Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống kho lạnh cho kho cấp đông, kho phân phối thịt lợn tại tỉnh Lạng Sơn" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Việt Anh dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Bá Chiến tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (tháng 2/2023).

  • Bối cảnh thực tiễn và lý do chọn đề tài: Nhu cầu tiêu thụ thực phẩm, đặc biệt là thịt lợn giết mổ tập trung với số lượng lớn trong ngày đặt ra yêu cầu cấp thiết về công nghệ bảo quản để phục vụ phân phối nội địa, xuất khẩu và cung ứng cho các cơ sở chế biến. Việc bảo quản bằng phương pháp làm lạnh và lạnh đông là giải pháp then chốt để ngăn chặn hư hỏng, giữ vững phẩm chất ban đầu của thịt. Tuy nhiên, số lượng kho lạnh đạt chuẩn tại Việt Nam còn hạn chế, chưa đáp ứng đầy đủ nhu cầu lưu trữ điều hòa giữa các mùa. Việc xây dựng kho lạnh phân phối kết hợp chức năng cấp đông tại tỉnh Lạng Sơn – khu vực cửa ngõ giao thương biên giới – mang tính ứng dụng thực tiễn cao.
  • Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:
    1. Khảo sát điều kiện tự nhiên, khí hậu khu vực lắp đặt tại Lạng Sơn và xác định quy trình công nghệ bảo quản thịt lợn.
    2. Tính toán quy hoạch mặt bằng, xác định dung tích buồng bảo quản lạnh và buồng bảo quản đông.
    3. Tính toán cách nhiệt, cách ẩm kết cấu bao che, kiểm tra điều kiện đọng sương của tường, trần, nền kho.
    4. Xác định các thành phần phụ tải nhiệt (tổn thất qua bao che, nhiệt sản phẩm, nhiệt vận hành) và tính toán phụ tải lạnh của hệ thống.
    5. Lựa chọn môi chất lạnh (R404A), thiết lập chu trình nhiệt động (chu trình 1 cấp có hồi nhiệt, chu trình 2 cấp có làm mát trung gian một phần và quá lạnh lỏng), tính toán và lựa chọn máy nén.
    6. Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt (bình ngưng, dàn bay hơi), tháp giải nhiệt, van tiết lưu, các bình chứa áp lực và thiết bị phụ trợ.
    7. Thiết kế hệ thống đường ống dẫn môi chất và tính chọn bơm môi chất.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lạnh công nghiệp phục vụ kho bảo quản lạnh, kho bảo quản đông và kho cấp đông thịt lợn thương phẩm (thịt nửa con khối lượng 50 kg/nửa con).
    • Phạm vi không gian: Địa bàn tỉnh Lạng Sơn (tọa độ địa lý 21°19' - 22°27'B, 106°06' - 107°21'Đ).
    • Phạm vi thông số khí hậu thiết kế: Căn cứ theo TCVN 5687:2010 với chế độ mùa hè ($t_{khô} = 35{,}4^\circ\text{C}$; độ ẩm $\varphi = 55{,}8%$; nhiệt độ nhiệt kế ướt $t_ư = 27{,}6^\circ\text{C}$) và mùa đông ($t = 4{,}5^\circ\text{C}$; $\varphi = 88{,}2%$; $t_ư = 3{,}6^\circ\text{C}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết kỹ thuật nhiệt - lạnh chuyên ngành kết hợp các tiêu chuẩn thiết kế xây dựng và cơ điện lạnh hiện hành:

  • Khung lý thuyết và mô hình áp dụng:
    • Lý thuyết nhiệt động lực học chu trình máy lạnh nén hơi sử dụng môi chất R404A.
    • Mô hình chu trình 1 cấp có thiết bị hồi nhiệt dành cho buồng bảo quản lạnh ($t_o = -9^\circ\text{C}$, $t_k = 42^\circ\text{C}$).
    • Mô hình chu trình 2 cấp có bình quá lạnh lỏng, thiết bị hồi nhiệt và làm mát trung gian một phần dành cho buồng bảo quản đông ($t_o = -29^\circ\text{C}$, $t_k = 42^\circ\text{C}$) và buồng kết đông ($t_o = -39^\circ\text{C}$, $t_k = 42^\circ\text{C}$).
    • Phương pháp truyền nhiệt qua vách nhiều lớp và tiêu chuẩn chống đọng sương kết cấu bao che.
    • Quy chuẩn và tài liệu kỹ thuật: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687:2010 về thông số khí hậu tính toán; tài liệu chuyên khảo "Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh" của PGS. Nguyễn Đức Lợi.
  • Phương pháp tính toán và công cụ hỗ trợ:
    • Phương pháp cân bằng nhiệt xác định dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che ($Q_1$), dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra ($Q_2$), dòng nhiệt do vận hành ($Q_4$).
    • Phần mềm chuyên dụng trong ngành lạnh: CoolPack (tra cứu thông số nhiệt động và áp suất bão hòa), EES - Engineering Equation Solver (tính toán các điểm nút trạng thái enthalpy, entropy, thể tích riêng), Bitzer Software (tính chọn máy nén piston), Güntner Product Calculator (tính chọn dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức), và phần mềm tra cứu van tiết lưu của hãng Danfoss.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu khí hậu chuẩn hóa từ TCVN 5687:2010; quy cách sản phẩm và định mức chất tải lạnh tiêu chuẩn cho thịt lợn ($g_v = 0{,}25 \div 0{,}3\text{ tấn/m}^3$).

Thiết kế kỹ thuật và tính toán hệ thống

Quy hoạch tổng thể mặt bằng và kết cấu vỏ kho

Kho lạnh được thiết kế theo phương án kho lắp ghép sử dụng tấm panel Polyurethane (PU) tỷ trọng $38 \div 40\text{ kg/m}^3$, độ chịu nén $0{,}2 \div 0{,}29\text{ MPa}$, chất tạo bọt R141B không phá hủy tầng ozone. Hai bề mặt panel bọc tôn mạ màu/inox dày $0{,}5 \div 0{,}6\text{ mm}$, liên kết bằng mộng âm dương kết hợp khóa cam (camlock) và làm kín khe ghép bằng silicon/sealant.

Hạng mục buồng Nhiệt độ buồng ($t_b$) Chiều dày panel ($\delta$) Hệ số truyền nhiệt $k$ Kích thước mặt bằng ($f$) Số lượng buồng Dung tích thực tế
Buồng bảo quản lạnh (BQL) $5^\circ\text{C}$ (chế độ chạy $1^\circ\text{C}$) $75\text{ mm}$ $0{,}30\text{ W/m}^2\text{K}$ $24\text{ m} \times 18\text{ m}$ ($432\text{ m}^2$) 6 buồng $1530{,}6\text{ tấn}$
Buồng bảo quản đông (BQĐ) $-18^\circ\text{C}$ (chế độ chạy $-19^\circ\text{C}$) $100\text{ mm}$ $0{,}22\text{ W/m}^2\text{K}$ $24\text{ m} \times 18\text{ m}$ ($432\text{ m}^2$) 5 buồng $1250{,}0\text{ tấn}$

Hệ thống nền được thiết kế kết cấu chống cơi nền do đóng băng bằng giải pháp xây dựng các con lươn thông gió phía dưới với vận tốc gió $v_{air} = 3\text{ m/s}$, nhiệt độ trung bình kênh dẫn $24^\circ\text{C}$. Cửa kho sử dụng loại cửa trượt cách nhiệt đệm kín cao su nhiều ngăn, phù hợp cho cơ giới hóa xếp dỡ bằng xe nâng nĩa điện.

Thông số chu trình nhiệt động và cân bằng năng lượng

Thông số chu trình Buồng bảo quản lạnh (BQL) Buồng bảo quản đông (BQĐ) Buồng kết đông (BKĐ)
Môi chất lạnh R404A R404A R404A
Nhiệt độ sôi $t_o$ / Áp suất $P_o$ $-9^\circ\text{C}$ / $4{,}493\text{ bar}$ $-29^\circ\text{C}$ / $2{,}130\text{ bar}$ $-39^\circ\text{C}$ / $1{,}420\text{ bar}$
Nhiệt độ ngưng tụ $t_k$ / Áp suất $P_k$ $42^\circ\text{C}$ / $19{,}22\text{ bar}$ $42^\circ\text{C}$ / $19{,}22\text{ bar}$ $42^\circ\text{C}$ / $19{,}22\text{ bar}$
Áp suất trung gian $P_{tg}$ Không áp dụng $6{,}39\text{ bar}$ $5{,}22\text{ bar}$
Tỉ số nén $\pi$ $4{,}28$ $9{,}02$ $13{,}53$
Năng suất lạnh yêu cầu $Q_o$ $49{,}52\text{ kW}$ $32{,}07\text{ kW}$ $56{,}16\text{ kW}$
Năng suất lạnh riêng $q_o$ $106{,}4\text{ kJ/kg}$ $142{,}4\text{ kJ/kg}$ $144{,}3\text{ kJ/kg}$
Lưu lượng môi chất thực tế $m_{tt}$ $0{,}465\text{ kg/s}$ $0{,}225\text{ kg/s}$ (Hạ áp) / $0{,}310\text{ kg/s}$ (Cao áp) $0{,}389\text{ kg/s}$ (Hạ áp) / $0{,}590\text{ kg/s}$ (Cao áp)

Lựa chọn thiết bị chính của hệ thống lạnh

Thiết bị Chủng loại / Model Thông số kỹ thuật chính Số lượng / Phân bổ
Máy nén BQL Piston bán kín Bitzer 4GE-23Y-40P $Q_o = 49{,}52\text{ kW}$, $N_{el} = 15{,}81\text{ kW}$, $V_{tt} = 77{,}94\text{ m}^3\text{/h}$ 1 máy
Máy nén BQĐ Piston 2 cấp Bitzer S6F-30.2Y-40P $Q_o = 32{,}07\text{ kW}$, $N_{el(HA)} = 8{,}75\text{ kW}$, $N_{el(CA)} = 10{,}72\text{ kW}$ 2 máy (1 chạy, 1 dự phòng)
Máy nén BKĐ Piston 2 cấp Bitzer S66J-32.2Y-40P $Q_o = 56{,}16\text{ kW}$, $N_{el(HA)} = 18{,}55\text{ kW}$, $N_{el(CA)} = 23{,}98\text{ kW}$ 2 máy (chạy luân phiên)
Bình ngưng tụ Bình ngưng ống vỏ nằm ngang KTR-35 Diện tích $40\text{ m}^2$, $\varnothing 404\text{ mm}$, dài $2\text{ m}$, 135 ống, tải nhiệt max $178\text{ kW}$ 1 bình ($Q_k\text{ tổng} = 188{,}7\text{ kW}$)
Tháp giải nhiệt Tháp giải nhiệt nước FRK80 Giải nhiệt cho bình ngưng tụ bằng nước tuần hoàn 1 tháp
Dàn bay hơi BQL Dàn lạnh Güntner GHN 045.M Công suất $10{,}6\text{ kW/dàn}$, làm mát không khí cưỡng bức 2 dàn/buồng (tổng 12 dàn cho 6 buồng)
Dàn bay hơi BQĐ Dàn lạnh Güntner GHN 045.M Dàn quạt đối lưu cưỡng bức 2 dàn/buồng (tổng 10 dàn cho 5 buồng)
Dàn bay hơi BKĐ Dàn lạnh Güntner GHN 071.M Dàn quạt công suất lớn cho buồng kết đông 2 dàn
Bình chứa cao áp Model 0,75PB Thể tích $0{,}75\text{ m}^3$, đường kính $\varnothing 600 \times 8\text{ mm}$, dài $3190\text{ mm}$, nặng $430\text{ kg}$ 1 bình
Bình chứa thu hồi Model 0,75PД Thể tích $0{,}75\text{ m}^3$, đường kính $\varnothing 600 \times 8\text{ mm}$, dài $3000\text{ mm}$, nặng $430\text{ kg}$ 1 bình
Van tiết lưu Danfoss REG 15-B angle / REG 15-A angle Góc mở tự động theo quá nhiệt hơi hút BQL: REG 15-B; BQĐ & BKĐ: REG 15-A
Thiết bị hồi nhiệt Model HE4.0 Trao đổi nhiệt giữa hơi hút lạnh và lỏng cao áp Bố trí cho từng cụm buồng

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu tổng quan và quy hoạch mặt bằng

  • Tổng quan điều kiện tự nhiên Lạng Sơn: Phân tích các yếu tố khí hậu, biên độ nhiệt năm ($20^\circ\text{C}$), mùa mưa tập trung từ tháng 5 đến tháng 10 (chiếm 80% lượng mưa), xác định thông số ngoài trời phục vụ tính toán tải nhiệt theo TCVN 5687:2010.
  • Đánh giá ưu nhược điểm giữa kho xây truyền thống và kho lắp ghép: Tác giả quyết định chọn kho lắp ghép panel nhằm rút ngắn thời gian thi công, bảo đảm độ kín khít cách nhiệt và thuận tiện tháo lắp, di dời.
  • Xử lý các hiện tượng kỹ thuật đặc thù trong kho lạnh:
    • Hiện tượng lọt ẩm: Sử dụng panel bọc tôn kín, dán keo silicon mối nối; với phần nền xử lý quét hắc ín và lót 2 lớp giấy dầu chống thấm chồng mí.
    • Hiện tượng cơi nền do đóng băng: Thiết kế con lươn ống thông gió tự nhiên đặt dưới nền buồng lạnh âm sâu.
    • Hiện tượng lọt khí: Giải pháp sử dụng cửa trượt kết hợp quạt màn chắn khí và màn nhựa PVC ghép tấm.
    • Hiện tượng bám tuyết dàn lạnh: Phân tích 3 phương pháp xả băng (gas nóng, nước, điện trở); nêu rõ ưu nhược điểm của từng phương pháp đối với an toàn máy nén (nguy cơ ngập lỏng) và chất lượng sản phẩm.
  • Quy hoạch dung tích và bố trí mặt bằng: Tính toán dung tích chứa thịt lợn (thịt nửa con $50\text{ kg}$, xếp vào thùng nhựa $1300 \times 1500 \times 500\text{ mm}$, đặt trên pallet và hệ thống giá kệ). Tính toán xác định cụ thể 6 buồng bảo quản lạnh ($1530{,}6\text{ tấn}$) và 5 buồng bảo quản đông ($1250\text{ tấn}$), diện tích mỗi buồng là $24 \times 18\text{ m} = 432\text{ m}^2$.

Chương 2. Tính cách nhiệt – cách ẩm kho lạnh

  • Phân tích yêu cầu vật liệu cách nhiệt: Khối lượng riêng nhỏ, hệ số dẫn nhiệt $\lambda$ thấp, độ bền cơ học cao, không mùi, không độc hại và chống cháy tốt.
  • Xác định cấu tạo panel PU: Độ dày tiêu chuẩn bọt xốp $50 \div 200\text{ mm}$, bọc tôn mạ màu ($0{,}5 \div 0{,}8\text{ mm}$), khối lượng riêng $38 \div 40\text{ kg/m}^3$. Lựa chọn chiều dày panel vách và trần cho buồng bảo quản lạnh là $75\text{ mm}$ ($k = 0{,}3\text{ W/m}^2\text{K}$), buồng bảo quản đông là $100\text{ mm}$ ($k = 0{,}22\text{ W/m}^2\text{K}$).
  • Kiểm tra đọng sương kết cấu bao che: Áp dụng điều kiện $k \le k_s = 0{,}95 \cdot \alpha_1 \cdot \frac{t_1 - t_s}{t_1 - t_2}$ với hệ số tỏa nhiệt vách $\alpha_1 = 23{,}3\text{ W/m}^2\text{K}$. Kết quả kiểm tra tính toán cho mùa hè và mùa đông khẳng định chiều dày panel đã chọn hoàn toàn ngăn ngừa được hiện tượng đọng sương trên bề mặt ngoài của tường và trần.

Chương 3. Tính toán phụ tải

  • Phân tích và tính toán các dòng nhiệt thành phần:
    • Dòng nhiệt qua kết cấu bao che ($Q_1 = Q_{11} + Q_{12}$): Tính toán tổn thất nhiệt do chênh lệch nhiệt độ trong nhà - ngoài trời và bức xạ mặt trời qua mái/tường.
    • Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra ($Q_2$): Lượng hàng nhập mỗi ngày đêm lấy bằng $6%$ dung tích kho (đối với kho $>200\text{ tấn}$). Dòng nhiệt tỏa buồng BQL đạt $17{,}59\text{ kW}$, buồng BQĐ là $-2{,}63\text{ kW}$ (do nhập sản phẩm đã qua cấp đông ở nhiệt độ thấp hơn).
    • Dòng nhiệt do thông gió ($Q_3$): Xác định $Q_3 = 0$ do bảo quản thịt không cần thay đổi không khí định kỳ như bảo quản rau quả tươi.
    • Dòng nhiệt vận hành ($Q_4$): Bao gồm nhiệt chiếu sáng ($Q_{41}$ với định mức $1{,}2\text{ W/m}^2$), nhiệt do người làm việc ($Q_{42}$ tính $350\text{ W/người}$ cho 3 người/buồng), nhiệt động cơ quạt gió ($Q_{43}$ lấy $1\text{ kW}$), dòng nhiệt mở cửa ($Q_{44}$ với dòng nhiệt riêng $12\text{ W/m}^2$).
  • Tổng hợp phụ tải máy nén và năng suất lạnh yêu cầu: Tính với hệ số thời gian làm việc $b = 0{,}9$ và hệ số tổn thất đường ống $k = 1{,}05 \div 1{,}1$. Kết quả xác định năng suất lạnh máy nén nhóm buồng BQL là $Q_o = 49{,}52\text{ kW}$, nhóm buồng BQĐ là $Q_o = 32{,}07\text{ kW}$, và buồng BKĐ là $Q_o = 56{,}16\text{ kW}$.

Chương 4. Tính toán chu trình và lựa chọn máy nén

  • Đánh giá đặc tính môi chất: Phân tích so sánh giữa môi chất NH3 và Freon (R404A). Mặc dù NH3 có hiệu suất cao cho hệ thống lớn nhưng có tính độc hại và ăn mòn kim loại màu; tác giả lựa chọn R404A để bảo đảm an toàn, không phá hủy tầng ozone và phù hợp với kho lạnh phân phối thực phẩm.
  • Thiết lập thông số và tính toán nhiệt động:
    • Buồng bảo quản lạnh: Tỉ số nén $\pi = 4{,}28 \le 12$, áp dụng chu trình 1 cấp có hồi nhiệt. Năng suất thể tích thực tế $V_{tt} = 77{,}94\text{ m}^3\text{/h}$, công suất điện cấp $N_{el} = 15{,}81\text{ kW}$. Chọn 1 máy nén Bitzer 4GE-23Y-40P.
    • Buồng bảo quản đông: Tỉ số nén $\pi = 9{,}02$, chọn chu trình 2 cấp có quá lạnh lỏng và hồi nhiệt. Thể tích hút thực tế cấp hạ áp $V_{tt1} = 80{,}85\text{ m}^3\text{/h}$, cấp cao áp $V_{tt4} = 47{,}16\text{ m}^3\text{/h}$. Chọn 2 máy nén Bitzer 2 cấp model S6F-30.2Y-40P.
    • Buồng kết đông: Tỉ số nén $\pi = 13{,}53 > 12$, chọn chu trình 2 cấp, làm mát trung gian một phần và quá lạnh lỏng. Năng suất lạnh $Q_o = 56{,}16\text{ kW}$. Chọn 2 máy nén Bitzer 2 cấp model S66J-32.2Y-40P.

Chương 5. Tính chọn thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và thiết bị phụ

  • Tính chọn thiết bị ngưng tụ: Tổng tải nhiệt ngưng tụ của 3 hệ thống là $Q_k = 188{,}7\text{ kW}$ ($63{,}75 + 43{,}71 + 81{,}24\text{ kW}$). Với bình ngưng ống vỏ nằm ngang giải nhiệt nước, hệ số truyền nhiệt $k = 700\text{ W/m}^2\text{K}$, độ chênh nhiệt độ logarit $\Delta t_{tb} = 7{,}21\text{ K}$, diện tích trao đổi nhiệt yêu cầu là $37{,}38\text{ m}^2$. Chọn bình ngưng KTR-35 có diện tích bề mặt $40\text{ m}^2$, 135 ống, tải nhiệt tối đa $178\text{ kW}$, đi kèm tháp giải nhiệt FRK80.
  • Tính chọn thiết bị bay hơi: Lựa chọn dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức Güntner (Đức) model GHN 045.M cho buồng BQL (mỗi buồng 2 dàn $\times 10{,}6\text{ kW}$), model GHN 045.M cho buồng BQĐ và model GHN 071.M cho buồng BKĐ.
  • Tính chọn thiết bị phụ trợ:
    • Bình chứa cao áp: Chọn model 0,75PB (dung tích $0{,}75\text{ m}^3$, trọng lượng $430\text{ kg}$).
    • Bình chứa tuần hoàn hạ áp: Thể tích tính toán cho BQL là $0{,}0114\text{ m}^3$, BQĐ là $0{,}0076\text{ m}^3$, BKĐ là $0{,}0565\text{ m}^3$.
    • Bình chứa thu hồi xả băng: Chọn model 0,75PД ($0{,}75\text{ m}^3$).
    • Van tiết lưu: Chọn van tiết lưu tự động Danfoss REG 15-B cho BQL, REG 15-A cho BQĐ và BKĐ.
    • Thiết bị hồi nhiệt: Lựa chọn model HE4.0 để quá lạnh lỏng trước van tiết lưu và quá nhiệt hơi hút trước khi vào máy nén.

Chương 6. Tính toán hệ thống đường ống

  • Trình bày phương pháp tính đường kính ống hút, ống đẩy và ống lỏng dựa trên lưu lượng thể tích môi chất và vận tốc kinh tế cho phép.
  • Tính toán tổn thất áp suất ma sát và trở kháng cục bộ qua các phụ kiện (van, cút, tê) trên hệ thống đường ống cho từng cụm buồng BQL, BQĐ và BKĐ.
  • Xác định cột áp, lưu lượng và lựa chọn bơm môi chất tuần hoàn cấp lỏng cho dàn bay hơi.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

  • Kết quả tính toán thiết kế cốt lõi:
    • Hoàn thành thiết kế hệ thống kho lạnh phân phối và cấp đông hoàn chỉnh tại Lạng Sơn với tổng dung tích thực tế đạt $2780{,}6\text{ tấn}$ thịt lợn ($1530{,}6\text{ tấn}$ trữ lạnh và $1250\text{ tấn}$ trữ đông).
    • Tối ưu hóa chu trình nhiệt động theo từng dải nhiệt độ làm việc: Phân tách rạch ròi giữa hệ thống 1 cấp hồi nhiệt ($t_o = -9^\circ\text{C}$) cho bảo quản lạnh và hệ thống 2 cấp có quá lạnh lỏng ($t_o = -29^\circ\text{C}$ và $-39^\circ\text{C}$) cho bảo quản đông và cấp đông, giúp giảm công nén riêng và tránh nhiệt độ cuối tầm nén quá cao.
    • Xác lập bảng thông số kỹ thuật chuẩn xác cho toàn bộ thiết bị chính và phụ trợ từ các nhà sản xuất uy tín (Bitzer, Güntner, Danfoss) dựa trên tính toán nhiệt động học chính xác bằng phần mềm EES và CoolPack.
  • Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:
    • Áp dụng kết cấu panel PU tiêu chuẩn lắp ghép có khóa cam và mộng âm dương kết hợp con lươn thông gió nền tự nhiên để chống triệt để hiện tượng đóng băng cơi nền công trình.
    • Sử dụng hệ thống cửa trượt kết hợp quạt màn chắn khí và màn nhựa PVC nhằm giảm thiểu tổn thất nhiệt do mở cửa trong quá trình bốc dỡ cơ giới hóa.
    • Thiết lập sơ đồ xả băng dàn lạnh an toàn, bố trí bình chứa thu hồi môi chất lỏng và bình tách lỏng ngăn ngừa hoàn toàn sự cố ngập lỏng cho máy nén khi xả băng.
  • Đóng góp kỹ thuật của đồ án:
    • Cung cấp tài liệu thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, có tính ứng dụng cao cho mô hình kho lạnh phân phối nông sản - thực phẩm quy mô lớn tại các tỉnh biên giới phía Bắc.
    • Kết hợp phương pháp tính toán truyền thống với các phần mềm nhiệt động hiện đại, tạo quy trình tham khảo chuẩn xác cho việc tính chọn thiết bị lạnh thương mại và công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đồ án:
    • Khi tính toán cách nhiệt nền buồng, tác giả đã giả định nhiệt độ trung bình kênh dẫn con lươn là $24^\circ\text{C}$ và bỏ qua tính toán chi tiết tổn thất nhiệt qua các lớp dưới con lươn thông gió.
    • Nhu cầu phụ tải sản phẩm $Q_2$ được tính toán cố định trên giả thiết lượng nhập hàng đồng đều $6%$ dung tích kho/ngày đêm; chưa xét đến kịch bản biến động đột xuất của chuỗi cung ứng vào các đợt cao điểm lễ, Tết.
    • Phần tính toán buồng kết đông tại Chương 1 được rút gọn do quy trình giảm tải nhưng sau đó vẫn được tính phụ tải máy nén ở Chương 4 và 5 mà chưa thể hiện đầy đủ thuyết minh công nghệ cấp đông ở phần đầu.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Bổ sung mô phỏng động học quá trình truyền nhiệt và phân bố trường nhiệt độ/độ ẩm không khí bên trong các buồng bảo quản bằng phần mềm mô phỏng CFD.
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển tự động biến tần (VFD) cho máy nén và quạt dàn lạnh nhằm nâng cao hiệu quả tiết kiệm điện năng trong điều kiện vận hành non tải.
    • Thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải từ bình ngưng tụ để cấp nước nóng phục vụ sinh hoạt hoặc hỗ trợ quá trình xả băng và sưởi nền kho lạnh.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho các đối tượng sau:

  1. Sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh, Công nghệ Điều hòa không khí: Sử dụng làm tài liệu mẫu hoàn chỉnh về phương pháp luận, các bước tính toán phụ tải, cân bằng nhiệt chu trình 1 cấp và 2 cấp, cùng cách ứng dụng phần mềm EES, CoolPack, Bitzer Software trong đồ án tốt nghiệp.
  2. Kỹ sư thiết kế cơ điện lạnh (HVAC&R): Tham khảo trực tiếp các thông số kỹ thuật thực tế, tiêu chuẩn kiểm tra đọng sương panel vách/trần/nền và bảng tra kích thước thiết bị phụ trợ (bình chứa cao áp, bình tuần hoàn, bình thu hồi, thiết bị hồi nhiệt HE4.0).
  3. Các đơn vị quản lý, vận hành kho lạnh thực phẩm: Nắm bắt quy trình công nghệ bảo quản thịt lợn, các giải pháp kỹ thuật phòng ngừa sự cố lọt ẩm, cơi nền và phương pháp vận hành máy nén luân phiên an toàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả chọn môi chất R404A thay vì NH3 dù NH3 có hiệu suất nhiệt động rất cao?
Mặc dù NH3 là môi chất tự nhiên không gây hiệu ứng nhà kính và tối ưu cho các nhà máy chế biến thủy sản/nhà máy đá cực lớn, nhưng NH3 có tính độc hại cao khi rò rỉ, gây mùi khó chịu, làm biến tính thực phẩm nếu tiếp xúc và ăn mòn kim loại màu (đồng). Đối với kho lạnh bảo quản và phân phối thịt lợn đặt tại khu vực đông dân cư/thương mại, môi chất Freon R404A được lựa chọn để bảo đảm an toàn sinh học tuyệt đối cho thực phẩm, an toàn cho công nhân vận hành và phù hợp với các dòng máy nén bán kín nhỏ gọn.

2. Tại sao buồng bảo quản lạnh sử dụng chu trình 1 cấp trong khi buồng bảo quản đông và kết đông phải dùng chu trình 2 cấp?
Căn cứ vào tỉ số nén $\pi = \frac{P_k}{P_o}$:

  • Buồng bảo quản lạnh có nhiệt độ bay hơi $t_o = -9^\circ\text{C}$ ($P_o = 4{,}493\text{ bar}$), tỉ số nén $\pi = \frac{19{,}22}{4{,}493} = 4{,}28 \le 12$, nên chu trình 1 cấp có hồi nhiệt đáp ứng tốt hiệu suất và nhiệt độ cuối tầm nén không quá cao.
  • Buồng bảo quản đông ($t_o = -29^\circ\text{C}$, $P_o = 2{,}13\text{ bar}$) có $\pi = 9{,}02$ và buồng kết đông ($t_o = -39^\circ\text{C}$, $P_o = 1{,}42\text{ bar}$) có $\pi = 13{,}53 > 12$. Khi $\pi$ lớn, hiệu suất thể tích máy nén 1 cấp giảm mạnh, nhiệt độ cuối nén tăng cao làm cháy dầu bôi trơn. Việc sử dụng chu trình 2 cấp có làm mát trung gian một phần và quá lạnh lỏng giúp hạ thấp nhiệt độ hơi hút máy nén cao áp, tăng năng suất lạnh riêng và nâng cao hệ số làm lạnh của chu trình.

3. Tác giả đã xử lý hiện tượng cơi nền do đóng băng cho các buồng lạnh âm sâu như thế nào?
Để ngăn ngừa nhiệt lạnh truyền qua lớp cách nhiệt làm đóng băng mạch nước ngầm dưới đất gây nứt vỡ nền, đồ án chọn giải pháp đặt kho lạnh trên hệ thống các con lươn thông gió tự nhiên bên dưới nền buồng bảo quản đông và kết đông. Kênh dẫn không khí có vận tốc gió $v_{air} = 3\text{ m/s}$ và nhiệt độ trung bình $24^\circ\text{C}$, liên tục đối lưu nhiệt để giữ cho nhiệt độ lớp đất nền luôn trên $0^\circ\text{C}$.

4. Thiết bị ngưng tụ được chọn theo thông số kỹ thuật nào và giải nhiệt bằng phương thức gì?
Thiết bị ngưng tụ được chọn là loại bình ngưng ống vỏ nằm ngang model KTR-35, giải nhiệt bằng nước tuần hoàn qua tháp giải nhiệt FRK80. Thiết bị có diện tích bề mặt trao đổi nhiệt $40\text{ m}^2$, đường kính vỏ $404\text{ mm}$, chiều dài ống $2\text{ m}$, số lượng 135 ống, tải nhiệt định mức tối đa $178\text{ kW}$, đáp ứng tải nhiệt ngưng tụ tính toán tổng của toàn hệ thống là $188{,}7\text{ kW}$.

5. Model máy nén nào được lựa chọn cho từng phân khu buồng trong kho lạnh?
Căn cứ theo kết quả phần mềm Bitzer:

  • Buồng bảo quản lạnh ($Q_o = 49{,}52\text{ kW}$): 1 máy nén piston bán kín 1 cấp Bitzer model 4GE-23Y-40P.
  • Buồng bảo quản đông ($Q_o = 32{,}07\text{ kW}$): 2 máy nén piston 2 cấp Bitzer model S6F-30.2Y-40P (chạy 1 máy, dự phòng 1 máy).
  • Buồng kết đông ($Q_o = 56{,}16\text{ kW}$): 2 máy nén piston 2 cấp Bitzer model S66J-32.2Y-40P (chạy luân phiên đáp ứng công suất).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Việt Anh đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật hệ thống kho lạnh phân phối và cấp đông thịt lợn quy mô $2780{,}6\text{ tấn}$ tại tỉnh Lạng Sơn. Tác giả đã xây dựng quy trình tính toán nhiệt động chuẩn xác, lựa chọn cấu trúc bao che panel PU chống đọng sương và thiết lập các chu trình lạnh 1 cấp, 2 cấp tối ưu sử dụng môi chất an toàn R404A. Các thông số máy nén Bitzer, dàn lạnh Güntner, bình ngưng KTR-35 cùng hệ thống van, bình áp lực phụ trợ được tính chọn đồng bộ, mang lại giá trị thực tiễn và độ tin cậy kỹ thuật cao cho công tác thiết kế kho lạnh công nghiệp.