Do đó mục tiêu của nghiên cứu là bảo quản chất lượng thực phẩm một được cách lâu dài bằng cách cấp đông thực phẩm thịt [3].. Sử dụng thịt heo đã chế biến đúng cách có thể mang lại một lo
TỔNG QUAN
Giới thiệu
1.1.1 Lý do chọn đề tài:
Thịt heo là món ăn phổ biến tại Việt Nam nhờ giàu dinh dưỡng, dễ chế biến thành nhiều món ngon đa dạng (luộc, rang, chiên, nướng, kho) và dễ tiêu hóa, không gây ngán Sự sẵn có tại chợ truyền thống và siêu thị hiện đại càng tăng thêm tính phổ biến Thịt heo là nguồn cung cấp protein dồi dào (26% khi tươi, lên đến 89% khi làm khô), cùng các axit amin thiết yếu cho sự phát triển cơ thể.
Thịt ở Việt Nam cần được cấp đông để bảo quản tốt hơn trong điều kiện khí hậu bình thường.
Vi khuẩn, đa dạng về hình dạng và kích thước, là thành phần chính của hệ sinh vật trên Trái Đất Tuy mang lại lợi ích nhất định, phần lớn vi khuẩn gây hại, đặc biệt trong việc làm hỏng thực phẩm.
Vi sinh vật đơn bào, gây ra nhiều bệnh phổ biến như ngộ độc thực phẩm và các bệnh lây truyền
Nấm, chúng phát triển trong môi trường ẩm ướt và ấm áp, thường trên các vật chất đã chết hoặc thối rữa
Thân nhiệt và độ ẩm cao thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật và nấm mốc, gây hại cho thực phẩm.
Các nguyên nhân chính dẫn đến sự hỏng của thực phẩm bao gồm:
Enzim trong thực phẩm ảnh hưởng cấu trúc, tính chất, màu sắc, vị và chất lượng dinh dưỡng Tác động này giảm khi nhiệt độ thấp.
Vi khuẩn và nấm gây nhiễm thực phẩm từ môi trường, phát triển mạnh trong điều kiện ẩm ướt, ấm áp, làm thay đổi mùi vị, màu sắc, gây hư hỏng và ảnh hưởng sức khỏe người tiêu dùng.
Thực phẩm hư hỏng do vi sinh vật sản sinh độc tố hoặc quá trình oxy hóa, gây biến đổi chất lượng và tính chất sản phẩm.
Do đó mục tiêu của nghiên cứu là bảo quản chất lượng thực phẩm một được cách lâu dài bằng cách cấp đông thực phẩm thịt [3]
1.1.3 Phương pháp tiến hành thực hiện
Nghiên cứu thiết kế hệ thống cấp đông thịt heo công suất nhỏ tối ưu, bao gồm khảo sát thị trường thịt heo Việt Nam, lựa chọn thiết bị và môi chất lạnh phù hợp, xác định thông số nhiệt độ cấp đông, và xây dựng quy trình công nghệ dựa trên nghiên cứu lý thuyết Mô hình thiết bị thí nghiệm sẽ được thiết kế và trình bày.
Tổng quan nguyên liệu thịt heo
Thịt lợn là một nguồn dinh dưỡng đa dạng, cung cấp đầy đủ các chất cần thiết cho cơ thể Trong mỗi 100 gram thịt lợn, chúng ta có:
Thịt lợn nửa nạc - nửa mỡ cung cấp:
- 9mg canxi và 178mg phosphor 1.5mg sắt giúp tránh thiếu máu,
- 1.91mg kẽm, 285mg kali và 55mg 10μg vitamin A
- 7mg canxi và 190mg phosphor 1.5mg sắt giúp tránh thiếu máu
- 2.5mg kẽm 341mg kali và 76mg natri
- 8mg canxi và 156mg phosphor
- 318mg kali và 42mg natri
1.2.2 Lợi ích của thịt heo đối với sức khỏe
Thịt lợn là nguồn protein chất lượng cao, thiết yếu cho việc duy trì và phát triển khối cơ, đặc biệt quan trọng trong việc ngăn ngừa suy giảm cơ bắp (sarcopenia) – tình trạng phổ biến ở người cao tuổi, gây giảm khối lượng cơ và chất lượng cuộc sống Thiếu protein làm tăng tốc độ suy giảm cơ bắp theo tuổi tác, vì vậy bổ sung thịt lợn hoặc các thực phẩm giàu protein khác giúp bảo vệ và duy trì sức khỏe cơ bắp.
Thịt heo giàu protein xây dựng và duy trì cơ bắp, cung cấp năng lượng (chất béo), hỗ trợ xương và răng (canxi, phosphor), ngăn ngừa thiếu máu (sắt), tốt cho da (kẽm), cân bằng điện giải (kali, natri), và bảo vệ thị lực (vitamin A).
