Khảo sát, nghiên cứu và thiết kế hệ thống lạnh bổ sung cho tàu đánh cá xa bờ

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 49 KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH BỔ SUNG CHO TÀU ĐÁNH CÁ XA BỜ SURVEY, RESEARCH AND DESIGN THE SUPPLEMENTARY REFRIGERATION SYSTEMS FOR OFFSHORE FISHING VESSELS Phan Q Trà1, Lê Quang Nam2 Trường Cao đẳng Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng; Email: pqtra@dct.udn.vn Sở Khoa học Cơng nghệ, Thành phố Đà Nẵng; Email: namlq1910@yahoo.com Tóm tắt - Bài báo khảo sát tình trạng bảo quản lạnh tàu đánh bắt cá xa bờ địa bàn thành phố Đà Nẵng; nghiên cứu phương pháp bảo quản hải sản đánh bắt tàu biển; đề xuất phương án bảo quản lạnh bổ sung tàu cá; tính tốn nhu cầu làm lạnh thực tế tàu; thiết kế hệ thống lạnh bổ sung phù hợp với tàu đánh bắt cá xa bờ chọn Nghiên cứu sở để thực chế tạo lắp đặt mơ hình thí điểm hệ thống lạnh bổ sung cho tàu cá; mở triển vọng việc bảo quản thực phẩm cho chuyến biển dài ngày; giúp tăng thời gian biển ngư dân tăng chất lượng sản phẩm đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm Abstract - This article presents our survey on the cooling preservation of fish on offshore fishing vessels in Danang – Vietnam in general and our research on one fishing vessel in particular In this research, the current cooling system of the vessel was investigated, its cooling load demand calculated, and a design of the supplementary refrigeration systems proposed This study is the basis to manufacture and install an supplementary cooling system for a fishing vessel; which opens a new prospect for fish presevation for a long seafaring; lengthening the time on sea of fisherman as well as increasing the quality of fish and food hygiene and safety Từ khóa - đánh bắt xa bờ; hệ thống lạnh; thiết bị bay hơi; thiết bị ngưng tụ; máy nén lạnh; tàu cá Key words - key words–Offshore fishing; refrigeration system; evaporator; condenser; compressor; fishing vessel Đặt vấn đề Đà Nẵng thành phố biển trung tâm miền Trung, nơi có nhiều tiềm phát triển có tiềm khai thác thủy hải sản, ngư nghiệp.Theo thống kê năm 2011 Cục ngư nghiệp, sản lượng khai thác hải sản 2.226.600 tăng gấp 4,6 lần so với năm 2001; Giá trị kim ngạch xuất từ khai thác hải sản đạt gần tỷ USD, chiếm 33% tổng số kim ngạch xuất thủy sản (6,1 tỷ USD), tạo công ăn việc làm cho khoảng 700 nghìn lao động trực tiếp biển [1] Tuy nhiên, hoạt động khai thác thủy sản quy mô đánh bắt nhỏ lẻ, phân tán thiếu liên kết; công nghệ khai thác, đặc biệt công nghệ bảo quản sản phẩm sau đánh bắt lạc hậu Các phương pháp bảo quản theo phương pháp truyền thống bảo quản hầm gỗ, ướp sản phẩm nước đá xay, ướp muối Chính điều nguyên nhân khiến sụt giảm suất, sản lượng chất lượng hải sản sau khai thác, tổn thất sau thu hoạch chiếm gần 20% tổng giá trị Do đó, yêu cầu thực tế tìm kiếm giải pháp tối ưu vấn đề bảo quản sản phẩm sau thu hoạch động lực, mục tiêu then chốt đề tài Chúng tơi, nhóm nghiên cứu mong muốn đề xuất phương án nhằm giải toán giảm tối đa tổn thất sau khai thác: tổn thất nguyên liệu (đá cây); tổn thất hư hại hải sản…Trên sở đó, với việc triển khai đề tài “Nghiên cứu hệ thống lạnh cho tàu cá phục vụ nhu cầu đánh bắt xa bờ” không hướng đến mục tiêu tiết kiệm nguyên liệu đá bảo quản lạnh, giảm tải trọng tàu khơi mà đạt ý nghĩa lớn giảm tổn thất lạnh sau thu hoạch khai thác hải sản, kéo dài thời gian biển, nâng cao suất chất lượng sản phẩm thu hoạch Hệ thống lạnh bổ sung góp phần tiết kiệm chi phi từ đánh bắt thủy sản cho ngư dân, nâng cao hiệu kinh tế Khảo sát, nghiên cứu thiết kế hệ thống lạnh bổ sung cho tàu đánh cá xa bờ: 2.1 Khảo sát, đánh giá: Căn kết khảo sát 30 đơn vị tàu cá địa bàn thành phố Đà Nẵng với kết cụ thể sau: - Kết khảo sát cho thấy 86,7 % tàu cá chọn khảo sát hầm bảo quản bảo ôn sơ sài Các tàu cách nhiệt 1-3 lớp với vật liệu có khả cách nhiệt khơng cao mút, xốp, ván gỗ Chỉ 13,3% tàu cá bảo ôn tốt với lớp hay phủ PU Thực tế khảo sát cho thấy tàu bảo ôn, cách nhiệt tốt lượng đá mang theo với thời gian biển (Bảng 1) Bảng Cấu trúc lớp cách nhiệt tàu cá Cấu tạo lớp Phủ PU cách nhiệt Ván, xốp Ván, xốp, mút Ván, xốp, mút trắng, mút đen Ván, giấy dầu, xốp, mút Ván, xốp, mút, bao bọc Ván, mút mỏng, xốp, mút mỏng, mút đen Ván, mút mỏng, giấy dầu, xốp, mút mỏng, giấy dầu, mút trắng, mút đen Số tàu 10 10 (Trích báo cáo đánh giá khảo sát 30 đơn vị tàu địa bàn thành phố Đà Nẵng – Trung tâm Tiết kiệm lượng tư vấn chuyển giao công nghệ Đà Nẵng)[2] - Phương pháp bảo quản hải sản tàu xếp xen kẽ lớp đá lớp hải sản Phương pháp hiệu hầm có khả trữ lạnh tốt, nhiên hầm vách gỗ, không cách nhiệt tốt sau thời gian ngắn, tổn thất nhiệt hệ nhanh làm hỏng sản phẩm Kết khảo sát thực tế trước sau chuyến khơi cho thấy bắt đầu khơi, với lượng đá xay 50 Phan Quí Trà, Lê Quang Nam lớn, nhiệt độ hầm đạt mức 4-5 C, nhiên tàu cá vào bờ lượng đá cịn lại khoang giảm đáng kể, nhiệt độ hầm bảo quản tăng kéo theo hải sản bị mềm, nhũn, lượng hải sản đạt yêu cầu công ty chế biến thủy sản không cao Việc tổn thất lạnh hầm bảo quản điều tất yếu với đa số kết cấu hầm bảo quản (Hình 1) lượng đá cần thiết để làm lạnh nước hầm bảo quản từ nhiệt độ môi trường nhiệt độ bảo quản lượng đá cần thiết để trì nhiệt độ bảo quản hầm 0oC Trong đó, nhiệt độ bảo quản tối ưu từ 10oC trở xuống nhiệt độ âm Vì điều kiện loại vi khuẩn thường phát triển gây giảm chất lượng hải sản (hình 2) 2.2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống lạnh bổ sung cho tàu đánh bắt xa bờ 2.2.1 Hiện trạng tàu cá lựa chọn triển khai Trên sở yêu cầu đề tài lựa chọn tàu cá ông Đồng Văn Đền để thực đề tài Chúng ghi nhận tàu đóng mới, thuộc lĩnh vực khai thác thủy sản lưới cảng, công suất tàu 840 CV (mã lực), sản lượng khai thác thực tế ước tính đạt 20 hải sản (tàu gồm hầm hầm có sản lượng trung bình đạt 3,5 tấn, tổng sản lượng 20 – 21 hải sản), thời gian tàu khai thác đánh bắt biển từ 15 – 20 ngày Hình Phương pháp bảo quản hải sản tàu cá [3] - Theo kết khảo sát nghiên cứu khác tàu đánh bắt cá tàu cá sử dụng nước đá bảo quản có tỷ lệ tổn thất sau khai thác 20% với phương pháp ướp muối truyền thống lượng tổn thất lên tới 30% Bảng Nhiệt độ hầm bảo quản thời gian biển Nhiệt độ (0C) 0,5 10 Thời gian bảo quản 11-12 ngày 6-8 ngày 5-6 ngày 3,5 ngày 2-3 ngày 20-30 (Theo Báo cáo khảo sát đánh giá 30 tàu cá Đà Nẵng) [2] Nhiệt độ thời gian bảo quản sản phẩm hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Đây vấn đề mà thuyền trưởng, chủ tàu cá chưa nhận thức đầy đủ Tại số nước có đánh bắt cá tiên tiến, nhiệt độ hầm bảo quản ln trì nhiệt độ âm Điều làm cho thời gian đánh bắt kéo dài đáng kể Bảng Thơng số vật liệu kích thước hầm lạnh dự kiến thực Vật liệu làm hầm Gỗ, mốp, xốp cách nhiệt poly styrofor Kích thước hầm Thời gian biển Đáy dưới: 3700 mm Đáy trên: 4250 mm 20 ngày Cao: 2400 mm Rộng: 1000 mm Bảng Thông số kỹ thuật thiết bị tàu Máy Hãng sản xuất CUMMINS Nơi sản xuất Mỹ Số xi lanh xi lanh Ký hiệu S6A-MTK Công suất định 520 HP mức [HP] Số vòng quay 2000 v/phút định mức Hộp số TQ Tỉ số truyền 4,5:1 Khởi động Điện Làm mát Trực tiếp Máy phụ Hãng sản xuất DAEWOO Nơi sản xuất Hàn Quốc Số xi lanh xi lanh Ký hiệu DAEWOO Cơng suấtđịnh 320 HP mức [HP] Số vịng quay 2200 v/phút định mức Hộp số TQ Tỉ số truyền 4:1 Khởi động Điện Làm mát Trực tiếp - Với trạng hầm tàu nêu trên, đề tài thực cải tạo hoàn toàn vật liệu làm hầm sang Inox 304, dày 2mm Hầm lạnh inox bao bọc xung quanh xốp cách nhiệt PU (Polyurethane) đảm bảo hầm cách nhiệt tốt hơn, giúp đá hầm lâu bị tan chảy, đảm bảo chất lượng hải sản an tồn, ngun vẹn - Thơng số kỹ thuật đặc thù hoạt động máy tàu liên tục 24/24 phù hợp để đề tài lựa chọn động máy làm nguồn truyền động thơng qua 02 dây curoa để vận hành kéo máy nén lạnh Hình Cấp độ hoạt động vi khuẩn theo nhiệt độ bảo quản hải sản[3] Một số nghiên cứu, khảo sát cho thấy lượng đá cần thiết để bảo quản hải sản bao gồm lượng nước đá cần thiết để làm hải sản từ nhiệt độ môi trường nhiệt độ bảo quản, - Tính tốn kích cỡ Puli phù hợp với tỉ số truyền động trục động trục quay máy nén lạnh: Tốc độ vịng quay thực tế máy 2000 v/phút; Tỉ số truyền động 1:1.2; Loại truyền động đai thang 2.2.2 Xây dựng quy trình tính tốn thiết kế Quy trình tính tốn, thiết kế lựa chọn thiết bị cho hệ thống lạnh bổ sung tàu cá thực theo trình tự bước: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 51 Hình Quy trình tính tồn thiết kế hệ thống lạnh bổ sung cho tàu đánh bắt xa bờ Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh 2.2.3 Lựa chọn môi chất lạnh: Môi chất lạnh lựa chọn dựa vào hai yếu tố là: khả truyền nhiệt điều kiện môi trường biển ảnh hưởng môi chất đến môi trường, chất lượng sản phẩm Trong dự án này, lựa chọn môi chất lạnhlà R134a với ưu điểm sau: môi chất lạnh hệ thống lạnh sử dụng phương tiện giao thông vận tải, đảm bảo yếu tố môi trường không gây hiệu ứng nhà kính, khơng ảnh hưởng tầng Ozone, khơng làm ảnh hưởng sản phẩm rị rỉ, mơi chất lạnh thường sử dụng cho hệ thống lạnh nhỏ vừa Với môi chất lạnh lựa chọn, chúng tơi sử dụng đồ thị Lgp-h từ xác định thông số nhiệt động môi chất lạnh điểm nút chu trình lạnh 2.2.4 Lựa chọn phương pháp truyền nhiệt thiết bị bay hầm lạnh bảo quản: Đối với hệ thống lạnh thông thường, phương pháp truyền nhiệt thiết bị bay hầm lạnh thường đối lưu cưỡng bức, ống đồng thiết bị bay gắn cánh để tăng diện tích trao đổi nhiệt đồng thời có thêm cánh quạt để tăng cường khả trao đổi nhiệt hầm Tuy nhiên, với hầm lạnh sử dụng tàu cá, hoạt động môi trường muối biển, ống đồng cánh mau chóng bị oxi hóa ảnh hưởng đến hiệu suất lạnh hệ thống tuổi thọ hệ thống lạnh Vì vậy, chúng