Quá trình đun nóng, chần và làm nguội trong thực phẩm

CHƯƠNG 4. QUÁ TRÌNH ĐUN NÓNG, CHẦN VÀ LÀM NGUỘI

1


ĐUN NÓNG & CHẦN

Đun nóng (heating) và chần (blanching) là các quá trình trao đổi
nhiệt giữa thực phẩm và chất tải nhiệt nhằm nâng nhiệt độ của
thực phẩm.
Mục đích:
- Tiêu diệt vi sinh vật trong thực phẩm
- Làm vô hoạt hệ enzym trong thực phẩm
- Tạo ra những biến đổi vật lý, hóa học mong muốn

2


ĐUN NÓNG & CHẦN
Đun nóng = tăng nhiệt độ của thực phẩm từ nhiệt độ ban đầu (Tđ, thường
là nhiệt độ phòng) tới 1 nhiệt độ cao hơn (Tc, theo yêu cầu công nghệ).
∆𝑇 = 𝑇𝑐 − 𝑇đ > 0
Phương thức đun nóng:
- Đun nóng liên tục:
ΔT > 0 tại mọi thời điểm.
- Đun nóng không liên tục:
Tùy vào từng thời điểm mà ΔT > 0, ΔT = 0
hoặc ΔT < 0
sự tăng nhiệt độ có thể là gián đoạn

Tc

Tđ
t
Tc
Tc1
Tđ
t
3


ĐUN NÓNG & CHẦN
Nguồn nhiệt
Nhiệt năng dùng để đun nóng được tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau:
- Nguồn nhiệt trực tiếp: điện, gas
- Nguồn nhiệt trung gian = Chất tải nhiệt: hơi nước, nước quá nhiệt
Yêu cầu đối với chất tải nhiệt:
- Có nhiệt độ đun nóng cao và dễ điều chỉnh nhiệt độ
- Không độc và không gây ra các phản ứng hóa học
- An toàn khi sử dụng, không cháy, nổ

- Rẻ và dễ tìm
4


ĐUN NÓNG & CHẦN
Chất tải nhiệt
Hơi nước bão hòa:
- Có hệ số cấp nhiệt lớn (h = 10 000-15 000 W/m2 °C), do đó bề mặt truyền nhiệt
nhỏ
- Lượng nhiệt cung cấp lớn (tính theo một đơn vị chất tải nhiệt) vì đó là lượng

nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ hơi
- Đun nóng được đồng đều vì hơi nước ngưng tụ trên toàn bộ bề mặt truyền nhiệt
ở nhiệt độ không đổi

- Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng bằng cách điều chỉnh áp suất hơi
- Vận chuyển xa được dễ dàng bằng các đường ống
- Không thể đun nóng được ở nhiệt độ cao, vì nếu nhiệt độ hơi càng tăng thì áp
suất hơi bão hòa càng tăng, đồng thời ẩn nhiệt hóa hơi càng giảm

5


ĐUN NÓNG & CHẦN
- Phương thức truyền nhiệt: đối lưu + dẫn nhiệt
- Do sự khác nhau về tốc độ truyền nhiệt -->> Có điểm tăng nhiệt
chậm nhất
+ đối với thực phẩm rắn hoặc bán lỏng: thường là điểm trung tâm
vật lý của thực phẩm
+ đối với thực phẩm lỏng đựng trong bao bì: là điểm nằm trên
đường cao trục, cách đáy hộp 1/3 chiều cao.

6


ĐUN NÓNG & CHẦN
Chiều chuyển động của các lưu thể
1
Chảy xuôi chiều
(Parallel flow)

2

1
Chảy ngược chiều
(Counter flow)

2

7


ĐUN NÓNG & CHẦN
Chiều chuyển động của các lưu thể
1
Chảy vuông góc
(Cross flow)

2

8


ĐUN NÓNG & CHẦN
Tính toán lượng hơi nước tiêu hao
- Trong đun nóng bằng hơi nước trực tiếp:
Từ phương trình cân bằng nhiệt lượng:

𝑚𝑣 . ℎ𝑣 + 𝑚𝑓 . 𝑐𝑝𝑓 . 𝑡𝑓1 = 𝑐𝑝𝑤 . 𝑚𝑣 . 𝑡𝑓2 + 𝑚𝑓 . 𝑐𝑝𝑓 . 𝑡𝑓2 + 𝑄𝑙
Ta có:

𝑚𝑣 =

𝑚𝑓 . 𝑐𝑝𝑓 . 𝑡𝑓2 − 𝑡𝑓1 + 𝑄𝑙
ℎ𝑣 − 𝑐𝑝𝑤 . 𝑡𝑓2

Trong đó:

mv : khối lượng hơi cần thiết (kg/s)
mf : khối lượng thực phẩm cần đun nóng (kg/s)
hv : nhiệt lượng riêng của hơi nước (J/kg)
Ql : nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh (J)
cpf : nhiệt dung riêng của thực phẩm (J/kg ⁰C)
cpw : nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ (J/kg ⁰C)
tf1 :nhiệt độ ban đầu của thực phẩm (⁰C)
tf2 :nhiệt độ cuối của thực phẩm (⁰C)

