Tính toán, thiết kế, sửa chữa mô hình hệ thống cấp đông hai cấp tại xưởng nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, SỬA CHỮA MƠ HÌNH HỆ
THỐNG CẤP ĐƠNG HAI CẤP
TẠI XƯỞNG NHIỆT

SVTH:

NGUYỄN HUỲNH GIA KHÁNH

MSSV:

13147027

SVTH:

ĐẶNG THÁI SANG

MSSV:

13147051

SVTH:

THIỀU HOÀNG SANG

MSSV:

13145053

GVHD: TH.S LẠI HỒI NAM

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật nhiệt

Tên đề tài

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, SỬA CHỮA MƠ HÌNH HỆ
THỐNG CẤP ĐƠNG HAI CẤP
TẠI XƯỞNG NHIỆT

SVTH:

NGUYỄN HUỲNH GIA KHÁNH

MSSV:

13147027

SVTH:

ĐẶNG THÁI SANG

MSSV:

13147051

SVTH:

THIỀU HOÀNG SANG

MSSV:

13145053

GVHD: TH.S LẠI HỒI NAM

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. Hồ Chí Minh, ngày…..tháng..…năm……

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: 1. .............................................MSSV:..................................
2. ..............................................MSSV:..................................

3................................................MSSV:..................................

Chuyên ngành: .........................................................Mã ngành đào tạo:................
Hệ đào tạo: ...............................................................Mã hệ đào tạo:......................
Khóa: ........................................................................Lớp: .....................................
1. Tên đề tài
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
2. Nhiệm vụ đề tài:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
3. Sản phẩm của đề tài:
.................................................................................................................................
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài:.........................................
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:........................................................................
TRƯỞNG BỘ MƠN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Tên đề tài:.................................................................................................................
Họ và tên Sinh Viên:.......................................................MSSV:............................
......................................................MSSV:............................

......................................................MSSV:............................
I.

NHẬN XÉT

1.Về hình thức trình bày và tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
2.Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu khhuyết điểm và giá trị thực tiễn)
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
II.

NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH BỔ SUNG

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
III.

ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ

1.Đề nghị (cho phép bảo vệ hay khơng):.................................................................
2.Điểm đánh giá (theo thang điểm 10):...................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 20…
Giảng viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài:.................................................................................................................
Họ và tên Sinh Viên:.......................................................MSSV:............................


......................................................MSSV:............................
......................................................MSSV:............................
I.

NHẬN XÉT

1.Về hình thức trình bày và tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
2.Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu khhuyết điểm và giá trị thực tiễn)
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
II.

NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH BỔ SUNG

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
III.

ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ

1.Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không):.................................................................
2.Điểm đánh giá (theo thang điểm 10):...................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 20…
Giảng viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài:.................................................................................................................
Họ và tên Sinh Viên:.......................................................MSSV:............................
......................................................MSSV:............................
......................................................MSSV:............................
Ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt


Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên
phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn
chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch hội đồng: ______________________________

_________________

Giảng viên hướng dẫn:___________________________

_________________

Giảng viên phản biện:___________________________

_________________

Tp Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 20…


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian làm đồ án em đã học tập được rất nhiều kiến thức giúp em hiểu
rõ hơn những kiến thức đã được học trên giảng đường từ đó có thể biết rõ hơn việc vận
dụng các kiến thức này vào thực tế. Đó là hành trang quí giá để em chuẩn bị bước vào
đời làm cho em tự tin hơn và làm việc dễ dàng hơn. Có được những kiến thức như vậy
phần lớn là nhờ cơng lao của thầy cơ đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian làm
đồ án cho đến ngày hoàn thành.
Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến với người giảng viên đã hướng dẫn em tận
tình trong suốt thời gian làm đồ án thầy Lại Hoài Nam cùng q thầy cơ trong bộ mơn
cơng nghệ kỹ thuật nhiệt đã giúp em có được kiến thức đầy đủ và hoàn thành đồ án một
cách tốt nhất và hiệu quả nhất.
Và em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp đã giúp đỡ, động viên trong
q trình làm đồ án mơn học cho đến khi hồn thành đồ án mơn học.

1


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................... i
MỤC LỤC.........................................................................................................................ii
TÓM TẮT......................................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.........................................................v

DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG..............................................................................................vii
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ NGÀNH KỸ THUẬT LẠNH...................................1

1.1. Tổng quan về kỹ thuật lạnh...................................................................................1
1.2. Lịch sử phát triển ngành lạnh................................................................................1
1.3. Ứng dụng của kỹ thuật lạnh..................................................................................2
1.4. Lý do chọn đề tài:.................................................................................................3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÀM ĐÔNG VÀ BẢO QUẢN SẢN
PHẨM ĐÔNG LẠNH.......................................................................................................4
2.1. Các vấn đề về cấp đông sản phẩm.......................................................................4
2.2. Một số biến đổi của thực phẩm trong q trình cấp đơng.....................................9
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian cấp đông....................................................13
2.4. Các phương pháp và thiết bị cấp đông thực phẩm..............................................14
2.5. Xử lý thực phẩm sau cấp đơng............................................................................17
CHƯƠNG 3:

TÍNH TỐN CẤU TRÚC MƠ HÌNH TỦ CẤP ĐƠNG.......................19

3.1. Các thơng số ban đầu của mơ hình.....................................................................19
3.2. Tính tốn nhiệt chu trình.....................................................................................21
3.3. Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt..........................................................................24
3.3.1.

Tính tốn thiết bị ngưng tụ........................................................................24

3.3.2.

Tính tốn thiết bị bay hơi..........................................................................30

3.4. Tính chọn đường ống và thiết bị phụ..................................................................31
3.4.1.

Tính chọn đường ống................................................................................31

3.4.2.

Thiết bị phụ...............................................................................................33

3.5. Tính tốn cách nhiệt cách ẩm..............................................................................39
3.5.1.

Mục đích, ý nghĩa, yêu cầu đối với vật liệu cách nhiệt, cách ẩm..............39

3.5.2.

Trình tự tính tốn......................................................................................40
2


3.5.3.

Kiểm tra hiện tượng đọng sương và ngưng tụ ẩm.....................................42

3.6. Tính khối lượng sản phẩm cấp đơng...................................................................44
3.6.1.

Tổn thất lạnh ra môi trường xung quanh :.................................................44

3.6.2.

Tổn thất do làm lạnh sản phẩm:................................................................46

3.6.3.

Dòng nhiệt do thơng gió buồng lạnh.........................................................47

3.6.4.

Tổn thất lạnh do vận hành.........................................................................47

3.6.5.

Dòng nhiệt do hoa quả hô hấp Q5.............................................................48

3.6.6.

Năng suất lạnh của máy nén.....................................................................48

3.6.7.

Phụ tải nhiệt cho máy nén:........................................................................48

CHƯƠNG 4:

SỬA CHỮA, HỒN THIỆN HỆ THỐNG SẴN CĨ............................49

4.1. Thay thế dàn lạnh của hệ thống..........................................................................49

4.2. Thử kín, nạp ga cho hệ thống.............................................................................49
CHƯƠNG 5:

VẬN HÀNH TỦ ĐÔNG HAI CẤP CÔNG SUẤT 03 HP....................50

5.1. Vận hành tủ cấp đông hai cấp.............................................................................50
5.2. Các thông số vận hành thực tế của hệ thống khi cấp đông khi cho máy chạy trong
thời gian 2 giờ..............................................................................................................50
5.3. Các sự cố và phương án sử lý sự cố trên hệ thống tủ cấp đông...........................51
CHƯƠNG 6:

KẾT LUẬN...........................................................................................52

Tài liệu tham khảo............................................................................................................ 53

3


TÓM TẮT
Từ lâu con người đã biết tận dụng lạnh của thiên nhiên như băng tuyết để ướp lạnh
bảo quản thực phẩm .Từ thế kỉ 19 phương pháp làm lạnh nhân tạo đã ra đời và phát triển
đến đỉnh cao của khoa học kỹ thuật hiện đại.
Ngày nay kỹ thuật lạnh đã đi sâu vào nhiều lĩnh vực khoa học như :cơng nghệ thực
phẩm, cơng nghệ cơ khí chế tạo máy, luyện kim,y học và ngay cả kỹ thuật điện tử... Lạnh
đã được phổ biến và đã gần gũi với đời sống con người. Các sản phẩm thực phẩm như
:thịt, cá, rau, quả... Nhờ có bảo quản mà có thể vận chuyển đến nơi xa xôi hoặc bảo quản
trong thời gian dài mà khơng bị hư thối. Điều này nói lên được tầm quan trọng của kỹ
thuật lạnh trong đời sống con người. Nước ta có bờ biển dài nên tiềm năng về thuỷ sản rất
lớn, các xí nghiệp đơng lạnh có mặt trên mọi miền của đất nước. Nhưng để sản phẩm
thuỷ sản đơng lạnh của Việt Nam có chỗ đứng vững vàng trên thị trường nội địa và thế

giới thì đòi hỏi phải nâng cao chất lượng cơng nghệ làm lạnh nên nhiều xí nghiệp đang
dần dần thay đổi công nghệ làm lạnh nhằm đáp ứng nhu cầu đó.
Dựa vào những số liệu đã cho trước chúng em đã tính tốn hồn thiện hệ thống đã
có sẵn và so sánh với thực nghiệm.

