Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật lạnh

Ý NGHĨA KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỒ ÁN
Kỹ thuật lạnh đóng vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế xã hội. Đặc
biệt là đối với nước ta nền kinh tế chủ yếu là nông nghiệp, ngư nghiệp. Sản
phẩm nông nghiệp của chúng ta dồi dào, bên cạnh đó là quá trình phát triển
nền kinh tế xã hội chúng ta đang dần tiến tới công nghiệp hóa hiện đại hóa.
Sản phẩm bán ra ngày càng nhiều và chế biến tinh chế hơn, các ngành nông
sản, chế biến thủy sản ngày càng chiếm vị thế trong nền kinh tế xã hội.
Đặc biệt với ngành chế biến thủy sản, sản phẩm sau chế biến phải
được cấp đông để có thể bảo quản trong thời gian dài. Do đó để phát triển
được ngành này thì công nghệ lạnh đóng vai trò rất quan trọng với ngành
trưng bày và bán hàng tại các trung tâm thương mại, siêu thị. Và việc
nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật lạnh đúng hướng ở nước ta là rất cần thiết
để đưa nền kinh tế nước nhà đi lên.
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LẠNH
1.1. Lịch sử phát triển ngành lạnh
Từ lâu con người đã biết làm lạnh và sử dụng lạnh. Cách đây khoảng
5000 năm con người đã biết bảo quản lương thực - thực phẩm trong các
hang động có nhiệt độ thấp do các mạch nước ngầm nhiệt độ thấp chảy
qua.
Cách đây khoảng 2500 năm trong các tranh vẽ trên tường ở các kim
tự tháp Ai Cập đã mô tả cảnh nô lệ quạt các bình gốm xốp cho nước bay
hơi làm mát không khí.
Người Ấn độ và người Trung quốc cách đây 2000 năm đã biết trộn
muối vào nước hoặc nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn.
Tuy nhiên, kỹ thuật lạnh hiện đại chỉ mới bắt đầu phát triển khi giáo
sư Black tìm ra ẩn nhiệt hóa hơi và ẩn nhiệt ngưng tụ vào năm 1761 -
1764. Con người đã biết làm lạnh bằng cách cho bay hơi chất lỏng ở áp
suất thấp.
Sau đó là sự hoá lỏng khí CO
2
vào năm 1780 do Clouet và Monge

tiến hành. Sang thế kỷ thứ 19 thì Faraday đã hoá lỏng được hàng loạt các
chất khí như: H
2
S, CO
2
, C
2
H
2
, NH
3
, O
2
, N
2
, HCl.
Năm 1834 Tacob Perkins (Anh) đã phát minh ra máy lạnh nén hơi
đầu tiên với đầy đủ các thiết bị hiện đại gồm có máy nén, dàn ngưng, dàn
bay hơi, và van tiết lưu.
Sau đó có hàng loạt các phát minh của kỹ sư Carres (Pháp) về máy
lạnh hấp thụ chu kỳ và liên tục với các mô chất khác nhau.
- Máy lạnh hấp thụ khuếch tán hoàn toàn không có chi tiết chuyển
động được Gerppt (Đức) đăng ký phát minh 1899 và được Platen cùng
Munter (Thụy điển) hoàn thiện năm 1922. Máy lạnh Ejector hơi nước đầu
tiên do Leiblane chế tạo năm 1910. Nó cấu tạo sất đơn giản, năng lượng
tiêu tốn là nhiệt năng do đó có thể tận dụng các nguồn phế thải.
- Một sự kiện quan trọng của lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh là
việc sản xuất và ứng dụng Freon ở Mỹ vào năm 1930. Freon là các khí liên
carbon được thay thế một phần hay toàn bộ các nguyên tử hidro bằng các
nguyên tử halogen như: Cl, F, Br. Freon là những chất lạnh có nhiều đặc

tính quý báu như không cháy không nổ, không độc hại, phù hợp với chu
trình làm việc của máy lạnh nén hơi. Nó đã góp phần tích cực vào việc
thúc đẩy kỹ thuật lạnh phát triển. Nhất là kỹ thuật điều hòa không khí .
Ngày nay kỹ thuật lạnh hiện đại đã phát triển rất mạnh mẽ, cùng với
sự phát triển của khoa học, kỹ thuật lạnh đã có những bước tiến vượt bậc.
- Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày càng được mở rộng.
Người ta đang tiến dần nhiệt độ không tuyệt đối .
- Công suất lạnh của máy cũng được mở rộng, từ máy lạnh vài mW
sử dụng trong phòng thí nghiệm đến các stoor hợp có công suất triệu W ở
các trung tâm điều tiết không khí.
- Hệ thống lạnh ngày nay thay vì lắp ráp các chi tiết, thiết bị lại với
nhau thì tổ hợp này ngày càng hoàn thiện nên sử dụng sẽ thuận tiện và chế
độ làm việc hiệu quả hơn.
- Hiệu suất máy tăng lên đáng kể, chi phí vật tư và chi phí cho một
đơn vị lạnh giảm xuống. Tuổi thọ và độ tin cậy tăng lên. Mức độ tự động
hóa của các hệ thống lạnh và các máy lạnh tăng lên rõ rệt. Những thiết bị tự
động hóa hoàn toàn bằng điện tử và vi điện tử thay thế cho các thiết bị thao
tác bằng tay.
1.2. Tổng quan về công nghệ làm đông và bảo quản sản phẩm đông
lạnh
1.2.1. Tác dụng của việc bảo quản lạnh
Bảo quản thực phẩm là quá trình bảo vệ và hạn chế những biến đổi
về chất lượng và hình thức của thực phẩm trong khi chờ đợi đưa đi sử
dụng.
Thực phẩm sau khi thu hoạch về chế biến được bảo quản ở nhiệt độ
thấp cùng với chế độ thông gió và độ ẩm thích hợp trong kho lạnh, khi hạ
nhiệt độ thấp thì enzyme và vi sinh vật trong nhiên liệu bị ức chế hoạt động
và có thể bị đình chỉ hoạt động. Như vậy nguyên liệu được giữ tươi lâu
khoảng một thời gian nữa.
Nói chung khi nhiệt độ nhỏ hơn 10

