Trong công nghệ sản xuất nước đá trong suốt, có thể sử dụng phương pháp xáo trộn nước đông lạnh thì không khí hòa tan trong nước có thể tách ra, muối và các tạp chất tập trung lại ở tâm
Mục tiêu đồ án
Tính toán thiết kế hệ thống lạnh chạy cho nhà máy sản xuất nước đá với năng suất 30 tấn/ngày.
Nội dung đồ án
- Tổng quan về nước đá, quy trình, máy móc của hệ thống làm lạnh
- Phương pháp nghiên cứu và tính toán
- Tính toán và thiết kế hệ thống
- Bản vẽ thiết kế chế tạo
Giới hạn nghiên cứu của đồ án
Đồ án không đi sâu vào việc thiết kế, lắp ráp thiết bị mà chỉ đưa ra quy trình thiết kế, tính toán sơ bộ hệ thống sản xuất, cũng như vị trí mặt bằng nhà máy
Ý nghĩa khoa học
Hệ thống lạnh chạy cho nhà máy sản xuất nước đá cần được tập trung nghiên cứu nhiều hơn để khắc phục một số nhược điểm, cải tiến một số vấn đề như tăng năng suất, tiết kiệm chi phí điện năng, nhân công, với mong muốn tạo ra những đột phá mới trong lĩnh vực nghiên cứu này.
Ý nghĩa thực tiễn
Nước đá là một trong những phương pháp bảo quản thực phẩm phổ biến Thông qua đề tài của bài đồ án này, sinh viên có thể hiểu hơn từng bước từng hiện những thiết kế, tính toán của hệ thóng lạnh Từ đó, đưa ra những giải pháp để đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng của nước đá trong các lĩnh vực xã hội
TỔNG QUAN
Lịch sử phát triển công nghệ sản xuất nước đá
Ngành kỹ thuật lạnh phát triển trong các thập kỷ cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX một cách nhanh chóng, mạnh mẽ nên lịch sử công nghệ làm nước đá cũng gắn liền với lịch sử phát triển của ngành kỹ thuật lạnh Nước đá trong tự nhiên có từ rất lâu, từ khi con nười còn chưa đạt những thành tựu lớn về khoa học thì họ đã vận dụng nó để bảo quản thực phẩm, phục vụ cho một số hoạt động khác trong cuộc sống của con người (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
Năm 1834, nhà khoa học người Anh I Perkin chế tạo thành công máy sản xuất nước đá cây nhưng có năng suất thấp (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
Năm 1899, nhà khoa học người Đức Geppert chế tạo thành công hệ thống lạnh và máy làm đá có đầy đủ trang thiết bị máy nén, thiết bị bay hơi, van tiết lưu, thiết bị ngưng tụ cùng một số thiết bị khác với hiệu suất cải thiện đáng kể
Năm 1934, Tập đoàn nghiên cứu và phát triển kỹ thuất lạnh Carrier chế tạo thành công hệ thống lạnh sản xuất nước đá với năng suất rất cao và công nghệ sản xuất nước đá đã bắt bầu phát triển hoàn thiện từ đây (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
Cho đến ngày nay, công nghệ sản xuất nước đá đã đạt tới mức độ hoàn thiện nhờ vào các thiết bị công nghệ sản xuất nước đá ngày càng đa dạng và phong phú được phát minh bởi các nhà khoa học, nó mang lại ý nghĩa to lớn cho nền kinh tế vì đáp ứng cho nhu cầu đời sống của con người trong việc bảo quản thực phẩm, chế biến và bảo quản thuốc, (Nguyễn Tấn Dũng, 2016).
Cơ sở khoa học
1.2.1 Một số tính chất hóa lý của nước đá ở 0 o C và áp suất 0,98 bar (p kq = 1 at)
Nước tự nhiên là chất lỏng không màu, không mùi, không vị và tồn tại ở ba trạng thái là rắn – lỏng – khí Ở trạng thái rắn, nước tồn tại ở dạng tuyết Khi tuyết nén lại, nó sẽ trở thành băng Ở trạng thái lỏng, nước tồn tại dưới dạng nước biển Một lượng nước rất nhỏ chỉ xuất hiện trên đất ở dạng suối, sông, hồ, v.v., rất hữu ích cho việc uống Nước xảy ra dưới dạng hơi nước trong không khí, là trạng thái khí của nước
4 Điểm đóng băng của nước là 0°C ở áp suất khí quyển 0,98bar = 1at 735,559mmHg Tuy nhiên, nếu áp suất tăng, điểm đóng băng giảm xuống dưới 0°C Điểm đóng băng của nước giảm do có tạp chất Nước đóng băng được gọi là nước đá Nhiệt độ nóng chảy của nước đá là 0°C Nhiệt độ này không đổi cho đến khi tất cả băng biến thành chất lỏng và đây cũng là nhiệt độ đông đặc khi nước chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn Nhưng ở đây, năng lượng nhiệt được lưu trữ trong nước được gọi là 'ẩn nhiệt của phản ứng tổng hợp băng' (‘latent heat of fusion of ice’) Giá trị riêng của nó là 336 jun/gm hoặc 80 cal/gm
Nước khác với mọi chất lỏng khác, áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất là ở 4°C: 1 g/cm³ đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4°C Khi nhiệt độ trên 4°C, nước sẽ có đặc tính bình thường giống mọi chất khác là nóng nở, lạnh co, nhưng ở khoảng 4 o C nó đạt đến mật độ tối đa và sau đó giảm khi tiến đến điểm đóng băng Khi ở nhiệt độ dưới 4°C, nước lại lạnh nở, nóng co Do hình thể đặc biệt của phân tử nước ( với góc liên kết 104,45°), khi bị làm lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở Vì vậy mà tỉ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể lỏng
Nhiệt dung riêng của nước ở điều kiện áp suất khí quyển không đổi là cpn 4,186 kJ/(kg.K) ~ 4,19 kJ/(kg.K) = 1 kcal/(kg.K), khối lượng riêng của nước 𝜌 𝑛 1000kg/m 3 (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
Khi nước chuyển sang trạng thái rắn thì nhiệt dung riêng của nước đá giảm gần một nửa so với nhiệt dung riêng của nước ở trạng thái lỏng Nhiệt dung riêng của nước đá ở điều kiện áp suất khí quyển không cpnđ = 2,09 kJ/(kg.K) ~ 2,1 kJ/(kg.K)
= 0,5 kcal/(kg.K), vì thể tích riêng của nước đá tăng lên khoảng 9% so với thể tích nước ở trạng thái lỏng cho nên khối lượng của nước đá giảm xuống khoảng 9%, khối lượng riêng của nước đá khoảng 𝜌 𝑛đ = 917kg/m3 Tỷ trọng hay khối lượng của nước đá có quan hệ với nhiệt độ như sau :
5 Để cân bằng hệ hai pha lỏng - rắn (nước - đá) của nước, có thể sử dụng phương trình Clapperol - Clausius như sau:
- L: ẩn nhiệt đóng băng của nước, kJ/kg;
- 𝑣 1 , 𝑣 đ : thể tích riêng của pha lỏng và rắn, m 3 /kg;
- P: áp suất của môi trường pha lỏng - rắn, Pa;
- T: nhiệt độ nóng chảy của nước, K
𝛿𝑇 < 0, tức là khi tăng áp suất thì nhiệt độ nóng chảy giảm (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
Nhiệt đóng băng (ẩn nhiệt đóng băng) của nước ở nhiệt đô 0°C và áp suất khí quyển là L = 335kJ/kg = 79,8kCal/kg Lượng nhiệt này có ý nghĩa như sau, sau khi hạ nhiệt độ nước xuống 0 o C ở áp suất khí quyển nếu muốn cho 1kg nước đóng băng hoàn toàn thì nhiệt lượng cần lấy đi của 1kg nước là 330kJ = 19,0kcal Nhiệt đóng băng sẽ thay đôi theo nhiệt độ, khi nhiệt độ hạ xuống 1°C thì L sẽ tăng khoảng 2,12 kJ/kg (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
Hệ số dẫn nhiệt của nước đá là 𝜆 𝑛đ = 2,326W/(m.K) = 2 Kcal/(m.h.K), hệ số dẫn nhiệt của nước đá có thể được tính toán theo công thức thực nghiệm như sau:
Tỷ nhiệt của nước đá ở 0°C là Cđ = 2,1 kJ/(kg.K) (chính xác là 2,09 kJ/(kg.K)), khi nhiệt độ giảm thì tỷ nhiệt của nước đá sẽ giảm theo Qua thực nghiệm thì tỷ nhiệt của nước đá cũng được xác định theo công thức thực nghiệm sau:
Cđ = 2,09 + 0,00779.t kJ/(kg.K) (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
1.2.2 Sự liên hợp giữa các phân tử nước
Phân tử nước gồm hai nguyên tử H và một nguyên tử O Có góc liên kết ở đỉnh giữa hai nguyên tử H và một nguyên tử O là 104,45 ° Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều vị trí cho nên góc liên kết sai lệch nhiều so với góc chuẩn của hình lục giác Khi ở trạng thái lỏng, nhờ kiên kết Hydro liên kết với nhau tạo thành (H2O)n mà không làm biến đổi các tính chất hóa học của chúng được gọi là sự liên hợp giữa các phân tử nước
Khi nước chuyển trạng thái từ lỏng sang rắn Các tinh thể đá hình thành có cấu tạo là tứ diện đều vì hàm nhiệt giảm của các phân tử nước dao động xung quanh vị trí cân bằng và chuyển động chậm Do tính phân cực của nó, một phân tử nước ở trạng thái lỏng hoặc rắn có thể hình thành tới bốn liên kết hydro với các phân tử lân cận Trong đó, các đỉnh của tinh thể nước đá này được liên kết với nhau bởi liên kết Hydro, mỗi nguyên tử O liên kết với bốn nguyên tử H và mỗi nguyên tử H liên kết với hai nguyên tử O Do vậy, chúng tạo cấu trúc rỗng khiến nước ở trạng thái rắn nhẹ hơn trạng thái lỏng, thể tích nước ở trạng thái đông đặc lớn hơn khi ở trạng thái lỏng
Hình 1 Mô hình mạng tinh thể nước
1.2.3 Quá trình đông đá của nước Đóng băng là quá trình chuyển pha trong đó chất lỏng biến thành chất rắn khi nhiệt độ của nó hạ xuống dưới điểm đóng băng Theo định nghĩa được quốc tế công nhận, đóng băng có nghĩa là sự thay đổi pha đông đặc của chất lỏng hoặc hàm lượng chất lỏng của một chất, thường là do làm mát
Khi lạnh đông ở nhiệt độ dưới 0 o C mà vẫn chưa xảy ra sự kết tinh thì gọi là hiện tượng quá lạnh Sự đóng băng chậm ở hiện tượng quá lạnh là do quá trình tạo mầm tinh thể chậm và chuyển động nhiệt (Brown) khiên cho chúng tác động qua lại với nhau dẫn tới chưa định hình được tâm ngưng tụ nên chưa kết tinh được ngay Sau một thời gian, khi nhiệt độ ở dưới điểm đông đạc làm cho hàm nhiệt giảm, các phân tử nước giảm năng lượng chuyển động để đạt tới trạng thái cân bằng, lúc này tâm ngưng tụ hình thành, các phân tử nước có xu hướng liên kết với tâm ngưng tụ bởi các lực hấp dẫn, lực Culong, lực Valdesvaal, v.v các lực này thắng (hoặc cân bằng) được lực đẩy và lực chuyển động nhiệt của nó sẽ tạo thành các tinh thể đá có kích thước lớn hơn Trong trường hợp nếu nhiệt độ hạ xuống quá thấp so với điểm đóng băng, các phân tử nước bị giảm hàm nhiệt mạnh, dẫn đến chúng chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng của chúng và bản thân nó đã hình thành một tâm ngưng tụ Do đó, khi nhiệt độ hạ sâu thì sẽ hình thành rất nhiều tâm ngưng tụ, các tinh thể hình thành có kích thước nhỏ và rất nhỏ có dạng hình sợi hoặc hình kim, đôi khi nó ở dạng vô định hình (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
Sự kết tinh bao gồm hai sự kiện chính, tạo mầm và phát triển tinh thể "Tạo mầm" là bước trong đó các phân tử bắt đầu tập hợp thành cụm, ở quy mô nanomet, sắp xếp theo cách xác định và định kỳ để xác định cấu trúc tinh thể "Sự tăng trưởng tinh thể" là sự tăng trưởng tiếp theo của các hạt nhân thành công trong việc đạt được kích thước cụm tới hạn Nhiệt động lực học của quá trình đóng băng và nóng chảy là một môn học cổ điển trong hóa học vật lý (Atkins PW, 2017).
