Đồ án kỹ thuật lạnh Thiết kế kho lạnh

Tác dụng của việc bảo quản lạnh Bảo quản thực phẩm là quá trình bảo vệ và hạn chế những biến đổi về chất lượng và hình thức của thực phẩm trong khi chờ đợi đưa đi sửdụng.. Tuy nhiên có m

Ý NGHĨA KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỒ ÁN

Kỹ thuật lạnh đóng vai trò rất quan trọng trong nền kinh

tế xã hội Đặc biệt là đối với nước ta nền kinh tế chủ yếu lànông nghiệp, ngư nghiệp Sản phẩm nông nghiệp của chúng

ta dồi dào, bên cạnh đó là quá trình phát triển nền kinh tế

xã hội chúng ta đang dần tiến tới công nghiệp hóa hiện đạihóa Sản phẩm bán ra ngày càng nhiều và chế biến tinh chếhơn, các ngành nông sản, chế biến thủy sản ngày càngchiếm vị thế trong nền kinh tế xã hội

Đặc biệt với ngành chế biến thủy sản, sản phẩm sauchế biến phải được cấp đông để có thể bảo quản trong thờigian dài Do đó để phát triển được ngành này thì công nghệlạnh đóng vai trò rất quan trọng với ngành trưng bày và bánhàng tại các trung tâm thương mại, siêu thị Và việc nghiêncứu và ứng dụng kỹ thuật lạnh đúng hướng ở nước ta là rấtcần thiết để đưa nền kinh tế nước nhà đi lên

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LẠNH

1.1 Lịch sử phát triển ngành lạnh

Từ lâu con người đã biết làm lạnh và sử dụng lạnh Cách đây khoảng

5000 năm con người đã biết bảo quản lương thực - thực phẩm trong cáchang động có nhiệt độ thấp do các mạch nước ngầm nhiệt độ thấp chảyqua

Cách đây khoảng 2500 năm trong các tranh vẽ trên tường ở các kim

tự tháp Ai Cập đã mô tả cảnh nô lệ quạt các bình gốm xốp cho nước bayhơi làm mát không khí

Người Ấn độ và người Trung quốc cách đây 2000 năm đã biết trộnmuối vào nước hoặc nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn

Tuy nhiên, kỹ thuật lạnh hiện đại chỉ mới bắt đầu phát triển khi giáo

sư Black tìm ra ẩn nhiệt hóa hơi và ẩn nhiệt ngưng tụ vào năm 1761

-1764 Con người đã biết làm lạnh bằng cách cho bay hơi chất lỏng ở ápsuất thấp

Sau đó là sự hoá lỏng khí CO2 vào năm 1780 do Clouet và Mongetiến hành Sang thế kỷ thứ 19 thì Faraday đã hoá lỏng được hàng loạt cácchất khí như: H2S, CO2, C2H2, NH3, O2, N2, HCl

Năm 1834 Tacob Perkins (Anh) đã phát minh ra máy lạnh nén hơiđầu tiên với đầy đủ các thiết bị hiện đại gồm có máy nén, dàn ngưng, dànbay hơi, và van tiết lưu

Sau đó có hàng loạt các phát minh của kỹ sư Carres (Pháp) về máylạnh hấp thụ chu kỳ và liên tục với các mô chất khác nhau

- Máy lạnh hấp thụ khuếch tán hoàn toàn không có chi tiết chuyểnđộng được Gerppt (Đức) đăng ký phát minh 1899 và được Platen cùngMunter (Thụy điển) hoàn thiện năm 1922 Máy lạnh Ejector hơi nước đầutiên do Leiblane chế tạo năm 1910 Nó cấu tạo sất đơn giản, năng lượngtiêu tốn là nhiệt năng do đó có thể tận dụng các nguồn phế thải.

- Một sự kiện quan trọng của lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh làviệc sản xuất và ứng dụng Freon ở Mỹ vào năm 1930 Freon là các khí liêncarbon được thay thế một phần hay toàn bộ các nguyên tử hidro bằng cácnguyên tử halogen như: Cl, F, Br Freon là những chất lạnh có nhiều đặctính quý báu như không cháy không nổ, không độc hại, phù hợp với chutrình làm việc của máy lạnh nén hơi Nó đã góp phần tích cực vào việcthúc đẩy kỹ thuật lạnh phát triển Nhất là kỹ thuật điều hòa không khí Ngày nay kỹ thuật lạnh hiện đại đã phát triển rất mạnh mẽ, cùng với

sự phát triển của khoa học, kỹ thuật lạnh đã có những bước tiến vượt bậc

- Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày càng được mở rộng.Người ta đang tiến dần nhiệt độ không tuyệt đối

- Công suất lạnh của máy cũng được mở rộng, từ máy lạnh vài mW

sử dụng trong phòng thí nghiệm đến các stoor hợp có công suất triệu W ởcác trung tâm điều tiết không khí

- Hệ thống lạnh ngày nay thay vì lắp ráp các chi tiết, thiết bị lại vớinhau thì tổ hợp này ngày càng hoàn thiện nên sử dụng sẽ thuận tiện và chế

độ làm việc hiệu quả hơn

- Hiệu suất máy tăng lên đáng kể, chi phí vật tư và chi phí cho mộtđơn vị lạnh giảm xuống Tuổi thọ và độ tin cậy tăng lên Mức độ tự độnghóa của các hệ thống lạnh và các máy lạnh tăng lên rõ rệt Những thiết bị tựđộng hóa hoàn toàn bằng điện tử và vi điện tử thay thế cho các thiết bị thaotác bằng tay

1.2 Tổng quan về công nghệ làm đông và bảo quản sản phẩm đông lạnh

1.2.1 Tác dụng của việc bảo quản lạnh

Bảo quản thực phẩm là quá trình bảo vệ và hạn chế những biến đổi

về chất lượng và hình thức của thực phẩm trong khi chờ đợi đưa đi sửdụng

Thực phẩm sau khi thu hoạch về chế biến được bảo quản ở nhiệt độthấp cùng với chế độ thông gió và độ ẩm thích hợp trong kho lạnh, khi hạnhiệt độ thấp thì enzyme và vi sinh vật trong nhiên liệu bị ức chế hoạt động

và có thể bị đình chỉ hoạt động Như vậy nguyên liệu được giữ tươi lâukhoảng một thời gian nữa

Nói chung khi nhiệt độ nhỏ hơn 100C thì vi sinh vật gây thối rữa và

vi khuẩn gây bệnh bị kiềm chế phần nào hoạt động của chúng Khi nhiệt độnhỏ hơn 00C thì tỷ lệ phát triển của chúng rất thấp, ở -50C ÷ -100C thì hầuhết chúng không hoạt động Tuy nhiên có một số loài vi khuẩn và nấm mốckhi hạ nhiệt độ xuống -150C chúng vẫn phát triển được như

Cloromobacter, Pseudomonas… Do đó, muốn bảo quản được thực phẩm,

nhất là các mặt hàng thuỷ sản trong thời gian dài thì nhiệt độ bảo quản phảidưới -150C

Như vậy, quá trình bảo quản lạnh có tác dụng như sau:

- Ở nhiệt độ thấp các phản ứng sinh hoá trong nguyên liệu giảmxuống Trong phạm vi hoạt động bình thường cứ hạ 100C thì các phản ứngsinh hoá giảm xuống 1/2 ÷ 1/3, khi hạ xuống thấp sẽ làm ức chế các hoạtđộng về sinh lý của vi khuẩn cũng như nấm men

- Dưới tác dụng của nhiệt độ thấp, nước trong động vật thuỷ sản bịđóng băng làm cơ thể động vật bị mất nước, vi khuẩn thiếu nước nên giảmphát triển và có khi còn bị tiêu diệt Nói chung khi nhiệt độ hạ xuống thấpthì chỉ có tác dụng kiềm chế vi khuẩn hơn là giết chết chúng

1.2.2 Các vấn đề về cấp đông thực phẩm

1.2.2.1 Phân loại giới hạn làm lạnh

 Nhiệt độ đóng băng của thực phẩmNước nguyên chất đóng băng ở 00C Tuy nhiên điểm đóng băng củathực phẩm thì khác, vì nồng độ muối khoáng và các chất hòa tan trong dịch

tế bào của thực phẩm thay đổi tùy theo từng loại thực phẩm nên chúng cóđiểm đóng băng khác nhau và thường nhỏ hơn 0

 Các cấp làm lạnh thực phẩmỨng với khoảng nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông người ta phân biệtcác cấp làm lạnh thực phẩm như sau:

- Làm lạnh: khi nhiệt độ sản phẩm cuối quá trình nằm trongkhoảng:

Khi hạ nhiệt độ xuống thấp các dạng nước trong thực phẩm đóngbăng dần dần tùy theo mức độ liên kết của chúng với tế bào

Khi hạ nhiệt độ xuống thấp bằng nhiệt độ cấp đông, trước tiên cáctinh thể đá xuất hiện ở gian bào (khoảng trống giữa các tế bào) Khi đếnđiểm đóng băng đa số nước ở gian bào kết tinh và làm tăng nồng độ chấttan lên cao hơn trong tế bào Do đó áp suất thẩm thấu tăng lên làm cho

nước trong tế bào có xu hướng ra ngoài qua gian bào, qua màng bán thấmcủa tế bào Nếu tốc độ làm lạnh chậm thì nước trong tế bào ra sẽ làm chocác tinh thể hiện diện lớn lên mà không tạo tinh thể mới.

Nếu tốc độ làm lạnh nhanh thì tinh thể sẽ tạo ra cả ở bên ngoài lẫnbên trong tế bào, tinh thể đá sẽ nhuyễn và đều

Do đó, nếu hạ nhiệt chậm tế bào bị mất nước, các tinh thể đá tạo ra

sẽ to và chèn ép làm rách màng tế bào, cấu tạo mô cơ bị biến dạng, làmgiảm chất lượng sản phẩm

Khi nước tự do đã đóng băng hết thì đến nước liên kết, bắt đầu từnước có liên kết yếu đến nước có liên kết mạnh

1.2.2.2 Một số biến đổi của thực phẩm trong quá trình bảo quản lạnh đông

a Sự biến đổi về nhiệt vật lý

Sự kết tinh của nước đá

Trong quá trình cấp đông nước tách ra và đông thành các tinh thể,làm cho sản trở nên rắn, tăng thể tích một ít Khi nước trong thực phẩm kếttinh tạo thành mạng tinh thể xen kẽ giữa các thành phần khác tạo nên cấutrúc vững chắc, nhưng khi làm tan băng, phục hồi trạng thái ban đầu thì cấutrúc thực phẩm bị mềm yếu hơn, kém đàn hồi hơn do các tinh thể làm ráchcấu trúc tế bào thực phẩm

Đối với các sản phẩm đông lạnh trong quá trình bảo quản nếu chúng

ta không duy trì được nhiệt độ bảo quản ổn định sẽ dẫn đến sự kết tinh lạicủa nước đá Đây là hiện tượng gây ảnh hưởng xấu cho sản phẩm bảo quản

Do nồng độ chất tan trong các tinh thể nước đá khác nhau thì khác nhau,nên nhiệt độ kết tinh và nhiệt độ nóng chảy cũng khác nhau

Sự biến đổi màu sắc

Đồng thời với quá trình trên màu sắc thực phẩm cũng biến đổi dohiệu ứng quang học do tinh thể đá khúc xạ ánh sáng Màu sắc thực phẩm

khi nước đóng băng phụ thuộc tính chất ánh quang của các tinh thể nướcđá.

Bay hơi nước

Trong quá trình làm lạnh đông có hiện tượng mất nước, giảm trọnglượng sản phẩm Đó là sự bay hơi nước vào không khí từ bề mặt sản phẩm,

do chênh lệch mật độ ρ giữa không khí sát bề mặt và không khí xungquanh

Ẩm bốc lên từ bề mặt sản phẩm vào không khí xung quanh, nếu sảnphẩm nhập có bề mặt còn ướt thì khi cấp đông chúng sẽ đông lại, sau đódiễn ra quá trình thăng hoa Nếu chênh lệch nhiệt độ bề mặt sản phẩm vàkhông khí trong buồng cấp đông càng lớn thì ẩm bốc càng mạnh, gây haohụt khối lượng

Khuếch tán nước

Khi cấp đông xảy ra hiện tượng khuếch tán nước trong cấu trúc thựcphẩm, nước khuếch tán là do các nguyên nhân:

- Sư chênh lệch nhiệt độ gây nên do chênh lệch mật độ ρ

- Sự lớn lên của các tinh thể nước đá luôn thu hút nước từ những vịtrí chưa kết tinh dẫn đến, làm cho nước từ nơi có nồng độ chất tan thấpchuyển đến nơi có nồng độ chất tan cao Sự di chuyển của nước thực hiệnnhờ tính bán thấm và mao dẫn của cấu trúc thực phẩm Động lực của quátrình khuếch tán, làm cho nước di chuyển từ trong tế bào ra gian bào và từtrong ra ngoài, từ vị trí liên kết ra tự do Khi nước khuếch tán cấu trúc tếbào co rút, một số chất tan biến hình

Các thông số nhiệt vật lý thay đổi

- Biến đổi nhiệt dung: nhiệt dung sản phẩm thay đổi là do nướctrong thực phẩm đã đóng băng

- Biến đổi hệ số dẫn nhiệt

- Biến đổi hệ số dẫn nhiệt độ

b Biến đổi hóa học

Trong quá trình bảo quản đông lạnh các biến đổi sinh hóa, hóa họcdiễn ra chậm Các thành phần dễ bị biến đổi là các protein hòa tan, lipid,vitamin, chất màu…

- Sự biến đổi protein: trong các loại protein thì protein hòa tantrong nước là dễ bị phân giải nhất, sự phân giải chủ yếu dưới dạng tác dụngcủa enzyme có sẵn trong thực phẩm Sự khuếch tán nước do kết tinh lại vàthăng hoa của nước đá gây nên sự biến tính protein hòa tan Biến đổiprotein làm giảm chất lượng sản phẩm khi sử dụng

- Sự biến đổi của lipid: dưới tác động của enzyme nội tạng làm chochất béo bị phân giải cộng với quá trình thăng hoa nước đá làm cho oxyxâm nhập vào thực phẩm Đó là điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóachất béo xảy ra Quá trình oxy hóa này sinh ra các hợp chất có mùi vị xấulàm giảm giá trị của sản phẩm

- Các chất màu bị oxy hoá cũng làm thay đổi màu sắc của sảnphẩm

c Biến đổi do vi sinh

Trước khi làm lạnh thực phẩm thường được rửa sạch để loại bỏ cáctạp chất nơi chứa nhiều loại vi sinh vật

Đối với sản phẩm đông lạnh có nhiệt độ thấp hơn -150C và được bảoquản ổn định thì số lượng vi sinh vật giảm theo thời gian Ngược lại nếusản phẩm làm đông không đều, vệ sinh không đúng tiêu chuẩn, nhiệt độbảo quản không ổn định sẽ làm cho các sản phẩm bị lây nhiễm vi sinh vật,chúng hoạt động gây thối rữa sản phẩm và giảm chất lượng sản phẩm

1.2.2.3 Các phương pháp và thiết bị kết đông thực phẩm

Thiết bị cấp đông có rất nhiều dạng, hiên nay ở nước ta sử dụng phổbiến các hệ thống sau:

- Kho cấp đông gió

- Tủ cấp đông tiếp xúc.

- Tủ cấp đông gió

- Hệ thống cấp đông dạng rời, có băng chuyền IQF

+ Hệ thống cấp đông có băng chuyền cấp đông thẳng

+ Hệ thống cấp đông có băng chuyền cấp đông dạng xoắn

Phân loại

– Dựa vào thành phần hóa học:

• Môi chất vô cơ: NH3 (R717), CO2 (R744), …

• Môi chất hữu cơ: hydrocarbon, halocarbon…

– Dựa vào nhiệt độ sôi và áp suất bão hòa

• Môi chất có áp suất sôi cao: R744

• Môi chất có áp suất sôi trung bình: R123, R134

• Nhóm môi chất có áp suất sôi thấp: R717, R507

Ngoài ra còn dựa vào tính độc hại và tính dễ cháy nổ để phân loại

- Tuy NH3 độc hại nhưng vẫn được coi là môi chất của hiện tại vàtương lai

- Năng suất lạnh riêng khối lượng q0 lớn

- Năng suất lạnh riêng thể tích qv lớn (máy nén và thiết bị gọn nhẹ)

- Nhiệt độ cuối tầm nén cao (làm mát đầu xilanh và phải hút hơi bãohòa)

- Độ nhớt nhỏ, tính lưu động cao (tổn thất áp suất nhỏ, đường ống vàcác van gọn nhẹ)

- Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn (thuận lợi cho việc thiết kế chếtạo thiết bị ngưng tụ và bay hơi)

Hình 1.1 Môi chất NH 3

- Bền vững trong khoảng nhiệt độ và áp suất công tác, chỉ phân hủy

ở 2600C (Tuy nhiên nếu bề mặt xilanh làm bằng thép và có mặt ẩm làmchất xúc tác thì ở nhiệt độ 110 - 1200C đã bị phân hủy)

4,26 2,80

– Độc hại với con người, gây kích thích niêm mạc mắt và dạ dày, gây

co thắt các cơ quan hô hấp, làm bỏng da

– Ở nồng độ 0,007 - 0,1% thể tích không khí bắt đầu có sự hủy hoại

cơ quan hô hấp Từ 0,2 - 0,3% có thể làm mù mắt hoặc làm chết ngạt trong

30 phút

– NH3 làm giảm chất lượng thực phẩm

Biện pháp an toàn

– Khi tiếp xúc với NH3 phải mang mặt nạ phòng độc, khi xử lí sự cố

hệ thống ít nhất phải có hai người

– Khi bị ngạt phải đưa ra chỗ thoáng nhưng phải ấm, xông hơi ấm vàuống các chất kích thích: cà phê, trà nóng,…

– Khi bị bỏng phải nhanh chóng rửa bằng nước sạch và ấm Nếunặng thì phải đưa đi bệnh viện

1.4 Ứng dụng của kỹ thuật lạnh

1.4.1 Bảo quản thực phẩm

Lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của kỹ thuật lạnh là dùng để bảoquản thực phẩm Theo thống kê thì khoảng 80% năng suất lạnh được sửdụng trong công nghiệp bảo quản thực phẩm Thực phẩm hầu hết là các sảnphẩm bị ôi thiu hư hỏng do vi khuẩn gây ra

Để bảo quản thực phẩm ngoài phương pháp sấy khô, phóng xạ, bao

bì, xử lý khí…phương pháp làm lạnh tỏ ra có rất nhiều ưu điểm như ít làmgiảm chất lượng, màu sắc, mùi vị thực phẩm trong nhiều tháng, thậm chínhiều năm bảo quản

Bảng 1.2 Số ngày bảo quản phụ thuộc vào nhiệt độ đối với cá, thịt bò, gia cầm

Thực ra thời gian bảo quản còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ

ẩm, phương pháp bao gói, thành phần không khí nơi bảo quản, chất lượngbán thành phẩm,…nhưng nhiệt độ đóng vai trò quan trong nhất

Ngày nay, công nghiệp thực phẩm xuất khẩu đang giữ một vai trò hếtsức quan trọng trong nền kinh tế của nước ta và nền công nghiệp chế biếnthực phẩm này không thể thiếu những trang thiết bị hiện đại nhất của kỹthuật lạnh

1.4.2 Sấy thăng hoa

Sản phẩm sấy đầu tiên được kết đông xuống - 200C sau đó được sấybằng cách hút chân không nên chất lượng sản phẩm hầu như được giữnguyên vẹn Khi sử dụng sản phẩm được tái hấp thụ nước và giữ nguyênđược trạng thái ban đầu cả về chất lượng, màu sắc, mùi vị…Do giá thànhsấy thăng hoa rất đắt nên ít được ứng dụng cho thực phẩm mà chủ yếu chongành y, dược

1.4.3 Công nghiệp hóa chất

Ứng dụng quan trọng nhất trong công nghệ hóa chất là việc hóa lỏng

và tách khí như công nghiệp sản xuất khí clo, amoniac, carbonic, sulfuro,clohydryd, các loại khí đốt, khí sinh học, khí thiên nhiên, hóa lỏng và táchkhông khí,…

Hóa lỏng và tách không khí từ không khí ngành công nghiệp có ýnghĩa rất to lớn đối với ngành luyện kim, chế tạo máy và các ngành kinh tếkhác kể cả y học và sinh học Oxy và nito được sử dụng nhiều ở lĩnh vựckhác nhau như hàn, cắt kim loại, sản xuất phân đạm, làm chất tải lạnh…cácloại khí trơ như heli, argon được sử dụng trong nghiên cứu vật lí, trong

công nghiệp hóa chất và sản xuất bóng đèn Kỹ thuật lạnh cũng hỗ trợ đắclực trong các công nghệ sản xuất vải, sợi, tơ, cao su nhân tạo, phim ảnh…nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng hóa học nên người tacòn sử dụng lạnh để điều khiển tốc độ phản ứng hóa học

1.4.4 Điều hòa hóa chất

Điều hòa không khí công nghiệp và tiện nghi ngày nay là không thểthiếu và thực sự đang phát triển rất mạnh mẽ Các yêu cầu nghiêm ngặt vềnhiệt độ, độ ẩm và thành phần không khí trong các quy trình công nghệ sảnxuất như vải, sợi, in ấn, thuốc lá, điện tử, vi điện tử, máy tính, quang học…nhất thiết phải có điều hòa không khí

Các dịch vụ như khách sạn, du lịch, vui chơi giải trí, y tế, thể dục thểthao, giao thông vận tải…cũng không thể thiếu được điều hòa không khí.Ngày nay kỹ thuật lạnh đã thâm nhập và hỗ trợ cho hàng trăm ngành kinh

tế khác nhau

Chương 2 DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ QUÁ

TRÌNH THIẾT BỊ2.1 Sơ đồ tủ cấp đông cấp dịch nhờ bơm

Hơi môi chất sẽ được hút về máy nén hạ áp và nén lên bình trung gian,tại đây môi chất sẽ được làm mát trung gian hoàn toàn Sau khi được làmmát, hơi môi chất được máy nén cao áp hút về và tiếp tục nén cao áp Hơisau khi nén cao áp sẽ đi qua bình tách dầu Tại đây, dầu sẽ được tách rakhỏi hơi môi chất để tránh trường hợp dầu sẽ theo hơi vào các thiết bị traođổi nhiệt làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt Sau đó, môi chất sẽ đi vào thiết

bị ngưng tụ Đây là bình ngưng ống chùm nằm ngang sử dụng cho môi chất

NH3 Bình ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng nên môi chất đượcquá lạnh ngay ở thiết bị ngưng tụ Tại bình ngưng môi chất lỏng sẽ đượclàm mát bằng nước nhờ một tháp giải nhiệt Sau khi hơi môi chất đượcngưng tụ thành lỏng sẽ đi qua bình chứa cao áp, đường ống nối từ bìnhngưng tụ xuống bình chứa cao áp chính là đường ống cân bằng áp Bìnhchứa cao áp dùng để chứa lỏng môi chất ở áp suất cao, giải phóng bề mặtcủa thiết bị ngưng tụ duy trì sự cấp lỏng liên tục cho van tiết lưu Sau đómôi chất lỏng sẽ được tiết lưu tự động, lỏng tiếp tục đi theo ống dẫn lỏngqua phin lọc, khi qua đây thì các cặn bẩn cơ học, nước, các axit sẽ đượcloại trừ Lỏng qua phin sấy lọc rồi qua van điện từ, van điện từ có nhiệm vụđóng mở nhầm cung cấp dịch hoặc ngưng cấp dịch cho tiết lưu Môi chấtsau đó lại đi vào tiết lưu nhiệt (ở đây ta dùng van tiết lưu tự động ), van tiếtlưu tự động trong quá trình làm việc tự động điều chỉnh khe hở van nhầmkhống chế mức dịch vào bình trung gian vừa đủ và duy trì, với nhiệm vụduy trì mức dịch luôn ổn định nên trong bình trung gian có gắn van phao đểkhống chế mức dịch cực đại trong bình Môi chất tiếp tục đi qua van điện

từ vào van tiết lưu để tiến hành quá trình cấp dịch cho hệ thống Theo sơ đồnày dịch lỏng được bơm bơm thẳng vào các tấm lắc nên tốc độ chuyểnđộng bên trong rất cao, hiệu quả truyền nhiệt tăng lên rõ rệt do đó giảmđáng kể thời gian cấp đông Tuy nhiên, hệ thống phải được trang bị bìnhchứa hạ áp Bình chứa hạ áp có vai trò rất quan trọng, nó vừa có nhiệm

vụ chứa dịch cho bơm hoạt động, vừa giữ vai trò tách lỏng: do dịch chuyểnđộng qua các tấm lắc là cưỡng bức nên ở đầu ra các tấm lắc vẫn còn mộtlượng lớn lỏng chưa bay hơi, nếu đưa trực tiếp về đầu hút máy nén sẽ rấtnguy hiểm,gây va đập thủy lực hư hỏng máy nén Bình tách lỏng nhỏkhông có khả năng tách hết lượng lỏng quá lớn, vì thế chỉ có bình chứa hạ

áp mới có khả năng tách hết lượng lỏng này Hơi môi chất sau tách lỏng sẽlại được hút về lại máy nén hạ áp và như vậy chu trình mới sẽ được lặp lại

và tiếp tục

Chương 3 TÍNH TOÁN SƠ BỘ TỦ CẤP ĐÔNG

3.1 Cấu tạo tủ cấp đông

Tủ cấp đông tiếp xúc được sử dụng cấp đông các mặt hàng dạng block, mỗi block thường có khối lượng 2kg

Trên hình 2.1 là cấu tạo một tủ đông tiếp xúc Tủ có nhiều tấm lắc cấpđông (freezer plates) bên trong, khoảng cách các tấm có thể điều chỉnhđược bằng ben thủy lực, thường chuyển dịch từ 50 - 100mm Kích thướcchuẩn của các tấm lắc là 2200L x 1250W x 22D (mm) Đối với tủ cấp đông

từ 2000kg/mẻ trở lên, người ta sử dụng các tấm lắc lớn kích thước 2400L x1250W x 22D (mm) Sản phẩm cấp đông được đặt trong các khay cấp đôngsau đó đặt trực tiếp len các tấm lắc hoặc các mâm cấp đông, mỗi mâm có 4khay Thông thường người ta đặt trực tiếp lên tấm lắc vì hạn chế được nhiệttrờ dẫn nhiệt

Ben thủy lực nâng hạ các tấm lắc đặt trên tủ cấp đông Pittông và cầndẫn ben thủy lực làm bằng thép không rỉ đảm bảo yêu cầu vệ sinh Hệthống có bộ phận phân phối dầu cho truyền động bơm thủy lực

Hình 2.1 Tủ cấp đông tiếp xúc

Khi cấp đông, ben thủy lực ép các tấm lắc để cho các khay tiếp xúc haimặt với tấm lắc Quá trình trao đổi nhiệt là nhờ dẫn nhiệt Trong các tấmlắc chứa ngập dịch lỏng ở độ âm sâu -40 ÷ -450C.

Theo nguyên lý cấp dịch, hệ thống lạnh tủ đông tiếp xúc có thể chia ralàm các dạng sau:

Cấp dịch từ bình chống tràn: với tủ cấp đông dạng này, dịch lỏngchuyển dịch dần vào các tấm lắc nhờ chênh lệch cột áp thủy tĩnh nên tốc độchuyển động chậm và thời gian cấp đông lâu 4÷6 giờ/mẻ

Cấp dịch nhờ bơm dịch: môi chất chuyển động vào các tấm lắc dướidạng cưỡng bức do bơm tạo ra nên tốc độ chuyển động lớn, thời gian cấpđông giảm còn 1 giờ 30 ÷ 2 giờ 30 phút/mẻ Hiện nay người ta thường sửdụng cấp dịch dạng này

Ngoài các tủ cấp đông sử dụng các phương pháp nêu trên vẫn còn códạng tủ cấp đông bằng tiết lưu trực tiếp Trong trường hợp này, môi chấtbên trong các tấm lắc ở dạng hơi bão hòa ẩm, nên hiệu quả truyền nhiệtkhông cao, khả năng làm lạnh kém, thời gian cấp đông kéo dài

Phía trong, bên trên tủ là cùm ben vừa là giá nâng các tấm lắc, vừa làtấm ép khi ben ép các tấm lắc xuống Để các tấm lắc không di chuyển qualại khi chuyển động, trên mỗi tấm lắc có gắn các tấm định hướng, các tấmnày luôn tựa lên thanh định hướng trong quá trình chuyển động Bên trong

tủ còn có ống góp cấp lỏng và hơi ra, do các tấm lắc luôn di chuyển nênđường ống môi chất nối từ các ống góp vào các tấm lắc là ống nối mềmbằng cao su chịu áp lực cao, bên ngoài có lưới inox bảo vệ

Trên tủ cấp đông người ta đặt bình chống tràn, hệ thống máy nén thủy lực của ben và nhiều thiết bị phụ khác

3.2 Kích thước sơ bộ

3.2.1 Kích thước, số lượng khay và tấm lắc cấp đông

Các sản phẩm cho vào tủ cấp đông đều được đặt vào trong các khay nhỏ và đặt trên các tấm trao đổi nhiệt (tấm lắc-freezer plates).

Kích thước khay cấp đông tiêu chuẩn như sau:

+ Đáy trên: 290 x 210 mm

+ Đáy dưới: 280 x 200 mm

+ Chiều cao: 70 mm

Ta chọn tấm lắc chứa 36 khay, mỗi khay chứa 2kg sản phẩm

→ Khối lượng hàng trên một tấm lắc: 36.2 = 72kg

Từ hình vẽ trên ta có:

+ Chiều rộng của tấm lắc: W = 4.290 + 3.30 = 1250 mm

+ Chiều dài của tấm lắc: L = 9.210 + 8.13 + 206 = 2200 mm

→ Tấm lắc có kích thước : 2200L x 1250W x 22D (mm)

3.2.2.1 Xác định chiều dài bên trong tủ

Chiều dài bên trong tủ cấp đông bằng chiều dài tấm lắc cộng vớikhoảng hở hai đầu Khoảng hở hai đầu các tấm lắc vừa đủ để lắp đặt cácống góp, không gian lắp đặt và co giãn các ống mềm và lắp các ống dẫnhướng tấm lắc Khoảng hở đó là 400mm.Vậy chiều dài bên trong tủ là:

L1 = 2200 + 2.400 = 3000 mm

→ Chiều dài phủ bì: L = L1 + 300 = 3300 mm

Hình 2.2 Bố trí khay trên tấm lắc

3.2.2.2 Xác định chiều rộng bên trong tủ

Chiều rộng bên trong tủ bằng chiều rộng của các tấm lắc cộng thêmkhoảng hở 2 bên ( mỗi khoảng 125mm):

W1= 1250 + 2.125= 1500mmKhi lắp các cánh cửa tủ, một phần 45mm cánh lọt vào bên trong tủ vàphần còn lại 80mm nhô ra ngoài, vì vậy kích thước bề rộng phủ bì là:

W=W1 + 2.80=1660mm

3.2.2.3 Xác định chiều cao bên trong tủ

Khoảng cách cực đại giữa các tấm lắc: hmax=105mm

Chiều cao bên trong tủ:

H 1 =N 1 105 + h 1 + h 2

N 1 - Số tấm lắc chứa hàng

h 1 - Khoảng hở phía dưới cùng các tấm lắc: h 1 =100mm

h 2 - Khoảng hở phía trên các tấm lắc: h2 =400÷450mm

Ngoài ra bên trong vỏ tủ là hệ thống khung chịu làm bằng thép có mạkẽm và các thanh gỗ chống tạo cầu nhiệt

STT Lớp vật liệu Độ dày

mm

Hệ số dẫn nhiệt W/m.K

0,018  0,02

Bảng 3.1 Cấu trúc cách nhiệt của tủ đông tiếp xúc

Chương 4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO TỦ CẤP

ĐÔNG4.1 Tổn thất nhiệt do truyền nhiệt qua kết cấu bao che (Q 1 )

 Dòng nhiệt đi qua kết cấu bao che được định nghĩa là tổng cácdòng nhiệt tổn thất qua tường bao, trần và nền của tủ cấp đông do sự chênhlệch nhiệt độ giữa môi trường bên ngoài và bên trong tủ cộng với các dòngnhiệt tổn thất do bức xạ mặt trời qua tường bao và trần

 Do tủ cấp đông được đặt trong nhà xưởng nên không chịu ảnhhưởng bởi bức xạ mặt trời Vì vậy ta chỉ xét tổn thất nhiệt qua vách tủ, cửa

tủ cấp đông

 Tổn thất nhiệt qua thân tủ gồm vách tủ, cửa tủ được tính như sau:

Q= k.F(t 1 -t 2 )

→ Q 1 =(k v F v + k c F c )(t KKN -t KKT ) + k v , k c - Hệ số truyền nhiệt qua vách và qua thân tủ (W/m2.K)

+ F v , F c - Diện tích của cửa tủ và vách tủ (m2)

+ t KKN = 250C: Nhiệt độ của không khí bên ngoài tủ

+ t KKT = -350C: Nhiệt độ không khí trong tủ ở cuối quá trình cấp đông

 F v = 2.1,66.1,9 + 2.1,66.3,3 = 17,26m2

 F c = 2.3,3.1,9 = 13m2

 Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức sau:

+ α 1 - Hệ số toả nhiệt bên ngoài tường, α1= 23,3W/m2K

+ α 2 - Hệ số toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong tủ, α2 = 9W/m2K

+ δ 1 - Bề dày lớp cách nhiệt cách ẩm

+ λ 1 - Hệ số dẫn nhiệt của các lớp cách nhiệt, cách ẩm

- Tổn thất nhiệt làm lạnh khay cấp đông Q K.

- Ngoài ra một số sản phẩm khi cấp đông người ta tiến hành châmthêm nước để mạ một lớp băng trên bề mặt làm cho bề mặt phẳng đẹp,chống oxi hoá thực phẩm, nên cũng cần tính thêm tổn thất nhiệt làm đông

nước Q N

4.2.1 Tổn thất nhiệt làm đông sản phẩm (Q SP )

Để làm giảm nhiệt độ sản phẩm thuỷ sản đến nhiệt độ yêu cầu, hệthống lạnh phải lấy đi ở sản phẩm một lượng nhiệt nào đó trong suốt quátrình làm đông

Nhiệt tổn thất để làm đông thực phẩm lấy theo công thức sau:

Q SP = G + G - Khối lượng sản phẩm một mẻ cấp đông (kg).

