Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến và xuất khẩu thủy sản, công nghệ bảo quản lạnh đóng vai trò then chốt nhằm ức chế hoạt động sinh hóa của vi sinh vật và enzyme, duy trì phẩm chất dinh dưỡng và hình thức của nguyên liệu thủy hải sản sau thu hoạch. Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt của sinh viên Đoàn Quốc Cường và Tăng Hữu Tuân (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Công Vinh, hoàn thành tháng 01/2023) giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật kho lạnh cho cơ sở công nghiệp chế biến thực tế trên địa bàn thành phố Đà Nẵng.

Bối cảnh thực tiễn được nhóm tác giả xác định dựa trên cơ sở sản xuất của Công ty Cổ phần Thủy sản Anh Minh (hoặc Công ty TNHH Chế biến Xuất nhập khẩu Thủy sản Anh Minh), tọa lạc tại Lô C2-4, C2-5 đường Phạm Văn Xảo, phường Thọ Quang, quận Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng. Doanh nghiệp hoạt động trên diện tích 6.169 m², chuyên sản xuất cá fillet và cá nguyên con với sản lượng đạt khoảng 3.000 tấn/năm. Để đáp ứng nhu cầu dự trữ hàng hóa phục vụ chế biến và xuất khẩu, doanh nghiệp yêu cầu một hệ thống kho trữ đông lạnh có dung tích thiết kế 700 tấn thủy sản (cá, tôm, mực) bảo quản ở điều kiện nhiệt độ ổn định -18°C.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được triển khai qua các nội dung kỹ thuật sau:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết kỹ thuật đông lạnh thực phẩm, quy trình bảo quản thủy sản và các hệ thống máy lạnh công nghiệp nén hơi.
  2. Khảo sát điều kiện tự nhiên, khí hậu thực tế tại Đà Nẵng để xác định các thông số tính toán nhiệt động và tải lạnh ngoài trời.
  3. Tính toán kích thước hình học, thể tích, diện tích chất tải và mặt bằng xây dựng kho lạnh đạt dung tích 700 tấn cá.
  4. Lựa chọn vật liệu kết cấu vỏ kho (panel Polyurethane), tính toán cách nhiệt, kiểm tra hệ số truyền nhiệt thực tế và điều kiện chống đọng sương trên vách bao che.
  5. Tính toán các thành phần tổn thất nhiệt (qua kết cấu bao che, do sản phẩm và bao bì mang vào, do vận hành buồng lạnh) nhằm xác định phụ tải nhiệt thiết bị và năng suất lạnh yêu cầu của máy nén.
  6. Thiết lập sơ đồ nguyên lý chu trình lạnh 1 cấp có thiết bị hồi nhiệt sử dụng môi chất R134a, tính toán các điểm trạng thái nhiệt động, xác định các thông số làm việc và tính chọn máy nén cùng công suất động cơ dẫn động.
  7. Tính chọn các thiết bị trao đổi nhiệt chính (dàn bay hơi, thiết bị ngưng tụ) và các thiết bị phụ trong hệ thống (bình tách dầu, bình chứa cao áp, bình hồi nhiệt, thiết bị tách khí không ngưng, tháp giải nhiệt).
  8. Xây dựng giải pháp kỹ thuật lắp đặt nền móng, vỏ kho panel, cụm thiết bị cơ khí - đường ống, quy trình thử nghiệm áp lực (thử xì), hút chân không, nạp gas và quy trình vận hành, bảo dưỡng an toàn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống kho lạnh công nghiệp bảo quản đông thủy sản dung tích 700 tấn và chu trình lạnh nén hơi sử dụng môi chất làm lạnh R134a.
  • Phạm vi không gian: Nhà máy chế biến của Công ty Cổ phần Thủy sản Anh Minh tại quận Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng.
  • Phạm vi thời gian và thông số khí hậu: Số liệu khí tượng thủy văn tính toán tại Đà Nẵng với nhiệt độ trung bình môi trường thiết kế 37,7°C, độ ẩm trung bình 77%, nhiệt độ điểm sương 33°C.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học kỹ thuật, cơ sở truyền nhiệt và kỹ thuật làm lạnh nhân tạo phục vụ bảo quản thực phẩm. Về mặt sinh hóa, thực phẩm thủy sản sau khi đánh bắt chứa hàm lượng nước lớn; khi nhiệt độ hạ xuống dưới 0°C, phần lớn nước tự do đóng băng làm tăng nồng độ chất tan, ức chế quá trình phát triển của các loài vi khuẩn gây thối rữa và nấm mốc (như Cloromobacter, Pseudomonas). Để ngăn chặn vi sinh vật phát triển làm hư hỏng sản phẩm trong thời gian lưu trữ dài, nhiệt độ bảo quản trong buồng bắt buộc phải duy trì ở ngưỡng -18°C.

Về mặt công nghệ lạnh, hệ thống áp dụng chu trình máy lạnh nén hơi một cấp có sử dụng thiết bị hồi nhiệt. Tác giả chọn môi chất lạnh R134a (Hydrofluorocarbon - HFC) thay thế các dòng gas truyền thống với các đặc tính: chỉ số làm suy giảm tầng ozon ODP = 0, chỉ số tiềm năng làm nóng toàn cầu GWP = 1430, phân loại an toàn A1 (độc tính thấp và không cháy), có khả năng nạp lại khi bị rò rỉ và duy trì tính kinh tế trong vận hành.

Phương pháp nghiên cứu trong đồ án là phương pháp tính toán kỹ thuật chuyên ngành nhiệt lạnh, kết hợp giữa tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam và các tài liệu chuyên khảo:

  • Phương pháp giải tích tính toán truyền nhiệt qua kết cấu nhiều lớp để xác định chiều dày lớp cách nhiệt và kiểm tra chống đọng sương theo điều kiện $K_t < K_s$.
  • Phương pháp cân bằng nhiệt xác định tổng phụ tải nhiệt từ 5 thành phần tổn thất nhiệt ($Q_1$ đến $Q_5$).
  • Phương pháp đồ thị và tra bảng nhiệt động: Tra cứu các thông số trạng thái của môi chất R134a trên đồ thị $\lg P - h$ và bảng hơi bão hòa để tính toán các điểm trạng thái của chu trình nén hơi 1 cấp.
  • Nguồn dữ liệu sử dụng: Giáo trình, bài giảng kỹ thuật lạnh, số liệu khí hậu Đà Nẵng, số liệu công nghệ chế biến cá fillet và cá nguyên con của nhà máy Thủy sản Anh Minh, bảng tra cứu entanpi của thực phẩm thủy sản đông lạnh.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kho lạnh bảo quản thực phẩm được thiết kế theo phương thức lắp ghép từ các tấm panel cách nhiệt tiền chế và chu trình lạnh nén hơi hoàn chỉnh:

[Máy nén piston] ---> [Bình ngưng ống chùm + Tháp giải nhiệt] ---> [Bình tách dầu / Bình chứa cao áp]
        ^                                                                    |
        |                                                                    v
[Bình hồi nhiệt] <--- [Dàn lạnh quạt treo trần (Thermokey)] <--- [Van tiết lưu]

Kiến trúc xây dựng và kết cấu vỏ kho

  • Thể tích và kích thước kho: Với định mức chất tải thể tích cho cá đông lạnh $g_v = 0,45\text{ tấn/m}^3$, thể tích chất tải tính toán là $V = 700 / 0,45 = 1555,55\text{ m}^3$. Chọn chiều cao chất tải $h_{ct} = 5\text{ m}$, diện tích chiếm trực tiếp $F_{ct} = 311,11\text{ m}^2$, hệ số sử dụng diện tích $\beta_F = 0,8$. Quy chuẩn bước cột 6 m xác định diện tích xây dựng thực tế là $F_{xd} = 24\text{ m} \times 18\text{ m} = 432\text{ m}^2$, chiều cao phòng lạnh $h_{tr} = 6\text{ m}$ (chiều cao dự trữ đối lưu gió $\Delta h = 1\text{ m}$).
  • Kết cấu panel cách nhiệt: Sử dụng panel Polyurethane (PU) tỷ trọng 38–40 kg/m³, cường độ chịu nén 0,2–0,29 MPa, chất tạo bọt R141B không phá hủy tầng ozon. Hai mặt ngoài là tôn mạ màu hoặc tôn phủ PVC/inox dày 0,5–0,6 mm có sơn bảo vệ 0,5 mm. Chiều dày panel tiêu chuẩn lựa chọn là 150 mm (chiều dày tính toán lý thuyết yêu cầu 131,6 mm; chiều dày lớp PU thực tế là 147,8 mm), cho hệ số truyền nhiệt thực tế $k_t = 0,1976\text{ W/m}^2\text{K}$. Vách ngăn phòng cũng chọn panel dày 150 mm (tính toán lý thuyết yêu cầu 95,2 mm).
  • Kết cấu móng nền: Móng đào sâu 200 mm, bệ móng xây đá chẻ, lót cát đầm chặt 100 mm, bê tông lót đá 4x6 dày 100 mm, bê tông chịu lực đá 1x2 dày 200 mm. Phía trên bố trí hệ con lươn thông gió cao 300 mm bằng gạch thẻ, khoảng cách giữa các con lươn 200 mm, độ dốc 2% dốc về hai phía nhằm ngăn ngừa hiện tượng tích tụ ẩm và đóng băng phá hủy nền.

Chu trình lạnh và phân phối thiết bị cơ khí

  • Chu trình lạnh: Sử dụng chu trình nén hơi 1 cấp có thiết bị hồi nhiệt. Nhiệt độ bay hơi thiết kế $t_0 = -28^\circ\text{C}$ ($P_0 = 0,980\text{ bar}$), nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 46^\circ\text{C}$ ($P_k = 11,299\text{ bar}$). Tỉ số nén tính toán $\pi = P_k / P_0 = 11,299 / 0,980 = 11,5 < 12$, bảo đảm điều kiện kỹ thuật để áp dụng chu trình 1 cấp mà không cần chuyển sang chu trình 2 cấp.
  • Cụm máy nén: Chọn máy nén piston 8 xilanh, đường kính piston 115 mm, tốc độ quay 24 vòng/s, thể tích quét piston lý thuyết $V_{lt} = 0,167\text{ m}^3\text{/s}$ (lớn hơn thể tích hút lý thuyết yêu cầu $0,097\text{ m}^3\text{/s}$ ứng với hệ số cấp $\lambda = 0,36$). Động cơ điện trang bị có công suất tính toán $N_{dc} = 28,725\text{ kW}$.
  • Thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị phụ:
    • Thiết bị bay hơi: 02 dàn lạnh quạt công nghiệp Thermokey model ILT 350 treo trần (thổi ngang), mỗi dàn có công suất nhiệt 21,4 kW, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 87 m², tầm thổi xa 35 m; cánh quạt bằng nhôm bước cánh 13,5 mm; ống nhôm đường kính trong 18 mm, cánh tản nhiệt rộng 30 mm, dày 0,3 mm.
    • Thiết bị ngưng tụ: Bình ngưng kiểu ống chùm nằm ngang giải nhiệt bằng nước; nước giải nhiệt vào ở nhiệt độ 38°C và ra ở 41°C. Nước làm mát được tuần hoàn và làm nguội qua tháp giải nhiệt cưỡng bức bằng quạt gió.
    • Thiết bị phụ trợ: Bình tách dầu kiểu tấm chắn kết hợp lực quán tính và ly tâm; bình chứa cao áp tích trữ lỏng; bình hồi nhiệt dạng ống xoắn để quá nhiệt hơi hút lên -20°C (tránh hiện tượng thủy kích cho máy nén) và quá lạnh lỏng cao áp xuống 41°C trước khi qua van tiết lưu; thiết bị tách khí không ngưng nhằm duy trì áp suất ngưng tụ ổn định.

Triển khai lắp đặt và quy trình kiểm thử

Hệ thống được chia thành hai phân cụm chính: cụm máy nén - bình ngưng - thiết bị phụ lắp ráp sẵn tại xưởng và cụm dàn bay hơi - van tiết lưu lắp đặt trong buồng lạnh. Vỏ panel được liên kết bằng móc khóa cam-locking kết hợp mộng âm dương, cố định đinh rive, làm kín khe hở bằng silicon hoặc keo sealant và nẹp nhôm/inox góc chữ L (2 mm × 40 mm). Cửa kho lắp khung viền gỗ 30 mm bọc nhựa cứng, viền đệm cao su mềm, tích hợp điện trở sưởi chống đông băng và chốt khóa cơ cấu mở chống kẹt người từ bên trong. Trên vách gắn van thông áp (cách trần 1 m) có dây sưởi điện trở để cân bằng áp suất bên trong khi đóng mở cửa.

Quy trình kiểm thử và nạp gas trước khi vận hành thực tế bao gồm ba giai đoạn tuần tự:

  1. Thử xì hệ thống: Nén khí thử áp lực để kiểm tra độ kín của các mối ghép ren, bích, hàn trên toàn bộ đường ống môi chất và thiết bị.
  2. Hút chân không: Sử dụng bơm hút chuyên dụng rút sạch không khí và hơi ẩm ra khỏi hệ thống lạnh nhằm chống han gỉ và ngăn tắc ẩm van tiết lưu.
  3. Nạp gas: Nạp môi chất lạnh R134a vào bình chứa cao áp và hệ thống theo đúng định lượng tính toán trước khi tiến hành chạy thử máy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đông lạnh thực phẩm

Nội dung chương trình bày tổng quan về các phương pháp làm lạnh nhân tạo (bay hơi khuếch tán, hòa trộn lạnh, giãn nở sinh công hoặc không sinh công, hiệu ứng nhiệt điện, bay hơi chất lỏng) và xác định máy lạnh nén hơi là công nghệ tối ưu cho ứng dụng công nghiệp. Tác giả phân tích đặc điểm công trình kho lạnh theo các tiêu chí phân loại: theo công dụng (kho sơ bộ, kho chế biến, kho phân phối, kho thương nghiệp, kho sinh hoạt), theo nhiệt độ (kho bảo quản lạnh từ -2°C đến 5°C, kho bảo quản đông tối thiểu -18°C, kho đa năng -12°C, kho gia lạnh, kho đá -4°C), theo dung tích (quy đổi ra tấn thịt - MT) và theo phương thức cách nhiệt (kho xây truyền thống so với kho panel lắp ghép). Các thông số kỹ thuật đầu vào được thiết lập: bảo quản thủy sản đông lạnh (cá, tôm, mực) tại Đà Nẵng; dung tích chứa 700 tấn; nhiệt độ bảo quản buồng lạnh duy trì ở -18°C; nhiệt độ môi trường thiết kế 37,7°C, độ ẩm 77%; môi chất làm việc R134a (ODP = 0, GWP = 1430, nhóm A1).

Chương 2: Tính toán kích thước của hệ thống

Chương 2 tập trung tính toán các thông số hình học và phụ tải nhiệt của buồng lạnh. Dựa trên định mức chất tải thể tích của cá đông lạnh $g_v = 0,45\text{ tấn/m}^3$, tổng thể tích kho được tính bằng $V = 700 / 0,45 = 1555,55\text{ m}^3$. Với chiều cao chất tải $h_{ct} = 5\text{ m}$, diện tích chiếm trực tiếp là $F_{ct} = 311,11\text{ m}^2$, tải trọng nền $g_F = 2,25\text{ tấn/m}^2$. Sau khi tính hệ số sử dụng diện tích $\beta_F = 0,8$, diện tích buồng lạnh yêu cầu là $388,9\text{ m}^2$; quy chuẩn theo lưới cột 6 m dẫn đến việc lựa chọn kích thước kho $24\text{ m} \times 18\text{ m} = 432\text{ m}^2$, chiều cao phủ bì $h_{tr} = 6\text{ m}$ (1 buồng đơn). Kết quả tính toán cách nhiệt bằng panel Polyurethane cho thấy chiều dày yêu cầu là 131,6 mm, nhóm thiết kế chọn loại panel tiêu chuẩn 150 mm ($k_t = 0,1976\text{ W/m}^2\text{K}$), thỏa mãn điều kiện chống đọng sương ($K_t < K_s = 1,87$).

Tính toán 5 thành phần tổn thất nhiệt thu được kết quả: tổn thất qua kết cấu bao che $Q_1 = 9843,34\text{ W}$ (trong đó chênh lệch nhiệt độ $Q_{1dl} = 9295,5\text{ W}$, bức xạ mặt trời $Q_{1bx} = 547,84\text{ W}$); tổn thất do làm lạnh sản phẩm và bao bì mang vào $Q_2 = 4730\text{ W}$ ($Q_{21} = 4020\text{ W}$ cho 14 tấn cá/ngày, $Q_{22} = 710\text{ W}$ cho 7 tấn bao bì); tổn thất do thông gió $Q_3 = 0\text{ W}$; tổn thất do vận hành $Q_4 = 8052,4\text{ W}$ (chiếu sáng 518,4 W cho 24 đèn 20W, người làm việc 350 W cho $n=1$, động cơ 2000 W, mở cửa 5184 W); tổn thất do sản phẩm hô hấp $Q_5 = 0\text{ W}$. Tổng phụ tải nhiệt của buồng lạnh là $Q_{0TB} = 22625,74\text{ W} = 22,63\text{ kW}$. Phụ tải nhiệt máy nén xác định qua công thức $Q_0 = 0,85 Q_1 + Q_2 + 0,6 Q_4 = 13670,4\text{ W}$; sau khi nhân hệ số tổn thất đường ống $k = 1,07$ và hệ số thời gian làm việc $b = 0,9$, năng suất lạnh cần thiết của máy nén đạt $Q_{0MN} = 16253,63\text{ W} = 16,254\text{ kW}$.

Chương 3: Tính toán chu trình và chọn máy nén

Nội dung chương trình bày tính toán các thông số làm việc của chu trình nhiệt động: nhiệt độ bay hơi $t_0 = -28^\circ\text{C}$ (ứng với độ chênh lệch nhiệt độ $\Delta t_0 = 10^\circ\text{C}$ so với nhiệt độ buồng -18°C), áp suất bay hơi $P_0 = 0,980\text{ bar}$; nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 46^\circ\text{C}$, áp suất ngưng tụ $P_k = 11,299\text{ bar}$ (sử dụng nước giải nhiệt vào 38°C, ra 41°C); nhiệt độ quá lạnh $t_{ql} = 41^\circ\text{C}$; nhiệt độ hơi hút quá nhiệt $t_{qn} = -20^\circ\text{C}$ (độ quá nhiệt $\Delta t_{qn} = 8^\circ\text{C}$). Tỉ số nén $\pi = 11,5 < 12$, do đó tác giả lựa chọn chu trình máy nén 1 cấp có thiết bị hồi nhiệt.

Các thông số nhiệt động của chu trình:

  • Năng suất lạnh riêng khối lượng: $q_0 = i_{1'} - i_4 = 388,5 - 258,7 = 129,8\text{ kJ/kg}$.
  • Lưu lượng môi chất qua máy nén: $G = Q_{0MN} / q_0 = 16,254 / 129,8 = 0,125\text{ kg/s}$.
  • Thể tích hút thực tế: $V_{tt} = G \times v_{1'} = 0,125 \times 0,28 = 0,035\text{ m}^3\text{/s}$.
  • Hệ số cấp nén của máy nén freon tính được: $\lambda = 0,36$.
  • Thể tích hút lý thuyết yêu cầu: $V_{lt} = V_{tt} / \lambda = 0,035 / 0,36 = 0,097\text{ m}^3\text{/s}$.
  • Công nén riêng: $l = i_2 - i_{1'} = 448,9 - 388,5 = 60,4\text{ kJ/kg}$.
  • Công nén đoạn nhiệt: $N_s = G \times l = 0,125 \times 60,4 = 7,55\text{ kW}$.
  • Hiệu suất chỉ thị: $\eta_i = 0,49$, cho công suất chỉ thị $N_i = 15,4\text{ kW}$.
  • Công suất ma sát: $N_{ms} = 2,065\text{ kW}$; công suất hữu ích $N_e = 17,465\text{ kW}$.
  • Công suất động cơ điện lắp đặt: $N_{dc} = 28,725\text{ kW}$; hệ số làm lạnh của chu trình đạt $\varepsilon = 2,149$.
  • Máy nén lựa chọn: máy nén piston 8 xilanh, đường kính xilanh 115 mm, tốc độ 24 vòng/s, thể tích quét lý thuyết $0,167\text{ m}^3\text{/s}$, khối lượng 1000 kg, kích thước phủ bì $1,1\text{ m} \times 1,14\text{ m} \times 0,89\text{ m}$.

Chương 4: Tính chọn các thiết bị phụ

Chương 4 thực hiện tính chọn chi tiết các thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị phụ trong hệ thống lạnh:

  • Thiết bị bay hơi: Tính toán diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết $F = 188,55\text{ m}^2$ (chọn $190\text{ m}^2$), lưu lượng không khí qua dàn $G_{kk} = 0,29\text{ kg/s}$. Tác giả chọn 02 dàn lạnh quạt Thermokey model ILT 350 treo trần (công suất nhiệt 21,4 kW, diện tích bề mặt 87 m², tầm thổi 35 m).
  • Thiết bị ngưng tụ: Chọn thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm nằm ngang giải nhiệt bằng nước, tận dụng ưu thế phụ tải nhiệt lớn, tiết kiệm kim loại và ít chịu ảnh hưởng của biến thiên nhiệt độ không khí môi trường.
  • Thiết bị phụ trợ: Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của bình tách dầu (dùng tấm chắn và lực ly tâm); bình chứa cao áp (dự trữ môi chất lỏng và phục vụ công tác sửa chữa); bình hồi nhiệt (quá nhiệt hơi hút về máy nén để chống thủy kích và quá lạnh lỏng trước van tiết lưu); thiết bị tách khí không ngưng (xả khí trơ tích tụ ở bình ngưng); tháp giải nhiệt kiểu cưỡng bức bằng quạt gió để hạ nhiệt dòng nước làm mát tuần hoàn từ bình ngưng.

Chương 5: Lắp đặt và vận hành hệ thống

Chương cuối cùng xây dựng các chỉ dẫn kỹ thuật thi công và vận hành kho:

  • Xây dựng nền móng: Quy định kết cấu nhiều lớp gồm móng đào sâu 200 mm, bệ đá chẻ, cát đầm chặt 100 mm, bê tông lót 100 mm, bê tông chịu lực 200 mm và con lươn gạch thẻ cao 300 mm cách nhau 200 mm với độ dốc 2% chống đọng nước.
  • Lắp dựng panel: Trình tự lắp đặt panel nền vuông góc con lươn thông gió, ghép panel tường bao quanh, gối panel trần và siết khóa cam-locking, liên kết nẹp góc inox L dày 2 mm và bơm silicon làm kín. Bố trí van thông áp gắn điện trở sưởi cách trần 1 m và lắp đặt cửa kho cách nhiệt có đệm cao su viền cùng chốt tự mở chống nhốt người.
  • Hệ thống điện và an toàn: Bố trí 24 bóng đèn chiếu sáng 20W dọc hai lối đi và hệ thống chuông/còi báo động hai chiều.
  • Lắp đặt đường ống và máy móc: Lắp ráp cụm máy nén - bình ngưng tại xưởng trước khi định vị tại công trình; thi công đường ống môi chất và đường nước làm mát.
  • Vận hành: Quy định chi tiết các bước thử kín bằng áp lực khí (thử xì), hút chân không khử ẩm, nạp môi chất R134a và quy trình kiểm tra các thông số áp suất, nhiệt độ, bôi trơn trong quá trình máy chạy.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật cho kho bảo quản đông thủy sản dung tích 700 tấn tại Đà Nẵng. Các kết quả tính toán kỹ thuật chính được hệ thống hóa trong các bảng sau:

Bảng 1: Tổng hợp phụ tải nhiệt của kho lạnh

Hạng mục tổn thất Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị
Tổn thất qua kết cấu bao che (nhiệt độ + bức xạ) $Q_1$ 9.843,34 W
Tổn thất do sản phẩm và bao bì mang vào $Q_2$ 4.730,00 W
Tổn thất do thông gió buồng lạnh $Q_3$ 0,00 W
Tổn thất do quá trình vận hành (đèn, người, động cơ, cửa) $Q_4$ 8.052,40 W
Tổn thất do sản phẩm hô hấp $Q_5$ 0,00 W
Tổng phụ tải nhiệt thiết bị (buồng lạnh) $Q_{0TB}$ 22.625,74 W (22,63 kW)
Phụ tải nhiệt máy nén $Q_0$ 13.670,40 W
Năng suất lạnh cần thiết của máy nén $Q_{0MN}$ 16.253,63 W (16,254 kW)

Bảng 2: Thông số làm việc tại các điểm nút của chu trình R134a

Điểm nút Trạng thái nhiệt động Nhiệt độ $t$ (°C) Áp suất $P$ (bar) Entanpi $i$ (kJ/kg) Entropi $s$ (kJ/kg.K) Thể tích riêng $v$ (m³/kg)
1 Hơi bão hòa khô ra khỏi dàn bay hơi -28 0,98 376,2 1,74 0,21
1' Hơi quá nhiệt sau bình hồi nhiệt -20 0,98 388,5 1,78 0,28
2 Hơi quá nhiệt cao áp sau máy nén 71 11,2 448,9 1,84 0,022
3 Lỏng sôi cao áp sau thiết bị ngưng tụ 46 11,2 267,6 1,22 -
3' Lỏng chưa sôi sau bình hồi nhiệt 41 11,2 258,7 1,19 -
4 Hơi bão hòa ẩm sau van tiết lưu -28 0,98 258,7 1,24 0,09

Bảng 3: Thông số kỹ thuật của các thiết bị chính được lựa chọn

Thiết bị Chủng loại / Model Thông số kỹ thuật chính Số lượng
Máy nén lạnh Máy nén piston 8 xilanh, piston $\varnothing 115\text{ mm}$, vòng quay $24\text{ vòng/s}$, $V_{lt} = 0,167\text{ m}^3\text{/s}$, công suất động cơ $28,725\text{ kW}$ 01 cụm
Dàn bay hơi Dàn lạnh quạt Thermokey ILT 350 Dàn đối lưu cưỡng bức treo trần, công suất nhiệt $21,4\text{ kW}$, diện tích trao đổi nhiệt $87\text{ m}^2$, tầm thổi $35\text{ m}$ 02 dàn
Bình ngưng tụ Thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang Giải nhiệt bằng nước, nhiệt độ nước vào $38^\circ\text{C}$, nước ra $41^\circ\text{C}$ 01 thiết bị
Vỏ kho Panel Polyurethane (PU) Dày $150\text{ mm}$, hai mặt tôn mạ phủ sơn, $k_t = 0,1976\text{ W/m}^2\text{K}$, mộng âm dương + khóa cam Toàn bộ kho

Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Đề xuất ứng dụng cấu trúc móng với hệ con lươn gạch thẻ cao 300 mm tạo khe lưu thông không khí tự nhiên bên dưới bản sàn cách nhiệt, kết hợp độ dốc 2% giải quyết triệt để rủi ro đọng ẩm và biến dạng nền đất.
  • Thiết lập van thông áp có tích hợp dây sưởi điện trở trên tường vách buồng lạnh, giải quyết hiện tượng chênh lệch áp suất lớn gây khó khăn hoặc mất an toàn khi đóng mở cửa kho bảo quản -18°C.
  • Ứng dụng bình hồi nhiệt nhằm đạt mục tiêu kép: nâng nhiệt độ hơi hút về máy nén lên -20°C (quá nhiệt 8°C) để loại trừ nguy cơ thủy kích máy nén piston, đồng thời hạ nhiệt độ môi chất lỏng trước van tiết lưu xuống 41°C để gia tăng năng suất lạnh riêng khối lượng ($q_0 = 129,8\text{ kJ/kg}$).

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc chuyển hóa toàn diện lý thuyết tính toán nhiệt động và các quy chuẩn xây dựng kho lạnh vào một bài toán công nghiệp cụ thể, cung cấp phương án thiết kế khả thi về mặt kỹ thuật cho nhà máy Thủy sản Anh Minh tại khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa ven biển như thành phố Đà Nẵng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Tính toán phụ tải nhiệt mới chỉ dừng lại ở chế độ vận hành ổn định trong điều kiện khó khăn nhất của mùa hè, chưa mô phỏng biến thiên phụ tải động theo từng tháng trong năm tại Đà Nẵng.
  • Đồ án tập trung vào tính toán cơ khí nhiệt và lựa chọn thiết bị phần cứng, chưa xây dựng chi tiết sơ đồ mạng điều khiển tự động hóa tích hợp (như hệ thống giám sát SCADA, bộ điều khiển khả trình PLC hay các vòng lặp điều khiển PID cho van tiết lưu điện tử).
  • Chưa có phần hạch toán chi phí kinh tế vòng đời (chi phí đầu tư ban đầu CAPEX, chi phí vận hành điện năng OPEX và thời gian hoàn vốn) để so sánh tính hiệu quả kinh tế với các phương án môi chất lạnh khác (như R404A hoặc NH3).

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển tự động biến tần cho động cơ máy nén và quạt dàn lạnh nhằm tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ theo phụ tải thực tế.
  • Khảo nghiệm đo đạc thực nghiệm các thông số nhiệt độ, áp suất và hệ số làm lạnh $\varepsilon$ khi hệ thống đi vào vận hành thực tế tại nhà máy Thủy sản Anh Minh để hiệu chỉnh các hệ số tính toán lý thuyết.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh, Kỹ thuật Cơ khí làm tài liệu tham khảo cho các đồ án môn học Máy lạnh, Thiết bị trao đổi nhiệt và Đồ án tốt nghiệp thiết kế kho lạnh công nghiệp.
  • Cán bộ kỹ thuật và kỹ sư thiết kế hệ thống lạnh trong các doanh nghiệp chế biến thủy hải sản, công nghiệp thực phẩm cần tra cứu quy trình tính toán nhiệt tải kho panel, phương pháp lựa chọn máy nén freon 1 cấp và kết cấu móng thông gió chống ẩm cho kho trữ đông.
  • Các nội dung có giá trị thực tiễn cao bao gồm: chuỗi công thức xác định phụ tải nhiệt buồng lạnh ($Q_1$ đến $Q_5$), phương pháp tính kiểm tra hệ số truyền nhiệt và chống đọng sương của tấm panel ($K_t < K_s$), cùng quy trình lắp dựng vỏ kho, cân bằng áp suất và các bước kiểm tra thử xì, hút chân không, nạp gas cho hệ thống lạnh R134a.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn chu trình máy nén một cấp thay vì hai cấp khi nhiệt độ buồng lạnh đạt tới -18°C?
Tiêu chí kỹ thuật để quyết định số cấp nén dựa trên tỉ số nén $\pi = P_k / P_0$. Với nhiệt độ bay hơi $t_0 = -28^\circ\text{C}$ ($P_0 = 0,980\text{ bar}$) và nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 46^\circ\text{C}$ ($P_k = 11,299\text{ bar}$), tỉ số nén tính toán là $\pi = 11,299 / 0,980 = 11,5$. Vì $\pi < 12$, hệ thống hoàn toàn đủ điều kiện làm việc an toàn và hiệu quả với chu trình một cấp mà không bắt buộc phải sử dụng chu trình hai cấp phức tạp.

2. Chiều dày tấm panel Polyurethane được lựa chọn là bao nhiêu và có đáp ứng điều kiện chống đọng sương không?
Chiều dày cách nhiệt tính toán lý thuyết của panel là $131,6\text{ mm}$. Tác giả chọn tấm panel Polyurethane tiêu chuẩn có chiều dày $150\text{ mm}$ (chiều dày PU thực tế $147,8\text{ mm}$), mang lại hệ số truyền nhiệt thực $k_t = 0,1976\text{ W/m}^2\text{K}$. Giá trị này nhỏ hơn nhiều so với hệ số truyền nhiệt đọng sương cho phép $K_s = 1,87\text{ W/m}^2\text{K}$ (xác định từ nhiệt độ môi trường 37,7°C, điểm sương 33°C và nhiệt độ buồng -18°C), do đó vách kho hoàn toàn không bị hiện tượng đọng sương.

3. Tổng phụ tải nhiệt của thiết bị và năng suất lạnh cần thiết của máy nén được tính toán là bao nhiêu?
Tổng phụ tải nhiệt của thiết bị buồng lạnh ($Q_{0TB}$) trong điều kiện khắc nghiệt nhất là $22.625,74\text{ W}$ ($22,63\text{ kW}$). Năng suất lạnh cần thiết của máy nén ($Q_{0MN}$) được tính từ phụ tải máy nén $Q_0 = 13.670,4\text{ W}$ kết hợp hệ số tổn thất đường ống $k = 1,07$ và hệ số thời gian làm việc $b = 0,9$, cho kết quả là $16.253,63\text{ W}$ ($16,254\text{ kW}$).

4. Cấu tạo nền móng kho lạnh có những yêu cầu kỹ thuật đặc thù nào để chống đọng sương và phá hủy nền?
Nền móng kho được đào sâu 200 mm, xây bệ đá chẻ, đổ lớp cát đầm chặt 100 mm, lớp bê tông lót đá 4x6 dày 100 mm và lớp bê tông chịu lực đá 1x2 dày 200 mm. Phía trên mặt nền bê tông bố trí các con lươn thông gió bằng gạch thẻ cao 300 mm, đặt cách nhau 200 mm và có độ dốc 2% nghiêng về hai phía để thoát nước ngưng, ngăn chặn hiện tượng đóng băng tích tụ làm nứt vỡ sàn.

5. Thiết bị bay hơi và máy nén được lựa chọn theo các thông số kỹ thuật cụ thể nào?
Dàn bay hơi gồm 02 dàn lạnh quạt công nghiệp Thermokey model ILT 350 treo trần đối lưu không khí cưỡng bức, tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt $174\text{ m}^2$ ($87\text{ m}^2/\text{dàn}$), công suất nhiệt $21,4\text{ kW}/\text{dàn}$, tầm thổi xa 35 m. Máy nén được chọn là loại piston 8 xilanh, đường kính piston 115 mm, tốc độ 24 vòng/s, thể tích quét lý thuyết $0,167\text{ m}^3\text{/s}$, đi kèm động cơ điện có công suất lắp đặt $28,725\text{ kW}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đoàn Quốc Cường và Tăng Hữu Tuân đã giải quyết hoàn chỉnh nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật cho kho lạnh bảo quản thủy sản dung tích 700 tấn của Công ty Cổ phần Thủy sản Anh Minh tại Đà Nẵng. Bản thuyết minh cung cấp hệ thống số liệu tính toán chi tiết từ mặt bằng kích thước $24\text{ m} \times 18\text{ m} \times 6\text{ m}$, kết cấu vỏ panel PU 150 mm chống đọng sương, phụ tải nhiệt thiết bị $22,63\text{ kW}$, đến chu trình lạnh 1 cấp R134a có hồi nhiệt với máy nén piston 8 xilanh động cơ $28,725\text{ kW}$. Đề tài thể hiện tính chuẩn xác về phương pháp tính toán truyền nhiệt, tính đồng bộ trong lựa chọn thiết bị cơ khí và tính ứng dụng thực tiễn cao cho ngành công nghiệp nhiệt lạnh phục vụ chế biến thủy sản xuất khẩu.