Tình hình nghiên cứu
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong những năm qua, ngành kỹ thuật lạnh nước ta phát triển mạnh mẽ Quá trình thay đổi và áp dụng công nghệ mới để đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế dã tạo ra sự chuyển biến mạnh mẽ cho ngành kỹ thuật lạnh nước ta Một số công trình nghiên cứu của các nhà khoa học Việt Nam trong những năm gần đây:
Trong những năm 1996-2000, nhằm phát triên chương trình dánh bắt cá xa bờ của cả nước, Bộ Thủy sản đã phê duyệt cho hai tỉnh Nam Định và Phú Yên xây dựng mô hình trang bị máy đá vẩy làm từ nước biên trên tàu đánh bắt hải sản xa bờ Mỗi
8 máy đá vẩy công suất 1.950kg/24giờ, trị giá 22.350USD (3.129 triệu đồng), trong đó Nhà nước hỗ trợ 20% kinh phí Hợp tác xã Tân Hải thị trấn Thịnh Long, huyện Hải Hậu có truyền thống về nghề giã đôi đã được trang bị máy vẩy đá cho các tàu đánh bắt cá xa bờ (Nguyễn Quang Học, 2003)
Các nhà khoa học của Trung tâm phát triển công nghệ cao (Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam) với đề tài: "Nghiên cứu chế tạo máy làm đá tuyết từ nước biển phục vụ bảo quản hải sản đánh bắt xa bờ" (Bích Liên, 2018)
Xuất phát từ thực tế quá trình khai thác hải sản, đặc biệt là việc bảo quản còn nhiều hạn chế do công nghệ lạc hậu, ngư dân phải sử dụng đá nước ngọt để bảo quản Phương pháp này được tiến hành bằng việc sử dụng đá nước ngọt để ủ cá trong khoang lạnh Đá được làm từ đất liền mang lên tàu, có thể được xay nhỏ hoặc để nguyên cây trong khoang lạnh bảo quản trên tàu (Bích Liên, 2018)
Tuy nhiên, thực tế hiện nay cho thấy phương pháp này còn nhiều nhược điểm và hạn chế nên các nhà khoa học thuộc Trung tâm Phát triển công nghệ cao, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, đứng đầu là thạc sỹ Lê Văn Luân, đã chế tạo máy tạo đá tuyết (Bích Liên, 2018)
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Việc sử dụng nước đá đã bắt đầu từ lâu Các cuộc khai quật khảo cổ đã chỉ ra rằng vào năm 2700 trước Công nguyên, người Ai Cập cổ đại đã sản xuất trái cây đông lạnh từ băng và tuyết trên núi
Hiện nay người ta sử dụng nhiều phương pháp nhân tạo khác nhau để tạo ra đá, có thể chia thành làm đá tĩnh và làm đá động Phương pháp làm đá tĩnh bao gồm loại cuộn băng và loại thể tích; các phương pháp làm đá động bao gồm phương pháp cạo tường, phương pháp tầng sôi, phương pháp chân không, phương pháp tiếp xúc trực tiếp và phương pháp nước siêu lạnh (Hu, Rui và công sự, 2022).
Phân loại nước đá
Nước đá thực phẩm dùng để uống trực tiếp với các loại nước giải khát có gas và các loại nước giải khát không có gas, loại nước đá này có thể ướp trực tiếp các loại thực phẩm sau khi đã qua khâu chế biến, chính vì vậy loại đá này phải đạt các chỉ
9 tiêu lý hóa, sinh hóa, v.v cao, khi sản xuất phải đảm bảo vệ sinh như thực phẩm (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
Trong công nghệ sản xuất nước đá, dựa vào đặc tính trong có thể phân loại nước đá ra thành các loại sau đây (Nguyễn Tấn Dũng, 2016):
Ngoài ra còn có thể phân loại thành các loại sau:
- Nước đá từ nước biển
Nước đá đục còn gọi là nước đá kỹ thuật, loại nước đá này không trong suốt là do trong nguyên liệu nước sản xuất nước đá có tạp chất, những chất này có thể là chất khí, lỏng và rắn (Nguyễn Tấn Dũng, 2016) Ở nhiệt độ 0°C và áp suất khí quyển 0,98 bar, nước có thể hòa tan một lượng chất khí tổng cộng là 29,2mg/l, có nghĩa nồng độ chất khí trong nước khoảng 0,03% Khi nước đóng băng các chất khí tách ra tạo thành các bọt khí và bị ngậm ở giữa các tinh thể đá, mặt khác các chất rắn cơ học có trong nước khi nước đông đặc chúng bị tách ra và bị bao bọc bơi các tinh thể nước đá, v.v, khi ánh sáng chiếu vào do hiện tượng phản xạ của các môi trường có chiết suất khác nhau nó sẽ tạo nên màu trắng đục Đá đục có độ rắn chắc không cao, tính đàn hồi, tính dẻo dai kém, có tỷ trọng
𝜌 𝑛đ = (890 ÷ 900) kg/m 3 nhỏ hơn đá trong suốt (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
Nước đã xử lý sạch các cặn bẩn và các tạp chất cơ học, khi hạ thấp nhiệt độ của nước xuống dưới điểm đóng băng thì lúc này các tinh thể đá hình thành trong suốt, mặt khác chúng ta cũng có thể thấy rằng quá trình nước đóng băng có hiện tượng tự
10 làm sạch nước, bởi vì khi đóng băng quá trình tách cặn, các tạp chất và một số thành phần không đồng nhất sẽ xảy ra khỏi các tinh thể đá đang hình thành Nếu những tạp chất này được lấy ngay ra khỏi bề mặt tinh thể thì có thể loại trừ được những tạp chất đó và không gây ra hiện tượng bị ngâm trong các tinh thể đá đang hình thành, khi đó nước đá sẽ trong suốt Trong công nghệ sản xuất nước đá trong suốt, có thể sử dụng phương pháp xáo trộn nước đông lạnh thì không khí hòa tan trong nước có thể tách ra, muối và các tạp chất tập trung lại ở tâm khuôn đá và phải tách bỏ chúng ra, cách làm của phương pháp này là thổi khí nén có áp lực khoảng (0,17-0,25) MPa vào giữa khuôn, khi nước gần đông rút ống thổi khí ra, cũng có thể thổi khí nén ở áp lực cao hơn (1,5-2)Mpa, hoặc cũng có thể sử dụng que khuấy gỗ nhưng phải rút que ra kịp thời trước khi nước đông, hoặc sử dụng các phương pháp hóa lý để kết tủa, lắng cặn chúng, bằng cách cho Ca(OH)2, Na2CO3, hoặc Al2(SO)3.24H20 vào nước để kết tủa các chất cặn bẩn Nhưng tốt nhất là nên tinh sạch nước trước khi đưa vào khuôn đông đá Đá trong suốt có độ rắn chắc cao, có tỷ trọng 𝜌 𝑛đ = (915 ÷ 917) kg/m 3 , chính vì độ tinh khiết mà tỷ trọng lớn của nó hơn nước đá đục (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
Nước đá pha lê (tinh thể) được sản xuất từ nước đá khử muối hoàn toàn và các tạp chất đã được tinh sạch một cách cần thận trước khi tạo đá
Trước đây nguyên liệu sản xuất nước đá pha lê là nước cất Ngày nay, nước đá pha lê được sản xuất từ nước khử muối và các tạp chất hoàn toàn trong suốt cho đến tâm Khi tan, nước đá không để lại cặn bẩn vì toàn bộ khối đá là đồng nhất, chính vì vậy nước đá pha lê được ưa chuộng sử dụng khi cho nước đá tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm Nước đá pha lê có thể được sản xuất ngay ở các máy đá nhỏ với điều kiện tốc độ nước trên bề mặt đóng băng đủ lớn và nước được khử muối đạt yêu cầu, khối lượng riêng của nước đá pha lê vào khoảng (910÷920) kg/m 3 (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
1.4.4 Một số loại đá khác
Nguyên liệu nước làm nước đá phải đảm bảo đạt tiêu chuẩn về các chỉ tiêu hóa
- lý - vi sinh, ngoài ra khi sản xuất nước đá thực phẩm phải đảm bảo tất cả các quy định về vệ sinh an toàn thực phẩm Nước đá thực phẩm bao gồm nước đá pha lê, nước đá trong suốt, nước đá đục, trong đó nước đá pha lê, nước đá trong suốt được ưa chuộng hơn cả, ở nước ta có trên dưới 3200 các nhà máy lớn nhỏ sản xuất loại nước đá này (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
Nước đá khử trùng được sản xuất từ nguyên liệu nước khử trùng bằng hóa chất như hypoclorit natri (NaCIO), natri nitrit (NaNO2), V.v với lượng cho phép hoặc sử dụng kỹ thuật Membrane, đôi khi người ta sử dụng chất kháng sinh như Clotetracylin 0,0001 đến 0,0005%, sau khi xử lý xong lại tách các hóa chất này ra khỏi nước, nước thu được là nước khử trùng Nước đá khử trùng dùng chủ yếu trong công nghiệp cá để chuyên chở và bảo quản cá tươi, bằng thực nghiệm đã cho thấy nếu dùng nước đá khử trùng có chất kháng sinh sẽ làm tăng thời gian bảo quản cá lên 1,5 lần (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)
1.4.4.3 Nước đá từ nước biển
Nước đá từ nước biển được sản xuất từ nước biển có nồng độ muối thấp hoặc đã qua khâu xử lý bớt muối, loại nước đá này chủ yếu sử dụng trong công nghiệp đánh bắt thủy hải sản xa bờ hoặc chuyên chở các thực phẩm thủy hải sản đi xa Nhờ độ mặn có trong nước đá nên nhiệt độ nổng chảy thấp, dưới 0°C, nên chất lượng bảo quản rất tốt và thời gian bảo quản kéo dài lên khoảng (2 - 3) lần (Nguyễn Tấn Dũng,
Quy trình công nghệ sản xuất nước đá
Hiện nay ở Việt Nam, công nghệ sản xuất nước đá rất đa dạng và phong phú, tuy nhiên việc xử lý nguyên liệu nước khi đưa vào sản xuất nước đá là vấn đề rất đáng quan tâm, bởi vì do công nghiệp đang phát triển mạnh, diện tích rừng thu hẹp các nguồn nước ngầm bị cạn kiệt, các nguồn nước sông, hồ, bị ô nhiễm trầm trọng,
12 nếu nguồn nước này được xử lý sạch trước khi đưa vào sản xuất nước đá thì chi phí rất nặng do đó nhiều cơ sở đã xử lý sơ bộ nguyên liệu và không đạt các chỉ tiêu trước khi đưa vào sản xuất, dẫn đến sản phẩm nước đá sử dụng không đạt yêu cầu
Quy trình công nghệ sản xuất nước đá được mô tả như sau:
Hình 2 Quy trình công nghệ sản xuất nước đá
Nước được bơm trực từ giếng lên qua quá trình xử lý, tách bỏ cặn bã có trong nước Nước được chứa trong hồ sau đó sẽ cho vào các khuôn đá Đặt các khuôn đá vào bể nước Do kết cấu của bể đã khuôn được giữ trên các thanh bắt ngang bể Sau một ngày đêm, nước đã được đông thành đá Khi có nhu cầu sử dụng, ta lấy đá lên
Tùy theo phương pháp làm đá mà cách rót nước vào khuôn khác nhau Ở nhiệt độ ( -25 o C ÷ -8 o C) Tùy theo yêu cầu và phương pháp làm đông
13 bằng phương pháp thủ công Ta dùng nước ở nhiệt độ thường, xối lên trên khuôn đã nhằm tách đã ra khỏi khuôn.
Các phương pháp sản xuất nước đá
Do khoa học kỹ thuật lạnh ngày một phát triển đến mức hoàn thiện trong mọi lĩnh vực như: kỹ thuật điều hòa không khí, kỹ thuật lạnh đông thực phẩm rau quả, thủy hải sản, gia súc, gia cầm, kỹ thuật lạnh sản xuất nước đá, nên hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để sản xuất nước đá, đi kèm theo nó là các thiết bị công nghệ làm nước đá cũng có phần khác nhau, chủ yếu là khác nhau ở phần thiết bị trao đổi nhiệt làm lạnh (thiết bị bay hơi) và phương pháp làm lạnh (làm lạnh gián tiếp hay trực tiếp)
Nếu sử dụng phương pháp làm lạnh gián tiếp trong công nghệ sản xuất nước đá cây, đá bẹ, đá tảng, thì phải dùng chất tải lạnh trung gian là nước muối natri clorua (NaCl) hoặc hỗn hợp nước muối NaCl và KCl, hay NaCl có pha trộn muối CaCl2
Nếu sử dụng phương pháp làm lạnh trực tiếp như trong công nghệ sản xuất đá viên, đá vảy, đá bột, nước đá ống tinh khiết, nước đá cục pha lê thì phải dùng môi chất lạnh trao đổi lạnh trực tiếp với nước cần làm đá
Dù được làm lạnh thế nào đi chăng nữa thì vẫn có chung sơ đồ công nghệ thiết bị hệ thống, trong đó chỉ khác nhau về thiết bị bay hơi Do nhiệt độ bay hơi của môi chất ở thiết bị bay hơi đòi hỏi không cao, nhiệt độ làm nước đông đặc có nhiệt độ âm không sâu, vì vậy tỉ số nén không cao, cho nên hệ thống lạnh dùng để sản xuất nước đá thường dùng là hệ thống lạnh một cấp nén
1.6.1 Sơ đồ thiết bị chung trong công nghệ sản xuất nước đá
Hình 3 Sơ đồ thiết bị hệ thống máy sản xuất nước đá
Sản xuất nước đá nhân tạo bằng cách lạnh đông nước ở nhiệt độ (-25 ÷ -8) o C, tùy theo phương pháp làm lạnh mà nhiệt độ của môi chất lạnh ở dàn bay hơi thay đổi trong khoảng từ (-30 ÷ -12) o C Đối với phương pháp sản xuất nước đá cây, nước đá khối thường dùng hệ thống lạnh một cấp nén – môi chất lạnh là amoniac (NH3), nếu hình dạng sản phẩm lạnh đông phức tạp, hơn nữa môi chất lạnh có mùi hôi thối khó chịu, thì phải sử dụng phương pháp làm lạnh gián tiếp với chất tải lạnh trung gian là nước muối (NaCl + CaCl2 hoặc NaCl + MgCl2 hoặc cũng có thể CaCl2 + MgCl2), tuy nhiên không nhất
1 Máy nén lạnh một cấp
3 Thiết bị ngưng tụ ống chùm
9 Động cơ điện của quạt tháp giải nhiệt
15 Van chặn hút và van chặn đẩy
18 Van an toàn và áp kế
21 Thiết bị xả khí không ngưng
15 thiết sử dụng môi chất lạnh amoniac mà có thể sử dụng môi chất lạnh Freon vẫn tốt như R22, R502, v.v Đối với phương pháp làm lạnh trực tiếp thì tuyệt đối không nên sử dụng hệ thống lạnh – môi chất lạnh amoniac, bới vì sự rò rỉ rất nhỏ cũng làm cho sản phẩm nước đá có mùi hôi thối khó chịu, cho nên khi hệ thống lạnh dùng để sản xuất nước đá vảy, nước đá ống, v.v nên sử dụng môi chất lạnh Freon là tốt nhất, nếu sử dụng amoniac thì cần phải có điều kiện nghiêm ngặc là hệ thống phải kín tuyệt đối, nhất là dàn lạnh
Ngoài ra, sơ đồ hệ thống trên sử dụng thiết bị ngưng tụ ống chùm làm mát bằng nước, cũng có thể thay thế thiết bị ngưng tụ trên bằng các thiết bị làm mát bằng không khí hoặc môi trường làm mát vừa nước vừa không khí, ví dụ như thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới không khí đối lưu tự nhiên hoặc không khí đối lưu cưỡng bức Thiết bị ngưng tụ kiểu xối thường được lắp đặt ở ngoài trời
Các phương pháp sản xuất nước đá dù khác nhau thế nào đi chăng nữa thì toàn bộ sơ đồ công nghệ thiết bị giống như hình 1.1 nhưng chỉ khác nhau vị trí (5) thiết bị bay hơi, ứng với mỗi phương pháp khác nhau sẽ có thiết bị bay hơi khác nhau Để hiểu rõ từng loại thiết bị này thể tìm hiểu cấu tạo thiết bị bay hơi của từng phương pháp ở các phần tiếp theo sau
1.6.2 Phương pháp sản xuất nước đá khối
Phương pháp sản xuất nước đá khối có thể sản xuất nước đá đục, nước đá trong v.v tuỳ theo chất lượng của nguồn nguyên liệu Phương pháp sản xuất nước đá khối hiện nay được sử dụng nhiều ở Việt Nam cũng như ở các nước trên thế giới, bởi vì phương pháp này không đòi hỏi kỹ thuật cao, thiết bị đơn giản, sửa chữa vận hành cũng tương đối đơn giản
Hệ thống thiết bị máy sản xuất nước đá khối cho sản phẩm ở dạng khối như: đá cây, đá bẹ, đá tảng,v.v tuỳ theo hình dạng khuôn đá khác nhau Khối lượng mỗi loại đá khối khác nhau: 3,5kg, 5kg, 12,5kg, 25kg, 50kg (phổ biến nhất hiện nay ở Việt Nam), 70kg (ở Đức), 90kh, 100 ÷ 120kg (ở Mỹ)
