Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành chế biến và xuất khẩu thủy hải sản đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu kinh tế tại các tỉnh duyên hải miền Trung, đặc biệt là khu vực tỉnh Quảng Nam. Bạch tuộc sau quá trình sơ chế và chế biến nếu không được kiểm soát nghiêm ngặt về nhiệt độ sẽ nhanh chóng suy giảm phẩm chất do hoạt động của các hệ vi sinh vật và quá trình tự phân giải sinh hóa. Trong bảo quản lạnh, nhiệt độ thấp không triệt tiêu hoàn toàn vi sinh vật mà chỉ kìm hãm sự phát triển của chúng; một số chủng ưa lạnh tiêu biểu như Pseudomonas gây biến đổi sắc tố làm thẫm màu sản phẩm, hay các loại nấm mốc (Penicillium, Mucor) vẫn có khả năng sinh trưởng ở mức nhiệt từ -15°C đến -80°C. Do đó, việc hạ sâu nhiệt độ tâm sản phẩm xuống mức -18°C đến -20°C là điều kiện kỹ thuật bắt buộc nhằm ức chế phần lớn hệ vi sinh vật và kéo dài thời hạn thương phẩm.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế của Công ty TNHH Đông Phương tại Quảng Nam, đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt (chuyên ngành Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh) của tác giả Đặng Phạm Thôi tập trung giải quyết bài toán thiết kế một hệ thống kho lạnh trữ đông hoàn chỉnh phục vụ mặt hàng bạch tuộc đã qua chế biến.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể theo đề cương giao việc:
- Giới thiệu tổng quan về phương pháp làm lạnh, các biến đổi của thực phẩm và chế độ bảo quản đông thủy hải sản;
- Tính toán các loại nhiệt thừa, ẩm thừa, phân tích đặc tính công nghệ của đối tượng sản phẩm bạch tuộc;
- Xác định dung tích, kích thước hình học kho lạnh và tính toán kiểm tra kết cấu cách nhiệt, cách ẩm chống đọng sương;
- Thành lập sơ đồ nguyên lý, biểu diễn chu trình nhiệt động trên đồ thị $T-s$ và $\ln P-h$, tính toán các thông số nhiệt động của chu trình và máy nén;
- Tính chọn máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và các cụm thiết bị phụ trợ (bình chứa cao áp, bình tách dầu, bình hồi nhiệt, tháp làm mát, bơm nước, phin lọc);
- Thiết lập phương án bố trí mặt bằng, lắp đặt kết cấu panel, đường ống và xây dựng quy trình vận hành, bảo dưỡng hệ thống.
Đối tượng nghiên cứu là kho lạnh trữ đông dung tích 10 tấn bạch tuộc sau chế biến. Phạm vi không gian đặt tại mặt bằng sản xuất của Công ty TNHH Đông Phương trên địa bàn tỉnh Quảng Nam. Về mặt kỹ thuật, hệ thống sử dụng môi chất làm lạnh R410A vận hành theo chu trình nén hơi một cấp có bình hồi nhiệt, bảo đảm duy trì nhiệt độ bảo quản trong buồng ở mức -18°C đến -20°C với độ ẩm tương đối 90%.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế
Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết nhiệt động lực học kỹ thuật, truyền nhiệt và kỹ thuật lạnh thực phẩm, kết hợp các quy chuẩn ngành theo tài liệu chuyên khảo của PGS.TS. Nguyễn Đức Lợi.
Cơ sở lý thuyết làm lạnh thực phẩm phân tích sâu ba nhóm nguyên nhân gây hư hỏng: tác động của enzyme nội tại, sự xâm nhập của vi sinh vật bên ngoài và độc tố sinh ra trong thực phẩm. Về mặt sinh hóa, động vật thủy sản sau khi đánh bắt và giết mổ trải qua ba giai đoạn: tê cóng, chín tới (ở cá và thủy sản thường chuyển biến rất nhanh) và phân hủy sâu sắc (thối rữa). Quá trình kết đông giúp chuyển đổi phần lớn nước tự do trong mô tế bào thành tinh thể đá; tại -10°C có 84% nước đóng băng, ở -20°C đạt 90%, và chỉ kết tinh toàn bộ khi xuống -60°C. Đối với bạch tuộc trữ đông, đồ án ứng dụng nguyên lý kết đông nhanh nhằm giữ các tinh thể đá có kích thước mịn, tránh phá vỡ màng tế bào, hạn chế tình trạng thất thoát dịch bào khi rã đông.
Về môi chất lạnh, nghiên cứu lựa chọn gas R410A thay thế cho dòng môi chất cũ R22. R410A là hỗn hợp cận azeotropic gồm 50% R32 và 50% R125 tính theo khối lượng, thuộc nhóm HFC, không chứa clo nên chỉ số phá hủy tầng ozon bằng 0 (ODP = 0), mức độ an toàn nhóm A1, không độc hại và không cháy nổ. Tuy nhiên, R410A vận hành ở dải áp suất cao hơn R22 và bắt buộc phải dùng dầu bôi trơn tổng hợp gốc polyol ester (POE) có đặc tính hút ẩm gấp 20 lần dầu khoáng, đòi hỏi quy trình lắp đặt, hút chân không và thử kín nghiêm ngặt.
Phương pháp tính toán kỹ thuật áp dụng xuyên suốt đồ án bao gồm:
- Phương pháp tính toán dung tích kho dựa trên tải trọng định mức $g_v$ và hệ số diện tích sử dụng $\beta_F$;
- Phương pháp truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp để xác định chiều dày lớp cách nhiệt Polyurethane (PU), kết hợp phương pháp kiểm tra điều kiện đọng sương trên bề mặt ngoài;
- Phương pháp lập bảng cân bằng nhiệt để xác định tổng phụ tải nhiệt của kho lạnh qua các nguồn tổn thất thành phần;
- Phương pháp tra cứu bảng thông số nhiệt động của môi chất R410A kết hợp biểu diễn chu trình trên đồ thị logarit áp suất - enthalpy ($\ln P-h$) để tính toán các thông số làm việc của máy nén.
Nguồn dữ liệu ban đầu dựa trên các thông số khí tượng tại Quảng Nam: nhiệt độ môi trường thiết kế bên ngoài $t_1 = 30^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối không khí $\varphi = 74%$, nhiệt độ điểm sương tương ứng tra trên đồ thị ẩm ($i-d$) là $t_s = 25^\circ\text{C}$.
Thiết kế kỹ thuật và tính toán hệ thống
Đồ án thuộc loại hình thiết kế kỹ thuật hệ thống cơ điện lạnh, do đó phần tính toán công nghệ và lựa chọn thiết bị được tác giả triển khai chi tiết qua các bước chuẩn hóa:
| Hạng mục thông số | Công thức / Căn cứ tính toán | Giá trị tính toán | Giá trị quy chuẩn chọn |
|---|---|---|---|
| Năng suất kho trữ ($E$) | Yêu cầu thiết kế | 10 tấn | 10 tấn |
| Định mức chất tải ($g_v$) | Định mức bạch tuộc bảo quản | 0,45 tấn/m³ | 0,45 tấn/m³ |
| Thể tích kho lạnh ($V$) | $V = E / g_v$ | 22,22 m³ | 22,22 m³ |
| Chiều cao chất tải ($h_{ct}$) | $h_{ct} = h_{tt} - 0{,}5\text{ m}$ | 2,1 m | 2,1 m (chiều cao kho 3 m) |
| Diện tích chất tải ($F_{ct}$) | $F_{ct} = V / h_{ct}$ | 10,58 m² | 10,58 m² |
| Diện tích xây dựng ($F_{XD}$) | $F_{XD} = F_{ct} / \beta_F$ ($\beta_F = 0{,}72$) | 14,69 m² | Kích thước phòng: 6 m × 5 m = 30 m² |
| Chiều dày cách nhiệt PU | Tính từ hệ số $k = 0{,}21\text{ W/m}²\text{K}$ | 105,9 mm | Chọn tấm tiêu chuẩn: $\delta_{cn} = 125\text{ mm}$ |
| Hệ số truyền nhiệt thực ($k_t$) | Vách panel PU 125 mm | 0,178 W/m²K | Thỏa mãn $k_t < K_s = 2{,}21\text{ W/m}²\text{K}$ |
Kết cấu bao che buồng lạnh được thiết kế dạng panel ghép tiêu chuẩn kích thước tấm rộng 1,2 m và cao 3 m, cấu tạo 5 lớp: 2 lớp tôn lá mạ màu dày 1,5 mm ($\lambda = 45{,}36\text{ W/mK}$), 2 lớp sơn bảo vệ dày 0,5 mm ($\lambda = 0{,}291\text{ W/mK}$) và lõi xốp Polyurethane dày 125 mm ($\lambda = 0{,}023\text{ W/mK}$). Các tấm panel được liên kết kín khít bằng khóa camlocking và mộng âm dương.
Phụ tải nhiệt của kho trữ đông được xác định bằng cách cộng dồn các dòng nhiệt xâm nhập vào buồng:
| Thành phần dòng nhiệt | Ký hiệu | Căn cứ và công thức xác định | Giá trị tổn thất (W) |
|---|---|---|---|
| Tổn thất qua kết cấu bao che | $Q_1$ | $Q_1 = \sum (k_i \cdot F_i \cdot \Delta t_i)$; vách tường (587,4 W), trần (267 W), nền (267 W) | 1.121,4 |
| Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra | $Q_{21}$ | $M = 0{,}08 \times E = 0{,}8\text{ tấn/ngày}$; làm lạnh từ -12°C xuống -20°C | 0,46 |
| Dòng nhiệt do bao bì tỏa ra | $Q_{22}$ | Khối lượng bìa carton $M_b = 10% M = 0{,}16\text{ tấn}$; $C_b = 1.460\text{ J/kgK}$ | 27,04 |
| Tổn thất do thông gió | $Q_3$ | Kho bảo quản đông thủy sản, không phát sinh hô hấp | 0 |
| Nhiệt do chiếu sáng | $Q_{41}$ | Suất tỏa nhiệt $A = 1{,}2\text{ W/m}² \times 30\text{ m}²$ | 36,0 |
| Nhiệt do người làm việc | $Q_{42}$ | $n = 2\text{ người}$, cường độ lao động nặng $350\text{ W/người}$ | 700,0 |
| Nhiệt do động cơ điện | $Q_{43}$ | Động cơ quạt dàn lạnh trong phòng | 3.000,0 |
| Nhiệt do mở cửa kho | $Q_{44}$ | Suất mở cửa $B = 15\text{ W/m}² \times 30\text{ m}²$ | 450,0 |
| Tổng phụ tải lạnh yêu cầu | $Q$ | $Q = Q_1 + Q_2 + Q_4$ (kèm biên độ an toàn) | 5.334,9 (chọn $Q_0 = 5{,}5\text{ kW}$) |
Về chu trình nhiệt động, do tỷ số nén của chu trình là $\Pi = p_k / p_0 = 23{,}035 / 3{,}993 = 5{,}76 < 8$, tác giả lựa chọn chu trình nén hơi một cấp có lắp đặt bình hồi nhiệt. Thiết bị hồi nhiệt thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng lỏng cao áp sau bình ngưng và dòng hơi hút hạ áp từ dàn bay hơi về máy nén, vừa tạo độ quá lạnh dòng lỏng ($t_{3'} = 33^\circ\text{C}$), vừa tạo độ quá nhiệt dòng hơi hút ($t_{1'} = -15^\circ\text{C}$) nhằm ngăn ngừa tuyệt đối nguy cơ hút phải ẩm gây ra hiện tượng thủy kích phá hỏng xi lanh máy nén.
| Điểm nút | Áp suất $P$ (bar) | Nhiệt độ $t$ (°C) | Enthalpy $h$ (kJ/kg) | Entropy $s$ (kJ/kgK) | Thể tích riêng $v$ (m³/kg) | Trạng thái môi chất |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 3,993 | -20,00 | 414,08 | 1,8516 | 0,0649 | Hơi bão hòa khô |
| 1’ | 3,993 | -15,00 | 418,12 | 1,8670 | 0,0678 | Hơi quá nhiệt |
| 2 | 23,035 | 70,81 | 469,48 | 1,8670 | 0,0137 | Hơi quá nhiệt sau nén |
| 3 | 23,035 | 38,00 | 262,65 | 1,2095 | 0,0010 | Lỏng bão hòa |
| 3’ | 23,035 | 33,00 | 253,66 | 1,1813 | 0,0010 | Lỏng chưa sôi (quá lạnh) |
| 4 | 3,993 | -20,00 | 253,66 | 1,2170 | 0,0227 | Hỗn hợp hơi ẩm |
Các chỉ tiêu nhiệt động và cơ khí tính toán được:
- Năng suất lạnh riêng khối lượng: $q_0 = h_{1'} - h_4 = 418{,}12 - 253{,}66 = 164{,}46\text{ kJ/kg}$;
- Lưu lượng khối lượng môi chất tuần hoàn: $G = Q_0 / q_0 = 5{,}5 / 164{,}46 = 0{,}033\text{ kg/s}$;
- Hệ số cấp máy nén: $\lambda = 0{,}636$ (tổng hợp từ hệ số tổn thất tiết lưu $\lambda_{lt} = 0{,}98$, rò rỉ $\lambda_r = 0{,}98$, đốt nóng hơi hút $\lambda_w = 0{,}881$ và thể tích chết $\lambda_c = 0{,}8096$ ứng với tỷ lệ thể tích chết $c = 0{,}04$);
- Hiệu suất chỉ thị: $\eta_i = 0{,}813$; hiệu suất truyền động đai $\eta_{td} = 0{,}95$; hiệu suất động cơ điện $\eta_{el} = 0{,}9$;
- Hệ số làm lạnh của chu trình: $\text{COP} = q_0 / l = 164{,}46 / 51{,}67 \approx 3{,}182$.
Thiết bị ngưng tụ được tính chọn là dạng bình ngưng ống chùm nằm ngang giải nhiệt bằng nước, hệ số truyền nhiệt $K = 700\text{ W/m}²\text{K}$. Nước làm mát vào bình ở nhiệt độ 30°C và ra ở 35°C, kết hợp tuần hoàn qua tháp giải nhiệt. Thiết bị bay hơi là dàn quạt đối lưu cưỡng bức đặt trực tiếp trong buồng lạnh. Hệ thống phụ trợ bố trí hoàn chỉnh bao gồm bình chứa lỏng cao áp, bình tách dầu trên đường đẩy, phin lọc sấy và bình hồi nhiệt kiểu ống lồng ống.
Nội dung chính theo từng chương
Mở đầu
Phần mở đầu nêu rõ tầm quan trọng của công nghệ lạnh trong chuỗi bảo quản nông thủy sản, phân tích hoạt động của các chủng nấm men, nấm mốc và vi khuẩn ở dải nhiệt độ âm sâu. Tác giả khẳng định yêu cầu bắt buộc phải hạ nhiệt độ thực phẩm xuống -18°C nhằm vô hiệu hóa phần lớn tác nhân gây hỏng, đồng thời nêu bật sự cần thiết của việc xây dựng kho lạnh tại các đơn vị chế biến thủy sản ven biển.
Chương 1: Tổng quan
Nội dung chương tập trung vào cơ sở lý thuyết kỹ thuật lạnh thực phẩm và môi chất lạnh:
- Khảo sát các dạng biến đổi lý học (chủ yếu là sự khô hao bốc hơi ẩm làm giảm khối lượng thương phẩm), biến đổi hóa học, sinh lý và các pha sinh hóa sau giết mổ;
- So sánh các phương pháp kết đông: kết đông chậm (0,1–0,5 cm/h làm vỡ cấu trúc mô), kết đông nhanh (0,5–5 cm/h giữ nguyên vẹn tế bào) và kết đông cực nhanh bằng khí hóa lỏng;
- Đánh giá các tiêu chuẩn của môi chất lạnh lý tưởng và phân tích chi tiết môi chất R410A: thành phần cấu tạo, tính chất an toàn A1, ưu điểm không làm thủng tầng ozon, hiệu suất truyền nhiệt cao hơn R22 cùng nhược điểm vận hành ở áp suất ngưng tụ lớn và yêu cầu dầu POE chuyên dụng;
- Phân loại kho lạnh theo công năng và xác định các yêu cầu thiết kế cho kho trữ đông 10 tấn bạch tuộc tại Quảng Nam.
Chương 2: Tính toán dung tích kho
Chương này thực hiện các bước tính toán kích thước xây dựng và cấu trúc vật liệu:
- Xác định thể tích kho đạt 22,22 m³ dựa trên năng suất 10 tấn và tỷ trọng xếp hàng của bạch tuộc là 0,45 tấn/m³;
- Tính toán diện tích chất tải 10,58 m² với chiều cao xếp hàng 2,1 m, xác định diện tích xây dựng lý thuyết 14,69 m² và chọn kích thước phủ bì thực tế $6\text{ m} \times 5\text{ m} \times 3\text{ m}$ (diện tích sàn 30 m²);
- Thiết lập phương trình truyền nhiệt vách nhiều lớp, tính ra chiều dày cách nhiệt cần thiết là 105,9 mm và chuẩn hóa chọn panel Polyurethane dày 125 mm;
- Kiểm tra tính toán chống đọng sương bề mặt ngoài vách kho dựa trên thông số khí hậu Quảng Nam ($t_1 = 30^\circ\text{C}, \varphi = 74%$), chứng minh hệ số truyền nhiệt thực tế $k_t = 0{,}178\text{ W/m}²\text{K}$ nhỏ hơn nhiều so với hệ số đọng sương cho phép $K_s = 2{,}21\text{ W/m}²\text{K}$.
Chương 3: Tính phụ tải lạnh
Tác giả xác định từng thành phần dòng nhiệt xâm nhập vào buồng bảo quản:
- Tổn thất qua kết cấu bao che $Q_1 = 1.121,4\text{ W}$ (do có mái che nắng nên bỏ qua bức xạ mặt trời $Q_{1bx}$);
- Dòng nhiệt từ sản phẩm $Q_{21} = 0{,}46\text{ W}$ và bao bì carton $Q_{22} = 27,04\text{ W}$, tổng cộng $Q_2 = 27,5\text{ W}$;
- Tổn thất thông gió $Q_3 = 0$ do đặc thù kho trữ đông hải sản không phát sinh quá trình trao đổi khí;
- Dòng nhiệt vận hành $Q_4 = 4.186\text{ W}$ gồm nhiệt đèn chiếu sáng (36 W), người lao động (700 W), quạt dàn lạnh (3.000 W) và mở cửa kho (450 W);
- Tổng hợp tổn thất nhiệt toàn kho đạt 5.334,9 W, từ đó tác giả ấn định công suất lạnh thiết kế của hệ thống là $Q_0 = 5{,}5\text{ kW}$.
Chương 4: Tính toán máy nén và thiết bị
Chương 4 là phần tính toán nhiệt động cốt lõi của đồ án:
- Phân tích tỷ số nén $\Pi = 5{,}76$ và lựa chọn chu trình nén hơi 1 cấp có thiết bị hồi nhiệt;
- Xây dựng sơ đồ nguyên lý chu trình và đồ thị trạng thái $T-s$, $\ln P-h$, lập bảng thông số nhiệt động 6 điểm nút;
- Xác định chế độ nhiệt độ làm việc: nhiệt độ sôi $t_0 = -29^\circ\text{C}$ (độ chênh lệch nhiệt độ dàn bay hơi trực tiếp $\Delta t_0 = 9^\circ\text{C}$), nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 38^\circ\text{C}$ ứng với áp suất ngưng tụ $p_k = 23{,}035\text{ bar}$;
- Tính toán lưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống đạt 0,033 kg/s;
- Tính toán các hệ số tổn thất máy nén, công nén đoạn nhiệt, công suất chỉ thị, công suất hiệu dụng và công suất động cơ điện lắp đặt;
- Xác định hệ số làm lạnh của chu trình đạt $\text{COP} \approx 3{,}182$.
Chương 5: Tính chọn thiết bị
Nội dung chương tính toán và lựa chọn các thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị phụ trong dây chuyền:
- Tính diện tích truyền nhiệt và lựa chọn bình ngưng ống chùm nằm ngang giải nhiệt bằng nước với hệ số truyền nhiệt $K = 700\text{ W/m}²\text{K}$;
- Tính chọn dàn bay hơi trực tiếp đặt trong kho lạnh;
- Tính chọn công suất tháp giải nhiệt nước và bơm nước tuần hoàn;
- Xác định dung tích bình chứa lỏng cao áp nhằm chứa toàn bộ lượng gas khi sửa chữa hoặc nạp môi chất;
- Lựa chọn bình tách dầu lắp trên đường đẩy, phin sấy lọc hút ẩm và thiết bị hồi nhiệt kiểu ống lồng ống.
Chương 6: Thiết lập sơ đồ và bố trí hệ thống
Trình bày các chỉ dẫn kỹ thuật thi công, lắp đặt tại hiện trường:
- Quy trình gia cố nền móng, xây dựng kết cấu bao che và bố trí con lươn thông gió chống đóng băng nền đất;
- Trình tự lắp ghép các tấm panel tường, nền, trần bằng khóa camlocking, lắp đặt van cân bằng áp suất, gioăng cửa và màn chắn khí;
- Biện pháp lắp đặt cụm máy nén - dàn ngưng trên bệ máy, treo dàn lạnh trong buồng và đi đường ống dẫn gas, đường ống nước giải nhiệt;
- Quy trình thử kín bằng khí nitơ (thử xì), hút chân không sâu khử ẩm và quy trình nạp gas R410A ở trạng thái lỏng.
Chương 7: Quy trình vận hành và bảo dưỡng
Xây dựng tài liệu hướng dẫn kỹ thuật phục vụ giai đoạn khai thác:
- Công tác chuẩn bị và kiểm tra an toàn điện, mức dầu máy nén trước khi khởi động;
- Thao tác khởi động hệ thống lạnh, theo dõi các đồng hồ áp suất hút, áp suất đẩy và nhiệt độ buồng;
- Thao tác dừng máy bình thường và xử lý sự cố khẩn cấp, chế độ bàn giao ca trực;
- Quy trình bảo dưỡng định kỳ các cụm thiết bị trọng yếu: máy nén (thay dầu POE, kiểm tra séc măng, clape), bình ngưng (tẩy cặn cơ học và hóa chất trong ống truyền nhiệt), dàn bay hơi (xả băng bám trên cánh tản nhiệt).
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đặng Phạm Thôi đã giải quyết đầy đủ một bài toán thiết kế kỹ thuật từ khâu tính toán lý thuyết đến giải pháp thi công thực tiễn:
- Đã xây dựng thành công bộ thông số kích thước và kết cấu hoàn chỉnh cho kho lạnh dung tích 10 tấn với diện tích sàn hữu ích 30 m² ($6\text{ m} \times 5\text{ m}$), trần cao 3 m; chuẩn hóa cấu trúc vỏ kho bằng panel PU cách nhiệt dày 125 mm với hệ số truyền nhiệt thực tế đạt $k_t = 0{,}178\text{ W/m}²\text{K}$, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng đọng sương bề mặt theo dữ liệu thời tiết thực tế tại Quảng Nam;
- Xác định chính xác tổng phụ tải nhiệt của kho trữ đông là $5{,}335\text{ kW}$, qua đó thiết kế hệ thống lạnh có công suất lạnh định mức $Q_0 = 5{,}5\text{ kW}$;
- Thiết lập chu trình nhiệt động 1 cấp nén có thiết bị hồi nhiệt sử dụng môi chất R410A, xác lập các thông số vận hành then chốt: tỷ số nén $\Pi = 5{,}76$, lưu lượng môi chất $G = 0{,}033\text{ kg/s}$, hệ số cấp máy nén $\lambda = 0{,}636$, và hệ số hiệu quả năng lượng $\text{COP} \approx 3{,}182$;
- Lựa chọn đồng bộ hệ thống thiết bị gồm bình ngưng ống chùm làm mát bằng nước tuần hoàn qua tháp giải nhiệt, dàn bay hơi trực tiếp, kết hợp đầy đủ các thiết bị an toàn và bảo vệ (bình tách dầu, bình chứa lỏng cao áp, bình hồi nhiệt, van an toàn, van thông áp);
- Đóng góp nổi bật của đề tài nằm ở việc tính toán ứng dụng môi chất thân thiện môi trường R410A (thay cho môi chất R22 truyền thống vốn đang trong lộ trình loại trừ) vào hệ thống kho bảo quản đông thủy sản quy mô vừa và nhỏ; đồng thời tích hợp giải pháp bình hồi nhiệt để giải quyết triệt để nguy cơ ngập lỏng cho máy nén khi sử dụng môi chất có áp suất làm việc cao.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Nội dung đồ án dừng lại ở mức độ tính toán thiết kế kỹ thuật trên thuyết minh và bản vẽ, chưa có điều kiện chế tạo thử nghiệm mô hình thực tế để đối chứng số liệu đo đạc thực nghiệm với kết quả tính toán giải tích;
- Quá trình tính toán phụ tải lạnh sử dụng các hệ số kinh nghiệm chuẩn hóa trong sổ tay thiết kế (chẳng hạn hệ số dòng nhiệt khi mở cửa kho $B$, suất tỏa nhiệt chiếu sáng $A$), chưa phản ánh hết mức độ biến thiên tải liên tục theo các mùa trong năm tại Quảng Nam;
- Việc sử dụng môi chất R410A đòi hỏi kỹ thuật nạp gas dạng lỏng và yêu cầu dầu POE có tính hút ẩm rất mạnh, tạo ra những thách thức nhất định cho tay nghề của đội ngũ công nhân bảo trì tại địa phương nếu không tuân thủ nghiêm ngặt quy trình kỹ thuật.
Hướng phát triển tiếp theo:
- Nghiên cứu ứng dụng biến tần (Inverter) điều khiển tốc độ quay của máy nén hoặc tích hợp hệ thống điều khiển tự động lập trình PLC/SCADA để giám sát và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ theo phụ tải thực tế;
- Mở rộng tính toán mô phỏng động học quá trình truyền nhiệt và trường vận tốc không khí bên trong kho lạnh nhằm tối ưu hóa vị trí treo dàn quạt, giảm thiểu hiện tượng khô hao khối lượng của bạch tuộc trong quá trình trữ đông dài ngày.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên chuyên ngành Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh, Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Sau thu hoạch tại các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật. Nội dung thuyết minh cung cấp trình tự mẫu mực về các bước thiết kế kho lạnh: từ tính toán thể tích, kiểm tra truyền nhiệt - chống đọng sương, lập bảng tính phụ tải nhiệt thành phần, cho đến tra cứu và vẽ chu trình lạnh R410A trên đồ thị $\ln P-h$.
Bên cạnh đó, các kỹ sư thiết kế và cán bộ kỹ thuật tại các doanh nghiệp chế biến thủy sản có thể tham khảo trực tiếp các dữ kiện tính toán của đề tài: bảng thông số các điểm nút của chu trình R410A, phương án kết cấu panel PU 125 mm, cấu tạo bình ngưng ống chùm nằm ngang kết hợp tháp giải nhiệt, cùng các chỉ dẫn thực tế về quy trình thử xì, hút chân không và bảo dưỡng thiết bị lạnh công nghiệp.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao đồ án lựa chọn chu trình máy lạnh 1 cấp có thiết bị hồi nhiệt thay vì chu trình 1 cấp thông thường?
Tỷ số nén tính toán của hệ thống là $\Pi = p_k / p_0 = 23{,}035 / 3{,}993 = 5{,}76$ (nằm trong giới hạn $\Pi < 8$ của máy nén 1 cấp). Việc tích hợp thêm thiết bị hồi nhiệt tuy làm chu trình nhiệt động lệch khỏi chu trình Carnot lý tưởng (làm giảm nhẹ hệ số làm lạnh lý thuyết), nhưng lại tạo ra độ quá nhiệt cần thiết cho hơi hút trước khi vào máy nén ($t_{1'} = -15^\circ\text{C}$ so với $t_1 = -20^\circ\text{C}$). Điều này bảo đảm môi chất vào xi lanh hoàn toàn ở trạng thái hơi quá nhiệt, ngăn ngừa triệt để nguy cơ hút phải ẩm gây ra hiện tượng thủy kích phá hủy cơ cấu nén.
Chiều dày lớp cách nhiệt Polyurethane (PU) của vỏ kho được xác định và lựa chọn như thế nào?
Từ hệ số truyền nhiệt yêu cầu của vách kho $k = 0{,}21\text{ W/m}²\text{K}$, hệ số dẫn nhiệt của xốp PU $\lambda = 0{,}023\text{ W/mK}$ cùng các lớp tôn mạ màu và sơn phủ, công thức tính vách nhiều lớp cho ra bề dày cách nhiệt lý thuyết là $\delta_{cn} = 105{,}9\text{ mm}$. Để đảm bảo hệ số truyền nhiệt thực tế đạt $k_t = 0{,}178\text{ W/m}²\text{K}$ và đáp ứng quy cách sản xuất công nghiệp, tác giả đã quy chuẩn chọn tấm panel PU thương mại có chiều dày lớp cách nhiệt là 125 mm.
Điều kiện chống đọng sương của kết cấu vỏ kho được kiểm tra ra sao theo điều kiện khí hậu thực tế tại Quảng Nam?
Với thông số khí hậu ngoài trời tại Quảng Nam ($t_1 = 30^\circ\text{C}$, độ ẩm $\varphi = 74%$), nhiệt độ điểm sương xác định được là $t_s = 25^\circ\text{C}$. Hệ số truyền nhiệt đọng sương tính toán được là $K_s = 2{,}21\text{ W/m}²\text{K}$. Do hệ số truyền nhiệt thực tế của vách panel PU 125 mm chỉ là $k_t = 0{,}178\text{ W/m}²\text{K}$, nhỏ hơn rất nhiều so với ngưỡng giới hạn ($k_t \ll K_s$), kết cấu vỏ kho bảo đảm an toàn tuyệt đối, không xảy ra hiện tượng đọng sương trên bề mặt ngoài.
Vì sao tổn thất nhiệt do thông gió ($Q_3$) trong tính toán phụ tải lạnh lại bằng 0?
Theo lý thuyết kỹ thuật lạnh thực phẩm, tổn thất nhiệt do thông gió thay đổi không khí ($Q_3$) chỉ áp dụng và tính toán cho các buồng bảo quản mát đặc thù dành cho rau, củ, quả tươi (vốn là các sản phẩm còn sống, cần trao đổi khí và hô hấp). Đối với kho trữ đông thủy sản nói chung và bạch tuộc đã qua sơ chế - kết đông nói riêng, sản phẩm không còn quá trình hô hấp sinh học, do đó thành phần tổn thất nhiệt này được xác định bằng 0 ($Q_3 = 0$).
Tại sao khi nạp bổ sung gas R410A bắt buộc phải rút sạch gas cũ hoặc nạp ở trạng thái lỏng?
R410A là hỗn hợp cận azeotropic gồm hai thành phần có nhiệt độ sôi khác nhau (50% R32 và 50% R125). Nếu hệ thống bị rò rỉ hoặc nạp ở pha hơi, thành phần môi chất có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ thoát ra hoặc bay hơi trước, làm thay đổi tỷ lệ phần trăm ban đầu của hỗn hợp và suy giảm đặc tính nhiệt động. Do đó, quy trình vận hành yêu cầu bắt buộc phải nạp gas R410A lấy ra từ bình ở trạng thái lỏng, và khi xảy ra sự cố rò rỉ lớn cần thu hồi, hút chân không lại toàn bộ trước khi nạp mới.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế kho lạnh trữ đông bạch tuộc cho công ty TNHH Đông Phương" do sinh viên Đặng Phạm Thôi thực hiện là một công trình tính toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và chuẩn mực thuộc chuyên ngành Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh. Tác giả đã giải quyết thành công bài toán bảo quản đông 10 tấn thủy sản ở nhiệt độ -18°C đến -20°C thông qua việc tính toán kích thước xây dựng, chuẩn hóa vách panel PU 125 mm chống đọng sương, và thiết lập công suất lạnh hệ thống đạt 5,5 kW. Việc lựa chọn môi chất thân thiện môi trường R410A kết hợp chu trình nén hơi một cấp có bình hồi nhiệt và giải nhiệt nước mang lại hiệu quả năng lượng cao ($\text{COP} \approx 3{,}182$), đồng thời bảo đảm độ tin cậy và an toàn vận hành cho cơ sở sản xuất tại tỉnh Quảng Nam.