Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Kỹ thuật lạnh công nghiệp đóng vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng thực phẩm, giúp ức chế hoạt động sinh lý của vi khuẩn, nấm mốc và làm chậm các biến đổi sinh hóa sau giết mổ. Tại các cơ sở chế biến quy mô lớn, việc thiết kế một tổ hợp kho lạnh hoàn chỉnh gồm các khâu cấp đông nhanh và bảo quản dự trữ là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc nhằm giảm thiểu hao hụt khối lượng và duy trì chất lượng thương phẩm của thịt lợn.

Đề tài đồ án môn học Kỹ thuật lạnh của sinh viên Lê Văn Quang (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) tập trung vào nhiệm vụ: "Thiết kế kho lạnh bảo quản và phân phối thịt lợn đặt tại tỉnh Phú Thọ sử dụng môi chất R404a". Nhiệm vụ thiết kế được cụ thể hóa thông qua 6 yêu cầu kỹ thuật:

  1. Tính toán dung tích kho lạnh và phân chia, bố trí mặt bằng công nghệ.
  2. Tính toán kết cấu cách nhiệt, cách ẩm cho vỏ bao che và nền kho; kiểm tra điều kiện đọng sương.
  3. Xác định phụ tải nhiệt cho từng buồng lạnh (buồng bảo quản lạnh, buồng bảo quản đông, buồng kết đông).
  4. Tính toán chu trình nhiệt động, tính chọn và kiểm tra chế độ làm việc của máy nén lạnh.
  5. Tính chọn thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và hệ thống thiết bị phụ trợ.
  6. Tính toán thủy lực và lựa chọn đường kính mạng đường ống dẫn môi chất.

Phạm vi nghiên cứu và thiết kế được xác lập theo các thông số kỹ thuật đầu vào:

  • Địa điểm xây dựng: Tỉnh Phú Thọ (khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ tính toán mùa hè $37,1^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $55,8%$).
  • Đối tượng bảo quản: Thịt lợn xẻ đôi ($1/2$ con, khối lượng trung bình $60\text{ kg/mảnh}$, tương đương $120\text{ kg/con}$).
  • Quy mô và dung tích trữ:
    • Buồng bảo quản lạnh đông: $750\text{ tấn}$, nhiệt độ buồng $t_b = -18^\circ\text{C}$.
    • Buồng bảo quản lạnh: $1250\text{ tấn}$, nhiệt độ buồng $t_b = 2^\circ\text{C}$.
    • Buồng kết đông (cấp đông hầm): Năng suất $13\text{ tấn/mẻ}$, thời gian cấp đông $18\text{ giờ/mẻ}$ (tương đương $17,3\text{ tấn/ngày đêm}$), nhiệt độ buồng $t_b = -32^\circ\text{C}$.
  • Môi chất lạnh sử dụng: Freon R404a, hệ thống có trang bị bơm cấp dịch môi chất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết chuyên ngành Nhiệt - Lạnh để giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật từ tổng thể đến chi tiết:

  • Cơ sở lý thuyết:

    • Lý thuyết truyền nhiệt và truyền chất: Tính toán truyền nhiệt qua kết cấu phẳng nhiều lớp, xác định hệ số truyền nhiệt $k$, kiểm tra hiện tượng đọng ẩm và đọng sương trên bề mặt ngoài của vách panel theo nhiệt độ điểm sương $t_s$.
    • Lý thuyết cân bằng nhiệt kho lạnh: Xác định tổng dòng nhiệt tổn thất $\sum Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 + Q_5$, trong đó tính toán chi tiết dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che ($Q_1$), dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra trong quá trình làm lạnh/đông đặc ($Q_2$) và dòng nhiệt vận hành ($Q_4$). Bỏ qua nhiệt do thông gió ($Q_3 = 0$) và nhiệt hô hấp ($Q_5 = 0$) do đặc thù bảo quản thịt lợn.
    • Nhiệt động lực học máy lạnh nén hơi: Ứng dụng chu trình nén hơi 1 cấp có hồi nhiệt cho các buồng có tỷ số nén $\Pi < 9$ và chu trình nén hơi 2 cấp có bình làm mát trung gian kết hợp bình quá lạnh cho buồng có tỷ số nén $\Pi > 9$.

  • Phương pháp tính toán và công cụ hỗ trợ:

    • Phương pháp giải tích kỹ thuật: Áp dụng các công thức tính toán tiêu chuẩn trong tài liệu thiết kế hệ thống lạnh công nghiệp để xác định diện tích xây dựng, chiều dày lớp cách nhiệt polyurethane (PU), lưu lượng môi chất và công suất nén.
    • Tiêu chuẩn áp dụng: Tra cứu thông số vi khí hậu ngoài trời theo TCVN 5687:2010 (lấy theo trạm khí tượng tương đồng Yên Bái/Phú Thọ).
    • Phần mềm chuyên ngành: Sử dụng phần mềm CoolPack để tra cứu thông số trạng thái nhiệt động (entanpi $h$, entropi $s$, thể tích riêng $v$, áp suất $P$) của môi chất R404a tại các điểm nút chu trình; sử dụng phần mềm BITZER Software để tra cứu, lựa chọn và kiểm tra công suất danh định của các tổ máy nén piston nửa kín.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống lạnh được thiết kế theo cấu trúc phân tầng chức năng và tối ưu hóa diện tích mặt bằng:

  • Bố trí công nghệ và cơ giới hóa:

    • Do khối lượng bảo quản lớn ($1250\text{ tấn}$ trữ lạnh và $750\text{ tấn}$ trữ đông), tác giả chọn giải pháp treo thịt 3 tầng trên hệ khung giá treo (chiều cao chất tải $h_t = 6,2\text{ m}$, chiều cao thông thủy buồng $h = 6,7\text{ m}$). Giải pháp này giúp giảm diện tích chiếm đất xuống 3 lần so với bố trí 1 tầng truyền thống.
    • Buồng cấp đông sử dụng thiết bị cấp đông dạng hầm, làm lạnh cưỡng bức bằng dàn quạt thổi với tốc độ gió cao nhằm rút ngắn thời gian hạ nhiệt độ tâm sản phẩm xuống mức yêu cầu.

  • Kết cấu vỏ bao che và xử lý nền:

    • Vách và trần kho sử dụng các tấm panel tiền chế tiêu chuẩn: Lớp lõi cách nhiệt bọt xốp Polyurethane (tỷ trọng $38 \div 42\text{ kg/m}^3$, $\lambda = 0,02\text{ W/mK}$) được kẹp giữa hai bề mặt tôn mạ màu dày $0,5\text{ mm}$ ($\lambda = 45,36\text{ W/mK}$).
    • Kết cấu nền chịu tải trọng xe cơ giới bốc dỡ hàng hóa: Bề mặt đổ bê tông cốt thép dày $150 \div 200\text{ mm}$, lớp lót cách ẩm bằng perganin/giấy dầu quét bitum và lớp cách nhiệt PU.
    • Chống đóng băng nền cho buồng đông ($-18^\circ\text{C}$) và buồng kết đông ($-32^\circ\text{C}$): Thiết kế hệ thống con lươn thông gió tự nhiên bằng gạch block 120 nâng cốt nền kho cao hơn mặt đất $600\text{ mm}$ để ngăn chặn hiện tượng đóng băng gây nứt phá vỡ kết cấu móng.

  • Cấu hình chu trình và thiết bị:

    • Buồng kết đông: Áp suất bay hơi $P_0 = 1,25\text{ bar}$ ($-42^\circ\text{C}$), áp suất ngưng tụ $P_k = 19,25\text{ bar}$ ($42^\circ\text{C}$), tỷ số nén $\Pi = 15,4$. Áp dụng chu trình 2 cấp nén có hồi nhiệt và bình làm mát trung gian ($P_{tg} = 4,9\text{ bar}$, $t_{tg} = -6,6^\circ\text{C}$).
    • Buồng bảo quản đông: $P_0 = 2,28\text{ bar}$ ($-28^\circ\text{C}$), $P_k = 19,25\text{ bar}$, $\Pi = 8,44$. Chu trình 1 cấp có thiết bị hồi nhiệt.
    • Buồng bảo quản lạnh: $P_0 = 4,72\text{ bar}$ ($-8^\circ\text{C}$), $P_k = 19,25\text{ bar}$, $\Pi = 4,07$. Chu trình 1 cấp có thiết bị hồi nhiệt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tính toán dung tích kho lạnh và bố trí mặt bằng

Chương 1 phân tích cơ sở công nghệ chế biến và bảo quản lạnh thịt lợn, đặc điểm khí hậu vùng Phú Thọ và quy trình xử lý thịt trước khi đưa vào kho. Tác giả tính toán diện tích xây dựng thực tế dựa trên định mức chất tải giá treo ($g_l = 0,24\text{ tấn/m}$ cho 4 mảnh nửa con lợn trên $1\text{ m}$ giá treo, hệ số chất tải $k = 1,2$):

Hạng mục buồng lạnh Nhiệt độ ($^\circ\text{C}$) Dung tích thiết kế (tấn) Chiều cao chất tải (m) Diện tích tính toán ($m^2$) Diện tích xây dựng chọn ($m^2$) Số lượng buồng/ô
Buồng bảo quản lạnh $2$ $1250$ $6,2$ $1250$ $1296$ ($3 \times 432\text{ m}^2$) $3$ buồng ($18\text{m} \times 24\text{m}$)
Buồng bảo quản đông $-18$ $750$ $6,2$ $1250$ $1296$ ($3 \times 432\text{ m}^2$) $3$ buồng ($18\text{m} \times 24\text{m}$)
Buồng kết đông $-32$ $13\text{ tấn/mẻ}$ - $64,88$ $72$ ($8\text{m} \times 9\text{m}$) $1$ buồng

Chương 2. Tính cách nhiệt, cách ẩm cho kho lạnh

Chương này tính toán chiều dày danh định và chiều dày thực tế của lớp cách nhiệt panel PU, lớp cách nhiệt nền và kiểm tra điều kiện không đọng sương trên bề mặt bao che ngoài:

Vị trí kết cấu Nhiệt độ trong kho ($^\circ\text{C}$) Chiều dày panel chọn (mm) Chiều dày PU thực (mm) Hệ số $k_{\text{thực}}$ ($\text{W/m}^2\text{K}$) Hệ số $k_{\max}$ cho phép ($\text{W/m}^2\text{K}$) Đánh giá đọng sương
Vách buồng bảo quản lạnh $2$ $75$ $74$ $0,260$ $0,84$ Đạt yêu cầu
Vách buồng bảo quản đông $-18$ $100$ $99$ $0,196$ $0,82$ Đạt yêu cầu
Vách buồng kết đông $-32$ $150$ $149$ $0,132$ $0,65$ Đạt yêu cầu
Nền buồng bảo quản lạnh $2$ - $75$ (lớp PU) $0,246$ - Đạt yêu cầu
Nền buồng bảo quản đông $-18$ - $100$ (lớp PU) $0,187$ - Đạt yêu cầu
Nền buồng kết đông $-32$ - $125$ (lớp PU) $0,156$ - Đạt yêu cầu

Chương 3. Tính nhiệt phụ tải kho lạnh

Chương 3 xác định chi tiết các dòng nhiệt tổn thất qua từng thành phần kết cấu và vận hành, từ đó tính ra phụ tải nhiệt yêu cầu cho thiết bị bay hơi ($Q_T$) và phụ tải cho máy nén lạnh ($Q_{MN}$):

Khu vực buồng lạnh Tổn thất bao che $Q_1$ (kW) Nhiệt sản phẩm $Q_2$ (kW) Nhiệt vận hành $Q_4$ (kW) Phụ tải thiết bị $Q_T$ (kW) Phụ tải máy nén $Q_{MN}$ (kW)
Buồng bảo quản lạnh ($2^\circ\text{C}$) $48,28$ $6,88$ $1,80$ $56,96$ $102,152$
Buồng bảo quản đông ($-18^\circ\text{C}$) $31,66$ $28,22$ $1,07$ $60,95$ $49,526$
Buồng kết đông ($-32^\circ\text{C}$) $2,71$ $17,59$ $1,18$ $21,48$ $28,000$

Ghi chú: Giá trị $Q_{MN}$ được tính có xét đến hệ số thời gian làm việc ($b = 0,9$) và hệ số dự phòng tổn thất lạnh trên đường ống ($k = 1,05 \div 1,10$).

Chương 4. Tính toán chu trình lạnh – Tính chọn máy nén

Tác giả tính toán chi tiết chu trình nhiệt động, tra cứu thông số các điểm nút trạng thái trên phần mềm CoolPack và xác định công suất nén, thể tích hút lý thuyết và lựa chọn máy nén BITZER:

Phân hệ lạnh Nhiệt độ sôi $t_0$ ($^\circ\text{C}$) Áp suất $P_0 / P_k$ (bar) Lưu lượng môi chất (kg/s) Công suất tiếp điện $N_{el}$ (kW) Model máy nén BITZER lựa chọn Cấu hình máy nén
Buồng kết đông $-42$ $1,25 / 19,25$ $m_1=0,21$ ; $m_4=0,38$ $20,77$ Piston 2 cấp nửa kín BITZER $2$ máy ($31,9\text{ kW/máy}$): $1$ chạy chính, $1$ dự phòng
Buồng bảo quản đông $-28$ $2,28 / 19,25$ $0,56$ $46,24$ Model 4FE-28Y (1 cấp) Tổ $2$ máy nén ($32,5\text{ kW/máy}$, tổng $65\text{ kW}$)
Buồng bảo quản lạnh $-8$ $4,72 / 19,25$ $1,00$ $44,41$ Model 1 cấp nửa kín BITZER Cụm $3$ máy nén ($43,7\text{ kW/máy}$, tổng $131,1\text{ kW}$)

