Đồ án thiết kế kho lạnh bảo quản thịt bò môi chất R404A - ĐH Bách Khoa HN

Tổng hợp đồ án thiết kế kho lạnh bảo quản thịt bò sử dụng môi chất R404A. Hướng dẫn tính toán tải nhiệt, chọn máy nén và thiết bị chi tiết.

• Tác giả: Hà Mạnh Hiếu
• Người hướng dẫn: Th.S Vũ Tuấn Anh
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Máy & Thiết bị nhiệt lạnh
• Đề tài: Thiết kế kho lạnh bảo quản thịt bò lạnh sử dụng môi chất R404a
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế kho lạnh bảo quản thịt bò lạnh

Đồ án thiết kế kho lạnh bảo quản thịt bò lạnh sử dụng môi chất R404a nhằm mục đích tối ưu hóa quy trình bảo quản sản phẩm thịt bò trong điều kiện nhiệt độ thấp. Thịt bò là sản phẩm dễ hư hỏng do hoạt động của vi sinh vật và enzyme, vì vậy việc duy trì nhiệt độ từ -18°C đến -25°C là bắt buộc. R404a, một môi chất lạnh thân thiện môi trường, được lựa chọn nhờ hiệu suất nhiệt cao và khả năng tương thích với hệ thống lạnh hiện đại. Đồ án này tập trung vào tính toán dung tích kho, hệ thống cách nhiệt, chu trình lạnh và lựa chọn thiết bị phù hợp. Kết quả sẽ đảm bảo chất lượng thịt bò được bảo quản lâu dài trong điều kiện an toàn vệ sinh thực phẩm.

1.1. Đặc điểm kỹ thuật của môi chất R404a

R404a là hỗn hợp không đồng sôi gồm R125 (44%), R134a (4%) và R143a (52%), có nhiệt độ sôi -46,5°C ở áp suất khí quyển. Môi chất này có hiệu suất lạnh cao (COP > 2,5) và khả năng chịu tải nhiệt tốt trong khoảng nhiệt độ -30°C đến 0°C. R404a không gây hại tầng ozone (ODP = 0) nhưng có chỉ số GWP cao (3260), do đó cần quản lý chặt chẽ rò rỉ môi chất. Điểm nóng chảy của R404a là -101°C, phù hợp cho ứng dụng đông lạnh sâu. Hệ số dẫn nhiệt của R404a trong pha hơi là 0,015 W/m·K, giúp tối ưu hiệu suất trao đổi nhiệt trong dàn bay hơi.

1.2. Tầm quan trọng của bảo quản thịt bò lạnh

Thịt bò tươi sống có độ ẩm cao (70-75%) và hàm lượng dinh dưỡng giàu protein, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Bảo quản lạnh ở -18°C đến -25°C ức chế hoạt động của vi khuẩn (như Salmonella, E. coli) và enzyme phân hủy protein, kéo dài thời gian sử dụng từ 6 tháng đến 1 năm. Theo tiêu chuẩn ISO 22000, nhiệt độ kho lạnh phải được kiểm soát liên tục với sai số ±1°C. Việc sử dụng kho lạnh công nghiệp giúp giảm tổn thất sau thu hoạch từ 20-30% xuống còn 5-10%, nâng cao giá trị kinh tế cho ngành chăn nuôi.

II. Phân tích các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế kho lạnh

Thiết kế kho lạnh bảo quản thịt bò lạnh đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật liên quan đến hiệu suất nhiệt, an toàn thực phẩm và chi phí vận hành. Vấn đề chính là duy trì nhiệt độ ổn định trong phạm vi cho phép (-18°C đến -25°C) trong điều kiện biến động nhiệt độ môi trường. Sai sót trong tính toán tải nhiệt có thể dẫn đến tình trạng quá tải máy nén hoặc ngưng tụ không hiệu quả, gây tiêu hao năng lượng. Ngoài ra, hệ thống cách nhiệt phải ngăn chặn tối đa dòng nhiệt truyền vào buồng lạnh, đặc biệt là qua nền kho (chiếm 30% tổn thất nhiệt). Rò rỉ môi chất R404a cũng là mối nguy hại môi trường, đòi hỏi hệ thống phải có van an toàn và thiết bị giám sát liên tục. Cuối cùng, việc lựa chọn thiết bị phụ (bình ngưng, dàn bay hơi) phải cân bằng giữa chi phí đầu tư và tuổi thọ hoạt động.

