TỔNG QUAN
Tổng quan về kho lạnh
Kho lạnh bảo quản là không gian chuyên dụng để lưu trữ thực phẩm, nông sản, rau quả, cũng như các sản phẩm từ ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm.
Kho lạnh hiện nay được ứng dụng phổ biến trong ngành chế biến thực phẩm, chiếm tỷ lệ lớn trong việc bảo quản hàng hóa Các mặt hàng được bảo quản trong kho lạnh rất đa dạng, bao gồm thực phẩm tươi sống, đông lạnh, và các sản phẩm chế biến sẵn.
- Kho bảo quản thực phẩm chế biến như: thịt, hải sản, đồ hộp,
- Kho bảo quản nông sản thực phẩm hoa quả.
- Bảo quản các sản phẩm y tế, dược liệu.
- Kho bảo quản và lên men bia.
- Bảo quản các sản phẩm khác.
Việc thiết kế kho lạnh phải đảm bảo một số yêu cầu cơ bản sau:
- Cần phải tiêu chuẩn hóa các kho lạnh.
- Cần phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe của sản phẩm xuất khẩu.
- Cần có khả năng cơ giới hóa cao trong các khâu bốc dỡ sắp xếp hàng.
- Có giá trị kinh tế: vốn đầu tư nhỏ, có thể sử dụng máy và thiết bị trong nước,
Với những yêu cầu nhiều khi mâu thuẫn nhau như trên, ta phải đưa ra những phương pháp thiết kế với hoàn cảnh Việt Nam.
Có nhiều kiểu kho bảo quản dựa trên những căn cứ phân loại khác nhau:
Người ta có thể phân ra các loại kho lạnh như sau:
Kho lạnh sơ bộ là hệ thống được sử dụng để làm lạnh sơ bộ hoặc bảo quản tạm thời thực phẩm tại các nhà máy chế biến Chức năng chính của kho lạnh sơ bộ là giữ cho thực phẩm ở nhiệt độ an toàn trước khi chúng được chuyển sang các khâu chế biến tiếp theo Việc sử dụng kho lạnh sơ bộ giúp đảm bảo chất lượng và độ tươi ngon của thực phẩm trong quá trình chế biến.
Kho chế biến là một phần quan trọng trong các nhà máy chế biến và bảo quản thực phẩm như nhà máy đồ hộp, nhà máy sữa, nhà máy chế biến thủy sản và nhà máy xuất khẩu thịt Những kho lạnh này thường có dung tích lớn và yêu cầu hệ thống làm lạnh có công suất cao để đáp ứng nhu cầu bảo quản Do đặc thù xuất nhập hàng thường xuyên, phụ tải của kho lạnh cũng thường xuyên thay đổi.
Kho lạnh phân phối và trung chuyển đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thực phẩm cho các khu dân cư và thành phố, đồng thời đảm bảo nguồn dự trữ lâu dài Với dung tích lớn và khả năng lưu trữ nhiều mặt hàng, kho lạnh không chỉ phục vụ nhu cầu tiêu dùng mà còn góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống của cộng đồng.
Kho thương nghiệp là kho lạnh chuyên dụng để bảo quản thực phẩm trong hệ thống thương mại Nó được sử dụng để lưu trữ tạm thời các mặt hàng mà doanh nghiệp đang cung cấp trên thị trường.
Kho vận tải, bao gồm kho trên tàu thủy, tàu hỏa và ô tô, có đặc điểm nổi bật là dung tích lớn Hàng hóa được bảo quản tại đây thường mang tính tạm thời, phục vụ cho việc vận chuyển từ địa điểm này đến địa điểm khác.
- Kho sinh hoạt: đây là loại kho rất nhỏ dùng trong các hộ gia đình, khách sạn, nhà hàng dùng bảo quản một lượng hàng nhỏ.
Người ta có thể chia ra:
Kho bảo quản lạnh cần duy trì nhiệt độ từ -2˚C đến 5˚C để đảm bảo chất lượng thực phẩm Một số loại rau quả nhiệt đới như chuối và chanh yêu cầu nhiệt độ bảo quản cao hơn, cụ thể chuối trên 10˚C và chanh trên 4˚C Chủ yếu, kho này lưu trữ các mặt hàng rau quả và nông sản.
Kho bảo quản đông là nơi lưu trữ các mặt hàng thực phẩm đã qua cấp đông, chủ yếu là sản phẩm có nguồn gốc động vật Nhiệt độ bảo quản cần được điều chỉnh tùy thuộc vào loại thực phẩm và thời gian bảo quản, nhưng tối thiểu phải đạt -18˚C để ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật, từ đó bảo vệ chất lượng thực phẩm trong suốt quá trình lưu trữ.
Kho đa năng có khả năng điều chỉnh nhiệt độ bảo quản từ -12˚C đến -18˚C, phù hợp với các yêu cầu công nghệ khác nhau Khi cần bảo quản lạnh, nhiệt độ có thể nâng lên 0˚C, trong khi đó, để bảo quản đông, nhiệt độ có thể hạ xuống -18˚C Kho này thường được trang bị dàn quạt, nhưng cũng có thể sử dụng dàn tường hoặc dàn trần để đảm bảo lưu thông không khí tự nhiên.
Kho gia lạnh là thiết bị quan trọng trong việc làm lạnh sản phẩm, hạ nhiệt độ từ môi trường xuống mức bảo quản lạnh hoặc gia lạnh sơ bộ cho sản phẩm đông lạnh trong quy trình kết đông 2 pha Nhiệt độ trong kho có thể điều chỉnh từ -5˚C đến cao hơn một vài độ so với nhiệt độ đóng băng của sản phẩm Để tăng tốc độ gia lạnh, kho thường được trang bị dàn quạt hiệu quả.
- Kho bảo quản nước đá: nhiệt độ tối thiểu -4˚C.
Kích thước kho lạnh chủ yếu được xác định bởi dung tích hàng hóa bên trong Mỗi loại thực phẩm có đặc điểm và khả năng chất tải khác nhau, do đó, dung tích thường được quy đổi ra tấn thịt.
1.1.2.4 Theo đặc điểm cách nhiệt
Kho xây là loại kho có kết cấu kiến trúc với lớp cách nhiệt bên trong, nhưng thường chiếm diện tích lớn và có giá thành cao Bên cạnh đó, kho xây không đẹp, khó tháo dỡ và di chuyển, đồng thời cũng không đảm bảo về mặt thẩm mỹ và vệ sinh Do đó, hiện nay, việc sử dụng kho xây để bảo quản thực phẩm tại Việt Nam ngày càng ít phổ biến.
Kho panel được cấu tạo từ các tấm panel tiền chế polyuretan, kết nối với nhau bằng móc khóa cam locking và mộng âm dương Với thiết kế đẹp mắt, gọn gàng và chi phí hợp lý, kho panel mang lại sự tiện lợi trong việc lắp đặt, tháo dỡ và bảo trì.
Nhiều doanh nghiệp tại Việt Nam hiện nay đã sản xuất các tấm panel cách nhiệt đạt tiêu chuẩn cao, đáp ứng nhu cầu bảo quản hàng hóa trong ngành thực phẩm, nông sản, thuốc men và dược liệu Do đó, hầu hết các xí nghiệp và cơ sở công nghiệp thực phẩm đều sử dụng kho panel để đảm bảo chất lượng và an toàn cho sản phẩm của mình.
Cơ sở khoa học của lạnh đông thực phẩm
Bảo quản thực phẩm là quá trình bảo vệ chất lượng và hình thức của thực phẩm cho đến khi sử dụng Sau khi thu hoạch, thực phẩm cần được chế biến và bảo quản ở nhiệt độ thấp, kết hợp với thông gió và độ ẩm phù hợp trong kho lạnh Việc hạ nhiệt độ giúp ức chế hoạt động của enzyme và vi sinh vật, từ đó giữ cho nguyên liệu tươi lâu hơn.
Khi nhiệt độ dưới 10˚C, hoạt động của vi sinh vật gây thối rữa và vi khuẩn gây bệnh bị kiềm chế, và khi nhiệt độ dưới 0˚C, tỷ lệ phát triển của chúng rất thấp Ở mức -5˚C đến -10˚C, hầu hết các vi sinh vật không hoạt động Tuy nhiên, một số loài như Cloromobacter và Pseudomonas vẫn có thể phát triển ở nhiệt độ -15˚C Do đó, để bảo quản thực phẩm, đặc biệt là thủy sản, nhiệt độ cần phải duy trì dưới -15˚C.
1.2.2 Sự kết tinh của nước trong thực phẩm khi lạnh đông 1.2.2.1 Những tác động sự kết tinh nước đối với thực phẩm
Sự kết tinh nước là hiện tượng quan trọng ảnh hưởng đến tính chất thực phẩm, khi nước chuyển sang trạng thái rắn, môi trường lỏng cho vi sinh vật và enzyme bị mất đi Quá trình này giảm mức năng lượng đáng kể, hơn cả việc giảm nhiệt độ, dẫn đến việc tiêu diệt hoặc kìm chế hoạt động của vi sinh vật và hạn chế tác động của enzyme Kết quả là, sự biến đổi hóa học của thực phẩm được giảm thiểu, đồng thời cấu trúc thực phẩm được bảo vệ bởi nước đá, hạn chế tác động từ môi trường bên ngoài trong quá trình vận chuyển và bảo quản.
Vì vậy, làm đông là biện pháp bảo vệ tốt nhất những tính chất ban đầu của thực phẩm trong một thời gian rất dài [1] [2].
Khi nước kết tinh, thể tích sẽ giản nở, gây rách vỡ cấu trúc thực phẩm và làm thay đổi một số tính chất của nó Quá trình này không chỉ tăng tốc độ mất nước mà còn có thể làm biến tính các chất dinh dưỡng liên kết tốt với nước, dẫn đến giảm mùi vị, khả năng hút nước và giữ nước của thực phẩm, đồng thời còn làm thay đổi màu sắc của chúng.
1.2.2.2 Quá trình kết tinh nước
Quá trình kết tinh của nước diễn ra khi nhiệt độ giảm, dẫn đến sự giảm năng lượng và chuyển động tự do của các phần tử chất lỏng Khi nhiệt độ gần 0 °C, các phần tử rắn ngừng chuyển động, tạo ra lực liên kết giữa các phân tử nước, hình thành các mầm tinh thể nước đá Trong nước luôn có những phần tử rắn nhỏ, và ở nhiệt độ này, các mầm tinh thể hút các phần tử nước xung quanh để tăng kích thước, trong khi số lượng mầm tinh thể mới hình thành lại ít hơn.
Nước trong cấu trúc thực phẩm chịu ảnh hưởng từ các chất tan và không tan, dẫn đến sự thay đổi trạng thái ở các vị trí khác nhau Do đó, nhiệt độ của nước trong thực phẩm cũng có sự khác biệt.
1.2.2.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới sự kết tinh nước Nồng độ chất ban đầu
Khi nồng độ chất tan trong nước tăng, nhiệt độ kết tinh của nước sẽ giảm Điều này xảy ra vì các chất hòa tan làm cản trở sự kết hợp của các phân tử nước Cụ thể, với mỗi gam chất tan thêm vào, nhiệt độ kết tinh của nước giảm khoảng 1,84˚C Do đó, mức độ giảm nhiệt độ kết tinh của nước phụ thuộc vào nồng độ của chất tan.
Với - n: số phân tử gam các chất tan
- : độ giảm nhiệt độ kết tinh
Khi nhiệt độ kết tinh của nước trong thực phẩm giảm, các tinh thể đá hình thành sẽ nhỏ và dài, giảm thiểu ảnh hưởng đến cấu trúc thực phẩm Ở khoảng nhiệt độ (-20 ÷ -10) °C, tinh thể đá có kích thước lớn và không đều, trong khi ở (-22 ÷ -20) °C, chúng trở nên nhỏ và đồng đều Nếu nhiệt độ tiếp tục giảm, các tinh thể đá sẽ rất nhỏ và số lượng tinh thể sẽ tăng lên đáng kể Hiện tượng quá lạnh xảy ra khi nhiệt độ dưới 0 °C mà nước chưa kết tinh thành đá, phụ thuộc vào nồng độ chất tan, cấu trúc màng tế bào và tốc độ hạ nhiệt độ của môi trường xung quanh Cần lưu ý rằng nhiệt độ điểm quá lạnh và nhiệt độ điểm đóng băng là hoàn toàn khác nhau.
Các tinh thể đá hình thành ở điểm quá lạnh, tạo ra ẩn nhiệt đóng băng và làm tăng nhiệt độ thực phẩm Tốc độ thải nhiệt không kịp với tốc độ sinh nhiệt do sự hình thành tinh thể đá, dẫn đến việc nước tự do cấu trúc bị tách ra và kết tinh Nhiệt độ thực phẩm tăng lên đến một mức cao nhất và giữ ở đó trong một thời gian để hoàn tất quá trình đóng băng nước tự do, đây được gọi là điểm đóng băng Sau đó, nhiệt độ tiếp tục giảm Quá trình này khác nhau tùy thuộc vào từng loại thực phẩm, với điểm quá lạnh và điểm đóng băng riêng biệt cho mỗi loại.
Hình 1.1 Quá trình hình thành điểm đóng băng Tốc độ làm đông
Tốc độ làm đông được xác định qua sự di chuyển của vạch phân cách giữa nước đang kết tinh và nước chưa kết tinh, và thường được phân loại thành làm đông chậm, nhanh và rất nhanh Đối với nhiều loại thực phẩm, ranh giới giữa làm đông chậm và nhanh thường là 3cm/h Tốc độ làm đông có ảnh hưởng đáng kể đến kích thước tinh thể nước đá và chất lượng của thực phẩm.
Hình 1.2 Đường biểu diễn nhiệt độ - thời gian trong quá trình cấp đông
Quá trình làm đông chậm diễn ra khi nhiệt độ giảm từ từ, tạo điều kiện cho nước đá kết tinh và hấp thụ các phân tử nước xung quanh Điều này dẫn đến việc hình thành ít tinh thể, nhưng thể tích của các tinh thể nước đá lại lớn hơn, ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc của sản phẩm (Felix Franks, 1997).
Quá trình làm đông nhanh giúp giảm nhiệt độ thực phẩm một cách nhanh chóng nhờ vào sự trao đổi nhiệt lớn, dẫn đến việc hình thành các tinh thể nước đá nhỏ và nhiều Điều này có lợi cho cấu trúc và chất lượng sản phẩm, vì mức độ di chuyển của nước trong quá trình kết tinh là ít, hạn chế ảnh hưởng tiêu cực đến thực phẩm.
Quá trình làm đông cực nhanh giúp nước trở về trạng thái ban đầu với nhiệt độ kết tinh thấp, tạo ra các tinh thể nước đá nhỏ và mảnh Điều này dẫn đến các tinh thể đá có thể ở dạng vô định hình, từ đó không ảnh hưởng đến cấu trúc và chất lượng của thực phẩm (Taylor, 1993).
Trạng thái chất lượng của thực phẩm
Chất lượng thực phẩm thường liên quan đến trạng thái nước trong thực phẩm, với nước tồn tại dưới hai dạng: nước tự do và nước liên kết Nước tự do không tham gia vào cấu trúc thực phẩm, trong khi nước liên kết gắn bó với các thành phần chất tan và chất rắn Khi chất lượng thực phẩm giảm, tỷ lệ nước tự do tăng và nước liên kết giảm Quá trình biến đổi tự nhiên, đặc biệt trong giai đoạn co cứng của động vật, làm giảm các trung tâm giữ nước, dẫn đến khả năng di chuyển của nước tăng, hình thành các tinh thể nước đá lớn hơn, giảm khối lượng thực phẩm và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng thực phẩm.
1.2.2.4 Sự kết tinh của nước trong thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ lạnh đông
Khi đông lạnh thực phẩm, việc xác định nhiệt độ đông lạnh tối ưu là rất quan trọng Nhiệt độ này cần đảm bảo rằng ít nhất 86% lượng nước tự do và nước liên kết hóa lý trong thực phẩm phải kết tinh, giúp giảm thiểu sự tồn tại của nước ở dạng lỏng, từ đó ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật Đối với phương pháp đông lạnh phục vụ cho sấy thăng hoa, yêu cầu là nước trong thực phẩm phải hoàn toàn kết tinh để đảm bảo chất lượng sản phẩm sau khi sấy.
1.2.3 Những biến đổi của sản phẩm lạnh đông trong quá trình bảo quản 1.2.3.1 Biến đổi về mặt vật lý
Tình hình ngoài nước
Con người đã sử dụng phương pháp làm lạnh từ rất lâu, khoảng 5000 năm trước, khi họ biết cách bảo quản thực phẩm trong các hang động có nhiệt độ thấp nhờ vào các mạch nước ngầm lạnh.
Cách đây 2500 năm, các bức tranh tường trong kim tự tháp Ai Cập đã ghi lại hình ảnh nô lệ quạt nước từ bình gốm xốp để làm mát không khí Cách đây 2000 năm, người Ấn Độ và Trung Quốc đã phát minh ra phương pháp trộn muối vào nước hoặc nước đá để giảm nhiệt độ.
Kỹ thuật lạnh hiện đại bắt đầu phát triển từ những năm 1761-1764 khi giáo sư Black phát hiện ra ẩn nhiệt hóa hơi và ẩm nhiệt ngưng tụ Trước đó, con người đã biết đến phương pháp làm lạnh thông qua việc bay hơi chất lỏng ở áp suất thấp Năm 1780, Clouet và Monge đã thành công trong việc hóa lỏng khí CO2 Đến thế kỷ 19, Faraday tiếp tục mở rộng khả năng này khi hóa lỏng nhiều chất khí như H2S, CO2, NH3, O2 và N2.
Vào năm 1834, Tacob Perkins đã phát minh ra máy lạnh nén hơi đầu tiên với đầy đủ thiết bị hiện đại như máy nén, dàn ngưng, dàn bay hơi và van tiết lưu Sau đó, kỹ sư Carres đã có nhiều phát minh về máy lạnh hấp thụ chu kỳ và liên tục với các mô chất khác nhau Một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử kỹ thuật lạnh là sự sản xuất và ứng dụng Freon tại Mỹ vào năm 1930 Freon, với cấu trúc hóa học thay thế một phần hoặc toàn bộ nguyên tử hydro bằng các nguyên tử halogen như Cl, F, Br, đã trở thành chất lạnh lý tưởng nhờ tính không cháy nổ và không độc hại, phù hợp với chu trình làm việc của máy lạnh nén hơi, từ đó thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật lạnh, đặc biệt là trong lĩnh vực điều hòa không khí.
Tình hình trong nước
Ngày nay, kỹ thuật lạnh hiện đại đã có những bước tiến vượt bậc, nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ.
- Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày càng được mở rộng Người ta đang tiến dần nhiệt độ không tuyệt đối.
Công suất lạnh của máy nén đã được mở rộng đáng kể, từ các thiết bị máy lạnh và mW sử dụng trong phòng thí nghiệm cho đến các hệ thống có công suất triệu W tại các trung tâm điều tiết không khí.
Hệ thống lạnh hiện đại không chỉ đơn thuần là lắp ráp các thiết bị mà ngày càng được hoàn thiện, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao trong quá trình hoạt động.
Hiệu suất máy móc được cải thiện đáng kể, dẫn đến việc giảm chi phí vật tư và chi phí cho mỗi đơn vị lạnh Tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống cũng được nâng cao Mức độ tự động hóa trong các hệ thống lạnh và máy nén lạnh tăng lên rõ rệt, với sự thay thế của các thiết bị tự động hóa hoàn toàn bằng điện tử và vi điều khiển cho các thiết bị thao tác bằng tay.
Nguyên liệu
Bảo quản lạnh đông là phương pháp quan trọng trong xuất khẩu thủy sản, giúp bảo vệ chất lượng sản phẩm Với nguồn nguyên liệu thủy sản phong phú và đa dạng, sản lượng thủy sản đánh bắt và nuôi trồng hàng năm cung cấp một lượng lớn protein cho con người Thống kê cho thấy, thủy sản chiếm hơn 20% tổng nguồn đạm thực phẩm toàn cầu và trên 50% ở các nước đang phát triển.
Việt Nam có bờ biển dài 3.260 km và vùng thềm lục địa rộng lớn hơn 1 triệu km², thuộc khu vực biển nhiệt đới với nguồn nguyên liệu đa dạng Nghề nuôi trồng thủy sản đang phát triển mạnh mẽ, với sản lượng của các nước Đông Nam Á chiếm hơn 50% tổng sản lượng toàn cầu Với hệ thống sông, hồ, kênh, rạch và đầm lớn, Việt Nam đang tập trung phát triển ngành nuôi trồng thủy sản một cách toàn diện, từ nuôi trồng đến khai thác và chế biến Ngành thủy sản có vai trò quan trọng trong việc chế biến nguồn lợi phong phú thành các sản phẩm có giá trị cao phục vụ cho sản xuất và đời sống con người.
Nguyên liệu thủy sản, đặc biệt là cá thu, có đặc điểm nổi bật là ươn thối rất nhanh, do đó việc bảo quản và chế biến kịp thời là rất quan trọng Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và thu được lợi nhuận cao từ xuất khẩu, việc bảo quản lạnh đông là cần thiết, đặc biệt là đối với các nước đang phát triển như Việt Nam Cá thu chứa 20.90% protide, 1.02% lipid, 1.53% tro và 77.2% nước, mang lại giá trị cao so với các loại thực phẩm khác trên thị trường nội địa.
- Cá tươi, màu sáng tự nhiên.
- Còn nguyên vẹn, không bị xây xát.
- Mắt trong sáng và lồi.
- Bụng không phình, không lõm.
- Trọng lượng mỗi con trên 1kg.
Quy trình công nghệ
Xếp mâm Đông lạnh Phân cỡ
Nước Đầu, nội tạng, máu
Hình 1.4 Quy trình công nghệ bảo quản cá thu đông lạnh
- Nguyên liệu: cá nguyên liệu phải đạt các tiêu chuẩn trên.
- Rửa: rửa sạch dưới vòi nước chảy để loại hết tạp chất Rửa lại trong nước lạnh 5˚C có pha 50ppm Clo.
Để xử lý cá, bạn cần dùng dao mổ bụng cá từ hậu môn đến các nắp mang, đảm bảo các đường mổ thẳng và không xơ xác Tiếp theo, bỏ nội tạng và cạo sạch gân máu dọc theo xương sống Cuối cùng, bỏ đầu cá để chuẩn bị cho các bước chế biến tiếp theo.
Để làm sạch cá, cần rửa thật kỹ bên trong bụng cá Nước rửa cá phải đảm bảo sạch và lạnh ở nhiệt độ 5˚C, pha thêm 20ppm Clo và 3% muối ăn để loại bỏ nhớt Sau khi rửa xong, để cá ráo nước trong 15 phút.
