Thiết kế hệ thống máy đá viên

Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh Thiết kế hệ thống máy đá viên LỜI NÓI ĐẦU Từ nghìn xưa con người đã biết sử dụng lạnh có sẵn trong thiên nhiên như sử dụng băng tuyết và các hầm sâu dưới 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 nước nóng trong ao, hồ, sông, 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 người, mọi nhu cầu này đã được đáp ứng bằng các tủ lạnh gia đình, tủ lạnh thương nghiệp nhưng các nhu cầu đối với máy đá vẫn còn rất lớn Máy nước đá đã được 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 nước đá có ý nghĩ quan trọng trong đời sống, nên khi nhận được đề tài “Thiết kế máy sản xuất đá viên công suất 115kg/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 chưa 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 được sự góp ý của quý thầy cô Đà Nẵng, tháng 12 năm 2019 Sinh viên thực hiện Nguyễn Ngọc Tuấn GVHD: ThS Nguyễn Công Vinh -1- Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh Thiết kế hệ thống máy đá viên ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ VIÊN 115 KG/MẺ Thông số ban đầu: Công suất thiết kế: 115kg/mẻ Thời gian làm đá: 55 phút Đường kính và chiều dài ống đá: ɸ = 50 mm*1.75m Nhiệt lượng đông đặc đá: r = 80 kcal/kg Môi chất lạnh: R22 Mục tiêu đề tài: Tính toán thiết kế máy sản xuất đá viên công suất 115 kg/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 thước, cách nhiệt, cách ẩm… cho cối 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 ngưng tụ kiểu ống chùm nằm ngang: tính diện tích trao đổi nhiệt, bố trí ống, số đường đi, công suất bơm, lưu lượng nước  Tính chọn các thiết bị phụ: tháp giải nhiệt  Tìm hiểu quy trình vận hành cối đá  Tìm hiểu quy trình nước vào, ra đá GVHD: ThS Nguyễn Công Vinh -2- Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh Thiết kế hệ thống máy đá viên CHƯƠNG 1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ PHÂN LOẠI NƯỚC ĐÁ 1 Tính chất vật lý và phân loại nước đá 1.1 Tính chất vật lý  Kích thước máy làm đá _ Thời gian làm đá: t = 55 phút _Đường kính ống đá: ɸ = 48 mm*1.75m _Đường kính viên đá: ɸ = 48 mm*80 mm _Năng suất thiết kế: G =115 kg/mẻ _Nhiệt lượng đông đặc đá: r = 80 kcal/kg _Bề dày lớp đá bám trên ống: ⸹ = 0.02 m _Chiều cao ống đá: H = 1,75m _Khối lượng đá bám trên ống: m = = = 3.4kg/ống _Số ống cần thiết: n = M/m = 115/3.4 = 34 ống _Chọn chiều dài viên đá: 0.08 mm _Số viên mỗi ống: 1.75/0.08 = 21 viên _Số viên mỗi mẻ: 34*21 = 714 viên _ Bề mặt truyền nhiệt: F = π *dtr*H*n = 3.14*0.05*1.75*34 =9.3 m2 _Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt: _Nhiệt độ đá ra khỏi thiết bị: t2 = -5 0C _Nhiệt độ nước vào thiết bị: t1 = 50C _Nhiệt độ môi chất bốc hơi: t0 = -150C GVHD: ThS Nguyễn Công Vinh -3- Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh Thiết kế hệ thống máy đá viên _Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logaric: ∆ttb = 0C K = αmc =7172 W/m 2.K = 354 αn= 5945.16 K= qf = K*∆t = 354*14.4 =5097 W/m2 _Diện tích bề mặt truyền nhiệt: F = 2 Lấy F = 40 m2 _Sai số không đáng kể chấp nhận được _Xác định kích thước thiết bị bốc hơi: Thiết bị bốc hơi ống chùm, số ống là 34 ống, được bố trí theo các cạnh của hình lục giác đều và trên các đỉnh của tam giác đều theo cách bố trí này thì tổng số ống trong ống chùm là : n = 0.75*(m 2 - 1 )+1 =>34 = 0.75*(m 2 - 1 )+1 =>m = 7 _Dựa vào trang 157 tài liệu máy lạnh  Chọn thiết bị bốc hơi là 169 ống , số ống bố trí theo đường kính lớn nhất của hình lục giác ngoài cùng : m = 15 _Bước ống xác định với công thức: GVHD: ThS Nguyễn Công Vinh -4- Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh Thiết kế hệ thống máy đá viên  S = 1.24*0.057 = 0.07068 m _Đường kính thiết bị: D = m * S = 15* 0.07068 ≈ 0.5 1.2 Một số loại nước đá Nước đá được chia thành nhiều loại khác nhau, thế nhưng đa số những người tiêu dùng đều chưa thể phân biệt được các sản phẩm này, dẫn đến nhận nhầm và mua nhầm Theo thống kê hiện nay trên thị trường nước đá của Việt Nam có tổng cộng 5 loại nước đá, bao gồm: Đá cây, đá viên ống, đá viên elip, đá bào Mỗi một loại đá đều có cách sản xuất, hình thức và công dụng khác nhau Cho nên để sử dụng đúng mục đích và mang lại kết quả tốt nhất người tiêu dùng nên hiểu hơn về các loại đá viên này 1.2.1 Đá cây Đá cây là loại nước đá được sản xuất theo phương pháp điện phương lạnh, đặt trong các bệ dung dịch muối lạnh có nhiệt độ khoảng -10 độ C, tạo thành các khối đá với nhiều kích thước và khối lượng khác nhau Khi sản xuất đá cây sẽ cho nước vào trong các khuôn có kích thước nhất định, tùy theo từng yêu cầu sẽ sản xuất độ lớn nhỏ theo đó (trong đó đa phần các loại đá cây thường được làm lạnh với các cân nặng 12,5; 25; 50 kg) Phương pháp sản xuất nước đá cây khá đơn giản và dễ thực hiện, nhờ vào khối lượng lớn nên việc di chuyển và bảo quản đá cây trong thời gian dài dễ dàng hơn so với các loại đá viên hay nước đá tinh khiết khác, đây được xem là ưu điểm lớn nhất của đá cây Cho nên việc sử dụng đá cây cho việc bảo quản thực phẩm khi cần giữ lạnh trong thời gian dài cũng được nhiều người dùng lựa chọn, ở một số nơi người tiêu dùng còn sử dụng đá cây trong việc giải khát Tuy nhiên, để sản xuất đá cây các doanh nghiệp cần rất chi phí đầu tư và quá trình vận hành lớn nên phải mất thời gian khá dài để có thể sản xuất một lượt sản phẩm Đặc biệt, quá trình sản xuất và phương pháp khá cũ nên việc đảm bảo vệ GVHD: ThS Nguyễn Công Vinh -5- Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh Thiết kế hệ thống máy đá viên sinh, an toàn thực phẩm không hề đạt chỉ tiêu, các sản phẩm đá cây sau khi hoàn thành sẽ không đi kèm với chất lượng Hiện nay, đa phần đá cây chỉ dùng để bảo quản thực phẩm và cung cấp cho các thuyền đánh cá sử dụng 1.2.2 Đá viên ống Đá viên ống được sản xuất bằng phương pháp làm lạnh với máy nén khí gas R22 công suất lớn, phối hợp với hệ thống lọc nước RO tạo ra các sản phẩm nước đá tinh khiết đảm bảo an toàn cho sức khỏe Hệ thống lọc nước RO giúp làm sạch nước bẩn, loại bỏ tạp chất, vi khuẩn và chất cặn lắng trong nước đá sau khi ra thành phẩm Đá viên ống có kích thước từ 18 – 48 mm, được sử dụng nhiều cho các nhu cầu cần thiết trong cuộc sống, nhất là vấn đề giải khát như pha kèm với: Cà phê, bia, trà, sinh tố, hay các loại nước giải khát… Sạch sẽ, tinh khiết và an toàn cho sức khỏe chính là ưu điểm lớn nhất mà hệ thống sản xuất đá viên tinh khiết và hệ thống lọc nước RO mang lại GVHD: ThS Nguyễn Công Vinh -6- Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh Thiết kế hệ thống máy đá viên 1.2.3 Đá viên elip Đá viên elip không được sử dụng rộng rãi như đá viên ống mà thường được dùng trong các quán bar cao cấp Người dùng có thể dễ dàng sản xuất đá viên elip với máy làm đá viên tinh khiết công suất nhỏ dùng cho cho hộ gia đình Với hệ thống làm đá đơn giản và đảm bảo an toàn thực phẩm, người dùng có thể có được sản phẩm đá viên elip và sử dụng ngay khi cần 1.2.4 Đá bào Đá bào là sản phẩm nước đá tinh khiết được sản xuất với mục đích sử dụng cho ngành công nghiệp nước giải khát và có thể dễ dàng nhận thấy chúng trên thị trường Để đạt được kết quả và mục đích như mong muốn, cũng như đảm bảo an toàn cho sức khỏe của gia đình khi lựa chọn sản phẩm nước đá người tiêu dùng cần thận trọng Ngoài ra, việc chọn lựa một địa chỉ sản xuất nước đá tinh khiết cũng quan trọng không kém, bởi vì một sản phẩm tốt điều quan trọng nhất chính là chất lượng GVHD: ThS Nguyễn Công Vinh -7- Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh Thiết kế hệ thống máy đá viên 1.3 Nước đá tinh khiết phải đảm bảo các yêu cầu sau Tạp chất Hàm lượng tối đa Số lượng môi chất trong nước 100 con/l Vi khuẩn đường ruột 3 con/l Chất khô cho phép 1g/l Độ cứng chung của nước 7mg/l PH 7 Muối cứng tạm thời 70mg/l Độ đục theo các hạt lơ lửng 1,5mg/l Sắt 0,3mg/l Sunfat+0,25 Clorua+1,25 Natricforua 170mg/l Tính oxi hóa 3mg/g Hàm lượng muối chung 250mg/l 1.4 Các biện pháp xử lý nước Để đảm bảo chất lượng nước đá làm bằng nước có tạp chất lớn, nên tăng cường độ chuyển động của nước lên 2 đến 3 lần, nâng nhiệt độ đóng băng lên -6 đến -8 , tốt nhất là làm sạch bằng phương pháp kết tinh chậm ở -2 đến -4 Nếu không thực hiện được các biên pháp trên thì có thể làm mềm nước, tách cacbonnat canxi, magze, sắt, nhôm ra khỏi nước bằng vôi là quy trình hóa học đơn giản Ví dụ như đối với canxi: Ca( +Ca( =2 Ca +2 Khi đó các chất hửu cơ sẽ đọng lại cùng với hợp chất Cacbonat Sau đó nước đã được gia công bằng vôi, được lọc qua cát thạch anh Đến đây nước đã đảm bảo các chỉ số chung nhưng còn chứa sắt Trước khi lọc cần bổ sung thêm một ít vôi nửa Khi cho nước ngậm khí, sắt thường kết hợp với tạo thành cặn và dễ dàng bị tách ra GVHD: ThS Nguyễn Công Vinh -8- Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh Thiết kế hệ thống máy đá viên Có thể lọc nước dễ dàng bằng cát thạch anh hay bằng nhôm Sunfat Phương pháp này không những đảm bảo làm mềm nước tích tụ các chất hữu cơ và vôi mà còn chuyển hóa bicasbonat thành sunfat, kết quả là giảm được tích dòn và đo đó có thể hạ được nhiệt độ đóng băng Như vậy cần giữ độ PH trong nước ở mức 7 để giảm tích dòn của nước đá 1.5 Các loại thiết bị làm đá 1.5.1 Máy làm đá mảnh Máy gồm hai hình trụ hai vỏ đứng, môi chất lạnh sôi ở trong, bên ngoài cách nhiệt, bên trên có bố trí bể nước và có vòi cho nước chảy đều lên bề mặt trong của hình trụ Gặp lạnh nước đóng băng lại và được hai lưỡi bào có răng cưa nạo ra khỏi bề mặt hình trụ khi hai lưỡi bào này quay Đá mãnh được thu ở phía dưới, còn nước thừa được bơm trở lại bể trên cao Hiện nay phương pháp này được sử dụng rộng rãi vì chúng rất kinh tế Máy hiện đại được cải tiến chút ít ví dụ trục quay ở giửa chỉ mang một dao cắt còn phía đối diện là vòi phun nước Nước phun đóng băng quay khi gặp bề mặt lạnh và được dao nạo ra Do nước đá có nhiệt độ rất thấp nên nó mở bọc ra khỏi tang trống rất dễ dàng Chúng rất dòn và có khả năng bảo quản lâu 1.5.2 Máy làm