Nguyên lý cấp đông của kho là làm lạnh bằng không khí đối lưu cưỡng bức. Sản phẩm cấp đông dạng block hoặc dạng rời được đặt trong các khay và chất lên các xe cấp đông. Xe cấp đông làm bằng vật liệu inox, có nhiều tầng, khoảng cách giữa các tầng đủ lớn để sau khi xếp các khay sản phẩm vào vẫn còn khoảng hở nhất định để không khí lạnh tuần hoàn đi qua. Không khí lạnh tuần hoàn cưỡng bức trong kho xuyên qua khe hở giữa các khay và trao đổi nhiệt về cả hai phía. Quá trình trao đổi nhiệt ở đây là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, phía trên trao đổi trực tiếp với sản phẩm, phía dưới trao đổi qua khay cấp đông và dẫn nhiệt vào sản phẩm (hình 4-2).

Nhiệt độ không khí trong buồng cấp đông đạt –35oC. Do đó thời gian cấp đông khá nhanh, đối với sản phẩm dạng rời khoảng 3 giờ/mẻ, sản phẩm dạng block khoảng 7đến 9 giờ/mẻ.

Dàn lạnh kho cấp đông có thể treo trên cao hoặc đặt dưới nền. Đối với kho công suất lớn, người ta chọn giải pháp đặt nền, vì khối lượng dàn khá nặng. Khi treo trên cao người ta phải làm các giá treo chắc chắn đặt trên trần panel và treo lên các xà nhà.

Dàn lạnh kho cấp đông thường bám tuyết rất nhiều, do sản phẩm cấp đông còn tươi và để trần, nên phải được xả băng thường xuyên. Tuy nhiên không nên lạm dụng xả băng, vì mỗi lần xả băng bao giờ cũng kèm theo tổn thất nhiệt nhất định, đồng thời ngừng làm lạnh nên thời gian xả băng bị kéo dài. Người ta thường chọn giải pháp xả băng bằng nước cho dàn lạnh kho cấp đông.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống và cấu tạo các thiết bị sử dụng trong các kho cấp đông tương đối đơn giản, dễ chế tạo.

Kho cấp đông có ưu điểm là khối lượng hàng cấp đông mỗi mẻ lớn. Tuy nhiên, do thời gian cấp đông khá lâu nên kho cấp đông ít được sử dụng.

Sơ đồ nguyên lý

Trên hình 4-1 là sơ đồ nguyên lý kho cấp đông sử dụng môi chất R22.

*Sơ đồ hệ thống lạnh kho cấp đông môi chất R* 22

1- Máy nén; 2- Bình chứa; 3- Bình ngưng; 4- Bình tách dầu; 5- Bình tách lỏng HN; 6- Dàn lạnh; 7- Tháp GN; 8- Bơm nước GN; 9- Bình trung gian; 10- Bộ lọc; 11- Bể nước; 12- Bơm xả băng

Hệ thống gồm các thiết bị chính sau đây

- Máy nén: Hệ thống sử dụng máy nén 2 cấp. Các loại máy nén lạnh thường hay được sử dụng là MYCOM, York-Frick, Bitzer, Copeland vv…

- Bình trung gian: Đối với hệ thống lạnh 2 cấp sử dụng frêôn người ta thường sử dụng bình trung gian kiểu nằm ngang. Bình trung gian kiểu này rất gọn, thuận lợi lắp đặt, vận hành và các thiết bị phụ đi kèm ít hơn.

Đối với hệ thống nhỏ có thể sử dụng bình trung gian kiểu tấm bản của Alfalaval chi phí thấp nhưng rất hiệu quả.

Đối với hệ thống NH3, người ta sử dụng bình trung gian kiểu đứng với đầy đủ các thiết bị bảo vệ, an toàn.

- Bình tách lỏng hồi nhiệt: Trong các hệ thống lạnh thường các thiết bị kết hợp một hay nhiều công dụng. Trong hệ thống frêôn người ta sử dụng bình tách lỏng kiêm chức năng hồi nhiệt. Sự kết hợp này thường làm tăng hiệu quả của cả 2 chức năng.

1- Dàn lạnh; 2- Quạt dàn lạnh; 3- Trần giả; 4- Tấm hướng dòng; 5- Xe hàng

- Vỏ kho: Vỏ kho được lắp ghép từ các tấm panel polyurethan, dày 150mm. Riêng nền kho, không sử dụng các tấm panel mà được xây bê tông có khả năng chịu tải trọng lớn. Nền kho được xây và lót cách nhiệt giống như nền kho xây (xem hình 4-3). Để gió tuần hoàn đều trong kho người ta làm trần giả tạo nên kênh tuần hoàn gió (hình 4-2).

- Các thiết bị khác: Ngoài thiết bị đặc biệt đặc trưng cho hệ thống kho cấp đông sử dụng R22, các thiết bị khác như thiết bị ngưng tụ, bình chứa cao áp, tháp giải nhiệt vv.. không có điểm khác đặc biệt nào so với các hệ thống khác.

Kết cấu cách nhiệt và kích thước kho cấp đông

Kích thước kho cấp đông

Kích thước kho cấp đông rất khó xác định theo các tính toán thông thường vì bên trong kho cấp đông có bố trí dàn lạnh có kích thước lớn đặt ngay dưới nền, hệ thống trần giả tạo kênh tuần hoàn gió, khoảng hở cần thiết để sửa chữa dàn lạnh. Phần không gian còn lại để bố trí các xe chất hàng. Vì thế dựa vào năng suất để xác định kích thước kho cấp đông khó chính xác.

Kích thước kho cấp đông có thể tính toán theo các bước tính như kho lạnh (chương 2). Tuy nhiên cần lưu ý là đối với kho cấp đông hệ số chất tải nhỏ hơn kho lạnh nhiều.

Để có số liệu tham khảo và tính toán dưới đây chúng tôi giới thiệu kích thước của các kho cấp đông thường hay được sử dụng ở các xí nghiệp đông lạnh ở nước ta.

Cần lưu ý là khi tính theo hệ số chất tải cho ở bảng 4-4 cần nhân với 2 mới có dung tích thực kho cấo đông vì dung tích chứa hàng chỉ chiếm khoảng 50% dung tích kho, phần còn lại để làm trần giả và lắp đặt dàn lạnh.

Kết cấu cách nhiệt kho cấp đông

Kết cấu cách nhiệt tường, trần

Tường và trần kho cấp đông được lắp ghép từ các tấm panel cách nhiệt polyurethan. Độ dày của tường kho cấp đông là 150mm. Cấu tạo của các tấm panel cũng gồm 3 lớp: Hai bên là lớp tôn mạ màu colorbond dày 0,5đến 0,6mm và ở giữa là polyurethan (bảng 4-5). Các tấm panel cũng được lắp ghép bằng khoá camlock chắc chắn

Các lớp cách nhiệt panel trần, tường kho cấp đông

Kết cấu cách nhiệt nền

Kết cấu cách nhiệt nền xây của kho cấp đông được trình bày trên hình 4-3 và bảng 4-6. Kết cấu cách nhiệt nền có các đặc điểm sau:

Để tránh cơi nền kho do hiện tượng đông đá phía dưới nền, ngay dưới lớp bê tông dưới cùng có bố trí các ống thông gió. Ống thông gió là các ống PVC 100 đặt cách nhau khoảng 1000mm, đi dích dắc, hai đầu ống đưa lên khỏi nền để gió bên ngoài có thể vào ra ống, nhằm thông gió tránh đóng băng.

Để đỡ lớp bê tông, tải trọng dàn lạnh và xe hàng phía trên tránh đè dẹt lớp cách nhiệt, người ta bố trí xen kẻ trong lớp cách nhiệt các gối gỗ. Gối gổ được làm từ loại gổ tốt chống mối mọt và mục do ẩm, thường sử dụng gổ nhóm 2. Khoảng cách hợp lý của các gối gổ là 1000đến 1500mm. Phía trên và dưới lớp cách nhiệt là các lớp giấy dầu chống thấm bố trí 2 lớp, các đầu ghép mí được dán kín tránh ẩm thâm nhập làm mất tính chất cách nhiệt lớp vật liệu. Vật liệu cách nhiệt nền có thể là styrofor hoặc polyurethan dày 200mm. Để tránh nước bên trong và ngoài kho có thể chảy xuống các lớp cách nhiệt nền theo các tấm panel tường, sát chân panel tường, phía trong và phía ngoài người ta xây cao một khoảng 100mm.

Trước khi lót lớp cách nhiệt, trên bề mặt lớp bê tông nền móng người ta quét một lớp hắc ín liên tục để chống thấm nước từ dưới nền móng lên lớp cách nhiệt.

Tính nhiệt kho cấp đông

Tổn thất nhiệt ở kho cấp đông gồm có:

- Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che.

- Tổn thất nhiệt do làm lạnh sản phẩm, khay cấp đông, xe cấp đông và tổn thất nhiệt do châm nước cho sản phẩm (dạng block)

- Tổn thất nhiệt do vận hành

+ Nhiệt do mở cửa

+ Nhiệt do xả băng

+ Nhiệt do đèn chiếu sáng

+ Tổn thất do người vào ra kho.

+ Nhiệt do động cơ quạt thải ra

Tổn thất do truyền nhiệt qua kết cấu bao che

Tổn thất qua kết cấu bao che được tính theo công thức:

Q1 = Q11 + Q12, W (4-10)

Q11 - Tổn thất qua tường, trần, W;

Q12 - Tổn thất qua nền, W.

Tổn thất qua tường, trần

Q11 = k.Ft.delta t, W (4-11)

Ft - Diện tích tường và trần, m2 ;

delta t = tKKN – tKKT ;

tKKN - Nhiệt độ không khí bên ngoài tường, oC

tKKT - Nhiệt độ không khí bên trong kho cấp đông tKKT =-35 oC

k - Hệ số truyền nhiệt của tường, trần, W/m2.K

α1 - Hệ số toả nhiệt bên ngoài tường, có thể lấy α1= 23,3 W/m2.K;

α2 - Hệ số toả nhiệt bên trong, lấy α2 = 10,5 W/m2.K tương ứng với trường hợp không khí đối lưu cưỡng bức mạnh trong kho.

Tổn thất qua nền

Nền kho cấp đông có thông gió nên có thể tính tổn thất nhiệt theo công thức sau đây

Q12 = k.F.(tN - tKKT), W (4-13)

F - Diện tích nền, m2 ;

tN - Nhiệt độ trung bình của nền, oC;

tKKT - Nhiệt độ không khí trong kho cấp đông, tKKT = -35oC;

Hệ số truyền nhiệt k được tính tương tự giống tường.

Nhiệt do làm lạnh sản phẩm

Nhiệt do làm lạnh sản phẩm Q2 gồm:

- Nhiệt do làm lạnh thực phẩm Q21, W;

- Nhiệt do làm lạnh khay cấp đông Q2 , W;

- Nhiệt do làm lạnh xe cấp đông Q23 , W;

- Ngoài ra một số sản phẩm khi cấp đông người ta tiến hành châm thêm nước để mạ 01 lớp băng trên bề mặt làm cho bề mặt phẳng, đẹp, chống ôxi hoá thực phẩm, nên cũng cần tính thêm tổn thất do làm lạnh nước Q24

Nhiệt do làm lạnh sản phẩm Q21

Tổn thất nhiệt do sản phẩm mang vào được tính theo công thức sau:

M – Khối lượng thực phẩm cấp đông cho một mẻ, kg;

i1, i2 - Entanpi của sản phẩm ở nhiệt độ đầu vào và đầu ra, J/kg;

Nhiệt độ sản phẩm đầu vào lấy theo nhiệt độ môi trường. Một số mặt hàng cấp đông trước khi cấp đông đã được làm lạnh ở kho chờ đông, nên có thể lấy nhiệt độ đầu vào t1 = 10đến 12oC.

Nhiệt độ trung bình đầu ra của các sản phẩm cấp đông phải đạt -18oC

t - Thời gian cấp đông của một mẻ. Thời gian cấp đông của các kho cấp đông tuỳ thuộc và dạng sản phẩm: dạng rời là 3 giờ; dạng block là 7đến 9 giờ.

Nhiệt do làm lạnh khay cấp đông Q22

Tổn thất nhiệt do khay cấp đông mang vào được xác định:

Mkh - Tổng khối lượng khay cấp đông, kg;

Cp - Nhiệt dung riêng của vật liệu khay cấp đông, J/kg.K;

+ Vật liệu nhôm: Cp = 921 J/kg.K;

+ Tôn tráng kẽm: Cp = 460 J/kg.K

t1, t2 - Nhiệt độ khay trước và sau cấp đông, oC;

t - Thời gian cấp đông, giây.

Đối với kho cấp đông, thực phẩm thường được đặt trên các khay cấp đông loại 5kg.

Các đặc tính kỹ thuật của khay 5 kg được dẫn ra trên bảng 4-7.

Nhiệt do làm lạnh xe cấp đông Q23

Xe cấp đông được chế tạo từ vật liệu inox dùng đỡ các khay cấp đông. Trên hình 4-4 là xe cấp đông loại chứa 125 kg hàng danh định, gồm có 3 ngăn và 9 giá đỡ. Khối lượng của xe là khoảng 40 kg.

CpX - Nhiệt dung riêng của vật liệu xe cấp đông, J/kg.K. Xe cấp đông làm bằng inox.

Mx - Tổng khối lượng xe chất hàng, kg

Mx = n . mx

n – Số lượng xe sử dụng;

mx – Khối lượng mỗi xe cấp đông, kg;

t1, t2 - Nhiệt độ xe trước lúc vào cấp đông và sau khi cấp đông xong, oC.

Nhiệt do làm lạnh nước châm Q24

Chỉ có sản phẩm dạng block mới cần châm nước. Đối với sản phẩm dạng rời quá trình mạ băng thực hiện sau cấp đông ở bên ngoài, sau đó có thể đưa vào khâu tái đông.

Mn – Tổng khối lượng nước châm, kg;

Khối lượng nước châm chiếm khoảng 5% khối lượng hàng cấp đông, thường người ta châm dày khoảng 0,5đến 1,0mm;

t - Thời gian cấp đông, Giây;

qo - Nhiệt lượng cần làm lạnh 1 kg nước từ nhiệt độ ban đầu đến khi đông đá hoàn toàn, J/kg.

Nhiệt làm lạnh 1 kg nước từ nhiệt độ ban đầu đến khi đông đá hoàn toàn qo được xác định theo công thức:

qo = Cpn.t1 + r + Cpđ.t2, J/kg (4-18)

Cpn - Nhiệt dung riêng của nước : Cpn = 4186 J/kg.K;

r - Nhiệt đông đặc : r = 333600 J/kg;

Cpđ - Nhiệt dung riêng của đá : Cpđ = 2090 J/kg.K;

t1 - Nhiệt độ nước đầu vào, lấy từ nước lạnh chế biến t = 5đến 7oC;

t2 - Nhiệt độ đá sau cấp đông bằng nhiệt độ trung bình của sản phẩm, tạm lấy : t2 = -15đến -18oC.

Thay vào ta có:

qo = 4186.t1 + 333600 + 2090.t2, J/kg (4-19)

Tổn thất nhiệt do vận hành

Tổn thất vận hành bao gồm:

- Tổn thất do mở cửa Q31, W;

- Tổn thất do xả băng Q32, W;

- Tổn thất do đèn chiếu sáng Q33, W;

- Tổn thất do người toả ra Q34, W;

- Tổn thất do động cơ quạt Q35, W.

Q3 = Q31 + Q32 + Q33 + Q34 +Q35, W (4-20)

Nhiệt do mở cửa Q31

Trong quá trình vận hành các kho cấp đông, người vận hành trong nhiều trường hợp cần phải mở cửa vào kiểm tra hàng, các thiết bị và châm nước, nên không khí thâm nhập vào phòng gây ra tổn thất nhiệt. Lượng nhiệt do mở cửa rất khó xác định. Có thể xác định lượng nhiệt mở cửa giống như kho lạnh như sau:

Q31 = B.F, W (4-21)

B - dòng nhiệt riêng khi mở cửa, W/m2;

F - diện tích buồng, m2.

Dòng nhiệt riêng khi mở cửa phụ thuộc vào diện tích buồng của kho cấp đông được đưa ra ở bảng dưới đây:

Tổn thất nhiệt do xả băng

Giống như kho lạnh, ở kho cấp đông nhiệt xả băng đại bộ phận làm tan băng ở dàn lạnh và được xả ra ngoài kho, một phần truyền cho không khí trong phòng, kết quả sau khi xả băng, nhiệt độ trong phòng tăng lên đáng kể . Vì vậy cần tính đến tổn thất do xả băng mang vào.

Tổn thất nhiệt do xả băng mang vào được tính theo biểu thức sau:

Trong đó:

t - Thời gian cấp đông, giây;

Q32 – Tổn thất nhiệt do xả băng mang vào, W;

Q- Tổng nhiệt lượng do xả băng truyền cho không khí có thể tính theo tỷ lệ phần trăm lượng nhiệt xả băng hoặc dựa vào mức độ tăng nhiệt độ trong sau khi xả băng:

Q = pKK.V.CP.delta t, J (4-23)

pKK – Khối lượng riêng của không khí, pKK ≈ 1,2 kg/m3;

V- Dung tích kho cấp đông, m3 ;

Cp – Nhiệt dung riêng của không khí, J/kg.K ;

delta t - Độ tăng nhiệt độ không khí trong kho sau xả băng, oC

Dòng nhiệt do chiếu sáng buồng Q33

Dòng nhiệt do chiếu sáng có thể tính theo công thức sau:

Q33 = N (4-24)

N - Công suất đèn chiếu sáng, W.

Nếu không có số liệu của đèn chiếu sáng kho cấp đông có thể căn cứ vào mật độ chiếu sáng cần thiết cho kho để xác định công suất đèn.

Dòng nhiệt do người toả ra Q34

Đối với kho cấp đông, trong quá trình cấp đông rất ít khi có người vận hành ở bên trong kho, tổn thất này có thể bỏ qua. Khi cấp đông các sản phẩm block, người ta có thể tạm dừng để châm nước cho hàng, quá trình này tạo nên một tổn thất nhiệt nhất định.

Dòng nhiệt do người toả ra được xác định theo biểu thức:

Q34 = 350.n, W (4-25)

n - số người làm việc trong buồng.

350 - nhiệt lượng do một người thải ra khi làm công việc nặng nhọc: q=350 W/người.

Số người làm việc trong kho cấp đông cỡ 1đến 2 người

Dòng nhiệt do các động cơ quạt Q35

Dòng nhiệt do các động cơ quạt dàn lạnh có thể xác định theo biểu thức:

Q35 = 1000.N ; W (4-26)

N - công suất động cơ điện, kW.

Các buồng cấp đông có từ 2-4 quạt, công suất của quạt từ 1đến 2,2 kW

Khi bố trí động cơ ngoài kho cấp đông tính theo biểu thức:

Q35 = 1000.N.n , W (4-27)

n- hiệu suất động cơ

Cấu tạo một số thiết bị chính

Trong hệ thống lạnh kho cấp đông sử dụng môi chất R22 người ta thường sử dụng bình trung gian kiểu nằm ngang và bình hồi nhiệt tách lỏng. Dưới đây chúng tôi xin giới thiệu cấu tạo và đặc điểm của các bình đó.

Bình trung gian kiểu nằm ngang

A- Môi chất ra; B- Dịch lỏng vào; C- Dịch lỏng ra; D- Ống tiết lưu; E- ống môi chất vào

Trên hình 4-5 trình bày cấu tạo bình trung gian kiểu nằm ngang thường sử dụng cho hệ thống R22.

Bình trung gian kiểu nằm ngang có cấu tạo giống bình ngưng nhưng kích thước nhỏ hơn. Trong bình môi chất cuối quá trình nén cấp 1 được đưa vào bên trong ống trao đổi nhiệt, dịch lỏng cao áp đi bên ngoài ống

Các tấm ngăn có tác dụng làm dịch lỏng cao áp đi theo đường dích dắc để quá trình trao đổi nhiệt đều và hiệu quả hơn.

Bình trung gian kiểu nằm ngang có cấu tạo gọn, hiệu quả trao đổi nhiệt cao, giá thành rẻ, các thiết bị phụ đi kèm ít.