4


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

STT

Kí hiệu

Giải thích

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27

T




K
Q
F
i
M
C
q
Q0
Qk
Vtt
Vlt

l
Ns


P
N
Nu
Re
Pr
G


Nhiệt độ
Độ ẩm
Chiều dày cách nhiệt
Hệ số tỏa nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt
Hệ số truyền nhiệt
Dòng nhiệt
Diện tích
Entanpi
Khối lượng
Nhiệt dung riêng
Dòng nhiệt riêng
Cơng suất lạnh
Dòng nhiệt tỏa ra ở thiết bị ngưng tụ
Thể tích hút thực tế của máy nén
Thể tích hút lý thuyết của máy nén
Công nén riêng
Công nén đoạn nhiệt

Hệ số cấp của máy nén
Hệ số làm lạnh
Áp suất
Công suất của động cơ điện
Trị số Nutselt
Trị số Renolds
Hằng số Prăng
Lưu lượng
Vận tốc

Đơn vị
0

C
%
m
W/m2K
W/mK
W/m2K
W
m2
kj/kG
Tấn
kj/kGK
kj/kG
W
W
m3
m3
kJ/kG

/
/
bar
KW
/
/
/
kG/s
m/s

5


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1: Q trình hình thành điểm đóng băng................................................................6
Hình 3.1: Quy trình xử lý tơm đơng lạnh.........................................................................20
Hình 3.2: Đồ thị T-s.........................................................................................................21
Hình 3.3: Đồ thị logpH....................................................................................................21
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống..........................................................................21
Hình 3.5: Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt gió........................................................................24
Hình 3.6: Thiết bị bay hơi kiểu dàn lạnh quạt trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức..............30
Hình 3.7: Bình tách lỏng kiểu nón chắn...........................................................................34
Hình 3.8: Bình tách dầu kiểu nón chắn............................................................................35
Hình 3.9: Bình trung gian ống xoắn.................................................................................36
Hình 3.10: Cấu tạo bình chứa cao áp...............................................................................37
Hình 3.11: Kết cấu tấm panel...........................................................................................41

6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Khả năng phân giải của men phân giải mỡ lipaza..............................................5
Bảng 2.2: Các thông số của một số sản phẩm..................................................................11
Bảng 2.3: Các thông số về phương pháp cấp đông..........................................................16
Bảng 3.1: Thông số về nhiệt độ và độ ẩm ở thành phố Hồ Chí Minh..............................19
Bảng 3.2: Thơng số điểm nút của tru trình.......................................................................22
Bảng 3.3: Bảng chọnn đường ống thực tế........................................................................34
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của van tiết lưu...................................................................39
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của van điện từ...................................................................39
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của van chặn đường ống đẩy..............................................39
Bảng3.7: Thông số kỹ thuật của van chặn đường ống hút...............................................40
Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật của van chặn đường ống dẫn lỏng......................................40
Bảng 5.1: Thông số vận hành thực tế của hệ thống..........................................................51

7


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGÀNH KỸ THUẬT LẠNH
1.1. Tổng quan về kỹ thuật lạnh
Kỹ thuật lạnh là kỹ thuật tạo ra mơi trường có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bình
thường của mơi trường. Giới hạn giữa nhiệt độ lạnh và nhiệt độ bình thường còn có nhiều
quan điểm khác nhau. Nhưng nhìn chung thì giới hạn mơi trường lạnh là mơi trường có
nhiệt độ nhỏ hơn 20℃.
Trong mơi trường lạnh được chia làm 2 vùng nhiệt độ. Đó là khoảng nhiệt độ dương
thấp, khoảng này từ 0 ÷ 20℃ còn khoảng nhiệt độ còn lại là nhiệt độ lạnh đơng của sản
phẩm. Bởi vì khoảng nhiệt độ này là khoảng nhiệt độ đóng băng của nước tuỳ theo từng
sản phẩm mà nhiệt độ đóng băng khác nhau.

1.2. Lịch sử phát triển ngành lạnh
Từ trước công nguyên con người tuy chưa biết làm lạnh, nhưng đã biết đến tác dụng
của lạnh và ứng dụng chúng phục vụ cuộc sống. Họ đã biết dùng mạch nước ngầm có
nhiệt độ thấp chảy qua để chứa thực phẩm, giữ cho thực phẩm được lâu hơn.
Người ai cập cổ đại đã biết dùng quạt cho nước bay hơi ở các hộp xốp đế làm mát
khơng khí cách đây 2500 năm.
Người ấn độ và người trung quốc cách đây 2000 năm đã biết trộn muối với nước
hoặc với nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn.
Kỹ thuật lạnh hiện đại phát triển khi giáo sư Black tìm ra ẩn nhiệt hố hơi và ẩn
nhiệt nóng chảy vào năn 1761-1764. Con người đã biết làm lạnh bằng cách cho bay hơi
chất lỏng ở áp suất thấp.
Sau đó là sự hố lỏng khí CO2 vào năm 1780 do Clouet và Monge tiến hành. Sang
thế kỉ thứ 19 thì Faraday đã hố lỏng được hàng loạt các chất khí như: H 2S, CO2, C2H2,
NH3, O2, N2, 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 môi chất khác nhau.

1


Máy lạnh hấp thụ khuếch tán hồn tồn khơng 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 rất
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 Hidrocarbon được thay thế một phần
hay toàn bộ các nguyên tử hiđro bằng các nguyên tử Halogen như: Cl; F; Br.
Freon là những chất lạnh có nhiều tính q báu như khơng cháy khơng nổ, khơng

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 khơng khí.
Ngày nay kỹ thuật lạnh hiện đại đã phát triển sất 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 loại có cơng suất hàng triệu W ở các trung tâm điều tiết khơng
khí.
Hệ thống lạnh ngày nay thay vì lắp giáp các chi tiết, thiết bị lại với nhau thì tổ hợp
ngày càng hồn thiện, do đó q trình lắp giáp, sử dụng 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 đơng hóa của các hệ thống lạnh và các
máy lạnh tăng lên rõ rệt. Những thiết bị tự động hóa hồn bằng điện tử và vi điện tử thay
thế cho các thiết bị thoa tác bằng tay.
1.3. Ứng dụng của kỹ thuật lạnh.
Kỹ thuật lạnh ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân cũng
như trong khoa học kỹ thuật. Kỹ thuật lạnh đã thâm nhập vào hơn 70 ngành kinh tế quan
trọng như: Công nghệ thực phẩm, chế biến thủy sản rau quả, rượu bia và nước giải khát,
sinh học, hóa lỏng hóa chất và tách khí, điện tử, cơ khí chính xác, y tế, điều hòa khơng
khí….

2


Kỹ thuật lạnh đã ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực. Một trong những ngành ứng
dụng quan trọng đó là ngành cơng nghệ thực phẩm, theo thống kê thì khoảng 80% công
nghệ lạnh được sử dụng trong công nghệ thực phẩm. Các sản phẩm được bảo quản như
thịt cá sữa…, là những thực phẩm dễ bị hư hỏng do tác dụng của vi sinh vật và các

enzyme nội tạng có trong thực phẩm, vì vậy mà nó cần được bảo quản lạnh.
Vi sinh vật và các enzyme nội tạng là nguyên nhân chính gây nên những hư hỏng
của thực phẩm. Nhưng dưới tác dụng của nhiệt độ thấp thì chúng bị bất hoạt hoặc bị ức
chế hoạt động, do đó sản phẩm của chúng ta ít bị biến đổi về chất lượng cũng như hương
vị màu sắc, chất dinh dưỡng…, nhờ thế thời gian giữ sản phẩm lâu hơn tao điều kiện tốt
cho quá trình chế biến, tiêu thụ sản phẩm.
1.4. Lý do chọn đề tài:
Kỹ thuật lạnh là một ngành quan trọng không thể thiếu được trong nền kinh tế của
một quốc gia. Từ phục vụ sự tiện nghi cho cuộc sống của con người cho đến các ngành
công nghiệp hiện đại đều cần đến kỹ thuật lạnh.
Trong những năm gần đây, thì ngành kỹ thuật lạnh nước ta đã phát triển rất mạnh
mẽ, đặc biệt là trong ngành chế biến và bảo quản thủy hải sản. Việt nam có nguồn tài
nguyên thủy hải sản phong phú, trữ lượng lớn, theo số liệu của Liên Hiệp Quốc thì trữ
lượng hải sản của nước ta đạt 10 triệu tấn gồm cá, tôm, mực, cua… Mỗi năm chúng ta
khai thác trên 1 triệu tấn, do đó việc chế biến và bảo quản thủy hải sản là khâu cực kì
quan trọng. Nước ta đã xuất khẩu thủy sản đông lạnh thừ những năm đầu của thập kỉ 60.
Năm 1990 doanh thu xuất khẩu thủy sản đạt 205 triệu USD, năm 2005 đạt 4 tỉ USD, phần
đầu năm 2010 đạt kinh ngạch xuất khẩu thủy sản 5 tỉ USD, năm 2017 xuất khẩu thủy sản
được dự báo gặp nhiều khó khăn do nhu cầu thị trường thấp cùng những rào cản kỹ thuật
từ các nước nhập khẩu chính nhưng kim ngạch xuất khẩu thủy sản năm 2017 đạt khoảng
7,4 tỷ USD, tăng 6% so với năm 2016.
Với tầm quan trọng như vậy, là sinh viên ngành nhiệt lạnh, trong phần đề tài tốt
nghiệp của mình, nhóm chúng em chọn đề tài “ tính tốn, thiết kế, chế tạo hệ thống cấp
đơng 2 cấp” mà sản phẩm chính là tơm. Với mong muốn là củng cố và hồn thiện kiến
thức trong q trình thực hiện đề tài, đồng thời sau khi hoàn thành sẽ ứng dụng được

3


trong thực tế để đóng góp một phần nhỏ của mình vào sự phát triển của ngành chế biến

và bảo quản thủy hải sản.

