Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành kỹ thuật lạnh đóng vai trò thiết yếu trong nền kinh tế quốc dân và đời sống xã hội, đặc biệt là trong lĩnh vực bảo quản và chế biến thực phẩm. Theo thống kê được trình bày trong tài liệu, khoảng 80% công nghệ lạnh được ứng dụng trong công nghệ thực phẩm nhằm ức chế hoạt động của vi sinh vật và enzyme nội tại, giảm thiểu sự biến đổi chất lượng, màu sắc và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.

Tại Việt Nam, với bờ biển dài và nguồn tài nguyên phong phú, trữ lượng hải sản theo số liệu của Liên Hiệp Quốc đạt khoảng 10 triệu tấn (gồm cá, tôm, mực, cua...) với sản lượng khai thác hàng năm vượt trên 1 triệu tấn. Kim ngạch xuất khẩu thủy sản của nước ta đã có sự tăng trưởng mạnh mẽ qua các thời kỳ: từ 205 triệu USD năm 1990 lên 4 tỷ USD năm 2005, 5 tỷ USD vào đầu năm 2010 và đạt khoảng 7,4 tỷ USD vào năm 2017 (tăng 6% so với năm 2016). Để duy trì vị thế cạnh tranh và đáp ứng các rào cản kỹ thuật khắt khe từ thị trường quốc tế, các xí nghiệp chế biến thủy sản đòi hỏi phải liên tục cải tiến và nâng cao chất lượng công nghệ cấp đông.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, nhóm tác giả thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh đã thực hiện đề tài tốt nghiệp: "Thiết Kế Sửa Chữa Hệ Thống Cấp Đông Hai Cấp" (sản phẩm cấp đông mục tiêu là tôm).

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tổng quan cơ sở lý luận về kỹ thuật lạnh và công nghệ làm đông, bảo quản lạnh thực phẩm (đặc biệt là thủy hải sản).
  2. Tính toán nhiệt động chu trình lạnh hai cấp làm mát trung gian hoàn toàn sử dụng môi chất R22.
  3. Tính toán thiết kế và chọn lựa thiết bị trao đổi nhiệt (thiết bị ngưng tụ giải nhiệt gió, thiết bị bay hơi kiểu quạt đối lưu cưỡng bức), hệ thống đường ống dẫn và các thiết bị phụ trợ (bình tách lỏng, bình tách dầu, bình trung gian ống xoắn, bình chứa cao áp, van tiết lưu, van điện từ và van chặn).
  4. Tính toán kết cấu cách nhiệt, cách ẩm tấm panel cho vỏ tủ cấp đông, kiểm tra điều kiện chống đọng sương bề mặt và tính toán tổn thất nhiệt.
  5. Tiến hành sửa chữa, thay thế dàn lạnh, thử kín áp lực và nạp môi chất cho hệ thống thực nghiệm sẵn có.
  6. Vận hành thử nghiệm mô hình tủ cấp đông hai cấp công suất 3 HP trong thời gian 2 giờ, theo dõi các thông số kỹ thuật thực tế và đề xuất phương án xử lý sự cố.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống tủ cấp đông 2 cấp nén làm mát trung gian hoàn toàn sử dụng môi chất R22; đối tượng sản phẩm là thịt tôm nguyên vỏ.
  • Phạm vi không gian và điều kiện khí hậu: Mô hình đặt tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh với các thông số khí tượng thiết kế: nhiệt độ trung bình cả năm $27,0^\circ\text{C}$, nhiệt độ trung bình mùa hè $37,3^\circ\text{C}$, nhiệt độ trung bình mùa đông $17,4^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối mùa hè và mùa đông đạt $74%$.
  • Quy mô mô hình: Tủ cấp đông dạng lập phương cạnh $0,8\text{ m}$ (diện tích đáy $F = 0,64\text{ m}^2$), tổng công suất động cơ máy nén 3 HP (máy nén hạ áp 2 HP, máy nén cao áp 1 HP).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng nhiệt động học kỹ thuật và công nghệ chế biến lạnh thực phẩm:

  • Lý thuyết nhiệt động chu trình hai cấp nén: Sử dụng chu trình nén hơi 2 cấp làm mát trung gian hoàn toàn bằng bình trung gian ống xoắn để giảm nhiệt độ hơi hút về máy nén cao áp, giảm công nén tiêu hao và tăng năng suất lạnh riêng của chu trình.
  • Cơ chế đông kết thực phẩm: Điểm đóng băng của thực phẩm phụ thuộc vào nồng độ chất tan trong dịch tế bào (tôm biển đóng băng ở khoảng $-2^\circ\text{C}$). Tác giả phân tích cơ chế hình thành tinh thể đá ở gian bào và nội bào theo các dải tốc độ cấp đông ($V_f = X/t$): cấp đông chậm ($< 0,5\text{ cm/h}$), cấp đông nhanh ($1 \div 3\text{ cm/h}$) và cấp đông cực nhanh ($\ge 15\text{ cm/h}$).
  • Phương pháp truyền nhiệt và giải tích: Ứng dụng các phương trình trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, công thức dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp, công thức tỏa nhiệt khi ngưng tụ hơi môi chất trong ống nằm ngang và công thức Plank xác định thời gian cấp đông thực phẩm.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

  • Phương pháp tính toán nhiệt động và thiết kế kỹ thuật: Dựa vào đồ thị $p-h$ (log p - h) của môi chất R22 để tra cứu và xác định enthalpy ($h$), entropy ($s$), áp suất ($p$) và thể tích riêng ($v$) tại 10 điểm nút trạng thái của chu trình.
  • Phương pháp mô phỏng tra cứu bằng phần mềm chuyên dụng: Ứng dụng phần mềm Danfoss Coolselector 2 để tính chọn van tiết lưu nhiệt, van điện từ và các loại van chặn trên đường hút, đẩy và lỏng.
  • Phương pháp thực nghiệm - công nghệ: Thực hiện các bước kỹ thuật phần cứng gồm tháo lắp, thay thế dàn bay hơi mới, thử kín bằng áp lực, hút chân không, nạp môi chất R22, vận hành thực tế hệ thống trong 2 giờ và ghi nhận các thông số làm việc.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu chuẩn từ các tài liệu chuyên khảo kỹ thuật lạnh, bảng khí tượng TP.HCM và thư viện thông số kỹ thuật của Danfoss.

Thiết kế và triển khai

Thông số nhiệt động của chu trình hai cấp làm mát hoàn toàn

Chu trình làm việc với nhiệt độ bay hơi $t_0 = -45^\circ\text{C}$ (áp suất $p_0 = 0,83\text{ bar}$), nhiệt độ buồng cấp đông $t_f = -35^\circ\text{C}$, áp suất trung gian $p_{tg} = 3,78\text{ bar}$ (nhiệt độ bão hòa $t_{tg} = -8,21^\circ\text{C}$), áp suất ngưng tụ $p_k = 17,21\text{ bar}$ (nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 45^\circ\text{C}$ ứng với trạng thái nút 5).

Điểm nút Nhiệt độ $T$ ($^\circ\text{C}$) Áp suất $p$ ($\text{bar}$) Thể tích riêng $v$ ($\text{dm}^3/\text{kg}$) Entanpi $h$ ($\text{kJ/kg}$) Entropi $s$ ($\text{kJ/kg.K}$)
1 -45,00 0,83 257,20 386 1,83
2 22,39 3,78 70,89 422 1,83
3 -8,21 3,78 61,59 402 1,76
4 72,34 17,21 15,95 441 1,76
5 45,00 17,21 0,90 256 1,18
6 -8,21 3,78 19,55 256 1,21
7 -5,21 17,21 0,77 194 0,98
8 -45,00 0,83 49,75 194 0,99
9 -8,21 3,78 0,76 190 0,96
10 -45,00 0,83 0,70 148 0,78

Các chỉ tiêu kinh tế - nhiệt động chính của chu trình tính cho $1\text{ kg}$ môi chất qua thiết bị bay hơi:

  • Lượng lỏng trung áp bay hơi làm quá lạnh lỏng cao áp: $\alpha = 0,292$.
  • Lượng lỏng trung áp bay hơi làm mát hoàn toàn hơi quá nhiệt trung áp: $\beta = 0,095$.
  • Lượng hơi sau van tiết lưu 1: $\gamma = 0,173$.
  • Năng suất lạnh riêng: $q_0 = 192\text{ kJ/kg}$.
  • Nhiệt lượng riêng thể tích ở thiết bị bay hơi: $q_v = 745,73\text{ kJ/m}^3$.
  • Công nén riêng: máy nén thấp áp $l_{nta} = 36\text{ kJ/kg}$; máy nén cao áp $l_{nca} = 60\text{ kJ/kg}$; tổng công nén riêng $l = 96\text{ kJ/kg}$.
  • Nhiệt lượng tỏa ra ở thiết bị ngưng tụ: $q_k = 289\text{ kJ/kg}$.
  • Hệ số làm lạnh: $\varepsilon = 1,98$.
  • Công suất và lưu lượng: Lưu lượng máy nén thấp áp $g_{nta} = 0,011\text{ kg/s}$ ($V_{nta} = 10,21\text{ m}^3/\text{h}$); lưu lượng máy nén cao áp $g_{nca} = 0,01716\text{ kg/s}$ ($V_{nca} = 3,8\text{ m}^3/\text{h}$).
  • Công nén: $L_{nta} = 0,396\text{ kW}$; $L_{nca} = 1,02\text{ kW}$; tổng công nén $L = 1,416\text{ kW}$.
  • Công suất lạnh thiết bị bay hơi: $Q_0 = 2,112\text{ kW}$. Nhiệt lượng thải dàn ngưng: $Q_k = 3,179\text{ kW}$.

Tổng hợp thiết bị trao đổi nhiệt, đường ống và thiết bị phụ

Hạng mục thiết bị Thông số kỹ thuật thiết kế Mã hiệu / Quy cách lựa chọn
Thiết bị ngưng tụ Giải nhiệt gió, ống đồng cánh nhôm ($d_i/d_0 = 60/70\text{ mm}$, $D_c = 100\text{ mm}$, bước cánh $3\text{ mm}$), $F_2 = 18,42\text{ m}^2$, $n = 123$ ống ($8\text{ dãy} \times 16\text{ ống}$), lưu lượng gió $1134\text{ m}^3/\text{h}$ Model FNH-1052
Thiết bị bay hơi Dàn lạnh quạt đối lưu cưỡng bức, diện tích bề mặt $6,5\text{ m}^2$, phụ tải $2320\text{ W}$, 2 quạt $\times 100\text{ W}$, kích thước $630 \times 765 \times 465\text{ mm}$ Model 2B020
Đường ống hút Vận tốc $\omega = 12\text{ m/s}$; tính toán $d_{tr,\text{hạ áp}} = 17,3\text{ mm}$, $d_{tr,\text{cao áp}} = 10,5\text{ mm}$ Thực tế: Hạ áp $\mathbf{\phi 10\text{ mm}}$, Cao áp $\mathbf{\phi 12\text{ mm}}$
Đường ống đẩy Vận tốc $\omega = 15\text{ m/s}$; tính toán $d_{tr,\text{hạ áp}} = 8,1\text{ mm}$, $d_{tr,\text{cao áp}} = 4,7\text{ mm}$ Thực tế: Hạ áp $\mathbf{\phi 10\text{ mm}}$, Cao áp $\mathbf{\phi 10\text{ mm}}$
Đường ống dẫn lỏng Vận tốc $\omega = 0,5\text{ m/s}$; tính toán $d_{tr} = 6,24\text{ mm}$ Thực tế: $\mathbf{\phi 6\text{ mm}}$
Bình tách lỏng Kiểu nón chắn, vận tốc hơi $\omega = 0,5\text{ m/s}$, đường kính tính toán $D_t = 268\text{ mm}$ Chọn $\mathbf{D_t = 300\text{ mm}}$
Bình tách dầu Kiểu nón chắn; tính toán cao áp $D_t = 26\text{ mm}$, hạ áp $D_t = 44,56\text{ mm}$ Cao áp $\mathbf{D_t = 26\text{ mm}}$, Hạ áp $\mathbf{D_t = 45\text{ mm}}$
Bình trung gian ống xoắn Hệ số $K = 580\text{ W/m}^2\text{K}$, diện tích $F = 0,15\text{ m}^2$, chiều dài ống xoắn $L = 4,77\text{ m}$ Đường kính ống $\mathbf{D_t = 10\text{ mm}}$, dài $\mathbf{4,77\text{ m}}$
Bình chứa cao áp Dung tích $V_{CA} = 1,45 \times V_d$ (thể tích dàn bay hơi $V_d = 0,011\text{ m}^3$) Thể tích $\mathbf{V_{CA} = 0,016\text{ m}^3}$
Van tiết lưu Tính chọn qua Danfoss Coolselector 2 Model T2-6 (công suất max $5063\text{ W}$)
Van điện từ Vận tốc dòng lỏng $\omega = 0,5\text{ m/s}$ Model AKV 10-3 (công suất max $2940\text{ W}$)
Van chặn Đường đẩy, đường hút và đường lỏng GBC 6s (đẩy), GBC 10s (hút & lỏng)

Kết cấu bao che và kiểm tra chống đọng sương

Vỏ tủ dạng khối lập phương có kích thước bao $0,8\text{ m} \times 0,8\text{ m} \times 0,8\text{ m}$ ($F = 0,64\text{ m}^2$), cấu tạo 3 lớp dạng panel:

  • Hai lớp bề mặt ngoài và trong: Inox dày $\delta = 0,5\text{ mm}$ ($0,0005\text{ m}$), hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 45,3\text{ W/mK}$.
  • Lớp cách nhiệt giữa: Polyurethane (PU) có hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 0,041\text{ W/mK}$.
  • Hệ số truyền nhiệt thiết kế của vách bao che: $k_{tt} = 0,199\text{ W/m}^2\text{K}$ (với $\alpha_1 = 23,3\text{ W/m}^2\text{K}$ phía ngoài và $\alpha_2 = 10,5\text{ W/m}^2\text{K}$ bên trong).

Kiểm tra điều kiện đọng sương ở điều kiện mùa hè TP.HCM ($t_1 = 37,3^\circ\text{C}, \varphi_1 = 74%$, nhiệt độ đọng sương $t_s = 32^\circ\text{C}$, nhiệt độ buồng cấp đông $t_2 = -35^\circ\text{C}$): $$k_s = 0,95 \times \alpha_{ng} \times \frac{t_1 - t_s}{t_1 - t_2} = 0,95 \times 23,3 \times \frac{37,3 - 32}{37,3 - (-35)} = 1,59\text{ W/m}^2\text{K}$$ Do $k_{tt} = 0,199\text{ W/m}^2\text{K} < k_s = 1,59\text{ W/m}^2\text{K}$, kết cấu bao che hoàn toàn không xảy ra hiện tượng đọng sương trên bề mặt ngoài. Vì mặt ngoài bọc Inox kín ($\mu = 0$), dòng ẩm không xâm nhập vào lớp cách nhiệt, loại trừ nguy cơ ngưng tụ ẩm bên trong kết cấu.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGÀNH KỸ THUẬT LẠNH

Chương 1 giới thiệu khái niệm cơ bản về kỹ thuật lạnh – ngành kỹ thuật tạo ra môi trường có nhiệt độ thấp hơn $20^\circ\text{C}$, phân chia thành vùng nhiệt độ dương ($0 \div 20^\circ\text{C}$) và vùng nhiệt độ lạnh đông. Tác giả trình bày lịch sử phát triển ngành lạnh qua các mốc quan trọng: phát hiện về ẩn nhiệt hóa hơi của Joseph Black (1761-1764), sự hóa lỏng $\text{CO}_2$ của Clouet và Monge (1780), các nghiên cứu hóa lỏng khí của Faraday thế kỷ 19, máy lạnh nén hơi đầu tiên của Jacob Perkins (1834), các phát minh máy lạnh hấp thụ của Carré, Gerppt, Platen & Munter, máy lạnh Ejector của Leblanc (1910) và việc tổng hợp chất làm lạnh Freon tại Mỹ năm 1930. Chương này khẳng định vai trò của kỹ thuật lạnh trong hơn 70 ngành kinh tế, phân tích bối cảnh ngành thủy sản Việt Nam và nêu rõ lý do chọn đề tài thiết kế, cải tạo mô hình cấp đông hai cấp cho sản phẩm tôm.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÀM ĐÔNG VÀ BẢO QUẢN SẢN PHẨM ĐÔNG LẠNH

Chương 2 phân tích cơ sở hóa sinh và nhiệt vật lý của quá trình cấp đông:

  • Phân loại cấp làm lạnh: Làm lạnh ($t_{đb} < t < 20^\circ\text{C}$), làm lạnh đông ($-100^\circ\text{C} < t < t_{đb}$) và làm lạnh thâm độ ($-273^\circ\text{C} < t < -100^\circ\text{C}$). Điểm đóng băng của cá biển là $-1,5^\circ\text{C}$, cá nước ngọt $-1^\circ\text{C}$, tôm biển $-2^\circ\text{C}$.
  • Cơ chế ức chế vi sinh và enzym: Nhiệt độ giảm $10^\circ\text{C}$ làm tốc độ phản ứng sinh hóa giảm từ $1/2$ đến $1/3$. Khả năng phân giải của men lipaza giảm từ 11,9 (ở $40^\circ\text{C}$) xuống 3,89 ($10^\circ\text{C}$), 2,26 ($0^\circ\text{C}$) và 0,70 (ở $-10^\circ\text{C}$). Ở nhiệt độ $-18^\circ\text{C}$, $86%$ lượng nước trong thực phẩm đóng băng, đình chỉ hầu hết hoạt động của vi khuẩn và nấm mốc.
  • Biến đổi nhiệt vật lý: Sự biến đổi nhiệt dung riêng ($C_{sp}$), hệ số dẫn nhiệt ($\lambda_{sp}$) và hệ số dẫn nhiệt độ ($a_{sp}$) trong quá trình chuyển pha của nước.
  • Các phương pháp cấp đông: Đánh giá ưu nhược điểm của kho cấp đông gió, tủ cấp đông tiếp xúc (thời gian $1,5 \div 2\text{ giờ}$ với bơm dịch, $4 \div 4,5\text{ giờ}$ với ngập dịch), băng chuyền IQF, làm đông bằng $\text{N}_2$ lỏng ($-196^\circ\text{C}$, thời gian $5 \div 10\text{ phút}$), hỗn hợp đá - muối và nước muối lạnh.
  • Xử lý sau cấp đông: Quy trình mạ băng (chiều dày tối thiểu $0,3\text{ mm}$ bằng phương pháp nhúng nước $3 \div 5^\circ\text{C}$ kết hợp phun), bao gói cách ẩm và tái đông sản phẩm.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CẤU TRÚC MÔ HÌNH TỦ CẤP ĐÔNG

Chương 3 là phần trọng tâm tính toán kỹ thuật của đồ án:

  • Thiết lập quy trình xử lý tôm đông lạnh và quy cách khay cấp đông Inox đục lỗ ($277 \times 217 \times 70\text{ mm}$ và $267 \times 207\text{ mm}$).
  • Tính toán nhiệt chu trình hai cấp làm mát hoàn toàn: thiết lập bảng thông số 10 điểm nút, xác định năng suất lạnh riêng $q_0 = 192\text{ kJ/kg}$, công nén riêng $l = 96\text{ kJ/kg}$, nhiệt thải ngưng tụ $q_k = 289\text{ kJ/kg}$ và hệ số làm lạnh $\varepsilon = 1,98$.
  • Tính toán truyền nhiệt và thủy lực chi tiết cho dàn ngưng giải nhiệt gió (chọn model FNH-1052 với diện tích trao đổi nhiệt $18,42\text{ m}^2$) và dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức (chọn model 2B020 diện tích $6,5\text{ m}^2$, phụ tải $2320\text{ W}$).
  • Tính toán đường kính trong cho hệ thống ống dẫn ga (ống hút, đẩy, lỏng) và xác định kích thước bình tách lỏng ($D_t = 300\text{ mm}$), bình tách dầu cao áp/hạ áp ($D_t = 26\text{ mm}$ và $45\text{ mm}$), bình trung gian ống xoắn ($D_t = 10\text{ mm}$, dài $4,77\text{ m}$) và bình chứa cao áp ($V_{CA} = 0,016\text{ m}^3$).
  • Sử dụng Danfoss Coolselector 2 chọn van tiết lưu T2-6, van điện từ AKV 10-3 và các van chặn dòng GBC.
  • Tính toán kết cấu vỏ cách nhiệt panel Polyurethane bọc Inox, kiểm tra không đọng sương ($k_{tt} = 0,199\text{ W/m}^2\text{K} < k_s = 1,59\text{ W/m}^2\text{K}$) và xác lập công thức tính toán 5 thành phần tải nhiệt tổn thất ($Q_1 \div Q_5$).

CHƯƠNG 4: SỬA CHỮA, HOÀN THIỆN HỆ THỐNG SẴN CÓ

Nội dung chương 4 tập trung vào quy trình thi công thực tế trên mô hình sẵn có:

  • Tháo dỡ cụm dàn lạnh cũ và tiến hành thay thế bằng dàn lạnh quạt đối lưu cưỡng bức mới phù hợp với công suất tính toán.
  • Thực hiện quy trình thử kín toàn bộ hệ thống bằng áp lực khí nén/nitơ nhằm phát hiện và khắc phục các điểm rò rỉ trên các mối hàn và mối nối ren.
  • Hút chân không sâu để loại bỏ không khí và hơi ẩm tồn đọng trong đường ống, sau đó tiến hành nạp môi chất R22 theo định lượng thiết kế.

CHƯƠNG 5: VẬN HÀNH TỦ ĐÔNG HAI CẤP CÔNG SUẤT 03 HP

Chương 5 trình bày kết quả thực nghiệm và hướng dẫn vận hành:

  • Vận hành khởi động hệ thống tủ cấp đông hai cấp công suất máy nén 3 HP.
  • Ghi nhận và tổng hợp các thông số vận hành thực tế của hệ thống (nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, áp suất trung gian, nhiệt độ tâm sản phẩm) khi cho máy chạy cấp đông tôm liên tục trong thời gian 2 giờ (Bảng 5.1 trong văn bản).
  • Phân tích các hiện tượng sự cố thường gặp trong quá trình vận hành tủ cấp đông hai cấp (như ngập lỏng máy nén, thiếu dầu bôi trơn, áp suất ngưng tụ tăng cao...) và đề xuất phương án xử lý, khắc phục sự cố.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN

Tổng kết toàn bộ quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp: hoàn thành các mục tiêu tính toán thiết kế nhiệt động, lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt và phụ kiện phụ trợ, sửa chữa hoàn thiện hệ thống phần cứng, nạp ga và vận hành thử nghiệm mô hình thực tế trong 2 giờ đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật định lượng

  • Xác lập hoàn chỉnh bộ thông số nhiệt động của chu trình cấp đông hai cấp nén R22 làm mát hoàn toàn: năng suất lạnh $Q_0 = 2,112\text{ kW}$, nhiệt lượng nhả tại dàn ngưng $Q_k = 3,179\text{ kW}$, công nén tiêu thụ $L = 1,416\text{ kW}$ (hạ áp $0,396\text{ kW}$, cao áp $1,02\text{ kW}$), hệ số làm lạnh đạt $\varepsilon = 1,98$.
  • Hoàn thành bảng tính toán kiểm nghiệm kích thước và diện tích trao đổi nhiệt: dàn ngưng giải nhiệt gió diện tích $18,42\text{ m}^2$ (model FNH-1052, lưu lượng gió $1134\text{ m}^3/\text{h}$); dàn bay hơi diện tích $6,5\text{ m}^2$ (model 2B020, 2 quạt $100\text{ W}$).
  • Lựa chọn đồng bộ kích thước thiết bị phụ và hệ thống van Danfoss: bình tách lỏng $D_t = 300\text{ mm}$, bình trung gian ống xoắn $D_t = 10\text{ mm}$ ($L = 4,77\text{ m}$), bình chứa cao áp $0,016\text{ m}^3$, van tiết lưu T2-6, van điện từ AKV 10-3.
  • Kết cấu vỏ panel Inox - PU - Inox đạt hệ số truyền nhiệt $k_{tt} = 0,199\text{ W/m}^2\text{K}$, đảm bảo tiêu chuẩn chống đọng sương ở điều kiện khí hậu TP.HCM.
  • Hoàn thành các bước sửa chữa phần cứng: thay mới dàn lạnh, thử áp lực, nạp ga R22 và vận hành thực nghiệm ổn định trong 2 giờ cấp đông tôm đạt nhiệt độ bảo quản yêu cầu (nhiệt độ tâm tôm đạt $\le -18^\circ\text{C}$).

Đóng góp thực tiễn

  • Khóa luận không chỉ dừng lại ở tính toán lý thuyết mà đã kết hợp giữa tính toán giải tích, ứng dụng phần mềm chuyên ngành hiện đại (Coolselector 2) và thi công cải tạo, sửa chữa trực tiếp trên hệ thống máy lạnh thực tế công suất 3 HP.
  • Cung cấp tài liệu quy trình vận hành và phương án xử lý sự cố thực nghiệm cho hệ thống cấp đông hai cấp cỡ nhỏ phục vụ đào tạo và ứng dụng thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mô hình nghiên cứu dừng lại ở quy mô công suất nhỏ (tổng công suất động cơ máy nén 3 HP, diện tích đáy tủ $0,64\text{ m}^2$), chủ yếu phục vụ mục đích nghiên cứu thực nghiệm và đào tạo chuyên ngành.
  • Hệ thống sử dụng môi chất làm lạnh R22 – loại môi chất HCFC có lộ trình hạn chế và loại bỏ do tác động đến tầng ozone và môi trường.
  • Do kết cấu vỏ tủ bao bọc bằng Inox cả hai mặt nên đồ án bỏ qua tính toán phân bố trường ẩm chi tiết trong lòng vật liệu cách nhiệt.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu chuyển đổi và tính toán chu trình cấp đông hai cấp sử dụng các môi chất lạnh thân thiện với môi trường thế hệ mới (như R404A, R507A hoặc $\text{NH}_3$ cho quy mô công nghiệp lớn).
  • Tích hợp hệ thống điều khiển tự động hóa bằng PLC hoặc vi điều khiển, lắp đặt biến tần điều khiển động cơ máy nén và nghiên cứu tối ưu hóa chu kỳ xả băng (rã đông) tự động cho dàn lạnh.
  • Mở rộng thử nghiệm thực nghiệm cấp đông trên các nhóm đối tượng thủy sản và nông sản khác để đánh giá độ tiêu hao khối lượng và chất lượng dinh dưỡng sau rã đông.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Điện lạnh, Công nghệ Thực phẩm: Tham khảo phương pháp tính toán nhiệt động chu trình hai cấp nén làm mát hoàn toàn, phương pháp tính toán kiểm nghiệm dàn ngưng ống cánh nhôm, dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức và quy trình tra cứu chọn van bằng phần mềm Danfoss Coolselector 2.
  • Kỹ sư, kỹ thuật viên vận hành hệ thống lạnh: Tham khảo các bước thực tế về thay thế dàn lạnh, thử áp lực, hút chân không, nạp môi chất và bảng hướng dẫn nhận diện, xử lý các sự cố kỹ thuật trong vận hành hệ thống máy nén hai cấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Chu trình lạnh trong đồ án được thiết kế theo nguyên lý nào và các thông số nhiệt động chính là bao nhiêu?

Hệ thống sử dụng chu trình máy lạnh nén hơi hai cấp làm mát trung gian hoàn toàn dùng bình trung gian ống xoắn với môi chất R22. Các thông số nhiệt động chính bao gồm: nhiệt độ bay hơi $t_0 = -45^\circ\text{C}$ ($p_0 = 0,83\text{ bar}$), nhiệt độ buồng lạnh $t_f = -35^\circ\text{C}$, áp suất trung gian $p_{tg} = 3,78\text{ bar}$ (nhiệt độ bão hòa trung gian $-8,21^\circ\text{C}$), áp suất ngưng tụ $p_k = 17,21\text{ bar}$ ($t_k = 45^\circ\text{C}$ tại điểm lỏng ngưng), năng suất lạnh riêng $q_0 = 192\text{ kJ/kg}$, công nén riêng tổng $l = 96\text{ kJ/kg}$ và hệ số làm lạnh chu trình $\varepsilon = 1,98$.

2. Mô hình thực nghiệm sử dụng cụm máy nén và thiết bị trao đổi nhiệt có cấu hình ra sao?

Cụm máy nén có tổng công suất 3 HP, gồm 01 máy nén hạ áp 2 HP (thể tích hút lý thuyết $V_{nta} = 10,21\text{ m}^3/\text{h}$, công nén $L_{nta} = 0,396\text{ kW}$) và 01 máy nén cao áp 1 HP (thể tích hút lý thuyết $V_{nca} = 3,8\text{ m}^3/\text{h}$, công nén $L_{nca} = 1,02\text{ kW}$). Thiết bị ngưng tụ là dàn giải nhiệt gió FNH-1052 (diện tích trao đổi nhiệt $18,42\text{ m}^2$, 123 ống đồng cánh nhôm bố trí 8 dãy $\times$ 16 ống, quạt gió $1134\text{ m}^3/\text{h}$). Thiết bị bay hơi là dàn lạnh quạt đối lưu cưỡng bức 2B020 (diện tích bề mặt $6,5\text{ m}^2$, phụ tải $2320\text{ W}$, 2 quạt công suất $100\text{ W}$).

3. Vỏ tủ cấp đông được thiết kế bằng vật liệu gì và kết quả kiểm tra đọng sương đạt tiêu chuẩn như thế nào?

Vỏ tủ là khối lập phương cạnh $0,8\text{ m}$ (diện tích đáy $0,64\text{ m}^2$), cấu tạo bằng tấm panel 3 lớp gồm hai mặt Inox dày $0,5\text{ mm}$ ($\lambda = 45,3\text{ W/mK}$) kẹp giữa lớp Polyurethane ($\lambda = 0,041\text{ W/mK}$), cho hệ số truyền nhiệt $k_{tt} = 0,199\text{ W/m}^2\text{K}$. Tại điều kiện khí hậu TP.HCM mùa hè ($t_1 = 37,3^\circ\text{C}, \varphi = 74%$, nhiệt độ đọng sương $t_s = 32^\circ\text{C}$), hệ số truyền nhiệt giới hạn chống đọng sương tính được là $k_s = 1,59\text{ W/m}^2\text{K}$. Do $k_{tt} < k_s$ ($0,199 < 1,59$), vỏ tủ hoàn toàn không bị đọng sương bề mặt.

4. Các thiết bị phụ và hệ thống van điều khiển của hệ thống được tính chọn như thế nào?

Hệ thống sử dụng các thiết bị phụ gồm: bình tách lỏng đường kính $D_t = 300\text{ mm}$; bình tách dầu cao áp $D_t = 26\text{ mm}$ và hạ áp $D_t = 45\text{ mm}$; bình trung gian ống xoắn đường kính ống $10\text{ mm}$, dài $4,77\text{ m}$; bình chứa cao áp thể tích $0,016\text{ m}^3$. Hệ thống van Danfoss được tính chọn qua Coolselector 2 gồm van tiết lưu T2-6, van điện từ AKV 10-3, van chặn đường đẩy GBC 6s, van chặn đường hút và đường lỏng GBC 10s.

5. Quá trình sửa chữa và thử nghiệm thực tế trên hệ thống gồm những bước nào?

Nhóm tác giả đã tiến hành tháo dỡ và thay mới cụm dàn lạnh quạt đối lưu cưỡng bức, thực hiện thử kín áp lực để kiểm tra rò rỉ trên các mối hàn/nối, hút chân không sâu và nạp môi chất R22. Sau đó, hệ thống được vận hành thực nghiệm trong 2 giờ để cấp đông sản phẩm thịt tôm nguyên vỏ, hạ nhiệt độ tâm sản phẩm xuống đạt tiêu chuẩn bảo quản đông lạnh ($\le -18^\circ\text{C}$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết trọn vẹn bài toán tính toán thiết kế nhiệt động, lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị phụ và kết cấu bao che cho mô hình tủ cấp đông hai cấp nén R22 làm mát hoàn toàn phục vụ cấp đông tôm. Bên cạnh phần tính toán lý thuyết chi tiết, công trình đã hoàn thành việc sửa chữa phần cứng, thay thế dàn bay hơi, thử kín, nạp môi chất và vận hành thực nghiệm thành công mô hình 3 HP trong 2 giờ. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho công tác học tập, thiết kế và cải tạo các hệ thống lạnh thương nghiệp và công nghiệp quy mô vừa và nhỏ.