Có thể kiểm soát độ ẩm, nhiệt độ để bảo quản sản phẩm được chất lượng tốt nhất.. - Mái kho lạnh không được để xảy ra hiện tượng đọng nước và thấm nước, nếu kho lạnh có kích thước mặt bằn
TỔNG QUAN
Tổng quan về nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu này đóng góp vào lĩnh vực thiết kế công trình, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng của con người và xã hội Nghiên cứu bao gồm phân tích, tính toán và thiết kế hệ thống lạnh cấp đông, đồng thời tìm kiếm các giải pháp tối ưu hóa và tiết kiệm điện năng Việc áp dụng các kỹ thuật mới trong thiết kế sẽ giúp hệ thống hoạt động ổn định lâu dài, đáp ứng tốt nhu cầu của người tiêu dùng.
Ngành công nghiệp nóng lạnh đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống con người, ảnh hưởng đến mọi lĩnh vực Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời trong ngành điều hòa không khí được xem là một biện pháp hiệu quả để giảm lượng CO2 thải ra môi trường.
Tình hình nguyên cứu
1.2.1 Tình hình nguyên cứu ở ngoài nước
Sau Covid-19, bất động sản kho lạnh đã ghi nhận mức tăng gần 30%, vượt trội hơn so với các ngành khác Sự gia tăng này chủ yếu xuất phát từ nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng đối với thực phẩm tươi sống và đông lạnh, thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực kho lạnh.
Năm 2022, quỹ đầu tư bất động sản kho lạnh dự kiến đạt 5 tỷ USD, nhờ vào nhu cầu ngày càng tăng và nguồn cung không đủ Tình hình này mở ra cơ hội đầu tư hấp dẫn cho các nhà đầu tư.
1.2.2 Tình hình nguyên cứu ở trong nước
Ngành kho lạnh Việt Nam đã phát triển mạnh mẽ trong hơn hai thập kỷ qua, với dự báo doanh thu đạt khoảng 295 triệu USD vào năm 2025 Các doanh nghiệp nội địa đang nhanh chóng khai thác thị trường tiềm năng này, đặc biệt là ở miền Bắc và miền Trung, nơi nhu cầu dịch vụ kho lạnh ngày càng tăng Xu hướng này mở ra cơ hội hấp dẫn cho cả doanh nghiệp trong và ngoài nước.
Lý do chọn đề tài
Rau quả, đặc biệt là chanh, là nguồn thực phẩm phong phú vitamin và khoáng chất thiết yếu cho cơ thể con người, do đó chúng đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu trong chế độ ăn uống hàng ngày.
Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới, có nguồn rau quả phong phú quanh năm, nhưng độ ẩm cao dễ dẫn đến thối hư sản phẩm nếu trồng theo mùa vụ Việc thu hoạch theo mùa có thể gây thiếu hụt nguyên liệu trong những dịp trái mùa Do đó, giải pháp hiệu quả là bảo quản rau củ tươi lâu, trong đó phương pháp bảo quản trong kho lạnh hiện nay được coi là hữu ích nhất, giúp rau quả giữ được hương vị tươi ngon trong thời gian dài.
Mục tiêu và nhiệm vụ
- Nghiên cứu kho lạnh bảo quản nho với năng suất 500kg
- Nghiên cứu nguyên lí hoạt động của hệ thống
- Tính toán thiết kế và chọn thiết bị cho hệ thống
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mô tả hệ thống
Hình 1.1: Kho lạnh thực phẩm
Kho lạnh bảo quản là giải pháp hiệu quả để lưu trữ thực phẩm, nông sản, rau củ quả và các sản phẩm công nghiệp trong điều kiện kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ Trong khí hậu nhiệt đới gió mùa với nhiệt độ cao và nhiều giờ nắng, thực phẩm dễ hư hỏng khi để bên ngoài Do đó, việc sử dụng kho lạnh giúp bảo quản thực phẩm lâu dài, đảm bảo chất lượng và độ tươi ngon tối ưu.
Tổng quan kho lạnh
Kho lạnh là một hệ thống lưu trữ được thiết kế để điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm, giúp bảo quản lâu dài các sản phẩm nông sản, trái cây, rau củ và nguyên liệu hóa chất trong nông nghiệp cũng như y dược Nó được ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở chế biến, xưởng sản xuất và cả trong gia đình, đảm bảo hiệu quả bảo quản cao nhất cho các mặt hàng này.
2.2.2 Mục đích và ý nghĩa của kho lạnh trong cuộc sống
Môi trường sống của con người chứa đựng nhiều yếu tố quan trọng, và việc khai thác tối ưu nguồn năng lượng từ môi trường, bao gồm cả không khí lạnh, là một minh chứng cho sự thông minh của con người.
Kỹ thuật lạnh đã trở thành một phần quan trọng trong việc dự trữ thức ăn, nhờ vào sự phát triển không ngừng của công nghệ và hiểu biết con người Ứng dụng của kỹ thuật lạnh không chỉ ảnh hưởng đến ngành thực phẩm mà còn mở rộng ra nhiều lĩnh vực kinh tế khác.
- Trong y tế: bảo quản thuốc, máu,
- Trong công nghiệp nặng: hạ nhiệt, đúc khuôn,
Việt Nam, với sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực nông nghiệp và xuất khẩu thực phẩm, cần thiết bị bảo quản thực phẩm để thúc đẩy giao thương hiệu quả Kỹ thuật đông lạnh đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản thực phẩm, giúp duy trì độ tươi ngon và hạn chế tình trạng hư thối.
Sơ đồ nguyên lí kho lạnh
Cấu tạo bao gồm các bộ phận: 1/ Máy nén; 2/ Bình chứa; 3/ Bình ngưng; 4/
Bình tách dầu; 5/ Bình tách lỏng; 6/ Dàn lạnh; 7/ Tháp giải nhiệt; 8/ Bơm; 9
Bình trung gian; 10/ Bộ lọc; 11/ Bể nước; 12/ Bơm xả băng.
Công thức tính toán
- Tính thể tích kho lạnh:
𝑔𝑣 ; m 3 Trong đó: V là thể tích kho e là dung tích buồng lạnh gv là mức độ chất thải gv = 0.45 tấn/m 3
- Tính diện tích chất tải trong buồng lạnh:
ℎ ; m 2 Hình 2.1: Cấu tạo và sơ đồ của kho lạnh
5 h là chiều cao chất tải lạnh (m)
- Diện tích cần xây dựng:
BF - hệ số sử dụng diện tích của kho lạnh βF = 0,70 ÷ 0,75 Với điều kiện buồng diện tích nhỏ hơn 100 m2 βF = 0,75 ÷ 0,80 Với buồng diện tích 100 - 400 m2 βF = 0,8 ÷ 0,85 Với buồng diện tích hơn 400 m2
- Bề dày của lớp cách nhiệt: ẟ1 = λ1 [ 1
Trong đó: λi : hệ số truyền nhiệt của vật liệu làm tường
Hệ số truyền nhiệt quy chuẩn được xác định là K = 0.35 W/m2.K Hệ số cấp nhiệt của không khí bên ngoài là α1 = 23.3 W/m2.K, trong khi hệ số cấp nhiệt của không khí trong phòng là α2 = 9 W/m2.K Bên cạnh đó, δi đại diện cho bề dày của vật liệu làm tường.
