Hệ thống lạnh

                                 Lời nói đầu

Kỹ thuật lạnh đã thâm nhập vào hơn 70 nghành kinh tế quan trọng và nó đã hỗ trợ rất nhiều đến các nghành công nghiệp như: công nghiệp chế biến thực phẩm, chế biến thịt cá, tau quả, rượu bia, nước giải khát, đánh bắt xuất nhập khẩu thuỷ hải sản, sinh học, hoá chất, hoá lỏng tánh khí, các nghành công nghiệp dệt sợi, may mặc, thuốc lá, chè, in ấn, điện tử, thông tin, tin học, các nghành cơ khí chính xác, y tế, văn hoá, thể dục thể thao và văn hoá du lịch…

Ngoài hàng ngàn cơ sở kỹ thuật lạnh hiện có với tổng vốn đầu tư ước tính lên tới hàng USD, thì vẫn còn rất nhiều cơ sở sản xuất vừa và nhỏ với mức vốn đầu tư khoảng hàng triệu đồng.

Ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, đã tạo đièu kiện cho các chuyên nghành về nhiệt lạnh phát triển ứng dụng sâu rộng vào các nghành chế biến thực phẩm, chế biến thuỷ hải sản…

Qua quá trình học tập và nghiên cứu môn hệ thống lạnh thì em đã hiểu sâu hơn về  nghành nhiệt lạnh. Xu thế phát triển của thế giới đã kéo theo các nghành nhiệt từ cũng phát triển.

Là một kỹ sư trong tương lai, em có nhiều cơ hội khám phá, học hỏi các tiền bối đi trước,vì càng học tập và nghiên cứu thì nó khá phức tạp, luôn luôn thay đổi theo những yêu cầu khách quan.

Em mong muốn với xu thế phát triển hiện nay thì nghành nhiệt lạnh ngày một khẳng định vị thế của mình trong thế giới đại công nghiệp hiện nay.

                    Xin chân thành cảm ơn!

             Chương 1: Thiết kế thể tích và mặt bằng kho lạnh

 

Quy hoặch bằng kho lạnh là bố trí nơi sản xuất xử lý lạnh, bảo quản lạnh và những nơi có phụ trợ phù hợp với dây chuyền công nghệ. Để đạt được mục đích đó cần tuân thủ các yêu cầu sau:

_Bố trí các buồng lạnh phù hợp với dây chuyền công nghệ. Sản phẩm đi theo dây chuyền công nghệ không gặp nhau, không đan chéo nhau. Các cửa ả vào buồng chứa phải quay ra hành lang. Cũng có thể không cần quay ra hành lang nhưng sản phẩm theo dây chuyền không đi ngược.

_Quy hoặch cần phải đạt chi phí đầu tư bé nhất. Cần sử dụng rộng rải các cấu kiện tiêu chuẩn giảm đến mức tối thấp nhất các diện tích phụ nhưng phải đảm bảo tiện nghi.

Quy hoặch mặy bằng cần phải đảm bảo sự vận hành tiện lợi và rẻ tiền

_Mặt bằng kho lạnh cần phải phù hợp với hệ thống lạnh đã chọn. Điều này đặc biệt quan trọng đối với kho lạnh 1 tầng vì luôn luôn đảm bảo được môi chất lạnh từ các thiết bị về, do đó phải chuyển sang sơ đồ lớn hơn với việc cấp chất lỏng từ dưới lên.

_Mặt bằng kho lạnh cần đảm bảo kỹ thuật, an toàn phòng cháy, chữa cháy.

_Khi quy hoặch cũng cần phải tính toán đến khả năng mở rộng kho lạnh. Phải để mặt mút tường để cho mở rộng kho lạnh.

* ĐỀ TÀI: Thiết kế kho lạnh loại kho chế biến các loại rau _chọn kho lạnh 1 tầng dung tích 80 tấn, tại Thành phố Vinh.

Tiêu chuẩn chất tải:

  g _v= 0.33 t/m³

Thể tích chất tải:

  V =  = 240 m³

Xếp lên thành 4 chồng, h= 4m. Đựng các loại rau trong bao bóng, cho vào ngăn gỗ có kích thước:

  0.4 x 0.4 x 0.4 m³

Gọi h₁ là khoảng cách giữa 2 chồng chất tải: h₁= 0.1 m

       h₂ là khoảng cách từ mặt nền tới chồng chất tải 1: h₂= 0.1 m

       h₃ là khoảng cách từ dàn bay hơi đến sản phẩm: h₃= 0.3 m

       h₄ là khoảng cách từ dàn bay hơi đến trần: h₄= 0.1 m.

Vậy chiều cao toà nhà:

  H= h + h₁ + h₂ + h₃ + h₄

     = 4 + 0.3 + 0.1 + 0.3 + 0.1

     = 4.8 m

Diện tích chất tải lạnh:

  F=  = 60 m²

β _f :là hệ số sử dụng buồng chứa _ tính cả đường đi, diện tích các lô hàng, giữa các cột, tường:  β _f =0.7

Diện tích kho lạnh cần xây dựng:

  F =  = 115 m²

Mỗi buồng 6 x 6 m² thêm 1 dàn máy, 1 buồng phụ trợ

Vậy số buồng lạnh:

  Z =  = 3.2 chọn 4 buồng

Tải trọng trên 1 m²  diện tích buồng:

  0.333 x 4 = 1.33 t/m² nhỏ hơn tải trọng định mức cho phép.

Qua sơ đồ mặt bằng kho lạnh (hình 1) ta tính được diện tích 4 buồng lạnh là:

  DT = 15.36 x 6.45 = 99 m²

Diện tích phòng chế biến và buồng máy là:

  115 – 99 = 16 m².

.............................................

Chương 2: Tính toán cách nhiệt và cách ẩm

 

1_Tính chiều dày cách nhiệt của tường và trần.

1.1 Tính chiều dày cách nhiệt của tường.

  δ _cn  =  λ _cn()  (1.1)

Trong đó _cn: độ dày cách nhiệt m

                 λ_cn : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt

                 k: hệ số truyền nhiệt cho trước  w/m²k

                 α ₁, α ₂ là hệ số toả nhiệt ở phía ngoài và phía trong phòng

                  là độ dày, hệ số dẫn nhiệt.

_Cấu trúc xây dựng tường bao kho lạnh.

           

Trong đó: 1,3 lớp vữa

                 2 tường gạch đỏ

                 4 lớp cách ẩm

                 5 lớp cách nhiệt

                 6 lớp vữa trát lên nền lưới thép

_Cấu trúc xây dựng trần kho lạnh.

Trong đồ án này kho lạnh chế biến có các tấm mái đi kèm theo cột, rầm, xà tiêu chuẩn, mái kho lạnh không được đọng nước và không dược thấm nước.

Trong đó: 1 lớp phủ đồng thời là lớp cách ẩm

                 2 lớp bê tông giằng

                 3 lớp cách nhiệt điền đầy

                 4 tấm cách nhiệt

                 5 bê tông cốt thép của trần.

Sau đây là hình vẽ về kết cấu của trần_cách nhiệt ở phía trên trần.

_Tính toán lớp cách nhiệt cho tường bao:

+Tính toán hệ số truyền nhiệt đối lưu trong và ngoài buồng lạnh.

* Môi trường ngoài: nhiệt độ thường ở vinh là 38⁰C,t_f = 38⁰C nên các thông số vậy lý của không khí là:

ω = 10 m/s, λ = 2.75 x 10^-2 w/mK, υ = 16.678 x 10^-6 m²/s

  R_{e f}  =  = 2,86.10⁶ >2.10⁵

Suy ra  N_{u f}  = 0.032 x  = 4683  =

   α₁ =  =  26,83  w/m²K

*trong buồng lạnh: nhiệt độ trong buồng lạnh lấy là 2⁰C.Các thông số vật lý của không khí :ω =2 m/s, t_f = 2⁰C, λ = 2,454.10^-2 w/mK, υ =13,456.10^-6 m²/s

  R_{e f}  = = 7,13.10⁵ >5.10⁵

Suy ra N_{u f} = 0.032 x  = 1541 =

  α₂ = = 7,88  w/m²K

Theo bảng 3_3 tra được hệ số truyền nhiệt của vách từ ngoài không khí vào trong buồng lạnh bảo quản các loại rau (2⁰C ) là

