Sơ đồ nguyên lý tủ cấp đông cấp dịch từ bình trống tràn

Trên hình 4-8 và 4-9 là sơ đồ nguyên lý tủ cấp đông tiếp xúc sử dụng môi chất NH3 và R22 cấp dịch từ bình trống tràn. Nguyên lý cấp dịch dựa trên cột áp thuỷ tĩnh.

Theo sơ đồ này, môi chất được tiết lưu vào một bình gọi là bình trống tràn. Bình trống tràn thực chất là bình giữ mức – tách lỏng, có 2 nhiệm vụ:

- Chứa dịch ở nhiệt độ thấp để cấp cho các tấm lắc. Bình phải đảm bảo duy trì trong các tấm lắc luôn luôn ngập đầy dịch lỏng, như vậy hiệu qủa trao đổi nhiệt khá cao.

- Tách lỏng môi chất hút về máy nén, tránh không gây ngập lỏng máy nén. Để đảm bảo không hút lỏng về máy nén trên bình trống tràn có trang bị van phao duy trì mức lỏng, khi mức lỏng vượt quá mức cho phép thì van phao tác động ngắt điện van điện từ cấp dịch vào bình trống tràn. Ngoài ra trong bình còn có thể có các tấm chắn đóng vai trò như các nón chắn trong bình tách lỏng để tránh hút ẩm về máy nén.

Van tiết lưu sử dụng cho bình trung gian và bình trống tràn trong hệ thống này là van tiết lưu tay.

Về môi chất lạnh, có thể sử dụng R22 hoặc NH3, ngày nay người ta có thiên hướng sử dụng NH3 vì R22 là hợp chất HCFCs sẽ bị cấm do phá huỷ tầng ôzôn và gây hiệu ứng nhà kính trong tương lai.

Tủ cấp đông tiếp xúc là một trong những thiết bị không thể thiếu được của nhà máy chế biến thuỷ sản và thực phẩm xuất khẩu.

1- Máy nén; 2- Tháp giải nhiệt; 3- Bình chứa cao áp; 4- Bình ngưng; 5-Bình tách dầu; 6- Bình trung gian; 7- Bình tách lỏng; 8- Bình trống tràn; 9- Tủ cấp đông; 10-Bình thu hồi dầu

1- Máy nén; 2- Tháp giải nhiệt; 3- Bình chứa cao áp; 4- Bình ngưng; 5-Bình tách dầu; 6- Bình tách lỏng hồi nhiệt; 7- Bình trung gian; 8- Bình trống tràn; 9- Tủ cấp đông; 10- Bộ lọc ẩm môi chất

Tủ cấp đông hoạt động theo nguyên lý cấp dịch từ bình trống tràn, trước đây sử dụng rất rộng rãi do hệ thống thiết bị đơn giản, dễ vận hành, chi phí đầu tư ít hơn so với cấp dịch bằng bơm nhưng do tốc độ môi chất chuyển động bên trong các tấm lắc chậm nên thời gian cấp đông tương đối dài từ 4đến 6 giờ/mẻ.

Hiện nay, trước yêu cầu về vệ sinh thực phẩm đòi hỏi phải hạn chế thời gian cấp đông nên người ta ít sử dụng sơ đồ kiểu này, mà chuyển sang sử dụng sơ đồ cấp dịch bằng bơm

Sơ đồ nguyên lý tủ cấp đông cấp dịch nhờ bơm

Trên hình 4-10 là sơ đồ nguyên lý hệ thống tủ cấp đông tiếp xúc sử dụng bơm cấp dịch. Theo sơ đồ này, dịch lỏng được bơm bơm thẳng vào các tấm lắc nên tốc độ chuyển động bên trong rất cao, hiệu quả truyền nhiệt tăng lên rỏ rệt, do đó giảm đáng kể thời gian cấp đông. Thời gian cấp đông chỉ còn khoảng 1giờ 30’đến 2 giờ 30’.

Tuy nhiên hệ thống bắt buộc phải trang bị bình chứa hạ áp. Bình chứa hạ áp đóng vai trò rất quan trọng, cụ thể:

- Chứa dịch để cung cấp ổn định cho bơm hoạt động.

- Đảm nhiệm chức năng tách lỏng: Do dịch chuyển động qua các tấm lắc là cưỡng bức nên ở đầu ra các tấm lắc vẫn còn một lượng lớn lỏng chưa bay hơi, nếu đưa trực tiếp về đầu hút máy nén sẽ rất nguy hiểm, đưa vào các bình tách lỏng nhỏ thì không có khả năng tách hết vì lượng lỏng quá lớn. Vì thế chỉ có bình chứa hạ áp mới có khả năng tách hết lượng lỏng này.

