Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập kinh tế quốc tế, ngành công nghệ thực phẩm đóng vai trò then chốt trong việc đưa các mặt hàng nông - thủy sản xuất khẩu ra thị trường thế giới. Để đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng khắt khe từ thị trường nhập khẩu, công nghệ bảo quản và chế biến thực phẩm đòi hỏi sự hỗ trợ trực tiếp từ ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt - lạnh. Đặc biệt, khu vực Đồng bằng sông Cửu Long với thế mạnh nuôi trồng và chế biến cá basa phi lê (Pangasius bocourti) đòi hỏi các giải pháp cấp đông hiện đại nhằm bảo đảm dinh dưỡng, màu sắc cơ thịt và cấu trúc sản phẩm. Đề tài "Tính toán thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm hệ thống cấp đông I-Q-F thẳng" được thực hiện tại Bộ môn Điện Lạnh, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng nhằm giải quyết bài toán kỹ thuật này.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm các chỉ tiêu kỹ thuật cụ thể sau:

  1. Thiết kế hệ thống cấp đông sản phẩm cá basa phi lê với năng suất $45\text{ kg/mẻ}$.
  2. Sử dụng môi chất lạnh gas R22 cho toàn bộ hệ thống.
  3. Duy trì nhiệt độ buồng lạnh đạt mức $t_p = -35^\circ\text{C}$.
  4. Thời gian cấp đông đạt yêu cầu là 15 phút cho mỗi mẻ sản phẩm.
  5. Địa điểm tính toán và lắp đặt hệ thống đặt tại Thành phố Hồ Chí Minh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cấp đông nhanh dạng rời (Individual Quickly Freezer - IQF) kiểu băng chuyền thẳng, chu trình nhiệt động 2 cấp nén và sản phẩm cá basa phi lê.
  • Phạm vi không gian: Điều kiện khí tượng và nhiệt độ môi trường tại Thành phố Hồ Chí Minh ($t = 37^\circ\text{C}$, độ ẩm $\varphi = 74%$).
  • Phạm vi thời gian: Đồ án hoàn thành vào tháng 8 năm 2019.
  • Phạm vi kỹ thuật: Tính toán kết cấu bao che buồng đông, thông số hình học băng tải, cân bằng nhiệt tải, chu trình lạnh 2 cấp nén, lựa chọn thiết bị nhiệt - cơ khí và các bước vận hành thực nghiệm trên mô hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Khái niệm cấp đông IQF: Hệ thống cấp đông nhanh cá thể (Individual Quickly Freezer) đưa sản phẩm dạng rời di chuyển trên băng chuyền với vận tốc chậm, tiếp xúc trực tiếp với luồng không khí đối lưu cưỡng bức có tốc độ gió lớn ($6 - 12\text{ m/s}$) và nhiệt độ rất thấp ($-35^\circ\text{C} \div -45^\circ\text{C}$) nhằm hạ nhiệt độ tâm sản phẩm xuống $-18^\circ\text{C}$ trong thời gian ngắn.
  • Chu trình nhiệt động 2 cấp nén: Do tỷ số nén của hệ thống vượt ngưỡng cho phép của chu trình 1 cấp ($\pi \ge 9$), đồ án áp dụng chu trình 2 cấp nén, 2 van tiết lưu, sử dụng bình trung gian ống xoắn làm mát trung gian hoàn toàn và bình tách lỏng hồi nhiệt.
  • Đặc tính sản phẩm cá basa: Cá basa (Pangasius bocourti) có thành phần dinh dưỡng trên 100g ăn được gồm: năng lượng $170\text{ calori}$, chất đạm $28,03\text{ g}$, tổng chất béo $7,02\text{ g}$, chất béo chưa bão hòa (DHA, EPA) $5\text{ g}$, cholesterol $0,022%$, natri $70,6\text{ mg}$. Nhiệt độ cá trước khi vào buồng cấp đông là $10^\circ\text{C}$ (entanpi $h_1 = 283\text{ kJ/kg}$) và nhiệt độ tâm sản phẩm sau khi cấp đông đạt $-18^\circ\text{C}$ (entanpi $h_2 = 5\text{ kJ/kg}$).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán nhiệt và cơ học: Xác định kích thước băng tải dựa trên mật độ và kích thước lát cá; tính toán chiều dày cách nhiệt panel Polyurethane (PU) chống đọng sương bề mặt ngoài vách kho; tính toán tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che, tổn thất do sản phẩm và tổn thất vận hành.
  • Phương pháp nhiệt động học chu trình lạnh: Sử dụng đồ thị entanpi $\log p - h$ và bảng tra thông số bão hòa của môi chất R22 để xác định các điểm trạng thái nhiệt động, công nén riêng, năng suất lạnh riêng và nhiệt lượng thải tại thiết bị ngưng tụ.
  • Phương pháp tra cứu catalog thiết bị công nghiệp: Lựa chọn quy cách thiết bị từ các nhà sản xuất chuyên ngành (máy nén Mitsubishi, panel Searefico, van Danfoss, phin lọc Castel, tháp giải nhiệt FRK).
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thực hiện kiểm tra độ kín, thử bền áp lực, hút chân không và quy trình nạp gas (nạp lỏng, nạp động) trên hệ thống thực tế.

Nguồn dữ liệu

  • Giáo trình và tài liệu tính toán thiết kế hệ thống lạnh chuyên ngành kỹ thuật nhiệt - lạnh.
  • Bảng thông số bão hòa và đồ thị nhiệt động của môi chất lạnh R22.
  • Số liệu khí tượng tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Catalog kỹ thuật từ các đơn vị chế tạo: Searefico, Danfoss, Mitsubishi, Castel.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

1. Thông số hình học băng tải và buồng cấp đông

  • Sản phẩm: Lát cá basa phi lê có kích thước $120 \times 60\text{ mm}$, khối lượng trung bình $110\text{ g/lát}$. Số lượng lát cá trong 1 mẻ $45\text{ kg}$ là 409 lát.
  • Bố trí băng tải: Chiều rộng băng chuyền $300\text{ mm}$. Khoảng cách xếp cá là $10\text{ mm}$ theo chiều ngang và chiều dọc, cách mép băng tải $10\text{ mm}$.
    • Số lát cá trên một hàng ngang: 4 lát.
    • Số hàng cá trên chiều dài băng tải: 102 hàng.
    • Chiều dài băng tải làm việc: $L = 102 \times (120 + 20) = 14280\text{ mm} \approx 14,3\text{ m}$.
    • Chiều dài tổng thể băng tải: $15,2\text{ m}$; chiều dài trong kho: $14,6\text{ m}$; chiều rộng: $0,3\text{ m}$; chiều cao: $0,3\text{ m}$.
    • Vận tốc di chuyển của băng chuyền: $v = \frac{15,2}{15} = 1,01\text{ m/phút}$.
  • Kết cấu bao che buồng đông: Sử dụng tấm panel Polyurethane (PU) dày $150\text{ mm}$ ($\lambda = 0,02\text{ W/m.K}$), bọc hai mặt bằng tôn mạ màu dày $0,5\text{ mm}$ ($\lambda = 43,5\text{ W/m.K}$). Hệ số truyền nhiệt thực qua vách là $k = 0,13\text{ W/m}^2\text{K}$, nhỏ hơn hệ số truyền nhiệt đọng sương cho phép ($k_s = 1,66\text{ W/m}^2\text{K}$).
    • Kích thước phủ bì kho: $14,6\text{ m} \times 2,5\text{ m} \times 2,6\text{ m}$.
    • Kích thước lọt lòng kho: $14,3\text{ m} \times 2,2\text{ m} \times 2,3\text{ m}$.

2. Tính toán chu trình lạnh 2 cấp nén R22

  • Điều kiện vận hành:
    • Nhiệt độ môi trường ngoài: $t = 37^\circ\text{C}$, độ ẩm $\varphi = 74% \Rightarrow$ nhiệt độ nhiệt kế ướt $t_ư = 32^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ nước vào bình ngưng $t_{w1} = 37^\circ\text{C}$, nước ra $t_{w2} = 42^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ ngưng tụ: $t_k = 47^\circ\text{C} \Rightarrow$ Áp suất ngưng tụ $p_k = 18,12\text{ bar}$.
    • Nhiệt độ bay hơi: $t_0 = -45^\circ\text{C} \Rightarrow$ Áp suất bay hơi $p_0 = 0,827\text{ bar}$.
    • Tỷ số nén: $\pi = \frac{p_k}{p_0} = \frac{18,12}{0,827} = 21,91$ ($\pi \ge 9$).
    • Áp suất trung gian: $p_{tg} = \sqrt{p_k \cdot p_0} = 3,87\text{ bar} \Rightarrow t_{tg} = -7,5^\circ\text{C}$.
Điểm nút Nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$) Áp suất $p$ ($\text{bar}$) Entanpi $h$ ($\text{kJ/kg}$) Thể tích riêng $v$ ($\text{m}^3\text{/kg}$) Entropy $s$ ($\text{kJ/kg.K}$)
1 -35 0,827 392,36 0,28 1,8
2 33 3,87 431,02 0,07 1,8
3 -7,5 3,87 402,18 0,06 1,76
4 73 18,12 442,05 0,06 1,76
5 47 18,12 259,31 - 1,2
6 -7,5 3,87 259,31 0,02 1,2
7 -7,5 3,87 402,18 0,06 1,76
8 42 18,12 197,2 0,005 1,0
9 -7,5 3,87 191,2 - 0,97
10 -45 0,827 197,2 0,06 1,01
11 -45 0,827 386,32 0,25 1,8
  • Các chỉ tiêu năng lượng của chu trình:
    • Năng suất lạnh riêng: $q_0 = h_{11} - h_{10} = 386,32 - 197,2 = 189,12\text{ kJ/kg}$.
    • Nhiệt lượng thải riêng tại bình ngưng: $q_k = h_4 - h_5 = 442,05 - 259,31 = 182,74\text{ kJ/kg}$.
    • Công nén hạ áp riêng: $l_1 = h_2 - h_1 = 431,02 - 392,36 = 38,66\text{ kJ/kg}$.
    • Công nén cao áp riêng: $l_2 = h_4 - h_3 = 442,05 - 402,18 = 39,87\text{ kJ/kg}$.
    • Lưu lượng môi chất hạ áp: $m_1 = \frac{Q_0}{q_0} = \frac{33,3}{189,12} = 0,176\text{ kg/s}$.
    • Lưu lượng môi chất cao áp: $m_3 = 0,287\text{ kg/s}$.
    • Tổng nhiệt tải ngưng tụ: $Q_k = q_k \cdot m_3 = 182,74 \times 0,287 = 52,45\text{ kW}$.
    • Tổng năng suất lạnh buồng cấp đông: $Q_0 = 33,29\text{ kW}$.

3. Thông số kỹ thuật của tổ hợp thiết bị

Dựa trên các kết quả tính toán nhiệt và thủy lực, hệ thống lựa chọn các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn:

  • Máy nén: Máy nén piston 2 cấp của hãng Mitsubishi, ký hiệu HSN 6461-50, môi chất R22, năng suất lạnh $Q_0 = 37,8\text{ kW}$ tại chế độ thiết kế.
  • Thiết bị ngưng tụ: Bình ngưng ống vỏ nằm ngang giải nhiệt bằng nước, model KTP-25 (diện tích trao đổi nhiệt $30\text{ m}^2$, đường kính vỏ $404\text{ mm}$, chiều dài ống $1,5\text{ m}$, số lượng 135 ống, tải nhiệt tối đa $105\text{ kW}$, 4 lối nước).
  • Dàn bay hơi: Model FNV-37.7/130 (năng suất lạnh $37,7\text{ kW}$, diện tích trao đổi nhiệt $130\text{ m}^2$, 2 quạt đường kính $500\text{ mm}$, tổng lưu lượng gió $14.000\text{ m}^3\text{/h}$, công suất điện $2 \times 370\text{ W}$, điện áp $380\text{ V}$).
  • Bình trung gian ống xoắn: Model $40\Pi\text{C}3$ nằm ngang ($D \times S = 426 \times 10\text{ mm}$, $H = 2390\text{ mm}$, diện tích bề mặt ống xoắn $1,75\text{ m}^2$, thể tích $0,22\text{ m}^3$, khối lượng $330\text{ kg}$).
  • Bình chứa cao áp: Model 3,5PB (dung tích $3,5\text{ m}^3$, $D \times S = 1000 \times 10\text{ mm}$, dài $4890\text{ mm}$, cao $950\text{ mm}$, khối lượng $1455\text{ kg}$).
  • Bình tách lỏng: Model $70-0\text{Ж}$ ($D \times S = 426 \times 10\text{ mm}$, đường kính ống nối $d = 70\text{ mm}$, cao $1750\text{ mm}$, khối lượng $210\text{ kg}$).
  • Bình tách dầu: Model 150CM ($D \times S = 159 \times 4,5\text{ mm}$, cao $775\text{ mm}$, thể tích $0,008\text{ m}^3$, khối lượng $18,5\text{ kg}$).
  • Tháp giải nhiệt: Model FRK-10 (lưu lượng nước $2,17\text{ l/s}$, kích thước $H = 1085\text{ mm}$, $D = 1735\text{ mm}$, quạt $0,20\text{ kW}$, lưu lượng gió $85\text{ m}^3\text{/phút}$, độ ồn $50,0\text{ dB}$).
  • Hệ thống van và phụ kiện:
    • Van tiết lưu nhiệt Danfoss: Tiết lưu dàn bay hơi chọn model 2206 (công suất $33,5\text{ kW}$); tiết lưu bình trung gian chọn model 2203 (công suất $10\text{ kW}$).
    • Van điện từ: Kiểu SV13A (kết nối $5/8\text{ inch}$).
    • Van chặn / van bi: Model ZRJ-05 (đường kính $1/2\text{ inch}$).
    • Phin lọc cặn/ẩm: Castel/Danfoss model 4316/5 ($5/8\text{ inch}$).
    • Mắt xem gas kiểm tra dòng lỏng.

4. Thông số đường ống dẫn môi chất R22

  • Đường đẩy cao áp: Nhiệt độ $72^\circ\text{C}$, $\rho = 144,27\text{ kg/m}^3$, vận tốc dòng $\omega = 8\text{ m/s} \Rightarrow$ Ống đồng danh nghĩa $D_y = 12\text{ mm}$ ($D_e = 18\text{ mm}$, chiều dày $1,5\text{ mm}$).
  • Đường hút cao áp: Nhiệt độ $-35^\circ\text{C}$, $\rho = 15,29\text{ kg/m}^3$, vận tốc dòng $\omega = 12\text{ m/s} \Rightarrow$ Ống đồng danh nghĩa $D_y = 40\text{ mm}$ ($D_e = 45\text{ mm}$, chiều dày $2,5\text{ mm}$).
  • Đường đẩy hạ áp: Nhiệt độ $33^\circ\text{C}$, $\rho = 50,53\text{ kg/m}^3$, vận tốc dòng $\omega = 15\text{ m/s} \Rightarrow$ Ống đồng danh nghĩa $D_y = 20\text{ mm}$ ($D_e = 24\text{ mm}$, chiều dày $1,5\text{ mm}$).
  • Đường hút hạ áp: Nhiệt độ $-35^\circ\text{C}$, $\rho = 6,0055\text{ kg/m}^3$, vận tốc dòng $\omega = 15\text{ m/s} \Rightarrow$ Ống đồng danh nghĩa $D_y = 50\text{ mm}$ ($D_e = 55\text{ mm}$, chiều dày $2,5\text{ mm}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu hệ thống kho cấp đông IQF thẳng

Chương 1 trình bày tổng quan về định nghĩa, cấu tạo và phân loại các hệ thống cấp đông nhanh dạng rời (IQF), bao gồm 3 dạng chính:

  1. Buồng cấp đông có băng chuyền kiểu xoắn (Spiral IQF).
  2. Buồng cấp đông có băng chuyền kiểu thẳng (Straight IQF).
  3. Buồng cấp đông có băng chuyền siêu tốc (Impingement IQF).

Văn bản làm rõ đặc tính của hệ thống cấp đông băng chuyền thẳng: dàn lạnh được bố trí phía trên các băng chuyền thổi trực tiếp luồng khí lạnh tốc độ cao xuống sản phẩm; vỏ bao che bằng panel Polyurethane dày $150\text{ mm}$ bọc thiếc hoặc inox. Dù kết cấu thẳng chiếm diện tích sàn dài nhưng có ưu điểm vận hành đơn giản, chuyển động thẳng một chiều, khe hở nạp/xuất liệu hẹp giúp giảm thiểu thất thoát nhiệt.

Chương này cũng mô tả sơ đồ quy trình chế biến cá phi lê đông lạnh từ khâu nguyên liệu: $$\text{Nguyên liệu} \rightarrow \text{Fillet} \rightarrow \text{Rửa 1} \rightarrow \text{Lạng da} \rightarrow \text{Tạo hình} \rightarrow \text{Kiểm tra ký sinh} \rightarrow \text{Phân cỡ, loại} \rightarrow \text{Cân} \rightarrow \text{Rửa 2}$$ Sau đó tách thành 2 nhánh:

  • Nhánh cấp đông khối: Xếp khuôn $\rightarrow$ Cấp đông tiếp xúc $\rightarrow$ Tách khuôn $\rightarrow$ Mạ băng $\rightarrow$ Bao gói $\rightarrow$ Bảo quản.
  • Nhánh cấp đông IQF: Cấp đông IQF $\rightarrow$ Mạ băng $\rightarrow$ Tái đông $\rightarrow$ Bao gói $\rightarrow$ Bảo quản.

Đồng thời, chương 1 giới thiệu giá trị sinh học, thành phần dinh dưỡng và các lợi ích sức khỏe của cá basa (Pangasius bocourti), khẳng định tiềm năng xuất khẩu và giá trị kinh tế của đối tượng cấp đông này.

Chương 2: Tính toán thiết kế kho lạnh I-Q-F băng chuyền thẳng

Chương 2 là nội dung tính toán cốt lõi của đồ án, bao gồm các phần tính toán:

  1. Tính toán băng chuyền: Xác định kích thước lát cá, khoảng cách bố trí, số lượng lát cá trên khay/băng ($n = 409$ lát), chiều dài làm việc của băng chuyền ($14,3\text{ m}$) và vận tốc băng chuyền ($1,01\text{ m/phút}$).
  2. Tính cách nhiệt, cách ẩm và kiểm tra đọng sương: Lựa chọn panel PU dày $150\text{ mm}$ của Searefico; xác định hệ số truyền nhiệt thực qua kết cấu bao che $k = 0,13\text{ W/m}^2\text{K}$; kiểm tra đọng sương theo điều kiện $k_t < 0,95 k_s$ ($0,13 < 1,577\text{ W/m}^2\text{K}$, thỏa mãn điều kiện không đọng sương).
  3. Cân bằng tải nhiệt kho lạnh:
    • Nhiệt lượng do làm lạnh sản phẩm ($Q_{sp}$): Cá vào $10^\circ\text{C}$ ($h_1 = 283\text{ kJ/kg}$), tâm sản phẩm sau cấp đông $-18^\circ\text{C}$ ($h_2 = 5\text{ kJ/kg}$), lưu lượng $0,05\text{ kg/s} \Rightarrow Q_{sp} = 13,9\text{ kW}$.
    • Nhiệt lượng truyền qua kết cấu bao che ($Q_{bc}$): Tính toán chi tiết qua 6 bề mặt vách, trần, sàn với $\Delta t = 72^\circ\text{C}$ ($37^\circ\text{C}$ ngoài trời và $-35^\circ\text{C}$ trong buồng), tổng tổn thất qua vách là $1515,56\text{ W} \approx 1,516\text{ kW}$.
    • Tổn thất nhiệt do vận hành ($Q_{vh}$):
      • Chiếu sáng: 3 đèn $36\text{ W} \Rightarrow Q_đ = 108\text{ W}$.
      • Băng chuyền: Tổn thất nhiệt do phần băng tải inox nhô ra ngoài trao đổi nhiệt với môi trường, $Q_{bc\text{ (băng)}} \approx 1,5\text{ kW}$.
      • Không khí lọt qua cửa: Chọn bằng $15%$ nhiệt qua kết cấu bao che, $Q_{tl} = 277,71\text{ W}$.
      • Động cơ quạt dàn lạnh: $Q_{đc} = 10\text{ kW}$.
      • Tổng nhiệt tổn thất vận hành: $Q_{vh} \approx 11,886\text{ kW}$.
    • Tổng tải nhiệt yêu cầu cho máy nén: $Q_0 \approx 33,29\text{ kW}$.
  4. Tính toán chu trình nhiệt động và chọn máy nén: Với tỷ số nén $\pi = 21,91$, chu trình 2 cấp nén sử dụng gas R22 được thiết lập. Tính toán 11 điểm trạng thái nhiệt động, xác định $q_0 = 189,12\text{ kJ/kg}$, nhiệt ngưng tụ $Q_k = 52,45\text{ kW}$. Chọn máy nén 2 cấp Mitsubishi HSN 6461-50 ($Q_0 = 37,8\text{ kW}$).
  5. Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị phụ: Tính toán diện tích trao đổi nhiệt để chọn bình ngưng ống vỏ nằm ngang KTP-25 ($30\text{ m}^2$), dàn bay hơi FNV-37.7/130 ($130\text{ m}^2$), bình trung gian ống xoắn nằm ngang $40\Pi\text{C}3$, bình chứa cao áp 3,5PB, bình tách lỏng $70-0\text{Ж}$, bình tách dầu 150CM, tháp giải nhiệt FRK-10, các cỡ ống đồng dẫn gas và các van điều khiển Danfoss.

Chương 3: Chế tạo mô hình – Vận hành thực nghiệm

Chương 3 trình bày bản vẽ sơ đồ nguyên lý của hệ thống cấp đông IQF thẳng 2 cấp nén và quy trình các bước thao tác vận hành thử nghiệm trên mô hình thực tế:

  • Thử kín - thử bền hệ thống: Sử dụng áp lực khí nén/khí nitơ để kiểm tra độ bền cơ học của mối hàn, mối nối ren và kiểm tra rò rỉ trên toàn bộ đường ống, thiết bị.
  • Hút chân không hệ thống: Kết nối bơm hút chân không chuyên dụng để loại bỏ triệt để không khí và hơi ẩm bên trong đường ống và các bình chứa trước khi nạp môi chất.
  • Nạp gas lỏng cho hệ thống: Nạp môi chất R22 dạng lỏng từ bình chứa môi chất vào bình chứa cao áp hoặc qua đường nạp lỏng khi hệ thống đã đạt độ chân không tiêu chuẩn.
  • Nạp gas động cho hệ thống: Vận hành máy nén và nạp bổ sung môi chất ở trạng thái hơi vào đường hút để hiệu chỉnh đúng lượng gas làm việc, theo dõi áp suất hút, áp suất đẩy và dòng điện động cơ.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả tính toán và lựa chọn thông số

Đồ án đã tính toán hoàn chỉnh toàn bộ các thông số kỹ thuật của một hệ thống cấp đông băng chuyền IQF thẳng đạt năng suất $45\text{ kg/mẻ}$ trong 15 phút.

Thông số kỹ thuật Giá trị tính toán Thiết bị / Vật liệu lựa chọn
Kích thước bao che kho Dài 14,6 m $\times$ Rộng 2,5 m $\times$ Cao 2,6 m Panel PU dày 150 mm (Searefico)
Băng chuyền thẳng Dài tổng thể 15,2 m; Vận tốc 1,01 m/phút Băng tải lưới inox rộng 300 mm
Năng suất lạnh yêu cầu ($Q_0$) 33,29 kW Máy nén 2 cấp Mitsubishi HSN 6461-50 ($37,8\text{ kW}$)
Nhiệt lượng thải ngưng tụ ($Q_k$) 52,45 kW Bình ngưng KTP-25 ($30\text{ m}^2$, giải nhiệt nước)
Dàn bay hơi buồng đông Phù hợp năng suất lạnh buồng đông Dàn lạnh quạt FNV-37.7/130 ($37,7\text{ kW}$)
Bình trung gian làm mát Bình trung gian ống xoắn nằm ngang Model $40\Pi\text{C}3$ ($V = 0,22\text{ m}^3$)
Bình chứa môi chất lỏng cao áp Dung tích tính toán $3,29\text{ m}^3$ Bình chứa cao áp 3,5PB ($V = 3,5\text{ m}^3$)
Bình tách lỏng hồi nhiệt Đường kính trong theo lưu lượng hơi Model $70-0\text{Ж}$ ($D \times S = 426 \times 10\text{ mm}$)
Bình tách dầu Phù hợp tốc độ hơi tách dầu Model 150CM ($V = 0,008\text{ m}^3$)
Tháp giải nhiệt nước Lưu lượng nước $1,71\text{ l/s}$ Tháp giải nhiệt FRK-10 ($2,17\text{ l/s}$)
Van tiết lưu dàn bay hơi Công suất yêu cầu $33,29\text{ kW}$ Danfoss model 2206 ($33,5\text{ kW}$)
Van tiết lưu bình trung gian Công suất yêu cầu $10\text{ kW}$ Danfoss model 2203 ($10\text{ kW}$)

2. Đóng góp về mặt kỹ thuật và đào tạo

  • Thiết lập quy trình tính toán nhiệt lạnh đồng bộ: từ hình học sản phẩm thực phẩm, kích thước băng tải, cách nhiệt bao che, cân bằng nhiệt tải đến chu trình 2 cấp nén.
  • Đưa ra phương án chọn lựa thiết bị phụ trợ (bình trung gian ống xoắn, bình chứa cao áp, bình tách lỏng hồi nhiệt, bình tách dầu) phù hợp với chu trình sử dụng freon R22.
  • Xây dựng quy trình 4 bước vận hành thực nghiệm chuẩn tắc: Thử kín/thử bền $\rightarrow$ Hút chân không $\rightarrow$ Nạp gas lỏng $\rightarrow$ Nạp gas động, phục vụ cho việc lắp ráp mô hình thực tế tại xưởng thực hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Thời gian thực hiện: Đồ án được thực hiện trong thời gian giới hạn của khóa đào tạo cao đẳng kỹ thuật nên chưa khảo sát hết các chế độ phụ tải thay đổi trong các mùa khác nhau trong năm.
  • Môi chất lạnh R22: Đồ án sử dụng môi chất hydrochlorofluorocarbon (HCFC-22), là môi chất có lộ trình cắt giảm và loại trừ do ảnh hưởng đến tầng ozon và chỉ số làm nóng toàn cầu (GWP).
  • Mặt bằng lắp đặt: Hệ thống cấp đông băng chuyền dạng thẳng đòi hỏi chiều dài buồng đông lớn ($14,6\text{ m}$), chiếm nhiều diện tích nhà xưởng hơn so với hệ thống cấp đông băng chuyền xoắn (Spiral IQF).

Hướng phát triển tiếp

  • Nghiên cứu chuyển đổi và tính toán chu trình cấp đông nhanh IQF sử dụng các môi chất lạnh thân thiện với môi trường hơn (như R404A, R507, $\text{NH}_3$, hoặc $\text{CO}_2$).
  • Khảo sát và thiết kế hệ thống cấp đông IQF dạng xoắn (Spiral IQF) hoặc siêu tốc (Impingement IQF) nhằm tối ưu hóa diện tích bố trí mặt bằng công nghiệp.
  • Ứng dụng các thiết bị điều khiển biến tần cho động cơ kéo băng tải và quạt dàn lạnh nhằm tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ theo từng loại kích cỡ và chủng loại sản phẩm thủy sản khác nhau.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh, Điện Lạnh: Tham khảo phương pháp tính toán chu trình lạnh 2 cấp nén có bình trung gian ống xoắn và các bước tính chọn thiết bị cơ - nhiệt phụ trợ trong hệ thống lạnh công nghiệp.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên ngành Công nghệ Thực phẩm / Chế biến Thủy sản: Tham khảo quy trình công nghệ chế biến cá basa phi lê đông lạnh, các thông số nhiệt vật lý của sản phẩm và nguyên lý làm việc của buồng cấp đông IQF.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất:
    1. Phương pháp tính toán hình học băng chuyền và xác định thời gian cấp đông thực phẩm dạng rời.
    2. Bảng tính chi tiết 11 điểm trạng thái nhiệt động của chu trình 2 cấp nén R22 qua đồ thị entanpi $\log p - h$.
    3. Phương pháp tính chọn đường kính ống đồng dẫn môi chất gas R22 theo vận tốc dòng chảy và khối lượng riêng của từng đoạn ống hút/đẩy.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án phải chọn chu trình lạnh hai cấp nén thay vì một cấp nén?

Trong điều kiện nhiệt độ môi trường ngoài tại TP. Hồ Chí Minh ($37^\circ\text{C}$), nhiệt độ ngưng tụ thiết kế là $t_k = 47^\circ\text{C}$ ($p_k = 18,12\text{ bar}$) và nhiệt độ bay hơi yêu cầu để cấp đông đạt $-35^\circ\text{C}$ là $t_0 = -45^\circ\text{C}$ ($p_0 = 0,827\text{ bar}$). Tỷ số nén tính toán được là: $$\pi = \frac{p_k}{p_0} = \frac{18,12}{0,827} = 21,91$$ Do $\pi \ge 9$, nếu sử dụng máy nén 1 cấp thì nhiệt độ cuối tầm nén sẽ rất cao gây cháy dầu bôi trơn, hệ số cấp giảm mạnh và hiệu suất năng lượng kém. Do đó, hệ thống bắt buộc phải sử dụng chu trình hai cấp nén có làm mát trung gian.

2. Kích thước và vận tốc của băng chuyền trong kho lạnh được tính toán dựa trên các dữ liệu nào?

Băng chuyền được tính toán dựa trên:

  • Kích thước mỗi lát cá basa phi lê: $120 \times 60\text{ mm}$, khối lượng $110\text{ g}$.
  • Năng suất mẻ $45\text{ kg} \Rightarrow 409$ lát cá.
  • Bề rộng băng tải chọn $300\text{ mm}$, khoảng cách giữa các lát cá là $10\text{ mm} \Rightarrow$ xếp được 4 lát/hàng ngang và 102 hàng dọc.
  • Chiều dài băng tải làm việc: $102 \times (120 + 20) = 14280\text{ mm} \approx 14,3\text{ m}$ (chiều dài tổng thể băng tải $15,2\text{ m}$).
  • Vận tốc di chuyển băng chuyền: $v = \frac{15,2\text{ m}}{15\text{ phút}} = 1,01\text{ m/phút}$.

3. Tổng năng suất lạnh của máy nén ($Q_0 = 33,29\text{ kW}$) bao gồm những thành phần nhiệt tải nào?

Tổng năng suất lạnh được tổng hợp từ 3 nhóm nhiệt tải chính:

  1. Nhiệt lượng làm lạnh sản phẩm cá basa từ $10^\circ\text{C}$ xuống nhiệt độ tâm $-18^\circ\text{C}$: $Q_{sp} = 13,9\text{ kW}$.
  2. Dòng nhiệt tổn thất truyền qua kết cấu bao che panel PU dày $150\text{ mm}$: $Q_{bc} \approx 1,516\text{ kW}$.
  3. Dòng nhiệt tổn thất do vận hành: $Q_{vh} \approx 11,886\text{ kW}$ (gồm đèn chiếu sáng $108\text{ W}$, nhiệt do băng tải inox nhô ra ngoài $1,5\text{ kW}$, không khí lọt cửa $277,71\text{ W}$, và động cơ quạt dàn bay hơi $10\text{ kW}$).

4. Bình trung gian ống xoắn trong hệ thống đảm nhiệm những chức năng gì?

Bình trung gian ống xoắn kiểu nằm ngang (model $40\Pi\text{C}3$) thực hiện 3 nhiệm vụ nhiệt động:

  • Làm mát trung gian hơi nén từ cấp hạ áp trước khi đi vào hút của cấp cao áp nhằm giảm nhiệt độ cuối tầm nén và tiết kiệm công nén.
  • Quá lạnh dòng môi chất lỏng cao áp chảy bên trong ống xoắn trước khi đi vào van tiết lưu chính của dàn bay hơi, giúp giảm tổn thất do tiết lưu và tăng năng suất lạnh riêng ($q_0$).
  • Tách lỏng ra khỏi dòng hơi môi chất trước khi về máy nén cấp cao áp để bảo đảm an toàn, tránh hiện tượng va đập thủy lực (ngập lỏng).

5. Các bước chính trong quy trình vận hành thử nghiệm mô hình thực tế gồm những công đoạn nào?

Quy trình vận hành thử nghiệm gồm 4 bước kỹ thuật tuần tự:

  1. Thử kín - thử bền: Dùng áp lực khí nén/nitơ để kiểm tra độ kín các mối ghép và độ bền chịu áp lực của các thiết bị, đường ống.
  2. Hút chân không: Dùng bơm chân không rút sạch không khí và hơi ẩm ra khỏi toàn bộ hệ thống.
  3. Nạp gas lỏng: Nạp môi chất lạnh R22 ở thể lỏng từ bình gas ngoài vào bình chứa cao áp khi hệ thống đang ở trạng thái chân không tĩnh.
  4. Nạp gas động: Khởi động máy nén chạy thử và nạp bổ sung môi chất ở thể hơi qua đường hút hạ áp, đồng thời căn chỉnh áp suất và kiểm tra các thông số dòng điện, nhiệt độ làm việc.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm hệ thống cấp đông I-Q-F thẳng" đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật nhiệt - lạnh cho dây chuyền cấp đông cá basa phi lê $45\text{ kg/mẻ}$ tại TP. Hồ Chí Minh. Các kết quả tính toán đã xác định chính xác kích thước hình học băng chuyền, kết cấu panel cách nhiệt, cân bằng nhiệt tải $33,29\text{ kW}$ và các thông số nhiệt động của chu trình 2 cấp nén gas R22. Hệ thống thiết bị chính và phụ trợ (máy nén Mitsubishi HSN 6461-50, bình ngưng KTP-25, dàn lạnh FNV-37.7/130, bình trung gian $40\Pi\text{C}3$, các bình chứa, bình tách và van chuyên dụng) đã được tính chọn đồng bộ theo các tiêu chuẩn công nghiệp. Đồ án là tài liệu kỹ thuật thực nghiệm có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và kỹ thuật viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh trong việc thiết kế và vận hành các hệ thống cấp đông nhanh thủy hải sản.