Đồ án Quy trình, công nghệ sản xuất sữa thanh trùng

ỉ có một ống nạp sản phẩm). 2.2.2. Hệ thống đồng hoá thanh trùng Dây chuyền này dùng thiết bị thanh trùng của hãng APV - Đan Mạch Ký hiệu của thiết bị thanh trùng N35-RKS, với các thông số kỹ thuật sau: Nhiệt độ làm việc: 0 á1200C áp suất làm việc: 2,3at Bề mặt trao đổi nhiệt: 362 tấm Khoảng cách giữa các tấm: 1,5mm Kích thước: HxDxL =1700x1000x1370mm 2.2.3. Thiết bị đồng hoá Chọn thiết bị của hãng APV- Đan Mạch, với các thông số sau: Năng suất: 5000 lít/giờ áp suất làm việc: P=125bar áp suất làm việc lớn nhất: Pmax=200bar Tốc độ quay động cơ: 750 vòng/phút Kích thước: HxDxL=1280x1000x1370mm 2.2.4. Thiết bị rót hộp Chọn thiết bị Bencopack của Italy với năng suất 20000 hộp/giờ (một hộp có dung tích 250ml). 2.3. Tính toán năng suất lạnh cho dây chuyền Để tính toán lượng lạnh ta coi dịch sữa chiếm toàn bộ thể tích hữu ích của các bồn trong quá trình sản xuất và các chế độ nhiệt độ được tính theo công nghệ chế biến sữa thanh trùng của nhà máy sữa Hà Nội. Để dây chuyền không bị quá tải ta chọn chế độ khắc nghiệt nhất (Mùa hè). Nhiệt độ mùa hè tại Hà Nội: Nhiệt độ trung bình tháng nóng nhất, Nhiệt độ tối cao tuyệt đối, Nhiệt độ dùng để tính toán: Đặc điểm của quá trình nhiệt trong dây chuyền đã được giới thiệu trong phần thuyết minh quy trình công nghệ. 2.3.1. Tính lượng lạnh cho quá trình sau khi nhận sữa và cân đo kiểm tra chất lượng Sữa tươi nguyên liệu trước khi đem đến nhà máy đã được làm lạnh ngay sau khi vắt và bảo quản ở 50C. Nhưng do quá trình vận chuyển đến nhà máy và công việc cân đo kiểm tra tại nhà máy nên nhiệt độ của sữa tăng lên khoảng 120C, do đó trong dây chuyền sản xuất ta cần phải giảm nhiệt độ và bảo quản sữa nguyên liệu ở nhiệt độ như lúc đầu. Quá trình làm lạnh này được tiến hành trong các bồn 16m3 có vỏ cách nhiệt, có áo lạnh, dùng nước lạnh 10C để làm lạnh. Các thông số nhiệt độ vào ra của nước và sữa như sau: Nhiệt độ sữa lúc vào bồn làm lạnh: tS1=120C Nhiệt độ sữa sau khi làm lạnh: tS2=50C Nhiệt độ nước khi vào áo lạnh: tn1=30C Nhiệt độ nước khi ra khỏi áo lạnh: tn2=60C Nhiệt độ trung bình áo lạnh: Tính nhiệt do dịch sữa toả ra và lượng nước cần thiết cho quá trình này Lượng nhiệt do dịch sữa toả ra được xác định theo công thức sau: (2.2) Trong đó: m- Khối lượng dịch sữa tươi nguyên liệu (lượng sữa này phải đảm bảo đủ cho sản xuất trong một ngày (2 ca)).Do vậy lượng sữa ở đây bằng: m=V.r=80.1025=82000[kg] Cp- Nhiệt dung riêng của dịch sữa, trong giai đoạn này: Cp=Cp1=3,43[kJ/kgK] Tính lượng nước cần thiết cho quá trình: Nhiệt lượng do nước nhận vào Qn=mn.Cpn.(tn2-tn1) đúng bằng nhiệt do dịch sữa thải ra trong quá trình trao đổi nhiệt. Do đó lượng nước cần cung cấp là: Lượng nước tính ở trên được dùng để phục vụ cho quá trình bảo quản sữa nguyên liệu trong 24giờ. Năng suất lạnh cần thiết để đưa 157.103kg nước từ nhiệt độ tn=370C xuống nhiệt độ tn1=30C trong 24 giờ là: Tính tổn thất lạnh cho bồn 16m3 Nhiệt độ nước lạnh vào áo lạnh, tn1=30C Nhiệt độ nước khi ra khỏi áo lạnh, tn2=60C Nhiệt độ trung bình của áo lạnh là: Nhiệt độ dịch sữa lúc bảo quản, ts2= 50C Hình 2.2. Kích thước bồn 16m3 Xác định diện tích vách cách nhiệt Diện tích phần trụ không có áo lạnh là: Diện tích đáy bồn là: Suy ra diện tích tổng cộng phần không có áo lạnh là: F=F1+F2=5,65+1,88=7,53[m2] Diện tích phần trụ có áo nước lạnh là: F’=p.d.L=3,14.3.1,8=16,96[m2] Xác định hệ số truyền nhiệt k Đường kính bồn là tương đối lớn, do đó ta coi sự truyền nhiệt qua vách bồn là sự truyền nhiệt qua vách phẳng. Do vậy hệ số truyền nhiệt k được xác định theo công thức sau: (2.3) Trong đó: a1- Hệ số toả nhiệt ngoài từ không khí tới vỏ bồn. Tra bảng (3.7-[1] ta được a1=23,3[W/m2] di- Chiều các lớp vật liệu của vách truyền nhiệt li- Hệ số dẫn nhiệt của các lớp vật liệu Với vỏ ngoài là Inox có d nhỏ và l rất lớn nên ta bỏ qua trong tính toán, mà ở đây ta chỉ quan tâm tới lớp cách nhiệt Polystirol với chiều dày dCN=0,1m và hệ số dẫn nhiệt lCN=0,047[W/m2K] a2- Hệ số toả nhiệt mặt trong từ vách bồn tới sữa, rất lớn nên 1/a2đ0. Do vậy: Nhiệt tổn thất qua bồn được xác định như sau: Q2=Q21+Q22 (2.4) Q21- Nhiệt tổn thất qua thành áo lạnh (2.5) Trong đó: tN- Nhiệt độ môi trường dùng để tính toán, tN=t=37,20C Q21=0,46.16,96.(37,2-2,5)=275[W] Q22- Nhiệt độ tổn thất qua phần cách nhiệt còn lại Q22=k.F.(tN-ts2)=0,46.7,53.(37,2-5)=114[W] Vậy tổn thất qua bồn: Q2=Q21+Q22=275+114=389[W] Vì phần chóp nón phía trên không được cách nhiệt và quá trình vận hành cũng gây tổn thất nhiệt nên tổn thất lạnh được tính thêm 10%. Do đó tổn thất lạnh thực tế trên một bồn là: Trong quá trình làm lạnh này ta dùng 3 bồn nên nhiệt tổn thất tổng cộng là: Qb1S=3.Qb1=3.428=1284[W] Vậy tổng năng suất lạnh cần thiết cho giai đoạn làm lạnh này (giai đoạn 1) là: Q0gđ1=Q01+Qb1S =257,742+1,284=259,026[kW] Và với lượng nước dùng cho 24 giờ trong giai đoạn này là: mn1=157.103[kg] 2.3.2. Tính lượng lạnh cho quá trình làm lạnh sau thanh trùng Tính nhiệt do dịch sữa toả ra và lượng nước cần thiết cho quá trình này Sữa sau khi thanh trùng để khử trùng có nhiệt độ 850C và vì vậy ta cần hạ nhiệt độ xuống 250C để đảm bảo hương vị, chất lượng của sữa và đóng hộp. Các thông số công nghệ của sữa và nước như sau: Nhiệt độ sữa lúc đem làm lạnh: ts1=850C Nhiệt độ sữa sau khi làm lạnh: ts2=250C Nhiệt độ nước vào áo lạnh: tn1=30C Nhiệt độ nước ra khỏi áo lạnh: tn2=520C Lượng sữa dùng trong một mẻ sản xuất 4h là: m= V.r=4.5.1025=20500[kg] Lượng nhiệt do dịch sữa toả ra Q1=m.Cp2(ts1-ts2) (2.6) Trong đó: m- Khối lượng dịch sữa trong một mẻ, m=20500kg Cp2- Nhiệt dung riêng của sữa trong giai đoạn này, Cp2=3,96kJ/kgK Vậy: Q1=20500.3,96.(85-25)= 48703.103[kJ] Xác định lượng nước cần cho quá trình làm lạnh Nhiệt lượng do nước nhận vào đúng bằng nhiệt thải ra từ dịch sữa, do đó ta có cân bằng sau: Qn=mn.Cpn.(tn2-tn1)=Q1 (2.7) Suy ra: Năng suất lạnh cần thiết để đưa 23780kg nước từ nhiệt độ môi trường 370C xuống 30C là: Tính tổn thất do bồn 10m3 của quá trình làm lạnh Các thông số nhiệt độ để tính toán như sau: Nhiệt độ nước vào áo lạnh: tn1=30C Nhiệt độ nước ra khỏi áo lạnh: tn2=520C Nhiệt độ sữa sau khi làm lạnh: ts2=250C Nhiệt độ trung bình nước trong áo lạnh là: Hình 2.2. Kích thước bồn 10m3 Xác định các diện tích Diện tích phần trụ không có áo lạnh: F1=p.d1.(H-L)=3,14.2,8.(1,9-1,3)=5,28[m2] Diện tích phần đáy nón: Diện tích tổng cộng phần không có áo lạnh là: F=F1+F2=5,28+1,54=6,82[m2] Diện tích phần có áo lạnh: F’=p.d1.L=3,14.2,8.1,3=11,43[m2] Xác định hệ số truyền nhiệt k Do đường kính bồn tương đối lớn nên coi sự truyền nhiệt qua vách bồn là sự truyền nhiệt qua vách phẳng. Do đó, ta có công thức tính hệ số truyền nhiệt k như sau: Trong đó: a1- Hệ số toả nhiệt ngoài từ không khí tới vỏ bồn. Tra bảng 3.7 [1] ta được a1=23,3[W/m2] di- Chiều các lớp vật liệu của vách truyền nhiệt li- Hệ số dẫn nhiệt của các lớp vật liệu Với vỏ ngoài là Inox có d nhỏ và l rất lớn nên ta bỏ qua trong tính toán, mà ở đây ta chỉ quan tâm tới lớp cách nhiệt Polystirol với chiều dày dCN=0,1m và hệ số dẫn nhiệt lCN=0,047[W/m2K] a2- Hệ số toả nhiệt mặt trong từ vách bồn tới sữa, rất lớn nên 1/a2đ0. Do vậy: Nhiệt tổn thất qua bồn được xác định như sau: Q2=Q21+Q22 Q21- Nhiệt tổn thất qua thành áo lạnh Trong đó: tN- Nhiệt độ môi trường dùng để tính toán, tN=t=37,20C Q21=0,46.11,43.(37,2-27,5)=65[W] Q22- Nhiệt độ tổn thất qua phần cách nhiệt còn lại Q22=k.F.(tN-ts2)=0,46.6,82.(37,2-25)=40[W] Do vậy: Q2=Q21+Q22=65+40=105[W] Vì phần chóp nón phía trên không được cách nhiệt và quá trình vận hành cũng gây tổn thất nhiệt nên tổn thất lạnh được tính thêm 10%. Do đó tổn thất lạnh thực tế là: Vậy tổng năng suất lạnh cần thiết cho giai đoạn làm lạnh này (giai đoạn 2) là: Q0gđ2=Q01+Qb1 =234,710+0,115=234,825[kW] Và với lượng nước dùng cho một mẻ giờ trong giai đoạn này là: mn2=23780[kg] Vậy năng suất lạnh tối thiểu cần cho dây chuyền sản suất là: Q0t= Q0gđ1+ Q0gđ2= 259,026 + 234,825 = 493,851 [kW] Để tính đến tổn thất bể nước sau này thì năng suất lạnh phải lấy dư ra một ít, vì vậy ta lấy tròn là: Q0= 500 [kW] Chương iii. Tính chọn máy nén Máy nén lạnh là một bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống lạnh nén hơi. Máy nén có nhiệm vụ: Liên tục hút hơi sinh ra ở thiết bị bay hơi Duy trì áp suất p0 và nhiệt độ t0 cần thiết Nén hơi lên áp suất cao tương ứng với môi trường làm mát, nước hoặc không khí, đẩy vào thiết bị ngưng tụ. Đưa lỏng qua thiết bị tiết lưu trở về thiết bị bay hơi, thực hiện vòng tuần hoàn kín của môi chất lạnh trong hệ thống gắn liền với việc thu nhiệt ở môi trường lạnh và thải nhiệt ở môi trường nóng. Máy nén quan trọng một mặt do chức năng của nó trong hệ thống, mặt khác, do gồm nhiều bộ phận chuyển động phức tạp nên chất lượng, độ tin cậy và năng suất lạnh của hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng, độ tin cậy và năng suất lạnh của máy nén. Trong kỹ thuật lạnh, người ta sử dụng hầu như tất cả các kiểu loại máy nén với các nguyên lý làm việc khác nhau, nhưng những loại máy nén hay được sử dụng nhất là máy nén piston, trục vít, roto làm việc theo nguyên lý nén thể tích và máy nén tuabin, máy nén ejector làm việc theo nguyên lý động học. Theo nguyên lý nén thể tích thì quá trình nén từ áp suất thấp lên áp suất cao nhờ sự thay đổi thể tích của khoang hơi giữa piston và xilanh. Máy nén thể tích làm việc theo chu kỳ, không liên tục. Hơi được hút và nén theo những phần riêng, do đó đường hút và đường đẩy có hiện tượng xung động. Trong các máy nén làm việc theo ngyên lý động học, áp suất của dòng hơi tăng lên là do động năng biến thành thế năng. Quá trình làm việc của máy nén tuabin được chia ra làm hai giai đoạn. Giai đoạn đầu dòng hơi được tăng tốc nhờ đĩa quay và cánh quạt, giai đoạn hai, dòng hơi có động năng lớn được dẫn đến buồng khuếch tán, ở đó động năng biến thành thế năng và áp suất tăng dần. Đặc điểm của máy nén làm việc theo nguyên lý động học là liên tục và không có van. Máy nén lạnh Máy nén thể tích Máy nén động học Máy nén tuabin ly tâm Máy nén ejector hơi Máy nén trục vít, máy nén roto lăn, máy nén roto tấm trượt Máy nén piston trượt, máy nén con lắc Hình 3.1. Phân loại tổng quát các loại máy nén lạnh Máy nén piston dao động Máy nén piston quay Máy nén ejector Máy nén tuabin Máy nén thể tích có thể tạo ra áp suất lớn với khối lượng hơi nhỏ, nhưng ngược lại, máy nén động học đòi hỏi có một lưu lượng hơi lớn hoặc rất lớn, tỷ số áp suất đạt được qua mỗi tầng bánh cánh quạt lại tương đối hạn chế và phụ thuộc nhiều vào tính chất của từng môi chất lạnh. Trên thế giới, người ta sử dụng hầu như tất cả các nguyên lý và kiểu loại máy nén khác nhau chokỹ thuật lạnh nhưng các loại máy nén thông dụng nhất hiện nay là máy nén Pittông, trục vít, rôto, xoắn ốc, làm việc theo nguyên lý nén thể tích. Còn ở Việt Nam, thì máy nén piston được sử dụng rộng dãi nhất cho mọi hệ thống lạnh. Vì vậy trong bản thiết kế này sẽ chọn máy nén piston. 3.1. Chọn các thông số của chế độ làm việc Chế độ làm việc của một hệ thống lạnh được đặc trưng bằng bốn nhiệt độ sau: Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh t0 Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tk Nhiệt độ quá lạnh lỏng trước van tiết lưu tql Nhiệt độ quá nhiệt hơi hút về máy nén tqn Môi chất dùng trong hệ thống lạnh này là amoniac (NH3) 3.1.1. Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh dùng để tính toán thiết kế có thể lấy như sau: t0= tb- Dt0 (3.1) Trong đó: tb- Nhiệt độ của bể nước lạnh, tb= 30C Dt0- Hiệu nhiệt độ yêu cầu. Đối với việc làm lạnh gián tiếp thì nhiệt độ sôi lấy thấp hơn nhiệt độ nước 5á100C, tức là Dt0= 5á100C. ở đây ta chọn Dt0= 80C. Do vậy: t0= 3 – 8 = -50C 3.1.2. Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất Nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường làm mát của thiết bị ngưng tụ. ở đây ta chọn kiểu thiết bị ngưng tụ bốc hơi (tháp ngưng) thì: tk= tw+ Dtk (3.2) Trong đó: Dtk- Hiệu nhiệt độ độ ngưng tụ yêu cầu, Dtk= 3á50C, với bản thiết kế này ta chọn Dtk= 30C. tw- Nhiệt độ nước tuần hoàn trong tháp, tw= tư+ (3á50C). Với thông số ngoài trời tN= 37,20C và jN= 83% tra đồ thị h-x ta được tư= 340C. Do vậy: tw= 34+3=370C; nên tk=37+3=400C 3.1.3. Nhiệt độ quá lạnh Là nhiệt độ môi chất lỏng trước khi vào van tiết lưu. Nhiệt độ quá lạnh càng thấp năng suất lạnh càng lớn, vì vậy người ta cố gắng hạ nhiệt độ quá lạnh xuống càng thấp càng tốt. Tuy nhiên, đối với máy lạnh một cấp không có hồi nhiệt (amoniac) nhiệt độ khi qua thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều cũng vẫn cao hơn nhiệt độ nước vào 3á50C. Ta thấy ngay với hệ thống này thì không có quá lạnh bởi vì nhiệt độ nước vào và nhiệt độ ngưng tụ chênh lệch nhau không nhiều. 3.1.4. Nhiệt độ quá nhiệt hơi hút Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng, người ta bố trí bình tách lỏng và phải đảm bảo hơi hút vào máy nén nhất thiết phải là hơi quá nhiệt. Độ quá nhiệt ở từng loại máy nén và đối với từng loại môi chất có khác nhau. Với môi chất là NH3, nhiệt độ hơi hút cao hơn nhiệt độ sôi 5á150C, nghĩa là độ quá nhiệt hơi hút Dtqn= 5á150K là có thể đảm bảo an toàn cho máy khi làm việc. Với hệ thống lạnh ta thiết kế ở đây ta chọn Dtqn=100K Do đó: tqn= t0+Dtqn=-5+10=50C Vậy các thông số của chế độ làm việc dùng môi chất là NH3 như sau: Nhiệt độ sôi, t0=-50C Nhiệt độ ngưng tụ , tk=400C Nhiệt độ quá nhiệt, tqn=50C 3.2. Chọn chu trình cho hệ thống lạnh Với nhiệt độ độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ như trên ta tra bảng hơi bão hoà của NH3 [7] ta được các áp suất tương ứng như sau: t0= -50C ị p0= 3,5479 bar tk= 400C ị pk= 15,548 bar Tỷ số nén: Đối với máy nén NH3 tối đa chỉ làm việc với tỷ số nén ếmax= 9 và với máy nén Freon tối đa chỉ làm việc với tỷ số nén ếmax= 12á13. Khi tỷ số nén vượt quá giá trị ếmax thì nên sử dụng chu trình hai hoặc nhiều cấp nén, đó là bài toán phức tạp về tối ưu kinh tế, vận hành cho nên ta cần phải xem xét tất cả các tình huống của từng trường hợp ứng dụng cụ thể. Ta có thể nêu ra một vài so sánh đặc trưng của chu trình một cấp với chu trình hai cấp sau: Máy lạnh một cấp: Có những ưu điểm chính là đơn giản, ít thiết bị, sử dụng và vận hành dễ dàng, già thành rẻ, vốn đầu tư ban đầu thấp nhưng có nhược điểm là giá thành vận hành cao khi vượt quá chế độ làm việc thuận lợi. Máy lạnh hai cấp: Phức tạp hơn nhiều máy nén một cấp, thiết bị nhiều hơn, sử dụng và vận hành khó hơn, giá thành cao, giá thành một đơn vị lạnh thấp đặc biệt là ở chế độ làm việc mà máy lạnh một cấp hầu như không vận hành nổi. Hình 3.1 Sơ đồ và chu trình của máy nén một cấp NH3 Từ những nhận xét và đánh giá trên cùng với tỷ số nén ế=4,18<ếmax cho nên ta chọn chu trình máy lạnh một cấp 3.3. Tính toán chu trình và chọn máy nén 3.3.1. Tính toán chu trình Các thông số cơ bản của các điểm nút của chu trình được xác định bằng bảng hơi bão hoà của môi chất và bằng đồ thị lp-h của chu trình. Được cho trong bảng (3.1) sau: Thông số Điểm t [0C] p [bar] h [kJ/kg] v [m3/kg] 1’ -5 3,5479 1455,2 0,40 1 5 3,5479 1517,8 0,41 2 120 15,548 1745 - 3 40 15,548 177,19 - 4 -5 3,5479 177,19 - Năng suất lạnh riêng q0=h1’- h4=1455,2-177,19=1278,01 kJ/kg Lưu lượng nén qua máy nén Nhiệt thải ở thiết bị ngưng tụ Công nén riêng Hệ số lạnh Hiệu suất exergi 3.3.2. Chọn máy nén Số lượng máy nén Năng suất khối lượng thực tế của máy nén Năng suất hút thể tích thực tế của máy nén Hệ số cấp của máy nén (thực chất đây là hiệu suất thể tích của máy nén): Hệ số cấp thực tế của máy nén là tỷ số giữa thể tích thực tế Vtt và thể tích lý thuyết Vlt của máy nén, l đặc trưng cho các tổn thất của quá trình nén thực so với quá trình nén lý thuyết. Có rất nhiều phương pháp xác định l. Song ở đây ta xác định l bằng phương pháp đồ thị, tra đồ thị 3.4 [4] với ế = 4,38 ta xác định được l = 0,72 Thể tích hút lý thuyết: Máy nén có rất nhiều hãng sản xuất, đủ chủng loại. Với bản thiết kế này ta chọn máy nén piston một cấp môi chất NH3 của hãng Mycom sản xuất có ký hiệu N6WB [20] với các thông số của máy như sau: Thể tích quét lý thuyết, VltMN= 477,8 m3/h=0,133 m3/s Năng suất lạnh, Q0MN= 268,9.103 kCal/h=312 kW Công suất trên trục, Ne = 81,4 kW Số lượng máy nén: ị chọn z=2 Công nén đoạn nhiệt: Ns= m.l, kW (3.3) Trong đó: m - lưu lượng khối lượng thực tế qua máy nén, m=mtt=0,391 kg/s l - công nén riêng, l=227,2 kJ/kg Do đó: Ns= 0,391.227,2 = 88,84 [kW] Công nén chỉ thị Ni: là công nén thực do quá trình nén lệch khỏi quá trình nén lý thuyết (3.4) Trong đó: hi- là hiệu suất chỉ thị, gí trị của nó có thể được xác định theo đồ thị cho trước của nhà chế tạo nhưng cũng có thể xác định theo biểu thức: (3.5) Trong đó: b = 0,001 t0- nhiệt độ sôi của môi chất, t0= -50C Suy ra: Vậy: Công nén hiệu dụng Ne: Là công nén có tính đến tổn thất ma sát của các chi tiết máy nén. Đây chính là công đo được trên trục khuỷu máy nén Ne= Ni+Nms (3.6) Hoặc có thể tính theo công thức: (3.6’) Trong đó: he- Hiệu suất hữu ích, giá trị của nó được xác định bằng đồ thị hình 3.6 [4] với ế = 4,38 ta tra được he= 0,80 Vậy: Ta nhận thấy Ne tính được theo công thức 3.6’ lớn hơn Ne theo máy nén. Vậy máy nén chọn được là thỏa mãn. Công suất điện Nel: là công suất đo được trên bảng đấu điện có kể đến truyền động khớp, đai,… và hiệu suất của chính động cơ điện , kW (3.7) Trong đó: Nếu là máy nén kín thì, htđ= 1 Nếu là máy nén hở thì, htđằ 0,95. ở đây ta dùng máy nén hở nên htđ= 0,95 Hiệu suất động cơ hel= 0,8á0,95. ta chọn hel= 0,9 Thay số được: Công suất động cơ lắp đặt Để đảm bảo an toàn cho hệ thống lạnh, động cơ lắp đặt phải có công suất lớn hơn Nel. Tuỳ theo tình hình cụ thể, có thể chọn động cơ lắp đặt có công suất lớn hơn công suất tính toán từ 1,1á2,1 lần. Với hệ thống lạnh phục vụ cho sản xuất sữa nên ta chọn Nđc= 2.Nel. Vậy công suất động cơ cần lắp đặt là: Nđc= 2.153,04= 306,08 [kW] Ta đã chọn số máy nén là hai máy nên ta dùng hai động cơ do vậy công suất mỗi động cơ là: N1đc=nđc/2=153,04 [kW] Nhiệt thải ra ở dàn ngưng là: Qk= Q0+ Ni = 500 + 104,52 = 604,52 [kW] Chương iv. Tính thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt chính Trong các hệ thống lạnh hiện có thì các thiết bị trao đổi nhiệt chiếm một tỷ lệ rất lớn về khối lượng (52 – 68%) và thể tích (45 – 62%) của toàn bộ hệ thống. Thiết bị trao đổi nhiệt quan trọng nhất là thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi. Ngoài ra còn có các thiết bị phụ khác cũng thực hiện các quá trình trao đổi nhiệt khác nhau để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống, đó là các thiết bị quá lạnh, thiết bị trao đổi nhiệt hồi nhiệt, bình trung gian bình tách dầu… Thiết bị ngưng tụ dùng để biến hơi môi chất lạnh thành trạng thái lỏng ở áp suất và nhiệt độ không đổi. Đôi khi trong thiết bị ngưng tụ còn xảy ra cả quá trình làm lạnh môi chất lạnh lỏng xuống xuống thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ (quá trình quá lạnh). Môi trường giải nhiệt của môi chất lạnh trong thiết bị ngưng tụ gọi là môi trường làm mát (thường là nước hoặc không khí). Thiết bị bay hơi dùng để thu nhiệt từ môi trường lạnh, môi trường này (khônh khí, nước, nước muối…) tuần hoàn giữa thiết bị bay hơi và đối tượng làm lạnh. Trường hợp đối tượng lạnh thải nhiệt trực tiếp cho không khí rồi khônh khí trao đổi nhiệt với môi chất lạnh qua thiết bị bay hơi (làm lạnh trực tiếp). Trường hợp làm lạnh chất lỏng trung gian (chất tải lạnh) gọi là làm lạnh gián tiếp. Trong các máy lạnh ghép tầng thì thiết bị ngưng tụ của tầng nhiệt độ thấp còn đóng vai trò thiết bị bay hơi của tầng nhiệt độ cao. ở đây xảy ra quá trình truyền nhiệt của hơi môi chất ngưng tụ ở tầng dưới cho môi chất lỏng bay hơi ở tầng trên. Thiết bị như vậy gọi là thiết bị ngưng tụ - bay hơi. Khối lượng kim loại để chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt cũng chiếm một tỷ lệ rất lớn so với tiêu hao kim loại của toàn bộ hệ thống. Thí dụ, khối lượng của thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi khi làm lạnh nước muối cũng chiếm khoảng 2/3 khối lượng của toàn bộ máy lạnh amoniac, còn giá thành của nó bằng 1/2 giá thành toàn bộ. Trong máy lạnh freon, khối lượng của các thiết bị cũng bằng khoảng 3/4 khối lượng của máy. Trong các hệ thống lạnh làm lạnh trực tiếp, tỷ lệ của các thiết bị trao đổi nhiệt so với khối lượng chung còn cao hơn nữa. Các thiết bị trao đổi nhiệt cũng có ảnh hưởng lớn tới các đặc tính năng lượng của máy lạnh. Vì tồn tại một hiệu nhiệt độ hữu hạn Dt giữa môi chất với môi trường nên bề mặt trao đổi nhiệt của các thiết bị không thể quá lớn (nhiệt độ ngưng tụ tk phải cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh còn nhiệt độ sôi t0 phải thấp hơn nhiệt độ của đối tượng lạnh. Chính các hiệu nhiệt độ Dtk và Dt0 này gây nên độ không thuận nghịch ngoài của chu trình nhiệt động và dẫn tới tổn thất năng lượng. 4.1. Các yêu cầu đối với thiết bị trao đổi nhiệt 4.1.1. Các yêu cầu chính Một thiết bị trao đổi nhiệt tốt về mặt kinh tế cũng như vận hành cần đáp ứng những yêu cầu sau: Hệ số truyền nhiệt k càng lớn càng tốt, bởi vì k biểu thi cường độ truyền nhiệt. Với cùng một lượng nhiệt cần trao đổi, nếu hệ số truyền nhiệt càng lớn thì kích thước thiết bị càng nhỏ gọn. Trở kháng thuỷ lực của dòng môi chất nóng và lạnh càng nhỏ càng tốt. Bởi vì khi trở kháng thuỷ lực nhỏ, công suất của bơm hoặc quạt cần chuyển tải môi chất sẽ nhỏ (ít tiêu tốn điện năng). Yêu cầu về hệ số truyền nhiệt lớn và trở kháng thuỷ lực nhỏ thường dẫn tới mâu thuẫn. Ví dụ, khi tăng tốc độ thì dẫn tới hệ số truyền nhiệt tăng, nhưng ngược lại cũng dẫn tới trở kháng thuỷ lực tăng, do đó việc chọn tốc độ phải dựa vào điều kiện tối ưu, nghĩa là phải đảm bảo hệ số truyền nhiệt lớn nhưng trở kháng thuỷ lực nhỏ. Bề mặt của thiết bị phải làm sao ít bị bám bẩn, dễ dàng làm sạch và sửa chữa. Khi vận hành thiết bị, có thể làm tăng nhiệt trở, gây tiêu tốn thêm năng lượng Bảo đảm ngăn cách các dòng môi chất nóng và lạnh tốt để tránh hiện tượng hai dòng môi chất bị hoà trộn vào nhau, trừ thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp. Thiết bị phải đảm bảo độ an toàn khi vận hành, có tuổi thọ cao, có kết cấu đơn giản để dễ dàng lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng. 4.1.2. Chọn