• t1: nhiệt độ bên ngoài kho bảo quản lạnh đông , ℃
• ts: nhiệt độ đọng sương của không khí bên ngoài , ℃
• t2: nhiệt độ bên trong kho lạnh , ℃
• α1: hệ số cấp nhiệt của không khí bên ngoài W/m2.K
Nhiệt độ bị tổn thất khi vào kho lạnh
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 ; W Trong đó: Q1 là dòng nhiệt thất thoát qua vách
Q2 là nhiệt do sản phẩm tỏa ra
Q3 là nhiệt do vận hành kho
Q4 là dòng nhiệt do thông gió buồng lạnh
- Tính tổn thất qua vách:
M là năng suất của kho ( t = 24h )
Q21 là dòng nhiệt tỏa ra
E là dung tích kho qn, qhp là dòng nhiệt tỏa ra khi cho trái cây vào kho
- Nhiệt độ tỏa ra từ bao bì:
Trong đó: Mb là khối lượng bao bì đưa vào ( t = 24h )
Cb là nhiệt dung riêng của bao bì ( kJ/KgK ) t1, t2 là nhiệt độ trước và sau khi đưa vào kho
- Nhiệt độ của đèn chiếu sáng:
A: định mức chiếu sáng trên một m2 phòng, A = 1.2 W/m2 F: Diện tích phòng lạnh , m2
- Nhiệt độ do người tỏa ra :
350 là nhiệt lượng do người tỏa ra khi làm việc nặng n là số người làm việc trong phòng, chọn n=1
- Nhiệt tỏa ra của động cơ điện:
- Nhiệt độ bị hao hụt khi mở cửa kho lạnh :
B: dòng nhiệt do tổn thất kho lạnh mở cửa cho 1 m2 phòng lạnh, B= 15
- Dòng nhiệt để vận hành:
- Tổn tổn thất nhiệt độ của toàn kho lạnh :
- Tải nhiệt cho thiết bị và máy nén :
- Năng suất lạnh của máy nén:
Tổng nhiệt tải của máy nén được ký hiệu là ∑Q, trong đó hệ số thời gian làm việc được chọn là b = 0.9 Hệ số k, dùng để tính đến tổn thất trên đường ống và thiết bị của hệ thống, được lựa chọn là k = 1.12.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHO LẠNH, CÁCH NHIỆT
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lí hệ thống
Dữ liệu thiết kế
Bảng 3.1 : Dữ liệu chung về kho lạnh Địa điểm xây dựng TP Hồ Chí Minh
Dung lượng kho lạnh ( kg ) 500
Dung lượng bảo quản lạnh ( kg )
Sản phẩm bảo quản Trái nho
Nhiệt độ kho lạnh bảo quản ( 0 – 5 0 C )
Phương pháp làm lạnh buồng
Phương pháp làm lạnh trực tiếp ( Nhờ môi chất lạnh ) x
Bảng 3.2 : Dữ liệu về hệ thống lạnh Môi chất và chu trình lạnh nén hơi 1 cấp
R404A, Chu trình khô R404A, Chu trình quá lạnh quá nhiệt x
Trục vít Thiết bị ngưng tụ
Bình ngưng và tháp giải nhiệt
Tháp ngưng Dàn ngưng giải nhiệt gió x
Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí trực tiếp bằng môi chất lạnh sôi
Dàn bay hơi tĩnh ( không khí đối lưu tự nhiên ) Dàn bay hơi quạt ( Không khí đối lưu cưỡng bức ) x
Xả băng cho dàn lạnh
Hơi nóng Điện trở Bán tự động
Tự động Hơi nóng Điện trở x
Tính toán thiết kế kho lạnh bảo quản
3.3.1 Tính thể tích kho lạnh:
Thể tích kho lạnh được xác định theo công thức :
E – Dung tích kho lạnh, tấn
V – Thể tích kho lạnh, 𝑚 3 g 𝑣 - Định mức chất tải, tấn /𝑚 3
Kho được thiết kế với mặt hàng rau quả là nho vì vậy tiêu chuẩn chất tải lạnh là g 𝑣 = 0,3 tấn /𝑚 3
3.3.2 Diện tích chất tải của kho lạnh:
Diện tích chất tải của kho lạnh được xác định theo công thức sau :
F – Diện tích chất tải, 𝑚 2 h – Chiều cao chất tải, m
Chiều cao chất tải trong kho lạnh được xác định dựa trên chiều cao thực tế h1 của kho Chiều cao h1 được tính bằng chiều cao phủ bì của kho (H) trừ đi hai lần chiều dày cách nhiệt (𝛿), công thức tính là h1 = H - 2𝛿.
Chiều cao phủ bì H = 2m là chiều dài của tấm Panel xây kho
Với kho bảo quản nho có nhiệt độ bảo quản là 2℃ thì chiều dày cách nhiệt δ = 75 mm ( Tra theo bảng 2.4 [ 2, tr 29 ] )
Suy ra chiều cao thực tế bên trong kho : h 1 = 2 – 2 × 0,075 = 1,85 m
Chiều cao chất tải thực tế được tính bằng cách trừ đi không gian dành cho dàn lạnh và lưu thông không khí, với chiều cao chọn là 0,8 m, cùng với chiều cao của nền pallet là 0,15 m.
Suy ra, ta được diện tích chất tải là :
3.3.3 Tải trọng của nền và trần kho lạnh
Tải trọng nền được xác định theo công thức sau :
G f - tải trọng nền, tấn/m2 g v - tiêu chuẩn chất tải, tấn/m3 h - chiều cao chất tải, h = 0,9 m Độ chịu nén của panel tiêu chuẩn là 0,20 đến 0,29 Mpa
Như vậy, với tải trọng nền như trên thì panel sàn đủ điều kiện chịu nén
3.3.4 Xác định diện tích thô kho lạnh cần lắp ( diện tích tổng thể )
Diện tích kho lạnh cần lắp được xác định theo công thức sau :
F th - Diện tích thô của kho lạnh cần lắp, 𝑚 2
Diện tích chất tải lạnh (F) được tính bằng mét vuông (𝑚²), trong đó β là hệ số sử dụng diện tích của các buồng chứa, bao gồm cả không gian đi lại và diện tích giữa các lô hàng, giữa lô hàng với cột và tường, cũng như các khu vực lắp đặt thiết bị như dàn bay hơi và quạt.
Hệ số sử dụng là β F = 0,5
0,50 = 3,7 𝑚 2 Vậy với diện tích đã tính trên ta bố trí 1 kho lạnh có diện tích F th =3,7 𝑚 2
Dựa vào diện tích thô kho lạnh cần lắp đặt đã được tính trên ta có kích thước phủ bì của kho lạnh như sau :
3.3.5 Cấu trúc xây dựng và cách nhiệt, cách ẩm kho lạnh:
- Đảm bảo độ bền vững
- Chịu được tải trọng của bản thân và của hàng bảo quản
- Không được đọng sương vách ngoài cũng như đọng ẩm trong cơ cấu cách nhiệt
- Cách nhiệt tối ưu để giảm chi phí chung đến mức thấp nhất
- Đảm bảo an toàn cháy, nổ
- Thuận tiện cho việc bốc dỡ, sắp xếp hàng bằng cơ giới
- Phải có tính toán kĩ lưỡng về mặt kinh tế
• Cấu trúc tường bao và trần kho lạnh:
+) Tôn mạ màu ( Colorbond Steel Sheet ) dày 0,5 mm
+) Tôn phủ lớp PVC ( PVC coated steel sheet ) dày 0,6 mm
+) Tôn inox ( stainlees steel sheet) dày 0,5 mm
Các tấm Panel này có thể ở dạng phẳng hoặc cán sóng để tăng cường độ cứng cho panel
• Lớp cách nhiệt Polyurethan ( PU )
+) Độ chịu nén : 0,20 đến 0,29 Mpa
• Chiều dài tối đa : 12.000 mm
• Chiều rộng tối đa 1.200 mm
• Chiều rộng tiêu chuẩn : 300, 600, 900 và 1200 mm
• Chiều dày tiêu chuẩn : 50, 75, 100, 125, 150, 175 và 200 mm
Phương pháp lắp ghép được thực hiện chủ yếu bằng khóa camlock hoặc mộng âm dương Trong đó, ghép bằng khóa camlock được ưa chuộng hơn nhờ tính tiện lợi và phổ biến trong ứng dụng.
