Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Thịt heo là nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng và là món ăn thiết yếu trong cơ cấu bữa ăn hàng ngày của người tiêu dùng Việt Nam. Tuy nhiên, sau quá trình giết mổ, thịt tươi sống rất dễ bị phân hủy do hoạt động của vi sinh vật và các quá trình biến đổi sinh hóa nếu không được kiểm soát nhiệt độ kịp thời. Việc bảo quản thịt bằng phương pháp làm lạnh ở nhiệt độ thích hợp là giải pháp tối ưu giúp ức chế vi sinh vật gây thối rữa, duy trì chất lượng cảm quan, giá trị dinh dưỡng của protein, đáp ứng nhu cầu phân phối quanh năm cũng như phục vụ các thị trường tiêu chuẩn cao.

Tại Thành phố Hồ Chí Minh, quá trình đô thị hóa nhanh chóng dẫn đến sự dịch chuyển các vùng chăn nuôi tập trung về các huyện ngoại thành, trong đó huyện Củ Chi là địa bàn trọng điểm. Theo số liệu thống kê từ Ủy ban nhân dân huyện Củ Chi, toàn huyện có khoảng 1.666 hộ chăn nuôi với quy mô tổng đàn đạt 83.496 con, chiếm xấp xỉ 60% tổng đàn heo của toàn thành phố. Mô hình chăn nuôi đang chuyển dịch rõ rệt từ nhỏ lẻ sang trang trại tập trung quy mô công nghiệp gắn với tiêu chuẩn an toàn sinh học. Việc xây dựng kho lạnh tại chỗ phục vụ bảo quản sau giết mổ là yêu cầu cấp thiết để đảm bảo chuỗi cung ứng thực phẩm an toàn cho đô thị.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của chuyên đề được xác định cụ thể như sau:

  1. Tìm hiểu tổng quan về lịch sử phát triển ngành kỹ thuật lạnh, phân loại kho lạnh, điều kiện địa lý - chăn nuôi tại địa phương và đặc tính sinh hóa của thịt heo sau giết mổ.
  2. Xác định các thông số khí tượng ngoài trời tại khu vực lắp đặt và các thông số công nghệ yêu cầu bên trong kho lạnh.
  3. Thiết kế mặt bằng tổng thể kho lạnh, tính toán kết cấu hệ thống khung treo và đường ray chịu lực.
  4. Tính toán chiều dày lớp cách nhiệt cho vách bao che, mái và nền kho; thực hiện kiểm tra hiện tượng đọng sương trên bề mặt kết cấu.
  5. Xác định chi tiết các thành phần tải nhiệt (tổn thất nhiệt) của công trình trong quá trình làm việc.
  6. Xác định chu trình nhiệt động, tính chọn máy nén và các thiết bị chính trong hệ thống lạnh (dàn bay hơi, dàn ngưng tụ, van tiết lưu, bình chứa, máy tạo ẩm).

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Khu vực huyện Củ Chi, Thành phố Hồ Chí Minh (vùng khí hậu II C).
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống kho lạnh bảo quản thịt heo mảnh (nửa con) với dung tích tính toán buồng lạnh chứa 300 con (tương đương 22,2 tấn thịt/mẻ luân chuyển trong quy mô tổng thể kho).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và quy chuẩn áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các nguyên lý nhiệt động lực học kỹ thuật, lý thuyết truyền nhiệt và kỹ thuật lạnh công nghiệp:

  • Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687:2010 (Thông gió - Điều hòa không khí - Tiêu chuẩn thiết kế): Xác định thông số khí tượng ngoài nhà dùng cho tính toán nhiệt hệ thống lạnh.
  • Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02:2009/BXD (Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng): Tra cứu phân vùng khí hậu và các giá trị cực trị nhiệt ẩm tại khu vực Đông Nam Bộ.
  • Lý thuyết chu trình máy nén hơi một cấp có quá lạnh lỏng và quá nhiệt hơi hút sử dụng môi chất lạnh Freon R22.
  • Lý thuyết cơ học kết cấu và sức bền vật liệu: Áp dụng phương trình cân bằng tĩnh học ($\sum F_y = 0$, $\sum M = 0$) và phần mềm chuyên dụng MDSolids 4.0 để phân tích ứng suất, nội lực thanh ray treo.

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp các phương pháp kỹ thuật sau:

  • Phương pháp khảo sát: Khảo sát thực tế các mô hình kho lạnh bảo quản thịt dạng treo, quy cách đường ray, móc treo và vật liệu panel lắp ghép.
  • Phương pháp thu thập số liệu: Tổng hợp dữ liệu khí tượng thủy văn, số liệu chăn nuôi từ cơ quan quản lý, định mức hao hụt sau giết mổ (hao hụt chờ mổ 2%, hao hụt sau mổ 25%, tổng hao hụt 26% – 28%).
  • Phương pháp kế thừa: Tiếp thu các công thức tính toán truyền nhiệt vách phẳng nhiều lớp, phương pháp phân dải nhiệt độ nền kho có sưởi, bảng tra nhiệt động môi chất R22 từ các giáo trình chuyên ngành kỹ thuật lạnh.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật: Thiết lập mô hình toán truyền nhiệt để tính toán chiều dày cách nhiệt, kiểm tra hệ số đọng sương $k_s$, cân bằng nhiệt tổng $Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4$ và xác định phụ tải lạnh thực tế của máy nén.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Thiết kế mặt bằng và kết cấu xây dựng

Kho lạnh được thiết kế theo phương án lắp ghép từ các tấm panel cách nhiệt Polyurethane (PU), liên kết bằng khóa camlock và mộng âm dương.

  • Vách và trần kho: Sử dụng panel PU bọc hai mặt tôn mạ màu/inox dày 0,5 – 0,6 mm, hệ số dẫn nhiệt $\lambda_{cn} = 0,023\text{ W/m.K}$.
  • Kết cấu nền kho: Thiết kế nền có thông gió tự nhiên bằng hệ thống con lươn và ống PVC chống đóng băng đất nền, bao gồm 11 lớp vật liệu (bê tông sỏi, vữa trát, bitum chống thấm, giấy dầu, lớp cách nhiệt Polystirol, bê tông cốt thép chịu lực).
  • Kích thước buồng bảo quản: Chiều dài 20,5 m, chiều rộng 6,5 m, chiều cao 3,3 m. Diện tích mặt bằng buồng lạnh $F = 133,25\text{ m}^2$, thể tích buồng $V = 439,725\text{ m}^3$.
  • Bố trí mặt bằng tổng thể: Bao gồm 1 buồng lạnh chính (6,5 m x 20,5 m), 1 phòng kỹ thuật (4 m x 5 m), 1 phòng nghỉ nhân viên (4 m x 5,65 m), 1 phòng máy nén (4 m x 10 m), hành lang lưu thông rộng 4 m và bãi bốc dỡ xe hàng rộng 6 m.

Thiết kế hệ thống giá treo và đường ray chịu lực

Thịt heo sau giết mổ được xẻ đôi thành heo mảnh (nửa con, khối lượng trung bình 37 kg) và được treo trên đường ray bằng thép không gỉ SUS304:

  • Quy cách ray treo: Thanh la inox SUS304 kích thước $12 \times 60\text{ mm}$, giới hạn chảy $\sigma = 201\text{ N/mm}^2$.
  • Phân bố tải trọng: Mỗi đoạn ray $1,2\text{ m}$ bố trí treo 8 mảnh heo (tương đương 4 con heo, tổng tải trọng $296\text{ kg} \approx 2,96\text{ kN}$). Khoảng cách giữa các móc treo là $150\text{ mm}$, khoảng cách từ đáy móc đến sàn là $1.500\text{ mm}$.
  • Kết cấu khung đỡ: Gồm 5 đường ray dài $19,5\text{ m}$ (tổng chiều dài ray $90\text{ m}$). Hệ khung chịu lực chế tạo từ thép hình I $200 \times 100\text{ mm}$, dầm ngang thép I $300 \times 150\text{ mm}$, chân cột thép hộp $200 \times 150\text{ mm}$ cao $2.744\text{ mm}$.
Hạng mục thông số Giá trị thiết kế Đơn vị
Nhiệt độ tính toán ngoài trời ($t_N$) 40,0 $^\circ\text{C}$
Độ ẩm tương đối ngoài trời ($\varphi_N$) 82,0 $%$
Nhiệt độ buồng bảo quản ($t_b$) -1,0 $^\circ\text{C}$
Nhiệt độ sản phẩm vào kho ($t_{vào}$) 35,0 $^\circ\text{C}$
Chiều dày lớp PU panel vách/trần ($\delta$) 75 (thực tế PU 73,8) $\text{mm}$
Chiều dày cách nhiệt nền Polystirol 100 $\text{mm}$
Môi chất lạnh R22 -
Nhiệt độ sôi môi chất ($t_0$) -7,0 $^\circ\text{C}$
Nhiệt độ ngưng tụ ($t_k$) 50,0 $^\circ\text{C}$
Tỷ số nén ($p_k / p_0$) 4,93 -

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc áp dụng kỹ thuật lạnh vào bảo quản nông sản thực phẩm sau thu hoạch và giết mổ tại Việt Nam. Tác giả chỉ ra rằng việc hạ nhiệt độ môi trường bảo quản xuống sát điểm đóng băng của dịch bào (khoảng $-1,5^\circ\text{C}$) sẽ kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật và các phản ứng sinh hóa, giúp bảo toàn hàm lượng dưỡng chất trong thịt tươi. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu được xác định là tính toán thiết kế hệ thống lạnh bảo quản thịt heo đặt tại huyện Củ Chi, TP. Hồ Chí Minh.

Chương 2: Tổng quan

Nội dung chương 2 chia làm bốn phần lớn:

  • Lịch sử kỹ thuật lạnh và định nghĩa kho lạnh: Điểm qua các mốc lịch sử như phát hiện nhiệt tiềm ẩn của Joseph Black (1761–1764), máy lạnh hấp thụ của Leslie (1810) và Carre (giữa thế kỷ XIX), phát minh máy nén của Linde sử dụng $\text{NH}_3$, đồ thị Mollier (1904) và sự ra đời của môi chất Freon vào những năm 1930. Phân loại kho lạnh theo mục đích (chế biến, sơ bộ, trung chuyển, phân phối, thương nghiệp, vận tải), theo nhiệt độ (bảo quản lạnh $-1,5^\circ\text{C} \div 0^\circ\text{C}$, bảo quản đông $-18^\circ\text{C} \div -25^\circ\text{C}$, kho đa năng $-12^\circ\text{C}$, kho cấp đông $-35^\circ\text{C}$) và theo kết cấu (kho xây, kho panel lắp ghép).
  • Tổng quan địa bàn: Khảo sát vị trí địa lý, giao thông huyện Củ Chi (diện tích $435\text{ km}^2$, các tuyến huyết mạch Quốc lộ 22, Tỉnh lộ 8, 15, 7, 9).
  • Thực trạng chăn nuôi heo: Đánh giá quy mô đàn heo Củ Chi (83.496 con) cùng chính sách phát triển chăn nuôi an toàn sinh học.
  • Đặc tính thịt heo: Phân tích thành phần dinh dưỡng trong 100g thịt heo (297 kcal, 53% nước, 25,7g chất đạm, 20,8g chất béo; giàu Thiamine, Kẽm, Vitamin B12, B6), quy trình giết mổ công nghiệp và so sánh các phương pháp bảo quản (xông khói, ướp muối, làm lạnh).

Chương 3: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày kế hoạch thực hiện các bước tính toán công nghệ và các phương pháp luận:

  • Các nội dung trọng tâm: Xác định thông số ngoài trời, thiết kế mặt bằng buồng lạnh và khu phụ trợ, tính toán chiều dày cách nhiệt, kiểm tra đọng sương, tính toán các thành phần tổn thất nhiệt ($Q_1 \div Q_5$), tính chu trình nhiệt động và lựa chọn thiết bị.
  • Hệ thống 5 phương pháp nghiên cứu: Phương pháp khảo sát, phương pháp thu thập số liệu khí tượng - kỹ thuật, phương pháp kế thừa tiêu chuẩn, phương pháp giả thuyết và phương pháp tính toán nhiệt lạnh.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Đây là chương trọng tâm chứa toàn bộ các kết quả tính toán chi tiết của đề tài:

  • Tính toán nhiệt ẩm và kết cấu:
    • Chọn nhiệt độ ngoài nhà $t_N = 40,0^\circ\text{C}$, độ ẩm $\varphi_N = 82%$, nhiệt độ trong buồng $t_b = -1,0^\circ\text{C}$.
    • Chiều dày lớp cách nhiệt panel tính ra $73\text{ mm}$, quy chuẩn chọn tấm panel PU dày $75\text{ mm}$ ($k_{thực} = 0,3\text{ W/m}^2\text{K}$). Chiều dày cách nhiệt nền tính ra chọn $100\text{ mm}$ ($k_{nền} = 0,4\text{ W/m}^2\text{K}$).
    • Nhiệt độ đọng sương $t_s = 36,3^\circ\text{C}$, hệ số đọng sương giới hạn $k_s \cdot 0,95 = 1,995\text{ W/m}^2\text{K}$. Cả vách và nền đều có hệ số truyền nhiệt nhỏ hơn $1,995\text{ W/m}^2\text{K}$, thỏa mãn điều kiện không đọng sương.
  • Tính toán tổn thất nhiệt (Tải lạnh):
    • Tổn thất qua vách bao che $Q_{11} = 2,192\text{ kW}$.
    • Tổn thất qua nền theo phương pháp phân dải $Q_{12} = 1,284\text{ kW}$.
    • Tổn thất do bức xạ mặt trời $Q_{13} = 0\text{ kW}$ (nhờ mái che). Tổng $Q_1 = 3,476\text{ kW}$.
    • Dòng nhiệt tỏa ra do làm lạnh sản phẩm từ $35^\circ\text{C}$ xuống $-1^\circ\text{C}$ (với $h_1 = 317,8\text{ kJ/kg}$, $h_2 = 170,0\text{ kJ/kg}$) kết hợp làm lạnh khung thép nặng $6,66\text{ tấn}$: $Q_2 = 39,56\text{ kW}$.
    • Dòng nhiệt do thông gió: $Q_3 = 0\text{ kW}$ (sản phẩm thịt không hô hấp).
    • Dòng nhiệt vận hành $Q_4 = 7,608\text{ kW}$ (chiếu sáng $159,9\text{ W}$, người làm việc $1.050\text{ W}$, động cơ quạt $3.600\text{ W}$, mở cửa $2.798,25\text{ W}$).
    • Tổng tải nhiệt buồng lạnh: $Q = 50,644\text{ kW}$.
  • Chu trình lạnh và thiết bị lựa chọn:
    • Chu trình máy nén 1 cấp quá lạnh – quá nhiệt R22 có tỷ số nén $p_k / p_0 = 19,433 / 3,942 = 4,93 < 9$. Hiệu suất thể tích máy nén $\lambda = 0,71$.
    • Phụ tải nhiệt ngưng tụ $Q_k = 73,531\text{ kW}$; nhiệt lượng quá lạnh $Q_{ql} = 2,665\text{ kW}$; nhiệt lượng quá nhiệt $Q_{qn} = 2,745\text{ kW}$.
    • Chọn dàn ngưng giải nhiệt gió Meluck FN–130.
    • Chọn dàn bay hơi treo trần Meluck MAC191/345HE.
    • Chọn van tiết lưu nhiệt Danfoss TEX 5 – 067B3267.
    • Bố trí bình chứa cao áp, bình tách lỏng hồi nhiệt và máy tạo ẩm siêu âm Milotech ML–6688S để duy trì độ ẩm phòng trên 90%.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ kết quả đạt được từ đồ án thiết kế, khẳng định tính khả thi của các thông số kỹ thuật đã lựa chọn và nêu các đề xuất hoàn thiện công trình khi đưa vào thi công thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính của hệ thống

Hệ thống tính toán đã đưa ra các kết quả định lượng cụ thể cho công trình kho lạnh bảo quản thịt heo:

Đại lượng / Thiết bị Thông số / Quy cách xác định Đơn vị
Quy mô buồng bảo quản $20,5 \times 6,5 \times 3,3$ $\text{m}$
Diện tích mặt bằng buồng 133,25 $\text{m}^2$
Thể tích không gian buồng 439,725 $\text{m}^3$
Dòng nhiệt qua kết cấu bao che ($Q_1$) 3,476 $\text{kW}$
Dòng nhiệt do sản phẩm và khung ($Q_2$) 39,560 $\text{kW}$
Dòng nhiệt vận hành kho ($Q_4$) 7,608 $\text{kW}$
Tổng phụ tải lạnh kho ($Q$) 50,644 $\text{kW}$
Nhiệt tải ngưng tụ ($Q_k$) 73,531 $\text{kW}$
Tỷ số nén của chu trình 4,93 -
Dàn ngưng tụ Meluck FN–130 Dàn gió
Dàn bay hơi Meluck MAC191/345HE Dàn đối lưu cưỡng bức
Van tiết lưu Danfoss TEX 5 – 067B3267 Van cơ cân bằng ngoài
Thiết bị kiểm soát ẩm Milotech ML–6688S Siêu âm tạo ẩm

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Hoàn thiện bản vẽ bố trí mặt bằng công nghệ kho lạnh bao gồm buồng bảo quản thịt dạng ray treo và hệ thống phòng chức năng phụ trợ (phòng máy, phòng điện kỹ thuật, phòng nghỉ, bãi xe).
  • Thiết lập quy trình tính toán nhiệt tải, kiểm tra cơ lý kết cấu chịu lực của ray treo bằng phần mềm kỹ thuật (MDSolids 4.0), đảm bảo an toàn chịu tải cho khung thép hình và thanh la inox SUS304 khi vận hành hết công suất.
  • Đưa ra giải pháp lựa chọn thiết bị đồng bộ, đáp ứng yêu cầu công nghệ duy trì độ ẩm cao (khoảng 90%) nhằm giảm thiểu sự hao hụt khối lượng và duy trì độ tươi ngon của thịt mát.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Tính toán thiết kế tập trung vào chế độ làm việc ổn định tại điều kiện phụ tải nhiệt mùa hè cực đại ($t_N = 40^\circ\text{C}$), chưa khảo sát chi tiết chế độ vận hành biến đổi theo các mùa trong năm.
    • Các số liệu tổn thất áp suất trên đường ống dẫn gas và dầu bôi trơn được áp dụng theo hệ số kinh nghiệm tiêu chuẩn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu ứng dụng biến tần điều khiển đa cấp công suất cho máy nén để tối ưu hóa điện năng tiêu thụ khi lượng hàng nhập kho thay đổi.
    • Khảo sát thay thế môi chất lạnh R22 bằng các môi chất thế hệ mới thân thiện với môi trường và có chỉ số GWP thấp hơn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh, Kỹ thuật Cơ điện lạnh thực hiện đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp kỹ sư về thiết kế kho lạnh công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống HVACR, cán bộ kỹ thuật tại các cơ sở chế biến thực phẩm có nhu cầu tra cứu quy trình tính toán tải lạnh cho thịt gia súc dạng ray treo, phương pháp phân dải nền kho và kiểm tra đọng sương kết cấu vỏ kho.
  • Các phần đáng tham khảo nhất trong tài liệu:
    • Chương 4.4: Quy trình tính toán cơ học hệ khung và ray treo thịt heo mảnh.
    • Chương 4.5 & 4.6: Phương pháp tính toán tải nhiệt chi tiết ($Q_1 \div Q_4$) và thiết lập chu trình lạnh máy nén hơi R22.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhiệt độ trong kho bảo quản thịt heo lại được chọn là $-1^\circ\text{C}$?

Nhiệt độ đóng băng của dịch thịt heo nằm trong khoảng $-1,5^\circ\text{C}$. Việc chọn nhiệt độ kho ở $-1,0^\circ\text{C}$ giúp ức chế hiệu quả vi sinh vật gây ôi thiu nhưng vẫn ngăn chặn sự hình thành các tinh thể nước đá trên bề mặt thịt, giữ cho thịt luôn ở trạng thái thịt mát tươi nguyên, không bị biến tính protein và không làm giảm chất lượng cảm quan.

2. Kết cấu ray treo trong kho được tính toán chịu tải như thế nào?

Ray treo sử dụng thanh la inox SUS304 kích thước $12 \times 60\text{ mm}$ ($\sigma = 201\text{ N/mm}^2$). Mỗi đoạn ray $1,2\text{ m}$ chịu tải trọng của 8 mảnh heo ($296\text{ kg} \approx 2,96\text{ kN}$). Toàn bộ kho có 5 đường ray dài $19,5\text{ m}$ liên kết với hệ dầm thép I $200 \times 100\text{ mm}$ và dầm chính I $300 \times 150\text{ mm}$, khoảng cách giữa các móc treo là $150\text{ mm}$.

3. Vì sao tổn thất nhiệt do bức xạ mặt trời ($Q_{13}$) và do thông gió ($Q_3$) trong bài toán bằng 0?

Tổn thất nhiệt bức xạ $Q_{13} = 0$ vì kho lạnh được thiết kế đặt hoàn toàn bên dưới hệ thống mái che mưa nắng chuyên dụng. Tổn thất do thông gió $Q_3 = 0$ vì thịt heo sau giết mổ là sản phẩm động vật không có quá trình hô hấp sinh hóa như rau hoa quả, do đó buồng lạnh không cần cấp khí tươi bên ngoài vào.

4. Tại sao tác giả lựa chọn chu trình lạnh một cấp mà không dùng chu trình hai cấp?

Với chế độ nhiệt độ làm việc $t_0 = -7^\circ\text{C}$ (ứng với $p_0 = 3,942\text{ bar}$) và $t_k = 50^\circ\text{C}$ (ứng với $p_k = 19,433\text{ bar}$), tỷ số nén của môi chất R22 tính được là $p_k / p_0 = 4,93$. Do tỷ số nén này nhỏ hơn ngưỡng giới hạn cực đại ($\Pi_{max} = 9$), chu trình 1 cấp quá lạnh – quá nhiệt hoàn toàn đảm bảo hiệu suất nhiệt động mà không cần chuyển sang chu trình 2 cấp.

Kết luận

Chuyên đề tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Chí Bảo đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế hệ thống lạnh cho kho bảo quản thịt heo mảnh tại huyện Củ Chi, TP. Hồ Chí Minh. Các thông số kết cấu vỏ kho, hệ thống ray treo chịu lực, tải nhiệt tổng ($50,644\text{ kW}$) và nhiệt tải ngưng tụ ($73,531\text{ kW}$) được tính toán tuần tự dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kết quả nghiên cứu cung cấp bộ thuyết minh và phương án chọn thiết bị cơ điện lạnh (máy nén, dàn ngưng Meluck FN–130, dàn lạnh MAC191/345HE) hoàn chỉnh, có tính khả thi cao trong ứng dụng thực tế.