Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy công suất 20T/24 giờ cho sản xuất bê tông dự lạnh trên cơ sở sử dụng máy nén kỹ thuật số

1
bộ công thơng
viện máy và dụng cụ công nghiệp







Báo cáo tổng kết đề tài
m số: 193.08 rd/hđ-khcn


Tên đề tài:
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị sản
xuất đá vảy công suất 20/24h cho sản xuất bê tông dự
lạnh trên cơ sở sử dụng máy nén kỹ thuật số




Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài




TS. Đỗ Văn Vũ

7827
23/4/2010


hà nội 11/2009


2

danh sách những ngời thực hiện đề tài


STT Họ và tên Học hàm, học vị,
chuyên môn
Cơ quan
1 Đỗ Văn Vũ Tiến sỹ kỹ thuật - chuyên
ngành Chế tạo máy
Chủ nhiệm đề tài
Viện Máy và DCCN
2 Lê Hồng Sơn Thạc sỹ kỹ thuật - chuyên
ngành Chế tạo máy
Phó chủ nhiệm đề tài
Viện Máy và DCCN
3 Nguyễn Hữu Võ Kỹ s Nhiệt lạnh Công ty DIREA
4 Trần Hữu Nam Kỹ s Nhiệt lạnh Công ty DIREA
5 Nguyễn Danh Tiến Kỹ s Nhiệt luyện Viện Máy và DCCN
6 Nguyễn Hữu Long Kỹ s Tự động hóa Viện Máy và DCCN
7 Phan Anh Dũng Thạc sỹ kỹ thuật - chuyên

ngành Điện tử
Viện Máy và DCCN
8 Trần Nh Hiếu Thạc sỹ kỹ thuật - chuyên
ngành Chế tạo máy
Viện Máy và DCCN
9 Vũ Xuân Trờng Thạc sỹ kỹ thuật - chuyên
ngành Chế tạo máy
Viện Máy và DCCN
10 Hoàng Anh Sơn Kỹ s Chế tạo máy Cty CP XD và thiết bị
công nghiệp



1
mục lục
Lời nói đầu 2
Phần i
: Thiết bị và công nghệ trong sản xuất bê tông dự lạnh 3
Phần ii
: Khảo sát, nghiên cứu, xây dựng cấu hình thiết bị phù hợp .6
2.1. Các trạm bê tông dự lạnh sử dụng đá vảy đang hoạt động trong nớc 6
2.2. Khảo sát các máy sản xuất đá vảy của các hãng nớc ngoài 7
2.2.1. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các thiết bị sản xuất đá vảy 7
2.2.2. Máy sản xuất đá vảy của hãng NorthStar - Mỹ 8
2.2.3. Máy sản xuất đá vảy của hãng Buus - Đan mạch 10
2.3. So sánh, đánh giá và xây dựng cấu hình phù hợp với điều kiện Việt nam 11
Phần iii: tính toán thiết kế 12
3.1. Tính toán thiết kế và chọn thiết bị lạnh 12
3.1.1. Các thông số và đặc tính kỹ thuật yêu cầu 13
3.1.2. Tính toán thiết kế các thông số công nghệ 13

3.1.3. Tính toán và chọn thiết bị công nghệ 21
3.2. Tính toán thiết kế và chọn thiết bị cơ 30
3.2.1. Tính công suất quay trục dao cắt đá 30
3.2.2. Tính toán bộ truyền đai 31
3.2.3. Tính toán trục mang dao 33
3.2.4. Tính toán và chọn ổ lăn 38
3.2.5. Tính toán bộ truyền bánh răng côn xoắn 40
3.2.6. Bản vẽ thiết kế kỹ thuật và chi tiết 44
3.3. Tính toán thiết kế và chọn thiết bị điện điều khiển 44
3.3.1. Các tín hiệu đầu vào của hệ thống điều khiển 44
3.3.2. Các tín hiệu đầu ra của hệ thống điều khiển 44
3.3.3. Các chức năng điều khiển, bảo vệ chính 45
3.3.4. Một số chu trình điều khiển vận hành chính 45
3.3.5. Bản vẽ thiết kế hệ thống điện động lực và điều khiển 46
Phần iv: chế tạo thử nghiệm & hoàn thiện quy trình công nghệ 47
4.1. Chế tạo thử nghiệm 47
4.2.
Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết điển hình 47
4.3.
Quy trình công nghệ lắp ráp sản phẩm 48
Phần v: kết luận và kiến nghị 49
Tài liệu THAM khảo 50
phụ lục 52

2
lời nói đầu

Xây dựng đập nớc cho các công trình thuỷ điện, thuỷ lợi là khâu chiếm nhiều
thời gian và có tính quyết định tới độ bền lâu, tính vĩnh cửu của công trình. Ngày
nay, nhằm giảm thời gian xây dựng, đồng thời tăng chất lợng và sự đồng đều, ổn

định của thân đập, ngành xây dựng thuỷ công đã triển khai áp dụng công nghệ tiên
tiến: đổ khối lớn, với thể tích mỗi khối lên tới hàng ngàn mét khối, kích thớc khối
bê tông theo mỗi chiều lên tới từ hàng chục tới hàng trăm mét.
Để đảm bảo khối bê tông lớn không bị phá huỷ hoặc biến dạng quá mức cho
phép do ứng suất nhiệt gây bởi nhiệt thuỷ hoá xi măng và truyền thoát nhiệt chậm
của khối bê tông lớn trong quá trình đông kết và chênh lệch nhiệt độ môi trờng với
khối bê tông giữa ngày và đêm, theo các mùa thi công khác nhau, bên cạnh hàng
loạt biện pháp, công nghệ, thiết bị hỗ trợ bảo ôn, thoát nhiệt quá trình đông kết sau
đổ khuôn, hoặc thiết kế cấp phối hợp lý (giảm lợng xi măng, dùng xi măng có
nhiệt thuỷ hoá thấp, dùng đá cấp phối cỡ lớn ), thiết kế thi công hợp lý (tính toán
lớp đổ, khối đổ, thời gian đổ tối u ), sử dụng công nghệ bê tông đầm lăn (Roller
Compacted Concrete) thay cho bê tông thờng , một trong những giải pháp quan
trọng nhất chính là dự lạnh bê tông tới nhiệt độ cần thiết, đủ để bù tới 70% trở lên
nhiệt sinh bởi thuỷ hoá xi măng, góp phần quyết định đảm bảo độ chênh nhiệt độ
giữa các vùng trong khối bê tông T không quá 20
0
C, mô đun độ chênh nhiệt độ
giữa các điểm trong khối bê tông M
T
không quá 50
0
C/m (theo TCXDVN 305-2004
về quy phạm thi công và nghiệm thu bê tông khối lớn). Để đảm bảo dự lạnh hàng
chục ngàn mét khối hỗn hợp bê tông cho mỗi đợt đổ liên tục trong một ca sản xuất,
các nhà thầu xây dựng phải trang bị những hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh
tự động với khối lợng hàng chục tấn, tiêu thụ hàng ngàn kWh điện, chi phí sản xuất
thậm chí cao hơn vài lần so với bê tông thờng.
Trên cơ sở các phân tích vừa nêu, rõ ràng việc sử dụng các thiết bị tự động sản
xuất bê tông dự lạnh với năng suất lớn (từ 120 m
3

/h, công suất lạnh từ 1 triệu kcal/h
trở lên), trong thi công các đập lớn là điều kiện bắt buộc cho mọi nhà thầu xây dựng
công trình.

3
Phần i: Thiết bị và công nghệ trong sản xuất bê tông dự lạnh

Công nghệ sản xuất bê tông dự lạnh trên thế giới đã có lịch sử phát triển hàng
nửa thế kỷ, gắn liền với sự ra đời của hàng loạt công trình thuỷ công, thuỷ điện cỡ
lớn: từ những công trình trên sông Mississipi (Bắc Mỹ), Amazon (Nam Mỹ), tới các
đập thuỷ điện trên sông Nil (châu Phi), cho tới gần đây nhất là đại công trình thuỷ
điện Tam Hiệp (Trờng Giang, Trung Quốc), với tổng công suất tới hàng chục ngàn
megawatt. Để đáp ứng đợc những yêu cầu ngày càng lớn và phức tạp của sản xuất
bê tông lạnh: điều kiện môi trờng khắc nghiệt, quy mô sản xuất nâng cao, chủng
loại, cấp phối, vật liệu sản xuất cũng nh công nghệ đổ bê tông thay đổi, ngời ta đã
nghiên cứu và đa vào thực tiễn sản xuất nhiều phơng pháp, thiết bị và công nghệ
làm lạnh bê tông.
Về tổng thể, một thiết bị sản xuất bê tông lạnh bao gồm thiết bị trộn bê tông tự
động đợc tích hợp hệ thống làm lạnh bê tông. Có nhiều cấu hình thiết bị sản xuất
bê tông lạnh, nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ quan trọng của sản phẩm: nhiệt độ
vữa bê tông đo sau khi trộn, hoặc đo tại vị trí đổ. Trên thực tế, tuỳ theo yêu cầu cụ
thể của nhiệt độ bê tông lạnh, khả năng đầu t của cơ sở sản xuất, ngời ta có thể
thiết kế, tích hợp và xây dựng các hệ thống thiết bị lạnh chỉ dùng đá vảy, chỉ dùng
nớc lạnh, hoặc thậm chí chỉ làm lạnh cốt liệu thô trên silô hay trên băng tải
Khái quát, hệ thống làm lạnh bê tông tích hợp vừa nêu có thể đợc phân loại
nh sau:
- Theo thiết bị:
Theo chất làm lạnh (coolants): thiết bị dùng nớc lạnh, không khí lạnh, nitơ
lỏng, đá khô (CO
2

rắn), đá vảy (nớc kết tinh dạng vảy dày 1-3 mm), đá
mảnh, đá viên
Theo đối tợng làm lạnh: làm lạnh vật liệu thành phần (đá, nớc, cát )
trớc khi trộn, làm lạnh hỗn hợp vữa bê tông trong hoặc sau quá trình trộn.
Theo quá trình chuyển vận của chất làm lạnh: hệ thống tuần hoàn (kín) hay
không tuần hoàn (hở) hay hỗn hợp.
Theo cấu trúc hệ thống: mô đun lạnh chế tạo sẵn (ready-made) với các hệ
thống sản xuất bê tông lạnh tiêu chuẩn, hoặc đợc xây dựng (customized)
theo bài toán cụ thể, đặc thù nào đó của khách hàng.
- Theo yêu cầu sản phẩm:

4

Theo dạng và công nghệ bê tông làm đập nớc: dùng cho bê tông đầm rung
thờng (Conventional Vibrated Concrete - CVC), dùng cho bê tông đầm lăn
(Rolling Compacted Concrete - RCC) hoặc cả hai. Trên thực tế, trạm dùng
cho sản xuất bê tông đầm lăn luôn có thể phù hợp cho sản xuất bê tông
thờng.
Theo nhiệt độ bê tông lạnh yêu cầu: bê tông lạnh sâu (dới 15
0
C), lạnh vừa
(16-22
0
C) và lạnh nông (22-25
0
C), nhằm đáp ứng công nghệ vận chuyển
hỗn hợp bê tông tới khối đổ (xe, băng tải ), cũng nh các điều kiện thời
tiết: bình thờng (nhiệt độ môi trờng trung bình 20-30
0
C), khắc nghiệt

(nhiệt độ môi trờng trung bình 31-35
0
C) hoặc cực kỳ khắc nghiệt (nhiệt độ
môi trờng trung bình trên 35
0
C).
Trên thực tế, tuỳ theo yêu cầu độ lạnh hoặc dạng bê tông, ngời ta có thể ứng
dụng đơn lẻ hay phối hợp một vài loại chất làm lạnh, tác động riêng rẽ hay đồng thời
lên các đối tợng khác nhau: vật liệu thành phần hay hỗn hợp hay cả hai. Việc sử
dụng thiết bị có sẵn cho phép giảm thời gian và giá thành đầu t ban đầu, nhng
thờng không hoàn toàn tối u, dẫn tới tăng chi phí khai thác, nhất là tăng suất chi
phí năng lợng và ảnh hởng môi trờng nhiều hơn.
Vai trò quan trọng nhất trong công nghệ làm lạnh vật liệu xây dựng dạng rời, bê
tông vữa, là chất làm lạnh. Các yêu cầu đối với chất làm lạnh, chất trực tiếp tiếp xúc
và tải lạnh cho vật liệu cần làm lạnh, khá là đa dạng và chặt chẽ: các tính chất nhiệt
cao (nhiệt dung, ẩn nhiệt chuyển pha, độ dẫn nhiệt ), tính công nghệ cao (sạch,
không tác động xấu tới môi trờng và chất đợc làm lạnh, dễ tách khỏi chất đợc
làm lạnh), kinh tế (rẻ, hiệu suất trao đổi nhiệt cao) Cho tới nay, các chất làm lạnh
chủ yếu đợc nghiên cứu và đa vào sử dụng rộng rãi là nớc và không khí, trong đó
nớc có thể ở dạng nớc lạnh và đá vảy, để làm lạnh vật liệu xây dựng, vữa bê tông.
Với các chất làm lạnh này, thờng có khả năng sử dụng quá trình tuần hoàn, giảm
đợc chi phí năng lợng và nguyên liệu.
Một chất làm lạnh mới là nitơ lỏng, đã đợc đa vào thử nghiệm trong Các hệ
thống lạnh dùng cho làm lạnh bê tông đòi hỏi công suất lớn hàng triệu kilocalorie
mỗi giờ trở lên, làm việc liên tục trong những điều kiện khắc nghiệt về môi trờng.
Cho tới nay đã có những hớng xây dựng thiết bị nh sau:
Sử dụng trực tiếp các hệ thống lạnh sẵn có trên thị trờng máy lạnh dùng cho chế
biến sản xuất hải sản, thực phẩm, hoá chất, dợc phẩm Các hệ thống làm lạnh
bê tông theo kiểu tích hợp đơn giản này thờng có hiệu suất khá thấp (trên dới

5
50%), độ bền và ổn định không cao, do vậy ngời ta không chế tạo ở các công
suất lớn: chỉ ở các trạm không quá 80 m
3
/h, độ lạnh nông, chỉ làm lạnh đơn
Trên thi trờng có rất nhiều hãng cung cấp thiết bị tiêu chuẩn, nh Grasso
(Italia), Carrier (USA), Daikin (Nhật Bản), Fusheng (Taiwan)
Nghiên cứu xây dựng những hệ thống thiết bị chuyên dụng cho làm lạnh bê tông.
Theo hớng sau, ngời ta đã có thể cung cấp những hệ thống lạnh có hiệu suất
nhiệt cao hơn nhiều, là mối quan tâm số một của ngời khai thác. Việc tăng chi
phí đầu t cho những hệ nh vậy còn đợc bù lại nhờ những lợi thế khác nữa: độ
bền và ổn định cao trong môi trờng xây dựng luôn rất khắc nghiệt, sự phù hợp
với công nghệ bê tông tạo cho thuận lợi nhiều mặt cho ngời dùng Ta có thể kể
ra những công ty hàng đầu thế giới đã đi theo hớng này: HANSA
Industrieanlagen GmbH, KTI Plersch Kaltertechnik GmbH (CHLB Đức) Đây là
hớng thiết bị có chất lợng và tuổi bền cao nhất, nhng giá thành cũng cao gấp
nhiều lần so với hớng ban đầu.
Ngoài hai hớng nh đã nêu, tại các vùng đang phát triển nh châu á, Nam
Mỹ ngời ta thờng xây dựng thiết bị tích hợp hệ thống trên cơ sở chọn lựa một
số thiết bị lạnh chuyên dùng làm lạnh bê tông với các thiết bị phụ trợ đợc thiết
kế chế tạo tại chỗ, nhằm có đợc những u điểm về chất lợng thiết bị chính,
đồng thời giảm chi phí đầu t ban đầu. Chỗ dựa về thiết bị và một phần công
nghệ làm lạnh bê tông cho các cơ sở phát triển là khá nhiều hãng sản xuất thiết
bị lạnh công nghiệp có mặt khắp nơi nh North Star Ice (USA), Scotsman
(Italia), Snowkey (China), ReFriend (China), Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị và
Công nghệ Bê tông Thợng Hải (China) chuyên về thiết bị chế tạo đá vảy, thiết
bị làm lạnh nớc hoặc không khí (chiller)
Trong hệ thống làm lạnh vật liệu xây dựng nh vữa bê tông, bên cạnh thiết bị
cung cấp chất làm lạnh (chiller, máy đá vảy, ), nhóm các thiết bị trao đổi nhiệt
(làm lạnh đá trớc khi trộn bê tông), thiết bị phụ trợ (vận chuyển, dự trữ, cân

định lợng nớc lạnh hoặc đá vảy, ) có vai trò quyết định tới hiệu suất nhiệt
chung của hệ thống. Do vậy, đây chính là mảng đầu t nghiên cứu phát triển khá
mạnh của các hãng chế tạo thiết bị lạnh cho công nghiệp bê tông, nhằm tạo ra
các thiết bị chất lợng, hiệu suất cao.


6
Phần ii: Khảo sát, nghiên cứu, xây dựng cấu hình thiết bị phù hợp
2.1. Các trạm bê tông dự lạnh sử dụng đá vảy đang hoạt động trong nớc
2.1.1. Các hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh công suất trung bình 250 m
3
/h của
Phân viện IMI tại thành phố Hồ Chí Minh kết hợp với North Star Ice thiết kế chế tạo
năm 2007-2008, hiện đang đi vào hoạt động tại các công trờng thuỷ điện Sông
Tranh 2 và Đồng Nai 3.
Dạng bê tông dự lạnh: RCC
Nhiệt độ dự lạnh: 19
0
C
Phơng pháp và thiết bị dự lạnh: làm lạnh hỗn hợp bê tông bằng cấp phối nớc
lạnh 7
0
C và đá vảy nhiệt độ -5
0
C.
Nguồn lạnh: thiết bị sản xuất đá vảy của hãng NorthStar, tổng công suất lạnh 120
tấn đá vảy mỗi ngày đêm ( 81 tấn cho Đồng Nai 3), chiller công nghiệp của hãng
Mitsubishi dùng cho cấp nớc lạnh cho cấp phối bê tông và làm đá vảy.
2.1.2. Hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh công suất trung bình 250 m
3

/h của Liên
danh Liebherr-Hansa (CHLB Đức) thiết kế chế tạo và cung cấp lắp đặt tại công trình
thuỷ điện Sê San 3 năm 2004, hiện đang hoạt động tại công trình thuỷ điện Bản Vẽ
Dạng bê tông dự lạnh: RCC và CVC
Nhiệt độ dự lạnh: 15
0
C
Phơng pháp và thiết bị dự lạnh: làm lạnh cốt liệu thô trên phễu, đồng thời làm
lạnh hỗn hợp bê tông bằng cấp phối nớc lạnh 4
0
C và đá vảy nhiệt độ -5
0
C.
Nguồn lạnh: thiết bị sản xuất đá vảy của hãng Scotsman (cắt đá kiểu dao quay),
công suất 120 tấn đá vảy mỗi ngày đêm, hệ thống các chiller của hãng Grasso
(GEA), tổng công suất lạnh 800 m
3
nớc lạnh 4
0
C mỗi giờ. Các thiết bị lạnh này
đợc Hansa tổ hợp thành các mô đun hoàn chỉnh cho sản xuất đá vảy (CFPX),
sản xuất nớc lạnh (CWPS).
2.1.3. Hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh công suất lớn 720 m
3
/h của Liên danh
Liebherr-Hansa (CHLB Đức) thiết kế chế tạo và cung cấp lắp đặt tại công trình thuỷ
điện Sơn la năm 2007:
Dạng bê tông dự lạnh: RCC và CVC
Nhiệt độ dự lạnh: 18
0

C
Phơng pháp và thiết bị dự lạnh: làm lạnh cốt liệu thô trên phễu liệu phối hợp
đồng thời làm lạnh hỗn hợp bê tông bằng cấp phối nớc lạnh 4
0
C, có đá vảy nhiệt
độ -5
0
C dùng cho dự phòng.

7

Nguồn lạnh: Hệ thống các chiller của hãng Grasso (GEA), tổng công suất lạnh
1000 m
3
nớc lạnh 4
0
C mỗi giờ, thiết bị sản xuất đá vảy của hãng Scotsman (cắt
đá kiểu dao quay) công suất 40 tấn đá vảy mỗi ngày đêm. các thiết bị lạnh này
đợc Hansa tổ hợp thành các mô đun hoàn chỉnh cho sản xuất nớc lạnh (CWPS),
sản xuất đá vảy (CFPX).
2.2. Khảo sát các hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy của các hãng nớc ngoài
2.2.1. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các thiết bị sản xuất đá vảy.
1./ Đá vảy (tiếng Anh: flake ice): là tên một dạng đá băng đợc tạo ra trên thiết
bị sản xuất đá vảy. Đợc kết tinh từ nớc ngọt hoặc nớc biển, đá vảy có kích thớc
dạng bản nhỏ (vảy), chiều dày vào khoảng 1,5 tới 2,5 mm, chiều dài và rộng trong
khoảng 10 đến 50 mm, nhiệt độ trong khoảng -5 đến -10
0
C. Đá vảy đợc sử dụng
nhiều trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dợc phẩm, thuỷ sản, xây dựngDo
nhiệt nóng chảy lớn, lại khá mỏng, tan chảy nhanh, nên đá vảy ngày càng đợc a

dùng để sản xuất bê tông dự lạnh, nhằm thay thế một phần cấp phối nớc trộn bê
tông mà không ảnh hởng tới thời gian sản xuất và tính chất hỗn hợp bê tông.
2./ Cấu tạo chung của một thiết bị sản xuất đá vảy: cũng nh mọi thiết bị lạnh
khác, gồm hai cụm chính: cụm máy nén-ngng tụ (cao áp) và cụm tạo đá vảy (hạ
áp). Cụm cao áp bao gồm các thiết bị chính nh các máy nén lạnh, thờng là loại có
dải nhiệt độ làm việc thấp (từ -20
0
C trở xuống), hệ số nén cao, dàn ngng, các bình
chứa dịch lạnh, thiết bị mạch dầu (tách, sấy, làm mát). Cụm hạ áp bao gồm thiết
bị bay hơi-tạo/tách đá, bình hạ áp, hệ thống cấp dịch/tách lỏng (nh bơm, bình tràn
dịch-tách lỏng). Ngoài ra, là các thiết bị phụ nh các van điều khiển, công tác,
thiết bị đo lờng (nhiệt độ, áp suất, lu lợng, mức dịch/dầu ), panen/tủ điều khiển.
3./ Đặc điểm nguyên lý hoạt động của thiết bị sản xuất đá vảy:
- Chu trình lạnh: luôn là dạng ngập lỏng, nhằm đạt hiệu suất lạnh cao, nhiệt độ sản
phẩm đồng đều và đủ thấp.
- Quá trình tạo đá vảy: liên tục (khác với một số dạng sản xuất đá cây, đá viên, đá
tấm/ống mảnh là theo chu kỳ)
- Nguyên lý tạo/tách đá trên thiết bị bay hơi (hình 1): dịch lạnh lỏng đợc cấp và
bay hơi ở áp suất đủ thấp, tơng ứng nhiệt độ bay hơi khoảng -28
0
C đến -32
0
C, theo
nguyên lý ngập lỏng tại thiết bị bay hơi dạng tang trống trụ (từ đây gọi là cối đá vảy,
có thể cấu tạo đứng hoặc nằm). Nớc đợc phun liên tục chảy trên mặt ngoài (hoặc
mặt trong) cối trong vùng cấp nớc, đợc làm lạnh và kết tinh rất nhanh sau một
thời gian vài chục giây thành một lớp đá băng mỏng. Lớp đá băng này đợc làm khô

8
và quá lạnh tới nhiệt độ -5 đến -10

0
C trong góc quá lạnh đá, sau đó đợc dao cắt
tách ra khỏi bề mặt cối. Để đảm bảo đá thu đợc không bị ớt, bị tăng nhiệt độ,
ngay phía sau vị trí cắt tách đá là một vùng cách ly, không đợc cấp nớc. Để đảm
bảo đá đơc sản xuất ra liên tục, có nhiệt độ và độ dày theo yêu cầu, cần duy trì một
tốc độ chuyển động tơng đối giữa mặt trống tạo đá với cụm phun cấp nớc và dao
thu hoạch đá, đồng thời cho phép hiệu chỉnh tốc độ đó, cũng nh độ rộng các vùng
cấp nớc, góc quá lạnh, góc cách ly, lu lợng nớc cấp và sự phân bổ lu lợng đó
trên toàn mặt tang trống tạo đá vảy. Đá đợc tách ra khỏi bề mặt cối có chiều dày
1,5-2,5mm tuỳ theo thời gian làm đá (tức tốc độ chuyển động dao/cối), dạng mảnh
nhỏ, đợc chuyển tới nơi tiêu thụ hoặc kho trữ chuyên dụng nhờ vít tải, máng
hứng
Tang trống tạo đá
(cối đá) cố định
Vị trí dao cắt đá
Chiều chuyển động
của dao, dàn phun
cấp nớc

Hình 1. Mô tả nguyên lý tạo đá vảy

2.2.2. Máy sản xuất đá vảy của hãng NorthStar - Mỹ
NorthStar là một hãng chuyên sản xuất các thiết bị sản xuất, tồn trữ và cung cấp
đá vảy hàng đầu của Mỹ và thế giới. Hãng cung cấp các thiết bị hoàn chỉnh (cả cụm
cao áp và cụm hạ áp) hoặc chỉ riêng phần hạ áp (cối đá vảy), với dải công suất từ 5
MT/24h tới 60 MT/24h, cho phép sử dụng với R22 hoặc amoniac, nớc công nghiệp
hoặc nớc biển. Những đặc điểm chính của cối đá vảy NorthStar là cối cố định, dao
và dàn phun cấp nớc chuyển động, kết cấu dao cắt tách đá dạng răng có bớc 25-

9

30mm chuyển động cùng tốc độ quay của dàn phun cấp nớc. Cho phép cấp dịch
bằng cỡng bức hoặc sử dụng bình tràn dịch.

Thông số kỹ thuật, model Đơn vị đo Giá trị
Ký hiệu, model máy (kèm bình tràn
dịch)
40 CS (cối thép C)
40 SS (cối thép không rỉ)
Kiểu cắt tách đá dao quay
Công suất tạo đá T/24h 20,7 (17,9)
Môi chất lạnh R22
Khối lợng dịch lạnh (R22) kg 245
Nhiệt độ bay hơi
0
C -32
Nhiệt độ nớc cấp
0
C 16
Nhiệt độ đá vảy
0
C
-7 ữ -5
Độ dày đá vảy mm
1,5 ữ 2,5
Kích thớc đá vảy mm
20 ữ 30
Công suất động cơ quay dao cắt kw 0,56
Công suất động cơ bơm nớc kw 0,38
Kích thớc thiết bị (HxRxD) mm 1905x1422x2108
Trọng lợng kg 1960

Bình tràn cấp
dịch lạnh
Cụm chuyển
động (dàn cấp
nớc, dao)
Tang trống
tạo đá
Vỏ cách
nhiệt
Hệ bơm
cấp nớc
Hình 2. Cối đá vảy
NorthStar

10
2.2.3. Máy sản xuất đá vảy của hãng Buus - Đan mạch
Máy đá vảy do BUUS (SABROE) sản xuất có nhiều dạng. Với series máy V,
từ 5 MT/24h tới 70 MT/24h, máy có kết cấu đứng (đơn hoặc kép), tang trống tạo đá
quay, cụm dao cắt tách đá và dàn cấp nớc tĩnh. Mặt tang trống đợc phủ hợp kim
nhôm chịu ăn mòn, truyền dẫn nhiệt bề mặt tốt.

Hình 3. Cối đá vảy BUUS (SABROE)
Thông số kỹ thuật, model Đơn vị đo Giá trị
Ký hiệu, model máy V619
Kiểu cắt tách đá tang trống quay
Công suất tạo đá T/24h 20
Môi chất lạnh R22
Khối lợng dịch lạnh (R22) kg 305
Nhiệt độ bay hơi
0

C -30
Nhiệt độ nớc cấp
0
C 15
Nhiệt độ đá vảy
0
C
-6 ữ -4
Độ dày đá vảy mm
1,5 ữ 3
Kích thớc đá vảy mm
20 ữ 30
Công suất động cơ quay dao cắt kw 0,75
Công suất động cơ bơm nớc kw 0,37
Kích thớc thiết bị (HxRxD) mm 3625x1265x1230
Trọng lợng kg 1900

11
2.3. So sánh, đánh giá và xây dựng cấu hình phù hợp với điều kiện Việt nam
u điểm của máy sản xuất đá vảy có kiểu cắt đá dao quay là công suất cắt nhỏ,
kích thớc nhỏ gọn, kết cấu quay cắt đá đơn giản, phần chuyển động cắt đá không
có ảnh hởng đến môi chất lạnh, toàn bộ máy đá đợc bao kín và bảo ôn bởi dòng
chuyển động của môi chất lạnh nên giữ đợc khí lạnh trong kho chứa không thoát ra
ngoài.
u điểm của máy sản xuất đá vảy có kiểu tang trống quay là không phải bảo ôn
tang trống, cắt đá và tách đá theo phơng tiếp tuyến ngoài nên sự bóc tách và thoát
đá đợc dễ dàng hơn, lực cắt tách đá cũng nhỏ hơn, dễ kiểm tra hiệu chỉnh hơn.
Nhợc điểm của kiểu cắt đá tang trống quay là công suất lớn, kết cấu tang quay
phức tạp do phải làm kín môi chất lạnh chuyển động cùng tang trống, vị trí xả đá ở
phía ngoài nên khí lạnh trong kho có thể thoát ra ngoài theo đờng xả đá vào kho.

Cũng nh các thiết bị sản xuất đá vảy phục vụ thi công bê tông lạnh tại các
công trờng nh đã nêu ở trên, theo khảo sát của chúng tôi, đa số các thiết bị sản
xuất đá vảy khác trong ngành thủy sản trong cả nớc đều sử dụng hệ thống thiết bị
sản xuất đá vảy có kiểu cắt đá dao quay.
Trên cơ sở phân tích máy mẫu và khảo sát các thiết bị đang đợc phục vụ tại
các công trình xây dựng, nhà máy thủy sản trên phạm vi cả nớc, nhóm đề tài lựa
chọn mẫu thiết kế là máy sản xuất đá vảy của hãng NorthStar - Mỹ.
Hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy có các thông số cơ bản nh sau:
- Năng suất làm đá vảy: 20 Tấn/24h
- Kiểu cắt đá: dao quay
- Nhiệt độ đá vảy: -7 ữ -5
0
C
- Kích thớc đá vảy: dày 1,5 ữ 2 mm, rộng và dài 10 ữ 50 mm
- Nhiệt độ nớc sạch cấp: 6 ữ 8
0
C
- Môi chất lạnh: R22
- Thiết bị tạo đá bao gồm: dàn bay hơi dạng tang trống trụ tĩnh (sau đây gọi
là cối tạo đá) và dao cắt tách đá, hệ thống phân phối nớc quay.
- Thiết bị ngng tụ: làm mát bằng nớc kết hợp với tháp giải nhiệt nớc
- Thiết bị có khả năng nội địa hóa trong nớc
- Thiết bị dạng tổ hợp cụm, đồng bộ và có khả năng vận chuyển
- Môi trờng làm việc: Tmax trung bình 35
0
C, độ ẩm max trung bình 80%

12
Phần iii: tính toán thiết kế
3.1. tính toán thiết kế và chọn thiết bị lạnh

Các ký hiệu:
COP Hệ số hiệu quả (Coefficient Of Performance)
D Đờng kính [mm, m]
F Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt [m
2
]
i, I Entanpi [kJ/kg, kJ]
G Khối lợng [kg]
h Chiều cao [m, mm]
L Chiều dài [m]
LMTD Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit [K]
P áp suất [kPa, bar]
q Dòng nhiệt riêng, năng suất nhiệt riêng [J/kg, kJ/kg]
q
&
Mật độ dòng nhiệt [W/m
2
]
Q
&


Dòng nhiệt, năng suất nhiệt [W, kW]
S Diện tích [m
2
]
t, T Nhiệt độ [
0
C, K]

Chiều dày [mm, m]

Tỉ trọng, khối lợng riêng [kg/m
3
]

Thời gian [s, phút, h]
Các chỉ số:

bh Bão hòa, trạng thái bão hòa (đang sôi hoặc đang ngng tụ)
comp Quá trình, thiết bị nén
d Đá, băng
e Quá trình, thiết bị bay hơi
i Bên trong
mn Máy nén (lạnh)
o Bên ngoài
ql Quá lạnh
qn Quá nhiệt
r Môi chất lạnh


13
3.1.1. Các thông số và đặc tính kỹ thuật yêu cầu
- Năng suất làm đá vảy: 20 Tấn/24h
- Nhiệt độ đá vảy: -7 ữ -5
o
C
- Kích thớc đá mảnh: dày 1,5 ữ 2 mm, rộng và dài 10 ữ 50 mm
- Nhiệt độ nớc sạch cấp: 6ữ8
o

C
- Môi chất lạnh: R22
- Thiết bị tạo đá bao gồm: dàn bay hơi dạng tang trống trụ tĩnh (sau đây gọi là
cối tạo đá) kết hợp dao tách đá quay, hệ thống phân phối nớc
- Thiết bị ngng tụ: làm mát bằng nớc kết hợp với tháp giải nhiệt nớc
- Thiết bị có khả năng nội địa hóa trong nớc
- Thiết bị dạng tổ hợp cụm, đồng bộ và có khả năng vận chuyển
- Môi trờng làm việc: Tmax trung bình 35
o
C, độ ẩm max trung bình 80%
3.1.2. Tính toán thiết kế các thông số công nghệ
1./ Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Với các thông số và đặc tính kỹ thuật yêu cầu, nguyên lý làm việc của hệ thống
sản xuất đá vảy sẽ đợc xây dựng trên cơ sở chu trình máy lạnh nén hơi trong đó
máy nén đợc định hớng ban đầu là dạng máy nén trục vit bán kín hiện đại có thể
điều khiển công suất bằng kỹ thuật số, làm việc ở chế độ economizer nhằm nâng cao
năng suất lạnh cũng nh hiệu suất nhiệt, với sơ đồ đợc thể hiện ở Phụ lục 1.
Các thiết bị chính của hệ thống sản xuất đá vảy:
* Tổ máy ngng tụ (cụm cao áp)
- 01 máy nén;
- 01 bình ngng kiểu ống vỏ làm mát bằng tháp giải nhiệt;
- 01 bình chứa cao áp.
- Các mạch và thiết bị lạnh phụ trợ: mạch ECO cho cấp ga trung áp vào máy nén
và giảm nhiệt dịch lạnh trớc khi vào bình hạ áp-cấp dịch cho cối; mạch dầu máy
nén (bao gồm bình tách/sấy dầu khi khởi động, bộ làm mát dầu bằng nớc.
* Cụm hạ áp:
- 01 bộ phận cấp lỏng kiểu tràn dịch-tách lỏng;
- 01 Thiết bị bay hơi tạo đá kiểu tang trống trụ tĩnh (cối tạo đá), ngập dịch; kết
hợp với hệ thống phân phối nớc và cụm thiết bị dao cắt tách đá quay.
Các thiết bị phụ của hệ thống:

14
- 01 bộ phin sấy/ lọc và mắt ga cho đờng cấp lỏng;
- 01 bộ phin lọc cho đờng hơi hút về máy nén;
- Các đồng hồ áp suất ga cao áp, áp suất ga hạ áp và áp suất dầu;
- Các đồng hồ áp suất vào/ra bơm tuần hoàn nớc lạnh;
- Đồng hồ (hoặc cảm biến) nhiệt độ ở khay chứa nớc thu hồi;
- Các đồng hồ (hoặc cảm biến) nhiệt độ môi chất (R22) vào/ra máy nén;
- Các van chặn, van một chiều và phin sấy/ lọc cho đờng cấp lỏng.
Các thiết bị điều khiển chính:
- 03 van điện từ (loại kèm lọc) cho các đờng cấp dịch lạnh vào cối đá vảy, hồi dầu
tự động từ bình tràn về, cấp dịch ECO vào máy nén.
- 01 van phao cho duy trì mức lỏng bình tràn.
- 01 van tiết lu tự động cho đờng ECO máy nén.
- 01 van tay điều chỉnh lu lợng dịch lạnh vào cối đá vảy.
Các thiết bị bảo vệ:
- 01 van an toàn áp suất cho bình ngng tụ;
- 01 rơle bảo vệ áp suất kép;
- 01 rơle kiểm tra van oil stop máy nén (tích hợp trên máy nén)
- 01 rơle kiểm tra lọc dầu đầu vào máy nén (tích hợp trên máy nén)
- 01 rơle kiểm tra lu lợng dầu vào máy nén (tích hợp trên máy nén)
- 01 cảm biến và rơle báo mức dầu trên bình tách dầu (tích hợp trên bình tách dầu)
- 01 cảm biến nhiệt độ dầu trên bình tách dầu (tích hợp trên bình tách dầu)
- Cảm biến dòng chảy cho bơm tuần hoàn nớc lạnh;
- Cảm biến dòng chảy cho bơm giải nhiệt bình ngng tụ;
Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Nớc sạch có nhiệt độ từ 6 ữ 8
o
C đợc cấp vào khay chứa nớc thu hồi. Từ đây,
nớc đợc bơm tuần hoàn bơm lên khay phân phối nớc đặt ở phía trên của thiết bị.