1.2.3 Nhu cầu tiêu thụ thịt heo tại Việt Nam
Năm 2021 và 2022, Việt Nam là nước sản xuất thịt lợn lớn thứ 6 thế giới, chiếm 2,4% và 2,5% sản lượng toàn cầu Đồng thời, Việt Nam cũng đứng thứ 6 trong danh sách các quốc gia tiêu thụ thịt lợn nhiều nhất, với tỷ lệ tiêu thụ đạt 105,4% sản lượng, cho thấy khả năng đáp ứng khoảng 95% nhu cầu nội địa Mỗi người Việt Nam trung bình tiêu thụ 32kg thịt lợn mỗi năm.
Tổng quan về hệ thống cấp đông
1.3.1 Tính cần thiết của hệ thống cấp đông
Nhu cầu sử dụng kho lạnh cấp đông tại Việt Nam tăng mạnh, thúc đẩy bởi sự bùng nổ thị trường và tháo gỡ rào cản thương mại Ngành sản xuất và chế biến nông sản, thủy sản, hải sản có tương lai sáng, cả trong và ngoài nước, nhất là thị trường Châu Âu.
Kho lạnh cấp đông là thiết yếu trong chuỗi cung ứng thực phẩm hiện đại, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng và an toàn thực phẩm, đặc biệt đối với các sản phẩm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe Việc bảo quản và chế biến sản phẩm đòi hỏi tiêu chuẩn chất lượng cao hơn.
Hệ thống lưu trữ lạnh/cấp đông và chế biến thực phẩm ngày càng quan trọng để đáp ứng nhu cầu tăng cao, tối ưu hoá quá trình từ thu hoạch/đánh bắt đến tạo giá trị gia tăng sau chế biến.
Ngành công nghiệp kho lạnh Việt Nam phát triển mạnh mẽ trong 20 năm qua, khởi đầu từ năm 1996 với dự án liên doanh Konoike Vinatrans – kho lạnh cấp đông đầu tiên do Konoike Transport (Nhật Bản) cùng Vinatrans, Vinalink và Vinafreight hợp tác xây dựng.
Năm 1998, Swire Cold Storage (Úc) xây dựng các kho lạnh hiện đại tại Việt Nam Từ năm 2007, thị trường kho lạnh Việt Nam phát triển mạnh mẽ với sự xuất hiện của các kho lạnh quy mô lớn, điển hình là hệ thống kho lạnh 40.000 tấn của Hùng Vương, đáp ứng nhu cầu của doanh nghiệp này và hỗ trợ ngành thủy sản, bán lẻ.
Thị trường kho lạnh cấp đông Việt Nam thu hút sự quan tâm của các nhà cung cấp trong và ngoài nước, tạo tiềm năng tăng trưởng cho ngành lưu trữ, bảo quản hàng hóa và thúc đẩy logistics, chuỗi cung ứng.
Có ba cấp độ chính trong quá trình làm lạnh thực phẩm:
- Làm lạnh: Quá trình này xảy ra khi nhiệt độ của sản phẩm sau khi xử lý nằm trong khoảng từ 0 °C đến 20 °C
Làm lạnh đông, hay cấp đông, là quá trình làm giảm nhiệt độ sản phẩm xuống từ -100°C đến nhiệt độ đóng băng của sản phẩm.
Làm lạnh thâm độ đạt nhiệt độ từ -100°C đến -273°C, là giai đoạn cuối cùng của quá trình làm lạnh.
Các cấp độ làm lạnh bảo quản thực phẩm ở từng giai đoạn, đảm bảo sản phẩm tươi ngon và an toàn.
Dựa vào tốc độ cấp đông, quy định có thể được phân loại như sau:
- Cấp đông chậm: Được xác định khi tốc độ cấp đông dưới 0,5 cm/h và thời gian cấp đông lớn hơn 10 giờ
- Cấp đông nhanh: Được xác định khi tốc độ cấp đông nằm trong khoảng từ 1 đến 3 cm/h và thời gian cấp đông nằm trong khoảng từ 2 đến 6 giờ
- Cấp đông cực nhanh: Được xác định khi tốc độ cấp đông lớn hơn hoặc bằng 15 cm/h và thời gian cấp đông dưới 20 phút
Phân loại thực phẩm theo tốc độ cấp đông tối ưu hóa phương pháp và thời gian bảo quản, đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm.
1.3.3 Phương pháp và thiết bị
Có một loạt các phương pháp và thiết bị được sử dụng để kết đông thực phẩm, bao gồm:
Kho cấp đông gió (Air Blast Freezer) sử dụng luồng không khí lạnh khô để làm đông thực phẩm nhanh chóng, loại bỏ nhiệt bên trong hiệu quả.
Tủ cấp đông tiếp xúc (Contact Freezer): Thực phẩm tiếp xúc trực tiếp với bề mặt lạnh để làm nguội nhanh
Tủ cấp đông gió (Air Blast Freezer): Tương tự như kho cấp đông gió, tủ này sử dụng luồng không khí lạnh để làm nguội thực phẩm
Các hệ thống cấp đông dạng rời, và có băng chuyền IQF (Individual Quickly Freezer):
Hệ thống cấp đông băng chuyền thẳng (Straight I.Q.F) cấp đông thực phẩm từng mẫu riêng lẻ trên băng chuyền, giữ nguyên hình dáng và chất lượng.
- Hệ thống cấp đông có băng chuyền dạng xoắn (Spiral I.Q.F): Thực phẩm được đưa qua băng chuyền xoắn ốc, tối ưu hóa diện tích và quá trình cấp đông
- Hệ thống cấp đông siêu tốc (Impingement I.Q.F): Sử dụng luồng không khí lạnh và áp suất cao để cấp đông thực phẩm nhanh chóng và đồng đều
- Hệ thống cấp đông nhúng N2 lỏng: Thực phẩm được ngâm trong nitơ lỏng để cấp đông nhanh và hiệu quả
Phương pháp và thiết bị cấp đông thực phẩm đa dạng, mỗi loại có ưu nhược điểm riêng, tùy thuộc vào loại thực phẩm và yêu cầu bảo quản.
Tủ cấp đông gió (Air Blast Freezer) là thiết bị cấp đông công suất nhỏ phổ biến tại Việt Nam.
Kết cấu và các đặc tính của tủ cấp đông gió
Hình 1.2 Cấu tạo tủ cấp đông gió
Tủ đông gió được xây dựng với cấu trúc chắc chắn và khả năng di chuyển dễ dàng khi cần thiết Tủ có các thành phần sau:
Tủ lạnh sử dụng vỏ cách nhiệt polyurethane 150mm (40-42 kg/m³, λ=0.018-0.020 W/m.K), bọc inox 0.6mm hai lớp.
Tủ lạnh công nghiệp gồm 2 buồng độc lập, mỗi buồng có 2 cánh cửa inox 0.6mm, kích thước 800W x 1900H x 125T (mm), tích hợp điện trở sấy chống đóng băng, bản lề và tay khóa inox, chịu lạnh cao.
- Khung tủ: Khung tủ sử dụng chất liệu là thép chịu lực, được mạ kẽm và bọc bên ngoài bằng gỗ chống cầu nhiệt ở những vị trí cần thiết
Hệ thống dàn lạnh sử dụng thép mạ kẽm hoặc inox, chứa ống, cánh tản nhiệt và vỏ, được thiết kế cho môi chất NH3 và đặt trên sàn tủ Đường ống, máng hứng nước cũng bằng thép mạ kẽm, trang bị mô tơ quạt chống ẩm có điện trở chống đóng băng.
Tủ đông được thiết kế với giá đỡ đa tầng trong mỗi ngăn, giúp tối ưu khả năng chứa khay và đảm bảo lưu thông không khí lạnh hiệu quả nhờ khoảng cách giữa các tầng được tính toán hợp lý.
Khay cấp đông inox 2mm, thiết kế lỗ thoáng khí tối ưu tuần hoàn không khí Khả năng điều chỉnh lượng hàng hóa linh hoạt theo công suất tủ, đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Các thông số kích thước của tủ như sau:
Bảng 1 1 Thông số kích thước tủ đông gió
Mô hình của hệ thống
Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý tủ đông gió
Hệ thống bao gồm máy nén, tháp giải nhiệt, các bình chứa (chứa, ngưng, tách dầu, tách lỏng, chống tràn, thu hồi dầu, trung gian), tủ đông gió, bể nước xả băng, và bơm (xả băng, giải nhiệt).
Hình 1 4 Mô hình thiết kế tủ cấp đông gió theo kích thước tính toán
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chu trình lạnh 1 cấp
2.1.1 Chu trình khô, Nguyên lý hoạt động:
Chu trình khô là chu trình có hơi hút về máy nén là hơi bảo hòa khô:
Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý của chu trình khô
MN - Máy nén, TBNT - Thiết bị ngưng tụ, TL - Thiết bị tiết lưu, TBBH - Thiết bị bay hơi
Chu trình hoạt động bắt đầu từ hơi bão hòa khô (trạng thái 1) được máy nén tăng áp suất và nhiệt độ (trạng thái 2), ngưng tụ thành chất lỏng ở áp suất cao (trạng thái 3), giảm áp và nhiệt độ qua thiết bị tiết lưu (trạng thái 4) rồi cuối cùng bay hơi, hấp thụ nhiệt và trở lại trạng thái 1, lặp lại chu trình.
2.1.2 Đồ thị tính toán và chu trình, Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Xác định các điểm nút:
Sơ đồ T-s thể hiện các điểm đặc trưng: điểm 1 (p=p0, x=1 hoặc t=t0, x=1); điểm 2 (p=pk, s=s1 hoặc t=tk, s=s1); điểm 3 (p=pk, x=0 hoặc t=tk, x=0); và điểm 4 (p=p0, h=h3 hoặc t= ).
