Hình 1.2.4. Làm lạnh đông thuỷ sản bằng tủ đông tiếp xúc

1. Khuôn đựng sản phẩm

2. Tấm truyền nhiệt

1.2.3.5. Làm đông thủy sản bằng tủ đông băng chuyền

Phương pháp làm đông này kết hợp giữa trao đổi nhiệt tiếp xúc với kim loại và không khí lạnh đối lưu cưỡng bức nên có khả năng trao đổi nhiệt rất lớn, tốc độ làm đông nhanh, hoạt động liên tục, có thể tự động hóa quá trình sản xuất. Tuy nhiên sử dụng chất mang lạnh lỏng nên chi phí lạnh tăng lên rất nhiều khi hoạt động sản xuất không ổn định. Thiết bị này thường được ứng dụng để làm lạnh đông các sản phẩm dạng rời (IQF), có khối lượng và kích thước nhỏ và đều, quá trình sản xuất có tính ổn định cao.

Thủy sản được đặt trên băng chuyền được làm bằng thép không rỉ có bề dày rất nhỏ, bên trên có các dàn lạnh không khí thổi không khí lạnh xuống sản phẩm. Bên dưới băng chuyền được làm lạnh bằng chất tải lạnh là CaCl₂, CaCl₂ tuần hoàn qua thiết bị bay hơi kiểu ống chùm vỏ bọc nằm ngang được làm lạnh sau đó phun lên bề mặt dưới của băng chuyền tấm phẳng, làm lạnh băng chuyền và sản phẩm đặt trên băng chuyền, không khí lạnh trong thiết bị có nhiệt độ t = (-35-45)⁰C, vận tốc chuyển động của không khí trong khoảng v = (46)m/s, thời gian làm đông tùy thuộc vào sản phẩm. Tốc độ băng chuyền được điều chỉnh theo thời gian làm đông.

1.2.3.6. Làm đông bằng khí hóa lỏng

Dùng khí hóa lỏng phun trực tiếp lên bề mặt của sản phẩm. Chúng sẽ bay hơi trực tiếp trên bề mặt của sản phẩm do đó độ chênh lệch nhiệt độ giữa sản phẩm và nhiệt độ sôi là rất lớn nên sản phẩm được kết đông cực nhanh. Chất lượng của sản phẩm được giữ gần như nguyên vẹn.

Trong phương pháp làm đông khối, sản phẩm được đặt vào các khuôn, khay làm bằng tôn và được châm thêm nước do đó sản phẩm liên kết với nhau nhờ sự đóng băng của lượng nước bao bọc bên ngoài. Nước đá bao bọc bên ngoài sản phẩm có tác dụng ngăn cản sự xâm nhập của oxy không khí, làm giảm mức độ mất nước của sản phẩm, tạo cấu trúc vững chắc, chống lại các tác động cơ học trong quá trình bốc xếp, vận chuyển và bảo quản. Nhưng theo phương pháp này thì chi phí sản xuất cho một đơn vị sản phẩm phải lớn do phải làm đông vận chuyển bảo quản một lượng nước khá lớn bên ngoài thực phẩm. Lượng nước này có thể chiếm khoảng từ 2080% trọng lượng của sản phẩm. Ngoài ra còn phải chi phí kim loại để làm khuôn.

Làm đông dạng khối thường áp dụng với những sản phẩm thích hợp với môi trường nước, có chất lượng kém hơn dễ bị oxy hóa, khả năng tự bảo vệ kém. Phương pháp này thường sử dụng tủ đông tiếp xúc để làm đông sản phẩm.

1.2.4.2. Làm đông dạng rời

Trong phương pháp làm đông dạng rời, sản phẩm có thể không cần bao gói hoặc có thể bao gói bằng bao bì PE mỏng, không châm thêm nước. Do đó thực phẩm không liên kết với nhau, kích thước của thực phẩm không tăng trong quá trình làm đông, thời gian làm đông ngắn hơn, chi phí sản xuất ít hơn, chi phí lao động và chi phí kim loại làm khuôn cũng ít hơn so với đông khối.

