Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, chế biến thủy hải sản và đời sống sinh hoạt, công nghệ làm lạnh và bảo quản lạnh đóng vai trò thiết yếu nhằm duy trì chất lượng, kéo dài thời gian sử dụng của sản phẩm. Phương pháp sản xuất nước đá cây là một trong những giải pháp kỹ thuật truyền thống nhưng vẫn giữ vị trí quan trọng nhờ ưu điểm đá có khối lượng lớn, lâu tan, thuận tiện cho việc vận chuyển đi xa và phục vụ trực tiếp cho các tàu thuyền đánh bắt hải sản dài ngày.

Đề tài "Thiết kế hệ thống lạnh - máy đá cây công suất 15 tấn/ngày" được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Nhiệt Lạnh (Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh) thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một trạm sản xuất đá cây công nghiệp.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về quy trình công nghệ và các thành tựu phát triển của máy sản xuất đá cây trong và ngoài nước (Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc).
  2. Thiết lập cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt, xác định kích thước hình học của bể đá, số lượng khuôn, linh đá và thời gian đông đá cho mẻ sản xuất 15 tấn/ngày.
  3. Tính toán cân bằng nhiệt, xác định các dòng tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che, tổn thất do vận hành, từ đó tính phụ tải nhiệt cho thiết bị bay hơi và máy nén.
  4. Thiết kế chu trình nhiệt động (sử dụng môi chất lạnh amoniac $NH_3$), xác định các thông số trạng thái tại các điểm nút trên đồ thị $lg,p - h$.
  5. Tính toán, lựa chọn đồng bộ các thiết bị chính (máy nén, thiết bị ngưng tụ, dàn bay hơi kiểu xương cá) và các thiết bị phụ trợ (tháp giải nhiệt, bình giữ mức tách lỏng, bình chứa cao áp, bình tách dầu, bình tách khí không ngưng, hệ thống van và đường ống).

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống làm lạnh gián tiếp sản xuất đá cây sử dụng môi chất amoniac ($NH_3$) và chất tải lạnh là dung dịch nước muối ($NaCl$). Phạm vi tính toán thiết kế dựa trên điều kiện khí hậu thực tế tại khu vực TP. Hồ Chí Minh (tháng nóng nhất là tháng 4) với các thông số nhiệt độ môi trường, độ ẩm và nhiệt độ đọng sương tương ứng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng khung lý thuyết và phương pháp tính toán chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh dựa trên các giáo trình và tài liệu tiêu chuẩn:

  • Lý thuyết truyền nhiệt và cân bằng nhiệt hệ thống lạnh: Xác định tổng dòng nhiệt tổn thất $Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 + Q_5$, trong đó $Q_1$ là tổn thất qua kết cấu bao che (tường, nền, nắp bể), $Q_2$ là nhiệt làm lạnh nước và đông đá, $Q_3$ là nhiệt do thông gió (bằng 0 đối với bể đá), $Q_4$ là nhiệt do vận hành (bộ cánh khuấy nước muối, nhúng tan đá để tháo khuôn), $Q_5$ là nhiệt do sản phẩm hô hấp (bằng 0).
  • Lý thuyết thời gian làm đá cây: Thời gian đông đá được tính toán theo công thức thực nghiệm phụ thuộc vào nhiệt độ nước muối trong bể và tỷ số hình học giữa hai cạnh đáy của khuôn đá.
  • Phương pháp tính toán chu trình nhiệt động: Chu trình nén hơi một cấp ngập dịch sử dụng môi chất $NH_3$ có quá nhiệt hơi hút và quá lạnh lỏng trước khi vào van tiết lưu. Các thông số trạng thái entanpi ($h$), áp suất ($p$), nhiệt độ ($t$) và thể tích riêng ($v$) được tra cứu từ bảng nhiệt động của môi chất $NH_3$ bão hòa.
  • Phương pháp lựa chọn và kiểm tra thiết bị: Kết hợp giữa tính toán lý thuyết (diện tích truyền nhiệt, thể tích quét, công nén chỉ thị, công suất hiệu dụng) và việc tra chọn thiết bị từ catalogue của các nhà sản xuất chuyên dụng (như phần mềm chọn máy nén Bitzer, bảng tra thiết bị ngưng tụ KTT, dàn lạnh xương cá HIT, tháp giải nhiệt Spacco Cooling Tower).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này giới thiệu tổng quan về ngành lạnh, vai trò của hệ thống làm lạnh thực phẩm và máy sản xuất đá cây trong công nghiệp. Tác giả khảo sát tình hình phát triển công nghệ sản xuất đá cây ở một số quốc gia như Nhật Bản (tập trung vào tính năng đa dạng, tạo hình), Mỹ (phát triển các mẫu máy tiện dụng phục vụ ngoại thất, gia đình) và Trung Quốc (máy công suất lớn, tích hợp công nghệ mới). Tại Việt Nam, nhu cầu đá cây phục vụ bảo quản hải sản và giải khát rất lớn nhưng đa số thiết bị trước đây còn phụ thuộc vào nhập khẩu hoặc thiết kế chưa tối ưu. Từ đó, đồ án xác định rõ lý do chọn đề tài và các mục tiêu kỹ thuật cần giải quyết.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung mô tả cấu tạo, nguyên lý vận hành của hệ thống sản xuất đá cây gián tiếp và thiết lập hệ thống phương trình tính toán:

  • Cấu tạo hệ thống: Bể đá chia làm các ngăn (ngăn đặt dàn lạnh và ngăn chứa các linh đá), bộ cánh khuấy tạo đối lưu nước muối, hệ thống cầu trục cẩu linh đá, bể nhúng nước tan giá, bàn lật đá, nắp bể bằng gỗ dày 30 mm có bạt phủ cách nhiệt.
  • Nguyên lý chu trình lạnh $NH_3$: Hơi hút từ bình giữ mức - tách lỏng về máy nén được nén lên áp suất cao, đi qua bình tách dầu để thu hồi dầu về bình gom dầu, sau đó đi vào bình ngưng tụ ống vỏ nằm ngang. Môi chất lỏng ngưng tụ chảy vào bình chứa cao áp, qua phin lọc, van điện từ và van tiết lưu rồi hạ áp suất đưa về bình giữ mức tách lỏng. Môi chất lỏng cấp ngập vào dàn lạnh xương cá để làm lạnh nước muối, hơi sinh ra được tách lỏng và hút về máy nén.
  • Hệ thống công thức: Trình bày chi tiết các biểu thức tính kích thước bể, thời gian đông đá, hệ số truyền nhiệt thực qua tường bao ($k_t$), qua nắp ($k_n$), qua nền ($k_n$), công thức tính nhiệt lượng làm đông đá $q_o$, nhiệt dung riêng và nhiệt đông đặc của nước.

Chương III: Tính toán thiết kế

Chương III trình bày toàn bộ số liệu tính toán cụ thể cho trạm làm đá 15 tấn/ngày:

  • Kích thước khuôn và linh đá: Lựa chọn loại khuôn đá tiêu chuẩn 50 kg (kích thước chiều cao 1115 mm, đáy lớn $380 \times 190$ mm, đáy bé $340 \times 160$ mm). Mỗi linh đá bố trí 7 khuôn. Tổng số khuôn trong bể là 301 khuôn, tương đương 43 linh đá (bố trí thành 2 dãy đối xứng, mỗi dãy 22 linh đá). Kích thước phủ bì bể đá được xác định: chiều dài 11,89 m, chiều rộng 4,75 m, chiều cao 1,15 m.
  • Thời gian làm đá: Tính toán theo công thức thực nghiệm cho kết quả thời gian đông đá là 18,6 giờ (tương đương 66.960 giây).
  • Tính cách nhiệt và kiểm tra đọng sương: Chọn vật liệu cách nhiệt Polystyrol (EPS). Kết cấu tường bao gồm các lớp: vữa xi măng, gạch xây, lớp hắc ín, giấy dầu chống thấm, Polystyrol dày 150 mm, thép tấm 5 mm. Kiểm tra điều kiện đọng sương theo khí hậu TP. Hồ Chí Minh xác nhận hệ số truyền nhiệt thực tế nhỏ hơn hệ số truyền nhiệt đọng sương ($k_{thực} \le k_{đs}$), đảm bảo bề mặt ngoài không bị ngưng tụ ẩm.
  • Tính toán tải nhiệt:
    • Tổn thất qua kết cấu bao che (tường, nền, nắp gỗ $30$ mm có hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 0,2$ W/m.K).
    • Dòng nhiệt làm lạnh nước từ $28^\circ\text{C}$ xuống $0^\circ\text{C}$, đông đặc và làm lạnh cây đá xuống $-10^\circ\text{C}$ ($q_o = 473,81$ kJ/kg).
    • Nhiệt làm lạnh khuôn thép (khối lượng khuôn 16 kg, nhiệt dung riêng $c = 0,46$ kJ/kg.K).
    • Dòng nhiệt thông gió $Q_3 = 0$.
    • Dòng nhiệt do vận hành: động cơ cánh khuấy 1,5 kW (Model 230VGM, lưu lượng 12,8 m³/phút) và nhiệt làm tan lớp đá bề mặt dày 1 mm khi nhúng tháo khuôn.
  • Tính toán chu trình nhiệt động:
    • Thông số thiết kế: Nhiệt độ bể đá $-15^\circ\text{C}$; nhiệt độ nước muối $-19^\circ\text{C}$; nhiệt độ bay hơi $t_o = -25^\circ\text{C}$ ($p_o = 1,515$ bar); nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 39^\circ\text{C}$ ($p_k = 15,548$ bar); độ quá nhiệt $\Delta t_{qn} = 5^\circ\text{C}$; độ quá lạnh $\Delta t_{ql} = 5^\circ\text{C}$. Tỷ số áp suất $p_k/p_o = 10,26 < 12$, do đó chọn chu trình nén 1 cấp.

Chương IV: Chọn thiết bị

Dựa trên tải nhiệt và lưu lượng môi chất tính toán, nhóm tác giả tiến hành tính chọn chi tiết các thiết bị:

  • Máy nén lạnh: Tính toán thể tích hút thực tế, thể tích quét lý thuyết. Sử dụng phần mềm chuyên dụng của Bitzer lựa chọn 02 cụm máy nén piston bán kín làm việc song song, model 66FE-80Y-40P (mỗi máy có công suất làm lạnh 46,2 kW, công suất ngưng tụ 70,8 kW, sử dụng nguồn điện 380V, COP = 1,88).
  • Thiết bị ngưng tụ: Lựa chọn bình ngưng ống vỏ nằm ngang giải nhiệt bằng nước, model KTT-32 có diện tích trao đổi nhiệt 32 m², gồm 144 ống, khối lượng 1440 kg, lưu lượng nước giải nhiệt yêu cầu là 31 m³/h.
  • Thiết bị bay hơi: Lựa chọn dàn lạnh kiểu xương cá ngập dịch, model 40HIT có diện tích truyền nhiệt 40 m², gồm 8 cụm $\times$ 5 dãy ống uốn cong đường kính $\Phi 38 \times 3,5$ mm, bố trí tại ngăn giữa bể muối. Dung dịch nước muối $NaCl$ có nồng độ 25,7%, nhiệt độ đông đặc $-31,2^\circ\text{C}$.
  • Thiết bị phụ trợ:
    • Bình giữ mức - tách lỏng có tấm chắn tôn 3 mm khoan lỗ $\Phi 6 - 8$ mm để ngăn các hạt lỏng theo hơi về máy nén.
    • Bình tách lỏng phụ ($D = 260$ mm, quy cách $D \times S = 460 \times 10$ mm, cao 1750 mm).
    • Bình chứa cao áp chứa được 60% thể tích toàn hệ thống và dàn bay hơi.
    • Bình tách dầu kiểu nón chắn đường kính $D = 320$ mm và bình chứa thu hồi dầu 300CM ($D \times S = 325 \times 9$ mm, cao 1270 mm).
    • Tháp giải nhiệt tuần hoàn nước model Alpha 40RT (Spacco Cooling Tower Thailand), công suất giải nhiệt 156 kW, động cơ quạt 0,75 kW (1 HP).
  • Hệ thống van và đường ống: Lựa chọn van chặn, van tiết lưu tay nón parabol, cụm van điện từ tác động gián tiếp kết hợp rơ le phao mức lỏng kiểu bình thông nhau; chọn ống thép chịu áp lực C20 cho đường ống hút DN65 ($\Phi 73 \times 3,05$ mm) và đường ống đẩy DN20 ($\Phi 27 \times 2,87$ mm).

Chương V: Tổng kết

Chương cuối tổng hợp lại toàn bộ danh mục thông số kỹ thuật, kích thước, khối lượng và công suất của các tổ hợp thiết bị chính và phụ kiện đường ống cấu thành hệ thống.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo sơ đồ làm lạnh gián tiếp qua môi trường nước muối với chu trình nén hơi $NH_3$ một cấp ngập dịch hoàn chỉnh.

Bảng thông số trạng thái các điểm nút của chu trình lạnh

Điểm nút Trạng thái môi chất Nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$) Áp suất $p$ (bar) Entanpi $h$ (kJ/kg)
1' Hơi bão hòa khô -25 1,515 1429,72
1 Hơi quá nhiệt (hút về máy nén) -20 1,515 1440,00
2 Hơi quá nhiệt (cuối tầm nén) 77,5 15,548 1755,00
3' Lỏng bão hòa 39 15,548 381,50
3 Lỏng quá lạnh 34 15,548 358,00
4 Hỗn hợp hơi - lỏng sau tiết lưu -25 1,515 358,00

Bảng tổng hợp thông số thiết bị chính của hệ thống

Tên thiết bị Ký hiệu / Model Thông số kỹ thuật chính Số lượng
Máy nén lạnh Bitzer 66FE-80Y-40P Công suất lạnh: 46,2 kW/máy; Điện áp: 380V; Trọng lượng: 482 kg; COP: 1,88 02 máy
Thiết bị ngưng tụ KTT-32 (ống vỏ nằm ngang) Diện tích trao đổi nhiệt: 32 m²; 144 ống; Khối lượng: 1440 kg; Lưu lượng nước: 31 m³/h 01 bình
Thiết bị bay hơi 40HIT (dàn xương cá) Diện tích truyền nhiệt: 40 m²; Ống $\Phi 38 \times 3,5$ mm; Kích thước: $3470 \times 700 \times 1050$ mm 01 bộ
Tháp giải nhiệt Alpha 40RT (Spacco) Công suất giải nhiệt: 156 kW; Động cơ quạt: 0,75 kW; Đường kính tháp: 1755 mm 01 tháp
Khuôn đá & Bể đá Khuôn 50 kg tiêu chuẩn Bể chứa 301 khuôn (43 linh đá); Kích thước bể: $11,89 \times 4,75 \times 1,15$ m 01 hệ thống
Bình chứa dầu 300CM Kích thước: $\Phi 325 \times 9$ mm; Chiều cao: 1270 mm 01 bình
Đường ống công nghệ Thép chịu áp lực C20 Ống hút DN65 ($\Phi 73 \times 3,05$ mm); Ống đẩy DN20 ($\Phi 27 \times 2,87$ mm) Toàn hệ thống

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác định đầy đủ các thông số hình học và chế độ công nghệ của bể đá cây 15 tấn/ngày: 301 khuôn đá loại 50 kg chia làm 43 linh đá, thời gian đông đá một mẻ là 18,6 giờ.
  • Thiết lập hoàn chỉnh kết cấu cách nhiệt tường bao bằng lớp Polystyrol dày 150 mm cùng hệ thống các lớp chống thấm, vữa trát và vỏ thép, kiểm tra thỏa mãn điều kiện không đọng sương trong môi trường khí hậu nóng ẩm TP. Hồ Chí Minh.
  • Tính toán đầy đủ tải nhiệt các thành phần và lựa chọn thành công hệ thống 02 máy nén Bitzer 66FE-80Y-40P mắc song song, bình ngưng KTT-32, dàn lạnh xương cá 40HIT và tháp giải nhiệt Alpha 40RT.
  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý điều khiển tự động cấp dịch ngập cho dàn bay hơi thông qua bình giữ mức tách lỏng, van điện từ và rơ le mức lỏng kiểu phao.

Đóng góp thực tiễn

Đồ án mang lại một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh về quy trình tính toán nhiệt - lạnh và lựa chọn thiết bị cho hệ thống sản xuất đá cây gián tiếp. Toàn bộ các bảng tính nhiệt tải, kích thước đường ống, van điều khiển và thiết bị phụ trợ được trình bày chi tiết theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của ngành công nghệ nhiệt lạnh Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Hệ thống sản xuất đá cây gián tiếp qua dung dịch nước muối có thời gian làm đá tương đối dài (18,6 giờ), tốn nhiều diện tích mặt bằng cho bể đá và hệ thống cẩu trục, đồng thời môi trường nước muối $NaCl$ có tính ăn mòn kim loại cao đối với khuôn và vỏ bể.
  • Hướng phát triển: Nghiên cứu cải tiến hệ thống tự động hóa hoàn toàn ở các khâu cẩu linh đá, nhúng rã đá và cấp nước tự động vào khuôn; nghiên cứu so sánh tính kinh tế - kỹ thuật với các công nghệ sản xuất đá nhanh (đá vảy, đá viên) trong cùng quy mô công suất.

Giá trị tham khảo

Đồ án là nguồn tài liệu hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Công nghệ Nhiệt Lạnh, Điện Lạnh: Tham khảo phương pháp tính toán đồ án môn học Thiết kế hệ thống lạnh, đồ án tốt nghiệp chuyên ngành kỹ thuật lạnh.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành trạm lạnh: Sử dụng các công thức tính nhiệt tải bể đá cây, quy trình kiểm tra đọng sương vách bao che, phương pháp tra chọn bình ngưng tụ ống vỏ nằm ngang, dàn bay hơi xương cá và tính chọn đường ống thép môi chất $NH_3$.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống lại chọn khối lượng mỗi cây đá là 50 kg và tổng số khuôn trong bể là bao nhiêu? Đá cây 50 kg có kích thước tiêu chuẩn (cao 1115 mm, đáy lớn $380 \times 190$ mm, đáy bé $340 \times 160$ mm) phù hợp cho việc vận chuyển xa và bảo quản thủy hải sản dài ngày trên tàu cá. Với công suất thiết kế 15 tấn/mẻ, bể được bố trí 301 khuôn đá (mỗi linh chứa 7 khuôn, tổng cộng 43 linh đá chia làm 2 dãy).

2. Môi chất lạnh và các thông số nhiệt động của chu trình được thiết kế ở giá trị nào? Hệ thống sử dụng môi chất amoniac ($NH_3$) với chu trình nén hơi 1 cấp: nhiệt độ bay hơi $t_o = -25^\circ\text{C}$ ($p_o = 1,515$ bar), nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 39^\circ\text{C}$ ($p_k = 15,548$ bar), nhiệt độ quá nhiệt hơi hút $5^\circ\text{C}$, nhiệt độ quá lạnh lỏng $5^\circ\text{C}$.

3. Bể đá sử dụng dàn bay hơi loại nào và dung dịch chất tải lạnh ra sao? Hệ thống sử dụng dàn lạnh kiểu xương cá ngập dịch model 40HIT có diện tích truyền nhiệt 40 m², gồm các ống $\Phi 38 \times 3,5$ mm uốn cong đặt ở ngăn giữa bể. Chất tải lạnh là dung dịch nước muối $NaCl$ nồng độ 25,7%, có nhiệt độ đóng băng $-31,2^\circ\text{C}$ (thấp hơn nhiệt độ sôi của môi chất để tránh đóng băng trên bề mặt ống).

4. Máy nén và thiết bị ngưng tụ được lựa chọn có mã hiệu và công suất như thế nào? Hệ thống sử dụng 02 máy nén Bitzer bán kín model 66FE-80Y-40P mắc song song với công suất lạnh 46,2 kW/máy (tổng công suất 92,4 kW, COP = 1,88). Thiết bị ngưng tụ là bình ngưng ống vỏ nằm ngang làm mát bằng nước model KTT-32 diện tích 32 m² (144 ống, lưu lượng nước làm mát 31 m³/h) kết hợp cùng tháp giải nhiệt Alpha 40RT công suất 156 kW.

5. Bình giữ mức - tách lỏng và cụm van điện từ - rơ le mức lỏng có chức năng gì? Bình giữ mức - tách lỏng có nhiệm vụ duy trì mức ngập dịch cho dàn lạnh xương cá và tách triệt để các hạt lỏng ra khỏi dòng hơi trước khi về máy nén nhằm chống hiện tượng ngập lỏng, va đập thủy lực. Cụm rơ le mức lỏng kiểu phao kết hợp van điện từ hoạt động theo nguyên lý bình thông nhau để tự động đóng/ngắt đường cấp lỏng khi mức dịch trong dàn thay đổi.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống lạnh - máy đá cây công suất 15 tấn/ngày" đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán nhiệt động và thiết kế kỹ thuật cho một trạm sản xuất đá cây công nghiệp theo đúng quy chuẩn ngành nhiệt lạnh. Kết quả tính toán đã xác lập đầy đủ kích thước hình học bể đá 301 khuôn 50 kg, thời gian đông đá 18,6 giờ, chu trình nén 1 cấp môi chất $NH_3$ ngập dịch và kiểm tra cách nhiệt chống đọng sương hiệu quả. Việc lựa chọn đồng bộ tổ hợp máy nén Bitzer 66FE-80Y-40P, bình ngưng KTT-32, dàn lạnh xương cá 40HIT cùng các thiết bị phụ trợ đã đảm bảo tính khả thi kỹ thuật và độ tin cậy vận hành cho toàn bộ hệ thống.