0
C thì vi sinh vật gây thối rữa và
vi khuẩn gây bệnh bị kiềm chế phần nào hoạt động của chúng. Khi nhiệt độ
nhỏ hơn 0
0
C thì tỷ lệ phát triển của chúng rất thấp, ở -5
0
C ÷ -10
0
C thì hầu
hết chúng không hoạt động. Tuy nhiên có một số loài vi khuẩn và nấm mốc
khi hạ nhiệt độ xuống -15
0
C chúng vẫn phát triển được như Cloromobacter,
Pseudomonas… Do đó, muốn bảo quản được thực phẩm, nhất là các mặt
hàng thuỷ sản trong thời gian dài thì nhiệt độ bảo quản phải dưới -15
0
C.
Như vậy, quá trình bảo quản lạnh có tác dụng như sau:
- Ở nhiệt độ thấp các phản ứng sinh hoá trong nguyên liệu giảm
xuống. Trong phạm vi hoạt động bình thường cứ hạ 10
0
C thì các phản ứng
sinh hoá giảm xuống 1/2 ÷ 1/3, khi hạ xuống thấp sẽ làm ức chế các hoạt
động về sinh lý của vi khuẩn cũng như nấm men.
- Dưới tác dụng của nhiệt độ thấp, nước trong động vật thuỷ sản bị
đóng băng làm cơ thể động vật bị mất nước, vi khuẩn thiếu nước nên giảm
phát triển và có khi còn bị tiêu diệt. Nói chung khi nhiệt độ hạ xuống thấp
thì chỉ có tác dụng kiềm chế vi khuẩn hơn là giết chết chúng.
1.2.2. Các vấn đề về cấp đông thực phẩm

1.2.2.1. Phân loại giới hạn làm lạnh
• Nhiệt độ đóng băng của thực phẩm
Nước nguyên chất đóng băng ở 0
0
C. Tuy nhiên điểm đóng băng của
thực phẩm thì khác, vì nồng độ muối khoáng và các chất hòa tan trong dịch
tế bào của thực phẩm thay đổi tùy theo từng loại thực phẩm nên chúng có
điểm đóng băng khác nhau và thường nhỏ hơn 0.
• Các cấp làm lạnh thực phẩm
Ứng với khoảng nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông người ta phân biệt
các cấp làm lạnh thực phẩm như sau:
- Làm lạnh: khi nhiệt độ sản phẩm cuối quá trình nằm trong
khoảng:
t
db
< t < 20
0
C
- Làm lạnh đông (cấp đông): khi nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông
nằm trong khoảng:
-100
0
C < t < t
db
- Làm lạnh thâm độ: khi nhiệt độ của sản phẩm sau cấp đông trong
khoảng:
-273
0
C < t < -100
0

C
• Cơ chế đóng băng trong thực phẩm khi cấp đông
Nước trong thực phẩm do có hòa tan các chất tan nên nhiệt độ đóng
băng thấp hơn 0
0
C.
Khi hạ nhiệt độ xuống thấp các dạng nước trong thực phẩm đóng
băng dần dần tùy theo mức độ liên kết của chúng với tế bào.
Khi hạ nhiệt độ xuống thấp bằng nhiệt độ cấp đông, trước tiên các
tinh thể đá xuất hiện ở gian bào (khoảng trống giữa các tế bào). Khi đến
điểm đóng băng đa số nước ở gian bào kết tinh và làm tăng nồng độ chất
tan lên cao hơn trong tế bào. Do đó áp suất thẩm thấu tăng lên làm cho
nước trong tế bào có xu hướng ra ngoài qua gian bào, qua màng bán thấm
của tế bào. Nếu tốc độ làm lạnh chậm thì nước trong tế bào ra sẽ làm cho
các tinh thể hiện diện lớn lên mà không tạo tinh thể mới.
Nếu tốc độ làm lạnh nhanh thì tinh thể sẽ tạo ra cả ở bên ngoài lẫn
bên trong tế bào, tinh thể đá sẽ nhuyễn và đều.
Do đó, nếu hạ nhiệt chậm tế bào bị mất nước, các tinh thể đá tạo ra
sẽ to và chèn ép làm rách màng tế bào, cấu tạo mô cơ bị biến dạng, làm
giảm chất lượng sản phẩm.
Khi nước tự do đã đóng băng hết thì đến nước liên kết, bắt đầu từ
nước có liên kết yếu đến nước có liên kết mạnh.
1.2.2.2. Một số biến đổi của thực phẩm trong quá trình bảo quản lạnh
đông
a. Sự biến đổi về nhiệt vật lý
Sự kết tinh của nước đá
Trong quá trình cấp đông nước tách ra và đông thành các tinh thể,
làm cho sản trở nên rắn, tăng thể tích một ít. Khi nước trong thực phẩm kết
tinh tạo thành mạng tinh thể xen kẽ giữa các thành phần khác tạo nên cấu
trúc vững chắc, nhưng khi làm tan băng, phục hồi trạng thái ban đầu thì cấu

trúc thực phẩm bị mềm yếu hơn, kém đàn hồi hơn do các tinh thể làm rách
cấu trúc tế bào thực phẩm.
Đối với các sản phẩm đông lạnh trong quá trình bảo quản nếu chúng
ta không duy trì được nhiệt độ bảo quản ổn định sẽ dẫn đến sự kết tinh lại
của nước đá. Đây là hiện tượng gây ảnh hưởng xấu cho sản phẩm bảo quản.
Do nồng độ chất tan trong các tinh thể nước đá khác nhau thì khác nhau,
nên nhiệt độ kết tinh và nhiệt độ nóng chảy cũng khác nhau.
Sự biến đổi màu sắc
Đồng thời với quá trình trên màu sắc thực phẩm cũng biến đổi do
hiệu ứng quang học do tinh thể đá khúc xạ ánh sáng. Màu sắc thực phẩm
khi nước đóng băng phụ thuộc tính chất ánh quang của các tinh thể nước
đá.
Bay hơi nước
Trong quá trình làm lạnh đông có hiện tượng mất nước, giảm trọng
lượng sản phẩm. Đó là sự bay hơi nước vào không khí từ bề mặt sản phẩm,
do chênh lệch mật độ ρ giữa không khí sát bề mặt và không khí xung
quanh.
Ẩm bốc lên từ bề mặt sản phẩm vào không khí xung quanh, nếu sản
phẩm nhập có bề mặt còn ướt thì khi cấp đông chúng sẽ đông lại, sau đó
diễn ra quá trình thăng hoa. Nếu chênh lệch nhiệt độ bề mặt sản phẩm và
không khí trong buồng cấp đông càng lớn thì ẩm bốc càng mạnh, gây hao
hụt khối lượng.
Khuếch tán nước
Khi cấp đông xảy ra hiện tượng khuếch tán nước trong cấu trúc thực
phẩm, nước khuếch tán là do các nguyên nhân:
- Sư chênh lệch nhiệt độ gây nên do chênh lệch mật độ ρ.
- Sự lớn lên của các tinh thể nước đá luôn thu hút nước từ những vị
trí chưa kết tinh dẫn đến, làm cho nước từ nơi có nồng độ chất tan thấp
chuyển đến nơi có nồng độ chất tan cao. Sự di chuyển của nước thực hiện
nhờ tính bán thấm và mao dẫn của cấu trúc thực phẩm. Động lực của quá

trình khuếch tán, làm cho nước di chuyển từ trong tế bào ra gian bào và từ
trong ra ngoài, từ vị trí liên kết ra tự do. Khi nước khuếch tán cấu trúc tế
bào co rút, một số chất tan biến hình.
Các thông số nhiệt vật lý thay đổi
- Biến đổi nhiệt dung: nhiệt dung sản phẩm thay đổi là do nước
trong thực phẩm đã đóng băng.
- Biến đổi hệ số dẫn nhiệt.
- Biến đổi hệ số dẫn nhiệt độ.
b. Biến đổi hóa học
Trong quá trình bảo quản đông lạnh các biến đổi sinh hóa, hóa học
diễn ra chậm. Các thành phần dễ bị biến đổi là các protein hòa tan, lipid,
vitamin, chất màu…
- Sự biến đổi protein: trong các loại protein thì protein hòa tan
trong nước là dễ bị phân giải nhất, sự phân giải chủ yếu dưới dạng tác dụng
của enzyme có sẵn trong thực phẩm. Sự khuếch tán nước do kết tinh lại và
thăng hoa của nước đá gây nên sự biến tính protein hòa tan. Biến đổi
protein làm giảm chất lượng sản phẩm khi sử dụng.
- Sự biến đổi của lipid: dưới tác động của enzyme nội tạng làm cho
chất béo bị phân giải cộng với quá trình thăng hoa nước đá làm cho oxy
xâm nhập vào thực phẩm. Đó là điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóa
chất béo xảy ra. Quá trình oxy hóa này sinh ra các hợp chất có mùi vị xấu
làm giảm giá trị của sản phẩm.
- Các chất màu bị oxy hoá cũng làm thay đổi màu sắc của sản
phẩm.
c. Biến đổi do vi sinh
Trước khi làm lạnh thực phẩm thường được rửa sạch để loại bỏ các
tạp chất nơi chứa nhiều loại vi sinh vật.
Đối với sản phẩm đông lạnh có nhiệt độ thấp hơn -15
0
C và được bảo

quản ổn định thì số lượng vi sinh vật giảm theo thời gian. Ngược lại nếu
sản phẩm làm đông không đều, vệ sinh không đúng tiêu chuẩn, nhiệt độ
bảo quản không ổn định sẽ làm cho các sản phẩm bị lây nhiễm vi sinh vật,
chúng hoạt động gây thối rữa sản phẩm và giảm chất lượng sản phẩm.
1.2.2.3. Các phương pháp và thiết bị kết đông thực phẩm
Thiết bị cấp đông có rất nhiều dạng, hiên nay ở nước ta sử dụng phổ
biến các hệ thống sau:
- Kho cấp đông gió.
- Tủ cấp đông tiếp xúc.
- Tủ cấp đông gió.
- Hệ thống cấp đông dạng rời, có băng chuyền IQF.
+ Hệ thống cấp đông có băng chuyền cấp đông thẳng.
+ Hệ thống cấp đông có băng chuyền cấp đông dạng xoắn.
+ Hệ thống cấp đông siêu tốc.
- Hệ thống cấp đông nhúng nitơ lỏng.
1.3. Môi chất lạnh
1.3.1. Định nghĩa
Môi chất lạnh (tác nhân lạnh) là chất môi giới sử dụng trong chu trình
nhiệt động ngược chiều để hấp thu nhiệt của môi trường cần làm lạnh và
thải nhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao hơn. Môi chất tuần hoàn được
trong hệ thống lạnh nhờ quá trình nén.
Phân loại
– Dựa vào thành phần hóa học:
• Môi chất vô cơ: NH
3
(R717), CO
2
(R744), …
• Môi chất hữu cơ: hydrocarbon, halocarbon…
– Dựa vào nhiệt độ sôi và áp suất bão hòa

• Môi chất có áp suất sôi cao: R744
• Môi chất có áp suất sôi trung bình: R123, R134
• Nhóm môi chất có áp suất sôi thấp: R717, R507
Ngoài ra còn dựa vào tính độc hại và tính dễ cháy nổ để phân loại
1.3.2. Môi chất lạnh NH
3
- NH
3
là chất khí không màu, có mùi khai, cháy trong oxy có ngọn lửa
màu vàng.
- Là chất lạnh rẻ tiền, dễ kiếm, dễ bảo quản, có thể sản xuất trong
nước.
- Tuy NH
3
độc hại nhưng vẫn được coi là môi chất của hiện tại và
tương lai.
• Tính chất nhiệt động:
- Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển: -33,35ºC
- Nhiệt độ đông đặc: -77,7ºC
- Nhiệt độ ngưng tụ: 32ºC
- Áp suất ngưng tụ khoảng 12 ÷ 15 kg/cm
2
- ρ(0
0
C) = 0,64kg/dm
3

- Năng suất lạnh riêng khối lượng q
0
lớn.

- Năng suất lạnh riêng thể tích q
v
lớn (máy nén và thiết bị gọn nhẹ).
- Nhiệt độ cuối tầm nén cao (làm mát đầu xilanh và phải hút hơi bão
hòa).
- Độ nhớt nhỏ, tính lưu động cao (tổn thất áp suất nhỏ, đường ống và
các van gọn nhẹ).
- Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn (thuận lợi cho việc thiết kế chế
tạo thiết bị ngưng tụ và bay hơi).
- Bền vững trong khoảng nhiệt độ và áp suất công tác, chỉ phân hủy
ở 260
0
C. (Tuy nhiên nếu bề mặt xilanh làm bằng thép và có mặt ẩm làm
chất xúc tác thì ở nhiệt độ 110 - 120
0
C đã bị phân hủy).
Bảng 1.1. Các thông số trạng thái ở 0
0
C
Đơn vị Lỏng Hơi
Áp suất Mpa 0,43 0,43
Thể tích riêng dm
3
/kg 1,57 289,3
Hình 1.1. Môi chất NH
3
Nhiệt dung riêng
- Đẳng áp
- Đẳng tích
kJ/(kg.K)

kJ/(kg.K)
4,26
2,80
2,68
1,92
Độ nhớt 10
-6
Pa.s 170,09 9,06
Hệ số dẫn nhiệt W/(m.K) 0,559 0,023
Sức căng bề mặt N/m 0,033
Nhiệt hóa hơi kJ/kg 1262,2

Tính chất hóa học
– NH
3
không tác dụng với phi kim, kim loại đen chế tạo máy và kim
loại màu (trừ Cu và hợp kim của Cu).
– NH
3
hòa tan vô tận trong H
2
O (không bị tắc ẩm van tiết lưu nhưng
phải khống chế ẩm < 0,1%).
– NH
3
không hòa tan dầu bôi trơn.
– Hỗn hợp với Hg sẽ gây nổ.
– Khi có ngọn lửa NH
3
có thể gây cháy nổ ở nồng độ 13% – 16 % và

tự cháy ở 600
0
C.
Tính chất sinh lý
– Độc hại với con người, gây kích thích niêm mạc mắt và dạ dày, gây
co thắt các cơ quan hô hấp, làm bỏng da.
– Ở nồng độ 0,007 - 0,1% thể tích không khí bắt đầu có sự hủy hoại
cơ quan hô hấp. Từ 0,2 - 0,3% có thể làm mù mắt hoặc làm chết ngạt trong
30 phút.
– NH
3
làm giảm chất lượng thực phẩm
Biện pháp an toàn
– Khi tiếp xúc với NH
3
phải mang mặt nạ phòng độc, khi xử lí sự cố
hệ thống ít nhất phải có hai người.
– Khi bị ngạt phải đưa ra chỗ thoáng nhưng phải ấm, xông hơi ấm và
uống các chất kích thích: cà phê, trà nóng,…
– Khi bị bỏng phải nhanh chóng rửa bằng nước sạch và ấm. Nếu
nặng thì phải đưa đi bệnh viện.
1.4. Ứng dụng của kỹ thuật lạnh
1.4.1. Bảo quản thực phẩm
Lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của kỹ thuật lạnh là dùng để bảo
quản thực phẩm. Theo thống kê thì khoảng 80% năng suất lạnh được sử
dụng trong công nghiệp bảo quản thực phẩm. Thực phẩm hầu hết là các sản
phẩm bị ôi thiu hư hỏng do vi khuẩn gây ra.
Để bảo quản thực phẩm ngoài phương pháp sấy khô, phóng xạ, bao
bì, xử lý khí…phương pháp làm lạnh tỏ ra có rất nhiều ưu điểm như ít làm
giảm chất lượng, màu sắc, mùi vị thực phẩm trong nhiều tháng, thậm chí

nhiều năm bảo quản.
Bảng 1.2. Số ngày bảo quản phụ thuộc vào nhiệt độ đối với cá, thịt bò, gia cầm
Nhiệt độ (
0
C) Cá Thịt bò Gia cầm
20 3 8 2
10 7 16 5
0 15 30 7
-10 40 100 70
-20 110 1000 230
-30 230 2300 800
Thực ra thời gian bảo quản còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ
ẩm, phương pháp bao gói, thành phần không khí nơi bảo quản, chất lượng
bán thành phẩm,…nhưng nhiệt độ đóng vai trò quan trong nhất.
Ngày nay, công nghiệp thực phẩm xuất khẩu đang giữ một vai trò hết
sức quan trọng trong nền kinh tế của nước ta và nền công nghiệp chế biến
thực phẩm này không thể thiếu những trang thiết bị hiện đại nhất của kỹ
thuật lạnh.
1.4.2. Sấy thăng hoa
Sản phẩm sấy đầu tiên được kết đông xuống - 20
0
C sau đó được sấy
bằng cách hút chân không nên chất lượng sản phẩm hầu như được giữ
nguyên vẹn. Khi sử dụng sản phẩm được tái hấp thụ nước và giữ nguyên
được trạng thái ban đầu cả về chất lượng, màu sắc, mùi vị…Do giá thành
sấy thăng hoa rất đắt nên ít được ứng dụng cho thực phẩm mà chủ yếu cho
ngành y, dược.
1.4.3. Công nghiệp hóa chất
Ứng dụng quan trọng nhất trong công nghệ hóa chất là việc hóa lỏng
và tách khí như công nghiệp sản xuất khí clo, amoniac, carbonic, sulfuro,

clohydryd, các loại khí đốt, khí sinh học, khí thiên nhiên, hóa lỏng và tách
không khí,…
Hóa lỏng và tách không khí từ không khí ngành công nghiệp có ý
nghĩa rất to lớn đối với ngành luyện kim, chế tạo máy và các ngành kinh tế
khác kể cả y học và sinh học. Oxy và nito được sử dụng nhiều ở lĩnh vực
khác nhau như hàn, cắt kim loại, sản xuất phân đạm, làm chất tải lạnh…các
loại khí trơ như heli, argon được sử dụng trong nghiên cứu vật lí, trong
công nghiệp hóa chất và sản xuất bóng đèn. Kỹ thuật lạnh cũng hỗ trợ đắc
lực trong các công nghệ sản xuất vải, sợi, tơ, cao su nhân tạo, phim ảnh…
nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng hóa học nên người ta
còn sử dụng lạnh để điều khiển tốc độ phản ứng hóa học.
1.4.4. Điều hòa hóa chất
Điều hòa không khí công nghiệp và tiện nghi ngày nay là không thể
thiếu và thực sự đang phát triển rất mạnh mẽ. Các yêu cầu nghiêm ngặt về
nhiệt độ, độ ẩm và thành phần không khí trong các quy trình công nghệ sản
xuất như vải, sợi, in ấn, thuốc lá, điện tử, vi điện tử, máy tính, quang học…
nhất thiết phải có điều hòa không khí.
Các dịch vụ như khách sạn, du lịch, vui chơi giải trí, y tế, thể dục thể
thao, giao thông vận tải…cũng không thể thiếu được điều hòa không khí.
Ngày nay kỹ thuật lạnh đã thâm nhập và hỗ trợ cho hàng trăm ngành kinh
tế khác nhau.
Chương 2. DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ QUÁ
TRÌNH THIẾT BỊ
2.1. Sơ đồ tủ cấp đông cấp dịch nhờ bơm
2.2. Nguyên lý hoạt động
Trên hình là sơ đồ lạnh và nguyên lý hoạt động của tủ cấp đông tiếp
xúc. Hệ thống cấp đông làm lạnh ở nhiệt độ thấp -40
0
C vì vậy máy nén có
tỉ số nén cao do đó phải sử dụng chu trình nén 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát

bằng bình trung gian có ống xoắn.
Hơi môi chất sẽ được hút về máy nén hạ áp và nén lên bình trung gian,
tại đây môi chất sẽ được làm mát trung gian hoàn toàn. Sau khi được làm
mát, hơi môi chất được máy nén cao áp hút về và tiếp tục nén cao áp. Hơi
sau khi nén cao áp sẽ đi qua bình tách dầu. Tại đây, dầu sẽ được tách ra
khỏi hơi môi chất để tránh trường hợp dầu sẽ theo hơi vào các thiết bị trao
đổi nhiệt làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt. Sau đó, môi chất sẽ đi vào thiết
bị ngưng tụ. Đây là bình ngưng ống chùm nằm ngang sử dụng cho môi chất
NH
3
. Bình ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng nên môi chất được
quá lạnh ngay ở thiết bị ngưng tụ. Tại bình ngưng môi chất lỏng sẽ được
làm mát bằng nước nhờ một tháp giải nhiệt. Sau khi hơi môi chất được
ngưng tụ thành lỏng sẽ đi qua bình chứa cao áp, đường ống nối từ bình
ngưng tụ xuống bình chứa cao áp chính là đường ống cân bằng áp. Bình
chứa cao áp dùng để chứa lỏng môi chất ở áp suất cao, giải phóng bề mặt
của thiết bị ngưng tụ duy trì sự cấp lỏng liên tục cho van tiết lưu. Sau đó
môi chất lỏng sẽ được tiết lưu tự động, lỏng tiếp tục đi theo ống dẫn lỏng
qua phin lọc, khi qua đây thì các cặn bẩn cơ học, nước, các axit sẽ được
loại trừ. Lỏng qua phin sấy lọc rồi qua van điện từ, van điện từ có nhiệm vụ
đóng mở nhầm cung cấp dịch hoặc ngưng cấp dịch cho tiết lưu. Môi chất
sau đó lại đi vào tiết lưu nhiệt (ở đây ta dùng van tiết lưu tự động ), van tiết
lưu tự động trong quá trình làm việc tự động điều chỉnh khe hở van nhầm
khống chế mức dịch vào bình trung gian vừa đủ và duy trì, với nhiệm vụ
duy trì mức dịch luôn ổn định nên trong bình trung gian có gắn van phao để
khống chế mức dịch cực đại trong bình. Môi chất tiếp tục đi qua van điện
từ vào van tiết lưu để tiến hành quá trình cấp dịch cho hệ thống. 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. Tuy nhiên, hệ thống phải được trang bị bình

chứa hạ áp. Bình chứa hạ áp có vai trò rất quan trọng, nó vừa có nhiệm
vụ chứa dịch cho bơm hoạt động, vừa giữ vai trò tách lỏng: do dịch chuyển
động 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 hút máy nén sẽ rất
nguy hiểm,gây va đập thủy lực hư hỏng máy nén. Bình tách lỏng nhỏ
không có khả năng tách hết lượng lỏng quá lớn, vì thế chỉ có bình chứa hạ
áp mới có khả năng tách hết lượng lỏng này. Hơi môi chất sau tách lỏng sẽ
lại được hút về lại máy nén hạ áp và như vậy chu trình mới sẽ được lặp lại
và tiếp tục.
Chương 3. TÍNH TOÁN SƠ BỘ TỦ CẤP ĐÔNG
3.1. Cấu tạo tủ cấp đông
Tủ cấp đông tiếp xúc được sử dụng cấp đông các mặt hàng dạng
block, mỗi block thường có khối lượng 2kg.
Trên hình 2.1 là cấu tạo một tủ đông tiếp xúc. Tủ có nhiều tấm lắc cấp
đông (freezer plates) bên trong, khoảng cách các tấm có thể điều chỉnh
được bằng ben thủy lực, thường chuyển dịch từ 50 - 100mm. Kích thước
chuẩn của các tấm lắc là 2200L x 1250W x 22D (mm). Đối với tủ cấp đông
từ 2000kg/mẻ trở lên, người ta sử dụng các tấm lắc lớn kích thước 2400L x
1250W x 22D (mm). Sản phẩm cấp đông được đặt trong các khay cấp đông
sau đó đặt trực tiếp len các tấm lắc hoặc các mâm cấp đông, mỗi mâm có 4
khay. Thông thường người ta đặt trực tiếp lên tấm lắc vì hạn chế được nhiệt
trờ dẫn nhiệt.
Hình 2.1. Tủ cấp đông tiếp xúc
Ben thủy lực nâng hạ các tấm lắc đặt trên tủ cấp đông. Pittông và cần
dẫn ben thủy lực làm bằng thép không rỉ đảm bảo yêu cầu vệ sinh. Hệ
thống có bộ phận 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 hai
mặt với tấm lắc. Quá trình trao đổi nhiệt là nhờ dẫn nhiệt. Trong các tấm
lắc chứa ngập dịch lỏng ở độ âm sâu -40 ÷ -45
0

C.
Theo nguyên lý cấp dịch, hệ thống lạnh tủ đông tiếp xúc có thể chia ra
làm các dạng sau:
Cấp dịch từ bình chống tràn: với tủ cấp đông dạng này, dịch lỏng
chuyển dịch dần vào các tấm lắc nhờ chênh lệch cột áp thủy tĩnh nên tốc độ
chuyển động chậm và thời gian cấp đông lâu 4÷6 giờ/mẻ.
Cấp dịch nhờ bơm dịch: môi chất 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 1 giờ 30 ÷ 2 giờ 30 phút/mẻ. Hiện nay người ta thường sử
dụng cấp dịch dạng này.
Ngoài các tủ cấp đông sử dụng các phương pháp nêu trên vẫn còn có
dạng tủ cấp đông 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.
Phía trong, bên trên tủ là cùm ben vừa là giá nâng các tấm lắc, vừa là
tấm ép khi ben ép các tấm lắc xuống. Để các tấm lắc không di chuyển 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 ống nối mềm
bằng cao su chịu áp lực cao, bên ngoài có lưới inox bảo vệ.
Trên tủ cấp đông người ta đặt bình chống tràn, hệ thống máy nén thủy
lực của ben và nhiều thiết bị phụ khác.
3.2. Kích thước sơ bộ
3.2.1. Kích thước, số lượng khay và tấm lắc cấp đông
Các sản phẩm cho vào tủ cấp đông đều được đặt vào trong các khay
nhỏ và đặt trên các tấm trao đổi nhiệt (tấm lắc-freezer plates).
Kích thước khay cấp đông tiêu chuẩn như sau:
+ Đáy trên: 290 x 210 mm
+ Đáy dưới: 280 x 200 mm

+ Chiều cao: 70 mm
Ta chọn tấm lắc chứa 36 khay, mỗi khay chứa 2kg sản phẩm
→ Khối lượng hàng trên một tấm lắc: 36.2 = 72kg
Tỉ lệ châm nước từ 25% - 30%, chọn 28%
→ Khối lượng trên một tấm lắc kể cả nước châm:
m= = 100kg/lắc
Số lượng tấm lắc có chứa hàng:
N
1
= = = 10 tấm
→ Số lượng tấm lắc của tủ: N= N
1
+1= 10 +1= 11 tấm
3.2.2. Kích thước tủ cấp đông
Kích thước tủ cấp đông được xác định dựa vào kích thước và số lượng
các tấm lắc
Ta bố trí 36 khay trên 1 lắc như sau:
Từ hình vẽ trên ta có:
+ Chiều rộng của tấm lắc: W = 4.290 + 3.30 = 1250 mm
+ Chiều dài của tấm lắc: L = 9.210 + 8.13 + 206 = 2200 mm
→ Tấm lắc có kích thước : 2200L x 1250W x 22D (mm)
3.2.2.1. Xác định chiều dài bên trong tủ
Chiều dài bên trong tủ cấp đông bằng chiều dài tấm lắc cộng với
khoảng hở hai đầu. Khoảng hở hai đầu các tấm lắc vừa đủ để lắp đặt các
ống góp, không gian lắp đặt và co giãn các ống mềm và lắp các ống dẫn
hướng tấm lắc. Khoảng hở đó là 400mm.Vậy chiều dài bên trong tủ là:
L
1
= 2200 + 2.400 = 3000 mm
→ Chiều dài phủ bì: L = L

1
+ 300 = 3300 mm
Hình 2.2. Bố trí khay trên tấm lắc
3.2.2.2. Xác định chiều rộng bên trong tủ
Chiều rộng bên trong tủ bằng chiều rộng của các tấm lắc cộng thêm
khoảng hở 2 bên ( mỗi khoảng 125mm):
W
1
= 1250 + 2.125= 1500mm
Khi lắp các cánh cửa tủ, một phần 45mm cánh lọt vào bên trong tủ và
phần còn lại 80mm nhô ra ngoài, vì vậy kích thước bề rộng phủ bì là:
W=W
1
+ 2.80=1660mm
3.2.2.3. Xác định chiều cao bên trong tủ
Khoảng cách cực đại giữa các tấm lắc: h
max
=105mm
Chiều cao bên trong tủ:
H
1
=N
1
.105 + h
1
+ h
2
N
1
- Số tấm lắc chứa hàng

h
1
- Khoảng hở phía dưới cùng các tấm lắc: h
1
=100mm
h
2
- Khoảng hở phía trên các tấm lắc: h
2
=400÷450mm
3.3. Tính cách nhiệt cách ẩm
Cấu tạo vỏ tủ cấp đông gồm các lớp như sau: lớp cách nhiệt chủ yếu là
polyurethan dày 150mm, được chế tạo theo phương pháp rót ngập có mật
độ 40 - 42 kg/m
3
, có độ đồng đều và độ bám cao, hai mặt trong và ngoài
của vỏ tủ được bọc bằng inox dày 0,6mm bảo vệ khỏi tác động cơ học,
chống ẩm và chống đọng sương bên ngoài mặt tủ.
Ngoài ra bên trong vỏ tủ là hệ thống khung chịu làm bằng thép có mạ
kẽm và các thanh gỗ chống tạo cầu nhiệt.
STT Lớp vật liệu
Độ dày
mm
Hệ số dẫn nhiệt
W/m.K
1 Lớp Inox 0,6 22
2 Lớp polyurethane
- Vách tủ
- Cửa tủ
150

125
0,018
÷
0,02
3 Lớp Inox 0,6 22
Bảng 3.1. Cấu trúc cách nhiệt của tủ đông tiếp xúc
Chương 4. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO TỦ CẤP
ĐÔNG
4.1. Tổn thất nhiệt do truyền nhiệt qua kết cấu bao che (Q
1
)
 Dòng nhiệt đi qua kết cấu bao che được định nghĩa là tổng các
dòng nhiệt tổn thất qua tường bao, trần và nền của tủ cấp đông do sự chênh
lệch nhiệt độ giữa môi trường bên ngoài và bên trong tủ cộng với các dòng
nhiệt tổn thất do bức xạ mặt trời qua tường bao và trần.
 Do tủ cấp đông được đặt trong nhà xưởng nên không chịu ảnh
hưởng bởi bức xạ mặt trời. Vì vậy ta chỉ xét tổn thất nhiệt qua vách tủ, cửa
tủ cấp đông.
 Tổn thất nhiệt qua thân tủ gồm vách tủ, cửa tủ được tính như sau:
Q= k.F(t
1
-t
2
)
→ Q
1
=(k
v
F
v

+ k
c
F
c
)(t
KKN
-t
KKT
)
+ k
v
, k
c
- Hệ số truyền nhiệt qua vách và qua thân tủ (W/m
2
.K)
+ F
v
, F
c
- Diện tích của cửa tủ và vách tủ (m
2
).
+ t
KKN
= 25
0
C: Nhiệt độ của không khí bên ngoài tủ.
+ t
KKT

= -35
0
C: Nhiệt độ không khí trong tủ ở cuối quá trình cấp đông
• F
v
= 2.1,66.1,9 + 2.1,66.3,3 = 17,26m
2
• F
c
= 2.3,3.1,9 = 13m
2
• Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức sau:
+ α
1
- Hệ số toả nhiệt bên ngoài tường, α
1
= 23,3W/m
2
K.
+ α
2
- Hệ số toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong tủ, α
2
= 9W/m
2
K.
+ δ
1
- Bề dày lớp cách nhiệt cách ẩm.
+ λ

1
- Hệ số dẫn nhiệt của các lớp cách nhiệt, cách ẩm.
Vậy:
k
v
= =0,194 W/m
2
K
k
c
= =0,24 W/m
2
K
→ Q
1
= (0,194 . 17,26 + 0,24 . 13)(25 + 35) = 388W = 0,388kW
4.2. Tổn thất nhiệt do sản phẩm mang vào (Q
2
)
Tổn thất nhiệt Q
2
gồm:
- Tổn thất nhiệt làm đông sản phẩm Q
SP
.
- Tổn thất nhiệt làm lạnh khay cấp đông Q
K
.
- Ngoài ra một số sản phẩm khi cấp đông người ta tiến hành châm
thêm nước để mạ một lớp băng trên bề mặt làm cho bề mặt phẳng đẹp,

chống oxi hoá thực phẩm, nên cũng cần tính thêm tổn thất nhiệt làm đông
nước Q
N
.
4.2.1. Tổn thất nhiệt làm đông sản phẩm (Q
SP
)
Để làm giảm nhiệt độ sản phẩm thuỷ sản đến nhiệt độ yêu cầu, hệ
thống lạnh phải lấy đi ở sản phẩm một lượng nhiệt nào đó trong suốt quá
trình làm đông.
Nhiệt tổn thất để làm đông thực phẩm lấy theo công thức sau:
Q
SP
= G
+ G - Khối lượng sản phẩm một mẻ cấp đông (kg).
+ i
1
- entanpy của sản phẩm ở nhiệt độ ban đầu đưa vào cấp đông
(kJ/kg), i
1
= 314,4 kJ/kg (mặt hàng thủy sản).
+ i
2
- entanpy của sản phẩm ở nhiệt độ sau khi cấp đông (kJ/kg), ), i
1
= 5 kJ/kg.
+ τ – Thời gian cấp đông một mẻ sản phẩm (giờ).
Do sản phẩm đã được bảo quản trước khi đưa vào làm đông nên nhiệt
độ sản phẩm ta chọn là 15
0

C.
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm lấy ra là -18
0
C, với cấp đông cưỡng
bức bằng bơm dịch do đó thời gian cấp đông 2 giờ.
→ Q
SP
=720. = 31 kW
4.2.2. Tổn thất nhiệt làm đông nước châm khuôn (Q
N
)
Năng suất tủ 1000kg, khối lượng sản phẩm thực là 720kg, vậy khối
lượng nước châm khuôn là 280kg/mẻ, để hạ nhiệt độ nước châm khuôn từ
nhiệt độ đầu đến nhiệt độ cuối quá trình cấp đông cần qua ba giai đoạn:
Q
N
= Q
N1
+ Q
N2
+ Q
N3
+ Q
N1
- nhiệt lượng để làm hạ nước châm khuôn từ nhiệt độ ban đầu
đến nhiệt độ điểm băng của nước.
+ Q
N2
- nhiệt tổn thất để làm đóng băng nước châm khuôn.
+ Q

N3
- nhiệt tổn thất để hạ nhiệt độ nước châm khuôn từ nhiệt độ
điểm băng đến nhiệt độ cuối của sản phẩm.
Q
N1
= M
nck
C (t
N1
– t
N2
)
+ M
nck
: khối lượng nước châm khuôn M
nck
= 280 kg/ mẻ.
+ C: nhiệt dung riêng của nước, C = 4,186 kJ/kg
0
C.
+ t
N1
: nhiệt độ của nước châm khuôn 5
0
C.
+ t
N2
: nhiệt độ điểm băng của nước 0
0
C.

Q
N1
= 280.4,186.(5 - 0) = 5860,4 kJ/mẻ
Thời gian làm việc mỗi mẻ là 2 giờ:
→ Q
N1
= = 0,81 kW
Q
N2
= M
nck
L
+ L - Nhiệt lượng đóng băng của nước L = 335 kJ/kg.
→ Q
N2
= 280.335 = 93800 kJ/mẻ = 13 kW
Q
N3
= C
N3
M
nck
(t
N2
– t
N3
)
+ C
3
- Nhiệt dung riêng của nước đá C

3
= 2,18 kJ/kg.
+ t
N3
- Nhiệt độ của nước cuối quá trình cấp đông t
N3
= -18
0
C.
→ Q
N3
= 280.2,18.(0+18)= 16027,2 kJ/mẻ =1,52 kW
Vậy nhiệt tổn thất làm đông nước châm khuôn:
→ Q
N
= 0,81 + 13 + 1,52 = 15,33 kW
4.2.3. Tổn thất nhiệt làm lạnh khay cấp đông (Q
K
)
Q
K
= C
K
M
K


+ M
K
- Tổng khối lượng khay cấp đông (kg).

+ C
K
- Nhiệt dung riêng của vật liệu làm khay, với vật liệu làm khay
bằng kẽm theo tài liệu, C
K
= 0,094kcal/kg = 0,39 kJ/kg
0
C.
+ t
1K
- nhiệt độ khay trước khi đưa vào cấp đông lấy t
1K
= 25
0
C.
+ t
2K
- nhiệt độ của khay sau quá trình cấp đông lấy t
2K
= -35
0
C.
+ τ - thời gian của một mẻ cấp đông (giờ).
Ta có 11 tấm lắc, 10 tấm đựng sản phẩm, mỗi tấm có 36 khay, mỗi
khay nặng 2kg → Vậy ta có tổng khối lượng khay cấp đông là : 10 . 36 =
360 khay.
Khối lượng mỗi khay là 2kg vậy: M
K
= 2 . 360 = 720 kg/mẻ
→ Q

K
= 0,39.720 . = 2,34 kW
→ Vậy tổn thất nhiệt do sản phẩm mang vào
Q
2
= Q
SP
+ Q
N
+ Q
K
= 31 + 15,33 + 2,24 = 48,67 kW
4.3. Tổn thất nhiệt từ các nguồn khác nhau (Q
3
)
Ngoài những tổn thất nhiệt nói trên còn phải kể đến:
- Tổn thất nhiết làm lạnh các tấm lắc Q
TL
- Tổn thất nhiệt làm lạnh không khí trong tủ Q
KK
- Tổn thất nhiệt khi mở cửa Q
C
4.3.1. Tổn thất nhiệt làm lạnh tấm lắc (Q
TL
)
Tủ đông tiếp xúc làm việc từng mẻ sau khi làm đông xong sẽ dừng
máy và ra hàng, khối lượng và diện tích của tấm lắc rất lớn do đó nhiệt để
làm lạnh các tấm lắc là rất lớn vì vậy ta phải tính lượng nhiệt này.
Q
TL

= (t
1
-t
2
)

+ M
TL
- khối lượng các tấm lắc (kg).
+ C
TL
- nhiệt dung riêng của các tấm lắc, tấm lắc chế tạo bằng nhôm
nên có C
TL
= 0,92 kJ/kg
0
C.
+ τ - Thời gian cấp đông.
+ t
1
, t
2
- Nhiệt độ trước và sau khi cấp đông, t
1
= 25
0
C, t
2
= -35
0

C.
Vật liệu tấm lắc làm bằng nhôm đúc ρ = 2670 kg/m
3
.
Thể tích tấm lắc: V = 2,2 . 1,25 . 0,022 = 0,06 m
3
Khối lượng một tấm lắc:
M = 0,06 . 2670 = 161 kg
Tủ 1000 kg trên mẻ gồm 11 tấm lắc:
M
TL
= 11 . 161 = 1771 kg
Q
TL
= (25+35)=13,57 kW
4.3.2. Tổn thất nhiệt làm lạnh không khí trong tủ (Q
KK
)
Nhiệt tổn thất do không khí trong tủ được tính như sau:
Q
kk
= C
kk
G
kk
(t
d
– t
c
)

+ t
d
- nhiệt độ không khí lúc bắt đầu chạy máy 25
0
C
+ t
c
- nhiệt độ không khí cuối quá trình cấp đông -35
0
C
+ C
kk
- nhiệt dung riêng của không khí trong tủ C
kk
=0,242 Kcal/kg
0
C
= 1,013kJ/kg
0
C.
+ G
kk
- khối lượng của không khí có trong tủ, được xác định:
G
kk
= V
kk .
ρ
kk
Kích thước trong của tủ:

L = 3000 mm