Nghiên cứu ứng dụng công nghệ làm lạnh chân không trong việc bảo quản bắp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

VÕ THIỆN MỸ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ LÀM LẠNH CHÂN KHÔNG
TRONG VIỆC BẢO QUẢN BẮP
Chuyên ngành : KỸ THUẬT NHIỆT
Mã số
: 60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2014


i

CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN THẾ BẢO ..........................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. HÀ ANH TÙNG ........................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN ..........................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 15 tháng 7 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. GS.TS. LÊ CHÍ HIỆP – CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
2. PGS.TS. HOÀNG AN QUỐC – THƢ KÝ, ỦY VIÊN
3. TS. HÀ ANH TÙNG – PHẢN BIỆN 1
4. TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN – PHẢN BIỆN 2
5. TS. NGUYỄN THẾ BẢO – ỦY VIÊN
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS.TS. LÊ CHÍ HIỆP

TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ


ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: VÕ THIỆN MỸ ............................................. MSHV: 11064587 ..........
Ngày, tháng, năm sinh: 08/06/1980 ........................................... Nơi sinh: HCM ...............
Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT ......................................... Mã số : 60.52.80 ..........
I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LÀM LẠNH CHÂN KHÔNG
TRONG VIỆC BẢO QUẢN BẮP

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ làm lạnh chân không.
- Viết chƣơng trình tính tốn máy lạnh chân khơng bằng ngơn ngữ Matlab.
- Thí nghiệm đo nhiệt độ tâm trái bắp theo thời gian làm lạnh chân khơng.
- Viết chƣơng trình mơ phỏng nhiệt độ tâm trái bắp bằng ngôn ngữ Matlab với thuật
toán sai phân hữu hạn.
- So sánh kết quả giữa tính tốn lý thuyết và thực nghiệm
- Kết luận và kiến nghị
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24/6/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2014
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

GS.TS. LÊ CHÍ HIỆP

TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)


iii

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thế Bảo đã quan tâm và hỗ
trợ rất nhiều trong q trình làm luận văn. Thứ hai, tơi xin cảm ơn quý Thầy, Cô
trong Bộ môn Công nghệ Nhiệt của Trƣờng Đại học Bách khoa Tp.HCM vì đã đóng
góp ý kiến q báu giúp tơi hồn thiện trong q trình nghiên cứu. Cuối cùng, tơi
xin cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp đã động viên giúp cho đề tài này thành
công.
First of all, I would like to thank you for Mr. Nguyễn Thế Bảo who
supported and instructed me on my thesis. Secondly, thank for all of teachers of
Heat Technology in University of Technology HCMC, who contributed their
valuable comments for my completed research. Finally thank you for friends,
colleagues, family enouraging me to be sucessful in this thesis.


iv

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
Làm lạnh chân khơng là một trong những phƣơng pháp làm lạnh sơ bộ, có
thời gian làm lạnh nhanh (khoảng 20 tới 30 phút). Bản chất của phƣơng pháp này là
làm lạnh sản phẩm trong điều kiện chân khơng có khử ẩm nhờ dàn bay hơi của hệ
thống lạnh. Dựa trên mơ hình máy lạnh chân không đã đƣợc chế tạo từ kết quả đề
tài nghiên cứu cấp Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM do tôi làm chủ nhiệm đề tài
và đƣợc nghiệm thu loại khá vào 20/5/2011, tôi đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm
phƣơng pháp làm lạnh chân không trên bắp ngô, đồng thời viết chƣơng trình mơ
phỏng nhiệt độ tâm trái bắp theo thời gian bằng ngôn ngữ Matlab với phƣơng pháp
sai phân phân hữu hạn. Sau đó, tơi đã kết hợp thử nghiệm bắp trên mơ hình máy
lạnh chân khơng để kiểm chứng thuật toán này và cho kết quả thành công.

SUMMARY OF THESIS
Vacuum cooling is one of the precooling methods with rapid cooling time
(about 20 to 30 minutes). The essence of this method is cooling the product in

vacuum conditions due to dehumidification evaporator of the refrigeration system.
From the model of vacuum cooler which was created under result of the research
topic for Department of Science and Technology HCMC carried out by me and it
was accessed as good on 20/05/2011, it was conducted with the vacuum cooling
method on Corns by me, and a program of simulation at the center of Corns was
written by Matlab language with the method of finite difference. Then, I combined it
with the model of vacuum cooler in order to check the algorithm and the good result
was given.


v

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Tôi xin cam đoan những kết quả đạt đƣợc của luận văn này là do tơi thực
hiện và viết ra. Nếu có gì sai trái, tôi xin chịu trách nhiệm trƣớc pháp luật.
Ngày 20 tháng 6 năm 2014
Học viên ký tên