+Tường bao: K = 0.325 w/m²K. Hệ số dẫn nhiệt, dẫn ẩm của các vật liệu xây dựng và cách nhiệt tra theo bảng 3.1 và bảng 3.2

Từ đó ta tính được các giá trị của chiều dày cách nhiệt, hệ số dẫn nhiệt và hệ số khuếch tán ẩm là:

	Chiều dày σ: m	hệ số dẫn nhiệt λ: w/m2K	hệ số khuyếch tán ẩm: μ
Vữa xi măng	0.02	0.9	90
Gạch đỏ	0.2	0.82	105
Bitum cách ẩm	0.006	0.18	0.86
xốp polystirol	0.12	0.047	7.5

               Từ những số liệu trên ta tính toán lớp cách nhiệt của tường bằng lớp polystirol là:

Theo công thức 1.1 ta có

σ_cn=0.047() = 0.12 m

Hệ số truyên nhiệt thực tế được tính theo công thức 3.1

K_t == 0,3267  w/m²K

2_Tính toán lớp cách nhiệt cho trần kho lạnh: có mái che.

Tính toán hệ số truyền nhiệt đối lưu phía trong và ngoài buồng lạnh

*Môi trường ngoài:chọn t_f = 33⁰C như vậy các thông số vật lý không khí.

ω = 6 m/s, λ = 2,72.10^-2 w/mK, υ = 16,3.10^-6 m²/s

          R_{e f}  = = 5,65.10⁶ >5.10⁵

Suy ra       N_{u f} = 0.032 x  = 8073 = 

   α₁ =  w/m²K

Trong buồng lạnh thì nhiệy đọ vẫn không thay đổi t=2⁰C nên các thông số vật lý của nó ở trạng thái đó là:

ω = 2 m/s, λ = 2,454.10^-2 w/mK, υ = 13,456.10^-6 m²/s.

 

  R_{e f}  =  = 2,28.10⁶ >5.10⁵

Suy ra  N_{u f} = 0.032 x  = 3908

  α₂ =  w/m²K

Ta có bảng chiều dày, hệ số dẫn nhiệt, hệ số khuyếch tán ẩm của các vật liệu là:

	Chiều dày σ: m	Hệ số dẫn nhiệt λ w/m2K	Hệ số khuyếch tán ẩm μ g/mhMpa
Màng Polyêtylen	0.0001	0.007	0.0018
Bê tông giằng	0.05	1.2	30
Polistyrol	0.1074	0.047	7.5
Bông khoáng	0.05	0.085	188
Bê tông cốt thép	0.1	1.5	30

Từ bảng số liệu trên ta tính chiều dày lớp cách nhiệt của polystirol là    σ _cn = λ_cn ()

       = 0.047()

       =0.1074 m

Vậy hệ số truyền nhiệt thực tế là:

          K_t =

      =  0.31 w/m²K.

 Chương 3:   Kiểm tra đọng sương và đọng ẩm cho kho lạnh

1_ Kiểm tra đọng sương

Để đảm bảo không bị đọng sương thì nhiệt độ bề mặt ngoài của vách phải nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương t _w > t _s

Theo bảng 1.1 nhiệy độ trung bình nóng nhất tại thành phố Vinh là 38⁰C độ ẩm φ = 74%

Tra đồ thị (h-x) hình 1.1 Sách hệ thống lạnh ta được t _s =33⁰C. Nhiệt độ trung bình trong buồng lạnh bảo quản là 2⁰C

1.1 Tường bao quanh.   tính t _w

Mật độ dòng nhiệt  q = k.∆t = 0,3267.(38-2) = 11,7612 w/m²

                   = α₁∆t = α₁ (t _f1-t _w1)

                 t _w1 = t _f1 -   = 37,56⁰C

Ta thấy t _w1 = 37.56 ⁰C > 33 ⁰C  nên không bị đọng sương

1.2  Trần kho lạnh:  Theo công thức 3.7 ta có

Trong mái t _f1 =33⁰C, φ = 80%, vậy t _s = 29⁰C

Mật độ dòng nhiệt   q = k.Δt = 0,31.(33-2) = 9,61 w/m²

                     = α₁.Δt = α₁(t_f – t_w1)

                  t_w1 = t_f1 -

Ta thấy t_w1 = 32,327⁰C > t_s = 29⁰C nên không bị đọng sương.