Bình chứa hạ áp có dung tích khá lớn, tương đương bình chứa cao áp, được bọc cách nhiệt polyurethan dày khoảng 200mm, bên ngoài bọc inox thẩm mỹ. Bình được bảo vệ bằng: 03 van phao, van an toàn. Nhiệm vụ của các van phao như sau:

- Van phao trên cùng, bảo vệ mức dịch cực đại, ngăn ngừa hút lỏng về máy nén. Khi mức dịch trong bình đạt đến mức cực đại, van phao này tác động đóng van điện từ cấp dịch vào bình trống tràn.

- Van phao giữa, bảo vệ mức dịch trung bình, tác động mở van điện từ cấp dịch cho bình.

- Van phao dưới cùng bảo vệ mức dịch thấp, đây là mức dịch sự cố. Khi dịch lỏng quá thấp, sẽ tác động dừng bơm, tránh bơm làm việc không có dịch.

Bình trung gian kiểu đặt đứng của tủ cấp đông được bảo vệ bằng 02 van phao, 01 van an toàn. Nhiệm vụ của các van phao như sau:

- Van phao trên, bảo vệ mức lỏng cực đại, ngăn ngừa hút ẩm về máy nén cao áp. Khi mức lỏng dâng lên cao, van phao sẽ tác động đống van điện từ cấp dịch vào bình.

- Van phao dưới, bảo vệ mức dịch cực tiểu: Khi mức dịch trong bình quá thấp, không đủ ngập ống xoắn ruột gà, nên hiệu quả làm lạnh ống xoắn kém, trong trường hợp này van phao sẽ tác động mở van điện từ cấp dịch cho bình.

Cấu cách nhiệt vỏ tủ cấp đông

Cấu tạo của vỏ tủ cấp đông gồm các lớp như sau: Lớp cách nhiệt Polyurethan dày 150mm, được chế tạo theo phương pháp rót ngập, có mật độ 40-42 kg/m3, có hệ số dẫn nhiệt λ=0,018 đến 0,020 W/m.K, có độ đồng đều và độ bám cao, hai mặt trong và ngoài của vỏ tủ được bọc bằng inox dày 0,6mm.

Ngoài ra bên trong vỏ tủ là hệ thống khung chịu lực làm bằng thép có mạ kẽm và các thanh gỗ chống tạo cầu nhiệt.

1- Máy nén; 2- Bình chứa cao áp; 3- Dàn ngưng; 4-Bình tách dầu; 5- Bình chứa hạ áp; 6- Bình trung gian;

7- Tủ cấp đông; 8 - Bình thu hồi dầu; 9 -Bơm dịch; 10- Bơm nước giải nhiệt

Xác định kích thước tủ cấp đông

Kích thước của tủ cấp đông được xác định căn cứ vào kích thước và số lượng tấm lắc, các khoảng hở cần thiết ở bên trong về các phía của các tấm lắc.

Kích thước, số lượng khay và các tấm lắc cấp đông

Khi cấp đông các mặt hàng thuỷ sản và thịt, thường được sắp xếp trên các khay cấp đông tiêu chuẩn loại 2 kg.

- Kích thước khay cấp đông tiêu chuẩn đó như sau:

+ Đáy trên : 290 x 210

+ Đáy dưới : 280 x 200

+ Cao : 70mm

- Kích thước tấm lắc cấp đông

+ 2200 x 1250 x 22 mm

- Số khay trên 01 tấm lắc, được bố trí trên hình: 36 Khay (xem hình 4-11)

- Khối lượng hàng trên 01 tấm lắc

36 x 2 kg = 72 kg

- Khối lượng trên 01 tấm lắc kể cả nước châm (khối lượng danh định)

m = 72 / 70% = 103 kg

- Số lượng tấm lắc có chứa hàng

M - Khối lượng hàng nhập cho 01 mẻ (khối lượng danh định), kg

- Số lượng tấm lắc

N = N1 + 1

Bảng dưới đây là số lượng tấm lắc thực tế của các tủ cấp đông loại 2200x1250x22mm.

 

 

Với tủ 2000 kg/mẻ trở lên nếu sử dụng các tấm lắc lớn loại 2400Lx1250Wx22D mm thì kích thước của tủ cũng sẽ khác.

Kích thước tủ cấp đông tiếp xúc

Kích thước tủ cấp đông được xác định dựa vào kích thước và số lượng các tấm lắc

. Xác định chiều dài bên trong tủ

- Chiều dài các tấm lắc: l1 = 2200 mm

- Chiều dài bên trong tủ cấp đông bằng chiều dài của tấm lắc cộng với khoảng hở hai đầu.

