TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY LÀM NƯỚC ĐÁ CÂY 20 TẤN / NGÀY

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.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN MÔN HỌC KỸ THUẬT LẠNH

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY LÀM

NƯỚC ĐÁ CÂY 20 TẤN / NGÀY

Họ và tên sinh viên: Dương Công Thành Trần Đình Trọng

Vũ Ngọc Hiển

Ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH Niên khóa: 2008 – 2012.

Tháng 07/2011

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY LÀM

NƯỚC ĐÁ CÂY 20 TẤN / NGÀY

Nhóm thực hiện:

1 Dương Công Thành 08137023 SĐT: 01688561862

2 Trần Đình Trọng 08137025 SĐT: 01668598922

3 Vũ Ngọc Hiển 08137002 SĐT: 01689949373

Đồ án được thực hiện nhằm tìm hiểu

và đáp ứng yêu cầu môn học

Giáo viên hướng dẫn:

Thạc sĩ Lê Văn Bạn

Tháng 07/2011

2

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Mục đích của đồ án : 5

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 6

2.1 Hệ thống sản xuất nước đá cây 6

2.2 Công dụng và phân loại nước đá 6

2.2.1.Công dụng nước đá 6

2.2.2.Phân loại nước đá 6

2.3 Cấu tạo máy đá cây [khối] 7

2.4 Nguyên lý làm việc 8

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN 9

3.1 Phương tiện thực hiện 9

3.2 Phương pháp tiến hành 9

3.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 9

3.2.2 Phương pháp thực hiện 9

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 10

4.1 kết quả tính toán 10

4.1.1 Các lựa chọn ban đầu 10

a Chọn phương pháp thiết kế nước đá 10

b Chọn chất tải lạnh 10

c Chọn tác nhân lạnh 11

d Quy trình sản xuất nước đá 12

4.1.2 Tính chu trình lạnh 14

3

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

4.1.3 Tính chi phí lạnh 15

a Tính cách nhiệt, cách ẩm 15

b Tính toán chi phí lạnh cho bể đá 18

4.1.4 Chọn máy nén 22

a Tính năng suất thể tích thực tế của máy nén 22

b Tính năng suất thể tích lý thuyết của máy nén 22

c Chọn máy nén 22

d Chọn động cơ cho máy nén 23

4.1.5 Tính chọn thiết bị ngưng tụ (kiểu xối tưới) 25

a Mật độ dòng nhiệt phía ngoài 25

b Diện tích bề mặt truyền nhiệt 27

4.1.6.Tính chọn thiết bị bốc hơi (kiểu xương cá) 29

a Dòng nhiệt phía ngoài giàn lạnh 29

b Diện tích bề mặt truyền nhiệt 30

4.1.7 Các thiết bị khác 31

a Đường ống 31

b Bình tách lỏng 32

d Bình chứa dầu 33

e Bình chứa cao áp 33

f Thiết bị tách khí không ngưng 34

g Phin lọc và phin sấy 35

h Mắt gas 35

i Các loại van: 36

j Áp kế 38

k Cánh khuấy 38

h Bố trí lắp đặt 39

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

4

Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

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 Quá trình hình thành đá thiên nhiên dựa vào lạnh của thiên nhiên, nhiều nơi mùa đông không khí lạnh đến -20 độ C, -30 độ C làm cho nước trong ao, hồ, sông, suối, bị đóng băng.Cho đến khi ngành lạnh ra đời, và bắt đầu phát triễn mạnh ở trên thế giới thì con người sử dụng kỹ 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, ), tuỳ theo yêu cầu sử dụng và điều kiện sản xuất thực tế

Chương 2 TỔNG QUAN

2.1 Hệ thống sản xuất nước đá cây /10/

Phương pháp sản xuất đá cây là một trong những phương pháp cổ điển nhất

Đá cây được sản xuất trong các bể dung dịch muối lạnh, có nhiệt độ khoảng –10oC.Nước được đặt trong các khuôn có kích thước nhất định, theo yêu cầu sử dụng Khốilượng thường gặp nhất của các cây đá là 12,5; 25; 50 kg ưu điểm của phương phápsản xuất đá cây là đơn giản, Dụ thực hiện, đá có khối lượng lớn nên vận chuyển bảoquản được lâu ngày, đặc biệt dùng cho việc bảo quản cá, thực phẩm khi vận chuyển đi

xa Ngoài ra đá cây cũng được sử dụng làm đá sinh hoạt và giải khát của nhân dân

Tuy nhiên, đá cây có một số nhược điểm quan trọng như: chi phí đầu tư, vậnhành lớn, các chỉ tiêu về vệ sinh không cao do có nhiều khâu không đảm bảo vệ sinh,tính chủ động trong sản xuất thấp do thời gian đông đá lâu Đi kèm theo hệ thống máy

đá cây phải trang bị thêm nhiều hệ thống thiết bị khác như: hệ thống cẩu chuyển, Hệthống cấp nước khuôn đá, bể nhúng đá, bàn lật đá, kho chứa đá, máy xay đá Vì vậyngày nay trong kỹ thuật chế biến thực phẩm người ta ít sử dụng đá cây Nếu có trang

bị cũng chỉ nhằm bán cho tàu thuyền đánh cá để bảo quản lâu ngày

2.2 Công dụng và phân loại nước đá /10/

- Công nghiệp hóa chất

2.2.2.Phân loại nước đá

Có nhiều cách để phân loại nước đá:

 Dựa vào nguyên liệu sản xuất:

 Nước đá từ nước ngọt (nước lã, sôi, nguyên chất)

 Nước đá từ nước biển, từ nước muối

 Nước đá từ nước sát trùng và kháng sinh

 Dựa vào độ trong của đá:

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

 Nước đá pha lê

 Nước đá trong suốt

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

8

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

9

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN

3.1 Phương tiện thực hiện

- Máy vi tính cá nhân

- Các tài liệu liên quan

3.2 Phương pháp tiến hành

3.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Tra cứu tài liệu sách báo nhằm phục vụ mục đích đề tài

- Tìm kiếm các thông tin liên quan đến đề tài qua mạng internet

3.2.2 Phương pháp thực hiện

Theo phương pháp tổng hợp và kế thừa ta tiến hành theo trình tự sau:

- Tiến hành nghiên cứu và tổng hợp lại các tài liệu đã có

- Lựa chọn các vấn đề liên quan đến đề tài

- Tính toán chọn các thiết bị của hệ thống máy đá cây

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 kết quả tính toán

4.1.1 Các lựa chọn ban đầu

a Chọn phương pháp thiết kế nước đá /9/

- Các giai đoạn sản xuất nước đá

Giai đoạn 1: là hạ nhiệt độ của nước từ nhiệt độ t1 (nhiệt độ ban đầu của nước)xuống nhiệt độ 0oC

Giai đoạn 2: là giai đoạn kết tinh nước hoàn toàn, chuyển nước từ trạng tháilỏng trạng thái rắn

Giai đoạn 3: là giai đoạn hạ thấp nhiệt độ băng của nước từ 0oC xuống nhiệt độ

t2 (thường chọn -5oC)

Vậy nhiệt lượng riêng cần thiết để chuyển 1Kg nước ở nhiệt độ ban đầu t1 thànhnước đá ở nhiệt độ t2 được tính theo công thức:

/2/

- Chọn phương pháp sản xuất nước đá

Các loại đá cây với khối lượng khác nhau được sản xuất bằng phương pháp làm lạnhtrong bể nước muối Đây là phương pháp phổ biến nhất trong nhà máy nước đá hiện nay.Các loại đá cây với khối lượng khác nhau được sản xuất bằng phương pháp làm lạnh trong

bể nước muối Đây là phương pháp phổ biến nhất trong nhà máy nước đá hiện nay Vớiphương pháp này nước sau khi qua quy trình xử lý được đổ vào khuôn định hình sẵn, cáckhuôn này được đặt trong bể nước muối, bể này được làm lạnh bởi thiết bị bốc hơi , saumột thời gian nước trong khuôn được quá lạnh và kết tinh lại Quy trình kết thúc,đá câyđược lấy ra từ các khuôn và sử dụng

Kết cấu cây đá hiện nay có các cỡ khối lượng thông dụng như sau:Loại 3,5 Kg, loại12,5 Kg, loại 25 Kg, loại 50 Kg ở đây ta chọn loại 50 kg

b Chọn chất tải lạnh /9/

- Yêu cẩu của chất tải lạnh

Chất tải lạnh phải đảm bảo những yêu cầu sau:

 Nhiệt độ đông đặc phải thấp

 Nhiệt dung riêng và khả năng dẫn nhiệt cao

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

 Không độc hại và không nguy hiểm

Dễ kiểm, rẻ tiền, dễ bảo quản và dễ vận hành

- Phân tích tính chất của chất tải lạnh

Chất tải lạnh có ban trạng thái: Rắn, lỏng, khí

- Chọn chất tải lạnh

Bảng: nhiệt độ đông đặc của một số dung dịch muối

12

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

Tbh = - 33,35 0CVới khoảng nhiệt độ này thì NH3 không thể đông đặc trên đường ống gây tắt nghẽn

và nở đường ống tác nhân khi dùng sản xuất đá

Vậy ta chọn tác nhân lạnh là NH3

13

d Quy trình sản xuất nước đá

Nước được bơm trực từ giếng lên, qua quá trình xử lý, tách bỏ cặn bã có trong nước Nước được chứa trong hồ, một phần được hòa với muối với lượng thích hợp để tạo ra nồng độ muối theo ý muốn, một phần cho vào các khuôn đá

Đặt các khuôn đá vào bể nước Do kết cấu của bể đá, khuôn được giữ trên các thanh bắt ngang bể Sau một ngày đêm, nước đã được đông thành đá Khi có nhu cầu sử dụng, ta lấy đá lên bằng phương pháp thủ công

Ta dùng nước ở nhiệt độ thường, xối lên trên khuôn đá, nhằm tách đá ra khỏi khuôn

Nước lấy từ giếng

Xử lý nước

nước

Cấp nước vào bể chứa

Rót nước vào khuôn

C t

t

t ql k   ql  41  3  38

C t

k  2   36  5  41 /1/ /1/ /1/

15

Năng suất lạnh riêng

Năng suất lạnh riêng thể tích

71 , 1

h

q o  1 4  1757 , 14  664 , 286  1092 , 86 /

3 / 71

, 2185 5

, 0

86 , 1092

m KJ

h

l 2 1  2057 , 14  1757 , 14  300 /

Kg KJ h

h

q k  2 3  2057 14  664 , 286  1392 , 86 /

Kg KJ h

hệ số khếch tán ẩm  g/mhMpa

1

cn i i

11

1

i i

i cn

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

/2/

Với: Hệ số cấp nhiệt phía ngoài bể 1 = 19,18 W/m2.độ

Hệ số cấp nhiệt phía trong bể 2 = 813,94 W/m2.độ

Chọn cn = 0,15 m

+ Kiểm tra động sương

Với bề dày lớp cách nhiệt ở trên, tính lại hệ số truyền nhiệt K1 = 0,231 W/m2.độ

Hệ số truyền nhiệt động sương thực tế

Với Nhiệt độ không khí bên ngoài bể t1 = 35oC

Nhiệt độ trong bể t2 = -10oC

Nhiệt độ động sương (tra ở 35oC) ts = 34oC

Theo trên ta thấy K1 < ks  bề mặt bể không đọng sương

Theo kết cấu của bể, bề mặt trong bể là tấm thép, nên kết cấu của tường được cách ẩm hoàn toàn

hệ số khếch tán ẩm  g/mhMpa

94 , 813

1 39

006 , 0 18 , 0

1 , 0 18 , 0

004 , 0 82 , 0

38 , 0 88 , 0

02 , 0 2 18 , 19

1 3

, 0

1 047 , 0

t t

10 35

34 35 18 , 19 95 , 0

95

2 1

So sánh với hệ số truyền nhiệt được chọn ở trên K2tt < K2chọn

Vậy điều kiện được thỏa mãn

Vì mặt ngoài của của đáy bể đá là nên đất, không tiếp xúc với không khí nên ở đây

ta không cần kiểm tra hiện tượng động sương

Tương tự như vách của bể đá, mặt trong của nền cũng được lót bằng thép, xem như cách ẩm hoàn toàn

b. Tính toán chi phí lạnh cho bể đá /10/

- Kết cấu của bể đá

Năng suất thiết kế bể đá 20 tấn/ngày, đêm

Khối lượng một cây đá 50 Kg

Thời gian đông đá /1/

b B

b t

A m

cn i i

i i

i cn

1001 , 0

94 , 813

1 46 , 0

1 , 0 1 , 1

2 , 0 18 , 0

004 , 0 1 , 1

2 , 0 18 , 0

1 , 0 2 39

006 , 0 1 047 , 0

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

Trong đó: Nhiệt độ trung bình của nước đá

Chiều rộng khuôn đá bo = 0,19 m (chọn mặt trên của khuôn)

Đối với bể đá, hệ số A = 4540

Tuy thời gian đông đá chỉ là 18,632 giở, nhưng khi thiết kế ta nên chọn thời gian chomột một mẻ là 24 giờ (1 ngày, đêm), thời gian chọn dư ra không làm tiêu tốn nhiều chi phí lạnh

Số khuôn đá trong một mẻ

Khoảng cách khuôn đá ngoài cùng với tường khuôn,tường =25 mm

Chiều rộng doạn hở cuối bể C = 500 mm

Chiều dài của bể L = B + C + m2.b

= 12975 mm

Chiều cao của bể H = 1250 mm

) ( 632 , 18 ) 026 , 0 19 , 0 ( 19 , 0 10

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

Hình 3: kế cấu bể đá

21

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

Hình 4: kết cấu trong bể đá

- Nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che

Chọn Hệ số truyền nhiệt qua vách k1 = 0,231 Kcal/m2.h.độ

Hệ số truyền nhiệt qua nền k2 = 0.167 Kcal/m2.h.độ

Hệ số truyền nhiệt qua nắp k3 = 2 Kcal/m2.h.độNhiệ độ của môi trường quanh bể tf = 35oC

Nhiệt độ trung bình của nước muối tm = -10oCDiện tích xung quanh bể F1 = 2.(W+L+1412).H = 48,62 m2

Diện tích nền F2 = (W+706) (L+706)= 78,88 m2

Diện tích nắp F3 = W.L =65,64 m2

- Nhiệt làm đông đá

/2/

Nhiệt dung riêng của nước Cpn = 4,18 KJ/Kg.độNhiệt độ của nước khi đưa vào khuôn tn = 31oC

Nhiệt dung riêng của nước đá Cpnđ = 2,09 KJ/Kg.độNhiệt độ cuối quá trình đông đá t2 = -5oC

ngày KJ ngày

Kcal t

t F k

Nhiệt độ trung bình của nước muối tm = -10oC

- Nhiệt tổn thất do động cơ cánh khuấy /2/

Trong đó

Công suất động cơ của cánh khuấy Ni = 15 KW

Hiệu suất hoạt động hữu ích của cánh khuấy hi = 0,85

Hệ số làm việc của cánh khuấy yi = 0,95

Chỉ số i chỉ số cánh khuấy được dùng i = 1

- Nhiệt tổn thất khi tách đá ra khỏi khuôn

/2/

Trong đó

Diện tích xung quanh của cây đá /2/ f = 1,25 m2

Bề dày lớp đá tan để có thể tách đá ra khỏi khuôn = 0,001 mKhối lượng riêng của nước đá rnđ = 900Kg/m3

Chi phí lạnh (năng suất lạnh)

t t  KJ ngày C

g n

ngày KJ ngày

Kcal N

i

i i

i .24 250004,8 / 1045020 /1860

,4

Q Q Q Q

Q o  1  2  3  4  5  11207827 , 54 /

ngày KJ L

f n

Q5  kd  rnd  150 , 1 /

23

4.1.4 Chọn máy nén /6/

a Tính năng suất thể tích thực tế của máy nén

Năng suất lạnh của máy nén cần lắp đặt

Hệ số thời gian làm việcb = 0,91 /2/

Lượng môi chất chạy qua máy nén

Năng suất thể tích thực tế của máy nén

b Tính năng suất thể tích lý thuyết của máy nén

Q k

3600 24

.





s Kg q

Q m

o

mn o

tt   0 , 145 /

s m m

V tt  tt   0 , 074 3 /

'

. w

i r w k tl

c     



7216 , 0

o

k k o

o o k lt c

P P P

P P c P

P P

273 15

074 , 0

V V

25

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

máy V

V Z

ltc

ltt

0835 , 0

125 , 0





26

Trong đó chọn: Hiệu suất truyền động của khớp đai htđ = 0,95

Hiệu suất của động cơ hel = 0,85Vậy công suất tiếp điện cho mỗi động cơ:

Chọn tổ hợp động cơ AO2 – 91 – 4 theo bảng 7 – 10 [3]

m

N s  tt  84 , 563

KW N

N

N e  i ms  113 , 15

KW

N N

i

s

i   104 , 831h

807 , 0 

V

N ms  tt. ms  8 , 32

KW

N N

el tđ

e

el 140 , 12

. 

hh

71 , 46

MN

el el

Z

N N

27

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

Công suất dự trữ cho tổ hợp máy nén 75 – 46,71 = 28,29 KW

Hệ số dự trữ

- Tính hiệu suất của máy nén

Hiệu suất chỉ thị (hiệu suất có kể đến tổn thất trong) hi = 0,807Hiệu suất có kể đến tổn thất ma sát của các chi tiết máy

Hiệu suất có kể đến tổn thất do truyền động htđ = 0,95

Hiệu suất của máy nén

/3/

61 , 1 432 , 45

75



926 , 0





e

i e

N

N

h

604 , 0

 hihehtđhelh

28

4.1.5 Tính chọn thiết bị ngưng tụ (kiểu xối tưới)

Ưu điểm

- Hiệu quả trao đổi nhiệt cao, hệ số truyền

nhiệt đạt 700 ÷ 900 W/m2.K

- Cấu tạo đơn giản, chắc chắn, dễ chế tạo

và có khả năng sử dụng cả nguồn nước

- Dàn ngưng kiểu tưới tiêu thụ nước khánhiều do phải thường xuyên xả bỏ nước

- Dàn ống không được nhúng kẽm nóng sẽrất nhanh chóng bị bục, hư hỏng

- Hiệu quả giải nhiệt chịu ảnh hưởng của môi trường khí hậu

a. Mật độ dòng nhiệt phía ngoài

Đồ thị 15: đồ thị biểu diễn sự biến đổi nhiệt độ của các dòng

khi qua thiết bị ngưng tụ

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

Hiệu nhiệt độ trung bình

Nhiệt độ trung bình của nước twtb = 34,5oC

Các thông số của nước ở nhiệt độ trung bình

Chiều dày màng nước chảy trên ống

Hệ số tỏa nhiệt phía nước

Mật độ dòng nhiệt về phía nước

Trong đó

m g

m l

000479 ,

0

94

m l 0,4198 /



 r



005 , 1095



d

564 , 17 Pr

Re 1 ,

Nu

/ 756

, 5735

t q

t

t t

ln

1 2

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT LẠNH Nhóm 4

Hệ số truyền nhiệt nhiệt của vật liệu làm ống (thép)  = 45,3 W/m.K

Ta có phương trình mật độ dòng nhiệt phía ngoài ống

b Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ

Trong đó

Năng suất nhiệt riêng qk = 1392,857 KJ/KgLưu lượng khối lượng thực tế của môi chất lạnh mtt = 0,282 Kg/sTổng diện tích bề mặt truyền nhiệt phía trong ống

Tổng diện tích bể mặt truyền nhiệt phía ngoài ống

Lượng nhiệt tổn thất ra môi trường không khí

Hệ số lưu lượng

Với Hệ số tỏa nhiệt đối lưu về phía không khí kk = 20 W/m2.K

Nhiệt dung riêng trung bình của không khí Cpk = 1020 W/m2.K

Hệ số kể đến sự tăng bề bay hơi do tạo thành các tia và giọt  = 2

Trong đó

Độ ẩm của không khí bão hoà xtb = 0,036 Kg/Kg(Tra ở nhiệt độ trung bình của nước)

W K m

c

c b

b v

v d

d i

5 1

10 6 0 58 0

10 1 0 3 , 45

10 5 3 12 0

10 06

2 1

d

d F F

t

n 



KW h

h F

Q kk  2   ( hb 1)  283 , 92

s m Kg

x F

M b  2   ( tb 1)  0 , 107 /

31