Các quá trình chủ yếu của chu trình khô:
- 1 – 2: Quá trình nén hơi đoạn nhiệt (s1=s2 hoặc rs = 0 trong vùng hơi quá nhiệt
- 1 – 2’: Làm mát hơi quá nhiệt từ nhiệt độ cuối tầm nén đến nhiệt độ ngưng tụ
- 2’ – 3: Ngưng tụ hơi môi chất lỏng từ nhiệt độ cao qua thải nhiệt cho môi trường làm mát nước hoặc không khí
Quá trình tiết lưu làm giảm nhiệt độ và áp suất của môi chất (h3 = h4), nhưng tăng entropy (s4 > s3), tạo nên quá trình đoạn nhiệt không thuận nghịch.
- 4 – 1: Quá trình bay hơi môi chất lỏng đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp (t4 = t1 = t0) để thu nhiệt của môi trường lạnh
❖ Sơ đồ nguyên lý hệ thống
- Cấp dịch: bao gồm Phương pháp cấp dịch và sử dụng hệ thống ngập lỏng từ bình chống tràn
- Xả băng: thực hiện thông qua hệ thống bơm riêng biệt để đảm bảo quá trình xả băng hiệu quả
- Kiểu cấp đông: Sử dụng phương pháp đông gió cưỡng bức
- Nhiệt độ của sản phẩm khi bắt đầu quá trình cấp đông: Trong khoảng từ +10 đến
- Nhiệt độ trung bình của sản phẩm sau khi cấp đông đạt khoảng -20 ℃
- Nhiệt độ tâm của sản phẩm sau cấp đông đạt -25 ℃
- Thời gian cấp đông thường mất từ 1 đến 2 giờ cho mỗi lô sản phẩm
- Sản phẩm được cấp đông: Thịt lợn
- Số ngăn cấp đông: Có thể chọn từ 2, 4, 6 hoặc 8 ngăn Mỗi ngăn có thể chứa khoảng 50 hoặc 62,5kg sản phẩm
Dưới đây là công suất và số ngăn tương ứng:
Bảng 2 1 Số lượng vách ngăn các tủ đông gió
Tủ đông gió là giải pháp tiết kiệm chi phí, lý tưởng cho doanh nghiệp nhỏ và vừa, đáp ứng hiệu quả nhu cầu bảo quản đông lạnh với số lượng hàng hóa ít, nhờ chi phí đầu tư thấp và vận hành linh hoạt.
Dây chuyền cấp đông I.Q.F chỉ phù hợp với doanh nghiệp có quy mô lớn, cần chế biến và khai thác sản lượng sản phẩm đông lạnh cao.
Tính nhiệt tủ đông gió
2.2.1 Tổn thất do truyền nhiệt qua kết cấu bao che
Tủ bao gồm vách và cửa với độ dày khác nhau, dẫn đến tổn thất nhiệt Q1 chia thành hai phần: tổn thất ở vách tủ và tổn thất ở cửa tủ.
Fv và Fc – Diện tích bề mặt của vách và cửa, m 2 ;
Sự chênh lệch nhiệt độ ∆t giữa bên trong và bên ngoài tủ đông là 47°C (27°C - (-20°C)) Hiệu quả cách nhiệt phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt của vách (kv) và cửa (kc), tính bằng W/m².K.
Và được xác định bằng: k 1
𝛼1 – là hệ số tỏa nhiệt ngoài vách 𝛼 1 = 23,3 W/𝑚 2 K
𝛼2 –Là hệ số tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức bên trong tủ, ta lấy 𝛼 2 = 10,5 W/𝑚 2 K
Lớp vặt liệu của panel và trần là:
Bảng 2 2 Các lớp cách nhiệt tủ đông gió
2.2.2 Tổn thất do làm lạnh sản phẩm
Tổn thất 𝑄 2 gồm 3 phần chính:
- Tổn thất do sả phẩm đem vào 𝑄 21
- Tổn thất do làm lạnh khay và giá cấp đông 𝑄 22
- Tổn thất do làm lạnh các thiết bị trong tủ 𝑄 23
2.2.2.1 Tổn thất do làm lạnh sản phẩm
Tổn thất nhiệt do làm lạnh sản phẩm được tính theo công thức sau:
M – Khối lượng nguyên liệu trong một mẻ, kg i1, i2 – Entanpy nhiệt độ đầu vào và đầu ra của sản phẩm, J/kg;
Sản phẩm được cấp đông với nhiệt độ vào 10-12°C và đạt nhiệt độ trung bình -20°C sau khi cấp đông Thời gian cấp đông mỗi mẻ từ 1,5 đến 2,5 giây, tùy thuộc loại sản phẩm.
2.2.2.2 Tổn thất gây ra do làm lạnh khay
Tổn thất gây ra do phải làm lạnh khay cấp đông được xác định qua:
Mkh – Khối lượng tổng của khay cấp đông, kg;
Cp – Nhiệt dung riêng của vật liệu khay cấp đông, J/kg.K; t1, t2 – Nhiệt độ của khay trước và sau khi cấp đông, o C;
Tham khảo tủ đông gió ta thấy thường sử dụng khay cấp đông loại 5kg
2.2.2.3 Tổn thất do phải làm lạnh các thiết bị trong tủ
Tính nhiệt tải của tủ đông gió cần tính đến tổn thất nhiệt làm lạnh thiết bị bên trong, theo công thức [thêm công thức vào đây].
