Những bài giảng và lời khuyên của thầy đã giúp chúng em hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh và hệ thống cấp đông nói riêng để tạo ra một sản phẩm chất lượng và hiệu quả
TỔNG QUAN
Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước
1.1.1.1 Một số thông tin về cá và việc bảo quản Để bảo quản cá – một loại thực phẩm rất được ưa chuộng nhưng lại rất dễ hư hỏng Việc bảo quản cá để kéo dài thời gian tươi của cá là việc hoàn toàn cần thiết Tuỳ theo từng loại cá sẽ có thời gian bảo quản khác nhau Có ba cách bảo quản đó là bảo quản bằng lý, hoá và sinh học Các phương pháp bảo quản khác nhau sẽ cho ra sản phẩm có thời gian sử dụng khác nhau đối với cá và các sản phẩm thuỷ sản khác [1]
Cá tươi dễ hư hỏng nhanh chóng, đặc biệt ở vùng nhiệt đới, với quá trình cứng cơ (rigor mortis) bắt đầu chỉ sau 12 giờ Sự phân hủy chủ yếu do enzym, vi khuẩn và oxy hóa, dẫn đến thay đổi mùi, vị và cấu trúc thịt cá do hình thành các hợp chất mới.
Cá là nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng, cung cấp khoảng 20% lượng protein cho 1/3 dân số toàn cầu và là nguồn quan trọng của axit béo omega-3 Cá cũng giàu vitamin D và các khoáng chất khác, với nồng độ cao hơn so với thịt và các thực phẩm từ động vật có vú Mặc dù thành phần sinh học của các loài cá khác nhau, giá trị dinh dưỡng của chúng tương đối giống nhau.
1.1.1.2 Bảo quản cấp đông cá Để thay thế quá trình của việc bảo quản bằng đá hoặc đông lạnh để duy trì độ tươi của cá, đã tiến hành nghiên cứu với cá vược trong khoảng thời gian 2 - 3 tuần Để đánh giá, các tiêu chí sử dụng bao gồm sự thay đổi trong lượng axit amin tự do và nitơ trimethylamine, cũng như quá trình phân hủy nucleotide và axit nucleic sau khi giết mổ cá Sự biến đổi trong axit amin tự do của cơ khi lưu trữ ở - 3 °C khá khác biệt so với lưu trữ bằng đá, mặc dù không có khác biệt đáng kể nào về việc làm lạnh và lưu trữ ở - 2 °C Lưu trữ ở - 3 °C không tạo ra lượng nitơ trimethylamine đáng kể, và sự hư hỏng ban đầu của cá giảm đi đáng kể Giá trị K của cơ thịt cá được bảo quản ở - 3°C đạt 20% sau 2 tuần, trong khi cơ thịt ướp đá đạt 58% sau 5 ngày [3]
Bảo quản cá ở đá hoặc -3°C không làm thay đổi đáng kể sự phân hủy axit nucleic, dù vẫn phát hiện được bằng phương pháp phloroglucinol Tuy nhiên, sắc ký cho thấy bảo quản ở -3°C làm giảm đáng kể sự phân hủy này.
Nghiên cứu trên cá vược cho thấy bảo quản đông lạnh ở -3°C giữ độ tươi tốt hơn so với bảo quản bằng đá, đặc biệt khi cần thời gian lưu trữ dài.
Tốc độ cấp đông quyết định chất lượng cá đông lạnh Cấp đông nhanh hạn chế hình thành tinh thể băng lớn, giữ nguyên cấu trúc tế bào và màu sắc tươi sáng của cá, trái ngược với cấp đông chậm gây biến tính protein, làm cá mềm, xốp và giảm chất lượng Độ biến tính protein phụ thuộc vào nồng độ enzyme và các hợp chất khác trong quá trình đông lạnh.
1.1.1.3 Các nghiên cứu về cấp đông và nâng cao hiệu quả năng lượng trong cấp đông
Nghiên cứu của Tolstorebrov, Eikevik và Bantle chỉ ra rằng protein trong cá ổn định tốt ở nhiệt độ dưới điểm đóng băng, đặc biệt khi hàm lượng nước tự do thấp Oxi hóa lipid được kiểm soát hiệu quả hơn bằng cách hạn chế tiếp xúc với oxy thay vì chỉ giảm nhiệt độ Giảm nhiệt độ xuống -40°C duy trì độ ổn định protein nhưng có thể gây tương tác giữa sản phẩm oxi hóa lipid và protein, dẫn đến oxi hóa ở nhiệt độ thấp.
Bảo quản cá lâu dài đạt hiệu quả tối ưu ở -35,0 ºC, nhiệt độ này giúp giảm thiểu lượng nước không đóng băng, tăng độ nhớt dung dịch, duy trì tính ổn định protein và ngăn hình thành băng trong mô cá Nhiệt độ này trùng với nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh của protein, đảm bảo sự ổn định hoàn hảo Sử dụng nhiệt độ thấp hơn có thể gây tăng độ nhớt, ảnh hưởng xấu đến chất lượng bảo quản.
Công nghệ bảo quản cá hiện đại như áp suất cao, chiếu xạ, và các phương pháp khác đang phát triển, nhưng làm lạnh (0-4°C) và đông lạnh (-18°C đến -40°C) vẫn là phương pháp phổ biến trên tàu cá nhờ hiệu quả duy trì chất lượng sản phẩm.
Nghiên cứu của Theo Hongchang Cai (2019) so sánh các phương pháp dự đoán thời gian đóng băng thực phẩm trên pallet, cho thấy giảm nhiệt độ kho lạnh từ -18°C xuống -40°C rút ngắn thời gian đóng băng xuống 1/3 Tuy nhiên, tăng thể tích không khí trong thùng chứa (trên 80%) làm tăng đáng kể thời gian đóng băng Kết quả nghiên cứu giúp nhà kho dự đoán chính xác thời gian cấp đông, tối ưu hiệu suất bảo quản thực phẩm đông lạnh trên pallet.
J A Dopazo và J Fernández-Seara thực hiện nghiên cứu để thiết kế và xây dựng một hệ thống lạnh nối tầng sử dụng NH3 và CO2 làm chất làm lạnh Mục tiêu của hệ thống này là cung cấp công suất lạnh 9 kW ở nhiệt độ bay hơi - 50 °C cho tủ đông tấm ngang Nghiên cứu chủ yếu tập trung vào đánh giá hiệu suất của hệ thống trong điều kiện dòng chảy tĩnh Kết quả thử nghiệm cho thấy công suất làm lạnh đạt 9,45 kW, cao hơn 5% so với giá trị ban đầu thiết lập là 9 kW Ngoài ra, tỷ số áp suất máy nén NH3 đạt giá trị 6,36, vượt trội so với giá trị tỷ số áp suất máy nén CO2 [8]
Làm lạnh siêu tốc cá giảm thiểu hư hỏng bằng cách đông lạnh một phần nước (5-30%), đồng thời duy trì chất lượng cao hơn nếu cấp đông khi cá còn cứng, trước khi chết hoàn toàn so với đông lạnh sau khi chết.
Tình hình nghiên cứu trong nước
Hệ thống cấp đông bảo quản thủy sản, đặc biệt là cá, ngày càng phổ biến, giúp kéo dài thời gian bảo quản và giữ nguyên chất lượng sản phẩm Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong chế biến, xuất khẩu và bảo quản thủy sản trên tàu cá.
Kỹ thuật lạnh đông thủy sản tối quan trọng cho xuất khẩu, mang lại lợi nhuận cao, nhất là đối với các quốc gia đang phát triển, đặc biệt với các sản phẩm giá trị như tôm đông lạnh, nâng cao giá trị xuất khẩu so với các sản phẩm thực phẩm khác.
Châu Âu hiện giữ thủy sản ở -30°C, nhưng Viện nghiên cứu lạnh quốc tế khuyến nghị -20°C cho cá gầy (cá song, cá thu) và -30°C cho cá béo (nục, trích) Bảo quản cá gầy lâu dài (một năm) cần nhiệt độ -30°C.
Tại Việt Nam, tiêu chuẩn nhiệt độ bảo quản thủy sản đông lạnh là -18°C, nhưng nhiệt độ tâm sản phẩm thường đạt -12°C Do đó, hệ thống làm lạnh kho cần duy trì nhiệt độ -35°C đến -40°C để đảm bảo chất lượng sản phẩm và lưu thông không khí.
Ngành thủy sản là trụ cột kinh tế - xã hội Việt Nam Hiện nay, bên cạnh cá ngừ, cá tra, cá ba sa, cá rô phi được đầu tư phát triển mạnh, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng nội địa ngày càng tăng, nhất là tại các siêu thị.
Sản phẩm thủy sản, đặc biệt là cá rô phi, có thời hạn sử dụng ngắn do chất lượng giảm nhanh trong quá trình bảo quản, gây thách thức lớn cho các nhà phân phối.
Bảo quản siêu lạnh thu hút sự chú ý của giới khoa học và doanh nghiệp thủy sản nhờ khả năng kéo dài thời hạn sử dụng sản phẩm, hạn chế vi sinh vật và chậm quá trình biến đổi sinh hóa trong cá.
Phương pháp này tăng thời gian bảo quản cá tuyết lên gấp đôi, từ 9 lên 17 ngày so với phương pháp lạnh truyền thống, được chứng minh hiệu quả qua các nghiên cứu khoa học [12].
1.1.2.2 Nghiên cứu về hiệu quả năng lượng trong cấp đông Để nâng cao hiệu suất hoạt động của kho lạnh thế hệ cũ và tiết kiệm chi phí vận hành, nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp cải thiện chế độ làm mát và rã đông của kho Với sự nghiên cứu đóng góp của Huỳnh Thị Ngọc Cương, Tô Thanh Hoài, Tăng Hoàng Phong và các cộng sự đã giúp cải thiện hiệu quả làm việc trong quá trình hoạt động Ở chế độ làm mát, nước sinh hoạt được sử dụng thay cho nước do tháp giải nhiệt cung cấp giúp môi chất lạnh dễ dàng hóa lỏng tại bình ngưng, đồng thời tận dụng nguồn nước nóng hồi lưu để sản xuất Ở chế độ rã đông, khí nóng được nén luân phiên vào một trong hai dàn lạnh Hệ thống kho gồm 2 dàn lạnh được trang bị 2 động cơ 40 mã lực kéo 2 máy nén khí và bình ngưng Kết quả thực nghiệm cho thấy sử dụng hệ thống giải nhiệt nước sinh hoạt hiệu quả hơn so với sử dụng cấp nước tháp giải nhiệt Quá trình rã đông bằng khí nóng tiêu thụ 12 kWh điện, tiết kiệm hơn 45% so với hệ thống cũ và ổn định nhiệt độ kho Vì vậy, giải pháp này khả thi và có thể áp dụng để cải thiện nhiều kho lạnh thế hệ cũ đang sử dụng Điều khiển hệ thống kho lạnh 1 cấp, sử dụng chu trình khô với môi chất R22, thường đối mặt với một số khó khăn như việc duy trì ổn định nhiệt độ trong kho lạnh và quản lý độ quá nhiệt của hơi môi chất được hút về máy nén Trong trường hợp này, một tiến trình quan trọng là tiếp nhận và xử lý tín hiệu áp suất của hơi môi chất trước khi nó được đưa vào máy nén, và sau đó so sánh với nhiệt độ trên bề mặt của ống dẫn hơi môi chất trên đường tiếp vào máy nén Từ những so sánh này, độ quá nhiệt của hệ thống lạnh có thể được tính toán, và thông tin này được sử dụng để điều khiển quy trình đóng mở bình hồi nhiệt Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hệ thống điều khiển PID (Proportional-Integral- Derivative) đã đảm bảo sự ổn định của nhiệt độ trong kho lạnh ở mức mong muốn (- 90 °C đến - 110 °C) Tuy nhiên, việc duy trì độ quá nhiệt thấp có thể dẫn đến tình trạng ngập dịch của máy nén Do đó, trong nghiên cứu này, mục tiêu là kiểm soát độ quá nhiệt của hơi môi chất để nó nằm trong khoảng giới hạn an toàn để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống
Thị trường kho lạnh thương mại Việt Nam tập trung và bị chi phối bởi các doanh nghiệp lớn như Meito và Lineage.
Các công ty FDI như AJ Total, ABA Cooltrans và Transimex dẫn đầu thị trường chuỗi cung ứng chuỗi lạnh Việt Nam Hơn 80% công suất kho lạnh tập trung ở miền Nam, nơi có nhiều nhà máy chế biến thực phẩm và hoạt động nuôi trồng, chế biến hải sản, trong khi miền Bắc và miền Trung chỉ chiếm 9% và 3%.
Thị trường kho lạnh, tủ cấp đông Việt Nam đang bị phân mảnh, chủ yếu do các doanh nghiệp nhỏ trong ngành nông thủy sản nắm giữ với công nghệ lạc hậu Chỉ 6% sản phẩm được bảo quản lạnh, dẫn đến tổn thất lớn về khối lượng, giá trị và hạn chế xuất khẩu.
Thị trường chuỗi cung ứng lạnh Việt Nam đầy tiềm năng nhờ nền kinh tế hội nhập sâu rộng, các FTA, sự bùng nổ thương mại điện tử và sự đầu tư của các công ty đa quốc gia Nhu cầu về kho lạnh và vận tải lạnh sẽ tăng mạnh, thúc đẩy sự phát triển vượt bậc của thị trường này trong tương lai.
Đề tài nghiên cứu đã góp phần quan trọng mở rộng sản xuất, phát triển thị trường thủy sản, tạo nhiều việc làm, tăng thu nhập, hỗ trợ doanh nghiệp đổi mới công nghệ và nâng cao năng lực cạnh tranh Việc nâng cao chất lượng, giảm chi phí sản xuất đã tăng giá trị gia tăng sản phẩm, xây dựng thương hiệu thủy sản Việt Nam trên thị trường quốc tế.
Lý do chọn đề tài
Lý do
1.2.1.1 Khái niệm về cấp đông
Cấp đông là phương pháp bảo quản thực phẩm hiệu quả, ứng dụng rộng rãi với nhiều loại thực phẩm như rau củ quả, thịt, hải sản Quá trình này làm giảm nhiệt độ thực phẩm xuống điểm đông lạnh, giúp bảo quản chất lượng và kéo dài thời gian sử dụng.
- 20 °C) trong một thời gian ngắn, sau đó thực phẩm được lưu giữ ở nhiệt độ - 16 °C, tương tự như việc đặt trong ngăn đá của tủ lạnh tại nhà
Cấp đông thực phẩm ở nhiệt độ thấp giúp bảo quản hình dáng và giá trị dinh dưỡng, đồng thời ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật, hạn chế hư hỏng.
1.2.1.2 Lý do chọn đề tài Để phát triển nghiên cứu và nâng cao hiệu suất của hệ thống, việc làm chủ công nghệ trường điện từ trong việc thiết kế và chế tạo thiết bị cấp đông thực phẩm đóng vai trò quan trọng Điều này đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng theo quy định, tạo ra điều kiện thuận lợi để mở rộng sản xuất và phát triển thị trường Bằng cách làm chủ công nghệ trường điện từ, các doanh nghiệp có thể đạt được mục tiêu đáng chú ý, bao gồm việc tăng cường nhu cầu đầu tư vào nghiên cứu và đổi mới công nghệ
Nâng cao chất lượng sản phẩm thủy sản đông lạnh xuất khẩu giúp giảm chi phí, tăng giá trị gia tăng và cạnh tranh, đồng thời xây dựng thương hiệu Việt Nam trên thị trường quốc tế.
Ngành thủy sản Việt Nam cần nâng cao chất lượng sản phẩm để cạnh tranh bền vững trên thị trường quốc tế, thúc đẩy sự phát triển kinh tế đất nước.
1.2.1.3 Lợi ích của việc cấp đông
Cấp đông bảo vệ cấu trúc, chất dinh dưỡng và hương vị thực phẩm tối đa, hạn chế thất thoát dinh dưỡng Phương pháp này hiệu quả, tiết kiệm chi phí và đảm bảo an toàn thực phẩm khi bảo quản số lượng lớn mà không cần chất bảo quản.
Thực phẩm đông lạnh đóng gói giúp tiết kiệm chi phí và giảm lãng phí thức ăn nhờ khả năng bảo quản lâu dài và sử dụng lượng cần thiết, hạn chế hư hỏng.
Cá và hải sản đông lạnh rẻ hơn 25% so với cá tươi, tiết kiệm chi phí đáng kể Thời hạn sử dụng dài của thực phẩm đông lạnh đảm bảo giá cả ổn định và sẵn có quanh năm, bất kể mùa vụ hay thời tiết Điều này giúp quản lý tài chính gia đình hiệu quả và thông minh, duy trì cuộc sống ổn định với nguồn thu nhập hiện có.
Thực phẩm đông lạnh giữ trọn vẹn chất dinh dưỡng và hương vị tươi ngon ban đầu nhờ quy trình chọn lọc, sơ chế kỹ lưỡng và cấp đông nhanh bằng thiết bị chuyên dụng, bảo quản sản phẩm ở trạng thái tốt nhất.
Thực phẩm đông lạnh giữ trọn vẹn hàm lượng dinh dưỡng và hương vị tươi ngon nhờ quy trình bảo quản hiện đại Điều này đảm bảo nguồn dinh dưỡng tối ưu và trải nghiệm hương vị tuyệt vời, gần như khi vừa thu hoạch.
Đóng lạnh thực phẩm hiệu quả bảo quản an toàn vệ sinh, giảm thiểu vi khuẩn gây ngộ độc.
Thực phẩm đông lạnh đảm bảo an toàn thực phẩm khi được bảo quản, rã đông và chế biến đúng cách, giữ nguyên chất lượng và sức khỏe người tiêu dùng.
Phạm vi nghiên cứu
1.2.2.1 Dải năng suất hiện có trên thị trường
Có ba cách cơ bản được ứng dụng cho hệ thống cấp đông bảo quản thủy sản
Cấp đông bằng không khí sử dụng luồng không khí lạnh thổi liên tục, làm nguội nhanh sản phẩm và bảo quản chất lượng tốt.
Cấp đông dạng đĩa sử dụng phương pháp tiếp xúc trực tiếp giữa sản phẩm và các đĩa kim loại lạnh đông Chất làm lạnh truyền qua bề mặt đĩa, làm nguội nhanh sản phẩm.
Cấp đông phun hoặc ngâm sản phẩm vào dung dịch lạnh là phương pháp làm nguội và đông lạnh trực tiếp bằng chất lỏng, tạo nên quá trình cấp đông tiếp xúc.
• Hệ thống tủ cấp đông gió
Tủ cấp đông gió lý tưởng cho bảo quản thực phẩm đông lạnh nhỏ, lẻ như thủy hải sản (cá phi lê, tôm…) tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ.
Tủ cấp đông gió công suất trung bình 200-500 kg/h, sử dụng hệ thống làm lạnh gió cưỡng bức và cấp dịch ngập dịch Về cấu tạo, tương tự tủ đông tiếp xúc nhưng bên trong gồm dàn lạnh, quạt gió và khay chứa.
• Hệ thống tủ đông tiếp xúc
Tủ cấp đông tiếp xúc làm lạnh nhanh thực phẩm, lý tưởng cho bảo quản ngắn hạn khối lượng lớn (lên đến 2000kg) như thực phẩm dạng block hay hàng hóa cồng kềnh Đây là giải pháp phổ biến trong bảo quản thực phẩm.
Hệ thống làm lạnh làm nguội sản phẩm trên khay bằng cách tiếp xúc hai mặt, đạt nhiệt độ tối thiểu -18℃ để bảo quản và duy trì chất lượng sản phẩm.
• Hệ thống băng chuyền cấp đông IQF
Hệ thống cấp đông IQF (Individual Quickly Freezer) sử dụng băng chuyền vận chuyển thực phẩm với tốc độ vừa phải, kết hợp làm lạnh nhanh ở nhiệt độ thấp để bảo quản chất lượng sản phẩm.
Sản phẩm được làm lạnh nhanh chóng xuống -35℃ trên băng tải với luồng không khí đối lưu cưỡng bức tốc độ cao.
Gồm 2 mặt bọc inox Kết cấu vỏ bao bọc buồng cấp đông là các tấm cách nhiệt polyurethan, hai mặt bọc inox
Buồng cấp đông IQF có ba loại chính: băng chuyền xoắn ốc (Spiral IQF), băng chuyền thẳng (Straight IQF) và băng chuyền siêu tốc (Impingement IQF).
Băng chuyền cấp đông có năng suất đa dạng, từ 500 kg/h đến 2000 kg/h (600, 1000, 1200 kg/h), thời gian cấp đông từ 6 phút.
Hệ thống cấp đông I.Q.F cấp đông sản phẩm trên băng chuyền chuyển động chậm, tốc độ điều chỉnh linh hoạt tùy thuộc sản phẩm và yêu cầu công nghệ Thời gian cấp đông trung bình 15 phút.
1.2.2.2 Dải năng suất đang được nhắm đến
Trên thị trường Việt Nam, hiện nay năng suất của các hệ thống tủ cấp đông thay đổi từ
Hệ thống tủ cấp đông có năng suất từ 500 kg/mẻ đến 2000 kg/mẻ, đáp ứng đa dạng nhu cầu bảo quản thực phẩm Nghiên cứu hướng tới năng suất trung bình 1000 kg/mẻ.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Thiết kế kho cấp đông công suất 1000 kg/mẻ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng Bài viết này sẽ trình bày các ý nghĩa chính và khía cạnh liên quan.
Nghiên cứu thiết kế kho cấp đông tối ưu hóa truyền nhiệt, độ ẩm và kiểm soát nhiệt độ, góp phần cải thiện hiệu quả và an toàn bảo quản thực phẩm Ứng dụng kiến thức truyền nhiệt, động học chất lỏng, cơ học vật liệu và tự động hóa trong thiết kế này thúc đẩy phát triển công nghiệp lạnh và thực phẩm.
Kho cấp đông công suất 1000kg/mẻ tối ưu hóa sản xuất thực phẩm, đáp ứng nhu cầu thị trường Thiết kế và công nghệ cấp đông hiện đại nâng cao hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Kho cấp đông công suất 1000kg/mẻ tối ưu năng suất sản xuất thực phẩm đông lạnh, đáp ứng nhu cầu doanh nghiệp và ngành công nghiệp.
Kho cấp đông hiệu quả giúp bảo quản thực phẩm lâu dài, ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn và vi sinh vật, đảm bảo an toàn thực phẩm và giảm lãng phí.
Thiết kế và sản xuất kho cấp đông năng suất cao tạo cơ hội kinh doanh mới, cung cấp thiết bị công nghệ cho ngành thực phẩm và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế.
• Tính học thuật và khả năng triển khai:
Bài nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật cấp đông thực phẩm, thiết kế kho lạnh, hệ thống làm lạnh, và kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm tối ưu.
Mô phỏng và thử nghiệm là bước quan trọng trước khi triển khai Việc sử dụng phần mềm mô phỏng hoặc mẫu thử giúp kiểm tra tính khả thi và tối ưu thiết kế.
Triển khai kho cấp đông công suất 1000kg/mẻ cần sản xuất thiết bị, lắp đặt hệ thống điều khiển tự động và kiểm tra an toàn, hiệu suất sau khi thiết kế hoàn thiện.
Thiết bị chế biến thực phẩm phải đáp ứng đầy đủ các chứng nhận và quy định về an toàn thực phẩm và bảo vệ môi trường Tuân thủ các tiêu chuẩn này là yếu tố then chốt.
Nghiên cứu này vừa có ý nghĩa khoa học, vừa cải thiện hiệu suất sản xuất và bảo quản thực phẩm trong công nghiệp.
Mục tiêu và nhiệm vụ
Mục tiêu
Bài viết nghiên cứu thiết kế hệ thống cấp đông cá 1000kg/mẻ, ứng dụng kiến thức kỹ thuật nhiệt lạnh Nghiên cứu so sánh hiệu suất lý thuyết và thực tế, đáp ứng nhu cầu thị trường hiện nay thông qua tham khảo công nghệ trong và ngoài nước Mục tiêu là chọn công nghệ cấp đông hiệu quả, tối ưu.
Nhiệm vụ
Thiết kế hệ thống tủ cấp đông bảo quản thực phẩm ưu tiên hàng đầu đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm bằng cách kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và không gian tủ Tính toán chính xác quá trình bảo quản dựa trên lý thuyết uy tín và bản vẽ hệ thống cấp đông minh họa nguyên lý hoạt động là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Thiết kế hệ thống cấp đông bảo quản thực phẩm cần sự kết hợp kiến thức về thực phẩm, kỹ thuật và thiết kế để đảm bảo an toàn và chất lượng sản phẩm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sơ đồ hệ thống cấp đông
Hệ thống tủ cấp đông tiếp xúc là giải pháp bảo quản thực phẩm đông lạnh hiệu quả, ngăn ngừa vi khuẩn phát triển nhờ duy trì nhiệt độ ổn định bằng nguyên lý nén lạnh chất làm lạnh Tủ cấp đông tiếp xúc 1000kg/mẻ sử dụng môi chất NH3 đáp ứng nhu cầu bảo quản quy mô lớn.
Tủ lạnh công nghiệp 3000 x 1500 x 1600 mm gồm 11 tấm lắc và tích hợp hệ thống máy nén, bình chứa cao áp, bình ngưng, bình trung gian, bình chống tràn và tháp giải nhiệt.
Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh cho tủ cấp đông tiếp xúc
1 Máy nén; 2 Tháp giải nhiệt; 3- Bình chứa cao áp; 4 Bình ngưng; 5 Bình tách dầu;
6 Bình trung gian; 7 Bình tách lỏng; 8 Bình chống tràn; 9 Tủ cấp đông; 10 Bình thu hồi dầu
Tủ cấp đông
Hình 2 2 Ba hình chiếu tủ cấp đông của đề tài
Hình 2 3 Hình chiếu đứng tủ cấp đông
Tủ đông công nghiệp gồm các bộ phận chính: ống cấp dịch, tấm lắc, bình cấp dịch, tay nắm cửa, tủ điện điều khiển, lớp cách nhiệt, bảng lề cửa, cửa tủ cấp đông, chân tủ, chân đế kệ và khay cấp đông.
Hình 2 4 Hình chiếu bằng tủ cấp đông
Hình 2 5 Hình chiếu cạnh tủ cấp đông
Công thức áp dụng
2.2.1 Cấu trúc thiết kế và tổn thất nhiệt
❖ Kích thước tiêu chuẩn của tủ cấp đông:
Kích thước tấm lắc cấp đông tiêu chuẩn:
CN - độ dày yêu cầu của lớp cách nhiệt, m
CN - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, W/m.K k - hệ số truyền nhiệt, W/m 2 K
1- hệ số toả nhiệt của môi trường bên ngoài (phía nóng) tới tủ cấp đông, W/m 2
2- hệ số toả nhiệt của vách tủ cấp đông vào tủ cấp đông, W/m 2 K
Tủ cấp đông được thiết kế vỏ inox hai lớp, ngăn ẩm tuyệt đối, loại trừ hiện tượng ngưng tụ nước bên trong, đảm bảo hiệu quả cách nhiệt tối ưu.
❖ Tổn thất nhiệt trong tủ cấp đông gồm có:
Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che: Q1
Nhiệt do làm lạnh sản phẩm, khay cấp đông và do nước châm mang vào: Q2
Nhiệt làm lạnh các thiết bị trong tủ: Q3 a Tổn thất do truyền nhiệt qua kết cấu bao che
Dòng nhiệt qua kết cấu tủ cấp đông là tổng nhiệt tổn thất qua tường, trần, nền do chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài tủ, cộng thêm nhiệt bức xạ mặt trời.
Q21 - Dòng nhiệt qua tường bao, trần và nền của tủ cấp đông do sự chênh lệch nhiệt độ
Q22 - Dòng nhiệt qua tường bao, trần do ảnh hưởng của bức xạ mặt trời.
Tủ cấp đông đặt trong nhà xưởng, loại trừ tác động bức xạ mặt trời Tổn thất nhiệt chỉ tính toán qua tường, trần và nền, với độ dày cách nhiệt đồng đều 150mm (bao gồm cả cửa).
Q2 = Q21 = kt F ( t1 – t2), (W) kt - Hệ số truyền nhiệt thực qua kết cấu bao che xác định theo chiều dày cách nhiệt thực, W/m 2 K b Tổn thất do sản phẩm mang vào
Tổn thất do làm lạnh sản phẩm Q 21
Tổn thất nhiệt do làm lạnh sản phẩm được tính theo công thức sau:
M - Khối lượng sản phẩm của một mẻ cấp đông, kg i1, i2 - Entanpi của sản phẩm ở nhiệt độ đầu vào và đầu ra của sản phẩm, J/kg
Nhiệt độ sản phẩm đầu vào lấy 10 12 ℃ do sản phẩm đã được làm lạnh ở kho chờ đông
Nhiệt độ trung bình đầu ra của các sản phẩm cấp đông phải đạt - 18 ℃
- Thời gian cấp đông của một mẻ, giây Thời gian cấp đông của tủ phụ thuộc phương pháp cấp dịch
Cấp dịch từ bình trống tràn = 4 5 giờ, cấp dịch bằng bơm = 1,5 2,5 giờ
Nhiệt do làm lạnh khay cấp đông Q 22
Mkh - Tổng khối lượng khay cấp đông, kg
Cp - Nhiệt dung riêng của vật liệu khay, J/kg.độ
Vật liệu nhôm: Cp = 921 J/kg.độ t1, t2 - Nhiệt độ khay trước và sau cấp đông, ℃
Nhiệt do làm lạnh nước châm Q 23
Chỉ có sản phẩm dạng khối mới cần châm nước
Trong đó: q0 - Nhiệt lượng cần làm lạnh 1 kg nước từ nhiệt độ ban đầu đến khi đông đá hòn toàn, J/kg
Mn - Tổng khối lượng nước châm Kg q0 = Cn.t1 + r + Cd t2 ; J/kg c Tổn thất nhiệt do mở cửa
Tổn thất nhiệt do mở cửa được tính theo công thức
F - Diện tích của buồng cấp đông, m 2
B - Dòng nhiệt khi mở cửa, (W/m 2 ) d Tổng tổn thất nhiệt của tủ cấp đông
2.2.2 Tính toán chọn thiết bị chính hệ thống a Tính toán máy nén
Công nén tiêu thụ thực tế hạ áp và cao áp N el :
Công suất động cơ N đc :
Nđc = (1,12,1) Nel b Tính toán và chọn thiết bị ngưng tụ
. c Tính toán và chọn thiết bị bay hơi t TB k
0 d Tính toán chọn van tiết lưu ΔP = Pk – P0 – ΔPDO
TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Cấu trúc thiết kế và xác định bề dày các nhiệt
Với vỏ tủ cấp đông thị trường được làm bằng vật liệu cách nhiệt poly - urethane dày
150 (mm) dùng phương pháp rót ngập
Bảng 3 1 Các lớp vỏ tủ cấp đông
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu : CN = 0,018 ÷ 0,02.
