Đồ Án quá trình và thiết bị trong công nghệthựcphẩmđề tài thiết kế hệ thống lạnh cho nhà máy sản xuấtnướcđánăng suất 30 tấn ngày

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ----ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỀ TÀI TH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

----ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ

NĂNG SUẤT 30 TẤN / NGÀY

Môn học: Đồ án quá trình và thiết bị trong CNTP

Mã môn học: PPEF412450 Thực hiện: Nhóm 08 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Dũng

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

----NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG

CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Mã môn học: PPEF412450

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tấn Dũng

Danh sách nhóm sinh viên thực hiện đồ án:

1 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống lạnh cho nhà máy sản xuất nước đá năng suất 30 tấn/

ngày

2 Nhiệm vụ đồ án

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống lạnh

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của quá trình làm đá cây

- Xác định thông số cơ bản cho quá trình làm đá cây

- Tính toán, thiết kế, đưa ra bản vẽ kỹ thuật cho hệ thống lạnh cho nhà máy sảnxuất nước đá cây năng suất 30 tấn/ngày

3 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 09/09/2023

4 Ngày hoàn thành đề tài:

TPHCM, ngày tháng năm 2023

Giảng viên hướng dẫn(Ký và ghi rõ họ tên)

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

1 GVHD: PGS TS Nguyễn Tấn Dũng

2 Sinh viên thực hiện:

3 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống lạnh cho nhà máy sản xuất nước đá năng suất 30 tấn/ngày

4 Kết quả đánh giá:

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,0

2 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5

3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 1,0

4 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 1,0

5 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,0

6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

7 Hoàn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm 0 – 0,5

8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 1,0

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

1 Giảng viên hướng dẫn: ………

2 Sinh viên thực hiện:

3 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống lạnh cho nhà máy sản xuất nước đá năng suất 30 tấn/ngày

4 Kết quả đánh giá:

1 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 3,0

2 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,0

3 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

4 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,0

5 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3,0

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ,giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từkhi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sựquan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè Chúng em xin gửi những lời biết

ơn chân thành nhất đến quý thầy cô ở Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm

Trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh với triết lý “Nhânbản, sáng tạo, hội nhập” đã cung cấp những tri thức, kỹ năng quý báu cho chúng em trongsuốt thời gian học tập tại trường Và đặc biệt, trong học kỳ này, khoa đã tổ chức chochúng em được tiếp cận với những môn học mà theo chúng em là rất hữu ích đối với sinhviên ngành Công nghệ thực phẩm nói riêng cũng như tất cả các sinh viên thuộc cácchuyên ngành khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm khác nói chung

Trong số nhũng môn trong học kì này, môn “Đồ án quá trinh và thiết bị trong côngnghệ thực phẩm” đã cung cấp cho chúng em không ít những kiến thức bổ ích để áp dụngvào công việc thực tế sau này Để đạt được thành công đó, chúng em xin chân thành cảm

ơn thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Dũng đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua từng buổi họctrên lớp cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận về lĩnh vực sáng tạo trong nghiêncứu khoa học Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của cô thì chúng em nghĩ bàitiểu luận này của chúng em rất khó có thể hoàn thiện được Bên cạnh đó, chúng em cũngxin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến những quý thầy cô khác thuộc bộ môn đã cungcấp kiến thức liên quan cho chúng em trong suốt thời gian học tập và hoàn thành đề tài đồ

án Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn

Đồ án được thực hiện trong khoảng thời gian gần 4 tháng Bước đầu đi vào thực tế,tìm hiểu về lĩnh vực sáng tạo trong nghiên cứu khoa học, kiến thức của chúng em còn hạnchế và còn nhiều bỡ ngỡ Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, emrất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn học cùnglớp để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan kết quả đạt được trong bài tiểu luận là sản phẩm của riêngnhóm chúng em và không có sự sao chép lại của người khác Trong toàn bộ nội dung củabài tiểu luận, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân các thành viên trong nhóm,được thảo luận bởi các thành viên trong nhóm hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tàiliệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quyđịnh cho lời cam đoan của mình

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu đồ án 1

3 Giới hạn nghiên cứu của đồ án 2

4 Ý nghĩa khoa học 2

5 Ý nghĩa thực tiễn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế 3

1.1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.2 Ý nghĩa kinh tế 4

1.1.2.1 Ứng dụng của nước đá trong bảo quản thực phẩm 4

1.1.2.2 Ứng dụng của nước đá trong đời sống và sản xuất 5

1.2 Cơ sở khoa học công nghệ sản xuất nước đá 6

1.2.1 Một số tính chất hóa lý của nước đá ở 0oC và áp suất 0.98 bar 6

1.2.2 Các giai đoạn công nghệ sản xuất nước đá 9

1.2.3 Sự liên hợp giữa các phân tử nước 10

1.2.4 Ẩn nhiệt, nhiệt bốc hơi và bốc hơi sinh lạnh 11

1.2.4.1 Ẩn nhiệt 11

1.2.4.2 Nhiệt bốc hơi và nhiệt bốc hơi sinh lạnh 12

1.2.5 Quá trình đông đá của nước 13

1.2.6 Truyền nhiệt và truyền nhiệt đông đá ở thành làm lạnh 13

1.2.6.1 Thiết lập phương trình truyền nhiệt 13

1.2.6.2 Điều kiện cho sự đông đá xảy ra 16

1.2.6.3 Thời gian làm đông đá 19

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước đối với công nghệ sản xuất nước đá 21

1.4 Tình hình nghiên cứu ngoài nước đối với công nghệ sản xuất nước đá 24

1.5 Nguyên liệu trong công nghệ sản xuất nước đá 27

1.6 Tổng quan về nước đá 32

1.7 Quy trình công nghệ sản xuất nước đá 33

1.8 Phân loại nước đá 34

1.8.1 Phân loại nước đá theo độ trong 35

1.8.2 Phân loại nước đá theo hình dạng 37

1.8.3 Một số loại đá khác 40

1.9 Một số máy và thiết bị sản xuất nước đá 40

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN 50

2.1 Quy hoạch mặt bằng xây dựng nhà xưởng lắp đặt hệ thống 50

2.1.1 Địa điểm xây dựng nhà máy 50

2.1.2 Bố trí tổng mặt bằng nhà máy 56

2.1.2.1 Các yêu cầu chung 56

2.1.2.2 Nguyên tắc bố trí 57

2.1.2.3 Yêu cầu đối với một số công trình trong nhà máy 59

2.2 Đối tượng nghiên cứu và tính toán 63

2.2.1 Bước 1: Tính toán kích thước của bể đá nước muối 63

2.2.1.1 Tính chiều dài của bể đá (ký hiệu: D) 64

2.2.1.2 Tính chiều rộng của bể đá (ký hiệu: R) 64

2.2.1.3 Tính chiều cao của bể đá (ký hiệu: H) 64

2.2.1.4 Tính diện tích mặt bằng của bể đá cần xây dựng (ký hiệu: S) 64

2.2.1.5 Tính thể tích của bể đá cần xây dựng (ký hiệu: V) 64

2.2.1.6 Tính thể tích bể nước cung cấp cho sản xuất (ký hiệu: Vnước) 64

2.2.2 Bước 2: Tính toán cách nhiệt – cách ẩm cho kết cấu bao che của bể đá nước muối65 2.2.2.1 Tính cách nhiệt – cách ẩm cho tường bao xung quanh của bể đá 66