VÕ THIỆN MỸ


vi

MỤC LỤC
Trang
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ ......................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ .............................................................................v
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ..............................................................................x

DANH SÁCH CÁC HÌNH .........................................................................................x
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ .......................................................... xii
CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU ..............................................................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................1
1.2. Mục tiêu của đề tài ...............................................................................................1
1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .......................................................1
1.3.1. Đối tƣợng ..........................................................................................................1
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu ...........................................................................................1
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................1
1.4.1. Ý nghĩa khoa học ..............................................................................................1
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn ...............................................................................................2
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN .......................................................................................3
2.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp bảo quản rau quả ...............................................3
2.1.1. Các vấn đề chung khi bảo quản rau quả............................................................3
2.1.1.1. Tác dụng của việc bảo quản ở nhiệt độ thấp [2] ............................................4
2.1.1.2. Tác dụng của việc bảo quản khi tách nƣớc [2] ..............................................5
2.1.2. Các phƣơng pháp bảo quản lạnh .......................................................................5
2.1.2.1. Làm lạnh sản phẩm bằng cách đối lƣu cƣỡng bức khơng khí (forced-air
cooling)........................................................................................................................5
2.1.2.2. Làm lạnh sản phẩm trong nƣớc lạnh (immersion hydrocooling) ...................6
2.1.2.3. Làm lạnh bằng cách phun nƣớc lên sản phẩm (hydraircooling) ....................7
2.1.2.4. Làm lạnh chân không (vacuum cooling)........................................................8
2.2. So sánh tiêu hao năng lƣợng một số phƣơng pháp làm lạnh .............................12
2.3. Tình hình nghiên cứu làm lạnh chân khơng trong và ngoài nƣớc .....................13


vii

2.3.1. Ngồi nƣớc ......................................................................................................13
2.3.2. Trong nƣớc ......................................................................................................13

2.4. Tính cấp thiết của đề tài .....................................................................................13
2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................14
2.5.1. Phƣơng pháp toán học .....................................................................................14
2.5.2. Phƣơng pháp thực nghiệm ..............................................................................14
CHƢƠNG 3 ..............................................................................................................15
CƠ SỞ TÍNH TỐN MÁY LẠNH CHÂN KHƠNG ..............................................15
3.1. Tính tốn bơm chân khơng [9] ...........................................................................15
3.2. Tính phụ tải lạnh [10] .........................................................................................16
3.3. Tính tốn chu trình lạnh 1 cấp dùng R22 [10] ...................................................17
3.4. Tính tốn diện tích truyền nhiệt dàn lạnh [11] ...................................................18
CHƢƠNG 4 ..............................................................................................................22
VIẾT CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN MÁY LẠNH CHÂN KHÔNG BẰNG
MATLAB ..................................................................................................................22
4.1. Sơ đồ khối ..........................................................................................................22
4.1.1. Sơ đồ khối tính tốn bơm chân khơng ............................................................22
4.1.2. Sơ đồ khối tính phụ tải lạnh ............................................................................23
4.1.3. Sơ đồ khối tính tốn chu trình lạnh một cấp dùng R22 ..................................23
4.1.4. Sơ đồ khối tính tốn diện tích truyền nhiệt dàn lạnh ......................................24
4.2. Lập giao diện chƣơng trình ................................................................................26
4.2.1. Giao diện tính tốn bơm chân khơng ..............................................................26
4.2.2. Giao diện tính phụ tải lạnh ..............................................................................26
4.2.3. Giao diện tính tốn chu trình lạnh một cấp dùng R22 ....................................27
4.2.4. Giao diện tính tốn diện tích truyền nhiệt dàn lạnh ........................................27
4.2.5. Giao diện chính của chƣơng trình ...................................................................28
CHƢƠNG 5 : MƠ HÌNH MÁY LẠNH CHÂN KHƠNG .......................................29
5.1. Kết quả tính tốn từ chƣơng trình Matlab ..........................................................29
5.1.1. Kết quả tính tốn bơm chân khơng .................................................................29
5.1.2. Kết quả tính phụ tải lạnh .................................................................................30

