Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm tại các quốc gia nhiệt đới gió mùa như Việt Nam, bảo quản lạnh đóng vai trò then chốt nhằm duy trì chất lượng và giá trị dinh dưỡng của nông thủy sản sau thu hoạch. Thủy hải sản tươi sống, đặc biệt là cá, rất dễ bị ươn hỏng do hiện tượng co cứng cơ (rigor mortis) xảy ra trong vòng 12 giờ sau đánh bắt, kết hợp với sự phân giải enzyme, quá trình oxy hóa lipid và sự phát triển của vi sinh vật bề mặt. Các phương pháp bảo quản bằng ướp đá truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về thời hạn lưu trữ và độ suy giảm phẩm chất (chỉ số K của thịt cá ướp đá tăng lên 58% sau 5 ngày, trong khi bảo quản ở nhiệt độ âm sâu giúp kiềm chế biến tính protein và ức chế hoàn toàn vi khuẩn).
Đồ án môn học Thiết kế hệ thống lạnh với đề tài "Thiết kế hệ thống cấp đông năng suất 1000kg/mẻ" do nhóm sinh viên Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh, Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh thực hiện, tập trung vào việc giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật cho thiết bị cấp đông tiếp xúc chuyên dụng trong chế biến thủy sản.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể như sau:
- Mục tiêu nghiên cứu:
- Vận dụng kiến thức chuyên ngành nhiệt lạnh để tính toán, thiết kế hoàn chỉnh hệ thống tủ cấp đông tiếp xúc dùng cho cá với năng suất 1000 kg/mẻ.
- So sánh, đánh giá các chế độ nhiệt động lý thuyết và thực tế nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành.
- Lựa chọn giải pháp công nghệ, môi chất lạnh và thiết bị phụ trợ phù hợp với điều kiện khí hậu và yêu cầu công nghệ tại Việt Nam.
- Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Xác định kích thước buồng cấp đông, kết cấu vách cách nhiệt và tính toán kiểm tra hiện tượng đọng sương, đọng ẩm.
- Tính toán toàn diện các thành phần tổn thất nhiệt của tủ cấp đông và xác định phụ tải nhiệt cho máy nén.
- Tính toán chu trình nhiệt động hai cấp nén làm mát trung gian toàn phần sử dụng môi chất amoniac ($NH_3$).
- Tính chọn chi tiết các thiết bị chính (máy nén, dàn ngưng, dàn bay hơi, van tiết lưu) và các thiết bị phụ (bình chứa cao áp, bình tách dầu, bình trung gian, bình tách lỏng, tháp giải nhiệt).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Quy trình cấp đông sản phẩm cá dạng khối (block) có châm nước và hệ thống tủ cấp đông tiếp xúc nhiều tấm lắc (contact freezer).
- Phạm vi năng suất: Nghiên cứu tập trung vào phân khúc năng suất trung bình 1000 kg/mẻ (nằm trong dải năng suất thương mại 500 – 2000 kg/mẻ của thị trường trong nước).
- Phạm vi không gian và điều kiện môi trường: Địa bàn tính toán giả định đặt tại khu vực Vũng Tàu với điều kiện khí hậu mùa hè đặc trưng (nhiệt độ môi trường $t_1 = 35{,}1^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $\varphi = 85%$, nhiệt độ đọng sương $t_s = 31^\circ\text{C}$, nhiệt độ nhiệt kế ướt $t_ư = 32^\circ\text{C}$).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án áp dụng các nguyên lý nhiệt động lực học kỹ thuật, truyền nhiệt và kỹ thuật lạnh công nghiệp để xây dựng mô hình tính toán hệ thống cấp đông.
Khung lý thuyết và công thức tính toán
- Mô hình truyền nhiệt qua kết cấu bao che phẳng nhiều lớp: Xác định hệ số truyền nhiệt thực $k_t$ dựa trên các lớp vật liệu vách tủ và kiểm tra điều kiện không đọng sương ngoài vỏ tủ ($k_t < k_s$) cùng điều kiện chống ẩm.
