Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khu công nghiệp Quang Châu được thành lập theo Quyết định số 637/QĐ-TTg ngày 25/04/2006 của Thủ tướng Chính phủ, là một trong những trung tâm sản xuất công nghiệp tập trung quy mô lớn của tỉnh Bắc Giang với tổng diện tích 426 ha. Nằm trong hành lang kinh tế Nam Ninh – Lạng Sơn – Hà Nội – Hải Phòng – Quảng Ninh, tiếp giáp Quốc lộ 1A mới và sông Cầu, khu công nghiệp có khả năng tiếp nhận khoảng 200 nhà máy cùng lực lượng lao động thường trực ước tính 4 vạn người. Mật độ lao động cao đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc cung ứng suất ăn công nghiệp hàng ngày với khối lượng thực phẩm lớn, đòi hỏi quy trình tiếp nhận, sơ chế và bảo quản nghiêm ngặt.

Đặc điểm khí hậu miền Bắc Việt Nam mang tính chất nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, nhiệt độ và độ ẩm mùa hè tăng cao gây khó khăn cho việc bảo quản nông sản và thực phẩm tươi sống. Nếu không được bảo quản trong môi trường nhiệt độ thấp có kiểm soát, thịt và rau củ quả nhanh chóng bị phân hủy, biến chất và mất an toàn vệ sinh thực phẩm. Đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế một hệ thống kho lạnh kỹ thuật chuyên dụng cho nhà ăn công nhân, đáp ứng nhu cầu dự trữ thực phẩm dài ngày và ngắn ngày với mức chi phí đầu tư hợp lý, đảm bảo độ tin cậy vận hành.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định theo văn bản giao đề tài bao gồm 5 nội dung chính:

  1. Khảo sát công trình, xác định mặt bằng và lựa chọn các thông số tính toán khí hậu ngoài trời cũng như điều kiện vi khí hậu bên trong các buồng lạnh.
  2. Thiết kế kết cấu kiến trúc bao che, tính toán chiều dày cách nhiệt, kiểm tra hiện tượng đọng sương bề mặt ngoài và kiểm tra hiện tượng thẩm thấu đọng ẩm bên trong cấu trúc vách, trần, nền.
  3. Tính toán cân bằng nhiệt ẩm, xác định các thành phần dòng nhiệt tổn thất, từ đó tính phụ tải nhiệt cho thiết bị bay hơi và phụ tải nhiệt cho máy nén.
  4. Xây dựng chu trình nhiệt động học, tính chọn máy nén lạnh, môi chất lạnh và phương pháp giải nhiệt phù hợp.
  5. Tính chọn các thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị phụ, lập sơ đồ thi công lắp đặt và thiết kế hệ thống trang bị điện động lực, điều khiển tự động.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống kho lạnh hai buồng độc lập gồm buồng bảo quản thịt bán thân (kho đông) và buồng bảo quản rau, củ, quả (kho mát).
  • Phạm vi không gian: Công trình nhà ăn công nhân tại Khu công nghiệp Quang Châu. Mặt bằng kho bảo quản thịt bán thân có diện tích $S = 33,2\text{ m}^2$, chiều cao $h = 3,5\text{ m}$, dung tích tính toán $G = 116,2 \times 0,35 = 40,67\text{ tấn}$; kho bảo quản rau củ quả có diện tích $S = 33,2\text{ m}^2$, chiều cao $h = 3,5\text{ m}$, dung tích tính toán $G = 116,2 \times 0,25 = 29,05\text{ tấn}$.
  • Phạm vi thời gian: Điều kiện khí hậu tính toán được chọn vào tháng nóng nhất trong năm tại khu vực Bắc Ninh – Bắc Giang, phục vụ thiết kế kỹ thuật hoàn thành vào tháng 8 năm 2021.

Cơ sở tính toán và phương pháp thiết kế

Đồ án áp dụng hệ thống lý thuyết kỹ thuật nhiệt - điện lạnh chuyên ngành kết hợp các phương pháp tính toán nhiệt động lực học và truyền nhiệt:

  • Khung lý thuyết và công thức tính toán:
    • Công thức tính hệ số truyền nhiệt qua kết cấu bao che phẳng nhiều lớp: $$k = \frac{1}{\frac{1}{\alpha_1} + \sum_{i=1}^n \frac{\delta_i}{\lambda_i} + \frac{\delta_{cn}}{\lambda_{cn}} + \frac{1}{\alpha_2}}$$
    • Điều kiện kiểm tra chống đọng sương trên bề mặt ngoài: $k_t < k_s$, với $k_s = 0,95 \cdot \alpha_1 \frac{t_1 - t_s}{t_1 - t_2}$.
    • Điều kiện kiểm tra chống đọng ẩm trong cơ cấu cách nhiệt: phân áp suất hơi nước thực tế $P_x$ phải nhỏ hơn phân áp suất hơi nước bão hòa $P_{h\max}$ tại tất cả các điểm cắt tiếp xúc giữa các lớp vật liệu vách bao che.
    • Phương pháp cân bằng nhiệt phòng lạnh: xác định tổng nhiệt tải từ 5 dòng nhiệt thành phần $Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 + Q_5$, bao gồm dòng nhiệt qua kết cấu bao che ($Q_1$), dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra ($Q_2$), dòng nhiệt do thông gió ($Q_3$), dòng nhiệt phát sinh do vận hành ($Q_4$), và dòng nhiệt do quá trình hô hấp của rau quả ($Q_5$).
    • Chu trình nhiệt động học: Phân tích chu trình lạnh trên đồ thị $\lg P - h$. Chu trình nén 2 cấp làm mát trung gian một phần được áp dụng cho kho đông thịt; chu trình nén 1 cấp có bình hồi nhiệt được áp dụng cho kho mát rau củ quả.
  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:
    • Phương pháp phân tích, tổng hợp thông số khí hậu và vật lý kiến trúc.
    • Phương pháp tính toán giải tích kiểm tra điều kiện đọng sương và cân bằng khuếch tán ẩm.
    • Phương pháp tra cứu bảng biểu trạng thái nhiệt động của môi chất lạnh R404A và không khí ẩm.
    • Sử dụng phần mềm chuyên dụng Bitzer để tính chọn cụm máy nén dàn ngưng thương mại phù hợp với phụ tải tính toán.
  • Nguồn dữ liệu:
    • Số liệu khí hậu bên ngoài khu vực Bắc Ninh: nhiệt độ mùa hè $37,6^\circ\text{C}$ (chọn tính toán $41^\circ\text{C}$ sau khi cộng dự phòng $10%$), độ ẩm tương đối $83%$, nhiệt độ bầu ướt $t_ư = 34^\circ\text{C}$, nhiệt độ điểm sương $t_s = 38,5^\circ\text{C}$.
    • Bản vẽ mặt bằng kiến trúc phân khu chức năng nhà ăn công nhân tại KCN Quang Châu.
    • Các bảng tra thông số vật liệu xây dựng, vật liệu cách nhiệt (Polystyrol), vật liệu cách ẩm (Bitum), và chế độ bảo quản thực phẩm từ tài liệu kỹ thuật lạnh chuyên ngành.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp công nghệ

Căn cứ vào quy mô và đặc thù vận hành của nhà ăn công nhân, đồ án lựa chọn các giải pháp kỹ thuật cụ thể:

  • Kiến trúc mặt bằng và bố trí công nghệ: Hai kho lạnh được bố trí liền kề trên mặt bằng với diện tích mỗi buồng $33,2\text{ m}^2$, chiều cao thông thủy $3,5\text{ m}$. Hàng hóa được vận chuyển và xếp dỡ bằng phương pháp thủ công kết hợp xe đẩy nội bộ. Thịt bán thân sau sơ chế được treo trên móc bảo quản ở nhiệt độ $-24^\circ\text{C}$, độ ẩm $85%$; rau củ quả đóng bao bì tiêu chuẩn lưu trữ ở nhiệt độ $-5^\circ\text{C}$, độ ẩm $85%$.
  • Môi chất lạnh và phương pháp làm mát:
    • Chọn môi chất lạnh R404A: Đây là hỗn hợp môi chất gần đồng sôi không chứa gốc clo, chỉ số suy giảm tầng ozon ODP = 0. Môi chất này cho nhiệt độ cuối tầm nén thấp hơn R22 đến $9^\circ\text{C}$, tăng tuổi thọ dầu bôi trơn và cụm van cơ khí.
    • Phương pháp làm lạnh trực tiếp: Môi chất sôi trực tiếp bên trong ống của cụm dàn bay hơi gắn quạt đối lưu cưỡng bức đặt trong buồng lạnh, giúp tăng tốc độ trao đổi nhiệt và kết cấu gọn gàng.
    • Phương pháp giải nhiệt ngưng tụ: Sử dụng cụm dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí (giải nhiệt gió), có tính cơ động cao, loại bỏ hoàn toàn hệ thống xử lý nước làm mát phức tạp.
  • Kết cấu cách nhiệt, cách ẩm và chống đóng băng nền:
    • Tường bao: Gồm lớp vữa trát xi măng dày $0,02\text{ m}$, tường gạch $0,22\text{ m}$, lớp vữa lót $0,02\text{ m}$, hai lớp bitum chống ẩm với tổng chiều dày $0,034\text{ m}$, lớp cách nhiệt Polystyrol dày $0,2\text{ m}$ (đối với tường ngoài kho thịt), và lớp vữa lưới thép bảo vệ dày $0,02\text{ m}$.
    • Trần kho lạnh: Kết cấu bê tông cốt thép $0,1\text{ m}$, lót vữa trát, bitum chống ẩm, giấy dầu, lớp Polystyrol cách nhiệt dày $0,198\text{ m}$ và vữa lưới thép mặt trong.
    • Nền kho đông: Do chênh lệch nhiệt độ lớn giữa buồng $-24^\circ\text{C}$ và nền đất, hệ thống được thiết kế lớp bê tông tích hợp dây điện trở sưởi nhiệt duy trì mặt nền ở mức $4^\circ\text{C}$, ngăn chặn hiện tượng đóng băng gây nứt móng. Phía trên bố trí lớp cách nhiệt bằng sỏi và đất sét xốp dày $1\text{ m}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu và chọn thông số tính toán

Chương 1 trình bày tổng quan về vị trí địa lý, điều kiện giao thông và quy mô sản xuất của Khu công nghiệp Quang Châu (Bắc Ninh - Bắc Giang). Dựa trên tài liệu khí tượng, tác giả xác lập các thông số tính toán ngoài trời: nhiệt độ tính toán $41^\circ\text{C}$, độ ẩm $83%$, nhiệt độ đọng sương $38,5^\circ\text{C}$. Chương này đưa ra luận chứng lựa chọn phương pháp giải nhiệt bằng gió, phương pháp làm lạnh trực tiếp và xác lập chế độ vi khí hậu trong kho: kho bảo quản thịt bán thân vận hành ở $-24^\circ\text{C}$, độ ẩm $85%$ (thời gian lưu trữ 12 đến 18 tháng); kho rau củ quả vận hành ở $-5^\circ\text{C}$, độ ẩm $85%$ (thời gian lưu trữ 7 đến 10 ngày).

Chương 2: Mặt bằng kho lạnh. Cách nhiệt, cách ẩm kho lạnh

Chương 2 tính toán thể tích và tải trọng bảo quản của từng kho với thể tích mỗi buồng đạt $116,2\text{ m}^3$. Trọng tâm của chương là thiết lập công thức và tính toán chiều dày lớp cách nhiệt Polystyrol cho các vách bao che tiếp xúc với môi trường ngoài, tiếp xúc hành lang ($35^\circ\text{C}$) và vách ngăn giữa hai kho. Quá trình kiểm tra đọng ẩm vách ngoài kho đông cho thấy:

  • Phương án A (chỉ dùng 1 lớp bitum dày $0,004\text{ m}$): phân áp suất hơi nước thực tế tại mặt tiếp xúc lớp thứ 6 đạt $P_{x6} = 100,75\text{ Pa}$, vượt quá phân áp suất bão hòa $P_{h6\max} = 83,75\text{ Pa}$, dẫn đến hiện tượng đọng ẩm phá hủy vật liệu.
  • Phương án B (bổ sung thêm một lớp cách ẩm dày $0,03\text{ m}$, đưa tổng trở lực ẩm $H$ từ $0,034$ lên $0,069\text{ m}^2\text{hMPa/g}$): phân áp suất thực giảm xuống $P_{x6} = 79,65\text{ Pa} < 83,75\text{ Pa}$, thỏa mãn điều kiện cách ẩm.

