đồ án công nghệ thiết kế quy trình công nghệ sản xuất nước đá

Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
- 1 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
Mục Lục
CH NG I: T NG QUANƯƠ Ổ 4
I. TÍNH CH TẤ V TẬ LÝ C AỦ N CƯỚ VÀ N CƯỚ ÁĐ: 4
1.Tính ch t v t lý c a n c: ấ ậ ủ ướ 4
2.Tính ch t v t lý c a n c á:ấ ậ ủ ướ đ 4
II. CH NỌ PH NGƯƠ PHÁP VÀ CÁC TÁC NHÂN LÀM L NHẠ 5
1.C s v t lý c a quá trình ông á: ơ ở ậ ủ đ đ 5
2.Mu i NaCl:ố 5
3.Tác nhân l nh:ạ 6
CH NG 2: L A CH N QUY TRÌNH CÔNG NGHƯƠ Ự Ọ Ệ 8
I. QUI TRÌNH LÀM N CƯỚ ÁĐ: 8
II. THUY TẾ MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ: 14
CH NG 3: CÂN B NG V T CH TƯƠ Ằ Ậ Ấ 15
I. TÍNH NHI TỆ BỂ ÁĐ Q0: 15
II. TÍNH CÁCH NHI TỆ - CÁCH MẨ CHO BỂ ÁĐ : 22
1.Vách b á:ể đ 22
2.N n b á.ề ể đ 26
3.K t c u n p b á:ế ấ ắ ể đ 27
4.Xác nh kích th c c a b á:đị ướ ủ ể đ 27
CH NG 4:TÍNH TOÁN C KHÍƯƠ Ơ 30
I. TÍNH CÁC THI TẾ BỊ CHÍNH TRONG HỆ TH NGỐ LÀM L NHẠ 30
1.Tính toán thi t k thi t b ng ng t : ế ế ế ị ư ụ 30
2.Tính toán thi t b bay h i :ế ị ơ 33
II. TÍNH TOÁN THI TẾ BỊ PHỤ: 34
1.Chu trình l nh c a máy nén:ạ ủ 34
2.Bình tách d u:ầ 36
3.Bình h i d u:ồ ầ 37
4.Bình ch a cao áp:ứ 38

5.Bình tách l ng :ỏ 40
7.M t gasắ 42
8.Tháp gi i nhi tả ệ 42
9.Qu t khu y b á:ạ ấ ể đ 44
10.Các Lo i Vanạ 45
11.H th ng ng ng:ệ ố đườ ố 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- 2 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
LỜI CẢM ƠN
Một niềm tri ân sâu sắc xin gửi đến quý thầy cô khoa Hóa học và Công
nghệ thực phẩm, những người đã truyền đạt kiến thức vô giá làm nền tảng cho
công việc sau này. Cũng như câu danh ngôn “Không thầy đố mày làm nên” tuy
rằng câu danh ngôn ấy hơi thô về mặt từ ngữ nhưng hàm ý bên trong thật to lớn
biết bao về công ơn của thầy cô đã gửi gấm nơi chúng em.
Và đặc biệt xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Quốc Hải người
đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình để nhóm hoàn thành tốt đồ án này.
Cuối cùng xin gởi lời chúc sức khỏe đến các thầy cô trong Khoa Hóa học
và Công nghệ thực phẩm. Đặc biệt là Thầy luôn dồi dào sức khỏe để dạy dỗ
chúng em và các thế hệ mai sau trở thành người có ích cho gia đình và xã hội.
Vũng Tàu, tháng 4 năm 2012

Nhóm SV thực hiện
- 3 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I. Tính chất vật lý của nước và nước đá:
1. Tính chất vật lý của nước:
− Ở áp suất thường nước có khối lượng riêng lớn nhất ở 4°C .Trong quá
trình hạ nhiệt độ từ 4°C - 0°C khối lượng riêng giảm từ 1000-999.9 kg/m

3
và
khi biến thành nước đá khối lượng riêng tiếp tục giảm tới 916.8 kg/m
3

Nước có nhiệt dung riêng cao bất thường, C
nước
=4.18kJ/kgK.Từ đó có thể
thấy nước là một chất toả nhiệt rất tốt.
Nhiệt nóng chảy của nước : λ
c
= 334 kJ/kg
Nhiệt hoá hơi của nước : λ
h
= 2253 kJ/kg
Đứng về phương diện khoa học mà nhận xét thì nước rõ là một chất lỏng có
những điểm bất thường :
Khối lượng riêng ở 4°C là khối lượng riêng cực đại, đáng lẽ ra khối lượng
riêng của thể rắn phải lớn hơn khối lượng riêng ở thể lỏng.
Có nhiệt dung riêng rất lớn và lớn hơn so với nhiệt dung riêng của nhiều chất
lỏng khác.
2. Tính chất vật lý của nước đá:
− Nhiệt độ nóng chảy t = 0°C.
− Khối lượng riêng nước đá : ρ
đ
= 916.8 kg/m
3

− Khối lượng riêng của nước đá có quan hệ nhiệt độ như sau: ρ
đ

=917(1-
0.00015t)
− Khi nước đóng băng thành nước đá thì thể tích nó tăng 9%
− Ẩn nhiệt đóng băng: r = 334 kJ/kg. Khi nhiệt độ hạ 1°C thì r tăng 2.12
kJ/kg
− Nhiệt dung riêng của nước đá : C
đ
=2.12kJ/kg
− Hệ số dẫn nhiệt : λ
đ
= 2.22 W/mK.
- 4 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
II. Chọn phương pháp và các tác nhân làm lạnh
1. Cơ sở vật lý của quá trình đông đá:
Khi hạ nhiệt độ thì thể tích khối nước giảm, đến 3.98°C thì bắt đầu hình
thành cấu trúc mới đặc trưng của tinh thể nước đá.Có những nhóm 5 phân tử
nước (H
2
O)
5
, Mỗi nhóm được tạo thành bằng cách một phân tử nước làm trung
tâm liên kết với 4 phân tử khác bằng liên kết hydro, rồi một nguyên tử oxi của
mỗi phân tử nước này lại tiếp tục làm tâm và liên kết với 4 nguên tử hydro của
của các phân tử nước khác. Kết quả là tinh thể nước đá có cấu tạo là tứ diện
đều. Giữa chúng có nhiều lỗ hổng nên nước đá nhẹ hơn nước lỏng.
Trong làm lạnh đông khi nhiệt độ đến dưới O°C mà vẫn chưa có sự đóng
băng, đó là hiện tượng chậm đóng băng( sự quá lạnh). Sự chậm đóng băng do
sự chậm tạo thành tâm kết tinh và do hiện tượng chuyển động nhiệt Bơ-rau-nơ
và chuyển động tương hổ( kết hợp). Khi làm lạnh đến một nhiệt độ thấp nào đấy

mà hệ thống chuyển động được cân bằng lực theo phương trình: P
kết hợp
= P
đẩy
+
P
ch.d.nhiệt
thì xuất hiện tâm kết tinh của mạng lưới tinh thể, lúc này tương tự như
xảy ra phản ứng tổng hợp: các phần tử lỏng liên kết với mạng tinh thể hiện có
thành một khối nước đá và toả ẩn nhiệt đóng băng ra. An nhiệt đóng băng toả ra
qua lớp nước đóng băng tới môi trường tỏ lạnh hoặc trực tiếp hoặc qua nhiệt trở
của thành.
2. Muối NaCl:
+ ưu điểm:
− Có hệ số truyền nhiệt lớn: α = 200-400(kcal/m
2
hK)
trường hợp chất lỏng chuyển động với vận tốc 5m/s thì α = 400000
(kcal/m
2
hK). Vì thế nên có lợi về mặt kinh tế là rút ngắn thời gian sản xuất, thời
gian phục vụ.
− Dùng muối NaCl (muối ăn) rẻ tiền, dễ kiếm, dễ bảo quản và sử dụng.
− Không độc hại, không gây nổ, không bắt lửa.
- 5 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
− Nhiệt độ đóng băng thấp: NaCl 23.1% khối lượng có nhiệt độ Ơtectic
-21.2°C
− Độ nhớt nhỏ nên giảm được công suất của bơm và trở lực thuỷ lực.:
NaCl 20% có µ = 4.08 PaS ở -10

+ Nhược điểm:
− Tính ăn mòn kim loại cao, làm cho thiết bị chống rỉ, chống mục. Để khắc
phục ta có thể sử dụng chất chống ăn mòn như : 1m
3
dung dịch pha 3.2 kg
Na
2
Cr
2
O
7
(có thêm 0.27 kg NaOH cho 1kg Na
2
Cr
2
O
7
) và trước đó phải đưa
dung dịch về pH = 7. Mỗi năm cũng có một lần phải thêm ½ lượng Na
2
Cr
2
O
7
và
kiềm ban đầu. Cũng có thể dùng 1.6 kg Na
2
HPO
4
.12H

2
0 cho 1 m
3
dung dịch
NaCl (thêm vào hàng tháng).
− Dùng môi trường nước muối để tải lạnh có thể gặp phải nguy hiểm vì
hiện tượng chất tải lạnh đóng băng. Vì thế phải thường xuyên kiểm tra nồng độ
nước muối và thường chọn nồng độ nước muối có khoảng nhiệt độ dự trữ để khi
có hạ nhiệt độ dưới yêu cầu vẫn chưa làm đóng băng dung dịch được.
− Tính chất của dung dịch NaCl, ta có thể chọn NaCl 23% có T
đb
= -20°C,
nhiệt dung riêng ở 0°C: c= 0.794 kcal/kgK, hệ số dẫn nhiệt ở -10°C: λ = 0.434
kcal/kgK.
− Khi đó chọn nhiệt độ của nước muối trong bể đá là -10°C.
3. Tác nhân lạnh:
Trong phương pháp sản xuất nước đá bằng bể đá khối thì hệ thống lạnh
+ Ưu diểm của NH
3
:
− Năng suất lạnh riêng khối lượng q
0
(kJ/kg) lớn nên lưu lượng môi chất
tuần hoàn trong hệ thống nhỏ, rất phù hợp cho các máy lạnh co năng suất lớn.
− Năng suất lạnh riêng thể tích q
v
(kJ/m
3
) tương đối nhỏ nên máy nén gọn
nhẹ.

- 6 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
− Các tính chất trao đổi nhiệt tốt, hệ số tỏa nhiệt khi sôi và ngưng tụ tương
đương với nước nên không cần tạo cánh trong các thiết bị trao đổi nhiệt với
nước.
− Tính lưu động cao, tổn thất áp suất trên đường ống, các cửa van nhỏ, nên
các thiết bị này khá gọn nhẹ.
− Amoniac không ăn mòn thép, các kim loại đen chế tạo máy, nhưng ăn
mòn đồng và các hợp kim của đồng (trừ hợp kim đồng có photpho) nên không
sử dụng đồng và các hợp kim của đồng trong hệ thống lạnh amoniac.
− Có mùi khó chịu, dễ phát hiện rò rỉ ra ngoài môi trường.
− Ít tan trong dầu bôi trơn, đỡ ảnh hưởng đến quá trình bôi trơn và đỡ ảnh
hưởng đến chất lượng của tác nhân.
+ Nhược điểm của NH3:
− Trong không khí chứa một lượng NH
3
nhất định có thể bắt lửa, gây nổ,
hoả hoạn, không an toàn cho thiết bị và người.
− Amoniac độc hại đối với cơ thể con người gây kích thích niêm mạc của
mắt, dạ dày, gây co thắt cơ quan hô hấp, làm bỏng da.Tuy độc hại, nhưng
amoniac là môi chất lạnh rẻ tiền, dễ kiếm, vận chuyển, bảo quản tương đối dễ
dàng, nước ta sản xuất được nên nó vẫn được sử dụng.
- 7 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
I. Qui trình làm nước đá:
1. Nguồn nước sử dụng:
Sử dụng nguồn nước cấp từ thành phố.
 Ưu điểm:
− Nguồn nước này đã qua xử lý, do đó sẽ tiết kiệm được chi phí xử lý nước.

− Ở qui mô nhà máy này có năng suất nhỏ nên dùng nguồn nước này tiện
hơn nếu phải xây dựng thêm một công trình cấp nước.
 Nhược điểm:
− Chi phí cho việc sử dụng nước nhiều.
- 8 –
Nước cấp từ
TP
Nước
Cặn
bã
Muối
Xử lý nuớc
Cấp nuớc vào bể
chứa
Hoa tan trong bể
Đóng băng
Nâng linh đá ra
khỏi bể
Lấy đá ra Bể tan đá
Cho vào bể đáRót nước
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
− Đôi khi cung cấp không ổn định.
2. Xử lý nước:
Mặc dù nước cấp từ thành phố đã qua xử lý sơ bộ tuy nhiên do nước đá dùng
để uống, bảo quản thực phẩm phải đảm bảo yêu cầu vệ sinh như đối với các
thực phẩm tiêu dùng trực tiếp vì vậy cần phải được xử lý trước khi đưa vào sản
xuất.
Trong công nghệ sản xuất nước đá từ nước ngọt, người ta đòi hỏi những yêu
cầu đặc biệt đối với nguyên liệu (nước) và sản phẩm (nước đá), thiết bị và quá
trình sản xuất.

Thông thường nguồn nước phải đảm bảo các yêu cầu sau:
• Số lượng vi khuẩn trong nước phải nhỏ hơn: 100 con/ml
• Vi khuẩn đường ruột phải nhỏ hơn: 3con/l
• Chất khô cho phép: 1g/l
• Độ cứng chung của nước: < 7mg/l
• Độ đục theo hàm lượng các hạt lơ lửng không quá 1.5mg/l
• Hàm lượng sắt: < 0.3mg/l
• pH= 6.5-9.5
 Yêu cầu đối với nước đá :
Bảng 1: Hàm lượng tạp chất đối với nước đá trong sản xuất ở -10
°
C
Tạp chất Hàm lượng tối đa
Hàm lượng muối chung, mg/l 250
Sulfat+0.75clorua+1.25 natri cacbonat, mg/l 170
Muối cứng tạm thời, mg/l 70
Sắt, mg/l 0.04
Tính oxi hoá O
2
, mg/l 3
pH 7
Bảng 2: Ảnh hưởng của tạp chất tới chất lượng nước đá
- 9 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
Tạp chất Anh hưởng đến chất lượng nước đá Kết quả chế
biến nước
CaCO
3
Tạo chất lắng bẩn ở phần dưới và
giữa cây đá làm nứt ở nhiệt độ thấp

Tách ra được
MgCO
3
Tạo chất lắng bẩn, bọt khí, làm nứt
ở nhiệt độ thấp
Tách ra được
Oxit sắt Cho chất lắng màu vàng (nâu) và
nhuộm màu chất lắng canxi và
magie
Tách ra được
Oxit silic
và oxit
nhôm
Cho chất lắng bẩn Tách ra được
Chất lơ
lửng
Cho cặn bẩn Tách ra được
Sulfat natri
clorua,
sulfat canxi
Tạo các vết trắng ở lõi, kéo dài thời
gian đóng băng , không có chất
lắng
Không thay
đổi
Clorua
canxi và
sulfat
magie
Cho chất lắng xanh nhạt ở lõi, kéo

dài thời gian đóng băng
Biến đổi
thành sulfat
canxi
Clorua
magie
Biểu hiện dưới dạng vết trắng
không có cặn
Biến đổi
thành clorua
canxi
Cacbonat
natri
Làm nứt đá, tạo vết màu trắng ở
lõi, kéo dài thời gian đóng băng,
tạo độ đục cao không có cặn
Biến đổi
thành
cacbonat
canxi
3. Cấp nước vào bể chứa:
Nước sau khi qua xử lý sẽ được bơm bơm vào bể chứa để cung cấp cho sản
xuất và sinh hoạt.
- 10 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
 Tính thể tích bể đá: V
Lượng nước dùng để sản xuất 100 cây đá(cây 50 kg) trong ngày:
V
1
= G.g/ ρ (2-1)

Trong đó: G : 100 cây/ngày
g : khối lượng một cây đá, g= 50 kg
ρ : khối lượng riêng của nước, ρ = 999 kg/m
3
⇒V
1
= 100x50/999 = 5m
3
/ngày
Lượng nước dự trữ: V
2
=1m
3
Vậy thể tích bể chứa là: V = V
1
+ V
2
= 5 + 1 = 6m
3
Kích thước bể chứa: dài x rộng x cao = 2 x 2 x1.75=7m
3
4. Cấp nước vào khuôn:
Vì hệ thống không sử dụng máy rót nước nên cứ sau mỗi mẻ công nhân lấy
đá ra sẽ gắn vòi nước vào các ống cấp nước được thiết kế phía trên bể đá
chuyền xuống châm nước vào khuôn.
Khi châm nước phải châm mực nước trong khuôn thấp hơn mực nước muối
để làm lạnh đông điều và nhanh. Đồng thời, mực nước trong khuôn phải thấp
hơn miệng khuôn để tránh khi đông thể tích của nước đá tăng 9%, trào ra ngoài
làm giảm nồng độ của nước muối.
 Quá trình đông đá:

Sau khi châm nước vào khuôn, thì cho vào bể đá, thực hiện quá trình đông
đá.
Nước muối được hoà tan trong bể với nồng độ chọn trước, sẽ được làm lạnh
bởi dàn bay hơi ống đứng tới nhiệt độ -10°C và chuyển động trong bể nhờ các
máy khuấy.
Khi đó quá trình truyền nhiệt giữanước muối lạnh và nước lỏng qua vách
khuôn. Nước lỏng sẽ giảm nhiệt độ cho tới nhiệt độ đóng băng (nhỏ hơn 0°C)
thường là -5° và
t
1
> t
2
.
- 11 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
Hình 1: Sơ đồ của quá trình đông đá.
Bề mặt truyền nhiệt là vách khuôn đá, với bề dày của thành là δ
M
(m), hệ số
dẫn nhiệt của thành kim loại là λ
M
( W/mK).
Thành được tiếp xúc với nước có nhiệt độ t
1
> 0°C, hệ số cấp nhiệt từ phía
nước vào đá là α
1
( W/m
2
K).

Nhiệt độ của môi trường tải lạnh là t
2
, hệ số cấp nhiệt từ vách phẳng vào
môi trường là α
2
( W/m
2
K).
Hệ số dẫn nhiệt của nước đá là λ
đ
( W/mK)

, của thành kim loại là
λ
M
( W/mK).
δ
d
bề dày thành nước đá tạo thành, θ
0
nhiệt độ vách nước đá vừa đông (°C).
Ta có, dòng nhiệt từ nước vào bề mặt đá q
1
phụ thuộc vào t
1
-θ
0
: q
1
= α

1
(t
1
-θ
0
)
(W/m
2
)
Khi ở bề mặt thành có lớp đá dày δ
d
, hệ số truyền nhiệt từ mặt thành vào môi
trường tải lạnh:
( )
21
2
2
1
tt
t
K
M
M
d
d
o
−









++
−
=
αλ
δ
λ
δ
θ
(2-2)
5. Chọn phương án sản xuất:
Ngày nay khoa học kỹ thuật tiến bộ nên có nhiều loại máy sản xuất nước đá
như : máy đá khối, máy đá vảy, máy đá viên,….Các loại máy trên có thể hoạt
- 12 –
δ
d
δ
M
dδ
t
1
, α
1
t
2
, α

2
λ
d
λ
M
θ
o
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
động liên tục hoặc gián đoạn, có loại làm nước đá trực tiếp, có loại gián tiếp qua
nước muối.
 Làm lạnh trực tiếp :
• Ưu điểm :
- chỉ tiêu kinh tế cao( do không mất thời gian giữa nước muối và môi chất
lạnh)
- dễ sử dụng,dễ vận hành
• Nhược điểm:
- năng suất giới hạn.
- chế tạo máy móc thiết bị khó khăn nên vốn đầu tư cao.
 Làm Lạnh gián tiếp :
• Ưu điểm :
Đơn giản dễ chế tạo
Sử dụng cho năng suất lớn.
- Thao tác vận hành dễ.
- Vốn đầu tư thấp.
• Nhược điểm :
- Tổn thất chất tải lạnh .
- chi phí đầu tư tốn kém.
Đối với đồ án này thì năng suất thuộc loại nhỏ và dạng nước đá sản xuất để
tiêu dùng (dạng cây 50 kg) nên em chọn phương án làm lạnh gián tiếp qua nước
muối.

Phương pháp này thuộc loại cổ điển, có nhiều nhược điểm về chỉ tiêu kinh
tế cũng như chỉ tiêu vệ sinh nhưng được có ưu điểm lớn là đơn giản, dễ chế tạo,
sử dung cho năng suất lớn, thao tác trong sản xuất gọn, vốn đầu tư thấp. Hiện
nay thì hầu hết các phân xưởng sản xuất nước đá ở nước ta đều chọn phương
pháp này.
- 13 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
Theo phương pháp này thì hệ thống thiết bị bao gồm: máy nén, thiết bị
ngưng tụ, thiết bị bay hơi ngâm trong bể nước muối, bình chứa cao áp, khuôn
đá, các thiết bị phụ khác,…Với năng suất lớn đòi hỏi sản xuất liên tục thì còn có
cơ cấu tự động đẩy khuôn đá, balance cẩu đá, máy rót nước vào khuôn.Tuy
nhiên với năng suất nhỏ như phân xưởng này thêm vào đó là việc cung cấp sản
phẩm với số lượng lớn đồng thời, nên em chọn sản xuất nước đá theo từng mẻ,
phân phối sản phẩm đồng thời nên không cần phải có hệ thống cơ giới hoá.
II. Thuyết minh sơ đồ công nghệ:
− Đầu tiên hơi môi chất được hút về máy nén là hơi quá nhiệt với
t
0
= -23
0
C,p
0
=1,6 at .Sau đó được nén đến nhiệt độ t
k
=46
0
C và p
k
=18,3 at Mpa và
được đưa qua van tiết lưu vào bình tách dầu (3) ở đây dầu được tách ra ,giữ lại

và gom vào bình chứa dầu (12) sau đó được đưa về máy nén nhờ nguyên tắc
chênh lệch áp suất.Còn hơi môi chất qua van tiết lưu được chuyển vào bình
ngưng tụ.Tại bình ngưng tụ môi chất được trao đổi nhiệt và hóa lỏng,nhiệt độ
trong bình lúc này khoảng 41
0
C.ở phần trên của bình ngưng dòng lỏng có nhiệt
độ cao nên dòng lỏng sẽ được đưa qua tháp giải nhiệt (10) để giải nhiệt làm
mát,hạ nhiệt độ xuống (10) và nhiệt độ được hạ xuống 35
0
C rồi được bơm lại
bình ngưng sau đó dẫn xuống bình cao áp (5).Môi chất đã được giải phóng bề
mặt trao đổi nhiệt của bình ngưng tụ với p=15 at và được tách làm 2 phần.phần
trên thì hơi không ngưng được lấy ra ngoài ,phần lỏng dưới đáy qua van đi tới
mắt gas(11) sau đó dòng lỏng tiếp tục đi qua van xuống bình tách lỏng (6).Ở
đây chất lỏng được tách hoàn toàn được hiện thị mức qua (LC) và chia thành 2
dòng.Trên đỉnh bình tách hơi khô bão hòa được đưa qua phin lọc ,sấy và đưa về
máy nén còn phần lỏng ở dưới được di chuyển xuống bể đá.Ở bể đá có hệ thống
quạt khuấy(9) nhằm trộn tuần hoàn nước muối trong bể đá,tăng cường sự trao
đổi nhiệt giữ bề mặt khuôn đá và nước muối.Nước được rót sẵn vào các khuôn
và qua strinhf làm lạnh được lặp đi lặp lại theo một chu trình khép kín tuần hoàn
- 14 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
và cứ sau 19h ta thu được đá rồi lấy sản phẩm ra ngoài châm nước vào khuôn
rồi tiếp tục mẻ mới.
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. Tính nhiệt bể đá Q
0:
0 1 2 3 4 5
Q = Q + Q + Q + Q + Q ,KW
- 15 –

Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
Q
1
- dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che vào bể, ở đây là thành, đáy và
nắp bể.
Q
2
- dòng nhiệt thu của nước làm đá từ 30
0
C xuống 0
0
C.
Q
3
- dòng nhiệt do thông gió, ở đây lấy bằng 0.
Q
4
- dòng nhiệt do vận hành như bơm khuấy nước muối, lấy đá ra khỏi
khuôn.
Q
5
- dòng nhiệt do sản phẩm hô hấp, ở đây lấy bằng 0.
a. Nhiệt truyền qua kết cấu bao che bể đá:

Bể đá được đặt trong nhà xưởng nên khả năng bị bức xạ trực tiếp rất ít vì vậy
nhiệt truyền qua kết cấu bao che bể đá chỉ do độ chênh lệch nhiệt độ giữa nước
muối trong bể và không khí bên ngoài. Gồm 3 thành phần :
 Nhiệt truyền qua tường bể đá
Q
11

= K
t
. F
t
.
∆
t
t
K
t
:là hệ số truyền nhiệt của tường đá. K = 0.49 W/m2K
F
t
: Diện tích tường bể đá, m
2
. Diện tích tường được xác định từ chiều cao và
chu vi của bể. Chiều cao tính từ mặt nền ngoài bể đến thành bể. Chu vi được
tính theo kích thước bên ngoài của bể.
F
t
= 2x( D+R)x1250
R =4370 mm là chiệu rộng bể đá
H = 1250 mm là chiều cao bể đá
D = 4900 mm là chiều dài bể đá
F
t
= 2x( 4900+4370)x1250 = 24300000mm
2
= 24.3 m
2

∆
t
t
= t
1
– t
2
= 37,3 – (-10) = 47,3
o
C
Vậy Q
11
= 0.49x24.3x47.3 = 556.248 W
 Nhiệt truyền qua nắp bể đá :
Q
12
= K
n
.F
n
.
∆
t
n
F
n
: Diện tích nắp bể đá được xác định theo kích thước chiều dài và chiều
rộng bên trong bể đá (m
2
)

F
n
= D.R = 4370 . 4900 = 21413000 mm
2
- 16 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
∆
t
n
= t
1
– 1
3
t
1
= 37,3
o
C nhiệt độ không khí bên ngoài
t
3
: nhiệt độ không khí ở bên dưới nắp bể đá thường chênh lệch 5
÷
6
o
C so
với nước muối trong bể. Ta chọn t
3
= -5
o
C

∆
t
n
= 37.3 – (- 5) = 42,3
o
C
K
n
: hệ số truyền nhiệt ở nắp bể đá (W/m
2
K) :
K
n
=
1
2
1
1 1
δ
α λ α
+ +
(W/m
2
K)
Tra bảng 3 – 7/tr86 ta có
α
1
và
α
2

:
α
1
= 23.3 W/m
2
K. Hệ số tỏa nhiệt bên ngoài.
α
2
= 8 W/m
2
K. Hệ số tỏa nhiệt bên trong .
δ
= 50 mm. Chiều dày nắp bể
λ
= 0,23 W/mK. Hệ số dẫn nhiệt của gỗ.
K
n
=
1
1 0,05 1
23,3 0,23 8
+ +
= 2.6W/m
2
K
Vậy Q
12
= 2.6x24.3x42.3 = 2672.514 W
 Nhiệt truyền qua nền đá
Do nền có sưởi nên dòng nhiệt qua sàn có thể xác định theo biểu thức :

Q
13
=
∑
K
q . F. (t
1
- t
2
) .m
t
1
= 37,3
o
C là nhiệt độ không khí bên ngoài
t
2
= -10
o
C là nhiệt độ nước muối trong bể
K
q
: Hệ số truyền nhiệt qui ước tương ứng với từng vùng
F : Diện tích tương ứng với từng vùng nền
Để tính toán dòng nhiệt vào qua sàn, người ta chia sàn ra các vùng khác nhau
có chiều rộng 2m mỗi vùng tính từ bề mặt tường bao vào giữa buồng.
Giá trị của hệ số truyền nhiệt quy ước k
q
,W/m
2

K, lấy theo từng vùng là:
Vùng rộng 2m dọc theo chu vi tường bao
- K
q
= 0,47 W/m
2
.K
- 17 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
- F = 2.
[ ]
)4).(4( −−− RDDR
= 2.
[ ]
)437,4)(49,4(37,4.9,4 −−−
= 42,16 m
2
- Vùng còn lại ở giữa bể đá :
- K
q
= 0,07 W/m
2
.K
- F = (D-4)(R-4) = (4.9-4)(4.37-4) = 0,333 m
2
- Hệ số tính đến sự gia tăng tương đối trở nhiệt của nền khi có lớp cách
nhiệt
m =
1
1 1,25

i
i
δ
λ
+
∑
Từ bảng 4 ta có :
i
δ
: Chiều dày của từng lớp kệt cấu nền (m)
i
λ
: Hệ số dẫn nhiệt của từng lớp vật liệu (W/m.K)
m =
1
0.006 0.02 0.2 0.23 0.003 0.2 0.1
1 1.25
45 0.88 1.4 0.19 0.15 1.4 0.45
 
+ + + + + + +
 
 
= 0.175
Vậy Q
13
= (0.47+0.07)x(42.16+0.333)x(37.3+10)x0.175= 190W
⇒
Q
1
= Q

11
+ Q
12
+ Q
13
= 556.248+2672.514+190 = 3148.762 W
b. Nhiệt để đông đá và làm lạnh khuôn đá :Q
2
 Nhiệt làm lạnh nước và đông đá :
Q
21
= E .
0
q
τ
; w
E = 5000 (kg/ngày) năng suất bể đá
τ
= 19.3600 = 68400 (giây) thời gian để đông đá cho một mẻ.
q
0
: Nhiệt lượng làm lạnh 1 kg nước đá từ nhiệt độ ban đấu đến khi đông đá
hoàn toàn .
q
0
= C
pn
. t
1
+ r +C

pđ
|t
2
| (J/kg)
C
pn
= 4186 J/kg.K. Nhiệt dung riêng của nước
r = 333600 J/kg. Nhiệt đông đặc (80 Kcal/kg)
- 18 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
C
pđ
= 2090 J/kg.K(0,5 kCal/kg.K)
t
1
= 30
o
C. Nhiệt độ nước đầu vào
t
2
= -8
o
C. Nhiệt độ cây đá.
q
0
= 4186x30 + 333600 + 2090x8= 475900 J/kg
Vậy Q
21
= 5000.
475900

68400
= 34788 W
 Nhiệt làm lạnh khuôn đá:
Q
22
= M .
1 2
( )
pk
k k
C t t
τ
−
τ
= 68400 giây
M - Tổng khối lượng khuôn đá, kg.
Tổng khối lượng khuôn bằng số lượng khuôn nhân với khối lượng một
khuôn đá. Khối lượng khuôn đá tham khảo bảng 3-6. Khối lượng khuôn 50 kg
là 27,2 kg.
M = 112x27,5 = 3080(kg)
C
pk
= 390 J/kg.K. Nhiệt dung riêng của khuôn (Khuôn làm bằng tôn kẽm)
t
k1
= 30
o
C. Nhiệt độ khuôn ban đầu ta lấy bằng nhiệt độ nước
t
k2

= -10
o
C. Nhiệt độ của nước muối
Q
22
= 3080.
390(30 10)
68400
+
= 702 W
⇒
Q
2
= Q
21
+ Q
22
= 34788 + 702 = 35490 W
⇒ Vậy dòng nhiệt tổn thất từ bể đá là:
0 1 2 3 4 5
Q Q Q Q Q Q= + + + +
= 3.1 + 35 + 0 + 2.2 + 0 = 40.3KW
c. Dòng nhiệt do vận hành như bơm khuấy nước muối, lấy đá ra khỏi
khuôn Q
4
 Nhiệt do bộ cánh khuấy gây raQ
41
:
Do năng suất bể đá là 5 tấn nên ta chọn bộ cánh khuấy có hãng MYCOM có
MODEL là 180 VGM có tốc độ 1000 V/P, lưu lượng 7,5 m3/p, công suất

N
=
- 19 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
1,5 KW, hiệu suất
η
=0,9. Bộ cánh khuấy được bố trí bên ngoài bể muối vì vậy
nhiệt năng do bộ cánh khuấy tạo ra được xác định:
Q
41
= 1000.
η
.N = 1000.0,9.1,5 = 1350 W
 Nhiệt do nhúng cây đá Q
42
:
Tổn thất nhiệt do làm tan đá được coi là tổng công suất cần thiết để làm lạnh
khối đá đã bị làm tan nhằm rút đá ra khỏi khuôn.
0 0
42
. . . . . .
q q
Q n g n f
δ ρ
τ τ
= =
n = 112 là số khuôn đá
g: khối lượng phần đá tan rã, kg
g = f.
ρδ

.
f = 1,25m
2
là diện tích bề mặt cây đá
δ
: chiều dài phần đá đã tan khi nhúng. Để có thể rút đá ra khỏi khuôn caàn
làm tan đá một lớp
δ
= 0,001 m
ρ
= 900 kg/m
3
là khối lượng riêng của đá.
g = 1,25 . 0,001 . 900 = 1,125 kg
q
o
: nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh 1 kg đá từ nhiệt độ ban đầu đến khi
đông đá hoàn toàn. Qo = 480080 J/kg.
τ
= 68400 giây thời gian đông đá
Q
42
= 112x1.25x0.001x900.
68400
480080
= 884.358 W
⇒
Q
4
= Q

41
+ Q
42
= 1350 + 884.358 =2234.358 W
a. Vật liệu cách nhiệt:
Để hạn chế tổn thất lạnh, do sự chênh lệch nhiệt độ giữa bể đá, kho trữ đá
(nhiệt độ thấp) và môi trường bên ngoài (nhiệt độ cao ) nên gây ra tổn thất lạnh.
Khi chọn vật liệu cách nhiệt cho một trường hợp ứng dụng nào đó cần phải lợi
dụng triệt để các ưu điểm và hạn chế đến mức thấp nhất các nhược điểm của nó.
- 20 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
Ta phải dùng kết cấu bao che để giảm tổn thất lạnh, bể đá và phòng trữ cần phải
được cách nhiệt thật tốt, chất lượng vách cách nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào tính
chất của vật liệu kết cấu lớp cách nhiệt cần có các tính chất sau:
• Hệ số dẫn nhiệt nhỏ.
• Khối lượng riêng nhỏ.
• Ít bị hút ẩm.
• Không mùi, không cháy, không bị nấm bốc.
• Tuổi thọ kéo dài.
• Rẻ tiền.
Vật liệu cách nhiệt thường dùng hiện nay là polystyrol xốp và polyuretan.
Loại vật liệu này có nhược điểm là dễ co rút do nhiệt độ thấp, sự co rút này có
thể làm hở các mối ghép do đó ta phải dùng hai lớp cách nhiệt với mối ghép so
le.
b. Vật liệu cách ẩm:
Hơi ẩm bên ngoài luôn có xu hướng thâm nhập vào bên trong lớp cách
nhiệt. Lớp cách nhiệt bị ẩm ướt sẽ giảm khả năng cách nhiệt và do đó sẽ làm
tăng tổn thất lạnh và lớp cách nhiệt mau hư hỏng. Vì thế, việc cách nhiệt luôn đi
kèm với cách ẩm.
Để giữ gìn lớp cách nhiệt không bị ẩm ướt người ta sử dụng các loại vật

liệu cách ẩm phủ lên mặt ngoài của lớp cách nhiệt.
Vật liệu cách ẩm thường dùng là: keo, bitum, giấy dầu, giấy nhựa, giấy
kim loại…
Kết cấu lớp cách nhiệt phải đảm bảo yêu cầu sau :
 Bề dày lớp cách nhiệt phải tính sao cho hệ số truyền nhiệt K của vách bao
che có giá trị tối ưu.
 Bề dày lớp cách nhiệt đủ lớn để ngăn chặn hiện tượng ngưng tụ hơi nước
trên bề mặt ngoài vách phòng lạnh.
 Lớp cách nhiệt phải liên tục, liên kết chặt chẽ với kết cấu xây dựng.
- 21 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
 Đối với bể đá và phòng trữ đá ta dùng vật liệu cách nhiệt là polystyrol và
cách ẩm là giấy dầu.
II. Tính cách nhiệt - cách ẩm cho bể đá :
1. Vách bể đá:
Giữa các lớp giấy dầu, tường và lớp cách nhiệt có quét Bitum nóng chảy
để dán dính chúng lại.
Chọn kết cấu vách bể đá như hình vẽ:
Hình 2: kết cấu vách cách nhiệt:
Bảng 3: thông số các lớp cách nhiệt vách bể đá.
- 22 –
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
 Hệ số truyền nhiệt qua vách:
∑
=
+++
=
n
i
cn

cn
i
i
k
1
21
11
1
αλ
δ
λ
δ
α
(3-1)
Từ đó:














++−=⇒

∑
=
n
i
i
i
cncn
k
1
21
111
αλ
δ
α
λδ
(3-2)
Trong đó:
− α
1
: hệ số toả nhiệt của môi trường bên ngoài (phía nóng) tới tường
(W/m
2
K)
Bảng 3-7/tr86 [3] : chọn α
1
= 23.3 (W/m
2
K)
α
2

: hệ số toả nhiệt của vách vào trong bể nước muối, chọn α
2
= 8 (W/m
2
K)
- 23 –
STT Vật liệu Bề dày
δ
i
(m)
Hệ số dẫn nhiệt
λ
i
(W/mK)
1
2
3
4
5
6
7
Vữa xi măng
Gạch
Vữa ximăng
Giấy dầu
Polystyrol
Lưới thép
Vữa trát
0.02
0.025

0.02
0.004
δ
CN
0.006
0.02
0.88
0.82
0.88
0.18
0.047
45
0.88
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
− δ
cn
: chiều dày lớp cách nhiệt (m)
− λ
cn
: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt.
− K : hệ số truyền nhiệt của bể đá W/m
2
.K. hệ số truyền nhiệt K đựoc
xác định trên cơ sở tính toán kỹ thuật. Có thể lấy hệ số truyền nhiệt K
tuơng đương với hệ số truyền nhiệt của kho lạnh.
Theo bảng 3-5/tr84 : ta có k = 0.58 (W/m
2
K)
Vậy :
1 1 3 0.02 0.25 0.004 0.006 1

0.047 0.055( )
0.58 23.3 0.88 0.82 0.18 45 8
cn
x
m
δ
 
 
= − + + + + + =
 ÷
 
 
 
⇒ chọn δ
cn
= 0.1 m
Khi đó:
1
0.46
1 3 0.02 0.25 0.004 0.006 0.1 1
23.3 0.88 0.82 0.18 45 0.047 8
k
x
= =
+ + + + + +
(W/m
2
K)
Vậy chiều dày của vách bề đá là: δ=194mm
 Kiểm tra đọng sương của vách cách nhiệt:

− t
1
: nhiệt độ ngoài không khí, t
1
= 37.3°C
− t
2
: nhiệt độ trong bể đá, t
2
= -10°C
− t
s
: nhiệt độ đọng sương, tra giản đồ trạng thái không khí ẩm( với
không khí có nhiệt độ 37.3°C và độ ẩm 75%) ta có; t
s
= 31°C
Hình 3: Sự truyền nhiệt qua vách
21
11
1
tt
tt
k
w
−
−
=⇒
α
(3-3)

Điều kiện không đọng sương là: t
w1
> t
s
- 24 –
t
1
t
w1
t
w2
q
t
2
Đồ Án Công Nghệ GVHD:ThS.Nguyễn Quốc Hải
21
1
1
tt
tt
k
s
−
−
〈⇒
α
(3-4)
Thực tế người ta lấy:
( )
1

1
1 2
37.3 31
0.95. 0.95 23.3 2.95
37.3 10
s
s
t t
k x
t t
α
−
−
= = =
− − −
(W/m
2
K)
Để vách ngoài không đọng sương k = 0.46 < k
s
= 2.94 (thỏa)
 Kiểm tra đọng ẩm của vách cách nhiệt:

Hình 4: cơ cấu truyền nhiệt qua vách
Từ bảng 3-7:
α
1
= 23,3 W/m.K;
α
2

= 8 W/m.K
• Mật độ dònh nhiệt qua kết cấu cách nhiệt:
q = K
t
.
∆
t = 0.46.(37.3+10) = 21.758 W/m
2
K
• Xách định nhiệt độ bề mặt các lớp vách:
q =
α
1
(t
f1
- t
1
)
=> t
1
= t
f1
-
1
α
q
= 37.3 –
21.758
23.3
= 36.4

0
C
t
2
= t
1
-
1
1
.q
δ
λ
= 36,4-
21.758 0.02
0.88
x
= 36
0
C
t
3
= t
2
-
2
2
.q
δ
λ
= 36 -

21.758 0.025
0.82
x
= 35
O
C
t
4
= t
3
-
3
3
.q
δ
λ
= 35 –
21.758 0.02
0.88
×
= 34.5
O
C
t
5
= t
4
-
4
4

.q
δ
λ
= 34.5 -
21.758 0.004
0.18
×
= 34
O
C
- 25 –
t
f1
t
f2
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
t
7
t
1
t

8