2.2.2.2 Tính cách nhiệt – cách ẩm cho nền của bể đá 67

2.2.2.3 Tính hệ số truyền nhiệt nắp của bể đá 68

2.2.3 Bước 3: Tính chi phí lạnh (phụ tải) của bể đá nước muối 68

2.2.3.1 Tính Q1 68

2.2.3.2 Tính Q2 68

2.2.3.3 Tính Q3 69

2.2.3.4 Tính Q4 69

2.2.3.5 Tính Q5 69

2.2.3.6 Thời gian làm đông đá 69

2.2.3.7 Tính toán năng suất lạnh của máy nén cần lắp đặt Q0mn 69

2.3 Sơ đồ nghiên cứu và tính toán 69

2.3.1 Sơ đồ nghiên cứu 70

2.3.2 Sơ đồ tính toán 71

2.4 Phương pháp tính toán và thiết kế 71

2.4.1 Phương pháp tính toán 71

2.4.2 Phương pháp thiết kế 72

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 73

3.1 Các thông số ban đầu cần thiết cho tính toán 73

3.2 Tính toán kích thước của bể đá 75

3.2.1 Chọn kích thước khuôn đá 75

3.2.2 Tính chiều dài bể đá (kí hiệu: D) 76

3.2.3 Tính chiều rộng bể đá (ký hiệu: R) 76

3.2.4 Tính chiều cao bể đá (ký hiệu: H) 76

3.2.5 Tính diện tích mặt bằng bể đá cần xây dựng (ký hiệu: S) 77

3.2.6 Tính thể tích bể đá cần xây dựng 77

3.2.7 Tính thể tích bể nước cung cấp cho sản xuất (ký hiệu: Vnước) 77

3.3 Tính toán cánh nhiệt - cách ẩm cho kết cấu bao che của bể đá muối 78

3.3.1 Tính cách nhiệt - cách ẩm cho tường bao xung quanh bể đá 78

3.3.2 Tính cách nhiệt - cách ẩm cho nền bể đá 80

3.3.3 Tính hệ số truyền nhiệt nắp của bể đá 80

3.4.1 Tính Q1 81

3.4.2 Tính Q2 81

3.4.3 Tính Q3 82

3.4.4 Tính Q4 82

3.4.5 Tính Q5 83

3.4.6 Tính thời gian làm đông đá 83

3.4.7 Tính toán năng suất của máy nén lạnh cần lắp đặt 84

3.5 Tính chọn các thiết bị trong hệ thống lạnh 85

3.5.1 Tính toán chu trình lạnh và lựa chọn máy nén 85

3.5.2 Tính chọn thiết bị ngưng tụ 90

3.5.3 Tính chọn thiết bị bay hơi 95

3.5.4 Tính chọn tháp giải nhiệt 100

3.5.5 Tính chọn đường ống và bơm quạt 101

3.5.6 Bình chứa cao áp 103

3.5.7 Bình tách dầu 104

3.5.8 Bình tách lỏng 105

3.5.9 Bình chứa dầu 106

3.5.10 Phin lọc và phin sấy 107

3.5.11 Các loại van 108

3.5.12 Cánh khuấy 111

CHƯƠNG 4: BẢN VẼ THIẾT KẾ CHẾ TẠO 118

4.1 Bản vẽ sơ đồ nguyên lý 118

4.2 Bản vẽ tổng thể hệ thống 119

4.3 Bản vẽ chi tiết từng thiết bị trong hệ thống 120

4.3.1 Bản vẽ bể đá nước muối 120

4.3.2 Bản vẽ khuôn đá 121

4.3.3 Bản vẽ máy nén 122

4.3.4 Bản vẽ bình tách lỏng 123

4.3.5 Bản vẽ bình tách dầu 124

4.3.6 Bản vẽ bình chứa cao áp 125

4.3.7 Bản vẽ bình chứa dầu 126

4.3.8 Bản vẽ thiết bị bay hơi 127

4.3.9 Bản vẽ thiết bị ngưng tụ 128

CHƯƠNG 5: TÍNH KINH TẾ 129

5.1 Vốn cố định 129

5.1.1 Vốn đầu tư vào thiết bị 129

5.1.2 Vốn đầu tư xây dựng 130

5.1.3 Vốn đầu tư vào chi phí đào tạo ban đầu 131

5.1.4 Chi phí dự phòng 131

5.1.5 Kết luận 131

5.2 Vốn lưu động 132

5.2.2 Chi phí nhân công 132

5.2.3 Chi phí nhiên liệu 133

5.2.4 Chi phí khác 133

5.3 Tính giá thành sản phẩm 134

5.4 Doanh thu 136

5.5 Các chỉ tiêu đánh giá dự án 137

KẾT LUẬN 139

TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Đồ thị giản đồ P – t của nước 7

Hình 1 2 Giản đồ các giai đoạn làm đông nước đá 9

Hình 1 3 Cấu trúc tinh thể đá 10

Hình 1 4 Sự chuyển thể giữa các pha 11

Hình 1 5 Đồ thị nhiệt độ khi ở các pha của nước 12

Hình 1 6 Mô hình đông đá trên mặt thành phẳng 14

Hình 1 7 Mô hình đông đá trên mặt thành hình trụ 18

Hình 1 8 Những tầng nước ngầm dưới lòng đất 27

Hình 1 9 Chất lượng nước của các khu vực giai đoạn 2011-2015, so sánh với quy chuẩn kỹ thuật QG về chất lượng nước mặt 28

Hình 1 10 Quy trình xử lý nước ngầm (Đặng, 2022) 30

Hình 1 11 Quy trình công nghệ sản xuất nước đá 34

Hình 1 12 Nước đá đục 35

Hình 1 13 So sánh nước đá đục và nước đá trong suốt 36

Hình 1 14 Nước đá pha lê 37

Hình 1 15 Nước đá cây 38

Hình 1 16 Nước đá vảy 38

Hình 1 17 Nước đá dạng ống 39

Hình 1 18 Nước đá tuyết 39

Hình 1 19 Sơ đồ mặt bằng nhà máy sản xuất đá cây 41

Hình 1 20 Sơ đồ thiết kế hệ thống máy sản xuất nước đá 42

Hình 2 1 Tổng mặt bằng khu công nghiệp Loteco 50

Hình 2 2 Vị trí cụ thể của khu đất trên bản đồ vệ tinh 50

Hình 2 3 Hình chiếu bằng của nhà máy sản xuất nước theo nguyên tắc hợp khối 58

Hình 2 4 Mặt bằng phân xưởng sản xuất chính 62

Hình 2 5 Sơ đồ nghiên cứu hệ thống lạnh chạy cho nhà máy sản xuất nước đá 70

Hình 2 6 Sơ đồ tính toán hệ thống lạnh chạy cho nhà máy sản xuất nước đá 71

Hình 3 1 Cấu tạo của linh đá 75

Hình 3 2 Kết cấu của bể đá 76

Hình 3 3 Đồ thị h-d của không khí ẩm 79

Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lý của chu trình 86

Hình 3 5 Đồ thị lgp-h và T-s của chu trình 86

Hình 3 6 Máy nén lạnh 90

Hình 3 7 Đồ thị h-d không khí ẩm tại KCN Loteco 91

Hình 3 8 Thiết bị ngưng tụ dạng tháp 95

Hình 3 9 Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nhiệt độ của các dòng khi qua thiết bị bay hơi 96

Hình 3 10 Thiết bị bay hơi kiểu xương cá 99

Hình 3 11 Tháp giải nhiệt 101

Hình 3 12 Bình chứa cao áp 104

Hình 3 13 Bình tách dầu 105

Hình 3 14 Bình tách lỏng 106

Hình 3 15 Bình chứa dầu 107

Hình 3 16 Cấu tạo phin lọc 108

Hình 3 17 Van khóa, van chặn 108

Hình 3 18 Van một chiều hình nấm và van một chiều hình cốc 109

Hình 3 19 Van điện tử 109

Hình 3 20 Van bypass 111

Hình 3 21 Cánh khuấy mái chèo 111

Hình 3 22 Động cơ điện 112

Hình 4 1 Bản vẽ sơ đồ nguyên lý 118

Hình 4 2 Bản vẽ tổng thệ hệ thống lạnh 119

Hình 4 3 Bản vẽ bể đá nước muối 120

Hình 4 4 Bản vẽ khuôn đá 121

Hình 4 5 Bản vẽ máy nén 122

Hình 4 6 Bản vẽ bình tách lỏng 123

Hình 4 7 Bản vẽ bình tách dầu 124

Hình 4 8 Bản vẽ bình chứa cao áp 125

Hình 4 9 Bản vẽ bình chứa dầu 126

Hình 4 10 Bản vẽ thiết bị bay hơi 127

Hình 4 11 Bản vẽ thiết bị ngưng 128

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Nhiệt độ phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy 16

Bảng 1 2 Xác định hệ số A và B 21

Bảng 1 3 Chỉ tiêu nước dùng trong công nghệ chế biến thực phẩm 31

Bảng 1 4 Các giới hạn cho phép của các chỉ tiêu để sản xuất nước đá trong suốt 32

