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 một hay nhiều vật thể được tách riêng ra để nghiên cứu về những
quy luật chuyển hóa năng lượng.
-Trạng thái của hệ nhiệt động: là tập hợp những đại lượng vật lý có giá trị xác định đặc trưng
cho đặc tính của một hệ nhiệt động tại một thời điểm nào đó. Những đại lượng vật lý đó gọi là
thơng số trạng thái của hệ nhiệt động.
- Trạng thái cân bằng: là trạng thái mà các thơng số trạng thái có giá trị đồng đều trong tồn
hệ và khơng đổi theo thời gian nếu khơng có tác động từ mơi trường bên ngồi và bằng thơng số
của mơi trường xung quanh.

19


-Thông số trạng thái cơ bản của hệ nhiệt động:

+ Thơng số cơ bản: là các thơng số có thể đo được trực tiếp gồm có nhiệt độ (T, K), áp suất (p,
Pa), thể tích riêng phần v (m3/kg).
+ Hàm trạng thái cơ bản: là các thông số tổng hợp, được tính tốn gián tiếp thơng qua các
thơng số cơ bản của hệ nhiệt động. Hàm trạng thái bao gồm:
Nội năng: là toàn bộ các dạng năng lượng bên trong của hệ (nội nhiệt năng, nội hóa năng, lực
phân tử, nguyên tử…) ký hiệu U (J).
Entanpi: là một dạng thế năng nhiệt động, đặc trưng cho khả năng sinh công hữu ích hoặc
trao đổi năng lượng với mơi trường bên ngoài. Ký hiệu là I hoặc h (J).
I =U+P.V

Entropi: Là hàm trạng thái đặc trưng cho mức độ không thuận nghịch của một hệ nhiệt động.
Ký hiệu S (J/oK).
ds=∂q/T

20

Quá trình nhiệt động: là một chuỗi nối tiếp các trạng thái của hệ nhiệt động
do có sự trao đổi nhiệt và cơng với mơi trường bên ngồi.
Chu trình nhiệt động:là một q trình nhiệt động khép kín, trong đó hệ nhiệt
động sau khi biến đổi qua các quá trình nhiệt động sẽ quay lại trạng thái ban đầu.
Môi chất: Để thực hiện q trình chuyển hóa giữa nhiệt năng thành các dạng
năng lượng khác trong chu trình nhiệt động, cần thiết phải thông qua chất trung
gian gọi là môi chất.

21


Các định luật nhiệt động cơ bản
Định luật nhiệt động một: là hệ quả của định luật bảo toàn năng lượng. Trong một hệ nhiệt
động lượng nhiệt sinh ra (hoặc mất đi) khi trao đổi với môi trường xung quanh trong quá trình
biến đổi từ trạng thái (1) đến trạng thái (2) bằng sự thay đổi năng lượng cộng với sự thay đổi
cơng của tồn hệ.
Q1-2=∆E1-2+L1-2
Hệ quả:

q1-2= (i2-i1) -∫v.dp=(i2-i1)+l1-2
trong q trình đoạn nhiệt (q1-2=0): i2-i1=l1-2

trong quá trình đẳng áp (p=const): q1-2=i2-i1
Định luật nhiệt động hai: Xác định chiều biến đổi tự nhiên của hệ nhiệt động. Trong tự
nhiên, nhiệt chỉ có thể truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp.
22

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng (Mendeleev-Clapeyron): biểu diễn
mối liên hệ giữa các thông số cơ bản của hệ nhiệt động

𝑚
𝑃. 𝑉 = 𝑅. 𝑇
𝜇
Chu trình máy lạnh và biểu diễn: để tính tốn, thiết kế, phân tích các hoạt động của
máy lạnh, người ta thường biểu diễn hoạt động của máy lạnh dưới dạng chu trình nhiệt động
của môi chất lạnh được dùng trong máy lạnh (đồ thị logP-i (h) hoặc đồ thị T-S)

23


24


25


Các phương pháp làm lạnh nhân tạo cơ bản
Nguyên lý chung: để làm lạnh cần thiết phải tạo ra nguồn có nhiệt độ thấp hơn
nhiệt độ mơi trường. Nguồn này sẽ nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh sau đó
lượng nhiệt này sẽ được các hệ thống máy móc thiết bị chuyển tải đi và thải ra môi
trường.

1. Môi chất lạnh (môi trường làm lạnh)
2. Bộ phận thải nhiệt (Bộ phận ngưng tụ)
3. Môi trường cần làm lạnh (sản phẩm)
4. 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 hơi chất lỏng
• Phương pháp khử từ đoạn nhiệt
• Bay hơi khuyếch tán
• Phương pháp dãn nở khí có sinh cơng
• Phương pháp tiết lưu khơng sinh ngoại cơng
• Giãn nở khí trong ống xốy
• Hiệu ứng nhiệt điện
27


Phương pháp hòa trộn lạnh: Hòa trộn muối và nước hoặc nước đá theo những tỉ lệ nhất định.
Phương pháp này hiện chỉ dùng trong sơ chế hải sản, sử dụng muối ăn, vì các loại muối khác giá
thành cao và có thể ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm.

Phương pháp bay hơi chất lỏng: thông thường sử dụng nito lỏng, CO2 lỏng, các môi chất lạnh
khác. Phương pháp này có giá thành cao. Dùng trong bảo quản các loại thực phẩm chất lượng cao.

Phương pháp khử từ đoạn nhiệt: Sử dụng các loại muối nhiễm từ. Phương pháp này hiện nay
chủ yếu dùng trong các phịng thí nghiệm để tạo ra nhiệt độ gần nhiệt độ không tuyệt đối.