đá tuyết Máy bao gồm một tang trống, hai đầu có hai nắp và phía ngoài có môi chất lạnh sôi, bên trong có hai lưỡi dao nạo quay với tốc độ 250 v/phút để nạo đá hình thành trên tang trống Để tăng bề mặt trao đổi nhiệt phía nước người ta tạo các đườg dích dắc Nước sẽ được cấp vào một nắp và hỗn hợp nước và đá vụn ra phía nắp kia Để tạo được toàn bộ đá hình thành trên bề mặt trong của tang trống, tất nhiên hai lưỡi dao nạo củng phải có hình dích dắc tương ứng với bề mặt trong của tang trống Hỗn hợp nước và đá vụn được đưa qua một lưỡi lọc để lọc lấy đá còn nước lại đưa trở lại máy Nước cấp cho máy phải có nhiệt độ 0 nên phải làm lạnh sơ bộ trước Loại đá tuyết này thường được sử dụng để làm lạnh trực tiếp chất lỏng Đẻ bảo quản, vận chuyển và sử dụng dễ dàng hơn Taylor đã phát minh thêm một loại máy ép viên đá tuyết thành các cục đá dạng quả bàng loại 230g và 450g GVHD: ThS Nguyễn Công Vinh -9- Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh Thiết kế hệ thống máy đá viên 1.5.3 Máy đá cỡ nhỏ Các loại máy đá cỡ nhỏ vài chục kg đến vài trăm kg đá/24h thường là các loại máy đá hoàn toàn tự động, sản xuất đá cục trong khay hoặc đá mảnh Các loại máy này rất cần thiết phục vụ cho các nhà hàng giải khát, quán ăn nhà hàng, khách sạn, cho mục đích tiêu dùng, phục vụ đời sống, y tế, các bệnh viện và trong cả các xí nghiệp Một phần nhu cầu này đã được đáp ứng bằng các tủ lạnh gia đình, tủ lạnh thương nghiệp nhưng nhu cầu đối với các máy đá vẫn rất lớn, chính vì vậy đã có nhiều cơ sở sản xuất máy đá, tủ đá chuyên dùng Ngày nay các loại máy đá sản xuất nhỏ rất phong phú và đa dạng đặc biệt ở Mỹ các máy này làm việc theo hai phương pháp liên tục và chu kỳ Máy làm việc theo phương pháp liên tục chủ yếu là sản xuất đá mảnh, nguyên lý làm việc là cho nước chảy trên bề mặt ngoài hoặc bề mặt trong một ống bay hơi hình trụ Đá hình thành trên đó được một dao nạo kiểu trục vít hoặc cánh quay nạo ra khỏi bề mặt bay hơi và đẩy vào thùng chứa 1.5.4 Máy làm đá viên Có rất nhiều máy làm đá viên (ống) khác nhau như Vogt (Mỹ), Linde (Đức), Escher-Wyss (Mỹ), Astra (Đức) Tất cả chúng đều có chung nguyên lí là làm việc theo chu kỳ, kết đông đá trong các ống, môi chất lạnh sôi trực tiếp bên ngoài ống, khi đã kết đông đến chiều dày cần thiết, đổi sang chu kỳ tan giá, các ống đá rơi xuống và được dao cắt ra tùng thỏi đá rộng =30 đến 50 mm, dài 50 đến 100 mm Máy làm đá ống Vogt (Mỹ) có cấu tạo như sau: Máy gồm một bình hình trụ đứng, bên trong bố trí nhiều ống làm đá, bên trên là thùng nước có bộ phân phối nước cho nước chảy đều lên trên bề mặt của ống Phía dưới có thùng hứng nước thừa không kết đông được thành đá Khi độ đày ống đạt 10 đến 15mm thì kết thúc quá trình làm đá để chuyển sang quá trình tan giá Ở quá trình tan giá người ta dùng bơm nước, đóng van cấp lỏng và đường hút sau đó mở van hơi nóng cho hơi nóng tràn vào, đẩy lỏng vào bình chứa thu hồi GVHD: ThS Nguyễn Công Vinh -10- Đồ án tổng hợp Nhiệt lạnh Thiết kế hệ thống máy đá viên )] ⇔ Chọn chiều dày -Trần: Trước lớp vật liệu cách ẩm có: Lớp xi măng: Lớp bêtông cốt thép: ⇒ ⇔ Vậy không cần cách ẩm cho trần -Nền: Tương tự như trần không cần cách ẩm *Đối với máy làm đá: ⇒ là không đáng kể nên: Trước lớp vật liệu cách ẩm chỉ có thép có bề dày và hệ số ⇔ Chọn GVHD: ThS Nguyễn Công Vinh -20-