viii

5.1.3. Kết quả tính tốn chu trình lạnh 1 cấp dùng R22............................................30
5.1.4. Kết quả tính tốn diện tích truyền nhiệt dàn lạnh ...........................................30
5.2. Mơ hình máy lạnh chân khơng ...........................................................................31
5.3. Kết quả thử nghiệm bắp trên mơ hình máy lạnh chân không ............................36
5.3.1. Các dụng cụ đo ................................................................................................36
5.3.1.1. Nhiệt kế ........................................................................................................36
5.3.1.2. Ẩm kế: ..........................................................................................................37
5.3.1.3. Cân ...............................................................................................................37
5.3.2. Kết quả thí nghiệm bắp trên mơ hình ..............................................................38
CHƢƠNG 6 ..............................................................................................................42
MƠ PHỎNG NHIỆT ĐỘ BẮP THEO THỜI GIAN ................................................42
6.1. Cơ sở lý thuyết ...................................................................................................42
6.1.1. Phƣơng trình truyền nhiệt ...............................................................................42
6.1.2. Các điều kiện biên ...........................................................................................49
6.1.3. Lƣợng nhiệt hóa hơi ........................................................................................49
6.1.4. Các phƣơng trình liên quan đến áp suất khí và hơi trong buồng chân khơng .50
6.2. Sơ đồ khối tính tốn ...........................................................................................51
6.3. Chƣơng trình mơ phỏng nhiệt độ tâm trái bắp ...................................................51
6.4. So sánh kết quả từ mô phỏng và thực tế khảo sát ..............................................53
CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................57
7.1. Kết luận ..............................................................................................................57
7.2. Kiến nghị ............................................................................................................57
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ....................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................59
PHỤ LỤC ..................................................................................................................62
Phụ lục 1: Hàm làm tròn số thứ n sau dấu phẩy .......................................................62
Phụ lục 2: Hàm tra thơng số vật lý của khơng khí khơ .............................................62
Phụ lục 3: Hàm tính tốn thơng số khơng khí ẩm .....................................................62

Phụ lục 4: Hàm tra thơng số bão hịa của R22 ..........................................................63
Phụ lục 5: Hàm tra thông số hơi quá nhiệt của R22..................................................66


ix

Phụ lục 6: Hàm tính tốn hệ số tỏa nhiệt đối lƣu của khơng khí ..............................88
Phụ lục 7: Hàm tính tốn chu trình lạnh 1 cấp dùng gas R22 ...................................88
Phụ lục 8: Mã code giao diện tính tốn bơm chân khơng .........................................89
Phụ lục 9: Mã code giao diện tính tốn phụ tải lạnh .................................................92
Phụ lục 10: Mã code giao diện tính tốn chu trình lạnh 1 cấp dùng R22 .................95
Phụ lục 11: Mã code giao diện tính tốn diện tích truyền nhiệt dàn lạnh .................98
Phụ lục 12: Mã code giao diện chính của chƣơng trình ..........................................105
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .........................................................................107


x

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2. 1 Bảng đề nghị phƣơng pháp làm lạnh ứng với từng loại rau quả [3,6]......10
Bảng 3. 1 Nhiệt dung riêng của 1 số rau quả [15] ....................................................16

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2. 1 Làm lạnh đối lƣu cƣỡng bức khơng khí [3] ................................................6
Hình 2. 2 Làm lạnh sản phẩm trong nƣớc lạnh [3] .....................................................7
Hình 2. 3 Làm lạnh bằng cách phun nƣớc lên sản phẩm [3] ......................................7
Hình 2. 4 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống làm lạnh chân khơng [5] .............................8
Hình 2. 5 Thơng số làm lạnh chân không của một số rau quả [3] ..............................9
Hình 2. 6 So sánh hệ số năng lƣợng của 4 kiểu làm lạnh [7]....................................12

Hình 2. 7 Sơ đồ mơ hình máy lạnh chân khơng ........................................................14
Hình 3. 1 Giản đồ T-s và lgp-i ..................................................................................17
Hình 3. 2 Kết cấu dàn lạnh ........................................................................................18
Hình 4. 1 Sơ đồ khối tính tốn bơm chân khơng ......................................................22
Hình 4. 2 Sơ đồ khối tính phụ tải lạnh ......................................................................23
Hình 4. 3 Sơ đồ khối tính tính tốn chu trình lạnh 1 cấp dùng R22 .........................24
Hình 4. 4 Sơ đồ khối tính tính tốn diện tích truyền nhiệt dàn lạnh .........................25
Hình 4. 5 Giao diện tính tốn bơm chân khơng ........................................................26
Hình 4. 6 Giao diện tính phụ tải lạnh ........................................................................26
Hình 4. 7 Giao diện tính tốn chu trình lạnh 1 cấp dùng R22 ..................................27
Hình 4. 8 Giao diện tính tốn diện tích truyền nhiệt dàn lạnh ..................................27
Hình 4. 9 Giao diện chính của chƣơng trình .............................................................28
Hình 5. 1 Kết quả tính tốn bơm chân khơng ...........................................................29