Bảng 1 5 Cấu tạo của một số loại máy làm đá thông dụng 45

Bảng 3 1 Các thông số ban đầu cần thiết cho tính toán 73

Bảng 3 2 Kích thước khuông đá 75

Bảng 3 3 Xác định hệ số A và B 84

Bảng 3 4 Các thông số của đồ thị log P-h của NH3 88

Bảng 3 5 Các thông số kỹ thuật của tháp giải nhiệt 101

Bảng 3 6 Đường kính trong của các loại ống dẫn trong hệ thống 102

Bảng 3 7 Đường kính ống dẫn bằng thép theo tiêu chuẩn Nga 102

Bảng 3 8 Thông số của bình chứa cao áp 104

Bảng 3 9 Thông số bình tách dầu 105

Bảng 3 10 Thông số bình tách lỏng 106

Bảng 3 11 Thông số bình chứa dầu 107

Bảng 3 12 Tổng kết kết quả tính toán 112

Bảng 3 13 Dự `trù kinh phí xây dựng nhà máy 117

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Công nghệ lạnh đã được sử dụng trong suốt lịch sử hình thành và phát triển của xãhội loài người Nhiều tài liệu khảo cổ đã chứng minh rằng, từ năm 2700 trước Côngnguyên người Ai Cập cổ đại đã sử dụng băng tuyết ở những vùng núi cao để làm đônglạnh trái cây (Carnazzi, 2015) Nhưng nhược điểm lớn nhất của việc sử dụng băng tuyết

để làm lạnh thực phẩm chính là nó sẽ phụ thuộc rất nhiều vào vị trí địa lý và vùng khí hậu,đặc biệt là những quốc gia ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như Việt Nam Cùng với sựphát triển của xã hội loài người, đặc biệt là ở cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ II.Trong giai đoạn này, các nhà khoa học đã cho ra đời những mô tả đầu tiên về kỹ thuật sảnxuất nước đá cũng như ứng dụng của nó, và kỹ thuật này chính là tiền đề quan trọng nhấttrong ngành công nghệ sản xuất nước đá ngày nay (Kauffeld và cộng sự, 2019)

Nước đá tồn tại hầu hết trong mọi khía cạnh đời sống của con người Trong lĩnhvực y tế: nước đá được dùng để làm giảm đau tại chỗ, cầm máu, làm giảm nhiệt khisốt,… Việc ngâm đá lạnh cũng được sử dụng như một liệu pháp y khoa với những ngườichơi thể thao, ngoài ra, nước đá còn được dùng trong việc tưới tiêu, chăn nuôi,…Tuynhiên, nước đá vẫn được sử dụng nhiều nhất trong ngành công nghiệp thực phẩm Trongngành công nghiệp này, nước đá được sử dụng để ướp lạnh nước giải khát, phục vụ trongviệc bảo quản thủy hải sản đánh bắt gần và xa bờ, …

Từ những vai trò trên, việc tìm hiểu, tính toán, thiết kế, lựa chọn và xa hơn là lắpđặt một hệ thống sản xuất nước đá là một yêu cần quan trọng đối với một kỹ sư tốtnghiệp ngành công nghệ thực phẩm Do vậy, đối với đồ án môn học Đồ án quá trình vàthiết bị trong công nghệ thực phẩm ở học kì này, chúng em đã lựa chọn đề tài: “Tính toánthiết kế hệ thống lạnh chạy cho nhà máy sản xuất nước đá với năng suất 30 tấn/ ngày”

2 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

3 Giới hạn nghiên cứu của đồ án

Đối tượng nghiên cứu: hệ thống lạnh chạy cho nhà máy sản xuất nước đá với năngsuất 30 tấn/ ngày

Phạm vi nghiên cứu: Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và thiết kế

hệ thống lạnh sản xuất nước đá với nguyên liệu chính là nước tinh khiết và sự dụng nănglượng điện để vận hành hệ thống

Đồ án chưa đi sâu vào cấu tạo, lắp ráp thiết bị, chỉ mới đặt trọng tâm vào quy trìnhthiết kế hệ thống sản xuất Về phần mặt bằng nhà xưởng cũng không tìm hiểu sâu

và hình thức của thực phẩm trong khi chờ đợi đưa đưa vào đất liền

Việc ứng dụng hệ thống lạnh chạy cho nhà máy sản xuất nước đá với năng suất 30tấn/ngày sẽ góp phần đáp ứng được nhu cầu bảo quản của các doanh nghiệp đánh bắtthủy hải sản từ đó góp phần đẩy mạnh nền kinh tế Việt Nam

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế

1.1.1 Lịch sử phát triển

Các cuộc khai quật khảo cổ cho thấy người Ai Cập cổ đại đã có mặt vào khoảng

2700 năm trước Công nguyên Với việc sản xuất trái cây đông lạnh bằng tuyết và băng từvùng núi cao (Carnazzi, 2015) “Công nghệ” này đã di cư đến La Mã cổ đại (Egolf vàKauffeld, 2005) và nhiều nền văn minh ở Trung và Viễn Đông Việc trộn tuyết hoặc đávụn với nước lỏng và đôi khi là muối nhằm hạ thấp điểm đóng băng cho thấy một sốngười trong số họ đã biết sử dụng hỗn hợp đá đầu tiên

Ngành kỹ thuật lạnh phát triển một cách mạnh mẻ nhất ở những thập kỷ cuối thế

kỷ XIX đầu thế kỷ XX và lịch sử của công nghệ sản xuất nước đá cũng gắn liền một cáchchặt chẽ với lịch sử phát triển của ngành kỹ thuật lạnh Nước đá trong tự nhiên được có

từ rất lâu đời, có từ khi trái đất mới hình thành và con người biết vận dụng nó để bảoquản thực phẩm phục vụ trong một số lĩnh vực khác trong đời sống của con người

Năm 1834, nhà khoa học người Anh là I Perkin đã chế tạo thành công máy sảnxuất nước đá cây, nhưng với năng suất thấp

Năm 1899, nhà khoa học người Đức là Geppert đã chế tạo thành công máy sảnxuất nước đá, hệ thống lạnh có đầy đủ các thiết bị máy nén, thiết bị ngưng tụ, van tiết lưu,thiết bị bay hơi và một số thiết bị phụ khác với năng suất tăng lên rất nhiều

Năm 1922, Heyman đã nộp bằng sáng chế về cô đặc đông lạnh của nước trái cây.Năm 1930, tập đoàn nghiên cứu và phát triển kỹ thuật lạnh Carrier đã tìm ra đượchàng loạt các môi chất lạnh như NH3và các môi chất lạnh Freon

Năm 1934, tập đoàn Carrier đã chế tạo rất thành công hệ thống lạnh sản xuất nước

đá với năng suất rất cao và công nghệ sản xuất nước đá đã từng bước bắt đầu phát triển

và hoàn thiện từ đây

Trọng tâm ban đầu của Goldstein và các đồng nghiệp của ông là làm lạnh cá Boyd

và cộng sự (1982), theo IIR FRIDOC là người đầu tiên công bố lợi ích của việc làm lạnh

cá trong nước đá Axe (1943) đã được cấp bằng sáng chế cho một hệ thống thu hoạch đá

để làm lạnh cá rất giống với hệ thống vẫn đang được sử dụng trong ngành công nghiệpthực phẩm khi cần có tinh thể đá khô.

Hệ thống nước đá vẫn được sử dụng ngày nay để nạp hộp đựng cá đã được cấpbằng sáng chế bởi Burns (1981) Làm lạnh cá có lẽ là ứng dụng làm lạnh đá với hầu hếtcác hệ thống làm đá trên toàn thế giới (Wang và cộng sự, 2009) do kết quả làm lạnh vượttrội – tức là tăng cường thời hạn sử dụng của cá – thu được bằng cách sử dụng nước đálàm môi trường làm mát tiếp xúc trực tiếp (ví dụ: Rodríguez và cộng sự, 2005 hoặcNasirin và cộng sự, 2016)

Cho đến ngày nay, thiết bị sản xuất nước đá rất đa dạng và phong phú như côngnghệ sản xuất nước đá cây, công nghệ sản xuất nước đá vảy, công nghệ sản xuất nước đátinh khiết và đã đạt tới mức hoàn thiện

1.1.2 Ý nghĩa kinh tế

Nước đá hiện nay có nhiều ý nghĩa trong nền kinh tế quốc dân, bởi vì nó phục vụcho đời sống cho con người, cho việc bảo quản thực phẩm và nguyên liệu thực phẩm…

1.1.2.1 Ứng dụng của nước đá trong bảo quản thực phẩm

Như chúng ta đã biết các nguyên liệu thủy hải sản có chứa rất nhiều chủng loại visinh vật đồng thời bên trong bản thân của nó chứa rất nhiều hệ enzyme có hoạt tính sinhhọc rất mạnh Do đó, nguyên liệu thủy hải sản sau khi đánh bắt hoặc thu hoạch khôngđược đưa vào sản xuất, chế biến liền nếu không có phương pháp bảo quản hợp lý sẽ rất

dễ bị hư hỏng trong một thời gian ngắn khoảng 30 phút đến 2 giờ

Nhiệt độ bảo quản thấp của các sản phẩm thực phẩm dễ hư hỏng có thể làm chậmcác phản ứng hóa học và sự phát triển của vi sinh vật để đảm bảo duy trì chất lượng và antoàn vi sinh của thực phẩm Mặc dù hiệu suất của tủ lạnh đã được cải thiện nhưng vẫnkhó duy trì nhiệt độ thấp ở kệ trong các cửa hàng bán lẻ và ở các nước đang phát triển,nơi nguồn cung cấp điện không ổn định Ngoài ra, nhiệt độ bảo quản và vận chuyểnthường sai lệch so với nhiệt độ khuyến nghị, dẫn đến giảm thời hạn sử dụng Đặt và phủ

