TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN Ở TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
Sơ đồ nguyên lý máy nước đá ống phổ biến
1.1.1 Sơ đồ nguyên lý máy nước đá ống trên thế giới
Hãng Vogt đã làm máy nước đá ống tiết kiệm năng lương lượng hàng đầu trên thế giới bằng cách ứng dụng công nghệ điều khiển, sơ đồ nguyên lý sản xuất máy đá của hãng Vogt thể hiện ở hình bên dưới: [1]
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý máy làm đá hãng Vogt Hãng Linsky đã chế tạo máy đá ông với sơ đồ như sau: [2]
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý máy làm đá hãng Linsky
- Thông qua điều khiển bộ biến tần áp suất cao, chạy mà không ảnh hưởng đến nhiệt độ môi trường xung quanh;
- Sử dụng khí Freon nóng để làm đá rơi nhanh với toàn bộ quá trình chỉ mất 150 giây;
- Máy làm đá cấp thực phẩm được chứng nhận bởi CE;
- Công nghệ định tuyến nước được cấp bằng sáng chế của Linsky làm cho đá sạch và tinh thể một cách hiệu quả;
- Thiết bị bay hơi sử dụng vật liệu SUS304 hoàn toàn phù hợp với yêu cầu vệ sinh;
- Công nghệ xử lý nhiệt chuyên dụng tận dụng tốt nhất khả năng dẫn nhiệt;
- Hiệu quả cao, an toàn, tiết kiệm năng lượng, bền và thân thiện với môi trường 1.1.2 Sơ đồ nguyên lý máy nước đá ống tại Việt Nam
Hiện nay máy sản xuất đá viên được sử dụng trong kinh doanh giải khát rất phổ biến ở nước ta Đá viên vừa có tính thẩm mỹ vừa đảm bảo vệ sinh nên rất được ưa chuộng Mặt khác máy làm đá viên có cấu tạo đơn giản, kích cỡ khá nhỏ, dễ sử dụng rất phù hợp với thương mại và đời sống, có thời gian làm đá ngắn, đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng Ở công ty Việt An [3] qui trình tạo đá của máy làm đá như hình:
1.Bình bay hơi; 2.Ống nước đá; 3.Bể chứa nước phía trên; 4.Bơm tuần hoàn; 5.Bể nước bên dưới;6.Kính xem gas; 7 Cơ cấu cắt đá ống; 8.Đá thành phẩm; 9.Van tiết lưu phao; 10.Van cấp dịch xả đá; 11 Động cơ dao cắt đá
Hình 1.3: Sơ đồ bộ làm nước đá công ty Việt An Đá được sản xuất trong các ống có kích thước thường sử dụng là 57 mm Môi chất lạnh sôi bên ngoài ống, trong quá trình làm việc môi chất lạnh ngập bên ngoài ống
Quá trình làm việc của máy sản xuất đá viên theo chu kỳ và có thể chia thành
2 giai đoạn chính là: giai đoạn kết đông đá và giai đoạn tan giá
- Cấu tạo giống như bình ngưng ống chùm đặt đứng gồm một bình, bên trong có nhiều ống, bên trên bố trí khay chứa nước, nước từ khay chảy bên trong ống và được làm lạnh, đóng băng lên bề mặt bên trong của ống
- Theo thời gian, chiều dày của lớp đá tăng lên Lượng nước thừa được 01 thùng đặt phía dưới hứng và tiếp tục được bơm bơm lên khay cấp nước phía trên để tiếp tục đông đá Khi độ dày đá đạt 10-15 mm thì kết thúc quá trình đông đá và chuyển sang quá trình tan đá
- Để quá trình tan đá thuận lợi và dễ dàng lấy đá ra khỏi ống tạo đá (cối đá) của máy làm đa viên, các ống phải có bề mặt bên trong nhẵn, phẵng Để làm tan đá người ta sử dụng gas nóng đi vào trong bình bay hơi và làm tan 01 lớp mỏng của thanh đá và nó rời khỏi ống rơi xuống
- Khi rơi xuống dưới nó được dao cắt thành các đoạn ngắn theo yêu cầu Sau đó tiếp tục thực hiện quá trình đông đá Trong quá trình tan đá bơm nước ngừng hoạt động
- Thời gian làm đá của máy nước đá phụ thuộc vào độ dày của đá, nhiệt độ bay hơi Thời gian tan đá khoảng 2 phút và độ dày đá tan là 0,5 mm
Công ty Việt Phát [4] cũng nghiên cứu và chế tạo máy nước đá ống theo nguyên lý như hình 1.4 như sau:
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý máy làm đá ống công ty Việt Phát
Các thiết bị chính gồm có:
- Bình ngưng (trao đổi nhiệt và thải nhiệt ra nước nên có thêm hệ thống bơm nước giải nhiệt và tháp giải nhiệt)
- Bình tách dầu hoạt động theo nguyên lý thay đổi chiều và tốc độ của dòng môi chất dựa vào khối lượng riêng của môi chất và bụi dầu
- Bình chứa cao áp: để chưa môi chất dạng lỏng áp suất cao Nhiệm vụ giải phóng bề mặt trao đổi nhiệt của bình ngưng và cung cấp đầy đủ lượng môi chất cho hệ thống tiết lưu
- Bình hồi nhiệt: Trao đổi nhiệt ngược dòng giữa hơi môi chất lạnh từ thiết bị bay hơi đi vào bình hồi nhiệt với môi chất lỏng trong ống xoắn
- Quy trình hoạt động của máy làm đá viên: Nước - hệ thống xử lý nước - thùng chứa - máy làm nước đá – kho lạnh Từ nguồn nước có sẵn hoặc nước giếng khoan sau khi được xử lý đạt tiêu chuẩn sẽ được bơm lên bồn chứa bằng inox
- Sau đó, nước sẽ tự động cấp vào thùng chứa làm nước đá, sau đó chảy vào các ống đá Cối đá có cấu tạo bên trong gồm nhiều ống inox với kích cỡ theo yêu cầu Lúc này một phần nước được làm lạnh và đóng băng bám trên bề mặt của thành ống Phần nước thừa được một thùng nước hứng ở bên dưới và tiếp tục được bơm lên phía trên Cơ chế làm lạnh của máy sản xuất nước đá viên là cơ chế làm lạnh trực tiếp bằng môi chất lạnh Môi chất lạnh được đưa vào ngập trong cối đá, sôi bên ngoài các ống đá và bay hơi làm lạnh máy làm đá
- Khi nước đá đã đông đặc đầy kín ống đá, máy sẽ chuyển chế độ xả đá Cơ chế xả đá bằng cách cho ga nóng đi vào cối đá, nhiệt độ trong cối sẽ tăng lên làm tan một lớp mỏng và nước đá tách khỏi thành ống
Ngoài ra, Công Ty Âu Việt [5] cũng làm máy làm đá viên với nguyên lý như sau: Phần lớn đá tinh khiết được sản xuất trong các ống có chiều dài khoảng 56cm, trong khi làm đá có một loại môi chất lạnh sẽ làm lạnh phía bên ngoài ống Có 2 quá trình làm việc chính của máy làm đá chính là quá trình đông thành đá và quá trình tan giá Cấu tạo máy làm đá viên có dạng đứng với dạng bình ngưng Bao gồm một trụ tròn và bên trong có nhiều liên kết ống Khay chứa nước làm đá được đặt trên cùng, sao cho nước chảy vào đường ống trong quá trình hoạt động Sau đó, nước sẽ được làm lạnh và đóng băng từ từ trên bề mặt bên trong của ống.
Các nghiên cứu nâng cao hiệu quả của máy nước đá ống
Anusorn Chinsuwan và cộng sự (2023) [6] phát triển mô hình toán sử dụng máy làm lạnh nước và bộ trao đổi nhiệt dạng tấm để giảm mức tiêu thụ năng lượng cho máy đá Khi nhiệt độ nước cấp thấp hơn 11◦C, mức tiêu thụ năng lượng giảm khoảng 6,7–11,6% Phương pháp làm lạnh sơ bộ nước cấp này cũng được thực hiện bởi Pongthorn Yartprom và Anusorn Chinsuwan (2022) [7] để tăng hệ số hiệu quả (COP) của máy làm nước đá ống từ 1,89 lên 2,48; Acharaporn Thongdee và cộng sự (2018) [8] đã phát triển các mô hình toán học để tối ưu hóa các thành phần và điều kiện vận hành của hệ thống làm mát trước
Sukkapop Nakornsri và cộng sự (2014) [9] nghiên cứu cải tiến hiệu suất của máy làm đá dạng ống bằng cách giảm nhiệt độ nước cấp bằng thiết bị trao đổi nhiệt vỏ và ống Nghiên cứu này sử dụng máy làm đá có công suất 20 tấn/ngày Bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống được thiết kế để giảm nhiệt độ nước cấp Nó có chiều dài 1,5 mét và diện tích truyền nhiệt 3,5 m 2 Bộ trao đổi nhiệt được lắp đặt ở đầu vào của thiết bị bay hơi Sau đó, hiệu suất và mức tiêu thụ năng lượng của máy làm đá được kiểm tra với điều kiện thí nghiệm là nhiệt độ làm lạnh ở 20°C và 30°C Việc so sánh hiệu suất và mức tiêu thụ năng lượng trước và sau khi lắp đặt bộ trao đổi nhiệt cũng được nghiên cứu Từ thí nghiệm, kết quả cho thấy bộ trao đổi nhiệt có thể giảm nhiệt độ nước cấp trung bình 7,5°C và mức tiêu thụ năng lượng giảm 17,1% Thời gian chu kỳ sản xuất đá giảm xuống còn 7 phút/chu kỳ và công suất của máy làm đá tăng 17,5%
Hình 1.5: Lắp bộ trao đổi nhiệt vỏ bọc chùm ống Nattadon Pannucharoenwong và cộng sự (2017) [10] đã nghiên cứu nâng cao hiệu quả của máy nước đá ống bằng cách gắn các cánh thép dạng hình sóng lên mặt ngoài của ống làm nước đá Thí nghiệm này được thực hiện với ống có gắn cánh thép trên ống làm đá và lượng năng lượng tiêu tốn cho mỗi mẻ nước đá được so sánh với ống nước đá trơn truyền thống Nghiên cứu cho thấy cánh thép giúp tăng diện tích treo đổi nhiệt, giảm thời gian làm nước đá Việc sử dụng thêm các cánh tản nhiệt bên ngoài trên ống đá để tăng cường khả năng truyền nhiệt cũng đạt được kết quả khả quan bằng cách sử dụng cánh tản nhiệt thẳng [11] gắn bên ngoài ống đá
Hình 1.6: Ống làm nước đá có gắn cánh
C Tangthieng (2010) [12] thiết lập mô hình số để tìm ảnh hưởng của đường kính ống làm nước đá đến độ dày nước đá, tải lạnh và năng lượng Kết quả mô phỏng này được kiểm tra bằng cách so sánh phương pháp thực tế Đường ống kính tối ưu có mục tiêu làm cho máy đá đạt hiệu quả về năng lượng, tác giả đã thiết lập tiêu chuẩn về sự liên quan giữa độ dày ống đá và đường kính của đá
Hình 1.7: Kết cấu của bộ làm nước đá 1.2.2 Tại Việt Nam
Doanh nghiệp tư nhân Vĩnh Thới đã áp dụng giải pháp tiết kiệm năng lượng trong sản xuất như: tắt máy biến áp 250 kVA nhằm tiết kiệm được điện năng do tổn thất qua máy biến áp, khi đó sẽ tiết kiệm được 27,605 kWh/năm, thay thế hệ thống máy nén cũ hiệu suất làm lạnh thấp bằng hệ thống máy nén lạnh mới có hiệu suất cao, khi đó sẽ nâng cao năng suất lạnh, giảm thời gian đông đá và tiết kiệm được điện năng tiêu thụ Sau khi thực hiện giải pháp, đơn vị tiết kiệm được 269,136 kWh/năm [13]
Cải tiến thiết kế ống tạo đá: Nghiên cứu đã tập trung vào tối ưu hóa kích thước, hình dạng và cấu trúc của ống tạo đá để tăng cường hiệu suất và tốc độ tạo đá viên Các cải tiến này bao gồm việc nghiên cứu về đặc tính tản nhiệt của ống, tăng cường luồng chảy nước và tối ưu hóa quy trình tạo đá
Tích hợp công nghệ thông minh: Nghiên cứu đã xem xét tích hợp các công nghệ thông minh vào máy nước đá ống, bao gồm kết nối internet và điều khiển từ xa thông qua điện thoại di động Điều này giúp người dùng dễ dàng kiểm soát và giám sát hoạt động của máy, cũng như tối ưu hóa sử dụng năng lượng và thực hiện bảo trì dễ dàng.