xi

Hình 5. 2 Kết quả tính phụ tải lạnh ...........................................................................30
Hình 5. 3 Kết quả tính tốn chu trình lạnh 1 cấp dùng R22 .....................................30
Hình 5. 4 Kết quả tính tốn diện tích truyền nhiệt dàn lạnh .....................................31
Hình 5. 5 Máy nén .....................................................................................................31
Hình 5. 6 Dàn nóng ...................................................................................................32
Hình 5. 7 Phin lọc......................................................................................................32
Hình 5. 8 Van điện từ ................................................................................................32
Hình 5. 9 Van tiết lƣu nhiệt cân bằng trong ..............................................................33
Hình 5. 10 Bơm chân khơng .....................................................................................33
Hình 5. 11 Dàn lạnh ..................................................................................................34
Hình 5. 12 Áp kế đo áp suất chân khơng ..................................................................34
Hình 5. 13 Nhiệt kế đo nhiệt độ sản phẩm ................................................................34
Hình 5. 14 Rơ le áp suất cao .....................................................................................35

Hình 5. 15 Rơ le áp suất thấp ....................................................................................35
Hình 5. 16 Mơ hình máy lạnh chân khơng ................................................................36
Hình 5. 17 Nhiệt kế ...................................................................................................37
Hình 5. 18 Ẩm kế ......................................................................................................37
Hình 5. 19 Cân ..........................................................................................................37
Hình 5. 20 Trái bắp có cài nhiệt kế để trong buồng chân khơng ..............................38
Hình 6. 1 Biểu diễn phân tố thể tích trong tọa độ trụ [14] ........................................42
Hình 6. 2 Sơ đồ nút ...................................................................................................43
Hình 6. 3 Sơ đồ khối tính tốn mơ phỏng nhiệt độ bắp ............................................51
Hình 6. 4 Kết quả mơ phỏng với thí nghiệm 1..........................................................53
Hình 6. 5 Kết quả mơ phỏng với thí nghiệm 2..........................................................53
Hình 6. 6 Kết quả mơ phỏng với thí nghiệm 3..........................................................54
Hình 6. 7 Kết quả mơ phỏng với thí nghiệm 4..........................................................54
Hình 6. 8 Kết quả mơ phỏng với thí nghiệm 5..........................................................55
Hình 6. 9 Kết quả mơ phỏng với trung bình số liệu của 5 thí nghiệm ......................55


xii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

EC

Hệ số năng lƣợng

-

Qh

Lƣợng nhiệt hiện lấy từ sản phẩm

W

E

Năng lƣợng điện tiêu thụ

W

Nlt

Công suất đoạn nhiệt của bơm

W

n

Số mũ đa biến

-

p

Áp suất

Pa

Sb

Lƣu lƣợng hút hiệu dụng của bơm

m³/s

VB

Thể tích buồng chân không

m³

Thời gian

s

Nb

Công suất thực của bơm

W

Qo

Phụ tải lạnh, năng suất lạnh

W

Q1

Nhiệt truyền qua vách

W

k

Hệ số truyền nhiệt

W/(m².K)

Fv

Diện tích vách

m²

Q2

Nhiệt truyền qua sản phẩm

W

Gsp

Khối lƣợng sản phẩm

kg

Cp

Nhiệt dung riêng

J/(kg.K)

t

Nhiệt độ

i

Entanpi

kJ/kg

N

Công suất nén đoạn nhiệt

W

Hệ số làm lạnh

-

G

Lƣu lƣợng môi chất tuần hoàn

kg/s

H

Chiều cao

m

L

Chiều dài

m

C


xiii

W

Chiều sâu

m

d

Dƣờng kính

m

S1

Bƣớc ống ngang

m

S2

Bƣớc ống dọc

m

S

Bƣớc ống chéo

m

Hệ số tỏa nhiệt đối lƣu

W/(m².K)

Hệ số dẫn nhiệt

W/(m.K)

h

Chiều cao cánh

m

Re

Tiêu chuẩn Reynold

-

Tốc độ lƣu chất

m/s

no

Số lỗ của vách ngăn

-

do

Đƣờng kính lỗ của vách ngăn

m

bo

Bƣớc lỗ trên vách ngăn

m

Độ nhớt động học

m²/s

fc

Diện tích cánh ứng với 1m ống

m²/m

foc

Diện tích mặt ngồi ống nằm giữa các cánh

m²/m

f2

Diện tích mặt ngồi ống ứng với 1m ống

m²/m

f1

Diện tích mặt trong ống ứng với 1m ống

m²/m

Hệ số

-

Hiệu suất

-

n1

Số hàng ống theo chiều thẳng góc dịng khí

-

n2

Số hàng ống theo chiều dịng khí

-

r

Bán kính

m

R

Nhiệt trở dẫn nhiệt

K/W

qv

Cơng suất nhiệt trên 1 đơn vị thể tích

W/m³

qF

Cơng suất nhiệt trên 1 đơn vị diện tích

W/m²

Thể tích phân tố

m³

Tiêu chuẩn Fourier

-

V
Fo


xiv

a

Hệ số khuếch tán nhiệt

hm

Cƣờng độ bay hơi trong 1 m² bề mặt khi chênh lệch áp suất kg/(Pa.m².s)