đá vụn hoặc đá viên lên kệ bán lẻ thực phẩm tươi sống là một trong những phương pháplâu đời nhất được sử dụng để bảo quản thực phẩm tươi sống Nước đá cũng là một tụ điện

làm mát quan trọng, góp phần làm ẩm bề mặt thực phẩm tươi sống (D Mokrani và cộng

sự, 2018)

Ví dụ, trong sản xuất thịt, đá được sử dụng để tăng cường khả năng hòa tan protein

và giữ nhiệt độ thấp của bột thịt khi mô động vật được cắt nhỏ trong máy cắt Điều nàycũng dẫn đến việc giữ màu thịt và ức chế sự phát triển của vi sinh vật Đối với cá, thủysản và hải sản, cũng như đối với một số loại trái cây và rau quả, nước đá được sử dụng đểbảo quản và vận chuyển, dẫn đến nhiệt độ thấp và hoạt động chậm của vi sinh vật,enzyme và các yếu tố gây hư hỏng khác (J.P Falcão và cộng sự, 2002)

Sự ô nhiễm vi sinh vật của nước đá đã được báo cáo thường xuyên (M Tsuno vàcộng sự, 1984) Nguyên nhân của những hiện tượng này liên quan đến chất lượng nguồnnước và các chất gây ô nhiễm có trên bề mặt thực phẩm tươi sống Để ngăn chặn sự ônhiễm vi sinh vật của nước đá, việc quản lý vệ sinh cao là không thể thiếu Ngoài ra, việcsản xuất nước đá có hoạt tính kháng khuẩn có thể nâng cao thời hạn sử dụng của thựcphẩm tươi sống và dễ hư hỏng, chẳng hạn như thịt sống, cá, trái cây và rau quả

Ngày nay, phương pháp bảo quản lạnh bằng nước đá,với nước đá muối được ứngdụng một cách rất phổ biến trong bảo quản các nguyên liệu thủy hải sản, bởi vì phươngpháp này rất đơn giản, rẻ tiền và dễ sử dụng Bắt đầu từ khi Bộ Y Tế khuyến cáo cho cáccông ty, doanh nghiệp chế biến thủy hải sản không nên sử dụng bảo quản nguyên liệubằng các loại hóa chất như các chất chống oxy hóa, chất kháng sinh,…thì phương phápbảo quản lạnh bằng nước đá, hoặc nước đá muối được xem là tối ưu nhất

Ngoài việc bảo quản nguyên liệu từ trạm thu mua trước khi đưa vào nhà máy đểsản xuất, nước đá còn có khả năng bảo quản thực phẩm đã được chế biến kéo dài thờigian sử dụng Nếu bảo quản tốt và tùy theo từng loại sản phẩm thì thời gian sử dụng cóthể kéo dài rất dài trong vài tháng

1.1.2.2 Ứng dụng của nước đá trong đời sống và sản xuất

Trong thời gian gần đây ở nước ta đã có sự gia tăng về số lượng nhiều loại nướcgiải khát có ga như: Pepsi, Coca-Cola, Tiger, Tribico, bia Saigon, Laser, Heiniken,Carsberg, Semigell,…ngoài ra còn có rất nhiều loại nước giải khát và các loại nướckhoáng có ga khác Sự gia tăng này do tăng trưởng về mặt kinh tế nhanh, mở rộng các thị

trường tiêu thụ trong nước và ở quốc tế Chính vì vậy, nhu cầu cần về nước đá thường đikèm với nước giải khát sẽ tăng lên một cách đáng kể, không chỉ tại nhà hàng, khách sạn.Một số tỉnh và thành phố lớn thì nhu cầu sử dụng nước đá càng ngày càng tăng, tại cácquán bình dân cũng có nhu cầu sử dụng nước đá càng ngày càng tăng và nước đá muốicũng tương tự được sử dụng để ướp lạnh cho bia, dùng làm cà phê đá.

Đá phải an toàn về mặt vi sinh và hóa học vì người tiêu dùng ăn đá trực tiếp hoặc

ăn thực phẩm tiếp xúc trực tiếp với đá Tuy nhiên, những đánh giá trước đây về các ứngdụng khác nhau, bao gồm chế biến (ví dụ: làm lạnh trong khi chuẩn bị), bán lẻ và cungcấp dịch vụ ăn uống, đã chứng minh rằng nước đá cũng có thể là phương tiện truyền visinh vật gây bệnh, có thể liên quan đến sự bùng phát các bệnh do thực phẩm và có thểgây ra nguy cơ đáng kể đối với sức khỏe cộng đồng (R Gaglio và cộng sự, 2017)

Ngoài ra nước đá cây còn được dùng để phục vụ cho ngành khai thác đánh bắtthủy hải sản gần và xa bờ, vì ở nước ta được xem là một nước có bờ biển trải dài gần3.260 km từ Quảng Ninh ở phía Bắc đến Kiên Giang ở phía Nam, với một tiềm năng thủyhải sản rất lớn Hiện nay có rất nhiều loại tàu có trọng tải lớn có khả năng đi đánh bắt xa

bờ, với thời gian của mỗi chuyến đi đánh bắt xa bờ có thể kéo dài lên tới vài tuần đến vàitháng, do đó lượng nước đá được dự trữ trên tàu rất lớn, nhiều tàu lớn đôi lúc trang bị cả

hệ thống lạnh trên tàu để bảo quản lạnh nước đá và nguyên liệu đánh bắt

Sản xuất đá hoạt tính có đặc tính kháng khuẩn: Cho đến nay, việc sản xuất đá hoạttính có đặc tính kháng khuẩn đã đạt được bằng cách biến nước có đặc tính kháng khuẩnthành trạng thái rắn bằng cách giảm nhiệt độ của nó Plasma khí quyển lạnh (CAP) là mộtloại khí bị ion hóa một phần bao gồm các electron, ion, nguyên tử và phân tử trung tính,các gốc tự do, các loài bị kích thích và photon CAP có thể được sử dụng để sản xuấtnước có chứa các loài kháng khuẩn (B Zhang và cộng sự, 2015)

1.2 Cơ sở khoa học công nghệ sản xuất nước đá

1.2.1 Một số tính chất hóa lý của nước đá ở 0 o C và áp suất 0.98 bar

Nước trong tự nhiên luôn tồn tại ở ba thể lỏng-rắn-hơi (khí), khi hạ nhiệt độ củanước xuống 0oC ở điều kiện áp suất khí quyển 0,98 bar = 1 at = 735,559 mmHg nước bắt

đầu chuyển sang trạng thái rắn, trên hình 1.1 đồ thị giản đồ P-t của nước, quá trình kếttinh của nước chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn theo đường F’- D’-E’.

Hình 1 1 Đồ thị giản đồ P – t của nước

Khối lượng riêng (tỉ trọng) của nước lớn nhất là nằm trong khoảng nhiệt độ(0÷4)oC và đạt giá trị cực đại là ở 4oC (chính xác là 3,986oC)

Khi nước ở trạng thái rắn thì nhiệt độ nóng chảy của nước đá là 0oC (tnc= 0oC) vàđây cũng là nhiệt độ đông đặc khi nước ở trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái rắn

Trong tự nhiên nước tồn tại ba đồng vị H2O16, H2O17và H2O18, nước mà chúng ta

sử dụng bình thường hằng ngày là loại nước H2O16(còn gọi là nước nhẹ), còn hai đồng vị

H2O17 và H2O18 được xem là sản phẩm phụ của các lò phản ứng hạt nhân trong nhữngnhà máy điện nguyên tử (còn được gọi là nước nặng thường ký hiệu HDO, D2O), haiđồng vị này cũng có phần quan trọng trong việc sử dụng làm nguyên liệu tái tạo để làmgiàu phóng xạ Uranium để chế tạo thành các bom nguyên tử

Nhiệt dung riêng của nước ở điều kiện áp suất khí quyển không đổi là cpn = 4,186KJ/(kg.độ) ~ 4,19 KJ/(kg.độ) = 1 Kcal/(kg.độ), khối lượng riêng của nước ρn = 1000Kg/m3

Khi nước chuyển sang trạng thái rắn thì nhiệt dung riêng của nước đá giảm gầnmột nửa nhiệt dung riêng so với nước ở trạng thái lỏng Nhiệt dung riêng của nước đá ởđiều kiện áp suất khí quyển không cpnđ = 2,09 KJ/(kg.độ) ~ 2,1 KJ/(kg.độ) = 0,5

Kcal/(kg.độ), vì thể tích riêng của nước đá tăng lên khoảng 9% so với thể tích của nướckhi ở trạng thái lỏng cho nên khối lượng của nước đá giảm xuống khoảng 9%, khối lượngriêng của nước đá khoảng ρnđ= 917 Kg/m3 Tỉ trọng hay khối lượng của nước đá có quan

hệ với nhiệt độ như sau:

L - ẩn nhiệt đóng băng của nước, KJ/kg

vl, vd- thể tích riêng của pha lỏng và rắn, m3/kg

P - áp suất của môi trường pha lỏng-rắn, Pa

T - nhiệt độ nóng chảy của nước,oKBởi vì vl < vd, nên δTδP < 0, tức là khi tăng áp suất thì nhiệt độ nóng chảy giảm.Nhiệt đóng băng (ẩn nhiệt đóng băng) của nước ở nhiệt độ 0oC và áp suất khíquyển là L = 335 kJ/kg = 79,8 Kcal/kg Lượng nhiệt này có ý nghĩa như sau: Đó là saukhi hạ nhiệt độ nước xuống 0oC ở áp suất khí quyển nếu muốn cho 1kg nước đóng bănghoàn toàn thì nhiệt độ cần lấy đi của 1kg nước đó là 335 KJ = 79,8 Kcal Nhiệt độ đóngbăng sẽ bị thay đổi theo nhiệt độ, khi nhiệt độ hạ xuống 1oC thì L sẽ tăng khoảng 2,12KJ/kg

Hệ số dẫn nhiệt của nước đá là λnđ = 2,326 W/(m.K) = 2 Kcal/(m.h.K), hệ số dẫnnhiệt của nước đá có thể được tính toán theo công thức thực nghiệm như sau:

λnđ= 2,326.(1−0,00156.t) W/(m.K)

Tỷ nhiệt của nước đá ở 0oC 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 củanước đá cũng được xác định theo công thức thực nghiệm như sau:

Cđ= 2,1+0,00779.t KJ/(kg.K)

1.2.2 Các giai đoạn công nghệ sản xuất nước đá

Công nghệ sản xuất nước đá thường trải qua ba giai đoạn chính:

Hình 1 2 Giản đồ các giai đoạn làm đông nước đá Giai đoạn 1 là hạ nhiệt độ của nước từ nhiệt độ t1 (là nhiệt độ ban đầu của nước)xuống nhiệt độ 0oC Trên hình 1.2 chính là đoạn AB và được gọi là giai đoạn làm lạnh

Giai đoạn 2 là giai đoạn kết tinh nước hoàn toàn, chuyển nước từ trạng thái lỏng

sang trạng thái rắn, trên hình 1.2 chính là đoạn BC và còn được gọi là giai đoạn làm đông

Giai đoạn 3 là giai đoạn hạ thấp nhiệt độ băng của nước từ 0oC xuống nhiệt độ t2

(nhiệt độ theo yêu cầu), trên hình 1.2 là đoạn CD và được gọi là giai đoạn quá lạnh, thôngthường nhiệt độ t2nằm trong khoảng từ (−10÷−5)oC

Nhiệt lượng riêng cần thiết để chuyển 1kg nước ở nhiệt độ ban đầu là t1 thànhnước đá ở nhiệt độ t2được tính theo công thức sau:

q=q1+L+q2

Trong đó:

q1=cpn.(t1−0) là nhiệt lấy ra hạ nhiệt độ nước từ t1xuống 0oC

L=335KJ/kg=79,8Kcal/kg là nhiệt độ đông đặc của nước

q2=cpnđ.(0−t2) là nhiệt lấy ra để hạ nhiệt độ của băng từ 0oC xuống t2.Như vậy:

q= cpn.(t1−0) +L+ cpnđ.(0−t2)

q= cpn.t1+L− cpnđ.t2

Với:

cpn, KJ/(kg.độ): nhiệt dung riêng của nước

cpnđ, KJ/(kg.độ): nhiệt dung riêng của nước đá

Từ đó suy ra, đây là công thức nhiệt lượng riêng cần thiết lấy ra để chuyển 1kgnước thành nước đá hay còn gọi là độ biến đổi hàm nhiệt của nước

1.2.3 Sự liên hợp giữa các phân tử nước

Cấu trúc của nước là H2O, ba nguyên tử H và O nằm trên ba đỉnh của một tamgiác cân, gốc ở đỉnh là nguyên tử O tạo với hai cạnh thành một góc 104o28’, khoảng cáchgiữa hai hạt nhân của hai nguyên tử O và H là 0,96Ao, khả năng phân cực giữa hainguyên tử O và H là khá lớn Chính vì khả năng phân cực và cấu tạo như trên mà có khảnăng hòa tan được nhiều chất có thể điện ly thành ion (+) và ion (−) hoặc có khả năng tạothành liên kết Hydro giữa phân tử chất tan vào nước Nước ở thể lỏng chúng luôn liên kếtlại với nhau để tạo thành (H2O)n mà không làm thay đổi những tính chất hóa học củachúng được gọi là sự liên hợp giữa các phân tử nước, sự liên hợp này chủ yếu là nhờ liênkết Hydro (Nguyễn, 2016)

Hình 1 3 Cấu trúc tinh thể đá

Khi nước chuyển pha từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, do hàm nhiệt giảm cácphân tử nước chậm chuyển động chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó mà thôi.Các tinh thể nước đá hình thành có cấu tạo là hình tứ diện đều, các đỉnh của hình tứ diện

là các phân tử nước và các phân tử nước này liên kết với nhau bởi liên kết hydro, trong

đó mỗi nguyên tử O sẽ liên kết với 4 nguyên tử H và mỗi nguyên tử H liên kết với 2nguyên tử O Chúng có nhiều lỗ hỏng, do đó nước ở thể rắn nhẹ hơn nước ở thể lỏng(Nguyễn, 2016)

1.2.4 Ẩn nhiệt, nhiệt bốc hơi và bốc hơi sinh lạnh

1.2.4.1 Ẩn nhiệt

Ẩn nhiệt (còn gọi là nhiệt ẩn, năng lượng ẩn hay nhiệt chuyển thể) là năng lượngtỏa ra hay thu vào, của một vật hay hệ nhiệt động lực học, trong một quá trình nhiệt độkhông đổi — thường là một quá trình chuyển pha bậc nhất

Ẩn nhiệt có thể được hiểu là năng lượng được cung cấp hay bị lấy đi để chuyểntrạng thái của một chất mà không thay đổi nhiệt độ của nó Chẳng hạn, khi cấp một lượngnhiệt cho 1 kg của một chất lỏng nào đó hóa hơi hoàn toàn trong một điều kiện nhất địnhthì lượng nhiệt đó gọi là ẩn nhiệt hóa hơi, hoặc 1 kg chất rắn nào đó nóng chảy hoàn toànthì gọi là ẩn nhiệt nóng chảy, tương tự sẽ có ẩn nhiệt hóa tuyết (hơi chuyển thành rắn),…

Hình 1 4 Sự chuyển thể giữa các pha

Có thể lấy một ví dụ cụ thể như sau: nước trong tự nhiên luôn có khả năng tồn tại

ở ba thể rắn – lỏng – khí, nhiệt lượng cần thiết để chuyển 1 kg nước đá từ thể rắn sang thểlỏng và từ thể lỏng sang thể hơi (hay ngược lại) mà không thay đổi nhiệt độ và áp suấtđược gọi là ẩn nhiệt nóng chảy và ẩn nhiệt hóa hơi Khi áp suất thay đổi thì các trị sốẩnnhiệt này sẽ thay đổi theo

Hình 1 5 Đồ thị nhiệt độ khi ở các pha của nước

1.2.4.2 Nhiệt bốc hơi và nhiệt bốc hơi sinh lạnh

Lượng nhiệt để biến đổi 1 kg chất lỏng thành hơi mà vẫn không thay đổi nhiệt độgọi là nhiệt bốc hơi, ẩn nhiệt hóa hơi (hay ẩn nhiệt bốc hơi) của một số chất hình thànhnên cơ sở kỹ thuật lạnh

Nhiều loại chất lỏng có điểm sôi rất thấp, do đó khi nhận nhiệt lượng từ môitrường xung quanh có nhiệt độ cao chúng tự sôi và bốc hơi làm lạnh môi trường xungquanh Bốc hơi sinh lạnh thường gặp rất nhiều ở các môi chất lạnh, ví dụ như: amôniăc(NH3), Freon (R12, R22, R502, …), nước, … Chẳng hạn như amoniac (NH3) ký hiệu làR717, sôi ở áp suất khí quyển với nhiệt độ điểm sôi là ts= -33,35oC; Freon 12 (R12) sôi ở

áp suất khí quyển, nhiệt độ điểm sôi ts= -29,8oC; Freon 22 (R22) sôi ở áp suất khí quyển,nhiệt độ điểm sôi ts= -40,8oC; Freon 13 (R13) sôi ở áp suất khí quyển, nhiệt độ điểm sôi

ts = - 81,4oC Nhiệt độ sôi này thay đổi khi áp suất thay đổi, ở áp suất chân không thìnhiệt độ sôi đối với tất cả môi chất lạnh tương đối thấp

1.2.5 Quá trình đông đá của nước

Trong các quá trình làm lạnh đông khi nhiệt độ đến dưới 0oC (nhiệt độ của điểmđóng băng) mà vẫn chưa có sự đóng băng kết tinh của nước, hiện tượng này được gọi làhiện tượng quá lạnh Sự chậm đóng băng đó là do sự chậm tạo thành mầm (tâm) kết tinh

và chuyển động nhiệt (Brown) của các phần tử nước làm cho chúng va chạm với nhau vàtương tác quá lại lẫn nhau, kết quả không định hình được tâm ngưng tụ dẫn tới nước chưathể kết tinh được ngay Nhưng sau một thời gian ngắn do nhiệt độ ở dưới điểm đông đặcdẫn tới hàm nhiệt giảm các phần tử nước và giảm năng lượng chuyển động để đạt tớitrạng thái cân bằng, lúc này tâm ngưng tụ được hình thành, thì các phần tử nước có xuhướng liên kết với tâm ngưng tụ bởi các lực hấp dẫn, lực Culong, lực Valdesvaal,…(Nguyễn, 2016) Các lực này thắng (hoặc cân bằng) được lực đẩy và lực chuyển độngnhiệt của nó sẽ tạo thành các tinh thể đá có kích thước lớn hơn Trong trường hợp nếunhiệt độ giảm xuống quá sau so với điểm đóng băng, các phần tử nước bị giảm hàm nhiệtmạnh, dẫn đến chúng chỉ chuyển 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 tâm ngưng tụ sẽ hìnhthành rất nhiều, các tinh thể hình thành có kích thước nhỏ và rất nhỏ có dạng hình sợihoặc hình kim đôi khi nó ở dạng vô định hình (Nguyễn, 2016)

1.2.6 Truyền nhiệt và truyền nhiệt đông đá ở thành làm lạnh

1.2.6.1 Thiết lập phương trình truyền nhiệt

Bề mặt truyền nhiệt trong quá trình đóng băng của nước được mô tả chi tiết ở hình1.4 và còn có thể thiết lập phương trình truyền nhiệt ở dạng phẳng hoặc mặt hình trụ (mặtcong)

Hình 1 6 Mô hình đông đá trên mặt thành phẳng

Giả sử bề mặt làm lạnh dạng phẳng có bề dày của thành là δM (m) được tiếp xúcvới dòng nước có nhiệt độ t1 > 0oC, có hệ số cấp nhiệt là α1 (W/(m2.độ)), lượng nhiệt tỏa

ra môi trường tải lạnh qua lớp nước đá vừa đông có bề dày là δd (m), nhiệt độ môi trườngtải lạnh là t2< 0oC và hệ số cấp nhiệt là α1 (W/(m2.độ))

Hệ số dẫn nhiệt của nước đá là λd (W/(m2.độ)), hệ số dẫn nhiệt của thành kim loại

là λM (W/(m2.độ))

Nhiệt độ bề mặt nước đá là θ0 (oC), dòng nhiệt từ phía nước truyền qua băng đá vàthành kim loại (dòng nhiệt trên bề mặt đá) được xác định bằng tổng của hai dòng nhiệt,dòng nhiệt nước truyền qua bề mặt đá ra ngoài (q1) và dòng nhiệt do công ma sát trongdòng nước chảy ở thành (q2)

q1=α1(t1− θ0), W

Với:

P – áp lực ma sát của dòng chảy ở sát thành, Pa (N/m2)

ω – vận tốc chuyển động của dòng nước chảy, m/s

Theo L.S Leibenzon thì áp lực dòng chảy có thể được xác định theo công thứcthực nghiệm gần đúng như sau:

P = α1 ω.(2 + 13 C gPr ), PaTrong đó:

C – tỷ nhiệt nước, kJ/kg.K; Cn= 1 Kcal/(kg.độ); Cd=0,5Kcal/(kg.độ)

g – gia tốc trọng trường của trái đất, g = 9,81m/s2

Pr – hằng số Prand

Từ đó suy ra:

q2= α1 ω2.(2 + 13 C gPr ), WNhư vậy dòng nhiệt tổng trên bề mặt nước đá có thể viết thành phương trình sau:

qo= q1 + q2 = α1[ t1 − θ0 + ω2 2 +

1Pr

3 C g ], W

Trường hợp 1: Nếu dòng chảy đối lưu tự nhiên thì ω~0, cho nên đại lượng q2~0,

do đó dòng nhiệt tổng được tính theo phương trình:

q0=q1+q2=α1 (t1 − θ0), W

Trường hợp 2: Nếu dòng chảy đối lưu cưỡng bức đại lượng α1 ω2.(2+Pr1)

3.C.g sẽ có giátrị tương đương với nhiệt độ dòng nước tdn(oC) là nhiệt độ chuyển đổi: tcd=t1+tdn, như vậy

sẽ có:

tdn = α1 ω2.(2 + 13 C gPr ) = tcd − t1Thay vào phương trình ở trên ta được:

q0=q1+q2=α1 (tcd − θ0), WKhi biết nhiệt độ t1, muốn xác định nhiệt độ chuyển đổi tcd thì cần phải xác địnhmột trong hai đại lượng sau, thứ nhất là α1 ω2.(2+Pr1)

3.C.g hoặc thứ hai là tdn Đối với đại lượngthứ nhất rất khó xác định vì rất phức tạp, còn đại lượng thứ hai là xác định giá trị tdn

tương đối dễ dàng hơn, bởi vì nhiệt độ này phụ thuộc vào tốc độ của dòng chảy do đó, cóthể xác định theo bảng giá trị sau:

Bảng 1 1 Nhiệt độ phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy

1.2.6.2 Điều kiện cho sự đông đá xảy ra

Trường hợp 1: nước đá cần làm có dạng hình phẳng, hình hộp lập phương.

Khi ở bề mặt thành khuôn có hình thành một lớp nước đá có bề dày δd (m), nhiệtlượng từ bề mặt lớp đá truyền vào môi trường tải lạnh được tính theo phương trình sau:

q = K1 θ0 − t2 , WTrong đó

K – hệ số truyền nhiệt từ trong ra ngoài, W/(m2.độ), hệ số truyền nhiệt này đượcxác định theo công thức sau:

khoảng ( − 4 ÷ 0)℃ ), nhiệt độ ban đầu của nước là t1 (nằm trong khoảng từ (25 ÷30)℃), trong trường hợp đối lưu tự nhiên thì bề dày lớn nhất mà nước có thể đông đáđược xác định theo công thức sau:

độ dài đường chéo của hình vuông, tức là:

δd max = a 22= 0,25 22= 0,175 mKhi biết được bề dày lớn nhất mà cây đá muốn làm đông, đồng thời có thể chọn

θ0 = ( − 4 ÷ 0)℃ và t1 = (25 ÷ 30)℃ sẽ xác định được nhiệt độ chất tải lạnh cần thiết

t2

Nếu như K1 θ0 − t2 < α1 tcd − θ0 thì sự đông đá không bao giờ xảy ra,trường hợp nước đã đông đá rồi thì nước đá sẽ nóng chảy, bởi vì chất tải lạnh không cókhả năng tải nhiệt đi hết và kịp thời Để khắc phục trường hợp này cần phải điều chỉnhnhiệt độ chất tải lạnh t2 sao cho phù hợp để bất đẳng thức ở trên đổi chiều, tức là cần phảigiảm nhiệt độ t2 xuống để tăng hiệu nhiệt độ θ0− t2 , hoặc có thể làm tăng hệ số truyềnnhiệt K1

Hệ số truyền nhiệt của quá trình đông đá ở thành phẳng có thể xác định theophương trình sau:

Trong đó:

L, m là chiều dài của cây đá hình trụ

Ftr= π d3 L, m là diện tích mặt trong cùng hướng của lớp đá về tâm của hình trụ

K1– hệ số truyền nhiệt qui đổi theo chiều dài được xác định theo công thức sau:

12λd lndd2

d1,d2là đường kính trong và ngoài của khuôn làm đá dạng hình ống Còn δM, δd là

bề dày của khuôn và bề dày của lớp nước đá

Hình 1 7 Mô hình đông đá trên mặt thành hình trụ

Như vậy hệ số dẫn nhiệt qui đổi theo chiều dài có thể viết lại như sau:

12λd lnd2d− δ2 d+2λ1M lndd12 +α21 d1

, W/(m độ)Thay vào hệ phương trình ở trên sẽ thu được:

2λd lnd d2

2 − δd+

12λM ln

1.2.6.3 Thời gian làm đông đá

Để xác định thời gian đông đá ở thành phẳng (mô tả ở hình 1.4) thì có thể áp dụngphương trình cân bằng nhiệt sau đây:

q=q0+qL

Với qL– dòng nhiệt đóng băng của nước

Từ phương trình ở trên có thể viết lại phương trình sau:

Trong đó: L = 306.103kJ/m3- ẩn nhiệt đóng băng của nước theo thể tích

Giải phương trình ở trên ta sẽ thu được:

có thể được viết lại như sau:

θ0 − t2 dτ

δd

λd+ δλMM+ 1α2

= L dδdGiải phương trình ở trên ta sẽ tìm được:

α2

Bằng cách thiết lập phương trình như vậy, thì cũng có thể tính thời gian làm đông

ở mặt trong của ống (mặt thành cong) làm lạnh như sau:

rd – bán kính của lớp đá đông, m; δd = 2 rd

r1 – bán kính mặt ngoài của ống, m; d1 = 2 r1

r2 – bán kính mặt trong của ống, m; d2 = 2 r2Trong trường hợp nước chảy với nhiệt độ t1>θ0 trên mặt cong thì thời gian làmđông đá τ để lớp đá đạt bề dày δd có thể được xác định theo công thức sau:

A1 =αδd t2

1 t1 r1, B1 =λλd

Mlnr1

r2Công thức ở trên không tính nhiệt trởα1

2, tức là chất nhận α2 → ∞ Nếu bỏ qua cảtrở lực của thành ống, thì công thức tính thời gian đông đá có dạng:

τ =2 λL δd2

d t2Nếu tỷ số giữa đường kính trong (r2) và bề dày lớp đá đông δd quá lớn thì chophép tính như thành phẳng:

τ =−12.αL

2 t1 δd−αλd t2

1 t1 ln 1 +λ α1 t1 λM δd

d α1 t1 δM+ λM t2Năm 1927, nhà khoa học Plank bằng thực nghiệm ông đã tìm ra công thức tínhthời gian đông đá ở khuôn hình hộp lập phương như sau:

τ =−A bt

2 B + bTrong đó

b – cạnh nhỏ của miệng khuôn

A, B – các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào tỉ số giữa cạnh lớn vàcạnh nhỏ của tiết diện khuôn, các hệ số này được xác định theo bảng ở dưới đây:

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước đối với công nghệ sản xuất nước đá

Sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất nước đá nói riêng luôn song hànhcùng với sự phát triển của ngành kỹ thuật lạnh nói chung Các công nghệ nghiên cứu đốivới ngành công nghiệp sản xuất nước đá gần đây ở Việt Nam thường tập trung vào việcnghiên cứu thiết bị sử dụng cho hệ thống lạnh, cụ thể:

- Năm 2017, Nguyễn Hiếu Nghĩa và cộng sự đã phân tích lý thuyết và thựcnghiệm xác định nhiệt độ phát sinh tối ưu của máy lạnh hấp thụ NH3-H2O sản xuất nước

đá Bài phân tích này trình bày các điểm trạng thái của các lưu chất trong máy lạnh hấpthụ thiết kế là sự kết hợp giữa lý thuyết tính toán và đo đạc thực tế của máy lạnh hấp thụhoàn chỉnh trong điều kiện hoạt động ổn định Phân tích này cũng trình bày tối ưu điềukiện hoạt động cho toàn hệ thống theo điều kiện môi trường tại Việt Nam cũng như sựđáp ứng của nguồn nhiệt cấp Mối tương quan của nhiệt độ phát sinh tối ưu theo nhiệt độ

ngưng tụ, nhiệt độ hấp thụ, nhiệt độ bay hơi của các bộ phận trong hệ thống được thiếtlập bằng một phương trình hồi quy đa biến Các mô phỏng nhiệt độ phát sinh của máyđược so sánh với thực nghiệm có sai số trung bình là 1,2%; so với các nghiên cứu khác

có sai số từ 2 tới 7% theo hệ số hiệu suất tối ưu Mối tương quan của nhiệt độ phát sinhtối ưu theo nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh trong bộ bay hơi, ngưng tụ của môi chấtlạnh trong bình ngưng tụ, hấp thụ của dung dịch ra khỏi bộ hấp thụ, phát sinh của dungdịch trong bình phát sinh lần lượt là: -20oC < te < -10oC, 30oC < tc < 35oC, 30oC < ta <

38oC, 95oC < tg < 125oC (Nguyễn, 2017)

- Năm 2021, Nguyễn Hiếu Nghĩa và Đường Công Truyền thuộc trường Đại họcCông Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu ứng dụng của bộ hấp thụ màngchảy trên chùm ống tròn nằm ngang vào máy lạnh hấp thụ để sản xuất nước đá Các quátrình truyền nhiệt-truyền chất xuất hiện giữa dung dịch lỏng và hơi trong bộ hấp thụ dạngmàng chảy đã được nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, chúng tôi làm rõ hơn khả năngứng dụng của bộ hấp thụ dạng này cho máy lạnh hấp thụ loại liên tục để sản xuất nước đá.Một chuỗi các thí nghiệm xác định nồng độ từ 29,5% tới 32,5% để tìm nồng độ dungdịch nạp phù hợp Các kết quả cho thấy nồng độ nạp phù hợp là 31% thì hệ số hiệu quảCOP = 0,436 và hệ số hiệu quả làm lạnh nước muối COPu= 0,262, nhiệt độ trung bìnhcủa hơi NH3 rời khỏi bình phát sinh là t5= 116,5 °C, Nồng độ trung bình của dung dịchloãng và dung dịch đặc lần lượt là 29,14%và 34,11% (Nguyễn và Đường, 2021)

Ngoài ra, việc sử dụng các nguyên liệu khác để thay thế nước tinh khiết trongcông nghệ sản xuất nước đá cũng được các nhà khoa học Việt Nam tập trung nghiên cứu

và ứng dụng, cụ thể:

- Năm 2018, các nhà khoa học của Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam(VAST) đã nghiên cứu và chế tạo thành công máy làm đá lỏng từ nước biển lắp đặt ngaytrên tàu để phục vụ bảo quản hải sản đánh bắt xa bờ Điểm khác biệt quan trọng của đálàm từ nước biển so với đá nước ngọt truyền thống chính là công nghệ này đã cho ra sảnphẩm là đá dạng tuyết, về mặt hình thái, đá lỏng là hỗn hợp giữa tinh thể đá nhỏ và nước,được duy trì trong dải nhiệt độ từ -6oC đến -2oC, trạng thái chuyển tiếp giữa pha lỏng vàpha rắn nên có thể bơm được từ buồng tạo đá lỏng đến các bồn lưu trữ hoặc các ngăn bảo

quản cá trên tàu Thời gian cho ra sản phẩm đá lỏng cũng rất ngắn, chỉ khoảng 1 - 2 phúttính từ lúc khởi động hệ thống, trong khi sự tan chảy của đá lỏng lại chậm hơn nhiều sovới đá nước ngọt Độ đậm đặc của đá lỏng cũng có thể được điều chỉnh một cách tự độngtheo nhu cầu của người sử dụng Thiết bị được chế tạo dựa trên các nguyên vật liệu cókhả năng chịu ăn mòn của nước biển như inox 316, nhựa PVC; máy nén, bộ phận táchdầu, dàn ngưng… đều sử dụng loại chuyên dụng cho tàu biển, đảm bảo độ bền và có giáthành cạnh tranh so với các sản phẩm nhập ngoại trên thị trường (Lê, 2018).

- Năm 2021, Phạm Văn Tuyển và cộng sự đã nghiên cứu thử nghiệm sản xuấtnước đá Nano UFB (Ultra fine bubble) để ứng dụng trong bảo quản thủy sản Nước đáNano UFB là nước đá được sản xuất từ nước Nano UFB ở đó hàm lượng oxi hoà tan (DO)dưới 1,0 mg/l Sử dụng phương pháp thực nghiệm đo trực tiếp chỉ số DO trong khi sảnxuất nước đá và đo gián tiếp chỉ số DO của nước đá Nano UFB khi tan trong khay tạo đá.Kết quả nghiên cứu cho thấy, thời gian sản xuất nước đá Nano UFB 9 giờ, tương ứng vớinhiệt độ tâm đá ở -10oC nhằm đảm bảo nước đá Nano UFB có chỉ số DO <1 mg/l và phùhợp với đặc điểm công nghệ sản xuất nước đá của cơ sở thử nghiệm Chỉ số DO của nước

đá Nano UFB không có sự sai khác giữa phương thức sản xuất ở dạng kín và dạng hở.Nước Nano UFB trong khi sản xuất nước đá Nano UFB hạ xuống nhiệt độ 0oC và bắt đầukết tinh thành đá có chỉ số DO dưới 1,0 mg/l Chất lượng của nước đá Nano UFB đảmbảo QCVN 02: 2009/BYT và chỉ số DO nước đá Nano UFB tan bằng khoảng 20% so vớinước đá đối chứng, TCVN 7325: 2016 Nước đá Nano UFB và nước đá đối chứng có thờigian sản xuất, nhiệt độ tâm đá không khác nhau (Phạm, 2021)

Ngoài ra, còn một số nghiên cứu khác về chất lượng sản phẩm nước đá được sảnxuất tại một số địa phương ở Việt Nam Ví dụ, năm 2019, Lê Minh Tiến đã nghiên cứu vềthực trạng ô nhiễm một số loại vi sinh vật trong nước đá dùng liền tại các cơ sở sản xuấtnước đá dùng liền tại tỉnh Quảng Bình Kết quả nghiên cứu cho thấy tại các cơ sở sảnxuất nước đá dùng liền: 100% số cơ sở sản xuất có giấy chứng nhận về An toàn thựcphẩm;100% cơ sở khử khuẩn nước bằng biện pháp lọc, 65% số cơ sở sục Ozon; 10% có

sử dụng Clo để khử khuẩn Tỷ lệ mẫu nước đá dùng liền đạt tiêu chuẩn về vi sinh là14/20 mẫu (chiếm 70,0%); số mẫu không đạt tiêu chuẩn vệ sinh là 6/20 mẫu (chiếm 30%)

Có 95,0% số mẫu đạt tiêu chuẩn về bào tử vi khuẩn kỵ khí khử sunfit; 85,0% đạt tiêuchuẩn về Trực khuẩn mủ xanh (Pseudomonas aeruginosa); 80,0% đạt tiêu chuẩn về E.coli

và có 70,0% số mẫu đạt tiêu chuẩn về Streptococci feacal (Liên cầu khuẩn đường ruột) vàColiforms (Lê, 2019)

1.4 Tình hình nghiên cứu ngoài nước đối với công nghệ sản xuất nước đá

Đối với tình hình nghiên cứu ngoài nước, đặc biệt trong giai đoạn cuối thế kỉ 20 vàđầu thế kỉ 21, các nhà khoa học tập trung vào việc thiết kế các hệ thống sản xuất nước đáđược vận hành bằng năng lượng mặt trời để thay thế năng lượng điện, các nghiên cứu nàyđều cho ra những kết quả rất khả quan:

- Năm 1999, K Sumathy và Li Zhongfu đã đưa ra các thí nghiệm về máy làm đáhấp phụ sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời Nghiên cứu này trình bày mô tả và hoạtđộng của máy làm đá sử dụng năng lượng mặt trời với cặp hấp phụ cacbon/methanol.Loại than gia dụng được chọn làm chất hấp phụ và máy thu tấm phẳng đơn giản có diệntích tiếp xúc 0,92 m2 được sử dụng để sản xuất nước đá khoảng 4–5kg/ngày Hệ thốngtrên có thể đạt được COP làm lạnh bằng năng lượng mặt trời khoảng 0,1–0,12 (Sumathy

và Zhongfu, 1999)

- Năm 2005, Lou và cộng sự, đã đưa ra các nghiên cứu về việc sử dụng máy làm

đá sử dụng năng lượng ánh sán mặt trời trong suốt một năm ở vùng Côn Minh, TrungQuốc Máy làm đá hấp phụ bằng năng lượng mặt trời với cặp hấp phụ carbon/methanol

đã được phát triển cho ứng dụng thực tế Các tính năng chính của nó bao gồm việc sửdụng bình ngưng làm mát bằng nước và loại bỏ tất cả các van trong mạch làm lạnh ngoạitrừ van cần thiết để thêm chất làm lạnh Các cuộc thử nghiệm hiệu suất quanh năm củamáy làm đá bằng năng lượng mặt trời đã được thực hiện tại Côn Minh, tỉnh Vân Nam,Trung Quốc Kết quả thử nghiệm cho thấy COP (hệ số hiệu suất) của máy làm đá mặt trời

là khoảng 0,083–0,127 và sản lượng đá hàng ngày của nó thay đổi trong khoảng 3,2–6,5kg/m2 trong điều kiện khí hậu bức xạ mặt trời hàng ngày trên bề mặt của lớp hấp phụkhoảng 15–23 MJ/m2 và nhiệt độ môi trường trung bình hàng ngày nằm trong khoảng7,7–21,1oC Bức xạ mặt trời hàng ngày phù hợp để máy làm đá mặt trời có thể hoạt độnghiệu quả ở Côn Minh là trên 16 MJ/ m2

- Năm 2009, Petros J Axaopoulos và Michael P Theodoridis đã nghiên cứu vàthiết kế máy làm đá PV không dùng pin Nghiên cứu này giới thiệu một máy làm đá chạybằng năng lượng mặt trời, hoạt động không sử dụng pin, do đó thân thiện với môi trường

và có thể được sử dụng một cách tự động ở vùng sâu vùng xa Việc vận hành thành côngmáy nén lạnh bằng các tấm PV được đảm bảo bằng việc sử dụng bộ điều khiển chuyêndụng theo khái niệm mới, giúp khởi động dễ dàng, theo dõi công suất tối đa và quản lýcông suất cho bốn máy nén của hệ thống Bộ điều khiển hệ thống mang đến khả năng vậnhành đáng tin cậy với khả năng sử dụng năng lượng mặt trời gần như hoàn hảo, giúp hiệusuất sử dụng năng lượng mặt trời đến máy nén đạt khoảng 9,2% Điều này được thực hiệnbằng cách cung cấp khả năng khởi động máy nén dễ dàng, cho phép vận hành ở mức bức

xạ mặt trời thấp tới 150 W/m2, theo dõi công suất tối đa chính xác và quản lý năng lượnghiệu quả Kết quả thử nghiệm nguyên mẫu cho thấy khả năng khai thác năng lượng của

hệ thống rất cao và hệ thống có thể tạo ra một lượng băng tương đối lớn lên tới 17 kg từtấm pin PV 440 Wp vào một ngày đẹp trời, ngay cả vào những ngày có tổng bức xạ mặttrời thấp Những kết quả này xác minh sự thành công của cấu hình máy làm đá được đềxuất trong việc cung cấp nguồn làm mát liên tục đáng tin cậy cho nhiều mức độ bức xạmặt trời (Petros và Michael, 2009)

Ngoài việc nghiên cứu và tìm kiếm các nguồn năng lượng xanh để sử dụng chocác hệ thống lạnh, các nhà khoa học ở nhiều quốc gia cũng đưa ra nhiều nghiên cứu khácnhau về việc tìm ra cặp chất hấp phụ phù hợp nhất để sản xuất đá, một vài nghiên cứutiêu biểu bao gồm:

- Năm 2004, Wang và cộng sự đã có những nghiên cứu để tìm ra các cặp chất hấpphụ phù hợp nhất để sử dụng cho các máy làm đá trên tàu đánh cá Kết quả nghiên cứucho thấy hiệu suất truyền khối được cải thiện nhờ bổ sung than hoạt tính vào chất hấp phụhợp chất hóa rắn ở điều kiện nhiệt độ bay hơi thấp Mật độ làm mát thể tích của chất hấpphụ hợp chất đông đặc được cải thiện ít nhất khoảng 35% so với kết quả tối ưu của CaCl2

ở nhiệt độ bay hơi 15oC

- Cùng năm đó, Li và cộng sự đã nghiên cứu sự tác động của hai loại môi chất lạnh

là ethanol và methanol (hai môi chất này được bổ sung than hoạt tính) đến hiệu suất làm