TÍNH TOÁN THIẾT kế hệ THỐNG cấp ĐÔNG

Nhưng khi kết đông, để tránh mất nước gây hao hụt khối lượng_do nước bay hơi người ta phải châm thêm nước vào sản phẩm và trong thực tế lượng nước châm vào trong một mẻ sản phẩm được tín

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP ĐÔNG 4.1 Hệ thống cấp đông

Vì ở đây sản phẩm là thịt heo đã được lát ra nên ta chọn phương pháp cấp đông theo kiểu tiếp xúc

4.1.1 Tủ đông tiếp xúc

Yêu cầu của tủ đông tiếp xúc như sau:

Năng suất: 750 kg/mẻ

Thời gian : 2.5 giờ/mẻ

Sản phẩm: thịt heo

Nhiệt độ trong tủ: -350C

Trong mục này, ta chọn tủ cấp đông có sẵn trên thị trường nên ta chỉ dựa vào năng suất Ta có thể chọn các thông số của tủ cấp đông tiếp xúc như sau

Nhiệt độ trung bình sản phẩm sau cấp đông -250C

Kích thước khay cấp đông tiêu chuẩn Đáy trênĐáy dưới 290×210mm280×200mm

Với năng suất 750kg/mẻ thì chọn 1 tủ cấp đông: tủ 750kg/mẻ

750kg/mẻ

Diện tích cửa tủ m2 11

Hình: Tủ đông tiếp xúc thực

Hình: Bố trí khay cấp đông trên các tấm lắc

Ta thấy mỗi tấm lắc có 36 khay

Tủ đông tiếp xúc.

Chiều dày lớp cách nhiệt của tủ đông được cho ở bảng trên theo (Tr186-HTM&TBL)

4.2.1Tính kiểm tra lớp cách nhiệt:

Tra bảng 3-3 trang 84 tài liệu HDTKHTL, hệ số truyền nhiệt k của vách ngoài phụ thuộc vào nhiệt độ buồng lạnh Theo yêu cầu, nhiệt độ bên trong của tủ là -350C, ta chọn được hệ số dẫn nhiệt là k = 0,19 W/m2.K

Với tủ cấp đông tiếp xúc chọn trước có chiều dày lớp cách nhiệt là δcn=0,15m và

λcn=0,02 W/m.K Ta tính được hệ số truyền nhiệt qua tủ như sau:

- Như vậy với chiều dày cách nhiệt δcn=0,15m thỏa được hệ số truyền nhiệt thực nghiệm trong bảng 3-3

4.2.2Tính kiểm tra đọng sương:

Cũng với thông số ngoài trời như trên (t1 = 36,80C, 1 = 74%) và nhiệt độ trong buồng cấp đông là -350C, ta xác định được hệ số truyền nhiệt tối đa cho phép để không đọng sương bề ngoài tủ như sau:

Như vậy, với  = 0,15m thì thỏa mãn tủ không bị động sương bên ngoài (ks>k)

4.2.1.1.Dòng nhiệt qua kết cấu bao che Q bc

.

Trong đó: -diện tích bề mặt vách và cửa

-Hệ số truyền nhiệt qua vách và cửa tủ

Từ bảng 4.12 [Tr191-HTM&TBL] ta xác định được

Và như tính toán ở phần trước.

4.2.1.2.Dòng nhiệt tiêu tốn trong quá trình làm đông sản phẩm Q cđ

Tủ cấp đông với năng suất 750kg/mẻ tức là mỗi lần nhập khuôn ta xếp 750

kg vào tủ Nhưng khi kết đông, để tránh mất nước gây hao hụt khối lượng_do nước bay hơi người ta phải châm thêm nước vào sản phẩm và trong thực tế lượng nước châm vào trong một mẻ sản phẩm được tính như sau:

Vậy một mẻ phải châm thêm:

Như vậy trong một mẻ cấp đông 750kg có:

648 kg thịt

102 kg nước

Dòng nhiệt tiêu tốn trong quá trình cấp đông được tính theo công thức sau:

Qcđ = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 +Q6 + Q7 + Q8 [kW]

Trong đó:

Q 1 là lượng nhiệt cần lấy đi để hạ thấp nhiệt độ của thực phẩm từ nhiệt độ ban đầu cho tới nhiệt độ cuối của quá trình cấp đông Q1 được xác định như sau:

Với là nhiệt dung riêng của thịt heo.(Tr73-HTM&TBL)

G = 648 kg/mẻ – khối lượng thịt nhập vào một mẻ cấp đông (thời gian một mẻ cấp đông là 2h30’)

t = t1 – t2 = 5+20=300C

t1=100C là nhiệt độ thịt ban đầu nhập vào tủ lấy bằng nhiệt độ trong phòng chờ đông

t2 = -200C là nhiệt độ trung bình sản phẩm cuối quá trình cấp đông)

Q 2 là nhiệt lượng cần lấy đi để làm kết tinh nước trong thực phẩm Q2 được xác định theo công thức sau:

[kW]

 = 70% là hàm lượng nước trong thực phẩm (độ ẩm)

 = 89% là tỷ lệ đóng băng ở -200C

Q 3 là lượng nhiệt cần lấy đi để làm giảm nhiệt độ của nước kết tinh xuống tới nhiệt độ cuối của quá trình cấp đông Q3 được xác định theo công thức sau:

[kW]

tđb = -10C – là nhiệt độ đóng băng của nước

Q 4 là nhiệt lượng cần lấy đi để làm giảm nhiệt độ của thành phần nước không đóng băng xuống nhiệt cuối cùng của quá trình cấp đông Q4 được xác định theo công thức sau:

Q4 = G..(1 - ).C4.(tđb – t2) [kW]

đóng băng trong thực phẩm

Q 5 là nhiệt lượng lấy đi để hạ thấp nhiệt độ của thành phần chất khô trong thực phẩm đến nhiệt độ cuối quá trình cấp đông Q5 được xác định như sau:

Q5 = G.(1 - ).C5.(tđb – t2) [kW]

Q 6 là nhiệt lượng cần lấy đi để làm đông đặc nước châm khuôn Q6 bal gồm các thành phần sau:

Thành phần nhiệt lượng lấy đi để làm lạnh nước từ nhiệt độ ban đầu xuống nhiệt độ nước bắt đầu kết tinh Ql

Thành phần nhiệt lấy đi để làm nước đông đặc Qđ

Thành phần nhiệt lấy đi để làm giảm nhiệt độ của nước đóng băng đến nhiệt độ của cuối quá trình cấp đông Qđb

Như vậy, Q6 được xác định như sau:

Với Ql = Gn.Cn.(tbđ – tđb)

Trong đó: Gn = 102 kg/mẻ – khối lượng thành phần nước châm trong một mẻ cấp đông

tbđ = 50C –là nhiệt độ ban đầu của nước châm vào khuôn (lấy nhiệt độ của nước đã qua làm lạnh sơ bộ)

tđb = -10C– là nhiệt độ kết tinh của nước

[kW]

Q đ = L.Gn

Trong đó: L =335 kJ/kg – là nhiệt đông đặc của nước

[kW]

Q đb = Gn.Cnđ.(tđb – t2)

[kW]

 Q6 = Ql + Qđ + Qđb = 4.53 (kW)

Q 7 là nhiệt lượng cần lấy đi để làm giảm nhiệt độ khuôn đựng sản phẩm xuống đến nhiệt độ của cuối quá trình cấp đông Q7 được xác định như sau:

Q7 = Gkh.N.Ckh.(t1 – t2) [kW]

Với Gkh = Vkh.kh

Trong đó: kh = 7230 kg/m3 – khối lượng riêng của thiếc Khuôn có kích thước: (290x280 - 210 x200)x70, bề dầy khuôn 1mm Do đó, thể tích của một khuôn được tính như sau:

 Gkh = 124,6x10-6x7230 =0.9 (kg)

N = 9×36=324 khuôn – là số khuôn nhập vào trong một mẻ sản phẩm

Ckh = 0.054 kJ/kgđộ – nhiệt dung riêng của thiết.

t1 = 250C –nhiệt độ ban đầu của khuôn nhập vào

t2 = -350C – nhiệt độ khuôn cuối quá trình cấp đông (lấy bằng nhiệt

độ trong tủ do khuôn tiếp xúc trực tiếp với không gian tủ)

[kW]

Q 8 là nhiệt cần lấy đi làm giảm nhiệt độ không khí trong môi trường cấp đông Q8 được xác định theo công thức sau:

Q8 = Gkk.(i1 – i2) [kW]

3

2

Trong đó: V = 3×1,5×1.39 m3 – là thể tích của môi trường cấp đông và thông thường thể tích không khí chiếm 2/3 thể tích của môi trường cấp đông nên thể tích không khí trong tủ là 2/3V

kk = 1.453 kg/m3 là khối lượng riêng trung bình của không khí trong quá trình cấp đông (và ở đây lấy khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ tâm sản phẩm cuối quá trình cấp đông là -200C)

i1 = 112.8748 kJ/kg là entalpy của không khí ở trạng thái ban đầu ( điều kiện nhiệt độ t = 27.90C,  = 74% - tra đồ thị I – d )

i2 = -31,5 kJ/kg là entalpy của không khí ở trạng thái cuối quá trình cấp đông ( điều kiện nhiệt độ t = -300C,  = 98% - tra bảng)

[kW]

Như vậy, tổng dòng nhiệt tiêu tốn trong quá trình cấp đông là:

Qcđ = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 +Q7 + Q8

=

4.2.1.3.Dòng nhiệt vận hành Q vh

Khi cấp đông có thể thực hiện châm nước một lần hoặc hai lần Châm nước một lần sẽ có ưu điểm là tiết kiệm lao động và thời gian cấp đông ngắn hơn nhưng

có khuyết điểm là dễ làm xê dịch bề mặt Còn châm nước hai lần có ưu điểm không làm xê dịch bề mặt nhưng thời gian cấp đông sẽ lâu hơn và hao tổn khối lượng nhiều hơn Với thời gian cấp đông là 2 giờ 30 phút là dạng cấp đông nhanh nên chọn phương thức châm nước một lần vì vậy dòng nhiệt do vận hành khi cấp đông Qvh = 0

4.2.1.4Xác định tải nhiệt cho máy nén, thiết bị

Tải nhiệt cho thiết bị dùng để tính toán diện tích trao đổi nhiệt cần thiết cho thiết bị bay hơi Để đảm bảo được nhiệt độ trong tủ ngay trong những điều kiện bất lợi nhất, người ta tính tải nhiệt cho thiết bị là tổng các tải nhiệt thành phần có giá trị cao nhất Như vậy, tải nhiệt cho thiết bị bay hơi xác định như sau:

Q0TB = Qbc + Qcđ + Qvh = 60,2018+0,237 + 0 = 29.601 (kW)

Nhiệt lượng này là dùng để tính diện tích trao đổi nhiệt, nhưng thực tế ta

đã chọn tủ rồi nên lượng nhiệt này dùng để tính thử lại diện tích trao đổi nhiệt Tải nhiệt cho máy nén dùng để chọn công suất máy nén cho tủ cấp đông, nếu công suất máy nén không đủ thì thời gian cấp đông sẽ kéo dài gây

ra sự giảm chất lượng của thực phẩm thẩm chí còn không thể hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ cuối của quá trình cấp đông theo yêu cầu Để đảm bảo được thời gian cấp đông, người ta tính tải nhiệt cho thiết bị là tổng các tải nhiệt thành phần có giá trị cao nhất Như vậy, tải nhiệt cho máy nén được xác định như sau:

Q0MN = Qbc + Qcđ + Qvh = 29.601 (kW)

Ngoài ra, tải nhiệt cho máy nén còn tính thêm nhiệt lượng do quá nhiệt đầu hút và nhiệt lượng này sẽ được cộng vào ở phần lập chu trình và tính chọn máy nén

5.2 Tủ cấp đông.

5.2.1.Chọn thông số của chế độ làm việc

5.2.1.1.Nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh t 0

Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh t0 phụ thuộc vào nhiệt độ trong tủ cấp đông và phương pháp làm lạnh Với phương pháp làm lạnh trực tiếp thì t0

được xác định như sau:

t0 = tf - t0 [0C]

Trong đó: tf = -350C – là nhiệt độ trong tủ cấp đông theo yêu cầu

t0 = 50 - 120C – hiệu nhiệt độ yêu cầu (theo [7/ 171])  t0 = -33 – 5 = -400C

5.2.1.2.Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh t k

Nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường làm mát của thiết bị ngưng tụ và loại thiết bị ngưng tụ Với dàn ngưng kiểu tưới thì tk được xác định như sau:

tk = tw + tk [0C]

Trong đó: tw = tư + tw = 24+3 =27 0C – là nhiệt độ nước tuần hoàn (tư

là nhiệt độ ướt ứng với thông số nhiệt độ và độ ẩm môi trường, tw = 3 ÷ 40C,

ở đây chọn tw = 40C) Với thông số môi trường t1 = 27.90C, 1 = 74% và tra

đồ thị I – d ( hình 1-1 tài liệu [7/9]), ta được tư = 240C

tk = 50C – hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu (theo [7/172])

t2=tw+3=27+3=30  tk = t2 + 5 = 350C

5.2.2.Lập chu trình và chọn máy nén

5.2.2.1.Chọn chu trình

Nhiệt độ bay hơi t0 = -400C, tra bảng hơi bão hoà R22 ta được Nhiệt độ ngưng tụ tk = 350C, tra bảng hơi bão hoà R22 ta được

Gọi là tỷ số nén, ta có:

Với tỷ số nén này ta phải sử dụng chu trình hai cấp nén

Chọn chu trình hai cấp nén, bình trung gian có ống trao đổi nhiệt, làm mát trung gian hoàn toàn, có sơ đồ nguyên lý, đồ thị T– s, lgp – h

TBBH TBNT

BTG

MNTA MNCA

VTL1

VTL2

1 2

3 4

5

6 7 9

0 k

T

s

P

P

1 2 T

T 3

5

P

4

8

7

6

lgP

4 2 3

5 6 7

8 h

9

k

tg

0

k

0

0

P

tg

P

k

P

THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CÁC ĐIỂM NÚT (NH3)

Điểm T(oC) p(bar) v(dm3/kg) h(kJ/kg) s(kJ/kg.K)

1 -40.000000 0.715910 1555.100000 1327.648000 3.798900

2 57.619470 3.111701 508.138400 1524.046000 3.798900

3 -8.352886 3.111701 390.936200 1370.773000 3.282956

4 99.993930 13.525000 126.397300 1584.484000 3.282956

5 35.000000 13.525000 1.703070 288.452000 -0.867870

6 -8.352886 3.111701 63.858580 288.452000 -0.804448

7 -5.352886 13.525000 1.548330 96.386260 -1.530314

8 -40.000000 0.715910 178.849500 96.386260 -1.482049

9 -8.352886 3.111701 1.538748 82.231610 -1.583243

10 -40.000000 0.715910 1.448980 -62.325000 -2.162770

Chu trình được tính cho 1kg môi chất lạnh đi qua thiết bị bay hơi hạ áp

Lượng lỏng trung áp bay hơi để làm quá lạnh 1kg lỏng cao áp ở bình trung gian (Psi) bằng:

Psi = 0.149057

Lượng lỏng trung áp bay hơi để làm mát hoàn toàn 1kg hơi quá nhiệt trung áp ở bình trung gian (Beta) bằng:

Beta = 0.118951

Lượng hơi sau van tiết lưu 1 (Anpha) bằng:

Anpha = 0.051065

Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ (kJ/kg):

qc = 1709.559000

Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi:

qe = 1231.262000 kJ/kg qev = 791.757300kJ/m3

Công cấp cho máy nén áp thấp (kJ/kg):

lnat = 196.397900

Công cấp cho máy nén áp cao (kJ/kg):

lnac = 281.899700

Công cấp cho máy nén (kJ/kg):

l = 478.297600

Hệ số làm lạnh:

epxilon = 2.574259

Khối lượng tuần hoàn giờ qua máy nén thấp áp (kg/h):

Ghnta = 86.54829

Khối lượng tuần hoàn giờ qua máy nén cao áp (kg/h):

Ghnca = 114.16344

Thể tích tuần hoàn giờ qua máy nén thấp áp (m3/h):

Vhnta = 134.59125

Thể tích tuần hoàn giờ qua máy nén cao áp (m3/h):

Vhnca = 44.63062

5.2.2.2.Tính toán chu trình:

Chu trình được tính cho 1kg môi chất lạnh đi qua thiết bị bay hơi hạ áp

Lượng lỏng trung áp bay hơi để làm quá lạnh 1kg lỏng cao áp :

Lượng lỏng trung áp bay hơi để làm mát hoàn toàn 1kg hơi quá nhiệt trung áp :

Lượng hơi bão hoà khô trung áp trung áp tạo thành sau van tiết lưu :

Công cấp cho máy nén thấp áp:

Công cấp cho máy nén cao áp:

Công cấp cho chu trình:

Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ:

Nhiệt nhận được ở thiết bị bay hơi(3 dàn )

Hệ số làm lạnh:

Năng suất lạnh riêng thể tích:

Năng suất lạnh yêu cầu của thiết bị là:

Lượng môi chất tuần hoàn qua máy nén thấp áp:

Lượng môi chất tuần hoàn qua máy nén cao áp:

Thể tích hút của máy nén thấp áp:

Thể tích hút của máy nén cao áp:

Thể tích hút máy nén:

Tính chọn máy nén

Tính cấp nén hạ áp

Hệ số nạp thấp áp:

Trong đó:

là hệ số tính đến thể tích chết

là hệ số kể đến tổn thất do tiết lưu

tổn thất do hơi hút vào xylanh bị đốt nóng

tổn thất do rò rỉ môi chất qua piston, secmang và van từ khoang nén về

Trong đó:

Do đó:

Như vậy:

Thể tích hút lý thuyết cấp thấp áp:

-Công suất đoạn nhiệt Ns:

: lưu lượng khối lượng qua máy nén thấp áp

: công nén đoạn nhiệt cho 1 kg môi chất qua máy nén thấp áp.



Công nén chỉ thị: là công nén thực do quá trình nén lệch khỏi quá trình nén đoạn

nhiệt lý thuyết

Trong đó:

Do đó:

- Công suất ma sát Nms:

(Chọn pms = 50 kPa – theo [7])

- Công suất hữu ích Ne:

Công suất tiếp điện : Chọn hiệu suất truyền động Hiệu suất động cơ:



Tính cho nén cao áp.

Hệ số nạp cao áp:

Trong đó:

là hệ số tính đến thể tích chết

là hệ số kể đến tổn thất do tiết lưu.

tổn thất do hơi hút vào xylanh bị đốt nóng

tổn thất do rò rỉ môi chất qua piston, secmang và van từ khoang nén về

Trong đó:

Do đó:

Như vậy:

Thể tích hút lý thuyết cấp cao áp:

- Công suất đoạn nhiệt Ns:

: lưu lượng khối lượng qua máy nén cao áp

: công nén đoạn nhiệt cho 1 kg môi chất qua

máy nén cao áp



Công nén chỉ thị: là công nén thực do quá trình nén lệch khỏi quá trình nén đoạn

nhiệt lý thuyết

Trong đó:

Do đó:

(Chọn pms = 50 kPa – theo [7])

Công suất tiếp điện : Chọn hiệu suất truyền động Hiệu suất động cơ:

Tổng công suất tiếp điện của động cơ là:

5.2.2.3.Chọn máy nén:

Do chế độ làm việc của máy nén tủ cấp đông trùng với chế độ lạnh tiêu chuẩn nên ta chọn máy nén

 Chọn máy nén

Theo TL2 trang 223 ta chọn máy nén có các thông số sau:

Ký hiệu N42A

Số xy lanh: 4+2

Qo=32.9 kcal/h