Việc tính toán cách nhiệt cho vách nhằm mục đích hạn chế dòng nhiệt truyền từ bên ngoài vào qua kết cấu bao che và bên trong kho lạnh.
Kho panel đƣợc lắp ghép bởi các tấm panel có kết cấu cách nhiệt và cách ẩm nhƣ hình dƣới đây:
Hình 1: Cấu tạo và kết cấu cách nhiệt, ẩm của các tấm panel. Lớp tôn mạ màu xám dày: 0,5 0,6 mm. [bảng 5.5, TL2, 209].
Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM – Tel: 27 Lớp cách nhiệt polyurethan dày: δcn mm.
Xác định chiều dày lớp cách nhiệt tường bao ngoài:
Tƣờng bao là vách tƣờng ngăn giữa môi trƣờng không khí bên trong kho cấp đông và môi trƣờng không khí bên ngoài.
Mặc khác, nhiệt độ không khí trong kho ttb = -350C.
Chọn hệ số dẫn nhiệt của lớp polyurethan cn = 0,020 W/m.K. [ Bảng 5.5, TL2, 209]. Tra bảng ta đƣợc: K = 0,19 W/m2.K. [Bảng 3.3, TL1, 84]. α1 = 23,3 W/m.K, α2 = 10,5 W/m.K. [Bảng 3.7, TL1, 86]. 𝑘 = 1 1 𝛼1 + 𝛿𝑖 𝑖 𝑛 𝑖=1 +𝛼1 2 𝛿𝑐𝑛 =𝑐𝑛 1 𝑘 − (1 𝛼1+ 𝛿𝑖 𝑖 𝑛 𝑖=1 + 1 𝛼2 = 0,020 × 1 0,19− ( 1 23,3+ 2 × 0,0006 45,3 + 1 10,5) = 0,1025 m = 102,5 mm. Trong đó:
α1 – là hệ số tỏa nhiệt của môi trƣờng bên ngoài, W/m2K.
α2 – là hệ số tỏa nhiệt của vách buồng lạnh vào buồng lạnh, W/m2K. δi – là chiều dày của lớp vật liệu thứ i, m.
i – là hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu thứ i, W/mK.
δcn – là chiều dày của lớp vật liệu cách nhiệt, m.
cn – là hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu cách nhiệt, W/mK. k – là hệ số truyền nhiệt của vách, W/m2K.
Vậy chiều dày panel phải chọn là:
Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM – Tel: 28 Từ kết quả trên ta chọn panel có chiều dày là δpanel TC = 125 mm. Với panel có chiều dày nhƣ đã chọn thì ta có thể bảo đảm đƣợc nhiệt ko truyền qua kết cấu bao che của kho cấp đông.
Chiều dày cách nhiệt thực của panel là:
δcn thực = 125 − 2 × 0,6 = 123,8 mm.
Hệ số truyền nhiệt thực của vách khi đó là:
𝑘𝑡 = 1 1 23,3 + 2 × 0,0006 45,3 + 123,8 0,020 + 1 10,5 = 0,084 (𝑊 𝑚2. 𝐾) 4. Tính toán cách ẩm cho vách.
Do nhiệt độ bên ngoài và bên trong kho cấp đông không bằng nhau nên xuất hiện độ chênh áp suất hơi nƣớc nhất định giữa 2 môi trƣờng. Vì áp suất hơi nƣớc bên ngoài luôn lớn hơn áp suất hơi nƣớc bên trong kho nên tồn tại dòng ẩm đi từ bên ngoài vào trong kho. Khi gặp nhiệt độ thấp thì ẩm sẽ đọng lại trong kết cấu cách nhiệt, phá hủy đi tính cách nhiệt của lớp cách nhiệt bên trong. Chính vì vậy khi tính toán thiết kế kho cấp đông, ta phải tính toán lớp cách ẩm cho vách tƣờng bao che của kho. Dƣới đây là các bƣớc tính và kiểm tra cách ẩm cho vách.
Tính kiểm tra đọng sương trên bề mặt vách cách nhiệt:
Điều kiện để bề mặt vách cách nhiệt không đọng sƣơng là hệ số truyền nhiệt thực phải thỏa mãn: kt < ks 𝑘𝑠 = 𝛼1 𝑡1 − 𝑡𝑠 𝑡1 − 𝑡2 = 23,3 37,6 − 34 37,6 − (−35)= 1,15 ( 𝑊 𝑚2. 𝐾) Trong đó:
t1 : nhiệt độ không khí ngoài trời, 0C.
t2 : nhiệt độ không khí trong buồng cấp đông, 0C.
Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM – Tel: 29 ts : nhiệt độ điểm sƣơng của không khí ngoài trời. Từ các sô liệu về nhiệt độ và độ ẩm ở bảng 1 ta tra giản đồ trắc ẩm để tìm ts. Ở đây, ta chọn nhiệt độ và độ ẩm của tháng nóng nhất.
Vậy với ks = 1,15 > kt = 0,084 W/m2.K thì bề mặt vách cách nhiệt không bị đọng sƣơng.
Tính kiểm tra đọng ẩm trong cơ cấu cách nhiệt:
Điều kiện để ẩm không đọng lại làm ƣớt lớp cách nhiệt là áp suất riêng phần của hơi nƣớc phải nhỏ hơn áp suất bão hòa của hơi nƣớc ở mọi điểm trong lớp cách nhiệt polyurethan:
𝑃𝑥 < 𝑃ℎ𝑚𝑎𝑥
Đối với kho lạnh ghép cấu trúc cách ẩm ở đây là lớp tôn mạ màu. Tôn là vật liệu có hệ số dẫn ẩm nhỏ gần nhƣ bằng không nên việc cách ẩm ở kho lạnh ghép là rất an toàn.
5. Tính toán cách nhiệt cho trần và nền.
Trần của kho cấp đông cũng đƣợc lắp ghép từ các tấm panel theo tiêu chuẩn và có kích thƣớc lớp cách nhiệt và lớp cách ẩm tƣơng tự nhƣ tƣờng kho.
Kết cấu cách nhiệt của nền kho cấp đông đƣợc chọn theo tiêu chuẩn đƣợc trình bày ở bảng 2 dƣới đây ( Theo bảng 5.6, TL2, 210).
Bảng 2. Các lớp cách nhiệt nề kho cấp đông.
STT Lớp vật liệu Chiều dày, mm Hệ số dẫn nhiệt, W/m.K 1 2 3 4 5 6 7 Lớp vỡ tráng nền Lớp bê tông cốt thép Lớp giấy dầu chống thấm Lớp cách nhiệt polyurethan Lớp giấy dầu chống thấm Lớp hắc in quét liên tục Lớp bê tông 15 85 2 200 2 0,1 175 0,78 1,28 0,175 0,020 0,175 0,70 1,28
Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM – Tel: 30 Dòng nhiệt tổn thất ở kho cấp đông bao gồm:
𝑄 = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + 𝑄4 + 𝑄5
Trong đó:
Q1 – Dòng nhiệt qua kết cấu bao che.
𝑄2 – Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra.
𝑄3 – Dòng nhiệt từ ngoài vào do thông gió.
𝑄4 – Dòng nhiệt từ các nguồn khác khi vận hành.
𝑄5 – Dòng nhiệt tỏa ra khi xả băng.
6.1. Xác định dòng nhiệt qua kết cấu bao che.
Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che đƣợc tính theo công thức:
𝑄1 = 𝑄11 + 𝑄12 + 𝑄13
Trong đó:
𝑄11 – Tải nhiệt qua tƣờng bao và trần kho cấp đông.
𝑄12 – Tải nhiệt qua nền.
𝑄13 – Tải nhiệt do bức xạ mặt trời.
Xác định 𝑸𝟏𝟏
𝑄11 = 𝑘𝑡𝐹 𝑡1 − 𝑡2 , 𝑘𝑊.
= 0,084. 10−3 × 18 × 15,6 × 310,75 − 238,15 = 1,71 𝑘𝑊.
Trong đó:
𝑘𝑡 – hệ số truyền nhiệt thực của kết cấu bao che xác định theo chiều dài cách nhiệt thực, W/m2.K.
𝐹 – diện tích bề mặt kết cấu bao che, m2. t1 – nhiệt độ môi trƣờng bên ngoài, 0C.
𝑡2 – nhiệt độ bên trong buồng cấp đông, 0C.
Xác định 𝑸𝟏𝟐
𝑄12 = 𝑘𝑖𝐹𝑖 × 𝑡1 − 𝑡2 . 𝑚
𝑖
1
Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM – Tel: 31 Trong đó:
ki – hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào từng vùng của nền, W/m2.K. Fi – diện tích từng vùng, m2.
m – hệ số trở nhiệt khi nền có cách nhiệt. Hệ số truyền nhiệt ki đƣợc xác định nhƣ sau:
Vùng rộng 2m dọc theo chu vi tƣờng bao k1 = 0,47 W/m2.K.