Chương 5. Tính chọn bình ngưng, dàn bay hơi và các thiết bị phụ

Chương 5 trình bày phương pháp tính nhiệt và lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt chính và các thiết bị phụ trợ trong hệ thống:

  • Thiết bị ngưng tụ: Bình ngưng ống vỏ nằm ngang giải nhiệt bằng nước, nhiệt độ nước vào $32^\circ\text{C}$, nước ra $37^\circ\text{C}$, độ chênh nhiệt độ ngưng tụ $\Delta t_k = 5^\circ\text{C}$.
  • Hệ thống giải nhiệt: Tính chọn tháp giải nhiệt kiểu cưỡng bức để tái làm mát nước giải nhiệt bình ngưng.
  • Thiết bị bay hơi: Chọn dàn bay hơi ống có cánh quạt gió đối lưu cưỡng bức đặt trực tiếp trong từng buồng lạnh và buồng kết đông.
  • Thiết bị phụ trợ: Tính chọn van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoài, bình tách dầu, bình chứa cao áp, bình chứa tuần hoàn cấp dịch, bình chứa thu hồi freon, bình làm mát trung gian và thiết bị hồi nhiệt lỏng - hơi.

Chương 6. Tính toán và chọn đường ống

Chương 6 xác định đường kính trong và quy cách ống đồng dẫn môi chất R404a dựa trên lưu lượng khối lượng môi chất và vận tốc dòng chảy tiêu chuẩn cho từng đoạn tuyến:

  • Vận tốc gas trên đường ống hút hơi hạ áp.
  • Vận tốc môi chất trên đường ống đẩy cao áp từ máy nén về bình ngưng.
  • Vận tốc dòng chất lỏng cao áp từ bình ngưng/bình chứa qua van tiết lưu.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ khối lượng tính toán thiết kế cho một tổ hợp kho lạnh công nghiệp hoàn chỉnh với các kết quả cụ thể:

  • Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật cốt lõi của hệ thống:
Thông số kỹ thuật Buồng bảo quản lạnh Buồng bảo quản đông Buồng kết đông
Khối lượng hàng thiết kế $1250\text{ tấn}$ $750\text{ tấn}$ $13\text{ tấn/mẻ}$ ($18\text{ h}$)
Chế độ nhiệt độ buồng $2^\circ\text{C}$ $-18^\circ\text{C}$ $-32^\circ\text{C}$
Nhiệt độ bay hơi $t_0$ $-8^\circ\text{C}$ $-28^\circ\text{C}$ $-42^\circ\text{C}$
Chiều dày vỏ panel PU $75\text{ mm}$ $100\text{ mm}$ $150\text{ mm}$
Phụ tải nhiệt máy nén $Q_{MN}$ $102,152\text{ kW}$ $49,526\text{ kW}$ $28,000\text{ kW}$
Cấu hình máy nén lựa chọn $3$ máy $\times 43,7\text{ kW}$ $2$ máy $\times 32,5\text{ kW}$ $2$ máy $\times 31,9\text{ kW}$ (1 chính + 1 dự phòng)
Tổng công suất lạnh thực tế $131,1\text{ kW}$ $65,0\text{ kW}$ $63,8\text{ kW}$
  • Giải pháp kỹ thuật đề xuất:
    • Áp dụng kết cấu giá treo 3 tầng kết hợp xe nâng cơ giới giúp tiết kiệm $66,7%$ diện tích chiếm đất của kho bảo quản.
    • Sử dụng hệ con lươn thông gió cao $600\text{ mm}$ cho nền kho âm sâu ($-18^\circ\text{C}$ và $-32^\circ\text{C}$) nhằm loại bỏ rủi ro phá hủy móng do đông đá.
    • Bố trí cấu hình phân tải linh hoạt: Hệ thống bảo quản lạnh chạy luân phiên 2 trong 3 máy nén khi phụ tải thấp; hệ thống kết đông có 1 máy chạy chính và 1 máy dự phòng $100%$ công suất đảm bảo tính liên tục của quy trình cấp đông.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Các phép tính nhiệt phụ tải và chu trình máy lạnh được thực hiện tại chế độ cực đại mùa hè ở điều kiện tĩnh, chưa khảo sát diễn biến phụ tải động theo chu kỳ thời tiết 4 mùa tại miền Bắc.
    • Chưa tích hợp bài toán tính toán chi tiết tiêu thụ điện năng hàng năm và tối ưu hóa chi phí vòng đời (LCC) của hệ thống máy nén.
  • Hướng phát triển:
    • Nghiên cứu ứng dụng biến tần (VFD) điều khiển vô cấp năng suất lạnh cho các tổ máy nén BITZER để nâng cao hiệu suất năng lượng mùa đông và mùa chuyển tiếp.
    • Thiết kế tích hợp hệ thống tự động hóa điều khiển PLC - SCADA giám sát nhiệt độ và xả băng tự động cho các dàn lạnh.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là tài liệu mẫu hoàn chỉnh về quy trình thiết kế kỹ thuật nhiệt lạnh, đặc biệt có giá trị tham khảo đối với:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật nhiệt, Công nghệ nhiệt - lạnh và điều hòa không khí làm đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết kế kho lạnh công nghiệp trữ thịt, nông sản, thủy hải sản.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện lạnh (MEP) và kỹ sư vận hành hệ thống lạnh công nghiệp tham khảo các bước tính toán cách nhiệt panel, chọn chu trình lạnh 2 cấp Freon R404a và phương pháp chống đóng băng nền bằng con lươn thông gió.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao hệ thống kho lạnh này lựa chọn môi chất R404a thay vì các môi chất truyền thống?
R404a là môi chất lạnh Freon không phá hủy tầng ôzôn (ODP = 0), có nhiệt độ cuối tầm nén thấp cho phép làm việc an toàn ở nhiệt độ bay hơi sâu (xuống tới $-42^\circ\text{C}$) mà không làm dầu bôi trơn máy nén bị quá nhiệt hoặc cháy, rất phù hợp cho kho trữ đông và cấp đông hầm.

2. Giải pháp chống đóng băng nền cho buồng đông ($-18^\circ\text{C}$) và buồng kết đông ($-32^\circ\text{C}$) được thiết kế như thế nào?
Tác giả thiết kế hệ thống con lươn thông gió tự nhiên xây bằng gạch block 120 nâng cốt sàn kho lên $600\text{ mm}$ so với mặt đất, cho phép không khí đối lưu bên dưới lớp bê tông và panel đáy nhằm ngăn chặn dòng nhiệt lạnh truyền sâu gây đóng băng nước ngầm làm nứt lún nền.

3. Tại sao buồng kết đông lại áp dụng chu trình máy nén 2 cấp trong khi buồng bảo quản đông chỉ dùng 1 cấp?
Do buồng kết đông làm việc ở nhiệt độ bay hơi $t_0 = -42^\circ\text{C}$ và nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 42^\circ\text{C}$, tỷ số nén $\Pi = 19,25 / 1,25 = 15,4 > 9$. Khi $\Pi > 9$, hệ số cấp của máy nén 1 cấp giảm mạnh và nhiệt độ cuối tầm nén tăng cao, do đó bắt buộc phải chuyển sang chu trình 2 cấp có làm mát trung gian. Buồng bảo quản đông có $\Pi = 8,44 < 9$ nên sử dụng chu trình 1 cấp có hồi nhiệt là tối ưu về chi phí và hiệu suất.

4. Cấu hình máy nén dự phòng cho buồng kết đông được tính toán ra sao?
Buồng kết đông chỉ có duy nhất 1 buồng hoạt động theo mẻ $13\text{ tấn/18h}$. Do tính chất quan trọng của khâu cấp đông đối với chất lượng thịt, tác giả chọn 2 máy nén BITZER nửa kín 2 cấp cùng công suất $31,9\text{ kW}$ ($1$ máy vận hành chính và $1$ máy dự phòng $100%$ công suất) để thay thế ngay lập tức khi xảy ra sự cố.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống lạnh công nghiệp" của sinh viên Lê Văn Quang đã giải quyết đầy đủ và logic toàn bộ các khâu kỹ thuật từ bố trí mặt bằng, tính nhiệt tải bao che, tính chu trình nhiệt động cho đến lựa chọn thiết bị cho kho bảo quản thịt lợn quy mô 2000 tấn tại Phú Thọ. Việc lựa chọn môi chất sạch R404a, kết hợp chu trình 2 cấp cho buồng kết đông và chu trình 1 cấp có hồi nhiệt cho các buồng bảo quản thể hiện giải pháp công nghệ hợp lý về mặt kỹ thuật và độ tin cậy vận hành. Tài liệu là một nguồn tham khảo chuẩn mực, chi tiết và có tính ứng dụng cao cho sinh viên ngành Kỹ thuật nhiệt và các kỹ sư thiết kế hệ thống lạnh công nghiệp.