THIẾT KẾ MÁY SẢN XUẤT ĐÁ MIẾNG NĂNG SUẤT 30 KG/H

Lê Cao Nhiên
Lớp HCO6MB
MSSV 60601700
Bài tập lớn môn Kỹ thuật lạnh
THIẾT KẾ MÁY SẢN XUẤT ĐÁ MIẾNG NĂNG SUẤT 30 KG/H
Mục lục
Từ lâu con người đã biết tận dụng lạnh của thiên nhiên như băng, tuyết để bảo quản nguồn
lương thực thực phẩm của mình. Ngày nay kỹ thuật lạnh ngày càng đi sâu vào đời sống con người
như các ngành khoa học: công nghệ thực phẩm, y học… Các thực phẩm như rau quả, cá, thịt…
cần được bảo quản để dùng được lâu, di chuyển đi xa hơn.
Đề tài thiết kế máy sản xuất nước đá miếng năng suất 30kg/h của em là một loại máy làm đá với
công suất trung bình dùng để bảo quản thực phẩm cho các doanh nghiệp chế biến thực phẩm đông
lạnh.
I. Tính cách nhiệt, cách ẩm
1. Mục đích: cách nhiệt, cách ẩm nhằm giảm bớt sự thất thoát nhiệt ra môi trường đồng
thời ngăn dòng lạnh xâm nhập vào hệ thống làm giảm năng suất lạnh.
2. Yêu cầu của vật liệu:
a. Vật liệu cách nhiệt:
b. Vật liệu cách ẩm:
3. Chọn vật liệu:
- Chọn vật liệu cách nhiệt là Styropore cho dàn lạnh. Styropore được sử dụng bằng cách
phun trực tiếp vào khoang của máy làm đá.Ưu điểm là có thể phun vào bất cứ thể tích
rỗng nào, tạo bọt mà không cần gia nhiệt, cứng và chịu tốt.
- Chọn vật liệu cách ẩm là Bitum. Bitum còn gọi là nhựa đường( hắc ín) được dùng dưới
dạng nóng chảy hoặc pha với các dung môi như cồn, xăng rồi quét lên bề mặt cách ẩm. Hệ
số thẩm thấu của nó rất bé μ = 0,000115 g/m.h.mmHg.
4. Tính toán cách nhiệt và cách ẩm cho máy làm đá
Máy làm đá chỉ cách nhiệt và cách ẩm thành bao quanh. Chọn tấm cách nhiệt hình trụ tròn như
sau:

Các thông số tra được:

Thép δ
i
= 0,002m ; λ
i
= 45,3 W/m.K
Styropore λ
i
= 0,047 W/m.K
Bitum δ
i
= 0,003m ; λ
i
= 0,18 W/m.K ; μ
i
=0,000115 g/m.h.mmHg.
Chiều dày tấm cách nhiệt được tính như sau:
1
1 2
1 1 1
n
i
cn cn
i
K
δ
δ λ
α λ α
 
 
= − + +

 
 ÷
 
 
∑
K: hệ số truyền nhiệt K, W/m
2
.K, chọn trước K = 0,25W/m
2
.K
α
1
= 23,3 W/m
2
.K. Hệ số tỏa nhiệt của môi trường bên ngoài tường cách nhiệt.
α
2
= 8 W/m
2
.K. Hệ số tỏa nhiệt của vách bên trong thiết bị bốc hơi.
δ
i
: chiều dài lớp vật liệu thứ i cách nhiệt, m
λ
i
: hệ số dẫn nhiệt lớp thứ i, W/m.K
λ
cn
: hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt,W/m.K
δ

cn
: chiều dày lớp cách nhiệt, m
1 1 2.0,002 0,003 1
0,047 0,179( )
0,25 23,3 45,3 0,18 8
cn
m
δ
 
 
= − + + + =
 
 ÷
 
 
Vậy chọn chiều dày lớp cách nhiệt là δ
cn
= 0,2m với 4 lớp x 50mm
Hệ số truyền nhiệt thực của kết cấu bao che:
( )
2
1
1 2
1 1
0,23 W / m .K
1 2.0,002 0,003 0,2 1
1 1
23,3 445,3 0,18 0,047 8
t
n

i
i
i
K
δ
α λ α
=
= = =
+ + + +
+ +
∑
5. Kiểm tra đọng sương trên bề mặt ngoài vách cách nhiệt:
- Điều kiện để vách ngoài không đọng sương
s
K K≤
Với các thông số của không khí nơi đặt nhà máy là thành phố Đà Nẵng t
1
= 37,7
o
C và φ
1
=77%, nhiệt độ đọng sương t
s
= 33
o
C
Nhiệt độ đá miếng cuối quá trình đông đá t
2
= -7
o

C
1
1
1 2
37,7 33
0,95. . 0,95.23,3. 1,981
37,7 7
s
s
t t
K
t t
α
−
−
= = =
− +

⇒
K = 0,23 < K
2
= 2,15
Vậy vách ngoài không bị đọng sương.
6. Kiểm tra đọng ẩm
Điều kiện :
1
.
n
i
CA CA n

i
i
R
δ
δ µ
µ
=
 
≥ −
 ÷
 
∑
μ
CA
: hệ số dẫn ẩm của vật liệu. Chọn bitum làm vật liệu cách ẩm.
μ
CA
= 0,000115 (g/m. h.mmHg)
R
n
= 1,6( P
n
– P
t
): tổng trở lực dẫn ẩm tối thiểu
2
. .m h mmHg
g
 
 ÷

 
Pn áp suất riêng phần của hơi nước ở ngoài (mmHg).
Pt áp suất riêng phần của hơi nước trong phòng lạnh.
φ
n
= 77%, t
ng
= 37,7
o
C
⇒
Pn = 37,77mmHg.
Φ
t
= 95%, t
tr
= -7
o
C
⇒
Pn = 3,41mmHg.
37,77.0,77 29,1
0,95.3,41 3,2
n
t
P
P
⇒ = =
= =
2

. .
1,6.(29,1 3,2) 41, 44
n
m h mmHg
R
g
 
⇒ = − =
 ÷
 
3
1
2.0,002 0,003 0,2
. 0,000115. 41,44 4,3.10
45,3 0,18 0,047
n
i
CA CA n
i
i
R m
δ
δ µ
µ
−
=
 
 
≥ − = − − − =
 ÷

 ÷
 
 
∑
Vậy chọn lại chiều dày lớp bitum là 0,005 m.
II. Tính chọn máy nén cho hệ thống:
1. Chọn chế độ làm việc cho máy nén
Ở đây công ty chế biến được xây dựng tại thành Phố Đà Nẵng và có các thông số khí tượng
sau :
Nhiệt độ trung bình cao nhất : t
maxtb
= 37,7°C.
Độ ẩm trung bình cao nhất : ϕ
1
= 77%.
Từ đó ta xác định được nhiệt độ, nhiệt kế ướt (tư ) nhiệt độ điểm đọng sương ( tư ) trên đồ
thị I - d của không khí
I ϕ = 77%
ϕ = 100%
t
1
=37,7°C I = const



t
s
= 33°C
d
Hình 2 - 1: Phương pháp xác định trên đồ thị I - d của không khí ẩm

Trạng thái không khí lấy làm chuẩn để tính toán
t
1
= 37,7°C.
Suy ra : t
s
= 33 °C ;t
ư
=34°C
Chọn phương pháp làm lạnh trực tiếp
Chế độ làm việc
Chọn môi chất lạnh Freon 22 ( CHF
2
Cl) ( R22)
Nhiệt độ sôi môi chất :t
0
= t
p
- ∆t
0
t
p
: nhiệt độ cuối của nước đá
∆t
0
= ( 8 : 13) 0C Chọn ∆t
0
= 13 0C
t
0

= -7 – 13 = -20 0C
Nhiệt độ ngưng tụ: t
k
= t
w2
+
∆
t
k
tw2:nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng
∆t
k
= ( 3: 5 ) 0C Chọn ∆tk = 5
0
C
+ Nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng tính theo nhiệt độ nước vào
t
w2
= tw1 + ( 2 : 6)
0
C
Chọn ∆t
w
= 3
0
C
Khi sử dụng nước tuần hoàn qua tháp giải nhiệt
t
w1
= t

ư
+ (3 : 4 ) 0 C Chọn ∆t
u
= 3
0
C

→
t
w1
= t
ư
+ 3 =34 + 3 = 37
0
C

→
t
w2
= 37 + 3 = 40
0
C

→
t
k
= 40 + 5 = 45
0
C
Nhiệt độ hơi hút hay nhiệt độ quá nhiệt tqn

t
h
= t
qn
= t
0
+ ( 5 : 25 )
o
C
Với môi chất R22 t
qn
= t
o
+ 20 = -15 + 20 = 5
o
C
Nhiệt độ quá lạnh t
ql
Do có thiết bị hồi nhiệt nên t
ql
phụ thuộc vào t
qn
Chọn hiệu nhiệt độ khi qua thiết bị hồi nhiệt là 15
0
C
Suy ra t* = -10
o
C quá nhiệt trên đường hơi hút.
h3’ – h3 = h1 – h1*
→ h

