Đồ án: Tính toán, Thiết kế & Sửa chữa Hệ thống cấp đông hai cấp

Đồ án tốt nghiệp ngành kỹ thuật nhiệt, trình bày chi tiết quá trình tính toán, thiết kế và sửa chữa mô hình thực tế hệ thống cấp đông hai cấp.

• Tác giả: Nguyễn Huỳnh Gia Khánh
• Người hướng dẫn: Th.S Lại Hoài Nam
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Tính toán, Thiết kế, Sửa chữa Mô hình Hệ thống Cấp đông Hai cấp tại Xưởng Nhiệt
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Cấp Đông Hai Cấp

Hệ thống cấp đông hai cấp là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh hiện đại. Đây là giải pháp tối ưu cho việc bảo quản và cấp đông sản phẩm thực phẩm, đặc biệt là các sản phẩm thuỷ sản. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng hai bộ máy nén riêng biệt để đạt được nhiệt độ cực thấp một cách hiệu quả. Việc áp dụng công nghệ này giúp nâng cao chất lượng sản phẩm đông lạnh, kéo dài thời gian bảo quản, và đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế. Tại các xưởng nhiệt, hệ thống cấp đông hai cấp đã trở thành lựa chọn ưu tiên vì khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác và tiết kiệm năng lượng.

1.1. Khái Niệm Và Nguyên Lý Hoạt Động

Cấp đông hai cấp sử dụng hai vòng lạnh riêng biệt để tạo ra gradient nhiệt độ tối ưu. Cấp một thực hiện làm lạnh sơ bộ đến khoảng -30°C, trong khi cấp hai tiếp tục hạ thấp nhiệt độ xuống -50°C hoặc thấp hơn. Phương pháp này giúp kiểm soát quá trình đông của sản phẩm một cách chính xác, giảm thiểu tổn hao thực phẩm và bảo toàn chất lượng dinh dưỡng.

1.2. Ưu Điểm So Với Hệ Thống Đơn Cấp

Hệ thống hai cấp mang lại nhiều lợi ích vượt trội: tiết kiệm năng lượng hiệu quả, nâng cao hiệu suất làm lạnh, đạt hiệu suất COP cao hơn, và giảm thời gian cấp đông. Ngoài ra, công nghệ này cho phép điều chỉnh nhiệt độ linh hoạt theo từng loại sản phẩm, từ rau quả đến thịt cá, đồng thời giảm độ ẩm bất thường trong phòng lạnh.

II. Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống

Tính toán thiết kế hệ thống cấp đông hai cấp là bước quan trọng nhất để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu. Quá trình này bao gồm tính toán nhiệt chu trình, chọn lựa thiết bị trao đổi nhiệt, thiết kế dàn lạnh, và tính toán cách nhiệt cách ẩm. Các thông số ban đầu như khối lượng sản phẩm, nhiệt độ ban đầu, và thời gian cấp đông cần phải được xác định chính xác. Công suất lạnh của máy nén được tính dựa trên tổn thất nhiệt từ nhiều nguồn: làm lạnh sản phẩm, thông gió buồng lạnh, hô hấp của quả, và vận hành hệ thống. Việc thiết kế chi tiết đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, an toàn và tiết kiệm.

2.1. Tính Toán Nhiệt Chu Trình

Nhiệt chu trình là nền tảng của thiết kế hệ thống. Dựa trên sơ đồ Mollier, chúng ta xác định áp suất và nhiệt độ tại các điểm trong chu trình. Tính toán công nén, dòng lạnh, và hiệu suất làm lạnh giúp lựa chọn máy nén phù hợp. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng tiêu thụ và hiệu quả chi phí của hệ thống.

2.2. Thiết Kế Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt

Dàn lạnh (evaporator) và dàn ngưng (condenser) là hai thành phần chính. Diện tích trao đổi nhiệt được tính dựa trên công suất lạnh cần thiết và hệ số truyền nhiệt tổng hợp. Thiết kế ống phải đảm bảo dòng chảy tối ưu, giảm tổn thất áp suất, và truyền nhiệt hiệu quả cho sản phẩm cấp đông.