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÀM ĐÔNG VÀ BẢO QUẢN SẢN PHẨM
ĐÔNG LẠNH
2.1. Các vấn đề về cấp đông sản phẩm
Phân loại giới hạn làm lạnh
Nhiệt độ đóng băng của thực phẩm
Nhiệt độ đóng băng của các loại thực phẩm là khác nhau do nồng độ muối khoáng
và chất hòa tan trong dịch tế bào khác nhau, tùy vào từng loại thì chúng có nhiệt độ đóng
băng khác nhau và thường nhỏ hơn 0℃. Nước nguyên chất đóng băng ở 0℃.
Ví dụ: cá biển có điểm đóng băng khoảng −1,5 ℃, cá nước ngọt điểm đóng băng
−1℃, tôm biển −2℃.
Các cấp làm lạnh thực phẩm:
Người ta chia các cấp làm lạnh thực phẩm dựa vào nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông
như sau:
 Làm lạnh: Khi nhiệt độ sản phẩm cuối quá trình nằm trong khoảng tdb < t < +
20℃
 Làm lạnh đông (cấp đông): Nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông: −100℃ < t < tdb
 Làm lạnh thâm độ: Nhiệt độ sản phẩm sau cấp đơng: −273℃ < t < −100℃
Mục đích và ý nghĩa
Thực phẩm ở nhiệt độ cao dưới tác dụng của men phân giải (enzim) của bản thân và
các vi sinh vật sẽ xảy ra quá trình biến đổi về chất, dẫn đến hư hỏng, ươn thối.
Khi nhiệt độ thực phẩm xuống thấp các quá trình trên sẽ bị ức chế và kìm hãm, tốc
độ các phản ứng hố sinh giảm. Nhiệt độ càng thấp, tốc độ phân giải càng giảm mạnh.
Khi nhiệt độ giảm thì hoạt động sống của tế bào giảm là do:
 Cấu trúc tế bào bị co rút.
 Độ nhớt dịch tế bào tăng.
4

 Sự khuếch tán nước và các chất tan của tế bào giảm.
 Hoạt tính của enzim có trong tế bào giảm.
Nhiệt độ thấp ức chế tốc độ của các phản ứng hoá sinh trong thực phẩm. Nhiệt độ
thấp tốc độ giảm, người ta tính rằng cứ giảm 10℃ thì tốc độ phản ứng hoá sinh giảm
xuống còn từ 1/2 đến 1/3. Nhiệt độ thấp tác dụng đến các men phân giải nhưng khơng
tiêu diệt được nó. Nhiệt độ giảm xuống 0℃ hoạt động của hầu hết các enzim bị đình chỉ.
Men lipaza, trypsin, catalaza…, ở nhiệt độ −191℃ cũng không bị phá huỷ. Nhiệt độ càng
thấp khả năng phân giải giảm, ví dụ khả năng phân giải của men lipaza phân giải mỡ cho
ở bảng dưới đây.
Bảng 2.1: Khả năng phân giải của men phân giải mỡ lipaza
Nhiệt độ, ℃
40
10
0
-10
Khả năng phân giải
11,9
3,89
2,26
0,70
Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản hoạt động sống có thể độc lập với cơ thể
sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh cao, đa số tế bào thực vật không bị chết khi nước trong
nó chưa đóng băng.
Tế bào động vật có cấu trúc và hoạt động sống phức tạp, gắn liền với cơ thể sống.
Vì vậy khả năng chịu lạnh kém. Đa số tế bào động vật chết khi nhiệt độ giảm q 4 ℃ so
với thân nhiệt bình thường của nó. Tế bào động vật chết là do chủ yếu độ nhớt tăng và sự
phân lớp của các chất tan trong cơ thể.
Một số lồi động vật có khả năng tự điều chỉnh hoạt động sống khi nhiệt độ giảm,
cơ thể giảm các hoạt động sống đến mức không cần nhu cầu bình thường của điều kiện

mơi trường trong một khoảng thời gian nhất định. Khi tăng nhiệt độ, hoạt động sống của
chúng phục hồi, điều này được ứng dụng trong vận chuyển động vật đặc biệt là thuỷ sản
ở dạng tươi sống, đảm bảo chất lượng tốt và giảm chi phí vận chuyển.
Như vậy khi nhiệt độ thấp q trình phân giải của thực phẩm sẽ bị chậm lại hoặc
chấm dứt hoàn toàn là do:
Hoạt động của các men phân giải bị đình chỉ.
Sự phát triển của các vi sinh vật bị ức chế, đại bộ phận các vi sinh vật ngừng hoạt
động trong khoảng −3℃ đến −10℃. Tuy nhiên ở −10℃ vi khuẩn micrococcuss vẫn
sống nhưng phát triển chậm. Các loại nấm mốc chịu đựng lạnh tốt hơn, có thể tới −15 ℃.
Để nấm mốc sống được độ ẩm phải đảm bảo ít nhất là 15%. Khi nhiệt độ giảm xuống
5


−18℃ thì nước trong thực phẩm mới đóng băng tới 86%, đạt yêu cầu trên. Vì vậy nhiệt
độ bảo quản tốt nhất từ −18℃ trở xuống mới làm cho toàn bộ vi sinh vật và nấm mốc
ngừng hoạt động hoàn toàn.

