Luận văn thạc sĩ về giám sát và điều khiển hệ thống lạnh cấp đông trong chế biến thủy sản

Luận văn thạc sĩ công nghệ chế tạo máy nghiên cứu hệ thống lạnh cấp đông trong chế biến thủy sản, tối ưu hóa giám sát và điều khiển.

• Tác giả: Nguyễn Hoài Nam
• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Lạnh Cấp Đông Trong Chế Biến Thủy Sản
• Loại tài liệu: luận văn cao học
• Năm xuất bản: 2001
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế

Lịch sử phát triển hệ thống lạnh đã bắt đầu từ hàng ngàn năm trước, khi con người đã biết đến việc làm lạnh và bảo quản thực phẩm. Theo tài liệu, khoảng 5000 năm trước, người Ai Cập đã sử dụng các hang động có nhiệt độ thấp để bảo quản thực phẩm. Hệ thống lạnh hiện đại bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ thế kỷ 18 và 19 với các phát minh quan trọng như máy lạnh đầu tiên của Cullen vào năm 1755. Sự phát triển này không chỉ giúp bảo quản thực phẩm mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong công nghiệp chế biến thực phẩm, đặc biệt là trong chế biến thủy sản. Hệ thống lạnh cấp đông trong chế biến thủy sản đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản chất lượng sản phẩm, giảm thiểu sự hư hỏng và nâng cao giá trị kinh tế. Thực phẩm đông lạnh có thể bảo quản lâu dài hơn, giữ nguyên chất lượng và hương vị, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho xuất khẩu và tiêu thụ trên thị trường toàn cầu.

1.1. Bảo quản thực phẩm

Bảo quản thực phẩm là một trong những ứng dụng chính của hệ thống lạnh. Theo thống kê, khoảng 80% công suất lạnh được sử dụng trong ngành công nghiệp bảo quản thực phẩm. Việc sử dụng công nghệ lạnh giúp giảm thiểu sự hư hỏng do vi khuẩn và nấm mốc, đồng thời duy trì chất lượng sản phẩm. Các phương pháp bảo quản như đông lạnh, sấy khô và đóng gói đều có vai trò quan trọng trong việc kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc bảo quản thực phẩm ở nhiệt độ thấp có thể kéo dài thời gian bảo quản lên đến hàng tháng hoặc thậm chí hàng năm, tùy thuộc vào loại thực phẩm và phương pháp bảo quản được sử dụng.

1.2. Công nghiệp hóa chất

Công nghiệp hóa chất cũng là một lĩnh vực quan trọng trong việc ứng dụng hệ thống lạnh. Việc tách khí và hóa lỏng trong sản xuất hóa chất phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ lạnh. Sự phát triển của hệ thống lạnh đã giúp ngành công nghiệp hóa chất tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu suất. Các sản phẩm hóa chất như khí clo, carbonic, và sunfure đều cần được bảo quản và vận chuyển ở nhiệt độ thấp để đảm bảo an toàn và chất lượng. Hệ thống lạnh không chỉ giúp bảo quản mà còn góp phần vào việc cải thiện quy trình sản xuất, từ đó tăng cường hiệu quả kinh tế cho các doanh nghiệp.

II. Ý nghĩa và mục đích của đề tài

Đề tài nghiên cứu hệ thống lạnh cấp đông trong chế biến thủy sản nhằm mục đích phân tích và đánh giá hiệu quả của các quy trình lạnh trong việc bảo quản và chế biến thủy sản. Thủy sản là một trong những ngành hàng quan trọng, đóng góp lớn vào nền kinh tế quốc dân. Tuy nhiên, việc bảo quản thủy sản luôn gặp nhiều thách thức do tính chất dễ hư hỏng của chúng. Nghiên cứu này không chỉ giúp xác định các thông số kỹ thuật tối ưu cho hệ thống lạnh mà còn đưa ra các giải pháp cải tiến quy trình cấp đông nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm. Bằng việc ứng dụng các công nghệ lạnh hiện đại, sản phẩm thủy sản sẽ được bảo quản lâu hơn và giữ được hương vị tự nhiên, từ đó đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường tiêu dùng.

2.1. Tối ưu hóa quy trình

Quy trình cấp đông thủy sản cần được tối ưu hóa để giảm thiểu tổn thất chất lượng trong suốt quá trình bảo quản. Việc nghiên cứu các thông số như nhiệt độ đông lạnh, thời gian cấp đông và độ ẩm sẽ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống lạnh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc điều chỉnh nhiệt độ và thời gian cấp đông có thể ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của thủy sản sau khi rã đông. Hệ thống lạnh hiện đại cho phép kiểm soát chính xác các thông số này, đảm bảo sản phẩm được bảo quản trong điều kiện tốt nhất.