28


Bay hơi khuyếch tán: bản chất là bay hơi nước đẳng entanpi vào khơng khí chưa bão hịa. Kết

quả độ ẩm khơng khí tăng lên, mơi trường được làm lạnh.

29


30


Phương pháp dãn nở khí có sinh cơng: theo phương trình trạng thái pv=C.R.T, khi giãn nở
khí, áp suất giảm dẫn tới nhiệt độ giảm.

31


Phương pháp tiết lưu không sinh ngoại công (hiệu ứng Joule-Thomson): cho dịng mơi chất
đi qua ống có tiết diện bị thu hẹp đột ngột. Bản chất là hạ nhiệt độ của mơi trường bằng cách hóa
hơi (chuyển pha) mơi chất lỏng ở nhiệt độ thấp có áp suất tương ứng.

Hiệu ứng Joule –Thomson
Sau khi tiết lưu thì elthanpy của môi chất được giữ nguyên không đổi. Ý nghĩa vật lý của hiệu ứng
tiết lưu Joule-Thomson là nội năng của dịng mơi chất trước tiết lưu được sử dụng khơng phải để
sinh công mà là để thắng lực cản của các phân tử môi chất sinh ra do ma sát.
32


VD. Dịng khí có áp suất 6 bar
thổi qua ống Ø12mm cho
nguồn nóng có nhiệt độ +58
độ C và phía lạnh có nhiệt độ 12 độ C.

Giãn nở khí trong ống xốy: dịng khí nén được bơm theo phương tiếp tiếp với
thành ống, do chênh lệnh vận tốc góc giữa luồng khí ở trục ống và luồng khí đi sát
thành ống xuất hiện lực ma sát, làm giảm động năng của luồng khí ở trục dẫn tới
áp suất và nhiệt độ luồng khí này giảm. Phương pháp này ít sử dụng vì hiệu quả
33
thấp


Hiệu ứng nhiệt điện( hiệu ứng Peltier): Khi cho dòng điện một chiều thích hợp đi qua cặp nhiệt
điện (lưỡng kim hoặc bán dẫn), ở một đầu của cặp nhiệt điện có nhiệt độ cao hơn mơi trường (tỏa
nhiệt), đầu kia có nhiệt độ thấp hơn mơi trường (làm lạnh)

Hiệu ứng nhiệt điện

34


Cơ sở nhiệt động của máy lạnh
Máy lạnh: là hệ thống thiết bị dùng để lấy nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ mơi
trường sau đó chuyển lên nguồn có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ mơi trường để thải nhiệt ra ngồi.
Trong q trình này máy lạnh nhận cơng từ bên ngồi.

35


Phương trình năng lượng và hệ số lạnh của máy lạnh
Phương trình năng lượng của máy lạnh
𝑸𝑲 = 𝑸𝑶 + 𝑳

Trong đó: 𝑄𝐾 – Nhiệt thải ra mơi trường (nguồn có nhiệt độ cao,

năng suất thải nhiệt)
𝑄𝑂 – Nhiệt thu từ nguồn có nhiệt độ thấp (năng suất lạnh)
L – Công nén

Hệ số lạnh (ε, hoặc COP): là tỉ số giữa năng suất lạnh và công nén. Đặc trưng cho mức độ hiệu quả về mặt năng lượng.
𝑸𝟎
𝜺=
𝑳
Hệ số lạnh đạt lớn nhất khi hoạt động theo chu trình Carno khi 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 của chu trình

𝜼=

𝜺
𝜺𝒎𝒂𝒙

36


Các loại máy lạnh cơ bản trong thực tế:

Các loại máy
lạnh cơ bản

Máy lạnh
nén hơi

Máy lạnh
hấp thụ

Máy lạnh
ejecter

Máy lạnh
nén khí

3 loại máy lạnh đầu sử dụng van tiết lưu (hiệu ứng Joule-Thomson) để tạo ra
nguồn có nhiệt độ thấp; mơi chất có chuyển pha
Loại thứ 4 sử dụng máy dãn nở khí sinh ngoại cơng; mơi chất khơng chuyển
pha

37


Máy lạnh nén hơi: ở dàn bay hơi (GBH) môi chất lạnh ở dạng lỏng (có chứa một phần hơi
nhận nhiệt của vật cần làm lạnh, hóa hơi. Hơi sau đó được hút về máy nén (MN) được nén
lên áp suất cao và nhiệt độ cao hơn môi trường, đẩy vào dàn ngưng (GN). Tại dàn ngưng
môi chất thải nhiệt (Qk) cho môi trường và ngưng tụ tại áp suất Pk. Môi chất lạnh lỏng qua
van tiết lưu (TL) hạ áp xuống Po.

Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy lạnh nén hơi

38


Máy lạnh hấp thụ: vai trò của máy nén được thay bằng vịng tuần hồn của các bình hấp thụ
(HT), sinh hơi (SH) và bơm dung dịch (BDD), van tiết lưu dung dịch (TL2) . Ứng dụng trong các
xí nghiệp tận dụng nhiệt thừa.

Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ

39


Máy lạnh Ejector:

40


Máy lạnh nén khí: Khí từ buồng lạnh 1 được hút và nén lên áp suất cao và nhiệt độ cao ở trạng
thái 2, sau đó được đưa vào bình làm mát thải nhiệt cho nước làm mát. Khí sau khi được làm mát
đưa vào máy dãn nở và được dãn nở xuống áp suất thấp và nhiệt độ thấp rồi được phun vào buồng
lạnh. Quá trình được lặp lại.

Ứng dụng: trong điều hịa khơng khí trên máy bay, dùng trong kỹ thuật lạnh cryo để hóa lỏng khí.

41