Tính toán thiết kế hệ thống máy đá cây

Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh GVHD:ThS Nguyễn Công Vinh ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT KHOA CƠ KHÍ -   - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY ĐÁ CÂY Sinh viên thực hiện : NGUYỄN VĂN QUÝ Lớp : 17N1 Giáo viên hƣớng dẫn : ThS NGUYỄN CÔNG VINH Đà Nẵng, năm 2020 SVTH: NGUYỄN VĂN QUÝ Trang 1 Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh GVHD:ThS Nguyễn Công Vinh LỜI NÓI ĐẦU Từ nghìn xƣa con ngƣời đã biết sử dụng lạnh có sẵn trong thiên nhiên nhƣ sử dụng băng tuyết và các hầm sâu dƣới đất để bảo quản thực phẩm Quá trình hình thành đá thiên nhiên dựa vào lạnh của thiên nhiên, nhiều nơi mùa đông không khí lạnh đến -20°, -30° …làm cho nƣớc nóng trong ao, hồ, song, suối, …bị đóng băng Ngày nay kỹ thuật lạnh giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân,nó tham gia vào mọi ngành kinh tế.Đặc biệt trong mục đích tiêu dùng phục vụ đời sống con ngƣời,mọi nhu cầu này đã đƣợc đáp ứng bằng các tủ lạnh gia đình, tủ lạnh thƣơng nghiệp nhƣng các nhu cầu đối với máy đá vẫn còn rất lớn Máy nƣớc đá đã đƣợc các cơ sở sản xuất sử dụng ngày càng nhiều, nó rất cần thiết phục cho các quán hàng giải khát, nhà hàng, khách sạn… Vì nƣớc đá có ý nghĩ quan trọng trong đời sống, nên khi nhận đƣợc đề tài “Thiết kế máy sản xuất đá cây công suất 20 tấn/mẻ” em cảm thấy rất thích thú Trong khi thực hiện đồ án này có những kiến thức và kinh nghiệm thực tế em còn chƣa rõ, nhờ sự chỉ dẫn tận tình của thầy Nguyễn Công Vinh đã giúp em hoàn thành đồ án này Do kiến thức còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi sai sót nên rất mong đƣợc sự góp ý của quý thầy cô Đà Nẵng, 19 tháng 05 năm 2020 Sinh viên thực hiện NGUYỄN VĂN QUÝ SVTH: NGUYỄN VĂN QUÝ Trang 2 Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh GVHD:ThS Nguyễn Công Vinh ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY SẢN XUẤT NƢỚC ĐÁ CÂY 20 TẤN/MẺ Thông số ban đầu: Công suất thiết kế: 20 tấn/mẻ Thời gian làm đá: 18 giờ Khối lƣợng một cây đá: 50 kg/cây Nhiệt độ nƣớc muối trong bể: -100C Môi chất lạnh: R134a Mục tiêu đề tài: Tính toán thiết kế máy sản xuất đá cây công suất 2 tấn/mẻ Nội dung đề tài:  Các kiến thức cơ sở về lý thuyết máy và thiết bị lạnh  Các số liệu về khí hậu thành phố Đà Nẵng  Quy trình sản xuất đá  Tính thiết kế bể đá: kích thƣớc, cách nhiệt, cách ẩm… cho bể đá cố định  Tính tổn thất nhiệt, tính cân bằng nhiệt  Tính toán chu trình máy và chọn máy nén  Tính toán thiết kế dàn bay hơi  Tính thiết kế bình ngƣng tụ kiểu ống chùm nằm ngang: tính diện tích trao đổi nhiệt, bố trí ống , số đƣờng đi, công suất bơm, lƣu lƣợng nƣớc, bơm  Tính chọn các thiết bị phụ: tháp giải nhiệt  Tìm hiểu quy trình vận hành bể đá  Tìm hiểu quy trình cẩu chuyển vào nƣớc, ra đá SVTH: NGUYỄN VĂN QUÝ Trang 3 Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh GVHD:ThS Nguyễn Công Vinh CHƢƠNG 1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ PHÂN LOẠI NƢỚC ĐÁ 1.1 Tính chất vật lý và phân loại nƣớc đá 1.1.1 Tính chất vật lý Nƣớc đá ở 0°C và áp suất 0,98 bar có các thông số vật lý là: - Nhiệt độ nóng chảy :tr = 0oC - Nhiệt lƣợng nóng chảy : qr = 333,6 Kj/Kg (79,8Kcal/Kg) - Nhiệt dung riêng : Cpâ = 2,09 Kj/Kg (0,5 Kcal/Kg) - Hệ số dẫn nhiệt : â =2,326 W/mK (2Kcal/mhđộ) - Khối lƣợng riêng trung bình 900kg/m3 Khi nƣớc đóng băng thành nƣớc đá, thể tích của nó tăng 9% Nƣớc đá đƣợc sử đụng để làm lạnh vì có khả năng nhận nhiệt của môi trƣờng xung quanh và tan ra thành nƣớc ở nhiệt độ 0°C Hình 1-1: Quá trình làm đá Trang 4 SVTH: NGUYỄN VĂN QUÝ Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh GVHD:ThS Nguyễn Công Vinh Lƣợng lạnh cần thiết để biến một kg nƣớc ở nhiệt độ ban đầu t1 thành nƣớc đá có nhiệt độ t2 ( ) : () | | , nhiệt dung riêng của nƣớc Nếu nhiệt độ t1 = + 30°C; t2 = -12°C thì : q = 125,4 + 333,6 + 20,9 q = 479,9 kJ/kg ( =114,8 Kcal/kg) A- Quá trình hạ nhiệt độ từ t1 xuống 0°C B - Quá trình hóa rắn ở 0°C C – Quá trình quá lạnh xuống t2 1.1.2 Phân loại nước đá Theo thành phần nguyên liệu ngƣời ta phân nƣớc đá nhân tạo ra các loại nƣớc đá từ nƣớc ngọt ( nƣớc lã, nƣớc sôi, nƣớc nguyên chất, ), nƣớc đá từ nƣớc biển và nƣớc đá từ nƣớc muối; nƣớc đá từ nƣớc sát trùng và kháng sinh Trong công nghệ sản xuất nƣớc đá từ nƣớc ngọt, ngƣời ta đòi hỏi những yêu cầu đặc biệt đối với nguyên liệu (nƣớc), sản xuất (nƣớc đá) cũng nhƣ đối với thiết bị và quá trình sản xuất Từ nƣớc ăn lấy ở mạng nƣớc thành phố ngƣời ta sản xuất nƣớc đá đục khối lƣợng riêng 890 đến 900 kg/m3 và nƣớc đá trong khối riêng 910 đến 917 kg/m3 ở nhiệt độ từ -8 đến - 25oC Nuớc đá đục có màu trắng vì trong đó có ngậm các bọt không khí và tạp chất , khi tan để lại chất lắng Nƣớc đá trong trong suốt có màu phớt xanh, khi tan không để lại chất lắng Thông thƣờng nguồn nƣớc phải đảm bảo đƣợc các yêu cầu sau : số lƣợng vi khuẩn trong nƣớc không quá 100 con/ml, vi khuẩn đƣờng ruột không quá 3 con/l, chất khô cho phép là 1g/l, độ cứng chung của nƣớc không quá 7mg/l, độ đục theo hàm lƣợng các hạt lơ lửng không quá 1,5mg/l, hàm lƣợng sắt không quá 0,3mg/l, nồng độ cho phép của các hydro trong khoảng 6,5 ÷ 9,5 Những chỉ tiêu trên đây đƣợc áp dụng cho nƣớc để sử dụng cho các mục tiêu kỹ thuật.Nƣớc đá dùng để uống phải đảm bảo điều kiện vệ sinh nhƣ đối với các thực phẩm tiêu SVTH: NGUYỄN VĂN QUÝ Trang 5 Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh GVHD:ThS Nguyễn Công Vinh dùng thực tế.Đối với nƣớc đá trong đƣợc sản xuất ở gần -12oC th hàm luợng tạp chất cho phép đƣợc cho ở bảng sau: Bảng 1-1: Hàm lƣợng tạp chất đối với nƣớc đá trong sản xuất Tạp chất Hàm lƣợng tối đa Hàm lƣợng muối chung, mg/l 250 Sunfat +0,75 clorua +1,25 natri cacbonat, mg/l 170 Sắt, mg/l 70 Muối cứng tạm thời, mg/l 0,04 Tính oxi hóa O2, mg/l 3 Nồng độ ion hydro (pH) 7 Khi độ pH > 7 và trong nƣớc có các loại muối Ca, Mg và đặc biệt là Ca(CO3)2 thì cây đá sẽ dòn, dễ gẫy và vì vậy nên làm nƣớc đá đóng băng ở -8oC và làm tan giá ở 20oC Điều kiện bình thƣờng là -12oC và 35oC Để đảm bảo chất lƣợng nƣơc đá làm bằng nƣớc có tạp chất lớn, nên tăng cƣờng độ chuyển động của nƣớc lên 2 ÷ 3 lần so với bình thƣờng, nâng nhiệt độ đóng băng lên -6 ÷ - 8oC, tốt nhất sẽ làm sạch băng bằng phƣơng pháp kết tinh chậm ở -2 đến -4oC Nếu không