Các nghiên cứu về cấu trúc các bộ phận của máy nước đá ống
Cải tiến máy nước đá ống về mặc kết cấu hệ thống cũng đã được đánh giá qua tình trạng các kỹ thuật sáng chế về thiết kế hệ thống điển hình [14-16] bao gồm: Sáng chế CN 107120884 A ngày 01.09.2017 của Trung Quốc [14] liên quan đến máy làm đá dạng ống tiết kiệm năng lượng và hiệu suất cao Sáng chế trình bày giải pháp lắp thêm bình tích trữ năng lượng kết nối với van thông minh
1.Van điện từ; 2.Bình tích trữ năng lượng; 3.Bình ngưng; 4.Bình chứa lỏng; 5.Bình tách dầu; 6.Máy nén; 7.Van điện; 8.Bình tách lỏng; 9.Bơm tuần hoàn; 10.Bộ lọc; 11.Van điện; 12.Bình bay hơi; 13.Van điện từ; 14 Van tiết lưu
Hình 1.8: Sáng chế CN 107120884 A Sáng chế CN 212006330 U ngày 24.11.2020 của Trung Quốc [15] cung cấp một máy làm đá ống thông minh để giải quyết vấn đề về trọng lượng nặng và rất bất tiện khi cần di chuyển của máy làm nước đá ống
1.Cửa xã đá; 2.Ống dẫn môi chất; 3.Tủ điện điều khiển; 4.Bình chứa lỏng; 5.Ống làm đá; 6.Khung thép; 7.Bình ngưng; 8.Bánh xe di chuyển.
Hình 1.9: Sáng chế CN 212006330 U Sáng chế CN 212457543 U ngày 02.02.2021 của Trung Quốc [16] liên quan đến máy làm nước đá ống kiểu mới, bằng cách sử dụng van thông minh có thể cho môi chất lạnh lỏng chảy hai chiều và hơi môi chất lạnh chảy một chiều để làm lạnh, đơn giản hóa rất nhiều đường ống làm lạnh máy, bảo đảm áp suất bay hơi của môi chất lạnh không dao động lớn trong quá trình vận hành, hệ thống lạnh có độ tin cậy vận hành tốt, không dễ bị hỏng hóc
1.Bình bay hơi; 2.Van điện từ; 3.Bình chứa thấp áp; 4.Bình chứa lỏng; 5.Dàn ngưng giải nhiệt gió; 6.Máy nén; 7.Bình ngưng; 11.Bể nước; 12.Bơm tuần hoàn; 13.Bể nước phía trên; 14.Ống đá; 15.Vỏ thép; 16.Khoang làm đá; 17.Ống dẫn môi chất xã đá; 18.Dao cắt; 19.Máng trượt; 31,41,42,43.Van điện từ; 51.Ống trao đổi nhiệt; 52.Quạt dàn ngưng; 71,72.Van 1 chiều; 73a.Van tiết lưu tự động; 76.Ống dẫn môi chất.
Hệ thống làm lạnh: Nghiên cứu đã tập trung vào tối ưu hóa hệ thống làm lạnh trong máy nước đá ống, bao gồm máy nén, bộ trao đổi nhiệt, bộ làm lạnh và bộ điều khiển Mục tiêu là cải thiện hiệu suất làm lạnh, giảm tiêu thụ năng lượng và đảm bảo sự ổn định và tin cậy của hệ thống Ống làm đá: Các nghiên cứu đã nghiên cứu về kích thước, hình dạng và vật liệu của ống tạo đá Mục tiêu là tối ưu hóa luồng chảy nước và tản nhiệt, cải thiện quá trình tạo đá và tăng cường hiệu suất của ống
Bộ điều khiển: Các nghiên cứu đã tìm cách cải thiện bộ điều khiển của máy nước đá ống để đảm bảo hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng Bộ điều khiển thông minh và các thuật toán điều khiển tiên tiến đã được nghiên cứu và áp dụng để tối ưu hóa quá trình tạo đá và quản lý nhiệt độ trong máy
Bộ chế tạo và vật liệu: Các nghiên cứu đã tìm hiểu và đánh giá các vật liệu mới và công nghệ chế tạo để cải thiện độ bền, tuổi thọ và hiệu suất của các bộ phận trong máy nước đá ống Các vật liệu cách nhiệt, vật liệu chống ăn mòn và vật liệu có khả năng tản nhiệt tốt hơn đã được nghiên cứu và ứng dụng.
Các nghiên cứu về môi chất lạnh của máy nước đá ống
Chất làm lạnh HFC đang trải qua giai đoạn ngừng hoạt động ở nhiều thị trường khác nhau trên toàn cầu do tiềm năng nóng lên toàn cầu (GWP) cao Điều này buộc phải xây dựng các chiến lược phát triển khi lựa chọn chất làm lạnh thay thế để sử dụng trong thiết bị máy đá ống
Giải pháp làm lạnh của Vogt (sử dụng các hỗn hợp HFO R513A (R-1234yf / 134a (56%/44%) có đặc tính tương tự R134a) Các chất làm lạnh dựa trên hydroflouroolefin này có GWP rất thấp (GWPR513A = 573 trong 100 năm) so với các môi chất lạnh cùng loại (GWPR22 = 1760 trong 100 năm và GWPR404A = 3922 trong
Ngoài các lợi ích về môi trường, HFO R513A hoạt động ở áp suất đầu đẩy thấp hơn (khoảng 130 PSI), giảm áp lực tổng thể lên hệ thống Hiệu quả năng lượng vẫn rất tốt với máy tiêu thụ ít nhất 2,68 kWh trên 100 lbs đá.Triển lãm Điện lạnh & HVAC Indonesia 2018, GIZ (Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit) và Tổng cục Bảo tồn Năng lượng và Năng lượng tái tạo mới (EBTKE) tại Bộ Năng lượng và Khoáng sản Indonesia (MEMR) thiết kế và phát triển máy làm đá sử dụng năng lượng mặt trời với chất làm lạnh R290 có thể sản xuất 1,2 tấn /24h Chất làm lạnh R290 được cung cấp bởi công ty hóa dầu nhà nước Indonesia, việc sử dụng chất làm lạnh R290 được xác định là lựa chọn tốt nhất để tránh xa việc sử dụng chất làm lạnh tổng hợp và đạt được hiệu quả năng lượng tối ưu trong quá trình làm đá Việc thay thế môi chất lạnh đòi hỏi một số thay đổi trong hệ thống ví dụ như máy nén biến tần sử dụng môi chất R290 phải được thiết kế, phát triển kỹ thuật bởi công ty ILK Dresden có trụ sở ở Đức.
Đánh giá kết quả các công trình nghiên cứu có liên quan
1.5.1 Ưu điểm Đa dạng model với nhiều công suất khác nhau dành cho những cơ sở nhỏ và vừa cho sản lượng từ 300 – 1800 kg/ngày hoặc dành cho công nghiệp cho sản lượng lớn từ 5 – 10 tấn/ngày [10]
Các hệ thống sử dụng đa dạng môi chất như R22, R404A, NH3 (R717)
Dần tự chủ trong công nghệ chế tạo, thay thế dần các thiết bị chính, thiết bị phụ nên thiết kế nhỏ gọn, chất lượng (đạt chuẩn ISO 9001-2000, ISO9001-2015) 1.5.2 Tồn tại
Hạn chế về mặt công nghệ và kỹ thuật, chúng ta chỉ chế tạo được các loại máy đá NH3 nhỏ, chưa chế tạo được các loại máy đá cỡ lớn, máy đá Freon hay các thiết bị tự động hóa, phần lớn thiết bị sử dụng hiện nay với công suất lớn đều nhập khẩu từ nước ngoài nên chi phí, giá thành máy đá rất cao Mặt khác, công tác bảo trì bảo dưỡng khó khăn vì các chi tiết được chế tạo độc quyền theo hãng, công ty
Chưa tự chủ được quá trình sản xuất một số thiết bị như máy nén, tháp giải nhiệt, bình tách lỏng, bình hồi nhiệt nên nên chỉ có thể nhập khẩu linh kiện và lắp ráp
Model đa dạng nhưng dãy công suất thường nhỏ do liên quan đến hàng loạt các vấn đề như (thuế môi trường, chi phí thuê mặt bằng, điều kiện tiêu chuẩn về hệ thống cấp điện, nước, )
Các hệ thống máy đá công suất lớn từ 5 đến trên 70 tấn đá trên một ngày sử dụng chủ yếu là môi chất R717 (NH3) giá thành tương đối rẻ so với các môi chất Freon nhưng có tính cháy nổ cao, độc hại và có tính ăn mòn kim loại
Chưa quan tâm quản lý năng lượng Hiện nay, nhiều doanh nghiệp sản xuất nước đá vẫn còn lãng phí năng lượng khá lớn Khá phổ biến là nhà máy chỉ có một đồng hồ tổng (để tính tiền) và một đồng hồ lắp tại một cụm máy nén (để kiểm tra điện năng tiêu thụ có bị thất thoát) Chưa có lắp đồng hồ cho từng thiết bị cụ thể Mặt khác, nhà máy chỉ kiểm soát lượng điện tiêu thụ theo từng tháng (theo hóa đơn tiền điện), chưa kiểm soát được lượng điện tiêu thụ từng ngày, từng ca,
Lý do chọn đề tài
Hệ thống máy đá là một thiết bị quan trọng đối với nước ta và trên thế giới, chúng là một phần trong việc sản xuất và cung cấp đá ra thị trường từ nhà hàng, quán ăn, trường học, quán bar,… nâng cao chất lượng đời sống con người
Việc sản xuất máy đá ống tại Việt Nam hiện nay là từ kinh nghiệm, học hỏi qua lại, chủ yếu chế tạo theo phương pháp truyền thống Qua quá trình nghiên cứu và tiếp cận lâu dài với các nhà chế tạo máy nước đá ống, chúng tôi nhận thấy các hệ thống này hiện có 2 tồn tại: i còn tổn thất năng lượng, ii cần cải tiến kết cấu của hệ thống để đáp ứng yêu cầu cấp thiết là cạnh tranh về giá máy và hiệu quả sử dụng năng lượng
Máy nước đá ống tích hợp đã khắc phục tồn tại về kết cấu bằng cách kế thừa, phân tích, đánh giá, cải tiến thiết bị sản xuất nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn từ việc tích hợp bộ hồi nhiệt và bình tách lỏng vào bộ bay hơi một cách khả thi, phù hợp và dễ chế tạo trong máy nước đá ống Đây là nghiên cứu ứng dụng mang tính sáng tạo về kết cấu hệ thống
Nghiên cứu ứng dụng để tạo ra máy nước đá ống có kích thước nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn, hiệu quả hơn, và khả thi về mặt chế tạo, mà vẫn đảm bảo chất lượng, thời gian sản xuất nước đá Sau khi phân tích, thiết kế, tính toán mô phỏng, máy nước đá ống tích hợp mới này sẽ được đánh giá về hiệu quả và tính ổn định, đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của máy Nghiên cứu sẽ tạo ra cơ sở khoa học vững chắc để triển khai được kết cấu hệ thống mới này
Nhằm tiết kiệm nguyên vật liệu, công chế tạo và tiết kiệm năng lượng hơn máy nước đá ống đang được chế tạo theo kiểu truyền thống Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi tích hợp hợp bộ hồi nhiệt và bình tách lỏng vào bộ bay hơi làm cho máy nước đá ống nhỏ gọn, rẽ tiền hơn về cả mặt chế tạo và mặt nguyên vật liệu là điểm hấp dẫn nhất đối với nhà sản xuất Việc tích hợp thiết bị đáp ứng mạnh mẽ, rõ ràng hai yếu tố kỹ thuật và kinh tế này hứa hẹn một thế hệ máy nước đá ống nhỏ gọn sẽ thống trị thị trường sản xuất lắp đặt trong tương lai gần
