Làm mát chân không "Từ cánh đồng đến bàn" Ngày 11 tháng 4 năm 2022

Đối với các chuyên gia về chân không, nhiệm vụ thiết kế một hệ thống để đáp ứng nhu cầu của khách hàng trong ngành thực phẩm (trái ngược với nghiên cứu khoa học) đặt ra một số thách thức thú vị. Nhưng các nguyên tắc cơ bản là như nhau. Đặc biệt, việc tính toán kích thước của hệ thống làm mát chân không cần thiết dựa trên luật tiết kiệm năng lượng: lượng nhiệt giải phóng trong quá trình làm mát thực phẩm phải bằng lượng nhiệt được hấp thụ bởi sự bay hơi của nước, Q _{giải phóng} = Q được hấp _thụ.

Phía bên trái của phương trình này được tính bằng cách nhân khối lượng thực phẩm với nhiệt độ cụ thể và sự thay đổi nhiệt độ trước và sau khi làm mát, Q giải _phóng = m _{thực phẩm} c_p ΔT. Ví dụ, nếu chúng ta muốn làm mát 1000 kg xà lách - một vật liệu có nhiệt độ cụ thể là 3,9 kJ/(kg K), ít hơn một chút so với nước - từ 25 °C đến 5 °C, chúng ta sẽ cần phân tán 78.000 kJ nhiệt độ. Vậy chúng ta cần bốc hơi bao nhiêu nước? Vâng, Q _lấy = m _nước × Δh hơi nước, trong đó Δ_hvap, nhiệt độ bay hơi của nước, là 2466 kJ/kg ở 15 °C, vì vậy câu trả lời là 31,6 kg - một vài phần trăm khối lượng ban đầu của món salad.

Câu hỏi tiếp theo liên quan đến lưu lượng mà hệ thống chân không cần xử lý. Nếu chúng ta muốn tổng thời gian làm mát cho món salad là 30 phút, cho phép 5 phút để bơm ra giữa các chu kỳ làm mát, thì chúng ta cần một hệ thống có thể bơm ra m _hơi = 76 kg hơi mỗi giờ. Để dịch thành lưu lượng thể tích hiệu quả v _eff, chúng ta sử dụng phương trình v _eff = m _hơi nước × V_m /M × T _eff /T_N × P_N /P _eff, trong đó V_m là thể tích mol của nước (22,4 N m³/kmol); M là khối lượng mol của nó (18 kg/kmol); T _eff và P _eff là nhiệt độ và áp suất hiệu quả; và T_N = 273 K và P_N = 1013 mbar là nhiệt độ và áp suất chuẩn. Ở T _eff = 25 °C (298 K), áp suất hơi nước là 31,7 mbar, vì vậy ban đầu hệ thống chân không của chúng tôi sẽ cần bơm 3299 m3/giờ. Ở nhiệt độ cuối cùng là 5 °C, áp suất hơi nước giảm xuống 8,72 mbar, nghĩa là hệ thống sẽ cần bơm 11.188 m3/giờ.

Về mặt lý thuyết, bơm chân không nên có khả năng loại bỏ những dòng chảy này. Tuy nhiên, trong thực tế, bạn sẽ cần một hệ thống rất lớn (và đắt tiền) để làm điều này. Lựa chọn tiết kiệm hơn thường là sử dụng một thiếtbị ngưng tụ để bẫy dòng hơi nước và chuyển nó thành chất lỏng, làm giảm đáng kể dòng khí đến bơm chân không. Theo quy tắc ngón tay cái, bạn cần khoảng một mét vuông bề mặt ngưng tụ cho mỗi 10 kg/giờ dòng hơi nước, vì vậy để làm mát 1000 kg món salad của chúng ta, chúng ta sẽ cần một thiết bị ngưng tụ khoảng 8-10 m2.

Những cân nhắc còn lại là, trước hết, hệ thống chân không phải có khả năng xả buồng từ áp suất khí quyển đến áp suất cuối cùng trong thời gian mong muốn (25 phút trong ví dụ về món salad). Điều này có thể được xác định bằng cách tính toán tốc độ bơm đơn giản, s = V/t ln (p0/p1), trong đó V là thể tích của buồng, và p0 và p1 là áp suất khởi động và mong muốn. Thứ hai, hệ thống chân không cần có khả năng xử lý dòng khí còn lại sau bình ngưng. Giả sử rò rỉ điển hình trên buồng chân không - khoảng 5 kg không khí mỗi giờ đối với buồng 10 m3 có gioăng tiêu chuẩn - chúng tôi tính toán lưu lượng được tạo ra bởi hơi nước không ngưng tụ và rò rỉ còn lại phía sau bình ngưng cho cả nhiệt độ bắt đầu và kết thúc. Kích thước của hệ thống chân không sẽ được xác định bằng phép tính cao hơn trong hai phép tính trên. Trong ví dụ về món salad, kết quả là 570 m3/giờ đối với tốc độ bơm và 1500 m3/giờ đối với lưu lượng do rò rỉ và hơi nước không ngưng tụ - ít hơn nhiều so với yêu cầu nếu không có thiết bị ngưng tụ.

Hệ thống làm mát chân không cho rau củ lá, salad và hoa đều có thiết kế tương tự. Chúng được lắp đặt trong một rơ-moóc được đặt bên cạnh cánh đồng nơi món xà lách được thu hoạch, hoặc chúng được tích hợp vào các cơ sở nơi món xà lách được làm sạch và đóng gói trước khi vận chuyển. Các khoang cố định lớn nhất có thể được tải lên đến 20 pallet cùng một lúc và có khả năng xử lý hơn 300 tấn rau mỗi ngày.

Làm mát chân không là phương pháp làm mát nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng với nhiều ứng dụng trong chế biến thực phẩm và các ứng dụng công nghiệp khác

Trước khi nạp vào buồng chân không, các loại rau củ như rau củ xà lách thường được phun nước để bù cho sự mất trọng lượng do bay hơi. Ngay khi cửa đóng lại, hệ thống chân không bắt đầu bơm và áp suất giảm từ 1000 mbar xuống 15-20 mbar trong vòng 5 phút. Ở áp suất đó, và ở nhiệt độ khoảng 20 °C, nước bắt đầu bay hơi và quá trình làm mát bắt đầu. Sau 15-20 phút, áp suất tiếp tục giảm xuống 5-6 mbar, và sản phẩm đạt đến nhiệt độ khoảng 2 °C. Trong quá trình này, bình ngưng chứa hỗn hợp glycol và nước ở nhiệt độ từ -6 đến -10 °C sẽ bẫy hầu hết hơi nước, bảo vệ bơm. Sau đó, hệ thống bơm và làm mát dừng lại và buồng được thông khí trở lại áp suất khí quyển trong vòng vài phút. Sau đó, xà lách được bảo quản trong một buồng lạnh, nơi chúng có thể được bảo quản trong 2-3 tuần mà không bị hư hỏng.

Miễn là bộ ngưng tụ đang làm tốt công việc, các yêu cầu mà chu trình này đặt lên bơm chân không rất đơn giản, bởi vì nhiệt độ khởi động khá thấp (rau tươi thu hoạch hiếm khi ấm hơn 30 °C) và lượng nước cần bay hơi bị giới hạn. Tuy nhiên, sự hiện diện của các hạt bụi bẩn hoặc các bộ phận nhỏ của nhà máy có thể là một thách thức, và có một số thỏa hiệp trong việc thiết kế các hệ thống bảo trì thấp và tiết kiệm chi phí phù hợp. Ví dụ, bơm cánh quạt xoay kín dầu đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí, với khả năng tương thích hơi nước tốt và thiết kế nhỏ gọn, làm mát hoàn toàn bằng không khí giúp dễ sử dụng trong các hệ thống di động. Tuy nhiên, chúng cần các bộ lọc đầu vào để bảo vệ chúng khỏi các hạt, và việc bảo trì chúng đòi hỏi phải thường xuyên thay dầu, bộ lọc dầu và bộ khử sương khí thải.

Bơm chân không trục vítcó dung sai cao hơn đối với các hạt, và kích thước nhỏ, mức độ tiếng ồn thấp và tiêu thụ năng lượng thấp làm cho chúng lý tưởng cho các cơ sở chế biến thực phẩm công nghiệp. Mặt khác, hầu hết các phiên bản yêu cầu làm mát bằng nước hoặc không khí, và chi phí ban đầu của chúng cao hơn so với bơm cánh quạt xoay. Cả hai loại bơm có thể được sử dụng kết hợp với bơm chân không Roots, giúp tăng tốc độ bơm của hệ thống ở áp suất dưới 50 mbar.

Sự thành công của làm mát chân không trong việc giữ rau tươi có nghĩa là các kỹ thuật tương tự hiện đang được áp dụng cho các sản phẩm thực phẩm khác. Bánh mì và bánh ngọt là một ví dụ. Trong ứng dụng này, nhiệt độ khởi động cao hơn nhiều - lên đến 90 °C khi bánh mì được dỡ khỏi lò - và do đó lượng nước có trong chu trình lớn hơn đáng kể so với rau củ.

Bơm cánh quạt xoay không có khả năng chịu hơi nước đủ cao để thực hiện công việc, vì vậy bơm trục vít là giải pháp tốt hơn. Chúng có thể nuốt một lượng lớn nước mà không bị vỡ và cũng rất dung nạp các hạt nhỏ (bột mì, hạt poppy hoặc hạt mè, v.v.). Ngoài việc tiết kiệm năng lượng và làm mát bánh mì nhanh hơn, làm mát bằng chân không còn mang lại lợi ích cho người tiêu dùng: bánh mì làm mát bằng chân không có lớp vỏ giòn và mảnh vụn xơ, mang lại nhiều niềm vui hơn khi ăn.

Chúng ta cũng đang bắt đầu thấy một số ứng dụng làm mát chân không phi thực phẩm. Ví dụ, cỏ trên sân trong sân bóng đá chuyên nghiệp hàng đầu không thực sự mọc ở đó. Thay vào đó, nó được sản xuất trên các trang trại đặc biệt, thu hoạch trong các cuộn và vận chuyển đến sân vận động kịp thời cho các trận đấu. Nhờ làm mát chân không, những cuộn cỏ này dễ dàng tồn tại trong quá trình vận chuyển, treo cho đến lần tưới tiếp theo. Các yêu cầu làm mát cỏ tương tự như yêu cầu làm mát rau củ, ngoại trừ việc lượng nước phải được chiết xuất để đạt được nhiệt độ mong muốn cao hơn đáng kể, do khối lượng của sản phẩm (bao gồm đất và bùn). Do đó, đây là công việc đòi hỏi khắt khe hơn đối với bơm chân không. Sự kết hợp giữa bơm cánh quạt xoay và máy thổi Roots vẫn hoạt động tốt, nhưng các bơm yêu cầu bảo trì nhiều hơn so với thông thường để làm mát rau củ.

Làm mát chân không là một phương pháp làm mát nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng với nhiều ứng dụng trong chế biến thực phẩm (và, ngày càng nhiều, bên ngoài). Nó tăng cường an toàn thực phẩm và kéo dài thời hạn sử dụng của các sản phẩm thực phẩm. Những thách thức mà nó đặt ra cho hệ thống chân không đều mới mẻ và phụ thuộc nhiều vào sản phẩm được làm mát: trong khi bơm cánh quạt xoay bịt kín bằng dầu đã được chứng minh là hiệu quả trong việc làm mát rau củ, các ứng dụng khác đòi hỏi tư duy sáng tạo. Công nghệ bơm khô đang tạo ra cơ hội cho các quy trình mới và phức tạp hơn, bao gồm làm mát gạo sushi hoặc thực phẩm được chuẩn bị để phục vụ. 

Bài viết này xuất hiện lần đầu tiên trong Physics World Focus 2019 về Dụng cụ & Chân không dưới tiêu đề "Từ cánh đồng đến bàn" https://physicsworld.com/a/vacuum-keeps-food-fresh-and-cool-from-field-to-table/