tơi định lựa chọn phương pháp truyền nhiệt đối lưu tự nhiên với chất tải lạnh trung gian dầu truyền nhiệt “Shell - Thermia Oil B” Dựa vào thông số kỹ thuật loại dầu truyền nhiệt này, với tính tốn truyền nhiệt, chúng tơi xác định loại dầu đủ khả truyền nhiệt lượng từ thiết bị bay đến vách hầm lạnh để đảm bảo trì nhiệt độ hầm cá độ C [4] Bảng Bảng đánh giá khả truyền nhiệt dầu Giải thích Kí hiệu Giá trị Công suất truyền nhiệt dầu Q 3171 Hệ số truyền nhiệt từ dầu sang K dầu33.75 thành inox sang nước inox-nước Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F 9.085 Độ chênh nhiệt độ logarit Delta T 10.34 chất lỏng vào Công suất nhiệt cần thiết Q0 1689 hệ thống lạnh Đơn vị W W/m2.K m2 K W 52 Phan Quí Trà, Lê Quang Nam 2.2.5 Tính tốn thiết bị bay hơi: Bảng Các thông số thiết kế module thiết bị bay Thông số dàn lạnh Danh mục Giá trị Công suất dàn lạnh [W] Chiều cao [mm] Chiều rộng [mm] Diện tích mặt trao đổi nhiệt [m2] Diện tích mặt sau [m2] Khối lượng vỏ dàn lạnh [kg] Số vít gơng Chiều dài ống đồng [m] Khối lượng đồng [kg] Tổng khối lượng dàn lạnh [kg] 595.82 2400 1220 2.785 2.928 140.77 12 25.23 6.32 Số lượng 3 3 3 441.3 Tổng 1787.5 422.30 36 75.71 18.94 Hình Mơ hình hầm bảo quản lạnh Hình Bảng vẽ chi tiết hầm bảo quản lạnh Bảng Các thông số thiết kế hầm bảo quản lạnh Hình Mơ hình thiết bị bay Để tính tốn cho phần này; chúng tơi sử dụng cơng suất lạnh cần thiết Q0 tính phần hệ số truyền nhiệt - từ môi chất R134a qua vách trụ ống đồng sau qua dầu truyền nhiệt đến vách hầm bảo quản; từ dựa vào công thức sau để xác định chiều dài ống đồng dàn bay 𝑄0 = 𝑘𝑀𝐶−đồ𝑛𝑔−𝑑ầ𝑢 𝐹 ∆𝑇 [5] (1) 𝐹= 𝑄0 ∆𝑇.𝑘𝑀𝐶−đồ𝑛𝑔−𝑑ầ𝑢 (2) Từ diện tích trao đổi nhiệt cần thiết, để thuận tiện kinh tế cho việc chế tạo lắp đặt, chúng tơi tính tốn thiết kế module cụm ống đồng trao đổi nhiệt, module có chiều dài 1.22 m x cao 2.4m (theo khổ inox) Chúng tơi bố trí 22 ống đồng ϕ12-dày 0.8 với bước ống 80mm Bước ống tính tốn, đảm bảo độ cong uốn ống đồng không gấp Sau có thống số chúng tơi xây dựng mơ hình 3D module ống hình [6]: 2.2.6 Thiết kế hầm lạnh vẽ chi tiết: Với module dàn lạnh xây dựng xong; kết hợp với hình dạng kích thước kho lạnh khảo sát thực tế tàu cá, chúng tơi lập mơ hình hồn chỉnh hệ thống lạnh Dưới dây mơ hình thiết bị bay hầm bảo quản lạnh Thông số vỏ hầm – Vật liệu inox 304 Danh mục Giá trị Chiều cao [mm] 2400 Chiều rộng [mm] 1000 Chiều dài đáy nhỏ [mm] 3700 Chiều dài đáy lớn [mm] 4250 Tổng diện tích xung quanh (đã trừ diện tích 15.13 dàn bay hơi) [m2] Diện tích đáy [m ] 3.7 Khối lượng riêng inox [kg/m3] 8000 Khối lượng thực vỏ hầm [kg] 286.10 2.2.7 Tính chọn máy nén lạnh: Máy nén lạnh đề tài phải máy nén lạnh kiểu hở tàu khơng có điện để trì hoạt động liên tục máy Vì phải sử dụng phương pháp truyền động đai từ trục động máy tàu đến máy nén để vận hành hệ thống lạnh Các thông số đầu vào để chọn máy nén bao gồm: Bảng Các thông số yêu cầu để lựa chọn máy nén lạnh Kiểu máy Loại môi chất Nhiệt độ bay môi chất Nhiệt độ lỏng đầu hút Công suất lạnh yêu cầu ( Q0 nhân với hệ số an tồn 1.5) Nhiệt độ ngưng tụ mơi chất Máy nén piston loại hở R134a -5oC oC 2533 kW 43 độ C ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN Từ liệu chọn sử dụng máy nén lạnh piston loại hở hãng Bitzer 2T.2Y (Đức) phù hợp với yêu cầu với thông số kĩ thuật sau: Bảng Thông số kỹ thuật máy nén lạnh Bitzer 2T.2Y[7] (Tài liệu từ trang www.bitzer.de) Mô tơ kéo cần thiết Công suất lạnh Tốc độ động Dải tốc độ hoạt động Dung tích xy lanh 3.00 kW 6.40 kW 1450 vòng/ phút 750-1750 vòng/ phút x 60mm x 40mm Bảng 10 Các thông số để thiết kế thiết bị ngưng tụ Nội dung Thông số Kiểu ống chùm nằm ngang; môi chất Kiểu thiết bị ngưng ngưng tụ ống, nước biển ống tụ (để giải nhiệt cho môi chất lạnh) Công suất nhiệt thiết 5000W bị ngưng tụ Môi chất R134a Nhiệt độ nước biển 25oC vào bình ngưng Nhiệt độ nước biển 30 oC bình ngưng Ống trao đổi nhiệt đồng thau, vỏ bình Vật liệu, cấu tạo thép CT3 phủ kín nhựa Eboxy bình ngưng ống có khả chống ăn mịn mơi chùm nằm ngang trường biển Bình ngưng có ống trao đổi nhiệt đồng thau phù hợp với môi chất R134a, Khả ứng dụng vừa loại trừ vấn đề tắc bẩn, vừa có khả trao đổi nhiệt tốt Hình Máy nén lạnh Bitzer 2T.2Y 2.2.8 Tính tốn thiết bị ngưng tụ: Sau tính tốn nhiệt chúng tơi đề xuất lựa chọn thiết bị ngưng tụ cho hệ thống lạnh bổ sung, thông tin kỹ thuật thiết bị sau [6]: Trên sở tính tốn thiết kế thiết bị hệ thống lạnh, tiến hành chế tạo lắp đặt hệ thống tàu cá Hình 10 53 Hình Mơ hình bình ngưng Hình 10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh tàu cá 54 Phan Quí Trà, Lê Quang Nam Kết luận Trên tính tốn, thiết kế hệ thống lạnh bổ sung cho tàu đánh bắt cá xa bờ, vẽ kĩ thuật yêu cầu kỹ thuật q trình lắp đặt mơ hình hệ thống lạnh Kết sở khoa học để thực việc lập dự tốn kinh phí thi công, chế tạo lắp đặt hệ thống lạnh Kết đề tài, mở triển vọng việc áp dụng rộng rãi công nghệ vào trình khai thác thủy hải sản biển, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, thực mục tiêu giảm tổn thất sau thu hoạch khai thác hải sản xuống 10% theo chương trình Bộ Nơng nghiệp Phát triển Nơng thơn Chính phủ theo lộ trình đến năm 2020 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cục ngư nghiệp, Báo cáo thống kê tình hình khai thác thuỷ sản, 2011 [2] Trung tâm Tiết kiệm lượng Tư vấn chuyển giao công nghệ Đà Nẵng, Báo cáo đánh giá khảo sát 30 tàu cá TP Đà Nẵng, 2013 [3] http://www.fao.org/docrep/v7180e/v7180e07.htm [4] Shell Corp., Technical data sheet – Shell Thermia Oil B, 2011 [5] Đặng Quốc Phú, Phạm Lê Dần, Cơ sở kỹ thuật Nhiệt, Khoa học Kỹ thuật, 2007 [6] Nguyễn Đức Lợi, Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh, Khoa học kỹ thuật, 2005 [7] http://www.bitzer.de (BBT nhận bài: 27/09/2014, phản biện xong: 14/10/2014) ... lượng hải sản (hình 2) 2.2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống lạnh bổ sung cho tàu đánh bắt xa bờ 2.2.1 Hiện trạng tàu cá lựa chọn triển khai Trên sở yêu cầu đề tài lựa chọn tàu cá ông Đồng Văn Đền để... Quang Nam Kết luận Trên tính tốn, thiết kế hệ thống lạnh bổ sung cho tàu đánh bắt cá xa bờ, vẽ kĩ thuật yêu cầu kỹ thuật trình lắp đặt mơ hình hệ thống lạnh Kết sở khoa học để thực việc lập dự... tốn thiết kế thiết bị hệ thống lạnh, tiến hành chế tạo lắp đặt hệ thống tàu cá Hình 10 53 Hình Mơ hình bình ngưng Hình 10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh tàu cá 54 Phan Quí Trà, Lê Quang Nam Kết