I. Lựa chọn thiết bị và vận hành hệ thống tủ đông tiếp xúc theo nguyên lý cấp dịch NH3 từ bình trống tràn.
I.1. Sơ đồ nguyên lý tủ cấp đông NH3 cấp dịch từ bình trống tràn.
Hình: Sơ đồ nguyên lý tủ cấp đông NH3 cấp dịch từ bình trống tràn.
I.2. Thuyết minh về sơ đồ.
Máy nén:
Hình:Sơ đồ máy nén hai cấp, hai tiết lưu làm mát không hoàn toàn.
Hệ thống sử dụng máy nén 2 cấp. Các loại máy nén lạnh thường hay sử dụng là MYCOM, York-Frick, Bitzer, Copeland, v.v…
Máy nén hoạt động theo nguyên tắc: Hơi ở thiết bị bay hơi ra có trạng thái bão hòa được máy nén hạ áp nén lên trạng thái quá nhiệt. Trong thiết bị làm mát trung gian hơi quá nhiệt được làm mát xuống nhiệt độ bằng nhiệt độ ngưng tụ. Hơi quá nhiệt hòa trộn với hơi bão hòa ở bình trung gian (tách lỏng), sau khi hòa trộn hơi được hút về máy nén cao áp và được nén, sau đó được làm mát và ngưng tụ xuống trạng thái bão hòa lỏng. Tại bình trung gian lượng hơi bão hòa sẽ được đưa về máy nén trộn với hơi quá nhiệt và được nén cao áp, lượng lỏng vào thiết bị bay hơi.
Trong chu trình nén, môi chất được nén hạ áp, qua ống làm mát trung gian về đầu hút của nén cao áp tiếp tục nén lần 2. Hơi đưa ra khỏi máy nén được đưa vào bình tách dầu:
− Tại bình tách dầu: Tách dầu cuốn theo hơi nén, không cho dầu đi vào dàn ngưng mà vẫn dẫn dầu quay trở lại máy nén. Tùy theo hiệu quả tách dầu của thiết bị mà dầu được tách ra nhiều hay ít, tuy nhiên một phần nhỏ dầu còn lại vẫn đi vào thiết bị ngưng tụ, bay hơi nên vẫn phải áp dụng các biện pháp khác để rửa dầu, xả dầu ra khỏi thiết bị này.
− Sau khi tách dầu môi chất đi vào bình ngưng tụ, tại bình ngưng tụ, hơi vào bình ngưng chiếm khoảng không gian giữa các ống dẫn nước lạnh, được giải nhiệt, làm mát đến nhiệt độ ngưng tụ, .... Lỏng ngưng tụ ở phần dưới bình được dẫn ra ngoài vào bình chứa.
− Ra khỏi bình ngưng tụ môi chất ở dạng lỏng và được chứa trong bình cao áp, tại bình cao áp: Chứa chất lỏng môi chất ở áp suất cao, giải phóng bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ, duy trì sự cấp lỏng liên tục cho van tiết lưu. Được đặt dưới bình ngưng và được cân bằng áp suất với bình ngưng bằng các đường ống cân bằng hơi và lỏng. Bình được đặt nằm ngang, sức chứa của bình khoảng 30% sức chứa của hệ thống bay hơi.
− Sau đó thoát ra qua van tiết lưu. Sự chênh lệch áp suất theo quán tính môi chất được làm lạnh sẽ vào bình hạ áp. Theo thiết kế của thiết bị, môi chất lạnh trong bình hạ áp sẽ đi từ thấp đến cao và môi chất chảy tràn vào thiết bị bay hơi.
− Tại thiết bị bay hơi: Hóa hơi gas bão hòa ẩm sau tiết lưu, đồng thời làm lạnh môi trường cần làm lạnh. Quá trình làm việc của thiết bị bay hơi ảnh hưởng đến thời gian, hiệu quả làm lạnh. Khi quá trình trao đổi nhiệt ở thiết bị bay hơi kém thì thời gian làm lạnh tăng, trong một số trường hợp do không bay hơi hết chất lỏng trong dàn lạnh dẫn tới máy nén có thể hút ẩm về gây ngập lỏng.
Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí: Không khí lưu động ngoài chùm ống có cánh và truyền nhiệt cho môi chất sôi trong ống, không khí được làm lạnh là không khí tuần hoàn cưỡng bức nhờ quạt gió qua thiết bị. Không khí được đưa ngang theo hướng vuông góc
với chùm ống, còn môi chất được đưa qua thiết bị phân phối vào các xec-xi đặt nằm ngang nối tiếp theo chiều cao thiết bị.
Ở thiết bị bay hơi, để ngăn ngừa hiện tượng ngập lỏng gây hư hỏng máy nén, trên đường hơi hút về máy nén, người ta bốtrí bình tách lỏng. Bình tác lỏng sẽ tách các giọt hơi ẩm còn lại trong dòng hơi trước khi về máy nén.