3
= h
3’
– h
1
+ h
1*

Với h
1
= 718 kJ/kg
h
1*
= 705 kJ/kg
h
3’
= 556 kJ/kg
→ h
3
= 556 – 718 + 705 = 543 (kJ/kg)
→ t
ql
= 33
o
C
2. Sơ đồ nguyên lý và chu trình lạnh
Giản đồ lgP - h
Điểm t
0
C P(bar) h ( kJ/kg)

1’ -20 2,5 698
1 5 2,5 718
2 95 17,3 765
3 30 17,3 536
3’ 45 17,3 556
4 -20 2,5 536
Bảng 1. Thông số của các điểm trên giản đồ lgP-h
Ta có tỷ số nén
0
17,3
6,92 11( ar)
2,5
k
p
p b
p
= = = <
Với chu trình:
1’ – 1: quá trình quá nhiệt.
1 – 2: quá trình nén đoạn nhiệt.
2 – 2’: quá trình hạ nhiệt độ sau khi nén đến nhiệt độ ngưng tụ.
2’ – 3’: quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt, đẳng áp.
3’ – 3: quá trình quá lạnh.
3 – 4: quá trình tiết lưu.
4 – 1’: quá trình bốc hơi
3. Năng suất lạnh của máy nén
Tổng chi phí lạnh cho máy đá
1 2 3 4
Q Q Q Q Q
= + + +

, kW
Trong đó: Q
1
: chi phí lạnh cho dàn lạnh,kW
Q
2
: chi phí lạnh để làm đông nước thành đá, kW
Q
3
: tổn thất khi rã đá,kW
Q
4
: tổn thất do nhiệt truyền ra ngoài
- Chi phí lạnh cho dàn lạnh: chỉ xét lần đầu tiên làm lạnh ống làm đá đến -7
o
C, xem như sau
khi xả đá nhiệt độ ống làm đá không tăng lên tức là không cần làm lạnh thêm , phần nhiệt
đó tính vào nhiệt tổn thất khi rã đá.
( )
1 1 2
. . . , /
k inox
Q n g C t t kJ h
= −
Do ta xét trong khoảng thời gian 1h nên đơn vị của Q
1
la kg/h
Với: n = 10 số ống làm đá ( tính sau)
g
k

: khối lượng một ống làm đá, kg
Tính g
k
với độ dày ống là 3,5mm, chiều cao lớp đá 0,8m
( )
2 2 2 2
. . . 7850.0,8. .(0,057 0,050 ) 3,694( )
4 4
k inox ng tr
g h D D kg
π π
ρ
= − = − =
Nhiệt độ nước cấp t
1 =
15
o
C
Nhiệt độ cuối của quá trình đông đá t
2
= -7
o
C
⇒
Q
1
= 10.3,694.0,5.(15+7) = 406,34 (kJ/h)
- Chi phí lạnh để làm đông nước đá:
[ ]
2 1 2

. ( 0) (0 ) , /
n r d
Q G C t q C t kJ h= − + + −
Trong đó: G = 30kg/h năng suất của máy làm đá.
C
n
=4,18 kJ/kg.K nhiệt dung riêng của nước.
C
d
= 2,09 kJ/kg.K nhiệt dung riêng của nước đá
Q
r
= 333,6 lJ/kg ẩn nhiệt đóng băng của nước.
[ ]
2
30. 4,18.(15 0) 333,6 2,09.(0 7) 12327,9( / )Q kJ h⇒ = − + + + =
- Tổn thất khi rã đá:
3
. . . .
G
Q f L
g
δ ρ
=
, kJ/h
Với δ = 0,001m bề dày lớp đá tan.
L = 330,3 kJ/kg nhiệt nóng chảy của nước đá.
ρ = 917 kg/m
3
khối lượng riêng của nước ở 0

o
C
g = 1,355kg (tính sau) khối lượng đá còn lại
f: bề mặt ngoài của ống tạo đá.
2
. . .0,057.0,8 0,143( )
ng
f d h m
π π
= = =
3
30
.0,143.0,001.917.330,3 958,9( / )
1,355
Q kJ h= =
- Tổn thất do nhiệt truyền ra ngoài:chọn bằng 3% chi phí lạnh để làm đông nước đá.
4 2
0,03 0,03.12327,9 369,81( / )Q Q kJ h= = =
Vậy tổng chi phí lạnh cho máy làm đá:
Q = 406,34 +12327,9 + 958,9 +369,81 = 14062,95 (kJ/h) = 3,9 kW
Suy ra năng suất lạnh của máy nén:
.
o
Q
Q
b
β
=
Với β hệ số tính đến tổn thất lạnh trên đường ống lạnh, β = 1,07
b hệ số thời gian làm việc của máy nén, b = 1

3,9
1,07. 4,173( )
1
o
Q kW
= =
4. Tính và chọn máy nén
- Năng suất lạnh riêng khối lượng