Tính toán thiết kế tủ cấp đông cho kho lạnh

được mở rộng, từ máy lạnh vài mW sử dụng trong phòng thí nghiệm đến các stoor hợp có công suất triệu W ở các trung tâm điều tiết không khí. Hệ thống lạnh ngày nay thay vì lắp ráp các chi tiết, thiết bị lại với nhau thì tổ hợp này ngày càng hoàn thiện nên sử dụng sẽ thuận tiện và chế độ làm việc hiệu quả hơn. Hiệu suất máy tăng lên đáng kể, chi phí vật tư và chi phí cho một đơn vị lạnh giảm xuống. Tuổi thọ và độ tin cậy tăng lên. Mức độ tự động hóa của các hệ thống lạnh và các máy lạnh tăng lên rõ rệt. Những thiết bị tự động hóa hoàn toàn bằng điện tử và vi điện tử thay thế cho các thiết bị thao tác bằng tay. 1.2. Tổng quan về công nghệ làm đông và bảo quản sản phẩm đông lạnh 1.2.1. Tác dụng của việc bảo quản lạnh Bảo quản thực phẩm là quá trình bảo vệ và hạn chế những biến đổi về chất lượng và hình thức của thực phẩm trong khi chờ đợi đưa đi sử dụng. Thực phẩm sau khi thu hoạch về chế biến được bảo quản ở nhiệt độ thấp cùng với chế độ thông gió và độ ẩm thích hợp trong kho lạnh, khi hạ nhiệt độ thấp thì enzyme và vi sinh vật trong nhiên liệu bị ức chế hoạt động và có thể bị đình chỉ hoạt động. Như vậy nguyên liệu được giữ tươi lâu khoảng một thời gian nữa. Nói chung khi nhiệt độ nhỏ hơn 100C thì vi sinh vật gây thối rữa và vi khuẩn gây bệnh bị kiềm chế phần nào hoạt động của chúng. Khi nhiệt độ nhỏ hơn 00C thì tỷ lệ phát triển của chúng rất thấp, ở -50C ÷ -100C thì hầu hết chúng không hoạt động. Tuy nhiên có một số loài vi khuẩn và nấm mốc khi hạ nhiệt độ xuống -150C chúng vẫn phát triển được như Cloromobacter, Pseudomonas… Do đó, muốn bảo quản được thực phẩm, nhất là các mặt hàng thuỷ sản trong thời gian dài thì nhiệt độ bảo quản phải dưới -150C. Như vậy, quá trình bảo quản lạnh có tác dụng như sau: Ở nhiệt độ thấp các phản ứng sinh hoá trong nguyên liệu giảm xuống. Trong phạm vi hoạt động bình thường cứ hạ 100C thì các phản ứng sinh hoá giảm xuống 1/2 ÷ 1/3, khi hạ xuống thấp sẽ làm ức chế các hoạt động về sinh lý của vi khuẩn cũng như nấm men. Dưới tác dụng của nhiệt độ thấp, nước trong động vật thuỷ sản bị đóng băng làm cơ thể động vật bị mất nước, vi khuẩn thiếu nước nên giảm phát triển và có khi còn bị tiêu diệt. Nói chung khi nhiệt độ hạ xuống thấp thì chỉ có tác dụng kiềm chế vi khuẩn hơn là giết chết chúng. 1.2.2. Các vấn đề về cấp đông thực phẩm 1.2.2.1. Phân loại giới hạn làm lạnh Nhiệt độ đóng băng của thực phẩm Nước nguyên chất đóng băng ở 00C. Tuy nhiên điểm đóng băng của thực phẩm thì khác, vì nồng độ muối khoáng và các chất hòa tan trong dịch tế bào của thực phẩm thay đổi tùy theo từng loại thực phẩm nên chúng có điểm đóng băng khác nhau và thường nhỏ hơn 0. Các cấp làm lạnh thực phẩm Ứng với khoảng nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông người ta phân biệt các cấp làm lạnh thực phẩm như sau: Làm lạnh: khi nhiệt độ sản phẩm cuối quá trình nằm trong khoảng: tdb < t < 200C Làm lạnh đông (cấp đông): khi nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông nằm trong khoảng: -1000C < t < tdb Làm lạnh thâm độ: khi nhiệt độ của sản phẩm sau cấp đông trong khoảng: -2730C < t < -1000C Cơ chế đóng băng trong thực phẩm khi cấp đông Nước trong thực phẩm do có hòa tan các chất tan nên nhiệt độ đóng băng thấp hơn 00C. Khi hạ nhiệt độ xuống thấp các dạng nước trong thực phẩm đóng băng dần dần tùy theo mức độ liên kết của chúng với tế bào. Khi hạ nhiệt độ xuống thấp bằng nhiệt độ cấp đông, trước tiên các tinh thể đá xuất hiện ở gian bào (khoảng trống giữa các tế bào). Khi đến điểm đóng băng đa số nước ở gian bào kết tinh và làm tăng nồng độ chất tan lên cao hơn trong tế bào. Do đó áp suất thẩm thấu tăng lên làm cho nước trong tế bào có xu hướng ra ngoài qua gian bào, qua màng bán thấm của tế bào. Nếu tốc độ làm lạnh chậm thì nước trong tế bào ra sẽ làm cho các tinh thể hiện diện lớn lên mà không tạo tinh thể mới. Nếu tốc độ làm lạnh nhanh thì tinh thể sẽ tạo ra cả ở bên ngoài lẫn bên trong tế bào, tinh thể đá sẽ nhuyễn và đều. Do đó, nếu hạ nhiệt chậm tế bào bị mất nước, các tinh thể đá tạo ra sẽ to và chèn ép làm rách màng tế bào, cấu tạo mô cơ bị biến dạng, làm giảm chất lượng sản phẩm. Khi nước tự do đã đóng băng hết thì đến nước liên kết, bắt đầu từ nước có liên kết yếu đến nước có liên kết mạnh. 1.2.2.2. Một số biến đổi của thực phẩm trong quá trình bảo quản lạnh đông a. Sự biến đổi về nhiệt vật lý Sự kết tinh của nước đá Trong quá trình cấp đông nước tách ra và đông thành các tinh thể, làm cho sản trở nên rắn, tăng thể tích một ít. Khi nước trong thực phẩm kết tinh tạo thành mạng tinh thể xen kẽ giữa các thành phần khác tạo nên cấu trúc vững chắc, nhưng khi làm tan băng, phục hồi trạng thái ban đầu thì cấu trúc thực phẩm bị mềm yếu hơn, kém đàn hồi hơn do các tinh thể làm rách cấu trúc tế bào thực phẩm. Đối với các sản phẩm đông lạnh trong quá trình bảo quản nếu chúng ta không duy trì được nhiệt độ bảo quản ổn định sẽ dẫn đến sự kết tinh lại của nước đá. Đây là hiện tượng gây ảnh hưởng xấu cho sản phẩm bảo quản. Do nồng độ chất tan trong các tinh thể nước đá khác nhau thì khác nhau, nên nhiệt độ kết tinh và nhiệt độ nóng chảy cũng khác nhau. Sự biến đổi màu sắc Đồng thời với quá trình trên màu sắc thực phẩm cũng biến đổi do hiệu ứng quang học do tinh thể đá khúc xạ ánh sáng. Màu sắc thực phẩm khi nước đóng băng phụ thuộc tính chất ánh quang của các tinh thể nước đá. Bay hơi nước Trong quá trình làm lạnh đông có hiện tượng mất nước, giảm trọng lượng sản phẩm. Đó là sự bay hơi nước vào không khí từ bề mặt sản phẩm, do chênh lệch mật độ ρ giữa không khí sát bề mặt và không khí xung quanh. Ẩm bốc lên từ bề mặt sản phẩm vào không khí xung quanh, nếu sản phẩm nhập có bề mặt còn ướt thì khi cấp đông chúng sẽ đông lại, sau đó diễn ra quá trình thăng hoa. Nếu chênh lệch nhiệt độ bề mặt sản phẩm và không khí trong buồng cấp đông càng lớn thì ẩm bốc càng mạnh, gây hao hụt khối lượng. Khuếch tán nước Khi cấp đông xảy ra hiện tượng khuếch tán nước trong cấu trúc thực phẩm, nước khuếch tán là do các nguyên nhân: - Sư chênh lệch nhiệt độ gây nên do chênh lệch mật độ ρ. - Sự lớn lên của các tinh thể nước đá luôn thu hút nước từ những vị trí chưa kết tinh dẫn đến, làm cho nước từ nơi có nồng độ chất tan thấp chuyển đến nơi có nồng độ chất tan cao. Sự di chuyển của nước thực hiện nhờ tính bán thấm và mao dẫn của cấu trúc thực phẩm. Động lực của quá trình khuếch tán, làm cho nước di chuyển từ trong tế bào ra gian bào và từ trong ra ngoài, từ vị trí liên kết ra tự do. Khi nước khuếch tán cấu trúc tế bào co rút, một số chất tan biến hình. Các thông số nhiệt vật lý thay đổi Biến đổi nhiệt dung: nhiệt dung sản phẩm thay đổi là do nước trong thực phẩm đã đóng băng. Biến đổi hệ số dẫn nhiệt. Biến đổi hệ số dẫn nhiệt độ. b. Biến đổi hóa học Trong quá trình bảo quản đông lạnh các biến đổi sinh hóa, hóa học diễn ra chậm. Các thành phần dễ bị biến đổi là các protein hòa tan, lipid, vitamin, chất màu… Sự biến đổi protein: trong các loại protein thì protein hòa tan trong nước là dễ bị phân giải nhất, sự phân giải chủ yếu dưới dạng tác dụng của enzyme có sẵn trong thực phẩm. Sự khuếch tán nước do kết tinh lại và thăng hoa của nước đá gây nên sự biến tính protein hòa tan. Biến đổi protein làm giảm chất lượng sản phẩm khi sử dụng. Sự biến đổi của lipid: dưới tác động của enzyme nội tạng làm cho chất béo bị phân giải cộng với quá trình thăng hoa nước đá làm cho oxy xâm nhập vào thực phẩm. Đó là điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóa chất béo xảy ra. Quá trình oxy hóa này sinh ra các hợp chất có mùi vị xấu làm giảm giá trị của sản phẩm. Các chất màu bị oxy hoá cũng làm thay đổi màu sắc của sản phẩm. c. Biến đổi do vi sinh Trước khi làm lạnh thực phẩm thường được rửa sạch để loại bỏ các tạp chất nơi chứa nhiều loại vi sinh vật. Đối với sản phẩm đông lạnh có nhiệt độ thấp hơn -150C và được bảo quản ổn định thì số lượng vi sinh vật giảm theo thời gian. Ngược lại nếu sản phẩm làm đông không đều, vệ sinh không đúng tiêu chuẩn, nhiệt độ bảo quản không ổn định sẽ làm cho các sản phẩm bị lây nhiễm vi sinh vật, chúng hoạt động gây thối rữa sản phẩm và giảm chất lượng sản phẩm. 1.2.2.3. Các phương pháp và thiết bị kết đông thực phẩm Thiết bị cấp đông có rất nhiều dạng, hiên nay ở nước ta sử dụng phổ biến các hệ thống sau: - Kho cấp đông gió. - Tủ cấp đông tiếp xúc. - Tủ cấp đông gió. - Hệ thống cấp đông dạng rời, có băng chuyền IQF. + Hệ thống cấp đông có băng chuyền cấp đông thẳng. + Hệ thống cấp đông có băng chuyền cấp đông dạng xoắn. + Hệ thống cấp đông siêu tốc. - Hệ thống cấp đông nhúng nitơ lỏng. 1.3. Môi chất lạnh 1.3.1. Định nghĩa Môi chất lạnh (tác nhân lạnh) là chất môi giới sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược chiều để hấp thu nhiệt của môi trường cần làm lạnh và thải nhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao hơn. Môi chất tuần hoàn được trong hệ thống lạnh nhờ quá trình nén. Phân loại Dựa vào thành phần hóa học: Môi chất vô cơ: NH3 (R717), CO2 (R744), … Môi chất hữu cơ: hydrocarbon, halocarbon… Dựa vào nhiệt độ sôi và áp suất bão hòa Môi chất có áp suất sôi cao: R744 Môi chất có áp suất sôi trung bình: R123, R134 Nhóm môi chất có áp suất sôi thấp: R717, R507 Ngoài ra còn dựa vào tính độc hại và tính dễ cháy nổ để phân loại 1.3.2. Môi chất lạnh NH3 NH3 là chất khí không màu, có mùi khai, cháy trong oxy có ngọn lửa màu vàng. Là chất lạnh rẻ tiền, dễ kiếm, dễ bảo quản, có thể sản xuất trong nước. Tuy NH3 độc hại nhưng vẫn được coi là môi chất của hiện tại và tương lai. Hình 1.1. Môi chất NH3 Tính chất nhiệt động: - Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển: -33,35ºC - Nhiệt độ đông đặc: -77,7ºC - Nhiệt độ ngưng tụ: 32ºC Áp suất ngưng tụ khoảng 12 ÷ 15 kg/cm2 r(00C) = 0,64kg/dm3 Năng suất lạnh riêng khối lượng q0 lớn. Năng suất lạnh riêng thể tích qv lớn (máy nén và thiết bị gọn nhẹ). Nhiệt độ cuối tầm nén cao (làm mát đầu xilanh và phải hút hơi bão hòa). Độ nhớt nhỏ, tính lưu động cao (tổn thất áp suất nhỏ, đường ống và các van gọn nhẹ). Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn (thuận lợi cho việc thiết kế chế tạo thiết bị ngưng tụ và bay hơi). Bền vững trong khoảng nhiệt độ và áp suất công tác, chỉ phân hủy ở 2600C. (Tuy nhiên nếu bề mặt xilanh làm bằng thép và có mặt ẩm làm chất xúc tác thì ở nhiệt độ 110 - 1200C đã bị phân hủy). Bảng 1.1. Các thông số trạng thái ở 00C Đơn vị Lỏng Hơi Áp suất Mpa 0,43 0,43 Thể tích riêng dm3/kg 1,57 289,3 Nhiệt dung riêng - Đẳng áp - Đẳng tích kJ/(kg.K) kJ/(kg.K) 4,26 2,80 2,68 1,92 Độ nhớt 10-6 Pa.s 170,09 9,06 Hệ số dẫn nhiệt W/(m.K) 0,559 0,023 Sức căng bề mặt N/m 0,033 Nhiệt hóa hơi kJ/kg 1262,2 Tính chất hóa học NH3 không tác dụng với phi kim, kim loại đen chế tạo máy và kim loại màu (trừ Cu và hợp kim của Cu). NH3 hòa tan vô tận trong H2O (không bị tắc ẩm van tiết lưu nhưng phải khống chế ẩm < 0,1%). NH3 không hòa tan dầu bôi trơn. Hỗn hợp với Hg sẽ gây nổ. Khi có ngọn lửa NH3 có thể gây cháy nổ ở nồng độ 13% – 16 % và tự cháy ở 6000C. Tính chất sinh lý Độc hại với con người, gây kích thích niêm mạc mắt và dạ dày, gây co thắt các cơ quan hô hấp, làm bỏng da. Ở nồng độ 0,007 - 0,1% thể tích không khí bắt đầu có sự hủy hoại cơ quan hô hấp. Từ 0,2 - 0,3% có thể làm mù mắt hoặc làm chết ngạt trong 30 phút. NH3 làm giảm chất lượng thực phẩm Biện pháp an toàn Khi tiếp xúc với NH3 phải mang mặt nạ phòng độc, khi xử lí sự cố hệ thống ít nhất phải có hai người. Khi bị ngạt phải đưa ra chỗ thoáng nhưng phải ấm, xông hơi ấm và uống các chất kích thích: cà phê, trà nóng,… Khi bị bỏng phải nhanh chóng rửa bằng nước sạch và ấm. Nếu nặng thì phải đưa đi bệnh viện. 1.4. Ứng dụng của kỹ thuật lạnh 1.4.1. Bảo quản thực phẩm Lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của kỹ thuật lạnh là dùng để bảo quản thực phẩm. Theo thống kê thì khoảng 80% năng suất lạnh được sử dụng trong công nghiệp bảo quản thực phẩm. Thực phẩm hầu hết là các sản phẩm bị ôi thiu hư hỏng do vi khuẩn gây ra. Để bảo quản thực phẩm ngoài phương pháp sấy khô, phóng xạ, bao bì, xử lý khí…phương pháp làm lạnh tỏ ra có rất nhiều ưu điểm như ít làm giảm chất lượng, màu sắc, mùi vị thực phẩm trong nhiều tháng, thậm chí nhiều năm bảo quản. Bảng 1.2. Số ngày bảo quản phụ thuộc vào nhiệt độ đối với cá, thịt bò, gia cầm Nhiệt độ (0C) Cá Thịt bò Gia cầm 20 3 8 2 10 7 16 5 0 15 30 7 -10 40 100 70 -20 110 1000 230 -30 230 2300 800 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, chất lượng bán thành phẩm,…nhưng nhiệt độ đóng vai trò quan trong nhất. Ngày nay, công nghiệp thực phẩm xuất khẩu đang giữ một vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh tế của nước ta và nền công nghiệp chế biến thực phẩm này không thể thiếu những trang thiết bị hiện đại nhất của kỹ thuật lạnh. 1.4.2. Sấy thăng hoa Sản phẩm sấy đầu tiên được kết đông xuống - 200C sau đó được sấy bằng cách hút chân không nên chất lượng sản phẩm hầu như được giữ nguyên vẹn. Khi sử dụng sản phẩm được tái hấp thụ nước và giữ nguyên được trạng thái ban đầu cả về chất lượng, màu sắc, mùi vị…Do giá thành sấy thăng hoa rất đắt nên ít được ứng dụng cho thực phẩm mà chủ yếu cho ngành y, dược. 1.4.3. Công nghiệp hóa chất Ứng dụng quan trọng nhất trong công nghệ hóa chất là việc hóa lỏng và tách khí như công nghiệp sản xuất khí clo, amoniac, carbonic, sulfuro, clohydryd, các loại khí đốt, khí sinh học, khí thiên nhiên, hóa lỏng và tách không khí,… Hóa lỏng và tách không khí từ không khí 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 nito được sử dụng nhiều ở lĩnh vực khác nhau như hàn, cắt kim loại, sản xuất phân đạm, làm chất tải lạnh…các loại khí trơ như heli, argon được sử dụng trong nghiên cứu vật lí, trong công nghiệp hóa chất và sản xuất bóng đèn. Kỹ thuật lạnh cũng hỗ trợ đắc lực trong các công nghệ sản xuất vải, sợi, tơ, cao su nhân tạo, phim ảnh…nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng hóa học nên người ta còn sử dụng lạnh để điều khiển tốc độ phản ứng hóa học. 1.4.4. Điều hòa hóa chất Điều hòa không khí công nghiệp và tiện nghi ngày nay là không thể thiếu và thực sự đang phát triển rất mạnh mẽ. Các yêu cầu nghiêm ngặt về nhiệt độ, độ ẩm và thành phần không khí trong các quy trình công nghệ sản xuất như vải, sợi, in ấn, thuốc lá, điện tử, vi điện tử, máy tính, quang học…nhất thiết phải có điều hòa không khí. Các dịch vụ như khách sạn, du lịch, vui chơi giải trí, y tế, thể dục thể thao, giao thông vận tải…cũng không thể thiếu được điều hòa không khí. Ngày nay kỹ thuật lạnh đã thâm nhập và hỗ trợ cho hàng trăm ngành kinh tế khác nhau. Chương 2. DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ 2.1. Sơ đồ tủ cấp đông cấp dịch nhờ bơm 2.2. Nguyên lý hoạt động Trên hình là sơ đồ lạnh và nguyên lý hoạt động của tủ cấp đông tiếp xúc. Hệ thống cấp đông làm lạnh ở nhiệt độ thấp -400C vì vậy máy nén có tỉ số nén cao do đó phải sử dụng chu trình nén 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát bằng bình trung gian có ống xoắn. Hơi môi chất sẽ được hút về máy nén hạ áp và nén lên bình trung gian, tại đây môi chất sẽ được làm mát trung gian hoàn toàn. Sau khi được làm mát, hơi môi chất được máy nén cao áp hút về và tiếp tục nén cao áp. Hơi sau khi nén cao áp sẽ đi qua bình tách dầu. Tại đây, dầu sẽ được tách ra khỏi hơi môi chất để tránh trường hợp dầu sẽ theo hơi vào các thiết bị trao đổi nhiệt làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt. Sau đó, môi chất sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ. Đây là bình ngưng ống chùm nằm ngang sử dụng cho môi chất NH3. Bình ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng nên môi chất được quá lạnh ngay ở thiết bị ngưng tụ. Tại bình ngưng môi chất lỏng sẽ được làm mát bằng nước nhờ một tháp giải nhiệt. Sau khi hơi môi chất được ngưng tụ thành lỏng sẽ đi qua bình chứa cao áp, đường ống nối từ bình ngưng tụ xuống bình chứa cao áp chính là đường ống cân bằng áp. Bình chứa cao áp dùng để chứa lỏng môi chất ở áp suất cao, giải phóng bề mặt của thiết bị ngưng tụ duy trì sự cấp lỏng liên tục cho van tiết lưu. Sau đó môi chất lỏng sẽ được tiết lưu tự động, lỏng tiếp tục đi theo ống dẫn lỏng qua phin lọc, khi qua đây thì các cặn bẩn cơ học, nước, các axit sẽ được loại trừ. Lỏng qua phin sấy lọc rồi qua van điện từ, van điện từ có nhiệm vụ đóng mở nhầm cung cấp dịch hoặc ngưng cấp dịch cho tiết lưu. Môi chất sau đó lại đi vào tiết lưu nhiệt (ở đây ta dùng van tiết lưu tự động ), van tiết lưu tự động trong quá trình làm việc tự động điều chỉnh khe hở van nhầm khống chế mức dịch vào bình trung gian vừa đủ và duy trì, với nhiệm vụ duy trì mức dịch luôn ổn định nên trong bình trung gian có gắn van phao để khống chế mức dịch cực đại trong bình. Môi chất tiếp tục đi qua van điện từ vào van tiết lưu để tiến hành quá trình cấp dịch cho hệ thống. Theo sơ đồ này dịch lỏng được bơm bơm thẳng vào các tấm lắc nên tốc độ chuyển động bên trong rất cao, hiệu quả truyền nhiệt tăng lên rõ rệt do đó giảm đáng kể thời gian cấp đông. Tuy nhiên, hệ thống phải được trang bị bình chứa hạ áp. Bình chứa hạ áp có vai trò rất quan trọng, nó vừa có nhiệm vụ chứa dịch cho bơm hoạt động, vừa giữ vai trò tách lỏng: do dịch chuyển động qua các tấm lắc là cưỡng bức nên ở đầu ra các tấm lắc vẫn còn một lượng lớn lỏng chưa bay hơi, nếu đưa trực tiếp về đầu hút máy nén sẽ rất nguy hiểm,gây va đập thủy lực hư hỏng máy nén. Bình tách lỏng nhỏ không có khả năng tách hết lượng lỏng quá lớn, vì thế chỉ có bình chứa hạ áp mới có khả năng tách hết lượng lỏng này. Hơi môi chất sau tách lỏng sẽ lại được hút về lại máy nén hạ áp và như vậy chu trình mới sẽ được lặp lại và tiếp tục. Chương 3. TÍNH TOÁN SƠ BỘ TỦ CẤP ĐÔNG 3.1. Cấu tạo tủ cấp đông Tủ cấp đông tiếp xúc được sử dụng cấp đông các mặt hàng dạng block, mỗi block thường có khối lượng 2kg. Hình 2.1. Tủ cấp đông tiếp xúc Trên hình 2.1 là cấu tạo một tủ đông tiếp xúc. Tủ có nhiều tấm lắc cấp đông (freezer plates) bên trong, khoảng cách các tấm có thể điều chỉnh được bằng ben thủy lực, thường chuyển dịch từ 50 - 100mm. Kích thước chuẩn của các tấm lắc là 2200L x 1250W x 22D (mm). Đối với tủ cấp đông từ 2000kg/mẻ trở lên, người ta sử dụng các tấm lắc lớn kích thước 2400L x 1250W x 22D (mm). Sản phẩm cấp đông được đặt trong các khay cấp đông sau đó đặt trực tiếp len các tấm lắc hoặc các mâm cấp đông, mỗi mâm có 4 khay. Thông thường người ta đặt trực tiếp lên tấm lắc vì hạn chế được nhiệt trờ dẫn nhiệt. Ben thủy lực nâng hạ các tấm lắc đặt trên tủ cấp đông. Pittông và cần dẫn ben thủy lực làm bằng thép không rỉ đảm bảo yêu cầu vệ sinh. Hệ thống có bộ phận phân phối dầu cho truyền động bơm thủy lực. Khi cấp đông, ben thủy lực ép các tấm lắc để cho các khay tiếp xúc hai mặt với tấm lắc. Quá trình trao đổi nhiệt là nhờ dẫn nhiệt. Trong các tấm lắc chứa ngập dịch lỏng ở độ âm sâu -40 ÷ -450C. Theo nguyên lý cấp dịch, hệ thống lạnh tủ đông tiếp xúc có thể chia ra làm các dạng sau: Cấp dịch từ bình chống tràn: với tủ cấp đông dạng này, dịch lỏng chuyển dịch dần vào các tấm lắc nhờ chênh lệch cột áp thủy tĩnh nên tốc độ chuyển động chậm và thời gian cấp đông lâu 4÷6 giờ/mẻ. Cấp dịch nhờ bơm dịch: môi chất chuyển động vào các tấm lắc dưới dạng cưỡng bức do bơm tạo ra nên tốc độ chuyển động lớn, thời gian cấp đông giảm còn 1 giờ 30 ÷ 2 giờ 30 phút/mẻ. Hiện nay người ta thường sử dụng cấp dịch dạng này. Ngoài các tủ cấp đông sử dụng các phương pháp nêu trên vẫn còn có dạng tủ cấp đông bằng tiết lưu trực tiếp. Trong trường hợp này, môi chất bên trong các tấm lắc ở dạng hơi bão hòa ẩm, nên hiệu quả truyền nhiệt không cao, khả năng làm lạnh kém, thời gian cấp đông kéo dài. Phía trong, bên trên tủ là cùm ben vừa là giá nâng các tấm lắc, vừa là tấm ép khi ben ép các tấm lắc xuống. Để các tấm lắc không di chuyển qua lại khi chuyển động, trên mỗi tấm lắc có gắn các tấm định hướng, các tấm này luôn tựa lên thanh định hướng trong quá trình chuyển động. Bên trong tủ còn có ống góp cấp lỏng và hơi ra, do các tấm lắc luôn di chuyển nên đường ống môi chất nối từ các ống góp vào các tấm lắc là ống nối mềm bằng cao su chịu áp lực cao, bên ngoài có lưới inox bảo vệ. Trên tủ cấp đông người ta đặt bình chống tràn, hệ thống máy nén thủy lực của ben và nhiều thiết bị phụ khác. 3.2. Kích thước sơ bộ 3.2.1. Kích thước, số lượng khay và tấm lắc cấp đông Các sản phẩm cho vào tủ cấp đông đều được đặt vào trong các khay nhỏ và đặt trên các tấm trao đổi nhiệt (tấm lắc-freezer plates). Kích thước khay cấp đông tiêu chuẩn như sau: + Đáy trên: 290 x 210 mm + Đáy dưới: 280 x 200 mm + Chiều cao: 70 mm Ta chọn tấm lắc chứa 36 khay, mỗi khay chứa 2kg sản phẩm → Khối lượng hàng trên một tấm lắc: 36.2 = 72kg Tỉ lệ châm nước từ 25% - 30%, chọn 28% → Khối lượng trên một tấm lắc kể cả nước châm: m= = 100kg/lắc Số lượng tấm lắc có chứa hàng: N1 = = = 10 tấm → Số lượng tấm lắc của tủ: N= N1+1= 10 +1= 11 tấm 3.2.2. Kích thước tủ cấp đông Kích thước tủ cấp đông được xác định dựa vào kích thước và số lượng các tấm lắc Ta bố trí 36 khay trên 1 lắc như sau: Hình 2.2. Bố trí khay trên tấm lắc Từ hình vẽ trên ta có: + Chiều rộng của tấm lắc: W = 4.290 + 3.30 = 1250 mm + Chiều dài của tấm lắc: L = 9.210 + 8.13 + 206 = 2200 mm → Tấm lắc có kích thước : 2200L x 1250W x 22D (mm) Xác định chiều dài bên trong tủ Chiều dài bên trong tủ cấp đông bằng chiều dài tấm lắc cộng với khoảng hở hai đầu. Khoảng hở hai đầu các tấm lắc vừa đủ để lắp đặt các ống góp, không gian lắp đặt và co giãn các ống mềm và lắp các ống dẫn hướng tấm lắc. Khoảng hở đó là 400mm.Vậy chiều dài bên trong tủ là: L1 = 2200 + 2.400 = 3000 mm → Chiều dài phủ bì: L = L1 + 300 = 3300 mm Xác định chiều rộng bên trong tủ Chiều rộng bên trong tủ bằng chiều rộng của các tấm lắc cộng thêm khoảng hở 2 bên ( mỗi khoảng 125mm): W1= 1250 + 2.125= 1500mm Khi lắp các cánh cửa tủ, một phần 45mm cánh lọt vào bên trong tủ và phần còn lại 80mm nhô ra ngoài, vì vậy kích thước bề rộng phủ bì là: W=W1 + 2.80=1660mm Xác định chiều cao bên trong tủ Khoảng cách cực đại giữa các tấm lắc: hmax=105mm Chiều cao bên trong tủ: H1=N1.105 + h1 + h2 N1 - Số tấm lắc chứa hàng h1 - Khoảng hở phía dưới cùng các tấm lắc: h1 =100mm h2 - Khoảng hở phía trên các tấm lắc: h2 =400÷450mm Tính cách nhiệt cách ẩm Cấu tạo vỏ tủ cấp đông gồm các lớp như sau: lớp cách nhiệt chủ yếu là polyurethan dày 150mm, được chế tạo theo phương pháp rót ngập có mật độ 40 - 42 kg/m3, có độ đồng đều và độ bám cao, hai mặt trong và ngoài của vỏ tủ được bọc bằng inox dày 0,6mm bảo vệ khỏi tác động cơ học, chống ẩm và chống đọng sương bên ngoài mặt tủ. Ngoài ra bên trong vỏ tủ là hệ thống khung chịu làm bằng thép có mạ kẽm và các thanh gỗ chống tạo cầu nhiệt. Bảng 3.1. Cấu trúc cách nhiệt của tủ đông tiếp xúc STT Lớp vật liệu Độ dày mm Hệ số dẫn nhiệt W/m.K 1 Lớp Inox 0,6 22 2 Lớp polyurethane Vách tủ Cửa tủ 150 125 0,018 0,02 3 Lớp Inox 0,6 22 Chương 4. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO TỦ CẤP ĐÔNG 4.1. Tổn thất nhiệt do truyền nhiệt qua kết cấu bao che (Q1) Dòng nhiệt đi qua kết cấu bao che được định nghĩa là tổng các dòng nhiệt tổn thất qua tường bao, trần và nền của tủ cấp đông do sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên ngoài và bên trong tủ cộng với các dòng nhiệt tổn thất do bức xạ mặt trời qua tường bao và trần. Do tủ cấp đông được đặt trong nhà xưởng nên không chịu ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời. Vì vậy ta chỉ xét tổn thất nhiệt qua vách tủ, cửa tủ cấp đông. Tổn thất nhiệt qua thân tủ gồm vách tủ, cửa tủ được tính như sau: Q= k.F(t1-t2) → Q1=(kvFv + kcFc)(tKKN-tKKT) + kv, kc - Hệ số truyền nhiệt qua vách và qua thân tủ (W/m2.K) + Fv, Fc - Diện tích của cửa tủ và vách tủ (m2). + tKKN = 250C: Nhiệt độ của không khí bên ngoài tủ. + tKKT = -350C: Nhiệt độ không khí trong tủ ở cuối quá trình cấp đông Fv = 2.1,66.1,9 + 2.1,66.3,3 = 17,26m2 Fc = 2.3,3.1,9 = 13m2 Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức sau: + α1 - Hệ số toả nhiệt bên ngoài tường, α1= 23,3W/m2K. + α2 - Hệ số toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong tủ, α2 = 9W/m2K. + δ1 - Bề dày lớp cách nhiệt cách ẩm. + λ1 - Hệ số dẫn nhiệt của các lớp cách nhiệt, cách ẩm. Vậy: kv = =0,194 W/m2K kc = =0,24 W/m2K → Q1 = (0,194 . 17,26 + 0,24 . 13)(25 + 35) = 388W = 0,388kW 4.2. Tổn thất nhiệt do sản phẩm mang vào (Q2) Tổn thất nhiệt Q2 gồm: - Tổn thất nhiệt làm đông sản phẩm QSP. - Tổn thất nhiệt làm lạnh khay cấp đông QK. - Ngoài ra một số sản phẩm khi cấp đông người ta tiến hành châm thêm nước để mạ một lớp băng trên bề mặt làm cho bề mặt phẳng đẹp, chống oxi hoá thực phẩm, nên cũng cần tính thêm tổn thất nhiệt làm đông nước QN. 4.2.1. Tổn thất nhiệt làm đông sản phẩm (QSP) Để làm giảm nhiệt độ sản phẩm thuỷ sản đến nhiệt độ yêu cầu, hệ thống lạnh phải lấy đi ở sản phẩm một lượng nhiệt nào đó trong suốt quá trình làm đông. Nhiệt tổn thất để làm đông thực phẩm lấy theo công thức sau: QSP = G + G - Khối lượng sản phẩm một mẻ cấp đông (kg). + i1 - entanpy của sản phẩm ở nhiệt độ ban đầu đưa vào cấp đông (kJ/kg), i1 = 314,4 kJ/kg (mặt hàng thủy sản). + i2 - entanpy của sản phẩm ở nhiệt độ sau khi cấp đông (kJ/kg), ), i1 = 5 kJ/kg. + τ – Thời gian cấp đông một mẻ sản phẩm (giờ). Do sản phẩm đã được bảo quản trước khi đưa vào làm đông nên nhiệt độ sản phẩm ta chọn là 150C. Nhiệt độ trung bình của sản phẩm lấy ra là -180C, với cấp đông cưỡng bức bằng bơm dịch do đó thời gian cấp đông 2 giờ. → QSP=720. = 31 kW 4.2.2. Tổn thất nhiệt làm đông nước châm khuôn (QN) Năng suất tủ 1000kg, khối lượng sản phẩm thực là 720kg, vậy khối lượng nước châm khuôn là 280kg/mẻ, để hạ nhiệt độ nước châm khuôn từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ cuối quá trình cấp đông cần qua ba giai đoạn: QN = QN1 + QN2 + QN3 + QN1 - nhiệt lượng để làm hạ nước châm khuôn từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ điểm băng của nước. + QN2 - nhiệt tổn thất để làm đóng băng nước châm khuôn. + QN3 - nhiệt tổn thất để hạ nhiệt độ nước châm khuôn từ nhiệt độ điểm băng đến nhiệt độ cuối của sản phẩm. QN1 = MnckC (tN1 – tN2) + Mnck: khối lượng nước châm khuôn Mnck = 280 kg/ mẻ. + C: nhiệt dung riêng của nước, C = 4,186 kJ/kg0C. + tN1: nhiệt độ của nước châm khuôn 50C. + tN2: nhiệt độ điểm băng của nước 00C. QN1 = 280.4,186.(5 - 0) = 5860,4 kJ/mẻ Thời gian làm việc mỗi mẻ là 2 giờ: → QN1= = 0,81 kW QN2 = MnckL + L - Nhiệt lượng đóng băng của nước L = 335 kJ/kg. → QN2 = 280.335 = 93800 kJ/mẻ = 13 kW QN3 = CN3 Mnck(tN2 – tN3) + C3 - Nhiệt dung riêng của nước đá C3 = 2,18 kJ/kg. + tN3 - Nhiệt độ của nước cuối quá trình cấp đông tN3 = -180C. → QN3 = 280.2,18.(0+18)= 16027,2 kJ/mẻ =1,52 kW Vậy nhiệt tổn thất làm đông nước châm khuôn: → QN = 0,81 + 13 + 1,52 = 15,33 kW 4.2.3. Tổn thất nhiệt làm lạnh khay cấp đông (QK) QK = CKMK + MK - Tổng khối lượng khay cấp đông (kg). + CK - Nhiệt dung riêng của vật liệu làm khay, với vật liệu làm khay bằng kẽm theo tài liệu, CK = 0,094kcal/kg = 0,39 kJ/kg0C. + t1K - nhiệt độ khay trước khi đưa vào cấp đông lấy t1K = 250C. + t2K - nhiệt độ của khay sau quá trình cấp đông lấy t2K = -350C. + τ - thời gian của một mẻ cấp đông (giờ). Ta có 11 tấm lắc, 10 tấm đựng sản phẩm, mỗi tấm có 36 khay, mỗi khay nặng 2kg → Vậy ta có tổng khối lượng khay cấp đông là : 10 . 36 = 360 khay. Khối lượng mỗi khay là 2kg vậy: MK = 2 . 360 = 720 kg/mẻ → QK = 0,39.720 . = 2,34 kW → Vậy tổn thất nhiệt do sản phẩm mang vào Q2= QSP + QN + QK = 31 + 15,33 + 2,24 = 48,67 kW 4.3. Tổn thất nhiệt từ các nguồn khác nhau (Q3) Ngoài những tổn thất nhiệt nói trên còn phải kể đến: - Tổn thất nhiết làm lạnh các tấm lắc QTL - Tổn thất nhiệt làm lạnh không khí trong tủ QKK - Tổn thất nhiệt khi mở cửa QC 4.3.1. Tổn thất nhiệt làm lạnh tấm lắc (QTL) Tủ đông tiếp xúc làm việc từng mẻ sau khi làm đông xong sẽ dừng máy và ra hàng, khối lượng và diện tích của tấm lắc rất lớn do đó nhiệt để làm lạnh các tấm lắc là rất lớn vì vậy ta phải tính lượng nhiệt này. QTL = (t1-t2) + MTL - khối lượng các tấm lắc (kg). + CTL - nhiệt dung riêng của các tấm lắc, tấm lắc chế tạo bằng nhôm nên có CTL = 0,92 kJ/kg0C. + τ - Thời gian cấp đông. + t1, t2 - Nhiệt độ trước và sau khi cấp đông, t1 = 250C, t2 = -350C. Vật liệu tấm lắc làm bằng nhôm đúc ρ = 2670 kg/m3. Thể tích tấm lắc: V = 2,2 . 1,25 . 0,022 = 0,06 m3 Khối lượng một tấm lắc: M = 0,06 . 2670 = 161 kg Tủ 1000 kg trên mẻ gồm 11 tấm lắc: MTL = 11 . 161 = 1771 kg QTL= (25+35)=13,57 kW 4.3.2. Tổn thất nhiệt làm lạnh không khí trong tủ (QKK) Nhiệt tổn thất do không khí trong tủ được tính như sau: Qkk = CkkGkk(td – tc) + td - nhiệt độ không khí lúc bắt đầu chạy máy 250C + tc - nhiệt độ không khí cuối quá trình cấp đông -350C + Ckk - nhiệt dung riêng của không khí trong tủ Ckk=0,242 Kcal/kg0C = 1,013kJ/kg 0C. + Gkk - khối lượng của không khí có trong tủ, được xác định: Gkk = Vkk .ρkk Kích thước trong của tủ: L = 3000 mm W = 1500 mm H = 1600 mm + Vkk: thể tích của không khí có trong tủ Vkk = Vtủ = . 3.1,5 . 1,6 = 4,8 m3 + ρkk - khối lượng riêng trung bình của không khí trong tủ ở -300C, ρkk =1,453 kg/m3 Gkk = 4,8 . 1,453 = 6,97 ≈ 7kg/mẻ Qkk = 1,013 . 7 = 0.06kW 4.3.3. Tổn thất nhiệt do mở cửa (QC) Tổn thất nhiệt do mở cửa được tính theo công thức QC = B . F (W) + F - Diện tích của tủ cấp đông (m2) Theo như tính toán ta có : Chiều dài tủ là : L = 3,3 m Chiều rộng tủ là : W = 1,66 m → Do dó F = 3,3 . 1,66 = 5.478 m2 + B - Dòng nhiệt khi mở cửa, W/m2. Chọn B = 20 W/m2. [1-87] Vậy QC = 20 . 5,478 = 110W = 0,11 kW →Vậy tổn thất nhiệt từ các nguồn khác nhau là: Q3= QTL + QKK + QC = 15,37 + 0.06 + 0,11 = 13,74 Tổng tổn thất nhiệt là: Q01= Q1 + Q2 + Q3= 0,388 + 48,67 + 13,74 = 68,2 kW Để tủ hoạt động an toàn ở mọi điều kiện nên cần phải nhân thêm hệ số an toàn là 1,1. Q01 = 1,1 . 62,8 = 69,1 kW Vậy năng suất lạnh của máy nén theo yêu cầu của tủ cấp đông tiếp xúc là: Q0 = 69,1 kW Chương 5. TÍNH CHỌN MÁY NÉN 5.1. Chọn môi chất cho tủ cấp đông Môi chất lạnh thường dùng trong hệ thống lớn là NH3, NH3 tuy có nhược điểm độc hại nhưng có ưu điểm về mặt kinh tế cũng như tính chất nhiệt động, tổn thất áp suất trên đường ống và các cửa van nhỏ vì vậy ta chọn môi chất NH3 cho tủ cấp đông. 5.2. Các thông số của chế độ làm việc và chọn chu trình lạnh của hệ thống 5.2.1. Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh (t0) Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh ứng với tủ đông tiếp xúc là -400C. 5.2.2. Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất (tk) Ta sử dụng thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước kiểu bay hơi. tk = tw2+∆tk + tw2 – Nhiệt độ nước ra khỏi dàn ngưng. + ∆tk – Hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu, ∆tk= 3÷50C. tw2 = tw1+(2÷60C) + tw1 – nhiệt độ nước vào dàn ngưng. Do nhà máy sử dụng nước thành phố nên nhiệt độ sẽ lấy cao hơn nhiệt độ trung bình năm 30C. Nhà máy xây dựng tại Vũng Tàu, theo bảng ta có ttb = 240C. tw1 = 24 + 3 = 270C tw2 = 27 + 2 = 290C tk = 29 + 4 = 330C Từ nhiệt độ tk = 330C tra bảng hơi bão hoà NH3 , pk = 1,27 Mpa. 5.2.3. Nhiệt độ quá lạnh, quá nhiệt và chu trình lạnh Nhiệt độ quá lạnh Là nhiệt độ môi chất lạnh trước khi đi vào van tiết lưu. Nhiệt độ quá lạnh càng thấp năng suất lạnh càng lớn do đó người ta hạ được nhiệt độ quá lạnh xuống càng thấp càng tốt. Tuy nhiên đối với máy lạnh không hồi nhiệt NH3 thì nhiệt độ quá lạnh khi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều vẫn cao hơn nhiệt độ nước là 3÷50C. tql = tw1 + (3÷50C) = 27+ 4 = 310C Nhiệt độ quá nhiệt Nhiệt độ quá nhiệt là nhiệt độ của hơi nước trước khi vào máy nén. Nhiệt độ quá nhiệt luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của môi chất. Hơi phải là hơi quá nhiệt để không hút phải lỏng. Đối với tác nhân là NH3. tqn = - 40 + 10 = -300C Chu trình lạnh Đối với hệ thống cấp đông hai cấp chu trình lạnh là hệ thống được chọn hai cấp bình trung gian có ống xoắn. Môi chất lạnh lỏng quá lạnh trong ống xoắn nhiệt độ không hạ đến nhiệt độ trung gian vì tồn tại hiệu nhiệt độ trao đổi nhiệt không thuận nghịch trong ống xoắn nhiệt độ quá lạnh lớn hơn nhiệt độ trung gian khoảng 50C. BH : Bình bay hơi NHA :Máy nén hạ áp NCA : Máy nén cao áp NT : Bình ngưng tụ TL1, TL2 : Van tiết lưu 1 và 2. BTG Bình trung gian Hình 5.1. Chu trình hai cấp nén bình trung gian có ống xoắn Hơi sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi được máy nén hạ áp nén đoạn nhiệt đến áp suất trung gian (điểm 2) rồi được sục vào bình trung gian và được làm mát hoàn toàn thành hơi bão hoà khô, hỗn hợp hơi bão hoà khô tạo thành ở bình trung gian được máy nén cao áp hút về và nén đoạn nhiệt đến áp suất ngưng tụ PK (điểm 4). Sau đó đi vào thiết bị ngưng tụ và nhả nhiệt trong môi trường làm mát ngưng tụ thành lỏng cao áp (điểm 5). Tại đây nó chia ra làm 2 dòng, một dòng nhỏ thì đi qua van tiết lưu 1 giảm áp suất đến áp suất trung gian Ptg (điểm 7) rồi đi vào bình trung gian. Tại đây lượng hơi tạo thành do van tiết lưu 1 cùng với lượng hơi tạo thành do làm mát hoàn toàn hơi nén trung áp và lượng hơi tạo thành do làm quá lạnh lỏng cao áp trong ống xoắn được hút về máy nén cao áp . Một dòng lỏng cao áp còn lại đi vào trong ống xoắn của bình trung gian và được quá lạnh đẳng áp đến điểm 6 sau đó đi qua van tiết lưu 2 giảm áp suất đến áp suất bay hơi (điểm 10). Sau đó đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt của sản phẩm cần làm lạnh hoá hơi đẳng áp đẳng nhiệt thành hơi (1’) và chu trình cứ thế tiếp tục . Hình 5.2. chu trình biểu diễn trên đồ thị T - s 310C Hình 5.3. Sơ đồ chu trình lạnh 1’ – 1: Quá nhiệt hơi hút ở hệ thống bay hơi -400C. 1 – 2: Nén đoạn nhiệt cấp hạ áp ở -400C. 2 - 3: Làm mát hơi quá nhiệt đến hơi bão hòa. 3 - 4: Nén đoạn nhiệt cấp cao áp. 4 – 5’: Làm mát bằng ngưng tụ. 5’ – 5: Quá lạnh trong bình ngưng. 5 – 7: Tiết lưu từ bình trung gian hạ áp suất từ pk xuống ptg. 5 – 6: Quá lạnh lỏng tại bình trung gian. 6 -10: Tiết lưu hạ từ pk xuống p0. 10 – 1’: Trao đổi nhiệt đẳng áp ở thiết bị bay hơi. 5.3. Tính chu trình lạnh và chọn máy nén 5.3.1. Tính chu trình lạnh Ta có: Ptg = + ptg – Áp suất trung gian. + p0 – Áp suất ở thiết bị bay hơi -400C, p0 = 0,072 MPa. + pk – Áp suất ngưng tụ hệ thống, pk = 1,27 MPa. Ptg = = 0,302 MPa. Tra bảng hơi bão hòa của NH3 ta được ttg = -90C. [2-342] Chọn nhiệt độ quá lạnh trong ống xoắn là -40C. + Tỉ số nén: ® Chọn chu trình lạnh nén 2 cấp bình trung gian có ống xoắn. Từ các thông số trên tra bảng hơi bão hòa và đồ thị lgP –h của môi chất NH3 ta được các thông số ở bảng dưới đây: Bảng 5.1. Các thông số điểm nút của chu trình Nhiệt độ Áp suất Entanpy Thể tích Điểm nút t , 0C P, Mpa h, kJ/kg v, m3/kg 1’ -40 0,072 1720 1,75 1 -30 0,072 1735 1,8 2 60 0,302 1920 0,53 3=8 -9 0,302 1750 0,4 4 90 1,27 1950 0,13 5’ 31 1,27 645 6 -4 1,27 490 7 -9 0,302 645 7’ -9 0,302 490 9 -9 0,302 455 10 -40 0,072 490 Năng suất lạnh riêng Năng suất lạnh riêng là năng suất của 1 kg chất lỏng ở áp suất cao và nhiệt độ cao tạo ra trong quá trình tiết lưu và bay hơi hết trong thiết bỉ bay hơi thành hơi bão hòa khô ở nhiệt độ bay hơi và áp suất bay hơi. q0= h1’ - h10 = 1720 – 490 = 1230 kJ/kg Năng suất lạnh riêng thể tích Công nén riêng Cân bằng enthalpy ở bình trung gian ta có: Công nén riêng Năng suất riêng Tính hạ áp Lưu lượng thực tế qua máy nén hạ áp Thể tích hút thực tế của máy nén hạ áp Hệ số cấp nén hạ áp λc: hệ số tính đến thể tích chiết. λtl: hệ số tính đến tổn thất do van tiết lưu. λw: hệ số tính đến tổn thất do hơi hút vào xilanh bị đốt nóng, λw = 0,95. λr: hệ số tính đến tổn thất do rò rỉ môi chất qua piston xilanh. Chọn λr = 0,97. Có thể rút gọn thành λ = λi.λw’ λw’ = 0,97.0,95 = 0,92 Với máy nén amoniac m = 0,95 ÷ 1,1. Chọn m = 1. c: tỉ số thể tích chiết, c = 0,03 ÷ 0,05. Chọn c = 0,04. Thường lấy ∆p0 = 5.103 Pa, ∆ptg = 10.103 Pa. Thể tích hút lý thuyết cấp hạ áp Công nén đoạn nhiệt NsHA = m1.l1 = m1.(h2 - h1) = 0,056.(1920 – 1735) =10,36 kW Hiệu suất chỉ thị Công suất chỉ thị Công suất ma sát pms: là áp suất riêng ma sát, pms = 49 ÷ 69 Pa, chọn pms = 59 Pa. Công suất hữu ích Công suất tiếp điện cấp hạ áp ηtd: hiệu suất truyền động của khớp, đai ηtd = 0,95. ηel: hiệu suất động cơ, ηel = 0,85. Tính cấp cao áp Lưu lượng hơi thực tế qua máy nén cao áp Thể tích hút thực tế cao áp Hệ số cấp của cấp cao áp Thể tích hút lý thuyết cao áp Công nén đoạn nhiệt cấp cao áp Hiệu suất chỉ thị cấp cao áp Công suất chỉ thị cấp cao áp Công suất ma sát cao áp Công suất hữu ích Công suất tiếp điện cấp cao áp Công suất tiếp điện cấp hạ áp và cao áp Công suất động cơ lắp đặt Để cho máy nén hoạt động an toàn, công suất động cơ lắp đặt phải lớn hơn công suất tiếp diện, do đó ta nhân thêm hệ số an toàn k (k = 1,1 ÷ 2,1). 5.3.2. Chọn máy nén Chọn máy nén pittông MYCOM hai cấp nén môi chất NH3. [2-55] Tk, 0C Kí hiệu Pittông ФxS, mm Số xilanh Tốc độ Thể tích quét, m3 /h Qo, 1000 Kcal/h Ne, kW -40 -40 40 N62A 95Ф x 76S 6+2 1000 1200 258,6 310,3 25,3 30,4 19,3 23,1 Chương 6. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 6.1. Tính chọn thiết bị ngưng tụ 6.1.1. Vai trò của thiết bị ngưng tụ Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ: khi máy nén nén môi chất từ trạng hơi báo hòa thành hơi quá nhiệt và được thiết bị ngưng tụ làm môi chất chuyển sang trạng thái lỏng. Thiết bị ngưng tụ có ảnh hưởng đến áp suất và nhiệt độ của chu trình lạnh do đó ảnh hưởng đến hiệu quả và độ an toàn của hệ thống. Khi thiết bị ngưng tụ làm việc kém hiệu quả thì các thông số của hệ thống sẽ bị thay đổi theo chiều hướng xấu như: - Năng suất lạnh hệ thống giảm, tổn thất tiết lưu tăng. - Nhiệt độ cuối quá trình nén tăng. - Công nén tăng, động cơ có thể quá tải. - Độ an toàn giảm do áp suất phía cao tăng, rờle HP có thể tác động dừng máy nén… - Nhiệt độ cao ảnh hưởng đến độ nhớt của dầu, dẫn tới cháy dầu… 6.1.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị ngưng tụ Trên hình 6.1. trình bày cấu tạo bình ngưng ống chùm nằm ngang sử dụng trong các hệ thống lạnh NH3. Bình ngưng có thân hình trụ nằm ngang làm từ vật liệu thép CT3, bên trong là các ống trao đổi nhiệt bằng thép áp lực C20. Các ống trao đổi nhiệt được hàn kín hoặc núc lên hai mặt sàng hai đầu. Để có thể hàn hoặc núc các ống trao đổi nhiệt vào mặt sàng, nó phải có độ dày khá lớn từ 20 ÷ 30mm. Hai đầu thân bình là các nắp bình. Các nắp bình tạo thành vách phân dòng nước để nước tuần hoàn nhiều lần trong bình ngưng. Mục đích tuần hoàn nhiều lần là để tăng thời gian tiếp xúc của nước và môi chất; tăng tốc độ chuyển động của nước trong các ống trao đổi nhiệt nhằm nâng cao hệ số toả nhiệt α. Cứ một lần nước chuyển động từ đầu này đến đầu kia của bình thì gọi là một pass. Ví dụ bình ngưng 4 pass, là bình có nước chuyển động qua lại 4 lần. Một trong những vấn đề cần quan tâm khi chế tạo bình ngưng là bố trí số lượng ống của các pass phải đều nhau, nếu không đều thì tốc độ nước trong các pass sẽ khác nhau, tạo nên tổn thất áp lực không cần thiết. Hình 6.1. Cấu tạo bình ngưng ống chùm nằm ngang 1- Nắp bình; 2- Ống xả khí không ngưng; 3- Ống cân bằng; 4- Ống trao đổi nhiệt; 5- Ống gas vào; 6- Ống lắp van an toàn; 7- Ống lắp áp kế ; 8- Ống xả hơi của nước; 9- Ống nước ra; 10- Ống nước vào; 11- Ống xả cặn; 12- Ống lỏng về bình chứa Các trang thiết bị đi kèm theo bình ngưng gồm: van an toàn, đồng hồ áp suất với khoảng làm việc từ 0 ÷ 30 kG/cm2 là hợp lý nhất, đường ống gas vào, đường cân bằng, đường xả khí không ngưng, đường lỏng về bình chứa cao áp, đường ống nước vào và ra, các van xả khí và cặn đường nước. Để gas phân bố đều trong bình trong quá trình làm việc đường ống gas vào phân thành hai nhánh bố trí hai đầu bình và đường ống lỏng về bình chứa nằm ở tâm bình. Nguyên lý làm việc của bình như sau: gas từ máy nén được đưa vào bình từ hai nhánh ở hai đầu và bao phủ lên không gian giữa các ống trao đổi nhiệt và thân bình. Bên trong bình gas quá nhiệt trao đổi nhiệt với nước lạnh chuyển động bên trong các ống trao đổi nhiệt và ngưng tụ lại thành lỏng. Lỏng ngưng tụ bao nhiêu lập tức chảy ngay về bình chứa đặt bên dưới bình ngưng. Một số hệ thống không có bình chứa cao áp mà sử dụng một phần bình ngưng làm bình chứa. Trong trường hợp này người ta không bố trí các ống trao đổi nhiệt phần dưới của bình. Để lỏng ngưng tụ chảy thuận lợi phải có ống cân bằng nối phần hơi bình ngưng với bình chứa cao áp. 6.1.3. Tính thiết bị ngưng tụ Nhiệt lượng ở thiết bị ngưng tụ là nhiệt lượng mà nước và gió làm mát lấy đi để môi chất ngưng tụ, tính nhiệt ở thiết bị ngưng tụ để tính công suất của thiết bị ngưng tụ. Qk = m3 (h4 - h5’) = 0,0725.( 1950-645) = 94,61 kW Trong đó: Mặt khác: Qk = K.F.Δttb Δttb= = = = 5,150C + K = 700 W/m2.K [3-194] Chọn bình ngưng ống vỏ NH3 nằm ngang do Nga chế tạo. [2-161] Kiểu Bề mặt F, m2 Kích thước Số ống n Số lối z Chiều dài ống l, mm Dung tích không gian, m3 Khối lượng, kg Đường kính D1 Dài Rộng B Cao H Ngoài ống Trong ống Thiết bị Công tác KTΓ-25 25 500 3430 810 910 144 8 3000 0,39 0,17 1140 1560 6.2. Thiết bị bay hơi 6.2.1. Vai trò của thiết bị bay hơi Thiết bị bay hơi có nhiệm vụ hoá hơi gas bão hoà ẩm sau tiết lưu đồng thời làm lạnh môi trường cần làm lạnh. Như vậy cùng với thiết bị ngưng tụ, máy nén và thiết bị tiết lưu, thiết bị bay hơi là một trong những thiết bị quan trọng nhất không thể thiếu được trong các hệ thống lạnh. Quá trình làm việc của thiết bị bay hơi ảnh hưởng đến thời gian và hiệu quả làm lạnh. Đó là mục đích chính của hệ thống lạnh. Vì vậy, dù toàn bộ trang thiết bị hệ thống tốt đến đâu nhưng thiết bị bay hơi làm việc kém hiệu quả thì tất cả trở nên vô ích. Khi quá trình trao đổi nhiệt ở thiết bị bay hơi kém thì thời gian làm lạnh tăng, nhiệt độ phòng không đảm bảo yêu cầu, trong một số trường hợp do không bay hơi hết lỏng trong dàn lạnh dẫn tới máy nén có thể hút ẩm về gây ngập lỏng. Ngược lại, khi thiết bị bay hơi có diện tích quá lớn so với yêu cầu, thì chi phí đầu tư cao và đồng thời còn làm cho độ quá nhiệt hơi ra thiết bị lớn. Khi độ quá nhiệt lớn thì nhiệt độ cuối quá trình nén cao, tăng công suất nén. Lựa chọn thiết bị bay hơi dựa trên nhiều yếu tố như hiệu quả làm việc, đặc điểm và tính chất sản phẩm cần làm lạnh. 6.2.2. Tính chọn thiết bị bay hơi QBH = m1 (h1 - h10) = 0,056.(1720 - 490)= 68,88 kW Mặt khác: QBH = k.F.Δttb Chọn thiết bị bay hơi ống vỏ kiểu ngập + F - Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi. + K - Hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi, xác định theo kinh nghiệm. + ∆ttb - Hiệu nhiệt độ giữa môi chất sôi trong ống và không khí trong kho, ∆ttb = 100C. + Hệ số truyền nhiệt K= 460580W/m2K. → Chọn K= 520W/m2K. [3-201] → Chọn dàn lạnh NH3 Alfa Laval. [2-186] Typ AV Q0 KW V m3/h ∆P bar F m2 D1 mm D2 mm L mm L1 mm B mm H mm V dm3 m kg 35,20 98,6 16,9 0,12 13,25 355,6 114,3 ÷ 355,6 2000 2290 570 834+D2 100 410 Chương 7. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 7.1. Bình tách dầu Trong máy nén có dầu bôi trơn để bôi trơn các chi tiết chuyển động và làm mát máy nén. Khi máy nén làm việc dầu thường cuốn theo môi chất lạnh, việc dầu bị cuốn theo môi chất lạnh có thể gây ra các hiện tượng: - Máy nén thiếu dầu làm chế độ bôi chơn không tốt - Dầu sau khi theo môi chất lạnh sẽ đọng bám ở các thiết bị trao đổi nhiệt như thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi, làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt, ảnh hưởng chung đến chế độ làm việc của toàn hệ thống Nguyên lý làm việc Giảm tốc độ đột ngột dòng gas từ tốc độ cao (khoảng 18 ÷ 25m/s) xuống tốc độ thấp 0,5 ÷ 1 m/s. Khi giảm tốc độ đột ngột các giọt dầu mất động năng và rơi xuống, do độ nhớt của gas nhỏ hơn của dầu nên động năng nhỏ và dạng hơi nên vẫn chuyển động bình thường. Dầu được tách nhờ 3 nguyên nhân: - Giảm vận tốc của dòng khi đi từ ống nhỏ ra ống to làm lực quán tính giảm và dưới tác dụng của trọng lực các hạt dầu nặng rơi xuống. - Do lực ly tâm khi ngoặt dòng các hạt dầu nặng bị văng ra va đập vào thành bình rơi xuống. - Do sự mất vận tốc đột ngột khi va đập vào các tấm chắn. Các hạt dầu nặng được giữ lại và rơi xuống đáy bình. Cấu tạo bình tách dầu Hình 7.1. Cấu tạo bình tách dầu 1.Hơi vào từ đầu đẩy máy nén; 2. Van an toàn; 3. Đường ra hơi cao áp; 4,5. Nón chắn; 6. Phao; 7. Đường xả dầu Tính chọn bình tách dầu d w: tốc độ môi chất ở ống nối vào bình tách dầu. → Chọn w = 18 (m/s). [2-222] Vd: thể tích riêng thực tế của môi chất ra khỏi máy nén. m: lưu lượng hơi (kg/s). Vd = VCA=0,4(m3/kg) m = mCA = 0,0725 (kg/s) 7.2. Bình chứa dầu Bình thu hồi dầu nhằm mục đích thu gom dầu từ các thiết bị như bình chứa thấp áp bình trung gian, bình chứa cao áp…để giảm tổn thất và giảm nguy hiểm khi xả dầu ở các thiết bị có áp suất cao Cấu tạo bình chứa dầu Hình 7.2. Cấu tạo bình tập trung dầu 1.Gas về đường hút hạ áp máy nén; 2.Áp kế ; 3,4,5.Dầu vào bình tập trung từ các thiết bị; 6. Kính xem mức; 7. Đường dầu ra. 7.3. Bình chứa cao áp Bình chứa cao áp phải thoả mãn các yêu cầu sau: + Khi hệ thống đang vận hành thì lượng lỏng còn lại trong bình ít nhất là 20% dung tích bình. + Khi sửa chữa, bảo dưỡng thì bình chứa phải có khả năng chứa được toàn bộ môi chất của hệ thống và chỉ chiểm khoảng 80% dung tích bình. Cấu tạo bình chứa cao áp Hình 7.3. Nguyên lý cấu tạo bình chứa cao áp 1. Kính xem mức; 2. Van chặn; 3. Ống lắp van an toàn; 4. Ống lắp áp kế xả; 5. Ống lỏng vào; 6. Ống cân bằng áp; 7. Ống cấp dịch; 8. Ống hồi lỏng; 9. Thân bình; 10. Xả dầu; 11. Xả cặn; 12. Chân bình Sức chứa của bình chứa cao áp được tính như sau: VCA = = 0,7Vd + VCA - Thể tích chứa của bình chứa cao áp. + Vd - Thể tích chứa của dàn bay hơi. Thể tích chứa môi chất của tủ đông tiếp xúc. Kích thước của tấm lắc là 2200 x 1250 x 22mm Vậy kích thước chứa môi chất 2194 x 1244 x 16mm = 21,94 x 12,44 x 0,16 dm Vbh = Vd = 11 . 21,94 . 12,44 . 0,16 = 480 lít Vậy thể tích của bình chứa cao áp. VCA = 0,7 .480 = 336 lít 7.4. Bình chứa trung gian Công dụng chính của bình trung gian là để làm mát môi chất trung gian giữa các cấp của máy nén. Ngoài ra nó còn có nhiệm vụ tách lỏng môi chất để đảm bảo cho hơi hút tầm cao của máy nén cao áp là hơi bão hoà khô. Trong hệ thống lạnh sử dụng bình trung gian có ống xoắn. Cấu tạo bình trung gian Hình 7.4. Cấu tạo bình trung gian 1.Đường vào của hơi nén trung áp; 2. Đường lỏng cao áp tiết lưu vào bình; 3. Đường ra của hơi trung áp; 4. Các nón chắn; 5. Ống thuỷ tối và van phao; 6. Phin lọc; 7. Ống xoắn TĐN; 8. Đường xả dầu; 9. Đường tháo lỏng ra khỏi bình; 10. Đường ra lỏng cao áp; 11. Van an toàn; 12. Áp kế; 13. Lỗ cân bằng Tính diện tích bề mặt ống xoắn dựa vào bề mặt truyền nhiệt để chọn bình trung gian cho thích hợp. F= K: hệ số dẫn nhiệt thép, K = 54. ∆ttb: khoảng chênh lệch nhiệt độ, ∆ttb= 31 - (-4) = 350C Q0x – Phụ tải nhiệt của ống xoắn. Q0x= m3 (h5-h6)= 0,029 (645-490) =4,495 kW Suy ra: 7.5. Tháp giải nhiệt Cấu tạo Tháp giải nhiệt là một thiết bị trao đổi nhiệt Hình 7.5. Cấu tạo tháp giải nhiệt Quạt hút; 2. Bộ phận tách nước; 3. Dàn tưới nước; 4. Bộ phận làm tơi nước; 5. Vỏ bảo vệ; 6. Máng chứa nước; 7. Phao cấp nước bổ sung; 8. Đường dẫn nước Tính lưu lượng và diện tích cần thiết Lưu lượng: VM= +C - Nhiệt dung riêng của nước, C= 4,186kJ/kg0C. +r - Khối lượng riêng của nước, r = 998 kg/m3. +Δttb - Độ chênh lệch nhiệt độ của nước vào và ra, Δttb = 29-26,5 = 2,50C. Þ VM = = 9 l/s Diện tích: F = = = 2,1 m2 + qf - Tải nhiệt riêng, qf =45kW/m2. Vậy chọn tháp giải nhiệt có thông gió với lưu lượng nước là 9 l/s. 7.6. Hệ thống đường ống Tất cả đường kính trong của các đường ống được tính theo công thức sau: di= + di - Đường kính trong của ống dẫn. + ω - tốc độ dòng chảy trong ống + m - Lưu lượng thực tế của môi chất đi qua máy. + Vd - Thể tích riêng của môi chất lạnh. Ta chọn vận tốc của môi chất trên đường nén ω = 20m/s, trên đường ống hút ω = 17m/s, trên đường ống dẫn lỏng ω = 0,5 m/s. Đoạn ống m(kg/s) v(m3/kg) ω(m/s) d(mm) Chọn da/ di (mm) Hút hạ áp máy nén cấp đông 0,064 1,8 17 93 108/100 Hút cao áp máy nén cấp đông 0,083 0,4 17 50 76/69 Nén hạ áp máy nén cấp đông 0,064 0,53 20 46,5 76/69 Nén cao áp máy nén cấp đông 0,083 0,13 20 40,9 57/50 Ống dẫn lỏng từ ngưng tụ về BCCA , về BTG và về BCHA 0,303 0,0016 0,7 29,7 38/33,5 Ống dẫn lỏng từ bơm dịch đến tủ cấp đông 0,1995 0,0016 0,7 10 18/14 Ống góp nén môi chất từ cấp nén hạ áp đến trung gian 0,235 0.53 20 88,8 108/100 Ống góp nén môi chất từ cấp nén cao áp đến ngưng tụ 0,303 0,13 20 51 76/79 Ống góp hút môi chất từ trung gian về máy nén cao áp 0,303 0,4 17 95,3 108/100 Ống góp hút môi chất từ BCHA về cấp máy hạ áp 0,2335 0,7 17 172 219/209 KẾT LUẬN Dựa vào các kết quả tính toán trong bài ta có thể lựa chọn những thiết bị chính phù hợp với hệ thống để đưa vào hoạt động. Trong quá trình hoạt động để đảm bảo tính an toàn và ổn định trong vận hành, ta còn phải tính đến phần kiểm tra an toàn hệ thống và tính tự động hóa cho hệ thống. Có như vậy thì hệ thống mới hoạt động an toàn, hiệu quả và đúng yêu cầu đặt ra của người thiết kế. Tuy vậy, trong khuôn khổ nội dung của đề tài, nhóm em không thể trình bày toàn bộ nội dung của phần này mà chỉ chú trọng vào phần tính toán và thiết kế hệ thống theo yêu cầu của đề tài được giao. Kết quả tính toán: Kích thước tủ cấp đông: 3300 x 1660 x 1900 (D x R x C). Số tấm lắc: 11 tấm. Công suất máy nén lắp đặt: 73,2 kW. Thiết bị ngưng tụ: + Công suất thiết bị ngưng tụ: 93,96 kW. + Diện tích bề mặt: 26,06 m2. Thiết bị bay hơi: diện tích trao đổi nhiệt: 540m2 Trong quá trình tính toán thiết kế, tuy đã tính đến các tổn thất cơ bản của hệ thống lạnh nhưng vẫn chưa đề cập đến những tổn thất lạnh có thể có vì đã được bỏ qua để quá trình tính toán được nhanh chóng và đơn giản hơn. Vì vậy kết quả xác định được tuy không phải là chính xác tuyệt đối nhưng cũng đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của hệ thống. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do khả năng có hạn nên chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót. Rất mong Quý Thầy Cô và các bạn đóng góp ý kiến quý báu để giúp đề tài hoàn thiện hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Đức Lợi – Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh – NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội – 1999. [2]. Nguyễn Đức Lợi – Phạm Văn Tùy – Kỹ thuật lạnh cơ sở - NXB Giáo dục – 2007 (tái bản lần thứ 7). [3]. Nguyễn Đức Lợi – Phạm Văn Tùy - Máy và thiết bị lạnh – NXB Giáo dục – 2005 (tái bản lần thứ 4). [4]. Nguyễn Đức Lợi – Phạm Văn Tùy – Bài tập kỹ thuật lạnh – NXB Giáo dục – 2004.