Vùng rộng 2m tiếp theo về phía tâm buồng k2 = 0,23 W/m2.K.
Vùng rộng 2m tiếp theo k3 = 0,12 W/m2.K.
Vùng còn lại ở giữa buồng lạnh k4 = 0,07 W/m2.K. Xác định diện tích của từng vùng:
Vùng 2m đầu, k1 = 0,47 W/m2.K: Diện tích vùng này đƣợc tính nhƣ sau:
𝐹1 = 15,6 × 2 × 2 + 14 × 2 × 2 = 118,4 𝑚2
Vùng 2m tiếp theo, k2 = 0,23 W/m2.K: Diện tích vùng này đƣợc xác định nhƣ sau:
𝐹2 = 11,6 × 2 × 2 + 10 × 2 × 2 = 86,4 𝑚2
Vùng 2m tiếp theo, k3 = 0,12 W/m2.K. Diện tích phần này đƣợc xác định nhƣ sau :
F3 = (7,6 x 2 x 2) – (6 x 2 x 2) = 54,4 m2
Vùng 2m tiếp theo, k4 = .
Diện tích phần này là phần diện tích còn lại ở giữa tâm buồng: F4 = (18 x 15,6) + (54,4 + 86,4 + 118,4) = 21,6 m2 Vậy
𝑘𝑖1 𝑖𝐹𝑖 = 0,47 × 118,4 + 0,23 × 86,4 + 0,12 × 54,4 + (0,07 × 21,6) = 83,56
Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM – Tel: 32 𝑚 = 1 1 + 1,25 𝛿11+𝛿22 + ⋯ +𝛿𝑛𝑛 = 1 1 + 1,25 × 0,0150,78 +0,085 1,28 + 0,002 0,175+ 0,2 0,02+ 0,002 0,175+ 0,0001 0,7 + 0,175 1,28 = 1 13,79= 0,07 Xác định 𝑸𝟏𝟑 𝑄13 = 𝑘𝑡𝐹∆𝑡12 Trong đó:
∆𝑡12 – hiệu nhiệt độ dƣ, đặc trƣng của bức xạ mặt trời vào mùa hè, 0C. Vì ở đây panel có lớp tôn có màu xám nên ta chọn ∆𝑡12 = 190𝐶.[ TL1].
Đối với trần:
𝑄13 = 0,084. 10−3 × 18 × 15,6 × 19 + 273 = 6,9 𝑘𝑊
Đối với tƣờng bao che: ở đây ta thấy các buồng cấp đông nằm bên trong các phòng khác nhƣ thiết bị, phòng máy…Vì vậy nên dòng nhiệt bức xạ mặt trời ảnh hƣởng đến tƣờng xem bằng không.
Vậy ta có tổng dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che là: Q1 = 8,85 kW.
6.2. Xác định dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra.
Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra gồm có:
𝑄2 = 𝑄21 + 𝑄22
Trong đó:
𝑄21 – dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra.
𝑄22 – dòng nhiệt tỏa ra từ bao bì.
Xác định 𝑸𝟐𝟏 . 𝑄21 = 𝑀 ℎ1 − ℎ2 1000 3600 × 24 = 1,85 × 236,01 × 1000 3600 × 24= 5,05 𝑘𝑊 Trong đó:
Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM – Tel: 33
ℎ1, ℎ2 – entanpi của sản phẩm trƣớc và sau khi xử lý đông, kJ/kg. [Chọn theo bảng 4.2, TL1, 109]. Để chọn đƣợc entanpi ta phải xác định đƣợc nhiệt độ trung bình của sản phẩm trƣớc và sau khi cấp đông:
𝑡𝑡𝑏𝑠𝑝 =37,6 + −35
2 = 1,3
0𝐶
Vậy ta có (h1 – h2) = 236,01 kJ/kg. ( tính theo phƣơng pháp nội suy).
M – năng suất buồng cấp đông, tấn/ngày. Đối với buồng cấp đông M đƣợc tính nhƣ sau:
𝑀 =𝐸𝑘𝑑 1 − 𝜑 𝐵. 𝑚 365 =
150 × 1 − 0,7 × 6 × 2,5
365 = 1,85 𝑡ấ𝑛/𝑛𝑔à𝑦
Trong đó: các thông số B, m, 𝜑 đối với kho lạnh phân phối có gái trị: theo [ TL1, 111]
𝜑 = 0,65 ÷ 0,85 𝑚 = 2,5 ; 𝐵 = 5 ÷ 6 𝑛𝑔à𝑦/𝑙ầ𝑛 Xác định 𝑸𝟐𝟐. 𝑄22 =𝑀𝑏𝐶𝑏 𝑡1−𝑡2 1000 24 × 3600 = 0,37 × 2,5 × 72,6 × 1000 24 × 3600 = 0,78, 𝑘𝑊 Trong đó:
𝑀𝑏 – khối lƣợng bao bì đƣa vào cùng sản phẩm, tấn/ ngày. Ở đây ta dùng khung gỗ nên khối lƣợng bao bì đƣợc xác định nhƣ sau:
Mb = 20%.M = 0,2 x 1,85 = 0,37 tấn/ngày. [theo TL1, 113)
𝐶𝑏 – nhiệt dung riêng của bao bì, kJ/kg.K. 𝐶𝑏 = 2,5 kJ/kg.K. [ TL1, 113]
𝑡1, 𝑡2 – nhiệt độ của bao bì trƣớc và sau khi cấp đông, 0C.
Vậy Q2 = 5,05 + 0,78 = 5,83 kW
6.3. Xác định dòng nhiệt từ ngoài vào do thông gió.
Vì ở đây ta cấp đông thịt bò đã xẻ ¼ con nên kết cấu kho cấp đông không thông gió kho cấp đông để bảo quản thịt tốt hơn. [ TL1]
6.4. Xác định dòng nhiệt từ các nguồn khác khi vận hành.
Dòng nhiệt do vận hành bao gồm:
Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM – Tel: 34 Trong đó:
𝑄41 – dòng nhiệt do chiếu sáng.
𝑄42 – dòng nhiệt do ngƣời vận hành tỏa ra.
𝑄43 – dòng nhiệt do động cơ điện tỏa ra.
𝑄44 – dòng nhiệt tổn thất do mở cửa kho.
Xác định 𝑸𝟒𝟏.
Dòng nhiệt do chiếu sáng kho tỏa ra:
𝑄41 = 𝐴. 𝐹 = 1,2. 10−3 × 18 × 15,6 = 0,34 𝑘𝑊
Trong đó:
A – nhiệt lƣợng tỏa ra khi chiếu sáng 1 m2 diện tích buồng hay diện tích nền. Đối với buồng bảo quản A = 1,2 W/m2, buồng chế biến A =4,5 W/m2. Ở đây, buồng cấp đông ta là buồng bảo quản nên chọn = 1,2 W/m2.
F – diện tích buồng, m2.
Xác định 𝑸𝟒𝟐.
Dòng nhiệt do ngƣời vận hành tỏa ra đƣợc xác định nhƣ sau:
𝑄42 = 350 × 𝑛 = 350. 10−3× 4 = 1,4𝑘𝑊
Trong đó:
n – số ngƣời làm việc. chọn n = 4.[TL1]
350 – lƣợng nhiệt của một ngƣời tỏa ra, W/ngƣời.
Xác định 𝑸𝟒𝟑.
Dòng nhiệt do động cơ điện đƣợc xác định theo:
𝑄43 = 𝑁 = 8 𝑘𝑊
Trong đó:
N – công suất động cơ điện nhƣ quạt dàn lạnh, quạt thông gió…. Ở đây diện tích kho cấp đông nhỏ nên ta chọn N = 8 kW.[TL1]
Xác định 𝑸𝟒𝟒.
Tổn thất do mở cửa là:
Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM – Tel: 35 Trong đó:
B – dòng nhiệt riêng khi mở cửa, W/m2. F – diện tích buồng, m2.
Vì ở đây dòng nhiệt riêng khi mở cửa khó xác định nên ta sẽ sử dụng công thức gần đúng để tính:
𝑄44 = 0.1 ÷ 0,4 𝑄1 + 𝑄3 = 0.1 ÷ 0,4 × 10,83 = 2,7 𝑘𝑊. Vậy tổng dòng nhiệt do vận hành là: Q4 = 12,53 kW.
6.5. Xác định dòng nhiệt khi xả băng.
Để đảm bảo năng suất lạnh cho hệ thống khi dàn lạnh bị đóng băng thì ta sử dụng phƣơng pháp xả băng. Khi đó nhiệt độ trong phòng tăng lên đáng kể. Vì vậy, ta phải tính đến tổn thất do xả băng mang vào.
𝑄5 =𝑄 𝜏 =
283553,86
24 × 3600 = 3,3 𝑘𝑊
Trong đó:
𝜏 – thời gian cấp đông, ngày đêm.
Q – tổng nhiệt lƣợng do xả băng truyền cho không khí.
𝑄 = 𝜌𝑘𝑘. 𝑉. 𝐶𝑘𝑘. ∆𝑡 = 1,2 × 842,4 × 1,009 × 5 + 273 = 283553,86 , 𝑘𝐽
Trong đó:
𝜌𝑘𝑘 – khối lƣợng riêng của không khí, 𝜌𝑘𝑘 ≈ 1,2 kg/m3. V – dung tích kho cấp đông, m3.
𝐶𝑘𝑘 – nhiệt dung riêng của không khí, 𝐶𝑘𝑘 = 1009 J/kg.K.
∆𝑡 – độ tăng nhiệt độ không khí trong kho sau xả băng, 0C. Lấy theo kinh nghiệm chọn ∆𝑡 = 50𝐶.
Vậy tổng phụ tải nhiệt kho lạnh là: Q = 30,51 kW.
7. Xác định phụ tải nhiệt thiết bị.
Tải nhiệt thiết bị là dòng nhiệt dùng để tính toán diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết của thiết bị bay hơi. Để đảm bảo đƣợc nhiệt độ trong kho ở những điều kiện bất lợi nhất, ngƣời ta phải tính toán tải nhiệt cho thiết bị là tổng các nhiệt tải thành phần có giá
Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM – Tel: 36 trị cao nhất. Công suất yêu cầu của thiết bị bao giờ cũng phải lớn hơn công suất máy nén, phải có hệ số dự trữ nhằm tránh những biến động có thể xảy ra trong quá trình vận hành. Vị vậy tải nhiệt thiết bị đƣợc lấy bằng tổng của tất cả các tổn thất nhiệt thành phần.
Vậy tổng phụ tải nhiệt kho lạnh là: Qtb = 30,51 kW.
8. Xác định phụ tải nhiệt máy nén.
Tải nhiệt của máy nén cũng đƣợc tính toán từ tất cả các tải nhiệt thành phần nhƣng tùy theo từng loại kho lạnh có thể chỉ lấy một phần tổng của tải nhiệt đó. Ở đây ta đang tính toán cho kho cấp đông bảo quản thịt nên ta chọn nhƣ sau:
Qmn = 90%.Q1 + 100%.Q2 + 75%.Q4 kW. [TL4] = (0,9 x 8,85) + (1 x 5,83) + (0,75 x 12,53) = 23,2 kW. Từ đó năng suất lạnh của máy nén đƣợc xác định theo:
𝑄0 =𝑘 𝑄𝑀𝑁 𝑏 =
1,085 × 23,2
0,7 = 35,96 ≈ 36 𝑘𝑊.
Trong đó:
k – hệ số lạnh tính đến tổn thất trên đƣờng ống và thiết bị của hệ thống lạnh. Dùng nội suy ta đƣợc k = 1,085. [bảng 4.7, TL4, 48]
b – hệ số thời gian làm việc. Đối với kho lạnh lớn (làm việc 22h trong ngày đêm) chọn b = 0,9. Đối với kho có thiết bị lạnh nhỏ chọn b không lớn hơn 0,7.
𝑄𝑀𝑁 – Tổng nhiệt tải của máy nén đối với một nhiệt độ bay hơi.
CHƢƠNG V: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ
1. Xác định các thông số tính toán.
1.1. Phương pháp làm lạnh và môi chất lạnh.
Ở đây ta chọn phƣơng pháp làm lạnh trực tiếp và môi chất NH3 cho quá trình tính toán kho cấp đông.
1.2. Nhiệt độ sôi môi chất lạnh.
Chọn theo nhiệt độ trong buồng lạnh:
Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM – Tel: 37 Trong đó:
𝑡𝑏 – Nhiệt độ trong buồng lạnh, 0C.
∆𝑡0 – Hiệu nhiệt độ yêu cầu, 0C. Ở đây ta dùng phƣơng pháp làm lạnh trực tiếp sử dụng dàn bay hơi và trong buồng cần duy trùy ẩm độ cao để bảo đảm chất lƣợng của thịt bò nên ∆𝑡0 = 5 ÷ 6 = 5 0C. [TL4]
1.3. Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất.
𝑡𝑘 = 𝑡𝑤2 + ∆𝑡𝑘 = 35 + 5 = 400𝐶
Trong đó: