Tính tốn, thiết kế hệ thống lạnh đông sản phẩm ngay trong buồng thăng hoa

Chương 2 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN

3.1.4. Tính toán hệ thống thiết bị sấy thăng hoa tự lạnh đông

3.1.4.1. Tính tốn, thiết kế hệ thống lạnh đông sản phẩm ngay trong buồng thăng hoa

của hệ thống sấy thăng hoa.

36

Thể tích chứa sản phẩm

Để nấm đơng trùng hạ thảo có thành phần hóa học như bảng 7 khi lạnh đơng ẩm kết tinh hồn tồn thì q trình lạnh đơng tiến hành theo các thông số công nghệ tối ưu sau:

- Năng suất sấy thăng hoa cũng chính là năng suất lạnh đông là Gsp = 200kg/mẻ. - Thời gian cấp đông theo yêu cầu là: 𝜏 = 1,7h/mẻ = 6120s/mẻ.

- Nhiệt độ buồng lạnh đông là: tf 2 = -40oC

- Nhiệt độ trung bình của sản phẩm sau khi lạnh đơng để nước trong sản phẩm đóng băng hồn tồn là: TFopt = -19oC

- Bề dày sản phẩm trong khay thủy tinh là 12mm

Thành phần hóa học của quả thể nấm đơng trùng hạ thảo được trình bày ở bảng sau:

Bảng 7: Thành phần hóa học của quả thể nấm đơng trùng hạ thảo [11] Thành phần Ký hiệu tỷ lệ Hàm lượng (%) Protein Xtp 2 5,4 Glucid Xtp 3 4,52 Lipid Xtp4 1,61 Tro Xtp5 0,53 Nước Xtp 1 83.0 Các hợp chất khác Xtp 6 4,9

Thể tích chứa sản phẩm được tính tốn theo cơng thức sau: Vsp = 𝐺𝑛𝑙

𝜌 = 1079

1004,77 = 1,074 (m3)

Trong đó: Gnl : khối lượng nấm nguyên liệu chứa tối đa trong buồng lạnh đông (kg). Với Gnl = G1

Vsp : thể tích nấm chứa tối đa trong buồng lạnh đơng (m3)

𝜌 : khối lượng riêng trung bình của nấm đơng trùng hạ thảo tươi

chứa trong buồng lạnh đơng (kg/m3).

Thể tích và kích thước buồng sấy thăng hoa

 Số khay thủy tinh chứa nấm đông trùng hạ thảo để lạnh đông và sấy thăng hoa

được xác định như sau:

- Chiều dài của khay là: ak = 500mm = 0,5m - Chiều rộng của khay là: bk = 300mm = 0,3m - Chiều cao của khay là: hk = 28mm = 0,028m

37 - Bề dày của lớp vật liệu trong khay là: 𝛿 = 12mm = 0,012m

 Thể tích của mỗi khay là:

Vk = ak . bk . hk = 0,5 . 0,3 . 0,028 = 4,2.10-3 (m3)  Thể tích nấm trong mỗi khay là:

Vsock = ak . bk . 𝛿 = 0,5 . 0,3 . 0,012 = 1,8.10-3 (m3)

Như vậy, số khay thủy tinh đặt trong buồng lạnh đông hay buồng sấy thăng hoa là:

Nsk = 𝑉𝑠𝑝

𝑉𝑠𝑜𝑐𝑘 = 1,074

1,8.10−3 = 596,67 (khay)

Vậy cần tổng cộng 597 khay để chứa hết 1079kg nguyên liệu đầu vào cho quá trình sấy thăng hoa.

 Thể tích khơng gian của Nsk chiếm chỗ trong buồng lạnh đông hay buồng sấy

thăng hoa được xác định như sau:

𝑉𝑁𝑠𝑘 = 597 . 4,2.10-3 = 2,5074 (m3)

 Buồng thăng hoa hay buồng lạnh đông được thiết kế ở dạng hình trụ có đường

kính trong là D1 (m), đường kính ngồi là D2 (m) và chiều dài là L (m) + Chọn chiều dài thân trụ là L1 = 5m

+ Hai nắp buồng sấy là hai chỏm cầu có chiều cao là hc = 0,2m + Vậy chiều dài của buồng sấy thăng hoa hình trụ là:

L = 2hc + L1 = 2.0,2 + 5 = 5,4 (m)

+ Mỗi tấm truyền nhiệt chứa nt = 32 khay thủy tinh. Vì thế để 32 khay lọt lịng trong diện tích của tấm truyền nhiệt khi:

Chiều dài: L1 = 5 m > 8 . 0,5 = 4,0 m Chiều rộng: a > 4.0,3 = 1,2 m (*)

Phải tính tốn chọn a để thỏa điều kiện (*)

+ Số tấm truyền nhiệt trong buồng sấy thăng hoa là:

𝑁𝑡𝑡𝑛 = 𝑁𝑠𝑘

𝑛𝑡 = 597

32 = 18,66 (tấm)  cần 19 tấm truyền nhiệt. + Khoảng cách giữa hai tấm truyền nhiệt được xác định như sau:

h = 𝛿1 + 𝛿2 Với 𝛿1 = 22mm = 0,022m (bề dày tấm truyền nhiệt)

𝛿2 = ℎ𝑘 + 12 = 28 + 12 = 40mm = 0,04m Như vậy: h = 0,022 + 0,04 = 0,062 (m)

38 + Tổng chiều cao để bố trí 40 tấm truyền nhiệt là:

∑ ℎ = 𝑁𝑡𝑡𝑛 . h = 19 . 0,062 = 1,178 (m)

Chọn a phải thỏa điều kiện a > 1,2m và a > 1,178m  Chọn a = 1,3 m là phù hợp (nếu chọn lớn hơn thì chi phí tăng, cịn nhỏ hơn thì sắp xếp khơng lọt 25 khay / tấm truyền nhiệt)

+ Đường kính trong của buồng lạnh đơng hay buồng thăng hoa được xác định: D1 = a√2 = 1,3√2 = 3,536 (m)

+ Chọn bề dày của thành buồng sấy thăng hoa là 8mm, nên đường kính ngồi được xác định:

D2 = D1 + 2.0,008 = 3,536 + 2.0,008 = 1,84 (m)

+ Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt lạnh đơng, cũng như cấp nhiệt thăng hoa:

𝐹𝑑𝑙 = 2L1.a.𝑁𝑡𝑡𝑛 = 2 . 5 . 1,3 . 19 = 247 (m2)

Như vậy, buồng sấy thăng hoa hay buồng lạnh đông sản phẩm được thiết kế theo dạng hình trụ, có kích thước như sau:

- Chiều dài thân hình trụ: L1 = 5m

- Chiều cao của mỗi chỏm cầu: hc = 0,2m - Đường kích trong: D1 = 2R1 = 1,84m - Đường kính ngồi: D2 = 2R2 = 1,856m - Tổng diện tích truyền nhiệt: 𝐹𝑑𝑙 = 247m2.

 Tính tốn phụ tải lạnh ( hay năng suất) cho quá trình lạnh đơng sản phẩm trước

khi sấy thăng hoa

Khi tính tốn, lắp đặt hệ thống máy lạnh cho buồng lạnh đông sản phẩm trước khi thăng hoa, phải đảm bảo công suất của hệ thống lạnh sao cho tải hết một lượng nhiệt Q (kW) tỏa ra từ sản phẩm trong q trình lạnh đơng thải ra ngồi môi trường.

𝑄 = (𝑄𝑠𝑝 + 𝑄𝑘+ 𝑄𝑘𝑘

𝜏 + 𝑄𝑚𝑡+ 𝑄𝑞𝑛) . 𝛽

Trong đó:

𝑄𝑠𝑝 (kJ) : chi phí lạnh của q trình cấp đơng

𝑄𝑘 (kJ) : nhiệt lượng lấy ra từ khuôn (khay)

𝑄𝑘𝑘 (kJ) : nhiệt lượng lấy ra từ làm lạnh khơng khí

𝑄𝑚𝑡 (kW) : nhiệt lượng lấy ra từ môi trường xâm nhập qua vách buồng sấy thăng hoa

39

𝑄𝑞𝑛 (kW) : nhiệt lượng môi trường xâm nhập đường ống làm quá nhiệt hơi về máy nén.

𝜏 (s) : thời gian một mẻ làm đông 𝛽 : hệ số tải an tồn.

Chi phí lạnh của q trình làm đơng sản phẩm

Lượng nhiệt cần tải đi trong suốt q trình làm đơng được tính theo cơng thức sau: Qsp = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 (kJ)

Với:

Q1 (kJ): lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ đóng băng của nước ở trong sản phẩm

Q2 (kJ): lượng nhiệt lấy ra để làm tồn bộ nước trong sản phẩm đóng băng Q3 (kJ): lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của băng đến nhiệt độ cuối cùng của q trình lạnh đơng

Q4 (kJ): lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của thành nước khơng đóng băng trong sản phẩm

Q5 (kJ): lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của thành phần chất khơ. Ta có:

+ Nhiệt độ ban đầu của nấm đông trùng hạ thảo t1 = 25oC

+ Nhiệt độ của nấm đông trùng hạ thảo cuối q trình lạnh đơng để nước kết tinh hồn toàn t2 = Topt = -19oC

+ Nhiệt độ kết tinh của nước trong nấm: tkt = -1,23oC

- Tính Q1 Q1 = c1G(t1 – tkt) trong đó c1 = cn.Wa + ckk(1 – Wa)  Q1 = 103 869 kJ

- Tính Q2 Q2 = LGWa𝜔 = 298 753,2 kJ

- Tính Q3 Q3 = c3GWa𝜔(tkt – t2) = 31 828,56 kJ - Tính Q4 Q4 = c4GWa(1 – 𝜔)(tkt – t2) = 0 (vì 𝜔 = 1) - Tính Q5 Q5 = cckG(1 – Wa)(tkt – t2) = 4031,67 kJ Như vậy, chi phí lạnh cho q trình cấp đơng sản phẩm là:

Qsp = 103 869 + 298 753,2 + 31 828,56 + 0 + 4031,67 = 438 482,43 (kJ)

Tính lượng nhiệt lấy ra từ khn (khay) chứa sản phẩm

40 - Khối lượng mỗi khay là 0,144kg

Như vậy, tổng khối lượng khay chứa nguyên liệu (sản phẩm) là: Gk = 0,144.597 = 85,97 (kg)

- Xem nhiệt độ của khay khi đưa vào tủ đơng bằng nhiệt độ phịng chế biến: t1k = 25oC.

- Nhiệt độ khay cuối q trình lạnh đơng bằng nhiệt độ khơng khí trong buồng lạnh đông: t2k = -40oC

- Nhiệt dung riêng của khay thủy tinh là: Ck = 480 J/(kg.K) = 0,48 kJ/(kg/K) Dịng nhiệt lấy ra từ khay được tính theo cơng thức sau:

Qk = Ck.Gk.(t1k – t2k) = 85,97.0,48.(25-(-40)) = 2682,26 kJ

Như vậy, chi phí lạnh của khay chứa sản phẩm trong q trình lạnh đơng là Qk = 2682,26 kJ

Lượng nhiệt lấy ra để làm lạnh khơng khí trong buồng sấy thăng hoa.

Lượng nhiệt lấy ra để làm lạnh khơng khí trong buồng sấy thăng hoa (buồng lạnh đơng) được tính theo cơng thức sau:

Qkk = Gkk(h1 – h2), kJ Trong đó:

Gkk (kg): Lượng khơng khí khơ ứng với lượng khơng khí trong thể tích buồng lạnh đơng hay buồng sấy thăng hoa.

h1 (kJ/kg): Entalpy của khơng khí lúc bắt đầu q trình làm lạnh đơng sản phẩm. h2 (kJ/kg): Entalpy của khơng khí lúc kết thúc q trình làm lạnh đơng sản phẩm.

 Tính tốn h1

Entalpy của khơng khí lúc bắt đầu q trình lạnh đơng sản phẩm được tính theo cơng thức sau:

h1 = t1 + (2500,77 + 1,84t1)d1 , kJ/kg

Với khơng khí vào tủ đơng trước q trình lạnh đơng là khơng khí từ phịng chế biến có t1 = 25oC, 𝜑1 = 85%. Tra trạng thái (25oC, 85%) trên đồ thị h-d của khơng khí ẩm tìm được d1 = 0,017 kJ/kg

 h1 = 25 + (2500,77 + 1,84.25).0,017 = 68,30 (kJ/kg)

 Tính tốn h2

Entalpy của khơng khí cuối q trình lạnh đơng sản phẩm được tính theo cơng thức sau:

41 h2 = t2 + (2500,77 + 1,84t2)d2 , kJ/kg

Khi khơng khí ẩm được đứa đến nhiệt độ cuối q trình lạnh đơng sản phẩm t2 = - 40oC thì độ ẩm khơng khí đạt tới trạng thái bão hòa (𝜑 = 100%). Tra đồ thị h-d của khơng khí ẩm tìm được d2 ứng với nhiệt độ t2 = -40oC là

d2 = d2max = 0,00013 kJ/kg

 h2 = -40 + (2500,77 + 1,84.(-40)).0,00013 = -39,68 kJ/kg

 Tính tốn Gkk

Khối lượng khơng khí khơ trong buồng sấy thăng hoa được tính theo cơng thức sau:

Gkk = 𝑃− 𝑃𝑛

𝑅𝑘𝑘𝑇𝑘𝑘𝑉𝑘𝑘 Trong đó: P = 9,81.104 N/m2 : áp suất khí quyển Rkk = 8314

29 = 287 J/(kg.K) : hằng số của khơng khí khơ Tkk = 25 + 273 = 289K

Vkk (m3) : Thể tích khơng khí khơ trong buồng sấy thăng hoa. Vkk = 2 3𝑉𝑇 = 2 3. 2𝜋ℎ𝑐2(𝑅1−ℎ𝑐 3) + 𝜋𝑅12𝐿1 Vkk = 2 3. 2.3,14. 0,22(0,92 − 0,2 3) + 3,14. 0,922. 5 = 13,43m3 Vậy Gkk = 9,81.10 4−2,16,103 287.298 13,43 = 15,07 kg

Như vậy, lượng nhiệt lấy ra để làm lạnh khơng khí trong buồng sấy thăng hoa là: Qkk = Gkk(h1 – h2) = 15,07.(68,30 + 39,68) = 431,3 kJ

Lượng nhiệt do môi trường xâm nhập vào vách và cửa buồng sấy thăng hoa.

QMT = KvFv∆𝑡

 Tính Fv

Bán kính của chỏm cầu được xác định:

𝑅𝑐 =𝑅1 2 + ℎ𝑐2 2ℎ𝑐 = 0,922+ 0,22 2.0,2 = 2,22 (𝑚) Sin 𝛼 = 𝑅1 𝑅𝑐 = 0,92 2,22 = 0,414  𝛼 = 25o

42 Fv = 𝜋𝐷1𝐿1 + 4𝜋𝑅𝑐2 𝛼

360 = 3,14 . 1,84 . 5 + 4 . 3,14 . 2,222 25

360 = 33,19 (m2)

 Tính ∆𝑡

Nhiệt độ khơng khí trong buồng sấy thăng hoa 𝑡𝑓2= -40oC, nhiệt độ khơng khí trong phịng chờ lạnh đơng là 𝑡𝑘𝑘= 25oC. Như vậy ta xác định được:

∆𝑡 = 25 – (-40) = 65oC

 Tính Kv

Vỏ buồng sấy thăng hoa (hay lạnh đơng) được cấu tạo bởi ba lớp inox – polyurethan – inox với:

- Độ dày lớp inox trong cùng 𝛿1 = 8mm = 0,008 m - Độ dày lớp polyurethane 𝛿𝑝𝑜𝑙𝑦 = 100mm = 0,1 m - Độ dày lớp inox ngoài cùng 𝛿2 = 1,5mm = 0,0015 m - Hệ số dẫn nhiệt của inox 𝜆𝑖𝑛𝑜𝑥 = 64 W/(m.K)

- Hệ số dẫn nhiệt của polyurethane λ𝑝𝑜𝑙𝑦 = 0,047 W/(m.K)

- Hệ số tỏa nhiệt của khơng khí bên ngồi và bên trong buồng sấy lần lượt là: α1 = 11,6 W/(m2.K) và 𝛼2 = 8,2 W/(m2.K)

Biết KS = 2,86 W/(m2.K) tại ( 25oC, 85%)

Hệ số tỏa nhiệt qua vách của buồng sấy thăng hoa được xác định theo công thức sau: 𝐾𝑣 = 1 1 𝛼1+ 𝛿1 𝜆𝑖𝑛𝑜𝑥+ 𝛿𝑝𝑜𝑙𝑦 𝜆𝑝𝑜𝑙𝑦+ 𝛿2 𝜆𝑖𝑛𝑜𝑥+ 1 𝛼2 = 1 1 11,6+0,0015 64 +0,15 0,047+0,008 64 +1 8,2 = 0,43 W/(m2.K)

Kv = 0,43 < KS thỏa mãn điều kiện đọng sương.

Như vậy, lượng nhiệt từ môi trường xâm nhập vào buồng lạnh đông hay buồng sấy thăng hoa được xác định:

QMT = Kv.Fv. ∆𝑡 = 0,43 . 33,19 . 65 = 927,66 W ≈ 0,928 kW

Lượng nhệt xâm nhập từ môi trường qua đường ống làm quá nhiệt hơi môi chất lạnh hút về máy nén

Lượng nhiệt này chính là lượng nhiệt quá nhiệt và được xác định theo công thức: Qqn = m1’ .(h1’ – h1), kW

Trong đó: m1’ – lưu lượng thực tế mơi chất lạnh tuần hồn qua máy nén h1’ – enthalpy của môi chất lạnh trước khi ra khỏi thiết bị bay hơi

43 h1 – enthalpy của môi chất lạnh trước khi vào máy nén.

Năng suất lạnh của buồng lạnh đông:

𝑄0𝑏= 𝑄𝑠𝑝+𝑄𝑘+𝑄𝑘𝑘

𝜏 + 𝑄𝑀𝑇 = 438482,43+2682,26+431,3

6120 + 0,928 = 73,08 (kW) - Chọn môi chất lạnh: Hệ thống sử dụng môi chất lạnh R22

- Chọn nhiệt độ sôi của môi chất lạnh ở thiết bị bay hơi (t0), nó phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường lạnh đông

𝑡0 = 𝑡𝑓2− ∆𝑡0 = -40 – 10 = -50oC

Ứng với t0 = -50oC sẽ có áp suất P0 = 0,6459 bar

- Chọn nhiệt độ ngưng tụ của môi chất ở thiết bị ngưng tụ tk = 40oC Ứng với tk = 40oC sẽ có áp suất Pk = 15,315 bar

- Chọn chu trình lạnh làm việc cho hệ thống lạnh Tỷ số nén 𝛽 = 𝑃𝑘

𝑃0 = 15,315

0,6459 = 23,71 > 9  Sử dụng chu trình lạnh hai cấp nén, bình trung gian có ống xoắn làm mát hồn tồn.

- Chọn nhiệt độ q lạnh của mơi chất lạnh sau khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ Ptg = √𝑃𝑘𝑃0 = √15,315.0,6459 = 3,145 bar

Tại Ptg = 3,146 bar sẽ có ttg = -13oC

Vậy nhiệt độ quá lạnh của môi chất lạnh sau khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ là: tql = ttg + (4÷6)oC = -13 + 5 = -8oC

- Xác định nhiệt độ quá nhiệt của hơi môi chất lạnh ra khỏi thiết bị bay hơi trước khi máy nén hút về th = -35oC

44 Dựa vào đồ thị P-h của mơi chất R22, và các thơng số đã tính tốn, ta có thể tìm được các thơng số trạng thái của môi chất tại các trạng thái khác nhau trên đồ thị nhiệt động sau:

Vậy, các thơng số trạng thái q trình làm việc của hệ thống lạnh dự kiến thiết kế và lắp đặt như sau:

Bảng 8: Các thông số của môi chất R22 tại các trạnh thái khác nhau. Trạng thái H (kJ/kg) V (m3/kg) S (kJ/(kg.K)) P (bar) T (oC) 1 383,56 0,2452 - 0,6459 -50 1’ 392,48 0,3192 1,888 0,6459 -35 2 436,44 - 1,888 3,145 39,64 3 400,2 0,0725 1,772 3,145 -13 4 446,53 - 1,772 15,315 74 4’ 417,43 0,0154 - 15,315 40 5 249,99 - - 15,315 40 6 249,99 - - 3,145 -13 7 191,27 - - 15,315 -8 8 191,27 - - 0,6459 -50

 Lưu lượng mơi chất tuần hồn qua máy nén cấp một 𝑚′ 1 = 𝑄0𝑏 ℎ1− ℎ8 = 73,08 383,56 − 191,27= 0,38 ( 𝑘𝑔 𝑠 ) 𝑄𝑞𝑛 = 𝑚′1(ℎ′ 1− ℎ1) = 0,38(392,48 − 383,56) = 3,388 𝑘𝑊

45 Năng suất lạnh của hệ thống lạnh cần thiết kế, chế tạo chạy cho buồng lạnh đông sản phẩm được xác định 𝑄 = (𝑄𝑠𝑝 + 𝑄𝑘 + 𝑄𝑘𝑘 𝜏 + 𝑄𝑀𝑇 + 𝑄𝑞𝑛) 𝛽 = 1,15. (438482,43 + 2682,26 + 431,3 6120 + 0,928 + 3,388) = 84,05 𝑘𝑊

 Năng suất tối thiểu của máy nén là 𝑄𝑜𝑀𝑁 ≥ 𝑄 = 84,05 𝑘𝑊  𝑄0𝑚𝑖𝑛𝑀𝑁 = 85𝑘𝑊

 Tính tốn phụ tải lạnh (hay năng suất) cho q trình làm lạnh để ngưng tụ -

đóng băng hơi ẩm thăng hoa thốt ra từ sản phẩm sấy

Nhiệt lượng cần thiết để lấy đi làm ngưng tụ - đóng băng tồn bộ lượng ẩm thăng hoa từ sản phẩm được xác định theo phương trình cân bằng nhiệt sau:

𝑄𝑛𝑔𝑡𝑑𝑏 = 𝑘(𝑄1𝑛𝑔𝑡𝑑𝑏+ 𝑄2𝑛𝑔𝑡𝑑𝑏+ 𝑄𝑀𝑇𝑛𝑔𝑡𝑑𝑏) , 𝑘𝑊  Tính lượng ẩm thốt ra từ sản phẩm

Độ ẩm ban đầu của nấm đông trùng hạ thảo là Wa = 83%, độ ẩm cuối cùng sau quá trình sấy là We = 8,3%. Quá trình sấy chỉ có giai đoạn sấy thăng hoa, khơng có giai đoạn sấy chân không. Năng suất của hệ thống sấy là 1079 kg nguyên liệu / mẻ thì lượng ẩm thốt ra là Wthm = 878,97 kg/mẻ.

Thời gian sấy một mẻ là 𝜏2= 20,12ℎ

Vậy 𝑊𝑡ℎ =𝑊𝑡ℎ𝑛

𝜏2 = 878,97