BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: KỸ THUẬT LẠNH

Đầu đề đồ án: Thiết kế máy sản xuất nước đá vảy năng suất 10 tấn/ngày

Trang 1

SVTH: Vũ Tiến Dũng Page 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Thành phố Hồ Chí Minh

Khoa: Công nghệ Hóa & Thực phẩm

Bộ môn: Quá trình và Thiết bị

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: KỸ THUẬT LẠNH MÃ SỐ: 605063 Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng

Lớp: HC06MB Ngành (nếu có): Quá Trình & Thiết Bị

1 Đầu đề đồ án: Thiết kế máy sản xuất nước đá vảy năng suất 10 tấn/ngày

2 Nhiệm vụ:

- Thiết kế quy trình và tính tốn các thiết bị chính

3 Nội dung các phần tính toán:

Xem ở phần mục lục

4 Các bản vẽ và đồ thị (loại và kích thước bản vẽ):

Gồm 1 bản vẽ A1: Bản vẽ quy trình công nghệ

5 Ngày giao bài tập lớn:

6 Ngày hoàn thành:

7 Ngày bảo vệ hay chấm:

Ngày tháng năm 2009

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

Trang 2

MỤC LỤC

Chương 1: Tính toán phụ tải nhiệt 4

1 Chi phí lạnh để tạo đá 4

2 Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che 4

3 Tổn thất nhiệt do vận hành 5

4 Công suất lạnh của máy nén 6

Chương 2: Tính toán chu trình và chọn máy nén 6

1 Chọn các thông số làm việc 6

1.1 Chọn tác nhân lạnh cho quá trình 6

1.2 Chọn chế độ làm việc 6

2 Chu trình lạnh 8

3 Tính toán chu trình lạnh và chọn máy nén 9

3.1 Tính chu trình lạnh 9

3.2 Chọn máy nén 10

Chương 3: Tính toán thiết bị chính 12

1 Tính toán thiết bị ngưng tụ 12

1.1 Tính toán truyền nhiệt phía trong ống 14

1.2 Tính toán truyền nhiệt phía ngoài ống 16

1.3 Chọn thiết bị ngưng tụ 17

2 Tính toán thiết bị bốc hơi 17

2.1 Tính toán mật độ truyền nhiệt từ nước làm đá vào vách 17

2.2 Tính toán mật độ truyền nhiệt từ vách vào môi chất lạnh 19

2.3 Xác định bề mặt truyền nhiệt 20

Trang 3

2.4 Tính thời gian tạo đá và số vòng quay của dao 20

Chương 4: Tính toán cách nhiệt cách ẩm 21

1 Tính cách nhiệt cách ẩm cho thiết bị bốc hơi 21

2 Tính cách nhiệt cách ẩm cho tường kho trữ đá 22

2.1 Tính toán cách nhiệt 23

2.2 Kiểm tra đọng ẩm 23

3 Tính cách nhiệt cách ẩm cho trần kho trữ đá 24

4 Tính cách nhiệt cách ẩm cho nền kho trữ đá 26

Tài liệu tham khảo

Trang 4

Chương 1 Tính toán phụ tải nhiệt Tổng tổn thất lạnh được tính như sau

kW Q Q Q

q0: Nhiệt lượng cần làm lạnh 1kg nước xuống nhiệt độ yêu cầu, kW/kg

Trong đó: nhiệt độ nước vào t1 = 200C , nhiệt độ nước bắt đầu đông đặc t0 = 00C, nhiệt độ đá thành phẩm t2 = -70C

qo = Cpn.(t1-t0) +rđđ + Cpđ(t0 –t2) với: Cpn lấy tại nhiệt độ trung bình , Cpn = 4,189 kJ/kg.K

Cpđ lấy tại nhiệt độ trung bình , Cpđ = 2,09kJ/kg.K

10.10

=G.q

=Q

3 0

2 Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che

Ta có dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che tức là dòng nhiệt tổn thất khi nhiệt truyền từ môi trường bên ngoài vào trong cối đá qua các lớp cách nhiệt

Q1 = K.t.L, W Trong đó:

K, w/mK – hệ số truyền nhiệt tổng quát theo chiều cao thân trụ

2

1

0 t t

2

1

0 t t



Trang 5

t, K – chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa môi trường bên ngoài và bên trong cối

L, m – chiều cao cối đá

Với:

2 2 1 1

1

1ln

2

11

d d

K

i i

Trong đó , W/m2K là hệ số cấp nhiệt từ không khí bên ngoài tới bề mặt cách nhiệt và hệ

số cấp nhiệt từ không khí bên trong cối tới bề mặt tạo băng

,W/mK – là hệ số dẫn nhiệt qua các lớp cách nhiệt i

d1, d2, - đường kính ngoài và trong của cối đá

di, m- đường kính lớp cách nhiệt thứ i

t = t1 – t2 , với t1,t2 là nhiệt độ môi trường trong và ngoài cối đá

Do tang trống có hai lớp một lớp cách nhiệt là polyurethan và lớp ngoài là thép X18H10T và

và hệ số dẫn nhiệt của X18H10T và hệ số cấp nhiệt phía trong tang trống lớn hơn rất nhiều so với hai hệ số cấp nhiệt không khí bên ngoài và hệ số dẫn nhiệt polyurethan nên ta bỏ qua hai đại lượng này, khi đó

t n

d d

K

ln2

11

d d

K

t n e

./87,48,0

9,0ln1,0.2

19,0.20

1ln

2

11

1 1

Trang 6

A: công suất chiếu sáng riêng, W/m2, với phòng lạnh bảo quản ta chọn A = 1,2

F: diện tích phòng, ta chọn: rộng 2400mm, dài 4000mm, cao 3000mm F =9,6m

4 Công suất lạnh của máy nén

kW b

Q k

1

22,50.06,1

 Với k: hệ số kể đến tổn thất đường ống và thiết bị của hệ thống lạnh, với nhiệt độ bốc hơi

t0 = - 200C ta chọn k = 1,06

b: hệ số thời gian làm việc của kho lạnh, đối với máy đá vảy làm việc liên tục ta chọn b = 1 Chương 2 Tính toán chu trình và chọn máy nén

1 Chọn các thông số làm việc

1.1 Chọn tác nhân lạnh cho quá trình

Chọn tác nhân lạnh là Freon 22 kí hiệu R22

Trang 7

tư = 340C, tw1, tw2 là nhiệt độ nước vào và ra tháp giải nhiệt Chọn nhiệt độ nước ra khỏi tháp

tw1 cao hơn nhiệt độ bầu ướt không khí khoảng 30C - 50C , ta chọn 40C

tw1 = tư + tư = 34 + 4 = 380C Nhiệt độ nước vào tháp giải nhiệt nước tuần hoàn, chọn tw = 40C

tw2 = tw1 +tw = 38 + 4 = 420C Nhiệt độ ngưng tụ lấy cao hơn nhiệt độ nước vào tháp giải nhiệt 20C

tk = tw2 + 2 = 42 +3 = 450C Tương ứng với áp suất ngưng tụ là 17,286 bar

Vậy nhiệt độ ngưng tụ hơi môi chất lạnh trong thiết bị ngưng tụ tk = 450C

 Nhiệt độ quá nhiệt tqn

Độ quá nhiệt khi sử dụng thiết bị hồi nhiệt đạt tqn = 20 – 250C, chọn 250C đối với R22 Vậy tqn = 25+ (-20) = 50C

Trong đó độ quá nhiệt của hơi môi chất lạnh khi qua thiết bị bốc hơi và đường ống là

t1* –t1’’ = 5 - 100

C, chọn t1* –t1’’ = 100

C

 Nhiệt độ quá lạnh tql

Cân bằng nhiệt cho thiết bị hồi nhiệt ta có Glvào.(hlvào - hlra) = Ghvào.(hhvào - hhra)

Với lưu lượng lỏng và hơi như nhau ta có

tlvào

tlra

thvào

thra

Trang 8

hlvào - hlra = hhvào - hhra hay h3’ –h3 = h1 –h1* như trên đồ thị lgP – h

h3’ –h3 = h1 –h1* suy ra h3 = h3’ – (h1 –h1* ) = 557 – (715-705) = 547 kJ/kg vậy ta suy ra được điểm 3