đường chuyển động cho dòng môi chất Chất đi bên trong ống, đi bên ngoài ống Do đặc điểm cấu tạo, thường tiết diện cắt ngang đường chuyển động của môi chất đi trong ống nhỏ hơn của chất đi ngoài ống. Vậy nên để môi chất có lưu lượng nhỏ đi trong ống. Điều này đảm bảo tốc độ của dòng môi chất ít sai khác nhau và sức cản thuỷ lực không lớn. Mặt khác, từ phương trình tiêu chuẩn đối lưu cưỡng bức, Nu=C.Ren, khi phân tích ta nhận thấy hệ số toả nhiệt a tỉ lệ nghịch với đường kính ống và độ nhớt. Như đã biết, muốn tăng hệ số truyền nhiệt ta phải tăng hệ số toả nhiệt nào có giá trị bé. Do đặc điểm cấu tạo, thiết diện ngoài ống lớn hơn (nghĩa là đường kính tương đương ngoài ống lớn hơn) nên a sẽ nhỏ hơn. Vậy nên để cho môi chất nào có độ nhớt nhỏ đi ngoài ống nhằm tăng hệ số toả nhiệt của nó vốn có giá trị nhỏ. Chất dễ gây bẩn cho bề mặt ống nên để đi trong ống, vì làm sạch dễ hơn. Chất dễ gây ăn mòn bề mặt nhiều hơn nên để đi trong ống bởi ống dễ chế tạo hơn và giá thành nhỏ hơn vỏ thiết bị. Chất nào có áp suất lớn nên để đi trong ống để tránh tăng chiều dày vỏ thiết bị vì vỏ dày khó chế tạo và giá thành cao. Chất ngoài ống chảy dọc ống hay ngang ống Tính toán cũng như thực nghiệm, cho they: Hệ số toả nhiệt của dòng chảy ngang ống an luôn lớn hơn của dòng chảy dọc ống ad. Dó đó, về mặt truyền nhiệt nên để cho môi chất cắt ngang ống. Tuy nhiên trở kháng thuỷ lực khi chảy ngang ống Dpn lại lớn hơn trở kháng thuỷ lực của dòng dọc ống Dpd. Qua tính toán tối ưu người ta rút ra kết quả sau : Khi Nu/Pr < 61 nên để dòng chảy dọc ống Khi Nu/Pr > 61 nên để dòng chảy ngang ống Riêng với chất khí, nếu Re nằm trong khoảng 4.103 đến 4.104 nên để dòng chảy ngang ống. Tốc độ chuuyển động của dòng môi chất Như đã nói, khi tốc độ của dòng môi chất tăng làm tăng hệ số toả nhiệt đối lưu và hệ số truyền nhiệt tăng. Tuy nhiên, Tốc độ dẫn đến trở kháng thuỷ lực tăng. Vì vậy việc chọn tốc độ phải dựa vào bài toán tối ưu. đối với dòng chất lỏng hoặc khí chảy rối, qua bài toán tối ưu nên chọn tốc độ có giá trị như bảng sau : Môi chất Tốc độ w , m/s Chất lỏng nhớt Chất lỏng ít nhớt, nước Khí có nhiều bụi Khí sạch Hơi bão hoà Hơi quá nhiệt Ê 1 1 á 3 6 á 10 12 á 16 30 á 50 50 á 75 4.1.3. Thông số kết cấu Một trong những yếu tố để đánh giá và so sánh các thiết bị trao đổi nhiệt với nhau là thông số kết cấu : Độ gọn, suất tiêu hao kim loại, giá thành, điều kiện sản xuất, lắp giáp và vận hành. Độ gọn : Là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ứng với một đơn vị thể tích của thiết bị. Thiết bị nào có độ gọn càng lớn càng tốt. Suất tiêu hao kim loại : là khối lượng của thiết bị ứng với một mét vuông diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị. Giá trị này càng nhỏ càng tốt. Trong khuôn khổ bản đồ án này ta chỉ thiết kế hai thiết bị trao đổi nhiệt chính của hệ thống lạnh là thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi. 4.2. Thiết kế thiết bị ngưng tụ Thiết bi ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt dùng để biến hơi môi chất lạnh thành lỏng ở áp suất và nhiệt độ không đổi. 4.2.1. Giới thiệu và chọn kiểu thiết bị ngưng tụ để thiết kế Có rất nhiều loại thiết bị n