Bài tập lớn tính toán, thiết kế bể đá cây

Từ trước đến nay, nói đến nước đá ai cũng biết, nói đến làm nước đá thì người ta chỉ nghỉ đơn giản là hạ nhiệt độ xuống thấp để nước đóng băng, nhưng để làm được điều đó thì đòi hỏi ngườ

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KĨ THUẬT CAO THẮNG

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN LẠNH

BỘ MÔN: NHIỆT LẠNH

BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT LẠNH

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỂ ĐÁ CÂY

GVHD: Lê Thái Sơn

SVTH: Nhóm 12 CĐ NL 13

Lê Đức Hậu Nguyễn Lương Tùng Trần Văn Nghĩa

Nhận xét của giáo viên:

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

LỜI MỞ ĐẦU

Từ xa xưa con người đã biết lấy các loại nước đá thiên nhiên từ sông, suối, ao, hồ để sử dụng làm lạnh, dự trữ, trong nhà để mùa hè lại đem ra dùng Qúa trình hình thành đá thiên nhiên dựa vào lạnh của thiên nhiên, nhiều nơi mùa đông không khí lạnh đến − ° − ° 20 , 30 CC làm cho nước trong ao, hồ, sông, suối, bị đóng băng

Cho đến khi ngành lạnh ra đời, và bắt đầu phát triển mạnh ở trên thế giới thì conngười sử dụng kĩ thuật lạnh vào trong nhiều mục đích khác nhau của mình, từ đơn giản cho đến tinh vi

Một trong những ứng dụng đầu tiên của con người chính là sản xuất ra nước đá ( đá nhân tạo) ở nhiều dạng khác nhau ( dạng khối, dạng viên, dạng vẩy, dạng bột, ) tùy theo yêu cầu sử dụng và điều kiện thực tế

Nước đá được sử dụng rộng rãi trong làm lạnh, trữ cho vận chuyển, bảo quản nông thủy sản, thực phẩm, cho chế biến lạnh các sản phẩm từ thịt, thủy sản và cho sinh hoạt của người dân

Vì nước đá có ý nghĩa quan trọng trong đời sống, nên khi nhận được đề tài ‘thiết

kế bể đá cây, năng suất 5 tấn/ ngày’ em cảm thấy rất thích thú

Từ trước đến nay, nói đến nước đá ai cũng biết, nói đến làm nước đá thì người

ta chỉ nghỉ đơn giản là hạ nhiệt độ xuống thấp để nước đóng băng, nhưng để làm được điều đó thì đòi hỏi người kĩ sư phải tính toán và thiết kế được những thiết bị làm lạnh, và phải đảm bảo những tiêu chuẩn của nước đá

Trên thực tế nếu muốn xây dựng thành công một nhà máy, để nó đi vào hoạt động có hiệu quả thì người kĩ sư không phải chỉ có kiến thức về kĩ thuật mà đòi hỏi phải tính đến tính kinh tế khi xây dựng một phân xưởng Trong khuôn khổ

đồ án môn học này chắc chắn những gì em làm vẫn còn thiếu sót, nhưng thông qua đồ án này em cũng học được rất nhiều kiến thức, đặc biệt là phải biết cách ứng dụng những gì mình đã học trên sách vở thực tế

Trong khi thực hiện đố án này có những kiến thức thực tế em không rõ, không

có kinh nghiệm cũng nhờ sự chỉ dẫn tận tình của thầy LÊ THÁI SƠN đả giúp

em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cám ơn thầy LÊ THÁI SƠN đã giúp đở chúng em Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót vì vậy, kính mong các thầy, cô đóng góp những ý kiến quý báu để em có thể hiểu biết thêm nhiều điều bổ ích

CHƯƠNG 1: VÀI NÉT VỀ NƯỚC VÀ NƯỚC ĐÁ

Nước có nhiệt dung riêng cao bất thường, C nuoc = 4,18kJ/kgK Từ đó có thể

thấy nước là một chất tỏa nhiệt rất tốt

Nhiệt độ nóng chảy của nước: λ =c 334 kJ/kg

Nhiệt độ hóa hơi cuả nước: λ =h 2253 kJ/kg

1.2 Tính chất vật lí của nước đá:

- Nhiệt độ nóng chảy t= ° 0 C

- Khối lượng riêng nước đá:ρ =d 916,8kg m/ 3

- Khối lượng riêng của nước đá có quan hệ nhiệt độ như sau:

917(1 0,00015 )

ρ = −

- Khi nước đóng băng thành nước đá thì thể tích nó tăng 9%

- ẩn nhiệt đóng băng: r = 334 kJ/kg Khi nhiệt độ hạ 1 C° thì r tăng 2,12 kJ/kg

- Nhiệt dung riêng của nước đá: C d = 2,12 kJ/kg

- Hệ số dẫn nhiệt: λ =d 2, 22 W/mK

1.3 Ảnh hưởng của tạp chất đến chất lượng nước đá

Tạp chất hòa tan trong nước làm cho chất lượng và thẩm mỹ của đá

bị biến đổi Các tạp chất có thể tạo ra màu sắc, màu đục không trong

suốt Một số tạp chất làm cho đá dễ bị nứt nẻ Một số tạp chất tách ra

được khi đông đá tạo thành cặn bẩn nằm ở đáy, nhưng một số thì

không, có tạp chất khi hòa tan trong nước làm cho đá khó đông hơn, do nhiệt độ đóng băng giảm Dưới đây là ảnh hưởng của một số tạp chất

đến chất lượng đá

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT

2.1 Chọn phương án sản xuất

Ngày nay khoa học kĩ thuật tiến bộ nên nhiều loại máy sản xuất nước đá như: máy đá khối, máy đá vảy, máy đá viên, các loại máy trên có thể hoạt động liên tục hoặc gián đoạn, có loại làm nước đá trực tiếp, có loại gián tiếp quanước muối Làm lạnh trực tiếp có ưu điểm là chỉ tiêu kinh tế cao ( do không mấtthời gian giữa nước muối và môi chất lạnh) nhưng năng suất giới hạn, chế tạo máy móc thiết bị khó khăn nên vốn đấu tư cao

Đối với đồ án này thì năng suất thuộc loại nhỏ và dạng nước đá sản xuất

để tiêu dùng ( dạng cây 50 kg) nên em chọn phương án làm lạnh gián tiếp qua nước muối Phương pháp này thuộc loại cổ điển, có nhiều nhược điểm về chỉ tiêu kinh tế cũng như vệ sinh nhưng được ưu điểm lớn là đơn giản, dễ chế tạo,

sử dụng cho năng suất lớn, thao tác trong sản xuất gọn, vốn đấu tư thấp Hiên nay hầu hết các phân xưởng sản xuất nước đá ở nước ta đều chọn phương pháp này

Theo phương pháp này thì hệ thống thiết bị bao gồm: máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi ngâm trong bể nước muối, bình chứa cao áp, khuôn

đá, các thiết bị phụ khác, với năng suất lớn đòi hỏi sản xuất liên tục thì còn có

cơ cấu tự động đẩy khuôn đá, balance cẩu đá, máy rót nước vào khuôn Tuy nhiên với năng suất nhỏ như phân xưởng này thêm vào đó là việc cung cấp sản phẩm với số lượng lớn đồng thời,nên em chọn sản xuất nước đá theo từng mẻ

Em sẽ chia bể đá làm 2 ngăn, mỗi ngày sẻ xuất đá làm 2 đợt, như thế thì lúc nào ta cũng có đá dự trữ, đồng thời sau khi sản xuất đá lại tiếp tục châm đá nên cứ như thế mẻ này ra lại có mẻ khác thay thế Do đó phân xưởng củng sẽ không xây thêm kho trữ đá vì như thế vừa không tốn chi phí xây dựng kho trữ, vừa không tốn điện năng cho kho

2.2 Tác nhân lạnh:

Trong phương pháp sản xuất nước đá bằng bể đá khối thì hệ thống lạnh thường

sử dụng máy nén 1 cấp với tác nhân lạnh là NH3

Ưu điểm:

- Năng suất lạnh riêng khối lượng q0(kJ/kg) lớn nên lưu lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống nhỏ, rất phù hợp cho các máy lạnh có năng suất lớn

- Năng suất lạnh riêng thể tích q v( 3

/

kJ m ) tương đối nhỏ nên máy nén gọn

- Các tính chất trao đổi nhiệt tốt, hệ số tỏa nhiệt khi sôi và ngưng tụ tương đương với nước nên không cần tạo cánh trong các thiết bị trao đổi nhiệt với nước.

- Tính lưu động cao, tổn thất áp suất trên đường ống, các cửa van nhỏ, nên các thiết bị này khá gọn nhẹ

- Amoniac không ăn mòn thép, các kim loại đen chế tạo máy ,nhưng ăn mòn đồng và các hợp kim của đồng ( trừ hợp kim đồng có photpho ) nên không sử dụng đồng và các hợp kim của đồng trong hệ thống lạnh

amoniac

- Có mùi khó chịu, dễ phát hiện rò rỉ ra ngoài môi trường

- Ít tan trong dầu bôi trơn, đỡ ảnh hưởng đến quá trình bôi trơn và đở ảnh hưởng đến chất lượng của tác nhân lạnh

2.3 Bể nước đá khối:

Khuôn đá tiêu chuẩn khối lượng 50 kg có:

- Tiết diện trên: 380×190 (mm)

- Tiết diện dưới: 340×160 (mm)

- Chiều cao: tiêu cao chuẩn: 1101 mm,chiều cao tổng 1115 mm

Bể đá tiêu chuẩn đối với cây 50 kg:

- Dài : 4900 mm

- Rộng: 4370 mm

Tổng số khuôn đá: 8 khuôn ×7 dãy ×2 ngăn

- Khoảng cách giữa các khuôn trong một dãy: 30 mm

- Khoảng cách giữa các dãy khuôn: 70 mm

2.4 Quy trình xử lí nước

Mặc dù nước cấp từ thành phố đã qua xử lí sơ bộ tuy nhiên do nước đá dùng để uống, bảo quản thực phẩm phải đảm bảo yêu cầu vệ sinh như đối với các thực phẩm tiêu dùng trực tiếp vì vậy cần phải được xử lí trước khi đưa vào sản xuất.Trong công nghệ sản xuất nước đá từ nước ngọt, người ta đòi hỏi nhửng yêu cầuđặc biệt đối với nguyên liệu ( nước) và sản phẩm (nước đá), thiết bị và quá trìnhsản xuất

Thông thường nguồn nước phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Số lượng vi khuẩn trong nước phải nhỏ hơn 100 con/ml

- Vi khuẩn đường ruột phải nhỏ hơn 3 con/l

- Chất khô cho phép: 1 g/l

- Độ cứng chung của nước: < 7 mg/l

- Độ đục theo hàm lượng các hạt lơ lửng không quá 1,5 mg/l

- Hàm lượng sắt < 0,3 mg/l

- pH = 6,5 ÷ 9,5

2.5 Cấp nước vào bể chứa:

Nước sau khi xử lí sẽ được đưa vào bơm để cung cấp cho sản xuất và sinh hoạt

 Tính thể tích bể đá: VLượng nươc dùng để sản xuất 100 cây đá ( cây 50 kg) trong ngày:

V =G g ρ −

Trong đó: G: 100 cây/ ngày

g: khối lượng một cây đá g= 50 kg

ρ: khối lượng riêng của nước, 3

CHƯƠNG 3: TÍNH CÁCH NHIỆT, CÁCH ẨM

VÀ KẾT CẤU BỂ ĐÁ

Vật liệu cách nhiệt:

Để hạn chế tổn thất lạnh, do sự chênh lệch nhiệt độ giữa bể đá, kho trữ đá

và môi trường bên ngoài nên gây ra tổn thất lạnh Khi chọn vật liệu cách nhiệt cho một trường hợp ứng dụng nào đó cần phải lợi dụng triệt để các

ưu điểm và hạn chế đến mức thấp nhất các nhược điểm của nó Ta phải dùng kết cấu bao che đế giảm tồn thất lạnh, bể đá và phòng trữ cần phải được cách nhiệt thật tốt, chất lượng vách cách nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của vật liệu kết cấu lớp cách nhiệt cần có các tinh chất sau:

- Hệ số dẫn nhiệt nhỏ

- Khối lượng riêng nhỏ

- Ít bị hút ẩm

- Không mùi, không cháy, không bị nấm bốc

- Tuổi thọ kéo dài

- Rẻ tiền

Vật liệu cách nhiệt thường dùng hiện nay là polystyrol xốp và polyuretan Loại vật liệu này có nhược điểm là dễ co rút do nhiệt độ thấp, sự co rút này có thể làm hở các mối ghép do đó ta phải thường dùng 2 lớp cách nhiệt với mối ghép

so le

Vật liệu cách ẩm:

Hơi ẩm bên ngoài luôn có xu hướng thâm nhập vào bên trong lớp cách nhiệt Lớp cách nhiệt ẩm ướt sẽ giảm khả năng cách nhiệt và do đó sẽ làmtăng tổn thất lạnh và lớp cách nhiệt mau hư hỏng Vì thế, việc cách nhiệt luôn đi kèm với cách ẩm

Để giữ gìn lớp cách nhiệt không bị ẩm ướt người ta sử dụng các loại vật liệu cách ẩm phủ lên mặt ngoài của lớp cách nhiệt

Vật liệu cách ẩm thường dùng là: keo, giấy dầu, giấy nhựa

CN

δ

0,0060,02

0,880,820,880,180,047450,88

Hệ số truyền nhiệt qua vách:

- δcn: chiều dày lớp cách nhiệt (m)

- λcn: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt.

- K : hệ số truyền nhiệt của bể đá W m K/ 2 Hệ số truyền nhiệt K được xác định trên cơ sở tính toán kỉ thuật Có thể lấy hệ số truyền nhiệt K tương đương với hệ số truyền nhiệt của kho lạnh

Vậy chiều dài của vách bể đá là: δ = 194 mm

Kiểm tra đọng sương của vách cách nhiệt:

- t1: nhiệt độ ngoài không khí, t1=37,3°C

- t2: nhiệt độ trong bể đá, t2 = -10°C

- t s: nhiệt độ đọng sương, tra giản đồ trạng thái không khí ẩm ( với không khí có nhiệt độ 37,3°C và độ ẩm 75%) ta có : t s= 31°C

Hình 2: sự truyền nhiệt qua vách

Bảng 2: thông số lớp cách nhiệt nền bể đá.

STT Vật liệu δ 1 (m) λi (kcal/m.h độ)

1234567

Lớp thépLớp vữa xi măngLớp bê tôngLớp cach nhiệtLớp cách ẩmLớp bê tông đấtLớp đá dăm kín

0,0060,020,2

cn

δ

0,0030,20,1

450,881,40,190,151,40,45

Để xác định kích thước 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 bên trong bể.

3.2.1 Xác định số lượng và kích thước khuốn đá

khối lượng khuôn:27,5 kg

thời gian đông đá: τ = 19h

3.2.2 Xác định số lượng và kích thước linh đá

Ta chọn số khuôn đá trên 1 linh đá là 8 khuôn Số linh đá được xác định:

S = = ta chọn S1 = 16 linh

Chiều rộng của 1 khuôn đá là 225 mm, khoảng cách 2 khuôn đá gần nhau 40

mm, khoảng hở hai đầu ngoài của khuôn đá là 75 mm Vì vậy chiều dài của linh

đá được xác định:

L= 7.225 + 2.75 + 2.40= 1805 mm

Chiều cao của linh đá là 1150 mm

Chiều rộng của linh đá là 425 mm

Hình 5: kết cấu linh đá có 7 khuôn đá

3.2.3 Xác định kích thước bên trong bể đá:

Kích thước bể đá phải đủ lớn để bố trí các khuôn đá, dàn lạnh, bộ cánh khuấy: khe hở cần thiết để nước muối chuyển động tuần hoàn Ta chọn cách bố trí dàn lạnh ở giữa, hai bên là hai dãy linh đá: một bên 8 linh

Xác định chiều rộng bể đá:

R = 2L+4δ + A + 60

L = 1805 mm là chiều dài linh đá

δ : khe hở giữa các linh đá và vách trong của bể đá Chọn δ = 25 mmA: chiều rộng để lắp dàn lạnh Tra bảng ( 6-13) tr194 ta được A= 660 mmVậy R= 2.1805 + 4.25 + 660 = 4370 mm

Xác định chiều dài bên trong bể đá

D = B + C + m.b

B: chiều rộng đoạn hở đầu bể để lắp bộ cánh khuấy B = 600 mm

C: chiều rộng đoạn hở cuối bể C = 500 mm

m: số linh đá dọc theo chiều dài m = 8 mm

b: khoảng hở giữa các linh đá, được xác định trên cơ sở độ rộng của linh

Q : dòng nhiệt do vận hành như bơm khuấy nước muối, lấy đá ra khỏi khuôn

5

Q : dòng nhiệt do sản phẩm hô hấp, ở đây lấy bằng 0

3.3.1 Nhiệt truyền qua kết cấu bao che bể đá: Q1

Bể đá được đặt trong nhà xưởng nên khả năng bị bức xạ trực tiếp rất ít vi vậy nhiệt truyền qua kết cấu bao che bể đá chỉ do chênh lệch nhiệt độ giữa nước muối trong bể và không khí bên ngoài Gồm 3 thành phần:Nhiệt truyền qua tường bể đá

F : diện tích tường bể đá, m2 diện tích tường được xác định từ chiều cao

và chu vi của bể Chiều cao tính từ mặt nền ngoài bể đến thành bể Chu viđược tính theo kích thước bên ngoài của bể

Nhiệt truyền qua nền đá:

Do nền có sưởi nên dòng nhiệt qua sàn có thể xác định theo biểu thức:

K hệ số truyền nhiệt qui ước tương ứng với từng vùng

F: diện tích tương ứng với từng vùng nền

Để tính toán dòng nhiệt qua sàn, người ta chia sàn ra các vùng khác nhau

có chiều rộng 2m mỗi vùng tình từ bề mặt tường bao vào giữa buồng.Giá trị của hệ số truyền nhiệt quy ước K q, W m K/ 2 , lấy từng vùng là:Vùng rộng 2m dọc theo chu vi tường bao

= + ∑

Từ bảng 2 ta có:

3.3.2 Nhiệt để đông đá và làm lạnh khuôn đá :

Nhiệt làm lạnh nước và đông đá:

C = 4186 J/kg.K nhiệt dung riêng của nước

r = 333600 J/kg Nhiệt đông đặc ( 80 Kcal/kg)

M – Tổng khối lượng khuôn đá, kg

Tổng khối lượng khuôn bằng số lượng khuôn nhân với khối lượng

Nhiệt do bộ cánh khuấy gây ra Q41 :

Do năng suất bể đá là 5 tấn nên ta chọn bộ cánh khuấy có hãng MYCOM

có MODEL là 180 VGM có tốc độ 1000 V/P, lưu lượng 7,5 m3 / p, công

suất N= 1,5 kW, hiệu suất η = 0,9 Bộ cánh khuấy được bố trí bên ngoài

bể muối vì vậy nhiệt năng do bộ cánh khuấy tạo ra được xác định:

0 1 2 3 4 5

Q =Q +Q +Q +Q +Q = 3,1 + 35 + 0 + 2,2 + 0 = 40,3 Kw

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CHU TRÌNH, TÍNH CHỌN

MÁY NÉN

4.1 Chọn các thông số của chế độ làm việc:

Chế độ làm việc của hệ thống lạnh được đặc trưng bởi 4 nhiệt độ sau:

Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh t0

Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh t k

Nhiệt độ quá lạnh của lỏng trước van tiết lưu t1

Nhiệt độ của hơi hút về máy nén ( quá nhiệt ) t qn

4.1.1 Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh t0:

∆ - hiệu nhiệt độ yêu cầu

Trong các hệ thống lạnh gián tiếp, nhiệt độ sôi của môi chất lấy thấp hơn nhiệt độ của nước muối 5÷6°C và nhiệt độ của nước muối lấy thấp hơn nhiệt độ buồng lạnh từ 8÷10°C

Chọn ∆t0= 13°C

 t0= -23°C

4.1.2 Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh: phụ thuộc vào môi trường

làm mát của thiết bị ngưng tụ

2

k w k

t =t + ∆t

0, 21

k

p p

π = = =

4.2 Chu trình máy nén hơi một cấp:

4.2.1 sơ đồ và chu trình 1 cấp sử dụng môi chất NH3

Hình 7: sơ đồ máy nén 1 cấp môi chất NH3

Hình 7: chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp-h và T-s

Nguyên lí hoạt động của hệ thống lạnh như sau: hơi từ môi chất sinh ra ở thiết bị bay hơi được máy nén hút về và nén lên ở áp suất cao vào bình ngưng tụ ở bình ngưng hơi môi chất thải nhiệt cho nước làm mát và ngưng tụ lại thành lỏng Lỏng có áp suất cao đi qua van tiết lưu vào bình bay hơi ở bình bay hơi, lỏng môi chất sôi ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp thu nhiệt của môi trường cần làm lạnh hơi lại được máy nén hút về , vòng tuần hoàn môi chất được khép kín

4.2.2 Tính toán các thông số:

Dựa vào đồ thị logp-h của NH3 Ta xác định được chu trình máy lạnh mộtcấp aminiac

Thông số t (°C) P(bar) h(kJ/kg) v( 3

/

m kg) Trạng thái

q l

Hiệu suất exergi v: