đồ án đá cây Thiết kế hệ thống sản xuất nước đá cây

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TpHCM
NAM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

Khoa Kỹ Thuật Hóa Học

Độc lập – Tự do – Hạnh

phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ - MSMH:
Họ và tên sinh viên:
Ngành: Quá trình và thiết bị

Lớp:

Họ và tên người hướng dẫn:
Tên đề tài: Thiết kế hệ thống sản xuất nước đá cây
1. Số liệu ban đầu:

2.

3.

4.
5.

Năng suất: 100 tấn/ngày
Môi chất lạnh: NH3

Các thông số khác tự chọn
Nội dung thực hiện:
2.1. Mở đầu
2.2. Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ
2.3. Tính cân bằng vật chất và năng lượng
2.4. Tính toán công nghệ thiết bị chính
2.5. Tính và chọn thiết bị phụ
2.6. Kết luận
2.7. Tài liệu tham khảo
2.8. Phụ lục
Bản vẽ:
1) Sơ đồ quy trình công nghệ - A1
2) Bản vẽ bể nước muối – A1
3) Bản vẽ lắp thiết bị chính: Thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới – A1
Ngày giao nhiệm vụ: / / 2015
Ngày nộp đồ án:
12 / 2015

Tp. HCM, ngày
năm 2015
TRƯỞNG BỘ MÔN

tháng 12

Người hướng dẫn

TS.

Page 1 of 33

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Trần Văn Ngũ đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo, giảng dạy và truyền đạt kiến thức, luôn giúp
đỡ, động viên và tạo điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tốt
Đồ án môn học Quá trình và thiết bị này
Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô giáo
bộ trong bộ môn Quá trình và thiết bị nói riêng và các thầy cô trong
khoa Kỹ thuật hóa học nói chung đã truyền đạt kiến thức vững chắc,
tạo nền tảng cơ sở trong suối ba năm học qua để em có thể vận dụng
chúng vào việc thực hiện và hoàn thành đồ án môn học
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn ủng hộ, chia sẻ
và giúp đỡ em

hiện

Sinh viên thực

Page 2 of 33


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
 Đặt vấn đề

Nước đá được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong nhiều lĩnh vực của đời sống
như sử dụng trong làm lạnh, trữ lạnh cho vận chuyển, bảo quản nông thủy
sản, thực phẩm, chế biến lạnh các sản phẩm từ thịt, cá, cho sinh hoạt, đặc

biệt là các vùng nhiệt đới để giải khát và làm mát.
Có nhiều loại nước đá với các hình dạng và khối lượng khác nhau (đá khối, đá
tắm, đá thỏi, đá vảy, …) cho nhiều ứng dụng khác nhau. Trong đó, đá cây
chiếm vai trò quan trọng trong việc bảo quản lạnh cũng như phục vụ cho
nghành khai thác đánh bắt thủy sản gần và xa bờ. Vì vậy, việc sản xuất đá
cây là cấp thiết và được quan tâm trong đời sống hiện nay.
 Các phương pháp sản xuất nước đá cây
• Bể nước muối

Sản xuất nước đá cây từ bể nước muối là phương pháp truyền thống, được sử
dụng từ rất lâu và đến nay vẫn được sử dụng rộng rãi.
•

Phương pháp Vilbushevich

Phương pháp sản xuất nước đá khối nhanh, sử dụng môi chất lạnh sôi trực
tiếp trong ống hai vỏ để tạo đá, rút ngắn đáng kể thời gian kết đông lại.
•

Phương pháp Fecher

Phương pháp Fecher tạo đá trong khuôn cố định trong bể nước được làm lạnh
trực tiếp bằng môi chất lạnh, có các vòi phun không khí dưới khuôn để đá
trong suốt.

CHƯƠNG 1. QUY ĐỊNH CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ
CÂY DÙNG BỂ NƯỚC MUỐI

Page 3 of 33

1.1. Sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống sản xuất nước đá cây dùng
bể nước muối
Nước thủy cục

Xử lý nước

Cho nước
vào khuôn

Đặt linh đá
Vào bể đá

Đá cây

Xả đá

Nhúng khuôn
Xả đá

Đông đá

Đưa đá
ra khỏi bể đá

1.2. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống sản xuất nước đá dùng bể
nước muối
Amoniac là một chất lạnh được máy nén hút về và nến từ áp suất thấp
đến áp suất cao (áp suất ngưng tụ), qua bình tách dầu rồi vào dàn ngưng tụ
kiểu xối tưới. Ở đây, mỗi chất lạnh tỏa nhiệt ra bên ngoài môi trường là nước.

Nước giải nhiệt khi xối tưới qua dàn ngưng được chứa và nguội dần ở bể nước
và được tuần hoàn trở lại nhờ bơm.
Môi chất lạnh qua dàn ngưng tụ chuyển pha thành lỏng. Lỏng sau
ngưng tụ được chứa ở bình chứa cao áp, sau đó được dẫn qua phìn lọc và qua
van tiết lưu để giảm áp suất xuống áp suất bóc hơi, một phần được dùng cho
thiết bị tách khí không ngưng tụ động, phần còn lại đi vào bình chứa thấp áp.
Dòng lỏng môi chất lạnh được đưa qua bình chứa thấp áp tiếp tục được
đưa vào dàn lạnh xương cá. Ở đây, lỏng môi chất lạnh thu nhiệt từ chất tải
lạnh là nước muối để bốc hơi ở áp xuất thấp, nhiệt độ thấp. Nước muối trong
bể được làm lạnh xuống nhiệt độ thấp và làm đông đá trong các khuô. Hơi
amoniac từ dàn lạnh được đưa qua bình tách lòng phụ để tách lỏng hoàn
toàn rồi được hút về máy nén, tiếp tục thực hiện chu trình lạnh.
Các khuôn đá sau khi đã hình thành đá cây được đem qua bbeer nhúng
đá để tự nổi lên và được đưa ra ngoài, sau đó đưa đi phân phối để sử dụng.
1.3. Đặc điểm của hệ thống sản xuất nước đá cây dùng bể nước muối
• Ưu điểm
Công nghệ đơn giản, công xuất lớn, sản xuất dễ thu hồi vốn.
•

Nhược điểm

Chi phí vận hành lớn, chi tiêu vệ sinh không cao, hệ thống chiếm nhiều diện
tích.
•

Chọn môi chất lạnh
Page 4 of 33


Môi chất lạnh được chọn là amoniac (NH3, R717) vì thích hợp với hệ thống

lạnh có công suất lớn, lượng môi chất lạnh nhỏ, lượng tuần hoàn nhỏ, máy
nén và các thiết bị khác nhỏ gọn. Amoniac có tính lưu động cao, tổn thấp áp
xuất nhỏ, trao đổi nhiệt tốt không cần cách tản nhiệt, có năng xuất lạnh
riêng lơn. Tuy nhiên, môi chất lạnh này không hòa tan dầu dẫn đến khó bôi
trơn máy nén piston; là chất có khả năng cháy nổ trong không khí và gây
độc.
•

Chọn chất tải lạnh

Chất tải lạnh được chọn là muối NaCl nồng độ 23,1%. Dung dịch muối ăn
rẻ tiền, dễ kiếm, hội tụ nhiều ưu điểm cần có của một chất tải lạnh là không
cháy nổ, không độc hại với cơ thể sống, hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng
lớn, độ nhớt nhỏ làm tổn thấp áp xuất trên đường ống giảm, khối lượng riêng
nhỏ làm giảm công bơm và làm tăng hệ số trao đổi nhiệt.
Tuy nhiên, nước muối dễ gây ăn mòn thiết bị. Đặc biệt, hiệt độ đông đặc
thấp nhất có thể đạt được là -21,2 nên độ chênh lệch với nhiệt độ sôi môi
chất lạnh thấp.
•

Chọn nguồn nước để sản xuất đá

Để bảo đảm an toàn vệ sinh thực phẩm, chọn nguồn nước để sản xuất đá
cây là nguồn nước thủy cục có qua xử lý.
Nước ở bể nhúng đá và nước giải nhiệt lấy nguồn từ nước giếng khoan.

Page 5 of 33


CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ ĐÁ

2.1. Xác định kích thước bể đá
2.1.1. Chọn khuôn đá
Vì năng suất lớn (100 tấm/ngày), chọn khuôn đá cây loại 50 kg với các thông
số sau đây:
Khối lượng khuôn (thép mạ kẽm):
Chiều cao khuôn:

27,2 kg

1115 mm

Kích thước đáy lớn:

380 mm x 190 mm

Kích thước đáy bé:

340 mm x 169 mm

2.1.2. Số lượng khuôn theo yêu cầu
Só lượng khuôn đá xác định dựa vào năng suất bể đá và khối lượng cấy đá: N
= M/mTrong đó: M – khối lượng đá trong bể ứng với 1 mẻ, kg
M – khối lượng cây đá, kg
N = M/m = 100000/50 = 2000 khuôn đá
Số khuôn đá trong bể được tính dư 20% để dự phòng. Vậy nên số lượng
khuôn đá thực tế là 2400 khuôn.
2.1.3. Số lượng và kích thước khuôn đá
Chọn linh đá là tập hợp của 20 khuôn đá. Số lượng linh đá được xác định bởi:
M1 = N/n1 với N – Số khuôn đá, n1 – Số khuôn đá trên 1 linh đá
Vậy, m1 = N/n1 = 2400/20 = 120 linh đá

Hình 3.1: Linh đá gồm 20 khuôn đá
Khoảng cách giữa các khuôn đá trong linh đá là 225 mm, 2 khuôn hai đầu
cách nhau 40 mm để móc cầu. Khoảng hở hai đầu còn lại là 75 mm. chiều
dài mỗi linh đá sẽ được xác định như sau:
l = n1 × 225+2×75+2×40 = n1 × 225+230 = 20×225+230 = 4730 m
Chiều rộng của linh đá là 425 mm, chiều cao linh đá là 1150 mm.
2.1.4. Xác định kích thước bên trong bể đá
Bể đá được bố trí dàn lạnh ở giữa cùng máy khuấy, hai bên có hai dãy khuôn
đá để tăng hiệu quả truyền nhiệt và nước muối chuyển động đồng đều trong
toàn bể.
 Xác định chiều rộng bên trong bể đá

W = 2×l + 4×d + A mm
Page 6 of 33


Trong đó:

l- chiều dài l linh đá,mm
- Khe hở giữa đá và vách bế đá, = 25 mm
A- chiều rộng cần thiết dể lắp dàn lạnh xuống đá, chọn A=
1000mm vì năng suất bể đá lớn.

Vậy W= 2×l+ 4× +A= 2 × 4730 + 4×20 + 1000= 10560mm = 10,56m.
 Xác định chiều dài bên trong bể đá

L = B + C + m2×b ,mm
Trong đó:
600mm.

B- chiều rộng các đoạn hở lắp máy khuất và tuần hoàn nước, B=
C- chiều rộng đoạn hở cuối bể, C = 500mm
b- khoảng cách giữa các linh đá , được xác định trên cơ sở độ
rộng của linh đá và khoảng hở giữa chúng, b=425+50= 475mm
m2- số linh đá dọc theo chiều dài bể đá, m2=m1/2=120/2=60

linh đá.
Vậy, L = B+C+ m2 ×b= 110 + m2× 475 = 1100 + 60×475 = 29600 mm=
29,6 m
 Xác định chiều dài bên trong bể đá

Chiều dài bể đá được xác định dựa vào chiều cao khuôn đá, kết hợp với
khoảng cách cần thiết giữa đáy khuôn đá và bể. Mặt khác, phía trên linh đá
có một khoảng hở 100 mm, sau đó là lớp nắp bằng gỗ dày 30 mm.
H = H1 + H2 + H3 + H4,mm
Trong đó:
10 mm

H1- chiều cao từ đáy trong của bể đến đáy của khuôn đá, H1 =
H2- chiều cao khuôn đá 50kg, H2= 1115 mm.
H3- khoảng cách từ khuôn đến nắp gỗ, H3= 95 mm
H4- chiều dài nắp gỗ, H4 = 30 mm

Vậy, H= 10+ 1115 + 95 + 30 =1250 mm = 1,25 m
2.2. Thiết kế kết cấu cách nhiệt bể đá
2.2.1. Tường bể đá
Từ trái qua, lần lượt là các lớp:
1. Lớp vữa trát xi măng
2. Lớp gạch đỏ

3. Lớp vữa trát xi măng
4. Lớp hắc in quét liên tục
Page 7 of 33


5. Lớp chống ẩm bằng giấy dầu
6. Lớp cách nhiệt polystirol
7. Lớp thép tấm bể đá

Bảng 3.1: Thông số các thành phần trong kết cấu tường cách nhiệt
bể đá

Lớ
p

Vật liệu

Bề dày,
mm

Hệ số dẫn nhiệt
�
W/(m.K)

Hệ số khếch tán
ẩm μ
g/mhMpa

10

0,88

90.10-6

220

0,82

105.10-6

1

Lớp vữa trát xi măng

2

Lớp gạch đỏ

3

Lớp vữa trát xi măng

10

0,88

90.10-6

4

Lớp hắc ín quét liên tục

0,1

0,70

0,86.10-6

5

Lớp chống ẩm bằng
giấy dầu

2

0,16

1,35.10-6

6

Lớp cách nhiệt
polystirol

0,047

7,5.10-6

7

Lớp thép tấm bể đá

5

45,3

2.2.2. Nền bể đá

Hình 2: Cấu tạo nền bể đá
Lớ
p
1

Vật liệu
Lớp thép

Bề dày
(mm)

Hệ số dẫn
nhiệt �
(W/m.K)

Hệ số khếch tán
ẩm μ
(g/mhMpa)

0,006

39

0

Page 8 of 33


2

Lớp cách ẩm cách nhiệt bitum

0,1

0,18

0,86

3

Lớp chiệu lực - bêtong

0,2

1,1

30

4

Lớp cách nhiệt, cách ẩm
bitum

0,1

0,18

0,86

5

Lớp cách nhiệt styropore

0,047

7,5

6

Lớp cách ẩm - giấy dầu

0,004

0,18

1,35

7

Lớp chịu lực -betong nền

0,2

1,1

30

8

Đất nện đá dăm

0,1

0,46

30

Hệ số dẫn nhiệt của nền

K2 =

Chọn

1
δ i δ cn 1
+
+
∑
λcn α 2
i =1 λi
7

/2/

K2 = 0,26 W/m2.độ
Hệ số cấp nhiệt phía trong của bể α2 = 813,94

W/m .độ.
2

Bề dày lớp cách nhiệt
 1  7 δi
1 

δ cn = λcn 
−  ∑ +
K
λ
α
i
=
1
2
i
2




 1  0,006
0,1 0,2 0,004 0,2 0,1
1 

δ cn = 0,047.
−
+ 2×
+
+
+
+
+

0,18 1,1 0,18 1,1 0,46 813,94 
 K 2  39
= 0,1001 m

Chọn δcn = 0,2 m
Hệ số truyền nhiệt K2 với bề dày lớp cách nhiệt vừa mới tính toán
ở trên
K2 = 0,167 W/m2.độ
So sánh với hệ số truyền nhiệt được chọn ở trên K2tt < K2chọn
Vậy điều kiện được thỏa mãn.

Page 9 of 33


Vì mặt ngoài của của đáy bể đá là nên đất, không tiếp xúc với
không khí nên ở đây ta không cần kiểm tra hiện tượng động
sương.
Tương tự như vách của bể đá, mặt trong của nền cũng được lót
bằng thép, xem như cách ẩm hoàn toàn.
2.2.3. Nắp bể đá
Để thuận tiện cho việc ra vào của đá, nắp bể đá được đẩy bằng các tấm

đanh gỗ dày 30 mm, hệ số dẫn nhiệt µ= 0,2 W/(m,k), trên cùng phù thêm lớp
vải bạt.
2.2.4. Xác định chiều dày lớp cách nhiệt
Chiều dày lớp cách nhiệt được xác định theo phương trình sau [2]:

,m

(3.1)

Trong đó, k- hệ số truyền nhiệt của bể đá [1]. Hệ số này được chọn ban đầu
tương đương với hệ số truyền nhiệt k của kho lạnh, k= 0,28k/
(m2.K)
- hệ số tỏa nhiệt bên ngoài bể đá, từ không khí trên tường bể
muối. Dựa vào hệ số tỏa nhiệt của không khí theo kho lạnh, chọn /
(m2.K)
- hệ số tỏa nhiệt bên trong bể đá, nước muối tỏa nhiệt khi chuyển
động cưỡng bức ngang qua vách đứng, W/(m2.k), chonj = 813
W/m2.K
- chiều dày của các lớp còn lại ở tường bể đá, mm ( bảng)
- hệ số dẫn nhiệt của các lớp còn lại ở tường ber đá, W/(m.k)
( bảng 3.1 )
Vậy theo (3.1),

Lớp cách nhiệt có bề dày theo tiêu chuẩn 150 mm
2.2.5 Kiểm tra hiện tượng đọng sương trong kết cấu cách nhiệt.
Hệ số truyền nhiệt thực của bề mặt đá với lớp cách nhiệt 150 mm là:

Để không đọng sương bề mặt bên ngoài bể đá, hệ số truyền nhiệt thực phải
đảm bảo điều kiện sau :

Page 10 of 33


Trong đó:

nhiệt độ không khí ngoài tường. Nhiệt độ này là nhiệt độ trong
nhà, lấy thấp hơn nhiệ độ ngoài trời của TP.HCM là 37,3, chọn .
Nhiệt độ đọng sương ứng với trạng thái không khí bên ngoài
tường. Dựa vào độ ẩm của TP.HCM là 74%, nhiệt độ đọng sương
là = 29
Nhiệt độ nước muối trong bể, -10

Theo (3.2) =0,95= 2,28 W/(
Như vậy, vì nên bề mặ bên ngoài bể đá không có hiện tượng đọng sương.
2.2.6. Kiểm tra hiện tượng đọng ẩm trong kết cấu cách nhiệt
Điều kiện để ẩm không đọng lại trong vách cách nhiệt là phân áp xuất hơi
nước thực luôn phải nhỏ hơn phân áp xuất bão hòa hơi nước:

