Tính toán thiết kế hệ thống bể đá cây

Tính toán thiết kế hệ thống bể đá cây

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC KỸ THUẬT LẠNH ỨNG DỤNG

CHƯƠNG I : SƠ LƯỢC NƯỚC ĐÁ CÂY:

Nước đá cây có vai trò quan trọng trong đời sống và trong công nghiệp.Trong công nghiệp người ta sử dụngnước đá cây để bảo quản ướp lạnh thực phẩm , dùng cho các tàu đánh bắt thủy hải sản , trong đời sống nước đá được sử dụng để phục vụ cho nhu cầu giải khát, giải trí

Trong công nghiệp chế biến nước đá, nước đá thường được sản xuất dưới nhiều dạng tùy theo nhu cầu sử dụng như : đá cây, đá vảy, đá tấm ở đây chúng ta chỉ nghiên cứu hệ thống sản xuất đá cây

Phương pháp sản xuất đá cây là một phương pháp đã dược ứng dụng từ lâu và có những ưu nhược điểm nhấtđịnh sau đây :

Ưu điểm : vì có dạng khối lớn nên có khả năng tích trữ lâu,tiện lợi cho việc vận chuyển đi xa và dùng để bảo quản thực phẩm lâu ngày.Phương pháp sản xuất đơn giản, các thiết bị dùng cho hệ thống có thể chế tạo được ở trong nước và không đòi hỏi các thiết bị đặc biệt

Nhược điểm : chi phí vận hành lớn do phải trải qua nhiều khâu trung gian như: vào nước,ra đá,vận

chuyển chi phí nhân công lao động chi phí đầu tư ban đầu lớn :chi phí xây dựng bể đá, bể nhúng ,kho bảoquản sản phẩm Tổn thất nhiệt lớn do quá trình từ sản xuất đến sử dụng phải trải qua nhiều khâu trung gian

CHƯƠNG II: TÍNH KẾT CẤU BỂ ĐÁ:

I Kết cấu tường ,nền và nắp bể đá :

1 kết cấu sơ bộ và quy trình sản xuất:

bể đá gồm 1 bể nước muối dược chia làm 2 ngăn : 1 ngăn đặt dàn lạnh còn 1 một ngăn đặt các khuôn làm đá.Nước muối tuần hoàn trong bể nhờ bơm tuần hoàn Nước muối từ trong ngăn cây đá được bơm đẩy vào ngăn có dàn bay hơi (dàn lạnh xương cá hoặc dàn lạnh ống đứng ).Ở đây nước muối được làm lạnh và được đẩy vào ngăn cây đá Các cây đá thường được bố trí thành các linh đá ,các linh đá có từ 5 đến 7 khuôn đá tùy theo cỡ bể Các linh đá chuyển động trong bể nhờ hệ thống vít đẩy và chuyển dộng ngược chiều với nước muối Khi đã thành đá ,cả linh đá sẽ được cầu trục nâng lên khỏi bể đưa sang nhúng vào bể tan giá trong khoảng từ 2 đến 4 phút sau đó dược đưa lên bàn lật để tháo khuôn khuôn đá được đưa đến hệ thống vòi rót tự động.Nước được đổ đầy khoảng 90% khuôn(khi làm lạnh nước giãn nở không tràn ra bể làm giảm nồng độ nước muối dẫn đến tổn thát nhiệt) rồi linh đá được đưa đến đầu kia của bể ,khi linh đá chuyển động hết chiều dài của bể là đã sẵn sàng để ra khuôn

2 kết cấu tường bao :

Bể thường được xây bằng gạch đỏ sau đó được bọc cách ẩm và cách nhiệt,lớp trong cùng là lớp thép tấm dày từ 5 đến 6mm.Có thể bố trí các lớp kết cấu theo sơ đồ sau:

Chú thích :1.lớp vữa xi măng2.lớp tường gạch3.lớp hắc ín dán giấy dầu4.lớp cách nhiệt polystirol5.lớp thép tấm

Tổng chiều dày các lớp của kết cấu tường:

II xác định chiều dày lớp cách nhiệt và kiểm tra đọng sương:

1 tính chiều dày lớp cách nhiệt:

từ công thức tính hệ số truyền nhiệt k cho vách phẳng nhiều lớp :

k=

2 1

1

11

i i i

11

005 , 0 18 , 0

002 , 0 2 18 , 0

001 , 0 82 , 0

11 , 0 93 , 0

01 , 0 2 3 , 23

1 23 , 0

1 047 ,

 Tổng chiều dày của tường bao   i  cn 2 0 , 01  0 , 11  0 , 001  2 0 , 002  0 , 005 0 , 2  0 , 34 m

