Đồ án: thiết kế hệ thống cấp đông thủy hải sản năng suất 1000kg

Tìm hiểu thiết kế hệ thống cấp đông thủy hải sản công suất 1000kg. Hướng dẫn chi tiết quy trình, thiết bị và các thông số kỹ thuật cần thiết.

• Người hướng dẫn: Trần Đình Thảo
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ nhiệt lạnh
• Đề tài: Thiết kế hệ thống cấp đông thủy hải sản - Năng suất 1000kg/mẻ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về thiết kế hệ thống cấp đông thủy hải sản

Thiết kế hệ thống cấp đông thủy hải sản là quá trình lập kế hoạch và xây dựng các thiết bị, công nghệ để bảo quản sản phẩm biển qua phương pháp đông lạnh. Việt Nam với trữ lượng hải sản lên tới 10 triệu tấn, nhu cầu về hệ thống cấp đông hiệu quả ngày càng tăng. Kỹ thuật lạnh là ngành công nghiệp quan trọng trong chế biến và bảo quản thủy sản, giúp duy trì chất lượng sản phẩm và kéo dài thời gian bảo quản. Năm 1990, giá trị xuất khẩu thủy sản đạt 205 triệu USD, đến năm 2005 tăng lên 4 tỉ USD. Thiết kế hệ thống cấp đông với năng suất 1000kg/mẻ là giải pháp hiệu quả để đáp ứng nhu cầu xuất khẩu thủy hải sản của quốc gia.

1.1. Định nghĩa kỹ thuật lạnh

Kỹ thuật lạnh là lĩnh vực khoa học áp dụng nguyên lý nhiệt động học để tạo ra và duy trì nhiệt độ thấp hơn so với môi trường xung quanh. Lạnh thường có nhiệt độ dưới +20°C, lạnh đông nằm trong khoảng -100°C đến điểm đóng băng, và lạnh thâm độ dưới -100°C. Trong bảo quản thủy hải sản, lạnh đông được sử dụng rộng rãi vì hiệu quả bảo tồn dinh dưỡng và chất lượng sản phẩm vượt trội.

1.2. Tầm quan trọng của hệ thống cấp đông

Hệ thống cấp đông thủy hải sản đóng vai trò then chốt trong chuỗi sản xuất, giúp bảo quản sản phẩm lâu dài mà không ảnh hưởng đến chất lượng. Với năng suất 1000kg/mẻ, hệ thống có thể xử lý lượng sản phẩm lớn, giảm chi phí operasional. Đây là yếu tố cạnh tranh quan trọng giúp Việt Nam tăng giá trị xuất khẩu thủy sản.

II. Nguyên lý hoạt động của thiết kế hệ thống cấp đông

Hệ thống cấp đông hoạt động dựa trên nguyên lý trích xuất nhiệt từ sản phẩm, làm giảm nhiệt độ và loại bỏ nước tự do trong tế bào. Quá trình này bao gồm ba giai đoạn chính: làm lạnh, đông lạnh, và bảo quản. Thiết kế hệ thống cấp đông thủy hải sản sử dụng chất làm lạnh để chuyển nhiệt năng ra khỏi phòng cấp đông. Những thiết bị cấp đông hiện đại như tủ đông buồn, bộ làm lạnh công nghiệp, hoặc hệ thống đông lạnh nhanh giúp bảo toàn cấu trúc tế bào, duy trì độ tươi ngon và dinh dưỡng của sản phẩm hải sản trong thời gian dài.

2.1. Quá trình làm lạnh và đông lạnh

Quá trình cấp đông gồm ba bước: pre-cooling (làm lạnh sơ bộ), main freezing (đông lạnh chính), và hardening (cứng lạnh). Trong giai đoạn đông lạnh nhanh, sản phẩm được giảm từ 0°C xuống -18°C hoặc thấp hơn trong thời gian ngắn. Điều này giúp hình thành các tinh thể băng nhỏ, bảo vệ cấu trúc tế bào và duy trì chất lượng thủy hải sản.