1.3 Vách ngăn các phòng lạnh

Kiểm tra quá trình đọng sương các vắch ngăn của các phòng lạnh thì nhiệt độ bảo quản các loại rau chênh lệch là khoảng Δt = 5⁰C.

Phòng 1: t_f1 = 5⁰C, φ = 80%  nhiệt độ đọng sương t_s=3⁰C  

Phòng 2: t₂ = 0⁰C

Mật độ dòng nhiệt     q = k.Δt = 0.3267.(5-0) = 1,6335 w/m²

                       = α_2t.Δt = α_2t . (t_f1-t_w1)

Ta thấy t_w1 = 4,8⁰C  > t_s = 3⁰C, vậy không bị đọng sương.

2_Kiểm tra đọng ẩm:

Do có sự chênh lệch nhiệt độ nên có sự chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa bên ngoài và bên trong phòng lạnh, nên ngoài dòng nhiệt còn có một dòng ẩm từ ngoài vào trong.

Càng đi sâu vào trong vách cách nhiệt, cách ẩm càng gặp lạnh và có xu hướng ngưng đọng trong cơ cấu cách nhiệt. Nếu bị đọng ẩm cách nhiệt sẽ bị mất tác dụng và sẽ bị phá huỷ. Vì lí do ấy nên phải bố trí cách ẩm cho cơ cấu cách nhiệt điều kiện ẩm không đọng lại trong vách cách nhiệt là phân áp suất hơi nước thực luôn luôn nhỏ hơn phân áp suất bão hoà hơi nước.  p_x  <p_x”. Phân áp suất thực và phân áp suất hơi nước bão hoà có thể tính toán được theo nhiệt độ phân bố trên vách.

2.1_Kiểm tra ẩm ở tường bao.

Mật độ dòng nhiệt           q = k.∆t = 0,3267.(38-2) = 11,7612 w/m²

Mặy khác      q = α₁(t _f1 –t _w1)

  t _w1 =  t _f1 -  =  37.56⁰C

  q =

  t₂ =  = 37.3 ⁰C

Tính toán tương tự ta có:

  t₃ =  = 34.4314 ⁰C

  t₄ =  =34,17⁰C.

  t₅ =  =33,778⁰C.

  t₆ = =3,75⁰C.

  t₇ =  = 3,488 ⁰C.

  t _f2 = t₇ -= 1,999 ⁰C.

Kết quả mhư vậy phù hợp với t _f2 = 2⁰C.

Từ nhiệt độ tính toán được, một mặt ta tra được áp suất bão hoà p_x” mặt khác tính được phân áp suất thực p_x. So sánh các giá trị p_x” và p_x ở các bề mặt nếu p_x nhỏ hơn p_x” thì vách đó không bị đọng ẩm. nếu phát hiện ra bất kì một giá trị nào mang bản chất ngược lại thì phải tăng chiều dày cách ẩm hoặc sử dụng vật liệu cách ẩm có hiệu quả hơn, cũng có thể dựng đồ thị để trực quan hơn.

Từ các thông số đã tính toán ở trên thì ta có bảng số liệu sau đây.

Bề mặt vách	1	2	3	4	5	6	7
Nhiệt độ	37.56	37.3	34.4314	34.17	33.778	3.75	3.488
Pa Bh	6521	6428	5465	5393	5284.5	739	730

Dòng hơi riêng qua kết cấu bao che.

  ω =  (p_h1 – p_h2)/H

Trong đó:  p_h1, p_h2 phân áp suất hơi cảu không khí bên ngoài và bên trong phòng lạnh.

  P_h1 = p_x”(t=38⁰C).φ₁ = 6673,8.0,74 =4938,6 p_a

  P_h2 = p_x”(t=2⁰C).φ₂ = 679.0,9 = 611,1 p_a

                   H là trở kháng thấm hơi của không khí bên trong và bên ngoài phòng lạnh.