Mi – Khối lượng thiết bị thứ i, kg;
Cpi – nhiệt dung riêng của thiết bị thứ i, J/kg.K;
∆𝑡 – Độ chênh lệch nhiệt độ trước và sau cấp đông, o C ;
𝜏 - Thời gian làm việc của một mẻ cấp đông, giây
Sau khi xả băng, tủ đông gió thường tăng nhiệt độ đáng kể, dẫn đến thất thoát nhiệt ra môi trường.
Tổn thất nhiệt trong quá trình xả băng được tính bằng công thức sau:
Q3 –L 𝜏 – Là thời gian được cấp đông, giây; à công suất nhiệt do xả băng mang vào, W;
Nhiệt lượng Q tỏa ra khi xả băng được tính toán dựa trên hai phương pháp: tỷ lệ phần trăm nhiệt độ xả băng và độ tăng nhiệt độ không khí trong phòng Bài toán này áp dụng phương pháp tính dựa trên độ tăng nhiệt độ không khí trong buồng.
𝜌 𝑘𝑘 – Là khối lượng riêng của không khí, 𝜌 𝑘𝑘 = 1,2 kg/m 3
V –là dung tích tủ đông gió, m 3 ;
𝐶 𝑝𝑘 - Là nhiệt dung rieng của khôg khí , J/kg.K
∆𝑡 – độ tăng nhiệt độ của không khí bên trong tủ sau khi được xả băng, o C
2.2.4 Tổn thất do động cơ quạt
Dòng nhiệt gây ra do các động cơ quạt của dàn lạnh được xác định theo công thức:
N – Là công suất của động cơ điện, kW; n – số lượng quạt của tủ đông gió
Theo tham khảo thì ta chọn mỗi ngăn tủ có 4 quạt Thiết kế 2 ngăn thì có tất cả 8 quạt.
Công thức áp dụng tính toán tủ đông gió
2.3.1 Kích thước của tủ cấp đông gió
0,45 = 0,89 m 3 Với: gv: hệ số chất tải thực, t/m 3
Theo tài liệu “kỹ thuật lanh ứng dụng của Nguyễn Đức Lợi” có năng suất tủ 400 kg/mẻ, chọn gv = 0,45 t/m 3
Tủ đông công suất 400kg/mẻ có chiều cao phủ bì 2900mm, chiều cao trong 2700mm và khoảng hở 500mm Chiều cao chất tải tối ưu được chọn là 2000mm (từ 1900mm đến 2200mm).
Diện tích kho lạnh là 0,445 m² Tuy nhiên, chỉ sử dụng 50% diện tích (0,445 m²) để tính toán hệ số tải lạnh do 50% diện tích còn lại dùng cho dàn lạnh và hệ thống gió Do đó, diện tích sử dụng thực tế là 0,89 m².
Vậy ta chọn kích thước bên trong tủ như sau:
Bảng 2 3 Kích thước tủ cấp đông
Năng suất Kích thước ngoài
Dung tích m 3 Hệ số chất thải thực g v , t/m 3
Với năng suất 400kg/mẻ, hệ thống tủ đông gió có số ngăn cấp đông đa dạng (2-8 ngăn), mỗi ngăn chứa 50-250kg thực phẩm.
- Mỗi ngăn có sức chứa 200kg
- Kích thước bên trong 1 ngăn:
Bảng 2 4 Kích thước ngăn tủ
Kích thước 1 ngăn Sâu Rộng Cao
Mỗi ngăn tủ được trang bị cánh cửa inox 0.6mm, cách nhiệt bằng polyurethane 125mm, tích hợp điện trở sấy chống đóng băng, bản lề và tay khóa inox, cùng gioăng chịu nhiệt cao, đảm bảo kín khít và chống đọng sương.
2.3.4 Xác định số khây sản phẩm
Tủ đông công nghiệp có kệ đỡ khay, mỗi ngăn chứa 200kg (4 tầng x 50kg/tầng), khoảng cách giữa các tầng 500mm Thiết kế 2 ngăn sẽ có 2 kệ tương ứng.
Kích thức kệ đựng hàng:
Sâu x Rộng x Cao = 1300 x 2300 x 2300 (mm) Với chân kệ cao 300 mm
Lựa chọn kích thước khay đựng sản phẩm phù hợp với từng loại hàng hóa Đối với bảo quản thịt lợn, khay một tầng là thích hợp.
Số tầng trên kệ để khay sản phẩm: 4 tầng
Vậy ta có số khay để sản phẩm là 10 khay/1 tầng, tổng trên 8 tầng có 80 khay, chọn inox làm vật liệu làm khay có chiều dày 2 mm
2.3.5 Tính phụ tải nhiệt tủ cấp đông
Tổn thất nhiệt ở tủ cấp đông gồ có:
- Tổn thất nhiệt gây ra qua kết cấu bao che
- Tổn thất nhiệt gây ra do phải làm lạnh sản phẩm và khay cấp đông, giá khay cấp đông và cả các thiết bị trong tủ cấp đông
- Tổn thất gây ra do xả băng
- Tổn thất gây ra do động cơ quạt
- Tổn thất do mở cửa tủ
2.3.5.1 Tổn thất nhiệt do kết cấu bao che
Tổn thất nhiệt do truyền qua vách tủ Q 11
Q11 = kv Fv (tN - tT) ( W ) Trong đó kv:là hệ số truyền nhiệt vách, W/m 2 K
Fv: diện tích của bề mặt truyền nhiệt vách, m 2 tT, tN: lần lượt là nhiệt độ không khí bên trong là -20℃ và ở bên ngoài của tủ cấp đông là 27 o C
Vách tủ sử dụng panel polyurethane δ10mm (λ1 = 0,019 W/m².K) và 2 lớp tôn (δ2 = 0,6mm, λ2 = 45,3 W/m².K) bọc hai mặt.
Hình 2 3 Lớp vật liệu cách nhiệt
Bảng 2 5 Thông số các lớp cách nhiệt của tủ
Ta có hệ số truyền nhiệt là: kv = 1 1
𝛼 1 : là hệ số tỏa nhiệt bên ngoài vách 𝛼 1 = 23,3 W/m 2 K
𝛼 2 : là hệ số tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức bên trong tủ, lấy 𝛼 2 = 10,5 W/m 2 K
=> Tổn thất nhiệt qua vách:
Tổn thất do truyền nhiệt qua cửa Q 12
Panel cửa tiêu chuẩn, dày 125mm, sử dụng lõi cách nhiệt polyurethane (λ = 0,019 W/m²K) và hai lớp tôn (0,6mm, λ = 45,3 W/m²K), đảm bảo hệ số truyền nhiệt tối ưu.
Tổn thất nhiệt qua cửa:
Tổn thất nhiệt do kết cấu bao che Q 1 :
2.3.5.2 Tổn thất nhiệt do làm lạnh sản phẩm
Tổn thất do sản phẩm mang vào 𝑸 𝟐𝟏
M: là khối lượng nguyên liệu có trong một mẻ, kg i1, i2: thông số Entanpy đầu vào và ra của sản phẩm khi ra khỏi tủ, J/kg τ: là thời gian cấp đông một mẻ, s
Do lượng sản phẩm đã qua quá trình chờ cấp đông nên ta chọn nhiệt độ sản phẩm đầu vào t1 = 10℃ và nhiệt độ đầu ra của sản phẩm : t2= -18 o C
Tra theo bảng thông số enthapy của sản phẩm ta có: i1 = 241,7 kJ/kg, i2 = 4,6 kJ/kg
𝜏 - Thời gian cấp đông của một mẻ, giây/mẻ Cấp dịch cho tủ đông bằng cách sử dụng bình chống tràn ta có 𝜏 = 4 ÷ 5 giờ, ta chọn 5 giờ
Tổn thất do làm lạnh khay và giá cấp đông 𝑸 𝟐𝟐
Mkh: là khối lượng tổng của khay cấp đông, kg
Khay cấp đông làm bằng nhôm có nhiệt dung riêng 𝐶p = 921 J/kgK Với 80 khay, mỗi khay nặng 2,7 kg, tổng khối lượng khay là 216 kg Nhiệt độ khay trước và sau cấp đông lần lượt là t1 và t2 (oC).
Tổn thất do các thiết bị trong tủ tỏa nhiệt ra 𝑸 𝟐𝟑 = 0
Vậy tổn thất do làm lạnh sản phẩm là:
2.3.5.3 Tổn thất trong quá trình xả băng
𝜏 ( W ) Trong đó: τ : thời gian xả băng, s; ta chọn τ = 20 phút = 1200 s
Q: lượng nhiệt truyền cho không khí trong phòng khi thực hiện xả băng
Với: ρkk : là khối lượng riêng của không khí ρkk = 1,2 kg/m 3
V là dung tích của tủ đông gió, m 3 , V = 48 m 3
Để đảm bảo băng tan hoàn toàn, nhiệt độ trong tủ lạnh sau khi xả băng cần đạt ≤ 0°C Với nhiệt dung riêng của không khí cpk ≈ 1000 J/kgK, ta chọn độ tăng nhiệt độ Δt = 40°C để thực hiện quá trình này.
Vậy tổn thất do xả băng:
2.3.5.4 Tổn thất nhiệt do động cơ quạt
N: đại diện cho công suất động cơ điện, được tính bằng kilowatt (kW) n: đại diện cho số lượng quạt của tủ đông gió
Tủ đông gió thường có nhiều dàn lạnh, mỗi dàn gồm 4 quạt Ví dụ, tủ hai ngăn sẽ có tổng cộng 8 quạt.