Sự kết tinh của nước trong thực phẩm
Nước trong thực phẩm, đặc biệt trong thuỷ sản chiếm tỷ lệ rất lớn có thể lên đến
80%. Tuỳ theo mức độ liên kết mà người ta chia nước trong thực phẩm ra các dạng:
Nước tự do và nước liên kết.
Nước tự do: Chỉ liên kết cơ học. Nước nằm bất động trong mạng lưới cấu trúc mơ
cơ dưới hình thức dung mơi để khuếch tán các chất qua tế bào.
Nước liên kết: Không phải là dung môi mà là ở dạng liên kết với các chất prôtit tan
và các chất vô cơ, hữu cơ tan khác tạo thành các khung cấu trúc của mơ cơ.
Cơ chế đóng băng trong thực phẩm khi cấp đơng
tC
0

T(phút)

-1
-1,45
-2

Điểm
di?m đóng
dóng băng
bang

-3
-4
-5
-5,2

di?m q l?nh
Điểm
lạnh

Hình 2.1: Q trình hình thành điểm đóng băng
Nước trong thực phẩm do có thể hồ tan các chất tan nên nhiệt độ đóng băng thấp
hơn 0℃.
Khi hạ nhiệt độ thực phẩm xuống thấp các dạng nước trong thực phẩm đóng băng
dần dần tuỳ mức độ liên kết của chúng với tế bào.

6


Khi nhiệt độ hạ 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 ngồi qua gian bào, qua
màn bán thấm của tế bào. Nếu tốc độ làm lạnh chậm thì nước trong tế bào ra sẽ làm các
tinh thể hiện diện lớn lên mà không tạo nên 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 và các tinh thể đá tạo ra sẽ to và chèn
ép làm rách màng tế bào, cấu tạo mô cơ bị biến dạng, 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.
Tác động của sự kết tinh của nước đối với thực phẩm
Có sự phân bố lại nước trong thực phẩm không chỉ giữa gian bào và tế bào mà còn
theo chiều sâu của sản phẩm.
Có sự biến đổi tế bào do sự phân bố lại nước, do tạo thành lớp đá, vỡ tế bào, biến
đổi cấu trúc sợi cơ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự kết tinh của nước trong thực phẩm
Nồng độ các chất hoà tan
Các chất đường, chất béo, prôtêin, muối vv..., trong thực phẩm hoà tan liên kết với
nước tạo thành dung dịch keo.
Để kết tinh các phân tử nước phải tách ra khỏi sự liên kết của các chất tan. Vì vậy
khi có các chất tan thì nhiệt độ của nước phải giảm để giảm động năng, tăng lực liên kết
phân tử giữa các phân tử nước với nhau để kết tinh. Do đó nồng độ chất hồ tan tăng thì
nhiệt độ kết tinh nước giảm. Độ giảm nhiệt độ để nước kết tinh phụ thuộc vào nồng độ
chất tan như sau:
t  1,18 �n

n - Nồng độ phân tử các chất tan.
Khi nhiệt độ kết tinh nước giảm thì tốc độ hình thành mầm tinh thể tăng dần.

7

Khi giảm nhiệt độ kết tinh các tinh thể nước đá hình thành sẽ có xu hướng phát triển
chiều dài và giảm kích thước chiều ngang nhờ đó việc làm hỏng cấu trúc tế bào thực
phẩm giảm.
Kích thước ngang của các tinh thể được phân chia như sau:
 Kích thước 0,2 đến 0,6mm - tinh thể lớn
 Kích thước 0,1 đến 0,2mm - tinh thể vừa
 Kích thước 0,01 đến 0,1mm - tinh thể bé
Ở khoảng nhiệt độ −1℃ đến −2℃ các tinh thể tạo thành các kích thước lớn, ở nhiệt độ
−10 đến −20℃ các tinh thể có số lượng rất nhiều và kích thước nhỏ.
Tốc độ cấp đơng
Tốc độ làm lạnh thực phẩm là tỉ số giữa chiều dày lớp thực phẩm được cấp đông với
thời gian để làm đơng lớp đó:
V f  X / t, m / h

Tốc độ làm lạnh đông phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó yếu tố nhiệt độ buồng cấp
đơng đóng vai trò quan trọng nhất.
Căn cứ vào tốc độ làm đông người ta chia ra như sau:
 Cấp đông chậm: Khi tốc độ cấp đông dưới 0,5cm/h và thời gian cấp đông lớn hơn
10 giờ.
 Cấp đông nhanh: Khi tốc độ cấp đông từ 1 đến 3 cm/h và thời gian cấp đông từ 2
đến 6 giờ.
 Cấp đông cực nhanh: Khi tốc độ cấp đông lớn hơn hoặc bằng 15cm/h, thời gian
cấp đông dưới 20 phút.
Ảnh hưởng của tốc độ cấp đông
Khi cấp đông chậm nước khuếch tán nhiều, các tinh thể nước đá thu hút nước để
tăng thể tích mà khơng có xu hướng tạo nên các mầm tinh thể. Kết quả là số lượng các
tinh thể ít, kích thước lớn và khơng đều, điều đó ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc liên kết tế
bào thực phẩm.
Khi cấp đơng nhanh nước ít khuếch tán vì các mầm tinh thể hình thành đều khắp

trong cấu trúc với tốc độ nhanh nhờ đó số tinh thể nhiều, kích thước nhỏ và đều.

8


Cấp đơng cực nhanh sẽ khơng có sự khuếch tán nước. Các phần tử nước sẽ kết tinh
ở những vị trí liên kết với các chất tan vì vậy các tinh thể có kích thước rất nhỏ, các tính
chất của thực phẩm được giữ gìn như nguyên vẹn.
Chất lượng ban đầu của thực phẩm
Thực phẩm tươi sống đem làm lạnh đơng sẽ có chất lượng cao nhất vì cấu trúc và sự
liên kết của nước với các thành phần còn nguyên tính tự nhiên.
Khi các cấu trúc bị hư hỏng do va chạm hoặc do chất lượng bị giảm vì quá trình tự
phân giải, thối rửa thì khả năng giữ nước giảm, tỷ lệ nước tự do tăng, tính đàn hồi của cấu
trúc giảm. Tương tự như ở thịt động vật có giai đoạn co cứng, cấu trúc giảm tính đàn hồi
vì khả năng giữ nước giảm.
Trong những trường hợp này nước kết tinh sẽ khuếch tán nhiều, cấu trúc liên kết tế
bào bị nước đá giãn nỡ sẽ rách vỡ làm cho chất lượng sản phẩm giảm.
2.2. Một số biến đổi của thực phẩm trong q trình cấp đơng
Biến đổi về nhiệt vật lý
Sự kết tinh của nước: Trong q trình cấp đơng nước tách ra và đơng thành các
tinh thể, làm cho sản phẩm trở nên rắn, tăng thể tích một ít. Khi nước trong thực phẩm
kết tinh tạo thành mạng tinh thể xen kẻ giữa các thành phần khác tạo ra 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 liên kết tế bào thực phẩm.
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 quang ánh sáng của các tinh thể nước đá.
Bay hơi nước: Trong q trình làm lạnh đơng có hiện tượng mất nước, giảm trọng
lượng sản phẩm. Đó là sự bay hơi nước vào khơng khí từ bề mặt thực phẩm, do chênh
lệch mật độ ρ giữa không khí sát bề mặt và khơng khí xung quanh. Ẩm bốc lên từ bề mặt

sản phẩm vào khơng khí xung quanh, nếu sản phẩm nhập có bề mặt còn ướt thì khi cấp
đơng chúng sẽ đơng lại, sau đó diễn ra quá trình thăng hoa. Nếu chênh lệch nhiệt độ bề
mặt sản phẩm và khơng khí trong buồng cấp đơng 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:
9


Sự chênh lệch nhiệt độ gây nên do chênh lệch mật độ ρ.
Sự lớn lên của tinh thể nước đá ln 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 bám 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 ngồi, từ vị trí liên kết ra tự do. Khi nước khuếch tán cấu trúc tế bào co
rút, một số chất tan biến tính, dẫn đến khi làm tan một phần thực phẩm gần bề mặt
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
được đóng băng. Nhiệt dung khi đó được tính:
Csp  Cck (1  W)  Cd �w �W+Cn (1  w), kJ / kg.K

Csp, Cck, Ck, Cn - Nhiệt dung riêng của sản phẩm, chất khô, nước đá và của nước, kJ/kg.K;
w - Tỉ lệ nước đã đóng băng ở nhiệt độ tdb ;
W - Hàm lượng nước trong sản phẩm.
Nhiệt dung riêng sản phẩm trước khi đóng băng:
C0  Cck (1  W)  Cn �W,kJ/kg.K

Do đó:
Csp  C0  (Cn  Cd ) �w �W  C0  2, 096 �w �W, kJ / kg.K

Có thể xác định nhiệt dung riêng sản phẩm theo công thức thực nghiệm như sau:
Csp  C0 

Ac
, kCal / kg.K
B
1 c
lg t

Ac, Bc - Là các hằng số thực nghiệm.
Biến đổi hệ số dẫn nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của sản phẩm cũng thay đổi thể hiện ở công thức dưới đây:
sp  0 

A
B
1
lg �
t   1  tkt  �
�
�

10


sp , 0

- Hệ số dẫn nhiệt của sản phẩm lạnh đông và ở nhiệt độ kết tinh ( nhưng sản phẩm chưa

kết tinh), W/m.K;

A , B - Hằng số thực nghiệm;
t , tkt - Nhiệt độ sàn phẩm cấp đông và nhiệt độ kết tinh ( không kể dấu âm), ℃.