m²/s

1 Pa.
hfg

Nhiệt ẩn hóa hơi của nƣớc

kJ/kg

w

Độ xốp

-

DANH SÁCH CÁC CHỈ SỐ TRÊN VÀ DƢỚI
Ký hiệu Ý nghĩa
a, kk

Khơng khí

b

Bơm

B

Buồng chân khơng

bh

Bão hịa

h

Hơi nƣớc

hk

Hơi nƣớc trong khơng khí

ng

Ngồi

tr

Trong

c

Cánh

min

Nhỏ nhất

g

Mơi chất lạnh, gaz lạnh

i

Bƣớc lặp thứ i


1

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
Chƣơng này trình bày các vấn đề có liên quan đến đề tài nhƣ: lý do chọn đề
tài, mục tiêu của đề tài, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài, ý nghĩa khoa
học và thực tiễn của đề tài.
1.1. Lý do chọn đề tài
Làm lạnh chân không là một trong những phƣơng pháp làm lạnh sơ bộ, có
thời gian làm lạnh nhanh (khoảng 20 tới 30 phút). Bản chất của phƣơng pháp này là
làm lạnh sản phẩm trong điều kiện chân khơng có khử ẩm nhờ dàn bay hơi của hệ
thống lạnh. Do sản phẩm đƣợc làm lạnh nhanh trong môi trƣờng chân không nên
sản phẩm không bị thối rữa, giữ nguyên màu sắc, hƣơng vị và chất lƣợng gần nhƣ
ban đầu. Chính vì phƣơng pháp này có nhiều ƣu việt nên tác giả đã chọn đề tài:
“Nghiên cứu ứng dụng công nghệ làm lạnh chân không trong việc bảo quản bắp”.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Tìm hiểu khả năng ứng dụng cơng nghệ làm lạnh chân không trong việc bảo
quản rau quả.
Viết chƣơng trình tính tốn máy lạnh chân khơng bằng Matlab.
Thử nghiệm công nghệ làm lạnh chân không để làm lạnh bắp ngơ.

Lập mơ hình tốn nhằm mơ phỏng nhiệt độ tâm trái bắp theo thời gian làm
lạnh chân không.
1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
1.3.1. Đối tƣợng
Đối tƣợng nghiên cứu là trái bắp loại hạt vàng.
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Khi xây dựng mơ hình tốn để mơ phỏng nhiệt độ tâm trái bắp theo thời gian
thì xem trái bắp nhƣ vật thể đồng chất hình trụ.
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.4.1. Ý nghĩa khoa học


2

Kết quả đề tài này, có thể dùng làm tài liệu thiết kế hệ thống làm lạnh chân
không, với quy trình vận hành và thơng số làm việc tƣơng ứng với từng loại sản
phẩm rau quả khi công nghệ này đƣợc phổ biến rộng rãi.
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài này cho thấy khả năng khả năng áp dụng công nghệ làm lạnh chân
không trong việc bảo quản rau quả vào thực tế với những ƣu thế nhất định so với
các phƣơng pháp làm lạnh thông thƣờng nhƣ: sản phẩm giữ đƣợc mùi vị sẵn có,
khơng bị biến chất, khơng bị phân hủy do nhiệt vì đƣợc làm lạnh ở nhiệt độ thấp và
sản phẩm có độ tƣơi nhất định, với thời gian làm lạnh nhanh… nhằm làm tăng giá
trị sản phẩm đạt chất lƣợng cao phục vụ cho nhu cầu xuất khẩu sang nƣớc ngoài.


3

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN
Chƣơng này trình bày các vấn đề có liên quan đến đề tài nhƣ: các phƣơng