Xác định chiều dày cách nhiệt
Công thức hệ số truyền nhiệt: k 1 2 1
Chọn nhiệt độ buồng lạnh – 40 ÷ - 30 ℃, ta được hệ số truyền nhiệt k = 0,19 (W/m 2 K) (Bảng 2.3 Chương 2) [26, 27]
𝛿 𝐶𝑁 - Chiều dày của lớp cách nhiệt
𝛿 𝑖 - Bề dày của lớp vật liệu thứ i, m Dựa vào bảng 3.1 trên
𝜆 𝑖 - Hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu thứ i, W/m.K [26]
Chiều dày của lớp cách nhiệt :
Ta chọn chiều dày cách nhiệt theo tiêu chuẩn là CN = 150 (mm)
STT Lớp vật liệu Độ dài (mm) Hệ số dẫn nhiệt (W/m 2 K)
Lúc đó ta có hệ số truyền nhiệt thực là: kt = 1 1
Kích thước tủ cấp đông
Kích thước khay cấp đông tiêu chuẩn đó như sau: Đáy ở trên : 290 x 210 mm Đáy ở dưới: 280 x 200 mm
3.1.2.1 Số lượng của khay và các tấm lắc
Kích thước tấm lắc cấp đông: 2200 x 1250 x 22 mm
Số khay trên 01 tấm lắc 36 khay, trong đó 1 khay chứa 2 kg sản phẩm
Khối lượng hàng trên 01 tấm lắc:
Khối lượng trên một tấm lắc kể cả nước châm (lượng nước châm chiếm 5 - 10% khối lượng sản phẩm): m = 72 + 72.10% = 79,2 (kg)
Số lượng tấm lắc chứa hàng:
Trong đó M là năng suất tủ cấp đông, M = 1000 (kg/mẻ)
Số lượng tấm lắc thực tế:
Ta có chiều dài các tấm lắc L1 = 2200 (mm)
Hai đầu các tấm lắc có khoảng hở vừa đủ để lắp đặt và cộng thêm khoảng hở ở hai là
Vậy chiều dài của tủ là:
L1 = 2200 + 2 400 = 3000 (mm) Chiều dài phủ bì là:
Ta có chiều rộng các tấm lắc:
Các tấm lắc cộng thêm khoảng hở ở hai bên, khoảng hở mỗi bên là 125 (mm)
Vậy chiều rộng của tủ:
W1 = 1250 + 2 x 125 = 1500 (mm) Chiều rộng phủ bì là:
Chiều cao bên trong tủ :
Khoảng cách cực đại giữa các tấm lắc hmax = 105 (mm)
Chiều cao bên trong tủ:
N1 - Số tấm lắc chứa hàng h1 - Khoảng hở phía dưới các tấm lắc, h1 = 100 (mm) h2 - Khoảng hở phía trên, h2 = 400 ÷ 450 (mm)
H1 = 13 x 105 + 100 + 450 = 1915 (mm) Chiều cao bên ngoài hay chiều cao phủ bì của tủ là:
Kiểm tra đọng sương và đọng ẩm trong quá trình làm lạnh
Kiểm tra hiện tượng đọng sương
Hình 3 1 Hình Truyền nhiệt qua vách phẳng tw 1 tw 2 t2 t2 t1 t2
𝑡 1 - Nhiệt độ không khí bên ngoài
𝑡 2 - Nhiệt độ không khí bên trong buồng lạnh
Trên thực tế người ta lấy hệ số truyền nhiệt đọng sương chuẩn là: ks = 0,95
Trong đó: t1 - Nhiệt độ không khí bên ngoài, ℃ t2 - Nhiệt độ không khí bên trong tủ đông, ℃ ts - Nhiệt độ đọng sương ℃
Nhiệt độ và độ ẩm vào mùa hè ở Vũng Tàu là nhiệt độ t1= 35,1℃, độ ẩm là = 85% (p.7, [27])
Ta tra đồ thị không khí ẩm ở áp suất khí quyển, ta sẽ tìm được: (p.9, [27])
Nhiệt độ đọng sương ts = 31℃
Nhiệt độ bầu ướt tư = 32℃
Ta có nhiệt độ bên trong tủ cấp đông là t2 = - 35℃
Ta thấy kt = 0,13 < ks = 1,2946, như vậy vách ngoài không bị đọng sương.
Tính kiểm tra đọng ẩm
Tủ cấp đông sử dụng vỏ inox hai lớp, ngăn ẩm tuyệt đối, loại bỏ hiện tượng ngưng tụ nước bên trong.
Tính nhiệt của tủ cấp đông
Tổn thất do truyền nhiệt qua kết cấu bao che
Diện tích bề mặt vách và cửa (F, m²), nhiệt độ ngoài trời (t1, ℃), nhiệt độ trong tủ đông (t2, ℃) và hệ số truyền nhiệt (kt, W/m².K) là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất cách nhiệt của tủ đông.
Tủ cấp đông đặt trong nhà xưởng, loại trừ ảnh hưởng bức xạ mặt trời Tổn thất nhiệt chỉ tính toán qua tường, trần và nền tủ.
Theo kích thước phủ bì của tủ cấp đông đã sẵn là:
2F1 - Diện tích bề mặt trần và nền của tủ, m 2
2F2 - Diện tích bề mặt trước và sau của tủ, m 2
2F3 - Diện tích hai mặt bên của tủ, m 2
Tổn thất do truyền nhiệt qua kết cấu bao che
Tổn thất do sản phẩm mang vào
Tổn thất do làm lạnh sản phẩm Q 21
Tổn thất nhiệt do làm lạnh sản phẩm đƣợc tính theo công thức sau:
M - Khối lượng sản phẩm của một mẻ cấp đông, kg; i1, i2 - Entanpi của sản phẩm ở nhiệt độ đầu vào và đầu ra của sản phẩm, kJ/kg;
Nhiệt độ sản phẩm đầu vào lấy 10 12 ℃ do sản phẩm đã được làm lạnh ở kho chờ đông
Nhiệt độ trung bình đầu ra của các sản phẩm cấp đông phải đạt - 18 ℃
- Thời gian cấp đông của một mẻ, giây Thời gian cấp đông của tủ phụ thuộc phương pháp cấp dịch
Cấp dịch từ bình trống tràn = 4 5 giờ, cấp dịch bằng bơm = 1,5 2,5 giờ
Sản phẩm được làm lạnh sơ bộ xuống 10℃ (t1) trước khi cấp đông, đạt nhiệt độ trung bình -18℃ (t2) khi ra khỏi tủ đông.
Tra bảng Enthapy của sản phẩm: (Chương 2, p.27, [26])
Nhiệt do làm lạnh khay cấp đông Q 22
Mkh - Tổng khối lượng khay cấp đông, kg
Cp - Nhiệt dung riêng của vật liệu khay, J/kg.độ
Vật liệu nhôm: Cp = 921 J/kg.độ = 0,921 kJ/kg độ t1, t2 - nhiệt độ khay trước và sau cấp đông, ℃
Theo tính toán ở mục 3.1.2 thì số khay chứa sản phẩm sẽ là:
13 x 36 = 468 (khay) Một khay có khối lượng khoảng 1,5 kg Do vậy tổng số khối lượng khay cấp đông:
Nhiệt độ của khay trước khi cấp đông bằng nhiệt độ sản phẩm đầu vào, tức là: t1 10 ℃
Nhiệt độ của khay sau khi cấp đông t2 = - 35 o C
Nhiệt do làm lạnh nước châm Q 23
Chỉ có sản phẩm dạng khối mới cần châm nước
𝜏, W Trong đó: q0 - Nhiệt lượng cần làm lạnh 1 kg nước từ nhiệt độ ban đầu đến khi đông đá hòn toàn, J/kg
Mn - Tổng khối lượng nước châm, kg
Khối lượng hàng cấp đông chiếm khoảng 5 % khối lượng hàng cấp đông, thường người ta châm dày 0,5 đến 1 mm
Thời gian cấp đông: 𝜏 = 3 giờ
Theo tính toán thì tổng số khay chứa sản phẩm là 468 khay, mà 1 khay chứa được 2 kg sản phẩm
Do đó khối lượng hàng cấp đông là:
Khối lượng nước châm là:
100 = 93,6 (kg) Nhiệt độ nước đầu vào: t1 = 5 o C Nhiệt độ đông đá: t2 = - 5 o C ÷ - 10 o C q0 = Cn.t1 + r + Cd t2 q0 = 4186t1 + 333600 + 2090 t2
Tổn thất do sản phẩm mang vào
Tổn thất nhiệt do mở cửa
Tổn thất nhiệt do mở cửa được tính theo công thức
F - Diện tích của buồng cấp đông, m 2
Theo như tính toán ở mục (3.1.2.2) ta có:
Chiều dài tủ (không tính phủ bì) là: L = 3 (m)
Chiều rộng tủ (không tính phủ bì) là: W = 1,5 (m)
B - Dòng nhiệt khi mở cửa, (W/m 2 )
Tổn thất nhiệt do mở cửa :
Tổng tổn thất nhiệt của tủ cấp đông
Tải nhiệt cho máy nén
Theo tiêu chuẩn: Áp dụng các giá trị định hướng theo “Tiêu chuẩn thiết kế công nghệ kho lạnh”
Ta có quy định như sau:
Q2 - Nhiệt tải cho máy nén lấy 100% Q2 đã tính toán được cho các kho lạnh thịt và cá
Q1 - Nhiệt tải cho máy nén chỉ lấy 80% Q1 cho cáckho lạnh nhiệt độ - 20 ℃
Q3 - Nhiệt tải của máy nén từ dòng nhiệt do vận hành được tính bằng 50% ÷ 75% giá trị lớn nhất
Năng suất lạnh của máy nén Q o
𝑏 , W Trong đó: k - Hệ số lạnh tính đến tổn thất trên đường ống và thiết bị của hệ thống lạnh b - Hệ số thời gian làm việc
QMN - Tổng nhiệt tải của máy nén đối với một nhiệt độ bay hơi, theo tính toán ở phần 3.4, ta có QMN = 33567,95 (W)
Theo hướng dẫn trang 121, tài liệu tham khảo [27], ta có: k = 1,2 và b = 0,7
Thay vào ta có: Qo = 12 33733,2368
Tính toán chu trình lạnh
Chế độ làm việc của một hệ thống lạnh được đặc trưng bằng bốn thông số 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 tqn
Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh t o
Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ buồng lạnh, trong tính toán có thể lấy như sau: to = tb - Δto
Trong đó: tb - Nhiệt độ buồng lạnh, tb = - 35 ℃
to - Hiệu nhiệt độ yêu cầu,℃
Ta chọn to = 10℃ Theo tài liệu tham khảo [27], trang 205
Ta có: tk = tw2 + Δtk (℃)
Trong đó: tw2: Nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng, ℃
tk: hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu, tk = 3 ÷ 5 ℃ chọn 4 ℃
Hệ thống lạnh sử dụng thiết bị ngưng tụ dàn ngưng bay hơi với đối lưu cưỡng bức, truyền nhiệt hiệu quả sang nước bay hơi, duy trì nhiệt độ nước vào (tw1) và ra (tw2) ổn định Với nhiệt độ kế ướt (tư) là 32℃, ta chọn tw1 = tw2 = tư + 3-4℃ = 36℃ Do đó, nhiệt độ ngưng tụ (tk) được chọn là 40℃ (tk = tw2 + Δtk = 36 + 4℃).
Nhiệt độ quá lạnh t ql
Là nhiệt độ môi chất lỏng trước khi đi vào van tiết lưu tql = tw1 + (3 ÷ 5 ℃) Trong đó: tw1 là nhiệt độ nước vào dàn ngưng (℃), tw1 = 36℃
Thay vào ta có: tql = 36 + (3 ÷ 5 ℃) Chọn: tql = 40 ℃
Ta thấy tk = tql , vậy ở đây không có quá lạnh
Nhiệt độ hơi hút t qn
Là nhiệt độ của hơi trước khi vào máy nén Nhiệt độ hơi hút bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của môi chất
Khi sử dụng NH3 làm môi chất, nhiệt độ hơi hút cần cao hơn nhiệt độ sôi từ 5 đến 15°C để đảm bảo an toàn vận hành Do đó, độ quá nhiệt hơi hút được chọn là -35°C (tqn = -35°C).
Xác định tỷ số nén và nhiệt độ trung gian
Thông số trạng thái của các điểm nút của chu trình, ta có: po (to = - 45 o C) = 0,054676 (MPa) pk (tk = 40 o C) = 1,5559 (MPa)
Ta thấy tỷ số nén :
Vì vậy ta chọn chu trình lạnh máy nén hai cấp, hai tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn
Suy ra: ptg = √𝑝 0 𝑝 𝑘 = √0,054676 1,5559 = 0,291 (𝑀𝑃𝑎) Tra bảng hơi bão hòa ẩm ta có: ttg = t3 = - 10 o C
Hình 3 2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh 2 cấp nén làm mát trung gian toàn phần
BH - Bình bay hơi ; NHA - Máy nén hạ áp ; NCA - Máy nén cao áp ; NT - Bình ngưng tụ ; TL1, TL2 - Van tiết lưu 1 và 2 ; BTG - Bình trung gian
HÌnh 3 3 Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgP-h
Các quá trình của chu trình:
1 - 2: Nén đoạn nhiệt cấp hạ áp từ Po lên Ptg
2 - 4: Làm mát hơi quá nhiệt hạ áp xuống đường bảo hoà x = 1
4 - 5: Nén đoạn nhiệt cấp cao áp từ Ptg lên Pk
5 - 6: Làm mát ngưng tụ và quá lạnh lỏng trong dàn ngưng tụ
6 - 7: Tiết lưu từ áp suất Pk vào bình trung gian
9 - 10: Tiết lưu từ áp suất Pk xuống Po
10 - 1’: Bay hơi thu nhiệt của môi trường lạnh
Hơi thoát thiết bị bay được nén hạ áp xuống điểm 1, làm mát thành hơi bão hòa khô tại bình trung gian Hơi này, cùng hơi bão hòa khô khác, được máy nén cao áp nén đến áp suất ngưng tụ (Pk) rồi ngưng tụ thành dạng lỏng ở áp suất cao.
Sau tiết lưu 1, chất lỏng giảm áp suất xuống áp suất trung gian (Ptg) trước khi vào bình trung gian Hơi tạo thành ở van tiết lưu 1 và hơi ngưng tụ ở áp suất trung áp được máy nén cao áp hút về.
Chất lỏng đi qua van tiết lưu, giảm áp suất xuống áp suất bay hơi, hấp thụ nhiệt từ sản phẩm trong thiết bị bay hơi, chuyển thành hơi, rồi chu trình lặp lại.
Các thông số trạng thái tại các điểm nút cơ bản của chu trình được tra trên phần mềm CoolPack
Bảng 3 2 Thông số các điểm tại các trạng thái của chu trình, tra đồ thị lgp – h Điểm nút t, o C p, MPa h, kJ/kg v, m 3 /kg
Năng suất lạnh riêng q o : qo = h1’ – h10 = 1698,5 – 454,0 = 1244,5 (kJ/kg)
Công nén riêng và công nén đoạn nhiệt hạ áp: l1 = h2 – h1 = 1965 – 1725 = 240 (kJ/kg)
Công nén riêng và công nén đoạn nhiệt cao áp: l2 = h5 – h4 = 1985 - 1749 = 236 (kJ/kg)
Hệ số lạnh của chu trình: ε = 𝑞 0
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC BỘ PHẬN
Tính toán và chọn máy nén
Ta có năng suất lạnh:
Q0 = 57,55 (kW) Thể tích hút thực tế của máy nén hạ áp và cao áp
Hệ số cấp máy nén λ
Theo đồ thị hình 7 - 4 (p.215, [27]), ta có:
Bảng 4 1 Tỷ số nén và hệ số cấp
Sử dụng phương pháp nội suy, với: π 1 = 5,32 ta được λ1 = 0,7276 π 2 = 5,35 ta được λ2 = 0,7255
Thể tích hút lý thuyết của máy nén hạ áp và cao áp
Tỷ số thể tích quét φ = 0,035
V = 3,8 4 (cứ 4 xi lanh hạ áp có 1 xi lanh cao áp)
Hiệu suất chỉ thị máy nén
313 + 0,0001 (- 10) = 0,84 (Trong đó b là hệ số thực ngiệm, đối với máy nén Amoniac thuận dòng, b = 0,0001)
Công nén hữu ích hạ áp và cao áp
Công nén tiêu thụ thực tế hạ áp và cao áp N el
Công suất trên bảng đấu điện bao gồm tổn thất truyền động (trừ máy nén kín hoặc nửa kín) và hiệu suất động cơ.
𝜂 𝑡đ là hiệu suất truyền động của khớp đai, 𝜂 𝑡đ ≈0,95
𝜂 đ𝑐 là hiệu suất động cơ, 𝜂 đ𝑐 = 0,80 ÷ 0,95, chọn 𝜂 đ𝑐 = 0,90
Công suất động cơ N đc Để đảm bảo an toàn cho hệ thống lạnh thì động cơ lắp đặt phải có công suất lớn hơn
Nel Công suất động cơ được xác định như sau:
Nhiệt tải máy nén tủ cấp đông được tính toán là 57,55 kW, đây là công suất lạnh cần thiết để duy trì nhiệt độ buồng lạnh theo thiết kế.
Chọn máy nén làm việc phù hợp với chế độ như sau:
Môi chất lạnh Amoniac (NH3)
Nhiệt độ sôi của môi chất t0 = - 45 o C
Nhiệt độ ngưng tụ tk = 40 o C
Bảng 4 2 Thông số kỹ thuật của máy nén MYCOM N124B
Kí hiệu Piston Φ và S, mm
Tính toán và chọn thiết bị ngưng tụ
Thiết bị ngưng tụ làm lạnh hơi nén từ máy nén, chuyển nó thành chất lỏng cao áp trước khi đi qua van tiết lưu đến dàn bay hơi.
Tháp ngưng tụ, một loại thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước và không khí, hoạt động dựa trên nguyên tắc bay hơi Nước được phun vào dàn, trong khi không khí được lưu thông cưỡng bức bằng quạt, chia thành hai kiểu: kiểu thổi và kiểu hút.
Các thông số dùng cho tính toán:
Nhiệt độ trung bình của không khí là: 35,1 o C và độ ẩm là 85%
Nhiệt độ đọng sương: ts = 31 o C
Nhiệt độ nhiệt kế ướt: tư = 32 o C
Nhiệt độ nước vào và ra là: tw2 = tw1 = tw = 36 o C
Tính chọn thiết bị ngưng tụ:
Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của TBNT theo công thức:
0,7.4 = 33,21 (m 2 ) Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Qk:
Hệ số truyền nhiệt (K) của tháp ngưng tụ dao động từ 500 đến 700 W/m².K Hiệu nhiệt độ trung bình logarit (ΔtTB) được tính bằng hiệu nhiệt độ nước ngưng tụ (tk) và nhiệt độ nước làm mát (tw): ΔtTB = 40 – 36 = 4 K.
Lượng nước phun vào dàn m wp :
Lượng nước phun vào dàn được chọn theo kinh ngiệm, phụ thuộc vào phụ tải nhiệt Qk
Theo kinh nghiệm thì lượng nước phun cho mỗi 100 kW tải nhiệt là 2,3 kg/s Vậy : mwp = 2,3.
93 = 2,14 (kg/s) Lưu lượng không khí mkk mkk= 3,25. kk Qk.10 -2 (kg/s) Có:
Với: x1 = 0.0269 kg hơi nước/kg không khí khô p1 = 9,81.10 4 (N/m 2 )
=> mkk = 3,25 1,032 93 10 -2 = 3,12 (kg/s) Tổng chiều dài một hàng ống trên mặt cắt ngang của tháp:
2.0,05 = 21,4 (m) Trong đó : m0 là lưu lượng nước tưới trên một mét chiều dài ống theo kinh nghiệm, m0 = 0.05
Số ống trên mặt cắt ngang của thiết bị Z khi chọn chiều dài mỗi ống thẳng l = 2,8 (m)
S2 là bước ống theo chiều ngang, chọn S2= 75 (mm)
Số ống trong một đơn nguyên (2 dãy so le thẳng đứng) nđn = 𝐹 𝜋.𝑑 𝑎 𝑙.𝑍 = 33,21
3,14.0,035.2,8.8 = 14 (ống) Trong đó: da là đường kính ngoài của ống, chọn da = 35 (mm)
S1 là bước ống theo chiều đứng, chọn S1 = 7 (mm)
Tổng số ống n (mỗi ống có chiều dài 2,8 m)
N = nđn.Z = 14.8 = 112 (ống) Diện tích mặt cắt ngang của thiết bị:
Bài viết này giới thiệu thiết bị ngưng tụ HK-60 (Nga) với diện tích trao đổi nhiệt 60m², chuyên dùng cho NH3, chịu nhiệt độ đến 50℃ và áp suất 20 bar, trọng lượng 2800kg.
Chọn thiết bị bay hơi
Thiết bị bay hơi tải nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh Dàn bay hơi kiểu không ngập, lý tưởng cho chất tải lạnh lỏng như nước muối, nổi bật với thiết kế đơn giản, dễ chế tạo và khả năng tải nhiệt cao.
1) Đường lỏng tiết lưu vào dàn
4) Các vĩ ống trao đổi nhiệt
7) Đường ra của hơi hạ áp
Hình 4 2 Thiết bị bay hơi Δ𝑡 𝑇𝐵 = Các thông số cần cho tính toán:
Năng suất lạnh của thiết bị bay hơi: Q0 = 57,55 (kW)
Tính chọn thiết bị bay hơi:
Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của TBBH theo công thức: t TB k
0 k: Hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi t TB
: Hiệu nhiệt độ trung bình logarit
0,5.5 Chọn thiết bị bay hơi:
Bảng 4 3 Thông số bình bay hơi ống vỏ nằm ngang Amoniac HKT - 40
Diện tích bề mặt, m 2 Đường kính, mm
Kích thước phủ bì, mm Số lượng ống
Thể tích không gian giữa các ống, m 3 Dài Rộng Cao
Tính chọn van tiết lưu
Van tiết lưu là bộ phận quan trọng trong hệ thống lạnh, giảm áp suất và nhiệt độ môi chất lạnh trước khi vào thiết bị bay hơi, đồng thời điều chỉnh lưu lượng môi chất.
Van tiết lưu cân bằng ngoài được ưu tiên sử dụng trong hệ thống lạnh của thiết bị bay hơi có trở lực lớn Việc lựa chọn van phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật cụ thể.
Môi chất lạnh sử dụng: NH3
Nhiệt độ ngưng tụ: tk = 40℃ Độ giảm áp qua van tiết lưu là: ΔP = Pk – P0 – ΔPDO = 1,5559 – 0, 054767 – 0,1 = 1,40 (MPa) = 14 (bar)
Trong đó: ΔPDO là tổn thất áp suất trên đường ống, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và các thiết bị khác
Bảng 4 4 Thông số kỹ thuật của van tiết lưu nhiệt kiểu TEX 55 - 35
Kiểu Số ruột van t 0, ℃ ΔP, bar Năng suất lạnh
Tính chọn các thiết bị phụ của hệ thống
Chọn bình chứa cao áp
Bình chứa cao áp, đặt sau bình ngưng tụ, lưu trữ môi chất lạnh áp suất cao, cung cấp diện tích trao đổi nhiệt cho thiết bị ngưng tụ và đảm bảo cấp lỏng liên tục cho van tiết lưu Bình này còn đóng vai trò lưu trữ lỏng trong bảo dưỡng hệ thống.
BÌ NH CHỨA CAO ÁP
Hình 4 3 Bình chứa cao áp
1 Áp kế; 2 Van an toàn; 3 Đường vào của lỏng cao áp; 4 Đường cân bằng; 5 Đường dự trữ; 6 Ống thuỷ sang; 7 Đường lỏng cao áp tới van tiết lưu
Chọn bình chứa cao áp hiệu RL 0.5 có các thông số sau:
Bảng 4 5 Các thông số của bình chứa cao áp hiệu RL 0.5
Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị
Thể tích V m 3 0.5 Đường kính D mm 495
Chiều cao phủ bì H mm 830 Đường kính ống ga vào dv mm 38 Đường kính ống ga ra dr mm 25
Chọn bình tách dầu
Bình tách dầu trong hệ thống máy nén NH3 đặt giữa máy nén và bình ngưng tụ, chức năng chính là loại bỏ dầu khỏi hơi nén, ngăn ngừa dầu bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt của bình ngưng tụ và đảm bảo hiệu quả làm lạnh tối ưu.
Cấu tạo: Có 2 loại, bình tách dầu kiểu ướt và bình tách dầu kiểu khô
Hình 4 4 Bình tách dầu kiểu khô Hình 4 5 Bình tách dầu kiểu ướt
1 - Hơi vào từ đầu đẩy máy nén; 2 - Van an toàn; 3 - Đường ra hơi cao áp; 4,5 - Nón chắn; 6 - Phao; 7 - Đường xả dầu
Dầu được tách nhờ 3 nguyên nhân:
Giảm tốc độ dòng chảy khi chuyển từ ống nhỏ sang ống lớn làm giảm lực quán tính, giúp các hạt dầu nặng lắng xuống dưới tác dụng của trọng lực.
Do lực ly tâm khi ngoặt dòng các hạt dầu nặng bị văng ra va đập vào thành bình rơi xuống
Do sự mất vận tốc đột ngột khi va đập vào các tấm chắn Các hạt dầu nặng được giữ lại và rơi xuống đáy bình
Chọn bình tách dầu hiệu M1952 có các thông số như sau:
Bảng 4 6 Các thông số của bình tách dầu hiệu M1952
Thông số Đơn vị Giá trị
3 Chiều cao phủ bì mm 1100
4 Đường kính ga vào mm 50
5 Đường kính ga ra mm 50
6 Đường kính ống dầu mm 15
Bình trung gian
Thiết bị làm mát trung gian hơi trung áp, tách lỏng và tách dầu trong hệ thống lạnh nhiều cấp, giúp quá lạnh môi chất trước khi tiết lưu.
1.Đường vào của hơi nén trung áp
2.Đường lỏng cao áp tiết lưu vào bình
3 Đường ra của hơi trung áp
5 Ống thuỷ tối và van phao
9 Đường tháo lỏng ra khỏi bình
10 Đường ra lỏng cao áp
Tra bảng 8 - 19 (p.266, [27]), chọn bình trung gian có ký hiệu 100 C 3 với các thông số kỹ thuật:
Bảng 4 7 Bảng các thông số của bình trung gian 100C3 Đường kính trung bình D x S = 1000 x 10[mm] Đường kính ống xoắn d = 200 [mm]
Diện tích bề mặt ống xoắn F = 8,6 [m 2 ]
Bình tách lỏng
Bình tách lỏng, đặt trên đường hút máy nén, loại bỏ môi chất lỏng khỏi hơi hút, đảm bảo hơi vào máy nén ở trạng thái hơi bão hòa khô, ngăn ngừa va đập thủy lực.
Tính chọn tháp giải nhiệt
Công dụng: Giải nhiệt cho nước làm mát thiết bị ngưng tụ và máy nén
4 Bộ phận làm tơi nước
7 Phao cấp nước bổ sung
Tháp làm mát hoạt động dựa trên nguyên lý: nước nóng từ thiết bị ngưng tụ được phun đều trên diện tích tháp nhờ hệ thống ống tưới, sau đó được làm tơi bằng bộ phận phân phối nước.
Hệ thống sử dụng 4 nhả nhiệt làm mát gió cưỡng bức, nước nguội chảy xuống máng, được bơm lại thiết bị ngưng tụ Nước hao hụt do gió cuốn và bay hơi được tự động bổ sung qua van phao 5.
Tính chọn tháp giải nhiệt:
Ta có phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Qk = 93 kW Ta quy năng suất lạnh ra ton, theo tiêu chuẩn CTI, 1 ton nhiệt tương đương 3900 kcal/h
Tra bảng 8- 22 (p.318, [27]), chọn tháp giải nhiệt mã FRK25 với các thông số như bảng dưới đây
Bảng 4 8 Bảng các thông số của tháp giải nhiệt mã FRK25
1 Lưu lượng nước định mức 5,4 l/s
4 Đường kính ống nối dẫn vào 80 mm
5 Đường kính ống nối dẫn ra 80 mm
7 Đường kính ống van phao 25 mm
8 Lưu lượng quạt gió 200 m 3 /ph
9 Đường kính quạt gió 760 mm
Các loại van
Van một chiều ngăn dòng môi chất từ thiết bị ngưng tụ quay trở lại máy nén khi tắt máy Van an toàn bảo vệ hệ thống khỏi áp suất quá cao bằng cách xả áp suất vượt quá mức cho phép Van khóa được lắp đặt ở đầu vào/ra thiết bị, lựa chọn dựa trên đường kính ống.