Biến đổi hệ số dẫn nhiệt độ
Hệ số dẫn nhiệt độ của sản phẩm cũng thay đổi và được tính theo cơng thức sau
đây:
asp  a0 

asp , a0

Aa
Ba
1
lg �
t   1  tkt  �
�
�

- Hệ số dẫn nhiệt độ của sản phẩm lạnh đông và ở nhiệt độ kết tinh ( nhưng sản phẩm chưa

2
kết tinh), m / s ;

Aa , Ba - Hằng số thực nghiệm;
t , tkt - Nhiệt độ sản phẩm cấp đông và nhiệt độ kết tinh (không kể dấu âm), ℃.

Bảng 2.2: Các thông số của một số sản phẩm
Đại lượng

Thịt bị

Cá

C0
A0
B0

0,805

0,800

0,396

0,415

0
A
B
a0
Aa
Ba

0,343

0,369

0,390

0,572

0,938

0,669

0,186

0,148

0,00045

0,00045

0,00244

0,00214

0,445

0,482

Biến đổi hố học
Bản chất q trình biến đổi hố học của thực phẩm khi làm lạnh là sự phân giải của
các chất dự trữ năng lượng do tác động của các enzim có sẵn trong thực phẩm.
Mức độ biến đổi hoá học phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của thực phẩm và
phương pháp làm lạnh. Nói chung do nhiệt độ giảm nhanh thời gian làm lạnh ngắn nên
các biến đổi hoá học diễn ra với tốc độ rất chậm, ít hư hỏng, chất lượng thực phẩm được
đảm bảo.

11

Các biến đổi chủ yếu là do sự ơxi hố các sắc tố làm biến màu thực phẩm. Sự ơxi
hố phụ thuộc mức độ tiếp xúc với khơng khí của thực phẩm và chất lượng ban đầu.
Để giảm sự ôxi hố có thể loại bỏ các sắc tố trước khi làm lạnh, hạn chế bớt các
hoạt tính của các enzim, hạn chế tiếp xúc với khơng khí, làm tăng tốc độ làm lạnh.
Biến đổi do vi sinh
Trước khi làm lạnh thực phẩm thường được rửa sạch để loại bỏ các tạp chất nơi
chứa chấp nhiều loại vi sinh vật.
Trong quá trình làm lạnh do nhiệt độ mơi trường làm lạnh có nhiệt độ khơng phù
hợp với các vi sinh vật nên vi sinh vật ở lớp bề mặt thực phẩm bị tiêu diệt. Số còn lại bị
hạn chế khả năng hoạt động. Nhưng chúng thích nghi dần với lạnh, nên thời gian bảo
quản thực phẩm bị giảm.
Thời gian làm lạnh đông thực phẩm
Định nghĩa
Thời gian cấp đông là thời gian cần thiết để hạ nhiệt độ tâm của sản phẩm từ nhiệt
độ ban đầu đến nhiệt độ yêu cầu. Yêu cầu đối với thực phẩm cấp đông là nhiệt độ trung
bình hoặc cân bằng của chúng phải nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ bảo quản. Nhiệt độ trung
bình của sản phẩm ttb thường được chọn bằng trung bình cộng của nhiệt độ tâm tt và
nhiệt độ bề mặt

tf

.
ttb  (t f  tt ) / 2

Vì vậy cần chọn nhiệt độ tâm phù hợp để đạt yêu cầu này.
Ví dụ: Xác định nhiệt độ tâm sản phẩm khi cấp đông ở kho cấp đơng, biết nhiệt độ
khơng khí −35℃, nhiệt độ bảo quản là −18℃.
Nhiệt độ bề mặt:

t f  tb �0, 7  35 �0,7  24,5�
C

Nhiệt độ tâm sản phẩm:

tt  2 �ttb  t f  2 �(18)  (24,5)  11,5�
C

Vì vậy chọn nhiệt độ tâm sản phẩm ít nhất là −12℃.
Q trình làm lạnh đơng thực phẩm qua 3 giai đoạn:
 Giai đoạn 1: Làm lạnh sản phẩm đến điểm đóng băng.
 Giai đoạn 2: Đóng băng ở điểm kết tinh ( = const).
12