III. Tính Toán Cách Nhiệt Và Cách Ẩm

Cách nhiệt cách ẩm là yếu tố quyết định hiệu suất năng lượng của hệ thống cấp đông. Chất liệu cách nhiệt như xốp polyurethane hoặc xốp polystyrene được lựa chọn dựa trên hệ số dẫn nhiệt (λ) và khả năng chịu độ ẩm. Tính toán độ dày cách nhiệt cần xem xét tổn thất nhiệt qua các bề mặt buồng lạnh, điều kiện môi trường xung quanh, và yêu cầu về nhiệt độ bên trong. Kiểm tra hiện tượng đọng sương là bước quan trọng để ngăn chặn hư hỏng cấu trúc và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Một thiết kế cách ẩm tốt không chỉ giảm năng lượng tiêu thụ mà còn kéo dài tuổi thọ thiết bị.

3.1. Chọn Lựa Vật Liệu Cách Nhiệt

Vật liệu cách nhiệt phải có hệ số dẫn nhiệt thấp, độ bền cao, và khả năng chống ẩm. Xốp polyurethane thường được ưa chuộng vì có hệ số λ = 0.02-0.03 W/mK. Độ dày cách nhiệt được tính để đảm bảo tổn thất nhiệt không vượt quá giới hạn cho phép, tiết kiệm chi phí vận hành lâu dài.

3.2. Kiểm Tra Đọng Sương Và Ngưng Tụ

Độ ẩm bên ngoài có thể gây đọng sương nếu cách ẩm không tốt. Tính toán điểm sương giúp xác định rủi ro ngưng tụ ẩm. Sử dụng lớp chắn ẩm (vapor barrier) ngăn chặn độ ẩm thấm vào vật liệu cách nhiệt, bảo vệ hiệu suất hệ thống và tuổi thọ thiết bị.

IV. Vận Hành Sửa Chữa Và Bảo Trì Hệ Thống

Vận hành hệ thống cấp đông yêu cầu tuân thủ các quy trình kỹ thuật chặt chẽ. Khởi động máy nén phải thăm dò từng cấp để đảm bảo áp suất hoạt động ở mức ổn định. Nạp gas refrigerant (R22 hoặc R404A) cần chính xác theo quy định để tránh quá tải hoặc thiếu gas. Thử kín hệ thống trước khi vận hành giúp phát hiện rò rỉ sớm. Bảo trì định kỳ bao gồm kiểm tra dàn lạnh, vệ sinh bộ lọc, đo áp suất và theo dõi nhiệt độ. Sửa chữa mô hình hiện có thường liên quan đến thay thế dàn lạnh hư hỏng hoặc sửa chữa rò rỉ gas. Ghi chép các thông số vận hành giúp phát hiện sớm các bất thường và tối ưu hóa hiệu suất.

4.1. Quy Trình Khởi Động Và Vận Hành

Kiểm tra sơ bộ bao gồm kiểm tra mực dầu máy nén, tình trạng ống dẫn, và kết nối điện. Khởi động máy nén từ từ, giám sát áp suất hút và xả liên tục. Đạt trạng thái ổn định thường cần 1-2 giờ. Ghi lại thông số: nhiệt độ buồng, áp suất, công suất tiêu thụ để đánh giá hiệu suất và phát hiện sự cố.

4.2. Bảo Trì Định Kỳ Và Xử Lý Sự Cố

Bảo trì hàng tháng: vệ sinh dàn ngưng, kiểm tra dàn lạnh, đo nhiệt độ. Bảo trì hàng năm: thay dầu máy nén, kiểm tra bulong kết nối, test chất lượng gas. Sự cố thường gặp: rò rỉ gas (sửa chữa rò rỉ, nạp gas lại), dàn lạnh bị đông tuyệt (rã đông, kiểm tra cảm biến), máy nén quá nóng (kiểm tra quạt tản nhiệt, vệ sinh dàn ngưng).

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH KỸ THUẬT LẠNH 1. Tổng quan về kỹ thuật lạnh Kỹ thuật lạnh là kỹ thuật tạo ra môi trường có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bình thường của môi trường. Giới hạn giữa nhiệt độ lạnh và nhiệt độ bình thường còn có nhiều quan điểm khác nhau. Nhưng nhìn chung thì giới hạn môi trường lạnh là môi trường có nhiệt độ nhỏ hơn 20℃.

Trong môi trường lạnh được chia làm 2 vùng nhiệt độ. Đó là khoảng nhiệt độ dương thấp, khoảng này từ 0 ÷ 20℃ còn khoảng nhiệt độ còn lại là nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm. Bởi vì khoảng nhiệt độ này là khoảng nhiệt độ đóng băng của nước tuỳ theo từng sản phẩm mà nhiệt độ đóng băng khác nhau. Lịch sử phát triển ngành lạnh Từ trước công nguyên con người tuy chưa biết làm lạnh, nhưng đã biết đến tác dụng của lạnh và ứng dụng chúng phục vụ cuộc sống.

Họ đã biết dùng mạch nước ngầm có nhiệt độ thấp chảy qua để chứa thực phẩm, giữ cho thực phẩm được lâu hơn. Người ai cập cổ đại đã biết dùng quạt cho nước bay hơi ở các hộp xốp đế làm mát không khí cách đây 2500 năm. Người ấn độ và người trung quốc cách đây 2000 năm đã biết trộn muối với nước hoặc với nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn. Kỹ thuật lạnh hiện đại phát triển khi giáo sư Black tìm ra ẩn nhiệt hoá hơi và ẩn nhiệt nóng chảy vào năn 1761-1764.

Con người đã biết làm lạnh bằng cách cho bay hơi chất lỏng ở áp suất thấp. Sau đó là sự hoá lỏng khí CO2 vào năm 1780 do Clouet và Monge tiến hành. Sang thế kỉ thứ 19 thì Faraday đã hoá lỏng được hàng loạt các chất khí như: H2S, CO2, C2H2, NH3, O2, N2, HCl. Năm 1834 Tacob Perkins (Anh) đã phát minh ra máy lạnh nén hơi đầu tiên với đầy đủ các thiết bị hiện đại gồm có máy nén, dàn ngưng, dàn bay hơi, và van tiết lưu.

Sau đó có hàng loạt các phát minh của kỹ sư Carres (Pháp) về máy lạnh hấp thụ chu kỳ và liên tục với các môi chất khác nhau. 1 Máy lạnh hấp thụ khuếch tán hoàn toàn không có chi tiết chuyển động được Gerppt (Đức) đăng ký phát minh 1899 và được Platen cùng Munter (Thụy Điển) hoàn thiện năm 1922. Máy lạnh Ejector hơi nước đầu tiên do Leiblane chế tạo năm 1910. Nó cấu tạo rất đơn giản, năng lượng tiêu tốn là nhiệt năng do đó có thể tận dụng các nguồn phế thải.

Một sự kiện quan trọng của lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh là việc sản xuất và ứng dụng Freon ở Mỹ vào năm 1930. Freon là các khí Hidrocarbon được thay thế một phần hay toàn bộ các nguyên tử hiđro bằng các nguyên tử Halogen như: Cl; F; Br. Freon là những chất lạnh có nhiều tính quý báu như không cháy không nổ, không độc hại, phù hợp với chu trình làm việc của máy lạnh nén hơi. Nó đã góp phần tích cực vào việc thúc đẩy kỹ thuật lạnh phát triển.

Nhất là kỹ thuật điều hòa không khí. Ngày nay kỹ thuật lạnh hiện đại đã phát triển sất mạnh mẽ, cùng với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật lạnh đã có những bước tiến vượt bậc. Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày càng được mở rộng. Người ta đang tiến dần nhiệt độ không tuyệt đối.

