Tính toán chi phí lạnh cho hệ thống làm nước đá cây

Giả sử tính chi phí lạnh của hệ thống lạnh cần lắp đặt chạy cho bể nước muối sản xuất nước đá cây (khối) với công suất G = 100 Tấn/ngày. Để giải bài toán này có thể đi theo ba bước cơ bản sau đây.

Tính kích thước của bể đá nước muối

Chọn khối lượng cây đá cần sản xuất hoặc theo yêu cầu của người sử dụng, giả sử trong trường hợp này chọn khối lượng cây nước đá đã tách khuôn là g = 50kg.

Kích thước khuôn đá được xác định.

• Chiều cao khuôn: 1115 mm.
• Phía trên miệng (đáy trên): 380mm x 190mm.
• Phía dưới (đáy dưới): 340mm x 160mm.
• Khối lượng của khuôn không đá: 7,2kg.

Chọn khoảng trống dành cho thiết bị bay hơi 1320mm.

Số lượng khuôn đá cần thiết cho bể được xác định.

[số lượng khuôn] = (G.10³)/g = (100.10³)/50 = 2000 khuôn

Tổng số lượng khuôn trong bể có thể lấy 2200 khuôn, trong đó số khuôn dự phòng là 200 khuôn, tổng số lượng khuôn được sắp xếp làm 55 dãy khuôn, mỗi dãy có 40 khuôn.

• Chọn khoảng cách giữa các dãy đá là 50mm.
• Chọn khoảng cách giữa các khuôn đá trong một hàng (dãy) là 20mm.
• Thanh sắt để các dãy đá: sắt L50x50mm².
• Bề dày tường chọn sơ bộ khoảng 400mm (kể cả tôn làm bể).

Tính chiều dài (ký hiệu: D)

Khoảng nước muối luân chuyển có thể chọn như sau.

• Phía đầu bể: 600mm.
• Phía cuối bể: 300mm.

D = (2 x [bề dày tường bao]) + ([chiều dài miệng khuôn đá] x [số dãy khuôn đá]) + ([khoảng cách giữa các dãy khuôn đá] x [số dãy khuôn đá]) + (tổng khoảng cách nước muối luân chuyển).

D = (2 x 400) + (380 x 55) + (50 x 55) + (300 x 600) = 25350mm = 25,35m.

Chọn chiều dài thực tế để xây dựng: D = 25,5m.

Tính chiều rộng (ký hiệu: R)

R = (2 x [bề dày tường bao]) + ([chiều rộng miệng khuôn đá] x [số khuôn đá trong một dãy]) + ([khoảng cách giữa các khuôn đá] x [số khuôn đá trong một dãy]) + (khoảng cách chiều rộng dành cho thiết bị bay hơi).

R = (2 x 400) + (190 x 40) + (20 x 40) + 1320 = 10520mm = 10,52m.

Chọn chiều rộng thực tế để xây dựng: R = 10,5m.

Tính chiều cao (ký hiệu: H)

H = (chiều cao của khuôn) + (khoảng cách từ đáy khuôn đến đáy bể) + (khoảng cách từ miệng khuôn đến miệng bể).

• Chọn khoảng cách từ đáy khuôn đến đáy bể là 135mm.
• Chọn khoảng cách từ miệng khuôn đến miệng bể là 100mm.

H = 1115 + 135 + 100 = 1350mm = 1,35m.

Tính diện tích cần xây dựng (ký hiệu: S)

Diện tích thực tế để xây dựng được xác định: S = D x R = 25,5 x 10,5 = 267,75m²

Tính thể tích cần xây dựng (ký hiệu: V)

Thể tích bể đá được xác định: V = D x R x H = 25,5 x 10,5 x 1,35 = 361,5m³.

Thể tích của nước muối, khuôn đá và dàn lạnh, cánh khuấy chiếm chỗ được xác định: V’ = S’ x H’

Trong đó:

• S’ = S (diện tích chiếm chỗ của 4 bức tường) = (D – 2 x 0,4). (R – 2 x 0,4) = (25,5 – 0,8).(10,5 – 0,8) = 239,59 m².
• H’ = H – 0,1 = 1,35 – 0,1 = 1,25m.

Như vậy: V’ = S’ x H’ = 239,59 . 1,25 = 300m³.

Tính thể tích bể nước cung cấp cho sản xuất (ký hiệu: V_nước)

Bể nước cung cấp cho sản xuất nước đá trong một ngày đêm (22/24 giờ) bao gồm nước châm vào khuôn đá, nước dùng cho sinh hoạt, nước sử dụng trong lúc hệ thống lạnh hoạt động.

Nước châm khuôn đá được xác định: V₁ = [số lượng khuôn].0,05m³ = 2200.0,05 = 110m³.

Nước dùng cho sinh hoạt chiếm khoảng 5,5% lượng nước sản xuất nước đá (nước châm vào khuôn).

V₂ = 5,5%. V₁ = 5,5%. 110 = 6m³.

Nước sử dụng trong lúc hệ thống lạnh đang hoạt động chiếm khoảng (18 – 20)% lượng nước châm khuôn.

V₃ = 18%. V₁ = 18%. 110 = 20m³.

Như vậy tổng thể tích nước mà bể phải chứa dùng cho sản xuất được xác định.

V_nước = V₁ + V₂ + V₃= 110 + 6 + 20= 136m³.

Thể tích nước muối trong bể nước đá cũng được xác định.

V_{nước muối} = V’ – V₁ – V_{dàn lạnh + khuôn đá} = 300 – 110 – 2 = 188m .

Nếu chọn chất tải lạnh trung gian là nước muối NaCl thì nên chọn nồng độ muối ở điểm ơtectic 23,1% nhiệt độ đóng băng của nó 21,2°C, vì vậy khi làm lạnh nước muối từ (-15 đến -8)°C nước muối không đóng băng đảm bảo sự an toàn cho vận hành hệ thống.

Như vậy lượng muối cần thiết để pha chế dung dịch nước muối ở nồng độ 23,1%.

m_muối = m_{dung dịch} x  ξ%  = V_{nước muối} x ρ_{nước muối} x ξ% = 188 . 1170.0,231 = 50000 kg = 50 tấn.

Tính toán cách nhiệt – cách ẩm

Tính cách nhiệt, cách ẩm cho tường 

1. Lớp ximăng và đá vữa;
2. Lớp gạch ống – sắt giữ cố định
3. Lớp cách ẩm – giấy dầu
4. Lớp cách nhiệt – Styropore;
5. Lớp cách nhiệt cách ẩm – Bitum;
6. Lớp thép tấm bao phủ lớp sơn chống ăn mòn hoá học và điện hoá;

Các thông số vật lý của vật liệu cấu tạo nên vách bể đá

Chọn:

• α₁ = 20 KCal/(m².h.độ) hệ số cấp nhiệt không khí ở mặt ngoài của tường.
• α₂= 500 KCal/(m².h.độ) hệ số cấp nhiệt ở mặt trong tường nước muối đối lưu cưỡng bức.
• K_v = 0,26 KCal/(h.m².độ) hệ số truyền nhiệt của vách.

Để xác định δ_cn và δ_bitum thì phải giải hệ phương trình sau.

Tương đương:

Giải hệ phương trình trên sẽ tìm được.

• δ_bitum = 0,005m = 5mm.
• δ_cn = 0,125m —> chọn δ_cn = 0,15m theo tiêu chuẩn.

Tính lại hệ số truyền nhiệt thực tế theo bề dày cách nhiệt đã chọn.

Như vậy K_vtt = 0,214 Kcal/(m².h.độ) < K_v = 0,26 Kcal/(m².h.độ) thoả mãn.

Kiểm tra điều kiện đọng sương của vách

Hệ số truyền nhiệt tại điểm đọng sương được xác định theo phương trình:

Trong đó:

• t_f1 = 32°C nhiệt độ trung bình của không khí xung quanh vách bể trong những ngày nóng nhất tương ứng với độ ẩm (φ = 81%.
• t_f2 = -10°C nhiệt độ trung bình của nước muối bên trong bể.
• t_s nhiệt độ đọng sương của trạng thái 1 không khí ẩm (32°C, 81%), được xác định theo đồ thị h – d của không khí ẩm, tìm được t_s = 28°C.

Thay tất cả các giá trị vào phương trình sẽ tìm được.

Rõ ràng K_vtt = 0,214 Kcal/(m².h.độ) < K_stt = 1,8 KCal/(m².h.độ).

Kết luận:

• Lớp bitum của vách δ_bitum = 0,005m.
• Lớp cách nhiệt của vách δ_cn = 0,15m
• Hệ số truyền nhiệt của vách K_vtt = 0,214 KCal/(m².h.độ)

Cách nhiệt, cách ẩm cho nền 

1. Thép tấm (tôn).
2. Lớp cách ẩm cách nhiệt – Bitum.
3. Lớp chịu lực bê tông.
4. Lớp cách ẩm cách nhiệt bitum – giấy dầu.
5. Lớp cách nhiệt – Styropore.
6. Lớp cách ẩm giấy dầu.
7. Lớp chịu lực bê tông nền.
8. Đất nền đá dăm.

Các thông số vật lí của vật liệu cấu tạo nên nền bể đá

Bề dày cách nhiệt của nền bể đá được xác định theo phương trình sau.

Trong đó:

K_n – hệ số truyền nhiệt của nền được chọn sơ bộ K_n = 0,22 KCal/(m².h.độ). Thay vào sẽ tìm được.

Chọn bề dày cách nhiệt của nền theo tiêu chuẩn: δcn = 0,15m. Tính lại hệ số truyền nhiệt thực tế của nền.

Như vậy K_ntt = 0,216 KCal/(m².h.độ) < K_n = 0,22 KCal/(m².h.độ), cho nên bề dày lớp cách nhiệt chọn theo tiêu chuẩn được chấp nhận.

Kết luận:

• Lớp cách nhiệt của nền δcn = 0,15m
• Hệ số truyền nhiệt của nền K_ntt = 0,216 KCal/(m².h.độ)

Tính hệ số truyền nhiệt nắp của bể đá

Bể đá được xây dựng trong phòng có mái che vì thế tránh được dòng nhiệt bức xạ do ánh sáng mặt trời xâm nhập vào, thông thường nắp bể được làm bằng ván gỗ có bề dày khoảng δ_g = 0,04m (40mm), gỗ có hệ số dẫn nhiệt λ_g = 0,12 KCal/(m.h.độ).

Hệ số truyền nhiệt của nắp bể được xác định theo phương trình sau

Tính chi phí lạnh của bể đá nước muối

Chi phí lạnh cho bể đá được xác định theo phương trình sau.

Trong đó:

• Q₁ là dòng nhiệt lấy ra để làm đông đặc nước có nhiệt độ ban đầu là t₁(°C) và nhiệt độ sau cùng của quá trình đông đặc là t₂(°C), KCal/ngày.
• Q₂ là dòng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của khuôn kim loại đá từ nhiệt độ ban đầu là t₁(°C) và nhiệt độ sau cùng của quá trình đông đặc là t₂(°C), KCal/ngày.
• Q₃ là dòng nhiệt đưa vào nước muối do cánh khuấy tạo ra, KCal/ngày
• Q₄ là dòng nhiệt tổn thất khi tách khuôn đá, KCal/ngày.
• Q₅ là dòng nhiệt tổn thất do bên ngoài xâm nhập qua kết cấu bao che, KCal/ngày.

Tính Q₁

Dòng nhiệt làm đông đặc nước trong quá trình sản xuất nước đá được xác định theo công thức sau đây.

Q₁ = G.10³.(c_pn.t₁ + L – c_pnđ.t₂), KCal/ngày.

Trong đó:

• t₁ = 28°C nhiệt độ ban đầu của nước.
• t₂= -10 + 5 = -5°C nhiệt độ cuối cùng của nước đóng băng.
• G = 100 tấn/ngày năng suất của bể đá.
• L = 79,8 KCal/kg, nhiệt đông đặc của nước.
• C_pn = 1 KCal/(kg.°C), nhiệt dung riêng của nước.
• C_pnđ = 0,5 KCal/(kg.°C), nhiệt dung riêng của nước đá.

Thay tất cả vào phương trình sẽ tìm được.

Q₁ = 100.10³.[1.28 + 79,8 + 0,5.(-5)] = 11030.10³ KCal/ngày.

Tính Q₂

Dòng nhiệt lấy ra làm giảm nhiệt độ của khuôn đá kim loại từ nhiệt độ ban đầu là t₁ xuống nhiệt cuối cùng của quá trình cấp đông của nước muối t_m, được tính theo công thức sau.

Q₂ = (G.10³)/g. g_k.c_k.(t₁ – t_m), KCal/ngày

Trong đó:

• g = 50kg – khối lượng của mỗi cây đá.
• g_k = 7,2 kg – khối lượng của mỗi khuôn kim loại không có nước.
• c_k = 0,1 KCal/(kg.°C) nhiệt dung riêng của kim loại làm khuôn.
• t₁ = 28°C nhiệt độ ban đầu của khuôn.
• t_m = -10°C nhiệt độ trung bình của nước muối trong bể trong quá trình làm đông đá.

Thay tất cả vào sẽ tìm được.

Q₂ = [(100.10³)/50]. 7,2.0,1 .(28 – (-10)) = 54,72.10³ KCal/ngày

Tính Q₃

Dòng nhiệt này được xác định theo công thức sau.

Với:

• N_i = 10KW – công suất của động cơ cánh khuấy thứ i KW.
• n = 2 – số động cơ cánh khuấy.
• η_i = 0,95 – hiệu suất hoạt động hữu ích của cánh khuấy thứ i.
• ψ_i = 0,96 – hệ số làm việc của cánh khuấy thứ i.
• η_i.ψ_i = 0,91 – gọi là hệ số tải của cánh khuấy thứ i.

Thay tất cả vào sẽ tìm được.

Q₃ = (3600/4,186).(10.0,91).2.24 = 375,652.10³ KCal/ngày.

Tính Q4

Dòng nhiệt tiêu tốn khi tách đá khỏi khuôn được xác định theo công thức.

Q₄ = (G.10³)/g.f.δ.ρ_nđ.L , KCal/ngày

Với:

• g = 50kg  – khối lượng của mỗi cây đá.
• δ = 0,001 m bề dày lớp đá tan.
• ρ_nđ= 900kg/m³ khối lượng riêng của nước đá.
• L = 78,9 KCal/kg nhiệt nóng chảy của nước đá.
• f = 1,25m² là diện tích xung quanh của cây đá.

Thay tất cả vào sẽ tìm được.

Q4 = [(100.10³)/50].1,25.0,001.900. 79,8 = 179,55.10³ KCal/ngày.

Tính Q5

Dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che chính là tổng dòng nhiệt tổn thất qua vách, nền và nắp của bể đá, dòng nhiệt này được xác định theo công thức sau.

Trong đó:

• K₁ = K_vtt = 0,214 KCal/(m².h.độ) – hệ số truyền nhiệt của vách.
• K2 = K_ntt = 0,216 KCal/(m².h.độ) – hệ số truyền nhiệt của nền.
• K3 = K_nb = 2,6 KCal/(m².h.độ) – hệ số truyền nhiệt của nắp.
• t_f = 32°C – nhiệt độ của môi trường không khí xung quanh bể.
• t_m = -10°C – nhiệt độ của nước muối.
• F₁= 2.(D + R).H = 2.(25,5 + 10,5).1,35 = 97,2m² – diện tích xung quanh của vách bể đá.
• F₂ = D.R = 25,5.10,5 = 267,75m² – diện tích của đáy bể đá.
• F₃ = 267,75m² – diện tích của nắp đậy bể đá.

Thay tất cả vào sẽ tìm được.

Q₅ = (0,214.97,2 + 267,75.0,216 + 267,75.2,6).24.(32 – (-10)) = 780,983.10³ KCal/ngày

*Nguồn tham khảo: Công nghệ lạnh ứng dụng trong sản xuất nước đá khô và nước giải khát – Nguyễn Tấn Dũng