Kết quả tính toán chiều dày cách nhiệt thực tế: tường ngoài kho thịt chọn $\delta_{cn} = 0,2\text{ m}$ ($k_t = 0,21\text{ W/m}^2\text{K}$); trần kho chọn $\delta_{cn} = 0,198\text{ m}$ ($k_t = 0,22\text{ W/m}^2\text{K}$); lớp cách nhiệt sỏi xốp nền sưởi điện chọn dày $1\text{ m}$ ($k = 0,21\text{ W/m}^2\text{K}$). Mọi kết cấu đều vượt qua kiểm tra hệ số truyền nhiệt đọng sương ($k_t < k_s$).

Chương 3: Tính cân bằng nhiệt cho kho lạnh

Chương 3 xác định định lượng các tổn thất nhiệt truyền vào kho. Kết quả tính toán các thành phần nhiệt tải được trình bày chi tiết:

  • Kho bảo quản thịt bán thân: Dòng nhiệt qua kết cấu bao che $Q_1 = Q_{11} = 1,514\text{ kW}$ ($Q_{12} = 0$ do có mái che và hướng che chắn); dòng nhiệt do làm lạnh sản phẩm từ $38^\circ\text{C}$ xuống $-22^\circ\text{C}$ là $Q_{21} = 3,831\text{ kW}$ ($Q_{22} = 0$ do treo thịt không dùng bao bì); nhiệt thông gió $Q_3 = 0$; nhiệt vận hành $Q_4 = 4,37\text{ kW}$ (chiếu sáng $0,0398\text{ kW}$, 3 người làm việc $1,05\text{ kW}$, động cơ quạt $2,55\text{ kW}$, mở cửa $0,73\text{ kW}$); nhiệt hô hấp $Q_5 = 0$. Tổng tải nhiệt thiết bị đạt $Q_{TB} = 9,715\text{ kW}$. Tải nhiệt máy nén $Q_{MN} = 1,0 \cdot Q_1 + 0,6 \cdot Q_2 + 0,75 \cdot Q_4 = 7,1\text{ kW}$. Năng suất lạnh máy nén yêu cầu với hệ số thời gian làm việc $b = 0,9$ là $Q_{0kd} = 8,43\text{ kW}$.
  • Kho bảo quản rau củ quả: Dòng nhiệt bao che $Q_1 = 0,88\text{ kW}$; nhiệt do sản phẩm hạ nhiệt từ $20^\circ\text{C}$ xuống $-5^\circ\text{C}$ và nhiệt từ bao bì là $Q_2 = 15,69\text{ kW}$; dòng nhiệt do thông gió đối lưu (bội số 3 lần/ngày) là $Q_3 = 0,4\text{ kW}$; nhiệt vận hành $Q_4 = 4,6\text{ kW}$ (chiếu sáng $0,07\text{ kW}$, người $1,05\text{ kW}$, động cơ $2,55\text{ kW}$, mở cửa $0,962\text{ kW}$); nhiệt hô hấp của $29,05\text{ tấn}$ rau củ là $Q_5 = 0,755\text{ kW}$. Phụ tải nhiệt máy nén $Q_{MN} = 14,65\text{ kW}$. Năng suất lạnh máy nén yêu cầu với $b = 0,9$ là $Q_{0kl} = 17,1\text{ kW}$.

Chương 4: Tính chọn máy nén

Chương 4 thực hiện phân tích chu trình nhiệt động học và thiết lập bảng thông số trạng thái tại các điểm nút:

  • Kho thịt bán thân: Nhiệt độ sôi $t_0 = -33^\circ\text{C}$ ($p_0 = 1,849\text{ bar}$), nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 54^\circ\text{C}$ ($p_k = 25,064\text{ bar}$). Tỷ số nén $\pi = 25,064 / 1,849 = 13,55 > 9$, bắt buộc áp dụng chu trình nén 2 cấp. Áp suất trung gian tính được $p_{tg} = \sqrt{25,064 \times 1,849} = 6,8\text{ bar}$ ($t_{tg} \approx 3^\circ\text{C}$). Năng suất lạnh riêng khối lượng $q_0 = 132,53\text{ kJ/kg}$, hệ số lạnh chu trình $\varepsilon = 1,787$. Lưu lượng môi chất nén hạ áp $m_1 = 0,0636\text{ kg/s}$, lưu lượng cao áp $m_4 = 0,0756\text{ kg/s}$. Tổng công suất tiếp điện của hai cấp nén là $N_{el} = 7,5\text{ kW}$, công suất động cơ điện lắp đặt chọn an toàn với hệ số 1,2 là $N_{d/c} = 9\text{ kW}$.
  • Kho rau củ quả: Nhiệt độ sôi $t_0 = -14^\circ\text{C}$ ($p_0 = 3,765\text{ bar}$), nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 54^\circ\text{C}$ ($p_k = 25,064\text{ bar}$). Tỷ số nén $\pi = 25,064 / 3,765 = 6,657 < 9$, chọn chu trình 1 cấp có bình hồi nhiệt. Năng suất lạnh riêng $q_0 = 125,85\text{ kJ/kg}$, hệ số lạnh $\varepsilon = 2,475$. Lưu lượng môi chất $m = 0,136\text{ kg/s}$. Công suất chỉ thị $N_i = 8,88\text{ kW}$, công suất động cơ điện lắp đặt $N_{d/c} = 13,38\text{ kW}$, tổng nhiệt thải ở dàn ngưng $Q_k = 33,25\text{ kW}$.

Chương 5: Tính chọn các thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị phụ

Chương 5 ứng dụng phần mềm chọn máy nén Bitzer và tính toán thủy lực để lựa chọn thiết bị công nghiệp:

  • Cụm máy nén dàn ngưng kho thịt: Chọn cụm máy nén 2 cấp Bitzer giải nhiệt gió có công suất lạnh $8,81\text{ kW}$ (đáp ứng yêu cầu $8,43\text{ kW}$), công suất điện vào $6,26\text{ kW}$, dòng điện định mức $10,27\text{ A}$ (nguồn điện 3 pha $380 - 420\text{V}$), lưu lượng tuần hoàn $249\text{ kg/h}$, nhiệt độ ngưng tụ bão hòa đầu đẩy $48,1^\circ\text{C}$, độ quá lạnh lỏng $3\text{ K}$.
  • Hệ thống thiết bị phụ cho kho đông: Dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức, bình hồi nhiệt, bình làm mát trung gian kiểu ngâm, bình quá lạnh ống lồng ống, bình tách lỏng, phin sấy lọc, van điện từ và kính xem gas trên đường ống lỏng.
  • Thiết bị cho kho rau củ quả: Cụm máy nén dàn ngưng 1 cấp công suất tương thích với năng suất lạnh $17,1\text{ kW}$, dàn bay hơi làm lạnh không khí đối lưu, bình hồi nhiệt, van tiết lưu nhiệt tự động cân bằng ngoài.

Chương 6: Thi công lắp đặt

Chương 6 mô tả quy trình xây dựng dân dụng và lắp ráp cơ điện lạnh theo trình tự kỹ thuật:

  • Thi công nền móng, đổ khung bê tông cốt thép, dựng kết cấu đỡ mái và lợp tôn chống nắng.
  • Lắp đặt các tấm cách nhiệt và xử lý mối ghép bằng keo chuyên dụng; lắp đặt cụm máy nén dàn ngưng trên bệ móng bê tông có đệm cao su giảm chấn; treo dàn lạnh trên trần buồng lạnh bằng ty treo ren mạ kẽm.
  • Thi công hệ thống đường ống môi chất đồng: thực hiện quy trình thổi sạch mạt kim loại và bụi bằng khí nitơ khô; thử xì toàn hệ thống dưới áp lực thử tiêu chuẩn; tiến hành hút chân không triệt để đạt độ sâu nhằm loại bỏ hoàn toàn hơi ẩm không ngưng; nạp gas lỏng R404A qua van nạp chuyên dụng có cân định lượng và đồng hồ áp suất.
  • Thiết lập quy trình vận hành chạy thử không tải, có tải và quy định lịch trình bảo dưỡng định kỳ đối với máy nén, bề mặt trao đổi nhiệt của dàn ngưng và quạt dàn lạnh.

Chương 7: Thiết kế hệ thống tự động hóa

Chương 7 trình bày giải pháp trang bị mạch điện động lực và mạch điều khiển:

  • Bố trí tủ điện cấp nguồn 3 pha với các thiết bị đóng cắt aptomat, khởi động từ và rơ le nhiệt bảo vệ quá dòng cho động cơ máy nén và quạt gió.
  • Mạch điều khiển tự động duy trì nhiệt độ buồng lạnh thông qua cảm biến nhiệt độ (thermostat) kết hợp van điện từ ngắt/mở dòng môi chất lỏng trước van tiết lưu.
  • Hệ thống rơ le áp suất kép (áp suất cao HP và áp suất thấp LP) tự động ngắt nguồn cấp cho cuộn hút máy nén khi áp suất ngưng tụ vượt ngưỡng an toàn ($> 25\text{ bar}$) hoặc khi áp suất hút giảm quá sâu do thiếu gas hoặc tắc nghẽn.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật kho lạnh công nghiệp phục vụ nhà ăn công nhân với các kết quả cụ thể:

Thông số kỹ thuật chính Kho bảo quản thịt bán thân Kho bảo quản rau, củ, quả
Chế độ nhiệt độ buồng bảo quản $-24^\circ\text{C}$ $-5^\circ\text{C}$
Độ ẩm tương đối $85%$ $85%$
Kích thước mặt bằng ($S \times h$) $33,2\text{ m}^2 \times 3,5\text{ m}$ $33,2\text{ m}^2 \times 3,5\text{ m}$
Dung tích bảo quản $40,67\text{ tấn}$ $29,05\text{ tấn}$
Môi chất lạnh sử dụng R404A R404A
Kiểu chu trình nén 2 cấp nén 1 cấp nén có bình hồi nhiệt
Áp suất bay hơi ($p_0$) / ngưng tụ ($p_k$) $1,849\text{ bar}$ / $25,064\text{ bar}$ $3,765\text{ bar}$ / $25,064\text{ bar}$
Tỷ số nén ($\pi$) $13,55$ $6,657$
Hệ số làm lạnh chu trình ($\varepsilon$) $1,787$ $2,475$
Tải nhiệt thiết bị ($Q_{TB}$) $9,715\text{ kW}$ $3,126\text{ kW}$ (theo văn bản)
Tải nhiệt máy nén ($Q_{MN}$) $7,1\text{ kW}$ $14,65\text{ kW}$
Năng suất lạnh máy nén yêu cầu ($Q_0$) $8,43\text{ kW}$ $17,1\text{ kW}$
Công suất động cơ điện lắp đặt $9\text{ kW}$ $13,38\text{ kW}$
Phương pháp giải nhiệt ngưng tụ Không khí (giải nhiệt gió) Không khí (giải nhiệt gió)

Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Giải pháp cấu tạo vách cách ẩm: Chứng minh bằng tính toán sự cần thiết phải bổ sung lớp bitum chống ẩm thứ hai dày $0,03\text{ m}$, giải quyết triệt để nguy cơ ngưng đọng ẩm trong lớp cách nhiệt của kho đông.
  • Giải pháp chống đông đất: Ứng dụng lớp sưởi điện nhiệt trở ($4^\circ\text{C}$) trong kết cấu bê tông nền kết hợp lớp cách nhiệt sỏi xốp dày $1\text{ m}$, ngăn chặn hiện tượng băng trương nở làm hỏng móng công trình.
  • Đóng góp kỹ thuật: Cung cấp bộ hồ sơ tính toán hoàn chỉnh kết hợp giữa lý thuyết truyền nhiệt nhiệt động học và phần mềm Bitzer, đưa ra quy trình công nghệ lắp đặt, hút chân không, nạp gas và trang bị mạch tự động hóa hoàn chỉnh cho hệ thống lạnh công nghiệp quy mô vừa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo tự nhận định của tác giả trong lời nói đầu và phạm vi tính toán của văn bản:

  • Hạn chế: Do tác giả chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế tại hiện trường, các thông số tính toán phụ tải vận hành (công suất quạt, số người làm việc, tần suất mở cửa) chủ yếu dựa trên các hệ số kinh nghiệm và giả định theo quy chuẩn lý thuyết. Đồ án chưa khảo sát sự dao động phụ tải nhiệt theo từng khung giờ thực tế trong ngày hoặc theo chu kỳ các mùa khác nhau trong năm. Khâu bốc dỡ hàng hóa vẫn sử dụng phương pháp thủ công, chưa cơ giới hóa đồng bộ.
  • Hướng phát triển mở rộng: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ máy nén biến tần (Inverter) nhằm điều chỉnh linh hoạt năng suất lạnh theo phụ tải thực tế, giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ; tích hợp hệ thống điều khiển thông minh và giám sát từ xa (SCADA/IoT) để cảnh báo rò rỉ gas và theo dõi sai lệch nhiệt độ buồng lạnh theo thời gian thực; nghiên cứu thiết kế hệ thống bốc xếp hàng hóa cơ giới hóa bán tự động cho các nhà ăn công nghiệp quy mô lớn hơn.

Giá trị tham khảo

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

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Cơ điện lạnh đang thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế kho bảo quản thực phẩm.
  • Các kỹ sư thiết kế hệ thống HVACR tham khảo phương pháp tính toán kiểm tra đọng sương, đọng ẩm cho kết cấu bao che nhiều lớp và quy trình tính chu trình nén 2 cấp dùng môi chất R404A.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Bảng tính toán kiểm tra phân áp suất hơi nước thực tế so với áp suất bão hòa tại Chương 2 (minh chứng phương pháp giải quyết bài toán chống ẩm trong kết cấu cách nhiệt).
    • Phương pháp xây dựng chu trình và lập bảng thông số trạng thái nút trên đồ thị $\lg P - h$ của chu trình lạnh hai cấp nén tại Chương 4.
    • Hướng dẫn các bước thi công thực tế: quy trình thổi bụi, thử xì đường ống bằng nitơ, hút chân không sâu và kỹ thuật nạp gas lỏng R404A an toàn tại Chương 6.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao kho bảo quản thịt bán thân phải dùng chu trình nén 2 cấp trong khi kho bảo quản rau củ chỉ dùng chu trình 1 cấp? Căn cứ vào tỷ số nén $\pi = \frac{p_k}{p_0}$. Kho thịt có nhiệt độ bay hơi $t_0 = -33^\circ\text{C}$ ($p_0 = 1,849\text{ bar}$) và áp suất ngưng tụ $p_k = 25,064\text{ bar}$, dẫn đến tỷ số nén $\pi = 13,55 > 9$. Khi tỷ số nén vượt quá 9, nhiệt độ cuối tầm nén tăng cao và hiệu suất thể tích của máy nén giảm mạnh, bắt buộc phải chia thành 2 cấp nén có làm mát trung gian ($p_{tg} = 6,8\text{ bar}$). Ngược lại, kho rau củ có nhiệt độ bay hơi $t_0 = -14^\circ\text{C}$ ($p_0 = 3,765\text{ bar}$), tỷ số nén $\pi = 6,657 < 9$, do đó chu trình 1 cấp có bình hồi nhiệt hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật.

  2. Quá trình kiểm tra đọng ẩm tại vách ngoài kho đông đã phát hiện vấn đề gì và được xử lý như thế nào? Khi kiểm tra phương án kết cấu bao che ban đầu (Phương án A chỉ có 1 lớp cách ẩm bitum $0,004\text{ m}$), phân áp suất hơi nước thực tế tại mặt tiếp xúc lớp thứ 6 là $P_{x6} = 100,75\text{ Pa}$, lớn hơn phân áp suất bão hòa $P_{h6\max} = 83,75\text{ Pa}$. Hiện tượng này sẽ làm hơi nước ngưng đọng bên trong cấu trúc vách, làm ướt sũng và phá hủy khả năng cách nhiệt của tấm Polystyrol. Tác giả đã xử lý bằng Phương án B: bổ sung thêm một lớp bitum dày $0,03\text{ m}$, nâng tổng trở kháng khuếch tán ẩm lên $0,069\text{ m}^2\text{hMPa/g}$, làm giảm áp suất thực xuống $P_{x6} = 79,65\text{ Pa} < 83,75\text{ Pa}$, đảm bảo chống ẩm tuyệt đối.

  3. Tại sao nền kho đông bảo quản thịt bán thân phải bố trí hệ thống sưởi điện? Nhiệt độ bên trong buồng thịt duy trì ở mức $-24^\circ\text{C}$, tạo ra dòng nhiệt thẩm thấu liên tục từ lòng đất lên buồng lạnh qua kết cấu đáy. Nếu không có biện pháp sưởi ấm, nước ngầm trong đất dưới nền kho sẽ bị đóng băng theo thời gian. Sự nở thể tích khi nước hóa đá tạo ra áp lực đẩy nền kho phồng rộp, nứt gãy sàn bê tông và phá hủy kết cấu móng. Việc trang bị các thanh điện trở sưởi duy trì lớp bê tông đáy ở nhiệt độ khoảng $4^\circ\text{C}$ giúp triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ đóng băng nền đất.

  4. Môi chất R404A được lựa chọn thay thế các môi chất cũ dựa trên các tiêu chí nào? R404A là hỗn hợp môi chất gần đồng sôi không chứa chlorine, có chỉ số phá hủy tầng ozon ODP = 0, đáp ứng các tiêu chuẩn bảo vệ môi trường. So với các môi chất truyền thống như R502 hay R22, R404A có đặc tính truyền nhiệt tốt hơn, đồng thời nhiệt độ cuối tầm nén thấp hơn tới $9^\circ\text{C}$, giúp hạ thấp nhiệt độ làm việc của cụm van nén và bảo vệ dầu bôi trơn không bị thoái hóa nhiệt, gia tăng đáng kể tuổi thọ cơ khí của máy nén.

  5. Tải nhiệt máy nén của kho thịt bán thân được tính toán khác với tải nhiệt thiết bị bay hơi như thế nào? Tải nhiệt thiết bị bay hơi ($Q_{TB} = 9,715\text{ kW}$) được lấy bằng tổng đại số của tất cả các tổn thất nhiệt thành phần ($Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 + Q_5$) nhằm đảm bảo diện tích trao đổi nhiệt đủ lớn trong mọi tình huống. Trong khi đó, tải nhiệt máy nén ($Q_{MN} = 7,1\text{ kW}$) có tính đến yếu tố các tải nhiệt cực đại không xuất hiện đồng thời trong thực tế vận hành. Cụ thể, đối với kho thịt, công thức chỉ lấy $100% Q_1$, $60% Q_2$ và $75% Q_4$, tránh việc chọn máy nén có công suất thừa quá mức gây lãng phí chi phí đầu tư và giảm hiệu suất vận hành.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hoàng Huy đã xây dựng hoàn chỉnh phương án thiết kế hệ thống kho lạnh hai buồng bảo quản thịt bán thân và rau củ quả phục vụ nhà ăn công nhân Khu công nghiệp Quang Châu. Công trình đã giải quyết thấu đáo các bài toán kỹ thuật trọng tâm: từ tính toán cách nhiệt - cách ẩm chống đọng sương, cân bằng phụ tải nhiệt, cho đến phân tích nhiệt động chu trình 1 cấp và 2 cấp dùng gas R404A kết hợp chọn thiết bị Bitzer. Các nội dung về quy trình lắp đặt, thử xì chân không và trang bị mạch tự động hóa cung cấp cơ sở kỹ thuật rõ ràng, mang giá trị tham khảo thiết thực cho công tác thiết kế và thi công hệ thống cơ điện lạnh công nghiệp.