Các bình tách lỏng làm việc theo các nguyên tắc tương tự như bình tách dầu, bao gồm:
− Giảm đột ngột tốc độ dòng hơi từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp cỡ 0,5 ÷ 1,0 m/s. Khi giảm tốc độ đột ngột các giọt lỏng mất động năng và rơi xuống đáybình.
− Thay đổi hướng chuyển động của dòng môi chất một cách đột ngột. Dòng môi chất đưa vào bình không theo phương thẳng mà thường đưa ngoặt theo những góc nhất định.
− Dùng các tấm chắn để ngăn các giọt lỏng. Khi dòng môi chất chuyển động va vào các vách chắn các giọt lỏng bị mất động năng và rơi xuống.
− Kết hợp tách lỏng hồi nhiệt, hơi môi chất khi trao đổi nhiệt sẽ bốc hơi hoàn toàn.
Sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm, môi chất chuyển từ lỏng sang hơi về bình tách lỏng và về máy nén, tiếp tục chu trình nén.
Môi chất được tiết lưu vào một bình gọi là bình trống tràn. Bình trống tràn thực chất là bình giữ nước – tách lỏng, có 2 nhiệm vụ:
− Chứa dịch ở nhiệt độ thấp để cấp cho các tấm lắc. Bình phải đảm bảo duy trì trong các tấm lắc luôn luôn ngập đầy dịch lỏng, như vậy hiệu quả trao đổi nhiệt khá cao.
− Tách lỏng môi chất hút về máy nén, tránh không gây ngập lỏng máy nén. Để đảm bảo không hút lỏng về máy nén trên bình trống tràn có trang bị van phao duy trì mức lỏng, khi mức lỏng vượt quá mức cho phép thì van phao tác động ngắt điện van điện từ cấp dịch vào bình trống tràn. Ngoài ra trong bình còn có thể có các tấm chắn đóng vai trò như các nón chắn trong bình tách lỏng để tránh hút ẩm về máy nén.
Van tiết lưu sử dụng cho bình trung gian và bình trống tràn trong hệ thống này là van tiết lưu tay.
Về môi chất lạnh, ngày nay người ta có thiện hướng sử dụng NH3 vì R22 là hợp chất HCFCs sẽ bị cấm do phá hủy tầng ozon và gây hiệu ứng nhà kính trong tương lai.
Tại tủ đông tiếp xúc:
− Sản phẩm cấp đông được đặt trong các khay cấp đông sau đó đặt trực tiếp lên các tấm lắc hoặc lên các mâm cấp đông.
− Ben thủy lực nâng hạ các tấm lắc trên tủ cấp đông. Pitong và cần dẫn ben thủy lực làm bằng thép không rỉ đảm bảo yêu cầu vệ sinh. Hệ thống có bộ phân phối dầu cho truyền động bơm thủy lực.
− Khi cấp đông ben thủy lực ép các tấm lắc để cho các khay tiếp xúc 2 mặt với tấm lắc. Quá trình trao đổi nhiệt là nhờ dẫn nhiệt. Trong các tấm lắc chứa ngập dịch lỏng ở nhiệt độ âm sâu −40 ÷ −450C.
− Cấp dịch từ bình trống tràn (có chức năng giống bình giữ mức – tách lỏng). Với tủ cấp dịch dạng này, dịch lỏng chuyển dịch dần vào các tấm lắc nhờ chênh lệch cột áp thủy tĩnh, nên tốc độ chuyển động chậm và thời gian cấp đông lâu 4 ÷ 6 giờ/mẻ.
− Tủ cấp đông tiếp xúc là một trong những thiết bị không thể thiếu được của nhà máy chế biến thủy sản và thực phẩm xuất khẩu.
II. Các thông số ban đầu.
− Tính toán thiết kế hệ thống tủ đông tiếp xúc với năng suất 2 tấn/ngày. Mỗi ngày làm 2 mẻ. Như vậy mỗi mẻ cấp đông có khối lượng 1 tấn.
− Thời gian làm đông sản phẩm là 5 giờ/mẻ.
− Hệ thống sử dụng môi chất lạnh NH3.
III. Tính toán.
3.1. Xác định kích thước tủ cấp đông.
Kích thước của tủ cấp đông được xác định căn cứ vào kích thước và số lượng tấm lắc, các khoảng hở cần thiết ở bên trong về phía của các tấm lắc.
− Kích thước, số lượng khay và các tấm lắc cấp đông:
Tủ cấp đông tiếp xúc được sử dụng để cấp đông các mặt hàng dạng block. Mỗi block thường có khối lượng 2 kg.
Kích thước khay cấp đông tiêu chuẩn đó như sau:
+ Đáy trên: 290 × 210 mm
+ Đáy dưới: 280 × 200 mm
+ Cao: 70 mm
Ta chọn tấm lắc chứa 36 khay, mỗi khay chứa 2 kg sản phẩm.
→ Khối lượng hàng trên 01 tấm lắc: 36 × 2 = 72 [kg]
Khối lượng trên 01 tấm lắc kể cả nước châm (khối lượng danh định). Tỷ lệ châm nước từ 25% – 30%, chọn 28%
72 100 72% m= = [kg] Số lượng tấm lắc có chứa hàng: 1 1000 10 100 M N m = = = [tấm] Trong đó:
M: Khối lượng hàng nhập cho 1 mẻ (khối lượng danh định), [kg]
Số lượng tấm lắc:
1 1 10 1 11
N =N + = + =
[tấm]
− Kích thước tủ cấp đông tiếp xúc:
Ta bố trí 36 khay trên 1 tấm lắc như sau:
Hình: Bố trí khay cấp đông trên một tấm lắc
Từ hình vẽ trên, ta có:
Chiều rộng của tấm lắc: W = ×4 290 3 30 1250+ × =
[mm]
Chiều dài của tấm lắc: L= ×9 210 8 13 206 2200+ × + =
[mm]
Vậy tấm lắc có kích thước: : 2200L × 1250W × 22D [mm]
3.2. Xác định chiều dài bên trong tủ.
Chiều dài bên trong tủ cấp đông tiếp xúc bằng chiều dài tấm lắc cộng với khoảng hở hai đầu. Khoảng hở hai đầu các tấm lắc vừa đủ để lắp đặt các ống góp, không gian lắp đặt và co giản các ống mềm và lắp các ống dẫn hướng tấm lắc. Khoảng hở đó là 400 mm.
Vậy chiều dài trong của tủ là:
1 2200 2 400 3000L = + × = L = + × = [mm] Chiều dài phủ bì: 1 300 3000 300 3300 L L= + = + = [mm]
3.3. Xác định chiều rộng bên trong tủ.
Chiều rộng bên trong tủ bằng chiều rộng của các tấm lắc cộng thêm khoảng hở 2 bên (mỗi khoảng hở 125 mm).
1 1250 2 125 1500
W = + × =
[mm]
Khi lắp các cánh cửa tủ, một phần 45 mm cánh lọt vào bên tron tủ và phần còn lại 80 mm nhô ra ngoài, vì vậy, kích thước bề rộng phủ bì là:
1 2 80 1500 160 1660
W W= + × = + =
[mm]
3.4. Xác định chiều cao bên trong tủ.
Khoảng cách cực đại giữa các tấm lắc hmax = 105 mm
Chiều cao bên trong tủ:
H1 = N1 × 105 + h1 + h2
Trong đó:
N1: Số tấm lắc chứa hàng;
h1: Khoảng hở phía dưới cùng các tấm lắc, h1 = 100 mm;
h2: Khoảng hở phí trên, h2 = 400 ÷ 450 mm, chọn h2 = 450 mm.
Chiều dày lớp cách nhiệt của các tủ đông là 150 mm. Vì vậy kích thước bên ngoài và bên trong của tủ cấp đông được xác định là:
Bên trong: (Dài × Rộng × Cao) = (3000 × 1500 × 1600) [mm]
Bên ngoài: (Dài × Rộng × Cao) = (3300 × 1660 × 1900) [mm]
3.5. Tính cách nhiệt, cách ẩm:
Cấu tạo của vỏ tủ cấp đông gồm các lớp như sau: lớp cách nhiệt polyurethan dày 150 mm, được chế tạo theo phương pháp rót ngập, có mật độ 40 – 42 kg/m3, có hệ số dẫn nhiệt
λ
= 0,018 ÷ 0,020 W/m.K, có độ đồng đều và độ bám cao, hai mặt trong và ngoài của vỏ tủ được bọc inox dày 0,6 mm.
Ngoài ra bên trong vỏ tủ là hệ thống khung chịu lực làm bằng thép có mạ kẽm và các thanh gỗ chống tạo cầu nhiệt.
Bảng: Các lớp cách nhiệt tủ cấp đông
Thứ tự Lớp vật liệu Độ dày (mm) Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) 1 Lớp inox 0,5 ÷ 0,6 22 2 Lớp polyurethan 0,018 ÷ 0,020 Vách tủ 150 Cửa tủ 125 3 Lớp inox 0,5 ÷ 0,6 22 3.6. Tính nhiệt tủ cấp đông.
3.6.1. Tổn thất nhiệt do truyền nhiệt qua kết cấu bao che (Q1):
Dòng nhiệt đi qua kết cấu bao che được định nghĩa là tổng các dòng nhiệt tổn thất qua tường bao, trần và nền của tủ cấp đông do sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên ngoài và bên trong tủ cộng với các dòng nhiệt tổn thất do bức xạ mặt trời qua tường bao và trần.
Do tủ cấp đông được đặt trong nhà xưởng nên không chịu ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời. Vì vậy, ta chỉ xét tổn thất nhiệt qua vách tủ, cửa tủ cấp đông.
Tổn thất nhiệt qua thân tủ gồm vách tủ, cửa tủ được tính như sau:
( ) ( )
1 . N T
v v c c KK KKQ = k F +k F t −t