Hệ số truyền nhiệt thực kt qua các lớp :

k m W k

cn cn n

i i i

8

1047,0

2,03,45

05,018,0

004,018,0

001,082,0

22,093,0

04,03,231

11

1

2 1

2 Tính kiểm tra đọng sương :

Tra bảng 1-1 sách “HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH” –Nguyễn Đức Lợi ,ta tìm được nhiệt

độ trung bình tháng nóng nhất ở TP.HCM là 37,2oC, độ ẩm trung bình φ =74% Tra đồ thị h-x ta sẽ tìm được : ts =31,5oC và tư =33oC

Để không đọng sương bề mặt bên ngoài bể đá hệ số truyền nhiệt thực phải thỏa mãn điều kiện sau:

2 1

1 1.95,0

t t

t t

5 , 31 2 , 37 3 , 23 95 ,

Với kt =0,2 đã tính được ở trên ,vậy vách ngoài của bể đá không bị đọng sương

CHƯƠNG III: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC BỂ ĐÁ:

Để xác định được kích thước của bể đá phải căn cứ vào số lượng ,kích thước của cây đá ,linh đá ,dàn lạnh

và cách bố trí dàn lạnh ,loại khuôn đá ,hệ thống tuần hoàn nước muối trong bể

I.Xác định số lượng và kích thước khuôn đá:

Số lượng khuôn đá dược xác định dựa vào năng suất bể đá và khối lượng cây đá :

N=

m

M

Trong đó :

M :khối lượng đá trong bể ứng với một mẻ (kg) chính là năng suất của bể :M =10000 kg

m: khối lượng của mỗi cây đá (kg)

II xác định số lượng –kích thước linh đá:

Các khuôn đá được bố trí thành các linh đá , mỗi linhđá gồm có nhiều khuôn ở đấy chúng ta sử dụng loại linh đá có 7 khuôn đá x50kg/cây đá

số lượng linh đá được xác định:

1

N

m  với m1:số lượng linh đá

n1:số khuôn trên 1 linh đá

N :số khuôn đá

57 , 28 7

200

Khoảng cách giữa các khuôn đá tronh linh đá lá 225 mm,hai khuôn hai đầu cách nhau 40 mm để móc cẩu,25

mm hai đầu là khoảng cách từ linh đá đến thành trong của bể

Chiều dài mỗi linh đá :

1805 80

150 225 7 40 2 75 2 225

n

Chiều rộng của linh đá :425 mm

Chiều cao của linh đá:1150 mm

Khối

lượng

cây đá

Khối lượng khuôn

gian đông đá

Kích thước linh đá có 7 khuôn 50 kg

1 khung linh đá

2 vị trí móc cẩu

3 khuôn đá 50 kg

III Xác định các kích thước bên trong bể đá :

Kích thước bể đá phải đủ để bố trí các linh đá,dàn lạnh, bộ cánh khuấy và các khe hở cần thiết để nước muốichuyển động tuần hoàn Có hai cách để bố trí dàn lạnh :bố trí dàn lạnh một bên, khuôn đá một bên và cách thứ hai hay được sử dụng hơn đó là bố trí dàn lạnh ở giữa bể (có độ rộng từ 600-900mm)hai bên bố trí hai dãy linh đá đối xứng,cách này có ưu điểm là có hiệu quả truyền nhiệt cao và tốc độ nước muối chuyển động cũng đồng đều hơn

1 Xác định chiều rộng bể đá:

A L

W  2  4  

W :Chiều rộng của bể

L :Tổng chiều dài của hai linh đá bố trí hai bên dàn lạnh (mm)

 :Khe hở giữa linh đá và vách trong của bể đá (mm)

A :Chiều rộng cần thiết để lắp đặt dàn lạnh,từ 600-900mm,đối với bể đá có công suất 10 tấn/mẻ chon A

= 700 mm

4410 700

25 4 1805

B

l   2.

B :Chiều rộng các đoạn hở lắp đặt bộ cánh khuấy và và tuần hoàn nước, chọn B =600 mm

C: Chiều rộng đoạn hở cuối bể,c = 500 mm

b:Khoảng cách giữa các linh đá được xác định dựa trên độ rộng của linh đá và khoảng hở giữa chúng :b =

475 50

15 500

chiều cao của bể đá phải đủ lớn để có khoảng hở cần thiết giữa đáy khuôn đá và bể Mặt khác phía trên linh

đá là một khoảng hở cỡ 100mm, sau đó là lớp gỗ dày 30mm dùng làm nắp bể.Đối với các bể có công suất

từ 5 tấn/mẻ trở lên thường có tổng chiều cao là 1250 mm

Bảng thông số kích thước bên trong của bể:

Bố trí bể đá với linh đá 7 khuôn đá

IV Xác định thời gian làm đá :

Thời gian làm đá cây được xác định theo công thức :

b B

b t

b : chiều rộng khuôn đá (m),lấy cạnh ngắn nhất của tiết diện lớn nhất của khuôn b0= 0,19 m

A,B là các hằng số phụ thuộc vào tỉ số n =

19 , 0 10

CHƯƠNG IV: TÍNH NHIỆT BỂ ĐÁ:

Dòng nhiệt tổn thất qua bể đá được tính bằng công thức :

Q = Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 (w)

Q1: dòng nhiệt đi qua kết cấu bao che của bể

Q2: dòng nhiệt để làm lạnh khuôn và đông đá

Q3: dòng nhiệt do thông gió (ở đây bằng 0)

Q4: dòng nhiệt do vận hành

Q5: dòng nhiệt do sản phẩm hô hấp (ở đây bằng 0)

I Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che:

Vì bể đá được đặt trong nhà xưởng nên khả năng bị tổn thất nhiệt do bức xạ mặt tròi rất ít, vì vậy tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che chủ yếu gồm 3 thành phần :

Nhiệt truyền qua tường bể đá :Q11

Nhiệt truyền qua nắp bể đá :Q12

Nhiệt truyền qua nền bể đá :Q13

k : hệ số truyền nhiệt thực của kết cấu bao che

F : diện tích bề mặt của kết cấu bao che.

- Đối với nắp bểt là độ chênh lệch nhiệt độ giữa không khí bên ngoài bể với lớp không khí bên trong bể (dưới nắp bể ),nhiệt độ lớp không khí này lấy chênh lệch với nhiệt độ của bể vài độ (chọn bằng 5oC )

 5 37 , 2 3

,



3 Hệ số truyền nhiệt thực tế qua các bề mặt bao che:

Đối với kết cấu tường :kt = 0,2 W/m2.k

Đối với nắp bể :

2

1 1

 : hệ số tỏa nhiệt bên trong, từ nắp bể đá ra lớp không khí dưới nắp bể, W/m2k

Tra bảng 3-7 sách “HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH” –Nguyễn Đức Lợi, ta chọn 1 = 23,3 W/m2k và ' 2= 7 W/m2k

 : chiều dày lớp nắp bằng gỗ :  = 30 mm

: hệ số dẫn nhiệt của gỗ :  = 0,2 W/m.k

978 , 2 7

1 2 , 0

03 , 0 3 , 23

Đối với nền bể : hệ số truyền nhiệt thực tế qua nền lấy theo giá trị của hệ số truyền nhiệt quy ước :

Vùng rộng 2m dọc theo chu vi tương bao : kt = 0,47 W/m2k

Vùng rộng 2m tiếp theo : kt = 0,23 W/m2k

Vùng còn lại : kt = 0,12 W/m2k

82 , 0 12 , 0 23 , 0 47 ,

Q  

1 Dòng nhiệt làm lạnh nước đá: Q21

Q21 =



0.q

q  pn   pd

pn

C : nhiệt dung riêng nước, C pn = 4186 J/kg

r : nhiệt đông đặc của nước đá, r= 333600 J/kg

2090 333600

30 4186

70760 66960

473810 10000

k k

pk t t C

.460.5440

86 , 72254 9

, 1494 70760

III Dòng nhiệt do vận hành: Q4

1 nhiệt do bộ cánh khuấy gây ra: Q41

Bộ cánh khuấy được bố trí bên ngoài bể muối, nhiệt năng do bộ cánh khuấy tạo ra được xác định theo công thức sau:

N

Q41  1000

: hiệu suất động cơ điện,  = 0,8 – 0,95 Chọn  = 0,8

N : công suất của bộ cánh khuấy

Chọn máy cánh khuấy dùng cho bể có công suất 10 tấn :

(vòng/phút)

Lưu lượng(m3/phút)

Công suất (kw)

Năng suất bể

đá (tấn)

1200 5

, 1 8 , 0 1000

f : diện tích bề mặt cây đá: đối với cây đá loại 50kg/cây có f = 1,25 m2

 : bề dày phần đá đã tan khi nhúng (m) để có thể tháo ra khỏi khuôn,  = 0,001 (m)

 : khối lượng riêng của nước đá:  = 900 kg/cm3

 : thời gian đông đá,  = 66960 giây

1592 66960

473810

900 001 , 0 25 , 1 200

2792 1592

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN CHU TRÌNH VÀ CHỌN MÁY NÉN:

I Tính chọn các thông số của chế độ làm việc:

1 các thông số cho trước:

Công suất bể đá cây: 10 tấn/mẻ

Hệ số tỏa nhiệt cao hơn nên làm mát tốt hơn

Ít chịu ảnh hưởng của thời tiết

- Tính nhiệt độ nước vào và nước ra thiết bị ngưng tụ:

Khi sử dụng nước tuần hoàn qua tháp giải nhiệt lấy nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ (t w1) cao hơn nhiệt

3 Chọn nhiệt độ bay hơi: t0

Nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ của bể(t b   10 oC), vì máy đá cây là hệ thống lạnh gián tiếp dùng chất tải lạnh là nước muối Nhiệt độ nước muối lấy thấp hơn nhiệt độ bể từ 810oC (chọn bằng 8 oC) và nhiệt độ sôi của môi chất lấy thấp hơn nhiệt độ nước muối từ 56 oC (chọn bằng 5 oC)

23 13 10

895 , 16

 <12  chọn chu trình một cấp

5 Chọn độ quá nhiệt hơi hút:

) 10 5 (

t

t h oC, chọn bằng 5 C

18 5

23   





Sự quá nhiệt có thể đạt được bằng ba cách:

- Quá nhiệt ngay trong dàn lạnh khi sử dụng các loại van tiết lưu nhiệt

- Quá nhiệt nhờ hòa trộn thêm với hơi nóng trên đường về máy nén

- Quá nhiệt do tổn thất lạnh trên đường ống từ thiết bị bay hơi về máy nén

II Tính toán chu trình :

b Đồ thị:

- đồ thị lgp-h:

1' 1

2 3'

3

4 tql

S

2

1 1'

3' 3

Quá trình 1’-1: quá nhiệt hơi hút về máy nén

Quá trình 1-2 : nén đoạn nhiệt

Quá trình 2-3’ : quá trình ngưng tụ nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường làm mát trong thiết bị ngưng tụ.Quá trình 3’-3: quá lạnh môi chất lỏng đẳng áp

Quá trình 3-4: tiết lưu ở van tiết lưu giảm áp suất từ pk xuống p0.

Quá trình 4-1’: bay hơi thu nhiệt của môi trường cần làm lạnh

Các thông số trạng thái của các điểm nút cơ bản :

Điểm nút Trạng thái Nhiệt độ

(oC)

Áp suất(bar)

Entanpi,h(kJ/kg)

Thể tích, v(m3)

, 692 1728

4 '

,0

6,10351

331 1739 2050 1

, 692 2050

250 316 12 ,



III Chọn máy nén:

Nhiệt tải Q0 của máy nén: Q0  75613 , 6 (w) =75,613 (kw)

Năng suất lạnh riêng: q0  1035 , 6(kJ/kg)

1 Lưu lượng môi chất qua máy nén:

073,06,1035

613,750

0 0

0 0

p

p p

p c p

1 , 1 95

2500

051 , 0

V

v (m3/s).Tra bảng 7-2 sách “HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH”–Nguyễn Đức Lợi chọn máy nén MYCOM ký hiệu N8WA có thể tích quét 374,2 m3/h = 0,1039 m3/s

64 , 0 16

, 0

01 , 0 16 , 0 16

, 0

01 , 0 6895 , 1 03 , 0 16

,

0

01 , 0 16

Máy nén lạnh MYCOM

5 Số lượng máy nén:

95,01039,0

099,0

Chọn 1 máy

6 Công nén đoạn nhiệt:

163 , 24 331 073 , 0

001 , 0 316

163,24

069 , 0 099 ,

e el

N N

231 , 38





el

12 Nhiệt thải ra ở bình ngưng:

013 , 104 4 , 31 613 , 75

Thiết bị gọn nhẹ, chắc chắn, phụ tải nhiệt lớn

Dễ dàng vệ sinh bề mặt trao đổi nhiệt

Do làm mát bằng nước nên ít chịu ảnh hưởng của thời tiết

11

10

7 12

1 Đường nối vào áp kế

2 Nối van an toàn

10 Đường vào của nước giải nhiệt

11 Đường ra của nước giải nhiệt(nước vào ở bên dưới và ra ở bên trên để đảm bảo toàn bộ diện tích trao đổi nhiệt được tiếp xúc với nước làm mát)

12 Chân bình

b Nguyên lý làm việc:

Đây là thiết bị trao đổi nhiệt bằng nước chuyển động cưỡng bức trong ống trao đổi nhiệt Hơi cao áp đi vào

từ phía trên bao phủ toàn bộ bề mặt trao đổi nhiệt cho nước làm mát chuyển động cưỡng bức trong ống trao đổi nhiệt ngưng tụ thành lỏng cao áp rồi dược đưa ra ngoài

4 Tính chọn thiết bị ngưng tụ:

Chọn phụ tải nhiệt q F : Tra bảng 8-6 sách “HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH” –Nguyễn Đức Lợi đối với bình ngưng ống vỏ nằm ngang amoniac có q F  3500  5200 W/m2, chọn q F = 4500 W/m2.Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:

1000 013 , 107

Kích thước phủ bì (mm) Số

ốnghơi

Kích thước nối ống(mm)

Thểtíchgiữacácống(mm)

Khốilượng(kg)

 - khối lượng riêng của nước,  = 1000 kg/m3

tw- độ tăng nhiệt độ của nước trong thiết bị ngưng tụ

tw t w2  t w1  40  36  4 oC

0063 , 0 4 1000 19 , 4

013 , 107

Thiết bị bay hơi là nơi trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh và đối tượng cần làm lạnh

2 Lựa chọn thiết bị bay hơi:

Chọn thiết bị bay hơi kiểu dàn lạnh xuong cá

Ưu điểm:

Các ống góp trên và dưới được nối với các ống trao đổi nhiệt có dạng uốn cong nên hạn chế được chiều cao của dàn mà vẫn bảo đảm đường đi của môi chất đủ lớn để tăng thời gian tiếp xúc và diện tích trao đổi nhiệt.Cấu tạo gọn, được chế tạo theo từng modun nên dễ dàng tăng công suất của dàn

Nhược điểm:

Chế tạo khó khăn

3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

a Cấu tạo:

2

3

4

1 lỏng tiết lưu vào

2 đường ra của hơi hạ áp

3 ống góp trên dưới

4 ống trao đổi nhiệt

b Nguyên lý hoạt động:

Đây là thiết bị bay hơi theo kiểu ngập dịch, được đặt chìm trong bên trong bể muối Lỏng môi chất được cấp vào

dàn trao đổi nhiệt với nước muối qua các ống trao đổi nhiệt, sau đó môi chất sôi và hóa hơi được hút trở về máy

1 2

4 5

7

8 9

9 ống hồi dầu, xả đáy

10 chân bình

c Nguyên lý hoạt động:

lỏng được tách ra do 2 nguyên nhân chính:

- dòng môi chất đi từ ống nhỏ ra bình lớn nên vận tốc giảm, lực quán tính giảm nên lỏng bị rơi xuống

- do các hạt lỏng va đập với các tấm chắn và rơi xuống đáy bình do trọng lực

- V h : lưu lượng thể tích môi chất đi qua bình

- V h G.v h, G: lưu lượng thực tế qua máy nén, G= 0,056 (kg/s)

v h: thể tích riêng hơi hút về máy nén, v h= 0,7 (m3/s)

0392 , 0 7 , 0 056 ,

392 , 0 4

V

Tra bảng 8-18 sách “HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH” –Nguyễn Đức Lợi chọn bình tách lỏng có ký hiệu 70-0, có các thông số kỹ thuật sau:

a Tác hại của khí không ngưng:

Khí không ngưng làm tăng áp suất ngưng tụ do nó chiếm mọt phần thể tích của thiết bị ngưng tụ và làm giảm diện tích trao đổi nhiệt

Làm tăng nhiệt độ cuối tầm nén dễ làm cháy dầu bôi trơn, do đó phải tách khí không ngưng ra khỏi hệ thống

b Nhận biết khí không ngưng:

Áp suất ngưng tụ tăng

Kim của đồng hồ áp kế bị rung

c nguyên nhân gây khí không ngưng:

Hệ thống lúc lắp đặt ban đầu hút chân không không hết

Do rò rỉ ở những phần làm việc với áp suất chân không ( phía hạ áp)

Do dầu bôi trơn bị cháy hoặc do môi chất bị phân hủy hình thành nên khí không ngưng

d Cấu tạo: