thiết kế tủ cấp đông

Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ
Phần I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
I/. Khái niệm
- Tủ cấp đông tiếp xúc là một hệ thống lạnh thuộc nhóm phòng lạnh thường
được dùng để đông lạnh nhanh thủy hải sản, thòt. Sản phẩm làm lạnh gần như
được tiếp xúc với dàn lạnh nên thời gian đông lạnh được rút ngắn, chất lượng
sản phẩm tốt.
- Tủ cấp đông tiếp xúc được cấu tạo bởi dàn khung kim loại chòu lực. Giữa 2
lớp vỏ là lớp vật liệu cách nhiệt polyuretan. Vì vậy kết cấu bao che của tủ cấp
đông tiếp xúc đơn giản, gọn nhẹ.
- Dàn lạnh là các khay (plate) bằng hợp kim nhôm. Các khay này vừa là kệ
để sản phẩm vừa là dàn lạnh. Tác nhân lạnh được dẫn vào từng khay. Các khay
này có thể nâng lên hay hạ xuống bằng xy lanh thủy lực để đảm bảo sản phẩm
làm lạnh luôn được tiếp xúc tốt nhất với dàn lạnh từ hai phía.
Như vậy sự truyền nhiệt trong tủ cấp đông tiếp xúc không phải theo nguyên
tắc đối lưu như các máy lạnh thông thường mà theo nguyên tắc dẫn nhiệt với bề
mặt truyền nhiệt là các khay. Tác nhân lạnh làm lạnh các khay bằng dẫn nhiệt,
khay truyền nhiệt cho sản phẩm.
II/. Các thông số và thiết bò được chọn trong quy trình công nghệ. Giải thích
sự lựa chọn.
1/. Tác nhân lạnh
Sử dụng tác nhân lạnh là Amoniac (NH
3
, R717) vì:
* Ưu điểm của NH
3

- Tính chất nhiệt động tốt.
- Không ăn mòn kim loại đen và nhôm, trong thiết bò thì NH
3
tiếp xúc trực

tiếp với các khay bằng nhôm
→
dùng NH
3
là hợp lý.
- NH
3
có mùi đặc trưng
→
dễ phát hiện khi rò rỉ.
- Rẻ tiền, dễ kiếm, dễ vận chuyển và bảo quản.
- Năng suất lạnh riêng thể tích lớn nên máy nén và thiết bò gọn nhẹ.
- Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn, thuận tiện cho thiết kế, chế tạo các
thiết bò ngưng tụ và bay hơi.
- Độ nhớt nhỏ
→
lưu động tốt
→
đỡ tổn thất áp suất.
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 2
Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ
* Nhược điểm
Những nhược điểm chính của môi chất lạnh NH
3
không ảnh đến qúa trình
làm việc của tủ cấp đông tiếp xúc.
Ví dụ: với nhược điểm “làm giảm chất lượng thực phẩm, gây biến màu
nhanh thực phẩm bảo quản” – thì tính chất này không gây ảnh hưởng gì ở tủ cấp
đông tiếp xúc vì ở đây tác nhân lạnh NH
3

không tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm
làm lạnh mà gián tiếp thông qua các khay
→
sử dụng tốt.
Tóm lại sử dụng Amoniac là hoàn toàn phù hợp.
2/. Chu trình lạnh và máy nén pittông.
Hệ thống làm việc theo chu trình lạnh 2 cấp nén sử dụng bình trung gian
ống xoắn, 2 van tiết lưu.
* Chọn máy nén 2 cấp vì:
- Tỉ số nén cao, vượt khỏi giá trò cực đại
max
Π
- Cần có nhiệt độ dầu nhỏ hơn 60
o
C
- Hệ số cấp >0,6
Khi gặp những điều kiện tiên quyết trên ta phải chọn máy nén 2 cấp.
Hơn nữa:
- Máy nén 2 cấp phù hợp với vận hành liên tục.
- Hiệu suất cao, giá vận hành rẻ. Mặc dù vốn đầu tư ban đầu cao nhưng giá
thành một đơn vò lạnh thấp hơn, đặc biệt là ở các chế độ làm việc mà máy
nén một cấp hầu như không vận hành nổi.
* Chọn chu trình 2 cấp sử dụng bình trung gian ống xoắn, 2 van tiết lưu vì:
- Sử dụng bình trung gian để hạ nhiệt độ hơi môi chất trước khi vào máy
nén cao áp để đạt đến điểm bảo hòa khô
→
thực hiện làm mát trung gian
hoàn toàn.
- Sử dụng 2 van tiết lưu làm năng suất lạnh riêng tăng, công nén giảm.
- Nếu sử dụng bình trung gian loại thường (tức là lỏng ra khỏi thiết bò

ngưng tụ và hơi ra khỏi máy nén thấp áp cùng vào bình trung gian) thì có
nhược điểm về vận hành là: dầu từ máy nén hạ áp đi vào bình trung gian,
theo môi chất lỏng, qua van tiết lưu 2 vào thiết bò bốc hơi. Ở nhiệt độ thấp
dầu bò quánh lại tạo lớp trở nhiệt, làm giảm khả năng trao đổi nhiệt của bình
bốc hơi (trong hệ thống tủ cấp đông tiếp xúc chúng chính là các khay).
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 3
Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ
Để khắc phục nhược điểm trên ta sử dụng bình trung gian ống xoắn,
trong đó dòng lỏng từ thiết bò ngưng tụ được chia ra làm 2 nhánh: nhánh
chính đi qua ống xoắn được qúa lạnh để qua van tiết lưu (2) vào bình bay
hơi. Nhánh phụ qua van tiết lưu (1) vào bình trung gian bay hơi làm mát hơi
nén hạ áp. Sơ đồ nguyên lý và quy trình lạnh thể hiện trên hình 1 và hình 2
dưới đây:
Hình 1: sơ đồ nguyên lý của hệ thống lạnh
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 4
Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ
Hình 2: đồ thò lgP - h của hệ thống lạnh
3/. Các thiết bò.
a). Thiết bò ngưng tụ
- Sử dụng thiết bò ngưng tụ kiểu vỏ ống nằm ngang làm mát bằng nước vì
thiết bò loại này gọn, dễ vệ sinh và dó nhiên là nước giải nhiệt tốt hơn không khí.
- Dòng môi chất đi ngoài ống, nước đi trong ống cũng là để dễ vệ sinh.
- Để tiết kiệm nước ta sử dụng tháp giải nhiệt. Ngoài ra khi sử dụng tháp
giải nhiệt thì nhiệt độ ngưng tụ và do đó cả công suất lạnh rất ổn đònh, ít phụ
thuộc nhiệt độ môi trường và mùa khí hậu trong năm.
- Một lý do khác để ta chọn thiết bò ngưng tụ vỏ ống nằm ngang là hệ số
truyền nhiệt cao, tiêu hao kim loại ít, dễ chế tạo, lắp đặt, vận hành, sửa chữa và
vệ sinh ống.
b). Van tiết lưu
Một thiết bò nhỏ bé nhưng vô cùng quan trọng trong bất kỳ hệ thống lạnh

nào. Van tiết lưu dùng để tiết lưu tác nhân lạnh lỏng từ áp suất ngưng tụ P
k
đến
áp suất sôi P
o
đồng thời điều chỉnh việc cung cấp lỏng cho hệ thống lạnh.
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 5
Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ
Để tự động hóa hệ thống lạnh ta sử dụng van tiết lưu nhiệt được điều khiển
bằng cảm biến nhiệt dựa trên tín hiệu qúa nhiệt của hơi.
c). Các thiết bò phụ.
(1). Bình tách dầu – dùng 2 bình
Phải tách dầu vì môi chất không hòa tan dầu. Bình tách dầu luôn được đặt
đứng và vuông góc với đường đẩy vì như vậy mới dễ thực hiện việc tách.
(2). Bình chứa dầu.
Gom dầu từ: bình tách dầu, bình chứa cao áp, bình trung gian… để giảm tổn
thất và giảm nguy hiểm khi xả dầu từ áp suất cao về máy nén.
(3). Bình chứa cao áp
Đặt dưới bình ngưng để chứa lỏng đã ngưng tụ nhằm giải phóng bề mặt trao
đổi nhiệt của thiết bò ngưng tụ (tức là ta hoàn toàn có thể kết hợp thiết bò ngưng
tụ và bình chứa cao áp), đồng thời duy trì sự cấp lỏng liên tục cho van tiết lưu.
(4). Bình tách lỏng
Để tách các giọt lỏng khỏi luồng hơi hút về máy nén, tránh cho máy nén hút
phải lỏng gây va đập thủy lực làm hỏng máy.
(5). Bình trung gian
Vì sử dụng chu trình 2 cấp nén
→
dùng bình trung gian để hạ nhiệt độ cuối
của qúa trình nén hơi môi chất.
(6). Bình tách khí không ngưng.

- Trong hệ thống lạnh NH
3
luôn có một lượng khí không ngưng tuần hoàn
cùng môi chất lạnh làm giảm hiệu qủa trao đổi nhiệt, tăng áp suất ngưng tụ và
nhiệt độ cuối tầm nén. Bình tách khí không ngưng có nhiệm vụ tách lượng khí
không ngưng này ra khỏi hệ thống.
- Bình tách khí không ngưng được gắn cùng với bình chứa cao áp.
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 6
Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ
Phần II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
I/. Các thông số chọn và tính toán sơ bộ.
Hệ thống thiết bò làm việc tại Thành phố Hồ Chí Minh, có các thông số khí
tượng :
+ Độ ẩm không khí: 74% (mùa hè)
+ Nhiệt độ không khí trung bình: 37,3
o
C (mùa hè)
→
+ Nhiệt độ nhiệt kế ướt: t
ư
= 33
o
C
+ Nhiệt độ đọng sương: t
s
=32
o
C
1/. Nhiệt độ ngưng tụ t
k

- Nhiệt độ nước vào bình ngưng:

1
w
t
= t
ư
+ (3
÷
5)
o
C
= 33
o
C + 4
o
C
= 37
o
C
- Nhiệt độ nước ra:
2
w
t
=
1
w
t
+

∆
t
w

= 37
o
C + 5
o
C (do vỏ ống nằm ngang nên ta lấy
∆
t
w
= 5
o
C)
= 42
o
C
- Chọn nhiệt độ tối thiểu
∆
t
min
= 5K ta có
t
k
=
2
w
t
+

∆
t
min
= 42+5
= 47
o
C
- Nhiệt độ bốc hơi t
o
= f(môi trường làm lạnh)
Nhiệt độ bốc hơi t
o
phụ thuộc nhiệt độ môi trường làm lạnh (thấp hơn nhiệt
độ môi trường làm lạnh từ 5
÷
13
o
C).
Trong trường hợp hệ thống lạnh là tủ cấp đông tiếp xúc thì không khí không
đóng vai trò làm lạnh sản phẩm nhưng ta vẫn coi chúng là môi trường làm lạnh
hay môi trường bò ảnh hưởng lạnh trực tiếp với nhiệt độ là -35
o
C.

→
Nhiệt độ bốc hơi: t
o
=(-35) - 5 = -40
o
C

- Nhiệt độ qúa lạnh:
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 7
Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ
∆
t
ql
= f(môi trường giải nhiệt (nước))
Nhiệt độ qúa lạnh càng thấp năng suất lạnh càng lớn, chọn
∆
t
ql
= t
k
- t
ql
=5
o
C
- Nhiệt độ qúa nhiệt:
chọn
∆
qn
t
= 5
o
C
→
Nhiệt độ môi chất vào máy nén thấp áp: t
1
= t

o
+
∆
qn
t
= -40
o
C + 5
o
C
= -35
o
C
- Áp suất bốc hơi: p
o
= 0,7171 bar = 0,07171 MPa
- Áp suất ngưng tụ: p
k
=18,794 bar = 1,8794 MPa
- Áp suất trung gian:
oktg
p.pp
=

= 3,671 bar = 0,3671 MPa
- Các thông số của chu trình tra và tính dựa trên bảng 7.40 và bảng 7.51
TLTK[11]. Các ký hiệu của những thông số đó được thể hiện trên hình 3 dưới
đây và bảng 1:
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 8
Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ

Hình 3: đồ thò lgp – h tương ứng với các thông số cho trong bảng 1
Bảng 1: các thông số của các điểm trên trình
Thông số
Điểm
t(
o
C) p(bar)
ν
(dm
3
/kg)
h(kj/kg) s(kj/kg.K)
1’ -40 0,7171 1551 1407,3 6,2404
1 -35 0,7171 1588,1 1418,4 6,2875
2 69,96 3,671 479,25 1632,9 6,2875
3
≡
8 -4,12 3,671 335,2 1456,3 5,67
4 116,04 18,794 94,08 1698,32 5,67
5’ 47 18,794 1,7607 420,24 1,7354
5 42 18,794 - 385 -
6 1 18,794 - 209 -
7 -4,12 3,671 - 385 -
9 -4,12 3,671 1,5523 181,17 0,9310
10 -40 0,7171 - 209 -
II/. Tính cách nhiệt
Tủ cấp đông tiếp xúc được cấu tạo gồm dàn khung kim loại chòu lực bao bọc
hai phía bằng thép không rỉ. Giữa 2 lớp thép người ta phun vật liệu cách nhiệt
polyuretan.
+ Lớp (1), (3): thép không rỉ, có bề dày

m005,0
31
=δ=δ

31
λ=λ
= 39 kcal/mhđộ
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 9
Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ
+ Lớp (2) polyuretan:
028,0
cn
=λ
kcal/mhđộ
- Hệ số truyền nhiệt k của lớp vỏ tủ:
2cn
cn
i
i
1
11
1
k
α
+
λ
δ
+
λ

δ
+
α
=
∑
trong đó:
α
1
: hệ số tỏa nhiệt từ ngoài
→
tường cách nhiệt
α
2
: hệ số tỏa nhiệt từ tường
→
buồng
α
1
= 29 kcal/m
2
hđộ
α
2
= 8 kcal/m
2
hđộ
→
Độ dày yêu cầu của lớp cách nhiệt:















α
+
λ
δ
+
α
−λ=δ
∑
2i
i
1
cncn
11
k
1
theo bảng 3-3, p63[1]: k = 0,19 W/m
2
độ = 0,163 kcal/m

2
hđộ
→
mm1672,0
8
1
39
05,0
2
29
1
163,0
1
028,0
cn
=












++−=δ
chọn lên:

mm19,0
cn
=δ
→
028,0
19,0
39
05,0
2
8
1
29
1
1
k
tt
+++
=
= 0,144 kcal/m
2
hđộ
= 0,167 W/m
2
độ
* Kiểm tra đọng sương:
p1
s1
1s
tt
tt

.95,0kk
−
−
α=≤
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 10
Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ
Trong đó:
t
p
= -35
o
C (nhiệt độ trong buồng lạnh)
t
1
= 37,3
o
C (nhiệt độ không khí ngoài trời)
t
s
= 32
o
C (nhiệt độ đọng sương của không khí)
k
s
= 2,02
→

stt
kk
<

, tức là đảm bảo không đọng sương.
- Kích thước tổng cộng bề dày tủ:
m20,0
005,0.219,0
2
icn
=
+=
δ+δ=δ

III/. Chọn tủ
- Tủ MCF – 10 của hãng Mycom:
+ Tác nhân: NH
3

+ Năng suất: 1 tấn/mẻ
+ Kích thước khay: 2000x1250mm
+ Chiều dày khay: 22mm
+ Số khay: 10 khay để sản phẩm + 1 khay ép ở trên
+ Kích thước tủ:
• Cao: 3515 mm
• Dài: 3300 mm
• Rộng: 1830 mm
• Trọng lượng: 3000 kg
- Làm lạnh sản phẩm là “tôm vỏ không đầu” đã được làm lạnh sơ bộ trước
khi đưa vào tủ cấp đông tiếp xúc để cấp đông, chúng có đặc điểm:
+ Khối lượng riêng đổ đống (khối lượng riêng xốp):
3
m/kg850
=ρ

+ Nhiệt độ trước khi vào tủ: t
đ
=10
o
C
+ Nhiệt độ sản phẩm: t
c
=-18
o
C
+ Enthanpy đầu: i
đ
=67,6 kcal/kg
+ Enthanpy cuối: i
c
=1,2 kcal/kg
- Khuôn đựng tôm có kích thước:
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 11
Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ



207x267
60x217x277
p91, TLTK[8]
Kích thước khuôn tôm được thể hiện trên hình 4:
Hình 4: hình dáng và kích thước khuôn tôm
- Các khuôn này được đặt lên một mâm tôm có kích thước 590 x 480
x30mm, mỗi mâm đặt được 4 khuôn. Mâm được làm bằng tôn tráng kẽm. Như
vậy gồm 10 khay tức là đặt được 80 mâm hay tổng cộng là 320 khuôn.

IV/. Thời gian làm lạnh đông một mẻ sản phẩm.
h,
1
P.Q.
tt
..q
i
i
mp1














λ
δ
+
α
+
λ
δ

−
δρ
=τ
∑
TLTK[7]
Trong đó:
+ Do thoát nhiệt theo 2 mặt là lớn nhất, 2 mặt này là 2 mặt song song ép lên
sản phẩm:
→
Q = 0,125
P = 0,5
+ q: nhiệt lượng tỏa ra từ một đơn vò sản phẩm do nước kết tinh, thay bằng
biến thiên enthanpy của sản phẩm, q = i
đ
- i
c
= 67,6 -1,2 = 66,4 kcal/kg
+
ρ
: khối lượng riêng của tôm,
3
m/kg850
=ρ
+
δ
: chiều cao khuôn tôm,
δ
= 60mm = 0,06m
+ t
1

= 37,3
o
C ;
t
p
= -35
o
C
+
m
λ
= 1,155kcal/mhđộ
+
α
: hệ số cấp nhiệt của tác nhân lạnh,
α
= 5,29 kcal/m
2
hđộ
+
∑
λ
δ
i
i
: tổng trở lực của các lớp vật liệu bao bên ngoài tôm,
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 12
Đồ án môn học QTTB GVHD: thầy Trần Văn Ngũ
∑
λ

δ
i
i
=3,104.10
-4
m
2
hđộ/kcal TLTK[7]












++
+
=τ
−
4
10.104,3
29,5
1
5,0
155,1

06,0
.125,0.
353,37
06,0.850.4,66
= 4,8 giờ
≈
5 giờ/mẻ
V/. Cân bằng nhiệt cho tủ cấp đông tiếp xúc.
1/. Tổn thất do truyền nhiệt.
Q
1
= Q
11
+ Q
12
• Q
11
: tổn thất lạnh do tỏa ra môi trường xung quanh,
Q
11
=kF
∆
t
k = 0,144 kcal/m
2
hđộ
∆
t = t
1
-t

p
= 37,3 –(-35)= 72,3
F: tổng diện tích các mặt của tủ, F = 46,32m
2

→
Q
11
= 0,144. 72,3. 46,32
= 482,25 kcal/h
• Q
12
: là tổn thất nhiệt qua khe hở, chọn Q
12
=10% Q
11
→
Q
1
= 1,1 Q
11
=530,5 kcal/h
2/. Nhiệt làm lạnh đông sản phẩm.
Q
2
= G(i
đ
– i
c
)/

τ
= 1000. 66,4/4,8
= 13833 kcal/h
3/. Các tổn thất khác Q
3
Q
3
= Q
31
+ Q
32
Vì không thông gió buồng lạnh nên các tổn thất lạnh khác gồm:
• Q
31
: tổn thất do làm lạnh khuôn sản phẩm.
Q
31
= G
k
.C
k
.( t
đ
- t
c
)
Khuôn làm bằng nhôm có nhiệt dung riêng: C
k
= 0,22kcal/kgđộ
SVTH: Trònh Ngọc Tùng trang 13