thực hiện các biện pháp trên thì có thể làm mềm nƣớc: tách Ca(CO3)2, Ca, Mg, Fe, Al ra khỏi nƣớc bằng các quá trình hóa học đơn giản : Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 = CaCO3 +2H2O Bảng 1 -2: Ảnh hƣởng của tạp chất đế chất lƣợng nƣớc đá Tạp chất Ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc đá Kết quả chế biến nƣớc Ca(CO3)2 - Tạo thành chất lắng bẩn thƣờng ở phần Tách ra đƣợc dƣới và giữa cây đá làm nứt ở nhiệt độ Mg(CO3)2 thấp Tách ra đƣợc Ôxit Sắt - Tạo thành chất lắng bẩn và bọt khí Tách ra đƣợc Ôxit silic và nhôm - Cho chất lăng màu vàng hay màu nâu và Tách ra đƣợc nhuộm màu chất lắng canxi - Cho chất lắng bẩn SVTH: NGUYỄN VĂN QUÝ Trang 6 Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh GVHD:ThS Nguyễn Công Vinh Tách ra đƣợc Chất lơ lửng - Cho chất cặn bẩn Sunfat natri clorua - Tạo ra các vết trắng, tập trung ở lõi, làm Không thay đổi và sunfat canxi cho lõi đục và kéo dài thời gian đóng băng Không có chất lắng Clorua canxi và - Cho chất lắng xanh nhạt hay xám nhạt, Biến đổi thành Sunfat sunfat magiê tập trung trong lõi, kéo dài thời gian đóng Canxi băng Clorua magiê - Thuờng biểu hiện dƣới dạng các vết Biến đổi thành Clorua trắng Không có cặn Canxi Cacbonat natri - Một lƣợng nhỏ cũng làm nứt ở nhiệt độ Biến đổi thành Cacbonat dƣới -9oC Tạo ra các vết màu trắng tập natri trung ở lõi, kéo dài thời gian đóng băng, tạo ra các độ đục cao Khi đó các chất hữu cơ đọng lại cùng với tạp chất Cacbonat.sau đó nƣớc đã gia công bằng vôi, đƣợc lọc qua cát thạch anh, đến đây nƣớc đã đảm bảo đƣợc các chỉ tiêu chung, nhƣng còn chứa sắt Trứớc khi lọc cần bổ sung thêm một ít vôi nữa Khi cho nƣớc ngậm khí, sắt thƣờng kết hợp với CO2 tạo thành cặn và dễ dàng tách ra Có thể lọc nƣớc dễ dàng bằng cát thạch anh hay bằng nhôm sunfat Phƣơng pháp này không những đảm bảo làm mềm nƣớc, tích tụ các chất hữu cơ và vôi chuyển hóa bicacbonat thành sunfat, kết quả là giảm đƣợc tính dòn và do đó có thể hạ đƣợc nhiệt độ đóng băng trong khuôn đá từ -8/-10oC đến -12/-14oC Nhƣ vậy cần giữ độ pH trong nƣớc ở mức 7 để giảm tính dòn của nƣớc đá 1.1.2.1 Nước đá đục Nƣớc đá đục còn gọi là nƣớc đá kỹ thuật Nƣớc đá đục (không trong suốt) là do trong nƣớc có tạp chất Nhũng tạp chất này có thể là chất khí, lỏng, rắn, Ở nhiệt độ 0oC và áp suất 0,98 bar, nuớc có thể hòa tan tổng cộng 29,2 mg/l, nghĩa là trong nƣớc có thể hòa tan tới 0,93% thể tích không khí khi đóng băng, những chất khí tách ra, tạo SVTH: NGUYỄN VĂN QUÝ Trang 7 Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh GVHD:ThS Nguyễn Công Vinh thành các bọt khí và bị ngậm giữa các tinh thể đá Mặc dầu không khí trong suốt nhƣng do bị phản xạ toàn phần nên nƣớc đá không trong suốt có màu trắng đục Nƣớc thƣờng chứa các loại muối hoà tan, chủ yếu các loại muối Canxi và Magiê Ngoài ra còn có các tạp chất rắn không hoà tan trong nƣớc nhƣ cát, bùn nằm lơ lửng trong nƣớc, chúng nằm trong nƣớc đá khi đóng băng, các tinh thể đá có xu hƣớng đẩy các tạp chất, cặn bẩn, không khí ra, càng vào giữa cây đá các tạp chất càng nhiều và dần dần chúng bị ngậm giữa các tinh thể đá làm cho nƣớc đá có màu trắng đục nhƣ sữa