Bài toán tính toán chi phí lạnh cho hệ thống tủ cấp đông

Tính toán tủ cấp đông tiếp xúc

Xác định kích thước của dàn lạnh

– Xác định từ thực tế muốn cấp đông G_Sp = 1000kg/mẻ chứa trong N = 320 khay, mỗi khay chứa 3,125kg.
Kích thước của miếng khay 277 x  217 = d.r

– Xác định được chiều dài và chiều rộng tấm lắc 

• Chiều rộng của tấm lắc: R = (277 + 23) x  n₁ = 300 x 4 = 1200 mm = 1,2 m.
• Chiều dài của tấm lắc: D = (217 + 23) x n₂ = 240 x 8 =1920 mm = 1,96 m.

Chú ý: 

• n₁ = 4 – là số khuôn được xếp trên chiều R.
• n₂ = 8 – là số khuôn được xếp trên chiều D.

Dàn lạnh thường thiết kế theo các ống thép tiêu chuẩn mà nhà máy cơ khí chế tạo sẵn.

• Các ống dẫn môi chất: ø 20 x 3,5 (đường kính trong x bề dày)
• Hai đầu ống hàn vào ống góp: ø 40,5 x 2,25
• Ống góp có kích cỡ: ø 82,5 x 3,5
• Ống hút về: ø 100 x 4
• Khoảng cách giữa hai ống dẫn môi chất s = 48 mm.

–  Từ chiều rộng R = 1,2 m và s = 0,048 m sẽ tính được số ông phía dưới tấm lắc:

n₃ = (R + 2e)/s = (1,2 + 2  0,024)70,048 = 26 ống.

Trong đó: e = 0,024m – phần thừa ra của ống đổ cho tấm lắc nằm gọn ở giữa.

–  Số tấm lắc được lắp đặt trong tủ đông là: n₄ = N/ (n₁ x n₂) + 1 = 320/(4 x8) + 1 = 11 tấm lắc.

–  Xác định chiều dài của ống trao đổi nhiệt (ống dẫn môi chất): L = (D + 2e₁) = (1,92 + 2 x 0,04) = 2 m.

Trong đó: e₁ = 0,04m – phần thừa của ống trao đổi nhiệt để cho tấm lắc nằm gọn ở giữa.

– Xác định chiều dài ống góp: D₁ = (n₃ – 1 ).S + 2.m₁

Với m₁ = 0,035m – khoảng cách từ đầu ồng đến ống trao đổi nhiệt.

D₁ = (26 – 1).0,048 +2.0,035 = 1,27 m

– Xác định diện tích trao đổi nhiệt của dàn bay hơi:

F = D₄. (£: diện tích số ống nằm dưới tấm lắc).

Hay: F = n₄.π.d_ng.L.n₃ = 11.3,14.0,027.2.26 = 48,5m2

Trong đó: d_ng= (d_tr + 2.σ) = (0.02 + 0,0035.2) = 0,027

Xác định kích thước tủ cấp đông

Kích thước tủ dựa trên kích thước dàn lạnh.

Xác định chiều cao của tủ

Với: Số tấm lắc đã được xác định n₄ = 11; h₁ = 0,123m – chiều cao của khuôn + độ dày tấm lắc + khoảng cách di chuyển được; d_ng= 0,027m – đường kính ngoài của ống trao đổi nhiệt.

Khoảng cách giữa mỗi tấm lắc là: K= (h₁ + d_ng) = (0,123 + 0,027) = 0,15

Chiều cao lòng tủ:

h = (n₄– 1).K + K + 0,05
Hay: h = (11 – 1).0,15 + 0,15 + 0,05 = l,7m

Chiều dày của đáy tủ và nóc tủ: σ1 = 0,15m

Chiều cao của tủ: H = h + 2σ1 = 1,7+2.0,15 =2m

Xác định chiều dài của tủ

L₁ = L + 2.d_{ng(ống góp)} +2.σ3 = 2 + 2.(0,0825 + 0,007) + 2.0,543 = 3,4m

Với:   

• • σ3 = σ1 + σ4 = 0,15 + 0,393 = 0,543
  • σ1 = 0,15m – bề dày vách tủ.
  • σ4 = O,393m – khoảng cách giữa tấm lắc đến vách tủ.

Xác định chiều rộng của tủ

L₂ = D1 + 2.σ1 + 2.σ5 = 1,27 + 2.0,15 + 2.0,0015 = 1,6 m

Với:    σ5 = 0,0015m – khoảng cách từ ống góp đến cửa tủ.

Tóm lại: Tủ cấp đông có năng suất 1000kg sản phẩm/mẻ được thiết kế với các thông số kỹ thuật như sau:

Thông số kỹ thuật của dàn lạnh:

• Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = 48,5m2
• Số tấm lắc 11 tấm lắc.
• Mỗi tấm lắc chứa 26 ống dẫn hơi môi chất.
• Kích thước của tấm lắc (1,2 x 1,92) = (R x D)
• Ống dẫn môi chất: ø 20 x 3,5
• Hai đầu hàn vào ống góp: ø 40,5 x 2,25
• Ống góp lỏng: ø 82,5 x 3,5
• Ống hơi hút về: ø 100 x 4
• Chiều dài ống dẫn môi chất (ống trao đổi nhiệt) L = 2 m.
• Chiều dài ống góp: D = 1,27 m.

Tủ có kích thước như sau:

• H = 2,0 m: Chiều cao.
• L1 = 3,4 m: Chiều dài.
• L2 = 1,6m: Chiều rộng.

Tính toán kích thước của tủ cấp đông

Thể tích chứa sản phẩm

Thể tích chứa sản phẩm được tính toán theo công thức sau: V_sp = G_sp / ρ

Trong đó: 

• G_sp = 10kg sản phẩm chứa trong tủ cấp đông.
• V_sp (m³) – thể tích chứa sản phẩm.
• ρ (kg/m³) – khối lượng riêng trung bình sản phẩm chứa trong tủ cấp đông.

V_sp = G_sp / ρ = 10/50= 0,2 (m³)

Thể tích của buồng lạnh của tủ cấp đông

Thể tích buồng lạnh của tủ cấp đông được xác định như sau: V_bl = V_sp / β, (m³)

Trong đó: 

• V_bl(m3) – thể tích của buồng lạnh; 
• V_sp (m3) – thể tích chứa sản phẩm cấp đông; 
• β – hệ số chứa (hay hệ số lấp đầy) của sản phẩm, β = (0,65 = 0,95) = 0,75.

V_bl= V_sp / β = 0,2 / 0,75 = 0,28 m³

Tính toán nhiệt tải của tủ cấp đông

Khi lắp đặt hệ thống máy lạnh phải đảm bảo công suất để tải hết một lượng nhiệt Q thải ra ngoài môi trường trong quá trình cấp đông.

Trong đó: 

• Q_sp (kJ) – Chi phí lạnh của quá trình cấp đông.
• Q_k (kJ) – Nhiệt lượng lây ra từ khuôn, khay.
• Q_kk (kJ) – Nhiệt lượng lây ra làm lạnh không khí.
• Q_mt (kW) – Nhiệt lượng từ môi trường xâm nhập qua vách và cửa tủ.
• Q_qn (kW) – Nhiệt lượng môi trường xâm nhập đường ống làm quá nhiệt hơi về máy nén.
• τ (s) – Thời gian một mẻ làm đông.
• ρ – Hệ số kể đến tăng nhiệt độ ban đầu của sản phẩm, của môi trường.

Lượng nhiệt cần tải đi trong suốt quá trình cấp đông được xác định như sau: 

Q_sp = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ (kJ)

Trong đó: 

• Q₁ (kJ) – lượng nhiệt lây ra để làm giảm nhiệt độ sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ đóng băng của nước ồ bên trong sản phàm.
• Q₂ (kJ) – nhiệt lượng lấy ra để làm toàn bộ nước trong sản phẩm đóng băng.
• Q₃ (kJ) – lượng nhiệt lây ra để làm giảm nhiệt độ của băng trong sản phẩm đến nhiệt độ cuối cùng của quá trình làm đông.
• Q₄ (kJ) – lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của thành nước không đóng băng trong sản phẩm.
• Q₅ (kJ) -lượng nhiệt lây ra để làm giảm nhiệt độ của thành phần chất khô.
• Q₆ (kJ) – lượng nhiệt để lấy ra để đóng băng và giảm nhiệt độ của nước châm khuôn.

Tính Q₁

Lượng nhiệt Q₁ (kJ) được tính như sau: Q₁ = c.G.(t₁ – t_kt), kJ

Trong đó: 

• c = c_n.w_a + C_ck.(1 – w_a) = 4,186.0,8 + 1,3.(1 – 0,8) = 3,61 kJ/(kg.K) – nhiệt dung của sản phẩm trước khi nước đóng băng; 
• G = 10 kg – khối lượng của sản phẩm; t1 = 20°C – nhiệt độ ban đầu của sản phẩm; 
• t_kt = – 1°C: nhiệt độ trung bình của nước trong thực phẩm đóng băng. 

Như vậy: Q₁ = 3,61.10.(20 – (-1)) = 758,52 kJ

Tính Q₂

Lượng nhiệt Q₂ được tính theo công thức sau: 

Q₂ = L.G.ω.W_a, kJ
Hay: Q₂ = 335.10.0,8.0,9 = 2412 kJ

Tính Q₃

Lượng nhiệt Q₃ được tính theo công thức sau:

Q₃ = c_nd.G.ω.W_a.(t_kt – t₂), kJ
Hay Q₃ = 2,1.10.0,8.0,9.((-l) – (-16)) = 226,8 kJ

Tính Q₄

Lượng nhiệt Q₄ được tính theo công thức sau: 

Q₄ = cn.G.ω.( 1 – W_a).(t_kt – t₂), kJ
Hay Q₄ = 4,186.10.0,9.(1 – 0,8).((-l) – (-16))= 113 kJ

Tính Q5

Lượng nhiệt Q₅ được tính theo công thức sau:

Q₅ = c_ck.G.(1 – W_a).(t_kt – t₂), kJ
Hay Q₅ = 1,3.10.(1 – 0,8).((-1) – (-16)) = 39 kJ

Tính Q₆

Thường thì lượng nước châm khuôn lớn nhất là 20% sản phẩm đem làm khuôn. Tức là: G_n = 10.20% = 2 kg.

Nhiệt lượng lấy ra khi nước châm khuôn được tính: Q₆ = Q₁ + Q_đ + Q_đ’

Trong đó: 

• Q₁(kJ) – nhiệt lượng lấy ra để làm lạnh nước từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ đóng băng; 
• Q_đ (kJ) – nhiệt lượng lấy ra để đóng băng nước; 
• Q_đ’ (kJ) – nhiệt lượng lấy ra để hạ thấp nhiệt độ đóng băng.

Với:   

• Nhiệt độ nước lúc châm khuôn là t¹_n = 5°c.
• Nhiệt độ đóng băng của nước là t²_n = 0°c.
• Nhiệt độ băng cuối cùng quá trình làm đông t₃ = -16°c.

Như vậy:

• Q₁ = C_n.G_n(t¹_n – t²_n) = 4,186.2.(5 -0) = 41,9 kJ.
• Q_đ = L.G_n = 335.2 = 670 kJ
• Q_đ’ = c_nd.G.(t²_n – t³_n) = 2,1.2.(0 – (-16)) = 67,2 kJ

Do đó: Q₆ = 41,9+ 670+ 67,2 = 779,1 kJ

Như vậy chi phí lạnh của quá trình cấp đông sản phẩm là:

Q_sp = 758,52 + 2412 + 226,8+ 113 + 39 +779,1 = 4328,42 kJ