2 Chu trình lạnh

Bảng tổng hợp kết quả từ đồ thị trên

Trang 9

Tỉ số nén iệu áp suất P = 1,48Mpa < 1,67MPa vậy chọn chu trình máy lạnh một cấp

Quá trình làm việc

1’’ – 1* : quá trình quá nhiệt hơi hút

1* – 1 : quá trình quá nhiệt hơi hút

1 – 2 : quá trình nén đoạn nhiệt

2 – 2’ : quá trình hạ nhiệt độ sau khi nén đến nhiệt độ ngưng tụ

2’ – 3’: quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt, đẳng áp

 Năng suất lạnh riêng khối lượng q0 = h1’’ – h4 = 695 – 547 = 148 kJ/kg

 Năng suất lạnh riêng thể tích

3 1

0

/45,134511

,0

148

m kJ v

148

0  



l q



Trang 10

 Hiệu suất exergy

72,0253

253318.79,2

Q

148

23,53

039,

N N





Trang 11

Tính i theo công thức Levin

85,0.002,

0 0

T

T bt

k w



kW

N N

i

s

85,0

08,





Với w = T0/Tk, và hệ số thực nghiệm b = 0,0025 đối với freon

 Công suất hữu ích Ne = Ni + Nms

Nms = Vtt*pms

Vtt: thể tích hút thực tế

pms : công suất ma sát riêng

Do máy sử dụng hơi freon có pms biến thiên từ 0,039 - 0,069 Mpa

e el

N N



Hiệu suất truyền động htđ = 0,95

Hiệu suất động cơ điện hel = 0,85

Suy ra

kW

N N

el tđ

e

85,0.95,0

456,24





Trang 12

 Hiệu suất chung

63,03,30

08,19

Chương 3 Tính thiết bị chính

1 Tính Toán thiết bị ngưng tụ

Chọn loại thiết bị ngưng tụ là thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang, các thông số như sau

Lượng nhiệt cần trao đổi (lượng nhiệt môi chất lạnh ngưng tụ tỏa ra cho chất giải nhiệt)

Q = qk.G0 = 221.0,36 = 79,56 kW

Chọn loại thiết bị ngưng tụ vỏ ống nằm ngang nước giải nhiệt đi trong ống, hơi môi chất lạnh đi ngoài ống

Chọn ống trao đổi nhiệt là ống đồng có cánh:

Đường kính trong của ống dt = 14mm = 1,4.10-2m

Đường kính ngoài ống (chân cánh tản nhiệt) dn = 16,5mm = 1,65.10-2m

Đường kính ngoài của cánh dc = 20mm = 2.10-2m

Bước cánh Sc = 2mm = 2.10-3m

Bề dày cánh ở đỉnh d = 0,3mm = 3.10-4m

Bề dày cánh ở gốc 0 = 0,4mm = 4.10-4m

Trang 13

d d f

c

ng c

)2cos(

.2

s d

f

c d c

005,0

4

)(

2 2

d d

 Hệ số làm cánh :  = fng/ftr = 2,63

 Hiệu nhiệt độ trung bình logarit tlog

min max

log

ln

t t

7ln

37ln

min max

t t

t

1.1 Tính toán truyền nhiệt phía trong ống (phía nước giải nhiệt)

Trang 14

Nhiệt độ trung bình của nước giải nhiệt đi trong ống

402

38422

2

1   

 w w tb

t t t

Các thông số phía nước giải nhiệt được tra theo nhiệt độ trung bình này

1 Khối lượng riêng w (kg/m3) 991,5

2 Nhiệt dung riêng cpw (kJ/kg.K) 4,178

t c

Q m

w w pw

k

)3842.(

178,4

56,79)

Chọn vận tốc nước đi trong ống  = 2 m/s

Số ống truyền nhiệt trong một lối

06,15)10.4,1.(

.2.5,991

76,4.4

.4

2 2

Chọn số ống trong một lối là 16

Tính lại vận tốc trong ống

s m d

n

m t w

)10.4,1.(

.15.5,991

76,4.4

.4

2 2

.642,0

10.4,1.95,1

Ta thấy Re = 52305,3 > 10000 vậy chế độ chảy trong ống là chảy rối

Chuẩn số Nu

25 , 0 43 , 0 8 , 0

Pr

Pr(Pr.Re 021,0

t

Trang 15

Với tỉ số Pr/Prt là ảnh hưởng của hướng dòng nhiệt, đối với quá trình làm nguội và ngưng

tụ thì Pr/Prt < 1 nhưng với chênh lệch nhiệt độ không lớn giữa nhiệt độ thành ống và nhiệt độ lưu chất bên trong nên ta coi Pr/Prt = 1 Và hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của chiều dài và đường kính ống 1, chọn 1 = 1,1

14,2152

,4.42305.1,1.021,

.4,1

6361,0.14,215

K A

i i w

k

k.d.S.'q

Q75

.0

Trang 16

1.2 Tính toán truyền nhiệt phía ngoài ống (phía môi chất ngưng tụ)

2 Độ nhớt động học 106(m2/s) 0,196

3 hệ số dẫn nhiệt 

(W/m.K) 7,67

4 Khối lượng riêng (kg/m3) 1108

Bảng 3.3 : các thông số vật lý của môi chất lạnh R22 ở nhiệt độ ngưng tụ tk = 450C