+ i 1 - entanpy của sản phẩm ở nhiệt độ ban đầu đưa vào cấp đông (kJ/

kg), i 1 = 314,4 kJ/kg (mặt hàng thủy sản)

+ i 2 - entanpy của sản phẩm ở nhiệt độ sau khi cấp đông (kJ/kg), ), i 1

= 5 kJ/kg

+ τ – Thời gian cấp đông một mẻ sản phẩm (giờ).

Do sản phẩm đã được bảo quản trước khi đưa vào làm đông nên nhiệt

độ sản phẩm ta chọn là 150C

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm lấy ra là -180C, với cấp đông cưỡngbức bằng bơm dịch do đó thời gian cấp đông 2 giờ

→ Q SP=720 = 31 kW

4.2.2 Tổn thất nhiệt làm đông nước châm khuôn (Q N )

Năng suất tủ 1000kg, khối lượng sản phẩm thực là 720kg, vậy khốilượng nước châm khuôn là 280kg/mẻ, để hạ nhiệt độ nước châm khuôn từnhiệt độ đầu đến nhiệt độ cuối quá trình cấp đông cần qua ba giai đoạn:

Q N = Q N1 + Q N2 + Q N3

+ Q N1 - nhiệt lượng để làm hạ nước châm khuôn từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ điểm băng của nước

+ Q N2 - nhiệt tổn thất để làm đóng băng nước châm khuôn

+ Q N3 - nhiệt tổn thất để hạ nhiệt độ nước châm khuôn từ nhiệt độ điểm băng đến nhiệt độ cuối của sản phẩm

Q N1 = M nck C (t N1 – t N2 ) + M nck : khối lượng nước châm khuôn M nck = 280 kg/ mẻ

+ C: nhiệt dung riêng của nước, C = 4,186 kJ/kg0C

+ tN1: nhiệt độ của nước châm khuôn 50C

+ t N2: nhiệt độ điểm băng của nước 00C

Q N1 = 280.4,186.(5 - 0) = 5860,4 kJ/mẻThời gian làm việc mỗi mẻ là 2 giờ:

→ Q N1 = = 0,81 kW

Q N2 = M nck L

+ L - Nhiệt lượng đóng băng của nước L = 335 kJ/kg.

→ Q N2 = 280.335 = 93800 kJ/mẻ = 13 kW

Q N3 = C N3 M nck (t N2 – t N3 ) + C 3 - Nhiệt dung riêng của nước đá C 3 = 2,18 kJ/kg

+ t N3 - Nhiệt độ của nước cuối quá trình cấp đông tN3 = -180C

+ M K - Tổng khối lượng khay cấp đông (kg)

+ C K - Nhiệt dung riêng của vật liệu làm khay, với vật liệu làm khay

bằng kẽm theo tài liệu, C K = 0,094kcal/kg = 0,39 kJ/kg0C

+ t 1K - nhiệt độ khay trước khi đưa vào cấp đông lấy t 1K = 250C

+ t 2K - nhiệt độ của khay sau quá trình cấp đông lấy t 2K = -350C

+ τ - thời gian của một mẻ cấp đông (giờ).

Ta có 11 tấm lắc, 10 tấm đựng sản phẩm, mỗi tấm có 36 khay, mỗikhay nặng 2kg → Vậy ta có tổng khối lượng khay cấp đông là : 10 36 =

4.3 Tổn thất nhiệt từ các nguồn khác nhau (Q 3 )

Ngoài những tổn thất nhiệt nói trên còn phải kể đến:

- Tổn thất nhiết làm lạnh các tấm lắc Q TL

- Tổn thất nhiệt làm lạnh không khí trong tủ Q KK

- Tổn thất nhiệt khi mở cửa Q C

4.3.1 Tổn thất nhiệt làm lạnh tấm lắc (Q TL )

Tủ đông tiếp xúc làm việc từng mẻ sau khi làm đông xong sẽ dừngmáy và ra hàng, khối lượng và diện tích của tấm lắc rất lớn do đó nhiệt đểlàm lạnh các tấm lắc là rất lớn vì vậy ta phải tính lượng nhiệt này.

Q TL = (t 1 -t 2 ) + M TL - khối lượng các tấm lắc (kg)

+ C TL - nhiệt dung riêng của các tấm lắc, tấm lắc chế tạo bằng nhôm

nên có C TL = 0,92 kJ/kg0C

+ τ - Thời gian cấp đông.

+ t 1 , t 2 - Nhiệt độ trước và sau khi cấp đông, t1 = 250C, t2 = -350C.Vật liệu tấm lắc làm bằng nhôm đúc ρ = 2670 kg/m3

4.3.2 Tổn thất nhiệt làm lạnh không khí trong tủ (Q KK )

Nhiệt tổn thất do không khí trong tủ được tính như sau:

Q kk = C kk G kk (t d – t c ) + t d - nhiệt độ không khí lúc bắt đầu chạy máy 250C

+ t c - nhiệt độ không khí cuối quá trình cấp đông -350C

+ C kk - nhiệt dung riêng của không khí trong tủ C kk=0,242 Kcal/kg0C

= 1,013kJ/kg 0C

+ G kk - khối lượng của không khí có trong tủ, được xác định:

G kk = V kk ρkk