2.2. Đáp ứng nhu cầu thị trường

Nhu cầu tiêu thụ thủy sản trên thị trường quốc tế ngày càng tăng cao, đòi hỏi các doanh nghiệp chế biến thủy sản phải nâng cao chất lượng sản phẩm. Việc áp dụng công nghệ lạnh trong chế biến thủy sản không chỉ giúp bảo quản lâu dài mà còn giữ được hương vị và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm. Nghiên cứu này sẽ cung cấp những thông tin cần thiết để các doanh nghiệp có thể đưa ra các chiến lược kinh doanh hiệu quả, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

III. Nội dung đề tài

Nội dung của đề tài nghiên cứu bao gồm các chương chính như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống lạnh và vai trò của nó trong chế biến thủy sản. Chương 2: Phân tích chất lượng hệ thống lạnh, bao gồm các phương pháp tính toán hiệu suất và đánh giá các thông số kỹ thuật. Chương 3: Xây dựng quy trình quản lý và vận hành hệ thống lạnh trong chế biến thủy sản. Cuối cùng, chương 4 sẽ trình bày phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được. Mỗi chương sẽ được xây dựng dựa trên các nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn, nhằm đảm bảo tính chính xác và khả thi trong ứng dụng.

3.1. Giới thiệu tổng quan

Chương đầu tiên sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống lạnh, lịch sử phát triển và tầm quan trọng của nó trong ngành chế biến thủy sản. Các khái niệm cơ bản về nhiệt độ đông lạnh, quy trình cấp đông và các công nghệ lạnh hiện đại sẽ được giới thiệu. Đặc biệt, chương này sẽ nhấn mạnh vai trò của hệ thống lạnh trong việc bảo quản chất lượng thủy sản và giảm thiểu tổn thất trong quá trình chế biến.

3.2. Phân tích chất lượng

Chương thứ hai sẽ đi sâu vào phân tích chất lượng của hệ thống lạnh. Các phương pháp tính toán hiệu suất và các thông số kỹ thuật sẽ được trình bày chi tiết. Nghiên cứu sẽ sử dụng các mô hình toán học để đánh giá hiệu suất của hệ thống lạnh, từ đó đề xuất các giải pháp cải tiến nhằm tối ưu hóa quy trình cấp đông. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀI NAM ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LẠNH CẤP ĐÔNG TRONG CHẾ BIẾN THỦY SẢN LUẬN VĂN CAO HỌC CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY NĂM 2001 MUÏC LUÏC CHÖÔNG 1 1- LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN – yù nghóa kinh teá 1.1 LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN 1.2 YÙ NGHÓA KINH TEÁ 1.1 Baûo quaûn thöïc phaåm 1.2 Coâng nghieäp hoùa chaát 1.3 Ñieàu hoøa khoâng khí 2- yù nghóa vaø muïc ñích cuûa ñeà taøi 3- NOÄI DUNG ÑEÀ TAØI 4- PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU 5- GIÔÙI HAÏN VAÁN ÑEÀ NGHIEÂN CÖÙU CHÖÔNG 2 1 Quan heä tính toaùn exergi 1.1 Exergi vaø anergi cuûa moâi chaát: 1.2 Exergi vaø anergi cuûa doøng nhieät 1.3 Phaân tích exergi caùc thieát bò trao ñoåi nhieät 2 Thieát Laäp Caùc Quan Heä Tính Toaùn Hieäu Suaát Exergi Cuûa Chu Trình Maùy Laïnh 3 tính toaùn Toån thaát Exregi trong heä thoáng laïnh 2 caáp neùn baèng pp exergi 3.1 tính toaùn thoâng soá caùc ñieåm nuùt 3.1 Caùc quaù trình cô baûn 3.2 Caùc tính toaùn chu trình 3.3 tính toaùn toån thaát CHÖÔNG 3 1 Thieát keá boä giao tieáp 1.2 Phöông aùn thieát keá 1.3 Thieát keá maïch 1.1 Sô ñoà nguyeân lyù cuûa maïch.2 vi ñieàu khieån 1.3 Quaù trình chuyeån ñoåi döõ lieäu 1.4 Giaûi thuaät 2 thieát keá chöông trình quaûn lyù vaän haønh heä thoáng laïnh 2.1 yeâu caàu cuûa chöông trình vaø vieäc keát hôïp caùc ngoân ngöõ 2.2 chöông trình chính 2.3 Chöông trình Thieát laäp caùc thoâng soá.4 Chöông trình Tính döõ lieäu caùc ñieåm nuùt cuûa chu trình.5 Kieåm soaùt hoaït ñoäng cuûa heä thoáng. Luaän Vaên Thaïc Syõ Kyõ Thuaät Chöông I TOÅNG QUAN 1- LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN – YÙ NGHÓA KINH TEÁ 1.1 LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN Töø laâu con ngöôøi ñaõ bieát laøm laïnh vaø söû duïng laïnh. Caùch ñaây 5000 naêm con ngöôøi ñaõ bieát baûo quaûn thöïc phaåm trong caùc hang ñoäng coù nhieät ñoä thaáp do coù caùc maïch nöôùc ngaàm nhieät ñoä thaáp chaûy qua. Caùc tranh veõ trong Kim Töï Thaùp Ai Caäp caùch ñaây 2500 – 3000 naêm ñaõ moâ taû caûnh noâ leä quaït, caùc bình goám xoáp cho nöôùc bay hôi laøm maùt khoâng khí.

Caùch ñaây 2000 naêm ngöôøi aán ñoä vaø ngöôøi Trung Quoác ñaõ bieát troän muoái vaøo nöôùc hoaëc nöôùc ñaù ñeå coù nhieät ñoä thaáp hôn. Tuy nhieân, kyõ thuaät laïnh hieän ñaïi chæ môùi baét ñaàu töø theá kyû 18 vaø 19 vôùi caùc söï kieän noåi baät .Cullen ñaõ laøm cho nöôùc trong coác ñaët trong moät quaû chuoâng thuûy tinh hoùa ñaù nhôø huùt chaân khoâng trong quaû chuoâng.Black phaùt hieän nhieät aån ngöng tuï & nhieät aån hoùa hôi 1834 : Perkins ñaêng kyù baèng phaùt minh veà maùy laïnh neùn hôi ñaàu tieân. 1845 : Gosrie cheá taïo maùy neùn khí ñaàu tieân. 1858 : Taøu hoûa laïnh chôû thöïc phaåm ñaàu tieân hoaït ñoäng ôû Myõ.

1861 : Mort & Nicolle cheá taïo maùy keát ñoâng thòt ñaàu tieân taïi Sydney. 1865 : Xaây döïng kho laïnh ñaàu tieân taïi Myõ. 1869 : Hammod chuyeân chôû thòt töôi trong toa taøu hoûa. 1876 : Tellier toå chöùc taøu thuûy laïnh ñaàu tieân chôû thòt ñoâng laïnh xuyeân luïc ñòa.

Trang 1 Luaän Vaên Thaïc Syõ Kyõ Thuaät 1878 – 1882 : Xaây döïng caùc kho laïnh côõ lôùn ñaàu tieân ôû Myõ, Anh, Achentina. 1884 : Taøu hoûa ñieàu hoøa khoâng khí ñaàu tieân khaùnh thaønh chaïy tuyeán ñöôøng Baltimore – Ohio. 1904 : Mollier xaây döïng ñoà thò h – s vaø lgp – h 1911 : Carrier ñaët neàn moùng ñaàu tieân cho kyõ thuaät ñieàu hoøa khoâng khí 1930 : Saûn xuaát Freoân coâng nghieäp. 1944 : Ñieàu hoøa khoâng khí toaøn maùy bay cuûa Myõ 1960 : Maùy neùn truïc vít ñöôïc söû duïng trong kyõ thuaät laïnh.

1987 : Nghò ñònh Montreal caám caùc Freoân laøm suy giaûm taàng ozon : R11, R12, R13B1, R113, R114, R115. Ngaøy nay, kyõ thuaät laïnh hieän ñaïi ñaõ tieán nhöõng böôùc raát xa. Phaïm vi nhieät ñoä ngaøy caøng ñöôïc môû roäng. Con ngöôøi ñang daàn daàn tieán ñeán nhieät khoâng tuyeät ñoái.

Phía nhieät ñoä cao cuûa thieát bò ngöng tuï, coù theå ñaït ñeán 100oC phuïc vuï cho caùc muïc ñích saáy, söôûi, thanh truøng, trieät khuaån, chuaån bò nöôùc noùng. Coâng suaát maùy ñöôïc môû roäng töø caùc maùy laïnh nhoû trong phoøng thí nghieäm ñeán caùc toå hôïp haøng trieäu watt ôû caùc trung taâm ñieàu tieát khoâng khí.2 YÙ NGHÓA KINH TEÁ 1.1 Baûo quaûn thöïc phaåm Lónh vöïc öùng duïng quan troïng trong kyõ thuaät laïnh laø duøng ñeå baûo quaûn thöïc phaåm. Theo thoáng keâ thì khoaûng 80% coâng suaát laïnh ñöôïc söû duïng trong coâng nghieäp baûo quaûn thöïc phaåm. Thöïc phaåm haàu heát laø caùc saûn phaåm deã bò oâi thiu hö hoûng do vi khuaån gaây ra.

Nöôùc ta coù khí haäu nhieät ñôùi noùng vaø aåm neân quaù trình oâi thiu thöïc phaåm xaûy ra caøng nhanh choùng. Trang 2 Luaän Vaên Thaïc Syõ Kyõ Thuaät Ñeå baûo quaûn thöïc phaåm, ngoøai caùc phöông phaùp : saáy khoâ, phoùng xaï, bao bì, … Phöông phaùp laøm laïnh toû ra coù raát nhieàu öu ñieåm nhö: ít laøm giaûm chaát löôïng, maøu saéc, muøi vò thöïc phaåm trong nhieàu thaùng thaäm chí nhieàu naêm baûo quaûn. Baûng sau laø thôøi gian baûo quaûn cuûa 1 soá loïai thöïc phaåm theo nhieät ñoä toc Caù Thòt boø Gia caàm 20oC 3 8 2 10oC 7 16 5 0oC 15 30 7 -10oC 40 100 70 -20oC 110 1000 230 -30oC 230 2300 800 Thaät ra, thôøi gian baûo quaûn phuï thuoäc vaøo nhieàu yeáu toá nhö ñoä aåm, phöông phaùp bao goùi, thöïc phaåm khoâng khí nôi baûo quaûn, … , nhöng nhieät ñoä ñoùng vai troø quan troïng nhaát.2 Coâng nghieäp hoùa chaát Öùng duïng quan troïng nhaát trong coâng nghieäp hoùa chaát laø vieäc taùch khí vaø hoùa loûng nhö coâng nghieäp saûn xuaát khí Clo, Carbonic, Sunfure, … Hoùa loûng vaø taùch khí töø khoâng khí laø ngaønh coâng nghieäp coù yù nghóa raát to lôùn ñoái vôùi ngaønh luyeän kim, cheá taïo maùy vaø caùc ngaønh kinh teá khaùc.3 Ñieàu hoøa khoâng khí Ñieàu hoøa khoâng khí coâng nghieäp vaø tieâu thuï ngaøy nay laø khoâng theå thieáu vaø thöïc söï ñang phaùt trieån raát maïnh meõ. Caùc yeâu caàu nghieâm ngaët veà nhieät ñoä, ñoä aåm thöïc phaåm khoâng khí trong caùc quaù trình coâng nghieäp saûn Trang 3 Luaän Vaên Thaïc Syõ Kyõ Thuaät xuaát vaûi sôïi, in aán, thuoác laù ñieän töû , vi ñieän töû, maùy tính coù khí chính xaùc … nhaát thieát phaûi coù ñieàu hoøa khoâng khí.

Caùc dòch vuï du lòch khaùch saïn caùc ngaønh y teá, theå duïc theå thao, giao thoâng vaän taûi vui chôi giaûi trí cuõng khoâng theå thieáu ñöôïc ñieàu hoøa khoâng khí. 2- YÙ NGHÓA VAØ MUÏC ÑÍCH CUÛA ÑEÀ TAØI Hieäu quaû cuûa caùc quaù trình maùy laïnh seõ ñöôïc giaûi thích chính xaùc hôn khi so saùnh caùc soá löôïng naêng löôïng coù cuøng khaû naêng bieán ñoåi. Khi ñoù hieäu quaû kyõ thuaät cuûa quaù trình ñöôïc ñaùnh giaù baèng trò soá hieäu suaát Exergi ηe : Er ∏ ηe = = 1− (1-2) E va E va Vôùi Eva – Exergi cung caáp cho heä thoáng (ñaàu vaøo) Er – Exergi höõu ích (ñaàu ra) Π - Toån thaát Exergi Π = Eva – Er. Khaùc vôùi heä soá laïnh, hieäu suaát Exergi ñaït giaù trò lôùn nhaát cuõng chæ laø 1 hay 100% töông öùng vôùi caùc quaù trình lyù töôûng; khi moâi chaát bieán ñoåi traïng thaùi hoaøn toaøn thuaän nghòch.

