TÍNH TOÁN CHO KHO LẠNH

Năm học : 2004-2005 GVHD: Trần Hùng Dũng
Hiệu ứng xoáy là một phương pháp làm lạnh mới xuất hiện. Phương pháp này
có ưu điểm là cấu tạo của thiết bị đơn giản, làm việc tin cậy và khởi động nhanh.
Tuy vậy nó có nhược điểm là đòi hỏi nhiều điện năng. Việc áp dụng phươn pháp
này khá hạn chế.
*Làm lạnh bằng hiệu ứng nhiệt điện
Phương pháp này dựa trên nguyên lý khi có môt dòng điện chuyển động qua
mạch điện gồm hai dây dẫn thì một đầu sẽ nóng lên còn một đầu sẽ lạnh đi. Đây là
một hướng mới trong kỹ thuật lạnh. Ưu điểm của phương pháp này là không có
tiếng ồn, không có môi chất làm việc ở áp suất cao và có độ tin cậy cao. Nhưng nó
có nhược điểm là tiêu hao nhiều điện năng và giá thành cao.
*** Ở đây ta chỉ quan tâm đến quá trình làm lạnh bằng phương pháp cho chất
lỏng sôi ở nhiệt độ thấp.
1.2. Môi chất lạnh và chất tải lạnh
1.2.1.Môi chất lạnh :
Định nghĩa : môi chất lạnh là chất môi giới sử dụng trong chu trình nhiệt
động ngược chiều để bơm một dòng nhiệt từ môi trường có nhiệt độ thấp đến môi
trường khác có nhiệt độ cao hơn.
Môi chất lạnh có một số yêu cầu nhất định về :
1
+ Tính chất hoá học.
+ Tính chất vật lý
+ Tính chất sinh lý
+ Tính kinh tế
Các môi chất hay sử dụng trong là Freon và một số chất khác như NH
3
, hỗn
hợp của các Hydrocarbon. Hiện nay người ta đã phát hiện ra một số Freon có tính
chất phá hoại môi trường như : phá huỷ tầng Ozon hay làm tăng hiệu ứng nhà
kính… Vì vậy hiện nay nước ta và nhiều nước trên thế giới đã cấm sử dụng một số
môi chất Freon : R11, R12, R113… và khích sử dụng một số môi chất không hoặc
ít gây hại đến môi sinh : R22, R134a, R717 (NH
3
)…
Môi chất R22 là một môi chất lạnh quá độ trong quá trình thay đổi dần các
môi chất cấm sử dụng. Nó có tính chất là ít ảnh hưởng đến môi trường và có nhiều
tính chất nhiệt động cũng như hoá học và vật lý khá tốt. Nó khá an toàn trong
phòng chống cháy nổ và không độc nên được áp dụng nhiều trong đởi sống đặc
biệt là trong các hệ thống lạnh nhỏ và trung bình.
1.2.2.Chất tải lạnh
1
chi tiết có thể xem trong [10]
SVTH : Phan Cẩm Tuấn Huy.
MSSV: 60101024 5
Năm học : 2004-2005 GVHD: Trần Hùng Dũng
Chất tải lạnh là chất trung gian lấy nhiệt từ vật thể cần làm lạnh đến môi chất
lạnh. Chất tải lạnh cũng đòi hỏi một số tính chất như :
+ Nhiệt độ đông đặc thấp.
+ Nhiệt dung và khả năng dẫn nhiệt cao.
+ Độ nhớt và khối lượng riêng nhỏ.
+ Không ăn mòn kim loại và các vật liệu khác trong thiết bị.
+ Không độc hại và không nguy hiểm.
+ Giá thành rẻ.
Nước là một chất tải lạnh tốt nhưng vì nhiệt độ đông đặc khá cao nên chỉ áp
dụng cho các thiết bị lạnh có nhiệt độ dương. Người ta thường sử dụng nước muối
CaCl
2
, NaCl để làm chất tải lạnh cho các thiết bị lạnh có thiệt độ âm.
Ngoài chất tải lạnh là chất lỏng người ta còn sử dụng không khí làm chất tải
lạnh. Đây là chất tải lạnh rẻ tiền và dể kiếm tuy vậy hệ số cấp nhiệt và nhiệt dung
của nó khá nhỏ.
1.3.Phân loại kho lạnh và buồng lạnh
1.3.1. Kho lạnh
Kho lạnh được phân thành nhiều loại khác nhai nhằm phục vụ cho những mục
đích sử dụng khác nhau :
+ Kho lạnh chế biến: là bộ phận của các cơ sở các cơ sở chế biến thực phẩm.
Các sản phẩm sau chế biến được chuyển đến các kho lạnh phâm phối, kho lạnh
trung chuyển hoặc kho lạnh thương nghiệp. Đây là mắc xích đầu tiên của dây
chuyền lạnh.
+ Kho lạnh phân phối : dùng để bảo quản các sản phẩm thực phẩm trong mùa
thu hoạch và bảo quản để phân phối cho cả năm. Chúng có dung tích rất lớn và
được sử dụng cho việc bảo quản nhiều sản phẩm khác nhau
+ Kho lạnh trung chuyển : thường đặt ở các hải cảng, những điểm nút giao
thông để bảo quản ngắn hạn những sản phẩm tại nơi trung chuyển.
+ Kho lạnh thương nghiệp: dùng để bảo quản ngắn hạn các sản phẩm sắp đưa
ra thị trường tiêu thụ. Nguồn hàng chủ yếu là từ các kho lạnh phân phối.
+ Kho lạnh vận tải : là các ô tô lạnh, tàu hoả, tàu thuỷ hoặc máy bay dùng để
bảo quản các sản phẩm lạnh trong quá trình vận chuyển.
+ Kho lạnh sinh hoạt : thực chất là các loại tủ lạnh, tủ đông sử dụng cho các
gia đình. Chúng là mắc xích cuối cùng của dây chuyền lạnh, dùng bảo quản các
sản phẩm gia đình, tập thể…
1.3.2. Phân loại buồng lạnh
Thông thường người ta phân biệt các loại buồng lạnh dựa vào nhiệt độ bảo
quản sản phẩm. Ta có thể phân biệt các loại buồng lạnh như sau :
SVTH : Phan Cẩm Tuấn Huy.
MSSV: 60101024 6
Năm học : 2004-2005 GVHD: Trần Hùng Dũng
+ Buồng bảo quản lạnh 0
o
C: bảo quản các sản phẩm có nhiệt độ từ -1.5 đến
0
o
C với độ ẩm tương đối là 90 đến 95%. Buồng lạnh được trang bị các dàn lạnh
không khí gắn tường, treo trần đối lưu tự nhiên hoặc dùng quạt.
+ Buồng bảo quản đông -18 đến -20
o
C : dùng để bảo quản các sản phẩm đã
được kết đông ở máy kết đông hoặc buồng kết đông. Nhiệt độ buồng thường là
-18
o
C. Nhưng cũng có thể thấp hơn tuỳ vào yêu cầu của sản phẩm. Buồng bảo
quản đông sử dụng dàn quạt treo tường hoặc treo trần.
+ Buồng bảo quản đa năng -12
o
C: buồng được thiết kế ở -12
o
C nhưng khi cần
bảo quản lạnh có thể tăng nhiệt độ lên 0
o
C hoặc khi cần bảo quản đông có thể đưa
nhiệt độ xuống dưới -18
o
C tuỳ theo yêu cầu.
+ Buồng gia lạnh ở 0
o
C : dùng để làm lạnh sản phẩm từ nhiệt độ môi trường
đến nhiệt độ bảo quản lạnh hoặc để gia lạnh sơ bộ cho những sản phẩm lạnh đông
trong kết đông hai pha. Buồng gia lạnh thường sử dụng dàn quạt để tăng tốc độ gia
lạnh của sản phẩm.
+ Buồng kết đông-35
o
C : dùng để kết đông sản phẩm. Sản phẩm sau kết đông
hoàn toàn cứng hoá do nước và dịch trong sản phẩm đã đóng băng. Nhiệt độ bề
mặt sản phẩm từ -18 đến -20
o
C, nhiệt độ tâm sản phẩm đạt khoảng -8
o
C. Người ta
có thể sử dụng phương pháp kết đông một pha hoặc hai pha để kết đông sản phẩm.
Ngoài ra còn có nhiều phương pháp kết đông đặc biệt dùng để kết đông cực nhanh
sản phẩm.
+ Buồng chất tải và chất tháo tải ở 0
o
C : có nhiệt độ trong buồng khoảng 0

o
C nhằm phục vụ cho buồng kết đông và buồng gia lạnh. Buồng tháo tải dùng để
tháo sản phẩm đã kết đông nhằm chuyển qua các buồng bảo quản đông. Nhiệt độ
buồng có thể hạ xuống -5
o
C khi cần thiết.
+ Buồng bảo quản đá -4
o
C: có nhiệt độ không khí -4
o
C đi kèm theo bể đá
khối. Dung tích buồng tuỳ theo yêu cầu trữ đá. Thường buồng trang bị dàn lạnh
treo trần đối lưu tự nhiên.
+ Buồng chế biến lạnh 15
o
C : trong buồng có các công nhân làm việc bên
trong. Nhiệt độ buồng tuỳ theo công nghệ chế biến là từ 10 đến 18
o
C
1.4 Sơ lược về sản phẩm cần bảo quản (sản phẩm thuỷ sản)
Hiện nay nước ta đang có tiềm năng lớn về xuất khẩu các sản phẩm thuỷ sản
cho nhiều nước trên thế giới. Mặc dù hiện nay một số thị trường đã hạn chế sản
phẩm hải sản xuất khẩu từ nước ta, nhưng hiện nay sản lượng hải sản không vì thế
mà giảm đi, mà còn có xu hướng tăng lên. Vì trong quá trình chế biến sản phẩm
thuỷ hải sản đòi hỏi có giai đoạn cấp đông và bảo quản đông sau đó, cho nên yêu
cầu về kho lạnh bảo quản thuỷ hải sản là yêu cầu bắt buộc.
Yêu cầu bảo quản của sản phẩm :
SVTH : Phan Cẩm Tuấn Huy.
MSSV: 60101024 7
Năm học : 2004-2005 GVHD: Trần Hùng Dũng
Vì sản phẩm thuỷ sản được phục vụ cho xuất khẩu cho nên yêu cầu phải bảo
quản trong thời gian dài từ 6-12 tháng. Cho nên sản phẩm sau khi qua khâu sơ chế
cần phải được cấp đông và được bảo quản trong buồng bảo quản đông. Nhiệt độ
buồng bảo quản phải đạt khoảng -20
o
C vì thuỷ sản rất nhạy cảm với nhiệt độ. Độ
ẩm trong phòng không yêu cầu quá khắc khe, vì sản phẩm đã được cho vào các túi
PE, sau quá trình sơ chế. Tuy nhiên vì nhiệt độ cần bảo quản khá thấp (-20
o
C) cho
nên ta giả sử độ ẩm trong phòng bảo quản đạt khoảng 90%
Ở đây để đơn giản ta chọn sản phẩm là Fillet cá loại cá béo, vì đây đang là
sản phẩm xuất khẩu khá mạnh của nước ta và cũng để thuận lợi cho quá trình tính
toán.
Loại sản phẩm này có tỉ trọng khoảng 0.8, được xếp trong các thùng carton
giấy và có thể xếp trên các giá trong các kho bảo quản.
1.5 Tổng kết
Như vậy sau quá trình giới thiệu sơ lược như trên ta rút ra được những điều
sau đây :
+ Ta chọn phương pháp làm lạnh là sử dụng chu trình nhiệt động ngược để
làm lạnh. Môi chất được sử dụng là R22. Ta sử dụng máy nén trong hệ thống là
máy nén piston.
+ Nhiệt độ trong phòng bảo quản là -20
o
C, độ ẩm 90% .
Ở trong phần này ta chỉ trình bày những vấn đề sơ khởi ban đầu. Những vấn
đề khác liên quan sẽ được trình bày trong những phần tương ứng
SVTH : Phan Cẩm Tuấn Huy.
MSSV: 60101024 8
Năm học : 2004-2005 GVHD: Trần Hùng Dũng
CHƯƠNG II :
TÍNH TOÁN CHO KHO LẠNH
2.1.Tính toán diện tích kho
Các thông số cho ban đầu
+ Dung tích của kho lạnh :M=50 tấn
+ Sản phẩm bảo quản : hải sản . Vì thực sự kho bảo quản lạnh có thể dùng
để bảo quản nhiều loại sản phẩm khác nhau, nên để đơn giản quyết định chọn sản
phẩm bảo quản là fillet cá.
Các giả sử:
+ Fillet cá được đựng trong các túi nylon và đuợc cho vào các thùng carton
có kích thước : 28x18x20 (cm).
+ Khối lượng đựng trong mỗi thùng :m = 8 kg/thùng
+ Các thùng được xếp trên các giá khoảng cách giữa các giá là 22 cm
+ Khối lượng mỗi thùng :
+
Chiều cao kho : 4 (m).Trong đó chiều cao để chất sản phẩm H = 2 5 (m)
Như vậy kho cần chứa :
(thùng) 6250
8
10x50
m
M
n
3
===

Diện tích để chứa sản phẩm là :

H
h
.S.nS
t
tsp
=
(m
2
)
Ta chọn h
t
= 22 cm = 0.22 m
Vậy S
sp
= 27.7 (m
2
)
Vì ta phải chọn diện tích của phòng lạnh S
p
là bội số của 36(m
2
) và vì còn
chừa diện tích cho viêc di chuyển trong kho và phân chia khu vực chứa sản phẩm
nên chọn S
sp
= 72 (m
2
) . Ta chọn kích thước kho là 6 (m) x 12 (m)
Vậy ta có bảng tổng kết tính toán diện tích kho như sau :
Ý nghĩa Kí hiệu Giá trị
Khối lượng cần bảo quản M(tấn)
50
Khối lượng chứa trong một thùng m(kg/thùng)
8
Số thùng n(thùng)
6250
Diện tích một thùng S
t
(m
2
)
0.0504
Khoảng cách giữa hai giá h(m)
0.22
Chiều cao chất sản phẩm H(m)
2.5
SVTH : Phan Cẩm Tuấn Huy.
MSSV: 60101024 9
Năm học : 2004-2005 GVHD: Trần Hùng Dũng
Diện tích chứa hàng S
khMin
(m
2
)
27.2
Diện tích kho S
kh
(m
2
)
72
Bảng 2.1 :tính toán các kích thước cơ bản của kho lạnh
2.2.Tính toán cách nhiệt và cách ẩm cho cơ cấu bao che
Có rất nhiều phương án xây dựng cơ cấu bao che cho kho lạnh.Trong đồ án
này ta chọn phương án cơ cấu bao che được xây dựng. Đây là phương án cổ diển
nhưng hiện vẫn còn phù hợp với điều kiện Việt Nam ([1]).
2.2.1.Tính toán cách nhiệt cho vách
Trong phần này ta chưa tính đến lớp cách ẩm, vì ta chưa biết bề dầy của lớp
cách ẩm, mặc khác lớp cách ẩm cũng không có khả năng cách nhiệt quá lớn nên ta
tạm thời tính định hướng rồi sau đó sẽ kiểm tra lại trong phầm tính cách ẩm. Cấu
tạo của tường kho được mô tả trên hình 2.1
STT Tên vật liệu
δ (m) λ(W/mK)
1 Lớp vữa xi măng
0.02 0.88
2 Lớp gạch đỏ
0.2 0.82
3 Lớp vữa xi măng
0.02 0.88
4 Lớp cách nhiệt
- 0.045
5 Lớp vữa xi măng
0.02 0.88
λ : hệ số cách nhiệt của vật liệu
δ : bề dầy của lớp vật liệu
Bảng 2.2 : số liệu của vật liệu xây tường kho lạnh
Ta có công thức tính bề dầy lớp cách nhiệt :














α
+
λ
δ
+
α
−λ=δ
∑
2i
i
1
cncn
11
k
1
(m)
Với k : hệ số truyền nhiệt theo tiêu chuẩn , k = 0.21 (W/m
2
.K)
α
1
hệ số toả nhiệt của môi trường bên ngoài ,
α
1
= 23(W/m
2.
K)
α
2
hệ số toả nhiệt của môi trường bên trong ,
α
1
= 9 (W/m
2.
K)

λ
cn
hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt (tức
λ
4
)
4i và 51i
≠−=
SVTH : Phan Cẩm Tuấn Huy.
MSSV: 60101024 10
Năm học : 2004-2005 GVHD: Trần Hùng Dũng
Thay các số liệu bề dầy và hệ số cách nhiệt từ bảng trên, ta tính được bề
dầy lớp cách nhiệt nhỏ nhất và ta dựa vào đó ta chọn bề dầy lớp cách nhiệt như
bảng dưới đây:
Ý nghĩa Kí hiệu Giá trị
Bề dầy lớp cách nhiệt tính được
δ
cn tính
(m)
0.19
Bề dầy lớp cách nhiệt chọn
δ
cn chọn
(m)
0.2
Bảng 2.3 : bề dầy lớp cách nhiệt
Vậy ta có hệ số truyền nhiệt thực tế:
)K.(W/m 203.0
11
1
k
2
5
1i
2i
i
1
t
=
α
+
λ
δ
+
α
=
∑
=
2.2.3.Kiểm tra đọng sương cho vách ngoài ([1] )
Từ thông số nhiệt độ trung bình tháng nóng nhất và độ ẩm của Tp Hồ Chí
Minh ta tra đựơc nhiệt độ bầu ướt như sau ([5]):
Ý nghĩa Nhiệt độ môi trường Độ ẩm Nhiệt độ đọng sương
Kí hiệu t
t
(
o
C)
ϕ (%)
t
s
(
o
C)
Giá trị 33 74 28
Bảng 2.4 : thông số khí hậu ở Tp Hồ Chí Minh
Từ đó ta có
tn
sn
1s
tt
tt
95.0k
−
−
α=
Với t
n
= 33
o
C
: nhiệt độ môi trường bên ngoài
t
t
= -20
o
C
: nhiệt độ môi trường bên trong phòng bảo quản.
Vậy k
s
= 2.09 (W/m
2
.K)
k
s
< k
t
, như vậy tường không bị đọng sương.
2.3.Tính toán cách ẩm cho tường kho lạnh
Ta chọn vật liệu cách ẩm là bitum. Giả sử ta chọn lớp cách ẩm ban đầu là
SVTH : Phan Cẩm Tuấn Huy.
MSSV: 60101024 11
Năm học : 2004-2005 GVHD: Trần Hùng Dũng
δ
ca
= δ
4
= 1 mm = 0.001 m
Như vậy ta có bảng dưới đây :
STT Loại vật liêu
δ(m) λ(W/m.K) µ(g/mh Mpa)
1 Lớp vữa xi măng 0.02 0.88 90
2 Lớp gạch đỏ 0.38 0.82 105
3 Lớp vữa xi măng 0.02 0.88 90
4 Lớp cách ẩm (bitum) 0.001 0.18 0.86
5 Lớp cách nhiệt (P.U) 0.2 0.045 7.5
6 Lớp vữa xi măng 0.02 0.88 90
Ở đây : µ là hệ số thấm hơi nước của vật liệu ([1])
Bảng 2.5 : các thông số để tính cách ẩm cho kho lạnh.


Hình 2.1 cấu trúc của vách kho
1,3,6: lớp vữa xi măng ; 2 : lớp gạch đỏ;
4: lớp cách ẩm; 6: lớp cách nhiệt

Ta tính lại hệ số truyền nhiệt cho vách khi đẵ có lớp cách ẩm
)K.(W/m 201.0
11
1
k
2
6
1i
2i
i
1
`
=
α
+
λ
δ
+
α
=
∑
=
SVTH : Phan Cẩm Tuấn Huy.
MSSV: 60101024 12
Năm học : 2004-2005 GVHD: Trần Hùng Dũng
Như vậy k và k
t
rất gần nhau, vì vậy giả sử như phần trên là hợp lý. Từ đó ta
tính toán có mật độ dòng nhiệt qua vách kho là :
q = k.
∆
t = k(t
n
- t
t
)
= 0.202( 33 – (-20))
=10.66 (W/m
2
)
Từ đó ta có

1
n1v
q
tt
α
−=
i
i
i,1iij
δq.
tt
λ
−=
−
j = i+1;i= 2-6
2
66v
q
tt
α
−=
δ
i
, λ
i :
bề đầy và hệ số cách nhiệt của lớp thứ i
t
ij
: nhiệt độ giữa lớp thứ i và j
t
v1
, t
v6
: nhiệt độ tại bề mặt lớp thứ nhất và thứ 6
Kết quả tính toán nhiệt độ được trình bày trong bảng 2.6

•
Tính toán áp suất hơi nước bên trong vách :
Dòng hơi thẩm thấu qua vách được tính theo công thức : ([1])
H
pp
6v1v
−
=ϖ
p
v1 =
p
v1
*(t
1
).
ϕ
1
p
v6 =
p
v6
*(t
6
).
ϕ
6

với p
v1
*(t
1
)
,
p
v6
*(t
6
) : áp suất hơi bão hoà tại sát ngoài lớp thứ 1 và thứ 6
( tra theo nhiệt độ bên ngoài và bên trong kho)

ϕ
1,
ϕ
6
:
tương ứng là độ ẩm không khí tại lớp thứ 1 và thứ 6
H : trở kháng thấm hơi của cấu trúc bao che.
Ta có p
v1bh
= p
bh
(34
o
C) = 5029 Pa ;
ϕ
1
= 74%

p
v6bh
= p
bh
(-20
o
C) = 103 Pa ;
ϕ
6
= 90%
Vậy p
v1
= 3721.5 Pa
p
v6
= 92.7 Pa
Còn
SVTH : Phan Cẩm Tuấn Huy.
MSSV: 60101024 13
Năm học : 2004-2005 GVHD: Trần Hùng Dũng
)g/MPa.h.m( 0338.0
H
2
6
1i
i
i
=
µ
δ
=
∑
=
Như vậy
ω
= 0.133 g/m
2
h
Và ta có :
1
1
1v21
.
pp
µ
λω
−=

i
i
i,1iij
δ
pp
µ
ϖ
−=
−
j = i+1; i = 2-5
6
6
566v
.
pp
µ
λω
−=
Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 2.6
STT
Nhiệt độ (
o
C)
Áp suất hơi nước
bão hoà
Áp suất bên trong
vách
Ký
hiệu
Giá trị
(
o
C)
Ký
hiệu
Giá trị (Pa)
Ký
hiệu
Giá trị (Pa)
1 t
v1
32.54
p
v1bh
4902.3
p
v1
3721.5
2 t
12
32.29
p
12bh
4836.2
p
12
3695.9
3 t
23
29.67
p
23bh
4160
p
23
3476.9
4 t
34
29.42
p
34bh
4104
p
34
3451.4
5 t
45
29.30
p
45bh
4089
p
45
3184.0
6 t
56
-18.56
p
56bh
118
p
56
118.2
7 t
v6
-18.81
p
v6bh
115.5
p
v6
92.7
Bảng 2.6 : tính toán nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà và áp
suất hơi trong vách của kho lạnh
Áp suất hơi bão hoà được tra từ nhiệt độ tương ứng ([10]).
Như vậy
p
56bh
< p
56
nên ta phải tăng bề dầy lớp cách ẩm lên .Chọn bề dầy lớp
cách ẩm mới là δ
ca
= δ
4
= 4 mm = 0.004 m
Ta tính toán tưong tự như bên trên và được các kết quả như sau :
)K.(W/m 2.0
11
1
k
2
6
1i
2i
i
1
=
α
+
λ
δ
+
α
=
∑
=
q = k.
∆
t = k(t
n
- t
t
)
= 0.2( 34 – (-20))
SVTH : Phan Cẩm Tuấn Huy.
MSSV: 60101024 14

Xem chi tiết: TÍNH TOÁN CHO KHO LẠNH