Mật độ dòng nhiệt qua kết cấu cách nhiệt:
Q= = =12,69 W/(
Xác định nhiệt độ các lớp vách:

•
•

Vậy, = 35= 34,53
Tương tự, = 34,53 = 34,39

≈ 10
Bảng 3.3: Kết quả tính toán áp xuất bão hòa

Vách
Nhiệt độ,
Áp xuất bão hòa ,
Pa
•

1
34,5
3
547
7

2
34,3
9
5440
,7

3
31
449
6

4
30,8
4
4455
,1

5

30,8
4
4455
,1

6
30,6
8
4414
,6

7
8
9,81 9,81
264, 264,
3
3

Dòng hơi nghiêng qua kết cấu bao che

Trong đó: là phân áp xuất hơi nước của không khí bên ngoài trời và bên
trong bể đá
Page 11 of 33


Nước muối có nồng độ khối lượng 23% => phần mol của muối trong
dung dịch:
0.23
58.5
x=

= 0.084
0.23 (1 − 0.23)
+
58.5
18

là trở kháng thấm hơi của kết cấu bao che
/Pa
Vậy theo (3.3),
•

Áp xuất thực của hơi nước trên các bề mặt vật liệu

Pa
Bảng 3.4: Kết quả tính toán áp xuất riêng phần hơi nước thực
Vách
Áp xuất bão hòa,Pa
Áp xuất riêng phần
hơi nước thực , Pa

1
5477
4160
,3

2
5440
,7
4142
,2

3
4496
3800
,4

4
4455
,1
3782
,3

5
4455
,1
3762
,3

6
4414
,6
3521
,6

7
264,
3
259,
2

8
264,
3
259,
2

Từ kết quả tính toán trên, ta thu được kết quả phân áp xuất hơi nước thực ở
các lớp vật liệu đều nhỏ hơn áp xuất bão hòa thỏa mãn
Như vậy bể đá không bị đọng ẩm. Việc chon bề dày lớp cách ẩm (lớp giấy
dầu chống thấm dày 2mm) ban đầu là hợp lí.
2.3. Thời gian đông đá
Thời gian đông đá được tính theo thời gian đông đặc của Planck (1913) với
những giả định về nhiệt độ nước tái lạnh không đỗi, sự trao đỗi nhiệt theo để
đông đạc theo hình thức dẫn nhiệt….như sau :
Với là nhiệt độ đông đạc của chất, là nhiệt độ môi trường tiếp xúc để trao
đỗi nhiệt; là khối lượng riêng của chất; kích thước theo hình dạng vật; là
hằng số phụ thược vào hình dạng; là bề dày đông đặc; là hệ số dẫn nhiệt
của môi trường; hệ số truyền nhiệt. Công thức trên được cụ thể hóa cho việc
tạo đá bằng bể khuôn đặt trong bể nước muối như sau :
Trong đó: A và B là hệ số phụ thuộc vào tỉ lệ kích thước khuôn đá
Vì tỉ số nên A = 4540 và B = 0,026 (tra bảng 12.1 )
Page 12 of 33


kích thước cạnh dài của đáy lớn, mm
kích thước cạnh ngắn của đáy lớn, mm
nhiệt độ nước muối trong bể,
Vậy theo 3.4,
Ngoài ra còn có thể chia hình 9-7( Giá trị thực nghiệm của thời gian làm đá
phụ thuộc vào nhiệt độ nước muối và loại khuôn để xác định thời gian đông

đá. Để an toàn và phù hợp với thực tế, chọn thời gian cho nước vào khuôn,
đông đá, nhúng đá để lấy đá tròn một ngày một đêm.
CHƯƠNG 3

TÍNH TOÁN CHI PHÍ LẠNH

Năng xuất nhiệt của bể đá được tính từ các tản nhiệt thành phần
Trong đó:
nhiệt độ

Dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che do chênh lệch
Dòng nhiệt làm đông từ đá 30 xuống -7, kể cả làm lạnh

khuôn
Dòng nhiệt do thông gió,
Dòng nhiệt do động cơ máy khuấy tỏa ra do tách đá khỏi
nguồn
Dòng nhiệt do sản phẩm hô hấp,
3.1 . Tính nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che
Dòng nhiệt bao gồm 3 thành phần: tường, nền và tháp gỗ
3.3.1. Dòng nhiệt qua tường

Trong đó:

Hệ số truyền nhiệt qua tường,
Diện tích bề mặt bên ngoài tường của bể

Bề dày của tường( tổng bề dày các lớp vật liệu và lớp cách nhiệt) là
400 mm
Chiều dài bên ngoài bể:

Chu vi tường ngoài

Vậy theo (4.2),
3.1.2. Dòng nhiệt qua nền

Trong đó:

Hệ số truyền nhiệt của nền K = 0,26
Diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2
Page 13 of 33


Q12 = 0,26 × (11,36 × 30,4) × (35 – (-15)) = 4382 W
3.1.3. Dòng nhiệt qua nắp
Q13 = knFn(tNkk - tTkk), W
Trong đó

Fn = 10,56×29,6 = 312,576 m2 – Diện tích của nắp gỗ
tTkk = -5oC – Nhiệt độ không khí bên trong bể (dưới nắp gỗ),
chênh lệch với nhiệt độ nước muối vài độ
kn – Hệ số truyền nhiệt ở nắp bể đá, W/(m2.K)
kn =

= 18 W/(m2.K) – Hệ số tỏa nhiệt bên ngoài từ không khí lên nắp bể đá
= 10 W/(m2.K) – Hệ số tỏa nhiệt bên trong từ nắp bể đá xuống lớp không khí
bên dưới nắp bể
= 30mm = 0,03m – Chiều dày nắp gỗ
= 0,2 W/(m2.K) – Hệ số dẫn nhiệt của gỗ
kn =

=

= 3,27 W/(m2.K)

theo (4.4), Q13 = kn.Fn. (tNkk - tTkk) = 3,27 × 312,576 × (35 – (-5)) = 40 919,04
W
vậy, Q1 = Q11 + Q12 + Q13 = 1322,77 + 4382 + 40 919,04 = 46 624,2 W
3.2. Chi phí lạnh thuần túy cho việc tạo đá và làm lạnh khuôn đá
3.2.1. Chi phí lạnh thuần túy cho việc tạo đá
Q21 = , W
Trong đó:

E – Năng suất bể đá, E = 100 000kg/ngày
= 24h = 86400 s – Thời gian đông đá cho một mẻ

Qo – nhiệt lượng cần để làm lạnh 1 kg nước từ nhiệt độ ban đầu đến 0o
C, đông đá và tôi lạnh, J/kg
Qo = Cpnt1 + r + Cpd |t2|
Cpn – nhiệt dung riêng đằng áp của nước, C = 4186 J/(kg.K)
R – nhiệt đông đặc của đá, r = 333600 J/(kg.K)
Cpd – nhiệt dung riêng của nước đá, Cpd = 2090 J/(kg.K)
t1 – nhiệt độ nước đầu vào, lấy t1 = 30oC
t2 – nhiệt độ cây đá (-5 /-10) oC, lấy t2 = -7 oC
Theo (4.6), qo = Cpnt1 + r + Cpd|t2| = 4186 × 30 + 333600 + 2090 × |-7| =
473810 J/kg
Page 14 of 33


Theo (4.5). Q21 = = 100000×= 548391,2 W
3.2.2. Chi phí lạnh làm lạnh khuôn

Q22 = Mk(Cpk(tk1 – tk2 )/, W
Trong đó,
kg.

Mk – tổng khối lượng khuôn đá. Khối lượng 1 khuôn 50kg là 27,2
Cpk – nhiệt dung riêng của khuôn là bằng tôn tráng kẽm, C = 450

J/(kg.K)
Tk1 – nhiệt độ khuôn ban đầu, lấy tương đương với nhiệt độ nước
đầu vào.
Tk2 – nhiệt độ khuôn khi đá đã hoàn thiện, nhỏ hơn nhiệt độ trung
bình của đá (2/3). Lấy tk2 = -10 oC
Q22 = Mk(Cpk(tk1 – tk2 ))/t = 27,2 ×2000 × (450× (30- (-10)))/86400 = 11333,3
W
Vậy, Q2 = Q21 + Q22 = 548391,2 + 11333,3 = 559724,5
3.3. Nhiệt do máy khuấy tỏa ra
Q41 = 1000�N , W
Trong đó,

� – hiệu suất động cơ điện

N – công suất của mô tơ cánh khuấy, kWW. Dựa vào bảng 3 -8
[2], vì năng suất bể đá lớn, chọn 2 cánh khuấy MYCOM (nhật ) Model
400 VGM có công suất 7,5 kWW; tốc độ 1000 phút; lưu lượng 40
m/phút.
Q41 = 1000�N = 1000 × 0,72 × 7,5 × 2 = 10800 W
3.4. Nhiệt khi tách ra khỏi khuôn
Q42 = = ,W
Trong đó,

N – số khuôn đá
g – khối lượng phần đá đã tan, kg
qo – nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh 1 kg đá từ nhiệt độ đầu
đến nhiệt độ cây đá, J/kg
f – diện tích bề mặt cây đá. Đối với loại 50 kg thì f= 1,19 m2
– chiều dày phần đá đã tan khi nhúng. Dể có thể rút đá ra khỏi
khuôn, cần làm tan đá ,ột lớp dày .. = 0,001 m
= khối lượng riêng của đá, = 900 kg/m3
– thời gian đông đá, s

Q42 = = 2000 × 1,19 × 0,001 × 900 × 473810 / 86400 =
11746,5 W
Page 15 of 33


Vậy, Q4 = Q41 + Q42 = 10800 + 11746,54 = 22546,5 W
Theo (4.1), năng suất lạnh của bể đá là :
Q1 = Q1 + Q2 + Q4 = 46624,2 + 559724,5 + 22546,5 =
628895,22


Chi phí lạnh đơn vị đề sản xuất 1 kg đá :
×24×3600= 543,4 kJ/kg

Chi phí lạnh đơn vị đề sản xuất 1 kg đá trên thực tế là 650 kJ/kg [1]. Chi phí
lạnh đơn vị tính toán được nhỏ hơn so với thực tế. như vậy, tổn thất nhiệt
trên thực tế có thể nhiều hơn so với tính toán lý thuyết.
CHƯƠNG 4. DỰNG VÀ TÍNH CHU TRÌNH LẠNH
4.1. Chọn chế độ làm việc
Bể đá được xây dựng tại TP.HCM có tkk = 37,3 oC, độ ẩm … = 74% (phụ lục E1

– [3]) xác định từ giản đò h – x của không khí ẩm, ta được tư = 32 oC
 Chọn to

Trong trường hợp làm lạnh gián tiếp chất tải lạnh là nước muối có nhiệt độ
yêu cầu là – 10 oC
∆to = (4÷6) K. chọn ∆to = 5 K
to = tTL - ∆to = -10 -5 =-15


oC

Chọn tqn

Hệ thống lạnh với môi chất lạnh NH không sử dụng thiết bị hồi nhiệt nên ∆tqn
= (5/10 ) K
tqn = to + ∆tqn = -15 + 5 = -10 oC
 Chọn tk

Hệ thống thiết bị kiểu xối tưới giải nhiệt bằng nước và không khí nên tk = tw2
+ ∆tk
tw1 = tu + (3/4) K = 32 +3 = 35 oC
tw2 = tw1 + tw = tw1 + (2÷3) K = 35 + 2 = 27 oC
tk = tw2 + ∆tk = tw2 + (2÷4) K = 37 + 3 = 40 oC
(tw1 và tw2 lần lượt là nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra)
 Chọn tqt

tql = tk - ∆tql = 40 – (2÷3) K = 40 – 3 = 37 oC

Page 16 of 33

4.2. Dựng và tính chu trình lạnh

Hình 5.2 : Chu trình lạnh biểu diễn bằng giản đồ log P – h

Bảng 5.2 : Thông số của môi chất lạnh tại các điểm nút chu trình
lạnh (phụ lục A1b [3])
to = -15 C ; tk = 40 oC ; tqo = -10 oC ; tql = 37 oC
Điểm
t, C
p, bar
h, kJ/kg
�,
m3/kg

1’
-15
2,37
1743
-

1
-10
2,37
1760
0,525

2
132
15,56

2045
-

3’
40
15,56
688
-

3
37
15,56
673
-

4
-15
2,37
673
-

CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
5.1. Tính chọn máy nén
• Năng suất lạnh của máy nén : Qo =
Trong đó,

–hệ số tính đến tổn thất nhiệt trên đường ống dẫn của hệ thống
lạnh. Với hệ thống làm lạnh gián tiếp, = 1,12
b– hệ số thời gian làm việc của máy nén. Với máy nén ứng với
hệ hống với thống có năng suất lớn, chọn b = 0,98

Vậy, Qo = = =726,15
•
•
•
•

Tỷ số nén = pk /po = 15,56/2,37 = 6,57 ; chọn chu trình 1 cấp nén là
phù hợp
Năng suất lạnh riêng khối lượng : qo = h1 – h4 = 1760 – 673 = 1087
kJ/kg
Công nén riêng : l = h2 – h1 = 2045 – 1760 = 285 KJ/kg
Hệ số lạnh của chu trình : e = qo /l = 1087/285 = 3,81
Page 17 of 33


•

Năng suất khối lượng thực tế của máy nén

•

Năng suất thể tích thực tế của máy nén :
Vtt = m=2367,2 ×0,525 = 1242,8 m3/h = 0,345 m3/s
Hệ số cấp của máy nén � xác định theo công thức sau � = (6,1)

•

Trong đó :

= (0,005 – 0,01) Mpa, chọn = 0,01Mpa = 0,1 bar
m= ( 0,95 – 1,1) đối với máy nén ammoniac, chọn m = 1,1
c- tỉ lệ thể tích chết, c = (0,03 – 0,05), chọn c = 0,03
Vậy theo (6,1) � = = 0,82 × 0,824 = 0,68
Thể tích quét của máy nén = 1827,6 m3/h
Công nén đoạn nhiệt: Ns = ml = 0,66 × 285 = 187,4 kW
Công nén chỉ thị:
Trong đó – hiệu suất chỉ thị, , với b = 0,001, to là nhiệt độ sôi, oC
= + 0,001 × (-15) = 0,81
Vậy, = 231,4 kW
Công suất hữu ích
Trong đó: pms = ( 0,049 – 0,069), Mpa – Áp suất ma sát riêng đối với
máy nén ammoniac thẳng dòng, chọn pms = 0,059 Mpa = 59 000 Pa
= 0,344 × 59 000 = 20367,6 W = 20,368 kW
Vậy, = 20,368 + 231,4 = 251,768 kW 252 kW
Chọn máy nén:
Dựa vào Vlt = 1826 m3/h và Ne = 252 kW tra phụ lục 2.8 [4], chọn máy
nén pittong 1 cấp hiệu MYCOM (hang Mazekawa Nhật Bản) loại 12B có
thông số kỹ thuật tương ứng với nhiệt độ ngưng tụ 40oC và nhiệt độ
bốc hơi là -15oC là :

•
•
•

•

•

Thể tích quét

917,4 m3/h

Năng suất lạnh:

336,18 kW

Công suất trên trục:

134,8 kW

Như vậy, số máy nén cần chọn là:

Vậy chọn 02 máy nén loại trên là thỏa mãn nhu cầu của hệ thống.
Bảng 6.1: So sánh số liệu máy nén cần dùng và máy nén được
chọn
Số liệu
Cần cho hệ thống
2 máy nén MYCOM 12B
( Phụ lục 2.8 [4] )

Thể tích
quét
1827,6 m3/h

Năng suất lạnh

1834,8 m3/h

732,4 kW

726,15 kW

Công suất trên
trục
252 kW
269,6 kW

Page 18 of 33


5.2. Tính chọn thiết bị ngưng tụ
Chọn thiết bị ngưng tụ kiểu xối tước có ống trích lỏng giữa chừng( dàn ngưng
tưới). Vì trong hệ thống lạnh amoniac trung bình và lớn, người ta chỉ thường
sử dụng loại làm mát bằng nước hoặc kết hợp.
Dàn ngưng kiểu xối tước có ưu điểm là: tiêu hao nước giải nhiệt và kim loại ít,
dễ chế tạo và tin cậy trong vận hành. Tuy nhiên, khuyết điểm là cồng kềnh,
chiếm nhiều diện tích, phải thường xuyên làm vệ sinh thiết bị phân phối nước
và bề mặt truyền nhiệt...
Nhiệt tải của thiết bị ngưng tụ:
 Xác định hiệu nhiệt độ trung bình logarit

Trong đó:

Vậy,
 Hệ số tỏa nhiệt của mỗi chất lạnh ngưng tụ bên trong ống nằm
ngang. Hệ số tỏa nhiệt của môi chất lạnh được tính theo công thức sau [4]:
(6.2)
Trong đó:

Chọn bề mặt truyền nhiệt là chùm ống trơn bằng thép mạ kẽm thích hợp cho
NH3 có đường kính ngoài dng = 57 mm và đường kính trong là dtr = 50 mm
(Bảng 10-2 [1])
Vậy theo (6.2), αa = 2100 θ-0.167 dtr-0.25 =2100×θ-0,167×0,05θ-0.25=4441×θ-0.167
Mật độ dòng nhiệt: qa.tr=αaθ=4441×θ-0.167×θ=4441×θ-0.833

(6.3)

Hệ số tỏa nhiệt của nước chảy màng bao quanh bề mặt ngoài ống

•

Giả định rằng Rew >200 và với bước ống tương đối trong khoản
thì hệ số tỏa nhiệt về phía nước có thể xác định qua công thức [4]:

Với =36oC
Các thông số vật lí của nước ở 360C như sau:
m3

kJ(kg.K)
µ= 727,4.N.s/m2

Page 19 of 33


Lượng nước xối tưới trên 1m chiều dài ống trong khoảng Γl=(0,25
Chọn Γl=0,3 kg/(m.s)
Bề dày màng nước:
Kích thước tính toán:
Vận tốc trung bình của màng nước:

Trị số Reynolds:
Vậy,
Hệ số tỏa nhiệt về phía trước:

Mật độ dòng nhiệt về phía trước:
, W/

(6.4)

Trong đó tổng trở nhiệt của ống khi xét đến ảnh hưởng của lớp đâu bám, lớp
sơn chống rỉ, lớp cáu bẩn và ống thép mạ kẽm:

+++=
Bảng 6.2: Số liệu tính toán tổng trở nhiệt của ống trong thiết bị
ngưng tụ kiểu xối tưới

0,06.10-3

Lớp sơn chống
rỉ
0,1.10-3

0,12

0,58

Lớp dầu
Bề dày, m
Hệ số dẫn
nhiệt, W/

(m.K)

Lớp cáu bẩn

Lớp mạ kẽm

0,6.10-3

2,5.10-3

1,5

45,3

Vậy theo (6.4), = 1067×(3,92- ) W/m2
Hệ phương trình để xác định mật độ dòng nhiệt (6.3) và (6.4)
44410,833
= 1067× (3,92 - )
Giải ta được = 3410 W/m2
Diện tích bề mặt truyền nhiệt tron ống:
= 280 m2
Diện tích bề mặt truyền nhiệt bên ngoài ống:
319 m2
•

Nhiệt lượng truyền cho không khí do trao đổi nhiệt giữa nước và không
khí
Page 20 of 33

Trong đó:

– Hệ số bay hơi, kg/(m2.s)
= 23 W/(m2.K) – Hệ số tỏa nhiệt cho không khí đối lưu tự nhiên

ngoài ống
= 1005 J/(kg.K) – Nhiệt dung riêng của không khí bên ngoài ống
(t = 37 C)
o

=2 – Hệ số tính đến sự tăng bề mặt hay bay hơi do nước tạo
thành tia và hạt
– Entanpi không khí bão hòa ở nhiệt đô trung bình của nước
(36 C), kJ/kg
o

– entanpi của không khí xung quanh (t = 37,3oC; φ = 74%), kJ/kg
Xác định theo giản đồ không khí ẩm : = 135,7 kJ/kg ; = 115,6 kJ/kg
A – Hệ số hiệu chỉnh. Tra theo bảng trang 80 [3], A = 0,938
Vậy, × 319 × 2× (135,7 – 115,6) × 0,938 = 272,98 kW
•

Lượng nước bay hơi
(6.5)

Trong đó:

= 0, 0387 kg/kg không khí khô – Độ chứa hơi của không khí tại
nhiệt độ trung bình của nước (36oC)
= 0, 0304 kg/kg kkk – Độ chứa hơi của không khí xung quanh (tkk

= 37,3oC; φ=74%)

Theo (6.5), = × 319 × 2 × (0,0387 – 0,0304) = 0,12 kg/s
= 0,432m3/h
•

Lượng nước xối tưới

, kg/s với Cw = 4,184 kJ/( kg.K) – Nhiệt dung riêng của nước ở 36oC
Vậy, = 82,7 kg/s = 297,6m3/h
•

Lượng nước bổ sung:

Tỉ lệ nước bổ sung: ξ==1
Lượng nước bổ sung: = 1× 82,7 = 82,7 kg/s
•

Các kích thước của thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới

Chọn số dàn ống đặt song song theo mặt cắt ngang z = 27
Chiều dài 1 ống là: l = 5,1m. Chọn ống dài 5m
Diện tích bề mặt của một dàn ống: = 11,72 m2
Tổng chiều dài trong một dàn ống: = 65,4m
Page 21 of 33


Số ống trong một dàn ống: = = 12,8. Chọn có 14 ống trong 1 dàn
Chọn = 1,7. Vậy, bước ống S = 1,7dng = 1,7 × 0,057 = 0,0969m. Chọn S =
0,1m

Chiều ngang của dàn ngưng: H = (= (14-1) × 0,1 + 0,057 = 1,357m
Lượng nước xối tưới cho một dàn ống: = 11m3/h phù hợp với lượng nươc xối
tưới cho một dàn ống theo lý thuyết khoảng (10÷12) m3/h
Như vậy thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới được thiết kế có 27 dàn ống, mỗi dàn
có 14 ống truyền nhiệt là ống thép mạ kẽm tiêu chuẩn cho môi chất lạnh
NH3 đường kính 57mm. Các chi tiết còn lại của thiết bị được thể hiện dưới
đây.
Bảng 6.3: Thông số các chi tiết của thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới
ST
T

Tên chi tiết

1

Kẹp giữ ống

2

Máng phân phối
nước

3

Máng xối nước

4

Ống góp hơi

5

Ống dẫn hơi

6

Ống trích lỏng

7

Ống chứa lỏng

8

Ống lấy lỏng

9

Ống dẫn lỏng

10
11
12
13

Ống góp
ngưng
Ống dẫn
ngưng
Ống dẫn

nhiệt
Ống dẫn
sung

khí không
khí không
nước giải
nước bổ

Thông số kỹ thuật
Dày 5mm, dài
1850mm, ngang
50mm
Hình chữ nhật, tiết
diện (100x200)mm,
dài 4600mm
Dày 5mm, tiết diện
(58x77)mm, dài
5020mm
Đường kính ngoài
108mm, dày 4mm
Đường kính ngoài
76mm, dày 3,5mm
Đường kính ngoài
57mm, dày 3,5mm
Đường kính ngoài
219mm, dày 6mm
Đường kính ngoài
45mm, dày 2,25mm
Đường kính ngoài

89mm, dày 3,5mm
Đường kính ngoài
108mm, dày 4mm
Đường kính ngoài
45mm, dày 2,25mm
Đường kính ngoài
108mm, dày 4mm
Đường kính ngoài
108mm, dày 4mm

Số
lượng

Vật liệu chế
tạo

108

Thép mạ
kẽm

1

SUS304

27

SUS304

1

1
135
1
1
27
1
1
1
1

Thép mạ
kẽm
Thép mạ
kẽm
Thép mạ
kẽm
Thép mạ
kẽm
Thép mạ
kẽm
Thép mạ
kẽm
Thép mạ
kẽm
Thép mạ
kẽm
Thép mạ
kẽm
Thép mạ
kẽm

Page 22 of 33


Nước giải nhiệt sau khi xối tưới qua dàn ống sẽ được chứa ở bể nước bên dươi
thiết bị và được làm nguội sau bằng nước bổ sung để có thể được tuần hoàn
tiếp tục vào dàn ống, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt. Nước giải nhiệt với
dàn ngưng tụ xôi tưới là nước giếng khoan để tiết kiệm chi phí.
5.3. Tính chọn thiết bị bốc hơi
Chọn thiết bị bốc hơi là dàn lạnh xương cá.
Dàn lạnh xương cá có nguyên tắc hoạt động giống với dàn lạnh kiểu Panel
(ống trao đổi nhiệt thẳng đứng ) nhưng có sự cải tiến về diện tích bề mt trao
đổi nhiệt. Các ống trao đổi nhiệt của dàn lạnh xương cá được uốn cong
(giống xương cá) để hạn chế chiều cao bể nhưng vẫn đảm bảo đường đi của
môi chất lạnh, tăng thời gian tiếp xúc.
Phương pháp cấp dịch của dàn lạnh xương cá là kiểu ngập lỏng. Dịch lỏng
cấp cho dàn lạnh được cấp từ bình giữ mức và luôn duy trình trong dàn lạnh.
Nhược điểm của thiết bị là chế tạo khó hơn so với những kiểu khác. Tuy nhiên
cấu tạo dàn xương cá gọn và làm giảm chiều cao của bể.
Năng suất lạnh của thiết bị bay hơi:
Nhiệt độ nước muối vào dàn:
Nhiệt độ nước muối ra khỏi dàn:
•

Xác định hiệu nhiệt độ trung bình logarit

Trong đó: (-15) = 7 K

Vậy,

=

4,72K
• Hệ số tỏa nhiệt về phía nước muối

Nhiệt độ sôi của NH3 là -15, như vậy chọn dung dịch muối NaCl nồng độ khối
lượng 23,1% có nhiệt độ đông đặc là -21,2 (thấp hơn khoảng 5độ là hợp lý)
(Phụ lục B2 [2]). Chọn ống trong dàn bốc hơi là ống thép mạ kẽm có đường
kính ngoài dng=57 mm và đường kính trong là dtr=50 mm. Bước ống s=100
mm
Tốc độ chuyển động của nước muối trong bể:
Nhiệt độ trung bình của nước muối trong bể:
Nước muối là dung dịch NaCl nồng độ khối lượng 23,1% ở nhiệt độ có các
thông số sau:
= 14179
Nước muối chuyển động bên ngoài chùm ống song song có hệ số tỏa nhiệt
tính theo công thức sau [6]:
Page 23 of 33


Trong đó:

= 1 – Xem như nhiệt độ nước muối gần bằng nhiệt độ vách ống
= 0,919 – Hệ số ảnh hưởng của bước ống

Vậy 0,26 × 141790,65×29,50,33× 10,25×0,919 = 365
Hệ số tỏa nhiệt về phía nước muối:
= 3379 W/(m2.K)
Mật độ dòng nhiệt về phía nước muối:

=

= 862× (4,72 -

(6.6)

Với tổng trở nhiệt của ống NH3 trong khoảng ( 0,7 ÷0,9) m2.K/W khi xét đến
ảnh hưởng của lớp dầu bám, lớp sơn chống rỉ, lớp cáu bẩn và ống thép mạ
kẽm
Bảng 6.4: Số liệu tính toán tổng trở nhiệt của ống trong thiết bị

0,06.10-3

Lớp sơn
chống rỉ
0,1.10-3

Lớp cáu
bẩn
0,6.10-3

Thép mạ
kẽm
2,5.10-3

0,12

0,58

1,5

45,3

Lớp dầu
Bề dày, m
Hệ số dẫn
nhiệt, W/
(m2.K)

+++=
•

Mật độ dòng nhiệt về phía môi chất lạnh NH3:

(6.7)
•

Hệ phương trình xác định mật độ dòng nhiệt (6.6) và (6.7)

= 862× (4,72 -

Giải ta được = 2830 W/m2
Diện tích bề mặt truyền nhiệt bên trong ống:
= 220,95 m2
•

Các kích thước của dàn lạnh xương cá

Chiều cao của 1 ống xương cá : 0,86m
Chiều ngang của 1 ống xương cá: 1,27m

Page 24 of 33


Chiều dài của 1 ống xương cá: 2,7m
Số ống: = 520,97. Chọn có 521 ống
Chọn 1 cụm dàn lạnh có 9 dãy ống ghép song song nhau
Số ống trong một dãy: = 57,8. Chọn có 58 ống
Chiều dài một dãy ống gồm 30 ống truyền nhiệt theo tiêu chuẩn
L = 200 + 3660 +1270 = 5130mm = 5,13m
Chiều rộng 1 cụm dàn lạnh với 9 dãy ống với bước ống ngang là 0,1m
L = (9-1).0,1 + 0,057 = 0,857 m
Như vậy chọn dàn lạnh có 2 cụm, mỗi cụm có 9 dãy, mỗi dãy có 30 ống. một
dãy có 1 ống góp trên và 1 ống góp dưới. Một cụm ống có 1 ống góp ngang
dưới và 1 ống góp ngang trên. Các ống góp có đường kính ngoài 76mm,
đường kính trong 69mm.
CHƯƠNG 6. TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ
6.1. Đường ống
Đường kính trong của ống dẫn được tính theo công thức
,m
Trong đó:

m – lưu lượng tác nhân lạnh đi trong ống, kg/s

– Khối lượng riêng của tác nhân lạnh, kg/m3
– Vận tốc chuyển động của tác nhân lạnh, m/s

Bảng 7.1 Thông số để tính toán đường kính các loại ống
Ống đẩy
,kg/s

Ống hút

Ống dẫn lỏng

0,65
7,874

1,905

579,1

18

15

1

54

120

38

(Chú ý: Có 2 máy nén được sữ dụng nên đối với tùng máy nen 0,65/2 = 0,32
kg/s)
Chọn đường kính ống dẫn thép theo tiêu chuẩn của Nga (Bảng 10-2).
Page 25 of 33