Caùc quaù trình thöïc ñeàu coù ηe < 100%. Hieäu suaát Exergi bieåu thò möùc ñoä thöïc cuûa vieäc söû duïng naêng löôïng höõu ích. Phaàn naêng löôïng höõu ích hay Exergi naøy seõ khoâng ñoåi trong caùc quaù trình thuaän nghòch Trang 4 Luaän Vaên Thaïc Syõ Kyõ Thuaät lyù töôûng, coøn trong caùc quaù trình thöïc luoân coù toån thaát Exergi. Töùc laø trong caùc quaù trình thöïc nhö quaù trình neùn moâi chaát, quaù trình truyeàn nhieät ôû thieát bò ngöng tuï, bay hôi, quaù trình tieát löu,… thì naêng löôïng luoân bò “xuoáng caáp”, giaûm phaàn Exergi trong toång soá naêng löôïng tham gia quaù trình.

Toån thaát Exergi coù theå giaûm ñeán trò soá caøng nhoû, hieäu suaát Exergi caøng lôùn, khi caùc ñieàu kieän thöïc hieän quaù trình caøng gaàn vôùi ñieàu kieän lyù töôûng. Muoán nhö vaäy ta phaûi ñaàu tö hoaøn thieän thieát bò nhaèm giaûm ñoä khoâng thuaän nghòch cuûa caùc quaù trình vaø do ñoù giaûm ñöôïc toån thaát, nhöng khi ñoù voán ñaàu tö laïi taêng. Maët khaùc thì do keát quaû cuûa caûi tieán kyõ thuaät maø chi phí vaän haønh giaûm ñaëc bieät laø giaûm tieâu hao naêng löôïng sô caáp. Lôøi giaûi toái öu cho hieäu quaû kinh teá lôùn nhaát laø lôøi giaûi trong ñoù toång chi phí ñaàu tö vaø chi phí vaän haønh laø nhoû nhaát.

Töø ñoù cuõng coù theå xaùc ñònh ñöôïc giaù trò hieäu suaát Exergi töông öùng. Hình bieåu dieãn söï thay ñoåi cuûa chi phí ñaàu tö Cv, chi phí voán, vaø chi phí vaän haønh Cvh phuï thuoäc vaøo toån thaát Exergi. Moät heä thoáng laïnh ñöôïc thieát keá, trang bò vaø vaän haønh sao cho toång chi phí voán vaø chi phí vaän haønh laø nhoû nhaát Cmin. Ñaây roõ raøng laø moät chi tieâu toång hôïp, toái öu hoaù kinh teá-kyõ thuaät.

Maët kyõ thuaät cuûa baøi toaùn toái öu ôû ñaây ñöôïc bieåu hieän qua giaù trò cuûa hieäu suaát Exergi ηe, giaù trò naøy caøng lôùn caøng toát, nhöng neáu chi phí voán vaø chi phí vaän haønh quaù lôùn thì ñoù cuõng chöa phaûi laø phöông aùn toái öu. Toån thaát Πt cho Cmin chöa phaûi laø töông öùng vôùi ηemax. Tuy nhieân neáu ta taùch baøi toaùn toái öu thaønh hai lôøi giaûi toái öu kinh teá vaø toái öu kyõ thuaät thì caùc heä thoáng cho ηemax seõ ñöôïc öu tieân khaûo saùt ñeå tìm lôøi giaûi toái öu vaø xaùc ñònh caùc giaù trò Πt vaø ηe. Ñaëc tính kinh teá - kyõ thuaät toång hôïp cuûa heä thoáng coù theå ñöôïc xaùc ñònh thoâng qua heä soá kinh teá - kyõ thuaät β ñònh nghóa nhö sau: Trang 5 Luaän Vaên Thaïc Syõ Kyõ Thuaät C1 β= (1-2) C∑ Trong ñoù : - C1 laø giaù cuûa moät ñôn vò Exergi ñöa vaøo heä thoáng.

CΣ laø giaù 1 ñôn vò Exergi nhaän ñöôïc töø heä thoáng (ñaàu ra). Maët khaùc neáu kyù hieäu Er vaø Eva laø Exergi töông öùng ôû ñaàu ra vaø ñaàu vaøo, ta coù theå vieát phöông trình caân baèng sau : E r C ∑ = E va C 1 + ∑ (C v + C vh ) (1- 3) Töø (1-1), (1-2), (1-3) ta nhaän ñöôïc : Er E va β= 1+ ∑ (C v + C vh ) E va C 1 ηe →β = 1+ ∑ (C + C ) v vh E va C 1 Nhö vaäy khi hieäu suaát Exergi ηe taêng (do toån thaát Exergi giaûm) vaø toång chi phí vaän haønh ∑ (C v + C vh ) giaûm thì β seõ taêng, heä thoáng ñaït hieäu quaû kinh teá – kyõ thuaät lôùn. β coù giaù trò nhoû hôn 1.