Khay phân phối nớc có nhiệm vụ phân chia dòng nớc bơm lên thành những màng
nớc chảy tự do trên bề mặt trong của cối. Hệ thống lạnh sẽ duy trì dòng môi chất
lạnh, ở đây là R22, sôi ở áp suất và nhiệt độ thấp trong dàn bay hơi của cối để hạ
nhiệt độ và làm đóng băng màng nớc đang chảy tự do trên mặt trong cối. Lợng
nớc thừa cha kịp đóng băng sẽ chảy xuống khay chứa nớc thu hồi ở phía dới và
lại đợc bơm lên hệ thống phân phối nớc, tiếp tục tham gia các vòng tuần hoàn
đóng băng khác.

15
Sau một khoảng thời gian nhất định (thời gian tạo đá), khi lớp đá băng đợc
hình thành trên bề mặt của các tấm bay hơi đạt chiều dày 1,5 ữ 2 mm, cơ cấu tách
đá (dao tách đá) sẽ tách các lớp đá vừa tạo, làm chúng bong ra khỏi mặt cối và rơi
xuống cửa thu đá rồi rơi vào kho trữ. Quá trình tạo đá vảy-tách đá nói trên đợc thực
hiện liên tục-liên tiếp trên toàn chu vi cối theo chu kỳ tạo đá đúng bằng thời gian
quay một vòng của dao cắt tách đá.
Máy nén hút hơi môi chất ra khỏi thiết bị bay hơi tạo đá để giúp môi chất
chuyển trạng thái từ lỏng sang hơi và quá trình lấy nhiệt, tạo đá trên mặt ngoài các
tấm bay hơi đợc diễn ra ở áp suất và nhiệt độ thấp. Khi đi qua máy nén, hơi môi
chất nhận năng lợng (cơ năng cấp cho trục cơ máy nén) để đồng thời tăng áp suất
và nhiệt độ giúp quá trình thải toàn bộ nhiệt lợng lấy đợc từ thiết bị bay hơi ra
môi trờng xung quanh có thể xảy ra. Hơi môi chất với nhiệt độ và áp suất cao sau
đó đợc đa vào bình ngng tụ. Tại đây, toàn bộ nhiệt lợng nhận đợc trong quá
trình bay hơi và cơ năng nhận đợc trong quá trình nén đợc thải ra môi trờng
xung quanh để biến hơi môi chất ở trạng thái quá nhiệt với áp suất cao thành lỏng
bão hòa (cùng áp suất). Cuối cùng, lỏng môi chất ở trạng thái bão hòa, áp suất cao
thực hiện quá trình giảm áp suất trong thiết bị tiết lu (không trao đổi năng lợng)
để chuyển thành trạng thái bão hòa ẩm có nhiệt độ và áp suất thấp trớc khi đợc
đa vào thiết bị bay hơi tạo đá, tiếp tục lấy nhiệt và hình thành lớp đá với chiều
dày tăng dần trên bề mặt cối.
2./ Chọn thông số, chế độ làm việc

Hình 4 thể hiện sơ đồ chu trình làm việc của hệ thống lạnh ở chế độ làm lạnh
trên đồ thị Log(p) i. Các quá trình, 1a-2r xảy ra trong máy nén, 2r-3a trong thiết bị
ngng tụ, 3a-4 trong thiết bị tiết lu và 4-1a trong thiết bị bay hơi.


Hình 4.
Sơ đồ chu trình
làm lạnh trên đồ
thị Log(p) i

16
Trên cơ sở các thông số và đặc tính kỹ thuật yêu cầu, có thể chọn các thông số,
chế độ làm việc cho máy sản xuất đá vảy nh sau:
a) Nhiệt độ, áp suất bay hơi
Với thiết bị bay hơi tạo đá vảy kiểu cối tĩnh, nhiệt độ bay hơi có thể chọn theo
kinh nghiệm là te = - 30
o
C. Nếu môi chất lạnh sử dụng là R22, áp suất bay hơi sẽ
đợc tính theo:
p
e
= p
bh
(t
e
) = p
bh
(-30
0
C) = 1.635 [bar] (3.1)

b) Nhiệt độ, áp suất ngng tụ
Trong điều kiện môi trờng không khí xung quanh có nhiệt độ 35
o
C và độ ẩm
tơng đối 80 % nh đã cho, nhiệt độ bão hòa đoạn nhiệt tơng ứng là 32
o
C. Nếu sử
dụng tháp giải nhiệt ở nhiệt độ bão hòa đoạn nhiệt nh vậy, có thể chọn nhiệt độ
nớc vào/ ra tháp giải nhiệt tơng ứng là 37/ 32
o
C. Với thiết bị ngng tụ làm mát
bằng nớc, độ chênh giữa nhiệt độ ngng tụ của môi chất lạnh (R22) và nhiệt độ
nớc làm mát khi ra khỏi thiết bị là từ 2.5 K đến 5 K [1]. Chọn nhiệt độ ngng tụ
t
c
= 40
o
C, độ chênh nhiệt độ trung bình trong vùng chuyển pha của thiết bị ngng tụ
đợc tính nh sau:

[]
K
t
t
tt
LMTD
c
1,5
3
8

ln
38
ln
min
max
minmax
=

=



=

(3.2)
Trong công thức (3.2), t
max
và t
min
là độ chênh nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất
giữa 2 môi chất trong vùng khảo sát của thiết bị.
Với môi chất lạnh là R22, áp suất ngng tụ sẽ đợc tính theo:
p
c
= p
bh
(t
c
) = p
bh
( 38
0
C) =14.6 [bar] (3.3)
c) Độ quá nhiệt và nhiệt độ môi chất khi ra khỏi thiết bị bay hơi
Do đặc điểm làm việc của máy sản xuất đá vảy là kiểu ngập dịch nhằm duy trì
đợc nhiệt độ ổn định và đồng đều trên bề mặt cối tạo đá, thiết bị bay hơi làm việc
với độ quá nhiệt hơi môi chất khi ra khỏi thiết bị, t
qn,e,

= t
1a

-t

1
, rất thấp và vào
khoảng 1 K đến 2 K (gây ra chủ yếu bởi độ chênh áp dịch do chiều cao của cối, dẫn
tới chênh nhiệt độ bay hơi. Với chiều cao 1 mét, đối với R22, hiệu nhiệt độ lên tới
2,1
0
C/m ở nhiệt độ bay hơi -30
0
C ).
Chọn

t
qn,e
= 2 [K ], nhiệt độ môi chất khi ra khỏi thiết bị bay hơi sẽ đợc tính nh
sau:

17
t
1
= t
e
+

t
qn,e
= -30 + 2 = -28 [
o
C] (3.4)

Trong thực tế vận hành, thờng không thể tránh khỏi nhiệt từ môi trờng bên
ngoài xâm nhập vào đoạn ống dẫn môi chất lạnh nối giữa đầu ra của thiết bị bay hơi,
bình tràn (nếu cấp dịch theo phơng pháp dùng cột lỏng) hoặc bình hạ áp (nếu cấp
dịch bằng bơm tuần hoàn) và đầu hút máy nén. Vì vậy, khi kể thêm ảnh hởng của
yếu tố này, độ quá nhiệt và nhiệt độ của hơi hút về máy nén tơng ứng sẽ là:

t
qn,comp
= 4 [K] (3.5)
t
1,a
= t
e
+

t
qn,comp
= -30 +4 = -26 [
o
C] (3.6)
d) Độ quá lạnh và nhiệt độ môi chất khi ra khỏi thiết bị ngng tụ
Để tăng năng suất lạnh cũng nh COP của máy sản xuất đá vảy, môi chất khi ra
khỏi thiết bị ngng tụ, phải có độ quá lạnh,

t
ql
= t
3
-t
3a

, vào khoảng 3 K đến 5 K
(cha tính đến độ quá lạnh tạo bởi mạch economizer, sẽ đợc xác định chính xác ở
phần sau).
Chọn

t
ql
= 4 [K ], nhiệt độ môi chất khi ra khỏi thiết bị ngng tụ sẽ là:
t
3a
= t
c
+

t
ql
= 38 - 4 = 34 [
o
C] (3.7)
e) Hiệu suất Entropi (không thuận nghịch) và nhiệt độ cuối của quá trình nén
Quá trình nén trong máy nén không thể tránh khỏi hiện tợng ma sát giữa các
phân tử môi chất lạnh với nhau và với bề mặt khoang nén. Tổn thất năng lợng do
hiện tợng ma sát này gây nên đợc đặc trng bởi hiệu suất Entropi hay hiệu suất
không thuận nghịch, xác định theo công thức sau:
ar
as
ra
sa
s
ii

ii
l
l
12
12
21
21


==



(3.8)
Với máy nén trục vít, hệ số nén = p
c
/p
e
= 15,335/1,778 = 8,62 nh đã xác
định, hiệu suất Entropi của quá trình nén,
s

, vào khoảng 0.7. Tuy nhiên, do hệ
thống sử dụng mạch ECO để cấp trung áp vào cửa ECO của máy nén, tơng tự nh
sử dụng hệ thống hai cấp nén, nên đã giảm hệ số nén đáng kể, ớc còn khoảng 4-
5, vì vậy hệ số
s
tăng lên khoảng 0.73. Do đó, entanpi của hơi môi chất sau quá
trình nén đợc xác định:

57.773
73.0
)65.69518.753(
65.695
)(
12
12
=

+=

+=
s
as
ar
ii
ii

[kJ/kg] (3.9)
Nhiệt độ cuối quá trình nén thực đợc xác định dựa trên giá trị áp suất và
Entanpi vừa tính, t
2r
= 104.2 [
o
C].

18
Ghi chú: các nội dung vừa tính toán sẽ đợc kiểm tra, hiệu chỉnh lại khi tính
chọn máy nén, các thiết bị phụ nh economizer, bình tách dầu, làm mát dầu ở phần
sau

3./ Tính toán thời gian tạo / tách đá
Quá trình tạo đá trên bề mặt tấm bay hơi xảy ra trong chế độ không ổn định mà
theo đó, chiều dày lớp đá đợc hình thành tăng dần theo thời gian. Nhiệt trở truyền
nhiệt từ môi chất lạnh (ở nhiệt độ bay hơi 30
o
C) đến màng nớc đợc tới trên bề
mặt tấm bay hơi, khi đó sẽ tăng dần, tỉ lệ với chiều dày lớp đá đợc hình thành, làm
cho tốc độ tạo đá giảm dần. Ngoài ra, trong quá trình tạo đá, một lợng năng suất
lạnh cũng sẽ bị tiêu tốn để làm quá lạnh lớp đá đến nhiệt độ yêu cầu cũng nh làm
giảm nhiệt độ của nớc lạnh bổ sung đến điểm đóng băng.
Đóng băng không ổn định của màng nớc tới trên một bề mặt đợc làm lạnh là
một bài toán phức tạp có nghiệm phụ thuộc vào hàm của tích phân sai số Gauss nên
việc tính toán thời gian tạo đá bằng giải tích một cách chính xác hầu nh không thể
thực hiện đợc. Hiện nay, có 2 phơng pháp để giải bài toán này là (1) giải gần đúng
bằng phơng pháp số (tức dùng phần mềm máy tính), và (2) đơn giản hóa bài toán
về dạng có thể giải đợc bằng giải tích thông qua việc chấp nhận một số giả thiết
gần đúng. Trong thiết kế này, phơng pháp 2 đợc lựa chọn với những giả thiết cụ
thể nh sau:
- Coi phân bố nhiệt độ trong lớp băng là tuyến tính (hoàn toàn chấp nhận đợc
vì chiều dày lớp băng nhỏ hơn 8 mm).
- Bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt từ môi chất lạnh tới bề mặt ngoài của tấm bay hơi,
phía tiếp xúc với nớc lạnh, coi nhiệt độ bề mặt ngoài của tấm bay hơi bằng
nhiệt độ sôi của môi chất lạnh (- 30
o
C).
- Coi nhiệt độ của màng nớc tới trên tấm bay hơi bằng nhiệt độ đóng băng.
Nói cách khác, bỏ qua nhiệt lợng làm lạnh nớc bổ sung (chỉ) trong bài toán
truyền nhiệt. Lu ý, nhiệt lợng này vẫn đợc tính trong cân bằng nhiệt để xác
định năng suất lạnh của thiết bị bay hơi tạo đá. Giả thiết này hoàn toàn chấp
nhận đợc vì sau một số lợng nhiệt làm lạnh nớc bổ sung này chỉ chiếm 8 %

trong tổng số năng suất lạnh của giàn bay hơi.
- Bỏ qua nhiệt lợng làm quá lạnh lớp đá đến nhiệt độ yêu cầu (chiếm 1.7 %
trong tổng số năng suất lạnh của giàn bay hơi) khi xét bài toán truyền nhiệt. Về
lý thuyết, giả thiết gần đúng này sẽ dẫn đến một sai số không đáng kể vì hệ số

19
chuyển pha Ph=q
r
/C
d
(t
o
-t
e
)=333.6/(2.09*10)=16 là đủ lớn (Ph càng lớn càng
tốt và khi Ph > 6.2, sai số tính toán thời gian tạo đá sẽ không vợt quá 5%).
Với những giả thiết nêu trên, thời gian cần thiết để tạo thành lớp đá có chiều
dày trung bình

d
mm và nhiệt độ T
0
trên bề mặt lạnh có nhiệt độ T
e
, với nhiệt độ
nớc cấp ban đầu T
i
có thể ớc tính theo công thức bán thực nghiệm sau đây:

0

2
2
1
104.0
T
T
TT
K
i
eo
d
td
ì

ì








ì
=



[h] (3.10)
Trong đó, K là hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào vật liệu kết cấu thiết bị bay

hơi tạo đá, môi chất sử dụng, đợc chọn theo bảng sau:
R717 R22
Thép Các bon 1,10 1,00
Thép không gỉ 1,15 1,05

Với các thông số cụ thể nh đã chọn ở trên, thời gian tạo đá là:

268
280
)30(6
1
104.0
102
05,1
2
2
3
ì

ì








ì
ì

ì=


td

= 41,3 [sec]
Trong thực tế, thời gian tạo đá đợc hiệu chỉnh theo thiết kế và kinh nghiệm cụ
thể của từng đơn vị sản xuất, và thay đổi tới (10~20)% so với tính toán. Nguyên
nhân là công thức nêu trên còn cha bao gồm đợc khá nhiều yếu tố tác động tới
thời gian tạo đá, nh thành phần nớc cấp (nớc biển, nớc ngọt, hàm lợng muối
khoáng), phơng pháp và thiết bị cấp dịch lạnh (cột áp hay bơm tuần hoàn, dãn nở
trực tiếp), thiết kế cụ thể của thiết bị bay hơi/cối tạo đá (số đầu vào/ra môi chất
lạnh).
4./ Tính toán cân bằng nhiệt
Trên cơ sở thông số, chế độ làm việc đã đợc chọn ở mục 1.2.2, sử dụng các
phần mềm Refrigeration Utilities version 2.84 (tham khảo EES version 6.22), có thể
xác định thông số của tất cả các điểm nút chu trình (hình 5, hình 6) nh sau:
Bảng 1 Thông số trạng thái các điểm nút chu trình máy sản xuất đá vảy
TT Nút P [bar] t [oC] i [kJ/kg] v [m3/kg] s [kJ/kgK]
1 1 1.635 -30 693.18 - -
2 1 1.635 -28 694.36 0.12505 1.8040
3 1a 1.635 -26 695.65 0.13049 1.8196

20
4 2s 15.335 85.7 753.18 - 1.8196
5 2r 15.335 104.2 773.57 0.02228 1.8902
6 3 15.335 38 547.36 - 1.1670
7 3a 15.335 34 541.80 - -
8 4 1.778 -28 541.80 0.04611 1.1890

a) Năng suất lạnh riêng và năng suất lạnh thiết bị bay hơi
Năng suất lạnh riêng:
q
e
= i
1
i
4
= 694.36 541.80 = 152.56 [kJ/kg] (3.11)
Với những thông số đã cho, nhiệt lợng cần thiết để sản xuất 1 kg đá thành
phẩm nhiệt độ -5
0
C từ nớc lạnh 7
0
C đợc xác định theo:
q
o
= C
n
t
qn
+ q
r
+ C
d
t
qn
= 4.19ì7 + 333.6 + 2.09ì6 = 375.5 [kJ/kg] (3.12)
Năng suất lạnh
e

Q
&
của thiết bị bay hơi đợc tính trên cơ sở năng suất làm đá
yêu cầu G
d
= 20000 kg/24h, nhiệt lợng cần thiết để sản xuất 1 kg đá thành phẩm
qo, thời gian tạo đá thực hiện đợc trong 1 ngày đêm hoạt động Nc (min), hệ số sử
dụng thiết bị k
tb
(lấy bằng 0,8) và đợc tính nh sau:

[]
kW
kN
qG
Q
tbc
od
e
65.108
8.0602460
5.37520000
60
=
ììì
ì
==
&
(3.13)
b) Lu lợng khối lợng môi chất lạnh trong máy sản xuất đá mảnh

[]
skg
q
Q
m
e
e
r
/712.0
56.152
65.108
===
&
&
(3.14)
c) Năng suất giải nhiệt riêng và năng suất giải nhiệt thiết bị ngng tụ
Năng suất giải nhiệt riêng:
q
c
= i
2r
i
3a
= 773.57 541.80 = 231.77 [kJ/kg] (3.15)
Năng suất giải nhiệt:

[
]
kWqmQ

cre
165.3577.231712.0 =ì==
&
&
(3.16)
d) Công nén riêng và công suất nén máy nén lạnh
Công nén riêng:
l
mn
= i
2r
i
1a
= 773.57 - 695.65 = 77.92 [kJ/kg] (3.17)
Công suất nén:

][5.5592.77712.0 kWlmN
mnrmn
=ì==
&
&
(3.18)

21

Hình 5. Xác định chu trình lạnh trên phần mềm Refrigeration Utilities version 2.84
(Chọn gốc tham chiếu h=500 kJ/kg, s=1,0 kJ/kgK, T=0
0
C cho R22 lỏng bão hoà )

e) Chỉ số COP
LT
(cha tính tới các tổn hao cơ, điện)

96.1
92.77
56.152
===
mn
e
LT
l
q
COP
(3.19)
3.1.3. Tính toán và chọn thiết bị công nghệ
1./ Thông số thiết bị bay hơi tạo đá
Theo yêu cầu đặt ra là sản xuất đá vảy với năng suất, kích thớc và điều kiện
làm việc:
- Năng suất làm đá vảy: 20 Tấn/24h,
- Kích thớc đá vảy: dày 1.5 ữ 2 mm, rộng & dài 10 ữ 50 mm,
- Nhiệt độ đá vảy: -7 ữ -5
o
C,
- Nhiệt độ nớc sạch cấp: 6 ữ 8
o
C,
- Nhiệt độ sôi môi chất lạnh: - 30
o
C,

- Entanpi môi chất lạnh đầu vào cối: 541.8 kJ/kg,

22

Hình 6. Tính toán tham khảo trên phần mềm EES ver. 6.22

- Độ quá nhiệt sau bay hơi: 4 K,
Thiết bị bay hơi cối tạo đá đợc lựa chọn là kiểu trụ, có mặt tạo đá là mặt trụ
trong, trao đổi nhiệt trực tiếp, kết hợp với hệ thống phân phối nớc.
Về vật liệu chế tạo cối tạo đá, ngày nay ngời ta thờng sử dụng 2 loại là thép
cacbon chất lợng cao (high quality carbon steel) và thép không gỉ (stainless steel).
Loại thứ nhất (thép cacbon) có giá thành thấp hơn loại thứ 2 (thép không gỉ), thích
hợp với sản xuất đá vảy nớc ngọt. Ngợc lại, loại thứ 2 lại cho hàng loạt các tính
năng u việt khác nh: có độ cứng cao, bền, chịu ăn mòn tốt, dùng cho sản xuất đá
vảy dùng trực tiếp nớc biển, phục vụ công nghiệp chế biến hải sản. Ngoài ra, loại
cối này còn phù hợp các ứng dụng có liên quan đến thực phẩm và y tế. Nhợc điểm
của cối thép không gỉ là giá thành khá cao so với cối thép cacbon.
Xác định diện tích bề mặt tạo đá theo công thức sau:




ì
ì
=ìì=
N
HDS (3.20)
Trong đó:
D: đờng kính mặt trụ tạo đá vảy (đờng kính trong của cối), m

23
H: chiều cao trụ tạo đá, m
N: năng suất tạo đá của thiết bị, kg/s
: thời gian tạo đá, s
: khối lợng riêng của đá vảy, kg/m
3
.
: chiều dày lớp đá vảy, m
Thay các giá trị cụ thể, ta đợc:
5.6
917002.0
3.41)8.0*3600*24/(20000
=
ì
ì
=ìì= HDS

[m
2
]
Vậy diện tích bề mặt tạo đá danh nghĩa bằng 6.5 m
2
. Để bù cho những tổn
hao diện tích do dầu, do tổn hao nhiệt ở các vùng đáy và miệng cối, ta tăng diện tích
thực lên khoảng 2ữ4%.
Lấy H = 1,77 m, ta tính đợc D = 1,2 m, tơng ứng S
thực
6,67 m
2

Bảng 2. Thông số cơ bản của thiết bị bay hơi - tạo đá, năng suất 20 Tấn/24h
TT Thông số Quy cách Đơn vị Ghi chú
1 Môi chất lạnh R22 - -
2
Kiểu thiết bị bay hơi-
tạo đá
Mặt trụ trong
(cối), bay hơi
kiểu ngập dịch
-
Bao gồm cả hệ thống
phân phối nớc và
cụm dao cắt đá
3
Vật liệu thiết bị bay
hơi tạo đá
Thép không gỉ - -
4 Đờng kính cối (D) 1200 mm -
5 Chiều cao cối (H)
885ì2
mm
Kết cấu hai tầng để
giảm chênh nhiệt độ
bay hơi do chênh áp
6 Nhiệt độ bay hơi -30
0
C -
7 Năng suất lạnh yêu cầu 108.65 kW Tính ở chế độ -30
0
C

8 Đờng lỏng R22 vào
50ì2
mm -
9
Đờng hơi R22 hút về
máy nén
80ì2
mm -
10 Đờng xả nớc
20
mm -
11 Đờng cấp nớc sạch
34
mm -
12
Bơm tuần hoàn nớc
lạnh
1 x 0.75 kW
Kích thớc đờng
ống 50