- Đề tài tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các máy làm nước đá nói chung và máy nước đá ống nói riêng ứng dụng để thiết kế, chế tạo máy nước đá ống có tích hợp bộ hồi nhiệt và bình tách lỏng vào bộ bay hơi
- Kế thừa những nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước đã công bố về các thiết bị làm nước đá và máy nước đá ống
- Tìm hiểu các độc quyền sáng chế, các sơ đồ hệ thống của máy nước đá ống đã và đang được ứng dụng để làm nước đá trong và ngoài nước để rút ra các ưu nhược điểm, phân chia theo dãy công suất ứng dụng để đưa ra những cải tiến phù hợp
- Tính toán, thiết kế máy nước đá ống với quy mô mô hình thực nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu
- Đánh giá về hiệu quả và tính ổn định, đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của máy nước đá ống tích hợp
- Chế tạo và lắp đặt mô hình máy nước đá ống tích hợp đã thiết kế
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định hai yếu tố kỹ thuật và kinh tế thông qua sự hoạt động ổn định và hiệu quả của máy tiết kiệm được nguyên vật liệu chế tạo, công chế tạo từ sự đáp ứng với công nghệ chế tạo trong nước và các kỹ thuật kết nối đơn giản.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
- Thu gọn kích thước máy, giảm chi phí đầu tư từ việc thiết kế, chế tạo được máy nước đá ống có tích hợp bộ hồi nhiệt và bình tách lỏng vào bộ bay hơi
- Tạo ra cơ sở khoa học vững chắc từ nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm để đáp ứng mạnh mẽ, rõ ràng hai yếu tố kỹ thuật và kinh tế cho một thế hệ máy nước đá ống nhỏ gọn mới sẽ thống trị thị trường chế tạo, lắp đặt trong tương lai gần
- Tiếp cận trực tiếp với các nhà sản xuất máy nước đá, các cơ sở kinh doanh nước đá trong khu vực TP Hồ Chí Minh và các vùng lân cận để tìm kiếm yêu cầu cấp thiết và cần thiết của các xưởng sản xuất máy nước đá, sản xuất nước đá và cơ sở kinh doanh nước đá
- Tổng quan về các nghiên cứu có liên quan đến sơ đồ nguyên lý máy nước đá ống phổ biến, cấu trúc các bộ phận của máy nước đá ống trên thế giới và tại Việt Nam
- Thiết kế cải tiến bộ làm nước đá tích hợp và áp dụng vào sơ đồ thiết kế hệ thống
- Thiết kế thực nghiệm, tiến hành đo đạc và đánh giá kết quả thực nghiệm
- Đối sánh về các thông số công nghệ, hiệu quả và tính ổn định của máy nước đá ống tích hợp
- Đánh giá độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng
- Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của máy nước đá ống tích hợp.
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG MÁY ĐÁ ỐNG VỚI BỘ BAY HƠI TÍCH HỢP
Xác định kích thước cối đá ống
Chọn cối đá có dạng hình trụ tròn
Các ống làm đá thường dùng cỡ DN20 (dng%,4mm), độ dày δ=1,5 mm Vậy:
- Đường kính ngoài viên đá là Dng = dng – 2.δ = 25,4– 2.1,5 = 22,4 mm
- Đường kính trong của viên đá Dtr = 0 mm (vì đá ống có dạng nguyên khối, không lõi)
- Ta chọn chiều dài mỗi ống là l = 1 m Vậy khối lượng đá trong một ống [18]: m1ống = .l.π = 1000.1.3,14 , = 0,394 kg
Số lượng ống cần thiết [18]: n , = 30,5 ống
Bước ống được xác định theo kinh nghiệm [18], ta có:
Số ống bố trí trên đường kính mặt sàn [18], ta có: m = , +1 , +1 = 8 ống Đường kính mặt sàn [18], ta có:
Hình 2.1: Bản vẽ mặt sàn
Ta chọn chiều cao cối đá là 1 m, bề dày cối đá δ = 4mm vì phía trên cối đá cần phải có thêm phần chứa nước phía trên 0,4m và phía dưới 0,5m Vậy kích thước cối đá là Dng H = 0,323m 1,9m
Tính toán cách nhiệt cho máy làm đá
Hình 2.2: Cấu tạo vỏ ngoài máy đá ống Máy làm đá ống chỉ cách nhiệt cách ẩm cho thành bao quanh Máy làm đá có hình trụ tròn và có cấu tạo như sau:
- Chiều dày lớp cách nhiệt được tính như sau: k é
Trong đó : d1 : đường kính trong cối đá, m d2 : đường kính ngoài cối đá, m d3 : đường kính ngoài lớp cách nhiệt, m δCN : bề dày cách nhiệt, m λthép : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu [19], ta được λthép = 16,2 W/mK λCN : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt [19], với lớp cách nhiệt cao su lưu hóa, ta được λCN = 0,0343 W/mK k : hệ số truyền nhiệt vách ngoài phụ thuộc vào nhiệt độ buồng lạnh từ -
15 ÷ -10 o C [19], ta được k = 0,72 W/m 2 K α1 : hệ số tỏa nhiệt của môi trường bên ngoài đến vách cách nhiệt [19], ta được α1= 23,3 W/m 2 K α2 : hệ số tỏa nhiệt của vách trong cối đá [19], ta được α2 = 813,94 W/m 2 K δi , λi : bề dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu xây dựng thứ i k é
Chọn chiều dày cách nhiệt: δCN P mm
=> Vậy đường kính phủ bì cối đá là: Dpb = 2.0,05 + 0,323 = 0,423 m
Kiểm tra tính đọng sương trên bề mặt ngoài:
Theo [19], điều kiện để bề mặt vách ngoài không bị đọng sương là: k ≤ ks ks: hệ số truyền nhiệt lớn nhất cho phép để tường ngoài không bị đọng sương ks = 0,95.α1 +
Trong đó: t1: nhiệt độ không khí bên ngoài t2: nhiệt độ môi chất bên trong cối đá ts: nhiệt độ đọng sương
Nhiệt độ trung bình cao nhất (tháng 4) tại Tp Hồ Chí Minh: t1 = 34,6 oC Độ ẩm trung bình (tháng 4) tại Tp Hồ Chí Minh: φ = 72%
Tra đồ thị hình I –d ta được ts = 28,8 o C
Nhiệt độ môi chất bên trong cối đá khoảng t2 = -15 oC
Tính nhiệt cối đá
a Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che Q1
- Dòng nhiệt qua kết cấu bao che cối đá: Q11v
Q11v= k.Fv.( t1 - t2 ) Trong đó: kv: hệ số truyền nhiệt qua vách cối đá, kv = 0,226 W/m 2 K
Fv: tổng diện tích các bề mặt vách
Kích thước cối đá: Dphủ bì × H = 0,423 × 1,9 m
=> Fv = π Dphủ bì × H = 3,14 0,423 1,9 = 2,52 m 2 t1: nhiệt độ không khí bên ngoài t1 = 34,6 o C t2: nhiệt độ sôi môi chất lạnh bên trong Chọn t2 = -15 o C
- Dòng nhiệt truyền qua nắp cối đá: Q11n
Q11n= kn.Fn.( t1 - t2 ) Trong đó: kn: hệ số truyền nhiệt qua nắp [19], ta được kn = 0,23 W/m 2 K t1: nhiệt độ không khí bên ngoài, t1 = 34,6 o C t2: nhiệt độ nước tuần hoàn, chọn t2 = 5 o C
- Dòng nhiệt qua kết cấu bao che bể nước tuần hoàn Q12
Q12 = kb.Fb.( t1 - t2 ) Trong đó : kb: hệ số truyền nhiệt qua vách bể [19], ta được: kb = 0,35 W/m 2 K t1: nhiệt độ không khí bên ngoài t1 = 34,6 o C t2: nhiệt độ nước tuần hoàn Chọn t2 = 3 o C
Fb: diện tích thành bể Bể nước tuần hoàn dạng khối hộp
Vì cối đá có Dpb = 0,423 m nên ta chọn bể có kích thước là D × R × C = 0,5 m × 0,5 m × 0,5 m
Q1 = Q11 + Q12 = 28,91 + 12,6 = 41,51 W b Dòng nhiệt do nước làm đá và khuôn làm đá toả ra Q2
- Dòng nhiệt do nước làm đá tỏa ra Q21:
M : năng suất máy đá trong 30 phút M = 12 kg
𝜏 : là thời gian làm đá Đơn vị là giây q0 : là nhiệt lượng của 1kg nước tỏa ra khi làm lạnh từ nhiệt độ ban đầu đến khi đông đá hoàn toàn qo = Cpn.Δt1 + r + Cpđ.|Δt |
Cpn : nhiệt dung riêng nước Cpn = 4,186 kJ/kgK
Cpđ : nhiệt dung riêng nước đá Cpđ = 2,09 kJ/kgK r : nhiệt ẩn đông đặc r = 333,6 kJ/kg Δt1 : nhiệt độ nước vào cối đá cho đến khi làm lạnh
=> Δt1 = tw1 – 0 = 31 – 0 = 31 o C Δt2 : nhiệt độ nước từ khi làm lạnh cho đến khi nước đá tạo thành
Thay vào ta có: qo = 4186.31 + 333600 + 2090.5 = 473826 J/kg
- Dòng nhiệt tổn thất do rã đá Q22:
Với = 0,001m bề dày lớp đá tan
L = 330,3 kJ/kg nhiệt nóng chảy của nước đá
= 917 kg/m3 khối lượng riêng của nước ở 0 o C g = 0,359 kg khối lượng mỗi ống đá tính sau khi bề trừ bề dày lớp tan đá còn lại của mỗi ống f là diện tích bề mặt ngoài ống đá: f = π dng.h= π 0,0254.1= 0,0394 m 2
- Dòng nhiệt tổn thất do làm lạnh khuôn Q23:
Mk : khối lượng ống đá Τ : thời gian đông đá cho một mẻ τ = 0,5 giờ
Ta có: ống làm đá bằng vật liệu inox có kích thước là Dng = 25,4 mm, dài 1 m, nhiệt dung riêng Ck = 0,45 kJ/kgK, khối lượng riêng = 7900 kg/m 3 , tổng số ống đã tính là 36 ống
Vậy tổng khối lượng ống là:
Q2 = Q21 + Q22 + Q23 = 3158 + 394,4 + 108,9 = 3661,3 W c Dòng nhiệt do động cơ dao cắt đá tạo ra Q3
Trong đó: đ là hiệu suất động cơ Chọn đ = 0,85
Nđ là công suất đầu vào động cơ dao cắt, ta chọn Nđ = 0,4 kW
Q3 = 1000.0,85.0,4 = 340 W d Dòng nhiệt do bơm nước tuần hoàn Q4
Trong đó: b là hiệu suất động cơ Chọn b = 0,85
Nb là công suất đầu vào động cơ bơm nước, ta chọn Nđ = 0,4 kW
Q4 = 1000.0,85.0,4 = 340 W e Xác định năng suất lạnh máy nén ΣQ = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 41,51 + 3661,3 + 340 + 340 = 4382 W= 4,382 kW Năng suất lạnh của máy nén:
𝟏 ~ 4,5 kW Trong đó: k = 1,05 : hệ số lạnh tính đến tổn thất đường ống và thiết bị hệ thống lạnh b = 1 : hệ số thời gian làm việc.
Tính toán chu trình lạnh
2.4.1 Chọn các thông số của chế độ làm việc
Chế độ làm việc của một số hệ thống lạnh được đặc trưng bằng bốn nhiệt độ sau:
- Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh to
- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tk
- Nhiệt độ quá lạnh của lỏng trước van tiết lưu tql
- Nhiệt độ hơi hút về máy nén th
2.4.2 Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh to
Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh dùng để tính toán thiết kế như sau: to = tb - ∆to [18]
Trong đó: tb : nhiệt độ của cối đá ống tb = -5 o C
∆to : hiệu nhiệt độ yêu cầu Theo [18] Ta có ∆t0 = 8 ÷ 13 o C
2.4.3 Nhiệt độ ngưng tụ tk
Nhiệt độ trung bình năm tại Tp Hồ Chí Minh: 34,6 o C Độ ẩm trung bình năm tại Tp Hồ Chí Minh: 74% tk = t + Δtk = 34.6 + 8÷15 = 42,6÷49,6 o C Trong đó chọn Δtk = 8÷15 o C (thiết bị ngưng tụ giải nhiệt gió)
2.4.4 Nhiệt độ quá lạnh môi chất lạnh
- Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh to: to = -15 o C
- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tk: tk = 47 o C
- Nhiệt độ môi chất sau khi quá lạnh ở bình hồi nhiệttql = 39 o C
Tính toán thiết kế các bộ phận sơ đồ hệ thống máy đá
2.5.1 Sơ đồ hệ thống máy đá ống
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy đá ống cải tiến Nguyên lý hoạt động:
Cối đá là loại bình ống vỏ Trong thời gian đóng băng, nước liên tục tuần hoàn qua các ống thẳng đứng của cối đá bằng bơm ly tâm Van điện từ cấp lỏng mở và van điện từ xả băng đóng
Môi chất lạnh từ đỉnh cối đá đi qua thiết bị tách lỏng, thiết bị trao đổi nhiệt và về máy nén Ở đây môi chất lạnh được nén lên nhiệt độ cao, áp suất cao Hơi môi chất sau đó qua thiết bị tách dầu vào thiết bị ngưng tụ giải nhiệt gió Bên trong thiết bị ngưng tụ, hơi môi chất được ngưng tụ thành lỏng nhiệt độ cao, áp suất cao và đi đến bình chứa cao áp
Lỏng môi chất nhiệt độ cao, áp suất cao đi qua thiết bị hồi nhiệt và được quá lạnh đồng thời tỏa nhiệt cho hơi hút về để bảo vệ máy nén Lỏng môi chất sau đó qua bộ lọc, van điện từ cấp lỏng và van tiết lưu nhiệt vào cối đá Môi chất lạnh lỏng đi vào cối đá hấp thụ nhiệt từ nước cấp tuần hoàn
Thời gian đóng băng được hoàn thành bằng việc điều chỉnh công tắc áp suất cối đá trong bảng điều khiển Bơm nước dừng và van điện từ cấp lỏng bị đóng Giai đoạn xả băng sau đó bắt đầu Van điện từ xả băng được mở, động cơ máy cắt được khởi động và timer (xả băng) kích hoạt Hơi nóng được trích từ đầu nén của máy nén được xả vào cối đá qua van điện từ, do đó làm tan mép ngoài của băng, rơi xuống dao cắt quay để định cỡ
Chế độ làm việc của hệ thống lạnh được đặc trưng bằng bốn nhiệt độ sau:
- Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh to: to = -15 oC
- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tk: tk = 47 oC
- Nhiệt độ quá lạnh của lỏng trước van tiết lưu tql: tql = 39 o C Độ quá lạnh càng lớn thì năng suất lạnh càng tăng nhưng kéo theo nhiệt độ quá nhiệt cũng tăng, hơi môi chất về sẽ không giải nhiệt tốt cho máy nén làm giảm hiệu quả hoạt động và tuổi thọ của máy nén Độ quá nhiệt vì thế nhỏ hơn nhiệt độ cao nhất cho phép của nhà sản xuất Khi nhiệt độ bay hơi – 15 o C thì nhiệt độ hơi quá nhiệt hút vào máy nén cao nhất là 10 o C, khi nhiệt độ bay hơi sâu hơn thì nhiệt độ hơi quá nhiệt về máy nén được yêu cầu giảm hơn Vì thế, độ quá nhiệt cho phép cũng khá lớn, tối đa 25 o C Trong các thiết kế quá lạnh thông thường của máy nước đá ống, độ quá lạnh thường được chọn là 5 o C vì thế nhiệt độ quá lạnh là 39 o C Từ phương trình cân bằng nhiệt của bộ hồi nhiệt tìm ra nhiệt độ hút về máy nén th = 5 o C
Ta có: p0 (to = -15 o C) = 3,709 bar pk (tk G o C) = 21,5 bar
=> Chọn chu trình lạnh 1 cấp nén có quá lạnh – quá nhiệt
- Điểm 1: Môi chất lạnh đi vào máy nén
- Điểm 2: Môi chất lạnh sau khi ra khỏi máy nén
- Điểm 3: Môi chất lạnh đi vào thiết bị ngưng tụ
- Điểm 4: Môi chất lạnh ra khỏi thiết bị ngưng tụ
- Điểm 5: Môi chất lạnh trước khi vào thiết bị hồi nhiệt
- Điểm 6: Môi chất lạnh ra khỏi thiết bị hồi nhiệt
- Điểm 7: Môi chất lạnh vào thiết bị bay hơi
- Điểm 8: Môi chất lạnh ra khỏi thiết bị bị bay hơi
Hình 2.4: Chu trình quá lạnh – quá nhiệt hệ thống lạnh
Bảng 2.1: Thông số trạng thái các điểm nút Điểm t ( o C) p (bar) i (kJ/kg) v m 3 /kg Trạng thái
Năng suất lạnh riêng: q0 = i8 – i7 = 366,8– 258,5 = 108,3 (kJ/kg) Công nén riêng: l = i2 – i1 = 411,4 – 372,9 = 38,46 (kJ/kg) Năng suất nhiệt riêng: qk = i2 – i4 = 411,4 – 268,6= 142,8 (kJ/kg)
Hệ số làm lạnh: ε = q0/l = 108,3 /38,46 = 2,8 Lưu lượng hút về máy nén:
, = 0,042 kg/s = 151,2 (kg/h) Phương trình cân bằng năng lượng trong bình hồi nhiệt:
(Cp-l là nhiệt dung riêng của môi chất ở trang thái lỏng, Cp-v là nhiệt dung riêng của môi chất ở trạng thái hơi)
Thể tích hút thực tế máy nén:
Vtt = G.v1 = 151,2 0,05765 = 8,7 (m 3 /h) Năng suất thể tích riêng: qv = = ,
, = 1876 kJ/m 3 Công suất nén đoạn nhiệt :
Ns = G.(i2 – i1) = 0,042.( 411,4 – 372,9) = 1,62 kW Hiệu suất chỉ thị: ηi = λ.ω + b.t0 = 0,8 + 0,001.(-15) = 0,79 Trong đó: λ.ω = = = 0,8 b = 0,001 Công suất chỉ thị:
, = 2,05 kW Công suất ma sát:
Theo [20] Đối với máy nén R404a, pms = 0,039 – 0,059 Mpa, chọn pms 0,05Mpa
Ne = Ni + Nms = 2,05 + 0,12 = 2,17 kW Nhiệt thải ngưng tụ :
Qk = G.(i2 – i4) = 0,042.( 411,4 – 268,6) = 5,94 kW Nhiệt tỏa ra ở thiết bị hồi nhiệt:
Qhn = G.(i5 – i6) = 0,042.(266,9 – 258,5) = 0,35 kW 2.5.3 Chọn máy nén
Với các thông số QO = 4,5 kW, Vtt = 5 m 3 /h , Ne= 2,17 kW, ta chọn máy nén Piston hãng Tecumseh (Pháp) với thông số như sau:
Hình 2.5: Catalogue máy nén Tecumseh
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật máy nén Model
Công suất lạnh Qo (kW) 4,570
Công suất động cơ Ne (kW) 2,46
Hình 2.6: Máy nén Piston 2.5.4 Thiết bị ngưng tụ
Hình 2.7: Dàn ngưng giải nhiệt gió
Ta có công suất ngưng tụ của máy đá Qk = 5,94 kW
Ta có hệ số thực nghiệm cho các giá trị k và qf đối vớidàn ngưng tụ giải nhiệt gió k= 30 W/m2K, qf= 300 W/m2, Δttb= 8 ÷15 o C
Từ catalogue dàn ngưng Zhongli chọn dàn ngưng Ta có các thông số như sau:
Hình 2.8: Catalogue dàn ngưng Zhongli Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật dàn ngưng
Năng suất nhiệt QK (kW) 6,5
Diện tích trao đổi nhiệt (m 2 ) 22
Chứa lỏng cao áp sau thiết bị ngưng tụ và cung cấp đồng đều lượng lỏng cho van tiết lưu Ngoài ra, bình chứa cao áp còn là nơi tập trung dầu và khí không ngưng, là bình dự trữ cho hệ thống làm việc bình thường
Thể tích của bình chứa cao áp [20], ta có:
G = 0,042 kg/s :lưu lượng tác nhân lạnh qua bình chứa cao áp v = v5 = 0,001 m 3 /kg: thể tích riêng ở nhiệt độ t5
Chọn bình cao áp dung tích: 25 lít
Ta có Q0 = 4,5 kW, po = 3,709 bar, pk = 21,5 bar
Năng suất lạnh Qo nằm trong dải năng suất lạnh của van Te5-0.5
Hiệu áp suất qua van là 4 bar Ta có:
Từ phần mềm Coolselector của Danfoss, ta chọn van tiết lưu Te5-0.5 có các thông số sau:
Hình 2.9: Thông số kỹ thuật van tiết lưu 2.5.7 Bình tách dầu
Bình tách dầu lắp vào đường đẩy của máy nén để tách dầu ra khỏi dòng hơi trước khi vào thiết bị ngưng tụ Đường kính trong của bình: d =
Trong đó: Vd là thể tích đẩy của máy nén cao áp Vđ = G.v2 = 0,042.0,09519 0,004 m 3 /s ω là vận tốc môi chất đi qua bình ω = (8÷15) m/s Chọn ω = 12 m/s
Ptk : là áp suất thiết kế Ptk = 16,5 kg/cm 2 Ζ : là ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo bình Đối với vật liệu thép CT3 ở 50 o C thì ζ = 1133 kg/cm 2 Φ : hệ số xét đến phương pháp hàn đường ống Đường ống hàn chọn φ 0,7
Ta chọn bình tách dầu mã hiệu AW 55824 của Danfoss
Nhiệt độ ngưng tụ: tk = 47 o C
Tra bảng bơi bão hòa R404A theo t8 = -5 o C, ta có: i8’ = 193,1 kJ/kg ; i8” = 363,3 kJ/kg
, , = 1,02 Nhiệt độ trung bình của lỏng quá lạnh: ttb = = = 43 o C ρ = 946,8 kg/m 3 λ = 0,06145 W/mK η = 1,518.10 -5 Ns/m 2 v = 0,1287.10 -6 m 2 /s
Nhiệt độ trung bình của hơi quá nhiệt: do hơi vào bình là hơi quá nhiệt, nhiệt độ trung bình ở khoảng 0 o C, ta có:
Cp = 0,91 kJ/kg.K λ = 0,01205 W/mK η = 1,146.10 -5 Ns/m 2 ρ = 17,5 kg/m 3 v = 0,376.10 -6 m 2 /s
Chọn kích thước ống xoắn:
- Lưu lượng thể tích lỏng môi chất trong ống xoắn:
- Tốc độ lỏng môi chất trong ống xoắn:
- Tốc độ dòng chảy thích hợp, với môi chất R404, ω = (0,2 – 1) m/s Ta chọn ω = 0,7 m/s
- Đường kính trong của ống: dtd = ố
, = 0,089 m= 8,9 mm Các loại đường ống cho máy lạnh Freon, ta chọn loại ống có thông số:
- Ống xoắn là ống trơn có đường kính: dn = 12,7 mm, dt,9 mm
- Đường kính ngoài của bộ hồi nhiệt D1=0,406 m
- Đường kính bên trong của bộ hồi nhiệt D2=0,323 m
- Ống xoắn đi bên trong thiết bị hồi nhiệt đồng thời cách đều 2 vách mỗi bên 14mm
- Tính kiểm tra lại tốc độ dòng chảy thích hợp: ω = ố
, = 0,404 m/s => Thỏa yêu cầu Lưu lượng thể tích hơi quá nhiệt:
, = 0,0024 m 3 /s Diện tích xung quanh hình vành khăn của bộ hồi nhiệt:
Diện tích choáng chỗ của ống xoắn:
Diện tích cho hơi quá nhiệt đi qua:
Tốc độ chuyển động của dòng hơi: ω =
Trị số Nu của hơi:
Hệ số tỏa nhiệt phía hơi: αh = = , ,
, = 89,5 W/m 2 K Lưu lượng thể tích lỏng quá lạnh chuyển động trong ống:
V1 = Vống = 0,044.10 -3 m 3 /s Tốc độ chuyển động lỏng trong ống xoắn: ω1 =
Nu = 0,021.Re 0,8 Pr 0,43 εl ; với εl = 1 vì l/di >50 = 0,021.37245 0,8 1,316 0,43 1 = 107,2
Hệ số tỏa nhiệt phía lỏng quá lạnh: α'i = = , ,
Hệ số hiệu chỉnh xoắn ốc:
, = 1,74 Với Rtb là bán kính cong trung bình của cuộn ống xoắn:
Hệ số tỏa nhiệt phía lỏng môi chất khi đã hiệu chỉnh: αi = α'i = 553,6.1,74 = 928,4 W/m 2 K
Hệ số truyền nhiệt bề mặt ngoài vách ống: ka , , , , , , = 81,1 W/m 2 K Trong đó: λ = 383,8 W/mK: hệ số dẫn nhiệt của vách ống δ = 0,0008 m: chiều dày ống Hiệu nhiệt độ trung bình Logarit: Δttb = = | |
Diện tích truyền nhiệt yêu cầu:
, , = 0,099 m 2 Chiều dài cuộn ống xoắn:
, = 2,48 ms 2.5.9 Đường ống dẫn môi chất Đường kính trong ống phía đường hút của máy nén dtr =
Vh: : là thể tích hút của máy nén Vh = 0,0024 m 3 /s ω : là vận tốc môi chất trong ống ω = (7÷12) m/s Chọn ω = 10 m/s
=> Chọn ống phía đường hút máy nén có kích thước như sau: dtr ,96 mm, dng 26,7 mm
Tính kiểm tra lại tốc độ dòng chảy môi chất dtr =
=> ω = 7 m/s (thỏa yêu cầu) Đường kính trong ống phía đường đẩy của máy nén dtr =
Vd : là thể tích đẩy của máy nén Vđ = 0,042.0,05765 = 0,0024 m 3 /s ω : là vận tốc môi chất trong ống ω = (8÷15) m/s Chọn ω = 12 m/s
=> Chọn ống phía đường đẩy máy nén có kích thước như sau: dtr ,76 mm, dng 21,3 Tính kiểm tra lại tốc độ dòng chảy môi chất dtr =
=> ω = 12,4 m/s (thỏa yêu cầu) 2.5.10 Tính chọn bơm nước tuần hoàn cối đá
Hiệu nhiệt độ nước tuần hoàn tw = 3 o C
Lượng nước tuần hoàn: Vn m 3 /s C: nhiệt dung riêng của nước = 4,186 kJ/kgK
: khối lượng riêng của nước δ = 1000 kg/m 3
- Đường kính ống vào và ống ra tại bơm cấp nước tuần hoàn:
Tốc độ dòng chảy thích hợp, với nước, ω = (0,5 – 2) m/s Ta chọn ω = 1,2 m/s dtd = = ,
=> Ta chọn loại ống PVC ỉ21x1,6 mm
Ta tính cột áp bơm theo phần mềm Pipe flow wizard V1.12
Bơm đặt dưới bộ phận phân phối nước cối đá với chiều cao 2,1 m, đường ống đi theo chiều ngang tổng là 1 m Dùng ống nhựa PVC, phi 21, dùng 1 co vuông, 2 van cổng
=> Lượng nước tuần hoàn Vn = 0,36 l/s = 1,3 m 3 /h
Hình 2.10: Kết quả cột áp bơm Dựa vào kết quả 2,9 mH2O
Chọn máy bơm có các thông số sau:
Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật bơm nước tuần hoàn
Công suất (kW) 0,5 Điện áp (V) 220 V
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ BAY HƠI TÍCH HỢP
Thiết kế bộ bay hơi tích hợp
3.1.1 Mô tả sự tích hợp
Có nhiều kết cấu khác nhau tùy vào nhu cầu khách hàng mà ta có thể chọn máy đá có kích thước đá khác nhau
Cối đá máy đá ống là nơi chứa ga lạnh và các ống inox làm đá, nước được đóng băng để tạo thành đá viên trong ống đá theo nguyên lý tạo màng băng
Hiện nay tại Việt Nam có rất nhiều loại máy đá viên khác nhau, khác về công suất, khác về sản phẩm đá thành phẩm, khác biệt về giá thành máy đá, Nhưng về cơ bản có thể phân máy làm đá viên thành 2 loại sau đây:
Máy làm đá viên dạng ống
Hình 3.2: Đá viên dạng ống
Là dòng máy đá viên công nghiệp có thể cho công suất đá viên rất lớn (nhỏ nhất là 3 tấn/24h) với sản phẩm làm ra là các viên đá dạng ống có nhiều kích thước khác nhau tùy vào nhu cầu tiêu thụ của thị trường và yêu cầu của khách hàng
Có các loại viên đá có kích thước như sau:
- Đá lớn: 47 x 80 mm Thường sử dụng uống bia, nước ngọt,…Loại này có ưu điểm đá lâu tan nhưng lại có kích thước viên đá hơi quá lớn đôi khi gây nhiều phiền toái
- Đá trung bình loại lớn: 38 x 40 mm Thường sử dụng uống trà đá, uống rượu, Ưu điểm kích thước không quá lớn mà vẫn đảm bảo đá lâu tan
- Đá trung bình loại nhỏ: 34 x 40 mm Thường sử dụng uống trà đá, uống rượu, Với kích thước viên đá vừa phải dễ dàng sử dụng trong đồ uống
- Đá nhỏ: 19 x 20 mm Thường sử dụng uống cafe, nước trái cây, nước pha chế, mang đến độ lạnh nhanh cho đồ uống tuy tốc độ tan đá nhanh hơn so với 3 loại trên
Bảng 3.1: Chiều cao cối đá ống theo dãy năng suất
Số ống làm đá n (ống)
Chiều cao cối đá H (m) Đá nhỏ (19x20 mm) Đá trung bình loại nhỏ (34x40 mm) Đá trung bình loại lớn (38x40 mm) Đá lớn (47x80 mm)
Hình 3.3: Biểu đồ biểu thị chiều cao cối đá H theo năng suất
Biểu đồ Hình 3.3 kết hợp với số liệu tính toán từ Bảng 3.1, ta thấy rằng với số ống làm đá không đổi thì chiều cao cối đá tăng tuyến tính theo năng suất làm đá
Trong cùng một năng suất làm đá, với kích thước đá khác nhau, ta thấy rằng đá loại nhỏ có kích thước chiều cao cối đá H lớn nhất so với các loại đá cùng loại, ngược lại với đá lớn thì có chiều cao nhỏ nhất Ta có thể hiểu rằng trong cùng số lượng ống làm đá và cùng năng suất, nếu giảm kích cỡ đá (đường kính đá) thì phải tăng chiều cao ống làm đá => tăng chiều cao cối đá và ngược lại tăng kích cỡ đá (đường kính đá) thì phải giảm chiều cao ống làm đá
Tính năng nổi bật theo khía cạnh cải tiến máy nước đá ống về mặc kết cấu hệ thống máy của nghiên cứu này là để cho ra sơ đồ thiết kế hệ thống đơn giản hơn, nhỏ gọn hơn bởi sự thay đổi bộ làm nước đá thành bộ làm nước đá tích hợp Máy nước đá ống này phải khả thi về mặt chế tạo, nhưng vẫn đảm bảo chất lượng, chi phí, thời gian sản xuất nước đá thành phẩm Vì thế, luận văn tập trung trình bày cụ thể cho sự tích hợp bộ hồi nhiệt và bình chứa lỏng cùng bình bay hơi thành bộ làm nước đá tích hợp của máy nước đá ống Sự tích hợp này được mô tả theo sơ đồ ở Hình 3.4
Hình 3.4: Mô tả sự tích hợp
Bộ làm nước đá tích hợp là kết hợp bộ hồi nhiệt và bình chứa lỏng vào bộ bay hơi nhưng vẫn đảm bảo đáp ứng nguyên vẹn tính chất và hiệu quả khi kết nối vào hệ thống để tạo nên một máy nước đá ống hoàn chỉnh Lúc này kết cấu của hệ thống sẽ giảm đi bộ hồi nhiệt và bình chứa lỏng Thiết kế hệ thống sẽ đơn giản hơn so với thiết kế hệ thống cũ bao gồm các bộ phận chính như máy nén, bình tách dầu, bình ngưng tụ, bình chứa cao áp, van tiết lưu, bộ làm nước đá tích hợp (bình bay hơi tích hợp), bộ dao cắt nước đá, thùng chứa nước làm đá, bơm nước làm đá rất phù hợp cho dãi công suất nhỏ và trung bình
Bộ phận làm đá là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống vì tính chất quyết định sự hoạt động hiệu quả, ổn định và kết cấu của toàn hệ thống, cũng như chất lượng của nước đá thành phẩm Hình 3.5 là hình thức bộ trao đổi nhiệt là các ống tròn quấn phía trên các lỗ bay hơi cùng nằm chung trong một khoan chứa để tạo thành bộ làm đá tích hợp
Hình 3.5: Các bộ phận tích hợp
Bộ bay hơi tích hợp đã đáp ứng được mục tiêu về kết cấu nhỏ gọn, tiết kiệm nguyên vật liệu, công chế tạo và giảm giá thành Giờ đây, cần đánh giá sự hoạt động đồng nhất, hiệu quả đạt được qua việc bay hơi môi chất đồng đều từ buồng làm nước đá qua các ống bay hơi phân bố đều khắp các phần trên của bộ làm nước đá Sau đó dòng hơi môi chất này được quá nhiệt để đảm bảo không có lỏng về máy nén đồng thời dòng lỏng môi chất lạnh trước khi vào buồng làm nước đá được quá lạnh để tăng năng suất làm nước đá trong buồng quá lạnh Dòng hơi môi chất lạnh quá nhiệt lại một lần nữa được tách lỏng để đảm bảo hơi về máy nén là dòng hơi hoàn toàn và lỏng được tách ra sẽ về lại bình bay hơi qua các lỗ thoát Dòng hơi môi chất lạnh từ buồng làm nước đá đến đầu ra của bộ làm nước đá để được hút về máy nén được tính toán mô phỏng và kiểm định lại độ chính xác bằng thực nghiệm Chiều cao của bộ làm đá tích hợp không thay đổi so với bộ làm đá truyền thống vì chiều cao của bộ phận tích hợp được lấy một phần của bình bay hơi và một phần ngăn chứa nước lạnh phía trên được trình bày ở Hình 3.6
Hình 3.6: Cấu tạo bộ bay hơi tích hợp
Bộ bay hơi tích hợp là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống vì nó quyết định đến khả năng vận hành hiệu quả, ổn định của toàn bộ hệ thống cũng như chất lượng của sản phẩm đá Bộ bay hơi tích hợp cần đảm bảo hoạt động ổn định khi kết nối với cấu trúc của hệ thống máy làm đá dạng ống, đồng thời có thể thay thế hoàn toàn
3 bộ phận tách rời: thiết bị bay hơi, thiết bị thu hồi nhiệt và bình tách lỏng Điều này có nghĩa là bộ bay hơi tích hợp vẫn thực hiện nhiệm vụ của các bộ phận riêng lẻ này Để đáp ứng tính năng cốt lõi này, bộ bay hơi tích hợp được sản xuất theo Hình 3.7 có 4 cụm có cấu tạo và tính năng như sau:
Hình 3.7: Chi tiết cấu tạo phần tích hợp Đầu tiên, bộ bay hơi tích hợp là một khối hình trụ tròn (thiết bị bay hơi) được bao bọc bởi một ống hình trụ ngắn Phía trên thiết bị bay hơi là một bể chứa nước lạnh cung cấp nước lạnh cho các ống đá
Thứ hai, các lỗ hơi được phân bố đồng đều có chức năng vừa là đường ống dẫn hơi môi chất ra khỏi thiết bị bay hơi vừa đóng vai trò là đường ống dẫn môi chất lỏng sau khi tách lỏng về lại thiết bị bay hơi Môi chất lạnh dạng hơi có thể dễ dàng bay hơi từ thiết bị bay hơi qua các lỗ thoát này đến buồng tích hợp, để thu hồi nhiệt bằng dòng môi chất lỏng trong ống tròn thu hồi nhiệt phía trên các lỗ Các lỗ xả được khoan sát đáy của buồng tích hợp để môi chất lạnh dạng lỏng có thể quay trở lại dàn bay hơi ngay lập tức Tính năng thứ hai này giúp loại bỏ đường ống kết nối giữa thiết bị bay hơi, bộ tách lỏng và bộ thu hồi nhiệt
Mô phỏng bộ bay hơi tích hợp
Dựa trên cơ sở của các kết quả thực nghiệm, mô hình toán của hệ thống, lưu đồ thuật toán mô phỏng hiệu quả của máy nước đá ống sử dụng bộ làm nước đá tích hợp được trình bày ở Hình 3.8
Hình 3.8: Thuật toán mô phỏng hiệu quả của máy nước đá ống sử dụng bộ bay hơi tích hợp Lưu đồ thuật toán mô phỏng hiệu quả của máy nước đá ống sử dụng bộ làm nước đá tích hợp gồm 3 phần chính được giới thiệu như sau: a Dữ liệu đầu vào
Nhiệt độ hoạt động của từng bộ phận phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh ta ( o C) tại thành phố Hồ Chí Minh
Nhiệt độ ngưng tụ tk theo điều kiện giải nhiệt bằng không khí của mô hình thực nghiệm từ 44 đến 48 ( o C)
Nhiệt độ bảo hòa của môi chất lạnh trong bộ bay hơi to được khảo sát từ -20 tới -5 ( o C) b Trình tự tính toán mô phỏng
Dự đoán công suất lạnh Q0 (W) để tính:
- Thời gian sản xuất nước đá dự đoán ToSim (min) theo công suất lạnh dự đoán
- Tổn thất của các bộ phận Qi_Sim (W)
- Tổng tổn thất của hệ thống theo tính toán mô phỏng Q0_Sim (W)
Nếu tổng tổn thất của hệ thống theo tính toán mô phỏng Q0_Sim chưa bằng với công suất lạnh Q0 theo dự đoán thì quay lại bước Dự đoán thời gian sản xuất nước đá ToSim (min) để tính lặp cho đến khi nào tổng tổn thất của hệ thống theo tính toán mô phỏng Q0_Sim bằng với công suất lạnh dự đoán Q0 Từ đó, tìm được:
- Giá trị các điểm trạng thái của mô hình
- Lưu lượng hơi môi chất lạnh quá nhiệt ra khỏi bộ làm nước đá m1 (g/s),
- Công suất hữu ích của máy nén, Ne (W)
- Tổn thất của các bộ phận Qi_Sim (W)
- Thời gian sản xuất nước đá theo tính toán mô phỏng ꞆSim (min)
- Hệ số hiệu quả nhiệt của máy COP của quá trình làm nước đá
Hệ số hiệu quả làm lạnh của máy nén COP được xác định từ tỉ số giữa tải lạnh trong bộ làm nước đá Eevap (J) và công của máy nén W (J) trong quá trình làm nước đá tính từ lúc xả lấy nước đá xong đến khi bắt đầu xả lấy nước đá của mẻ đá tiếp theo
𝑊Trong đó, lượng tải lạnh tổng Eevap (J) bao gồm lượng nhiệt hiện để làm lạnh nước sau khi xả lấy nước đá xong đến 0 o C cộng với lượng nhiệt hiện để hạ nhiệt độ nước đá từ 0 o C đến khi viên đá đạt được độ dày mong muốn và lượng nhiệt ẩn khi nước làm đá chuyển pha từ lỏng sang rắn ở 0 o C, cùng với các tổn thất trong tiến trình làm nước đá Trong các thí nghiệm, lượng tải lạnh tổng làm nước đá là kết quả của sự làm lạnh của môi chất lạnh bay hơi trong bộ làm nước đá từ điểm 7 đến điểm
8 và lưu lượng khối lượng của hơi môi chất lạnh về máy nén m1 (kg/s) là do đo đạc được này trong quá trình làm nước đá bằng công thức:
Trong các kết quả mô phỏng, lưu lượng khối lượng của hơi môi chất lạnh về máy nén m1 (kg/s) là do mô phỏng được dùng để tính lượng tải lạnh làm nước đá theo công thức:
Công của máy nén W (J) là tổng của công suất điện P (W) cấp vào máy nén đo đạc được theo thời gian làm nước đá được áp dụng từ phương trình:
Vì thế, hệ số hiệu quả làm lạnh của máy nén theo thực nghiệm và theo mô phỏng được tính toán như sau:
𝑄 (𝜏 )là tổn thất nhiệt tổng và 𝑃(𝜏 ) là công suất điện cấp vào máy nén tại thời điểm đang xét 𝜏 trong tiến trình làm nước đá từ thời điểm ban đầu 𝜏 sau quá trình xả lấy đá đến thời điểm thứ 𝜏 lúc tạo thành nước đá thành phẩm Q0_Sim được tính từ tổng các tổn thất nhiệt thành phần từ kết cấu bao che Q1 (W), động cơ dao cắt Q2 (W), bơm nước làm đá Q3 (W), làm lạnh khuôn Q4 (W), và làm nước đá Q5 (W) Tổn thất nhiệt tổng được đáp ứng từ công suất làm lạnh của môi chất lạnh bay hơi trong bộ bay hơi 𝑚 (ℎ − ℎ ) Công suất làm lạnh này do công suất máy nén thực hiện Các thời điểm lấy dữ liệu n được chia trung bình trong tiến trình làm nước đá Vì thế giá trị 𝐶𝑂𝑃 , và 𝐶𝑂𝑃 là hệ số hiệu quả làm lạnh trung bình của máy nén trong tiến trình làm nước đá
Q0_Exp được tính từ công suất làm lạnh của môi chất lạnh bay hơi trong bộ bay hơi 𝑚 (ℎ − ℎ ) tại thời điểm đang xét 𝜏 trong tiến trình làm nước đá từ thời điểm ban đầu 𝜏 sau quá trình xả lấy đá đến thời điểm thứ 𝜏 lúc tạo thành nước đá thành phẩm Các thời điểm lấy dữ liệu n được chia trung bình trong tiến trình làm nước đá Vì thế, các giá trị m1, h8, h7 là lưu lượng và entanpy của môi chất lạnh bay hơi trong bộ bay hơi đo đạc được tại các thời điểm n xem xét
𝜏 Trong đó, Mtube (kg) là khối lượng của khuôn đá; Cp_tube (J/kg/K) là nhiệt dung riêng của khuôn đá; ttube_0 ( o C) là nhiệt độ ban đầu của khuôn đá; ttube_ref ( o C) là nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh trong bộ bay hơi Mice là khối lượng nước đá thành phẩm (kg/mẻ); Cp_w, Cp_ice (J/kg/K) lần lượt là nhiệt dung riêng đẵng áp của nước làm đá và nước đá; tw, tice ( o C) lần lượt là nhiệt độ ban đầu sau khi xả đá của nước làm đá và nhiệt độ trung bình của nước đá thành phẩm; rice (J/kg) là nhiệt ẩn đông đặc của nước đá; 𝜏 (phút) là thời gian làm đá
Thời gian làm đá 𝜏 (phút) được bắt đầu từ 5 phút để tính tổn thất nhiệt thành phần Qi (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5) và tổn thất nhiệt tổng Q0_Sim = ∑Qi Sau đó,
Q0_Sim được so sánh với Q0_predict Q0_predict được dự đoán dựa vào năng suất làm lạnh mà máy nén có thể thực hiện Nếu sai số tương đối giữa Q0_Sim và
Q0_predict không nhỏ hơn 10 -3 thì thời gian làm đá 𝜏 được tăng thêm 0,1 phút để thực hiện vòng lặp tính toán đến khi sai số tương đối này nhỏ hơn 10 -3 thì các kết quả mô phỏng được thừa nhận Lúc này, mô phỏng đã tìm được giá trị của 8 điểm trạng thái của máy và xác định được các giá trị tổn thất nhiệt tổng Q0_Sim, công suất điện cấp vào máy nén P, công suất làm lạnh theo mô phỏng 𝑚 _ (ℎ − ℎ ) và theo thực nghiệm 𝑚 _ (ℎ − ℎ ), hệ số hiệu quả làm lạnh của máy nén theo mô phỏng COPSim và theo thực nghiệm 𝐶𝑂𝑃 ;cũng như nhiệt thải ngưng tụ của bộ ngưng tụ Qk (W), nhiệt lượng quá lạnh của bộ thu hồi nhiệt Qr (W)
𝑄 = 𝑚 (ℎ − ℎ ) c Kết quả mô phỏng bộ bay hơi tích hợp
Trong phạm vi nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh trong bộ bay hơi t0, các kết quả mô phỏng bao gồm:
- Thời gian sản xuất nước đá mỗi mẻ Ꞇ (min)
- Hệ số hiệu quả nhiệt của máy COP của quá trình làm nước đá
Trên cơ sở mô hình toán và lưu đồ thuật toán của máy nước đá ống sử dụng bộ làm nước đá tích hợp, chương trình mô phỏng được thiết lập.
THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Thiết kế thực nghiệm
Để chứng minh khả năng ứng dụng kết hợp bộ bay hơi, bộ tách lỏng, bộ thu hồi nhiệt vào bộ bay hơi tích hợp, mô hình thí nghiệm với thiết bị cấp đông tích hợp được trình bày trên Hình , được thiết kế 12 kg/mẻ Ống đá thường được sử dụng với kích thước 25,4 x 1,5 mm và dài 1 m
Hình 4.1: Thiết bị bay hơi, bộ tách lỏng và bộ thu hồi nhiệt riêng lẻ được thay thế bằng thiết bị đông lạnh tích hợp Đo đạc thực nghiệm nhằm mục đích xác định các thông số thực tế so với tính toán của hệ thống máy nước đá có bình bay hơi tích hợp
- 08 bộ đo nhiệt độ 01 bộ đo nhiệt độ type K800 (Taiwan) phạm vi nhiệt độ từ: -
- 01 bộ điều khiển nhiệt độ có màn hình hiển thị Conotec FOX-1004
- 01 cảm biến lưu lượng TDS-100F5
- 01 kính quan sát mực lỏng
- 01 đồng hồ đo áp suất phạm vi 0 đến 15 bar
- 01 đồng hồ đo áp suất phạm vi 0 đến 35 bar
- 01 đồng hồ đo điện năng tiêu thụ (độ sai lệch 0,5%)
Ngoài ra còn có các thiết bị bảo vệ an toàn cho máy bao gồm: 01 relay áp suất cao (Danfoss), 01 van an toàn (Danfoss) Để đảm bảo an toàn áp lực cho máy đá khi vận hành chúng tôi cài đặt 2 cấp bảo vệ: (i) điều khiển nhiệt độ vận hành tối đa, (ii) bảo vệ áp suất cao, (iii) 1 nút nhấn khẩn cấp khi có sự cố a Đồng hồ áp suất b Cảm biến nhiệt độ c Kính quan sát mực lỏng d Bộ cảm biến lưu lượng e Đồng hộ đo điện năng
Hình 4.2: Thiết bị đo Để xác nhận các kết quả về hoạt động ổn định, độ tin cậy của bộ bay hơi tích hợp; và hiệu suất của máy làm đá Các dụng cụ đo được bố trí trên 8 điểm trạng thái trên sơ đồ Hình 4.3 được đặt như sau:
Hình 4.3: Các điểm bố trí cảm biến nhiệt độ và thiết bị đo lưu lượng
Tám dụng cụ đo nhiệt độ có tám điểm trạng thái từ t1 đến t8 và thiết bị đo lưu lượng môi chất hồi về máy nénnhư hình 4.3 Áp suất phía cao và áp suất phía thấp cũng được đo để tìm ra nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ của môi chất lạnh R404a cho mỗi mẻ, dùng để điều khiển vận hành hệ thống theo thiết kế Các cảm biến nhiệt độ có độ chính xác 0,1 o C
Cảm biến nhiệt độ ống đá được lắp đặt như hình 4.4 được đính cứng lên bề mặt trong ống đá bố trí tại 3 điểm đầu, giữa và đáy ống đá Giá trị tice là nhiệt độ trung bình đạt được từ ba điểm cố định ở trên, giữa, dưới của ống nước đá trung tâm
Hình 4.4: Cảm biến nhệt độ lắp đặt trong ống đá Đồng hồ đo điện năng tiêu thụ được lắp đặt bên trong tủ điện để đo điện năng tiêu thụ của máy nén
Trong khi đó, năm nhiệt độ đo t1 , t5 , t6 , t7 , t8 và tice để đánh giá độ tin cậy của bộ bay hơi tích hợp Giá trị tice là nhiệt độ trung bình đạt được từ ba điểm cố định ở trên, giữa, dưới của ống nước đá ở giữa
Lưu lượng môi chất quá nhiệt ra khỏi bộ bay hơi tích hợp đến máy nén được đo bằng dụng cụ đo lưu lượng như trong Hình 4.3 Máy đo lưu lượng dòng chảy này có độ chính xác 3% và năm nhiệt độ đo t1 ,t 5 , t6, t7 ,t8 được sử dụng để đánh giá hoạt động ổn định của bộ bay hơi tích hợp
COP được lấy từ lưu lượng dòng môi chất lạnh quá nhiệt ra khỏi bộ bay hơi tích hợp và điện năng tiêu thụ của máy nén được đo từ đồng hồ đo điện năng tiêu thụ có độ chính xác 0,5%.
Kết quả thực nghiệm
Đường cong nhiệt độ vận hành của mô hình máy đá sử dụng bộ bay hơi tích hợp mới thể hiện sự ổn định và đáng tin cậy như trong thiết kế truyền thống Nhiệt độ của môi chất lạnh dạng lỏng sau khi ngưng tụ t5 (đường cong chấm màu xanh) dao động từ
44 đến 47 o C, sau đó trở thành chất lỏng được quá lạnh ở t6 (đường cong dấu cộng màu đỏ) thấp hơn t5 là 4,5 o C trong quá trình làm mát, và 2 o C trong quá trình làm đá Độ tin cậy đến từ sự ổn định của nhiệt độ vận hành, từ việc bay hơi của lỏng môi chất qua các lỗ thoát hơi ở nhiệt độ t8 (đường nét đứt màu tím) đồng đều hơn; sau đó, hơi môi chất lạnh này được quá nhiệt trước khi quay trở lại máy nén ở thời điểm t1
(đường cong màu xanh lá cây) Chất làm lạnh dạng lỏng được tách ra cũng quay trở lại bình bay hơi thông qua các lỗ
Mô hình thử nghiệm làm mát bằng không khí này sử dụng chất làm lạnh R404a bay hơi ở -15 o C để sản xuất 12 kg đá một mẻ Hình 4.4 minh họa hai lần sản xuất đá bao gồm 3 mẻ trong 3 chu kỳ sản xuất đá Mỗi lần bao gồm ba chu kỳ sản xuất nước đá bao gồm một chu kỳ sản xuất tổng thể ban đầu và hai chu kỳ sản xuất tiếp theo Lô đầu tiên được sản xuất trong tổng chu kỳ sản xuất ban đầu
Tổng chu trình sản xuất ban đầu mất khoảng 43 phút để làm mát nhiệt độ nước từ môi trường xung quanh (28 o C) xuống nhiệt độ trung bình khoảng -6 o C của ống nước đá (định mức 1,27 phút/ o C) bao gồm: thời gian làm mát mất khoảng 16 phút để làm mát nhiệt độ nước xuống 0 o C (định mức 0,57 phút/ o C); thời gian đóng băng mất khoảng 22 phút để nhiệt độ hạ xuống trung bình khoảng -6 oC của ống đá (định mức 3,66 phút/ o C); và thời gian rã đông là 5 phút
Tổng chu trình sản xuất mất khoảng 29,5 phút bao gồm: chu trình sản xuất mất khoảng 24,5 phút để sản xuất đá ở nhiệt độ trung bình khoảng -6 o C sau giai đoạn rã đông ở khoảng 2,5 o C (định mức 2,88 phút/ o C) và rã đông chu kỳ là 5 phút
Hình 4.6: Đường cong nhiệt độ hoạt động của mô hình thí nghiệm
Nhiệt độ trung bình khoảng -6 o C của ống nước đá được xác định từ ba điểm cố định trên, giữa, dưới của ống đá trung tâm Chênh lệch nhiệt độ giữa điểm trên và điểm dưới xấp xỉ 11 o C Chênh lệch nhiệt độ giữa ống đá bên trong và khối băng hình thành có thể là 2 o C Nhiệt độ giảm rất nhanh trong quá trình làm lạnh và giảm chậm trong quá trình đóng băng xử lý theo tỷ lệ thời gian 0,128/ o C
Kết quả của quá trình sản xuất thực nghiệm đang cho thấy sự tương đồng với nghiên cứu lý thuyết mô phỏng về sự hình thành nước đá [21] Các kết quả thực nghiệm cũng phù hợp với quá trình đông đặc [22-25] là sự tương đồng về hình dáng của mối quan hệ giữa nhiệt độ nước đá và bề dày của nước đá [26-28] là sự tương đồng về hình dáng của mối quan hệ giữa nhiệt độ nước đá và thời gian làm nước đá từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ của nước đá thành phẩm
Thời gian làm đá tỷ lệ thuận với nhiệt độ nước lạnh chảy trong ống đá tice ( đường cong hình tròn màu xanh đậm), nhiệt độ bão hòa của chất làm lạnh t7 trong hình 4.7 (đường cong liền nét màu xanh đậm ) và độ dày của đá
Hình 4.7: Nhiệt độ, lưu lượng môi chất lạnh về máy nén của quá trình sản xuất đá
ĐÁNH GIÁ KINH TẾ - KỸ THUẬT
Đánh giá về hiệu quả kỹ thuật-năng lượng
COPExp được tính toán dựa trên lưu lượng môi chất làm lạnh quá nhiệt ra khỏi bộ bay hơi tích hợp, nhiệt độ bão hòa của chất làm lạnh t7 và điện năng tiêu thụ của máy nén Hiệu suất của mô hình được xem xét cho tổng chu kỳ sản xuất ban đầu và các chu kỳ sản xuất tiếp theo, sau đó như được hiển thị trong Hình 5.1
Hình 5.1: Nhiệt độ, COPExp của quá trình sản xuất đá Khi nhiệt độ nước giảm (28 o C) đến nhiệt độ trung bình khoảng -6 o C của ống nước đá ta thấy nhiệt độ bão hòa của môi chất lạnh t7, lưu lượng của hơi quá nhiệt ra khỏi bộ bay hơi tích hợp m1 (đường cong dấu hoa thị màu đỏ tươi hình 4.7), COP thực nghiệm (đường cong vòng tròn màu xanh hình 5.1) đều giảm
Trong quá trình làm mát, m1 và COPExp giảm nhẹ từ 34 g/s xuống 32,6 g/s và 1,87 xuống 1,77, trung bình đạt lần lượt là 33,2 g/s và 1,83 Trong quá trình cấp đông, m1 và COPExp giảm nhẹ từ 32,6 g/s xuống 28,3 g/s và 1,77 xuống 1,51, trung bình đạt lần lượt là 29 g/s và 1,54 Như vậy, m1 và COPExp trung bình lần lượt đạt 30 g/s và 1,59 trong chu kỳ sản xuất ban đầu
Sau chu kỳ sản xuất ban đầu, tiếp theo là các chu kỳ sản xuất tiếp theo, m1 và COPExp trung bình lần lượt đạt 29,2 g/s và 1,55 trong chu kỳ sản xuất Trong khi đó m1 và COPExp giảm lần lượt từ 32,8 g/s xuống 28,5 g/s và 1,77 xuống 1,51
Thay đổi công suất làm lạnh bằng cách điều khiển biến tần cung cấp điện cho máy nén Nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh t7 thay đổi bằng cách kiểm soát áp suất bay hơi của môi chất lạnh trong bộ bay hơi Nếu áp suất bay hơi được điều khiển giảm thì thời gian cấp lỏng được điều khiển tăng lên để duy trì mức chất lỏng trong bộ bay hơi Nếu áp suất bay hơi được điều khiển tăng thì thời gian cấp lỏng được điều khiển giảm đáp ứng nhằm duy trì mức chất lỏng trong bộ bay hơi
Vậy để duy trì mực lỏng trong bình bay hơi ổn định khi thay đổi công suất của máy nén nhờ biến tần và điều chỉnh van tiết lưu Khi tăng biến tần là tăng công suất của máy nén và ngược lại Khi công suất của máy nén thay đổi thì năng suất làm lạnh thay đổi tương ứng dẫn tới thời gian làm nước đá và nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh cũng thay đổi được trình bày ở Hình 5.2
Hình 5.2: Mối quan hệ giữa thời gian làm đá, nhiệt độ bay hơi và công suất làm lạnh trong tiến trình làm nước đá Khi năng suất làm lạnh giảm thì thời gian làm nước đá tăng và nhiệt độ bão hòa lỏng của môi chất lạnh trong bộ bay hơi giảm theo đường cong mô phỏng
Trong thực nghiệm này, năng suất làm lạnh thay đổi là do sự điều chỉnh tăng giảm công suất của máy nén nhờ biến tần nên thời gian làm nước đá tỷ lệ thuận với nhiệt độ bay hơi làm lạnh Khi tăng công suất của máy nén sẽ tăng công suất làm lạnh và ảnh hưởng giảm được áp suất bay hơi thấp hơn, nước đá nhanh đông đặc hơn.
Trong giới hạn cho phép, Năng suất làm lạnh Q0_Exp được điều khiển ở 4 mức
3261, 2734, 2371, 2008 (W) thì thời gian làm nước đá lần lượt tìm được là 20, 24.5, 28.5, 39 (phút) tương ứng với nhiệt độ bão hòa lỏng trong bộ bay hơi là -17.5, -15, -
12, -9 ( o C) Trong khoảng thực nghiệm, Năng suất làm lạnh Q0_Exp giảm từ 3261 tới
2008 (W) là 38,4% thì thời gian làm nước đá tăng từ 20 đến 39 (phút) là 48,57% tương ứng với nhiệt độ bão hòa lỏng trong bộ bay hơi tăng từ -17,5 đến -9 ( o C) là 48,72% Vì vậy, Năng suất làm lạnh giảm 5% thì thời gian làm nước đá tăng 2,47 (phút) tương ứng với nhiệt độ bão hòa lỏng trong bộ bay hơi tăng 1,1 ( o C)
Bảng 5.1: Bảng thí nghiệm về các năng suất lạnh khác nhau
Đánh giá về kinh tế
Thời gian hoàn vốn của thiết bị phụ thuộc vào giá thành của thiết bị, giá thành của sản phẩm, giá thành điện năng, thuê nhân công,…
Theo giá thành của thị trường hiện nay giá của một túi đá sạch có khối lượng 5 kg dao động trong khoảng 10,000 VNĐ (đã tính đến đóng gói mặt hàng)
Hình 5.3: Túi đá ống khối lượng 5 kg Như vậy giá của 1 kg đá:
Như vậy với sản lượng một mẻ đá trong 30 phút là 12 kg thì ta tính được số tiền thu được sau 1 mẻ đá:
Theo thực tế, tại thành phố Hồ Chí Minh, đối với hộ kinh danh, giá nước máy sinh hoạt có sự gia tăng theo lộ trình, nếu sử dụng trên 6 m 3 nước/tháng thì giá nước đã là 14,400 VNĐ/m 3 Năng suất máy làm đá ống là 62,5 kg/mẻ Như vậy giá thành nước đầu vào để làm đá là:
Bảng 5.2: Báo giá đầu tư ban đầu cho máy đá ống truyền thống
STT Tên thiết bị Số lượng Đơn giá ₫ Thành tiền ₫
2 Tủ điện điều khiển kích thước 700x500x210) 1 cái 4,500,000 4,500,000
3 Rờ le kép (cao áp thấp áp)
6 Van tiết lưu Danfoss 1 cái 7,074,174 7,074,174
8 Van tay Danfoss phi 10 3 cái 119,000 357,000
9 Dàn ngưng giải nhiệt gió 1 cái 15,594,091 15,594,091
11 Cối đá (bộ bay hơi) 1 bộ 14,256,000 14,256,000
12 Bình tách lỏng O&F FA2 1 bộ 5,284,243 5,284,243
14 Motor giảm tốc dao cắt
15 Đồng hồ áp suất thấp 1 cái 132,000 132,000
16 Đồng hồ áp suất cao 1 cái 215,000 215,000
19 Thùng chứa nước inox 1 cái 1,375,302 1,375,302
Chi phí tiền vật liệu chế tạo công máy đá ống truyền thống: P’vl5,100,000 VNĐ
Bảng 5.3: Chi phí tiền công lao động quá trình thi công cho máy đá ống truyền thống
TT Nội dung công việc Tiền công
(ngày) Snc Tc Thành tiền
I Thiết kế máy đá ống 4,000,000
II Thi công máy đá ống 24,500,000
Chi phí tiền nhân công thi công máy đá ống tích hợp: P’nc(,500,000 VNĐ
Bảng 5.4: Báo giá đầu tư ban đầu cho máy đá ống tích hợp
STT Tên thiết bị Số lượng Đơn giá ₫ Thành tiền ₫
2 Tủ điện điều khiển kích thước 700x500x210) 1 cái 4,500,000 4,500,000
3 Rờ le kép (cao áp thấp áp) 1 cái 841,687 841,687
6 Van tiết lưu Danfoss 1 cái 7,074,174 7,074,174
8 Van tay Danfoss phi 10 3 cái 119,000 357,000
9 Dàn ngưng giải nhiệt gió 1 cái 15,594,091 15,594,091
11 Bộ bay hơi tích hợp bình tách lỏng, bộ hồi nhiệt 1 cái 15,852,200 15,852,200
12 Motor giảm tốc dao cắt
13 Đồng hồ áp suất thấp 1 cái 132,000 132,000
14 Đồng hồ áp suất cao 1 cái 215,000 215,000
17 Thùng chứa nước inox 1 cái 1,375,302 1,375,302
Chi phí tiền vật liệu chế tạo công máy đá ống tích hợp: Pvl,597,237 VNĐ
Bảng 5.5: Chi phí tiền công lao động quá trình thi công cho máy đá ống tích hợp
TT Nội dung công việc Tiền công
I Thiết kế máy đá ống 4,000,000
II Thi công máy đá ống 26,500,000
Chi phí tiền nhân công thi công máy đá ống tích hợp: Pnc0,500,000 VNĐ
Chi phí thùng bảo quản đá gia công với vật liệu inox 304 dày 3mm cách nhiệt PU foam dày 50mm, kích thước 1500x1000x1000mm (DxRxC): Pbq = 3,250,000 VNĐ
=> Tổng chi phí cho máy đá ống truyền thống:
=> Tổng chi phí cho máy đá ống tích hợp:
Tính toán thời gian hoàn vốn:
Bảng 5.6: Các thiết bị điện
Tên thiết bị Công suất điện (kW)
Số lượng Tổng công suất điện
Tính toán chi phí cho nhân công:
- Tống số nhân công cần cho trong một máy đá bao gồm: 2 công nhân
- Lương cho 1 công nhân: 30,000 đồng/giờ
Tổng tiền chi cho nhân công làm xong 1 mẻ: Tnc = 50,000 x 0,5 = 15,000 đồng/mẻ
Bảng 5.7: Biểu giá bán lẻ điện
Nhóm đối tượng khách hàng Giá bán điện
Cấp điện áp từ 110 kV trở lên a Giờ bình thường 1,536 b Giờ thấp điểm 970 c Giờ cao điểm 2,759
Bảng 5.8: Khung thời gian bán lẻ điện Giờ bình thường Giờ cao điểm Giờ thấp điểm Thứ 2 – thứ 7:
Từ 22h – 4h sáng ngày hôm sau
(Không có giờ cao điểm)
Máy đá hoạt động từ 6h sáng đến 16h chiều hàng ngày nghĩ trưa 2h (8h/ngày) Tiền điện trung bình cho 1h làm nước đá= (6 x 1,536 + 2 x 2,759) / 8 = 1,842 VND Tổng tiền điện trung bình tiêu thụ cho 1 mẻ (30 phút) ở giờ bình thường:
Tổng chi phí cho một mẻ là:
Giờ bình thường: Tcp = Tnước + Tđiện + Tnc = 173 + 15,000 + 1,681 = 16,900 VNĐ/mẻ
Lãi suất thu được sau mỗi mẻ là:
Lãi suất thu được trong ngày là:
Lãi suất năm mà hệ thống đem lại:
Nếu hệ thống làm đá hoạt động liên tục thì 1 năm có thể sản xuất trong khoảng
251 ngày/năm (trừ 18 ngày lễ trong năm và ngày thứ 7, Chủ nhật hàng tuần) Do đó:
Tuổi thọ của hệ thống có thể đạt N = 15 năm (Máy móc, thiết bị sản xuất, chế biến lương thực, thực phẩm)
Tỷ lệ khấu hao tài sản cố định: i = ờ í ấ à ả ố đị = x 100 = 6,6 %
Xem giá trị còn lại của hệ thống là 0 VNđ (Các thiết bị hết giá trị sử dụng)
Ta có công thức tính thời gian hoàn vốn:
Ta rút ra thời gian hoàn vốn máy đá ống truyền thống:
Ta rút ra thời gian hoàn vốn máy đá ống tích hợp:
Từ đó ta lập bảng so sánh giá thành sản xuất đá từ máy đá tích hợp bộ bay hơi, bình tách lỏng, bộ hồi nhiệt và máy đá truyền thống với công suất tương đương (có bình tách lỏng và bộ hồi nhiệt):
Bảng 5.9: Bảng so sánh giá thành giữa máy đá truyền thống và máy đá sử dụng bộ bay hơi tích hợp Nội dung so sánh Máy nước đá truyền thống
Máy nước đá tích hợp
Giá vật tư chế tạo 105,125,100 93,597,237 Rẻ hơn 11,527,863 (11%)
Giá nhân công chế tạo
Tổng giá máy đá 133,625,100 124,097,237 Rẻ hơn 9,527,863 (7,1%) Thời gian hoàn vốn 2,97 năm 2,75 năm Ít hơn 0,22 tháng