pháp bảo quản rau quả, tác dụng của việc bảo quản ở nhiệt độ thấp và tách nƣớc,
trong đó có mơ tả phƣơng pháp làm lạnh chân không (sơ đồ nguyên lý, hoạt động,
ƣu nhƣợc điểm, và thông số làm lạnh chân không của một số rau quả), nêu bảng đề
nghị phƣơng pháp làm lạnh của một số sản phẩm, so sánh tiêu hao năng lƣợng giữa
một số phƣơng pháp làm lạnh, tình hình nghiên cứu làm lạnh chân khơng trong và
ngồi nƣớc, trong đó có nêu tính cấp thiết của đề tài và phƣơng pháp nghiên cứu
khoa học.
2.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp bảo quản rau quả
2.1.1. Các vấn đề chung khi bảo quản rau quả
Rau quả sau khi thu hoạch, muốn không bị hƣ hỏng và thời gian sử dụng lâu
dài thì phải nhanh chóng đem đi bảo quản.
Cơng nghệ bảo quản rau quả phải đáp ứng ba mục tiêu chính sau: [1]
1. Giữ vững chất lƣợng (hình dáng, kết cấu, hƣơng vị và giá trị dinh dƣỡng).
2. Bảo vệ thực phẩm an toàn.
3. Giảm tổn thất giữa thời điểm thu hoạch và tiêu dùng.
Bảo quản thực phẩm bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau, có 3 ngun tắc
chính: [2]
1. Ức chế hoặc ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm:
- Ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm bằng cách vô trùng thực
phẩm.
- Ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm bằng cách loại bỏ vi sinh
vật.
- Ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm bằng cách tiêu diệt vi sinh
vật.
- Ức chế vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm bằng cách cản trở sự sinh
trƣởng và hoạt động của chúng.
2. Ức chế hoặc ngăn ngừa sự tự thối hỏng của thực phẩm:


4

- Ức chế hoặc ngăn ngừa thực phẩm tự hỏng bằng cách phá hủy hoặc vơ hoạt
các enzym có trong thực phẩm.
- Ức chế hoặc ngăn ngừa thực phẩm tự hỏng bằng cách ức chế hoặc ngăn
ngừa các phản ứng hóa học trong thực phẩm.
3. Ngăn ngừa những nguyên nhân gây hại nhƣ cơn trùng, chuột bọ, chim
chóc, hóa chất …
Nhƣ vậy, các phƣơng pháp bảo quản khác nhau dựa trên các nguyên tắc sau:
- Bảo quản ở nhiệt độ thấp
- Sấy khơ / tách nƣớc
- Điều kiện yếm khí / lên men
- Hóa chất bảo quản
Trong phạm vi đề tài này, chúng ta chỉ nói 2 nguyên tắc bảo quản: bảo quản
ở nhiệt độ thấp và tách nƣớc.
2.1.1.1. Tác dụng của việc bảo quản ở nhiệt độ thấp [2]
Sử dụng nhiệt độ thấp để làm chậm hoặc làm dừng sự hoạt động và phát triển
của vi sinh vật trong thực phẩm. Tuy nhiên, nó cũng làm các phản ứng hóa học và
hoạt động của enzym trong thực phẩm chậm lại. Nấm mốc, nấm men, vi khuẩn
đƣợc coi là tạp chất làm nhiễm bẩn thực phẩm, mà chỉ cần điều kiện phù hợp chúng
sẽ phát triển làm cho thực phẩm thay đổi khơng tốt. Mỗi loại vi sinh vật có nhiệt độ
tốt nhất cho sự phát triển và nhiệt độ thấp nhất mà tại đó vi sinh vật khơng sinh sản
đƣợc. Khi nhiệt độ giảm từ nhiệt độ tốt nhất xuống gần nhiệt độ thấp nhất thì tốc độ
phát triển của vi sinh vật giảm xuống và chậm nhất tại nhiệt độ thấp nhất. Nhƣng vi
sinh vật vẫn có thể tiếp tục hoạt động trao đổi chất. Vì vậy, làm lạnh thực phẩm từ
nhiệt độ thƣờng xuống nhiệt độ thấp sẽ có tác động khác nhau đến các vi sinh vật
đang có trong thực phẩm. Nhiệt độ giảm đến 10 C thì 1 số vi sinh vật ngừng phát
triển, các vi sinh vật khác phát triển chậm nhƣng phạm vi này sẽ khác nhau với mỗi
loại vi sinh vật. Nhiệt độ giảm xuống dƣới 10 C thì nhiều loại vi sinh vật sẽ ngừng
phát triển, và các vi sinh vật khác phát triển chậm. Vì vậy, bảo quản ở nhiệt độ thấp
có ảnh hƣởng lớn đến loại vi sinh vật phân hủy.