Khoảng hở 02 đầu các tấm lắc vừa đủ để lắp đặt các ống góp, không gian lắp đặt và co giãn các ống mềm và lắp các ống dẫn hướng các tấm lắc. Khoảng hở đó là 400mm. Vậy chiều dài trong của tủ là:

L1 = 2200 + 2x400 = 3000mm

Chiều dài phủ bì : L = L 1 + 300 = 3300mm

Xác định chiều rộng bên trong tủ

Chiều rộng bên trong tủ bằng chiều rộng của các tấm lắc cộng thêm khoảng hở 2 bên ro = 125mm

W1 = 1250 + 2x125 = 1500mm

Khi lắp các cánh cửa tủ, một phần 45mm cánh lọt vào bên trong tủ và phần còn lại 80mm nhô ra ngoài, vì vậy, kích thước bề rộng phủ bì là:

W = W1 + 2x80mm = 1660mm

Xác định chiều cao bên trong tủ

Khoảng cách cực đại giữa các tấm lắc hmax = 105mm

Chiều cao bên trong tủ:

H1 = N1 x 105 + h1 + h2

N1 - Số tấm lắc chứa hàng: N1 = N - 1

h1 - Khoảng hở phía dưới cùng các tấm lắc: h1 = 100mm

h2 - Khoảng hở phía trên: h­2 = 400 đến 450mm

Chiều dày cách nhiệt của các tủ cấp đông là 150mm. Vì vậy kích thước bên ngoài và bên trong của tủ cấp đông được xác định theo bảng dưới đây :

 

 

Tổn thất do truyền nhiệt qua kết cấu bao che

Kết cấu bao che của tủ gồm có vách tủ và cửa tủ. Do chiều dày cách nhiệt vách tủ và cửa tủ khác nhau nên cần phải phân biệt tổn thất Q1 ra hai thành phần: Vách tủ và vỏ tủ. Trong trường hợp tổng quát:

Q1 = [ kv.Fv + kc.Fc ].delta t , W (4-28)

Fv, Fc - Diện tích bề mặt vách và cửa, m2;

delta t = tKKN – tKKT ;

tKKN - Nhiệt độ không khí bên ngoài tường, oC;

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

kv, kc - Hệ số truyền nhiệt qua vách và cửa tủ, W/m2.K.

k - Hệ số truyền nhiệt của vách và cửa tủ được xác định theo công thức:

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

α2 - Hệ số toả nhiệt đối lưu tự nhiên bên trong tủ, lấy α2 = 8 W/m2.K .

Tổn thất do sản phẩm mang vào

Tổn thất Q2 gồm:

- Tổn thất do sản phẩm mang vào Q21

- Tổn thất làm lạnh khay cấp đông Q22.

- Tổn thất do châm nước Q23

Tổn thất do làm lạnh sản phẩm

Tổn thất nhiệt do làm lạnh sản phẩm được tính theo công thức sau:

 

 

M – Khối lượng sản phẩm của một mẻ cấp đông, kg;

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

Nhiệt độ sản phẩm đầu vào lấy 10đến 12 oC do sản phẩm đã được làm lạnh ở kho chờ đông.

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

t - Thời gian cấp đông của một mẻ, giây. Thời gian cấp đông của tủ phụ thuộc phương pháp cấp dịch: Cấp dịch từ bình trống tràn t=4đến 5 giờ, cấp dịch bằng bơm t=1,5đến 2,5 giờ

Tổn thất do làm lạnh khay cấp đông

 

 

Mkh - Tổng khối lượng khay cấp đông, kg;

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

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

Khay dùng cho tủ cấp đông là loại khay 2kg.

Tổn thất do châm nước

Tổn thất do châm nước được tính theo công thức sau đây:

 

 

Mn - 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.

qo - Nhiệt lượng cần làm lạnh 1 kg nước từ nhiệt độ ban đầu t = 5đến 7oC đến nhiệt độ sau cùng của sản phẩm t2 = -15đến -18oC , J/kg

Tổn thất do làm lạnh các thiết bị trong tủ

Đặc điểm làm việc của tủ cấp đông đông tiếp xúc là theo từng mẻ, khác với kho lạnh làm việc lâu dài. Vì thế trước mỗi mẻ cấp đông các thiết bị trong tủ có nhiệt độ khác lớn, khi cấp đông, một lượng nhiệt đáng kể tiêu hao để làm lạnh các thiết bị đó. Nhiệt làm lạnh các thiết bị trong tủ rất khó xác định vì các thiết bị trong tủ đa dạng, gồm nhiều vật liệu khác nhau, khối lượng thường khó xác định chính xác.

Ngoài các tấm lắc làm bằng vật liệu nhôm đúc, còn có hệ thống cùm các tấm lắc, các thanh dẫn hướng, các ống góp môi chất bằng thép.

mi – Khối lượng thiết bị thứ i, kg;

Cpi – Nhiệt dung riêng của thiết bị thứ i, J/kg.K;

delta t - Độ chênh nhiệt độ của các thiết bị trong tủ trước và sau cấp đông, oK;

t - Thời gian làm việc của một mẻ cấp đông, giây.