2.2. Chất làm lạnh và thiết bị cốt lõi

Chất làm lạnh phổ biến trong hệ thống cấp đông bao gồm Ammonia (NH3) hoặc hydrofluorocarbon (HFC). Thiết bị cốt lõi như máy nén, tháp ngưng tụ, thiết bị điều tiết tờ rò, và bộ trao đổi nhiệt đóng vai trò căn bản. Năng suất 1000kg/mẻ được quyết định bởi công suất máy nén, diện tích bộ trao đổi nhiệt, và thiết kế phòng cấp đông.

III. Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống

Thiết kế hệ thống cấp đông thủy hải sản với năng suất 1000kg/mẻ cần tính toán kỹ các thông số kỹ thuật quan trọng. Những yếu tố này bao gồm: nhiệt độ phòng cấp đông (từ -20°C đến -30°C), thời gian cấp đông (6-8 giờ tùy loại sản phẩm), công suất máy nén (thường 15-25 kW), và diện tích bộ trao đổi nhiệt. Hệ thống cấp đông cần được thiết kế với khả năng chịu tải điện thích hợp, hệ thống bảo vệ an toàn, và điều kiện vệ sinh phù hợp tiêu chuẩn quốc tế. Tính toán chi phí operasional gồm tiêu thụ điện năng, chi phí bảo trì định kỳ, và chi phí chất làm lạnh là bước quan trọng.

3.1. Nhiệt độ và thời gian cấp đông

Nhiệt độ phòng cấp đông phải đạt từ -20°C đến -30°C để đảm bảo đông lạnh nhanh. Thời gian cấp đông phụ thuộc vào loại thủy hải sản: cá nguyên con mất 6-8 giờ, tôm tươi mất 4-6 giờ. Năng suất 1000kg/mẻ được tính dựa trên khối lượng sản phẩm cần đông lạnh trong một chu kỳ sản xuất.

3.2. Công suất và hiệu suất năng lượng

Công suất máy nén trong hệ thống cấp đông thường dao động 15-25 kW tùy loại sản phẩm. Hiệu suất năng lượng được tối ưu hóa bằng cách sử dụng bộ trao đổi nhiệt hiệu quả cao. Chi phí điện năng hàng tháng là khoản chi tiêu lớn nhất, do đó thiết kế hệ thống tiết kiệm năng lượng là ưu tiên trong phát triển công nghệ cấp đông thủy hải sản.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển của hệ thống cấp đông

Thiết kế hệ thống cấp đông thủy hải sản không chỉ đáp ứng nhu cầu trong nước mà còn là chìa khóa cho xuất khẩu. Giá trị xuất khẩu thủy sản Việt Nam tăng từ 205 triệu USD (1990) lên 4 tỉ USD (2005), và mục tiêu 2010 là 5 tỉ USD. Hệ thống cấp đông với năng suất 1000kg/mẻ cho phép các nhà máy chế biến tăng sản lượng mà vẫn duy trì chất lượng sản phẩm. Triển vọng phát triển bao gồm ứng dụng công nghệ tự động hóa, sử dụng chất làm lạnh thân thiện môi trường, và phát triển hệ thống cấp đông siêu nhanh để giảm chi phí và tăng năng suất. Các yêu cầu về tiêu chuẩn bảo quản quốc tế ngày càng cao, đòi hỏi ngành kỹ thuật lạnh Việt Nam không ngừng đổi mới và hoàn thiện.

4.1. Ứng dụng thực tế trong công nghiệp chế biến

Hệ thống cấp đông được ứng dụng rộng rãi tại các nhà máy chế biến thủy sản, bảo quản rau quả, và chế biến thực phẩm. Năng suất 1000kg/mẻ phù hợp với quy mô sản xuất trung bình đến lớn. Thiết kế hệ thống cần tuân thủ tiêu chuẩn HACCP, GMP, và các quy định xuất khẩu quốc tế. Áp dụng kỹ thuật lạnh hiện đại giúp doanh nghiệp cạnh tranh tốt hơn trên thị trường quốc tế.

4.2. Xu hướng và công nghệ tương lai

Tương lai hệ thống cấp đông thủy hải sản hướng đến tự động hóa hoàn toàn, sử dụng chất làm lạnh ECO-friendly, và công nghệ cấp đông plasma. Các nhà máy sẽ tích hợp IoT để theo dõi nhiệt độ thực thời, giảm phí vận hành. Nghiên cứu về đông lạnh cryogenic hứa hẹn cải thiện chất lượng bảo quản sản phẩm hải sản.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LẠNH 1.Khái quát về kỹ thuật lạnh. Lạnh là trạng thái của vật chất khi nhiệt độ của nó thấp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh mà ta cảm nhận được trong điều kiện bình thường của khí trời.Bằng giác quan, kinh nghiệm và cả những phương tiện khoa học kỹ thuật,con người có thể xác định được thế nào là trạng thái trung bình của vật chất để phân biệt được trạng thái nóng và lạnh.Tuy nhiên,hiện nay vấn đề xác định trạng thái này vẫn chưa đi đến thống nhất trên thế giới.Nhiều nước chọn giới hạn lạnh là trạng thái của vật chất khi nhiệt độ dưới +20oC. Ứng với những khoảng hạ nhiệt, người ta còn phân biệt các trạng thái lạnh như sau: Lạnh thường:Khi nhiệt độ dưới +20oC và trên nhiệt độ đóng băng. t đb < t < +20oC Lạnh đông:Khi nhiệt độ dưới nhệt độ đóng băng và trên -100oC -100 < t < tđb Lạnh thâm độ:Khi nhiệt độ dưới -100oC và trên hoặc bằng -200oC -200 ≤ t <-100oC Lạnh tuệt đối khi nhiệt độ dưới -200oC và tiến đến -273oC -272,99995 ≤ t < -200oC 1.

Lịch sử phát triển của kỹ thuật lạnh Từ xa xưa, con người đã biết làm lạnh và sử dụng lạnh. Ngành khảo cổ học đã phát hiện ra những hang động có mạch nước ngầm nhiệt độ thấp chảy qua dùng để chứa thực phẩm và lương thực khoảng từ 5000 năm trước. Các ẽ trên tường trong các kim tự tháp Ai Cập cách đây khoảng 2500 năm đã mô tả cảnh các nô lệ quạt các bình gốm xốp cho nước bay hơi làm mát không khí. Cách đây 2000 năm người Ấn Độ và người Trung Quốc đã biết trộn muối vào nước hoặc nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn.

Năm 1755,bác người Scotland, William Cullen đã chế tạo được nước đá bằng cách tạo chân không trong bình chứa nước; nước trên bề mặt bốc hơi nhanh làm lạnh,số nước còn lại đông thành nước đá.vn GVHD:TRẦN ĐÌNH THẢO Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Trường ĐHCN TP.HCM Nhưng kĩ thuật lạnh hiện đại bắt đầu phải kể từ giáo sư Black tìm ra nhiệt ẩn hóa hơi và nhiệt ẩn nóng chảy vào năm 1761 – 1764. Con người đã biết làm lạnh bằng cách cho bay hơi chất lỏng ở áp suất thấp. Tiếp theo phát hiện quan trọng đó, Clouet và Monge lần đầu tiên hóa lỏng được khí SO vào năm 1780. Từ năm 1781, Cavallo bắt đầu nghiên cứu hiện tượng bay hơi một 2 cách có hệ thống.

Thế kỉ 19 là thế kỉ phát triển mạnh mẽ của kĩ thuật lạnh. Năm 1823, Faraday bắt đầu công bố những công trình hóa lỏng SO H S, CO , N O, C H , NH và HCl. Đến năm 2, 2 2 2 2 2 3 1845, ông đã hóa lỏng được hầu hết các loại khí kể cả Êtylen nhưng vẫn phải bó tay trước các khí O , N , CH , CO, NO và H. Người ta cho rằng chúng là các khí không thể hóa 2 2 4 2 lỏng được và luôn luôn chỉ ở thể khí nên gọi là các khí “ vĩnh cửu” – permenant.

Lí do là vì Natlerev (Áo) đã nén chúng tới một áp lực cực lớn 3600atm mà vẫn không hóa lỏng được chúng. Mãi tới năm 1869, Andrew (Anh) giả thích được điểm tới hạn của khí hóa lỏng và nhờ đó Cailletet và Pictet (Pháp) hóa lỏng được khí “vĩnh cửu” O và N năm 1877, Dewar (Anh) hóa lỏng H năm 1898, Linde ( Đức) 2 2 2 hóa lỏng O và N và tách bằng chưng cất, k.Onnes (Hà Lan) hóa lỏng được Hêli.Perkins (Anh) đã đăng kí bằng phát minh đầu tiên về máy lạnh nén hơi với đầy đủ các thiết bị như một máy lạnh nén hơi hiện đại. Đến cuối thế kỉ 19, nhờ có một loạt cải tiến của Linde (Đức) với việc sử dụng Amoniac làm môi chất lạnh cho máy lạnh nén hơi, việc chế tạo và sử dụng máy lạnh nén hơi mới thực sự phát triển rộng rãi trong hầu hết các ngành kinh tế quốc dân. Máy lạnh hấp thụ đầu tiên do Leslie (pháp) đưa vào năm 1810 là máy lạnh hấp thụ chu kì với cặp môi chất H O/H SO.

Đến giữa thế kỉ 19, nó được phát triển một cách rầm 2 2 4 rộ nhờ kĩ sư tài ba Carré (Pháp) với hàng loạt bằng phát minh về máy lạnh chu kì và liên tục với các cặp môi chất khác nhau. Máy lạnh hấp thụ khuếch tán hoàn toàn không có chi tiết chuyển động được Geppert (Đức) đăng kí bằng phát minh năm 1899 và được Platen và Munters ( Thụy Điển) hoàn thiện năm 1922 được nhiều nước trên thế giới sản xuất hàng loạt và nó vẫn có vị trí quan trọng cho đến ngày nay.vn GVHD:TRẦN ĐÌNH THẢO Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Trường ĐHCN TP.HCM Máy lạnh nén khí đầu tiên do bác sĩ người Mĩ Gorrie chế tạo. Dựa vào kết quả nghiên cứu của các nhà lí thuyết, bác sĩ Gorrie đã thiết kế và chế tạo thành công máy lạnh nén khí dùng để điều hòa không khí cho trạm xá chữa bệnh sốt cao của ông. Nhờ thành tích đặc biệt này mà ông và trạm xá của ông trở thành nổi tiếng thế giới.

Máy lạnh Ejector hơi nước đầu tiên do Leiblanc chế tạo năm 1910. Đây là một sự kiện có ý nghĩa rất trọng đại vì máy lạnh Ejector hơi nước rất đơn giản: năng lượng tiêu tốn cho nó lại là nhiệt năng, do đó có thể tận dụng được các nguồn năng lượng phế thải để làm lạnh. Một sự kiện quan trọng nữa của lịch sử phát triển của kĩ thuật lạnh là việc sản xuất và ứng dụng các Freon ở Mĩ năm 1930. Đây là những môi chất lạnh có nhiều tính chất quý báu như không cháy, không nổ, không độc hại, phù hợp với chu trình làm việc của máy lạnh nén hơi, do đó nó đã góp phần tích cực vào việc thúc đẩy kĩ thuật lạnh phát triển, nhất là kĩ thuật điều tiết không khí.

Ngày nay, kĩ thuật lạnh hiện đại đã tiến những bước rất xa, có trình độ khoa học kĩ thuật ngang với các ngành kĩ thuật tiên tiến khác. Phạm vi nhiệt độ của kĩ thuật lạnh ngày nay được mở rộng rất nhiều. Người ta đang tiến dần đến nhiệt độ 0 tuyệt đối. Phía nhiệt độ cao của thiết bị ngưng tụ nhiệt độ có thể đạt trên 100oC dùng cho các mục đích bơm nhiệt như sưởi ấm, chuẩn bị nước nóng, sấy….

Đây là ứng dụng của bơm nhiệt góp phần thu hồi nhiệt thải, tiết kiệm năng lượng sơ cấp. Công suất lạnh của các tổ hợp máy lạnh cũng mở rộng: từ những máy lạnh sử dụng trong phòng thí nghiệm chỉ có công suất từ vài mW đến tổ hợp có công suất hàng triệu W ở các trung tâm điều tiết không khí. Hiệu suất máy tăng đáng kể, chi phí vật tư và chi phí năng lượng cho một đơn vị lạnh giảm xuống rõ rệt, tuổi thọ và độ tin cậy tăng lên. Mức độ tự động hóa của các hệ thống lạnh và máy lạnh tăng lên rõ rệt.

Những thiết bị lạnh tự động hoàn toàn bằng điện tử và vi điện tử đang dần dần thay thế các thiết bị thao tác bằng tay.Ứng dụng của kỹ thuật lạnh 1.Ứng dụng lạnh trong bảo quản thực phẩm. Lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của kĩ thuật lạnh là bảo quản thực phẩm. Theo một số thống kê thì khoảng 80% công suất lạnh được sử dụng trong công nghiệp là để bảo http://www.vn GVHD:TRẦN ĐÌNH THẢO Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Trường ĐHCN TP.HCM quản thực phẩm. Thực phẩm như một số loại rau quả, thịt, cá, sữa…là những thức ăn dễ bị ôi thiu do vi khuẩn gây ra.

Nước ta là nước nhiệt đới có thời tiết nóng và ẩm nên quá trình ôi thiu xảy ra càng nhanh. Muốn làm chậm quá trình ôi thiu, phương pháp có hiệu quả và kinh tế nhất là bảo quản lạnh. Theo kinh nghiệm, thì thời gian bảo quản là một hàm mũ của nhiệt độ. Sau đây là thời gian bảo quản của một số thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ.

-300C -200C -100C 00C 100C 200C Cá 230 110 40 15 7 3 Thịt bò 2300 1000 100 30 16 8 Gia cầm 800 230 70 7 5 2 ngày Thực ra, thời gian bảo quản còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ ẩm, phương pháp bao gói, thành phần không khí nơi bảo quản… nhưng nhiệt độ đóng vai trò quan trọng nhất. Ngày nay, công nghiệp thực phẩm như chế biến thịt cá, rau quả, công nghiệp đánh bắt thủy hải sản dài ngày trên biển không thể phát triển nếu không có sự hỗ trợ tích cực của kĩ thuật lạnh. Các kho lạnh bảo quản, các kho lạnh chế biến phân phối, các máy lạnh thương nghiệp đến các tủ lạnh gia đình; các nhà máy sản xuất nước đá, máy lạnh lắp đặt trên tàu thủy và các phương tiện vận tải, các máy lạnh đông nhanh thực phẩm không còn xa lạ với chúng ta, kể cả các ngành công nghiệp rượu bia, bánh kẹo, kem, nước uống, công nghiệp sữa, nước hoa quả… 1. Sấy thăng hoa.

Vật sấy được làm lạnh đông xuống -200C và được sấy bằng cách hút chân không nên sấy thăng hoa là một phương pháp sấy hiện đại hầu như không làm giảm chất lượng của vật sấy. Nước được rút ra gần như hoàn toàn và sản phẩm trở thành dạng bột, bảo quản và vận chuyển dễ dàng. Giá thành sấy thăng hoa cao nên người ta chỉ ứng dụng cho những sản phẩm quí và hiếm như dược liệu từ hoa, cây, quả…những sản phẩm y dược dễ biến đổi chất lượng do tác động của nhiệt độ như máu, các loại thuốc tiêm, hoocmon hoặc trong công nghệ nuôi cấy vi khuẩn… http://www.vn GVHD:TRẦN ĐÌNH THẢO Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Trường ĐHCN TP. Ứng dụng lạnh trong công nghiệp hóa chất.

Những ứng dụng quan trọng nhất trong công nghiệp hóa chất là sự hóa lỏng khí bao gồm hoá lỏng các khí là sản phẩm của công nghiệp hóa học như clo, amoniac, cacbonic, sunfurơ, clohydric, các loại khí đốt, các loại khí sinh học… Hóa lỏng và tách khí từ các thành phần của không khí là ngành công nghiệp có ý nghĩa rất to lớn đối với ngành luyện kim, chế tạo máy và các ngành kinh tế khác kể cả y học và sinh học. Oxy và nitơ được sử dụng ở nhiều kĩnh vực khác nhau như hàn cắt kim loại, sản xuất phân đạm, làm chất tải lạnh. Các loại khí trơ như hêli và Argon … được sử dụng trong nghiên cứu vật lí, công nghiệp hóa chất và sản xuất bóng đèn. Việc sản xuất vải, sợi, tơ, cao su nhân tạo, phim ảnh đòi hỏi sự hỗ trợ tích cực của kĩ thuật lạnh trong qui trình công nghệ.