hoặc màu trắng nhạt 1.1.2.2 Nước đá trong suốt Nhƣ đã giới thiệu, quá trình nƣớc đóng băng có hiện tƣợng tự làm sạch nƣớc nghĩa là nƣớc khi đóng băng xảy ra quá trình tách các cặn bẩn và các thành phần khác ra khỏi tinh thể đá đang hình thành.Nếu những tạp chất này đƣợc lấy ra khỏi bề mặt tinh thể thì có thể loại trừ ngay những tạp chất đó khỏi bị ngâm giữa các lớp đá đang hình thành.Khi đó nƣớc đá sẽ trong suốt.Thƣờng để sản xuất nƣớc đá trong suốt, nguời ta sử dụng phƣơng pháp thổi khí vào đáy khuôn đá.Riêng phần tâm cây đá vẫn đục bởi vì cặn bẩn động lại 1.1.2.3 Nước đá pha lê Nƣớc đá pha lê (tinh thể) đƣợc sản xuất từ nƣớc đá khử muối hoàn toàn và khử khí cẩn thận khi tạo đá Trƣớc đây ngƣời ta chỉ sản xuất nƣớc đá pha lê từ nƣớc cất Ngày nay nƣớc đá pha lê đƣợc sản xuất từ nƣớc khử muối hoàn toàn bằng phƣơng pháp hóa học nhờ các thiết bị trao đổi ion Khối nƣớc đá phalê hoàn toàn trong suốt cho đến tâm Khi tan nƣớc đá không để lại cặn bẩn Chính vì vậy nƣớc đá pha lê đƣợc sử dụng khi nƣớc đá tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm bảo quản Nƣớc đá pha lê khi xay nhỏ rất dễ lấy vì ít bị dính Nƣớc đá pha lê có thể đƣợc sản xuất ngay ở các máy đá nhỏ với điều kiện tốc độ nƣớc trên bề mặt đóng băng đủ lớn đạt yêu cầu 1.1.2.4 Một số loại nước đá khác Nƣớc đá thực phẩm: Nguyên liệu là nƣớc đảm bảo yêu cầu về tiêu chuẩn về an toàn thực phẩm, về tạp chất, về vi khuẩn, và đặc biệt là vi khuẩn đƣờng ruột Nƣớc đá trong suốt và nƣớc đá pha lê đƣợc sử dụng nhiều hơn so với nƣớc đá đục SVTH: NGUYỄN VĂN QUÝ Trang 8 Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh GVHD:ThS Nguyễn Công Vinh Nƣớc đá khử trùng: Nƣớc đá khử trùng đƣợc sản xuất từ nƣớc đã đƣợc khử trùng bằng các hóa chất nhƣ hypoclorit canxi, nitrat natri, Đôi khi ngƣời ta còn thêm các hóa chất kháng sinh nhƣ Cloteracylin 0,0001 đến 0,0005% Nƣớc đá đƣợc khử trùng dùng chủ yếu trong công nghiệp cá để chuyên chở và bảo quản cá tƣơi Dùng nƣớc đá khử trùng có chất kháng sinh có thể tăng thời hạn bảo quản cá lên đến 1,5 lần Nƣớc đá từ nƣớc biển Nƣớc đá từ nƣớc biển đƣợc sản xuất từ nƣớc biển có nồng độ cao chủ yếu sử dụng trong công nghiệp cá để chuyên chở và bảo quản cá tƣơi khi đánh bắt ngoài biển Nhờ độ mặn cao nên nhiệt độ nóng chảy thấp hơn 0oC nên chất lƣợng bảo quản cá cao hơn và thời hạn bảo quản kéo dài 2 ÷ 3 lần SVTH: NGUYỄN VĂN QUÝ Trang 9 Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh GVHD:ThS Nguyễn Công Vinh CHƢƠNG 2 TÍNH THỂ TÍCH VÀ TÍNH TOÁN CÁCH NHIỆT, CÁCH ẨM CHO BỂ ĐÁ 2.1 Thiết kê bể đá 2.1.1 Thông số ban đầu - Công suất của bể đá: 20 tấn/mẻ - Nhiệt độ nƣớc vào : t1 = 30oC - Nhiệt độ đá ra : t2 = -10oC - Thời gian làm lạnh:  = 18h/mẻ - Môi chất lạnh: R134a - Khuôn đá: 50Kg - Miệng cây đá: 380  190mm - Đáy cây đá: 340  160mm - Chiều cao cây đá: 1150mm 2.1.2 Tính toán kích thước của bể đá a) Số lượng khuôn đá khuôn Trong đó: - M là khối lƣợng đá trong bể ứng với một mẻ (kg) chính là năng suất của bể M = 20000kg - m là khối lƣợng của mỗi cây đá m = 50kg - N là số lƣợng khuôn đá b) Thể tích cây đá V= (0,26.0,13 + 0,28.0,11)1,15= 0.037 m3 SVTH: NGUYỄN VĂN QUÝ Trang 10