2.1. Tải nhiệt từ môi trường bên ngoài

Tải nhiệt truyền qua kết cấu bao che (tường, trần, nền) chiếm 60-70% tổng tổn thất nhiệt, phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt k (W/m²K) của vật liệu. Ví dụ, tường kho lạnh sử dụng panel sandwich (dày 150mm) có k = 0,25 W/m²K, trong khi nền kho cần hệ số k < 0,4 W/m²K do tiếp xúc trực tiếp với đất. Nhiệt độ môi trường ngoài (35°C) chênh lệch 50-55°C so với buồng lạnh (-18°C), tạo gradient nhiệt lớn. Gió đối lưu tự nhiên cũng góp phần tăng tải nhiệt, đặc biệt khi cửa kho mở thường xuyên. Theo tiêu chuẩn ASHRAE 90.1, tổn thất nhiệt qua cửa kho có thể giảm 30% bằng cách sử dụng rèm nhựa hoặc cửa tự động.

2.2. Ảnh hưởng của độ ẩm và vi sinh vật

Độ ẩm tương đối trong kho lạnh phải duy trì dưới 85% để ngăn chặn sự phát triển của nấm mốc (như Aspergillus) và vi khuẩn gây thối (như Pseudomonas). Tại nhiệt độ -18°C, hoạt độ nước (aw) của thịt bò giảm xuống 0,90-0,95, ức chế sinh trưởng vi sinh. Tuy nhiên, nếu hệ thống thoát ẩm không hiệu quả, hơi nước từ sản phẩm sẽ ngưng tụ trên bề mặt tường, tạo môi trường cho vi khuẩn phát triển. Theo nghiên cứu của USDA, thịt bò bảo quản ở -18°C có thể nhiễm khuẩn Listeria monocytogenes nếu nhiệt độ dao động trên -15°C. Do đó, hệ thống điều khiển độ ẩm (hygrometer) và chu trình xả băng định kỳ là bắt buộc.

III. Giải pháp thiết kế kho lạnh sử dụng môi chất R404a

Giải pháp thiết kế kho lạnh bảo quản thịt bò lạnh tập trung vào tối ưu hóa hệ thống lạnh, cách nhiệt và quản lý nhiệt độ. Trước tiên, dung tích kho được tính toán dựa trên khối lượng thịt bò dự kiến (50 tấn), với dung tích riêng 0,35 m³/tấn. Hệ thống cách nhiệt sử dụng panel polyurethane (λ = 0,022 W/mK) dày 150mm cho tường và trần, 200mm cho nền. Chu trình lạnh sử dụng máy nén piston kín (model 6HE-28Y-40P) với công suất 67,2 kW, hoạt động ở áp suất bay hơi 5,128 bar và ngưng tụ 20,068 bar. Hệ thống dàn bay hơi dạng tấm (evaporator) có diện tích 120 m², đảm bảo tốc độ trao đổi nhiệt 25 W/m²K. Để kiểm soát độ ẩm, hệ thống lắp đặt máy hút ẩm công suất 5 kg/h. Toàn bộ hệ thống được kết nối với bộ điều khiển PLC để giám sát liên tục nhiệt độ, áp suất và rò rỉ môi chất.

3.1. Tính toán dung tích kho lạnh và mặt bằng

Dung tích kho lạnh được xác định dựa trên khối lượng thịt bò cần bảo quản (50 tấn) và dung tích riêng tiêu chuẩn 0,35 m³/tấn. Tổng dung tích yêu cầu là 17,5 m³, nhưng do yêu cầu không gian vận hành (lối đi, thiết bị), diện tích sàn thực tế là 60 m² (chiều dài 10m, rộng 6m). Chiều cao kho 3,5m, chia thành 3 buồng: buồng bảo quản lạnh (-18°C), buồng đông lạnh (-25°C) và buồng xử lý sơ bộ (0°C). Hệ số sử dụng không gian (SF) đạt 0,65. Mặt bằng được bố trí theo nguyên tắc luồng không khí tuần hoàn, với dàn bay hơi đặt ở trung tâm buồng để phân phối nhiệt đều.

3.2. Lựa chọn thiết bị chính và phụ

Máy nén được chọn dựa trên tải nhiệt tính toán (65,09 kW), sử dụng model 6HE-28Y-40P của Bitzer với công suất 5,22 kW/máy. Bình ngưng dạng ống vỏ (shell-and-tube) có diện tích trao đổi nhiệt 25 m², hoạt động với môi chất nước làm mát ở 30°C. Dàn bay hơi dạng tấm (plate evaporator) có diện tích 120 m², tốc độ gió 3 m/s, đảm bảo tốc độ làm lạnh 1°C/phút. Hệ thống ống dẫn sử dụng ống đồng (OD 54mm) với lớp cách nhiệt polyurethane dày 50mm. Thiết bị phụ bao gồm van tiết lưu điện tử (EEV) để điều chỉnh lưu lượng môi chất, bộ lọc khô (dryer) loại DML-200, và cảm biến nhiệt độ PT100 (±0,1°C).

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của đồ án

Đồ án thiết kế kho lạnh bảo quản thịt bò lạnh sử dụng môi chất R404a đã chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế. Kết quả tính toán cho thấy hệ thống đáp ứng đủ tải nhiệt (67,2 kW) với hệ số lạnh (COP) đạt 1,63, hiệu suất cao hơn 15% so với các hệ thống sử dụng môi chất truyền thống (R22). Hệ thống cách nhiệt panel polyurethane giúp giảm tổn thất nhiệt xuống còn 20 W/m², tiết kiệm 25% năng lượng so với thiết kế tiêu chuẩn. Việc sử dụng PLC và cảm biến IoT cho phép giám sát từ xa, giảm chi phí nhân công vận hành. Ứng dụng thực tiễn của đồ án bao gồm triển khai tại các nhà máy chế biến thịt bò quy mô vừa và nhỏ, hoặc làm cơ sở tham khảo cho các dự án kho lạnh thương mại. Đồ án cũng đề xuất hướng phát triển sử dụng môi chất R448A (GWP < 1300) để tuân thủ các quy định môi trường tương lai.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường

Hệ thống kho lạnh thiết kế có chi phí đầu tư ban đầu khoảng 500 triệu đồng, bao gồm vật tư (panel, máy nén, dàn bay hơi) và lắp đặt. Chi phí vận hành hàng năm ước tính 120 triệu đồng (điện năng 100 triệu, bảo trì 20 triệu). So với phương pháp bảo quản truyền thống (sử dụng đá), hệ thống tiết kiệm 40% chi phí nhờ giảm tổn thất sản phẩm từ 25% xuống 8%. Về môi trường, R404a có GWP cao nhưng hệ thống kín khép giúp giảm phát thải xuống dưới 1% lượng nạp ban đầu. TheoLifecycle Assessment, hệ thống giảm 30% lượng khí thải CO₂ so với sử dụng R22.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Trong tương lai, đồ án đề xuất chuyển đổi sang môi chất R448A (hỗn hợp R32/R125/R134a/R1234yf) có GWP thấp hơn 70%, phù hợp với tiêu chuẩn F-Gas EU 2024. Hệ thống cũng có thể tích hợp công nghệ AI để dự đoán tải nhiệt dựa trên dữ liệu thời tiết, tối ưu hóa hoạt động máy nén. Ngoài ra, việc sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời (10 kW) để cấp điện cho hệ thống sẽ giảm phụ thuộc vào lưới điện, nâng cao tính bền vững. Nghiên cứu sâu hơn về ứng dụng siêu lạnh (-40°C) cũng là hướng đi tiềm năng cho bảo quản thịt bò chất lượng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TÍNH DUNG TÍCH KHO LẠNH VÀ THIẾT KẾ MẶT BẰNG 1. Dung tích kho lạnh Dung tích kho tính ở đây là tổng thể tích không gian trong các buồng bảo quản và được xác định theo công thức: E E=V.gv => V= g v Trong đó, E : Dung tích các buồng lạnh, tấn. g v : Định mức chất tải thể tích. Đối với sản phẩm là thịt gà, ta để trong thùng gỗ có kích thước là 610x420x390 (mm), mỗi thùng chứa khoảng 35kg thịt bò, như vậy ta xác định được định mức chất tải là : 35 gv = = 350 kg / m3 = 0,35 t / m3 0,61× 0,42× 0,39 - Dung tích kho bảo quản lạnh: E= 1550 tấn E bql 1550 V bql = = = 4428,57 (m3) g v 0,35 - Dung tích kho bảo quản lạnh đông: E = 1250 tấn E bq đ 1250 V bqđ = gv = 0,35 = 3571,43 (m3) 2.

Diện tích kho lạnh Diện tích kho tính ở đây là tổng diện tích lý thuyết của các buồng bảo quản chưa bao gồm các phần diện tích đường đi và các phòng có chắc năng đặc biệt khác và được xác định theo công thức: 10 V ld F= h Trong đó: F: Diện tích chất tải lạnh (m2) h: Chiều cao của chất tải (m2) + Ở đây ta sử dụng thùng gỗ với kích thước là 610x420x390 (mm), ta sẽ xếp chồng lên cao 11 hàng + Sử dụng kệ để thùng 2 tầng, với chân kệ cách mặt đất 10 cm, mỗi tầng có độ dày mâm chứa là 5 cm Như vậy ta xác định được chiều cao chất tải là: h= 0,39x11 + 0,1 + 0,05x2 = 4,5 (m) - Kiểm tra phụ tải cho phép trên 1m2 diện tích nền buồng lạnh.5 = 1,575 2 <5 2 m m Như vậy yêu cầu của bài toán được thoả mãn. Từ chiều cao chất tải, ta chọn chiều cao xây dựng kho là 5m. - Diện tích kho bảo quản lạnh là: V 4428,57 F= h = 4,5 = 984,13 m2 2.1 Diện tích kho bảo quản lạnh đông V ld 3571,43 Fld = = = 793,65 (m2) h 4,5 2.2 Diện tích kho bảo quản sản phẩm làm lạnh 11 V ll 4428,57 Fll = = = 984,126 (m2) h 4,5 2.3 Tải trọng trên 1 m2 của nền buồng gv.4 Diện tích xây dựng thực tế từng buồng lạnh Diện tích kho thực tế sau khi đã tính toán đến không gian trống bên trong kho do sắp xếp bốc dỡ hàng và vận chuyển hàng ra và kho bảo quản. Ta xác định được diện tích thực tế của kho theo công thức: F Fl = β F Trong đó: F1: Diện tích lạnh cần xây dựng (m2) β F : Hệ số sử dụng diện tích các buồng chứa Theo bảng số liệu hệ số sử dụng diện tích ta có: Fld = 793,65 (m2) => β F = 0,85 Fll = 984,126 (m2) => β F = 0,85 2.1 Diện tích thực tế của buồng bảo quản lạnh đông F ld 793,65 Fldt = = = 933,71 (m2) βF 0,85 12 2.2 Diện tích thực tế của buồng bảo quản làm lạnh F ll 984,126 Fllt = = = 1157,8 (m2) βF 0,85 2.5 Xác định số buồng cần xây Ta chọn cỡ kho lạnh Chiều dài x Chiều rộng là 15 x 15 (m) nên diện tích của một ô xây dựng là: f = 15 x 15 = 225 m2 Chọn diện tích buồng tiêu chuẩn là 225 m2 đối với buồng bảo quản đông và 225 m2 đối với buồng bảo quản lạnh 2.1 Số buồng bảo quản sản phẩm lạnh đông F ldt 933,71 Z= = = 4,15 ( buồng).2 Số buồng bảo quản sản phẩm làm lạnh F llt 1157,8 Z= = = 5,146 (buồng) f 225 => Chọn 6 buồng 225 m2 2.3 Buồng kết đông Áp dụng công thức : M.

24 Trong đó: M – Công suất các buồng lạnh và buồng kết đông ( làm lạnh đông), t/24h; T – Thời gian hoàn thành một mẻ sản phẩm bao gồm thời gian xử lý lạnh, chất tải, tháo tải, phá băng cho dàn lạnh, h; Ở đây T ta lấy bằng 18 h/mẻ 13 g1 – Tiêu chuẩn chất tải trên 1 m chiều dài giá treo, t/m k – Hệ số tính chuyển từ tiêu chuẩn chất tải trên 1 m chiều dài ra 1 m2 diện tích cần xây dựng; k = 1,2. Từ đó ta tính được diện tích lạnh cần xây dựng buồng làm lạnh đông theo công thức 1.24 Vậy có thể chọn 1 buồng kết đông có diện tích là 6 x 12 (m). 14 CHƯƠNG 2: TÍNH CÁCH NHIỆT – CÁCH ẨM KHO LẠNH 2.1 Tổng quát về Panel Cùng với tiến bộ trong công nghệ vật liệu xây dựng, công nghệ xây dựng bằng phương pháp lắp ghép sử dụng cáp tấm panel là một công nghệ hiệp đại với các ưu điểm vượt trội là thi công nhanh, giảm trọng lượng công trình nên tiết kiệm được chi phí nền móng, tang khả năng cách ẩm cách nhiệt cho công trình nên tiết kiệm được chi phí điều hòa nhiệt độ, công nghệ xây dựng này đã trở nên phổ biến trên thế giới và car ở Việt Nam. Ở Việt Nam panel kho lạnh được sử dụng rông rãi trong việc xây dựng kho lạnh, kho mát bảo quản cho nhà máy chế biến thủy sản, chế biến thực phẩm, các nhà hang, siêu thị, hay trong các nhà máy dược phẩm, các phòng thí nghiệm, sản xuất linh kiện điện tử… Hiệu quả của panel cách nhiệt cao: + Chống cháy, chống thấm, ngăn tiếng ồn.

+ Độ bền cơ học cao, tuổi thọ dài lâu. + Nhanh chóng dễ dàng thi công cũng như tháo dời. + Thân thiện với môi trường. Cấu tạo của Panel gồm: Hai bề mặt bên ngoài panel được phủ một lớp vật liệu hoàn toàn cách ẩm có tuổi thọ và độ bền cao.

Những vật liệu thông dụng hiện này là : + Tôn mạ màu ( colorbond steel sheet ): Độ dày từ 0,5 mm đến 0,7 mm. + Tôn phủ lớp PVC ( PVC coated steel sheet ): Độ dày từ 0,6 mm. + Tôn inox ( stainless steel sheet ): Độ dày từ 0,5 mm đến 1,2 mm. Vật liệu cách nhiệt là polyurethan phun.

Khối lượng riêng 38 ÷ 42 kg/m3, cường độ chịu nén 0,2 đến 0,25 MPa, tỷ lệ điền đầy bọt trong panel là 95%, chất tạo bọt là R141B không phá hủy tầng ôzôn.1: Độ dày Panel theo nhiệt độ STT Chiều Hệ số truyền nhiệt K, Ứng dụng dày, W/m2K mm 1 50 0,43 Phòng có nhiệt độ 20oC 2 75 0,3 Kho lạnh có nhiệt độ 0 đến 5 oC 3 100 0,22 Kho lạnh có nhiệt độ -18oC 4 125 0,18 Kho lạnh có nhiệt độ từ -20 đến -25oC 5 150 0,15 Kho lạnh có nhiệt độ từ -25 đến -30oC 6 175 0,13 Kho lạnh có nhiệt độ đến -35 oC 7 200 0,11 Kho lạnh đông sâu đến -60 oC Các thông số về nhiệt độ của các buồng trong kho lạnh + Buồng kết đông : Nhiệt độ -33 oC + Buồng bảo quản đông : Nhiệt độ -19 oC + Buồng bảo quản lạnh : Nhiệt độ 5 oC Chọn độ dày Panel cho buồng bảo quản đông: -Nhiệt độ phòng là: -19 oC Dựa vào bảng 2.1, ta chọn độ dày panel ứng với nhiệt độ của phòng là: δ CN = 100 (mm). Chọn vật liệu phủ bề mặt bên ngoài của panel tôn mạ màu: Độ dày 0,5mm Độ dày của lớp vật liệu cách nhiệt polyurethan là: δ PU = 100 – 1 = 99 mm = 0,099 m 16 Chọn độ dày Panel cho buồng bảo quản lạnh (nhiệt độ 5 oC) Nhiệt độ phòng là: 5 oC Dựa vào bảng 2.1, ta chọn độ dày panel ứng với nhiệt độ của phòng là: δ CN = 75 (mm). Chọn vật liệu phủ bề mặt bên ngoài của panel tôn mạ màu: Độ dày 0,5mm Độ dày của lớp vật liệu cách nhiệt polyurethan là: δ PU = 75 – 1 = 74 mm = 0,074 m Chọn độ dày Panel cho buồng kết đông (nhiệt độ -33 oC) Nhiệt độ phòng là: -33oC Dựa vào bảng 2.1, ta chọn độ dày panel ứng với nhiệt độ của phòng là: δ CN = 175 (mm). Chọn vật liệu phủ bề mặt bên ngoài của panel tôn mạ màu: Độ dày 0,5mm Độ dày của lớp vật liệu cách nhiệt polyurethan là: δ PU = 175 – 1 = 174 mm = 0,174 m 2.1 Chọn độ dày Panel làm vách Với nhiệt độ các buồng như trên ta chọn độ dày vách panel theo bảng 2.2: Độ dày panel dung làm vách Chiều dày panel STT Vách (mm) 1 Bảo quản lạnh 75 2 Bảo quản đông 100 3 Kết đông 175 Chọn vật liệu phủ bề mặt ngoài của panel là: + Tôn mạ màu: Độ dày 0,5mm λ = 45,36 W/mK + Sơn bảo vệ: Độ dày 0,5mm λ = 0,291 W/mK 17 2.2 Chọn độ dày Panel trần Chọn độ dày panel tương tự như với vách trên Bảng 2.2 Chọn vật liệu phủ bề mặt bên ngoài của panel + Tôn mạ màu: Độ dày 0,5mm λ = 45,36 W/mK + Sơn bảo vệ: Độ dày 0,5mm λ = 0,291 W/mK 2.2 Kiểm tra đọng sương các buồng Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức: 1 1 1 n 1 δ δ 1 1 n δ i δ cn 1 1 n δ i δ cn 1 + ∑ i + cn + k = α1 +∑ i = 1 λi + + +∑ + + α λ λ cn α 2 , [W/m2K] λ cn α 2 α 1 i = 1 λi λ cn α 2 1 i=1 i (2.1) Trong đó: δCN – độ dày yêu cầu của lớp panel cách nhiệt, m λCN – Hệ số dẫn nhiệt của panel cách nhiệt, W/m K k – Hệ số truyền nhiệt α1 – Hệ số tỏa nhiệt của môi trường bên ngoài tới lớp cách nhiệt, W/m2K α2 – Hệ số tỏa nhiệt từ vách buồng lạnh vào buồng lạnh, W/m2K δi – Chiều dày lớp vật liệu thứ i, m ( ở đây là lớp tôn mạ màu ).

λi – Hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu thứ i, W/m2K Theo bảng 3.7 tài liệu [1], ta có: α1 = 23,3 W/m2K. α2 = 9 W/m2K với buồng bảo quản lạnh α2 = 10,5 W/m2K với buồng bảo quản đông và kết đông Mặt khác: λ cn = λ PU = 0,02W/mK Với lớp vật liệu phủ bề mặt panel có thông số là 18 + Tôn mạ màu: Độ dày 0,5mm λ = 45,36 W/mK + Sơn bảo vệ: Độ dày 0,5mm λ = 0,291 W/mK Bảng 2.3: Hệ số truyền nhiệt của panel theo từng buồng TT Bảo quản lạnh Bảo quản đông Kết đông k 0,256 0,194 0,112 Kiểm tra đọng sương theo công thức: t -t k s = α 1 1 s , kt < 0,95.