TÍNH TOÁN THIẾT kế hệ THỐNG bể đá cây

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

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

_ _ _

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 đề 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 :-200C, -300C…làm cho nước trong ao, hồ, sông, suối, …bị đông băng

Cho đến khi ngành lạnh ra đời, và bắt đầu phát triền mạnh trên thế giới thì con người

sử dụng kỷ thuật lạnh trong nhiều mục đích khác nhau củamình, 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 sản xuất thực tế

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

đá cây năng suất 15 tấn \mẻ”em cảm thấy rất thích thú và thực tế

Từ trước đến nay , nói đến nước đá ai cũng biết ,nói đến làm nước đá người ta chỉ nghĩ đơn giản là hạ nhiệt độ xuống thấp để nước đống băng , nhưng để làm được điều đó thì đòi hỏi người kỹ sư phải tính toán và thiết kế ra được những khiết 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 kỷ sư không phải chỉ có kiến thức về kỹ thuật mà đòi hỏi và tính đến tính kinh tế khi xây dựng một phân xưởng Trong khuôn khổ đồ án này chắc chắn những gì

em làm vẫn còn nhiều thiếu sót ,nhưng thông qua đồ án này em cũng đã học được rất nhiềukiến thức , đặt biệt là phải biết cách áp dụng những gì mình đã học trên sách vỡ vào thực tế

Trong khi thực hiện đồ án này có những kiến thức thực tế em không rõ, không có kinh nghiệm cũng nhờ có sự chỉ dẫn tận tình của thầy Trí đã giúp em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trí và thầy cô bộ môn điện lạnh đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

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 dụng nước 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 giảikhát, 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 nhất định 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 bảo quản sản phẩm Tổn thất nhiệt lớn do quá trình từ sản xuất đến sử dụng phảitrải qua nhiều khâu trung gian

Phương pháp này có ưu điểm lớn là cấu tạo, vận hành đơn giản Hiện nay hầu hết các

cơ sở sản xuất nước đá cây đều chọn phương pháp này

- Dễ gây ăn mòn thiết bị.

- Phải thường xuyên kiểm tra nồng độ nước muối của dung dịch để tránh hiên tượng đóng băng chất tải lạnh

III Môi chất sử dụng trong hệ thống: NH 3

 Ưu điểm:

- Không gây ăn mòn thiết bị chế tạo từ thép, kim loại đen chế tạo máy nhưng ăn mòn đồng và các hợp kim của đồng Vì vậy không sử dụng đồng và các hợp kim của đồng trong hệ thống amoniac

- Có mùi đặc trưng nên dễ phát hiên khi rò rỉ

- Không hòa tan dầu bôi trơn máy nén

- Rẻ tiền, dễ kiếm, vận chuyển và bảo quản

 Nhược điểm:

- Độc hại đối với con người và môi trường

- Trong không khí nêu có chứa một lượng NH3 nhất định có thể bắt lửa gây nổ, hỏa hoạn

CHƯƠNG II: CÁC YÊU CẦU BỐ TRÍ MẶT BẰNG VÀ KẾT CẤU BỂ

ĐÁ

I Bố trí mặt bằng xưởng làm nước đá:

Cần tính toán sao cho tiết kiệm được diện tích mặt bằng, vốn đầu tư là thấp nhất nhưng hiệu quả sử dụng là cao nhất

Bố trí hợp lý mặt bằng phân xưởng, máy và thiết bị, bể đá, kho bảo quản ( nến có), hiên

ô tô xuất đá đáp ứng được các yêu cầu về an toàn lao động, phòng chống cháy nổ, khả năng

II 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 đáthường 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 động 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 được 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 thất 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:

Nền bể được kết cấu như sau :dưới cùng là lớp đá làm nền và đất đầm kỹ sau đó là lớp

bê tông đá dăm M200 dày 150200 mm,lớp cách ẩm bằng hắc ín dày 1mm,lớp giấy dầu dày 1  2 mm ,lớp cách nhiệt polystirol ,lớp giấy dầu dày 1 2 mm,lớp bê tông cốt thép dày 66  100 mm,lớp cát lót mỏng dày từ 10  15 mm và cuối cùng là lớp vỏ bể bằng thép tấm dày 5  6 mm

(mm) Hệ số dẫn nhiệt λ (w/

m.k)

Hệ số dẫn ẩm(g/mhMPa)

III 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 :

2 1

1

1 1

1

= k

i i i

cn

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 ,

k m W k

cn cn n

i i i

8

1 047 , 0

2 , 0 3 , 45

05 , 0 18 , 0

004 , 0 18 , 0

001 , 0 82 , 0

22 , 0 93 , 0

04 , 0 3 , 23 1

1 1

1

2 1

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 Hải Phòng là 37oC, độ ẩm trung bình φ

=79,5% 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

Với kt =2,12 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

12 sách “HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH” –Nguyễn Đức Lợi:

Đối với các hệ thống máy đá cây có công suất lớn (trên 5 tấn / mẻ) đều sử dụng khuôn

Các khuôn đá được bố trí thành các linh đá, mỗi linh đá 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 1

n

N

m  với: m1:số lượng linh đá

n1:số khuôn trên 1 linh đá

N :số khuôn đá

8 , 42 7

300

m chọn m1  43

Khoảng cách giữa các khuôn đá trong 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

Hình 3.1: Kích thước linh đá có 7 khuôn

Trong đó:

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 muối chuyển 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 15 tấn/mẻ chọn A = 900

4610 900

25 4 1805

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 = 425  50  475 mm

2

m : Số linh đá dọc theo chiều dài trên một dãy , với m1  43linh đá, bố trí dàn lạnh ở giữa, các linh đá được bố trí thành hai dãy đối xứng vậy số linh đá trên một dãy m=22

11550 475

22 500

600   



3 Xác định chiều cao của bể đá :

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

Khối lượng khuôn đá (kg) 27,2

Hình 3.2: 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

 : thời gian làm đá (giờ)

t m: nhiệt độ trung bình trong bể (oC), chọn t m= -7oC

19 , 0 7

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 trời 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

 Q1 = Q11 + Q12 + Q13

Tổn thất lạnh qua kết cấu bao che được xác định theo công thức 4-2 trang 106 sách

“HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH” –Nguyễn Đức Lợi :

t1 t2

F k

Q t  Trong đó :

t

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

F : diện tích bề mặt của kết cấu bao che

Đối với tường ngăn :t t 1 t2 là độ chênh lệch nhiệt độ giữa không khí bên ngoài bể

và bên trong bể Theo bảng 1-1 sách “HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH” –Nguyễn Đức Lợi, t1 được chọn là trung bình cộng nhiệt độ tối đa ghi nhận được của tháng nóng nhất: t1 37oC, nhưng do bể đá được đặt trong nhà xưởng nên ta lấy thấp hơn 4-5oC (chọn = 5)  t1 = 32oC

Nhiệt độ bên trong bể là :-7oC  t  32  (  7 )  39oC

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 )  t  32   5 37oC

Đối với nền bể, t  32  (  7 )  39 oC

2 Các kích thước của bể đá :

Các kích thước đã tính được đều là kích thước bên trong, muốn tính kích thước bên ngoài

ta phải cộng thêm chiều dày của các lớp kết cấu tường Chiều dài và chiều rộng của kết cấu tường được tính từ tâm của các tường bao:

chiều dài =11550 + 340 = 11890 mm =11,890 m

chiều rộng =4610 + 340 = 4950 mm = 4,950 m

chiều cao của bể đá được tính từ mặt nền ngoài đến thành bể :



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

1 2 , 0

03 , 0 3 , 23 1

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

k k

pk t t C

 

  1567.91

95760

1030

.460.8160

) ( 26 , 75786 91

, 1567 35

, 74218



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 đượcxác 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,  = 95760 giây

91 , 1669 95760

473810

900 001 , 0 25 , 1 300

91 , 2869 91

, 1669 1200

IV Xác định tải nhiệt cho thiết bị, máy nén và năng suất lạnh của máy nén:

1 Xác định tải nhiệt cho thiết bị: Q tb

Tải nhiệt cho thiết bị dùng để tính toán diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết cho thiết

bị bay hơi Để đảm bảo được nhiệt độ trong buồng ở những điều kiện bất lợi nhất ta phải tính toán tải nhiệt cho thiết bị là tổng các tải nhiệt thành phần có giá trị cao nhất như đã tính được ở trên:

76 , 84169 91

, 2869 26

, 75786 59

, 5513

4 2

2 Xác định tải nhiệt cho máy nén : Q mn

, 2869 75 , 0 26 , 75786 6 , 0 59 5513

b: Hệ số thời gian làm việc ngày đêm của các hệ thống lớn Chọn b 0,9

66127 9

, 0

77 , 53137 12 , 1

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: 15 tấn/mẻ

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 độ nhiệt kế ướt từ 34oC (chọn = 3oC)

1

w

t = t u  3  33  3  36 ,oCNhiệt độ nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ t w2 cao hơn t w1 2-6 oC, chọn = 4oC

40 4 36

LẠNH”-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 hơnnhiệt độ nước muối từ 56 oC (chọn bằng 5 oC)

 t oC, p0=1,9059bar , tra bảng 2-2: hơi bão hòa NH3 sách “MÁY

VÀ THIẾT BỊ LẠNH”-Nguyễn Đức Lợi

4 Chọn cấp của chu trình:

NT

BH

MN 4

1’

1 3

895 , 16

 <9  chọn chu trình 1 cấp

5 Chọn độ quá nhiệt hơi hút:

) 10 5 (

t

t h oC, chọn bằng 5 C

15 5

20   





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

1.Sơ đồ nguyên lý.

Hình 5.1: sơ dồ nguyên lý

BH: thiết bị bay hơiNT: thiết bị ngưng tụMN: máy nén

TL: thiết bị tiết lưu

Nguyên lý hoạt động của hệ thốnglạnh: hơi môi chất từ thiết bị bay hơi là hơi bão hòa

khô đi về thiết bị bay hơi Hơi đi ra là hơi quá nhiệt được máy nén hút về nén thành hơi quá nhiệt(pk tk)

Được đưa qua thiệt bị ngưng tụ thực hiện quá trình thải nhiệt thành lỏng cao áp(pk,tk) tại điểm (3) đi qua thiết bị hồi nhiệt tại điểm 3’,lượng lỏng đưa qua tiết lưu nhiệt thành hơi bảohòa ẩm(p0,t0) tại điểm 4 đi qua thiết bị bay hơi thành hơi bảo hòa khô.Chu trình cứ thế tiếp tục

b Đồ thị:

- đồ thị lgp-h:

1' 1

2 3'

3

4 tql

S

2

1 1'

3' 3