5

Sự phát triển và các phản ứng trao đổi chất của vi sinh vật đều bị ảnh hƣởng
bởi nhiệt độ mà lại phụ thuộc vào các enzym và tốc độ các phản ứng enzym của vi
sinh vật. Vì vậy, khi hạ thấp nhiệt độ thì làm giảm tốc độ phát triển của vi sinh vật,
bên cạnh đó cịn làm giảm tốc độ các phản ứng. Làm lạnh đông ức chế sự phát triển
của hầu hết các vi sinh vật trong thực phẩm và làm tốc độ phát triển của vi sinh vật
chậm lại. Nhiệt độ khoảng 5

6 C, hoặc thấp hơn có tác dụng làm chậm sự phát

triển của tồn bộ vi sinh vật phân hủy thực phẩm, ngoại trừ Clostridium botulium.
2.1.1.2. Tác dụng của việc bảo quản khi tách nước [2]
Có thể ức chế các vi khuẩn phân hủy thực phẩm bằng cách sấy khô và tách
nƣớc của thực phẩm. Các vi sinh vật khác nhau đòi hỏi lƣợng ẩm để phát triển khác
nhau và đƣợc biểu thị bằng hoạt độ nƣớc.
Rau quả có lƣợng ẩm lớn cho phép vi sinh vật hoạt động tốt hơn. Loại bỏ ẩm
trong rau quả, tức làm giảm lƣợng ẩm có giá trị (hoạt độ nƣớc) trong thực phẩm,
làm cho thực phẩm bị khơ héo. Một trong các ví dụ là tách nƣớc bằng phƣơng pháp
thẩm thấu.
2.1.2. Các phƣơng pháp bảo quản lạnh
Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp bảo quản rau quả sau thu hoạch nhƣ: bảo
quản tự nhiên và bảo quản nhân tạo. Bảo quản tự nhiên là phƣơng pháp dựa vào
điều kiện thiên nhiên gần nơi thu hoạch nhƣ: sử dụng nƣớc giếng làm mát [1], lợi
dụng độ cao (nhiệt độ khơng khí sẽ giảm đi 10 ºC khi độ cao tăng lên 1 km so với
mặt nƣớc biển [1]) … Bảo quản nhân tạo là phƣơng pháp bảo quản dùng thiết bị,
máy móc.
Phƣơng pháp bảo quản lạnh bao gồm: làm lạnh sản phẩm bằng cách đối lƣu

cƣỡng bức khơng khí (forced-air cooling), làm lạnh sản phẩm trong nƣớc lạnh
(immersion hydrocooling), làm lạnh bằng cách phun nƣớc lên sản phẩm
(hydraircooling), làm lạnh sản phẩm trong môi trƣờng chân không (vacuum
cooling) [3].
2.1.2.1. Làm lạnh sản phẩm bằng cách đối lưu cưỡng bức khơng khí (forced-air
cooling)
Đây là phƣơng pháp làm lạnh phổ biến nhất.


6

Gió lạnh đƣợc quạt thổi vào kho lạnh để làm lạnh sản phẩm, trao đổi nhiệt
với sản phẩm xong, gió có nhiệt độ cao đƣợc hồi về dàn lạnh để hạ thấp nhiệt độ
xuống, rồi nhờ quạt thổi vào kho lạnh. Vận tốc gió tối ƣu khoảng 1,5 đến 2 m/s. [3]
* Ƣu điểm:
Thời gian làm lạnh có thế đạt đƣợc gấp 4 đến 10 lần kiểu làm lạnh đối lƣu tự
nhiên.
* Nhƣợc điểm:
Rau quả có thể bị mất nƣớc (tùy thuộc vào nhiều yếu tố: tốc độ gió, nhiệt độ
và độ ẩm phịng lạnh).

Hình 2. 1 Làm lạnh đối lƣu cƣỡng bức khơng khí [3]
2.1.2.2. Làm lạnh sản phẩm trong nước lạnh (immersion hydrocooling)
Sản phẩm đƣợc nhúng vào bể nƣớc lạnh. Bể nƣớc lạnh này đƣợc làm lạnh
nhờ hệ thống lạnh.
Thông số làm việc: [3]
- Lƣu lƣợng nƣớc lạnh đi qua sản phẩm khoảng 6.8 đến 13.6 lít/s .


7

- Vận tốc nƣớc khoảng 75 đến 100 mm/s.
- Nhiệt độ tác nhân lạnh trong dàn lạnh khoảng -2 oC, còn nhiệt độ nƣớc
lạnh đi ra dàn lạnh khoảng 1 oC.

Hình 2. 2 Làm lạnh sản phẩm trong nƣớc lạnh [3]
* Ƣu điểm:
Sản phẩm không bị mất nƣớc.
* Nhƣợc điểm:
Sản phẩm dễ hấp thụ các chất hòa tan trong nƣớc lạnh nếu nƣớc lạnh có pha
hóa chất.
2.1.2.3. Làm lạnh bằng cách phun nước lên sản phẩm (hydraircooling)
Đây là kiểu kết hợp giữa hydrocooling và forced-air cooling
Nƣớc lạnh đƣợc bơm từ bể lên đƣợc làm lạnh rồi phun vào sản phẩm, sau khi
trao đổi nhiệt với sản phẩm, nƣớc lại rớt xuống bể nƣớc phía dƣới, rồi đƣợc bơm
tuần hồn lên phía trên. Nƣớc lạnh này lại đƣợc làm lạnh nhờ hệ thống lạnh.

