Đặt vấn đề Tầm quan trọng của việc sử dụng nước đá như một vật phẩm cho mục đích công nghiệp và gia đình đã có từ đầu thế kỷ 19. Cho đến những năm 1850, băng tự nhiên là nguồn duy nhất đáp ứng nhu cầu bảo quản và vận chuyển thực phẩm tươi sống, sản xuất và bảo quản một số đồ uống có cồn và không cồn, bơ và kem đông lạnh, bên cạnh các điều kiện sống được cải thiện khác cho người dân hàng ngày, các thành phố lớn hơn (Reif-Acherman, S, 2012). Ngày nay, nước đá cũng vẫn được ứng dụng trong lĩnh vực như bảo quản các nguyên liệu thực phẩm, thủy hải sản tươi sống,.Ngoài ra, nó còn được sử dụng để hỗ trợ trong các lĩnh vực y tế, nghiên cứu hóa sinh và vật lý. Điều này cho thấy nhu cầu sử dụng nước đá ngày càng tăng cao.
Vấn đề đặt ra là làm sao có thể cung cấp đầy đủ cho nhu cầu tiêu dùng. Đặc biệt là nguồn đá sạch đang thực sự khan hiếm. Đứng trước tình trạng này, việc nghiên cứu, tính toán, phát triển hệ thống lạnh cho nhà máy sản xuất nước đá là phù hợp và cần thiết để giải quyết vấn đề này. Mục tiêu đồ án Tính toán thiết kế hệ thống lạnh chạy cho nhà máy sản xuất nước đá với năng suất 30 tấn/ngày.
Nội dung đồ án - Tổng quan về nước đá, quy trình, máy móc của hệ thống làm lạnh - Phương pháp nghiên cứu và tính toán - Tính toán và thiết kế hệ thống - Bản vẽ thiết kế chế tạo - Tính toán chi phí 4. Giới hạn nghiên cứu của đồ án Đồ án không đi sâu vào việc thiết kế, lắp ráp thiết bị mà chỉ đưa ra quy trình thiết kế, tính toán sơ bộ hệ thống sản xuất, cũng như vị trí mặt bằng nhà máy. Ý nghĩa khoa học Hệ thống lạnh chạy cho nhà máy sản xuất nước đá cần được tập trung nghiên cứu nhiều hơn để khắc phục một số nhược điểm, cải tiến một số vấn đề như tăng năng suất, tiết kiệm chi phí điện năng, nhân công,. với mong muốn tạo ra những đột phá mới trong lĩnh vực nghiên cứu này.
Ý nghĩa thực tiễn Nước đá là một trong những phương pháp bảo quản thực phẩm phổ biến. Thông qua đề tài của bài đồ án này, sinh viên có thể hiểu hơn từng bước từng hiện những thiết kế, tính toán của hệ thóng lạnh. Từ đó, đưa ra những giải pháp để đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng của nước đá trong các lĩnh vực xã hội. Lịch sử phát triển công nghệ sản xuất nước đá Ngành kỹ thuật lạnh phát triển trong các thập kỷ cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX một cách nhanh chóng, mạnh mẽ nên lịch sử công nghệ làm nước đá cũng gắn liền với lịch sử phát triển của ngành kỹ thuật lạnh.
Nước đá trong tự nhiên có từ rất lâu, từ khi con nười còn chưa đạt những thành tựu lớn về khoa học thì họ đã vận dụng nó để bảo quản thực phẩm, phục vụ cho một số hoạt động khác trong cuộc sống của con người (Nguyễn Tấn Dũng, 2016). Năm 1834, nhà khoa học người Anh I. Perkin chế tạo thành công máy sản xuất nước đá cây nhưng có năng suất thấp (Nguyễn Tấn Dũng, 2016). Năm 1899, nhà khoa học người Đức Geppert chế tạo thành công hệ thống lạnh và máy làm đá có đầy đủ trang thiết bị máy nén, thiết bị bay hơi, van tiết lưu, thiết bị ngưng tụ cùng một số thiết bị khác với hiệu suất cải thiện đáng kể.
Năm 1934, Tập đoàn nghiên cứu và phát triển kỹ thuất lạnh Carrier chế tạo thành công hệ thống lạnh sản xuất nước đá với năng suất rất cao và công nghệ sản xuất nước đá đã bắt bầu phát triển hoàn thiện từ đây (Nguyễn Tấn Dũng, 2016). Cho đến ngày nay, công nghệ sản xuất nước đá đã đạt tới mức độ hoàn thiện nhờ vào các thiết bị công nghệ sản xuất nước đá ngày càng đa dạng và phong phú được phát minh bởi các nhà khoa học, nó mang lại ý nghĩa to lớn cho nền kinh tế vì đáp ứng cho nhu cầu đời sống của con người trong việc bảo quản thực phẩm, chế biến và bảo quản thuốc,. Cơ sở khoa học 1. Một số tính chất hóa lý của nước đá ở 0oC và áp suất 0,98 bar (pkq = 1 at) Nước tự nhiên là chất lỏng không màu, không mùi, không vị và tồn tại ở ba trạng thái là rắn – lỏng – khí.
Ở trạng thái rắn, nước tồn tại ở dạng tuyết. Khi tuyết nén lại, nó sẽ trở thành băng. Ở trạng thái lỏng, nước tồn tại dưới dạng nước biển. Một lượng nước rất nhỏ chỉ xuất hiện trên đất ở dạng suối, sông, hồ, v., rất hữu ích cho việc uống.
Nước xảy ra dưới dạng hơi nước trong không khí, là trạng thái khí của nước. 3 Điểm đóng băng của nước là 0°C ở áp suất khí quyển 0,98bar = 1at = 735,559mmHg. Tuy nhiên, nếu áp suất tăng, điểm đóng băng giảm xuống dưới 0°C. Điểm đóng băng của nước giảm do có tạp chất.
Nước đóng băng được gọi là nước đá. Nhiệt độ nóng chảy của nước đá là 0°C. Nhiệt độ này không đổi cho đến khi tất cả băng biến thành chất lỏng và đây cũng là nhiệt độ đông đặc khi nước chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn. Nhưng ở đây, năng lượng nhiệt được lưu trữ trong nước được gọi là 'ẩn nhiệt của phản ứng tổng hợp băng' (‘latent heat of fusion of ice’).
Giá trị riêng của nó là 336 jun/gm hoặc 80 cal/gm. Nước khác với mọi chất lỏng khác, áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất là ở 4°C: 1 g/cm³ đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4°C. Khi nhiệt độ trên 4°C, nước sẽ có đặc tính bình thường giống mọi chất khác là nóng nở, lạnh co, nhưng ở khoảng 4oC nó đạt đến mật độ tối đa và sau đó giảm khi tiến đến điểm đóng băng. Khi ở nhiệt độ dưới 4°C, nước lại lạnh nở, nóng co.
Do hình thể đặc biệt của phân tử nước ( với góc liên kết 104,45°), khi bị làm lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở. Vì vậy mà tỉ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể lỏng. Nhiệt dung riêng của nước ở điều kiện áp suất khí quyển không đổi là cpn = 4,186 kJ/(kg.K), khối lượng riêng của nước 𝜌𝑛 = 1000kg/m3 (Nguyễn Tấn Dũng, 2016). Khi nước chuyển sang trạng thái rắn thì nhiệt dung riêng của nước đá giảm gần một nửa so với nhiệt dung riêng của nước ở trạng thái lỏng.
Nhiệt dung riêng của nước đá ở điều kiện áp suất khí quyển không cpnđ = 2,09 kJ/(kg.K), vì thể tích riêng của nước đá tăng lên khoảng 9% so với thể tích nước ở trạng thái lỏng cho nên khối lượng của nước đá giảm xuống khoảng 9%, khối lượng riêng của nước đá khoảng 𝜌𝑛đ = 917kg/m3. Tỷ trọng hay khối lượng của nước đá có quan hệ với nhiệt độ như sau : 𝜌𝑛đ = 917.t) 4 Để cân bằng hệ hai pha lỏng - rắn (nước - đá) của nước, có thể sử dụng phương trình Clapperol - Clausius như sau: 𝛿𝑃 𝐿 = 𝛿𝑇 𝑇(𝑣1 − 𝑣đ ) Trong đó: - L: ẩn nhiệt đóng băng của nước, kJ/kg; - 𝑣1 , 𝑣đ : thể tích riêng của pha lỏng và rắn, m3/kg; - P: áp suất của môi trường pha lỏng - rắn, Pa; - T: nhiệt độ nóng chảy của nước, K. 𝛿𝑃 Bởi vì 𝑣1 < 𝑣đ , nên < 0, tức là khi tăng áp suất thì nhiệt độ nóng chảy giảm 𝛿𝑇 (Nguyễn Tấn Dũng, 2016). Nhiệt đóng băng (ẩn nhiệt đóng băng) của nước ở nhiệt đô 0°C và áp suất khí quyển là L = 335kJ/kg = 79,8kCal/kg.
Lượng nhiệt này có ý nghĩa như sau, sau khi hạ nhiệt độ nước xuống 0oC ở áp suất khí quyển nếu muốn cho 1kg nước đóng băng hoàn toàn thì nhiệt lượng cần lấy đi của 1kg nước là 330kJ = 19,0kcal. Nhiệt đóng băng sẽ thay đôi theo nhiệt độ, khi nhiệt độ hạ xuống 1°C thì L sẽ tăng khoảng 2,12 kJ/kg (Nguyễn Tấn Dũng, 2016). Hệ số dẫn nhiệt của nước đá là 𝜆𝑛đ = 2,326W/(m.K), hệ số dẫn nhiệt của nước đá có thể được tính toán theo công thức thực nghiệm như sau: 𝜆𝑛đ = 2,326.K) (Nguyễn Tấn Dũng, 2016) Tỷ nhiệt của nước đá ở 0°C là Cđ = 2,1 kJ/(kg.K) (chính xác là 2,09 kJ/(kg.K)), khi nhiệt độ giảm thì tỷ nhiệt của nước đá sẽ giảm theo. Qua thực nghiệm thì tỷ nhiệt của nước đá cũng được xác định theo công thức thực nghiệm sau: Cđ = 2,09 + 0,00779.
Sự liên hợp giữa các phân tử nước Phân tử nước gồm hai nguyên tử H và một nguyên tử O. Có góc liên kết ở đỉnh giữa hai nguyên tử H và một nguyên tử O là 104,45 °. Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều vị trí cho nên góc liên kết sai lệch nhiều so với góc chuẩn của hình lục giác. Khi ở trạng thái lỏng, nhờ kiên kết Hydro liên kết với nhau tạo thành (H2O)n mà không làm biến đổi các tính chất hóa học của chúng được gọi là sự liên hợp giữa các phân tử nước.
Khi nước chuyển trạng thái từ lỏng sang rắn. Các tinh thể đá hình thành có cấu tạo là tứ diện đều vì hàm nhiệt giảm của các phân tử nước dao động xung quanh vị trí cân bằng và chuyển động chậm. Do tính phân cực của nó, một phân tử nước ở trạng thái lỏng hoặc rắn có thể hình thành tới bốn liên kết hydro với các phân tử lân cận. Trong đó, các đỉnh của tinh thể nước đá này được liên kết với nhau bởi liên kết Hydro, mỗi nguyên tử O liên kết với bốn nguyên tử H và mỗi nguyên tử H liên kết với hai nguyên tử O.
Do vậy, chúng tạo cấu trúc rỗng khiến nước ở trạng thái rắn nhẹ hơn trạng thái lỏng, thể tích nước ở trạng thái đông đặc lớn hơn khi ở trạng thái lỏng. Mô hình mạng tinh thể nước 1. Quá trình đông đá của nước Đóng băng là quá trình chuyển pha trong đó chất lỏng biến thành chất rắn khi nhiệt độ của nó hạ xuống dưới điểm đóng băng. Theo định nghĩa được quốc tế công nhận, đóng băng có nghĩa là sự thay đổi pha đông đặc của chất lỏng hoặc hàm lượng chất lỏng của một chất, thường là do làm mát.
6 Khi lạnh đông ở nhiệt độ dưới 0oC mà vẫn chưa xảy ra sự kết tinh thì gọi là hiện tượng quá lạnh.