Ta có công thức tính hệ số cấp nhiệt với môi chất ngưng tụ như sau

25 , 0 25

, 0 167

, 0 4

6

3 3

167 0 4

3

.41,9557

7,1.63,2.2

11.0165,0.10.196,0

81,9.0767,0.1108.10.160.72,0

2

72,0

c z

v ng R

t t

n t d

g r

Với g = 9,81 m/s2: gia tốc trọng trường

c : hệ số khi kể tới các điều kiện ngưng tụ khác nhau trên mặt cánh đứng và phần

bề mặt ống nằm ngang không có cánh:

1,7'

3

ng

c c

f

f h

d E f f

: hệ số tạo cánh ()

75 0

25 0

41,9557

v v

R R

v R

t t

41,9557

)77,5(1,2760

75 0

v r

v w

q q

t q

Trang 17

/44,12144

37,1

q

C t

R w v

Diện tích bề mặt truyền nhiệt phía trong là 7,58m2

q

Q F

w

K

Diện tích bề mặt truyền nhiệt phía ngoài Fn = Ftr = 2,63.7,58 = 20m2

n d

F l tr

61.10.14

58,7

Thiết bị bốc hơi là bình hai vỏ đứng, tiết diện phần môi chất lạnh đi là tiết

diện vành khăn Môi chất lạnh đi phía trong thu nhiệt và làm kết đông đá, đá

được dao cạo cạo rơi xuống buồng chứa

 Tính chất vật lý của nước đá:

Khối lượng riêng 916,8kg/m3

ẩn nhiệt đóng băng r = 334,6 kJ/kg

Nhiệt dung riêng của nước đá Cpđ = 2,09 kJ/kg

Hệ số dẫn nhiệt của nước đá  = 2,22 W/m.K

2.1 Tính toán mật độ truyền nhiệt từ nước làm đá vào vách phía bốc hơi

 Hệ số cấp nhiệt của nước

Các thông số vật lý của nước tại 200C(nhiệt độ nước vào làm đá)

Trang 18

1: hệ số cấp nhiệt cua nước vào vách bốc hơi, W/m2.K

: hệ số dẫn nhiệt của nước, W/m.K

66420010

.1

5.9,0.164,0

164,0

2 2

,7.664200

27,0Pr

.Re.27,

0 0,652 0,333 0,652 0,333



Nu

K m W z

D

Nu

tb

./6831

9,0

598,0.3230

Trang 19



Chọn

W K m i

i

/.23105,0

    



Mật độ dòng nhiệt truyền từ nước làm đá vào bề mặt bốc hơi

)40(13,509

74,7541

1

i i

t t

t wv  n o 20(20)40o



2.2 Tính toán mật độ truyền nhiệt từ vách phía bốc hơi vào môi chất lạnh

Hệ số cấp nhiệt phía môi chất lạnh

2 2

3 / 1 2 3

"

'

"

101075,

mK W

m kg

s m

l kg

/106,0

/10.39

/10.0225,0

/3505,1

/10.762,10

4

2 6 '

3 ''

2 t 15,2 t

q    

2.3 Xác định bề mặt truyền nhiệt

Giải hệ phương trình

Trang 20

.0423,0

)40.(

13,509

2 1

3 2

t q

v v

1

2 2

/15266

./03,1515

05,10

m W q

q

K m W

t v



Chi phí lạnh sản xuất nước đá Q = 53,23 kW ta tính được diện tích bề mặt truyền nhiệt

2 3

48,315266

10.23,53

m q

Q

Chọn D = 1,2 m suy ra chiều cao H = 0,92m

2.4 Tính thời gian tạo đá và số vòng quay của dao cạo đá

 Thời gian đông đá

t t

r

M M d

d M d

1

ln

.2

1

2 1

1

1 1 1

1 2 1

Nhiệt độ sôi môi chất lạnh: t2= - 20oC

Hệ số dẫn nhiệt của nước đá: d= 2,22 W/mK

Bề dày lớp đá: d = 0,002m

Hệ số dẫn nhiệt của thép không rỉ: M =17,5 W/mK

Bề dày lớp thép không rỉ: M = 0,006m

Hệ số cấp nhiệt của nước: 1 = 509,13 W/m2K

 Tốc độ quay của dao cạo đá

   = 21,22 s, ta chọn số vòng quay n = 20s/vòng

Góc tạo bởi dạo cạo đá và vòi phun nước

0

2236020

22,21

Trang 21



(W/mK)

Bọt xốp Polyurethan cn 0,023

K= 0,26 (hệ số truyền nhiệt qua vách chọn theo to = -20C )

1 = 23,3 W/m2.K (hệ số cấp nhiệt từ môi trường ngoài đến vách)

2 = 1515,03 W/m2.K (hệ số cấp nhiệt phía môi chất sôi bay hơi )

m K

u

i cn

2 1

t s t t s

k   

21

1195,

Kiểm tra điều kiện đọng sương

Vách sẽ không bị đọng sương nếu nhiệt độ vách lớn hơn nhiệt độ đọng sương của môi

Thép Bitum

Bitum

Polyurethan rót ngập Thép

Thép Bitum

Bitum

Thép

Bitum

Trang 22

trường hoặc hệ số truyền nhiệt đọng sương ks lơn hơn kt

33,25

33 29

333,23.95,021

1195,

 t t t t s

s

Ta thấy ks > kt vậy không có hiện tượng đọng sương

2 Tính cách nhiệt, cách ẩm cho tường kho trữ đá

u

i cn

Trang 23

Chọn bề dày lớp Styropro cn = 0,15m

Tính lại hệ số truyền nhiệt tổng quát

K m W

2 1

Tính toán kiểm tra đọng sương

Kho lạnh sẽ không bị đọng sương nếu nhiệt độ vách ngoài của kho lớn hơn nhiệt độ đọng sương của không khí bên ngoài

Hay hệ số truyền nhiệt tổng quát nhỏ hơn hệ số truyền nhiệt đọng sương

k <ks

33,25

33 29

333,23.95,021

1195,

C t

mmHg P

C t

tr

tr t

ng ng

N

41,34

%;

95

77,3733

%;

81

0 0

Trang 24

g

mmHg h

m R

n

i CA

64,179001,0

0,15014

,0

0,1012

,0

0,01.3000115,

Ta thấy R > Rn, vậy không có hiện tượng ngưng tụ ẩm trong tường

3 Cách nhiệt cách ẩm cho trần phong trữ đá

3.1 Tính toán cách nhiệt cho trần

Trang 25

K 1 1 2

1 1

003 , 0 55 , 1

1 , 0 9 , 0

01 , 0 3 3 , 23

1 26

, 0

1 043 ,

1

2 1

K <Ks = 2,66, nên trần không bị đọng sương

3.2 Kiểm tra đọng ẩm cho trần

Để ẩm không ngưng tụ thì trở lực dẫn ẩm qua tường phải lớn hơn trở lực dẫn

ngoài và trong kho lạnh

Trang 26

mmHg P

C t

mmHg P

C t

tr

tr t

ng ng

N

41,34

%;

95

77,3733

m R

n

i CA

64,179001,0

0,15014

,0

0,1012

,0

0,01.3000115,

4.1 Tính toán cách nhiệt cho nền

Hệ số truyền nhiệt qua vách ngoài K = 0,26 W/m2.K

Hệ số cấp nhiệt qua vách trong α2 = 8 W/m2 .K

Trang 27

K 1 2

1 1

2 , 0 765 , 0

003 , 0 55 , 1

1 , 0 9 , 0

02 , 0 26 , 0

1 043 ,

15,08

155,1

2,0765,0

003,055,1

1,09,0

02,0

11

K

K <Ks = 2,66, nên nền không bị đọng sương

4.2 Kiểm tra đọng ẩm cho nền

g

mmHg h

m R

n

i CA

18,199014,0

0,2001,0

0,15014

,0

0,1012

,0

0,02000115

,0

Trang 28

[4] Trần Thanh Kỳ, “Máy lạnh”, NXB Giáo Dục, 632 tr

[5] Các tác giả, “Sổ Tay Tập 1,2 Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hoá Chất”, NXB

Khoa Học & Kỹ Thuật, Hà nội, 1999, 447 tr

[6] Nguyễn Đức Lợi-Phạm Văn Tùy-Đinh Văn Thụân, “Kỹ Thuật Lạnh Ứng Dụng”,

NXB Giáo Dục, Thái Nguyên, 2002, 400 tr

[7] Nguyễn Đức Lợi, “Tự Động Hóa Hệ Thống Lạnh”, NXB Giáo Dục, Thái Nguyên,

2001, 331 tr

[8] Phạm Văn Bôn- Nguyễn Đình Thọ, “ Quá trình và thiết bị công nghệ hóa & thực

phẩm” tập 5, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2006, 460tr

Định dạng
Số trang	28
Dung lượng	899,19 KB