1
bộ công thơng
viện máy và dụng cụ công nghiệp

Báo cáo tổng kết đề tài
m số: 193.08 rd/hđ-khcn Tên đề tài:
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị sản
xuất đá vảy công suất 20/24h cho sản xuất bê tông dự
lạnh trên cơ sở sử dụng máy nén kỹ thuật số

Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài

TS. Đỗ Văn Vũ
ngành Điện tử
Viện Máy và DCCN
8 Trần Nh Hiếu Thạc sỹ kỹ thuật - chuyên
ngành Chế tạo máy
Viện Máy và DCCN
9 Vũ Xuân Trờng Thạc sỹ kỹ thuật - chuyên
ngành Chế tạo máy
Viện Máy và DCCN
10 Hoàng Anh Sơn Kỹ s Chế tạo máy Cty CP XD và thiết bị
công nghiệp
1
mục lục
Lời nói đầu 2
Phần i
: Thiết bị và công nghệ trong sản xuất bê tông dự lạnh 3
Phần ii
: Khảo sát, nghiên cứu, xây dựng cấu hình thiết bị phù hợp .6
2.1. Các trạm bê tông dự lạnh sử dụng đá vảy đang hoạt động trong nớc 6
2.2. Khảo sát các máy sản xuất đá vảy của các hãng nớc ngoài 7
2.2.1. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các thiết bị sản xuất đá vảy 7
2.2.2. Máy sản xuất đá vảy của hãng NorthStar - Mỹ 8
2.2.3. Máy sản xuất đá vảy của hãng Buus - Đan mạch 10
2.3. So sánh, đánh giá và xây dựng cấu hình phù hợp với điều kiện Việt nam 11
Phần iii: tính toán thiết kế 12
3.1. Tính toán thiết kế và chọn thiết bị lạnh 12
3.1.1. Các thông số và đặc tính kỹ thuật yêu cầu 13
3.1.2. Tính toán thiết kế các thông số công nghệ 13

định của thân đập, ngành xây dựng thuỷ công đã triển khai áp dụng công nghệ tiên
tiến: đổ khối lớn, với thể tích mỗi khối lên tới hàng ngàn mét khối, kích thớc khối
bê tông theo mỗi chiều lên tới từ hàng chục tới hàng trăm mét.
Để đảm bảo khối bê tông lớn không bị phá huỷ hoặc biến dạng quá mức cho
phép do ứng suất nhiệt gây bởi nhiệt thuỷ hoá xi măng và truyền thoát nhiệt chậm
của khối bê tông lớn trong quá trình đông kết và chênh lệch nhiệt độ môi trờng với
khối bê tông giữa ngày và đêm, theo các mùa thi công khác nhau, bên cạnh hàng
loạt biện pháp, công nghệ, thiết bị hỗ trợ bảo ôn, thoát nhiệt quá trình đông kết sau
đổ khuôn, hoặc thiết kế cấp phối hợp lý (giảm lợng xi măng, dùng xi măng có
nhiệt thuỷ hoá thấp, dùng đá cấp phối cỡ lớn ), thiết kế thi công hợp lý (tính toán
lớp đổ, khối đổ, thời gian đổ tối u ), sử dụng công nghệ bê tông đầm lăn (Roller
Compacted Concrete) thay cho bê tông thờng , một trong những giải pháp quan
trọng nhất chính là dự lạnh bê tông tới nhiệt độ cần thiết, đủ để bù tới 70% trở lên
nhiệt sinh bởi thuỷ hoá xi măng, góp phần quyết định đảm bảo độ chênh nhiệt độ
giữa các vùng trong khối bê tông T không quá 20
0
C, mô đun độ chênh nhiệt độ
giữa các điểm trong khối bê tông M
T
không quá 50
0
C/m (theo TCXDVN 305-2004
về quy phạm thi công và nghiệm thu bê tông khối lớn). Để đảm bảo dự lạnh hàng
chục ngàn mét khối hỗn hợp bê tông cho mỗi đợt đổ liên tục trong một ca sản xuất,
các nhà thầu xây dựng phải trang bị những hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh
tự động với khối lợng hàng chục tấn, tiêu thụ hàng ngàn kWh điện, chi phí sản xuất
thậm chí cao hơn vài lần so với bê tông thờng.
Trên cơ sở các phân tích vừa nêu, rõ ràng việc sử dụng các thiết bị tự động sản
xuất bê tông dự lạnh với năng suất lớn (từ 120 m
3

rắn), đá vảy (nớc kết tinh dạng vảy dày 1-3 mm), đá
mảnh, đá viên
Theo đối tợng làm lạnh: làm lạnh vật liệu thành phần (đá, nớc, cát )
trớc khi trộn, làm lạnh hỗn hợp vữa bê tông trong hoặc sau quá trình trộn.
Theo quá trình chuyển vận của chất làm lạnh: hệ thống tuần hoàn (kín) hay
không tuần hoàn (hở) hay hỗn hợp.
Theo cấu trúc hệ thống: mô đun lạnh chế tạo sẵn (ready-made) với các hệ
thống sản xuất bê tông lạnh tiêu chuẩn, hoặc đợc xây dựng (customized)
theo bài toán cụ thể, đặc thù nào đó của khách hàng.
- Theo yêu cầu sản phẩm:

4

Theo dạng và công nghệ bê tông làm đập nớc: dùng cho bê tông đầm rung
thờng (Conventional Vibrated Concrete - CVC), dùng cho bê tông đầm lăn
(Rolling Compacted Concrete - RCC) hoặc cả hai. Trên thực tế, trạm dùng
cho sản xuất bê tông đầm lăn luôn có thể phù hợp cho sản xuất bê tông
thờng.
Theo nhiệt độ bê tông lạnh yêu cầu: bê tông lạnh sâu (dới 15
0
C), lạnh vừa
(16-22
0
C) và lạnh nông (22-25
0
C), nhằm đáp ứng công nghệ vận chuyển
hỗn hợp bê tông tới khối đổ (xe, băng tải ), cũng nh các điều kiện thời
tiết: bình thờng (nhiệt độ môi trờng trung bình 20-30
0
C), khắc nghiệt

5
50%), độ bền và ổn định không cao, do vậy ngời ta không chế tạo ở các công
suất lớn: chỉ ở các trạm không quá 80 m
3
/h, độ lạnh nông, chỉ làm lạnh đơn
Trên thi trờng có rất nhiều hãng cung cấp thiết bị tiêu chuẩn, nh Grasso
(Italia), Carrier (USA), Daikin (Nhật Bản), Fusheng (Taiwan)
Nghiên cứu xây dựng những hệ thống thiết bị chuyên dụng cho làm lạnh bê tông.
Theo hớng sau, ngời ta đã có thể cung cấp những hệ thống lạnh có hiệu suất
nhiệt cao hơn nhiều, là mối quan tâm số một của ngời khai thác. Việc tăng chi
phí đầu t cho những hệ nh vậy còn đợc bù lại nhờ những lợi thế khác nữa: độ
bền và ổn định cao trong môi trờng xây dựng luôn rất khắc nghiệt, sự phù hợp
với công nghệ bê tông tạo cho thuận lợi nhiều mặt cho ngời dùng Ta có thể kể
ra những công ty hàng đầu thế giới đã đi theo hớng này: HANSA
Industrieanlagen GmbH, KTI Plersch Kaltertechnik GmbH (CHLB Đức) Đây là
hớng thiết bị có chất lợng và tuổi bền cao nhất, nhng giá thành cũng cao gấp
nhiều lần so với hớng ban đầu.
Ngoài hai hớng nh đã nêu, tại các vùng đang phát triển nh châu á, Nam
Mỹ ngời ta thờng xây dựng thiết bị tích hợp hệ thống trên cơ sở chọn lựa một
số thiết bị lạnh chuyên dùng làm lạnh bê tông với các thiết bị phụ trợ đợc thiết
kế chế tạo tại chỗ, nhằm có đợc những u điểm về chất lợng thiết bị chính,
đồng thời giảm chi phí đầu t ban đầu. Chỗ dựa về thiết bị và một phần công
nghệ làm lạnh bê tông cho các cơ sở phát triển là khá nhiều hãng sản xuất thiết
bị lạnh công nghiệp có mặt khắp nơi nh North Star Ice (USA), Scotsman
(Italia), Snowkey (China), ReFriend (China), Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị và
Công nghệ Bê tông Thợng Hải (China) chuyên về thiết bị chế tạo đá vảy, thiết
bị làm lạnh nớc hoặc không khí (chiller)
Trong hệ thống làm lạnh vật liệu xây dựng nh vữa bê tông, bên cạnh thiết bị
cung cấp chất làm lạnh (chiller, máy đá vảy, ), nhóm các thiết bị trao đổi nhiệt
(làm lạnh đá trớc khi trộn bê tông), thiết bị phụ trợ (vận chuyển, dự trữ, cân

/h của Liên
danh Liebherr-Hansa (CHLB Đức) thiết kế chế tạo và cung cấp lắp đặt tại công trình
thuỷ điện Sê San 3 năm 2004, hiện đang hoạt động tại công trình thuỷ điện Bản Vẽ
Dạng bê tông dự lạnh: RCC và CVC
Nhiệt độ dự lạnh: 15
0
C
Phơng pháp và thiết bị dự lạnh: làm lạnh cốt liệu thô trên phễu, đồng thời làm
lạnh hỗn hợp bê tông bằng cấp phối nớc lạnh 4
0
C và đá vảy nhiệt độ -5
0
C.
Nguồn lạnh: thiết bị sản xuất đá vảy của hãng Scotsman (cắt đá kiểu dao quay),
công suất 120 tấn đá vảy mỗi ngày đêm, hệ thống các chiller của hãng Grasso
(GEA), tổng công suất lạnh 800 m
3
nớc lạnh 4
0
C mỗi giờ. Các thiết bị lạnh này
đợc Hansa tổ hợp thành các mô đun hoàn chỉnh cho sản xuất đá vảy (CFPX),
sản xuất nớc lạnh (CWPS).
2.1.3. Hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh công suất lớn 720 m
3
/h của Liên danh
Liebherr-Hansa (CHLB Đức) thiết kế chế tạo và cung cấp lắp đặt tại công trình thuỷ
điện Sơn la năm 2007:
Dạng bê tông dự lạnh: RCC và CVC
Nhiệt độ dự lạnh: 18
0

dùng để sản xuất bê tông dự lạnh, nhằm thay thế một phần cấp phối nớc trộn bê
tông mà không ảnh hởng tới thời gian sản xuất và tính chất hỗn hợp bê tông.
2./ Cấu tạo chung của một thiết bị sản xuất đá vảy: cũng nh mọi thiết bị lạnh
khác, gồm hai cụm chính: cụm máy nén-ngng tụ (cao áp) và cụm tạo đá vảy (hạ
áp). Cụm cao áp bao gồm các thiết bị chính nh các máy nén lạnh, thờng là loại có
dải nhiệt độ làm việc thấp (từ -20
0
C trở xuống), hệ số nén cao, dàn ngng, các bình
chứa dịch lạnh, thiết bị mạch dầu (tách, sấy, làm mát). Cụm hạ áp bao gồm thiết
bị bay hơi-tạo/tách đá, bình hạ áp, hệ thống cấp dịch/tách lỏng (nh bơm, bình tràn
dịch-tách lỏng). Ngoài ra, là các thiết bị phụ nh các van điều khiển, công tác,
thiết bị đo lờng (nhiệt độ, áp suất, lu lợng, mức dịch/dầu ), panen/tủ điều khiển.
3./ Đặc điểm nguyên lý hoạt động của thiết bị sản xuất đá vảy:
- Chu trình lạnh: luôn là dạng ngập lỏng, nhằm đạt hiệu suất lạnh cao, nhiệt độ sản
phẩm đồng đều và đủ thấp.
- Quá trình tạo đá vảy: liên tục (khác với một số dạng sản xuất đá cây, đá viên, đá
tấm/ống mảnh là theo chu kỳ)
- Nguyên lý tạo/tách đá trên thiết bị bay hơi (hình 1): dịch lạnh lỏng đợc cấp và
bay hơi ở áp suất đủ thấp, tơng ứng nhiệt độ bay hơi khoảng -28
0
C đến -32
0
C, theo
nguyên lý ngập lỏng tại thiết bị bay hơi dạng tang trống trụ (từ đây gọi là cối đá vảy,
có thể cấu tạo đứng hoặc nằm). Nớc đợc phun liên tục chảy trên mặt ngoài (hoặc
mặt trong) cối trong vùng cấp nớc, đợc làm lạnh và kết tinh rất nhanh sau một
thời gian vài chục giây thành một lớp đá băng mỏng. Lớp đá băng này đợc làm khô

8
và quá lạnh tới nhiệt độ -5 đến -10

30mm chuyển động cùng tốc độ quay của dàn phun cấp nớc. Cho phép cấp dịch
bằng cỡng bức hoặc sử dụng bình tràn dịch.

Thông số kỹ thuật, model Đơn vị đo Giá trị
Ký hiệu, model máy (kèm bình tràn
dịch)
40 CS (cối thép C)
40 SS (cối thép không rỉ)
Kiểu cắt tách đá dao quay
Công suất tạo đá T/24h 20,7 (17,9)
Môi chất lạnh R22
Khối lợng dịch lạnh (R22) kg 245
Nhiệt độ bay hơi
0
C -32
Nhiệt độ nớc cấp
0
C 16
Nhiệt độ đá vảy
0
C
-7 ữ -5
Độ dày đá vảy mm
1,5 ữ 2,5
Kích thớc đá vảy mm
20 ữ 30
Công suất động cơ quay dao cắt kw 0,56
Công suất động cơ bơm nớc kw 0,38
Kích thớc thiết bị (HxRxD) mm 1905x1422x2108
Trọng lợng kg 1960

C -30
Nhiệt độ nớc cấp
0
C 15
Nhiệt độ đá vảy
0
C
-6 ữ -4
Độ dày đá vảy mm
1,5 ữ 3
Kích thớc đá vảy mm
20 ữ 30
Công suất động cơ quay dao cắt kw 0,75
Công suất động cơ bơm nớc kw 0,37
Kích thớc thiết bị (HxRxD) mm 3625x1265x1230
Trọng lợng kg 1900

11
2.3. So sánh, đánh giá và xây dựng cấu hình phù hợp với điều kiện Việt nam
u điểm của máy sản xuất đá vảy có kiểu cắt đá dao quay là công suất cắt nhỏ,
kích thớc nhỏ gọn, kết cấu quay cắt đá đơn giản, phần chuyển động cắt đá không
có ảnh hởng đến môi chất lạnh, toàn bộ máy đá đợc bao kín và bảo ôn bởi dòng
chuyển động của môi chất lạnh nên giữ đợc khí lạnh trong kho chứa không thoát ra
ngoài.
u điểm của máy sản xuất đá vảy có kiểu tang trống quay là không phải bảo ôn
tang trống, cắt đá và tách đá theo phơng tiếp tuyến ngoài nên sự bóc tách và thoát
đá đợc dễ dàng hơn, lực cắt tách đá cũng nhỏ hơn, dễ kiểm tra hiệu chỉnh hơn.
Nhợc điểm của kiểu cắt đá tang trống quay là công suất lớn, kết cấu tang quay
phức tạp do phải làm kín môi chất lạnh chuyển động cùng tang trống, vị trí xả đá ở
phía ngoài nên khí lạnh trong kho có thể thoát ra ngoài theo đờng xả đá vào kho.

Các ký hiệu:
COP Hệ số hiệu quả (Coefficient Of Performance)
D Đờng kính [mm, m]
F Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt [m
2
]
i, I Entanpi [kJ/kg, kJ]
G Khối lợng [kg]
h Chiều cao [m, mm]
L Chiều dài [m]
LMTD Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit [K]
P áp suất [kPa, bar]
q Dòng nhiệt riêng, năng suất nhiệt riêng [J/kg, kJ/kg]
q
&
Mật độ dòng nhiệt [W/m
2
]
Q
&Dòng nhiệt, năng suất nhiệt [W, kW]
S Diện tích [m
2
]
t, T Nhiệt độ [
0
C, K]


C
- Môi chất lạnh: R22
- Thiết bị tạo đá bao gồm: dàn bay hơi dạng tang trống trụ tĩnh (sau đây gọi là
cối tạo đá) kết hợp dao tách đá quay, hệ thống phân phối nớc
- Thiết bị ngng tụ: làm mát bằng nớc kết hợp với tháp giải nhiệt nớc
- Thiết bị có khả năng nội địa hóa trong nớc
- Thiết bị dạng tổ hợp cụm, đồng bộ và có khả năng vận chuyển
- Môi trờng làm việc: Tmax trung bình 35
o
C, độ ẩm max trung bình 80%
3.1.2. Tính toán thiết kế các thông số công nghệ
1./ Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Với các thông số và đặc tính kỹ thuật yêu cầu, nguyên lý làm việc của hệ thống
sản xuất đá vảy sẽ đợc xây dựng trên cơ sở chu trình máy lạnh nén hơi trong đó
máy nén đợc định hớng ban đầu là dạng máy nén trục vit bán kín hiện đại có thể
điều khiển công suất bằng kỹ thuật số, làm việc ở chế độ economizer nhằm nâng cao
năng suất lạnh cũng nh hiệu suất nhiệt, với sơ đồ đợc thể hiện ở Phụ lục 1.
Các thiết bị chính của hệ thống sản xuất đá vảy:
* Tổ máy ngng tụ (cụm cao áp)
- 01 máy nén;
- 01 bình ngng kiểu ống vỏ làm mát bằng tháp giải nhiệt;
- 01 bình chứa cao áp.
- Các mạch và thiết bị lạnh phụ trợ: mạch ECO cho cấp ga trung áp vào máy nén
và giảm nhiệt dịch lạnh trớc khi vào bình hạ áp-cấp dịch cho cối; mạch dầu máy
nén (bao gồm bình tách/sấy dầu khi khởi động, bộ làm mát dầu bằng nớc.
* Cụm hạ áp:
- 01 bộ phận cấp lỏng kiểu tràn dịch-tách lỏng;
- 01 Thiết bị bay hơi tạo đá kiểu tang trống trụ tĩnh (cối tạo đá), ngập dịch; kết
hợp với hệ thống phân phối nớc và cụm thiết bị dao cắt tách đá quay.
Các thiết bị phụ của hệ thống:

Khay phân phối nớc có nhiệm vụ phân chia dòng nớc bơm lên thành những màng
nớc chảy tự do trên bề mặt trong của cối. Hệ thống lạnh sẽ duy trì dòng môi chất
lạnh, ở đây là R22, sôi ở áp suất và nhiệt độ thấp trong dàn bay hơi của cối để hạ
nhiệt độ và làm đóng băng màng nớc đang chảy tự do trên mặt trong cối. Lợng
nớc thừa cha kịp đóng băng sẽ chảy xuống khay chứa nớc thu hồi ở phía dới và
lại đợc bơm lên hệ thống phân phối nớc, tiếp tục tham gia các vòng tuần hoàn
đóng băng khác.

15
Sau một khoảng thời gian nhất định (thời gian tạo đá), khi lớp đá băng đợc
hình thành trên bề mặt của các tấm bay hơi đạt chiều dày 1,5 ữ 2 mm, cơ cấu tách
đá (dao tách đá) sẽ tách các lớp đá vừa tạo, làm chúng bong ra khỏi mặt cối và rơi
xuống cửa thu đá rồi rơi vào kho trữ. Quá trình tạo đá vảy-tách đá nói trên đợc thực
hiện liên tục-liên tiếp trên toàn chu vi cối theo chu kỳ tạo đá đúng bằng thời gian
quay một vòng của dao cắt tách đá.
Máy nén hút hơi môi chất ra khỏi thiết bị bay hơi tạo đá để giúp môi chất
chuyển trạng thái từ lỏng sang hơi và quá trình lấy nhiệt, tạo đá trên mặt ngoài các
tấm bay hơi đợc diễn ra ở áp suất và nhiệt độ thấp. Khi đi qua máy nén, hơi môi
chất nhận năng lợng (cơ năng cấp cho trục cơ máy nén) để đồng thời tăng áp suất
và nhiệt độ giúp quá trình thải toàn bộ nhiệt lợng lấy đợc từ thiết bị bay hơi ra
môi trờng xung quanh có thể xảy ra. Hơi môi chất với nhiệt độ và áp suất cao sau
đó đợc đa vào bình ngng tụ. Tại đây, toàn bộ nhiệt lợng nhận đợc trong quá
trình bay hơi và cơ năng nhận đợc trong quá trình nén đợc thải ra môi trờng
xung quanh để biến hơi môi chất ở trạng thái quá nhiệt với áp suất cao thành lỏng
bão hòa (cùng áp suất). Cuối cùng, lỏng môi chất ở trạng thái bão hòa, áp suất cao
thực hiện quá trình giảm áp suất trong thiết bị tiết lu (không trao đổi năng lợng)
để chuyển thành trạng thái bão hòa ẩm có nhiệt độ và áp suất thấp trớc khi đợc
đa vào thiết bị bay hơi tạo đá, tiếp tục lấy nhiệt và hình thành lớp đá với chiều
dày tăng dần trên bề mặt cối.
2./ Chọn thông số, chế độ làm việc

b) Nhiệt độ, áp suất ngng tụ
Trong điều kiện môi trờng không khí xung quanh có nhiệt độ 35
o
C và độ ẩm
tơng đối 80 % nh đã cho, nhiệt độ bão hòa đoạn nhiệt tơng ứng là 32
o
C. Nếu sử
dụng tháp giải nhiệt ở nhiệt độ bão hòa đoạn nhiệt nh vậy, có thể chọn nhiệt độ
nớc vào/ ra tháp giải nhiệt tơng ứng là 37/ 32
o
C. Với thiết bị ngng tụ làm mát
bằng nớc, độ chênh giữa nhiệt độ ngng tụ của môi chất lạnh (R22) và nhiệt độ
nớc làm mát khi ra khỏi thiết bị là từ 2.5 K đến 5 K [1]. Chọn nhiệt độ ngng tụ
t
c
= 40
o
C, độ chênh nhiệt độ trung bình trong vùng chuyển pha của thiết bị ngng tụ
đợc tính nh sau:

[]
K
t
t
tt
LMTD
c
1,5
3
8


(3.2)
Trong công thức (3.2), t
max
và t
min
là độ chênh nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất
giữa 2 môi chất trong vùng khảo sát của thiết bị.
Với môi chất lạnh là R22, áp suất ngng tụ sẽ đợc tính theo:
p
c
= p
bh
(t
c
) = p
bh
( 38
0
C) =14.6 [bar] (3.3)
c) Độ quá nhiệt và nhiệt độ môi chất khi ra khỏi thiết bị bay hơi
Do đặc điểm làm việc của máy sản xuất đá vảy là kiểu ngập dịch nhằm duy trì
đợc nhiệt độ ổn định và đồng đều trên bề mặt cối tạo đá, thiết bị bay hơi làm việc
với độ quá nhiệt hơi môi chất khi ra khỏi thiết bị, t
qn,e,

= t
1a

-t

Trong thực tế vận hành, thờng không thể tránh khỏi nhiệt từ môi trờng bên
ngoài xâm nhập vào đoạn ống dẫn môi chất lạnh nối giữa đầu ra của thiết bị bay hơi,
bình tràn (nếu cấp dịch theo phơng pháp dùng cột lỏng) hoặc bình hạ áp (nếu cấp
dịch bằng bơm tuần hoàn) và đầu hút máy nén. Vì vậy, khi kể thêm ảnh hởng của
yếu tố này, độ quá nhiệt và nhiệt độ của hơi hút về máy nén tơng ứng sẽ là:

t
qn,comp
= 4 [K] (3.5)
t
1,a
= t
e
+

t
qn,comp
= -30 +4 = -26 [
o
C] (3.6)
d) Độ quá lạnh và nhiệt độ môi chất khi ra khỏi thiết bị ngng tụ
Để tăng năng suất lạnh cũng nh COP của máy sản xuất đá vảy, môi chất khi ra
khỏi thiết bị ngng tụ, phải có độ quá lạnh,

t
ql
= t
3
-t
3a

ii
l
l
12
12
21
21


==



(3.8)
Với máy nén trục vít, hệ số nén = p
c
/p
e
= 15,335/1,778 = 8,62 nh đã xác
định, hiệu suất Entropi của quá trình nén,
s

, vào khoảng 0.7. Tuy nhiên, do hệ
thống sử dụng mạch ECO để cấp trung áp vào cửa ECO của máy nén, tơng tự nh
sử dụng hệ thống hai cấp nén, nên đã giảm hệ số nén đáng kể, ớc còn khoảng 4-
5, vì vậy hệ số
s
tăng lên khoảng 0.73. Do đó, entanpi của hơi môi chất sau quá
trình nén đợc xác định:


3./ Tính toán thời gian tạo / tách đá
Quá trình tạo đá trên bề mặt tấm bay hơi xảy ra trong chế độ không ổn định mà
theo đó, chiều dày lớp đá đợc hình thành tăng dần theo thời gian. Nhiệt trở truyền
nhiệt từ môi chất lạnh (ở nhiệt độ bay hơi 30
o
C) đến màng nớc đợc tới trên bề
mặt tấm bay hơi, khi đó sẽ tăng dần, tỉ lệ với chiều dày lớp đá đợc hình thành, làm
cho tốc độ tạo đá giảm dần. Ngoài ra, trong quá trình tạo đá, một lợng năng suất
lạnh cũng sẽ bị tiêu tốn để làm quá lạnh lớp đá đến nhiệt độ yêu cầu cũng nh làm
giảm nhiệt độ của nớc lạnh bổ sung đến điểm đóng băng.
Đóng băng không ổn định của màng nớc tới trên một bề mặt đợc làm lạnh là
một bài toán phức tạp có nghiệm phụ thuộc vào hàm của tích phân sai số Gauss nên
việc tính toán thời gian tạo đá bằng giải tích một cách chính xác hầu nh không thể
thực hiện đợc. Hiện nay, có 2 phơng pháp để giải bài toán này là (1) giải gần đúng
bằng phơng pháp số (tức dùng phần mềm máy tính), và (2) đơn giản hóa bài toán
về dạng có thể giải đợc bằng giải tích thông qua việc chấp nhận một số giả thiết
gần đúng. Trong thiết kế này, phơng pháp 2 đợc lựa chọn với những giả thiết cụ
thể nh sau:
- Coi phân bố nhiệt độ trong lớp băng là tuyến tính (hoàn toàn chấp nhận đợc
vì chiều dày lớp băng nhỏ hơn 8 mm).
- Bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt từ môi chất lạnh tới bề mặt ngoài của tấm bay hơi,
phía tiếp xúc với nớc lạnh, coi nhiệt độ bề mặt ngoài của tấm bay hơi bằng
nhiệt độ sôi của môi chất lạnh (- 30
o
C).
- Coi nhiệt độ của màng nớc tới trên tấm bay hơi bằng nhiệt độ đóng băng.
Nói cách khác, bỏ qua nhiệt lợng làm lạnh nớc bổ sung (chỉ) trong bài toán
truyền nhiệt. Lu ý, nhiệt lợng này vẫn đợc tính trong cân bằng nhiệt để xác
định năng suất lạnh của thiết bị bay hơi tạo đá. Giả thiết này hoàn toàn chấp
nhận đợc vì sau một số lợng nhiệt làm lạnh nớc bổ sung này chỉ chiếm 8 %

2
2
1
104.0
T
T
TT
K
i
eo
d
td
ì

ì








ì
=



[h] (3.10)
Trong đó, K là hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào vật liệu kết cấu thiết bị bay

ì=


td

= 41,3 [sec]
Trong thực tế, thời gian tạo đá đợc hiệu chỉnh theo thiết kế và kinh nghiệm cụ
thể của từng đơn vị sản xuất, và thay đổi tới (10~20)% so với tính toán. Nguyên
nhân là công thức nêu trên còn cha bao gồm đợc khá nhiều yếu tố tác động tới
thời gian tạo đá, nh thành phần nớc cấp (nớc biển, nớc ngọt, hàm lợng muối
khoáng), phơng pháp và thiết bị cấp dịch lạnh (cột áp hay bơm tuần hoàn, dãn nở
trực tiếp), thiết kế cụ thể của thiết bị bay hơi/cối tạo đá (số đầu vào/ra môi chất
lạnh).
4./ Tính toán cân bằng nhiệt
Trên cơ sở thông số, chế độ làm việc đã đợc chọn ở mục 1.2.2, sử dụng các
phần mềm Refrigeration Utilities version 2.84 (tham khảo EES version 6.22), có thể
xác định thông số của tất cả các điểm nút chu trình (hình 5, hình 6) nh sau:
Bảng 1 Thông số trạng thái các điểm nút chu trình máy sản xuất đá vảy
TT Nút P [bar] t [oC] i [kJ/kg] v [m3/kg] s [kJ/kgK]
1 1 1.635 -30 693.18 - -
2 1 1.635 -28 694.36 0.12505 1.8040
3 1a 1.635 -26 695.65 0.13049 1.8196

20
4 2s 15.335 85.7 753.18 - 1.8196
5 2r 15.335 104.2 773.57 0.02228 1.8902
6 3 15.335 38 547.36 - 1.1670
7 3a 15.335 34 541.80 - -
8 4 1.778 -28 541.80 0.04611 1.1890


Q
&
của thiết bị bay hơi đợc tính trên cơ sở năng suất làm đá
yêu cầu G
d
= 20000 kg/24h, nhiệt lợng cần thiết để sản xuất 1 kg đá thành phẩm
qo, thời gian tạo đá thực hiện đợc trong 1 ngày đêm hoạt động Nc (min), hệ số sử
dụng thiết bị k
tb
(lấy bằng 0,8) và đợc tính nh sau:

[]
kW
kN
qG
Q
tbc
od
e
65.108
8.0602460
5.37520000
60
=
ììì
ì
==
&
(3.13)
b) Lu lợng khối lợng môi chất lạnh trong máy sản xuất đá mảnh

cre
165.3577.231712.0 =ì==
&
&
(3.16)
d) Công nén riêng và công suất nén máy nén lạnh
Công nén riêng:
l
mn
= i
2r
i
1a
= 773.57 - 695.65 = 77.92 [kJ/kg] (3.17)
Công suất nén:

][5.5592.77712.0 kWlmN
mnrmn
=ì==
&
&
(3.18)

21

Hình 5. Xác định chu trình lạnh trên phần mềm Refrigeration Utilities version 2.84
(Chọn gốc tham chiếu h=500 kJ/kg, s=1,0 kJ/kgK, T=0
0
C cho R22 lỏng bão hoà )


- Entanpi môi chất lạnh đầu vào cối: 541.8 kJ/kg,

22

Hình 6. Tính toán tham khảo trên phần mềm EES ver. 6.22

- Độ quá nhiệt sau bay hơi: 4 K,
Thiết bị bay hơi cối tạo đá đợc lựa chọn là kiểu trụ, có mặt tạo đá là mặt trụ
trong, trao đổi nhiệt trực tiếp, kết hợp với hệ thống phân phối nớc.
Về vật liệu chế tạo cối tạo đá, ngày nay ngời ta thờng sử dụng 2 loại là thép
cacbon chất lợng cao (high quality carbon steel) và thép không gỉ (stainless steel).
Loại thứ nhất (thép cacbon) có giá thành thấp hơn loại thứ 2 (thép không gỉ), thích
hợp với sản xuất đá vảy nớc ngọt. Ngợc lại, loại thứ 2 lại cho hàng loạt các tính
năng u việt khác nh: có độ cứng cao, bền, chịu ăn mòn tốt, dùng cho sản xuất đá
vảy dùng trực tiếp nớc biển, phục vụ công nghiệp chế biến hải sản. Ngoài ra, loại
cối này còn phù hợp các ứng dụng có liên quan đến thực phẩm và y tế. Nhợc điểm
của cối thép không gỉ là giá thành khá cao so với cối thép cacbon.
Xác định diện tích bề mặt tạo đá theo công thức sau:




ì
ì
=ìì=
N
HDS (3.20)
Trong đó:
D: đờng kính mặt trụ tạo đá vảy (đờng kính trong của cối), m


Bảng 2. Thông số cơ bản của thiết bị bay hơi - tạo đá, năng suất 20 Tấn/24h
TT Thông số Quy cách Đơn vị Ghi chú
1 Môi chất lạnh R22 - -
2
Kiểu thiết bị bay hơi-
tạo đá
Mặt trụ trong
(cối), bay hơi
kiểu ngập dịch
-
Bao gồm cả hệ thống
phân phối nớc và
cụm dao cắt đá
3
Vật liệu thiết bị bay
hơi tạo đá
Thép không gỉ - -
4 Đờng kính cối (D) 1200 mm -
5 Chiều cao cối (H)
885ì2
mm
Kết cấu hai tầng để
giảm chênh nhiệt độ
bay hơi do chênh áp
6 Nhiệt độ bay hơi -30
0
C -
7 Năng suất lạnh yêu cầu 108.65 kW Tính ở chế độ -30
0
C