  H =

     = 0,02555 m²hMp_a/g

Suy ra      ω = = 0,17 (g/m²h)  

Phân áp suất thực của hơi nước trên bề mặt các vách là:

  P_x2 = = 4901 p_a

  P_x3 = = 4577,2 p_a

  P_x4 = p_a

  P_x5=  p_a

  P_x6 =  p_a

  P_x7 = p_a.

So sánh kết quả ta thấy.

...........................

Q₄₂ = 350.n = 350.3 = 1050 w

Trong đó: n là số người làm việc trong buồng

                 350 là nhiệt lượng do 1 người toả ra khi làm việc

4_3 Dòng nhiệt do động cơ toả ra:

                             Q₄₃ = 1000.N.η (w)

Trong đó: N công suất của động cơ điện

                 η là hiệu suất của động cơ điện 

Buồng lạnh bảo quản chọn N = 1,5 kw, η = 80%

                             Q₄₃ = 1000.1,5.0,8 = 1200 w

 

4_4 Dòng nhiệt khi mở cửa

                             Q₄₄ = B.F

Với: F = (50…150) m² buồng bảo quản lạnh B = 15 w/m²

         B là dòng nhiệt riêng khi mở cửa

                             Q₄₄ = 15,36.6,45.15 = 1486 w

Vậy                      Q₄ = Q₄₁ + Q₄₂ + Q₄₃ + Q₄₄

                                    = 254 + 1050 + 1200 + 1486

                                    = 3990 w

5_ Dòng nhiệt do sản phẩm thở:

                             Q₅ = E.(0,1q_n + 0,9 q_bq) w

Trong đó: E là dung tích kho lạnh

                 q_n ,q_bq là dòng nhiệt tảo ra khi có nhiệt độ nhập vào kho lạnh và sau đó là nhiệt độ bảo quản kho lạnh.

                 q_n = 137 w/t là dòng nhiệt tổn thất trung bình khi sản phẩm toả ra có nhiệt độ nhập vào kho lạnh 20⁰C

                  q_bq = 27,5 dòng nhiệt toả ra sau khi sản phẩm được bảo quản ở nhiệt độ 2⁰C.

                             Q₅ = 80.(0,1.137+0,9.27,5) = 7690 w

Vậy dòng nhiệt tổn thất vao kho lạnh là

                             Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅

                                  = 3906 + 12730 +2145 + 3990 + 7690

                          = 30461 w.

              Chương 4: Tính chọn máy nén

Tải nhiệt cho thiết bị dùng để tính toán diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết cho thiết bị bay hơi (dàn ngưng, dàn trần, không khí đối lưu tự nhiên, dàn quạt đối lưu cưỡng bức hoặc dàn lạnh nước muối ).

Để đảm bảo được nhiệt độ trong buồng lạnh ở những điều kiện bất lợi nhất, người ta phải tính tải nhiệt cho thiết bị là tổng các tải nhiệt thành phần có giá trị cao nhất.

                             Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅  w

Đối với kho lạnh bảo quản, chế biến các loại rau thì tải nhiệt chủ yếu rơi vào thời gian thu hoặch còn thời gian bảo quản có thể coi như Q₂ = 0. Dòng nhiệt Q₃ và Q₅ đặc trưng cho quá trình bảo quản các sản phẩm hô hấp được tính đẩy đủ cho máy nén. Nhiệt tải của máy nén được tính từ dòng nhiệt vận hành và bằng 50% → 75% giá trị lớn nhất (Q₄).

Tải nhiệt cho máy nén:

                      Q_0MN = Q₁ + Q₃ + 0,5Q₄ + Q₅

                                = 3906 + 2145 + 0,5.3990 + 7690

                                = 15790 w

_ Sử dụng máy nén loại R22 trực tiếp, dàn ngưng làm mát bằng nước tưới và khônh khí quạt cưỡng bức. Dàn lạnh là loại dàn bay hơi trực tiếp kiểu quạt cưỡng bức. Máy nén là loại 1 cấp.

_ Nhiệt độ bay hơi:

                      t_o = t_f1 - Δt_o = 2 – 10 = -8^oC.

Trong đó Δt_o là đối với dàn lạnh bay hơi trực tiếp, nhiệt độ bay hơi lấy thấp hơn nhiệt độ buồng  8 → 13⁰C.

_ Nhiệt độ ngưng tụ:

Theo bảng 1.1 nhiệt độ của không khí mùa hè tại vinh là 38⁰C, độ ẩm tương đối là φ = 74%.

Theo đồ thị h-x của không khí ẩm ta có h = 117 kJ/kg, t_ư = 33⁰C.

_Nhiệt độ nước vào bình ngưng

t_w1 = t_ư + 4 = 33 + 3 = 36⁰C.

_Nhiệt độ ngưng tụ:

                      t_k = t_w + Δt_k = 40 + 4 = 45⁰C.

Tra đồ thị: áp suất bay hơi p₀ = 0,4 MPa

                áp suất ngưng tụ p_k = 1,7 MPa

_Nhiệt độ quá nhiệt: chọn Δt_qn = 7⁰C

                     t_qn = t₀ + Δt_qn = -8 + 7 = -1⁰C

Đây là chu trình hồi nhiệt_ Ta có đồ thị và chu trình của quá trình hồi nhiệt là:

Trong đó: NT ngưng tụ                  MN máy nén

                 HN hồi nhiệt                  BH bay hơi

                 TL tiết lưu

_Nguyên tắc hoạt động

Hơi môi chất sinh ra ở thiết bị bay hơi được quá nhiệt sơ bộ (do van tiết lưu nhiệt) đi vào thiết bị hồi nhiệt, thu nhiệt của chất lỏng nóng quá nhiệt đến nhiệt độ t₁ rồi được hút vào máy nén. Qua máy nén môi chất được nén đoạn nhiệt lên trạng thái 2 và được đẩy vào bình ngưng tụ. Trong bình ngưng tụ hơi thải nhiệt cho nước làm mát, ngưng tụ lại thành lỏng và được quá nhiệt chút ít. Lỏng được dẫn vào bình hồi nhiệt, sau đó thải nhiệt cho hơi lạnh vừa từ bình bay hơi ra, nhiệt độ hạ từ t₃’ xuống t₃, sau đó lỏng được vào van tiết lưu rồi đi xuống điểm 4 và được đẩy vào thiết bị bay hơi.Trong thiết bị bay hơi, lỏng bay hơi thu nhiệt của môi trường lạnh, hơi lạnh được máy nén hút về máy nén sau khi được hút về thiết bị hồi nhiệt.

Các thông số trạng thái của các điểm nút cơ bản

Điểm	t0C	P Mpa	h  kJ/kg	v m3/kg
1’	-8	0,4	702
1	-1	0,4	708	0,06
2	61	1,7	745
3	45	1,7	555
3’	40	1,7	547
4	-8	0,4	547

_ Năng suất lạnh riêng

                      q₀ = h’₁ – h₄

                           = 702 – 547 = 155 (kj/kg)

_ Lưu lượng môi chất qua máy nén

                       (kg/s)

_ Thể tích hút thực tế

                      V_H = m.v₁ = 0,10187.0,06 = 6,1.10^-3 (m³/s)

_ Hệ số cấp λ

                     

Tra đồ thị ta có λ = 0,76

_ Thể tích hút lí thuyết

                      V_lt = (m³/s)

                           = 28,895 (m³/h)

_ Chọn máy nén loại MYCOM, F2WA2, với V_hmn = 71 (m³/h)

_ số máy nén cần chọn

                      Z_MN =  chọn 1 máy nén

_ Công suất nén đoạn nhiệt

  N_s = m.l = m.(h₂ – h₁)

                            = 0,10187.(745-708) = 3,76 kw

_ Hiệu suất chỉ thị (7.21)

                   

_ Công suất chỉ thị

                       kw

_ Công suất ma sát

                      N_ms = V_tt .p_ms

Trong đó        p_ms là áp suất ma sát riêng, đối với dòng frêôn thẳng

                      P_ms = 0,049 : 0,069 Mp_a

                      N_ms = 6,1.10^-3.0,059.10⁶ = 0,36 kw

_ Công suất hửu ích

                      N_e = N_i + N_ms = 4,556 + 0,36

                           = 4,916 kw

_ Công suất điện

                       kw

_ Vậy công suất động cơ: 6 kw.