Công suất lạnh của máy cũng được mở rộng, từ máy lạnh vài mW sử dụng trong phòng thí nghiệm đến các loại có công suất hàng triệu W ở các trung tâm điều tiết không khí. Hệ thống lạnh ngày nay thay vì lắp giáp các chi tiết, thiết bị lại với nhau thì tổ hợp ngày càng hoàn thiện, do đó quá trình lắp giáp, sử dụng thuận tiện và chế độ làm việc hiệu quả hơn. Hiệu suất máy tăng lên đáng kể, chi phí vật tư và chi phí cho một đơn vị lạnh giảm xuống. Tuổi thọ và độ tin cậy tăng lên.

Mức độ tự đông hóa của các hệ thống lạnh và các máy lạnh tăng lên rõ rệt. Những thiết bị tự động hóa hoàn bằng điện tử và vi điện tử thay thế cho các thiết bị thoa tác bằng tay. Ứng dụng của kỹ thuật lạnh. Kỹ thuật lạnh ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân cũng như trong khoa học kỹ thuật.

Kỹ thuật lạnh đã thâm nhập vào hơn 70 ngành kinh tế quan trọng như: Công nghệ thực phẩm, chế biến thủy sản rau quả, rượu bia và nước giải khát, sinh học, hóa lỏng hóa chất và tách khí, điện tử, cơ khí chính xác, y tế, điều hòa không khí…. Kỹ thuật lạnh đã ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực. Một trong những ngành ứng dụng quan trọng đó là ngành công nghệ thực phẩm, theo thống kê thì khoảng 80% công 2 nghệ lạnh được sử dụng trong công nghệ thực phẩm. Các sản phẩm được bảo quản như thịt cá sữa…, là những thực phẩm dễ bị hư hỏng do tác dụng của vi sinh vật và các enzyme nội tạng có trong thực phẩm, vì vậy mà nó cần được bảo quản lạnh.

Vi sinh vật và các enzyme nội tạng là nguyên nhân chính gây nên những hư hỏng của thực phẩm. Nhưng dưới tác dụng của nhiệt độ thấp thì chúng bị bất hoạt hoặc bị ức chế hoạt động, do đó sản phẩm của chúng ta ít bị biến đổi về chất lượng cũng như hương vị màu sắc, chất dinh dưỡng…, nhờ thế thời gian giữ sản phẩm lâu hơn tao điều kiện tốt cho quá trình chế biến, tiêu thụ sản phẩm. Lý do chọn đề tài: Kỹ thuật lạnh là một ngành quan trọng không thể thiếu được trong nền kinh tế của một quốc gia. Từ phục vụ sự tiện nghi cho cuộc sống của con người cho đến các ngành công nghiệp hiện đại đều cần đến kỹ thuật lạnh.

Trong những năm gần đây, thì ngành kỹ thuật lạnh nước ta đã phát triển rất mạnh mẽ, đặc biệt là trong ngành chế biến và bảo quản thủy hải sản. Việt nam có nguồn tài nguyên thủy hải sản phong phú, trữ lượng lớn, theo số liệu của Liên Hiệp Quốc thì trữ lượng hải sản của nước ta đạt 10 triệu tấn gồm cá, tôm, mực, cua… Mỗi năm chúng ta khai thác trên 1 triệu tấn, do đó việc chế biến và bảo quản thủy hải sản là khâu cực kì quan trọng. Nước ta đã xuất khẩu thủy sản đông lạnh thừ những năm đầu của thập kỉ 60. Năm 1990 doanh thu xuất khẩu thủy sản đạt 205 triệu USD, năm 2005 đạt 4 tỉ USD, phần đầu năm 2010 đạt kinh ngạch xuất khẩu thủy sản 5 tỉ USD, năm 2017 xuất khẩu thủy sản được dự báo gặp nhiều khó khăn do nhu cầu thị trường thấp cùng những rào cản kỹ thuật từ các nước nhập khẩu chính nhưng kim ngạch xuất khẩu thủy sản năm 2017 đạt khoảng 7,4 tỷ USD, tăng 6% so với năm 2016.