Hình 2. 3 Làm lạnh bằng cách phun nƣớc lên sản phẩm [3]


8

* Ƣu điểm:
Khả năng truyền nhiệt tốt hơn kiểu làm lạnh đối lƣu cƣỡng bức khơng khí.
* Nhƣợc điểm:
Mơi trƣờng xung quanh dễ tăng ẩm làm ảnh hƣởng đến hô hấp của con
ngƣời.
2.1.2.4. Làm lạnh chân không (vacuum cooling)
Đây là phƣơng pháp làm lạnh bằng cách bay hơi nhanh hơi nƣớc từ bề mặt
sản phẩm trong môi trƣờng chân không. Tốc độ làm lạnh nói chung thƣờng nhanh

gấp 2 ÷ 3 lần so với phƣơng pháp làm lạnh khơng khí đối lƣu cƣỡng bức. [4]
Phƣơng pháp này phù hợp với những sản phẩm rau quả có tỉ số giữa diện
tích bề mặt và thể tích lớn, ví dụ nhƣ rau diếp cá [4].
Trong hệ thống này, có 3 phần chính:
1. Buồng chân khơng kín.
2. Bơm chân khơng.
3. Một hệ thống lạnh với dàn lạnh ở bên trong buồng chân không có tác dụng
làm ngƣng tụ hơi nƣớc thốt ra từ sản phẩm nhằm làm giảm công suất bơm và giúp
bơm tránh hƣ hỏng.

Hình 2. 4 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống làm lạnh chân không [5]
* Ƣu điểm:


9

- Làm lạnh nhanh (từ 25 oC  5 oC mất khoảng 20 ÷ 30 phút)
- Làm lạnh đồng đều các sản phẩm.
- Do điều kiện chân không, nên sản phẩm sạch, không tiếp xúc vi khuẩn
* Khuyết điểm:
- Sản phẩm bị mất nƣớc.
- Việc làm lạnh theo mẻ.
- Giá thành cao
- Vì các sản phẩm khi sắp xếp phải có khe hở để tiện việc hút chân khơng
nên làm tăng dung tích bình chứa.
Sau đây là thơng số làm lạnh chân khơng của một số rau quả (Hình 2. 5).

Hình 2. 5 Thơng số làm lạnh chân khơng của một số rau quả [3]

10

Mỗi loại rau quả đều có phƣơng pháp làm lạnh khác nhau để bảo quản phù
hợp. Sau đây là bảng đề nghị phƣơng pháp làm lạnh ứng với từng loại rau quả.
Bảng 2. 1 Bảng đề nghị phƣơng pháp làm lạnh ứng với từng loại rau quả [3,6]

1

Vegetable - Rau

Phƣơng pháp làm lạnh

Asparagus - Măng tây

Hydro-Cooling, package icing
Room cooling, forced-Air cooling, hydro-

2

Beans, snap - Đậu

Cooling

3

Beets - Củ cải đƣờng

Room-Cooling
Package icing, forced-Air cooling, hydro-

4

Broccoli - Su lơ

5

Brussel sprouts - Cải brussel Hydro-Cooling, vacuum, package icing

6

Cabbage - Cải bắp

Room cooling, forced-Air cooling

7

Carrots - Cà rốt

Package icing, room cooling

8

Cauliflower - Cải hoa

Hydro-Cooling, vacuum cooling

Chinese cabbage - Cải bắp

Hydro-Cooling, room cooling, forced-Air

9

trung quốc

cooling

10

Corn, sweet - Bắp ngọt

Hydro-Cooling, package icing, vacuum

11

Cucumber - Dƣa chuột

Forced-Air cooling, hydro-Cooling

12

Eggplant - Cà dái dê

Room-Cooling, forced-Air cooling

13

Garlic - Tỏi

No precooling needed

14

Greens - Rau xanh

Hydro-Cooling, package icing, vacuum

15

Herbs - Dƣợc thảo

Room-Cooling

16

Lettuce - Rau diếp

Hydro-Cooling, package icing

Cooling

Hydro-Cooling, package icing, forced-Air
17

Melons - Dƣa

cooling

18

Okra - Cây mƣớp tây

Room-Cooling, forced-Air cooling

19

Onions - Hành

No precooling needed

20

Onions, green - Hành hoa

Hydro-Cooling, package icing

21

Oriental vegetables

Package icing