Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trái cây và nông sản nhiệt đới là nguồn cung cấp vitamin và khoáng chất thiết yếu trong đời sống hàng ngày, đồng thời là mặt hàng có giá trị kinh tế cao tại Việt Nam. Do đặc thù khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, các loại trái cây sau khi thu hoạch theo mùa vụ rất dễ bị hư hỏng, thối rữa và suy giảm chất lượng nếu không có biện pháp xử lý kịp thời. Trong các phương pháp bảo quản hiện đại, bảo quản lạnh là giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm hạ thấp nhiệt độ của nông sản xuống gần điểm đóng băng, ức chế hoạt động sinh học, làm chậm quá trình hô hấp của tế bào thực vật và ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật gây thối hỏng, từ đó kéo dài thời gian lưu trữ mà vẫn giữ được giá trị dinh dưỡng và cảm quan của sản phẩm.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án môn học Quá trình và Thiết bị với đề tài "Thiết kế hệ thống kho lạnh bảo quản trái cây năng suất 120 tấn" được thực hiện tại Bộ môn Quá trình và Thiết bị, Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 6/2014 do sinh viên Nguyễn Hoàng Linh thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Đào Thanh Khê).

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu, tính toán thiết kế của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Xác định quy mô dung tích, thể tích và các kích thước hình học xây dựng của kho lạnh dựa trên năng suất yêu cầu và đặc tính chất tải của trái cây đựng trong thùng gỗ.
  2. Thiết kế kết cấu xây dựng và tính toán chiều dày các lớp vật liệu cách nhiệt, cách ẩm cho vách bao che, nền và trần kho lạnh, đồng thời tiến hành kiểm tra điều kiện chống đọng sương, đọng ẩm trên bề mặt kết cấu.
  3. Tính toán toàn diện các dòng nhiệt tổn thất xâm nhập vào kho lạnh (nhiệt truyền qua kết cấu bao che, nhiệt do sản phẩm tỏa ra, nhiệt do hô hấp, nhiệt do vận hành và nhiệt do thông gió buồng lạnh) để xác định tổng tải nhiệt của kho.
  4. Xây dựng chu trình nhiệt động học của hệ thống lạnh một cấp sử dụng môi chất R22 có thiết bị hồi nhiệt; tính toán các thông số trạng thái tại các điểm nút chu trình, lưu lượng môi chất tuần hoàn, các loại công suất nén và phụ tải nhiệt của các thiết bị trao đổi nhiệt.
  5. Tính toán, lựa chọn máy nén lạnh công nghiệp và các thiết bị chính bao gồm thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm nằm ngang làm mát bằng nước tuần hoàn qua tháp giải nhiệt, thiết bị bay hơi dạng quạt đối lưu cưỡng bức.
  6. Tính chọn và thuyết minh cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các thiết bị phụ trợ trong hệ thống lạnh như bình chứa cao áp, tháp giải nhiệt, bình tách dầu, bình chứa dầu, bình trung gian, bình tách lỏng, phin sấy lọc và hệ thống van an toàn, van chặn, van tiết lưu.

Đối tượng và phạm vi thiết kế của đồ án:

  • Đối tượng: Hệ thống kho lạnh công nghiệp bảo quản mát trái cây thương phẩm chứa trong bao bì thùng gỗ với sức chứa định mức 120 tấn sản phẩm.
  • Phạm vi không gian: Địa điểm xây dựng công trình đặt tại TP. Hồ Chí Minh. Các thông số khí tượng môi trường ngoài trời phục vụ tính toán gồm: nhiệt độ không khí cực đại thiết kế $t_n = 37,3^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $\varphi_n = 74%$, nhiệt độ bầu ướt $t_u = 33^\circ\text{C}$.
  • Phạm vi công nghệ: Chế độ bảo quản mát ở nhiệt độ phòng kho $t_b = 4^\circ\text{C}$, sử dụng môi chất lạnh Freon 22 (R22) với phương pháp làm lạnh trực tiếp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết truyền nhiệt, nhiệt động lực học kỹ thuật và công nghệ lạnh công nghiệp để thiết lập phương pháp tính toán hệ thống:

  1. Khung lý thuyết và mô hình tính toán nhiệt:

    • Lý thuyết truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp: Dùng để xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát $K$, chiều dày lớp cách nhiệt polystirol cần thiết dựa trên hệ số cấp nhiệt phía ngoài $\alpha_1$, hệ số cấp nhiệt đối lưu cưỡng bức bên trong phòng $\alpha_2$, độ dẫn nhiệt $\lambda_i$ của từng lớp vật liệu, và hệ số truyền nhiệt quy chuẩn theo tiêu chuẩn ngành lạnh.
    • Điều kiện kiểm tra chống đọng sương: So sánh hệ số truyền nhiệt thực tế $K$ của kết cấu bao che với hệ số truyền nhiệt giới hạn đọng sương $k_s$, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường ngoài $t_1$, nhiệt độ đọng sương của không khí ngoài $t_s$, nhiệt độ trong kho $t_2$ và hệ số an toàn 0,95.
    • Phương pháp cân bằng nhiệt phòng lạnh: Tổng hợp các nguồn nhiệt tổn thất theo công thức tổng quát $Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4$. Trong đó xác định chi tiết nhiệt làm nguội sản phẩm, nhiệt hô hấp của trái cây tươi theo dung tích kho, nhiệt do bao bì gỗ, nhiệt do con người tỏa ra khi lao động nặng, nhiệt chiếu sáng, nhiệt động cơ điện, nhiệt mở cửa kho và nhiệt do thay đổi không khí thông gió.
    • Nhiệt động lực học chu trình máy nén hơi: Xây dựng chu trình máy nén hơi 1 cấp có hồi nhiệt trên đồ thị áp suất - entanpi ($\lg p - h$). Xác định các trạng thái quá nhiệt hơi hút, quá lạnh môi chất lỏng trước van tiết lưu, các quá trình nén đoạn nhiệt, ngưng tụ đẳng áp và tiết lưu đẳng entanpi.

  2. Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật:

    • Phương pháp phân tích, tổng hợp và tính toán giải tích kỹ thuật: Sử dụng hệ thống công thức giải tích chuẩn của chuyên ngành Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất - Thực phẩm và Kỹ thuật Lạnh để tính toán kích thước kho, tải nhiệt, chu trình lạnh và công suất động cơ.
    • Phương pháp tra cứu đồ thị và bảng số liệu nhiệt vật lý: Sử dụng đồ thị $\lg p - h$ của môi chất R22 để xác định entanpi, áp suất, thể tích riêng tại các điểm nút trạng thái; tra cứu hệ số truyền nhiệt, định mức nhiệt vận hành từ các tài liệu quy chuẩn kỹ thuật lạnh.
    • Phương pháp lựa chọn và đối chiếu catalog thiết bị công nghiệp: Đối chiếu thông số tính toán yêu cầu với các dãy sản phẩm thiết bị chuẩn (tiêu chuẩn máy nén Liên Xô cũ OCT 26.03-943-77, catalog dàn lạnh công nghiệp Friga-Bohn, bình ngưng ống chùm KTP).

  3. Nguồn dữ liệu:

    • Dữ liệu khí tượng thủy văn khu vực TP. Hồ Chí Minh.
    • Bảng tính chất nhiệt vật lý của môi chất Freon R22 và không khí ẩm.
    • Tiêu chuẩn thiết kế kho lạnh bảo quản nông sản thực phẩm và catalog kỹ thuật của các nhà sản xuất thiết bị lạnh công nghiệp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày vai trò và ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong nền kinh tế quốc dân, đặc biệt là trong ngành công nghiệp chế biến và bảo quản nông sản thực phẩm. Tác giả nhấn mạnh phương pháp bảo quản lạnh giúp làm chậm quá trình phân giải và ức chế vi sinh vật gây thối rữa, giữ được chất lượng trái cây sau thu hoạch. Đồng thời, chương này thiết lập các thông số ban đầu của nhiệm vụ thiết kế:

  • Chủng loại sản phẩm: Trái cây bảo quản mát.
  • Năng suất (dung tích kho): 120 tấn sản phẩm.
  • Nhiệt độ buồng bảo quản: $t_b = 4^\circ\text{C}$.
  • Địa điểm xây dựng: TP. Hồ Chí Minh với $t_n = 37,3^\circ\text{C}$, $\varphi_n = 74%$.
  • Môi chất lạnh làm việc: R22.

Chương 2: Tính toán kho lạnh

Nội dung chương 2 tập trung xác định kích thước hình học và diện tích xây dựng của kho lạnh:

  • Xác định mức độ chất tải của mặt hàng trái cây chứa trong thùng gỗ: $g_v = 0,45\text{ tấn/m}^3$.
  • Dung tích thực tế của kho lạnh có tính đến 10% khối lượng bao bì gỗ ($E_{bb} = 12\text{ tấn}$): $E = E_{sp} + E_{bb} = 120 + 12 = 132\text{ tấn}$.
  • Thể tích buồng lạnh tính toán: $V = \frac{E}{g_v} = \frac{132}{0,45} = 293,33\text{ m}^3$.
  • Với chiều cao chất tải chọn $h = 3\text{ m}$, diện tích chất tải thực tế được tính toán là $97,78\text{ m}^2$, tải trọng nền đạt $g_f = 0,35\text{ tấn/m}^2$.
  • Dựa trên hệ số sử dụng diện tích xây dựng $\beta_F = 0,75 \div 0,80$ và quy chuẩn mô-đun xây dựng (bội số của $36\text{ m}^2$), tác giả chọn diện tích xây dựng kho là $F_{xd} = 144\text{ m}^2$ với kích thước mặt bằng vuông $12\text{ m} \times 12\text{ m}$ và chiều cao phủ bì $H = 5\text{ m}$ (kích thước tổng thể kho: $12 \times 12 \times 5\text{ m}$).

Chương 3: Tính toán cách nhiệt cách ẩm

Chương 3 trình bày việc thiết kế cấu tạo nhiều lớp và tính toán chiều dày cách nhiệt cho các bề mặt bao che:

  • Vách kho lạnh: Cấu tạo gồm lớp vữa trát, lớp cách ẩm bitum ($\lambda = 0,300\text{ W/m}\cdot\text{K}$), lớp cách nhiệt polystirol ($\lambda = 0,047\text{ W/m}\cdot\text{K}$), lớp vữa và tấm thép bảo vệ. Bề dày lớp cách nhiệt polystirol tính toán và lựa chọn là $\delta = 0,2\text{ m}$, hệ số truyền nhiệt qua vách đạt $K = 0,2\text{ W/m}^2\text{K}$. Kết quả kiểm tra điều kiện đọng sương xác nhận $K < k_s$, đảm bảo vách ngoài không bị đọng sương.
  • Nền kho lạnh: Cấu tạo gồm lớp bê tông cốt thép chịu tải, lớp cách ẩm bitum, lớp cách nhiệt polystirol ($\lambda = 0,047\text{ W/m}\cdot\text{K}$) dày $\delta = 0,2\text{ m}$, hệ số truyền nhiệt nền đạt $K = 0,2\text{ W/m}^2\text{K}$. Nền kho đạt yêu cầu về độ bền cơ học và không đọng ẩm.
  • Trần kho lạnh: Cấu tạo gồm bản bê tông cốt thép, lớp vữa lưới thép và lớp cách nhiệt polystirol ($\lambda = 0,047\text{ W/m}\cdot\text{K}$) dày $\delta = 0,2\text{ m}$, hệ số truyền nhiệt trần $K = 0,2\text{ W/m}^2\text{K}$ (nhỏ hơn hệ số quy chuẩn $0,35\text{ W/m}^2\text{K}$), kết cấu trần không bị thấm nước hay đọng sương.

Chương 4: Tính toán cân bằng nhiệt

Chương 4 thực hiện cân bằng nhiệt chi tiết để xác định năng suất lạnh cần thiết cung cấp cho kho:

  • Dòng nhiệt qua kết cấu bao che ($Q_1$): Tổn thất nhiệt truyền qua vách tường ngoài, trần và nền do chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường ngoài ($37,3^\circ\text{C}$) và buồng lạnh ($4^\circ\text{C}$).
  • Dòng nhiệt do sản phẩm tạo ra ($Q_2$):
    • Nhiệt làm lạnh trái cây từ nhiệt độ nhập $t_1 = 8^\circ\text{C}$ ($h_1 = 302\text{ kJ/kg}$) xuống nhiệt độ bảo quản $t_2 = 4^\circ\text{C}$ ($h_2 = 286,7\text{ kJ/kg}$): $Q_{21} = 1700\text{ W}$.
    • Nhiệt do trái cây hô hấp tỏa ra trong quá trình lưu trữ: $Q_{22} = 1667\text{ W}$.
    • Nhiệt do làm lạnh bao bì thùng gỗ từ $8^\circ\text{C}$ xuống $4^\circ\text{C}$ với khối lượng bao bì đưa vào $M_b = 0,996\text{ tấn/24h}$, nhiệt dung riêng $C_b = 2,5\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$: $Q_{23} = 111,3\text{ W} = 0,11\text{ kW}$.
    • Tổng nhiệt do sản phẩm và bao bì tỏa ra: $Q_2 = 1700 + 1667 + 111,3 = 3478,3\text{ W}$.
  • Dòng nhiệt do vận hành kho ($Q_3$):
    • Nhiệt chiếu sáng nhân tạo ($A = 1,2\text{ W/m}^2 \times 144\text{ m}^2$): $Q_{31} = 172,8\text{ W}$.
    • Nhiệt do 3 công nhân làm việc nặng trong kho tỏa ra ($350\text{ W/người}$): $Q_{32} = 1050\text{ W}$.
    • Nhiệt do động cơ điện vận hành ($N = 2\text{ kW}$): $Q_{33} = 2000\text{ W}$.
    • Nhiệt thất thoát do mở cửa kho ($B = 15\text{ W/m}^2 \times 144\text{ m}^2$): $Q_{34} = 2160\text{ W}$.
    • Tổng nhiệt vận hành kho: $Q_3 = 172,8 + 1050 + 2000 + 2160 = 5382,8\text{ W}$.
  • Dòng nhiệt do thông gió buồng lạnh ($Q_4$): Với entanpi không khí ngoài $h_1 = 105\text{ kJ/kg}$, entanpi không khí trong kho $h_2 = 13\text{ kJ/kg}$, khối lượng riêng không khí $\rho_k = 1,28\text{ kg/m}^3$, bội số tuần hoàn thông gió $a = 3$, lưu lượng khối lượng không khí $M_k = 6,4 \times 10^{-2}\text{ kg/s}$, dòng nhiệt do thông gió xác định là $Q_4 = 6,8\text{ W}$.
  • Tổng dòng nhiệt tổn thất của toàn bộ kho: $Q = 7532,53\text{ W}$.
  • Xác định tải nhiệt máy nén: Dựa trên tổng nhiệt tổn thất, hệ số thời gian làm việc $b = 0,9$ và hệ số tổn thất đường ống $k = 1,1$, năng suất lạnh yêu cầu của máy nén xác định là $Q_0 = 21,133\text{ kW}$.

Chương 5: Tính toán chu trình lạnh, tính chọn máy nén

Nội dung chương 5 tính toán chu trình nhiệt động lực học và chọn máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi:

  • Xác lập chế độ nhiệt độ làm việc:
    • Nhiệt độ sôi của môi chất: $t_0 = t_b - \Delta t_0 = 4 - 13 = -9^\circ\text{C}$ (áp suất sôi $p_0 = 3,6767\text{ bar}$).
    • Nhiệt độ ngưng tụ: $t_k = t_{w2} + \Delta t_k = 42 + 5 = 47^\circ\text{C}$ (áp suất ngưng tụ $p_k = 18,034\text{ bar}$), với nước vào bình ngưng $t_{w1} = 37^\circ\text{C}$, nước ra $t_{w2} = 42^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ quá nhiệt hơi hút: $t_{qn} = t_0 + \Delta t_{qn} = -9 + 15 = 6^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ quá lạnh lỏng trước van tiết lưu: $t_{ql} = 40^\circ\text{C}$.
    • Tỉ số nén $\pi = \frac{p_k}{p_0} = \frac{18,034}{3,6767} \approx 4,9 < 9 \rightarrow$ Lựa chọn chu trình nén 1 cấp có thiết bị hồi nhiệt.
  • Bảng thông số trạng thái tại các điểm nút chu trình R22:
    • Điểm 1 (hơi quá nhiệt vào máy nén): $t_1 = 6^\circ\text{C}$, $p_1 = 6,022\text{ bar}$, $h_1 = 406,454\text{ kJ/kg}$, $v_1 = 0,42\text{ m}^3\text{/kg}$.
    • Điểm 1' (hơi bão hòa khô ra khỏi dàn bay hơi): $t_{1'} = -9^\circ\text{C}$, $p_{1'} = 3,6767\text{ bar}$, $h_{1'} = 401,57\text{ kJ/kg}$.
    • Điểm 2 (hơi quá nhiệt sau khi nén đoạn nhiệt): $t_2 = 90^\circ\text{C}$, $p_2 = 44,374\text{ bar}$, $h_2 = 433,17\text{ kJ/kg}$.
    • Điểm 2' (trạng thái hơi bão hòa ngưng tụ): $t_{2'} = 47^\circ\text{C}$, $p_{2'} = 18,034\text{ bar}$, $h_{2'} = 415,93\text{ kJ/kg}$.
    • Điểm 3' (lỏng bão hòa ra khỏi bình ngưng): $t_{3'} = 47^\circ\text{C}$, $p_{3'} = 18,034\text{ bar}$, $h_{3'} = 258,15\text{ kJ/kg}$.
    • Điểm 3 (lỏng quá lạnh sau thiết bị hồi nhiệt): $t_3 = 40^\circ\text{C}$, $p_3 = 18,034\text{ bar}$, $h_3 = 253,266\text{ kJ/kg}$.
    • Điểm 4 (sau van tiết lưu vào dàn bay hơi): $t_4 = -9^\circ\text{C}$, $p_4 = 6,022\text{ bar}$, $h_4 = 253,266\text{ kJ/kg}$.
  • Tính toán công suất nén và động cơ: Công suất ma sát $N_{ms} = 0,470\text{ kW}$ (với $P_{ms} = 0,025\text{ MPa}$), công suất động cơ lắp đặt $N_{dc} = 11\text{ kW}$ (hệ số an toàn 1,1).
  • Lựa chọn máy nén: Chọn 01 máy nén pittông 4 xi lanh của Nga theo tiêu chuẩn OCT 26.03-943-77, ký hiệu IIδ20 (2П20), đường kính pittông 67,25 mm, tốc độ quay 24 vòng/s, kích thước $680 \times 550\text{ mm}$, khối lượng $223\text{ kg}$, thể tích quét lý thuyết $V_{lt} = 1,54 \times 10^{-2}\text{ m}^3\text{/s}$.
  • Lựa chọn thiết bị ngưng tụ: Bình ngưng ống chùm nằm ngang KTP-12 có diện tích bề mặt trao đổi nhiệt $12,8\text{ m}^2$, đường kính vỏ $377\text{ mm}$, chiều dài ống $1,2\text{ m}$, 86 ống trao đổi nhiệt, 4 lối nước, tải nhiệt định mức $43,3\text{ kW}$.
  • Lựa chọn thiết bị bay hơi: Chọn 02 dàn lạnh dạng quạt đối lưu cưỡng bức Friga-Bohn (Model: KB 2100), năng suất lạnh mỗi dàn $15,44\text{ kW}$ (tổng công suất $30,88\text{ kW} > 21,133\text{ kW}$ yêu cầu), bước cánh $7\text{ mm}$, kích thước dài $1753\text{ mm} \times$ cao $680\text{ mm} \times$ sâu $720\text{ mm}$, công suất quạt $520\text{ W}$, khối lượng $98\text{ kg}$.

Chương 6: Các thiết bị khác của hệ thống

Chương 6 trình bày nhiệm vụ, nguyên lý làm việc và tính chọn các thiết bị phụ trợ đồng bộ:

  • Bình chứa cao áp: Đặt sau bình ngưng, áp suất làm việc $1,6\text{ MPa}$, giải phóng bề mặt trao đổi nhiệt của bình ngưng và dự trữ môi chất lỏng khi bảo dưỡng hệ thống.
  • Tháp giải nhiệt: Kiểu có quạt gió cưỡng bức, mật độ nhiệt $q_F = 40\text{ kW/m}^2$, diện tích tiết diện tháp $0,35\text{ m}^2$, lưu lượng nước tuần hoàn $1,11\text{ l/s}$, lưu lượng không khí $1,38\text{ m}^3\text{/s}$, độ giảm nhiệt độ nước $\Delta t = 5^\circ\text{C}$.
  • Bình tách dầu: Kiểu nón chắn có các tấm chắn đục lỗ $\phi 10\text{ mm}$ (bước lỗ $20\text{ mm}$) và $\phi 40\text{ mm}$, hoạt động theo nguyên lý giảm vận tốc dòng hơi đột ngột, lực ly tâm khi đổi hướng dòng và va đập cơ học.
  • Bình chứa dầu: Gom dầu hồi từ bình tách dầu, bình ngưng, dàn bay hơi về để thu hồi gas và xả dầu an toàn ở áp suất thấp.
  • Bình trung gian: Đảm nhận chức năng làm mát trung gian hơi môi chất và quá lạnh lỏng trước van tiết lưu.
  • Bình tách lỏng: Lắp đặt trên đường hút về máy nén để giữ lại các giọt lỏng chưa bay hơi hết, ngăn ngừa sự cố ngập lỏng gây va đập thủy lực phá hỏng máy nén.
  • Phin sấy lọc: Chứa chất hút ẩm rắn và các lớp lưới lọc kim loại/vải nỉ để loại bỏ ẩm, cặn bẩn, xỉ hàn, axit trong đường ống.
  • Mắt gas và hệ thống van: Lắp đặt van một chiều sau máy nén, van an toàn trên thiết bị áp lực cao, van tiết lưu nhiệt cân bằng trong trước dàn bay hơi và các van chặn phục vụ vận hành, bảo trì.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành việc tính toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một hệ thống kho lạnh thương nghiệp bảo quản trái cây dung tích 120 tấn tại địa bàn TP. Hồ Chí Minh với các thông số cụ thể được tổng hợp trong bảng sau:

Hạng mục thiết kế Thông số / Thiết bị lựa chọn Giá trị kỹ thuật
Kích thước kho lạnh Diện tích xây dựng ($F_{xd}$)
Kích thước mặt bằng và chiều cao ($D \times R \times C$)
Dung tích chứa thực tế (cả bao bì)		 $144\text{ m}^2$
$12\text{ m} \times 12\text{ m} \times 5\text{ m}$
$132\text{ tấn}$
Kết cấu cách nhiệt Chiều dày lớp Polystirol (Vách, Trần, Nền)
Hệ số truyền nhiệt ($K$) của Vách, Trần, Nền		 $\delta = 0,2\text{ m}$ ($200\text{ mm}$)
$K = 0,2\text{ W/m}^2\text{K}$
Tải nhiệt và phụ tải Tổng dòng nhiệt tổn thất kho lạnh ($Q$)
Dòng nhiệt do sản phẩm và bao bì ($Q_2$)
Dòng nhiệt do vận hành kho ($Q_3$)
Năng suất lạnh yêu cầu của máy nén ($Q_0$)		 $7532,53\text{ W}$ ($7,53\text{ kW}$)
$3478,3\text{ W}$
$5382,8\text{ W}$
$21,133\text{ kW}$
Chế độ nhiệt động Môi chất lạnh
Nhiệt độ sôi môi chất ($t_0$) / Áp suất sôi ($p_0$)
Nhiệt độ ngưng tụ ($t_k$) / Áp suất ngưng ($p_k$)
Nhiệt độ quá nhiệt hơi hút ($t_{qn}$)
Nhiệt độ quá lạnh lỏng ($t_{ql}$)		 Freon 22 (R22)
$-9^\circ\text{C}$ / $3,6767\text{ bar}$
$47^\circ\text{C}$ / $18,034\text{ bar}$
$6^\circ\text{C}$
$40^\circ\text{C}$
Máy nén lạnh Chủng loại và mã hiệu
Số lượng xi lanh / Đường kính xi lanh
Thể tích quét lý thuyết ($V_{lt}$)
Công suất động cơ lắp đặt ($N_{dc}$)		 Máy nén pittông IIδ20 (Nga)
4 xi lanh / $67,25\text{ mm}$
$1,54 \times 10^{-2}\text{ m}^3\text{/s}$
$11\text{ kW}$ (Số lượng: 01 máy)
Thiết bị ngưng tụ Chủng loại và mã hiệu
Diện tích trao đổi nhiệt / Số ống
Phụ tải nhiệt định mức		 Bình ngưng ống chùm KTP-12
$12,8\text{ m}^2$ / 86 ống (4 lối)
$43,3\text{ kW}$
Thiết bị bay hơi Model và hãng sản xuất
Năng suất lạnh định mức mỗi dàn
Số lượng dàn lạnh lắp đặt		 Friga-Bohn KB 2100
$15,44\text{ kW}$ / dàn
02 dàn lạnh dạng quạt
Tháp giải nhiệt Lưu lượng nước / Diện tích tiết diện $1,11\text{ l/s}$ / $0,35\text{ m}^2$

Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Áp dụng chu trình 1 cấp có bình hồi nhiệt giúp tăng năng suất lạnh riêng khối lượng $q_0$ và bảo vệ máy nén khỏi nguy cơ hút phải hơi ẩm.
  • Lựa chọn giải nhiệt bình ngưng bằng nước kết hợp tháp giải nhiệt tuần hoàn, phù hợp với điều kiện nhiệt độ môi trường ngoài trời cao tại TP. Hồ Chí Minh ($37,3^\circ\text{C}$), giúp áp suất ngưng tụ ổn định hơn so với giải nhiệt hoàn toàn bằng gió.
  • Phân chia công suất làm lạnh cho 2 dàn bay hơi Friga-Bohn dạng quạt treo trần, giúp phân phối trường nhiệt độ và độ ẩm đồng đều trong không gian chất tải 144 m2.

Đóng góp của đồ án:

  • Cung cấp tài liệu tính toán thiết kế mẫu đồng bộ từ khâu xây dựng vỏ kho, cân bằng nhiệt, tính chu trình nhiệt động cho đến lựa chọn thiết bị cho kho lạnh bảo quản rau quả quy mô vừa (120 tấn) phù hợp với điều kiện khí hậu miền Nam Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Môi chất lạnh được lựa chọn là R22 (HCFC-22), một loại môi chất có tiềm năng làm suy giảm tầng ozone và gây hiệu ứng nhà kính, hiện đang bị hạn chế và loại trừ dần theo Nghị định thư Montreal.
  • Phần tính chọn máy nén sử dụng tài liệu tra cứu và tiêu chuẩn máy nén của Liên Xô cũ (OCT 26.03-943-77), chưa cập nhật đầy đủ các dòng máy nén bán kín hoặc máy nén trục vít, xoắn ốc (scroll) hiện đại của các nhà sản xuất hiện nay.
  • Đồ án dừng lại ở mức tính toán thiết kế kỹ thuật lý thuyết, chưa bao gồm phần tính toán kinh tế (chi phí đầu tư ban đầu, chi phí điện năng tiêu thụ) và chưa thiết kế chi tiết sơ đồ mạch điện điều khiển tự động hóa cho hệ thống.

Hướng phát triển:

  • Nghiên cứu chuyển đổi sang các loại môi chất lạnh thân thiện với môi trường hơn như R404A, R134a, R410A hoặc các môi chất tự nhiên như NH3, CO2, Hydrocarbon (R290).
  • Ứng dụng công nghệ biến tần (Inverter) điều khiển tốc độ quay của máy nén và động cơ quạt dàn lạnh để tối ưu hóa hiệu quả năng lượng theo tải nhiệt thực tế trong quá trình vận hành kho.
  • Thiết kế hệ thống điều khiển tự động giám sát nhiệt độ, độ ẩm và xả đá dàn lạnh thông qua bộ điều khiển PLC hoặc vi điều khiển kỹ thuật số.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh trong quá trình thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị, đồ án môn học Kỹ thuật Lạnh hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống cơ điện lạnh (HVACR) trong việc tra cứu các bước tính toán tải nhiệt kho lạnh bảo quản nông sản thực phẩm tươi sống, tính toán kết cấu cách nhiệt chống đọng sương và phương pháp xác lập chu trình nhiệt động của máy lạnh 1 cấp.
  • Phần đáng tham khảo nhất là các bước phân tách và tính toán chi tiết 4 thành phần dòng nhiệt tổn thất phòng lạnh trong Chương 4 và phương pháp tra cứu, xác định thông số chu trình trên đồ thị $\lg p - h$ của môi chất R22 trong Chương 5.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước hình học và diện tích xây dựng của kho lạnh 120 tấn được xác định cụ thể là bao nhiêu?
Kho lạnh được tính toán với mức chất tải $g_v = 0,45\text{ tấn/m}^3$, dung tích thực tế cả bao bì gỗ là 132 tấn, cho thể tích buồng lạnh tính toán là $293,33\text{ m}^3$. Với chiều cao chất tải $h = 3\text{ m}$ và hệ số sử dụng diện tích xây dựng $\beta_F = 0,75 \div 0,80$, kho được quy chuẩn xây dựng với diện tích mặt bằng $F_{xd} = 144\text{ m}^2$ (kích thước $12\text{ m} \times 12\text{ m}$) và chiều cao phủ bì $5\text{ m}$.

2. Kết cấu cách nhiệt của vách, trần và nền kho lạnh sử dụng vật liệu gì và có chiều dày bao nhiêu?
Kết cấu vách, trần và nền kho lạnh đều sử dụng lớp cách nhiệt chính là polystirol có hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 0,047\text{ W/m}\cdot\text{K}$ với chiều dày lựa chọn đồng bộ là $\delta = 0,2\text{ m}$ ($200\text{ mm}$). Cả ba kết cấu đều đạt hệ số truyền nhiệt thực tế $K = 0,2\text{ W/m}^2\text{K}$, thỏa mãn điều kiện chống đọng sương bề mặt ($K < k_s$).

3. Các thông số nhiệt độ làm việc của chu trình lạnh được thiết lập như thế nào?
Chu trình lạnh làm việc với môi chất R22 ở các thông số: nhiệt độ bay hơi $t_0 = -9^\circ\text{C}$ (áp suất $3,6767\text{ bar}$, tương ứng chênh lệch $\Delta t_0 = 13^\circ\text{C}$ so với nhiệt độ kho $4^\circ\text{C}$); nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 47^\circ\text{C}$ (áp suất $18,034\text{ bar}$); nhiệt độ quá nhiệt hơi hút $t_{qn} = 6^\circ\text{C}$ và nhiệt độ quá lạnh lỏng $t_{ql} = 40^\circ\text{C}$.

4. Tổng tải nhiệt tổn thất của kho lạnh và năng suất lạnh yêu cầu của máy nén là bao nhiêu?
Tổng dòng nhiệt tổn thất xâm nhập vào kho là $Q = 7532,53\text{ W}$ (bao gồm nhiệt truyền qua kết cấu bao che, nhiệt sản phẩm $3478,3\text{ W}$, nhiệt vận hành $5382,8\text{ W}$ và nhiệt thông gió $6,8\text{ W}$). Sau khi tính đến hệ số thời gian làm việc $b = 0,9$ và hệ số tổn thất đường ống $k = 1,1$, năng suất lạnh yêu cầu của máy nén xác định là $Q_0 = 21,133\text{ kW}$.

5. Hệ thống sử dụng model máy nén và dàn bay hơi nào?
Hệ thống sử dụng 01 máy nén pittông 4 xi lanh của Nga ký hiệu IIδ20 (công suất động cơ lắp đặt $11\text{ kW}$) kết hợp với 02 dàn lạnh dạng quạt đối lưu cưỡng bức Friga-Bohn model KB 2100 (năng suất lạnh định mức $15,44\text{ kW}$ mỗi dàn, tổng công suất đạt $30,88\text{ kW}$).

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống kho lạnh bảo quản trái cây năng suất 120 tấn" đã hoàn thành đầy đủ quy trình tính toán kỹ thuật cho một kho lạnh thương nghiệp bảo quản mát ở nhiệt độ $4^\circ\text{C}$ tại TP. Hồ Chí Minh. Các kết quả tính toán đã xác lập được quy mô mặt bằng $144\text{ m}^2$, chiều dày cách nhiệt polystirol $0,2\text{ m}$, tổng tải nhiệt tổn thất $7,53\text{ kW}$ và năng suất lạnh máy nén yêu cầu $21,133\text{ kW}$. Trên cơ sở đó, đồ án đã lựa chọn đồng bộ tổ hợp máy nén pittông IIδ20, bình ngưng ống chùm KTP-12, tháp giải nhiệt tuần hoàn và hai dàn bay hơi Friga-Bohn KB 2100 cùng đầy đủ các thiết bị phụ trợ đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và an toàn vận hành.