Sản phẩm đông rời dễ phân phối hơn, giảm chi phí vận chuyển bảo quản, dễ tiêu thụ dễ sử dụng và thời gian tan giá nhanh. Tuy nhiên so với phương pháp làm đông dạng khối thì sản phẩm đông rời dễ bị dập vỡ hơn, dễ bị oxy hóa bởi oxy không khí, mức độ mất nước lớn hơn và hao hụt trọng lượng nhiều hơn.

Những sản phẩm loại đông rời thường là những sản phẩm thích hợp với môi trường không khí hoặc chúng có chất lượng cao, có khả năng tự bảo vệ tốt. Một số trường hợp phải bao gói để hạn chế những tác động xấu của không khí đối với thực phẩm.

Sản phẩm đông rời thường được làm đông trong các thiệt bị làm đông bằng không khí lạnh như: Hầm đông gió (Tunnel), tủ đông băng chuyền, tủ đông tầng sôi, khí hóa lỏng. Một số trường hợp có thể làm đông trong tủ đông tiếp xúc với bao gói cách ẩm để ngăn không cho chúng liên kết với nhau.

1.2.5. NHỮNG BIẾN ĐỔI CỦA SẢN PHẨM THỦY SẢN TRONG QUÁ TRÌNH LÀM ĐÔNG

1.2.5.1. Biến đổi về vật lý

Trong quá trình làm đông cấu trúc của sản phẩm thủy sản trở lên rắn chắc, màu sắc cũng bị biến đổi do bị oxy hóa, mất nước. Những biến đổi này phụ thuộc vào mức độ biến tính của các chất tan và mức độ mất nước của thủy sản.

Các chất tan biến tính và cấu trúc mất nước sẽ có màu trắng đục, trọng lượng của thủy sản giảm sút mùi vị đặc trưng của thủy sản cũng bị giảm đi do hao phí các chất dinh dưỡng hòa tan trong quá trình làm tan băng và cấu trúc của thủy sản sau khi tan băng trở nên mềm nhão do hậu quả của quá trình kết tinh nước làm thể tích tăng lên, các tinh thể đá làm rách vỡ cấu trúc tế bào và mô.

Quá trình kết tinh nước diễn ra từ bề mặt luôn luôn có xu hướng thu hút nước ở những vị trí nước chưa kết tinh, sự chuyển động của nước còn do sự chênh lệch nhiệt độ dẫn đến sự chênh lệch áp suất hơi nước, nước sẽ chuyển động từ nơi có nhiệt đô cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn. Ở vị trí nước đang kết tinh nồng độ các chất tan tăng lên dẫn đến chênh lệch áp suất thẩm thấu với những vị trí xung quanh. Những tác động này đều cùng một hướng làm cho nước ở trong tế bào chuyển động ra ngoài, nước ở vị trí có trạng thái kết hợp cao đến nơi có trạng thái tự do hơn. Khi làm tan băng thì một phần nước không quay trở lại được trạng thái ban đầu dẫn đến tỉ lệ nước tự do tăng lên làm cho chúng dễ thoát ra ngoài đem theo các chất hòa tan làm giảm trọng lượng và mùi vị của thủy sản.

Mức độ mất nước của thủy sản khi làm đông phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian, môi trường làm lạnh đông.

Nhiệt độ cấp đông càng thấp thì mức độ mất nước càng ít.

Thời gian làm đông càng ngắn thì mức độ mất nước càng ít.

Làm đông trong môi trường lỏng, tiếp xúc với tấm truyền nhiệt bằng kim loại, dùng nitơ lỏng sẽ mất nước ít hớn so với làm đông bằng không khí lạnh đối lưu cưỡng bức.

Ở nhiệt độ rất thấp nước kết tinh gần hết nên các biến đổi hóa sinh giảm. Biến đổi hóa học chủ yếu là sự tạo thành axit lactic từ glycogen và sự biến tính protein hòa tan. Các biến đổi này diễn ra chủ yếu ở giai đoạn nước tự do kết tinh. Mức độ biến đổi sẽ giảm khi làm tăng tốc độ kết tinh nước.

Các phân tử protein luôn ở trạng thái phân cực. Bình thường các gốc phân cực của phân tử protein quay ra ngoài và liên kết với các phân tử nước, bằng liên kết tĩnh điện. Khi nước khuyếch tán để kết tinh, các gốc phân cực của phân tử protein sẽ quay vào phía trong tự cân bằng điện tích. Như vậy chúng thay đổi cấu trúc, mất khả năng liên kết với nước. Khi sử dụng chúng làm giảm tính giữ và hút nước của sản phẩm.

Khi làm tăng tốc độ kết tinh nước sẽ giảm sự khuyếch tán nước. Vì vậy giảm sự biến tính của protein của sản phẩm.

Trong quá trình làm đông số lượng vi sinh vật giảm rất nhiều. Vì vi sinh vật bị tiêu diệt do mất môi trường sống. Ở nhiệt độ t = –5⁰C đã có thể đóng băng 80% nước trong thực phẩm. Lượng nước còn lại ở trạng thái liên kết với các chất tan nên vi sinh vật khó hoạt động. Nồng độ chất cao sẽ tạo ra áp suất thẩm thấu gây khuyếch tán nước trong vi sinh vật ra ngoài, làm biến đổi tính chất nguyên sinh của vi sinh vật.

Mặt khác vi sinh vật bị tiêu diệt còn do tác dụng cơ học khi nước đóng băng làm tăng thể tích, các tinh thể nước đá có cấu trúc vững chắc, sắc nhọn sẽ làm rách vỡ cấu trúc tế bào vi sinh vật, enzyme trong vi sinh vật cũng có bản chất giống protein nên cũng bị biến tính giảm hoạt độ và mất dần khả năng xúc tác cho các phản ứng sinh hóa trong chuỗi phản ứng của các quá trình trao đổi chất nên vi sinh vật còn bị chết do các quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng trong tế bào vi sinh vật diễn ra.

CHƯƠNG II. CHỌN SỐ LIỆU BAN ĐẦU

2.1. LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

2.1.1. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ LÀM ĐÔNG

2.1.1.1. Chọn phương pháp làm đông

Tại nhà máy chế biến thủy sản đông lạnh Nam Việt chủ yếu là làm đông cá nên tôi chọn phương pháp làm đông bằng băng chuyền phẳng và đông tiếp xúc. Đây là hai phương pháp làm đông có rất nhiều ưu điểm.

Ưu điểm của phương pháp cấp đông bằng tủ đông tiếp xúc.

+Tủ đông tiếp xúc có cấu trúc vững chắc, đơn giản, ít hư hỏng, diện tích chiếm chỗ ít, dễ vận hành.

+ Do sản phẩm tiếp xúc trực tiếp với các tấm truyền nhiệt nên thời gian làm đông khá nhanh, sản phẩm ít bị oxy hóa và ít hao trọng lượng khi cấp đông.

+ Đặc biệt nó vừa có thể làm đông sản phẩm dạng rời vừa có thể làm đông các sản phẩm thủy sản dạng khối (Block).

+ Năng suất cấp đông khá lớn.

Ưu điểm của phương pháp cấp đông bằng tủ đông băng chuyền.

+ Tủ đông băng chuyền có cường độ trao đổi nhiệt lớn do không khí trong tủ đối lưu cưỡng bức nhờ các quạt gió.Vì vậy mà thời gian làm đông rất nhanh.

+ Tủ đông băng chuyền hoạt động liên tục nên nguyên liệu không phải chờ đợi trước khi làm đông, công suất tủ lớn phù hợp với điều kiện sản suất có công suất lớn và ổn định.

+ Các dàn lạnh quạt gió đặt phía trên băng chuyền tạo ra dòng không khí chuyển động ngang trên bề mặt băng chuyền. Nhờ đó mà đường đi của không khí ngắn, vận tốc lớn và đều.


2.1.1.2. Chọn môi chất

Đối với máy lạnh công nghiệp hiện nay chủ yếu sử dụng hai loại môi chất là NH₃ và Freon. Trong đó môi chất NH₃ được sử dụng nhiều hơn do không phá hủy tầng Ôzôn và rẻ tiền. Vì vậy tôi chọn NH₃ là môi chất sử dụng cho hệ thống cấp đông.

Ở đây mặt hàng cần cấp đông là cá Tra và cá Basa phile. Đây là mặt hàng có trữ lượng rất lớn ở An Giang. Sản phẩm chủ yếu là để xuất khẩu đi các nước ở châu Mỹ, Âu, Ôxtraylia…Vì vậy mà mặt hàng này có giá trị kinh tế rất cao.

Thành phần hóa học của động vật thủy sản bao gồm có hai nhóm:

+ Chất đa lượng: Protein, khoáng chất, đường.

+ Chất vi lượng: Vitamin, khoáng vi lượng, các enzyme, các sắc tố, chất màu, độc tố, hợp chất chứa nitơ không phải protein, chất ngấm ra.

Thành phần hóa học quyết định giá trị, chất lượng của thực phẩm. Thành phần hóa học của động vật thủy sản phụ thuộc vào: Giống loài, hoàn cảnh sống, trạng thái sinh lý, đực cái, mùa vụ thời tiết.

Cá Tra, Cá Basa là loại cá có hàm lượng protein và nước tương đối cao. Hàm lượng protein chiếm khoảng 12,2%. Nên ta có thể thấy rằng tổ chức liên kết trong cơ thịt cá lỏng lẻo, thịt cá mềm mại. Hơn nữa hàm lượng mỡ trong cơ thể cá Tra, cá Basa là tương đối lớn, chiếm khoảng 25% khối lượng con cá. Bởi vậy đối với loại nguyên liệu này thì ta phải cấp đông ở nhiệt độ tương đối thấp. Do nhiệt dung riêng của cá biến đổi tỷ lệ thuận với hàm lượng nước trong cơ thể. Hơn thế nữa hệ số dẫn nhiệt lại tỷ lệ nghịch với hàm lượng mỡ trong cá.

Tùy theo kích thước và mặt hàng được cấp đông mà năng suất của tủ khác nhau. Có thể từ 5001500 kg/mẻ. Hiện nay tại xí nghiệp chế biến thủy sản Nam Việt có rất nhiều tủ đông tiếp xúc với năng suất khác nhau.

Ở đây tôi thiết kế hệ thống máy lạnh chạy liên hoàn với bình chứa tuần hoàn có sử dụng bơm dịch để cấp đông cho Tủ đông tiếp xúc và IQF.

+ Với năng suất cấp đông của tủ đông tiếp xúc là 1200 kg/mẻ (không kể lượng nước châm khuôn) và thời gian cấp đông mỗi mẻ là 2 giờ. Do vậy năng suất cấp đông của Tủ đông tiếp xúc là 600 kg/h.

+ Năng suất cấp đông của IQF là 700 kg/h.

2.1.5. LỰA CHỌN CHU TRÌNH LẠNH VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC

Chọn chu trình để tính toán thiết kế cho hệ thống cấp đông là chu trình máy lạnh hai cấp tiết lưu làm mát trung gian dùng môi chất NH₃.

2.1.5.1. Xác định nhiệt độ ngưng tụ

Hệ thống lạnh dự kiến sẽ được lắp đặt tại An Giang có thông số nhiệt độ và độ ẩm như sau:

Nhiệt độ là: t₁ = 38⁰C

Độ ẩm là: φ =78%

Từ hai thông số trên, tra đồ thị i-d: t_ư = 33⁰C

Nhiệt độ nước vào dàn ngưng được xác định theo công thức: t_w2 = t_w1 + Δt_w

Ở đây tôi thiết kế thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi nên Em chọn Δt_w = 2⁰C

t_w2 = 36 + 2 = 38⁰C

Nhiệt độ ngưng tụ là: t_k = t_w2 + Δt_k

Δt_k: hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu : Δt_k = 3 ÷ 5⁰C

Với thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi thi độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị ngưng là không lớn lắm. Nên ta có thể chọn

Δt_k =2⁰C

Vậy nhiệt độ ngưng tụ của hơi môi chất là:

t_k = 38 + 2 = 40⁰C

2.1.5.2. Xác định nhiệt độ sôi của môi chất

Nhiệt độ sôi của môi chất phụ thuộc vào nhiệt độ của không khí trong tủ đông ở cuối quá trình làm đông theo yêu cầu công nghệ. Nhiệt độ của không khí trong tủ vào khoảng t = (-35 ÷ -50)⁰C tùy theo chất lượng của máy móc thiết bị và điều kiện vận hành. Ở đây ta chọn nhiệt độ không khí là t_kk = -40⁰C cho hệ thống Tủ đông băng chuyền IQF, t_kk = -25⁰C cho hệ thống Tủ đông Tiếp xúc và t_kk = -20⁰C cho hệ thống kho bảo quản. Nhiệt độ sôi của môi chất thấp hơn nhiệt độ của không khí trong tủ từ (56)⁰C

Ta có t₀ = t_kk –Δt₀. Em chọn Δt₀ =5⁰C

Nhiệt độ sôi của môi chất của hệ thống IQF là:

t₀ = -40 -5 = -45⁰C

Nhiệt độ sôi của môi chất của hệ thống Tủ đông Tiếp xúc là:

t₀ = -25 -5 = -30⁰C

Nhiệt độ sôi của môi chất của hệ thống Kho bảo quản là:

t₀ = -20 -5 = -25⁰C
2.1.5.3. Xác định nhiệt độ quá nhiệt của môi chất

Là nhiệt độ của hơi môi chất trước khi vào máy nén. Nhiệt độ hơi hút bao giờ cũng lớn hơn nhiệt đô sôi của môi chất. Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng thì hơi hút về máy nén nhất thiết phải là hơi quá nhiệt.

t_qn = t₀ +(5÷15)⁰C

Do nhiệt độ cuối tầm nén của môi chất NH₃ là tương đối cao nên cần giảm độ quá nhiệt càng nhỏ càng tốt.

Vậy ta chọn độ quá nhiệt là: Δt_qn = 5⁰C

Nhiệt độ quá nhiệt cho hệ thống Tủ đông Tiếp xúc là:

t_qn = -30 + 5 = -25⁰C

Nhiệt độ quá nhiệt cho hệ thống IQF là:

t_qn = -45 + 5 = -40⁰C

Nhiệt độ quá nhiệt cho hệ thống Kho bảo quản là:

t_qn = -25 + 5 = -20⁰C

2.1.5.4. Xác định nhiệt độ quá lạnh lỏng trong thiết bị trao đổi nhiệt chéo của bình trung gian

Hệ thống IQF:

Từ t_k = 40⁰C => p_k = 15,6 kg/cm²

t₀ = -45⁰C => p₀ = 0,55 kg/cm²

Vậy áp suất trung gian là:

P_tg= 2,91kg/cm²

Từ p_tg =2,91kg/cm² =>t_tg =-10⁰C

Ta có: t_ql =t_tg + Δt_ql.Ta chọn Δt_ql = 5⁰C

t_ql = -10 + 5 = -5⁰C

Từ t_k = 40⁰C => p_k = 15,6 kg/cm²

t₀ = -30⁰C => p₀ = 1.2 kg/cm²

Vậy áp suất trung gian là:

P_tg= 4,33 kg/cm²

Từ p_tg = 4,33 kg/cm² =>t_tg = 0 ⁰C

Ta có: t_ql =t_tg + Δt_ql.Ta chọn Δt_ql = 5⁰C

t_ql = 0 + 5 = 5⁰C

Từ t_k = 40⁰C => p_k = 15,6 kg/cm²

t₀ = -25⁰C => p₀ = 1,52 kg/cm²

Vậy áp suất trung gian là:

P_tg= 4,87 kg/cm²

Từ p_tg = 4,87 kg/cm² =>t_tg = 4 ⁰C

Ta có: t_ql = t_tg + Δt_ql.Ta chọn Δt_ql = 5⁰C

t_ql = 4 + 5 = 9⁰C

5’

Ký hiệu

MTC: máy nén tầm cao

NT: thiết bị ngưng tụ

BH: thiết bị bay hơi

BTG: bình trung gian có ống xoắn

TL₁,TL₂ : các van tiết lưu

Máy nén tầm thấp hút hơi quá nhiệt có áp suất p₀, nhiệt độ t₁(t_qn), thực hiện quá trình ép nén đoạn nhiệt 1’ - 2, nhiệt độ tăng từ t₁ đến t₂, áp suất tăng từ p₀ đến p_tg. Tại đây môi chất nén tầm thấp được tiết lưu làm mát trung gian, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm trao đổi nhiệt chéo có diện tích bề mặt chuyền nhiệt lớn, do đó hơi nén tầm thấp được làm mát hoàn toàn xuống đến trạng thái bão hòa khô có nhiệt độ t₃. Hơi ở trạng thái 3 được máy nén tầm cao hút về và nén lên trạng thái 4 có áp suất ngưng tụ p_k nhiệt độ ngưng tụ t₄ rồi được đẩy vào thiết bị ngưng tụ. Tại đây hơi môi chất được làm mát và ngưng tụ lại thành lỏng nhờ thải nhiệt cho môi trường nước làm mát làm cho nhiệt độ giảm từ t₄ đến t₅ (p =const). Tại điểm 5 gas được hóa lỏng hoàn toàn và được chia làm hai nhánh.

+ Nhánh 1: gas lỏng đi qua van tiết lưu (TL₁) thực hiện quá trình tiết lưu 56, áp suất giảm từ p_k đến p_tg và nhiệt độ giảm từ t_k đên t_tg. Tiết lưu này để làm quá lạnh dịch lỏng cao áp trước khi đến TL₂ sau đó được hòa trộn làm mát cho hơi nén tầm thấp.

+ Nhánh 2: gas lỏng đi vào thiết bị trao đổi nhiệt chéo để quá lạnh, nhiệt độ giảm từ t₅ đến t_5’ (p = const). Sau khi được quá lạnh ga lỏng đi qua van tết lưu (TL₂) để thực hiện quá trình giảm áp từ áp suất p_k đến áp suất p₀ và nhiệt độ giảm từ t_5’ đến t₀.

Gas lỏng đi qua van tiết lưu TL₂ vào thiết bị bay hơi. Tại thiết bị bay hơi môi chất lỏng thu nhiệt của môi trường cần làm lạnh và bay hơi trở về trạng thái hơi bão hòa khô. Do tổn thất nhiệt trên đường ống hút nên hơi môi chất trở thành trạng thái hơi quá nhiệt trước khi vào máy nén tầm thấp. Chu trình làm việc được khép kín.

Bảng 2.1.1. Các thông số trạng thái của hệ thống lạnh cấp đông IQF

Thông số Điểm nút	t(0C)	p(kg/cm2)	i(kj/kg)	v(m3/kg)
1	-45	0,55	1698	1,69
1’	-40	0,55	1706	1,55
2	-	2,91	1940	0,58
3	-10	2,91	1745	0,38
4	105	15,7	1980	0,12
5	40	15,7	680
5’	-5	15,7	475
6	-10	2,91	680
7	-45	0,55	475

Bảng 2.1.2. Các thông số trạng thái của hệ thống lạnh cấp đông tủ đông tiếp xúc

Thông số Điểm nút	t(0C)	p(kg/cm2)	i(kj/kg)	v(m3/kg)
1	-30	1,2	1730	1
1’	-25	1, 2	1750	0,98
2	-	4,33	1950	0,54
3	0	4,33	1770	0,38
4	105	15,6	1960	0,1
5	40	15,6	680
5’	0	15,6	500
6	0	4,33	680
7	-30	1, 2	500