Hình 3.2: Mặt cắt của Panel
Hình 3.3: Hình ảnh panel cách nhiệt thực tế
• Cấu trúc mái kho lạnh:
- Các kho lạnh lớn thường có các tấm mái tiêu chuẩn đi kèm với dầm, cột, xà tiêu chuẩn
Mái kho lạnh cần được thiết kế để tránh hiện tượng đọng nước và thấm nước Đối với kho lạnh có chiều rộng nhỏ, nên làm mái dốc về một phía, trong khi với kho lạnh có chiều rộng lớn, mái nên dốc về hai phía với độ nghiêng khoảng 2%.
Mái kho lạnh phải có khả năng chống chịu với thời tiết như nắng, mưa và đặc biệt là ngăn chặn bức xạ nhiệt từ mặt trời Do đó, việc lựa chọn mái tôn màu sắc phù hợp sẽ giúp tạo cảm giác mát mẻ cho không gian bên trong.
• Cấu trúc nền kho lạnh:
- Cần bố trí hệ thống thoát nước tốt để phun rửa khi cần thiết
Tại các kho lạnh sử dụng bốc xếp bằng cơ giới, nền kho cần phải đáp ứng yêu cầu chịu tải trọng của hàng hóa, đồng thời đảm bảo an toàn cho người và xe cơ giới di chuyển và bốc xếp hàng hóa.
Kết cấu nền kho lạnh chịu ảnh hưởng lớn từ địa tầng nơi lắp đặt Nếu kho lạnh được xây dựng trên nền đất yếu, cần thực hiện gia cố đặc biệt để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động.
Kết cấu nền kho lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ bên trong kho Đối với kho có nhiệt độ âm (dưới 0℃), cần thiết phải thiết kế các kết cấu chống đóng băng để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
14 Hình 3.4: Mặt cắt cấu trúc nền kho lạnh
Hình 3.5: Cấu trúc cách nhiệt nền kho lạnh thực tế
• Cấu trúc cửa kho lạnh:
- Cửa kho lạnh cũng là một chi tiết có nhiều yêu cầu đặc biệt
+) Phải có cách nhiệt đủ dày để mặt ngoài không bị đọng sương
+) Khi thao tác đóng mở cần phải nhẹ nhàng, kín khít
+) Đảm bảo giữ được lạnh, không cho khí nóng lọt vào và tổn tất khí lạnh khi mở cửa
Cửa kho lạnh cần được trang bị bộ chốt tự mở để ngăn ngừa việc nhốt người bên trong, còi báo động để cảnh báo khi có sự cố, và bộ điện trở sấy để chống hiện tượng đóng băng, giúp tránh tình trạng băng dính chặt.
- Cửa kho lạnh có rất nhiều loại khác nhau và khóa cửa cũng có rất nhiều loại khác nhau
Hình 3.6: Cửa có bản lề, cửa lùa, cửa cuốn kho lạnh a) Cửa có bản lề b) Cửa lùa c) Cửa cuốn
Hình 3.7: Khóa cửa của kho lạnh có chốt tự mở bên trong
• Cách ẩm cho kho lạnh:
- Vật liệu cách ẩm chủ yếu cho kho lạnh hiện nay là bitum, quét bitum nóng chảy lên bề mặt cách ẩm vài lớp để có độ dày 3÷5mm
- Đối với kho lạnh dương, tiêu tốn khoảng 1kg/𝑚 2 cách ẩm, kho lạnh có nhiệt độ càng thấp tiêu tốn bitum càng nhiều
Để ẩm đường ống hoặc thiết bị, thường sử dụng màng nilông, màng nhựa tổng hợp PVC hoặc màng nhôm hai hay nhiều lớp Sau đó, các vật liệu này được quấn bằng vải thủy tinh chống cháy và phủ sơn hoặc bọc tôn bên ngoài để bảo vệ.
3.3.6 Tính cách nhiệt, cách ẩm kho lạnh:
Chiều dày lớp cách nhiệt được tính từ công thức tính hệ số truyền nhiệt K cho vách phẳng nhiều lớp : k = 1 1 α1 + ∑ δi λi + δcn λcn + 1 α2 n i=1
Để tính toán độ dày yêu cầu của lớp vật liệu cách nhiệt (δcn), công thức được sử dụng là δcn = λcn [1/k - (1/α1 + ∑(δi/λi) từ i=1 đến n + 1/α2)], trong đó λcn là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt (W/m.k) và k là hệ số truyền nhiệt.
𝛼 1 – Hệ số tỏa nhiệt của môi trường bên ngoài ( phía nóng ) tới tường cách nhiệt, W/𝑚 2 k
𝛼 2 – Hệ số tỏa nhiệt của vách buồng lạnh vào buồng lạnh
𝛿 𝑖 – Bề dày của lớp vật liệu xây dựng thứ i, m
𝜆 – Hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu xây dựng thứ i, W/𝑚 2 k
Bảng 3.3 : Các thông số lớp cách nhiệt của tấm Panel tiêu chuẩn
TT Lớp vật liệu Độ dày, m Hệ số dẫn nhiệt
Kho lạnh bảo quản được thiết kế với chế độ trong kho là 0 - 2℃ Không khí được đối lưu cưỡng bức nhờ quạt
Chọn hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu Polyurethane 𝜆 𝑐𝑛 = 0,023 W/m.k
- Hệ số truyền nhiệt k vách ngoài phụ thuộc vào nhiệt độ kho lạnh, W/𝑚 2 k
- Hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của vách ngoài tường bao và trần, W/𝑚 2 k
- Hệ số tỏa nhiệt bề mặt trong kho lưu thông không khí cưỡng bức vừa phải ( bảo quản hàng lạnh ), W/𝑚 2 k
- Thay số vào biểu thức trên ta được :
- Chiều dày Panel phải chọn :
- Để đảm bảo ta chọn Panel có chiều dày tiêu chuẩn: 𝛿 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑇𝐶 = 75 mm
- Khi đó chiều dày cách nhiệt thực của panel là :
- Ta có hệ số truyền nhiệt thực :
Chiều dày Panel cách nhiệt là 75 mm và hệ số truyền nhiệt thực K = 0,30 W/𝑚 2 k
• Tính kiểm tra đọng sương bề mặt ngoài của vách: Điều kiện để vách ngoài không bị đọng sương là 𝑘 𝑡 ≤ 𝑘 𝑠
𝑘 𝑡 - Hệ số truyền nhiệt thực, 𝑘 𝑡 = 0,30 W/𝑚 2 k
𝑘 𝑠 – Hệ số truyền nhiệt đọng sương, được tính theo công thức sau
𝛼 1 – Hệ số tỏa nhiệt của môi trường bên ngoài bề mặt tường kho, W/𝑚 2 k
𝑡 1 - Nhiệt độ không khí bên ngoài kho, ℃
𝑡 2 – Nhiệt độ không khí bên trong kho, ℃
𝑡 𝑠 – Nhiệt độ điểm đọng sương, ℃
Tại TP.HCM, nhiệt độ ngoài trời trung bình năm đạt 37,3 ℃, trong khi khi tính toán cho kho lạnh có mái che, nhiệt độ được điều chỉnh xuống còn 32,3 ℃, thấp hơn khoảng 5℃ Độ ẩm trung bình là 74% Dựa trên các thông số này và tra đồ thị I-d, ta xác định được nhiệt độ sưởi ấm 𝑡 𝑠 là 27,07 ℃.
Nhận xét : K 𝑠 > K 𝑡 , cho nên vách kho không đọng sương
3.3.7 Cấu trúc cách nhiệt đường ống:
- Cách nhiệt đường ống nên sử dụng các loại xốp cách nhiệt có hiệu quả cao để giảm chiều dày cách nhiệt
Lớp ống môi chất có nhiệt độ thấp cần được cách nhiệt để đảm bảo hiệu suất hoạt động Vật liệu cách nhiệt có thể là stirôpo định hình hai mảnh ghép lại với nhau, được thiết kế có vấu để tránh cầu nhiệt Ngoài ra, bông thủy tinh và bông khoáng cũng là những lựa chọn hiệu quả cho lớp cách nhiệt này.
Hình 3.8: Cấu trúc cách nhiệt đường ống môi chất
Tính nhiệt tải kho lạnh
Tính toán nhiệt độ cho kho lạnh là quá trình xác định các dòng nhiệt từ môi trường bên ngoài xâm nhập vào kho Đây là dòng nhiệt tổn thất mà hệ thống lạnh cần đủ công suất để loại bỏ, nhằm duy trì sự chênh lệch nhiệt độ ổn định giữa kho lạnh và không khí xung quanh.
Mục đích chính của việc tính toán nhiệt kho lạnh là xác định năng suất của dàn lạnh và công suất yêu cầu của máy nén.
Dòng nhiệt tổn thất vào kho lạnh Q, được xác định bằng biểu thức:
Q 1 – Dòng nhiệt đi qua kết cấu bao che của buồng lạnh
Q 2 – Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra trong quá trình xử lý lạnh
Q 3 – Dòng nhiệt từ không khí bên ngoài do thông gió buồng lạnh
Q 4 – Dòng nhiệt từ các nguồn khác nhau khi vận hành kho lạnh
Dòng nhiệt phát sinh từ quá trình hô hấp của sản phẩm chỉ xuất hiện trong các kho lạnh bảo quản rau quả đặc biệt và buồng lạnh phân phối hoa quả Tổn thất nhiệt Q, được tính bằng tổng hợp các dòng nhiệt Q i tại một thời điểm nhất định, được gọi là phụ tải nhiệt của thiết bị lạnh.
3.4.1 Dòng nhiệt qua kết cấu bao che, 𝐐 𝟏 :
Dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che trong kho lạnh bao gồm tổng hợp các dòng nhiệt mất mát qua tường, trần và nền Hiện tượng này xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên ngoài và bên trong kho lạnh, cùng với các dòng nhiệt tổn thất do bức xạ mặt trời tác động lên bề mặt tường và trần.
Dòng nhiệt Q 1 được xác định theo công thức :
Q 11 – Dòng nhiệt qua tường bao, trần và nền do chênh lệch nhiệt độ
Nhiệt bức xạ mặt trời qua tường và trần thường được xem là Q 12 = 0, vì hầu hết các kho lạnh hiện nay sử dụng kết cấu panel và được đặt bên trong nhà hoặc trong phân xưởng, do đó không chịu ảnh hưởng của nhiệt bức xạ.
Dòng nhiệt qua tường bao, trần và nền do chênh lệch nhiệt độ được xác định từ biểu thức sau :
K 𝑡 – Hệ số truyền nhiệt thực của kết cấu bao che xác định theo chiều dày cách nhiệt thực, 𝑘 𝑡 = 0,30 W/𝑚 2 k
F – Diện tích bề mặt của kết cấu bao che, m 2 t 1 – Nhiệt độ môi trường bên ngoài, t 1 = 32,3 ℃ t 2 – Nhiệt độ trong buồng lạnh, t 2 = 2℃
Xác định diện tích bề mặt kết cấu bao che
Diện tích bề mặt kết cấu bao che của kho được xác định dựa vào diện tích bên ngoài, tính theo các kích thước chiều dài, chiều rộng và chiều cao của kho.
Ta có diện tích thô của kho như sau :
+) Chiều dài kho : 4,5 m +) Chiều rộng kho : 2,4 m +) Chiều cao kho : 2,8 m
- Ta chọn nhiệt độ của phòng đóng gói là t = 24 ℃ và gọi vách tiếp giáp này là vách
- Tường hướng tây được bao che bởi tường xây, vì vậy nhiệt độ bên ngoài của vách này là t = 32,3 ℃ và gọi vách này là vách 2
- Tường hướng nam cũng được bao che bởi tường xây, vì vậy nhiệt độ bên ngoài của vách này là t = 32,3 ℃ và ta gọi vách này là vách 3
- Tường hướng đông được tiếp giáp với văn phòng, văn phòng có nhiệt độ là t = 24 ℃ và gọi vách tiếp giáp này là vách 4
Kho lạnh được thiết kế với tường xây bao quanh và mái che, giúp duy trì nhiệt độ không khí bên trong thấp hơn nhiệt độ bên ngoài Tuy nhiên, nhiệt độ tại trần kho lạnh có thể lên đến 30℃.
F tr = Chiều dài × Chiều rộng
Thay số vào ta được :
- Dòng nhiệt qua trần là :
F n = F tr = 10,8 m 2 Dòng nhiệt qua nền :
Q n = 0,30 × 10,8 × ( 32,3 – 2 ) = 7,3 W Vậy tổng dòng nhiệt qua tường bao, trần và nền do chênh lệch nhiệt độ là : ∑ Q 1 = Q 11 = Q tr + Q V1 + Q V2 + Q V3 + Q V4 + Q 𝑛
3.4.2 Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra, 𝐐 𝟐
Sản phẩm khi đưa vào buồng gia lạnh và buồng kết đông thường không có bao bì, trong khi đó, sản phẩm được bảo quản lạnh và bảo quản đông thường đi kèm với bao bì như hộp các tông, lọ thủy tinh, hoặc thùng gỗ Do đó, sẽ phát sinh một dòng nhiệt từ cả sản phẩm và bao bì trong quá trình bảo quản.
Dòng nhiệt do sản phẩm, bao bì tỏa ra được xác định theo công thức sau :
Q 21 – Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra, W
Q 22 – Dòng nhiệt do bao bì tỏa ra, W
• Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra:
Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra buồng lạnh được xác định theo biểu thức sau :
M đại diện cho công suất buồng gia lạnh hoặc khối lượng hàng hóa được bảo quản trong một ngày đêm, tính bằng tấn/ngày đêm Các ký hiệu i1 và i2 biểu thị entanpy của sản phẩm tại nhiệt độ vào và nhiệt độ bảo quản, đo bằng J/kg.
Hệ số chuyển đổi từ tấn/ngày đêm sang kg/s cho kho bảo quản hoa quả là 24.3600 Do hoa quả có tính thời vụ, khối lượng hàng nhập vào kho lạnh để xử lý và bảo quản cần được tính toán theo công thức này trong một ngày đêm.
M – Lượng hàng nhập vào trong một ngày đêm, t/24h
E – Dung tích kho lạnh, tấn
B – Hệ số quay vòng hàng, B = 8÷10 m – Hệ số nhập hàng không đồng đều, m = 2÷2,5
120 – Số ngày nhập hàng trong một năm
Thay số vào ta được :
Nhiệt độ của sản phẩm chưa được làm lạnh sơ bộ khi nhập vào kho lạnh bằng nhiệt đô 5÷8℃ thấp hơn nhiệt độ không khí môi trường
Tra bảng bảng Entanpi của sản phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ ta được : ( Tra theo bảng 4.1 [ 1, tr 55,56 ] ) i 1 = 307,0 KJ/kg, ở nhiệt độ vào sản phẩm 20℃ i 2 = 242,9 KJ/kg
Thay số vào ta tìm được :
• Dòng nhiệt do bao bì tỏa ra:
Dòng nhiệt do bao bì tỏa ra được xác định theo công thức sau :
M b – Khối lượng bao bì đưa vào cùng sản phẩm, t/ngày đêm Ta lấy M b = 20% là
Nhiệt dung riêng của bao bì gỗ là 2500 J/kg.K Nhiệt độ bao bì trước khi đưa vào kho được xác định là 22℃, tương ứng với nhiệt độ sản phẩm trước khi lưu trữ.
24×3600 – Hệ số chuyển từ t/24h sang kg/s
Thay số vào ta được :
3.4.3 Dòng nhiệt do thông gió buồng lạnh, Q 3 :
Do là buồng lạnh bảo hoa rau quả và các sản phẩm hô hấp nên cần phải tính dòng nhiệt do thông gió buồng lạnh
Dòng nhiệt Q 3 được xác định theo biểu thức sau :
G k là lưu lượng không khí của quạt thông gió tính bằng kg/s, trong khi i 1 và i 2 là entanpi của không khí bên ngoài và bên trong buồng lạnh, đo bằng J/kg Để xác định các giá trị này, cần tham khảo đồ thị I – d theo nhiệt độ và độ ẩm.
+) Nhiệt độ không khí ở ngoài kho lạnh t 1 = 32,3 ℃, độ ẩm 𝜑 = 74%, tra trên đồ thị I – d ta được i 1 = 90,84 Kj/kg
Nhiệt độ không khí trong kho lạnh được duy trì ở mức 2℃ với độ ẩm 95%, điều này giúp bảo quản hoa quả tươi mát và ngăn ngừa tình trạng khô héo Theo đồ thị I – d, giá trị i 2 được xác định là 12,39 kj/kg.
Lưu lượng quạt thông gió G k có thể xác định theo biểu thức :
V – Thể tích buồng bảo quản cần thông gió, m 3 a – Bội số tuần hoàn hay số lần thay đổi không khí trong một ngày đêm, lần/24h
𝜌 k – Khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí trong buồng bảo quản, kg/m 3 , 𝜌 k = 1,284 kg/m 3 [ 4, tr 14 ]
Các buồng được trang bị quạt thông gió hai chiều để đảm bảo bội số luôn tuần hoàn bốn lần với thể tích buồng lạnh trong 24h
Thay số vào biểu thức trên ta được :
24 ×3600 = 0,099 kg/s Vậy ta được dòng nhiệt:
3.4.4 Các dòng nhiệt do vận hành,Q 4 :
Các dòng nhiệt trong vận hành Q 4 bao gồm: dòng nhiệt từ đèn chiếu sáng Q 41, nhiệt phát sinh từ người làm việc trong các buồng Q 42, dòng nhiệt từ các động cơ điện Q 43, nhiệt do việc mở cửa Q 44, và dòng nhiệt từ việc xả băng Q 45.
• Dòng nhiệt do chiếu sáng buồng, Q 41
A – Nhiệt lượng tỏa ra khi chiếu sáng 1m 2 diện tích buồng hay diện tích nền, W/m 2 : Đối với buồng bảo quản A = 1,2 W/m 2 [ 3, tr 77 ]
F – Diện tích của buồng, m 2 , F th = 3,7 m 2
• Dòng nhiệt do người tỏa ra, Q 42
Dòng nhiệt do người tỏa ra được xác định theo biểu thức :
350 – Nhiệt lượng do một người thải ra khi làm công việc nặng nhọc, 350 W/người n – Số người làm việc trong buồng
• Dòng nhiệt do các động cơ điện, Q 43
Dòng nhiệt từ các động cơ điện hoạt động trong buồng lạnh, bao gồm động cơ quạt dàn lạnh, động cơ quạt thông gió, động cơ của các máy móc gia công chế biến và xe nâng, có thể gây ảnh hưởng đến hiệu suất làm lạnh và tiêu thụ năng lượng Việc kiểm soát nhiệt độ từ các động cơ này là rất quan trọng để duy trì hiệu quả hoạt động của hệ thống lạnh.
25 vận chuyển,…) được xác định theo biểu thức :
N – Công suất động cơ điện ( Công suất đầu vào ), KW
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ KHO LẠNH
Xác định tải nhiệt cho máy nén và thiết bị
4.1.1 Phụ tải nhiệt thiết bị:
Tải nhiệt cho thiết bị là yếu tố quan trọng trong việc xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết cho thiết bị bay hơi Công suất giải nhiệt yêu cầu luôn phải lớn hơn công suất của máy nén, và cần có hệ số dự trữ để đảm bảo an toàn trước những biến động có thể xảy ra trong quá trình vận hành.
Vì thế tải nhiệt cho thiết bị được lấy bằng tổng của tất cả các tổn thất nhiệt
4.1.2 Phụ tải nhiệt máy nén:
Do các tổn thất nhiệt trong kho lạnh không đồng thời xảy ra, công suất nhiệt yêu cầu thực tế sẽ thấp hơn tổng tổn thất nhiệt Để tránh chọn máy nén có công suất quá lớn, tổng nhiệt của máy nén được tính từ tất cả các tải nhiệt thành phần, nhưng tùy thuộc vào từng loại kho lạnh, có thể chỉ lấy một phần tổng tải nhiệt đó.
Cụ thể, tải nhiệt máy nén được lấy theo tỷ lệ tải nhiệt để chọn máy nén
Với kho bảo quản sản phẩm hoa quả thì :
Năng suất lạnh của máy nén đối với mỗi nhóm buồng có nhiệt độ sôi giống nhau xác định theo biểu thức :
Q 0 = k ∑ Q MN b , W 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
∑ Q MN – Tổng nhiệt tải của máy nén đối với một nhiệt độ bay hơi
Hệ số k, phản ánh tổn thất trong đường ống và thiết bị của hệ thống làm lạnh trực tiếp, phụ thuộc vào nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh trong dàn làm lạnh không khí Đối với kho lạnh bảo quản ở nhiệt độ dương, cụ thể là 2℃, hệ số k có thể được lấy bằng 1.
Hệ số thời gian làm việc ngày đêm b của các thiết bị lạnh nhỏ ( dự tính là
29 làm việc 22 giờ trong ngày đêm ) không lớn hơn 0,7 [ 3, tr 83 ] Với kho lạnh trong đề tài này ta có thể lấy hệ b là 0,6
Thay số vào biểu thức ta được :
Chọn hệ thống lạnh
Trong kho, có nhiều phương pháp làm lạnh, nhưng phổ biến nhất là hai phương pháp: làm lạnh trực tiếp và làm lạnh gián tiếp.
Mỗi phương pháp làm lạnh đều có những ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với yêu cầu về thiết bị và công nghệ trong từng trường hợp cụ thể Do đó, việc lựa chọn phương pháp làm lạnh tối ưu sẽ được thực hiện dựa trên đặc thù của từng tình huống.
• Phương pháp làm lạnh trực tiếp:
Làm lạnh trực tiếp sử dụng dàn bay hơi được lắp đặt ngay trong buồng lạnh, có thể là dàn đối lưu không khí tự nhiên hoặc cưỡng bức Thiết bị ngưng tụ có thể được thiết kế để giải nhiệt bằng nước hoặc gió.
- Thiết bị đơn giản không cần thêm một vòng tuần hoàn phụ
- Tuổi thọ cao vì không phải tiếp xúc với nước muối là một chất ăn mòn kim loại rất nhanh chóng
- Về mặt nhiệt động, thì hệ thống ít tổn thất năng lượng vì hiệu nhiệt độ giữa kho lạnh và dàn bay hơi gián tiếp qua không khí
Tổn hao lạnh khi khởi động nhỏ có nghĩa là thời gian từ khi mở máy đến khi kho lạnh đạt nhiệt độ yêu cầu sẽ diễn ra nhanh chóng hơn.
Nhiệt độ trong kho lạnh có thể được theo dõi thông qua nhiệt độ sôi của môi chất, và nhiệt độ sôi này có thể dễ dàng xác định bằng nhiệt kế ở đầu hút của máy nén.
Hệ thống lạnh lớn thường yêu cầu lượng môi chất nạp vào máy lớn, dẫn đến khả năng rò rỉ cao và khó khăn trong việc xác định vị trí rò rỉ để xử lý Việc cấp áp suất cho các dàn bay hơi ở xa có thể gây tổn thất, đặc biệt khi sử dụng môi chất Freon, khiến máy nén dễ hút ẩm và làm cho việc bảo vệ máy nén trở nên khó khăn hơn.
- Trữ lạnh của dàn lạnh trực tiếp kém khi máy lạnh ngừng hoạt động thì dàn lạnh cũng hết lạnh
• Phương pháp làm lạnh gián tiếp:
Làm lạnh gián tiếp sử dụng dàn lạnh nước muối để làm mát buồng, trong đó bình bay hơi làm lạnh nước muối kết hợp với máy nén và bình ngưng thường được thiết kế thành một tổ hợp đặt bên ngoài.
Môi chất được sử dụng có độ an toàn cao, không cháy nổ, không độc hại cho con người và hoàn toàn không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cần bảo quản.
Hệ thống ống dẫn môi chất được thiết kế đơn giản và chế tạo hoàn chỉnh, mang lại chất lượng cao và độ tin cậy Điều này giúp việc kiểm tra, lắp đặt và hiệu chỉnh trở nên dễ dàng hơn.
- Năng suất lạnh giảm do chênh lệch nhiệt độ
- Tốn năng lượng bổ sung
Sau khi phân tích ưu và nhược điểm của hai phương pháp làm lạnh, tôi quyết định chọn cả hai phương pháp cho kho lạnh đang thiết kế Việc kết hợp hai phương pháp này sẽ tối ưu hóa hiệu quả làm lạnh và đáp ứng tốt nhu cầu tích trữ lạnh trong kho.
Tính toán chu trình và chọn máy nén
4.3.1 Chọn các thông số làm việc:
Việc lựa chọn thông số làm việc cho hệ thống lạnh là vô cùng quan trọng, vì chế độ làm việc hợp lý không chỉ nâng cao hiệu quả kinh tế mà còn tăng năng suất lạnh và giảm điện năng tiêu thụ Chế độ làm việc của hệ thống lạnh được xác định bởi bốn thông số nhiệt độ chính.
- Nhiệt độ sôi của môi chất t 0 , ℃
- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất t k , ℃
- Nhiệt độ quá lạnh của môi chất lỏng t ql , ℃
• Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh, t 0
Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh dùng để tính toán thiết kế kho lạnh có thể lấy như sau : t 0 = t b - ∆t 0 t b – Nhiệt độ buồng lạnh, t b = 2 ℃
∆t 0 – Hiệu nhiệt độ yêu cầu Đối với dàn bay hơi trực tiếp, nhiệt độ bay hơi lấy thấp hơn nhiệt độ buồng 8÷13℃ [TL 2, tr 204 ], ta chọn ∆t 0 = 8 ℃
Nhiệt độ ngưng tụ chịu ảnh hưởng từ nhiệt độ môi trường làm mát của thiết bị ngưng tụ Khi lựa chọn thiết bị ngưng tụ sử dụng phương pháp làm mát bằng không khí, nhiệt độ ngưng tụ được tính bằng công thức t k = t 1 + ∆t k, trong đó t 1 là nhiệt độ môi trường tại địa phương Ví dụ, nếu t 1 là 37,3℃ và ∆t k là 10, thì t k sẽ đạt 47,3℃.
∆t k – Hiệu nhiệt độ yêu cầu
Khi lắp đặt kho lạnh tại TP.HCM, nhiệt độ môi trường nên được duy trì ở mức 37,3 ℃ Đối với hệ thống dàn ngưng giải nhiệt bằng gió, nhiệt độ ngưng tụ có thể được chọn bằng nhiệt độ môi trường với chênh lệch ∆t k từ 7 đến 10K; trong trường hợp này, chúng ta sẽ lấy 10K.
• Nhiệt độ quá lạnh, t ql
Nhiệt độ quá lạnh, tức là nhiệt độ của môi chất lỏng trước khi vào van tiết lưu, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất lạnh Khi nhiệt độ quá lạnh càng thấp, năng suất lạnh càng cao, do đó, việc hạ nhiệt độ quá lạnh xuống mức tối ưu là mục tiêu quan trọng trong quá trình thiết kế và vận hành hệ thống lạnh.
Ta có thể chọn nhiệt độ quá lạnh cho môi chất Freon ∆t ql = 10 K
Nhiệt độ hơi hút 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
Môi chất Freon (R404A) có nhiệt độ hơi hút cao hơn nhiệt độ sôi từ 10 đến 15℃, đảm bảo độ quá nhiệt hơi hút ∆t h = 10℃ để duy trì an toàn cho máy trong quá trình hoạt động Do đó, ta có thể tính toán nhiệt độ hơi hút t h = t 0 + (10÷15)℃, với t 0 là nhiệt độ sôi của môi chất, cụ thể là t h = -6 + 10 = 4℃.
∆t h – Hiệu nhiệt độ yêu cầu
Thông số chế độ làm lạnh của hệ thống lạnh là : t 0 = - 6℃ => p 0 = 4,961 bar t k = 47,3℃ => p k = 21,573 bar
Ta có tỷ số nén :
Đối với máy nén Pittông, nhiệt độ tối đa t 2 không vượt quá 140℃, tỷ số nén cho môi chất Amoniac là ∏ ≤ 9, trong khi đối với R12, R502 và R22 (Freon) là ∏ ≤ 12 Nếu tỷ số nén vượt quá các giới hạn này, cần lựa chọn chu trình nén 2 cấp.
Vậy với tỷ số trên trong đề tài này ta chọn máy nén Pittông 1 cấp nén, chu trình quá lạnh và quá nhiệt
4.3.3 Sơ đồ và chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp – i
Chu trình quá lạnh và quá nhiệt là hai khái niệm quan trọng trong hệ thống lạnh Chu trình quá lạnh xảy ra khi nhiệt độ của môi chất lỏng trước khi vào van tiết lưu thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ, trong khi chu trình quá nhiệt xảy ra khi nhiệt độ hơi hút vào máy nén cao hơn nhiệt độ bay hơi, nằm trong vùng hơi quá nhiệt Khi kết hợp cả hai đặc điểm này, ta có chu trình quá lạnh và quá nhiệt, đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động của hệ thống lạnh.
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý chu trình quá lạnh quá nhiệt
MN - Máy nén; TL – Tiết lưu; TBBH – Thiết bị bay hơi; QN – Quá nhiệt;
QL – Quá lạnh; TBNT – Thiết bị ngưng tụ.
Hình 4.2: Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp – I
• Nguyên lý hoạt động của chu trình :
Môi chất sau khi rời thiết bị bay hơi (1) được quá nhiệt đến trạng thái (1’) và sau đó được máy nén hút vào, nén nhiệt độ và áp suất lên thành hơi cao tại trạng thái (2) Tiếp theo, hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ, nơi nó nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường làm mát và ngưng tụ thành lỏng cao áp ở trạng thái (3) Lỏng môi chất cao áp sau đó được quá lạnh ở trạng thái (3’) và đi qua van tiết lưu để trở thành lỏng có áp suất và nhiệt độ thấp ở trạng thái (4) Cuối cùng, môi chất lỏng này đi vào thiết bị bay hơi, nơi nó hấp thụ nhiệt từ môi trường cần làm lạnh, trước khi trở lại trạng thái (1) và tiếp tục vòng tuần hoàn khép kín của môi chất lạnh.
• Các quá trình của chu trình quá lạnh và quá nhiệt
- Quá trình 1-1’ : Quá trình quá nhiệt hơi hút ở cuối thiết bị bay hơi và trong ống hút về
- Quá trình 1’-2 : Quá trình nén hơi môi chất đoạn nhiệt trong máy nén S 1 = S 2
- Quá trình 2-3 : Quá trình ngưng tụ đẳng áp và đẳng nhiệt trong thiết bị ngưng tụ
- Quá trình 3-3’ : Quá trình quá lạnh lỏng trong thiết bị quá lạnh hoặc ống dẫn lỏng
- Quá trình 3’-4 : Quá trình tiết lưu lỏng môi chất trong van tiết lưu từ áp suất p k xuống áp suất p 0
- Quá trình 4-1 : Quá trình bay hơi nhận nhiệt của môi trường làm lạnh
4.3.4 Tính toán chu trình và tính chọn máy nén một cấp
• Xác định các thông số trạng thái tại các điểm nút của chu trình
Từ các thông số nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi, ta xác định các điểm nút còn lại của chu trình
Bảng 4.1 : Bảng các thông số trạng thái tại các điểm nút Điểm nút 1 1’ 2 3 3’ 4
• Năng suất lạnh riêng q 0 , KJ/Kg q 0 = h 1 - h 4 = 364,9 – 258,84 = 106,06 KJ/Kg
• Năng suất lạnh riêng thể tích q v , KJ/m 3 q v = q 0
• Công nén riêng l, KJ/Kg l = h 2 − h 1′ = 399,75 – 373,6 = 26,15 KJ/Kg
• Năng suất nhiệt riêng q k , KJ/Kg q k = h 2 − h 3′ = 399,75 – 258,84 = 140,91 KJ/Kg
• Hệ số lạnh COP của chu trình ε ε = q 0 l = 106,06
26,15 = 4,05 Tính chọn máy nén một cấp
• Lưu lượng qua máy nén m, Kg/s m = Q 0 q 0 = 2,4
• Năng suất thể tích thực tế qua máy nén V tt , m 3 /s
• Hiệu suất thể tích của máy nén λ
Hiệu suất thể tích của máy nén được xác định theo biểu thức sau : λ = [ P 0 − ΔP 0
T k c – Thể tích không gian chết, c = 0,03 – 0,05 Δp 0 – Hiệu áp suất ở cụm van hút Δp 0 = 0,05 bar Δp k – Hiệu áp suất ở cụm van nén Δp k = 0,1 bar
Thay số vào ta được : λ = [ 4,947−0,05
• Thể tích nén lý thuyết
Thể tích nén lý thuyết được xác định theo biểu thức sau :
0,85 = 0,707 kW η e – Hiệu suất hiệu dụng, đối với môi chất Freon cỡ nhỏ ta chọn η e = 0,85 [6]
1 ×0,9 = 0,785 KW η td – Hiệu suất truyền động, đối với máy nén kín, nữa kín η td = 1 [ 1, tr 68 ] η el – Hiệu suất động cơ điện η el = 0,9 [ 6 ]
• Công suất động cơ lắp đặt N lđ
( 1,1 – 2,1 ) – Hệ số dự trữ, ta chọn hệ số dự trữ 1,5
• Năng suất nhiệt dàn ngưng Q k
Năng suất nhiệt dàn ngưng được xác định theo biểu thức sau :
Từ việc tính toán tải nhiệt cho kho lạnh, chúng ta xác định tải nhiệt của máy nén là Q₀ = 2,4 KW, đây là năng suất lạnh cần thiết để duy trì nhiệt độ kho lạnh theo điều kiện thiết kế Tính toán tải nhiệt được thực hiện bằng công thức Qk = m.qk = m.(h2 - h3) = 0,023 × (399,75 – 277,7) = 2,807 KW.
Thông số làm việc của hệ thống lạnh như sau :
- Nhiệt độ sôi môi chất t 0 = -6 ℃
Tra phần mềm chọn hãng máy nén Bitzer, tôi chọn 1 máy nén Bitzer 1 cấp có model 2FES-2Y-40Svới thông số kỹ thuật như sau :
Bảng 4.2 : Thông số máy nén Bitzer model 2FES-2Y-40S
Hãng sản xuất BITZER – Đức
Công suất lạnh 2.45 kW tại Te = -25 o C / Tc = +40 o C
Nhiệt độ bay hơi Thấp
Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị tiết lưu
4.4.1 Tính toán chọn thiết bị ngưng tụ:
Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt để hóa lỏng hơi môi chất sau khi nén trong chu trình lạnh
Theo môi trường làm mát có thể chia thiết bị ngưng tụ ra thành 4 nhóm :
- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước
- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước và không khí
- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí
- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng môi chất khác khi sôi hay bằng các sản phẩm công nghệ
Theo đặc điểm của quá trình ngưng tụ môi chất, có thể chia các thiết bị ngưng tụ thành hai nhóm lớn :
- Thiết bị ngưng tụ kiểu ống nằm ngang, kiểu ống vỏ đứng hay kiểu ống lồng ống.
- Thiết bị ngưng tụ kiểu panen, kiểu tưới, kiểu bay hơi
Dàn ngưng tụ kiểu xối tưới là một phần quan trọng trong hệ thống lạnh, với ưu điểm là hiệu suất làm mát cao và tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, thiết bị này cũng có nhược điểm như yêu cầu bảo trì thường xuyên và phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Việc tính toán và thiết kế dàn ngưng tụ cần cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.
Loại thiết bị ngưng tụ này có ưu điểm nổi bật là không sử dụng nước để làm mát bình ngưng, điều này mang lại sự thuận lợi và ý nghĩa đặc biệt cho những khu vực thiếu nguồn nước sạch.
Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc không cần sử dụng bơm nước và tháp giải nhiệt, giúp tiết kiệm diện tích và chi phí Hơn nữa, thiết bị này cũng giảm thiểu tình trạng ẩm ướt và giúp bề mặt trao đổi nhiệt ít bị bám bẩn hơn.
Các dàn ngưng tụ có thể được lắp đặt trên mái nhà, giúp tiết kiệm diện tích mặt bằng mà không gặp phải khó khăn trong việc bơm nước Chúng thường được sử dụng cho các hệ thống điều hòa không khí trung tâm với công suất trung bình và lớn.
Thiết bị ngưng tụ này có nhược điểm lớn là bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi điều kiện khí hậu, đặc biệt là trong những ngày nắng nóng Hơn nữa, quạt gió thường phát ra tiếng ồn, gây ảnh hưởng đến môi trường làm việc.
• Tính toán chọn thiết bị ngưng tụ
Trong đề tài này tôi chọn kiểu dàn ngưng tụ đối lưu cưỡng bức ( sử dụng quạt ) để sử dụng cho môi chất R404A làm mát bằng không khí
Diện tích thiết bị trao đổi nhiệt :
Q k – Công suất ngưng tụ yêu cầu của thiết bị ngưng tụ, W
K – Hệ số truyền nhiệt của thiết bị, W/m 2 k, chọn k = 30 W/m 2 k cho ống xoắn có cánh làm mát bằng không khí sử dụng môi chất Freon [ 6 ]
Độ chênh nhiệt độ trung bình giữa môi chất và môi trường (∆t tb) được xác định thông qua một công thức cụ thể Việc hiểu rõ độ chênh này là rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến nghiên cứu khoa học.
∆t tb = t w2 − t w1 ln tk − tw1 tk− tw2 t w1 – Nhiệt độ không khí vào của môi trường làm mát, lấy bằng nhiệt độ tại địa phương lắp đặt
∆t – Độ chênh nhiệt độ không khí vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ
( 6 – 10K) t w2 – Nhiệt độ không khí ra của môi trường làm mát
41 t w2 = t w1 + ∆t ( 6 –10K ) = 37,3 + 6 = 43,3 ℃ t k – Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất, ℃
= 6,54 K Thay số vào ta được :
30 ×6,54 = 0,014 m 2 Với yêu cầu thông số làm việc:
- Nhiệt độ ngưng tụ tk = 47,3 o C
- Nhiệt độ tại địa phương 37,3 o C
Bình ngưng ống chùm nằm ngang, freon
Diện tích bề mặt ngoài, m 2 Đường kính ống vỏ, mm
Số ống Tải nhiệt max, kW
Diện tích bề mặt Đường kính ống vỏ
Chiều dài Số ống Tải nhiệt Số lỗi m2 mm m kw
4.4.2 Tính toán chọn thiết bị bay hơi:
Thiết bị bay hơi là một loại thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó môi chất lạnh ở áp suất và nhiệt độ thấp hấp thụ nhiệt từ môi trường cần làm lạnh, sau đó sôi và chuyển hóa từ trạng thái lỏng sang hơi.
➢ Theo môi trường làm lạnh:
- Thiết bị bay hơi làm lạnh chất tải lạnh lỏng như : nước, nước muối, glycol…
Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí được chia thành hai nhóm chính: bộ lạnh bay hơi trực tiếp với không khí tuần hoàn tự nhiên và thiết bị làm lạnh không khí bay hơi trực tiếp với không khí tuần hoàn cưỡng bức.
➢ Theo độ choán chỗ của môi chất lạnh lỏng trong thiết bị:
- Thiết bị bay hơi kiểu ngập
- Thiết bị bay hơi kiểu không ngập
➢ Theo điều kiện tuần hoàn của chất tải lạnh:
- Bình bay hơi ống vỏ hoặc ống vỏ xoắn
- Thiết bị bay hơi kiểu Panel, dàn lạnh bay hơi ống đứng làm lạnh bể nước muối
Trong bài viết này, tôi sẽ trình bày về dàn bay hơi làm lạnh không khí trực tiếp, sử dụng hệ thống tuần hoàn cưỡng bức và xả tuyết bằng điện trở cho kho lạnh Dàn bay hơi này được thiết kế thành một tổ hợp thiết bị gọn gàng, thuận tiện cho việc lắp đặt, vận hành và bảo trì.
• Tính toán chọn thiết bị bay hơi:
- Diện tích thiết bị trao đổi nhiệt
K – Hệ số truyền nhiệt của thiết bị, W/m 2 k, chọn K = 17,5 W/m 2 k cho nhiệt độ buồng lạnh > 0℃
∆t tb – Hiệu nhiệt độ trung bình logarit, K
Q 0 – Công suất lạnh yêu cầu của thiết bị bay hơi, W
Hiệu nhiệt độ trung bình Logarit được xác định theo biểu thức sau :
∆t tb = ∆t max − ∆t min ln ∆tmax
∆t max , ∆t min – Hiệu nhiệt độ lớn nhất và bé nhất ở đầu vào và ra của thiết bị trao đổi nhiệt
Nhiệt độ không khí vào dàn bay hơi được xác định theo biểu thức sau : t b1 = t b2 + ∆t b = 2 + 2 = 4℃
∆t b – Hiệu nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị làm lạnh không khí lấy thấp hơn nhiệt độ không khí vào từ 2 đến 4℃ [ 7, tr 194 ]
Hình 4.3: Biến thiên nhiệt độ trong thiết bị bay hơi Vậy ta được :
17,5 × 9 = 0,015 m 2 Với thông số yêu cầu :
- Độ ẩm ( tại địa phương ) 𝜑 = 74%
Hình 4.4: Dàn lạnh hãng Guntner
Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật model GHN 040.2D/14-ANX50.M dàn lạnh hãng
Hình 4.5: Thông số kỹ thuật model GHN 040.2D/14-ANX50.M dàn lạnh hãng
4.4.3 Tính chọn van tiết lưu nhiệt:
Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, hệ thống lạnh cần điều chỉnh chế độ làm việc và tự cân bằng bên trong Do đó, việc lựa chọn van tiết lưu cho hệ thống lạnh là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu công nghệ.
Van tiết lưu nhiệt (TEV) có hai loại: cân bằng trong và cân bằng ngoài Trong bài viết này, tôi sẽ tập trung vào van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoài, vì loại van này chỉ được sử dụng cho các dàn bay hơi có đầu chia lỏng và yêu cầu áp suất tổn thất rất nhỏ.
Hình 4.6: Cấu tạo van tiết lưu cân bằng ngoài
1 - Tấm ngăn; 2 - Đệm kín quanh ti van; 3 - Ống cân bằng ngoài
Hình 4.7: Thân van cân bằng ngoài
Đệm kín quanh ty van đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống, trong khi ty van đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh lưu lượng chất lỏng Khoang phun của van, nơi có áp suất của dàn bay hơi, giúp kiểm soát quá trình phun hiệu quả Đầu nối áp suất hút (cân bằng ngoài) và cửa nối áp suất hút là những thành phần thiết yếu, góp phần duy trì sự ổn định và hiệu suất của hệ thống.
Việc lựa chọn van tiết lưu nhiệt phải dựa trên các thông số sau :
- Nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ
Trong hệ thống lạnh, loại môi chất làm việc đóng vai trò quan trọng Tôi đã chọn van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoài của hãng Danfoss cho hệ thống, với các thông số làm việc phù hợp.
- Môi chất lạnh sử dụng : R404A
- Nhiệt độ ngưng tụ t k = 47,3 ℃ Độ giáng áp qua van tiết lưu :
∆P DO – Tổn thất áp suất trên đường ống, 0,5 bar
Sử dụng phần mềm Danfoss ta chọn van tiết lưu nhiệt có model T2 – 5 có thông số kỹ thuật như sau :
Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật van tiết lưu model T2 – 5
Hình 4.8: Van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoài hãng Danfoss
4.4.4 Thiết bị phụ trong hệ thống lạnh:
Bình chứa cao áp có vai trò quan trọng trong việc lưu trữ lỏng, cung cấp dịch ổn định cho hệ thống và giải phóng bề mặt trao đổi nhiệt cho thiết bị ngưng tụ Được bố trí sau dàn ngưng tụ, bình chứa cao áp cũng có khả năng chứa toàn bộ lượng môi chất của hệ thống trong quá trình sửa chữa hoặc bảo dưỡng.
Hình 4.9: Cấu tạo bình chứa cao áp 1- Kính xem gas
2- Ống lắp van an toàn
Các hệ thống lạnh cần bôi trơn các chi tiết chuyển động để giảm ma sát và tăng tuổi thọ thiết bị Trong quá trình hoạt động, máy nén có thể kéo theo một lượng dầu cùng với môi chất lạnh, dẫn đến hiện tượng thiếu hụt dầu Dầu bị kéo theo có thể đọng lại ở dàn bay hơi hoặc dàn ngưng tụ, làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt và ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Để tách lượng dầu này, thường có một bình tách dầu được lắp đặt ở đầu ra của đường đẩy máy nén, giúp thu hồi dầu trở lại máy nén.
TỔNG KẾT
- Kết quả tính toán tổng tải nhiệt kho lạnh được xác định là 1757,36 kW
- Máy nén được chọn là máy nén BIZER có model 2FES-2Y-40S có công suất 2HP, công suất lạnh 2,45 kW tại Te= -25 o C/ Tc= +40 o C
- Bình ngưng được chọn có mã KTP-12 có tải nhiệt 15,4 kW
- Dàn bay hơi theo kết quả tính toán được model GHN 040.2D/14 có công suất lạnh 4 kW
- Van tiết lưu nhiệt có mã T2-5, lưu lượng G= 9,54 m 3 /h, nhiệt độ bay hơi t0= -6 o C