- Phân cỡ: tính theo trọng lượng kg/con (gồm có cỡ 1-3 kg/con và trên 3kg/con).
- Rửa: rửa lại nước lạnh 5˚C có pha 10ppm clo.
- Xếp mâm: cá được xếp vào mâm có lót PE, mỗi mâm một cỡ Có khi treo cá trong phòng đông.
- Đông lạnh: đông IQF, nhiệt độ -40˚C, thời gian 4-6 giờ Nhiệt độ trung bình tại tâm sản phẩm ít nhất là -12˚C.
- Mạ băng: cá được mạ băng trong nước lạnh 1˚C có pha 5ppm clo Thời gian mạ băng 5-
Để đảm bảo chất lượng và an toàn cho sản phẩm cá, mỗi con cá được cho vào một bao PE và hàn kín miệng Sau đó, cá được đặt trong thùng carton 5 lớp có tráng sáp, phân loại theo kích cỡ Mỗi thùng có trọng lượng tịnh 10kg, chứa từ 5 đến 10 con cá Thùng được nẹp bằng 2 đai ngang và 2 đai dọc Trên bề mặt thùng, cần ghi rõ các loại cá, kích cỡ và quy cách chế biến để dễ dàng nhận biết.
- Bảo quản: nhiệt độ phòng bảo quản: -18 ± 2˚C Thời gian bảo quản không quá 3 tháng.
Thiết bị
Hệ thống lạnh một cấp nén bao gồm bốn bộ phận chính thiết yếu: máy nén, thiết bị ngưng tụ, van tiết lưu và thiết bị bay hơi Đối với hệ thống lạnh hai hay nhiều cấp nén, ngoài các thiết bị này, còn cần có thiết bị làm mát trung gian để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Các thiết bị phụ trong hệ thống lạnh
Để hệ thống lạnh hoạt động an toàn và tối ưu hóa năng suất lạnh, cần lắp đặt thêm các thiết bị phụ trợ cần thiết Các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong chu trình lạnh, giúp nâng cao hiệu quả làm việc của hệ thống.
1) Thiết bị tách dầu hay gọi là bình tách dầu
2) Bình chứa cao áp (bình chứa lỏng cao áp)
3) Thiết bị xả khí không ngưng
4) Thiết bị làm mát trung gian hay còn gọi là bình trung gian (nếu hệ thống lạnh hai cấp nén)
5) Bình chứa thấp (bình chứa lỏng thấp áp)
6) Bình hồi lưu lỏng, bình chứa tuần hoàn, bình chứa bảo vệ
7) Thiết bị tách lỏng hay gọi là bình tách lỏng
8) Thiết bị tập trung dầu hay gọi là bình tập trung dầu
10) Tháp giải nhiêt (nếu thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước)
11) Bơm cấp dịch lỏng môi chất lạnh
12) Phin lọc, van điện từ, van an toàn
13) Các thiết bị bảo vệ áp lực, nhiệt độ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN
Quy hoạch mặt bằng xây dựng nhà xưởng lắp đặt hệ thống lạnh chạy kho bảo quản sản phẩm lạnh đông
Yêu cầu chung đối với mặt bằng kho lạnh bảo quản
Quy hoạch mặt bằng là quá trình sắp xếp không gian sản xuất sao cho phù hợp với dây chuyền công nghệ Mục tiêu là đảm bảo rằng các sản phẩm di chuyển theo dây chuyền một cách liền mạch, không bị chồng chéo hay đan xen lẫn nhau, từ đó tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.
- Đảm bảo sự vận hành tiện lợi, rẻ tiền chi phí đầy tư thấp
- Phải đảm bảo kỹ thuật an toàn, chống cháy nổ
- Mặt bằng khi quy hoạch phải tính đến khả năng mở rộng phân xưởng hoặc xí nghiệp.
Quy hoạch mặt bằng kho bảo quản cần tối ưu hóa vận hành để tiết kiệm chi phí Để giảm chi phí vận hành, cần hạn chế dòng nhiệt xâm nhập vào kho, giảm thể tích và dòng nhiệt qua vách Việc giảm diện tích xung quanh kho cũng góp phần quan trọng trong việc duy trì hiệu quả nhiệt độ và tiết kiệm năng lượng.
Trong các hình khối hình học, hình chữ nhật có diện tích lớn nhất, nhưng việc sử dụng hình lập phương để sắp xếp hàng hóa không mang lại lợi ích Để giảm dòng nhiệt qua vách, cần hợp nhất các phòng lạnh thành một khối gọi là Block lạnh Việc xây dựng phân tán các kho lạnh không chỉ làm tăng tổn thất nhiệt qua vách mà còn gia tăng chi phí nguyên vật liệu.
Để giảm dòng nhiệt xâm nhập vào kho bảo quản, cần áp dụng các biện pháp ngăn chặn hiệu quả, đặc biệt khi mở cửa kho tiếp xúc với môi trường bên ngoài.
Đối tượng nghiên cứu và tính toán
2.2.1 Các thông số ban đầu khi thiết kế kho lạnh a Những số liệu về khí tượng
Thông số khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm tương đối, gió, hướng gió và lượng mưa hàng năm là những dữ liệu quan trọng trong việc thiết kế kho bảo quản lạnh cho sản phẩm đông lạnh Tổn thất nhiệt qua bao che ảnh hưởng lớn đến năng suất lạnh của hệ thống Độ ẩm không khí liên quan đến độ dày của lớp cách ẩm, giúp ngăn ngừa hiện tượng đọng sương từ không khí bên ngoài và kiểm soát sự ngưng tụ ở vách ngoài Ngoài ra, gió và tốc độ gió cũng có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa kho và không khí xung quanh.
Khi thiết kế kho lạnh, cần tính toán nhiệt độ trung bình cộng giữa nhiệt độ cực đại và nhiệt độ trung bình cực đại của tháng nóng nhất để giảm vốn đầu tư và công suất máy Để đảm bảo an toàn, có thể tăng thêm nhiệt độ lên 10% Độ ẩm trung bình của tháng nóng nhất mùa hè cũng được sử dụng để tính bề dày cách ẩm, kiểm tra đọng sương và xác định nhiệt độ kế ướt, cũng như nhiệt độ nước làm mát ra khỏi tháp giải nhiệt trong hệ thống lạnh tuần hoàn.
Các số liệu về khí tượng ở thành phố Hồ Chí Minh
- Nhiệt độ trung bình cả năm: ttb = 27˚C
- Độ ẩm trung bình của Tp.HCM là φ = 80% b Số liệu về chế độ bảo quản sản phẩm
Bảng 2.1 Số liệu về chế độ bảo quản sản phẩm
Sản phẩm Nhiệt độ bảo quản (˚C) Độ ẩm không khí(%) Thời gian bảo quản (giờ)
Nhiệt độ kho bảo quản: tf = -20˚C Độ ẩm kho bảo quản: φf = 90% c Chọn phương án xây dựng kho lạnh
Có hai phương án thiết kế kho lạnh: kho xây và kho lắp ghép
Nên chọn kho lạnh lắp ghép vì mặc dù giá thành cao hơn kho lạnh xây, nhưng nó có nhiều ưu điểm vượt trội như tính linh hoạt trong thiết kế, thời gian lắp đặt nhanh chóng và khả năng di chuyển dễ dàng.
Kho lạnh lắp ghép được cấu tạo từ các panel tiêu chuẩn chế tạo sẵn, giúp việc vận chuyển và lắp ráp diễn ra nhanh chóng chỉ trong vài ngày Điều này trái ngược với kho truyền thống, thường mất nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm để hoàn thiện.
- Có thể tháo lắp và di chuyển đến nơi mới khi cần thiết.
- Không cần đến vật liệu xây dựng như kho xây trừ nền có con lươn đặt kho nên công việc xây dựng đơn giản nhiều hơn.
- Cách nhiệt là polyuretan có hệ số dẫn nhiệt thấp.
- Tấm bọc ngoài của panel đa dạng từ chất dẻo đến nhôm tấm hoặc thép không gỉ
- Hoàn toàn có thể sản xuất được trong nước. d Hình khối kho lạnh
Hình lập phương được coi là hình lý tưởng cho kho lạnh nhờ vào diện tích xung quanh nhỏ nhất và thể tích lớn nhất Tuy nhiên, hình dạng của kho lạnh còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mặt bằng, địa hình, đường giao thông, phương pháp bốc dỡ, và cần đáp ứng các điều kiện xây dựng khác nhau như phân chia phòng và mở rộng kho hàng.
Kho lạnh một tầng chiếm diện tích lớn và tiêu tốn nhiều vật liệu xây dựng, dẫn đến chi phí năng lượng cao do tổn thất nhiệt qua vách Tuy nhiên, ưu điểm của kho một tầng là dễ xây dựng và thuận tiện cho việc di chuyển hàng hóa Do đó, phương án xây dựng kho lạnh một tầng hình chữ nhật là lựa chọn hợp lý.
2.2.2 Tính diện tích xây dựng và bố trí mặt bằng kho lạnh a Xác định dung tích và tiêu chuẩn của kho lạnh được tính toán thiết kế theo yêu cầu của từng trường hợp cụ thể, có thể thiết kế theo định hướng dung tích đối với các kho lạnh cá như sau:
Bảng 2.2 Dung tích đối với các kho lạnh cá
Dung tích kho lạnh cá, tấn
Công suất buồng kết đông, tấn/24h
Dung tích dự trữ, tấn
Công suất bể đá, tấn/24h
Dung tích buồng chứa đá, tấn
Để đảm bảo độ chính xác cao và an toàn trong thiết kế kho lạnh, việc tính toán thường dựa vào nguyên liệu và sản phẩm cụ thể, cùng với các tiêu chuẩn chất tải riêng biệt cho từng loại Từ đó, có thể xác định dung tích và diện tích kho lạnh một cách hiệu quả.
Bảng 2.3 Tiêu chuẩn chất tải và hệ số tính thể tích a của một số sản phẩm
Sản phẩm bảo quản Tiêu chuẩn chất tải (tấn/m 3 ) Hệ số tính thể tích (a)
Cá đông lạnh trong hòm gỗ 0.45 0.9
Tiêu chuẩn chất tải đề cập đến khối lượng sản phẩm bao gồm cả trọng lượng bao bì, đặc biệt trong trường hợp sản phẩm được đóng gói Thông thường, tiêu chuẩn chất tải tại các kho lạnh thương nghiệp và tiêu dùng sẽ thấp hơn so với tiêu chuẩn chất tải chung Để xác định số lượng và kích thước các buồng lạnh, cần chú ý đến dung tích kho lạnh.
E: dung tích kho lạnh (tấn) E = 200 tấn (theo đề tài cho)
V: thể tích kho lạnh (m3) gv: định mức hay tiêu chuẩn chất tải (tấn/m 3 ) Nếu lấy tiêu chuẩn chất tải nhỏ nhất thì dung tích kho lại lớn nhất, do đó làm răng chi phí xây dựng và vận hành Nhưng nó lại có ưu điểm là làm tăng khả năng bảo quản sản phẩm Ngược lại, nếu chọn tiêu chuẩn chất tải lớn thì giảm được chi phí đầu tư nhưng khả năng bảo quản lại giảm Do đó, ở đây chọn tiêu chuẩn chất tải gv = 0.45 tấn/m 3
Như vậy, thể tích kho lạnh là:
V = E/gv = 200/0.45 = 444.444 m 3 Chọn V = 450 m 3 b.2) Diện tích chất tải
F (m 2 ) - diện tích chất tải hoặc diện tích hàng chiếm trực tiếp
V (m 3 ) - thể tích chất tải kho lạnh h (m) - chiều cao chất tải
Chiều cao chất tải là chiều cao lô hàng được xếp trong kho, phụ thuộc vào bao bì và phương tiện bốc dỡ Để tính chiều cao chất tải, ta lấy chiều cao buồng lạnh trừ đi phần lắp đặt giàn lạnh treo trần và khoảng không gian cần thiết cho việc chất hàng và dỡ hàng.
Kho lạnh thiết kế bốc xếp bằng xe chở hàng cần có chiều cao chất tải là 3.65 m, với chiều cao xây dựng là 4.5 m Để tính chiều cao chất tải, cần trừ đi khoảng cách từ dàn lạnh đến sản phẩm (0.35 m) và khoảng cách từ dàn lạnh đến trần (0.5 m) Cụ thể, chiều cao chất tải được tính như sau: h = 4.5 - 0.35 - 0.5 = 3.65 m Do đó, diện tích chất tải sẽ được xác định dựa trên chiều cao này.
Tải trọng trên 1 m² nền buồng được tính toán dựa vào định mức chất tải và chiều cao chất tải của nền, cùng với giá treo hoặc móc treo vào trần Công thức tính tải trọng gf được xác định là gf ≥ gv.h, trong đó gf là định mức chất tải theo diện tích (tấn/m²) Cụ thể, tải trọng gf được tính là gf = 0.45 x 3.65 = 1.6425 tấn/m².
Với tải trọng nền hiện tại, panel sàn có khả năng chịu lực nén tốt, vì độ chịu nén của panel tiêu chuẩn nằm trong khoảng 0.2 ÷ 0.29 Mpa.
Fxd Trong đó: Fxd (m 2 ) - diện tích lạnh cần xây dựng
F (m 2 ) - diện tích chất tải hoặc diện tích hàng chiếm trực tiếp
Hệ số sử dụng diện tích các buồng không bao gồm diện tích đường đi, không gian giữa các lô hàng, cột và tường, cũng như các khu vực lắp đặt thiết bị như dàn bay hơi và quạt.
Bảng 2.4 Hệ số sử dụng diện tích theo diện tích phòng
Diện tích phòng lạnh, (m 2 ) Đến 20
Vì kho lạnh có diện tích F4m 2 nên ta chọn βF = 0.75 Như vậy diện tích kho lạnh cần thiết là:
Chọn diện tích xây dựng kho lạnh là 170 m 2
Từ những tính toán trên có thể tính và chọn kích thước của kho lạnh như sau:
Phương pháp tính toán và thiết kế
2.4.1 Thiết kế cấu trúc nền
Cấu trúc nền kho phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ trong kho, tải trọng của kho, hàng bảo quản, dung tích kho lạnh.
Tính toán diện tích kho lạnh xây dựng
Tính toán cân bằng năng lượng
Tính toán cách nhiệt, cách ẩm cho nền
Tính dòng nhiệt tổn thất
Tính toán cách nhiệt, cách ẩm cho mái và vách
Tính toán cách nhiệt, cách ẩm kho lạnh
Tính toán hệ thống thiết bị kho lạnh
Tính toán và chọn thiết bị phụ
Tính toán cho thiết bị và máy nén
Tính toán chu trình lạnh
Tính toán chọn chế độ làm việc cho thiết bị
Kho lạnh cần có cấu trúc vững chắc để bảo quản hàng hóa, vì vậy móng phải chịu được tải trọng toàn bộ công trình Việc xây dựng móng kho sẽ phụ thuộc vào điều kiện địa chấn của khu vực xây dựng.
Kho lạnh được xây dựng theo phương án lắp ghép, đặt trên nền nhà xưởng Tải trọng hàng hóa bảo quản ảnh hưởng đến độ rắn chắc và khả năng chịu lún của nền Với tải trọng lớn, cấu trúc nền kho lạnh cần thiết kế có độ chịu nén cao Để đáp ứng yêu cầu này, sử dụng tấm panel có mật độ cao và khả năng chịu nén tốt Các tấm panel nền được đặt trên các con lươn thông gió, đảm bảo cấu trúc nền kho lạnh vững chắc và hiệu quả.
Hình 2.2 Cấu trúc nền móng của kho lạnh
Hình 2.3 Con lươn thông gió b) Cấu trúc vách và trần
Cấu trúc tường và trần là các tấm panel tiêu chuẩn đã được chế tạo sẵn như đã giới thiệu ở phần trên.
Các thông số của panel cách nhiệt:
- Chiều dài: h = 3600mm dùng để lắp panel vách h = 6000mm dùng để lắp panel trần và nền
- Hệ số dẫn nhiệt λ = 0.018÷0.023 W/(m.K) Panel trần và vách được gắn lại
Hình 2.4 Lắp ghép kho lạnh
Sau khi hoàn tất lắp đặt, việc phun silicon hoặc sealant là cần thiết để đảm bảo kín các khe hở lắp ghép Do sự biến động nhiệt độ, áp suất trong kho thường xuyên thay đổi Để cân bằng áp suất bên trong và bên ngoài kho, các van thông áp được gắn trên tường.
Mái kho lạnh đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ kho khỏi các yếu tố thời tiết như nắng, mưa, và đặc biệt là giảm thiểu bức xạ nhiệt từ mặt trời, giúp duy trì nhiệt độ ổn định bên trong kho.
Mái kho cần thiết để bảo vệ khỏi mưa nắng, đồng thời hỗ trợ hệ thống máy lạnh hoạt động hiệu quả Để đảm bảo không bị đọng nước hay thấm nước, mái nên được thiết kế dốc về hai phía với độ dốc tối thiểu là 2%.
Kho được thiết kế với mái bằng tôn màu xanh lá cây, khung đỡ bằng sắt và các xà nâng được bố trí theo chiều ngang Các trụ chống cao 4m, có kích thước 200×100mm, đảm bảo tính vững chắc cho công trình.
Hình 2.5 Cấu trúc mái kho lạnh d) Cấu trúc cửa và màn chắn khí
Hiện nay, có ba loại cửa phổ biến: cửa bản lề, cửa lắc và cửa lù Cấu trúc của các loại cửa này bao gồm các tấm cách nhiệt với bản lề tự động, được bao quanh bởi đệm kín bằng cao su hình nhiều ngăn Khóa cửa được thiết kế để mở từ cả hai phía, trong và ngoài Để ngăn chặn hiện tượng băng dính chặt cửa, xung quanh cửa được lắp đặt dây điện trở sưởi Kích thước của các cửa này cũng rất đa dạng.
- Kích thước cửa lớn: 1980×980mm
- Kích thước cửa nhỏ: 680×680mm Mỗi cửa được gắn lên một tấm panel gọi là tấm cửa
Hình 2.6 Cửa ra vào và cửa xuất nhập hàng của kho lạnh
Hình 2.7 Cửa ra vào kho lạnh
Màn chắn khí được thiết kế bằng nhựa dẻo, giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt khi mở cửa xuất nhập hàng Chất liệu nhựa phải có khả năng chịu lạnh tốt và độ bền cao Màn chắn được ghép từ các dải nhựa có chiều rộng 200mm và độ dày 2mm, với phần chồng mí lên nhau là 50mm.
Hình 2.8 Màn nhựa che cửa ra vào và cửa xuất nhập khẩu hàng kho lạnh 2.4.2 Tính cách nhiệt cách ẩm
Việc sử dụng cách nhiệt cách ẩm trong xây dựng kho lạnh để đáp ứng những yêu cầu cơ bản sau:
- Hạn chế dòng nhiệt truyền từ bên ngoài qua kết cấu bao che và kho lạnh.
- Đảm bảo được độ bền vững lâu dài và theo tuổi thọ dự kiến của kho.
- Chịu được tải trọng của sản phẩm cần bảo quản.
- Đảm bảo cách nhiệt tốt, giảm đầu tư cho máy nén và chi phí vận hành.
- Đảm bảo quy tắc phòng chống cháy nổ, an toàn cho người và hàng bảo quản.
- Thuận tiện cho việc bốc dỡ bằng cơ giới.
- Đảm bảo tối ưu về kinh tế.
2.4.2.1 Vật liệu cách nhiệt cách ẩm
Vật liệu cách nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ lạnh trong một không gian Để hạn chế tổn thất nhiệt từ môi trường bên ngoài, cần phải thực hiện cách nhiệt cho toàn bộ không gian Chất lượng của vách cách nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào tính chất của vật liệu sử dụng.
Khi lựa chọn vật liệu cách nhiệt, việc tận dụng tối đa ưu điểm và giảm thiểu nhược điểm là rất quan trọng Điều này giúp đảm bảo hiệu quả cách nhiệt tốt nhất cho công trình.
Vật liệu cách nhiệt bao gồm các chất vô cơ, hữu cơ tự nhiên và hữu cơ nhân tạo, với đặc điểm nổi bật là hệ số dẫn nhiệt thấp Hiện nay, polystirol (stiropor) và polyurethan là hai loại vật liệu cách nhiệt được sử dụng phổ biến nhất.
Do sự chênh lệch về độ ẩm và nhiệt độ giữa bên ngoài và bên trong kho lạnh, không khí có thể khuếch tán vào phòng lạnh, gây ra nguy cơ tăng độ ẩm Vì vậy, việc xây dựng và cách nhiệt kho lạnh cần áp dụng các biện pháp chống ẩm hiệu quả Các vật liệu cách ẩm chủ yếu được sử dụng bao gồm bitume và PE.
2.4.2.2 Xác định chiều dày lớp cách nhiệt
Chiều dày lớp cách nhiệt: δcn=λcn , [m]
Với: - δcn: Độ dày yêu cầu của lớp cách nhiệt, [m]
- λcn: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt , [W/mK]
- α1: hệ số toả nhiệt của môi trường bên ngoài tới tường cách nhiệt, [W/m 2 K]
- α2: hệ số toả nhiệt của vách buồng lạnh tới buồng lạnh, [W/m 2 K]
- δi: Bề dày yêu cầu của lớp vật liệu thứ i, [m]
- λi: Hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu thứ i, [W/mK]
Trong thiết kế kho lạnh, trần kho có mái che và nền kho có con lươn thông gió cần được tính toán với hệ số truyền nhiệt tương đương với vách kho Do đó, việc xác định chiều dày cách nhiệt cho tường, trần và nền là rất quan trọng Vật liệu cách nhiệt được lựa chọn cho kho là các tấm panel tiêu chuẩn, được cấu tạo giữa hai lớp tôn lá và hai lớp sơn, giúp đảm bảo hiệu quả cách nhiệt và chống ẩm.
Bảng 2.5 Các thông số các lớp vật liệu của tấm panel tiêu chuẩn
Vật liệu Chiều dày, m Hệ số dẫn nhiệt, W/ (m.K)
Nhiệt độ không khí trong kho ttb = -20˚C, không khí trong kho đối lưu cưỡng bức vừa phải.
Bảng 2.6 Hệ số truyền nhiệt của tường ngoài phụ thuộc vào nhiệt độ phòng, (W/(m 2 K)) Nhiệt độ phòng
Bảng 2.7 Hệ số cấp nhiệt α1 α2
Bề mặt tường Hệ số cấp nhiệt, (W/(m 2 K))
Bề mặt ngoài của tường bao và mái
Bề mặt trong của tường khi đối lưu tự nhiên
Bề mặt trong của nền và trần khi đối lưu tự nhiên
Bề mặt trong của tường khi đối lưu cưỡng bức vừa phải (bảo quản lạnh)
Bề mặt trong của tường khi đối lưu cưỡng bức mạnh (bảo gia lạnh và kết đông)
Tra bảng sẽ tìm được
Chiều dày panel phải chọn: δpanel = 0.1151 + 2*0.0006 + 2*0.0005 = 0.1173 m = 117.3 mm
Như vậy, có thể chọn chiều dày tấm panel theo tiêu chuẩn: δpanelTC = 125 mm Khi đó chiều dày cách nhiệt của panel là: δcn = 0.125 - (2*0.0006 + 2*0.0005) = 0.1228 m
Hệ số truyền nhiệt thực của vách khi đó là:
Kiểm tra đọng sương là cần thiết để ngăn ngừa sự ngưng ẩm trên bề mặt ngoài của vách trong kho lạnh Để đảm bảo vách ngoài không bị đọng sương, điều kiện cần thiết là Ktt phải nhỏ hơn hoặc bằng Ks.
Ktt = 0.198 W/(m 2 K) - hệ số truyền nhiệt.
Ks W/(m 2 K) - hệ số truyền nhiệt đọng sương, được tính theo công thức:
Hệ số tỏa nhiệt α1 (W/(m².K)) là yếu tố quan trọng trong việc xác định sự trao đổi nhiệt giữa môi trường bên ngoài và bề mặt tường kho Nhiệt độ không khí bên ngoài kho được ký hiệu là t1 (˚C), trong khi nhiệt độ không khí bên trong kho là t2 (˚C) Ngoài ra, nhiệt độ điểm đọng sương được ký hiệu là ts (˚C), cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
0.95 là hệ số an toàn Các thông số khí tượng ở Thành phố Hồ Chí Minh t1 = 37.3˚C φ = 74% Tra đồ thị h - d của không khí ẩm tìm được ts = 33˚C
Nhận xét: Ks > Ktt Vì vậy vách ngoài kho lạnh không bị đọng sương.
Tính toán và thiết kế hệ thống lạnh chạy kho bảo quản lạnh đông và thảo luận
Tính toán nhiệt tải của kho lạnh
Tính toán nhiệt tải kho lạnh là quá trình xác định các dòng nhiệt từ môi trường bên ngoài xâm nhập vào kho lạnh Đây là lượng nhiệt tổn thất mà hệ thống làm lạnh cần phải xử lý để duy trì công suất hoạt động, đảm bảo sự chênh lệch nhiệt độ ổn định giữa buồng lạnh và không khí xung quanh.
Mục đích cuối cùng của việc tính toán nhiệt tải kho lạnh là để xác định năng suất lạnh của máy lạnh cần lắp đặt.
Nhiệt tổn thất vào kho lạnh được xác định bằng biểu thức:
Q1 (W): lượng nhiệt đi qua kết cấu bao che
Q2 (W): lượng nhiệt do sản phẩm tỏa ra
Q3 (W): lượng nhiệt đi từ ngoài vào do thông gió kho lạnh
Q4 (W): lượng nhiệt từ các nguồn khác nhau khi vận hành
Q5(W): lượng nhiệt tỏa ra khi sản phẩm thở
3.1.1 Lượng nhiệt qua kết cấu bao che
Với: Q1v + Q1n + Q1t: dòng nhiệt tổn thất qua vách, nền và trần do chênh lệch nhiệt độ
Q1bx: dòng nhiệt tổn thất qua tường và trần do ảnh hưởng của bức xạ mặt trời Tổn thất nhiệt qua vách, nền và trần được xác định:
Q = Ktt × F × (tng - ttr) Với K (W/(m 2 K)): hệ số truyền nhiệt thực của kết cấu bao che.
F (m 2 ): diện tích bề mặt của kết cấu bao che. tng (˚C): nhiệt độ môi trường bên ngoài ttr (˚C): nhiệt độ trong phòng lạnh.
Q (W): tổn thất nhiệt qua kết cấu.
Bảng 3.1 Kết quả tính toán lượng nhiệt qua kết cấu bao che
Vách ngoài Vách trước hoặc sau
Chọn kho lạnh nên được xây dựng theo hướng Bắc - Nam, với cửa kho hướng về phía Bắc Điều này giúp kho nhận bức xạ mặt trời từ hướng Đông vào buổi sáng và từ hướng Tây vào buổi chiều, tối ưu hóa hiệu quả làm mát.
Vách kho lấy hiệu nhiệt độ dư như sau:
= 19K: trần làm bằng bê tông.
Lượng nhiệt do bức xạ mặt trời:
Như vậy, lượng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che là:
3.1.2 Lượng nhiệt do sản phẩm tỏa ra
Q2 = Q2a + Q2b (kW) Với: Q2a: dòng nhiệt sản phẩm tỏa ra khi bảo quản lạnh đông.
Q2b: dòng nhiệt tỏa ra từ bao bì của sản phẩm. a Lượng nhiệt do sản phẩm tỏa ra
Với: M (tấn/24h) - năng suất của buồng bảo quản lạnh đông. h1, h2 (kJ/kg) - entanpi của sản phẩm trước và sau khi bảo quản lạnh đông
Q2a (kW) - lượng nhiệt do sản phẩm tỏa ra.
Nhiệt độ hàng nhập thẳng vào kho bảo quản lạnh đông là -8˚C, tra bảng entalpy thực phẩm thủy sản sẽ tìm được h1 = 43.5kJ/kg.
Nhiệt độ của sản phẩm sau khi bảo quản là -20˚C, sẽ tìm được entalpy của sản phẩm h2 = 0 kJ/kg.
Như vậy, lượng nhiệt sản phẩm lạnh đông tỏa ra khi bảo quản:
Q2a = 100(43.5-0) = 50.35 kW b Lượng nhiệt do bao bì tỏa ra
Với: Mb (tấn/24h): khối lượng bao bì đưa vào cùng sản phẩm.
Cb (kJ/(kg.K)): nhiệt dung riêng của bao bì. t1 (˚C): nhiệt độ bao bì trước bảo quản lạnh đông. t2 (˚C): nhiệt độ bao bì sau bảo quản lạnh đông.
Q2b (kW): dòng nhiệt do bao bì tỏa ra.
Khối lượng bao bì cactong: Mb = 30%M = 30% × 100 = 30 tấn/24h.
Nhiệt dung riêng bao bì: Cb = 1.46 kJ/(kg.K) Nhiệt độ bao bì trước bảo quản: t1 = -8˚C Nhiệt độ bao bì sau bảo quản: t2 = -20˚C
Như vậy, lượng nhiệt do sản phẩm tỏa ra:
3.1.3 Lượng nhiệt do thông gió kho lạnh
Do kho lạnh dùng để bảo quản lạnh đông có nhiệt độ -20˚C nên không có thông gió.
3.1.4 Lượng nhiệt do vận hành kho
Q4 = Q41 + Q42 + Q43 + Q44 (W) Với: Q41 - lượng nhiệt do chiếu sáng
Q42 - lượng nhiệt do người tỏa ra
Q43 - lượng nhiệt do các động cơ điện
Q44 - lượng nhiệt tổn thất khi mở cửa. a Lượng nhiệt do chiếu sáng
Với: F(m 2 ) - diện tích kho lạnh A(W/m 2 ) - công suất chiếu sáng riêng Đối với kho bảo quản: A=1.2 W.m 2 Như vậy: Q41 = 1.2×100 = 120 W b Lượng nhiệt do người lao động trong kho lạnh tỏa ra
Q42 = 350 × n (W) Chọn n=3 (kho nhỏ hơn 200m 2 ) nên:
Q42 = 350×3 = 1050 W c Lượng nhiệt do các động cơ điện tỏa ra
Q43 = 1000 × N × φ (W) Với: N - tổng công suất động cơ điện. φ - hệ số hoạt động đồng thời.
Chọn N = 6 kW, do kho bảo quản lạnh đông nhỏ nên φ = 1 (các động cơ hoạt động bình thường).
Như vậy: Q43 = 1000×6×1= 6000 W d Lượng nhiệt khi mở cửa
Q44 = B×F (W) Với: F(m 2 ) - diện tích kho lạnh.
B(W/m 2 ) - lượng nhiệt riêng khi mở cửa.
Kho bảo quản lạnh đông nhỏ nên chọn B = 12 W/m 2 Như vậy: Q44 = 12×100 = 1200 W
Lượng nhiệt do vận hành kho:
3.1.5 Lượng nhiệt do sản phẩm hô hấp Q 5
Do sản phẩm là thủy sản và được bảo quản lạnh đông nên không còn có thể hô hấp được nữa, nên Q5 = 0 W
Tổng kết lại sẽ xác định được nhiệt tải của kho lạnh cần duy trì nhiệt độ -20˚C như sau:
3.2 Xác định tải nhiệt cho thiết bị
Nhiệt tải của kho bảo quản sản phẩm thủy sản lạnh cần duy trì nhiệt -20˚C được xác định như sau:
Hệ số lạnh k được sử dụng để tính toán tổn thất trên đường ống và thiết bị trong hệ thống lạnh, trong khi hệ số thời gian làm việc b phản ánh thời gian hoạt động của hệ thống Tổng nhiệt tải ΣQ của máy nén là yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu suất làm việc của hệ thống lạnh.
Do muốn duy trì nhiệt độ kho lạnh - 20˚C, nên nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh là t0 = -30˚C nên chọn k = 1.07, chọn b = 0.91 máy nén làm việc 22 giờ/ngày.
Vậy năng suất lạnh của máy nén được xác định:
Phụ tải nhiệt của thiết bị được sử dụng để xác định bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết cho thiết bị bay hơi Công suất giải nhiệt yêu cầu luôn lớn hơn công suất của máy nén, do đó cần có hệ số dự trữ để phòng ngừa biến động trong quá trình vận hành Vì vậy, tải nhiệt của thiết bị được tính bằng tổng tất cả các tổn thất nhiệt của kho lạnh.
Chọn phương pháp làm lạnh
Trong thực tế có nhiều phương pháp làm lạnh cho kho Nhưng có hai phương pháp thông dụng nhất là làm lạnh trực tiếp và làm lạnh gián tiếp.
Mỗi phương pháp làm sạch đều có những ưu điểm riêng, phù hợp với yêu cầu của thiết bị và công nghệ trong từng tình huống cụ thể Do đó, việc lựa chọn phương pháp làm sạch cần được thực hiện cẩn thận để tối ưu hóa lợi ích và giảm thiểu nhược điểm.
Đối với kho bảo quản sản phẩm đông lạnh, phương pháp làm lạnh trực tiếp là lựa chọn tối ưu Phương pháp này phù hợp với các điều kiện của kho lạnh nhờ vào hệ thống không cồng kềnh, khả năng điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng, tổn hao lạnh khi khởi động thấp và chi phí đầu tư ban đầu hợp lý.
Chọn môi chất lạnh và môi trường làm mát cho thiết bị ngưng tụ
Hiện nay, hệ thống lạnh cho kho bảo quản thường sử dụng môi chất Freon 22 và NH3 Tuy nhiên, do tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là việc phá hủy tầng ozon và gây hiệu ứng nhà kính, Freon 22 chỉ là giải pháp tạm thời và sẽ được thay thế Do đó, lựa chọn môi chất NH3 cho hệ thống lạnh đang thiết kế là một giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường.
Amoniac (NH3), ký hiệu R717, là một tác nhân lạnh không màu với mùi hắc, có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển là -33.35˚C Với các tính chất nhiệt động học tốt, amoniac rất phù hợp cho chu trình máy lạnh nén hơi sử dụng máy nén piston.
Năng suất lạnh riêng khối lượng q0 cao dẫn đến lưu lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống giảm, điều này rất phù hợp cho các máy lạnh có năng suất lớn và rất lớn.
- Năng suất lạnh riêng thể tích qv lớn nên máy nén được gọn nhẹ.
Các tính chất trao đổi nhiệt của chất lỏng này rất tốt, với hệ số tỏa nhiệt khi sôi và ngưng tương đương với nước Điều này cho phép thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt với nước mà không cần tạo cánh.
- Tính lưu động cao, tổn thất áp suất trên đường ống, các cửa van nhỏ nên thiết bị gọn nhẹ.
- Amoniac không hòa tan dầu nên nhiệt độ bay hơi không bị tăng.
- Amoniac hoàn tan không hạn chế trong nước.
- Amoniac không ăn mòn các kim loại chế tạo máy.
Tính chất sinh lý: Amoniac độc hại với cơ thể con người, gây kích thích nêm mạc của mắt, dạ dày,
Tính kinh tế: Amoniac là môi chất lạnh rẻ tiền, dễ kiếm, vận chuyển và bảo quản dễ.
Môi trường làm mát cho thiết bị ngưng tụ là nước Với: Nhiệt độ nước vào tnv = 24˚C
Nhiệt độ nước ra tnr = 30˚C ttb = (30+24)/2 = 27˚C
Vì môi trường làm mát cho thiết bị ngưng tụ là nước nên: tk = tf1 + , với = (5÷8)˚C (chọn =8˚C) t0 = tf2 - , với = (4÷6)˚C (chọn =5˚C)
Vì hệ thống lạnh sử môi chất lạnh NH3 nên = 3÷5˚C, chọn = 5˚C
Các thông số của chế độ làm việc
Việc chọn lựa thông số làm việc cho hệ thống lạnh đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và năng suất lạnh Một chế độ làm việc hợp lý không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn giảm thiểu lượng điện năng tiêu thụ Chế độ làm việc của hệ thống lạnh được xác định qua bốn thông số chính.
- Nhiệt độ sôi của môi chất t0 (˚C). t0 = tf2 - = -20 -5 = -25˚C
- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tk (˚C). tk = tf1 + = 27 + 8 = 35˚C
- Nhiệt độ quá lạnh của môi chất lỏng trong thiết bị ngưng tụ tq1. tq1 = tk - = 35 - 5 = 30˚C
- Nhiệt độ hơi hút về máy nén (nhiệt độ quá nhiệt) th = tqn tqn = th = t0 + = -25 + 5 = -20˚C
Xây dựng chu trình làm việc của hệ thống lạnh chạy kho lạnh
Hình 3.1 Đồ thị P - h của chu trình lạnh
Từ các thông số trên, tra đồ thị P - h sẽ xác định được các thông số trạng thái (1’),
Thông số trạng thái tại các điểm như bảng sau: Điểm Nhiệt độ t
Nhiệt độ T (K) Áp suất p (Mpa)
Sự thay đổi trạng thái của môi chất trong chu trình như sau:
1 - 2: nén đoạn nhiệt hơi hút từ áp suất thấp p0 lên áp suất cao pk, s1 = s2
2 - 2’: làm mát đẳng áp hơi môi chất từ trạng thái quá nhiệt xuống trạng thái bão hòa.
2’ - 3’: ngưng tụ môi chất đẳng áp và đẳng nhiệt.
3’ - 3: quá lạnh môi chất lỏng đẳng áp.
3 - 4: quá trình tiết lưu đẳng entanpi ở van tiết lưu h3 = h4
4 - 1’: quá trình bay hơi ở thiết bị bay hơi đẳng áp và đẳng nhiệt.
Quá trình 1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt xảy ra ở máy nén, trong đó môi chất lạnh sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi ở trạng thái (1’) có áp suất P0 và nhiệt độ T0 Do quá trình tiết lưu tự động và tổn thất nhiệt trên đường ống, môi chất lạnh chuyển sang trạng thái quá nhiệt (1) trước khi được nén lên trạng thái (2) Quá trình này làm tăng áp suất từ P0 lên Pk và nhiệt độ từ T0 lên Tk.
Quá trình 2-3’ diễn ra trong thiết bị ngưng tụ, là quá trình ngưng tụ đẳng áp (Pk = const) chuyển từ pha hơi sang pha lỏng Tại đây, môi chất lạnh ở trạng thái (2) sẽ thải nhiệt cho môi trường cần làm mát, như nước hoặc không khí.
Trong quá trình ngưng tụ đẳng áp (Pk = const), 50 không khí thực hiện chuyển đổi pha từ lỏng sang hơi Sau khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ, trạng thái của nó ở điểm (3’) nằm trên đường x=0, với áp suất Pk và nhiệt độ Tk.
Quá trình 3’-3 là quá trình quá lạnh, trong đó môi chất sau khi rời thiết bị ngưng tụ ở trạng thái (3’) sẽ được đưa vào thiết bị quá lạnh Tại đây, môi chất sẽ trao đổi nhiệt với môi trường quá lạnh, giúp giảm nhiệt độ từ Tk xuống Tq1, đồng thời chuyển trạng thái từ (3’) sang trạng thái (3).
Quá trình 3-4 là quá trình tiết lưu đẳng entalpy, trong đó môi chất lạnh từ trạng thái (3) được đưa vào van tiết lưu Tại đây, quá trình tiết lưu diễn ra với entalpy không đổi (h3 = h4), dẫn đến sự giảm áp suất từ Pk xuống P0 và nhiệt độ từ Tk xuống T0 Sau khi rời khỏi van tiết lưu, môi chất lạnh ở trạng thái (4) Do quá trình này là quá trình đoạn nhiệt không thuận nghịch, entropy của hệ thống tăng lên.
Quá trình 4-1’ là quá trình bay hơi đẳng áp, trong đó môi chất lạnh ở trạng thái (4) được đưa vào dàn lạnh Tại đây, môi chất nhận nhiệt từ môi trường cần làm lạnh, thực hiện quá trình bay hơi đẳng áp với áp suất không đổi (P4 = P1 = const) Môi chất chuyển đổi từ pha lỏng có độ khô nhỏ sang pha bão hòa khô nằm trên đường x=1 Sau khi ra khỏi dàn lạnh, môi chất lạnh đạt trạng thái (1).
Quá trình 1’-1 là giai đoạn quá nhiệt, trong đó nhiệt độ của hơi môi chất tăng lên sau khi rời khỏi thiết bị bay hơi trước khi được máy nén hút vào Sự gia tăng nhiệt độ này có thể xảy ra do quá trình tiết lưu tự động hoặc do tổn thất nhiệt trên đường ống trước khi vào máy nén.
Tính toán nhiệt cho chu trình có quá nhiệt và quá lạnh
q0 = h1’ - h4 kJ/kg Với h1’:entapi của hơi bão hòa ra khỏi thiết bị bay hơi kJ/kg h4: entapi của môi chất sau khi qua tiết lưu kJ/kg
3.7.2 Công nén riêng của chu trình l = h2 - h1 , kJ/kg Với h2: entapi của hơi quá nhiệt khi ra khỏi máy nén kJ/kg h1: entapi của hơi vào máy nén kJ/kg
3.7.3 Nhiệt lượng riêng thải ra ngoài ở thiết bị ngưng tụ qk = h2 - h3’, kJ/kg Với h2: entapi của hơi khi vào bình ngưng kJ/kg h3’: entapi của lỏng khi ra khỏi bình ngưng kJ/kg
= pk /po = 1.25 / 0.18 = 6.94 < 9 Vậy ta chọn máy nén một cấp Nhiệt lượng riêng thải ra ngoài của thiết bị ngưng tụ là
Qk = mtt qK = mtt (h2 - h3’) = 0.07 × 1470 = 102.9 kW
3.7.4 Nhiệt lượng riêng thải ra ở thiết bị quá lạnh và quá nhiệt
Nhiệt lượng thải ra ở thiết bị quá lạnh là:
Nhiệt lượng tổn thất do quá trình quá nhiệt là:
3.7.5 Độ quá nhiệt của hơi môi chất lạnh hút về máy nén và độ quá lạnh của lỏng môi chất về van tiết lưu Độ quá nhiệt: = t1 - t0 = t1 - t1’ = Tqn - T0 = -20 - (-25) = 5˚C Độ quá lạnh: = t3 - t3’ = tk - t3 = Tk - Tq1 = 30 - 35 = 5˚C
3.7.6 Hệ số làm lạnh của chu trình
Với q0: năng suất lạnh riêng kJ/kg l: công nén riêng kJ/kg
3.7.7 Hiệu suất Exergi của chu trình ν = ( - 1) = ( - 1) = ) ( - 1) = 2.77 ( = 2.23
: hệ số lạnh của chu trình
Tk: nhiệt độ ngưng tụ (K)
T0: nhiệt độ bay hơi (K) Công nén của chu trình là:
L = mtt l = mtt (h2 - h1) = 0.07(2050 - 1658) = 27.44 kW Lưu lượng thực tế môi chất lạnh tuần hoàn qua hệ thống mtt mtt = = = = 0.07 (kg/s)
Q0 là năng suất lạnh của máy nén (kW), trong khi q0 là năng suất lạnh riêng của khối lượng (kJ/kg) Trạng thái hơi của môi chất lạnh được xác định ngay sau khi nó ra khỏi thiết bị bay hơi.
(4) - trạng thái môi chất sau khi qua van tiết lưu đưa vào thiết bị bay hơi (dàn lạnh)
Thể tích hút thực tế của Xylanh máy nén Vtt (m 3 /s)
Trong đó v1 (m 3 /kg) - thể tích riêng của hơi môi chất lạnh ở trạng thái (1) bắt đầu vào máy nén.
Năng suất hút của máy nén λmn = λi.λw’
Trong đó: λmn - năng suất hút của máy nén λi - hệ số chỉ thị thể tích
54 λw’ - hệ số tổn thất do tăng nhiệt độ
= 0.397 Trong đó: C = (0.03÷0.05) - hệ số không gian có hại, chọn C = 0.05
= (0.039 ÷ 0.059) kg/cm 2 - tổn thất áp suất ở phần cao áp; chọn = 0.05
= (0.039 ÷ 0.059) kg/cm 2 - tổn thất áp suất ở phần thấp áp; chọn = 0.05 n = (0.95-1.25) - số mũ đa biến hay đoạn nhiệt, chọn n=1
Trong đó: T0 - nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh
Tk: nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh
=> λmn = 0.81×0.4 = 0.324 Thể tích hút lý thuyết của máy nén Vlt (m 3 /s)
Vtt = λmn Vlt => Vlt = Vtt / λmn = = 0.151 m 3 /s
Chọn máy nén N6WB hiệu MYCOM do Nhật sản xuất có thể tích 572.6 m 3 /h 0.159 m 3 /s [9]
Chọn 1 máy nén ký hiệu N6WB Các thông số của máy nén [13] Đường kính xilanh 130 mm
Tốc độ quay 1200 vòng/phút
Công suất nén đoạn nhiệt
Công suất nén chỉ thị của máy nén
Trong đó: ŋi - là hiệu suất nén chỉ thị
56 ŋi = λw’ + b.t0 b - là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào môi chất lạnh t0 - nhiệt độ bay hơi của dàn lạnh.
