Thiết kế máy sản xuất đá miếng năng suất 30 kg/h

Lê Cao Nhiên Lớp HCO6MB MSSV 60601700 Bài tập lớn môn Kỹ thuật lạnh THIẾT KẾ MÁY SẢN XUẤT ĐÁ MIẾNG NĂNG SUẤT 30 KG/H Mục lục Từ lâu con người đã biết tận dụng lạnh của thiên nhiên như băng, tuyết để bảo quản nguồn lương thực thực phẩm của mình. Ngày nay kỹ thuật lạnh ngày càng đi sâu vào đời sống con người như các ngành khoa học: công nghệ thực phẩm, y học… Các thực phẩm như rau quả, cá, thịt… cần được bảo quản để dùng được lâu, di chuyển đi xa hơn. Đề tài thiết kế máy sản xuất nước đá miếng năng suất 30kg/h của em là một loại máy làm đá với công suất trung bình dùng để bảo quản thực phẩm cho các doanh nghiệp chế biến thực phẩm đông lạnh. Tính cách nhiệt, cách ẩm Mục đích: cách nhiệt, cách ẩm nhằm giảm bớt sự thất thoát nhiệt ra môi trường đồng thời ngăn dòng lạnh xâm nhập vào hệ thống làm giảm năng suất lạnh. Yêu cầu của vật liệu: Vật liệu cách nhiệt: Vật liệu cách ẩm: Chọn vật liệu: Chọn vật liệu cách nhiệt là Styropore cho dàn lạnh. Styropore được sử dụng bằng cách phun trực tiếp vào khoang của máy làm đá.Ưu điểm là có thể phun vào bất cứ thể tích rỗng nào, tạo bọt mà không cần gia nhiệt, cứng và chịu tốt. Chọn vật liệu cách ẩm là Bitum. Bitum còn gọi là nhựa đường( hắc ín) được dùng dưới dạng nóng chảy hoặc pha với các dung môi như cồn, xăng rồi quét lên bề mặt cách ẩm. Hệ số thẩm thấu của nó rất bé μ = 0,000115 g/m.h.mmHg. Tính toán cách nhiệt và cách ẩm cho máy làm đá Máy làm đá chỉ cách nhiệt và cách ẩm thành bao quanh. Chọn tấm cách nhiệt hình trụ tròn như sau: Các thông số tra được: Thép δi = 0,002m ; λi = 45,3 W/m.K Styropore λi = 0,047 W/m.K Bitum δi = 0,003m ; λi = 0,18 W/m.K ; μi =0,000115 g/m.h.mmHg. Chiều dày tấm cách nhiệt được tính như sau: K: hệ số truyền nhiệt K, W/m2.K, chọn trước K = 0,25W/m2.K α1 = 23,3 W/m2.K. Hệ số tỏa nhiệt của môi trường bên ngoài tường cách nhiệt. α2 = 8 W/m2.K. Hệ số tỏa nhiệt của vách bên trong thiết bị bốc hơi. δi : chiều dài lớp vật liệu thứ i cách nhiệt, m λi: hệ số dẫn nhiệt lớp thứ i, W/m.K λcn: hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt,W/m.K δcn: chiều dày lớp cách nhiệt, m Vậy chọn chiều dày lớp cách nhiệt là δcn = 0,2m với 4 lớp x 50mm Hệ số truyền nhiệt thực của kết cấu bao che: Kiểm tra đọng sương trên bề mặt ngoài vách cách nhiệt: Điều kiện để vách ngoài không đọng sương Với các thông số của không khí nơi đặt nhà máy là thành phố Đà Nẵng t1 = 37,7oC và φ1 =77%, nhiệt độ đọng sương ts = 33oC Nhiệt độ đá miếng cuối quá trình đông đá t2 = -7oC K = 0,23 < K2 = 2,15 Vậy vách ngoài không bị đọng sương. Kiểm tra đọng ẩm Điều kiện : μCA: hệ số dẫn ẩm của vật liệu. Chọn bitum làm vật liệu cách ẩm. μCA = 0,000115 (g/m. h.mmHg) Rn = 1,6( Pn – Pt ): tổng trở lực dẫn ẩm tối thiểu Pn áp suất riêng phần của hơi nước ở ngoài (mmHg). Pt áp suất riêng phần của hơi nước trong phòng lạnh. φn = 77%, tng = 37,7 oC Pn = 37,77mmHg. Φt = 95%, ttr = -7 oC Pn = 3,41mmHg. Vậy chọn lại chiều dày lớp bitum là 0,005 m. Tính chọn máy nén cho hệ thống: Chọn chế độ làm việc cho máy nén Ở đây công ty chế biến được xây dựng tại thành Phố Đà Nẵng và có các thông số khí tượng sau : Nhiệt độ trung bình cao nhất : tmaxtb = 37,7°C. Độ ẩm trung bình cao nhất : j1 = 77%. Từ đó ta xác định được nhiệt độ, nhiệt kế ướt (tư ) nhiệt độ điểm đọng sương ( tư ) trên đồ thị I - d của không khí I j = 77% j = 100% t1=37,7°C I = const ts = 33°C d Hình 2 - 1: Phương pháp xác định trên đồ thị I - d của không khí ẩm Trạng thái không khí lấy làm chuẩn để tính toán t1 = 37,7°C. Suy ra : ts = 33 °C ;tư=34°C Chọn phương pháp làm lạnh trực tiếp Chế độ làm việc Chọn môi chất lạnh Freon 22 ( CHF2Cl) ( R22) Nhiệt độ sôi môi chất :t0 = tp - ∆t0 tp: nhiệt độ cuối của nước đá ∆t0 = ( 8 : 13) 0C Chọn ∆t0 = 13 0C t0 = -7 – 13 = -20 0C Nhiệt độ ngưng tụ: tk = tw2 + t k tw2:nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng ∆tk = ( 3: 5 ) 0C Chọn ∆tk = 50C + Nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng tính theo nhiệt độ nước vào tw2 = tw1 + ( 2 : 6) 0 C Chọn ∆tw = 30C Khi sử dụng nước tuần hoàn qua tháp giải nhiệt tw1 = tư + (3 : 4 ) 0 C Chọn ∆tu = 3 0C → tw1 = tư + 3 =34 + 3 = 370C → tw2 = 37 + 3 = 400C →tk = 40 + 5 = 45 0C Nhiệt độ hơi hút hay nhiệt độ quá nhiệt tqn th = tqn = t0 + ( 5 : 25 ) oC Với môi chất R22 tqn = to + 20 = -15 + 20 = 5 oC Nhiệt độ quá lạnh tql Do có thiết bị hồi nhiệt nên tql phụ thuộc vào tqn Chọn hiệu nhiệt độ khi qua thiết bị hồi nhiệt là 150C Suy ra t* = -10oC quá nhiệt trên đường hơi hút. h3’ – h3 = h1 – h1* → h3 = h3’ – h1 + h1* Với h1 = 718 kJ/kg h1* = 705 kJ/kg h3’ = 556 kJ/kg → h3 = 556 – 718 + 705 = 543 (kJ/kg) → tql = 33 oC Sơ đồ nguyên lý và chu trình lạnh Giản đồ lgP - h Điểm t0C P(bar) h ( kJ/kg) 1’ -20 2,5 698 1 5 2,5 718 2 95 17,3 765 3 30 17,3 536 3’ 45 17,3 556 4 -20 2,5 536 Bảng 1. Thông số của các điểm trên giản đồ lgP-h Ta có tỷ số nén Với chu trình: 1’ – 1: quá trình quá nhiệt. 1 – 2: quá trình nén đoạn nhiệt. 2 – 2’: quá trình hạ nhiệt độ sau khi nén đến nhiệt độ ngưng tụ. 2’ – 3’: quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt, đẳng áp. 3’ – 3: quá trình quá lạnh. 3 – 4: quá trình tiết lưu. 4 – 1’: quá trình bốc hơi Năng suất lạnh của máy nén Tổng chi phí lạnh cho máy đá , kW Trong đó: Q1: chi phí lạnh cho dàn lạnh,kW Q2: chi phí lạnh để làm đông nước thành đá, kW Q3: tổn thất khi rã đá,kW Q4: tổn thất do nhiệt truyền ra ngoài Chi phí lạnh cho dàn lạnh: chỉ xét lần đầu tiên làm lạnh ống làm đá đến -7oC, xem như sau khi xả đá nhiệt độ ống làm đá không tăng lên tức là không cần làm lạnh thêm , phần nhiệt đó tính vào nhiệt tổn thất khi rã đá. Do ta xét trong khoảng thời gian 1h nên đơn vị của Q1 la kg/h Với: n = 10 số ống làm đá ( tính sau) gk : khối lượng một ống làm đá, kg Tính gk với độ dày ống là 3,5mm, chiều cao lớp đá 0,8m Nhiệt độ nước cấp t1 = 15oC Nhiệt độ cuối của quá trình đông đá t2 = -7oC Q1 = 10.3,694.0,5.(15+7) = 406,34 (kJ/h) Chi phí lạnh để làm đông nước đá: Trong đó: G = 30kg/h năng suất của máy làm đá. Cn =4,18 kJ/kg.K nhiệt dung riêng của nước. Cd = 2,09 kJ/kg.K nhiệt dung riêng của nước đá Qr = 333,6 lJ/kg ẩn nhiệt đóng băng của nước. Tổn thất khi rã đá: , kJ/h Với δ = 0,001m bề dày lớp đá tan. L = 330,3 kJ/kg nhiệt nóng chảy của nước đá. ρ = 917 kg/m3 khối lượng riêng của nước ở 0oC g = 1,355kg (tính sau) khối lượng đá còn lại f: bề mặt ngoài của ống tạo đá. Tổn thất do nhiệt truyền ra ngoài:chọn bằng 3% chi phí lạnh để làm đông nước đá. Vậy tổng chi phí lạnh cho máy làm đá: Q = 406,34 +12327,9 + 958,9 +369,81 = 14062,95 (kJ/h) = 3,9 kW Suy ra năng suất lạnh của máy nén: Với β hệ số tính đến tổn thất lạnh trên đường ống lạnh, β = 1,07 b hệ số thời gian làm việc của máy nén, b = 1 Tính và chọn máy nén Năng suất lạnh riêng khối lượng Lượng hơi thực tế hút vào xylanh Thể tích hơi thực tế hút vào xylanh Năng suất lạnh riêng thể tích của hơi hút thực Hệ số chỉ thị thể tích Chọn m= 1, chỉ số nén đa nhiệt của hơi tác nhân C=0,05 hệ số chết của máy nén ∆Po = ∆Pk = 0,01 Mpa = 0,1 bar Hệ số đốt nóng Hệ số cấp của máy nén: Thể tích quét của pittong Công nén đoạn nhiệt Hiệu suất chỉ thị Chọn b = 0,0025 Công nén chỉ thị Công suất ma sát Với Pms = 50kP: công ma sát riêng Công nén hiệu dụng Công suất động cơ điện Với ηtd = 0,97 hiệu suất truyền động của khớp đai ηdc = 0,85 hiệu suất động cơ Hệ số lạnh hiệu dụng Nhiệt thải ngưng tụ Vậy ta chọn : Tính và chọn thiết bị ngưng tụ Chọn kiểu loại thiết bị ngưng tụ. Thiết bị ngưng tụ vỏ ống nằm ngang có cánh tản nhiệt về phía R22. Chọn vận tốc nước 1,5m/s Lượng nước giải nhiệt đi qua thiết bị ngưng tụ Bề mặt truyền nhiệt của TBNT là chùm ống đồng có cánh bố trí sole trên mặt sàng ta chọn theo [4] Đường kính trong của ống dtr = 0,0115m Đường kính ngoài của ống dng = 0,0133m Đường kính cánh D = 0,0165m Bước cánh Sc = 0,00127m Góc ở đỉnh cánh α = 20o Hệ số làm tạo cánh β = F/Ftr = 4 Diện tích mặt ngoài của 1m ống: F = 0,144m2/m Diện tích bề mặt trong của 1m ống Ftr = 0,036m2 Xác định số ống trong 1m đường nước ống Chọn số ống là 3 ống. Tính lại vận tốc nước theo n =3 : Tính hệ số tỏa nhiệt về phía nước Với v = 0,775.10-6 m2/s độ nhớt động lực học của nước ở 37 oC nhiệt độ nước vào bình ngưng. Re > 10000 nên nước chảy trong ống là chế độ chảy rối. Với ε1 = 1 vi l/dtr = 87> 5-0 Nhiệt độ nước lúc đầu tw1 = 37oC , lúc ra tw2 = 40oC Nhiệt độ trung bình của nước tm = 37,5oC Prf = 5,2, Prv = 4,31 Hệ số tỏa nhiệt về phía nước giải nhiệt: , λH2O=0,617 W/m.K Phương trình mật độ dòng nhiệt về phía nước Để xác định qw cần chọn sơ bộ TBNT, chọn trước qw rồi kiểm tra lại. Chọn θ = 0,3θm thay vào phương trình Nếu bố trí ống theo mặt sàng tam giác đều hoặc theo các cạnh hình lục giác thì thông số m có thể xác định theo công thức ta làm tròn đến 5. Với: s =1,3.D = 1,3 .0,0165= 0,02145m (chọn) Chọn Vậy số hàng ống theo chiều đứng nz = m = 5 và nz/2 = 3 Hệ số truyền nhiệt khi ngưng tụ R22 được tính theo bề mặt trong ống Với Khối lượng riêng R22 ở 45oC , Với Chiều cao quy ước của cánh E = 1: hiệu quả của cánh ( vì cánh cán thấp nên chọn E = 1) Mật độ dòng nhiệt về phía R22: Ta có hệ qw = qtr = 8600 W/m2 Với m = 5 tổng số ống là ống Số đường nước lúc đó n = 6.3 = 18 Vậy m = 5 là thích hợp , n =18 Để sử dụng phần dưới của bình ngưng làm bình chứa, chúng ta bỏ bớt 2 hàng ống dưới cùng. Số ống bỏ đi là: Đường kính mặt sàng : D = m.S = 5.0,02514 = 0,12m Diện tích truyền nhiệt bề mặt trong của bình ngưng Chiều dài một ống: Chọn l = 1m Vậy chọn thiết bị ngưng tụ : KPT-3 với các thông số Fng = 3,6m2, n = 24 ống Tính và chọn thiết bị bốc hơi Tính thời gian đông đá Tính toán thiết bị bốc hơi Các thông số của thiết bị bốc hơi Ống trong : Ø 22 X 2 (mm) Ống ngoài : Ø 57 X 3,5 (mm) Chiều dài ống: 1 (m) Bề dày lớp đá bám trên ống: 0,01 (m) Tác nhân lạnh R22 Số ống trong thiết bị bốc hơi Năng suất thiết kế: G= 30 (kg/h) Khối lượng của một mẻ: m = m’*n = G* τ Khối lượng đá được tạo trên ống m1 Với chiều dài ống 0,8m được tạo đá trên bề mặt ống. Khối lượng đá tan đi: khi lớp đá bên ngoài tan đi 1mm Khối lượng đá còn lại: m’ = m1- m2 =1,365 (kg) Số ống làm đá: Chọn n= 10 ống. Tổng diện tích trao đổi nhiệt ở bề mặt của ống Kiểm tra lại bề mặt truyền nhiệt Nhiệt độ đá ra khỏi thiết bị: t2 = -7 oC Nhiệt độ nước vào thiết bị: t1 = 28 oC Nhiệt độ môi chất bốc hơi: to = - 20 oC Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit: Hệ số truyền nhiệt tổng quát Hệ số cấp nhiệt phía ngoài ống: Thông số của R22 ở -220C: ρ = 15,2 kg/m3 ; λ = 0,104W/m2.K ; μ = 1,17.10-6 Pa.s ν = 0,76,10-6 m2/s ; Cp = 619 J/kg.K ; Pr = 0,69 Suy ra: Theo [1] tr.75 thì Nu = 0,23.Re0,65.Pr0,33 = 0,23. 9743580,65 . 0,690,33 = 1589 Hệ số cấp nhiệt phía trong ống Năng suất lạnh riêng qf = k. ∆ttb =173 .26,8 = 4636,4 (W/m2) Diện tích bề mặt truyền nhiệt : Tính và chọn các thiết bị phụ Tính và chọn bình chứa thấp áp Bình chứa thấp áp được bố trí về phía hạ áp và được sử dụng để xả tạm thời chất lỏng ra khỏi các dàn lạnh trực tiếp trước khi xả đá bằng hơi nóng. Thể tích bình chứa hạ áp: G’ = 0,023 kg/s = 82,8 kg/h : lưu lượng tác nhân lạnh. v1 = 0,000852 m3/kg : thể tích riêng của R22 lỏng ở -20oC Hệ số làm đầy η = 0,8 Tính toán và chọn thiết bị hồi nhiệt Trong bình hồi nhiệt diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa lỏng môi chất lạnh đi từ thiết bị ngưng tụ và hơi môi chất lạnh đi ra từ bình chứa thấp áp. Chọn bình hồi nhiệt ống xoắn. Ta có độ khô của hơi đi vào bình hồi nhiệt là x = 0,98 Nhiệt độ trung bình của R22 lỏng trong bình hồi nhiệt Ở nhiệt độ này R22 có: ρ =1175kg/m3 ; λ= 0,081W/m.K ; ν =0,195.10-6m2/s; Pr=3,57 Thông số hơi quá nhiệt được xác định bằng cách lấy trung bình giá trị của các thông số hơi bão hòa khô ở t0 ( Po) và hơi quá nhiệt ra khỏi bình hồi nhiệt áp suất Po nhiệt độ t2. ρ = 21,9kg/m3 ; λ = 0,0105W/m.K ; ν = 0,594.10-6 m2/s ; Pr = 0,74 ; C = 654J/kg.K Các kích thước chủ yếu của bình hồi nhiệt Ống xoắn là ống trơn có đường kính dtr = 0,01m, dng = 0,012m Đường kính ngoài của lõi D1 phải chọn > 8dng. Chọn D1 = 0,1m Đường kính trong của thân bình hồi nhiệt D2 =0,157m Hai cuộn ống xoắn lồng vào nhau và cách nhau 1,5mm, đồng thời cũng cách đều 2 vách 1,5mm mỗi phía. Các vòng tròn trên 1 cuộn ống xoắn đều nhau 1 khoảng 5mm. Thể tích hơi quá nhiệt đi qua bình hồi nhiệt Diện tích hình vành khăn của bình hồi nhiệt Diện tích choán chỗ của 2 ống xoắn Diện tích cho hơi quá nhiệt đi qua Fh = Fhn – Fx = 0,0115 – 0,0097 =0,0018m2 Vận tốc hơi quá nhiệt chuyển động trong bình hồi nhiệt Chuẩn số Re của hơi: Chuẩn số Nu: Hệ số tỏa nhiệt về phía hơi quá nhiệt: Thể tích hơi lỏng chuyển động trong ống: Vận tốc R22 lỏng trong ống Với n=2 số ống xoắn làm việc song song Chuẩn số Re của lỏng: Chuẩn số Nu của lỏng: Hệ số tỏa nhiệt về phía R22 lỏng khi chưa có hiệu chỉnh: Hệ số hiệu chỉnh xoắn ốc: Với Rtb bán kính cong trung bình của 2 cuộn ống xoắn Hệ số tỏa nhiệt về phía R22 lỏng khi đã hiệu chỉnh: Hệ số truyền nhiệt quy đổi theo bề mặt ngoài: Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit Diện tích truyền nhiệt của bình hồi nhiệt: Tổng chiều dài ống đồng: Số vòng xoắn trên mỗi cuộn ống xoắn: vòng Với d1,d2 lần lượt là đường kính trung bình của cuộn ống xoắn trong và ngoài. Chiều dài mỗi ống xoắn: L = n.dng + (n – 1).∆ = 5.12 + (5 – 1 ). 5 = 80mm Với ∆ = 5mm : khoảng cách giữa hai vòng xoắn. Tính và chọn van tiết lưu Van tiết lưu dùng để tiết lưu lỏng môi chất lạnh từ áp suất ngưng tụ đến áp suất bốc hơi và điều chỉnh việc cung cấp lỏng cho hệ thống lạnh. Tiết diện ngang của van: Với Qo = 4996kcal/h năng suất lạnh của van tiết lưu. qo = 44,23kcal/kg năng suất lạnh riêng. η = 0,3 ÷ 0,7 hệ số nén của dòng chảy. Chọn η = 0,5 ρ = 1186kg/m3 khối lượng riêng của R22 ∆p = pk – po = 17,3 – 2,5 = 14,8 bar = 14,6 atm Đường kính van tiết lưu: Tính và chọn tháp giải nhiệt Diện tích mặt nằm ngang của tháp: gw = 2,5 ÷ 3 kg/m2.s. Chọn gw = 2,5kg/m2.s Đường kính thân thiết bị: Tính phụ tải nhiệt của tháp: Lượng không khí cần thiết thổi qua tháp : Với ∆h độ chênh lệch enthalpy của không khí trong tháp, (kJ/kg) Nhiệt độ không khí vào tháp t1 = 37,70C , φ = 77% h1 = 128 kJ/kg Để Gw / Gkk 1 ta chọn ∆h = ∆tw. Cw = 3.4,187 = 12,56 (kJ/kg) Tính và chọn các đường ống dẫn Các thiết bị của hệ thống lạnh được liên kết với nhau bằng các ống dẫn. Đối với R22 nên sử dụng ống đồng nếu đường kính ống nhỏ hơn 20mm, và ống thép nếu đường kính ống lớn hơn 20mm. Ta cần bố trí ống sao cho đường đi ngắn nhất, tránh nhiều tổn thất về năng lượng. Ống dẫn hơi môi chất lạnh sau quá trình nén Theo [1] tr.345 đường kính trong của ống dẫn được tính theo biểu thức: Trong đó: di đường kính trong của ống dẫn, m m lưu lượng, kg/s ρ khối lượng riêng của môi chất, kg/m3, ω tốc độ dòng chảy trong ống, m/s, chọn ω = 15m/s Chọn ống đồng đường kính 8mm. Ống dẫn hơi môi chất lạnh về máy nén Với ω = 12 m/s vận tốc của hơi môi chất lạnh trên đường hút về máy nén Vậy ta chọn ống thép đường kính 18mm. Ống dẫn lỏng môi chất lạnh từ thiết bị ngưng tụ đến van tiết lưu Với vận tốc dòng lỏng môi chất lạnh chọn bằng 1m/s. Vậy chọn ống đồng đường kính 8mm. Tính và chọn máy bơm Chọn hệ số tuần hoàn của bơm k = 40 Lưu lượng nước Q = k .G = 40 .30 = 1200 kg/h =1,2 m3/h Áp suất toàn phần của bơm H0 = 1,5m chiều cao đẩy chất lỏng. hf = 0,01H tổn thất = 10 m :hiệu áp suất giữa khoảng đẩy và khoảng hút của bơm. Công suất bơm: