Tài liệu Trần thị bích thùy tđtx hc

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ TỦ ĐÔNG TIẾP XÚC NĂNG SUẤT 850KG/MẺ Giáo viên hướng dẫn: Th.S Lê Thanh Long Sinh viên thực hiện: Trần Thị Bích Thùy Lớp: Công nghệ thực phẩm 46B Huế, tháng 5/2015 1 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ - CÔNG NGHỆ ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ Họ và tên sinh viên : TRẦN THỊ BÍCH THÙY Lớp : CNTP 46B Ngành học : Công nghệ thực phẩm 1. Tên đề tài: Thiết kế tủ cấp đông tiếp xúc bảo quản thủy sản lạnh đông công suất 850kg/mẻ Số liệu ban đầu: - Năng suất: 850kg/mẻ - Thành phần nguyên liệu: Thủy sản đông lạnh xuất khẩu - Các thông số khác: Tự chọn 2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán - Mở đầu - Tổng quan - Tính toán cho tủ đông tiếp xúc - Kết luận - Tài liệu tham khảo 3. Các bản vẽ - Bản vẽ chi tiết thiết bị (hay cụm thiết bị và mặt cắt): A1,A3 - Bản vẽ sơ đồ nguyên lí hệ thống lạnh: A1,A3 4. Ngày giao nhiệm vụ 5. Ngày hoàn thành Huế, ngày…tháng…năm 2015 Trưởng bộ môn CSCN: Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thanh Long 3 LỜI MỞ ĐẦU Con người đã biết làm lạnh và sử dụng lạnh cách đây từ rất lâu. Những nhà khảo cổ học đã phát hiện những mạch nước ngầm có nhiệt độ rất thấp dùng để chứa đựng thực phẩm và lương thực từ hàng ngàn năm trước. Ngày nay, kĩ thuật lạnh hiện đại đã tiến những bước rất xa, và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực như: công nghệ thực phẩm, công nghệ kĩ thuật cơ khí, công nghệ hóa chất, y học,… Ở Việt Nam, mặc dù đã trải qua nhiều năm chiến tranh, nhưng nhà nước đã có những chú ý đúng mức về việc phát triển kĩ thuật lạnh, lạnh đông. Từ chỗ chỉ có vài trạm nhỏ, nay đã có hàng trăm cơ sở. Tổng cộng tất cả các trạm lạnh ở nước ta thì công suất đạt được tới 400 triệu Kcal/h. Điều này cho thấy kĩ thuật lạnh và lạnh đông đóng vai trò cực kì quan trọng và không thể thiếu được. Nước ta có bờ biển trải dài 3000 cây số, rất thuận lợi cho việc phát triển ngành lạnh đi đôi với đánh bắt, nuôi trồng thủy hải sản. Những năm gần đây, ở nước ta nhu cầu làm lạnh ngày càng tăng nhanh. Đã có hàng triệu phân xưởng đông lạnh, cấp đông cho thực phẩm thủy sản xuất khẩu như tôm, cá… được xây dựng trên khắp cả nước. Hơn nữa với sự mở cửa liên doanh nước ngoài càng đòi hỏi các nhà máy xí nghiệp phải nâng cao và thay đổi công nghệ để đáp ứng nhu cầu chế biến và bảo quản thực phẩm đông lạnh ngày một cao hơn. Như vậy, cấp đông là một trong những khâu quan trọng, là một phương pháp hiện đại trong việc kéo dài thời gian bảo quản cho sản phẩm mà vẫn đảm bảo nguyên vẹn phẩm chất tươi sống (dinh dưỡng) của nguyên liệu ban đầu. Với những ưu điểm đó, được sự phân công của khoa Cơ Khí Công Nghệ và bộ môn Cơ Sở Công Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm Huế cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo Lê Thanh Long, em được giao đề tài: “ Thiết kế tủ cấp đông tiếp xúc 850kg/mẻ đặt tại thành phố Huế ” 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LẠNH ĐÔNG TIẾP XÚC 1.1. Tổng quan về công nghệ lạnh đông thực phẩm [ ] 1.1.1. Khái quát về công nghệ lạnh đông thực phẩm Công nghệ lạnh đông thực phẩm thực chất là quá trình hạ thấp nhiệt độ của thực phẩm, nhằm biến nước trong thực phẩm thành đá do đó làm ngăn cản sự phát triển của vi sinh vật dẫn đến sự phân hủy của thực phẩm diễn ra chậm hơn. Phương pháp lạnh đông thực phẩm đã được các chủ nông trại và ngư dân áp dụng từ sớm bằng cách trữ thực phẩm trong các nhà chứa cách ly với nguồn nhiệt xuyên suốt mùa đông. Ngày nay với công nghệ hiện đại, tình trạng giữ lạnh thực phẩm có thể tiến hành ở nhiệt độ rất thấp và hầu như quanh năm. Quá trình lạnh đông chủ yếu ứng dụng trong các mặt hàng thủy sản xuất khẩu, sản phẩm này đóng vai trò quan trọng đối với nền kinh tế nước ta nói riêng và các thị trường quốc tế nói chung. Để thực hiện, sản phẩm phải chịu một quá trình lạnh đông đặc biệt nhằm bảo toàn chất lượng và giảm nhiều chất có thể gây hư hỏng vật lý, sinh hóa và vi sinh trong thời gian lạnh đông và trong bảo quản về sau. Tiến trình lạnh đông làm sản phẩm thực vật bị chết, do nước hóa đá. Lạnh đông là phương pháp đảm bảo an toàn thực phẩm và đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng. Nhà sản xuất cần tôn trọng các yêu cầu và quy định sau trong quá trình lạnh đông thực phẩm: - Sản phẩm ban đầu ở trạng thái tốt. - Tùy theo bản chất của sản phẩm, thực hiện những xử lý đặc biệt ban đầu trước khi đưa vào lạnh đông (cắt, làm sạch…) - Lạnh đông được thực hiện trong thiết bị lạnh đông công nghiệp, bằng cách vượt qua nhanh vùng kết tinh cực đại (-1oC đến -5oC) và nhiệt độ ở mọi điểm của sản phẩm được đưa xuống -18oC hoặc thấp hơn. - Sản phẩm được bảo vệ bằng bao gói kín, thích hợp với sản phẩm và điều kiện sử dụng. - Nhiệt độ sản phẩm duy trì ở -18oC trong kho hoặc thấp hơn trong kho, vận chuyển và nơi bán, dao động nhiệt độ phải nhỏ nhất có thể. 2 1.1.2. Các dạng thiết bị lạnh đông Thiết bị cấp đông có rất nhiều dạng, hiện nay ở nước ta sử dụng phổ biến các hệ thống sau: - Kho cấp đông gió (Air Blast Freezer); - Tủ cấp đông tiếp xúc (Contact Freezer); - Tủ cấp đông gió; - Hệ thống cấp đông nhúng N2 lỏng; - Hệ thống cấp đông dạng rời, có băng chuyền IQF; + Hệ thống cấp đông có băng chuyền cấp đông thẳng + Hệ thống cấp đông có băng chuyền dạng xoắn + Hệ thống cấp đông siêu tốc 1.1.2.1. Làm đông thực phẩm bằng không khí lạnh Thực phẩm được làm lạnh bằng không khí có nhiệt độ âm sâu đối lưu cưỡng bức bề mặt. Quá trình truyền nhiệt là trao đổi nhiệt đối lưu. Sản phẩm cấp đông có thể dạng block hoặc dạng rời, nhưng thích hợp nhất là sản phẩm dạng rời. a. Ưu điểm - Không khí có nhiệt dung riêng nhỏ nên giảm nhiệt độ nhanh. - Khi tiếp xúc không gây các tác động cơ học nên giữ nguyên hình dáng và kích thước của sản phẩm thực phẩm, đảm bảo thẩm mỹ cho sản phẩm. - Hoạt động liên tục, dễ tự động hóa sản xuất. b. Nhược điểm - Thực phẩm dễ bị khô do bị bay hơi nước bề mặt và dễ bị oxy hóa do tiếp xúc nhiều với O2. c. Ứng dụng - Đông thực phẩm dạng rời và block ở các kho và tủ cấp đông. 1.1.2.2. Làm đông tiếp xúc Các sản phẩm được đặt trên các khay và được kẹp giữa các tấm lắc cấp đông. Các tấm lắc kim loại bên trong rỗng để cho môi chất lạnh chảy qua, nhiệt độ bay hơi đạt to = -40÷-45oC. Nhờ tiếp xúc với các tấm lắc có nhiệt độ rất thấp, quá trình trao đổi nhiệt tương đối hiệu quả và thời gian làm đông được rút ngắn đáng kể so với làm 3 đông dạng khối trong các kho cấp đông gió, đạt = 1,5÷2 giờ nếu cấp dịch bằng bơm hoặc 4÷4,5 giờ nếu cấp dịch từ bình giữ mức theo kiểu ngập dịch. Truyền nhiệt trong tủ đông tiếp xúc là dẫn nhiệt. Phương pháp làm đông tiếp xúc thường được áp dụng cho các sản phẩm dạng khối (block). 1.1.2.3. Làm đông cực nhanh Thực phẩm được di chuyển trên các băng chuyền và được phun làm lạnh bằng nito lỏng có nhiệt độ bay hơi rất thấp -196oC. Vì thế thời gian làm lạnh đông cực nhanh từ 5÷10 phút. Hiện nay các nước phát triển thường sử dụng phương pháp này. 1.1.2.4. Làm đông bằng hỗn hợp đá và muối Phương pháp này được thực hiện ở những nơi không có điện để chạy máy lạnh. Khi cho muối vào nước đá thì tạo nên hỗn hợp có khả năng làm lạnh. Tùy thuộc vào lượng muối pha mà thu được các hỗn hợp với các nhiệt độ khác nhau. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản và dễ thực hiện. Nhưng nhược điểm là nhiệt độ do hỗn hợp tạo ra không cao khoảng -12oC, vì vậy chỉ có tác dụng bảo quản trong thời gian ngắn và sản phẩm tươi sạch. Nhược điểm khác của phương pháp này là thực phẩm giảm trọng lượng và mất phẩm chất bề mặt. 1.1.2.5. Làm đông bằng nước muối lạnh Có 2 cách: 1. Ngâm trong nước muối Cá được xếp vào giỏ lưới rồi nhúng trong nước muối được làm lạnh bằng amoniac. Nước muối được lưu động bằng bơm, có nhiệt độ khoảng -18oC, thời gian làm đông là 3 giờ. 2. Phun nước muối lạnh Phương pháp này được áp dụng trong chế biến thủy sản. Cá được vận chuyển trên băng chuyền và phun nước muối lạnh -25oC. Khi đã được đông lạnh cá được phun lớp nước sạch 20oC để rửa muối bám trên cá và cuối cùng cá được phun nước 0oC để mạ băng trước khi chuyển về kho bảo quản. Theo phương pháp này, thời gian làm đông ngắn mà khối lượng hao hụt lại ít , lượng muối ngấm vào ít. Tuy nhiên phương pháp này cũng làm cho thực phẩm ngấm muối ít nhiều. 1.1.3. Các biến đổi của thực phẩm trong quá trình làm lạnh đông 4 Đối với quá trình bảo quản một sản phẩm thực phẩm nói chung và sản phẩm thủy sản nói riêng thì quá trình làm lạnh đông ít làm biến đổi các tính chất của nguyên liệu, tuy nhiên thực tế chúng ta cũng phải tìm hiểu về những biến đổi này. 1.1.3.1. Biến đổi vật lý - Sự kết tinh của nước: Trong quá trình cấp đông nước tách ra và đông thành các tinh thể, làm cho các sản phẩm trở nên rắn và tăng thể tích một ít. Khi nước trong thực phẩm kết tinh tạo thành mạng tinh thể xen kẽ giữa các thành phần khác tạo cấu trúc bền vững, nhưng khi làm tan băng phục hồi lại trạng thái ban đầu thì cấu trúc sẽ bị mền ra và kém đàn hồi hơn. - Biến đổi màu sắc: Màu sắc là một yếu tố rất quan trọng, tạo nên giá trị cảm quan cho sản phẩm. Đồng thời với quá trình kết tinh, màu sắc của sản phẩm biến đổi do hiệu ứng quang học, các tinh thể đá khúc xạ ánh sáng tuy nhiên không đáng kể. - Bay hơi nước: Trong quá trình làm lạnh đông sẽ xảy ra hiện tượng mất nước làm giảm trọng lượng của sản phẩm. Đó là sự bay hơi nước từ sản phẩm vào không khí do có sự chênh lệch nhiệt độ ở bề mặt sản phẩm và không khí môi trường xung quanh. 1.1.3.2. Sự thay đổi của các thông số vật lý - Đối với nhiệt dung riêng: Khi nhiệt độ càng giảm thì nhiệt dung riêng cũng giảm, mà nhiệt dung riêng lại ảnh hưởng đến kích thước của các thiết bị làm lạnh. Chính vì thế việc tính toán độ hạ nhiệt độ là để tính toán mức giảm của nhiệt dung riêng để từ đó ta chọn được thiết bị làm lạnh thích hợp. - Đối với độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt của nước đá lớn hơn của nước nên trong quá trình làm lạnh đông độ dẫn nhiệt của sản phẩm tăng lên. - Sự biến đổi khối lượng riêng và hệ số dẫn nhiệt M: Khối lượng riêng của sản phẩm lạnh đông giảm đi 5÷6% so sự giãn nở khi nước tạo thành đá. Hệ số dẫn nhiệt tăng lên. 1.1.3.3. Biến đổi hóa học Bản chất của quá trình biến đổi hóa học khi làm lạnh là sự phân giải các chất dự trữ năng lượng do tác động của các ezyme có sẵ trong thực phẩm. - Mức độ biến đổi phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của thực phẩm và phương pháp làm lạnh. 5 - Các biến đổi chủ yếu là do sự oxi hóa các sắc tố làm biến màu sản phẩm thực phẩm. - Để giảm sự oxi hóa có thể làm giảm các sắc tố trước khi làm lạnh, hạn chế bớt các hoạt tính enzyme, hạn chế tiếp xúc với không khí và tăng tốc độ làm lạnh 1.1.3.4. Biến đổi do vi sinh Trước khi làm lạnh, thực phẩm thường được rửa sạch để loại bỏ các tạp chất, nơi tập trung nhiều vi sinh vật. Trong quá trình làm lạnh, do nhiệt độ môi trường làm lạnh có nhiệt độ không phù hợp với vi sinh vật nên vi sinh vật bề mặt thực phẩm bị tiêu diệt. Số còn lại bị hạn chế hoạt động. Tuy nhiên, chúng dần dần thích nghi với nhiệt độ lạnh nên thời gian bảo quản bị giảm. 1.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm lạnh đông 1.1.4.1. Loại thiết bị cấp đông Có rất nhiều loại thiết bị cấp đông và nguyên lý hoạt động rất khác nhau. Thiết bị gió cưỡng bức tiếp xúc và làm lạnh sản phẩm, có loại tiếp xúc với bề mặt là các tấm kim loại, nhưng có loại thì sản phẩm được nhúng trong dịch N2 lỏng. Do nguyên lý làm lạnh khác nhau nên tốc độ sẽ khác nhau đáng kể. Đối với cùng một dạng máy cấp đông, nhưng nếu sử dụng phương pháp cấp dịch cho thiết bị bay hơi khác nhau cũng làm cho thời gian cấp đông thay đổi đáng kể. 1.1.4.2. Nhiệt độ buồng cấp đông Nhiệt độ buồng cấp đông càng thấp thì thời gian cấp đông càng nhanh và ngược lại. Vì vậy, cần chọn nhiệt độ buồng cấp đông hợp lí, tránh làm ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Thông thường nhiệt độ của buồng cấp đông khoảng -35oC. 1.1.4.3. Tốc độ không khí trong buồng cấp đông Không khí chuyển động trong các tủ đông có tác dụng lấy đi lượng nhiệt tỏa ra trong sản phẩm, nhiệt truyền vào do người mở cửa, do người vận hành, do thiết bị hoạt động, ngoài ra còn đảm bảo sự đồng đều nhiệt độ và độ ẩm. Tốc độ không khí càng cao làm cho hệ số tỏa nhiệt đôi lưu tăng, thời gian cấp đông nhanh dễ đến hệ số truyền nhiệt cũng tăng. 6 1.1.4.4. Nhiệt độ của sản phẩm trước khi cấp đông Trong quá trình chế biến, thực phẩm được ướp đá và xử lý trong không gian khá lạnh. Vì thế nhiệt độ thực phẩm thường từ 10÷12oC. Nếu thời gian ở trong kho chờ đông càng lâu thì nhiệt độ của thực phẩm càng thấp. Nhiệt độ thực phẩm vào cấp đông càng thấp thì thời gian cấp đông càng ngắn. Việc chế biến thực phẩm diễn ra trong một thời gian khá lâu, vì vậy khi chế biến được khay sản phẩm nào, người ta sẽ cho vào các kho chờ đông để tạm thời bảo quản, rồi sau đó chờ cho đủ một mẻ mới đem đi cấp đông. 1.1.4.5. Bề dày sản phẩm cấp đông Thời gian cấp đông càng lâu nếu thực phẩm càng dày. Người ta nhận thấy, thời gian cấp đông tăng lên một cách nhanh chóng nếu tăng chiều dày thực phẩm. Mối quan hệ này không theo quy luật tuyến tính mà tuân theo bậc bình phương chiều dày. Những thực phẩm dạng khối (block) có thời gian cấp đông khá lâu, trong khi đó những thực phẩm dạng rời thì thời gian cấp đông ngắn hơn nhiều. 1.1.4.6. Hình dạng và bề mặt tiếp xúc Hình dạng và bề mặt tiếp xúc của sản phẩm ảnh hưởng đến tốc độ làm đông. Thực phẩm dạng khối sẽ tiếp xúc yếu hơn dạng rời nên có sự chênh lệch thời gian cấp đông. Trong tủ đông tiếp xúc, nếu bề mặt làm lạnh không phẳng, diện tích tiếp xúc nhỏ sẽ làm tăng thời gian làm lạnh đông vì vậy khay lạnh đông phải có bề mặt phẳng, không gồ ghề. 1.1.4.7. Bao gói sản phẩm và loại sản phẩm Một số sản phẩm được bao gói trước khi đem đi làm đông nên làm tăng trở nhiệt. Đặt biệt khi bao gói không khí lọt vào tạo lớp cách nhiệt làm tăng thời gian lạnh đông. Mỗi loại sản phẩm cần một lượng nhiệt khác nhau để cấp đông. 1.1.5. Chọn môi chất lạnh Người ta thường sử dụng môi chất tải lạnh trong các hệ thống máy lạnh lớn là amoniac và freon. Tuy nhiên với loại môi chất là NH3 thì được sử dụng rộng rãi hơn bởi nó có khá nhiều ưu điểm. - Đây là loại môi chất không màu, có mùi hắc, là môi chất quan trọng sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ nhiệt độ bay hơi 10oC÷-60oC. - Dễ sản xuất (sản xuất được trong nước), rẻ tiền. - Dễ phát hiện rò rỉ. 7 - Độ nhớt nhỏ, tính lưu động cao nên tổn thất áp suất nhỏ, đường ống và các van gọn nhẹ. Ẩn nhiệt hóa hơi lớn (r = 313.89kcal/kg ở nhiệt độ hóa hơi là -15oC). - NH3 có khả năng hòa tan được trong nước nên không bị tắc ẩm trong quá trình làm việc của hệ thống máy lạnh khi có ẩm lọt vào hệ thống. - Không gây phá hủy tần ozon như các chất freon. Tuy nhiên, NH3 cũng có những nhược điểm sau: - Độc hại với con người nếu nồng độ lớn hơn hoặc bằng 5% thể tích trong thời gian 30 phút có thể làm cho con người chết ngạt. - Nguy hiểm vì dễ bị cháy nổ, tác dụng với đồng và các kim loại màu khác nên hệ thống lạnh NH3 không được dùng đồng và các kim loại màu khác. - Nếu bị rò rỉ thì NH3 sẽ dễ bị hấp phụ vào sản phẩm gây mùi khó chịu và làm giảm chất lượng của sản phẩm. Do đó môi chất này thường được sử dụng trong công nghiệp và hầu như không sử dụng trong tủ lạnh gia đình. 1.2. Tổng quan về tủ đông tiếp xúc 1.2.1. Cấu tạo Tủ đông tiếp xúc cấu tạo gồm nhiều tấm lắc cấp đông bên trong, khoảng cách giữa các tấm lắc được điều chỉnh nhờ ben thủy lực và thường dịch chuyển từ 50 đến 150 (mm) . Kích thước chuẩn của các tấm lắc là 2200L × 1250W × 22D (mm). Đối với tủ cấp đông lớn từ 2000 kg/mẻ trở lên, người ta sử dụng những tấm lắc lớn, có kích thước 2400L × 1250 W ×22D (mm). Sản phẩm cấp đông được đặt trong các khay cấp đông sau đó đặt trực tiếp lên các tấm lắc có các mân cấp đông, mỗi mâm có 4 khay. Đặt trực tiếp khay lên các tấm lắc tốt hơn đặt lên mâm vì nó sẽ hạn chế được nhiệt trở dẫn nhiệt. 8 đông tiếp xúc Hình 1-1: Tủ 1.2.2. Nguyên lí cấp đông Sản phẩm được đặt trong các khay có nắp đậy và được xếp trên các tấm trao đổi nhiệt. Bên trong các tấm kim loại là dàn bay hơi trực tiếp của môi chất lạnh. Nhờ hệ thống ben thủy lực ta có thể điều chỉnh để các tấm trao đổi nhiệt tiếp xúc tốt với 2 mặt của sản phẩm, lực ép duy trì khoảng 1,5 đến 7 kPa. Với phương pháp truyền nhiệt tiếp xúc cả bề mặt trên và bề mặt dưới nên đảm bảo thời gian cấp đông ngắn. 1.2.3. Tính năng của tủ đông tiếp xúc - Thiết kế theo tiêu chuẩn HACCP và FDA. - Thích hợp cho cấp đông thủy sản và thực phẩm dạng block. - Cấp đông nhanh, hiệu quả và đảm bảo chất lượng sản phẩm. - Các bề mặt tủ được làm bằng thép không gỉ. - Cách nhiệt bằng polyurethane tủ trọng 40kg/m3. - Sử dụng ben thủy lực để nâng hạ các tấm lắc giúp đưa hàng ra vào dễ dàng, đảm bảo tấm trao đổi nhiệt tiếp xúc tốt với sản phẩm. - Các tấm trao đổi nhiệt được chế tạo bằng nhôm đúc chuyên dùng trong công nghệ thực phẩm. - Môi chất có thể sử dụng NH3, Freon. - Vận hành, bảo dưỡng và vệ sinh đơn giản. 1.2.4. Đặc tính kĩ thuật của tủ đông tiếp xúc Vỏ tủ đông cách nhiệt được chế tạo bằng polyurethane dày 150mm, hai mặt vỏ của tủ được bọc bằng thép không gỉ Inox dày 0.6mm. Vỏ tủ cấp đông được chế tạo nguyên khối, bọc bằng Inox có kết cấu chống bọt nước vào bên trong tủ. Tấm trao đổi nhiệt có hệ số dẫn nhiệt từ 0,018 ÷ 0,02 W/m.K. Ben thủy lực nâng hạ các tấm lắc đặt trên tủ. Pittong và cầu dẫn ben thủy lực làm bằng thép không gỉ đảm bảo yêu cầu vệ sinh. Hệ thống có bệ phân phối dầu cho truyền động bơm thủy lực. Khi cấp đông ben thủy lực ép các tấm lắc để cho khay tiếp xúc với 2 mặt của tấm lắc. Quá trình trao đổi nhiệt là nhờ dẫn nhiệt. Trong các tấm lắc chứa ngập dịch lỏng ở nhiệt độ âm sâu -40 ÷ -45oC. Các vật liệu bên trong tủ có khả năng tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm đều là loại vật liệu không gỉ. 9 Các ống cấp dịch cho các tấm lắc bằng cao su chịu áp lực cao. Để tấm lắc không di chuyển qua lại trong quá trình chuyển động, trên mỗi tấm lắc có gắn các tấm định hướng, các tấm này luôn tựa trên thanh định hướng trong quá trình chuyển động. Tủ có trang bị nhiệt kế để theo dõi nhiệt độ bên trong tủ trong quá trình vận hành. 10 CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CHO TỦ ĐÔNG TIẾP XÚC 850 KG/MẺ 2.1. Các thông số thiết kế và tính toán sơ bộ 2.1.1. Các thông số thiết kế tủ đông tiếp xúc - Năng suất 850 kg/mẻ - Thời gian cấp đông cho mỗi mẻ: 4h - Nhiệt độ không khí trong tủ: t = -35oC - Sản phẩm : Cá (đã qua chế biến) - Môi chất lạnh: NH3 - Phương pháp cấp dịch: Cấp dịch từ bình chống tràn - Kiểu cấp đông: Tiếp xúc trực tiếp 2 mặt - Nhiệt độ sản phẩm vào cấp đông: 10oC - Nhiệt độ châm nước: 3 ÷ 6oC - Nhiệt độ cuối của quá trình cấp đông: -18oC 2.1.2. Kích thước, số khay và các tấm lắc cấp đông [ ] Vỏ tủ được làm bằng Inox, kích thước tủ phụ thuộc vào kết cấu bên trong tủ. Tấm trao đổi nhiệt dạng tấm, làm lạnh sản phẩm bằng tiếp xúc trực tiếp. - Khay đựng sản phẩm: + Kiểu có nắp tiếp xúc trực tiếp 2 mặt, loại 2 kg tiêu chuẩn. + Kích thước phủ bì: Dài 290 mm × rộng 210 mm × cao 60 mm. + Vật liệu: Nhôm tấm dài 2 mm. - Kích thước tấm lắc cấp đông tiêu chuẩn: Dài 2200 mm × rộng 1250 mm × cao 22 mm - Số lượng sản phẩm chứa trên một tấm lắc: Ta thiết kế 1 tấm lắc theo tiêu chuẩn chứa 36 khay, 1 khay chứa 2kg sản phẩm, vậy khối lượng sản phẩm trên 1 tấm lắc là: 36 × 2 = 72 (kg) Vì lượng nước châm khoảng từ 25-30%, chọn lượng nước châm là 25% nên ta có: - Khối lượng trên một tấm lắc kể cả nước châm là: 11 - Số lượng tấm lắc có chứa hàng là: Trong đó, M là năng suất của tủ cấp đông: M = 850 kg/mẻ, nên ta có: Vậy, số lượng tấm lắc thực tế là: N = 9 (tấm). 2.1.3. Kích thước tủ đông tiếp xúc 850 kg/mẻ [ ] Kích thước tủ đông tiếp xúc được xác định dựa vào kích thước và số lượng các tấm lắc. 2.1.3.1. Xác định chiều dài trong tủ - Chiều dài các tấm lắc: 2200 mm. - Chiều dài tủ cấp đông: Chiều dài tủ cấp đông bằng chiều dài các tấm lắc cộng với khoảng hở 2 đầu. - Khoảng hở 2 đầu tấm lắc vừa đủ để lắp các ống góp, không gian lắp đặt và co giãn các ống mền và lắp các ống dẫn hướng của các tấm lắc, ta chọn khoảng hở đó là 400 mm. Vậy chiều dài của tủ là: L = 2200 + (2×400) = 3000 (mm) - Chiều dài phủ bì là: L = 3000 + (2× Trong đó, CN là CN) chiều dày lớp cách nhiệt. 2.1.3.2. Xác định chiều rộng bên trong tủ - Chiều rộng các tấm lắc: 1250 mm. - Chiều rộng bên trong tủ bằng chiều rộng các tấm lắc cộng thêm khoảng hở 2 bên, ta chọn khoảng hở 2 bên là 125 mm. - Chiều rộng của tủ là: W1 = 1250 + 2×125 = 1500 (mm) - Chiều rộng phủ bì là: W = 1500 + 2× CN 2.1.3.3. Xác định chiều cao - Khoảng cách cực đại của các tấm lắc hmax = 105 mm. - Chiều cao bên trong tủ là: H1 = N1×105 + h1 + h2 12 Trong đó: + N1: Số tấm lắc + h1: Khoảng hở phía dưới các tấm lắc, h1 = 100 (mm) + h2: Khoảng hở phía trên các tấm lắc, h2 = 400 ÷ 450 (mm), ta chọn 450 (mm) Vậy ta có: H1 = (8 × 105) + 100+ 450 = 1390 (mm) - Chiều cao phủ bì của tủ là: H = H1 + (2 × Trong đó, CN CN) = 1390 + (2 × CN) là chiều dày của lớp cách nhiệt. 2.1.4. Cấu trúc xây dựng của tủ cấp đông [ ] Vỏ tủ cấp đông được cấu tạo gồm các lớp: Lớp cách nhiệt polyurethane được chế tạo theo phương pháp rót ngập, có mật độ 40 ÷ 42 kg/m3, có hệ số dẫn nhiệt = 0,018 ÷ 0,02 W/m.K, có độ đồng đều và độ bám cao, hai mặt được bao bọc bằng inox dày 0.6 mm. Bảng 2.1: Các lớp cách nhiệt tủ cấp đông STT 1 2 3 Lớp vật liệu Lớp Inox Lớp polyurethane - Vách tủ - Cửa tủ Lớp Inox Độ dày (mm) 0,6 Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) 22 150 125 0,6 0,018 ÷ 0,02 22 Bên trong vỏ tủ là hệ thống khung chịu lực làm bằng thép có mạ kẽm và các thanh chống tạo cầu nhiệt. Để tăng tuổi thọ cho gỗ sử dụng làm bằng loại gỗ satimex có tẩm dầu. Vật liệu bên trong tủ làm bằng thép không gỉ Inox, đảm bảo điều kiện vệ sinh thực phẩm cho hàng cấp đông. 2.1.5. Xác định chiều dày cách nhiệt của tủ đông tiếp xúc [ ] 2.1.5.1. Vật liệu cách nhiệt Lớp cách nhiệt có tác dụng hạn chế nhiệt bị tổn thất ra ngoài làm ảnh hưởng đến quá trình cấp đông. Hiện nay, vật liệu cách nhiệt được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghệ thực phẩm trong các nồi cô đặc, các đường ống dẫn hơi nóng hoặc trong các thiết bị 13 lạnh, đặc biệt là lạnh đông, các vật liệu phổ biến như bông, mipora, polystrol, polyurethane… Trong các thiết bị lạnh đông thì đa số sử dụng polyurethane. Vì polyurethane có ưu điểm lớn là có thể tạo bọt khi không cần gia nhiệt nên dễ dàng tạo bọt trong các thể tích rỗng bất kì nên hiệu quả cách nhiệt cũng khá lớn. Ngoài ra, polyurethane còn có nhiều ưu điểm như: - Độ bền cơ lý khá tốt, độ đàn hồi cao (>300%) - Tuổi thọ cao. - Lớp phủ không có mối nối. - Quá trình thi công đơn giản, có thể làm bằng tay. - Hệ số dẫn nhiệt nhỏ 0,023 ÷ 0,03 W/m.K, đây là yêu cầu quan trọng đối với vật liệu cách nhiệt. 2.1.5.2. Xác định chiều dày cách nhiệt Chiều dày cách nhiệt được xác đinh theo 2 yêu cầu cơ bản sau: - Vách ngoài của kết cấu bao che ko được phép đọng sương, nghĩa là độ dày của lớp cách nhiệt phải đủ lớn để bề mặt vách ngoài lớn hơn nhiệt độ đọng sương ts. - Chọn chiều dày cách nhiệt sao cho giá thành một đơn vị lạnh là rẻ nhất, vì giá thành cách nhiệt khá cao, chiếm tới 25 ÷ 40% tổng giá trị xây dựng. Từ công thức tính hệ số truyền nhiệt k: ⁄ ∑ Ta có thể tính được chiều dày lớp cách nhiệt: [ ( ∑ )] Trong đó: - : Độ dày yêu cầu của lớp cách nhiệt, m - : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, W/m.K. Chọn - k: Hệ số truyền nhiệt, W/m2.K : Hệ số tỏa nhiệt của môi trường bên ngoài (phía nóng) tới tủ cấp đông, W/m2.K - : Hệ số tỏa nhiệt của tủ cấp đông, W/m2.K 14 - : Bề dày của lớp vật liệu thứ i, m - : Hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu thứ i, W/m2.K Tra bảng 3.3 (1, tr 84) chọn: k = 0.19 W/m2.K, (do nhiệt độ buồng lạnh là -35oC) Tra bảng 3.7 (1, tr 86) chọn: - = 23,3 W/m2.K - = 10,5 W/m2.K Vậy ta có: [ ( )] [ ( Ta chọn chiều dày cách nhiệt )] . Lúc đó, hệ số truyền nhiệt thực là: ⁄ Vậy: - Chiều dài phủ bì của tủ đông là: L = L1 + 2× - Chiều rộng phủ bì của tủ đông là: W = W1 + 2× - Chiều cao phủ bì của tủ đông là: H = H1 + 2× = 3000 + (2×110) = 3220 mm = 1500 + (2×110) = 1720 mm = 1390 + (2×110) = 1610 mm 2.1.5.3. Tính kiểm tra hiện tượng đọng sương Điều kiện để vách ngoài của tủ không bị đọng sương là: kt ks. Trong đó, ks là hệ số truyền nhiệt lớn nhất cho phép để bề mặt ngoài không bị đọng sương. Trong đó: - t1: Nhiệt độ không khí bên ngoài (oC) - t2: Nhiệt độ không khí bên trong tủ đông, t2 = -35oC (oC) - ts: Nhiệt độ đọng sương (oC) 15 Tra bảng 1.1 (1, tr 8) “Nhiệt độ và độ ẩm dùng để tính toán hệ thống lạnh của địa phương. Ta có: - Nhiệt độ vào mùa hè ở Huế: t1 = 37,3 oC - Độ ẩm vào mùa hè ở Huế: = 73% Chiếu trên đồ thị i-x ta tìm được: - Nhiệt độ đọng sương: ts = 32oC - Nhiệt độ bầu ướt: tư = 33oC Vậy: Ta thấy kt = 0,1757 < ks = 1,6226, do đó với kích thước của vách cách nhiệt trên thì vách ngoài của tủ không bị đọng sương. 2.1.5.4. Tính kiểm tra đọng ẩm Đối với tủ cấp đông tiếp xúc này thì vỏ tủ được làm bằng inox cả hai bên nên ẩm không thể lọt vào tấm cách nhiệt nên hoàn toàn không có hiện tượng ngưng tụ ẩm trong lòng kết cấu tủ. 2.2. Tính toán nhiệt trong tủ cấp đông tiếp xúc 850 kg/mẻ Tổn thất nhiệt trong tủ cấp đông gồm có tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che, tổn thất nhiệt do sản phẩm, khay cấp đông và nước châm vào, tổn thất nhiệt do mở cửa. 2.2.1. Tổn thất nhiệt do truyền nhiệt qua kết cấu bao che (Q1) Dòng nhiệt đi qua kết cấu bao che được định nghĩa là tổng các dòng nhiệt tổn thất qua tường bao, trần và nền do chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên ngoài và bên trong kho lạnh cộng với các dòng nhiệt tổn thất do bức xạ mặt trời qua tường bao và trần. 2.4) Trong đó: - Q11: Dòng nhiệt qua tường do chênh lệch nhiệt độ. - Q12: Dòng nhiệt qua tường, trần, nền do bức xạ mặt trời. Tuy nhiên, do tủ cấp đông được đặt trong nhà xưởng nên không chịu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời. Vì vậy, ở đây ta chỉ xét tổn thất nhiệt qua tường, trần, nền do chênh lệch nhiệt độ. Vậy ta có: 16 Trong đó: kt: Hệ số truyền nhiệt thực qua kết cấu bao che đã xác định theo chiều dày - cách nhiệt. Theo tính toán ở trên, ta có: kt = 0,1757 (W/m2.K) - F: Diện tích bề mặt của kết cấu bao che, m2 - t1: Nhiệt độ bên ngoài của tủ đông, oC Vì tủ đông đặt trong phòng lạnh nên nhiệt độ bên ngoài của tủ đông khá thấp khoảng 15oC. Và nhiệt độ bên trong tủ cấp đông khoảng -35oC. Theo tính toán ở trên, ta có: - L = 3220 (mm) = 3,22 (m) - W = 1720 (mm) = 1,72 (m) - H = 1610 (mm) = 1,61 (m) Mặt khác, diện tích bề mặt của kết cấu bao che F: F = 2×F1 + 2×F2 + 2×F3 = 2(F1 + F2 + F3) Trong đó: - F1: Diện tích bề mặt trần và nền của tủ, m2 - F2: Diện tích mặt trước và sau của tủ, m2 - F3: Diện tích hai mặt bên của tủ, m2 Vậy: F = 2×(3,22×1,72 + 3,22×1,61 + 1,72×1.61) = 27 (m2) Tổn thất nhiệt là: = 237,195 (W) 2.2.2. Tổn thất nhiệt do làm lạnh sản phẩm (Q2) Tổn thất bao gồm: - Tổn thất do sản phẩm mang vào Q21 = - Tổn thất do làm lạnh khay cấp đông Q22. - Tổn thất do nước châm vào Q23 (W) Trong đó: - M: Năng suất tủ cấp đông M = 700kg/mẻ. - i1, i2: Entanpi của sản phẩm ở nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ đầu ra (kJ/kg). Tra bảng 4.2. Entanpi của sản phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ, (1, tr 110), đối 17