9


ĐUN NÓNG & CHẦN
Tính toán lượng hơi nước tiêu hao
- Trong đun nóng bằng hơi nước gián tiếp:
Từ phương trình cân bằng nhiệt lượng:

𝑚𝑣 . ℎ𝑣 + 𝑚𝑓 . 𝑐𝑝𝑓 . 𝑡𝑓1 = 𝑐𝑝𝑤 . 𝑚𝑣 . 𝑡𝑤 + 𝑚𝑓 . 𝑐𝑝𝑓 . 𝑡𝑓2 + 𝑄𝑙
Ta có:

𝑚𝑣 =

𝑚𝑓 . 𝑐𝑝𝑓 . 𝑡𝑓2 − 𝑡𝑓1 + 𝑄𝑙

ℎ𝑣 − 𝑐𝑝𝑤 . 𝑡𝑤

Trong đó:

tw : nhiệt độ của nước ngưng tụ (⁰C)

10


LÀM NGUỘI
Làm nguội = quá trình hạ nhiệt độ của thực phẩm xuống nhiệt độ
thường.
Chất tải nhiệt thường dùng là nước và không khí.
Nếu cần làm nguội tới nhiệt độ thấp hơn --> dùng nước muối
lạnh

Thường sử dụng làm nguội gián tiếp --> sử dụng các thiết bị
trao đổi nhiệt
Chọn chiều lưu thể: thường chọn hai lưu thể chuyển động ngược
chiều

11


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Đun nóng trực tiếp:
= chất tải nhiệt (hơi nước) tiếp xúc trực tiếp
với thực phẩm
- Tốc độ truyền nhiệt cao, nhiệt độ tăng
lên nhanh chóng

- Đưa thêm 1 lượng nước ngưng tụ vào
trong thực phẩm  chỉ dùng được
trong trường hợp cho phép pha loãng
thực phẩm cần đun nóng.

Hình 4.1. Thiết bị đun nóng bằng
phun hơi trực tiếp
12


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Đun nóng gián tiếp:
Steam

Nồi hai vỏ
(Jacketed pan)

- Thực phẩm cần đun nóng được
chứa trong nồi, có thể lắp thêm
cánh khuấy.
- Hơi nóng đi vào khoảng không
gian giữa hai lớp vỏ của nồi.
- Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
thường không lớn (không quá 10
m2).
- Áp suất hơi đốt không quá 10 atm.

Hình 4.2. Nồi hai vỏ

Hệ số truyền nhiệt = 300 – 1800 J/m2 s °C

13


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Lõi xoắn ngập trong thực phẩm
(Heating coils immersed in liquids)

- Ống xoắn hình ruột gà được đặt ngập
trong thực phẩm trong 1 nồi chứa.
- Hơi đi trong ống và truyền nhiệt cho
thực phẩm.
- Tốc độ truyền nhiệt cao hơn trong
trường hợp nồi hai vỏ do diện tích bề
mặt trao đổi nhiệt lớn hơn.
- Hệ số truyền nhiệt cao hơn nồi hai
vỏ, = 300 – 3600 J/m2 s °C

Hình 4.3. Loại ống xoắn ruột gà

14


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Thiết bị trao đổi nhiệt loại bản mỏng
(Plate heat exchanger)
Cấu tạo:
- Gồm 1 loạt các bản mỏng có kích thước, cấu
tạo giống nhau được gắn song song với nhau
trên 1 khung đỡ (Hình 4.4a).
- Các miếng đệm bằng cao su gắn các mép của

các bản để tránh hiện tượng trộn lẫn giữa
thực phẩm và chất tải nhiệt; giúp định hướng
dòng chất tải nhiệt hoặc dòng thực phẩm đi
vào đúng các lỗ trống để tạo thành dòng
chảy.
- Các bản mỏng : chế tao bằng thép không gỉ,
có thể được dập các đường rãnh để tăng sự
chuyển động hỗn loạn của các lưu thể (Hình
4.6).

Hình 4.4. Thiết bị trao đổi nhiệt loại
bản mỏng
15


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Thiết bị trao đổi nhiệt loại bản mỏng

Hình 4.5. Nguyên lý hoạt động trong thiết bị
trao đổi nhiệt loại bản mỏng

Xem thêm trên internet:
/>16


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Thiết bị trao đổi nhiệt loại bản mỏng

Dòng nóng và dòng nguội chảy trong các bản

khác nhau, trao đổi nhiệt gián tiếp qua bản
mỏng.

Hình 4.6. Cấu tạo các bản mỏng của thiết bị
trao đổi nhiệt loại bản mỏng
- Thích hợp cho thực phẩm có độ nhớt thấp (< 5 Pa s)
- Lưu lượng dòng đạt 5000 – 20 000 kg/h.
- Hệ số truyền nhiệt = 2400 – 6000 J/m2 s °C
Ưu điểm:
- Việc bảo dưỡng thiết bị đơn giản; dễ dàng loại bỏ các cặn bẩn bám
trên bề mặt tấm
- Tăng công suất bằng cách lắp thêm các bản mỏng vào khung.
- Giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách tái sử dụng nhiệt.
17


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Loại ống
(Tubular heat exchanger)
Ống lồng ống
Cấu tạo:
Một ống nằm bên trong , ở trung
tâm của 1 ống khác.

Hình 4.7. Sơ đồ của thiết bị trao đổi nhiệt loại
ống lồng ống

- Một lưu thể chảy trong ống trong,
lưu thể còn lại chảy trong khoảng
không gian hình khuyên giữa hai

ống.

18


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Loại ống
Ống chùm
(Shell and Tube heat exchanger)

Hình 4.8. Nguyên lý họat động của thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm
19


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Loại ống
Ống chùm
(Shell and Tube heat exchanger)
Cấu tạo:
Gồm các ống thẳng (tube) gắn trên các giá đỡ
ống, đặt trong 1 hình trụ.
Giữa các ống có thể lắp các tấm chắn để tăng sự
chuyển động của lưu thể bên ngoài ống.

Thực phẩm cần gia nhiệt đi trong ống; chất
tải nhiệt đi trong không gian phía bên ngoài
ống.
Xem thêm trên internet:
/>20

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Thiết bị chần liên tục
Cấu tạo:
- Băng tải để vận chuyển thực
phẩm rắn.
- Hệ thống phun nước và phun
hơi.
Hình 4.9. Hệ thống thiết bị chần dùng hơi
Thực phẩm đi trên băng tải, đến các khu vực nâng
nhiệt bằng nước nóng hoặc hơi; và làm nguội bằng
nước lạnh hoặc không khí.
Tốc độ của băng tải được điều chỉnh để thời gian xử lý nhiệt
đảm bảo việc vô hoạt enzyme cho từng sản phẩm cụ thể.
21


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG
Mục đích chính của thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại ống là xác định
được diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cho một yêu cầu cụ thể.

Sự thay đổi nhiệt lượng trong một lưu thể khi nó thay đổi nhiệt độ từ T1 đến T2 là:

𝑞 = 𝑚 𝑐𝑝 (𝑇2 − 𝑇1 )

(4.1)

Tốc độ truyền nhiệt từ lưu thể nóng (H) sang lưu thể lạnh (C) là:

𝑑𝑞 = 𝑈∆𝑇𝑑𝐴

(4.2)

ΔT: chênh lệch nhiệt độ giữa lưu thể nóng và lưu thể lạnh; ΔT = TH - TC
Lưu ý: ΔT khác nhau tại vị trí (1) và (2)
22


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG

23


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG
Áp dụng cân bằng năng lượng

𝑑𝑞 = −𝑚𝐻 𝑐𝑝𝐻 𝑑𝑇𝐻 = 𝑚𝐶 𝑐𝑝𝐶 𝑑𝑇𝐶 = 𝑈 𝑇𝐻 − 𝑇𝐶 𝑑𝐴

𝑑(𝑇𝐻 − 𝑇𝐶 )
1
1
= −𝑈
+
(𝑇𝐻 − 𝑇𝐶 )
𝑚𝐻 𝑐𝑝𝐻 𝑚𝐶 𝑐𝑝𝐶

𝑑𝐴

(4.3)

(4.4)

Tích phân phương trình (4.4), ta có:

∆𝑇2
1
1
𝑙𝑛
= −𝑈𝐴
+
∆𝑇1
𝑚𝐻 𝑐𝑝𝐻 𝑚𝐶 𝑐𝑝𝐶

(4.5)

24


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG
Với:

∆𝑇1 = 𝑇𝐻,𝑣à𝑜 − 𝑇𝐶,𝑣à𝑜

(4.6)

∆𝑇2 = 𝑇𝐻,𝑟𝑎 − 𝑇𝐶,𝑟𝑎

(4.7)

∆𝑇2
𝑈𝐴
𝑙𝑛
=−
(∆𝑇2 − ∆𝑇1 )
∆𝑇1
𝑞
∆𝑇2 − ∆𝑇1
𝑞 = 𝑈𝐴
∆𝑇2
𝑙𝑛
∆𝑇1
𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇𝑙𝑚

(4.8)

(4.9)

(4.10)
25