Hình 4 Sơ đồ hệ thống thiết bị máy sản xuất nước đá khối
Hệ thống thiết bị sản xuất nước đá khối thông thường là hệ thống lạnh một nén
Có máy nén lạnh một cấp, có thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và các thiết bị phụ cần thiết khác Thiết bị ngưng tụ có thể làm mát bằng không khí, bằng nước, bằng không khí và nước, nhưng thông dụng nhất hiện nay là thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí và nước (trong đó không khí đối lưu cưỡng bức hoặc tự nhiên) Ở Việt Nam các hệ thống máy nước đá thường sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới được lắp đặt ở ngoài trời gần nguồn nước (sông, suối, ao, hồ, v.v.) trong đó không khí đối lưu tự nhiên Còn thiết bị bay hơi thường sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm hoặc kiểu xương cá và làm lạnh gián tiếp trong đó chất tải lạnh trung gian thường dùng nhất là hỗn hợp nước muối (NaCl, CaCl2), dàn lạnh và nước muối được đặt chung một cái bể (gọi là bể làm đá hay bể đá) Bề đá thường cấu tạo 2 ngăn thông nhau và chứa nước muối, ngăn lớn chứa các khuôn chứa nước làm đá đặt ngập trong bể nước muối, ngăn nhỏ chứa thiết bị bay hơi và cánh khuấy làm lạnh và đối lưu nước muối để đưa lạnh từ dàn bay hơi đến khuôn nước làm đá, tại đây sẽ xảy ra quá trình trao đổi nhiệt, nước làm đá có nhiệt độ từ (25 ÷ 30) 0 C cao sẽ trao đổi nhiệt với nước muối có nhiệt độ từ (-15 ÷ - 8) o C Nước muối sẽ nhận nhiệt từ nước làm đá trong khuôn làm tăng nhiệt độ, nước trong khuôn làm tỏa nhiệt làm giảm nhiệt độ, sự giảm này được thực hiện liên tục cho đến khi nước trong khuôn đá cân bằng nhiệt độ với nước bên ngoài là quá làm đá kết thúc Để duy trì nhiệt độ nước muối của tải
17 trung gian từ (-15 ÷ - 8) o C thì nhiệt nước đá nhận vào trong bản thân nó sẽ được đưa tới thiết bị bay hơi nhờ đối lưu cưỡng bức của cánh khuấy, tại đó nó sẽ tỏa nhiệt cho lạnh, còn môi chất lạnh đi trong ống trao đổi nhiệt của dàn lạnh có nhiệt độ (-30 ÷ -
12) o C sẽ nhận nhiệt thực hiện quá trình bay hơi đẳng áp trước khi máy nén hút về thực hiện một chu trình mới tiếp theo
Cấu tạo bể sản xuất nước đá: gồm hai phần, một là cơ cấu bao che “các vách xung quanh và đáy bể”, hai là các thiết bị công nghệ sản xuất nước đá
Hình 5 Sơ đồ thiết bị hệ thống máy sản xuất nước đá khối
1- Máy nén lạnh một cấp
3- Thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới
9- Động cơ điện của quạt tháp giải nhiệt
13- Bơm nước 14- Van bypass 15- Van chặn hút và van chặn đẩy 16- Động cơ của cánh khuấy 17- Bể nước
18– Van an toàn và áp kế 19- Rơle áp lực
20- Chậu nước 21- Thiết bị xả khi không ngưng 22- Bể nước đá
23- Khuôn cây đá 24- Nước muối tải lạnh
1.6.2.1 Cấu tạo của cơ cấu bao che
Vách và đáy nền của bể đá phải được cấu tạo đặc biệt, mục đích của cấu tạo này là giảm sự tổn thất nhiệt từ bên ngoài xâm nhập vào, hạn chế sự tổn hao năng lượng cũng như tiết kiệm được chi phí sản xuất
1.6.2.1.1 Kết cấu của vách của bể đá
Hình 6 Cấu tạo vách bể đá
Lớp 1 là lớp ximăng và đá vữa dùng để bảo vệ các lớp bên trong hạn chế bị hư hỏng theo thời gian sản xuất
Lớp 2 là lớp gạch ống và sắt, lớp này có vai trò giữ cố định thành bể và có khả năng chịu lực lớn nhất, áp lực tạo ra chủ yếu là áp lực thủy tinh của nước và áp lực do sự đối lưu của chất tải lạnh trung gian (nước muối) trong bể quá trình phát sinh sự đối lưu này là do cánh khuấy hoạt động
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN
Quy hoạch mặt bằng xây dựng nhà xưởng và lắp đặt hệ thống
Khu vực xây dựng nhà máy, các công trình xây dựng theo nguyên tắc phân vùng đảm bảo yêu cầu hợp lý sản xuất và đảm bảo mỹ quan cân đối trong nhà máy, dễ dàng cho việc mở rộng sau này, dễ quản lý và phù hợp với khí hậu Việt Nam Các công trình xây dựng cần đảm bảo tính liên hệ mật thiết của các công đoạn sản xuất, tính logic của thiết bị, đảm bảo tính kinh tế, đảm bảo nguồn nước cung, trên đường dây dẫn điện quốc gia
Lựa chọn được một địa điểm phù hợp để thiết kế nhà xưởng cần phải đảm bảo các tiêu chí sau:
- Nhà máy phải được xây dựng nơi thuận lợi cho việc cung cấp và phân phối nước nguyên liệu
- Phải chọn khu đất rộng, thoáng, có tiềm năng phát triển kinh tế Địa hình khu đất phải bằng phẳng, không bị đọng nước vào mùa mưa, thoát nước dễ dàng
- Nhà máy phải được đặt gần mạng lưới giao thông quốc gia, gần đường bộ, đường sắt, sân bay, cảng biển,… để thuận tiện cho việc vận chuyển và tiêu thụ sản phẩm
- Nhà máy phải được đặt gần nơi cung cấp nhiên liệu, khí đốt, điện, nước,…
- Nhà máy phải đặt gần khu dân cư để tận dụng được nguồn lao động
- Phải đảm bảo vấn đề môi trường, an ninh trật tự, quốc phòng
- Nơi xây dựng nhà máy phải được sự cho phép và ủng hộ của các cơ quan địa phương
Lý do mà tôi muốn chọn làm mặt bằng xây dựng nhà xưởng lắp đặt hệ thống là Khu công nghiệp Long Khánh – Đồng Nai vì:
- Có nơi cung cấp và phân phối nguyên liệu tại thị xã Long Khánh, tỉnh Đồng Nai Cách KCN khoảng 3 đến 4 km
- Khu đất rộng, thoáng, có tiềm năng phát triển kinh tế Địa hình khu đất bằng phẳng, không bị đọng nước vào mùa mưa, thoát nước dễ dàng
- KCN Long Khánh với vị trí địa lý thuận lợi, gần đường quốc lộ, cảng và sân bay, là địa điểm thật sự hấp dẫn các nhà đầu tư Tọa lạc tại xã Suối Tre và Bình Lộc, thị xã Long Khánh, tỉnh Đồng Nai
• Cách Quốc lộ 1A 2km, thuận lợi về giao thông đường bộ, đường thủy, đường sắt và hàng không, đáp ứng mọi yêu cầu của nhà đầu tư về vận chuyển và giao thông hàng hóa
• Cách trung tâm thành phố Biên Hoà: 40 km, thành phố Hồ Chí Minh: 70 km
• Cách sân bay Tân Sơn Nhất 80 km, sân bay quốc tế Long Thành: 40 km
• Cách ga Long Khánh: 4 km, ga Dầu Giây 8 km
Cách cảng Gò Dầu: 60 km, cảng Phú Mỹ: 65 km, cảng Vũng Tàu: 60km
• Cấp điện: được lấy từ trạm biến áp Long Khánh 110/22KV – 120MVA do Điện lực Long Khánh xây dựng dọc theo các tuyến đường trong KCN, đảm bảo cung cấp đủ cho doanh nghiệp
• Cấp nước: Công ty Cổ phần Cấp nước Long Khánh cung cấp nước sạch cho toàn bộ nhà máy trong khu công nghiệp với công suất 8000m3/ngày đêm
• Thông tin liên lạc: Hệ thống thông tin liên lạc trong KCN do Viễn thông Đồng Nai đầu tư xây dựng, đáp ứng đầy đủ, nhanh chóng các nhu cầu về thông tin liên lạc trong và ngoài nước (Điện thoại cố định, di động, fax, internet, ADSL ) với đường truyền tốc độ ca, cung cấp cho KCN khoảng 1.962 số điện thoại
• Hệ thống thoát nước: Đường ống thoát nước được lắp đặt dọc theo các tuyến đường giao thông nội bộ khu công nghiệp Nhà máy xử lý nước thải tập trung có công suất 6400m 3 /ngày đêm
• Giao thông: Đường trục chính bố trí đường 4 làn xe, chiều rộng lòng đường 40m, các tuyến đường nội bộ có chiều rộng từ 20 đến 41,5m đạt tiêu chuẩn tải trọng xe 30 tấn Ngoài ra còn có đường nhánh phụ bố trí 2 làn
Có thể thấy Khu công nghiệp Long Khánh – Đồng Nai đáp ứng hầu hết các yêu cầu trên Do đó, Khu công nghiệp Long Khánh – Đồng Nai được chọn là nơi lắp đặt nhà máy sản xuất nước đá
2.1.1.1 Tiêu chí thiết kế nhà máy
❖ Nguyên tắc bố trí mặt bằng:
Nguyên tắc hợp khối: Các công trình cùng đặc tính sản xuất, nhiều mối quan hệ với nhau và có kết cấu xây dựng giống nhau: bố trí trong một nhà lớn → Rút ngắn dây chuyền công nghệ, tiết kiệm diện tích xây dựng, dễ cơ giới hóa và tự động hóa, dễ tạo khối nhằm tăng thẩm mỹ kiến trúc công trình
- Dễ bố trí các khu vực công trình theo yêu cầu công nghệ
- Dễ điều khiển và quản lý các khu vực theo yêu cầu kỹ thuật
- Dễ đáp ứng yêu cầu vệ sinh công nghiệp
- Dễ bố trí hệ thống giao thông vận chuyển
- Dễ bố trí khu đất mở rộng sản xuất với điều kiện khí hậu
- Gần nguồn cung cấp nguyên liệu và tiêu thụ sản phẩm
- Đặc điểm mặt bằng, cấu tạo địa chất
- Hướng gió: quyết định đến tổng mặt bằng nhà máy, hướng nhà, che gió…
- Các số liệu về khí tượng, thủy văn: T, độ ẩm, mực nước ngầm, độ bức xạ mặt trời… (kết quả thống kê trong vòng 30 năm)
- Vùng nguyên liệu ổn định, khả năng cung cấp nguyên liệu của địa phương Khả năng liên kết, hợp tác hóa:
- Giảm thời gian xây dựng, giảm vốn đầu tư và hạ giá thành sản phẩm
- Xác định nguồn cung điện
- Đặt trạm biến thế và máy phát điện dự phòng
❖ Nguồn cung cấp nước, xử lý và thoát nước thải:
- Một số chỉ tiêu chất lượng nước: chỉ số coli, độ cứng, T, BOD, COD, DO…
- Nguồn cung cấp nước chính và phụ: phương pháp khai thác nước: tính toán đường ống, áp lực nước, chiều sâu giếng khoan, năng suất bơm, chiều cao và vị trí đặt bơm…
- Xử lý nước: lắng lọc, khử trùng, làm mềm nước bằng phương pháp hóa học hoặc trao đổi ion
- Thoát nước tráng ứ đọng nước và nước thải trong nhà máy
- Xác định độ bẩn của nước thải
- Xây dựng hệ thống thoát nước và xử lý nước thải
- Các yếu tố cần xem xét:
+ Xây dựng nhà máy và vận hành nhà máy
+ Tận dụng các khả năng giao thông thủy bộ bên ngoài nhà máy: Cầu nối để cung cấp nguyên vật liệu và sản phẩm
+ Xem xét các ưu nhược điểm khi sử dụng các hình thức giao thông: đường thủy, đường sắt, đường bộ, đường hàng không…
- Xác định năng suất nhà máy hợp lý dựa vào nguồn nguyên liệu (đầu vào) và nguồn tiêu thụ (đầu ra) từ đó làm cơ sở cho quy hoạch diện tích và thiết kế nhà máy
- Năng suất nhà máy là số sản phẩm nhiều nhất có được trong một đơn vị thời gian (ca, ngày, tháng hay năm)
2.1.1.2 Sơ đồ mặt bằng nhà máy
Hình 13 Sơ đồ mặt bằng chính của nhà máy
2.1.2 Quy hoạch mặt bằng xây dựng
2.1.2.1 Yêu cầu chung về quy hoạch nhà máy
Các nhà máy chế biến thực phẩm, trong đó khâu chế biến, điều hòa, cấp đông, bảo quản lạnh và xuất hàng liên quan mật thiết với nhau Vì thế khi thiết kế và qui hoạch mặt bằng nhà máy cần năm rỏ qui trình công nghệ và yêu cầu về mọi mặt của các khâu trong dây chuyền đó (Đinh Văn Thuận và cộng sự, 2007)
Qui hoạch mặt bằng nhà máy chế biến thực phẩm là bố trí những nơi sản xuất, xứ lý lạnh, bảo quản và những nơi phụ trợ phù hợp với dây chuyền công nghệ Đề đạt được những mục đích đó cần tuân thủ các yêu cầu cơ bản sau đây:
Đối tượng nghiên cứu và tính toán
Nước đá là đối tượng nghiên cứu chính Trong quy trình sản xuất nước đá, các thiết bị được sử dụng như: máy nén, van tiết lưu, thiết bị ngưng tụ, bình trung gian… đây cũng chính là các đối tượng được nghiên cứu bên cạnh đối tượng chính là nước đá
Môi chất amoniac NH3 là môi chất lạnh không gây phá huỷ tầng ôzôn và hiệu ứng nhà kính, có thể nói NH3 là một chất lạnh của hiện tại và tương lai Hiện nay hầu hết các hệ thống làm lạnh trong các nhà máy chế biến thuỷ sản (trừ kho lạnh bảo quản trong các nhà máy bia đều được thiết kế sử dụng môi chất NH3 Đặc điểm của
NH3 là rất thích hợp đối với hệ thống lớn và rất lớn, do năng suất lạnh riêng thể tích lớn Các hệ thống lạnh máy đá cây, máy đá vảy, kho cấp đông, tủ cấp đông các loại và dây chuyền I.Q.F, hệ thống làm lạnh glycol trong nhà máy bia đều rất thích hợp khi sử dụng NH3 Nhược điểm của NH3 là làm hỏng thực phẩm và ăn mòn kim loại màu nên không phù hợp khi sử dụng cho các hệ thống nhỏ Amoniac là một chất có độ hoàn thiện nhiệt động cao nhất so với tất cả các mỗi chất được sử dụng trong kỹ thuật lạnh: trong cùng điều kiện làm việc thì NH3 có hệ số làm lạnh cao nhất Các tính chất về nhiệt động:
- Nhiệt độ sôi ở áp suất khi quyền thấp p = 1 kgf/cm 2 ; t = 33,4 o C
+ Ở nhiệt độ môi trường áp suất ngưng tụ vừa phải t = 40 o C; p = 16 at
+ Nhiệt độ tới hạn tương đối cao: tth = 132,4 o C, pth = 115,2 được sử dụng rộng rãi trong máy nên lạnh 1 và 2 cấp
+ Nhiệt độ đông đặc điểm 3 pha thấp: tdđ = -77,7 0 C
+ Nhiệt ẩn hóa hơi lớn, lớn nhất trong các môi chất lạnh, ví dụ tại -15 o C; r 1312k/ kg
+ Nhiệt dung riêng dùng áp vừa phải
+ Độ nhớt vừa phải, lớn hơn độ nhớt của nước
Các tính chất về hóa học
+ Gây cháy ở nồng độ Các tỉnh chất về hóa học, lỏng R717 có khối lượng riêng là 65863kg/m 3 , không hoà tan dầu bôi trơn
+ Không ăn mòn kim loại den, ăn mòn kim loại màu khi có nước, đặc biệt là nhóm và đồng ngoại trừ hợp kim đồng có chứa phốt pho và một số hợp kim nhôm đặc biệt
+ Hoa tan được nước với mọi tỷ lệ ở cả 3 pha, do đó chỉ có thể tích nước ra khỏi amoniac bằng các biện pháp đặc biệt
+ Khi rò rỉ để phát hiện có mùi khai đặc biệt
Công thức cấu tạo: CHClF2 Kí hiệu: R22
- Môi chất lạnh R22 là một chất hữu cơ không màu, có mùi thơm nhẹ dễ chịu Trong hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh R22 Ở áp suất khí quyển Pkqt thì nhiệt độ sôi ts=-40.8 o C, vì vậy khi hệ thống lạnh có nhiệt độ bay hơi yêu cầu t o >- 40.8 o C thì áp suất bay hơi lớn hơn áp suất khí quyển và ngược lại khi hệ thống lạnh có nhiệt độ bay hơi yêu cầu t o