=> ŋi = λw’ + b.t0 = 0.805 + 0.001.(-25) = 0.78 Công suất ma sát
Với Pms = (39.10 3 ÷ 59.10 3 ) N/m 2 - sự tổn thất do ma sát sinh ra, chọn Pms = 50.10 3 N/m 2
=> Nms = 0.05.10 6 × 0.049 = 2450 W = 2.45 kW Công hữu ích của máy nén
= 35.18 + 2.45 = 37.63 kW Công suất tiếp điện cho động cơ Nel (kW)
Trong đó: ŋtd = (0.85 - 0.9) - hiệu suất truyền động ŋel = (0.92 ÷ 1.0) - hiệu suất của động cơ Công suất động cơ cần lắp đặt cho hệ thống lạnh Nđc (kW)
Nđc = β Nel = 1.15 × 41.81 = 48.08 kWTrong đó: β - (1.1 ÷ 1.15) - hệ số an toàn của động cơ Đây chính là công suất động cơ cần chọn để lắp đặt cho máy nén.
Tính thiết bị ngưng tụ
Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết dựa trên tải nhiệt của nước vào và ra là rất quan trọng Thiết bị ngưng tụ có chức năng truyền nhiệt từ tác nhân nhiệt ở nhiệt độ cao sang môi trường chất giải nhiệt Hơi môi chất vào thiết bị ngưng tụ thường ở trạng thái quá nhiệt, vì vậy cần làm lạnh đến nhiệt độ bão hòa, sau đó diễn ra quá trình ngưng tụ, và cuối cùng là làm quá lạnh vài độ trước khi ra khỏi thiết bị Thiết bị ngưng tụ được thiết kế để phục vụ cho toàn bộ hệ thống.
Ta chọn thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm nằm ngang vì nó có ưu điểm sau:
- Phụ tải nhiệt lớn nên ít tiêu hao kim loại, thiết bị trao đổi nhiệt gọn nhẹ, kết cấu chắc chắn.
- Dễ vệ sinh về phía nước làm mát.
- Làm mát bằng nước ít phụ thuộc vào thời tiết nên máy hoạt động ổn định hơn.
Hình 3.2 Bình ngưng ống chùm nằm ngang NH3
1 - Nắp bình 2 - Ống xả khí không ngưng
3 - Ống cân bằng 4 - Ống trao đổi nhiệt
5 - Ống ga vào 6 - Ống lắp van an toàn
7 - Ống lắp áp kế 8 - Ống xả air của nước
9 - Ống nước ra 10 - Ống nước vào
11 - Ống xả cặn 12 - Ống lỏng về bình chứa
Gas từ máy nén được đưa vào bình qua hai nhánh, bao phủ không gian giữa các ống trao đổi nhiệt và thân bình Bên trong bình, gas quá nhiệt trao đổi nhiệt với nước lạnh trong các ống và ngưng tụ thành lỏng Môi chất lỏng ngưng tụ ngay lập tức chảy về bình chứa bên dưới Một số hệ thống không có bình chứa cao áp mà sử dụng một phần của bình ngưng làm bình chứa, và trong trường hợp này, không bố trí ống trao đổi nhiệt ở phần dưới bình Để lỏng ngưng tụ chảy thuận lợi, cần có ống cân bằng nối phần hơi của bình ngưng với bình cao áp.
Kích cỡ và công suất của ống trao đổi nhiệt có thể khác nhau, từ lớn đến nhỏ Từ bình ngưng, đường xả khí không ngưng được dẫn đến bình xả khí, nơi khí không ngưng được tách ra và thải ra ngoài Nếu có khí không ngưng trong bình ngưng, áp suất ngưng tụ sẽ tăng cao, dẫn đến hiện tượng kim đồng hồ rung Các nắp bình được gắn bằng bu lông, và khi lắp đặt, cần chú ý đến khoảng hở ở hai đầu bình để dễ dàng vệ sinh bề mặt bên trong ống trao đổi nhiệt Việc làm kín phía nước bằng roăn cao su và sử dụng bích để kết nối đường ống vào nắp bình sẽ thuận tiện cho việc vệ sinh và sửa chữa khi cần thiết.
3.8.4 Tính toán Các thông số
Nhiệt độ trung bình của không khí là: 27˚C và độ ẩm là 80%
Nhiệt độ ngưng tụ: tk = 35˚C Nhiệt thải ra ở bình ngưng: Qk = mtt.(h2 - h3’) + (Ni - Ns)
Hiệu nhiệt độ làm mát :
=> Nhiệt độ bầu ướt không khí là 24.5˚C Chọn nhiệt độ nước vào là: tw1 = 25˚C
Chọn nhiệt độ nước ra là: tw2 = 30˚C
Hiệu nhiệt độ trung bình logarit :
Lưu lượng nước qua bình ngưng mw mw = = (kg/s)
Với : nhiệt thải ngưng tụ
Cp: nhiệt dung riêng của nước (kj/kgK)
: hiệu nhiệt độ trung bình logarit
Ta có Cp: 4.18 kj/kgK ở 32.5˚C
Khi chọn ống trao đổi nhiệt cho bình ngưng, cần lưu ý các thông số sau: đường kính ống ngoài dng là 25 mm (0.025 m), đường kính ống trong dtr là 20 mm (0.020 m), và khoảng cách giữa ống s là 2.5 mm (0.0025 m) Diện tích cho 1m ống chiều dài lần lượt là fng = 0.0785 m²/m và ftr = 0.0628 m²/m Tốc độ nước trong bình ngưng được chọn là ωw = 1 m/s.
Số ống trong một lối của bình ngưng: n1 Các thông số vật lý của nước làm mát bình ngưng ở nhiệt độ trung bình là twtb là: [9]
Hệ số dẫn nhiệt λw = 0.662 w/mK Độ nhớt động học νw = 0.7725×10 -6 m 2 /s
Chọn n1 = 18 ống Xác định hệ số tỏa nhiệt α1 từ nước làm mát tới vách trong của ống:
Ref = = = 25890 Đây là chế độ chảy rối nên Nusselt có dạng:
Trong đó nhiệt độ xác định là nhiệt độ trung bình của nước
Trong thiết bị ngưng tụ của máy lạnh thì hiệu nhiệt độ thường nhỏ nên tỷ số (
=> Nuf = 0.021 × 25890 0.8 × 5.1425 0.43 × 1×1×1 = 144.056 Vậy hệ số tỏa nhiệt phía nước:
Xác định hệ số tỏa nhiệt α2 từ môi chất lạnh ngưng tới vách ngoài ống:
Gọi = tk - twtb và = tk - tv, ta có: tv - twtb = - Như vậy có thể viết:
Các ống được sắp xếp trên mặt sàng theo hình dạng của một tam giác đều, tạo thành chùm ống có cấu trúc lục giác Số lượng ống được bố trí theo đường chéo của lục giác lớn m, được xác định bằng một công thức cụ thể.
Hệ số tỏa nhiệt môi chất ngưng tụ tính theo bề mặt trong của ống α2 α2 = 0.72 × × Ψh
Các thông số vật lý của NH3 được tra ở 35˚C (phụ lục 1a) [10]
Cp = 4.82 kJ/kgK λ = 0.46 w/mK r = 1105.7 kJ/kg (phụ lục 1b) [10]
64 μ = 122×10 -6 N.s/m 2 = 579 kg/m 3 Ψh = (m/Z) -0.167 vì các ống bố trí so le
Mật độ dòng nhiệt về môi chất q2 = α2 × = 9390.22× (w/m 2 )
Ta có mật độ dòng nhiệt là không đổi nên: q = q1 = q2
=> = 0.43 K < 2.164K => nên không được chấp nhận
Tiếp tục lặp lại phép tính trên bằng cách chọn từng giá trị của Cuối cùng giá trị là: = 0.037 × 7.2134 = 0.2164 K
Vậy số ống là 14 ống Nên hệ số truyền nhiệt α2 là: α2 = = 13767 w/.m 2 K
Như vậy, diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ sẽ là:
Xác định số ống và số dãy ống của thiết bị ngưng tụ Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ có thể viết lại:
Công thức tính toán hiệu suất F của hệ thống là F = П.dtb.l.n.z, trong đó l là chiều dài ống dẫn môi chất lạnh ở dàn ngưng tụ, với giá trị l = 2m Số lượng ống trong một dàn được ký hiệu là n, và z là tổ hợp các dàn được lắp đặt song song Đường kính ngoài của ống được tính là dng = 60mm (0.06m), trong khi đường kính trong là dtr = 57mm (0.057m) Đường kính trung bình dtb được tính bằng công thức dtb = (dng + dtr)/2, cho kết quả dtb = 0.0585m.
Vì n.z là tích của hai số nguyên, nên ta có thể có n.z = 54
Khi đó thiết bị ngưng tụ được tính toán thiết kế như sau: số ống trong mỗi dãy là n=9, số dãy có thiết bị ngưng tụ là z=6
Như vậy, diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ được tính toán lại như sau:
F = П.dtb.l.n.z = 3.14×0.0585×2×9×6 = 21.83 m 2 Vậy dàn ngưng được thiết kế:
[1] Diện tích trao đổi nhiệt: 21.83 m 2
[2] Chiều dài của mỗi ống: l =2m
[3] Số ống trên mỗi dãy: n=9 ống
[4] Số dãy của thiết bị ngưng tụ: z=6
[6] Chiều cao của thiết bị ngưng tụ: H = (z-1)S + dng = 0.86m
[7] Đường kính ngoài 0.06m, đường kính trong 0.057m
Tính chọn thiết bị bay hơi
Dàn lạnh quạt là thiết bị bay hơi phổ biến, sử dụng công nghệ làm lạnh không khí kiểu khô Đây là hệ thống trao đổi nhiệt bề mặt, trong đó không khí lưu động bên ngoài chùm ống thải nhiệt cho môi chất sôi hoặc chất tải lạnh bên trong Khi không khí được làm lạnh trực tiếp qua môi chất sôi trong ống, chúng ta gọi đó là thiết bị làm lạnh trực tiếp; ngược lại, nếu không khí được làm lạnh gián tiếp nhờ chất tải lạnh, thì đó là thiết bị làm lạnh gián tiếp Cả hai loại thiết bị này thường được thiết kế dưới dạng chùm ống có cánh, với không khí được tuần hoàn cưỡng bức qua thiết bị nhờ quạt gió.
- Có thể bố trí ở trong hoặc ngoài buồng lạnh.
- Ít tốn thể tích bảo quản sản phẩm.
- Hệ số trao đổi nhiệt lớn.
- Ít tốn nguyên vật liệu.
- Tốn thêm năng suất lạnh cho động cơ quạt gió.
- Độ ẩm trong buồng thấp.
- Khó duy trì độ ẩm cao theo yêu cầu bảo quản.
- Độ khô hao sản phẩm tăng do nhiệt độ bay hơi thấp.
3.9.2 Tính toán chọn thiết bị bay hơi Các thông số
- Nhiệt tải của thiết bị bay hơi: Q0 = 79300 W
- Nhiệt độ bay hơi của tác nhân lạnh: t0 = -25 o C
- Nhiệt độ trung bình của không khí: tm = -20 o C
- Chọn nhiệt độ không khí vào dàn bay hơi: tv = -19 o C
- Chọn nhiệt độ không khí ra khỏi dàn bay hơi: tr = -21 o C
- Độ ẩm trung bình của không khí: φ = 90%
- Chọn vận tốc không khí qua thiết bị là: vkk = 5 m/s
- Chọn các ống truyền nhiệt là ống thép CT3 có các thông số như sau:
Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị
68 Đường kính ngoài dng m 0.038 Đường kính trong dtr m 0.031
Bề dày ống s m 0.0035 Đường kính cánh tản nhiệt D m 0.078 Chiều cao cánh tản nhiệt h m 0.020
Bề dày cánh tản nhiệt δc m 0.001
Xác định hàm ẩm, entanpi của không khí:
Từ đồ thị h-d của không khí ẩm, ta xác định được các giá trị sau:
Nhiệt độ Độ chứa hơiφ Độ ẩm d” Hàm ẩm d Entanpi h ( o C) (%) 10 -3 (kg/kg kkk) 10 -3 (kg/kg kkk) (kj/kg)
Với entanpi được tính theo công thức sau: h = Cb x t + d x (2500 + Ch x t) (kj/kg) Trong đó Cb = 1 kj/kg o C : nhiệt dung riêng của không khí khô
C h = 1.93kj/kg o C: nhiệt dung riêng của không khí ẩm
Để xác định nhiệt độ của vách ống, ta cần giảm dần nhiệt độ và tham khảo bảng giá trị độ chứa hơi bão hòa tương ứng Quá trình này tiếp tục cho đến khi độ ẩm đạt 100% theo công thức tính, từ đó xác định được nhiệt độ vách ống.
Cho φ = 100% ta tìm được tw= -24 o C và d” = 0.36 x 10 -3 kg/kg kkk Xét trên 1m chiều dài ống:
Diện tích khoảng giữa các cánh:
Diện tích bề mặt trong của ống:
Ftr = П×dtr = 3.14×0.031= 0.0973 m 2 Diện tích bề mặt ngoài của ống (tính luôn cánh):
Hệ số F = Fc + F0 =0.9106+0.1044=1.015 m 2 làm cánh: β = = = 10.43
t2 = tr- t0 = -21 - (-25) = 4 0 C Hiệu nhiệt độ trung bình:
Xác định lượng không khí tuần hoàn trong thiết bị
Lưu lượng khối lượng không khí:
Lưu lượng thể tích không khí:
Với khối lượng riêng không khí:
Diện tích tiết diện để không khí đi qua: fkk = = = 5.144 m 2
Tính bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị: [16]
Hệ số cấp nhiệt của không khí đến lá tản nhiệt αkk = 35 w/m 2 K (tra ở phụ lục 48 trang177 với vkk = 5 m/s [2])
Xác định hệ số tỏa nhiệt về phía không khí:
Công thức tính Nu được xác định là Nu = C×Cz×Cs×φ - m ng ×Re n Đối với chùm ống bố trí song song, hệ số C có giá trị 0.18 và m là 0.7 Khi chọn số hàng ống theo chiều không khí Z lớn hơn 4, ta có Cz = 1 Hệ số Cs sẽ được xác định theo phương pháp phù hợp.
72 φng = = = 8.5 n = 0.6×φng 0.07 = 0.6×8.5 0.07 = 0.697 0.7 Chiều dài quy ước: lq = × dng+ ×
Với λ = 2.276 x 10 -6 W/mK υ = 12.79 x 10 -6 m 2 /s (tra phụ lục 14 trang 148 ở -20˚C) [15]
Hệ số tỏa nhiệt qui ước về phía không khí: αk = = = 17.66 W/m 2 K
Hệ số tỏa nhiệt quy ước về phía không khí: αq = = 12.2 W/m 2 K
Trong đó δt = 0.005 m: bề dày lớp tuyết λt = 0.2 w/m.K :hệ số dẫn nhiệt của tuyết
Rc = 0.005 m 2 K/w : nhiệt trở tại chỗ tiếp xúc giữa cánh và ống
Hệ số tỏa nhiệt về phía không khí được qui đổi theo bề mặt trong của ống:
Hệ số hiệu dụng của lá tản nhiệt E:
Mật độ dòng nhiệt về phía không khí qui đổi theo bề mặt trong của ống: qtr = αqtr × (tm - tw) = 100×(-20+24) = 400 W/m 2 Diện tích bề mặt trong ống:
Diện tích truyền nhiệt của các cụm ống (các cụm ống bố trí dọc theo chiều chuyển động của không khí)
Số cụm ống đặt song song trong dàn lạnh:
Chiều dài ống trong một cụm ống:
Số hàng trong một cụm ống: m = = = 17.33
=> chọn m = 21 => K = 1.43 Với K= B/H và B: chiều rộng tương ứng của dàn lạnh
H: chiều cao tương ứng của dàn lạnh Chiều dài của một ống trong cụm ống: l = = = 2.288 m 2.3m
Chiều cao của dàn lạnh:
Bề rộng của dàn lạnh:
Chế độ chảy của không khí trong dàn bay hơi:
Vì 10000 < Re < 60000, tổn thất áp suất ∆P1 được tính theo công thức sau:
= 0.094×n’× × = Ở đây n' : số dãy ống tản nhiệt tính theo chiều cao kho
Vận tốc không khí tại của hút vào thiết bị làm lạnh không khí: vv = = = = 13.6 m/s
Vậy tổn thất tại cửa hút:
Vận tốc của không khí tại cửa vào và ra khỏi thiết bị: v3 = = = = 7.004 m/s
Vậy tổn thất tại cửa vào và cửa ra là:
Tiết diện cửa ra của quạt: (chọn đường kính cửa ra D = 0.92 m)
Tiết diện của không gian trên phòng:
Hệ số tổn thất cục bộ: ξ4 = = = 0.837
Vận tốc không khí ra khỏi cửa quạt: v4 = = = 1.099m/s
Tổn thất do dòng không khí ra khỏi cửa hộp vào không gian trên trần là:
Vậy tổn thất tổng cộng là:
= 43+56.18+99.3+0.68 = 199.16 Pa Chọn 4 quạt Lưu lượng thể tích qua mỗi quạt:
` Ta chọn quạt hướng trục MII N o 11 (Bảng 10-11 trang 331 [5])
Tốc độ Năng suất Cột áp Hiệu suất vòng/s Vòng/phút m 3 /s m 3 /h Pa mmH2O %
Công suất cần thiết của quạt:
Van tiết lưu
Van tiết lưu là thiết bị quan trọng trong hệ thống lạnh, có chức năng giảm áp suất của môi chất lỏng từ nhiệt độ và áp suất cao xuống mức áp suất bay hơi Ngoài ra, van còn điều chỉnh lượng môi chất cung cấp cho thiết bị bay hơi, đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
3.10.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Đường vào của lỏng cao áp dẫn đến màng đàn hồi, nơi lá van tiết lưu được điều chỉnh bởi lò xo Vít điều chỉnh lực lò xo cho phép tinh chỉnh áp suất, trong khi bầu cảm biến và ống xi phông đảm bảo việc theo dõi áp suất chính xác Cuối cùng, đường ra của hơi hạ áp hoàn tất quá trình điều chỉnh và kiểm soát áp suất.
Bầu cảm biến được kết nối với màn ngăn thông qua một ống mao, trong đó chứa chất lỏng dễ bay hơi, thường là môi chất lạnh sử dụng trong hệ thống.
Khi bầu cảm biến được đốt nóng, áp suất bên trong tăng, tác động lên màng ngăn và tạo ra lực ngược lại lực ép của lò xo Kết quả là khe hở được mở rộng, cho phép lượng môi chất đi qua van nhiều hơn vào thiết bị bay hơi.
Khi nhiệt độ trong bầu cảm biến giảm, hơi ngưng lại một phần, dẫn đến áp suất giảm Lực lò xo sẽ thắng lực ép của hơi, đẩy thanh chốt lên trên, khiến van khép lại một phần và giảm lưu lượng môi chất đi qua van.
Trong quá trình hoạt động, van tự động điều chỉnh khe hở giữa chốt và thân van để kiểm soát mức dịch trong dàn lạnh công nghiệp, đảm bảo hơi đầu ra từ thiết bị bay hơi có độ quá nhiệt nhất định Độ quá nhiệt này có thể được điều chỉnh bằng cách tăng độ căng của lò xo; khi độ căng lò xo tăng, độ quá nhiệt cũng tăng theo.
Van tiết lưu được lắp đặt trên đường lỏng sau thiết bị bay hơi, trước bình tách lỏng và dàn lạnh không khí.
= (0.5÷0.8) =0.8: hệ số nén của dòng chảy qua van tiết lưu
Độ chênh lệch áp suất (ΔP) giữa hai điểm trước và sau van tiết lưu được tính bằng công thức ΔP = Pk – P0, với Pk = 1.25 kg/m² và P0 = 0.18 kg/m², cho kết quả ΔP = 10.7 kg/m² Gia tốc trọng trường của trái đất g được xác định là 9.81 kg/s² Khối lượng riêng của môi chất lạnh trước khi đi qua van tiết lưu tại nhiệt độ Tk cũng cần được xem xét.
F (m 2 ): tiết diện ngang của van tiết lưu
3.11 Tính chọn thiết bị phụ
Trong hệ thống lạnh, các thiết bị chính bao gồm máy nén, thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi Các thiết bị phụ đóng vai trò quan trọng với số lượng và công dụng đa dạng, hỗ trợ cho hoạt động hiệu quả của hệ thống.
Trong hệ thống lạnh, các thiết bị phụ có thể được trang bị tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng hệ thống, và không phải lúc nào cũng có mặt trong các loại hệ thống khác.
Mặc dù được xem là thiết bị phụ, nhưng các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả, an toàn và tính kinh tế của hệ thống Trong nhiều trường hợp, việc sử dụng thiết bị phụ là bắt buộc để đảm bảo hoạt động an toàn và kỹ thuật của hệ thống, giúp vận hành và sửa chữa kịp thời khi có sự cố xảy ra Để bảo vệ con người và môi trường, hệ thống lạnh cần được trang bị không chỉ các thiết bị chính mà còn cả những thiết bị phụ cần thiết.
Bình tách dầu được đặt sau máy nén và trước thiết bị ngưng tụ, có vai trò quan trọng trong việc tách dầu khỏi dòng môi chất trước khi vào thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi Việc này giúp loại bỏ lớp trở nhiệt do dầu tạo ra, từ đó nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt của các thiết bị này.
1 Đường vào của hơi cao áp
3 Đường ra hơi cao áp
6 Tấm chắn dầu Ở đây 5 và 6 có mục đích là để dòng hơi không sục thẳng vào lớp dầu phía dưới làm văng dầu và cuốn dầu theo làm giảm hiệu suất tách dầu.
Khi dòng chảy chuyển từ ống nhỏ sang ống lớn, vận tốc giảm, dẫn đến lực quán tính giảm theo Dưới tác động của trọng lực, các hạt dầu nặng sẽ rơi xuống.
Do lực ly tâm khi ngoặt dòng các hạt dầu nặng bị văng ra va đập vào thành bình rơi xuống dưới.
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.
Lưu lượng khối lượng môi chất qua bình tách dầu được xác định là G = 0.07 (kg/s), trong khi thể tích riêng của trạng thái hơi tại bình là v’’ = 0.135 (m³/kg) Vận tốc của gas vào bình tách dầu được quy định không vượt quá v ≤ 0.5 m/s.
Xác định đường kính của bình tách dầu
Chọn bình tách dầu hiệu M1952 có các thông số như sau:
Thông số Đơn vị Giá trị Đường kính mm 230
Chiều cao phủ bì mm 1100 Đường kính ga vào mm 50 Đường kính ga ra mm 50 Đường kính ống dầu mm 15
Bình tách lỏng được lắp đặt trên đường hút của máy nén nhằm tách các giọt chất lỏng ra khỏi luồng hơi hút Việc này giúp ngăn chặn máy nén hút phải lỏng, từ đó tránh được hiện tượng va đập thủy lực có thể gây hư hỏng cho máy nén.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động