Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành chế biến thủy hải sản xuất khẩu đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu kinh tế của các tỉnh duyên hải miền Trung, đặc biệt là tại thành phố Đà Nẵng. Trong dây chuyền bảo quản và xuất khẩu các mặt hàng giá trị cao như cá ngừ, tôm, mực và bạch tuộc, công nghệ cấp đông nhanh đóng vai trò quyết định đến việc duy trì chất lượng cơ thịt. Khi nhiệt độ sản phẩm được hạ nhanh xuống dưới điểm kết tinh, các tinh thể đá hình thành có kích thước mịn và đồng đều, hạn chế tối đa sự phá vỡ cấu trúc màng tế bào, từ đó giảm hiện tượng hao hụt khối lượng và mất dịch bào khi rã đông. Ngược lại, nếu tốc độ làm lạnh chậm, tinh thể đá lớn sẽ làm rách mô bào và suy giảm nghiêm trọng giá trị thương phẩm.
Nhằm đáp ứng yêu cầu chế biến thủy sản dạng block xuất khẩu tại Xí nghiệp Thọ Quang (thành phố Đà Nẵng), đồ án tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán thiết kế một hệ thống cấp đông tiếp xúc đồng bộ. Nhiệm vụ nghiên cứu được cụ thể hóa thành 5 nội dung chính:
- Tổng quan công nghệ cấp đông tiếp xúc, phân tích đặc tính nguyên liệu bạch tuộc sơ chế và xác định kích thước hình học của tủ cấp đông cùng các khay, tấm lắc (freezer plates).
- Tính toán các thành phần nhiệt thừa, nhiệt ẩm xâm nhập, kiểm tra hiện tượng đọng sương, đọng ẩm trên bề mặt kết cấu cách nhiệt và xác định tổng tải lạnh yêu cầu của hệ thống.
- Phân tích chu trình nhiệt động học, lập thông số các điểm nút trên đồ thị trạng thái, tính toán và lựa chọn tổ máy nén phù hợp.
- Tính toán thiết kế và chọn lựa thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước, tháp giải nhiệt cùng hệ thống thiết bị phụ trợ (bình chứa cao áp, bình tách dầu, bình trung gian, bình chứa hạ áp, bình thu hồi dầu).
- Xây dựng quy trình vận hành kỹ thuật, kế hoạch bảo dưỡng định kỳ và các phương án xử lý sự cố trong quá trình vận hành tủ cấp đông tiếp xúc.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống tủ cấp đông tiếp xúc có công suất danh định 1,2 tấn/mẻ chuyên dùng cho sản phẩm bạch tuộc sơ chế. Phạm vi không gian nghiên cứu gắn liền với điều kiện khí hậu thực tế tại thành phố Đà Nẵng (nhiệt độ mùa hè $37,7^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $77%$) và mặt bằng công nghệ tại Xí nghiệp Thọ Quang. Phạm vi thời gian cấp đông quy chuẩn cho mỗi mẻ là $\tau = 2$ giờ, với nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu sau sơ chế là $12^\circ\text{C}$, nhiệt độ sản phẩm đầu ra đạt $-18^\circ\text{C}$ và nhiệt độ tâm sản phẩm đạt từ $-12^\circ\text{C}$ đến tối thiểu $-18^\circ\text{C}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án ứng dụng các nguyên lý cơ bản của nhiệt động học kỹ thuật, lý thuyết truyền nhiệt và công nghệ chế biến lạnh thủy sản. Quá trình làm đông tiếp xúc dựa trên cơ chế truyền nhiệt dẫn nhiệt trực tiếp: sản phẩm đặt trong khay nhôm được ép chặt giữa hai bề mặt tấm lắc kim loại rỗng có môi chất lạnh sôi bên trong. Lực ép cưỡng bức từ hệ thống ben thủy lực (dịch chuyển từ $50$ đến $105\text{ mm}$) giúp triệt tiêu các khe hở không khí, giảm thiểu nhiệt trở tiếp xúc và tăng cường hệ số truyền nhiệt tổng thể.
Hệ thống phương pháp tính toán và tra cứu trong đồ án dựa trên các tài liệu tiêu chuẩn:
- Phương pháp tính toán tổn thất nhiệt và phụ tải lạnh: Áp dụng tài liệu "Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh" của PGS. TS. Nguyễn Đức Lợi. Tổn thất truyền nhiệt qua kết cấu bao che được xác định theo mô hình vách phẳng nhiều lớp có tính đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên bên trong ($\alpha_2 = 8\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$) và đối lưu cưỡng bức bên ngoài ($\alpha_1 = 23,3\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$).
- Phương pháp phân tích chu trình nhiệt động: Khảo sát chu trình lạnh nén hơi trên giản đồ nhiệt động $\lg p - i$ (áp suất - entanpi) và $T - s$ (nhiệt độ - entropi). Các điểm nút trạng thái được xác định từ bảng tính chất nhiệt động của môi chất bão hòa và quá nhiệt theo "Giáo trình Kỹ thuật Lạnh" (Lê Xuân Hòa) và "Bài tập nhiệt động học kỹ thuật".
- Phương pháp tính toán thiết bị trao đổi nhiệt: Cân bằng nhiệt lượng và diện tích bề mặt truyền nhiệt dựa trên phụ tải nhiệt bề mặt tiêu chuẩn ($q_F$) của ống chùm ngập nước giải nhiệt cưỡng bức.
- Nguồn dữ liệu: Số liệu khí tượng thủy văn thành phố Đà Nẵng; bảng thông số entanpi của thịt bạch tuộc ($i_1 = 290\text{ kJ/kg}$ tại $12^\circ\text{C}$, $i_2 = 5\text{ kJ/kg}$ tại $-18^\circ\text{C}$); nhiệt dung riêng của khay nhôm ($C_p = 0,921\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$); ca-ta-lô thiết bị công nghiệp của các hãng chế tạo thiết bị lạnh (máy nén MYCOM, bình trao đổi nhiệt KTP).
Thiết kế kỹ thuật và tính toán hệ thống
Thông số hình học và kết cấu tủ cấp đông
Tủ được thiết kế để cấp đông sản phẩm dạng block khối lượng $2\text{ kg/khay}$. Kích thước khay cấp đông tiêu chuẩn bằng nhôm: đáy trên $290 \times 210\text{ mm}$, đáy dưới $280 \times 200\text{ mm}$, chiều cao $70\text{ mm}$. Mỗi tấm lắc chứa $40\text{ khay}$ ($80\text{ kg}$ sản phẩm). Tính thêm tỷ lệ châm nước $30%$, khối lượng danh định trên một tấm lắc là $114\text{ kg}$.
Để đạt công suất $1200\text{ kg/mẻ}$, số tấm lắc chứa hàng tính toán là $N_1 = 11\text{ tấm}$. Số tấm lắc thực tế lắp ráp là $N = N_1 + 1 = 12\text{ tấm}$ (nhằm tạo bề mặt tiếp xúc hai phía trên và dưới cho toàn bộ các lớp khay). Kích thước tấm lắc tiêu chuẩn chế tạo từ hợp kim nhôm là $2200\text{ mm} \times 1250\text{ mm} \times 22\text{ mm}$.
| Thông số kết cấu |
Kích thước bên trong (lọt lòng) |
Kích thước bên ngoài (phủ bì) |
| Chiều dài |
$3000\text{ mm}$ (tấm lắc $2200\text{ mm} + 2 \times 400\text{ mm}$ khoảng hở lắp ống góp) |
$3300\text{ mm}$ (tính thêm chiều dày cách nhiệt) |
| Chiều rộng |
$1500\text{ mm}$ (tấm lắc $1250\text{ mm} + 2 \times 125\text{ mm}$ khoảng hở hai bên) |
$1660\text{ mm}$ (tính cả phần nhô của cánh cửa $2 \times 80\text{ mm}$) |
| Chiều cao |
$1600\text{ mm}$ ($11 \times 105\text{ mm} + 100\text{ mm}$ đáy $+ 450\text{ mm}$ đỉnh) |
$1900\text{ mm}$ (tính cả lớp cách nhiệt trên dưới) |
Vỏ tủ có kết cấu dạng sandwich gồm 3 lớp: hai mặt bọc inox SUS 304 dày $0,6\text{ mm}$, lõi giữa là bọt cách nhiệt Polyurethane (PU) tỷ trọng $40 \div 42\text{ kg/m}^3$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 0,018 \div 0,020\text{ W/m}\cdot\text{K}$. Chiều dày cách nhiệt vách tủ là $150\text{ mm}$, chiều dày cách nhiệt cửa tủ là $125\text{ mm}$.
Xác lập chu trình nhiệt động học
Do nhiệt độ sôi của môi chất trong dàn bay hơi yêu cầu $t_0 = -44^\circ\text{C}$ (ứng với áp suất bão hòa $p_0 = 0,86777\text{ bar}$) và nhiệt độ ngưng tụ thiết kế qua bình ngưng giải nhiệt nước là $t_k = +43^\circ\text{C}$ (ứng với áp suất ngưng tụ $p_k = 16,483\text{ bar}$), tỷ số nén của toàn hệ thống là:
$$\pi = \frac{p_k}{p_0} = \frac{16,483}{0,86777} = 18,99 > 12$$
Vì tỷ số nén vượt quá giới hạn làm việc an toàn và hiệu quả của máy nén 1 cấp ($\pi > 12$), tác giả chọn chu trình máy lạnh nén hơi 2 cấp, sử dụng môi chất R22 ($\text{CHClF}2$), có bình trung gian làm mát hoàn toàn và bố trí ống trao đổi nhiệt để quá lạnh lỏng cao áp. Áp suất trung gian tối ưu được xác định:
$$p{tg} = \sqrt{p_k \cdot p_0} = \sqrt{16,483 \times 0,86777} = 3,78\text{ bar} \quad (t_{tg} = -8^\circ\text{C})$$
Nhiệt độ quá lạnh của lỏng sau bình trung gian đạt $t_{ql} = 34^\circ\text{C}$. Hơi hút về máy nén hạ áp được quá nhiệt trong thiết bị hồi nhiệt lên $t_1 = -24^\circ\text{C}$.
| Điểm nút |
Áp suất $p$ (bar) |
Nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$) |
Thể tích riêng $v$ ($\text{m}^3/\text{kg}$) |
Entanpi $i$ (kJ/kg) |
Entropi $s$ ($\text{kJ/kg}\cdot\text{K}$) |
Trạng thái môi chất |
| 1' |
$0,86777$ |
$-44$ |
$0,25418$ |
$686,11$ |
$1,835$ |
Hơi bão hòa khô ra khỏi dàn bay hơi |
| 1 |
$0,86777$ |
$-24$ |
$0,26744$ |
$699,44$ |
$1,883$ |
Hơi quá nhiệt hút vào máy nén hạ áp |
| 2 |
$3,78000$ |
$42$ |
$0,07646$ |
$737,46$ |
$1,886$ |
Hơi quá nhiệt sau máy nén hạ áp |
| 3 |
$3,78000$ |
$-8$ |
$0,05948$ |
$702,54$ |
$1,764$ |
Hơi bão hòa khô hút vào máy nén cao áp |
| 4 |
$16,4830$ |
$67$ |
$0,01651$ |
$739,51$ |
$1,703$ |
Hơi quá nhiệt sau nén cao áp vào bình ngưng |
| 5 |
$16,4830$ |
$43$ |
$0,00307$ |
$553,64$ |
$1,179$ |
Lỏng sôi sau thiết bị ngưng tụ |
| 5' |
$3,78000$ |
$-8$ |
$0,02160$ |
$553,64$ |
$1,202$ |
Hơi bão hòa ẩm sau van tiết lưu 1 (vào BTG) |
| 6 |
$16,4830$ |
$34$ |
— |
$543,03$ |
$1,460$ |
Lỏng quá lạnh sau ống xoắn trong BTG |
| 6' |
$0,86777$ |
$-44$ |
$0,06924$ |
$543,03$ |
$1,460$ |
Hơi bão hòa ẩm sau van tiết lưu 2 (vào dàn) |
| 7 |
$3,78000$ |
$-8$ |
$0,06475$ |
$490,66$ |
$0,966$ |
Lỏng sôi đọng trong bình trung gian |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu tủ cấp đông tiếp xúc
Chương này trình bày nhiệm vụ thiết kế, tổng quan về công nghệ cấp đông thủy sản và các phương pháp làm lạnh hiện nay. Tác giả tiến hành so sánh ba công nghệ phổ biến: cấp đông bằng không khí cưỡng bức (kho đông gió, IQF), cấp đông dạng tiếp xúc và cấp đông bằng phương pháp phun/ngâm thẩm thấu (dùng $\text{CO}_2$ lỏng hoặc nitơ lỏng $N_2$ ở $-196^\circ\text{C}$). Kết quả cho thấy phương pháp tiếp xúc vượt trội về tốc độ cấp đông khối sản phẩm định hình, tiết kiệm điện năng và chi phí vận hành hơn so với cấp đông gió.
Phần tính toán hình học xác lập các thông số cơ bản: kích thước tấm lắc tiêu chuẩn $2200 \times 1250 \times 22\text{ mm}$, khả năng chứa 40 khay/tấm lắc, bố trí 12 tấm lắc (trong đó có 11 tấm chứa hàng), xác định thể tích và kích thước buồng cấp đông lọt lòng là $3000 \times 1500 \times 1600\text{ mm}$, kích thước phủ bì là $3300 \times 1660 \times 1900\text{ mm}$.
Chương 2: Tính các loại nhiệt thừa và nhiệt ẩm, chọn vật liệu thiết kế
Nội dung chương tập trung tính toán kết cấu cách nhiệt và 5 dòng nhiệt tổn thất xâm nhập vào tủ trong một mẻ vận hành 2 giờ:
- Chiều dày cách nhiệt PU: Chiều dày yêu cầu tính toán theo điều kiện kinh tế là $\delta_{CN} = 0,1019\text{ m}$ ($101,9\text{ mm}$). Tác giả chọn chiều dày tiêu chuẩn thực tế là $150\text{ mm}$, mang lại hệ số truyền nhiệt thực tế qua vách $k_t = 0,130\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
- Kiểm tra đọng sương và đọng ẩm: Hệ số truyền nhiệt giới hạn đọng sương tính được là $k_s = 0,225\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$. Vì $k_t = 0,130 < k_s = 0,225$, bề mặt ngoài vách tủ không bị đọng sương trong điều kiện mùa hè Đà Nẵng ($37,7^\circ\text{C}$, $\varphi = 77%$). Cả hai mặt bọc inox kín khít ngăn chặn hoàn toàn ẩm khuếch tán vào lõi PU.
- Phân tích tổn thất nhiệt:
- Tổn thất qua kết cấu bao che: $Q_1 = 0,287\text{ kW}$.
- Tổn thất do sản phẩm mang vào ($1200\text{ kg}$ bạch tuộc): $Q_{21} = 47,5\text{ kW}$.
- Tổn thất làm lạnh 456 khay nhôm ($912\text{ kg}$): $Q_{22} = 8,25\text{ kW}$.
- Tổn thất do đông đặc nước châm ($360\text{ kg}$ nước, $q_0 = 442,49\text{ kJ/kg}$): $Q_{23} = 22,12\text{ kW}$.
- Tổn thất do mở cửa tủ ($B = 20\text{ W/m}^2$, diện tích cửa $5,527\text{ m}^2$): $Q_3 = 0,1\text{ kW}$.
- Tổng tải nhiệt và công suất máy nén: Tổng nhiệt thừa của tủ cấp đông $Q_{tt} = 78,257\text{ kW}$. Với hệ số tính đến tổn thất trên đường ống $k = 1,065$ và hệ số thời gian làm việc $b = 0,9$ ($22\text{ h/ngày}$), công suất lạnh yêu cầu của máy nén là $Q_0^{MN} = 92,6\text{ kW}$.
Chương 3: Chu trình lạnh và tính chọn công suất máy nén
Chương này hoàn thiện việc tính toán các chỉ tiêu nhiệt động học của chu trình 2 cấp dùng môi chất R22. Các kết quả tính toán cơ bản bao gồm:
- Năng suất lạnh riêng thực tế: $q_0 = i_{1'} - i_{6'} = 686,11 - 543,03 = 143,08\text{ kJ/kg}$.
- Nhiệt lượng thải ra tại thiết bị ngưng tụ: $q_k = 242,37\text{ kJ/kg}$.
- Lưu lượng môi chất tuần hoàn qua cấp hạ áp: $G_{HA} = 0,54\text{ kg/s}$; qua cấp cao áp: $G_{CA} = 0,704\text{ kg/s}$.
- Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ: $Q_k = 130,85\text{ kW}$.
- Công nén máy nén hạ áp: $L_{NHA} = 20,53\text{ kW}$; công nén máy nén cao áp: $L_{NCA} = 26,02\text{ kW}$. Tổng công nén chu trình: $L = 46,55\text{ kW}$.
- Thể tích hút thực tế: cấp hạ áp $V_{HA}^{tt} = 0,144\text{ m}^3/\text{s}$, cấp cao áp $V_{CA}^{tt} = 0,04\text{ m}^3/\text{s}$. Tỷ số nén mỗi cấp xấp xỉ nhau ($\pi_{HA} = 4,35$; $\pi_{CA} = 4,36$), hiệu suất cấp trung bình $\lambda = 0,77$.
- Thể tích hút lý thuyết: $V_{HA}^{lt} = 0,18\text{ m}^3/\text{s}$; $V_{CA}^{lt} = 0,05\text{ m}^3/\text{s}$.
- Tính toán công suất điện động cơ (với hiệu suất động cơ $\eta_{dc} = 0,90$, hiệu suất truyền động $\eta_{td} = 0,95$): $N_{elha} = 31,1\text{ kW}$, $N_{elca} = 39,5\text{ kW}$. Tổng công suất điện yêu cầu $N_t = 70,6\text{ kW}$.
- Lựa chọn thiết bị: Tác giả chọn 02 tổ máy nén 2 cấp MYCOM ký hiệu F124B2 chuyên dùng cho môi chất R22.
Chương 4: Tính thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị phụ
Chương 4 thực hiện tính toán nhiệt, thủy lực và lựa chọn các thiết bị phần cơ nhiệt trong trạm máy:
- Thiết bị ngưng tụ: Chọn bình ngưng ống chùm nằm ngang giải nhiệt bằng nước. Với phụ tải nhiệt $Q_k = 130,85\text{ kW}$, mật độ dòng nhiệt bề mặt $q_F = 3600\text{ W/m}^2$, diện tích trao đổi nhiệt yêu cầu là $F_k = 36,34\text{ m}^2$. Tác giả chọn bình ngưng công nghiệp mã hiệu KTP-35 có diện tích trao đổi nhiệt thực tế $40\text{ m}^2$, đường kính vỏ $404\text{ mm}$, chiều dài ống $2,0\text{ m}$, gồm 135 ống truyền nhiệt, tải nhiệt cực đại $140\text{ kW}$, cấu tạo 4 pass nước.
- Bình chứa cao áp: Đặt sau thiết bị ngưng tụ để chứa lỏng xả về và cấp lỏng ổn định cho van tiết lưu. Thể tích tính toán dựa trên dung tích dàn bay hơi ($V_d = 0,15\text{ m}^3$) là $V_{CA} = 0,72 \times 0,15 = 0,11\text{ m}^3$. Chọn bình chứa cao áp nằm ngang mã hiệu 0.4PB có dung tích danh định $0,4\text{ m}^3$, đường kính ngoài $D_a = 800\text{ mm}$, chiều dài $L = 3620\text{ mm}$, chiều cao $H = 570\text{ mm}$.
- Bình tách dầu: Sử dụng bình tách dầu kiểu khô đặt trên đường đẩy máy nén cao áp trước khi vào bình ngưng. Tốc độ hơi chọn $\omega = 18\text{ m/s}$, thể tích hơi thực tế $V_{HCD} = 8,9 \times 10^{-3}\text{ m}^3/\text{s}$, đường kính ống tính toán $d_{HCD} = 0,025\text{ m}$ ($25\text{ mm}$). Chọn bình tách dầu mã hiệu 100-MO kết hợp hệ thống xả dầu định kỳ và hồi dầu tự động qua van phao.
- Các thiết bị phụ khác: Thuyết minh sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tháp giải nhiệt tuần hoàn, bình trung gian kiểu nằm ngang có ống xoắn, bình chứa hạ áp bảo vệ chống ngập lỏng cho máy nén hạ áp, bình thu hồi dầu và cụm van điện từ điều khiển cấp dịch tự động.
Chương 5: Vận hành và bảo dưỡng hệ thống
Chương cuối cùng xây dựng sổ tay kỹ thuật cho việc vận hành thực tế tại xí nghiệp:
- Quy trình vận hành: Thao tác kiểm tra mức dầu cacte, áp suất môi chất trước khi khởi động; trình tự khởi động bơm nước giải nhiệt và quạt tháp làm mát trước, sau đó khởi động máy nén cấp hạ áp và cao áp; quy trình nạp liệu, hạ ben thủy lực ép chặt tấm lắc và xả đông phá băng định kỳ.
- Bảo dưỡng định kỳ: Lịch kiểm tra hàng tuần (độ căng đai, độ kín các mặt bích, xả dầu bình tách dầu, kiểm tra mức dầu cacte) và hàng tháng (vệ sinh cơ học hoặc hóa chất cặn bám trong ống chùm bình ngưng, thau rửa đáy tháp giải nhiệt, cân chỉnh lại các rơ-le áp suất và van an toàn).
- Xử lý sự cố: Hướng dẫn xử lý các hiện tượng sụt áp suất dầu bôi trơn, áp suất ngưng tụ tăng cao do bám bẩn đường nước, hiện tượng ngập lỏng đường hút và quy trình cô lập môi chất, hút kiệt chân không khi cần dừng hệ thống trong thời gian dài.
Kết quả và đóng góp
Đồ án hoàn thành trọn vẹn bộ hồ sơ tính toán thiết kế kỹ thuật cho một tủ cấp đông tiếp xúc công nghiệp với các thông số cụ thể:
| Hạng mục thiết bị / Thông số |
Giá trị thiết kế trong đồ án |
| Năng suất cấp đông danh định |
$1,2\text{ tấn/mẻ}$ bạch tuộc sơ chế ($2\text{ giờ/mẻ}$) |
| Công suất lạnh hữu ích tủ cấp đông ($Q_{tt}$) |
$78,257\text{ kW}$ |
| Công suất lạnh yêu cầu của máy nén ($Q_0^{MN}$) |
$92,6\text{ kW}$ |
| Loại chu trình nhiệt động |
Nén hơi 2 cấp làm mát trung gian hoàn toàn bằng BTG có ống xoắn quá lạnh lỏng |
| Môi chất lạnh / Phương thức giải nhiệt |
R22 / Nước tuần hoàn qua tháp giải nhiệt |
| Chế độ nhiệt độ chu trình ($t_0 / t_{tg} / t_k$) |
$-44^\circ\text{C} ;/; -8^\circ\text{C} ;/; +43^\circ\text{C}$ |
| Tổ máy nén được chọn |
02 tổ máy nén 2 cấp MYCOM mã hiệu F124B2 |
| Tổng công suất điện động cơ máy nén ($N_t$) |
$70,6\text{ kW}$ |
| Thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang |
Model KTP-35 (diện tích $40\text{ m}^2$, phụ tải ngưng tụ $130,85\text{ kW}$) |
| Bình chứa cao áp |
Model 0.4PB (thể tích $0,4\text{ m}^3$) |
| Bình tách dầu kiểu khô |
Model 100-MO (đường kính ống $25\text{ mm}$) |
| Kết cấu tấm lắc cấp đông |
12 tấm lắc hợp kim nhôm ($2200 \times 1250 \times 22\text{ mm}$), ép ben thủy lực |
Về mặt giải pháp, tác giả đã đưa ra phương án kết cấu vỏ tủ PU dày $150\text{ mm}$ bọc inox $0,6\text{ mm}$ giúp triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ đọng sương bề mặt và lọt ẩm vào lõi xốp, đồng thời tính toán chính xác tỷ lệ nước châm $30%$ vốn là yếu tố chiếm tải nhiệt lớn thứ hai trong quá trình đông đặc block thủy sản. Đồ án cung cấp một giải pháp thiết kế khả thi, đồng bộ từ khâu nhiệt tải đến lựa chọn ca-ta-lô thiết bị thực tế, phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng chế biến thủy hải sản tại Đà Nẵng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên phạm vi và nội dung tính toán được trình bày trong thuyết minh đồ án, một số hạn chế và định hướng phát triển kỹ thuật được ghi nhận:
- Môi chất lạnh R22: Hệ thống được tính toán trên cơ sở môi chất R22 (HCFC). Đây là môi chất có tiềm năng phá hủy tầng ôzôn (ODP) và gây hiệu ứng nhà kính (GWP), hiện đang nằm trong lộ trình loại trừ dần theo Nghị định thư Montreal. Đồ án chưa tính toán chuyển đổi sang các môi chất thân thiện sinh thái hơn như gas tự nhiên $\text{NH}_3$ (R717) hoặc các hỗn hợp HFC/HFO thay thế (R404A, R507A, R448A).
- Giả thiết tính toán ở trạng thái dừng: Quá trình truyền nhiệt trong mẻ cấp đông thực tế là quá trình không ổn định (nhiệt độ tâm block bạch tuộc giảm phi tuyến theo thời gian). Trong đồ án, tác giả tính toán nhiệt lượng trung bình theo phương pháp tích phân entanpi tĩnh, chưa khảo sát dao động phụ tải tức thời tác động lên hoạt động của máy nén.
- Mức độ tự động hóa: Thuyết minh đồ án tập trung vào tính toán nhiệt cơ khí và chọn thiết bị phần cứng, chưa xây dựng chi tiết sơ đồ mạch điện động lực, điều khiển PLC hoặc ứng dụng biến tần (VFD) để điều chỉnh năng suất lạnh theo thời gian cấp đông thực tế nhằm tiết kiệm điện năng.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho:
- Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh tại các trường đại học kỹ thuật khi thực hiện đồ án môn học "Hệ thống lạnh", đồ án "Thiết bị trao đổi nhiệt" hoặc đồ án tốt nghiệp đại học về mảng chế biến thủy sản.
- Kỹ sư thiết kế và tư vấn cơ điện lạnh (MEP) cần số liệu tra cứu thực tế về kích thước hình học tủ đông tiếp xúc, tỷ lệ nước châm block thủy sản và phương pháp lập thông số điểm nút chu trình 2 cấp dùng bình trung gian có ống xoắn.
- Cán bộ kỹ thuật, kỹ thuật viên vận hành tại các nhà máy chế biến thủy hải sản đông lạnh trong việc tra cứu bảng sự cố thường gặp, quy trình bảo dưỡng bình ngưng ống chùm và vận hành an toàn hệ thống ben thủy lực tủ cấp đông.
Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất là Chương 2 (phương pháp bóc tách chi tiết từng thành phần phụ tải nhiệt của khay, nước châm và sản phẩm) và Chương 3 (phương pháp giải tích chu trình máy nén 2 cấp với đầy đủ bảng thông số trạng thái điểm nút).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao hệ thống cấp đông tiếp xúc của đồ án bắt buộc phải áp dụng chu trình máy nén 2 cấp thay vì 1 cấp?
Áp suất sôi của môi chất trong dàn bay hơi ở $-44^\circ\text{C}$ là $p_0 = 0,86777\text{ bar}$, trong khi áp suất ngưng tụ ở $+43^\circ\text{C}$ là $p_k = 16,483\text{ bar}$. Tỷ số nén tổng thể tính được là $\pi = p_k / p_0 = 18,99$. Do $\pi > 12$, nếu dùng máy nén 1 cấp thì nhiệt độ cuối tầm nén sẽ quá cao làm cháy dầu bôi trơn, đồng thời hệ số cấp của máy nén giảm mạnh gây tụt năng suất lạnh nghiêm trọng. Việc chọn chu trình 2 cấp giúp phân chia tỷ số nén mỗi cấp xuống còn $\pi_{HA} = 4,35$ và $\pi_{CA} = 4,36$, đảm bảo máy nén làm việc an toàn và hiệu quả với hệ số cấp đạt $\lambda = 0,77$.
2. Kết cấu cách nhiệt vỏ tủ được tính toán ra sao và có xảy ra hiện tượng đọng sương hay không?
Vỏ tủ sử dụng lõi Polyurethane dày $150\text{ mm}$ ($\lambda = 0,02\text{ W/m}\cdot\text{K}$), hai mặt bọc inox dày $0,6\text{ mm}$. Hệ số truyền nhiệt thực tế qua vách tính được là $k_t = 0,130\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$. Trong điều kiện mùa hè tại Đà Nẵng ($t_1 = 37,7^\circ\text{C}$, độ ẩm $77%$, nhiệt độ đọng sương $t_s = 33^\circ\text{C}$), hệ số truyền nhiệt giới hạn chống đọng sương là $k_s = 0,225\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$. Do $k_t < k_s$ ($0,130 < 0,225$), kết cấu bao che hoàn toàn không bị đọng sương trên bề mặt ngoài.
3. Trong tổng phụ tải nhiệt của tủ cấp đông, thành phần nào chiếm tỷ trọng lớn nhất?
Tổng tổn thất nhiệt của tủ là $Q_{tt} = 78,257\text{ kW}$. Trong đó, nhóm tổn thất công nghệ làm lạnh sản phẩm ($Q_2$) chiếm tới $77,87\text{ kW}$ (hơn $99,5%$ tổng tải), bao gồm: nhiệt tỏa ra do làm lạnh và đông kết bạch tuộc ($Q_{21} = 47,5\text{ kW}$), nhiệt làm lạnh đông hoàn toàn lượng nước châm ($Q_{23} = 22,12\text{ kW}$) và nhiệt làm lạnh khay nhôm cấp đông ($Q_{22} = 8,25\text{ kW}$). Ngược lại, tổn thất qua vách bao che ($Q_1 = 0,287\text{ kW}$) và do mở cửa ($Q_3 = 0,1\text{ kW}$) chiếm tỷ trọng không đáng kể nhờ lớp vỏ PU cách nhiệt tốt.
4. Đồ án lựa chọn model thiết bị cụ thể nào cho các cụm máy chính trong trạm lạnh?
Hệ thống sử dụng 02 tổ máy nén 2 cấp MYCOM model F124B2 (tổng công suất điện yêu cầu $70,6\text{ kW}$); 01 bình ngưng giải nhiệt nước dạng ống chùm nằm ngang model KTP-35 với diện tích truyền nhiệt $40\text{ m}^2$, chiều dài ống $2,0\text{ m}$, 135 ống, phụ tải nhiệt max $140\text{ kW}$; 01 bình chứa cao áp nằm ngang model 0.4PB dung tích $0,4\text{ m}^3$; và 01 bình tách dầu kiểu khô model 100-MO lắp trên đường đẩy máy nén cao áp.
5. Cơ sở nào để xác định số lượng 12 tấm lắc cấp đông trong tủ?
Mỗi mẻ cần cấp đông $1200\text{ kg}$ sản phẩm dạng block $2\text{ kg}$ đặt trong khay tiêu chuẩn. Mỗi tấm lắc chứa được 40 khay ($80\text{ kg}$ sản phẩm). Tính thêm tỷ lệ nước châm bắt buộc $30%$, tải trọng thực tế trên một tấm lắc là $114\text{ kg}$. Số tấm lắc chứa hàng cần thiết là $N_1 = 1200 / 114 \approx 11\text{ tấm}$. Để toàn bộ 11 tầng khay đều được tiếp xúc truyền nhiệt cưỡng bức ở cả mặt trên và mặt dưới, hệ thống ben thủy lực cần trang bị thêm 1 tấm lắc phía trên cùng, đưa tổng số tấm lắc chế tạo lên $N = 11 + 1 = 12\text{ tấm}$.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lê Hữu Phúc và Lê Hiếu đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán thiết kế kỹ thuật hệ thống tủ cấp đông tiếp xúc công suất 1,2 tấn/mẻ phục vụ chế biến bạch tuộc xuất khẩu tại Xí nghiệp Thọ Quang, Đà Nẵng. Bản thuyết minh xây dựng đầy đủ cơ sở lý thuyết nhiệt động, tính toán chi tiết 5 thành phần phụ tải lạnh, thiết lập chu trình lạnh 2 cấp dùng môi chất R22 và lựa chọn đồng bộ các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn gồm máy nén MYCOM F124B2, bình ngưng KTP-35 cùng các bình áp lực phụ trợ. Toàn bộ các kết quả tính toán đều thỏa mãn nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật về truyền nhiệt, chống đọng sương bề mặt và an toàn vận hành trạm lạnh công nghiệp. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt và các kỹ sư tham gia thiết kế, vận hành kho lạnh thủy sản.