8 Công suất của mỗi quạt là 0,37 kW
Vậy tổn thất nhiệt do động cơ quạt là:
2.3.5.5 Tổn thất do mở cửa
B: Dòng nhiệt riêng khi mở cửa, W/m 2
Với dòng nhiệt riêng ta chọn theo bảng thông số dòng nhiệt: B = 32 ( W/m 2 )
Vậy tổn thất nhiệt do mở cửa:
Tổng tổn thất nhiệt của tủ đông gió là:
❖ Tính kiểm tra động sương Để vách không bị đọng sương thì hệ số truyền nhiệt phải thỏa điều kiện sau: k≤ks = 0,95 𝛼 1 𝑡 1 −𝑡 𝑠
Hệ số truyền nhiệt của tủ lạnh được tính theo công thức q = (t1 − t2) (W/m²K), trong đó t1 là nhiệt độ không khí bên ngoài tủ và t2 là nhiệt độ không khí bên trong tủ Nhiệt độ điểm sương (ts) của không khí bên ngoài tủ cũng là một yếu tố cần xem xét.
Tra đồ thị I-d với nhiệt độ bên ngoài 27 ℃ và độ ẩm 74% thì ta được ts = 22 ℃ Do đó ta tính được: ks = 2,35 W/m 2 K => kv và kc < ks
Vì vậy có thể thấy cách nhiệt ở vách và ở cửa đảm bảo không gây đọng sương.
THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC BỘ PHẬN
Tính chọn các bộ phận
Chế độ làm việc của một hệ thống lạnh luôn gồm có 4 nhiệt độ sau:
- Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh 𝑡 0
- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh 𝑡 𝑘
- Nhiệt độ hơi hút về máy nén (nhiệt độ quá nhiệt) 𝑡 𝑞𝑛
Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh được tính theo công thức: t₀ = tb - Δt₀ (°C), với tb là nhiệt độ kho lạnh (-20°C) và Δt₀ là hiệu nhiệt độ yêu cầu (5-10°C) Phương pháp làm lạnh trực tiếp sử dụng hiệu nhiệt độ 50°C (theo tài liệu "Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh – Nguyễn Đức Lợi, trang 205).
Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh: t k = t w2 + Δt k
Trong đó: tw2: là nhiệt độ nước làm mát ra khỏi bình ngưng Δtk: hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu thường lấy từ 3 đến 5 ℃ (Trang 205 sách
“Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh – Nguyễn Đức Lợi”)
Nhiệt độ nước làm mát ra khỏi bình ngưng (tw2) tính theo công thức: tw2 = tw1 + Δtw, trong đó tw1 là nhiệt độ nước vào bình ngưng và Δtw là độ chênh lệch nhiệt độ (khoảng 5℃ đối với bình ngưng vỏ nằm ngang).
Vì đã chọn địa điểm lắp đặt là TP HCM vào mùa hè nên ta lấy nhiệt độ và độ ẩm tại TP
Nhiệt độ trung bình Hồ Chí Minh là 27℃ với độ ẩm 74%, cho nhiệt độ ướt tw = 23,38℃ Tính toán cho thấy tw1 = 26,38℃, tw2 = 31,38℃ và nhiệt độ khô tk = 35,38℃.
Từ t o và tk ta tra bảng các thông số của NH3 có p o và p k :
Tùy theo môi chất, như đối với môi chất NH3: Δ 𝑡 𝑞𝑛 = 5 8 (℃) và Δ 𝑡 𝑞𝑙 = 2 5 (℃)
Vậy tỉ số nén là :
=> Ta chọn chu trình máy nén một cấp
3.1.2 Tính toán chu trình một cấp
Các điểm quá trình của sơ đồ một cấp và đồ thị lgp-i:
- Quá trình 1’-1 là quá nhiệt hơi hút
- Quá trình 1-2 là nén đoạn nhiệt
- Quá trình 2-3’là ngưng tụ
- Quá trình 3’-3 là quá lạnh
- Quá trình 3-4 là tiết lưu
- Quá trình 4-1’là bay hơi của môi chất lạnh
Hình 3.1 Đồ thị chu trình log p-i
Từ các thông số p o , t o và p k , t k tra theo đồ thị lgp-i ta được các thông số sau
Bảng 3.1 Thông số các điểm nút Điểm nút t ( 0 C) p (bar) i (kJ/kg) v (m 3 /kg)
Từ các thông số đã tìm được ở trên ta tính được:
Năng suất lạnh riêng: qo = i1’ – i4 = 1435,25- 344,52= 1090,73 (kJ/kg)
Công nén riêng: l = i2 – i1 = 1782,67 – 1441,39= 341,28 (kJ/kg)
Công suất nhiệt: qk = i2 – i3 = 1782,67 – 344,52 = 1438,15 (kJ/kg)
Hệ số làm lạnh của chu trình:
3.1.3 Tính nhiệt chu trình một cấp
Nhiệt tải của máy nén:
Năng suất lạnh của máy nén được tính như sau:
Công suất máy nén lạnh (b) tính theo công thức: b (kW) = (22/24) * 1.12 Trong đó, 22/24 là hệ số thời gian hoạt động và 1.12 là hệ số tổn thất trên đường ống và thiết bị do sử dụng phương pháp làm lạnh gián tiếp.
Năng suất lạnh riêng khối lượng: qo 90,73 ( kJ/kg )
Năng suất khối lượng thực tế : mtt = Q 0 q 0 = 9,04
Năng suất thể tích thực tế của máy nén:
Thể tích hút lý thuyết:
Do máy sử dụng hơi freon có pms biến thiên từ 0,049 – 0,069 Mpa pms : áp suất ma sát riêng ( chọn pms = 0,055 )
Ne = Ni + Nms = 3,63 + 1,078 = 4,708 ( kW ) Với hiệu suất truyền đai : ηtđ = 0,95 ηel = 0,85 : hiệu suất động cơ
5,83 = 0,485H,5% Để đảm bảo hệ thống lạnh vận hành ổn định thì công suất của động cơ khi lắp đặt phải từ (1,12,1) lớn hơn Nel
=> Công suất động cơ: Nđc = 2 Nel = 2 5,83= 11,66 ( kW )
Chọn máy nén làm việc phù hợp với chế độ như sau:
- Nhiệt độ bay hơi của môi chất: t0 = -25 ℃
- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 35,38 0 C
Ta chọn máy nén trục vít Model OSNA5351-K
Hình 3.2 Thông số kỹ thuật của máy nén trục vít Model OSNA5351-K
Hình 3.3 Thông số kỹ thuật của máy nén trục vít Model OSNA5351-K (tiếp theo)
Hình 3.5 Thông số kỹ thuật của máy nén trục vít Model OSNA5351-K (tiếp theo)
Tính chọn thiết bị ngưng tụ
Hình 3.6 Nguyên lý cấu tạo của thiết bị ngưng tụ
Hệ thống bao gồm đường nối van an toàn (1), ống nối bình chứa (2), đường vào hơi amoniac (3), áp kế (4), đường nối van xả khí không ngưng (5), van xả khí đặt trong khoang nước (6), đường thoát/vào nước làm mát (7, 8), van xả nước điều chỉnh lượng nước (9), và đường thoát gas lỏng (10).
Thiết bị ngưng tụ, thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt, làm mát hơi môi chất lạnh áp suất cao từ máy nén bằng không khí hoặc chất lỏng nhiệt độ thấp, giúp ngưng tụ hơi thành chất lỏng, kiểm soát quá trình làm lạnh.
Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: k tb
Qk: phụ tải nhiệt, kW
F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m 2 ttb
: Hiệu nhiệt độ trung bình logarit, K k: hệ số truyền nhiệt, đối với bình ngưng ống vỏ nằm ngang NH3 thì k = 700 1000 (W/m 2 K) chọn k= 800 [W/m 2 K] (Theo bảng 8-6 trang 263 sách
“Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh – Nguyễn Đức Lợi”) tmax
: hiệu nhiệt độ lớn nhất (ở phía nước vào)
: Hiệu nhiệt độ nhỏ nhất (ở phía nước ra)
=> Độ chênh nhiệt độ trung bình:
ttb = Δt max − Δt min ln Δtmax Δtmin
Bài toán thiết kế hệ thống lạnh sử dụng bình ngưng ống vỏ nằm ngang NH3, với công suất Qk = 11,93 kW (tính toán từ Qk= 1438,15.0,0083), lựa chọn model KTT-10 dựa trên bảng 8.1 sách "Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh" của Nguyễn Đức Lợi (trang 249).
Tính chọn thiết bị bay hơi
𝑘.∆𝑡Trong đó: k là hệ số truyền nhiệt W/m 2 K, tra theo bảng hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi của
Theo tài liệu "Sách hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh Nguyễn Đức Lợi trang 282", hệ số truyền nhiệt của bình bay hơi ống vỏ NH3 được chọn là k = 500 W/m².K, với hiệu nhiệt độ trung bình logarit ∆t = 5℃ giữa chất tải lạnh và môi chất lạnh.
C họn thiết bị bay hơi vỏ ống nằm ngang NH3 có Model HKT-40 theo bảng tra “Sách hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh của Nguyễn Đức Lợi trang 283”
Các thiết bị phụ
- Van một chiều chỉ cho phép chất di chuyển theo một hướng cụ thể
- Van khoá được sử dụng để ngắt hoặc mở dòng chảy của môi chất lạnh trong quá trình bảo trì hoặc sửa chữa hệ thống lạnh
Van tiết lưu màng cân bằng ngoài đảm bảo cung cấp chất lạnh ổn định cho thiết bị bay hơi, ngăn ngừa thiếu hụt môi chất lạnh và ngừng hoạt động máy nén.
- Van an toàn đề phòng các nguy cơ tiềm ẩn và thường được lắp đặt tại máy nén hoặc bình chứa áp suất cao
Phin sấy, phin lọc, và mắt gas bảo vệ đường ống khỏi ăn mòn, hỏng hóc, giảm tiếng ồn và đo áp suất, loại bỏ tạp chất.