23 - 2.2.2. Tác dụng của nhiệt độ thấp đến tế bào cơ thể thực vật và rau quả:........ - 25 - 2.3. Lý thuyết về kỹ thuật làm lạnh thực phẩm:................................................... - 26 - 2.3.1. Ý nghĩa về việc làm lạnh thực phẩm:..................................................... - 26 - 2.3.3. Điều kiện làm lạnh sản phẩm trong phòng bảo quản: ............................ - 30 - 2.3.4. Tốc độ làm lạnh và thời gian làm lạnh thực phẩm:................................ - 30 - 2.4. Các chế độ làm lạnh thực phẩm: ................................................................... - 31 - 2.4.1. Chế độ làm lạnh thích hợp:..................................................................... - 31 - 2.4.2. Các phương pháp làm lạnh thực phẩm:.................................................. - 32 - CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT BẢO QUẢN LẠNH THỰC PHẨM ............................ - 38 - 3.1. Các quá trình sinh lý hóa xảy ra khi bảo quản lạnh thực phẩm: ................... - 38 - 3.1.1. Biến đổi vật lý: ....................................................................................... - 38 - 3.1.2. Biến đổi sinh hóa: ................................................................................... - 38 - 3.2. Các chế độ bảo quản...................................................................................... - 40 - - 2 - 3.2.1. Bảo quản lạnh thịt (gia súc).................................................................... - 40 - 3.2.3. Bảo quản trứng: ...................................................................................... - 40 - 3.2.4. Bảo quản cá và sản phẩm từ cá: ............................................................. - 41 - 3.2.5. Bảo quản rau xanh .................................................................................. - 41 - 3.2.6. Bảo quản sữa và các sản phẩm sữa: ....................................................... - 42 - CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT CƠ SỞ VỀ KỸ THUẬT LÀM LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM .................................................................................... - 43 - 4.1. Sự khác nhau giữa làm lạnh và lạnh đông..................................................... - 43 - 4.2. Sự quá lạnh và tác dụng của nó trong quá trình làm lạnh đông .................... - 43 - 4.3. Lượng nước đóng băng.................................................................................. - 45 - 4.4. Nhiệt độ trung bình cuối cùng của sản phẩm khi làm lạnh đông .............. - 46 - 4.5. Nhiệt độ trung bình của sản phẩm trong quá trình làm lạnh đông ................ - 48 - 4.6. Tốc độ làm lạnh đông thực phẩm và sự phân bố tinh thể đá......................... - 48 - 4.7. Thời gian làm lạnh đông................................................................................ - 49 - 4.8. Các phương pháp làm lạnh đông thực phẩm................................................. - 51 - 4.8.1. Phương pháp lạnh đông chậm. ............................................................... - 51 - 4.8.2. Phương pháp lạnh đông nhanh (Lạnh đông đột ngột hay cấp đông). .... - 52 - 4.8.3. Phương pháp lạnh đông cực nhanh (lạnh đông siêu nhanh hay lạnh đông tức thời). ........................................................................................................... - 53 - 4.9. Những biến đổi của thực phẩm làm lạnh đông.............................................. - 54 - 4.9.1. Những biến đổi nhiệt - Lý học . ............................................................. - 54 - 4.9.2. Những biến đổi sinh hóa......................................................................... - 57 - 4.10. Các biện pháp hạn chế hao hụt khối lượng trong lạnh đông và trữ đông.... - 57 - 4.11.Kỹ thuật làm lạnh đông một số thực phẩm .................................................. - 58 - 4.11.1 Lạnh đông thịt và sản phẩm thịt gia súc. ............................................... - 58 - 4.11.2. Lạnh đông thịt gia cầm. ........................................................................ - 60 - 4.11.3. Lạnh đông thuỷ sản. ............................................................................. - 60 - 4.11.4. Làm lạnh đông rau quả. ........................................................................ - 62 - CHƯƠNG 5: KỸ THUẬT BẢO QUẢN THỰC PHẨM ĐÃ LẠNH ĐÔNG......... - 63 - 5.1. Các biến đổi sinh lý hóa của thực phẩm trong quá trình bảo quản lạnh đông- 63 - 5.1.2. Những biến đổi sinh hóa của sản phẩm động vật trong khi bảo quản lạnh đông. ................................................................................................................. - 64 - 5.1.3. Biến đổi cấu trúc bắp thịt và hệ thống keo tế bào động vật. .................. - 64 - 5.1.4. Những biến đổi trong thực phẩm từ thực vật (rau, qủa) khi bảo quản lạnh đông: ................................................................................................................. - 65 - 5.2. Kỹ thuật bảo quản một số thực phẩm đã làm lạnh đông. .............................. - 65 - 5.2.1. Bảo quản lạnh đông thịt và sản phẩm từ thịt gia súc ............................. - 65 - 5.2.2. Bảo quản thịt gia cầm lạnh đông. ........................................................... - 66 - 5.2.3. Bảo quản cá lạnh đông và sản phẩm từ cá: ............................................ - 66 - 5.2.4. Bảo quản rau quả lạnh đông. .................................................................. - 66 - CHƯƠNG 6: TAN GIÁ VÀ LÀM ẤM THỰC PHẨM .......................................... - 68 - 6.1. Làm tan giá .................................................................................................... - 68 - 6.1.1. Yêu cầu chung. ....................................................................................... - 68 - 6.1.2. Các phương pháp làm tan giá. ................................................................ - 70 - - 3 - 6.2. Làm ấm.......................................................................................................... - 71 - 6.3. Sự biến đổi của sản phẩm trong thời gian làm tan giá và làm ẩm................. - 72 - 6.3.1. Biến đổi vật lý. ....................................................................................... - 72 - 6.3.2. Biến đổi mô học...................................................................................... - 72 - 6.3.3. Sự biến đổi vi sinh vật. ........................................................................... - 72 - 6.3.4. Biến đổi hóa học và sinh hóa.................................................................. - 72 - 6.4. Thời gian tan giá............................................................................................ - 72 - Tài liệu tham khảo .................................................................................................... - 74 - - 4 - MỞ ĐẦU I. Lịch sử phát triển ngành lạnh: Con người đã biết làm lạnh và sử dụng lạnh cách đây rất lâu: * Các tranh vẽ trên tường trong các kim tự tháp Ai Cập cách đây khoảng 2500 năm đã mô tả cảnh nô lệ quạt các bình gốm xốp cho nước bay hơi để làm mát không khí. * Cách đây khoảng 2000 năm người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết trộn muối vào nước hoặc tuyết để tạo nhiệt độ thấp hơn. * Nhưng kỹ thuật lanh hiện đại bắt đầu phải kể từ khi giáo sư Black tìm ra ẩn nhiệt hóa hơi và ẩn nhiệt nóng chảy vào năm 1761 - 1764. * Ở cuối thế kỷ XVIII từ phát hiện đầu tiên là trong điều kiện chân không nước bay hơi ở nhiệt độ thấp. Vào năm 1834 bác sĩ Perkins (Anh) xây dựng được máy lạnh đầu tiên với tác nhân lạnh là ete etylen làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển. * Cuối thế kỷ XIX có hàng loạt các phát minh ra máy lạnh với những tác nhân có áp suất trong chu trình kín cao hơn áp suất khí quyển: + Năm 1871 Tellier xây dựng máy lạnh với tác nhân ete metylen. + Năm 1872 Boil phát minh nguyên lý máy lạnh NH3. + Năm 1874 kỹ sư Linde (Đức) đã thiết kế được máy lạnh NH3, lúc này việc chế tạo máy lạnh nén hơi mới thực sự phát triển rộng rãi trong hầu hết các ngành kinh tế. * Mốc quan trọng trong kỹ thuật lạnh là việc sản xuất và ứng dụng các freon ở Mỹ vào năm 1930. Ngày nay kỹ thuật hiện đại đang đi vào những đỉnh cao của khoa học kỹ thuật hiện đại. Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày nay được mở rộng rất nhiều và kỹ thuật đang tiến dần đến nhiệt độ không tuyệt đối. Riêng kỹ thuật lạnh là nhu cầu thiết yếu để phát triển công nghiệp thực phẩm: “Lạnh cần cho công nghiệp thực phẩm như điện và hơi nước cần cho công nghiệp nặng vậy. Điện và hơi nước đã đẩy công nghiệp nặng tiến tới, thì lạnh sẽ làm cho công nghiệp thực phẩm phát triển vượt bậc (Micoiang - 1935). II. Ý nghĩa kinh tế của kỹ thuật lạnh: 1. Ứng dụng lạnh trong bảo quản thực phẩm: Theo một số thống kê thì khoảng 80% công suất lạnh được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm như chế biến thịt cá, rau quả, công nghiệp thủy hải sản ... các kho lạnh bảo quản, các kho lạnh chế biến phân phối, các máy lạnh thương nghiệp, đến các tủ lạnh gia đình, các nhà máy sản xuất nước đá, máy lạnh lắp đặt trên tàu thủy và các - 5 - phương tiện vận chuyển, kể cả các ngành công nghiệp rượu bia, nước giải khát, nước hoa quả, công nghiệp sữa, sản xuất aga - aga .... 2. Sấy thăng hoa: Sấy thăng hoa là một phương pháp sấy hiện đại hầu như không làm giảm lượng của vật sấy, lúc này vật được làm lạnh đông nhanh dưới -200C và được sấy bằng cách hút chân không. Vì giá thành cao do đó chỉ ứng dụng cho các sản phẩm quý hiếm như những dược liệu từ hoa, cây, quả ... những sản phẩm y dược dễ biến đổi chất lượng do tác động của nhiệt độ như máu, thuốc tiêm, hoóc môn ... 3. Công nghiệp hóa chất: * Ứng dụng quan trọng nhất là sự hóa lỏng khí như: Clo, NH3, CO2, HCl, khí đốt, khí sinh học ... * Nhờ kỹ thuật lạnh nên chủ động điều khiển tốc độ các phản ứng hóa học. * Ứng dụng trong kỹ nghệ sản xuất vải, sợi, tơ, cao su nhân tạo, phim ảnh .. 4. Điều tiết không khí: * Ngày nay không thể tách rời kỹ thuật điều tiết không khí với các ngành cơ khí chính xác, kỹ thuật điện tử, vi điện tử, máy vi tính, kỹ thuật quang học ... * Điều tiết không khí cũng đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp nhẹ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm như công nghiệp dệt, vải, sợi, thuốc lá ... * Trong công nghiệp chăn nuôi điều tiết để đạt tốc độ tăng trọng cao nhất. * Điều tiết không khí công nghiệp và dân dụng nhằm tạo điều kiện cho con người để sống và làm việc. 5. Siêu dẫn: Năm 1911 nhà Vật lý Kamerlingh (Hà Lan) phát hiện ra rằng khi giảm đến một nhiệt độ rất thấp nào đó (nhiệt độ nhẩy), điện trở sẽ biến mất và kim loại trở thành siêu dẫn. Ứng dụng hiện tượng này để tạo ra các nam châm cực mạnh trong các máy gia tốc ở các nhà máy điện nguyên tử, nhiệt hạch, hoặc các đệm từ cho tàu hỏa cao tốc ... 6. Sinh học Cryô: Kỹ thuật lạnh thâm độ (còn gọi kỹ thuật cryô) với nhiệt độ -80 - 1960C được ứng dụng trong việc lai tạo giống, bảo quản tinh đông ... 7. Thể dục thể thao: Tạo ra các sân trượt băng, đường đua trượt băng và trượt tuyết nhân tạo cho các đại hội thể thao ngay cả khi nhiệt độ không khí cao. - 6 - 8. Các ứng dụng khác: * Trong hàng không và du hành vũ trụ: tạo ra nhiệt độ thấp để kiểm tra máy móc làm việc trong điều kiện tương tự. * Trong khai thác mỏ, trong cơ khí, trong y dược ... III. Kỹ thuật lạnh ở Vịêt Nam: Kỹ thuật lạnh ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế ở nước ta, thực vật kỹ thuật đã xâm nhập vào hơn 60 ngành kinh tế, đặc biệt vào các ngành chế biến thực phẩm, hải sản xuất khẩu, công nghiệp nhẹ, điều hòa không khí ... Nhưng nhược điểm chủ yếu của ngành lạnh nước ta hiện nay là quá nhỏ bé non yếu và lạc hậu. Nước ta chỉ chế tạo được các loại máy NH3 loại nhỏ, chưa chế tạo được các loại máy nén và thiết bị cỡ lớn, các loại máy lạnh freon, các thiết bị tự động ... Và đặc điểm quan trọng khác là ngành lạnh ở ta bị tản mạn và phân tán, không có cơ quan trung ương chủ trì nên không được đầu tư và phát triển đúng mức. Các đơn vị sử dụng lạnh thường trang bị tự phát nên nhiều khi gây ra lãng phí. - 7 - CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ VỀ KỸ THUẬT LẠNH 1.1. Các phương pháp làm lạnh nhân tạo: Từ lâu con người đã biết lợi dụng thiên nhiên để thỏa mãn một phần nhu cầu về lạnh. Ở các nước ôn đới người ta trử băng đá, còn ở các nước nhiệt đới người cổ đại biết sử dụng các hang động có mạch nước ngầm nhịêt độ thấp để bảo quản thực phẩm và lương thực. Làm lạnh nhân tạo là các quá trình làm lạnh nhờ một phương tiện hoặc thiết bị do con người tạo ra. Danh từ LẠNH biểu diễn một trạng thái nào đó của vật chất khi nhiệt độ của nó thấp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh. Vậy giới hạn nào đó của nhiệt độ môi trường xung quanh để phân biệt giữa NÓNG và LẠNH của vật chất? Vấn đề này chưa được thống nhất trên thế giới, song hiện nay nhiều nước vẫn lấy nhiệt độ thích hợp bình thường là +200C - +240C làm giới hạn. Như vậy thừa nhận LẠNH biểu diễn trạng thái vật chất có nhiệt độ dưới +200C . Trong kỹ thuật lạnh phân biệt như sau: * Lạnh thường: tđb < t0 < +200C * Lạnh đông: - 1000C < t0 < tđb * Lạnh thâm độ: -272, 9999850C < t0 < - 1000C 1.1.1. Phương pháp bay hơi khuếch tán: Một thí dụ điển hình là nước bay hơi khuếch tán vào không khí: khi phun nước liên tục vào không khí có cùng nhiệt độ, nước sẽ bay hơi khuếch tán vào không khí và trạng thái khôngkhí sẽ biến đổi theo đường đẳng entanpi: Hình *** t1: nhiệt độ khô (đọc trên nhiêt kế khô) t2: nhiệt độ ướt (đọc trên nhiêt kế bầu ướt) ts: nhiệt độ đọng sương Từ điểm 1 là trạng thái ban đầu của không khí đến điểm 2, độ ẩm tăng từ ϕ1 đến ϕmax = 100%, nhiệt độ giảm từ t1 đến t2. Ở vùng nóng và khô có thể sử dụng phương pháp này để điều hòa nhiệt độ. Ở nước ta khí hậu nóng và ẩm nên ứng dụng không hiệu quả, trừ những ngày nắng gió tây. - 8 - Ứng dụng khác trong kỹ thuật là máy lạnh hấp phụ khuếch tán: ở giàn bay hơi NH3 lỏng bay hơi khuếch tán vào khí Hydro, là chất khí dùng cân bằng áp suất cho hệ thống lạnh. 1.1.2. Phương pháp hòa tan: Cách đây 2000 năm, người Trung Quốc và Ấn Độ đã biết làm lạnh bằng cách hòa trộn muối và nước theo những tỷ lệ nhất định. Quá trình hòa tan luôn kèm theo quá trình thu nhiệt, hiệu ứng lạnh phụ thuộc nồng độ và nhiệt độ điểm cùng tinh của hỗn hợp. Ví dụ: + Hòa trộn 31g NaNO3 và 31 g NH4Cl với 100g nước ở t1 = 100C thì hỗn hợp sẽ giảm đến nhiệt độ t2 = -120C. + Hòa trộn 200g CaCl2 với 100g nước đá vụn, nhiệt độ sẽ giảm từ t1 = 00C xuống t2 = -420C. Nhược điểm phương pháp này là giá thành muối cao và phần lớn muối có tính ăn mòn mạnh. 1.1.3. Phương pháp hóa lỏng (nóng chảy): Nước đá khi tan chảy sẽ thu một lượng nhiệt bằng chính ẩn nhiệt đóng băng r = 80 Kcal/Kg, do đó làm môi trường xung quanh lạnh đi. Nếu cần nhiệt độ thấp hơn phải hòa trộn đã vụn với muối ăn hoặc muối CaCl2. Phương pháp này dễ sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đánh bắt hải sản vì có ưu điểm: đơn giản, rẻ tiền, không độc hại và ẩn nhiệt hóa lỏng lớn. 1.1.4. Phương pháp thăng hoa: Đá khô (tuyết cacbonic) là cacbonic ở dạng rắn. Khi thăng hoa đá khô thu một lượng nhiệt khá lớn bằng ẩn nhiệt thăng hoa r = 137 Kcal/Kg. Ngày nay đá khô có ý nghĩa công nghiệp rộng lớn, đặc biệt dùng làm lạnh trên phương tiện vận tải. Ưu điểm: + Ẩn nhiệt thăng hoa lớn. + Năng suất lạnh thể tích lớn. 1.1.5. Phương pháp bay hơi chất lỏng: Các môi chất lỏng dùng trong máy lạnh nén hơi, hấp thụ và ejectơ là NH3, nước và các freon đều thực hiện quá trình thu nhiệt ở môi trường lạnh bằng quá trình bay hơi ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp, đồng thời thải nhiệt ra môi trường bằng quá trình ngưng tụ ở áp suất cao và nhiệt độ cao. - 9 - Quá trình bay hơi chất lỏng bao giờ cũng gắn với quá trình thu nhiệt. Vì ẩn nhiệt bay hơi của chất lỏng bao giờ cũng lớn hơn rất nhiều ẩn nhiệt hóa rắn nên hiệu ứng lạnh lớn hơn. Chất lỏng bay hơi đóng vai trò là môi chất lạnh và chất tải lạnh quan trọng trong kỹ thuật lạnh. Trong đó Nitơ lỏng được sử dụng trong kỹ thuật lạnh thâm độ (Cryô), nhiều trường hợp Nitơ lỏng vừa là môi chất lạnh vừa là chất bảo đảm vì Nitơ là loại khí trơ có tác dụng kìm hãm các quá trình sinh hóa trong sản phẩm. 1.1.6. Phương pháp khử từ đoạn nhiệt: Đây là phương pháp sử dụng trong kỹ thuật Cryô đ