- Phương pháp cân bằng nhiệt buồng lạnh: Tổng tổn thất nhiệt của tủ cấp đông được xác định qua biểu thức:
$$Q_{TT} = Q_1 + Q_2 + Q_3$$
Trong đó $Q_1$ là nhiệt truyền qua kết cấu bao che; $Q_2$ là nhiệt do sản phẩm mang vào (gồm nhiệt làm lạnh cá $Q_{21}$, nhiệt làm lạnh khay $Q_{22}$, nhiệt làm lạnh nước châm $Q_{23}$); $Q_3$ là nhiệt tổn thất khi mở cửa thao tác.
- Tính toán tải nhiệt máy nén và năng suất lạnh:
$$Q_{MN} = 80% Q_1 + 100% Q_2 + 75% Q_3$$
$$Q_0 = \frac{k \cdot Q_{MN}}{b}$$
Với hệ số tổn thất đường ống $k = 1{,}2$ và hệ số thời gian làm việc $b = 0{,}7$.
- Lý thuyết chu trình nhiệt động hai cấp: Do tỷ số nén tổng quát $\pi = \frac{p_k}{p_0} > 9$, hệ thống bắt buộc sử dụng chu trình máy nén hai cấp, hai van tiết lưu và làm mát trung gian hoàn toàn bằng bình trung gian. Áp suất trung gian được xác định theo công thức:
$$p_{tg} = \sqrt{p_0 \cdot p_k}$$
Phương pháp nghiên cứu và công cụ hỗ trợ
- Phương pháp giải tích kỹ thuật: Áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế công nghệ kho lạnh và sổ tay kỹ thuật nhiệt lạnh để tính toán dòng nhiệt, lưu lượng môi chất, diện tích trao đổi nhiệt của các bề mặt ống và công suất tiêu thụ điện.
- Mô phỏng và tra cứu thông số trạng thái: Sử dụng phần mềm chuyên ngành CoolPack kết hợp đồ thị $\lg p - h$ của môi chất $NH_3$ để xác định entanpi ($h$), thể tích riêng ($v$), nhiệt độ ($t$) và áp suất ($p$) tại tất cả các điểm nút trạng thái của chu trình lạnh.
- Phương pháp tra bảng định mức và chọn thiết bị: Dựa trên kết quả tính toán nhiệt và động lực học để chọn thiết bị tiêu chuẩn thương mại từ catalogue của các nhà sản xuất (MYCOM, Danfoss, thiết bị tiêu chuẩn công nghiệp).
Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống
Hệ thống được thiết kế theo dạng tủ cấp đông tiếp xúc trực tiếp dùng môi chất amoniac ($NH_3$). Sản phẩm cá được xếp trong các khay nhôm đặt trực tiếp giữa 13 tấm lắc kim loại có môi chất lạnh bay hơi bên trong.
Thông số hình học và kết cấu cách nhiệt
- Kết cấu vách tủ: Gồm 3 lớp: Lớp Inox trong dày $0{,}6\text{ mm}$ ($\lambda = 22\text{ W/m}\cdot\text{K}$), lớp cách nhiệt Polyurethane (PU) dày $150\text{ mm}$ ($\lambda = 0{,}02\text{ W/m}\cdot\text{K}$) và lớp Inox ngoài dày $0{,}6\text{ mm}$.
- Hệ số truyền nhiệt thực: $k_t = 0{,}13\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ (đảm bảo nhỏ hơn hệ số đọng sương cho phép $k_s = 1{,}2946\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$).
- Kích thước hình học tủ cấp đông:
- Kích thước lọt lòng: Dài $3000\text{ mm} \times$ Rộng $1500\text{ mm} \times$ Cao $1915\text{ mm}$.
- Kích thước phủ bì: Dài $3300\text{ mm} \times$ Rộng $1800\text{ mm} \times$ Cao $2215\text{ mm}$.
- Tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt bao che: $F = 34{,}523\text{ m}^2$.
- Bố trí khay và tấm lắc:
- Số lượng tấm lắc: 13 tấm (kích thước mỗi tấm: $2200 \times 1250 \times 22\text{ mm}$).
- Mỗi tấm lắc chứa 36 khay nhôm tiêu chuẩn ($290/280 \times 210/200 \times 70\text{ mm}$).
- Tổng số khay trong tủ: $13 \times 36 = 468\text{ khay}$.
- Khối lượng sản phẩm: $468 \times 2\text{ kg} = 936\text{ kg cá/mẻ}$.
- Lượng nước châm (10% khối lượng): $93{,}6\text{ kg}$.
- Khối lượng khay nhôm ($1{,}5\text{ kg/khay}$): $702\text{ kg}$.
Thông số các điểm nút trạng thái chu trình lạnh ($NH_3$)
Chu trình vận hành với nhiệt độ sôi môi chất $t_0 = -45^\circ\text{C}$ ($p_0 = 0{,}0545\text{ MPa}$), nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 40^\circ\text{C}$ ($p_k = 1{,}5549\text{ MPa}$) và nhiệt độ trung gian $t_{tg} = -10^\circ\text{C}$ ($p_{tg} = 0{,}2911\text{ MPa}$).
| Điểm nút |
Trạng thái kỹ thuật |
Nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$) |
Áp suất $p$ ($\text{MPa}$) |
Entanpi $h$ ($\text{kJ/kg}$) |
Thể tích riêng $v$ ($\text{m}^3/\text{kg}$) |
| 1' |
Hơi bão hòa khô ra khỏi dàn bay hơi |
$-45$ |
$0{,}0545$ |
$1698{,}5$ |
$2{,}0017$ |
| 1 |
Hơi quá nhiệt hút vào máy nén hạ áp |
$-35$ |
$0{,}0545$ |
$1725{,}0$ |
$2{,}1000$ |
| 2 |
Hơi quá nhiệt sau nén hạ áp |
$81$ |
$0{,}2913$ |
$1965{,}0$ |
$0{,}5500$ |
| 3 |
Trạng thái trung gian làm mát |
$40$ |
$1{,}5549$ |
$1870{,}0$ |
$0{,}5200$ |
| 4 |
Hơi bão hòa khô vào máy nén cao áp |
$-10$ |
$0{,}2911$ |
$1749{,}0$ |
$0{,}4170$ |
| 5 |
Hơi quá nhiệt sau nén cao áp |
$112$ |
$1{,}5549$ |
$1985{,}0$ |
$0{,}1200$ |
| 6 |
Lỏng bão hòa sau bình ngưng tụ |
$40$ |
$1{,}5549$ |
$687{,}6$ |
$1{,}7260$ |
| 7 |
Hỗn hợp sau tiết lưu 1 vào bình trung gian |
$-10$ |
$0{,}2911$ |
$687{,}6$ |
$0{,}0800$ |
| 9 |
Lỏng bão hòa từ bình trung gian |
$-10$ |
$0{,}2911$ |
$454{,}0$ |
$1{,}5330$ |
| 10 |
Hỗn hợp sau tiết lưu 2 vào dàn bay hơi |
$-45$ |
$0{,}0545$ |
$454{,}0$ |
$0{,}2400$ |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày tổng quan về nhu cầu cấp đông thực phẩm trong bối cảnh khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam. Tác giả phân tích cơ chế hư hỏng cá tươi sau đánh bắt và tổng hợp các nghiên cứu quốc tế (nghiên cứu của I. Bantle về nhiệt độ ức chế biến tính protein ở $-35^\circ\text{C}$ đến $-40^\circ\text{C}$; nghiên cứu của Hongchang Cai về mô hình dự đoán thời gian đóng băng; nghiên cứu hệ thống cascade $NH_3/CO_2$ của Fernández-Seara). Tại Việt Nam, tiêu chuẩn quy định nhiệt độ bảo quản lạnh đông thủy sản là $-18^\circ\text{C}$ (nhiệt độ tâm sản phẩm đạt $-12^\circ\text{C}$ đến $-18^\circ\text{C}$). Chương này phân tích cấu trúc thị trường kho lạnh thương mại (miền Nam chiếm hơn 80% công suất), đồng thời so sánh đặc tính kỹ thuật của 3 hệ thống cấp đông chính: cấp đông gió ($200 - 500\text{ kg/h}$), cấp đông tiếp xúc ($500 - 2000\text{ kg/mẻ}$) và băng chuyền IQF ($500 - 2000\text{ kg/h}$), từ đó xác lập mục tiêu thiết kế tủ tiếp xúc năng suất 1000 kg/mẻ.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 mô tả nguyên lý vận hành của hệ thống lạnh cấp đông tiếp xúc và đưa ra sơ đồ nguyên lý gồm 10 thiết bị: tháp giải nhiệt, bình chứa cao áp, bình ngưng, bình tách dầu, bình trung gian, bình tách lỏng, bình chống tràn, tủ cấp đông, bình thu hồi dầu và máy nén. Chương này thiết lập hệ thống công thức tính toán: xác định chiều dày lớp cách nhiệt Polyurethane, điều kiện kiểm tra đọng sương trên vách ngoài, công thức tính các thành phần tải nhiệt ($Q_1, Q_{21}, Q_{22}, Q_{23}, Q_3$), công thức xác định phụ tải nhiệt máy nén $Q_{MN}$, diện tích trao đổi nhiệt dàn ngưng, dàn bay hơi và độ sụt áp van tiết lưu.
Chương 3: Tính toán mô phỏng hệ thống
Chương 3 triển khai toàn bộ các bước tính toán số liệu cụ thể cho hệ thống cấp đông cá:
- Xác định chiều dày cách nhiệt yêu cầu $\delta_{CN} = 101{,}4\text{ mm}$, chọn chiều dày tiêu chuẩn $\delta_{CN} = 150\text{ mm}$, dẫn đến hệ số truyền nhiệt thực $k_t = 0{,}13\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
- Kiểm tra đọng sương với điều kiện khí hậu Vũng Tàu ($t_1 = 35{,}1^\circ\text{C}$, $\varphi = 85%$, $t_s = 31^\circ\text{C}$, nhiệt độ trong tủ $t_2 = -35^\circ\text{C}$), tính ra $k_s = 1{,}2946\text{ W/m}^2\cdot\text{K} > k_t$, kết luận vách không bị đọng sương.
- Xác định tổn thất nhiệt: Truyền nhiệt qua kết cấu $Q_1 = 314{,}671\text{ W}$; làm lạnh sản phẩm, khay và nước châm $Q_2 = 33447\text{ W}$ (thời gian cấp đông $\tau = 3\text{ giờ}$, cá từ $10^\circ\text{C}$ xuống $-18^\circ\text{C}$); tổn thất do mở cửa $Q_3 = 46\text{ W}$. Tổng tổn thất $Q_{TT} = 33807{,}671\text{ W}$.
- Xác định nhiệt tải máy nén $Q_{MN} = 33733{,}2368\text{ W}$ và năng suất lạnh yêu cầu của máy nén $Q_0 = 57{,}55\text{ kW}$.
- Tính toán chu trình 2 cấp với môi chất $NH_3$: Tỷ số nén $\pi = 28{,}457$; áp suất trung gian $p_{tg} = 0{,}291\text{ MPa}$ ($t_{tg} = -10^\circ\text{C}$); năng suất lạnh riêng $q_0 = 1244{,}5\text{ kJ/kg}$; công nén hạ áp $l_1 = 240\text{ kJ/kg}$; công nén cao áp $l_2 = 236\text{ kJ/kg}$; hệ số làm lạnh $\varepsilon = 2{,}614$.
Chương 4: Thiết kế và chế tạo các bộ phận
Chương 4 thực hiện tính toán động học và lựa chọn thiết bị công nghiệp:
- Máy nén: Thể tích hút lý thuyết hạ áp $V_{ltHA} = 0{,}133\text{ m}^3/\text{s}$ ($\lambda_1 = 0{,}7276$), cao áp $V_{ltCA} = 0{,}035\text{ m}^3/\text{s}$ ($\lambda_2 = 0{,}7255$). Tỷ số thể tích quét $\varphi = 3{,}8 \approx 4$ (tỷ lệ 4 xilanh hạ áp / 1 xilanh cao áp). Công nén tiêu thụ thực tế $N_{el} = 35{,}1\text{ kW}$, công suất động cơ yêu cầu $N_{đc} = 45{,}63\text{ kW}$. Chọn máy nén 2 cấp MYCOM N124B (16 xilanh gồm 12 hạ áp + 4 cao áp, đường kính piston $\Phi 130 \times 100\text{ mm}$, tốc độ $870\text{ vòng/phút}$, thể tích quét $1108{,}6\text{ m}^3/\text{h}$, $Q_0 = 81{,}2 \times 10^3\text{ kcal/h}$, $N_e = 72{,}4\text{ kW}$).
- Thiết bị ngưng tụ: Phụ tải nhiệt $Q_k = Q_0 + N_{el} = 92{,}65\text{ kW} \approx 93\text{ kW}$. Diện tích trao đổi nhiệt tính toán $F = 33{,}21\text{ m}^2$. Chọn thiết bị ngưng tụ bay hơi kiểu HK-60 (diện tích $60\text{ m}^2$, áp suất làm việc 20 bar, khối lượng 2800 kg).
- Thiết bị bay hơi: Chọn bình bay hơi ống vỏ nằm ngang dùng $NH_3$ mã hiệu HKT-40 (diện tích bề mặt $40{,}7\text{ m}^2$, 216 ống $\Phi 600 \times 8\text{ mm}$, kích thước phủ bì $3580 \times 1075 \times 1590\text{ mm}$, thể tích không gian giữa các ống $0{,}52\text{ m}^3$).
- Van tiết lưu: Chọn van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoài Danfoss kiểu TEX 55-35 (số ruột 01, $t_0 = -50^\circ\text{C}$, độ giảm áp $\Delta P = 14\text{ bar}$, năng suất lạnh định mức $Q_0 = 96\text{ kW}$).
- Các thiết bị phụ:
- Bình chứa cao áp: Model RL 0.5 ($V = 0{,}5\text{ m}^3$, đường kính $495\text{ mm}$, dài $3220\text{ mm}$, khối lượng $365\text{ kg}$).
- Bình tách dầu: Model M1952 (đường kính $230\text{ mm}$, cao $1100\text{ mm}$, khối lượng $60\text{ kg}$).
- Bình trung gian: Model 100 C3 (đường kính $1000 \times 10\text{ mm}$, chiều cao $2940\text{ mm}$, diện tích ống xoắn $8{,}6\text{ m}^2$, thể tích $1{,}85\text{ m}^3$, khối lượng $1230\text{ kg}$).
- Tháp giải nhiệt: Model FRK25 (tải nhiệt 20,5 ton, lưu lượng nước $5{,}4\text{ l/s}$, kích thước $\Phi 1400 \times 1932\text{ mm}$, quạt gió $200\text{ m}^3/\text{phút}$, mô tơ $0{,}75\text{ kW}$, khối lượng $97\text{ kg}$).
- Bình tách lỏng, van một chiều, van an toàn và van khóa đường ống.
Chương 5: Kết quả và thảo luận
Chương 5 thảo luận về chế độ vận hành và hiệu quả năng lượng của hệ thống:
- Nhiệt độ sôi của môi chất được duy trì ở mức $-45^\circ\text{C}$, giúp rút ngắn thời gian cấp đông một mẻ xuống 3 giờ, đưa nhiệt độ tâm khối cá đạt $-18^\circ\text{C}$.
- Hệ thống đạt hệ số làm lạnh $\text{COP} = 2{,}614$ ở chế độ nhiệt độ bay hơi thấp ($-45^\circ\text{C}$), khẳng định tính kinh tế và hiệu quả sử dụng năng lượng của môi chất $NH_3$ trong chu trình hai cấp có làm mát trung gian.
Kết quả và đóng góp
Kết quả tính toán và thông số kỹ thuật then chốt
| Thông số kỹ thuật |
Giá trị tính toán |
Đơn vị |
| Năng suất cấp đông mỗi mẻ |
$1000$ (thực tính: $936\text{ kg cá} + 93{,}6\text{ kg nước}$) |
$\text{kg/mẻ}$ |
| Thời gian cấp đông 1 mẻ ($\tau$) |
$3{,}0$ |
$\text{giờ}$ |
| Nhiệt độ sôi môi chất lạnh ($t_0$) |
$-45$ |
$^\circ\text{C}$ |
| Nhiệt độ ngưng tụ ($t_k$) |
$40$ |
$^\circ\text{C}$ |
| Áp suất ngưng tụ ($p_k$) / Áp suất bay hơi ($p_0$) |
$1{,}5559\text{ / }0{,}0547$ |
$\text{MPa}$ |
| Tỷ số nén chung ($\pi$) |
$28{,}457$ |
- |
| Nhiệt độ trung gian ($t_{tg}$) / Áp suất ($p_{tg}$) |
$-10\text{ / }0{,}291$ |
$^\circ\text{C / MPa}$ |
| Tổng tổn thất nhiệt tủ cấp đông ($Q_{TT}$) |
$33807{,}67$ |
$\text{W}$ |
| Năng suất lạnh yêu cầu của máy nén ($Q_0$) |
$57{,}55$ |
$\text{kW}$ |
| Phụ tải nhiệt thiết bị ngưng tụ ($Q_k$) |
$93{,}00$ |
$\text{kW}$ |
| Công suất điện tiêu thụ thực tế ($N_{el}$) |
$35{,}10$ |
$\text{kW}$ |
| Hệ số làm lạnh chu trình ($\text{COP} / \varepsilon$) |
$2{,}614$ |
- |
Danh mục thiết bị được lựa chọn
| Hạng mục thiết bị |
Ký hiệu / Mã hiệu |
Thông số quy chuẩn chính |
| Máy nén 2 cấp |
MYCOM N124B |
16 xilanh ($12+4$), thể tích quét $1108{,}6\text{ m}^3/\text{h}$, $Q_0 = 81{,}2\text{ kCal/h}$ |
| Dàn ngưng kiểu bay hơi |
HK-60 |
Diện tích trao đổi nhiệt $60\text{ m}^2$, áp suất làm việc 20 bar |
| Dàn bay hơi |
HKT-40 |
Dạng ống vỏ nằm ngang, diện tích $40{,}7\text{ m}^2$, 216 ống trao đổi nhiệt |
| Van tiết lưu nhiệt |
Danfoss TEX 55-35 |
Ruột 01, cân bằng ngoài, dải nhiệt đến $-50^\circ\text{C}$, công suất $96\text{ kW}$ |
| Bình chứa cao áp |
RL 0.5 |
Thể tích $0{,}5\text{ m}^3$, đường kính trong $495\text{ mm}$, dài $3220\text{ mm}$ |
| Bình tách dầu |
M1952 |
Kiểu rơi quán tính và ly tâm, đường kính $230\text{ mm}$, cao $1100\text{ mm}$ |
| Bình trung gian |
100 C3 |
Có ống xoắn làm mát lỏng, diện tích $8{,}6\text{ m}^2$, thể tích $1{,}85\text{ m}^3$ |
| Tháp giải nhiệt |
FRK25 |
Lưu lượng nước $5{,}4\text{ l/s}$, công suất quạt $0{,}75\text{ kW}$, tải nhiệt $20{,}5\text{ ton}$ |
Đóng góp kỹ thuật của đồ án
- Xây dựng hoàn chỉnh quy trình tính toán nhiệt và động lực học cho tủ cấp đông tiếp xúc tấm lắc năng suất 1000 kg/mẻ sử dụng môi chất tự nhiên $NH_3$.
- Thiết lập bảng cân bằng nhiệt chi tiết bao gồm đầy đủ nhiệt làm lạnh sản phẩm, khay nhôm và lượng nước châm thực tế.
- Lựa chọn đồng bộ hệ thống thiết bị chính và thiết bị phụ trợ đạt chuẩn công nghiệp, đáp ứng tỷ lệ thể tích quét giữa cấp hạ áp và cao áp ($\varphi \approx 4$), đảm bảo an toàn vận hành và hiệu quả năng lượng với $\text{COP} = 2{,}614$.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án
- Đồ án dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết và lựa chọn thiết bị công nghiệp dựa trên các tài liệu tra cứu, chưa có điều kiện chế tạo mô hình thực nghiệm vật lý để kiểm chứng sai số nhiệt động.
- Chưa đi sâu vào việc thiết kế chi tiết hệ thống mạch điều khiển tự động (như mạch biến tần điều khiển lưu lượng môi chất hoặc lập trình PLC điều khiển chu trình xả băng và cấp dịch).
- Thời gian cấp đông ($\tau = 3\text{ giờ}$) và hệ số làm việc của máy nén ($b = 0{,}7$) được lựa chọn theo kinh nghiệm định mức, chưa được tối ưu hóa theo mô hình động học phi tuyến của quá trình truyền nhiệt kết tinh ẩm trong cá.
Hướng nghiên cứu mở rộng
- Nghiên cứu mô phỏng động học quá trình đóng băng của khối cá bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM/CFD) để xác định chính xác đường cong phân bố nhiệt độ tâm sản phẩm theo thời gian.
- Khảo sát ứng dụng công nghệ hỗ trợ cấp đông bằng trường điện từ hoặc siêu âm nhằm giảm thiểu kích thước tinh thể đá, nâng cao hơn nữa chất lượng tế bào cá sau rã đông.
- Thiết kế hệ thống điều khiển tự động giám sát nhiệt độ và áp suất trung gian theo thời gian thực để duy trì độ quá nhiệt hơi hút ổn định, ngăn chặn hoàn toàn nguy cơ ngập dịch cho máy nén.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn phục vụ công tác học tập và thiết kế kỹ thuật:
- Đối tượng sử dụng: Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Cơ điện lạnh, Công nghệ Thực phẩm; kỹ sư thiết kế và vận hành trạm lạnh công nghiệp tại các nhà máy chế biến thủy sản.
- Nội dung tham khảo hữu ích:
- Phương pháp tính toán tải nhiệt chi tiết cho hệ thống cấp đông tiếp xúc dạng khối có châm nước.
- Các bước tính toán và quy trình tra cứu chu trình máy nén hai cấp sử dụng môi chất $NH_3$ trên phần mềm CoolPack.
- Phương pháp kiểm tra điều kiện đọng sương, đọng ẩm vỏ tủ cách nhiệt Polyurethane bọc Inox.
- Quy cách và bảng thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của các thiết bị trạm lạnh amoniac (máy nén MYCOM, bình trung gian ống xoắn, dàn bay hơi HKT, tháp giải nhiệt FRK).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án bắt buộc phải sử dụng chu trình máy nén 2 cấp thay vì 1 cấp?
Trong điều kiện thiết kế của đồ án, nhiệt độ sôi của môi chất lạnh là $t_0 = -45^\circ\text{C}$ (áp suất bay hơi $p_0 = 0{,}054676\text{ MPa}$) và nhiệt độ ngưng tụ là $t_k = 40^\circ\text{C}$ (áp suất ngưng tụ $p_k = 1{,}5559\text{ MPa}$). Tỷ số nén tính toán được là:
$$\pi = \frac{p_k}{p_0} = \frac{1{,}5559}{0{,}054676} = 28{,}457$$
Do $\pi = 28{,}457 > 9$, nếu nén một cấp thì nhiệt độ cuối tầm nén sẽ vượt quá giới hạn an toàn làm cháy dầu bôi trơn, hệ số cấp giảm mạnh và hiệu suất thể tích của máy nén bị suy giảm nghiêm trọng. Vì vậy, hệ thống bắt buộc phải sử dụng chu trình nén hai cấp có làm mát trung gian.
2. Kết cấu vỏ cách nhiệt của tủ cấp đông được thiết kế như thế nào để chống đọng sương và đọng ẩm?
Vỏ tủ được cấu tạo gồm 3 lớp: Lớp trong bằng Inox dày $0{,}6\text{ mm}$, lớp giữa là vật liệu Polyurethane (PU) dày $150\text{ mm}$ ($\lambda = 0{,}02\text{ W/m}\cdot\text{K}$) và lớp ngoài bằng Inox dày $0{,}6\text{ mm}$. Hệ số truyền nhiệt thực của kết cấu đạt $k_t = 0{,}13\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$. Khi kiểm tra với điều kiện khí hậu Vũng Tàu ($t_1 = 35{,}1^\circ\text{C}, \varphi = 85%, t_s = 31^\circ\text{C}$), hệ số truyền nhiệt đọng sương tiêu chuẩn là $k_s = 1{,}2946\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$. Do $k_t < k_s$, bề mặt ngoài của tủ hoàn toàn không bị đọng sương. Đồng thời, hai mặt vách bọc Inox kín ngăn chặn triệt để ẩm thâm nhập vào lớp cách nhiệt, loại trừ hiện tượng đọng ẩm trong kết cấu.
3. Máy nén được chọn cho hệ thống có thông số kỹ thuật và cơ cấu xilanh như thế nào?
Dựa trên năng suất lạnh yêu cầu $Q_0 = 57{,}55\text{ kW}$ và tỷ số thể tích quét giữa hạ áp và cao áp $\varphi = \frac{V_{ltHA}}{V_{ltCA}} = \frac{0{,}133}{0{,}035} \approx 3{,}8$, đồ án lựa chọn máy nén hai cấp MYCOM N124B của Nhật Bản. Máy nén này có tổng cộng 16 xilanh được phân chia theo tỷ lệ $12$ xilanh hạ áp và $4$ xilanh cao áp (tỷ lệ $3:1$ tương ứng tỷ số quét $\approx 4$), đường kính piston $\Phi 130\text{ mm}$, hành trình $100\text{ mm}$, tốc độ quay $870\text{ vòng/phút}$, thể tích quét $1108{,}6\text{ m}^3/\text{h}$, năng suất lạnh định mức $81{,}2 \times 10^3\text{ kcal/h}$ và công suất nén $72{,}4\text{ kW}$.
4. Thời gian cấp đông của một mẻ là bao lâu và nhiệt độ sản phẩm biến đổi như thế nào?
Theo tính toán công nghệ, thời gian cấp đông cho một mẻ là $\tau = 3\text{ giờ}$. Sản phẩm cá trước khi vào tủ đã được làm mát sơ bộ ở kho chờ đông đạt nhiệt độ đầu vào $t_1 = 10^\circ\text{C}$. Sau quá trình cấp đông tiếp xúc với nhiệt độ sôi của môi chất $NH_3$ duy trì ở $-45^\circ\text{C}$, nhiệt độ trung bình đầu ra tại tâm của khối cá đạt $-18^\circ\text{C}$, đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng bảo quản thủy sản đông lạnh.
5. Hệ số làm lạnh (COP) của hệ thống đạt bao nhiêu và được tính từ những đại lượng nào?
Hệ số làm lạnh của chu trình đạt $\text{COP} = \varepsilon = 2{,}614$. Giá trị này được xác định từ tỷ số giữa năng suất lạnh riêng của môi chất ($q_0 = h_{1'} - h_{10} = 1698{,}5 - 454{,}0 = 1244{,}5\text{ kJ/kg}$) và tổng công nén riêng của hai cấp nén đoạn nhiệt ($l_1 + l_2 = (h_2 - h_1) + (h_5 - h_4) = 240 + 236 = 476\text{ kJ/kg}$):
$$\varepsilon = \frac{1244{,}5}{240 + 236} = 2{,}614$$
Kết luận
Đồ án môn học đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán nhiệt kỹ thuật và thiết kế hệ thống tủ cấp đông tiếp xúc năng suất 1000 kg/mẻ chuyên dùng cho thủy sản. Việc lựa chọn môi chất $NH_3$ kết hợp chu trình nén hai cấp có làm mát trung gian toàn phần giúp hệ thống vận hành ổn định ở nhiệt độ sôi $-45^\circ\text{C}$, đạt hệ số làm lạnh $\text{COP} = 2{,}614$ và đảm bảo thời gian cấp đông 3 giờ/mẻ. Toàn bộ các thiết bị chính gồm máy nén MYCOM N124B, dàn ngưng HK-60, dàn bay hơi HKT-40, van tiết lưu TEX 55-35 cùng các bình áp lực phụ trợ đều được tính chọn đồng bộ, chuẩn xác theo các tiêu chuẩn công nghiệp hiện hành.
