Thiết kế máy sản xuất nước đá dùng khuôn 2 vỏ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
Khoa Kỹ Thuật Hóa Học
Bộ môn Quá trình và Thiết bị
KỸ THUẬT LẠNH
BÀI TẬP LỚN
Thiết kế máy sản xuất nước đá dùng khuôn 2 vỏ
Cán bộ hướng dẫn: TS. TRẦN VĂN NGŨ
Sinh viên thực hiện:
MSSV: Lớp:
Ngành: Quá trình và thiết bị
Năm học: 2013-2014
Lời nói đầu
Bài tập lớn kỹ thuật lạnh 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 bài tập lớn 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. Tuy nhiên do kiến thức còn
hạn hẹp nên 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 khuôn hai vỏ ống ở tâm.
Hệ thống sản xuất nước đá cây dùng khuôn hai vỏ ( phương pháp làm lạnh trực tiếp)
dựa trên phương pháp Vilbushevich, sử dụng môi chất lạnh sôi trực tiếp. Khuôn đá là
một bình hai vỏ hình vuông hoặc hình chữ nhật, môi chất sôi trực tiếp. Bên dưới
khuôn có một nắp cố định bằng đối trọng hoặc lò xo đảm bảo nước không bị rò rỉ ra
khỏi khuôn. Ở giữa khuôn khuôn bố trí một hoặc nhiều ống hai vỏ ở tâm cho môi chất
lanh sôi trực tiếp bên trong. Hơi tạo thành trong bình hai vỏ và ống hai vỏ được dẫn
về máy nén. Sau khi làm lạnh vỏ, người ta cho một ít nước vào khuôn để nắp đóng
băng chặt vào khuôn làm kín khuôn. Sau đó khuôn được đổ đầy nước đã được làm
lạnh sơ bộ đến (3-4)
0
C. Do cách bố trí bề mặt bay hơi như vậy nên đá kết đông cả từ
ngoài vào tâm và từ tâm ra ngoài nhằm tiết kiệm thời gian đông đá xuống. Khi tháo đá
cần tháo toàn bộ lỏng môi chất lạnh vào bình chứa thấp áp, sau đó cho hơi nóng vào
làm tan lớp băng dính khuôn. Sử dụng cơ cấu đối trọng, cây đá tự bật nắp và rơi
xuống cơ cấu đón và lật đá.
2.1.1 Ưu nhược điểm của phương pháp dung khuôn hai vỏ có ống ở tâm :

 Ưu điểm:
- Rút ngắn thời gian đông đá, tiết kiệm thời gian tang hiệu quả kinh tế.
- 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:
- Hình dáng bên ngoài cây đá không bằng phẳng, cây đá bị rỗng do dùng ống ở tâm.
- Tuy tính cạnh tranh cao nhưng tốn kém chi phí đầu tư.
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 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. Bên cạnh đó, bình
8
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 dàn lạnh, đặt sau bình tách lỏng, đồng thời làm quá nhiệt hơi môi chất lạnh
trước khi 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 khuôn đá và ống hai vỏ ở
tâm với nhiệt độ bốc hơi của tác nhân lạnh là -15
o
C, bắt đầu tạo nước đá.
- Sau đó, hơi tác nhân R22 đi ra khỏi 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 bình làm lạnh sơ bộ đến
khoảng (3-4)
0
C, sau đó qua cơ cấu rót phân phối vào các khuôn đá để bắt đầu quá
trình tạo đá.
 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 máy nén được đưa
vào dàn lạnh để làm tan đá phần tiếp xúc với khuôn và ống ở tâm.
9
Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUÔN ĐÁ
2.1 Tính kích thước khuôn đá
Vật liệu chế tạo khuôn: Thép Inox 304 dày δ 6 mm, khuôn 2 vỏ có dạng hình chóp chụt
đều hai đáy hình vuông có kích thước:
- Vỏ trong: Đáy lớn dưới a
1
360 mm; đáy nhỏ trên a
2
280 mm.

- Vỏ ngoài: Đáy lớn dưới b
1
412 mm; đáy nhỏ trên b
2
332 mm.
- Chiều cao khuôn h = 1000 mm.
- Bên trong bố trí 5 ống 2 vỏ ở tâm, ta bố trí 1 ống ở tâm, 4 ống còn lại cách đều ống ở
tâm và nằm trên đường chéo của các đáy.
- Chọn kích thước ống theo tiêu chuẩn:
Ống trong: đường kính danh nghĩa 15 mm, đường kính ngoài 18 mm, đường kính
trong 14 mm, chiều dày vách ống 2 mm, tiết diện ống 1,54 m
2
, khối lượng 1 m ống
0,789 kg.
Ống ngoài: đường kính danh nghĩa 25 mm, đường kính ngoài 32 mm, đường kính
trong 27,5 mm, chiều dày vách ống 2,25 mm, tiết diện ống 5,95 m
2
, khối lượng 1 m
ống 1,65 kg.
- Tổng thể tích chiếm chỗ của 5 ống 2 vỏ:
V
1
= 5.3,14.d
2
.h.10
-9
/4 = 5.3,14.32
2
.1000.10
-9

/4 = 4,02.10
-3
m
3
- Thể tích thực của nước đá bên trong khuôn:
V = (1/3).h.(S
1
+S
2
+(S
1
.S
2
)
1/2
.10
-9
-V
1
= (1/3).1000.(360
2
+ 280
2
+(360.280)
1/2
) .10
-9
=
0,06542 m
3

- Do khi đông thành đá thì thể tích tang 9% nên thể tích thực của nước cho vào khuôn:
V
n
= V.0,9 = 0,06542.0,9 = 0,0588 m
3
- Khối lượng cây đá thành phẩm m = ρ.V
n
= 900.0,0588 = 52,9902 kg
- Như vậy, qua quá trình thất thoát trong vận chuyển, cây đá đến hộ tiêu thụ có khối
lượng khoảng 50 kg.
- Thể tích khuôn thép 2 vỏ:
V = (b
1
+b
2
).0,5.h.δ.4 + (a
1
+a
2
).0,5.h. δ.4 + δ.(b
1
+b
2
).10
-9

= (412+332).0,5.1000.6.4 + (360+280).0,5.1000.6.4 + 6.(412+332).10
-9
= 0,0183 m
3

.
- Khối lượng thép khuôn hai vỏ:
m
v
=V
v
.ρ
t
= 0,0183.7900 = 113,3 kg.
- Khối lượng thép của khuôn 2 vỏ và 5 ống:.
m
tc
= m
v
+m
ố
= 113,3 + 5.(0,789+1,65).1 = 156,67 kg
10
2.2 Tính thời gian tạo đá
2.2.1 Hệ số cấp nhiệt từ nước trong khuôn lên thành khuôn:
- Chuẩn số Grashoft
Gr = β.Δt.g.l
3
/v
2
= 3.10
-4
.35.9,81.1/(0,865.10
-6
)

2
= 1,57.10
11
β = 3.10
-4
(1/K) hệ số giãn nở thể tích của nước ở 30
0
C
Δt = 30-(-5) = 35 K
l = 1 m, kích thước hình học của khuôn, chiều dài khuôn.
v = 0,805.10
-6
m
2
/s; độ nhớt động học của nước ở 30
0
C.
- Chuẩn số Pr = 5,42 ở 30
0
C.
- Tích số Pr.Gr = 5,42.1,57.10
11
> 10
9
.
- Chuẩn số Nu
Nu = 0,15.(Gr.Pr)
0,33
.(Pr/Pr
t

)
0,25
= 0,15.(0,81.10
11
)
0,33
=1297
(Pr/Pr
t
)
0,25
= 1
- Hệ số cấp nhiệt α = Nu.λ/l = 1297.0,618/1 = 801,6 W/m
2
.K
λ = 6,18.10
-2
, hệ số dẫn nhiệt của nước ở 30
0
C.
2.2.2 Tính hệ số nhiệt tải riêng khuôn đá:
Dòng nhiệt từ nước vào bề mặt 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
r
L
r r
t r r r
τ
θ λ λ λ α
 
 
= − + + −
 
 ÷
−
 
 
Trong đó: L = 306.10
3
kJ/m
3
, ẩn nhiệt đóng băng của nước theo thể tích
θ
o
= -8
o
C nhiệt độ bề mặt nước đá
t

2
= - 15
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
11
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
 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
12
 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.
• 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:
13
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.
14
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.
15
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
16
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
17
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)
18
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:
19
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.
20
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.
21
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:
22
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
23
 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
=
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
24
25