Thiết kế máy sản xuất nước đá không dùng khuôn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
Khoa Kỹ Thuật Hóa Học
Bộ môn Quá trình và Thiết bị
ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MSMH: 605109
Thiết kế máy sản xuất nước đá không dùng khuôn
Cán bộ hướng dẫn: Thầy TRẦN VĂN NGŨ
Sinh viên thực hiện:
MSSV: Lớp:
Ngành: Quá trình và thiết bị
Năm học: 2012 - 2013
Lời nói đầu
Đồ án chuyên ngành là cơ hội tốt giúp cho sinh viên nắm vững, tổng hợp kiến thức đã
học; tiếp cận với thực tế thông qua việc tính toán, lựa chọn quy trình và các thiết bị với số
liệu cụ thể. Đây là cơ sở để sinh viên dễ dàng nắm bắt công nghệ và giải quyết những vấn đề
kỹ thuật tổng hợp một cách nhanh chóng, phục vụ cho công việc sau này. Đồng thời còn
giúp sinh viên chuẩn bị tốt kiến thức để làm luận văn sau này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Ngũ đã chỉ dẫn tận tình trong quá trình em
thực hiện đồ án này. Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn đã giúp đỡ, cho em
những ý kiến tư vấn bổ ích trong quá trình hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do kiến thức
còn hạn hẹp nên trong đồ án này còn khá nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được nhiều ý
kiến đóng góp chỉ dẫn của thầy và các bạn.
Mục lục
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Nước đá và tính chất vật lý của nước đá:
Ở áp suất thường nước có khối lượng riêng lớn nhất ở 3,98
o
C. Trong quá trình hạ
nhiệt độ của nước từ 3,98
o
C đến 0

o
C khối lượng riêng giảm từ 1000 kg/m
3
xuống còn
999,9 kg/m
3
( khi đóng băng thể tích nước tăng 9%).
Khối lượng riêng nước đá có quan hệ với nhiệt độ: ρ = 917.(1 – 0,00015t)
Ẩn nhiệt đóng băng r = 334kJ/kg.
Nhiệt dung riêng nước đá C
đ
= 2,12 kJ/(kg.K) và hệ số dẫn nhiệt
đ
= 2,22 W/(m.K) có
quan hệ với nhiệt độ như sau :
C
đ
= 2,12 + 0,00779t
λ
đ
= 2,22(1 - 0,0015t)
Nước đá có cấu tạo tinh thể, có những nhóm năm phân tử nước. Một phân tử nước
làm trung tâm liên kết với bốn nguyên tử nước khác. Nguyên tử O của phân tử nước trung
tâm liên kết với bốn nguyên tử O của bốn phân tử kia qua bốn nguyên tử H, rồi nguyên tử
O của mỗi một trong bốn phân tử này lại tiếp tục làm trung tâm và liên kết với bốn nguyên
tử H của các phân tử nước khác.
Các tinh thể nước đá cấu tạo từ những tứ diện đều. Như vậy trong mỗi nguyên tử O
liên kết với bốn nguyên tử H và mỗi nguyên tử H liên kết với hai nguyên tử O tạo nhiều lỗ
hổng, do đó nước đá nhẹ hơn nước ở thể lỏng.
Nước đá được sử dụng để làm lạnh vì có khả năng nhận nhiệt của môi trường xung

quanh và tan thành nước ở thể lỏng ở nhiệt độ 0
o
C.
1.2 Vai trò của việc sản xuất nước đá:
Nước đá được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong nhiều lĩnh vực như sử dụng trong làm
lạnh, trữ lạnh cho vận chuyển, bảo quản nông thủy sản, thực phẩm, sử dụng cho chế biến
lạnh các sản phẩm từ thịt, cho chế biến thủy hải sản, cho sinh hoạt, nhất là ở những vùng
nhiệt đới để làm mát và giải khát. Trong đó, đá cây chiếm vai trò quan trọng trong nhiều
lĩnh vực của cuộc sống.
Hiện nay phương pháp bảo quản lạnh bằng nước đá được sử dụng rất phổ biến trong
bảo quản các nguyên liệu thủy hải sản, do phương pháp này rất đơn giản, rẻ tiền và dễ sử
dụng. Từ khi Bộ Y tế khuyến cáo các công ty, doanh nghiệp chế biến thủy hải sản không
nên sử dụng hóa chất để bảo quản thì phương pháp bảo quản lạnh bằng nước đá được
xem là tối ưu.
Ngoài việc bảo quản nguyên liệu từ trạm thu mua trước khi đưa vào nhà máy sản
xuất, nước đá còn có khả năng bảo quản thực phẩm đã chế biến kéo dài thời gian sử
4
dụng. Nếu bảo quản tốt và tùy theo từng loại sản phẩm thì thời gian sử dụng có thể kéo
dài tới vài tháng.
Ngoài ra, đá cây còn phục vụ cho ngành khai thác đánh bắt thủy hải sản gần và xa bờ.
Hiện nay có rất nhiều loại tàu có trọng tải lớn để đánh bắt xa bờ, thời gian của mỗi
chuyến đi kéo dài từ vài tuần đến vài tháng, do đó, lượng nước đá dự trữ trên tàu rất lớn,
nhiều tàu còn trang bị hệ thống lạnh trên tàu để bảo quản nước đá và nguyên liệu đánh
bắt.
Như vậy, nước đá cây đóng vai trò quan trọng trong đời sống kinh tế, sản xuất nước
đá cây không những tiện lợi cho việc sử dụng mà còn phù hợp với trình độ lắp đặt và chế
tạo của chúng ta.
1.3 Một số phương pháp sản xuất nước đá:
1.3.1 Bể nước đá khối:
Bể nước đá khối được sử dụng từ rất lâu và đến nay vẫn được sử dụng rộng rãi.

Bể nước đá khối được chia làm hai ngăn, ngăn lớn để bố trí các khuôn đá và
ngăn nhỏ để bố trí dàn bay hơi làm lạnh nước muối. Trong bể có bố trí một bơm nước
muối tuần hoàn mạnh từ dàn bay hơi ra làm lạnh khuôn rồi quay lại dàn bay hơi. Dàn
bay hơi kiểu ống đứng hoặc kiểu xương cá có khả năng tăng khả năng trao đổi nhiệt
lên đáng kể. Các khuôn đá được ghép lại với nhau thành linh đá suốt chiều ngang của
bể, thường từ 10 đến 15 khuôn.
1.3.2 Phương pháp Vilbushevich:
Phương pháp này là phương pháp sản xuất nước đá khối nhanh, sử dụng môi
chất lạnh sôi trực tiếp, rút ngắn đáng kể thời gian kết đông đá bằng cách bố trí một
hoặc nhiều ống hai vỏ có mối chất lạnh sôi trực tiếp bên trong khối đá cần kết đông.
1.3.3 Phương pháp Fecher và Grasso:
 Phương pháp Fecher:
Các khuôn đá hình trụ được cố định trong bể nước được làm lạnh trực tiếp
bằng môi chất lạnh. Đá được kết đông trên bề mặt khuôn hình trụ. Phía dưới khuôn bố
trí các vòi phun không khí để sản xuất đá trong suốt. Khi khối đá đủ dày người ta
ngừng cấp lỏng cho khuôn và chuyển sang chế độ làm tan giá, lớp băng bám vào
khuôn tan ra, cây đá tự nổi lên phía trên. Để đề phòng cạnh cây đá mắc lại khuôn,
người ta bố trí vòng tuần hoàn glycol nóng đi vòng quanh miệng khuôn khi chuẩn bị
làm tan giá.
5
 Phương pháp Grasso:
1 -
Ống bay
hơi; 2 -
Ống
hút;
3 – Đáy bể; 4 – Bể nước;
5 – Vòng làm nóng đáy bể;
A - Ống góp lỏng NH
3

vào
B - Ống góp hơi
Thay bằng các khuôn hình trụ hai vỏ ở trên, Grasso chỉ làm các ống hai vỏ ở
đáy bể nước. Các ống này tập trung lại thành từng nhóm. Nước đá sẽ đóng băng trên
bề mặt ống. Khi các khối băng kết lại với nhau thành cây đá thì quá trình kết đông kết
thúc và chuyển sang quá trình làm tan giá bằng hơi nóng. Cây đá sẽ nổi lên trên. Do
không có khuôn bên ngoài nên cây đá sẽ không có hình dáng cố định và cũng không
phẳng.
1.3.4 Máy làm đá mảnh Flak-Ice của Crosby Field:
Máy gồm có một thùng quay hình trụ bên trong là nước muối lạnh hoặc môi
chất lỏng sôi. Bên ngoài là thùng nước cũng là hình trụ. Thùng quay chuyển động
theo chiều kim đồng hồ nhờ bộ truyền động bánh rang. Khí thùng quay nước sẽ đóng
băng trên bề mặt thùng quay.
Người ta có thể điều chỉnh được lớp bẳng nhờ điều chỉnh nhiệt độ nước muối
hoặc điều chỉnh tốc độ thùng quay.
1.3.5 Máy làm đá tuyết Pak-Ice của Taylor:
6
Máy bao gồm một tang trống, hai đầu có hai nắp và phía ngoài có môi chất
lạnh sôi, bên trong có hai lưỡi nạo quay với tốc độ 250 vòng/phút để nạo đá hình
thành trên tang trống. Để tăng bề mặt trao đổi nhiệt phía nước, người ta tạo các đường
dích dắc.
1.3.6 Máy làm đá mảnh của Short và Raver:
Máy gồm một hình trụ hai vỏ đứng, môi chất lạnh sôi ở trong, bên ngoài cách
nhiệt. Bên trên có bố trí bể nước và có vòi cho nước chảy đều lên bề mặt trong của
hình trụ. Gặp lạnh, nước đóng băng lại và được hai lưỡi bào có răng cưa nạo khỏi bề
mặt hình trụ khi hai lưỡi bào này quay.
1.3.7 Máy làm đá ống:
Nguyên lý làm việc là theo chu kỳ, kết đông đá trong các ống, môi chất lạnh
sôi trực tiếp bên ngoài ống, khi đã kết đông đến chiều dày cần thiết, đổi sang chu kỳ
tan giá, các ống đá rơi xuống và được dao cắt ra thành từng thỏi đá rỗng Φ = 30 đến

50 mm dài 50 đến 100 mm.
Có nhiều kiểu làm đá ống khác nhau như của Vogt (Mỹ), Linde (Đức), Escher
–Wyss (Mỹ), Astra (Đức)…
1.3.8 Máy đá cỡ nhỏ:
Các loại máy đá cỡ nhỏ vài chục kg đến vài tram kg đá/24h thường là các loại
máy đá hoàn toàn tự động, sản xuất đá cục trong khay hoặc đá mảnh. Các loại máy
này rất cần thiết phụ vụ cho các quán hang giải khát, quán ăn, nhà hang…
Một phần nhu cầu này đã được đáp ứng bằng các tủ lạnh gia đình, tủ lạnh thương
nghiệp nhưng các nhu cầu đối với các máy làm đá vẫn rất lớn, vì vậy có nhiều cơ sở
sản xuất các máy đá, tủ đá nhỏ chuyên dùng.
7
Chương 2: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1 Lựa chọn quy trình công nghệ:
Sản xuất nước đá cây bằng phương pháp Grasso (phương pháp sản xuất nước đá cây
không dùng khuôn)
2.1.1 Ưu nhược điểm của phương pháp Grasso:
 Ưu điểm:
- Có thể đưa ra những kiểu máy sản xuất nước đá theo phương pháp làm lạnh trực tiếp
với năng suất khác nhau, đáp ứng nhu cầu thực tế về việc cung cấp nước đá nhanh
chóng, liên tục (vì thời gian tạo cây đá chỉ mất 3 giờ).
- Có ý nghĩa kinh tế cao vì máy móc nhỏ gọn, vốn đầu tư thấp, chiếm ít chỗ (không cần
diện tích mặt bằng quá lớn như ở phương pháp làm lạnh gián tiếp dùng bể nước
muối).
- Có thể bố trí máy sản xuất nước đá thành một cỗ máy độc lập, có thể di chuyển đến
nơi khác khi cần thay đổi địa điểm sản xuất mà không cần đập phá bể đá hay tháo rời
máy móc thiết bị như ở phương pháp dùng bể nước muối.
 Nhược điểm:
- Cây đá thường xốp hơn, nhẹ hơn cây đá có khuôn, khối lượng riêng của đá từ 750-800
kg/m
3

.
- Hình dáng bên ngoài cây đá không bằng phẳng, cây đá bị rỗng do dùng nhiều ống dàn
lạnh.
- Hiệu quả làm lạnh kém vì nước không chuyển động.
- Để tránh đóng băng ở đáy bể và dễ dàng trong việc tháo đá thường phải làm ấm đáy
bể (bằng điện trở).
2.1.2 Sơ đồ nguyên lý:
Chọn chu trình lạnh có thiết bị hồi nhiệt và bình tách lỏng:
- Bình tách lỏng được đặt sau van tiết lưu vừa là bảo đảm lỏng hoàn toàn đưa vào thiết
bị bốc hơi (chùm ống dàn lạnh) và để phục vụ cho thao tác điều chỉnh mực lỏng tác
nhân theo yêu cầu, đồng thời hơi tác nhân được tách ra khỏi lỏng tác nhân đưa về máy
nén tránh hiện tượng va đập thủy lực cho máy nén và nâng cao hiệu suất lạnh, đảm
bảo làm việc an toàn cho chùm ống dàn lạnh. Bên cạnh đó, bình tách lỏng còn kiêm
nhiệm vụ của bình chứa thấp áp, nhằm mục đích thu hồi lỏng môi chất lạnh cho quá
trình xả đá.
- Thiết bị hồi nhiệt được đặt sau thiết bị ngưng tụ để tận dụng nguồn lạnh hơi tác nhân
ra khỏi chùm ống dàn lạnh và bình tách lỏng, đồng thời làm quá nhiệt chúng trước khi
8
được hút trở về lại máy nén để làm giảm tổn thất tiết lưu, tăng năng suất lạnh, tăng
nhiệt độ hơi quá nhiệt.
2.1.3 Quy trình sản xuất nước đá:
 Quá trình tạo đá:
- Tác nhân lạnh R22 ở dạng hơi quá nhiệt sau thiết bị hồi nhiệt được máy nén hút về
sau đó được nén lên áp suất cao P
k
và dẫn đến thiết bị ngưng tụ. Tại đây hơi cao áp
được hóa lỏng thành lỏng cao áp và tiếp tục được đưa về thiết bị hồi nhiệt và chất
lỏng cao áp được làm quá lạnh để tăng năng suất lạnh, ngăn sự bốc hơi.
- Lỏng quá lạnh được tiết lưu đến áp suất P
o

và được dẫn vào thiết bị tách lỏng để cấp
lỏng cho chùm ống dàn lạnh đặt trong bể đá với nhiệt độ bốc hơi của tác nhân lạnh là
-13
o
C và tạo lớp đá xung quanh từng ống.
- Sau đó, hơi tác nhân R22 đi ra khỏi chùm ống dàn lạnh được đưa trở về lại bình tách
lỏng, bình hồi nhiệt và được làm khô thành hơi quá nhiệt để hút về máy nén.
- Trong quá trình sản xuất nước đá thì nước được bơm vào bể và được cố định mức
nước trong bể nhờ ống chảy tràn, không cần làm lạnh nước trước vì tạo đá không
dùng khuôn nên đá khi xả sẽ tan một lớp làm lạnh sơ bộ nước.
 Quá trình xả đá:
- Sau khi quá trình kết đông kết thúc thì bắt đầu xả đá, toàn bộ tác nhân lạnh ở thiết bị
bốc hơi được đưa về bình chứa thu hồi (trong trường hợp này bình tách lỏng kiêm vai
trò bình chứa thu hồi). Hơi nóng tác nhân được trích sau đầu đẩy được đưa vào chùm
ống dàn lạnh và đốt nóng lò xo điện trở ở đáy bể để xả đá. Cây đá được kẹp và kéo
lên đưa ra bên ngoài bể đá. Phương án xả đá được chọn là phương pháp xả đá bằng
hơi nóng tác nhân sau đầu đẩy của máy nén.
2.2 Tính thời gian tạo đá:
2.2.1 Bố trí chùm ống dàn lạnh
Chùm ống gồm 16 ống.
Ống ngoài: ống thép không rỉ Φ22,2 x 1, cao 1,2
m.
Ống trong: ống thép không rỉ Φ12 x 1.
9
a
a
2.2.2 Tính thời gian tạo đá:
( )
2
2 2

1
1
2 2 2 2 1
1 1 1
. .ln ln .
2.( ) 2. .
d d
d
o d d M
r r
rL
r r
t r r r
τ
θ λ λ λ α
 
 
= − + + −
 
 ÷
−
 
 
Trong đó: L = 306.10
3
kJ/m
3
, ẩn nhiệt đóng bang của nước theo thể tích
θ
o

= -8
o
C nhiệt độ bề mặt nước đá
t
2
= - 13
o
C, nhiệt độ sôi của môi chất lạnh R22
r
d
, bán kính đá tạo thành
r
1
= 0,0111 m, bán kính ngoài của ống
r
2
= 0,0101 m, bán kính trong của ống
λ
đ
= 2,22 W/(m.K), hệ số dẫn nhiệt của nước đá
λ
M
= 45,35 W/(m.K), hệ số dẫn nhiệt của inox
α
2
, hệ số cấp nhiệt phía môi chất lạnh R22
 Xác định α
2:
α
2

có thể xác định từ công thức:
0,1
1,16
w
w 1
3,79
1
tr
r x
q x
α ρ
α
 
+
 
=
 ÷
 ÷
−
 
 
Trong đó: w - vận tốc của Freon lỏng đi trong ống, chọn w = 0,09 m/s
r – nhiệt ẩn hóa hơi của Freon, r = 214815 J/kg
ρ – khối lượng riêng của Freon lỏng, ρ = 1320 kg/m
3
x – độ khô của tác nhân lạnh khi đi vào ống, x = 0,6 kg/kg
q
tr
– mật độ dòng nhiệt, W/m
2

α
w
– hệ số tỏa nhiệt, W/(m
2
.K)
Chọn q
tr
theo bảng sau, với w.ρ = 0,09.1320 = 120 kg/m
2
.:
w.ρ (kg/m
2
.s) 60 120 250 400 650
R22 1500 1800 2000 2500 3500
 Chọn q
tr
= 1800 W/m
2
10
 Hệ số tỏa nhiệt α
w
có thể xác định từ công thức:
w
.Nu
l
λ
α
=
Với Nu = 0,023.Re
0,8

.Pr
0,33
λ = 0,101 W/m.K
l = d
td
= D
tr
– d
ng
= 0,0212 – 0,012 = 0,0092 m
ν = 0,22.10
-6
m
2
/s
0,8
0,8
0,33 0,33
6
. 0,09.0,0092
0,023. .Pr 0,023. .3,177 24,43
0,22.10
wl
Nu
ν
−
 
 
= = =
 ÷

 ÷
 
 

Pr = 3,177

w
. 24,43.0,101
268,2
0,0092
Nu
l
λ
α
= = =
W/(m
2
.K)
 α
2
= 1950 W/m
2
.K
 Xác định r
d:
với
1
0,02 0,0111 0,0311
d d
r r

δ
= + = + =
m
• Khối lượng đá cần tạo được trước khi xả đá:
g = g’ + G
tách
với:
. . . '
'
tach d d
G
G f
g
ρ δ
=
Trong đó: g: khối lượng của 1 cây đá, g =50 kg.
δ
đ
: chiều dày lớp đá bao quanh ống tan ra, δ’
đ
= 0,001 m.
ρ
đ
: khối lượng riêng trung bình của đá, ρ
đ
= 900 kg/m
3
.
f: diện tích xung quanh của một ống ngoài
f = πd

ng
h = 3,14.0,0222.0,97 = 0,07 m
2
.
G: năng suất đá trong một mẻ, xét một cây đá 50 kg.
Do đó sau thời gian tạo đá thì được cây đá:
g = g’ + G
tách
= 50 + (50/50).900.0,07.16.0,001 = 50 + 1,008 = 51,008 kg
Vậy để có cây đá 50kg sau khi xả đá phải tạo được cây đá 51 kg.
11
• Thể tích thực của cây đá:
51
0,057
900
da
d
g
V
ρ
= = =
m
3
• Thể tích rỗng trong cây đá
2 2
0,0222
. . .16 3,14. .0,97.16 0,006
4 4
r
d

V h
π
= = =
m
3
• Thể tích toàn cây đá:
V = V
đá
+ V
r
= 0,057 + 0,006 = 0,063 m
3
• Bề rộng cây đá:
0,063
0,025
1
V
a
h
= = =
m
• Bề dày lớp đá tạo được bởi ống:
4.
0,25 4.0,0222
0,02
8 8
ng
d
a d
δ

−
−
= = =
m = 20 mm
Vậy
1
0,02 0,0111 0,0311
d d
r r
δ
= + = + =
m
Từ đó ta tính được thời gian tạo đá: τ = 7930s = 2,2 h
Thời gian bù và thời gian xả đá: 0,8 h
 Tổng thời gian sản xuất một cây đá 50kg là 3h Một ngày có thể sản xuất
được 24h/3h = 8 mẻ. Mỗi mẻ 20 cây (1000kg). Mỗi ngày tạo được 8 tấn đá.
12
Chương 3: TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC BỂ ĐÁ
3.1 Kích thước bể đá:
 Bể đá gồm 4 hàng, mỗi hàng 5 cây  Một mẻ được 20 cây đá.
 Chiều dài bể: L = 5a + 6s
Trong đó: a - chiều rộng cây đá, a = 0,25 m
s - khoảng cách giữa hai cây đá và khoảng cách giữa cây đá và thành bể,
chọn s = 0,07 m
 L = 5.0,25 + 6.0,07 = 1,67 m
 Chọn L = 2 m
 Chiều rộng bể:
W = 4a + 5s = 4.0,25 + 5.0,07 = 1,35 m
 Chọn W = 1,5 m
 Chiều cao bể:

 Chọn H = 1,2 m
 Diện tích bể:
S = W.L = 1,5.2 = 3 m
2
 Thể tích bể:
V
bể
= W.L.H = 1,5.2.1,2 = 3,6 m
3
3.2 Lượng nước cần cung cấp để sản xuất 8 tấn đá/ngày
 Lượng nước cần để tạo đá:
V
1
= G.g/ρ = 20.8.51/900 = 9,07 m
3
 Chọn V = 9,1 m
3
.
 Lượng nước dự trữ: V
2
= V
bể
- V
đá
= 3,6 – 20.51/900 = 2,47 m
3
 Thể tích bể chứa là: V = V
1
+ V
2

= 9,1 + 2,47 = 11,57 m
3
Chọn bể chứa với: Thể tích là 12 m
3

Kích thước bể: dài x rộng x cao = 3 m x 2 m x 2 m.
13
Chương 4: TÍNH TOÁN CÁCH NHIỆT, CÁCH ẨM
4.1 Mục đích cách nhiệt, cách ẩm:
Cách nhiệt, cách ẩm là một yêu cầu rất quan trọng trong việc thiết kế phân
xưởng lạnh. Vì điều này góp phần giảm bớt sự thất thoát nhiệt ra môi trường xung
quanh, ngăn chặn dòng nóng từ ngoài xâm nhập làm giảm hiệu suất làm lạnh.
4.2 Lựa chọn vật liệu cách nhiệt, cách ẩm:
4.2.1 Vật liệu cách nhiệt:
- Phải có hệ số dẫn nhiệt nhỏ.
- Có khối lượng riêng không lớn lắm, không dễ cháy, bền với môi trường.
- Chịu được nhiệt độ thấp, có độ bền cơ học cao.
- Không sinh mùi lạ hoặc hút mùi của môi trường xung quanh.
- Không độc hại với sức khỏe con người.
- Dễ gia công, lắp đặt, giá thành rẻ.
4.2.2 Vật liệu cách ẩm:
- Phải có hệ số dẫn ẩm nhỏ.
- Không bị biến đổi tính chất ở điều kiện nhiệt độ thấp, nhất là tính đàn hồi mềm
dẻo.
- Không thấm ướt bề mặt.
- Không độc hại, dễ gia công, giá thành rẻ.
4.3 Tính toán cách nhiệt, cách ẩm:
Độ dày lớp cách nhiệt được tính toán theo hai điều kiện cơ bản sau:
• Vách ngoài của kết cấu bao che không được đọng sương.
• Tổng chi phí của một đơn vị lạnh là thấp nhất.

Hệ số truyền nhiệt qua vách:
∑
=
+++
=
n
i
cn
cn
i
i
k
1
21
11
1
αλ
δ
λ
δ
α
14
Từ đó:















++−=⇒
∑
=
n
i
i
i
cncn
k
1
21
111
αλ
δ
α
λδ
Trong đó:
α
1
: hệ số cấp nhiệt của mặt tường bên ngoài bể đá, chọn α
1
= 23,3 W/(m
2

.K)
α
2
: hệ số cấp nhiệt ở bề mặt tiếp xúc với chất tải lạnh, chọn α
2
= 300 W/(m
2
.K)
δ
cn
: chiều dày lớp cách nhiệt, m
λ
cn
: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt.
4.3.1 Tính chiều dày cách nhiệt cho vách
Kết cấu vách được chọn như sau:
Chọn k
n
= 0,26 W/(m
2
.K)
1
2
1 1 1 0,001 0,002 0,005 1
0,037. 0,142
0,26 63,02 0,7 45,35 300
n
i
cn cn
i

n i
m
k
δ
δ λ
λ α
=
 
 
 
 
⇒ = − + = − + + + =
 
 ÷
 
 ÷
 
 
 
 
∑
Chọn δ
cn
= 0,15 m
Vậy
1
2
1 1
0,246
0,001 0,002 0,005 0,15 1

1
63,02 0,7 45,35 0,037 300
ntt
n
i cn
i
i cn
k
δ δ
λ λ α
=
= = =
+ + + +
+ +
∑
W/(m
2
.K)
Như vậy k
ntt
< k
n
Vậy δ
cn
= 0,15 m.
 Sử dụng hai lớp cách nhiệt polystirol: một lớp dày 0,1m và một lớp dày 0,05 m.
4.3.2 Tính chiều dày cách nhiệt cho đáy
15
Vật liệu
Bề dày

δ
i
, m
Hệ số dẫn
nhiệt λ
i
, W/
(m.K)
Lớp tôn tráng kẽm
Lớp bitum
Lớp cách nhiệt styropore
Lớp thép không rỉ
0,001
0,002
δ
cn
0,005
63,02
0,70
0,037
45,35
Vật liệu
Bề dày
δ
i
, m
Hệ số dẫn
nhiệt λ
i
, W/

(m.K)
Lớp tôn tráng kẽm
Lớp bitum
Lớp cách nhiệt styropore
Lớp thép không rỉ
0,001
0,002
δ
cn
0,005
63,02
0,70
0,037
45,35
Chọn k = 0,3 W/(m
2
.K)
1
1 2
1 1 1 1 1 0,001 0,002 0,005 1
0,037. 0,121
0,3 23,3 63,02 0,7 45,35 300
n
i
cn cn
i
i
k
δ
δ λ

α λ α
=
 
 
 
 
⇒ = − + + = − + + + + =
 
 ÷
 
 ÷
 
 
 
 
∑
m
Chọn δ
cn
= 0,15 m
Vậy
1
1 2
1 1
0,244
1 0,001 0,002 0,005 0,15 1
1 1
23,3 63,02 0,7 45,35 0,037 300
vtt
n

i cn
i
i cn
k
δ δ
α λ λ α
=
= = =
+ + + + +
+ + +
∑
W/(m
2
.K)
Kiểm tra đọng sương:
1
1
1 2
36 33
0,95. . 0,95.23,3. 2,656
36 11
f s
s
f f
t t
k
t t
α
−
−

= = =
− −
W/(m
2
.K)
tt stt
k k
<
 không có hiện tượng đọng sương
Vậy chọn δ
cn
= 0,15 m
 Sử dụng hai lớp cách nhiệt polystirol: một lớp dày 0,1m và một lớp dày 0,05 m.
4.3.3 Tính cách nhiệt cho nắp
Bể đá được xây dựng trong phòng có mái che nên tránh được dòng nhiệt bức xạ do
năng lượng mặt trời. Thông thường nắp được làm bằng ván gỗ có bề dày khoảng
0,04
g
δ
=
m, chiều rộng 0,5 m, chiều dài 2 m với hệ số dẫn nhiệt
0,14
g
λ
=
W/(m
2
.K)
Hệ số truyền nhiệt của nắp bể:
1 2

1 1
2,12
1 0,04 1
1 1
23,3 0,14 7
g
g
k
δ
α λ α
= = =
+ +
+ +
W/(m
2
.K)
16
Chương 5: TÍNH TOÁN CHI PHÍ LẠNH
Tổng chi phí lạnh: Q = Q
1
+ Q
2
+ Q
3
, kW
Với: Q
1
– Dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che
Q
2

– Dòng nhiệt làm đông đặc nước
Q
3
– Dòng nhiệt tổn thất sau khi tách đá
5.1 Tính Q
1
- Dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che:
( )
3
1
1
. . .24
i i f p
i
Q k F t t
=
= −
∑
Trong đó: k
1
= k
vtt
= 0,244 W/(m.K) – hệ số truyền nhiệt của vách
k
2
= k
ntt
= 0,246 W/(m.K) – hệ số truyền nhiệt của nền
k
3

= k
nb
= 2,12 W/(m.K) – hệ số truyền nhiệt của nắp bể
t
f
= 36
o
C – nhiệt độ môi trường không khí xung quanh bể
t
p
= 11
o
C – nhiệt độ trung bình của nước trong bể
F
1
= 2.(W+L).H = 2.(1,5+2).1,2 = 8,4 m
2
– Diện tích xung quanh bể
F
2
= W.L = 1,5.2 = 3 m
2
– Diện tích nền bể đá
F
3
= W.L = 1,5.2 = 3 m
2
– Diện tích nắp bể đá
Vậy:
( )

( ) ( )
3
1
1
. . .24 0,244.8,4 0,246.3 2,12.3 . 36 11 .24 5488,56
i i f p
i
Q k F t t
=
= − = + + − =
∑
kcal/ngày
5.2 Tính Q
2
– Dòng nhiệt làm đông đặc nước:
Dòng nhiệt làm đông đặc nước trong quá trình sản xuất nước đá được xác định theo
công thức sau: Q
2
= G.10
3
.(c
pn
.t
1
+ L - c
pnđ
.t
2
) , kcal/ngày
Trong đó: t

1
= 34
o
C, nhiệt độ ban đầu của nước
t
2
= - 8
o
C, nhiệt độ bề mặt đá sau cùng
L = 79,8 kcal/kg – nhiệt đông đặc của nước
G = 8 tấn/ngày – năng suất bể đá
c
pn
= 1 kcal/(kg.
o
C) – nhiệt dung riêng của nước
c
pnđ
= 0,5 kcal/(kg.
o
C) – nhiệt dung riêng của nước đa
Thay vào phương trình ta được:
17
Q
2
= 8.10
3
.(1.34 + 79,8 – 0,5.(-8)) = 942400 kcal/ngày
5.3 Tính Q
3

– Dòng nhiệt tổn thất sau khi tách đá:
Dòng nhiệt tổn thất khi tách đá:
3
3 d
.10
. . . .
n
G
Q f L
g
δ ρ
=
Trong đó: δ = 0,001 m – bề dày lớp đá tan ra
ρ
nđ
= 900 kg/m
3

– khối lượng riêng của nước đá
L = 79,8 kcal/kg – nhiệt đông đặc của nước
G = 4,8 tấn/ngày – năng suất bể đá
g = 51 kg – khối lượng mỗi cây đá
f = 0,07.16 = 1,12 m
2
– diện tích xung quanh chùm ống
Vậy
3 3
3 d
.10 8.10
. . . . .1,12.0,001.900.79,8 12617,788

51
n
G
Q f L
g
δ ρ
= = =
kcal/ngày
Từ đó tính được tổng chi phí lạnh:
3
3
1
5488,56 942400 12617,788 960,506.10
i
i
Q Q
=
= = + + =
∑
kcal/ngày
5.4 Năng suất lạnh của máy nén cần lắp đặt
3
3
. 960,506.10 .1,05
1008,531.10
1
o
Q k
Q
b

= = =
kcal/ngày = 50 kW
Với k = 1,05 – hệ số lạnh tính đến tổn thất đường ống và thiết bị lạnh trực tiếp.
b = 1 – hệ số thời gian làm việc.
18
Chương 6: TÍNH CHU TRÌNH LẠNH VÀ CHỌN MÁY NÉN
6.1 Chọn môi chất lạnh:
Chọn môi chất lạnh là R22 có các ưu điểm sau:
- Khí không màu, có mùi thơm nhẹ, sôi ở áp suất khí quyển: 40,8
o
C, hòa tan dầu hoàn
toàn thuận lợi cho quá trình bôi trơn ở nhiệt độ cao (trên 120
o
C), ở nhiệt độ thấp thì ít
hơn.
- R22 dễ thẩm thấu qua khe hở nhỏ, không ăn mòn kim loại và ít tan trong nước.
- Hệ số tỏa nhiệt khi sôi và ngưng tụ lớn (nhiệt độ ngưng tụ khoảng 40
o
C đến 120
o
C),
an toàn, không độc hại, có tính chất nhiệt động tốt và được sử dụng rộng rãi hiện nay
ở hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật lạnh.
- Phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và tính kinh tế cho quá trình làm việc.
6.2 Chọn chế độ làm việc
- Nhiệt độ bay hơi của R22, chọn t
o
= t
sp
- ∆t

o
= -8 – 5 = -13
o
C.
- Nhiệt độ không khí bên ngoài phòng sản xuất (tại Mỹ Tho): t
kk
= 36
o
C, φ = 74%.
- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh: t
k
= t
w2
+ ∆t
k

Với t
w2
= t
w1
+ 5 = 34 + 5 = 39
o
C
Trong đó: t
w2
– nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ
t
w1
– nhiệt độ nước vào bình ngưng, chọn t
w1

= t
ư
+ 3 = 31 + 3 = 34
o
C
∆t
k
– hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu, chọn ∆t
k
= 4
o
C
 t
k
= t
w2
+ ∆t
k
= 39 + 4 = 41
o
C
Chọn ∆t
qn
= 23
o
C
 t
qn
= t
o

+ ∆t
qn
= -13 + 23 = 10
o
C.
19
Trong đó:
- Quá trình 1*-1: quá nhiệt hơi tác nhân lạnh.
- Quá trình 1-2: nén đoạn nhiệt hơi hút từ P
o
lên P
k,
s
1
= s
2
- Quá trình 2-2’: làm mát đẳng áp hơi môi chất từ trạng thái quá nhiệt xuống trạng thái
bão hòa.
- Quá trình 2’-3’: ngưng tụ môi chất đẳng áp và đẳng nhiệt.
- Quá trình 3’-3: quá lạnh môi chất lỏng đẳng áp.
- Quá trình 3-4 : quá trình tiết lưu đẳng entanpi môi chất lạnh ở van tiết lưu.
- Quá trình 4-1*: quá trình bay hơi trong bình bay hơi đẳng áp và đẳng nhiệt
6.3 Thông số làm việc của chu trình lạnh
Điểm nút t (
o
C) P ( Mpa) h (kJ/kg) v (m
3
/kg)
1* -10 0,32 705 _
1 10 0,32 718 0,085

2 90 1,5 762 0,022
3’ 41 1,5 550 1,6808.10^-3
3 30 1,5 537
4 -13 0,32 537
6.4 Tính chu trình lạnh
 Năng suất lạnh riêng khối lượng:
20
q
o
= h
1*
– h
4
= 705 – 537 = 168 kJ/kg
 Năng suất lạnh:
Q
o
= 50 kW
 Năng suất khối lượng thực tế của máy nén:
m
tt
= Q
o
/q
o
= 0,28 kg/s
 Năng suất thể tích thực tế của máy nén:
V
tt
= m

tt
.v
1
= 0,29.0,085 = 0,024 m
3
/s
 Hệ số cấp của máy nén :
λ = λ
i
.λ
w’
Trong đó : Hệ số chỉ thị thể tích: λ
i
1/m
o o k k o o
i
o k o
P P P P P P
c
P P P
λ
 
 
− ∆ + ∆ − ∆
 
= − −
 ÷
 
 
 

 Đối với máy nén freon, chọn: m = 1
∆p
0
= ∆p
k
= 0,01 MPa
c = 0,03 ÷ 0,05. Chọn c = 0,04
1/1
0,32 0,01 1,5 0,04 0,32 0,01
0,04 0,966
0,32 1,5 0,32
i
λ
 
− + −
 
= − − =
 
 ÷
 
 
 
 Hệ số tổn thất không thấy được:
w '
273 13
0,83
273 41
o
k
T

T
λ
−
= = =
+
λ = 0,966.0,83 = 0,8
 Năng suất thể tích lý thuyết ( do piston quét được):
0,024
0,03
0,8
tt
lt
V
V
λ
= = =
m
3
/s
 Công nén đoạn nhiệt:
N
s
= m
tt
.(h
2
– h
1
) = 0,28.(762 – 718) = 12,32 kW
 Công nén chỉ thị: công nén thực do quá trình nén lệch khỏi quá trình nén đoạn nhiệt lý

thuyết:
s
i
i
N
N
η
=
21
Trong đó : η
i
là hiệu suất chỉ thị, được tính theo biểu thức:
w
. .
o
i o o
k
T
b t b t
T
η λ
= + = +
chọn b = 0,001
273 13
0,001.( 13) 0,82
273 41
i
η
−
= + − =

+
12,32
15,02
0,82
i
N = =
kW
 Công suất ma sát:
N
ms
= V
tt
. P
ms
= 0,024.0,05.10
3
= 1,2 kW
Trong đó: P
ms
là áp suất ma sát riêng, đối với máy freon chọn P
ms
= 0,05 MPa
 Công nén hiệu dụng: là công nén có tính đến tổn thất ma sát của các chi tiết máy nén
như piston, tay biên trục khuỷu…đây chính là công đo được trên trục khuỷu máy nén:
N
e
= N
i
+ N
ms

= 15,02 + 1,2 = 16,22 kW
 Hệ số lạnh hiệu dụng:
50
3,08
16,22
o
e
e
Q
K
N
= = =
 Công suất điện: công suất đo được trên bảng đấu điện có kể đến tổn thất truyền động
khớp, đai và hiệu suất của chính động cơ điện:
16,22
18,97
. 0,95.0,9
e
el
td el
N
N
η η
= = =
kW
Với: Hiệu suất truyền động của khớp, đai… η
td
= 0,95
Hiệu suất động cơ η
el

= 0,8 ÷ 0,95. Chọn η
el
= 0,9
 Công suất động cơ lắp đặt: để đảm bảo an toàn cho hệ thống lạnh, động cơ lắp đặt
phải có công suất lớn hơn N
el
. Chọn hệ số an toàn là 1,2
N
dc
= 1,2 N
el
= 1,2.18,97 = 22,76 kW
 Tỉ số nén: π = P
k
/P
o
= 1,5/0,32 = 4,7
22
6.5 Chọn máy nén
Chọn máy nén theo năng suất hơi hút lý thuyết: V
lt
= 0,03 m
3
/s
Chọn máy nén ký hiệu П60 CHLB Nga sản xuất:
Thông số kỹ thuật của máy nén
Ký
hiệu
Số
xilanh

Đường
kính
piston,
mm
Vòng
quay,
vòng/s
V
lt
, m
3
/s Dài,
mm
Rộng,
mm
Cao,
mm
Khối
lượng,
kg
П60 6 76 24 0,0433 885 700 685 330
Năng suất lý thuyết của 1 máy nén :
V
lt1
= 0,0433 m
3
/s
Số máy nén cần dùng:
0,03
0,67

0,0433
MN
Z = =
Chọn Z
MN
= 1 máy
23
Chương 7: TÍNH VÀ CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
7.1 Thiết bị ngưng tụ
7.1.1 Nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ Q
k
Q
k
= m
tt
. q
k
Với: m
tt
= 0,28 kg/s
q
k
= h
2
– h
3’
= 762 – 550 = 212 kJ/kg
 Q
k
= m

tt
.q
k
= 0,28. 212 = 59,36 kW
7.1.2 Chọn thiết bị ngưng tụ
Chọn thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước: thiết bị ngưng tụ vỏ - ống nằm ngang.
Thiết bị bao gồm:
 Van an toàn.
 Ống hơi freon vào.
 Áp kế.
 Ống nước làm mát ra.
 Ống nước làm mát vào
 Van xả nước.
 Ống freon lỏng ra.
7.1.3 Tính toán thiết bị ngưng tụ
 Nhiệt độ nước vào: t
w1
= 34
o
C
 Nhiệt độ nước ra: t
w2
= 39
o
C
 Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: t
k
= 41
o
C

 Hiệu nhiệt độ trung bình logarit:
max min
max
min
ln
tb
t t
t
t
t
∆ − ∆
∆ =
∆
∆
Trong đó : ∆t
max
= 41 – 34 = 7
o
C
∆t
min
= 41 – 39 = 2
o
C
24

7 2
4
7
ln

2
tb
t
−
∆ = =
o
C
Diện tích bề mặt truyền nhiệt của bình ngưng ống vỏ nằm ngang là:
3
59,36.10
21,2
. 700.4
k
tb
Q
F
k t
= = =
∆
m
2
Với k = 700 W/(m
2
.K)
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ ống nằm ngang KTP-25 có diện tích trao đổi nhiệt bên ngoài là
30 m
2
.
7.2 Tính thiết bị bốc hơi
Tính toán chùm ống dàn lạnh

Kết cấu chùm ống dàn lạnh:
 Ống ngoài Φ22,2 x 1 bằng thép không rỉ, chiều cao 1,2 m.
 Ống trong Φ12 x 1 bằng thép không rỉ.
 Chùm ống gồm có 16 ống.
Phụ tải nhiệt chùm ống dàn lạnh:
Q
bh
= m
tt
.q
bh
= 0,29.168 = 48,72 kW
 Tính toán kiểm tra bề mặt truyền nhiệt của chùm ống dàn lạnh:
Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
.
bh
tb
Q
F
k t
=
∆
Trong đó: ∆t
tb
: hiệu số nhiệt độ giữa các chất tải nhiệt ở hai bên thành ống ngoài
∆t
tb
= t
b
– t

o
= 11 – (-13) = 24
o
C
k: hệ số truyền nhiệt khi ở mặt thành có lớp đá δ
đ
tạo thành:
2
1
1
d
M
d M
k
δ
δ
λ λ α
=
+ +
, W/(m
2
.K)
với: δ
M
: chiều dày thành ống ngoài = 0,001 m
λ
M
= 45 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của thép không rỉ
25