Phương pháp sản xuất nước đá khối

Phương pháp sản xuất nước đá khối cho phép tạo ra nhiều loại sản phẩm khác nhau, từ đá đục đến đá trong, tùy thuộc vào chất lượng nguồn nước đầu vào. Nhờ tính đơn giản và dễ vận hành, phương pháp này được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam và trên thế giới.

Phương pháp sản xuất nước đá khối

Bể nước đá đục

Bể nước đá khối được sử dụng từ rất lâu và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi.

Bảng – Thông số cơ bản các loại đá khối tiêu chuẩn

Hình 1 mô tả cấu trúc của một bể đá thông dụng. Bể nước muối được chia thành hai ngăn: ngăn lớn để chứa các khuôn đá và ngăn nhỏ để lắp đặt dàn bay hơi làm lạnh nước muối. Trong bể, có một bơm nước muối tuần hoàn mạnh, giúp nước muối được làm lạnh từ dàn bay hơi, sau đó nước muối lạnh sẽ được bơm ra làm lạnh các khuôn đá và quay lại dàn bay hơi.

Bơm nước muối được lắp đặt theo chiều thẳng đứng để ngăn ngừa tình trạng rò rỉ nước muối ra ngoài. Dàn bay hơi có thể là kiểu ống đứng hoặc kiểu xương cá, được thiết kế để tăng cường hiệu suất trao đổi nhiệt. Các khuôn đá được ghép lại thành các linh đá, thường từ 10 đến 15 khuôn, trải dài suốt chiều ngang của bể.

Các linh đá không đứng yên trong bể mà di chuyển từ đầu này sang đầu kia nhờ vào cơ cấu chuyển động bằng xích. Khi một linh đá hoàn tất quá trình đông đá và được nhấc ra khỏi bể, cơ cấu xích sẽ dồn tất cả các linh đá lại, tạo ra một khoảng trống ở cuối bể để đặt linh đá mới đã được đổ đầy nước. Chuyển động của nước muối tuần hoàn và linh đá diễn ra theo hướng ngược nhau.

1 – Ống cân bằng ; 2 – Bơm nước muối ; 3 – Khuôn đá ; 4 – Dàn bay hơi ống đứng ; 5 – Bể nước muối ; 6 – Bể tan giá ; 7 – Cơ cấu lật ; 8 – Linh đá ; 9 – Bàn trượt đá ; 10 – Máng rót nước ; 11 – Cầu trục chạy điện

Khi đá đã đông trong khuôn, toàn bộ linh đá sẽ được cầu trục nâng lên khỏi bể và thả vào bể làm tan giá. Khi các khuôn đá nóng lên, lớp băng dính giữa khối đá và khuôn sẽ tan ra, cầu trục sẽ nâng linh đá lên và đặt vào cơ cấu lật. Nhờ trọng lực, linh đá sẽ lật, các khối đá sẽ trượt lên bàn trượt đá để vào kho chứa đá. Linh đá sau đó được cầu trục đưa đến máng rót nước.

Máng rót nước tự động có nhiều vòi, định lượng rót đồng thời cho tất cả các khuôn đá một lượng nước đã được định trước. Sau khi rót nước xong, linh đá sẽ được đặt vào đầu bể, nơi mà cơ cấu chuyển động xích vừa đẩy toàn bộ các linh đá ra ngoài.

Đoạn ống cong có tác dụng giữ nước đầy trong máng khi bình nằm ngang, và sẽ rót toàn bộ nước trong bình ra khi máng nghiêng một góc nhỏ.

1 – Máng nước ; 2 – Vòi rót

Máy lạnh phục vụ cho bể muối thường là máy lạnh amoniac một cấp, với thiết bị ngưng tụ là bình ngưng ống chùm, dàn ngưng tụ bay hơi hoặc dàn tưới. Dàn bay hơi có thể là kiểu ống đứng hoặc dàn xương cá, được thiết kế để tạo ra dòng chảy rối, giúp tăng cường hiệu suất trao đổi nhiệt.

Nước muối thường sử dụng là NaCl (muối ăn) hoặc CaCl2 (clorua canxi), đôi khi cũng sử dụng MgCl2 (clorua magiê). Các loại nước muối này đều có tính ăn mòn cao, đặc biệt là NaCl, do đó CaCl2 và MgCl2 thường được ưa chuộng hơn. Độ pH của dung dịch nên duy trì trong khoảng 7 đến 8 để hạn chế tình trạng ăn mòn. Tại Mỹ, người ta thường sử dụng bicromat hòa vào nước muối để chống ăn mòn, nhưng cần thận trọng vì chất này có thể gây ăn mòn da.

Sản xuất nước đá trong suốt

Nước đá trong suốt được sản xuất từ nước sạch các muối. Thường xử lý hóa chất cho nước bằng cách cho Ca(OH)₂ các muối Na₂CO₃ hoặc Al₂(SO₄)₃, các chất vô cơ hoà tan trong nước sẽ biến thành các chất không tan và ngưng đọng lại thành bùn.

Bảng – Các giới hạn cho phép để sản xuất nước đá trong suốt

Ngoài tiêu chuẩn về nước, muốn sản xuất nước đá trong suốt cần phải khuấy để cặn bẩn và bọt khí bám trên bề mặt hình thành đá tách ra.

a) Phương pháp áp thấp ; b) Phương pháp áp cao ; c) Phương pháp khuấy
1 – Khuôn đá ; 2 – Khí thổi vào ; 3 – Vòi phun ; 4 – Bọt khí; 5 – Que lắc

Phương pháp áp thấp

Sử dụng khí nén với áp suất thấp từ 0,2 đến 0,25 bar. Khí nén được thổi vào giữa khuôn đá, và khi đá gần đông đến giữa khuôn, ống phun khí sẽ được rút ra. Nếu đầu ống bị đóng băng, cần sử dụng nước nóng hoặc hơi để làm tan băng và nhổ ống ra. Một ưu điểm của phương pháp này là không cần khử ẩm triệt để cho khí nén.

Phương pháp áp cao

Sử dụng khí nén ở áp suất cao hơn, từ 1,5 đến 2 bar. Phương pháp này khắc phục nhược điểm của phương pháp áp thấp, vì không cần phải rút ống phun ra kịp thời. Tuy nhiên, nhược điểm là mũi phun nằm trong nước muối, rất dễ bị tắc do nước và độ ẩm trong khí nén đóng băng. Do đó, khí nén áp cao cần phải được khử ẩm triệt để.

Phương pháp khuấy

Sử dụng một que gỗ khuấy để khuấy nước đá. Tuy nhiên, cũng cần phải rút que ra kịp thời, nếu không que sẽ bị đóng băng vào khối đá. Hình 4 giới thiệu cơ cấu khuấy kiểu này được Linde (Đức) sử dụng vào năm 1881.

1 – Cơ cấu đẩy linh đá ; 2 – Máy khuấy ; 3 – Nước muối ; 4 – Dàn bay hơi ; 5 – Cơ cấu truyền động của cơ cấu lắc

Hai đầu của que khuấy được lắp vào hai que lắc, truyền động từ một cơ cấu lắc với tốc độ 40 đến 50 lần/phút. Do được cố định một đầu ở thành bể, nên cơ cấu lắc ở mỗi linh có độ dày đóng băng khác nhau, có biên độ khác nhau phù hợp.

Khi đá gần đông vào tâm, cơ cấu lắc cần được lấy ra khỏi khuôn để không bị đóng băng vào khối đá. Khoảng nước đá còn lại ở tâm thường là nước đá đục. Để cải thiện chất lượng nước đá, có thể tháo lượng nước còn lại này ra và thay vào bằng nước sạch mới.

Sản xuất nước đá tấm

Nước đá tấm là loại nước đá khối có kích thước lớn, thường dài từ 3 đến 4m, cao từ 2 đến 2,5m, dày từ 0,25 đến 0,35m, nặng khoảng 3 đến 4 tấn. Ưu điểm của nước đá tấm là khả năng bảo quản lâu và khó tan. Khi sử dụng, cần phải dùng cưa để cắt nhỏ hoặc đập nhỏ.

Nước đá tấm được sản xuất trong khuôn kiểu tấm có kích thước tương tự như tấm đá cần sản xuất. Khuôn được bao quanh bởi áo nước muối bố trí kiểu hai vỏ. Sau khi khuôn được đổ đầy nước và kết đông thành tấm nước đá, nước muối nóng sẽ được cho vào để làm tan giá lớp nước đá dính vào khuôn, từ đó tấm đá sẽ được cẩu ra ngoài bằng các móc thép đã được bố trí.

Nếu chỉ kết đông từ một phía thì thời gian sẽ kéo dài, nhưng điều này có thể giúp tránh tình trạng tạp chất dồn lại ở tâm tấm đá. Để đạt độ trong suốt cao hơn cho tấm đá, có thể sử dụng phương pháp thổi khí vào đáy tấm kết hợp với việc thay nước ở tâm tấm.Thời gian để sản xuất một tấm đá có thể kéo dài từ 6 đến 12 ngày, tùy thuộc vào chiều dày của tấm đá.

Năng suất lạnh yêu cầu và thời gian làm đá

Công suất lạnh yêu cầu là tổng lượng lạnh cần thiết cho:

• Hạ nhiệt độ nước xuống 0°C, hóa đá và làm quá lạnh xuống khoảng -5°C.
• Đương lượng nhiệt của bơm và máy khuấy.
• Nhiệt tổn thất từ môi trường vào bể đá qua vách cách nhiệt.
• Nhiệt làm tan giá vỏ khuôn khi lấy đá ra khỏi khuôn.
• Hạ nhiệt độ khuôn xuống đến nhiệt độ nước muối.

Tùy thuộc vào kích thước bể, công suất lạnh yêu cầu nằm trong khoảng từ 460 đến 670 kJ/kg đá. Các bể đá nhỏ thường có giá trị lớn hơn, trong khi các bể lớn có giá trị nhỏ hơn. Năng lượng tiêu tốn để sản xuất đá khối vào khoảng từ 40 đến 60 kWh/tấn.Thời gian làm đá có thể khác nhau tùy theo các tác giả.

Theo công thức kinh nghiệm của Plank, thời gian làm đá có thể được tính toán như sau:

• T_o – Thời gian làm đá, h ;
• t_m – Nhiệt độ nước muối trung bình trong bể, °C
• b_o – Chiều rộng khuôn (lấy cạnh ngắn của tiết diện lớn nhất của khuôn đá – tiết diện trên), đơn vị là m.
• A, B các hằng số ; giá trị của A và B phụ thuộc vào tỉ số n = a_o/b_o là tỷ số cạnh dài trên cạnh ngắn của tiết diện.
• Nếu khuôn hình vuông n = 1, A = 3120 và B = 0,036.
• Nếu khuôn hình chữ nhật n = 2, A = 4540 và B = 0,026

Hình 5 giới thiệu giá trị thực nghiệm thời gian làm đá phụ thuộc vào nhiệt độ nước muối và loại khuôn.

Nhiệt độ trung bình nước muối là khác nhau đối với từng loại nước đá :

• Nước đá đục: t_m = -10°C
• Nước đá trong suốt: t_tn = -5 đến -7°C
• Nước đá pha lê: t_m = -4 đến -6°C.

Tốc độ làm đá cũng khác nhau. Ban đầu, tốc độ rất nhanh nhưng sau đó chậm dần.

Ví dụ: với khuôn đá 50kg, n = 2, và nhiệt độ nước muối -9,5°C, thời gian làm đá là 20 giờ. Trong 3 giờ đầu, khoảng 50% đá đã kết đông, trong 7 giờ tiếp theo chỉ thêm 33%, và 10 giờ cuối cùng chỉ kết đông được 17% còn lại.

*Nguồn tham khảo: Kỹ thuật lạnh ứng dụng – Nguyễn Đức Lợi