Với tầm quan trọng như vậy, là sinh viên ngành nhiệt lạnh, trong phần đề tài tốt nghiệp của mình, nhóm chúng em chọn đề tài “ tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống cấp đông 2 cấp” mà sản phẩm chính là tôm. Với mong muốn là củng cố và hoàn thiện kiến thức trong quá trình thực hiện đề tài, đồng thời sau khi hoàn thành sẽ ứng dụng được trong thực tế để đóng góp một phần nhỏ của mình vào sự phát triển của ngành chế biến và bảo quản thủy hải sản. 3 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÀM ĐÔNG VÀ BẢO QUẢN SẢN PHẨM ĐÔNG LẠNH 2. Các vấn đề về cấp đông sản phẩm Phân loại giới hạn làm lạnh Nhiệt độ đóng băng của thực phẩm Nhiệt độ đóng băng của các loại thực phẩm là khác nhau do nồng độ muối khoáng và chất hòa tan trong dịch tế bào khác nhau, tùy vào từng loại thì chúng có nhiệt độ đóng băng khác nhau và thường nhỏ hơn 0℃.

Nước nguyên chất đóng băng ở 0℃. Ví dụ: cá biển có điểm đóng băng khoảng −1,5℃, cá nước ngọt điểm đóng băng −1℃, tôm biển −2℃. Các cấp làm lạnh thực phẩm: Người ta chia các cấp làm lạnh thực phẩm dựa vào nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông như sau:  Làm lạnh: Khi nhiệt độ sản phẩm cuối quá trình nằm trong khoảng t db < t < + 20℃  Làm lạnh đông (cấp đông): Nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông: −100℃ < t < t db  Làm lạnh thâm độ: Nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông: −273℃ < t < −100℃ Mục đích và ý nghĩa Thực phẩm ở nhiệt độ cao dưới tác dụng của men phân giải (enzim) của bản thân và các vi sinh vật sẽ xảy ra quá trình biến đổi về chất, dẫn đến hư hỏng, ươn thối. Khi nhiệt độ thực phẩm xuống thấp các quá trình trên sẽ bị ức chế và kìm hãm, tốc độ các phản ứng hoá sinh giảm.

Nhiệt độ càng thấp, tốc độ phân giải càng giảm mạnh. Khi nhiệt độ giảm thì hoạt động sống của tế bào giảm là do:  Cấu trúc tế bào bị co rút.  Độ nhớt dịch tế bào tăng.  Sự khuếch tán nước và các chất tan của tế bào giảm.

 Hoạt tính của enzim có trong tế bào giảm. Nhiệt độ thấp ức chế tốc độ của các phản ứng hoá sinh trong thực phẩm. Nhiệt độ thấp tốc độ giảm, người ta tính rằng cứ giảm 10℃ thì tốc độ phản ứng hoá sinh giảm xuống còn từ 1/2 đến 1/3. Nhiệt độ thấp tác dụng đến các men phân giải nhưng không tiêu diệt 4 được nó.

Nhiệt độ giảm xuống 0℃ hoạt động của hầu hết các enzim bị đình chỉ. Men lipaza, trypsin, catalaza…, ở nhiệt độ −191℃ cũng không bị phá huỷ. Nhiệt độ càng thấp khả năng phân giải giảm, ví dụ khả năng phân giải của men lipaza phân giải mỡ cho ở bảng dưới đây.1: Khả năng phân giải của men phân giải mỡ lipaza Nhiệt độ, ℃ 40 10 0 -10 Khả năng phân giải 11,9 3,89 2,26 0,70 Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản hoạt động sống có thể độc lập với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh cao, đa số tế bào thực vật không bị chết khi nước trong nó chưa đóng băng.

Tế bào động vật có cấu trúc và hoạt động sống phức tạp, gắn liền với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh kém. Đa số tế bào động vật chết khi nhiệt độ giảm quá 4℃ so với thân nhiệt bình thường của nó. Tế bào động vật chết là do chủ yếu độ nhớt tăng và sự phân lớp của các chất tan trong cơ thể.

Một số loài động vật có khả năng tự điều chỉnh hoạt động sống khi nhiệt độ giảm, cơ thể giảm các hoạt động sống đến mức không cần nhu cầu bình thường của điều kiện môi trường trong một khoảng thời gian nhất định.