Thiết kế kho lạnh thực phẩm: Tính cân bằng nhiệt kho lạnh

Tính nhiệt kho lạnh là tính toán các dòng nhiệt từ môi trường bên ngoài đi vào kho lạnh. Đây chính là dòng nhiệt tổn thất máy lạnh phải có đủ công suất để thải nó trở lại môi trường nóng, đảm bảo sự chênh lệch nhiệt độ ổn định giữa buồng lạnh và không khí bên ngoài.

Năng suất của hệ thống lạnh

Nếu kho lạnh dùng máy lạnh cục bộ (mỗi buồng lạnh hoặc một cụm buồng lạnh có cùng nhiệt độ được bố trí một máy lạnh riêng) thì tính toán từng buồng lạnh để chọn máy và thiết bị phù hợp.

Trong trường hợp kho lạnh có chung một hệ thống lạnh trung tâm thì phải tính toán tốn thất nhiệt cho toàn bộ kho lạnh để thiết kế hệ thống lạnh phù hợp. Khối lượng tính toán ở đây khá lớn và người ta thường sử dụng các bảng biểu tổng kết giá trị tính toán được để dễ bao quát và tránh nhầm lẫn.

Dòng nhiệt tổn thất vào kho lạnh Q bao gồm các thành phần sau:

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

• Q₁ – Dòng nhiệt đi qua kết cấu bao che của buồng lạnh.
• Q₂ – Dòng nhiệt do sản phẩm toả ra trong quá trình xử lý lạnh.
• Q₃ – Dòng nhiệt từ không khí bên ngoài do thông gió buồng lạnh.
• Q₄ – Dòng nhiệt từ các nguồn khác nhau khi vận hành kho lạnh.
• Q₅ – Dòng nhiệt từ sản phẩm toả ra khi sản phẩm hô hấp, chỉ có ở các kho lạnh bảo quản rau quả đặc biệt hoặc trong các buồng lạnh bảo quản hoa quá trong các kho lạnh phân phối.

Dòng nhiệt Q tại một thời điểm nhất định được gọi là phụ tải nhiệt của thiết bị lạnh.

Đặc điểm của phụ tải nhiệt là chúng thay đổi liên tục theo thời gian. 

• Q₁ phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài, theo giờ trong ngày và mùa trong năm. 
• Q₂ phụ thuộc vào thời vụ.
• Q₃ phụ thuộc loại hàng hoá bảo quán có cần thông gió hay không. 
• Q₄ phụ thuộc vào quy trình công nghệ chế biến, bảo quản. 
• Q₅ phụ thuộc biến đổi sinh hoá của sản phẩm.

Năng suất lạnh sẽ được thiết kế theo phụ tải nhiệt lớn nhất Q_max mà ta ghi nhận được ở một thời điểm nào đó trong năm.

Khi thiết kế tính toán cần lưu ý giá trị Q_max không phải bằng tổng của các phụ tải thành phần do các phụ tải thành phần không cùng đạt giá trị lớn nhất tại một thời điểm.

Năng suất lạnh của máy nén được chọn bằng phụ tải nhiệt lớn nhất:

Q_mn = (Q_a + Q_b)_max

Không nên chọn năng suất lạnh của máy nén bằng tổng của các nhiệt tải thành phần lớn nhất QAmax + QBmax vì như vậy sẽ quá dư thừa.

Trường hợp một máy lạnh phục vụ cho nhiều buồng lạnh thì có sự khác nhau giữa phụ tải của máy nén và phụ tải của thiết bị. Phụ tải của máy nén cho hai buồng A và B là Q_mn = (Q_a + Q_b)_max nhưng phụ tải của thiết bị (dàn bay hơi) là Q_tb = Q_Amax + Q_Bmax thường lớn hơn phụ tải của máy nén.

Các dòng nhiệt tổn thất vào kho lạnh

Dòng nhiệt qua kết cấu bao che Q₁

Dòng nhiệt qua kết cấu bao che được định nghĩa là tổng các dòng nhiệt tổn thất qua tường bao, trần và nền kho lạnh, do sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên ngoài và bên trong kho lạnh cộng với các dòng nhiệt do bức xạ mặt trời qua tường bao và trần.

Q₁=Q_t1+Q_t2                                 

• Q_t1 – Dòng nhiệt qua tường bao, trần và nền do chênh lệch nhiệt độ.
• Q_t2 – Dòng nhiệt qua tường bao, trần và nền do bức xạ mặt trời.

Q_t1 được xác định qua biểu thức:

Q_t1 =kF(t₁ -t₂)                              

• K – Hệ số truyền nhiệt thực của kết cấu bao che xác định theo chiều dày cách nhiệt thực.
• F – Diện tích bề mặt kết cấu bao che.
• t₁ – Nhiệt độ môi trường bên ngoài.
• t₂ – Nhiệt độ trong buồng lạnh.

Diện tích truyền nhiệt của kết cấu bao che được xác định theo nguyên tắc sau:

• Tường ngoài của phòng góc tính từ mặt ngoài của tường phòng góc đến trục tường của phòng giữa.
• Tường trong (tường ngăn) tính từ mặt trong của tường ngoài đèn trục trực giao của tường trong, hay là giữa các trục của tường trong.
• Chiều dài, chiều rộng của nền và trần xác định như chiều dài của tường trong.
• Chiều cao của tầng 1 (trệt) có nền đặt trực tiếp trên đất tính từ mặt trên của nền đến mặt trên của sàn tầng 2. 
• Chiều cao của tầng 1 có nền đặt trên tầng hầm không được làm lạnh, hoặc đạt trên sàn thông gió kiểu trụ chồng thì tính từ mặt dưới trần của tầng hầm hoặc mặt dưới sàn thông gió đến mặt trên nền của tầng trên. 
• Chiều cao của các tầng giữa (kho lạnh nhiều tầng) tính từ mặt trên của nền tầng đến mặt trên của nền của tầng trên. 
• Đối với tầng trên cùng và kho lạnh trệt thì chiều cao tính từ mặt nền đến mặt trên của lớp cách nhiệt

Hiệu số nhiệt độ tính toán từ phòng thường có lối ra ngoài trực tiếp tính bằng 70% so với nhiệt độ tính toán; nếu từ phòng thường không có lối ra ngoài trực tiếp tính bằng 60%.

Trong xác định lượng nhiệt truyền vào phòng lạnh qua nền từ tầng hầm không được làm lạnh thì hiệu số nhiệt độ tính toán được giảm 50%.

Lượng nhiệt truyền vào phòng lạnh qua nền nằm trực tiếp trên đất được tính theo quan điểm các lượng nhiệt truyền vào qua nền không giống nhau: những vùng càng gần trung tâm phòng có lượng nhiệt truyền vào càng ít hơn.

Bởi vậy cho nên người ta chia nền phòng lạnh ra 3 vùng với bề rộng 2m. Vòng đầu tiên kể từ ngoài vào với chiều rộng 2m của phòng lạnh tính với hệ số truyền nhiệt K = 0,4; Vùng thứ 2 tiếp theo tinh với K = 0,2; Vùng thứ 2 ở cách mặt ngoài từ 4-6 m tính với hệ số K = 0,1 và phần diện tích nền còn lại, tức từ 6m vào trong được tính với hệ số K = 0,06. Như vậy tống lượng nhiệt truyền vào qua nền tính theo:

Q₁ = Σ_Kq.F.(t_ng – t_ph)

Trong đó

• K_q – hệ số truyền nhiệt quy dinh cho từng vùng tương ứng của nền (K = 0,4; 0,3; 0,2; 0,1 và 0,06). Diện tích của vùng nền đầu tiên với chiều rộng 2 m ở phía góc tường ngoài được tính gấp đôi vì được tính theo với tường chiều ngang và cà theo với tường chiều dài.
• t_ng – nhiệt độ tính toán của môi trường bên ngoài, °C;
• t_ph – nhiệt độ không khí trong phòng lạnh, °C.

Nhiệt truyền vào phòng lạnh qua nền cách nhiệt tính theo: với m – hệ số đặc trưng cho lớp vật liệu cách nhiệt.

Đối với nền phòng lạnh có sưởi ấm dưới nền thì Q₁ = K.F.(t_ng – t_ph) với nhiệt độ sưởi ấm trung bình t_TB = 1°c.

Đối với kho lạnh ngầm, phần tường ngầm không cách nhiệt được tính như nền năm trực tiếp trên đất và chia các vùng nền bắt đầu từ phần tường ngầm còn nền kho lạnh ngầm thì tính như tiếp tục của phần tường ngầm.

Q₁ = Σ_Kq.F/t_ng – t_ph)

Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra Q₂

Chi phí lạnh cho chế biến sản phẩm có thể’ tính theo hiệu số enthalpy của sản phẩm trước và sau quá trình chế biến lạnh.

q = i₁ – i₂ = Δi.KJ/kg

Trường hợp làm lạnh hoặc làm lạnh đóng bổ sung thì Q2 tính theo công thức:

Q₂ = G.1000.Δi/3600.24, w

với G – tấn sản phẩm nhập vào trong ngày.

Đối với phòng lạnh nhỏ hơn 200 T thì G không quá 6%; đối với các kho lạnh lớn hơn thì G cho phép tới 8%.

Đối với các kho lạnh rau quả G từ 7 đến 10%. Rau quá nhập vào với nhiệt độ trung bình của tháng thu hoạch. Rau quả xếp vào xe lạnh, tàu lạnh để vận chuyển xa, tốt nhất là với nhiệt độ khoảng 10°C. Như vậy là rau quả sau khi thu hoạch phải được làm lạnh ngay ở kho lạnh để khi xuất vận chuyển đi xa, có được nhiệt độ +10°C này. Bao bì cho rau quả chiếm khoảng 20% khối lượng rau quả. 

Trường hợp làm lạnh hay làm lạnh đông ngay trong phòng lạnh hay phòng lạnh đông thì Q₂ tính theo:

Q₂ = G.1000.Δi/3600.T

với 

• G – khối lượng rau quả chế biến lạnh, T;
• T – thời gian làm lạnh hay lạnh đông, T;
• Δi – hiệu số enthalpy (KJ/kg) của sản phẩm lúc đưa vào và lúc cuối. Tốt nhất là nhiệt độ lúc cuối bằng nhiệt độ cần bảo quản tiếp theo.

Đối với các kho lạnh bảo quản những sản phẩm sống, có hô hấp như rau, quả, hạt… cần tính chi phí lạnh cho quá trình hô hấp của sản phẩm.

Q’₂ = q’₁.G + q”₂ (G_tl – G)

với

• q’₁, q”₂ lượng nhiệt thải ra của rau quả do hô hấp trong thời gian làm lạnh, W/T và trong thời gian bảo quản lạnh, W/T; 
• G_tl – lượng rau quả đang bảo quản trong kho, T;
• G – lượng rau quả đưa vào trong ngày, T.
  

Dòng nhiệt do thông gió buồng lạnh Q₃

Cần thông gió trong kho lạnh để đảm bảo yêu cầu công nghệ chế biến bảo quản lạnh các sản phẩm hô hấp (rau quả, hạt…), và đảm bảo vệ sinh môi trường cho công nhân làm việc ở kho lạnh. Theo tiêu chuẩn vệ sinh lao động thì phải cung cấp không khí bằng thông gió cho mỗi người là 20 m3/h. Vậy chi phí lạnh cho thông gió là:

Q₃ = 20.n.p(i_ng – i_tr).103/3600

với: 

• n – số người làm việc trong kho lạnh;
• p – khối lượng riêng của không khí, kg/m3;
• i_ng — enthalpy của không khí bên ngoài, KJ/kg.
• i_tr – enthalpy của không khí trong kho lạnh, KJ/kg.

Lượng không khí cần thông gió cho sản phẩm hô hấp trong kho lạnh là 3-4 thể tích/ngày đêm.

Chi phí lạnh cho thay đổi không khí mới này tính theo:

Q₃ = V_kl.a.p(i_ng – i_tr)103/24.3600

với: 

• V_kl – thể tích xây dựng kho lạnh cần thông gió, m³;
• a – bội số thông gió

Dòng nhiệt do vận hành Q₄

Dòng nhiệt tổn thất do vận hành gồm các dòng nhiệt do đèn chiếu sáng, do người làm việc, do động cơ điện và do mờ cửa. Các dòng nhiệt do vận hành được tính riêng. Tổng của chúng sẽ được tính vào phụ tải nhiệt của máy nến và thiết bị.

Dòng nhiệt do chiếu sáng buồng Q₄₁

Q₄₁= A.F (W)

• F – Diện tích của buồng; m2
• A – Nhiệt lượng toả ra khi chiếu sáng 1m2 diện tích buồng hay nền, đối với buồng bảo quản A = 1,2 w/m2, với buồng chế biến A = 4,5 w/m2.

Dòng nhiệt do người tỏa ra Q₄₂

Q₄₂ = 350.n(W)              

• n – Số người làm việc trong buồng
• 350 – Nhiệt lượng do một người tỏa ra khi làm công việc nặng; w

Số người làm việc trong buồng phụ thuộc vào công nghệ gia công, chế biến, vận chuyển, bốc xếp. Nếu không có số’ liệu cụ thể có thể lấy các số liệu định hướng sau (theo diện tích buồng). Nếu buồng nhỏ hơn 200 m², n = 2 – 3 người, nếu buồng lớn hơn 200m², n = 3 – 4 người.

Dòng nhiệt do các động cơ điện Q43

Q43 = 1000.N (W)  

• N – Công suất của động cơ điện; kW
• 1000 – Hệ số chuyển đổi từ kW ra w

Tổng công suất của động cơ điện lắp trong buồng lạnh lấy theo thực tế thiết kế. Nếu không có số liệu cụ thể có thể lấy theo các giá trị định hướng sau:

• Buồng bảo quản lạnh N = 1 – 4 kW
• Buồng gia lạnh N = 3 – 8 kW
• Buồng kết đông N = 8 – 16 kW

Buồng có diện tích nhỏ lấy giá trị nhỏ và buồng lớn lấy giá trị lần.

Khi bố trí động cơ ngoài buồng lạnh (quạt dàn lạnh đặt ngoài có ống gió, quạt thông gió…) tính theo biểu thức:

Q₄₃ = 1000.N. η(W)

η – Hiệu suất của động cơ điện

Dòng nhiệt do mở cửa Q₄₄

Q₄₄ = B.F (W)

• B – Dòng nhiệt riêng khi mở cửa; w/m2
• F – Diện tích buồng; m2

Dòng nhiệt riêng khi mở cửa lấy theo bảng dưới đây

Bảng – Dòng nhiệt riêng khi mở cửa theo chiều cao cửa buồng là 6m và diện tích buồng

Dòng nhiệt riêng B ở bảng cho buồng có chiều cao 6m. Nếu chiều cao buồng khác đi, B cũng phải lấy khác đi cho phù hợp.

Dòng nhiệt do mở cửa buồng không chỉ phụ thuộc vào diện tích và chiều cao buồng mà còn phụ thuộc vào sự vận hành của các cửa. Thợ chuyên môn bậc cao vận hành tốt hơn có thổ giảm đáng kể dòng nhiệt do mở cửa, ngay cả việc bố trí ra vào hợp lý cũng làm cho số lần đóng mở giảm và qua đó giảm dòng nhiệt tổn thất.

Dòng nhiệt vận hành Q4 sẽ là tổng hợp các dòng nhiệt thành phần:

Q₄ = Q₄₁ + Q₄₂ + Q₄₃ + Q₄₄                        

Đối với các kho lạnh thương nghiệp và đời sống, dòng nhiệt vận hành Q₄ có thể lấy như sau:

• Các buồng bảo quản thịt, gia cầm, đồ ăn chín, mỡ, sữa, rau quả, cá, đồ uống, phế phẩm thực phẩm bằng 11,6 w/m².
• Các buồng bảo quản thức ăn chế biến sẵn, đồ ăn, bánh kẹo: 29 w/m².

Trong một số các trường hợp, đối với kho lạnh thương nghiệp và đời sống người ta tính gần đúng dòng nhiệt vận hành bằng 10 đến 40% dòng nhiệt qua kết cấu bao che và dòng nhiệt do thông gió.

Q₄= (0,1 – 0,4)(Q₁ + Q₃)

Dòng nhiệt do hoa quả hô hấp Q₅

Dòng nhiệt do hoa quả hô hấp chỉ xuất hiện ở các kho lạnh bảo quản rau quả, hoa đang trong quá trình sống được xác định theo biểu thức:

Q₅=E(0,1q_n + 0,9q_bq);W

• E – Dung tích kho lạnh
• q_n và q_bq nhiệt toả ra khi sản phẩm có nhiệt độ nhập vào kho lạnh và sau đó là có nhiệt độ bảo quản trong kho lạnh, tra theo bảng dưới đây.

Dòng nhiệt này được tính theo dung tích toàn bộ của buồng.

Bảng – Dòng nhiệt toả ra khi sản phẩm hô hấp w/kg