Giáo trình Hệ thống máy và thiết bị lạnh - Chương I: Vai trò các hệ thống lạnh trong nền kinh tế quốc dân

535 trang ngocly 1320

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hệ thống máy và thiết bị lạnh - Chương I: Vai trò các hệ thống lạnh trong nền kinh tế quốc dân", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_he_thong_may_va_thiet_bi_lanh_chuong_i_vai_tro_ca.pdf

Nội dung text: Giáo trình Hệ thống máy và thiết bị lạnh - Chương I: Vai trò các hệ thống lạnh trong nền kinh tế quốc dân

Chương I Vai trò các hệ thống lạnh trong nền kinh tế quốc dân Kỹ thuật lạnh đã ra đời hàng trăm năm nay và được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật rất khác nhau: trong công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm, công nghiệp hoá chất, công nghiệp rượu, bia, sinh học, đo lường tự động, kỹ thuật sấy nhiệt độ thấp, xây dựng, công nghiệp dầu mỏ, chế tạo vật liệu, dụng cụ, thiết kế chế tạo máy, xử lý hạt giống, y học, thể thao, trong đời sống vv Ngày nay ngành kỹ thuật lạnh đã phát triển rất mạnh mẽ, được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, phạm vi ngày càng mở rộng và trở thành ngành kỹ thuật vô cùng quan trọng, không thể thiếu được trong đời sống và kỹ thuật của tất cả các nước. Dưới đây chúng tôi trình bày một số ứng dụng phổ biến nhất của kỹ thuật lạnh hiện nay. 1.1 ứng dụng trong ngành chế biến và bảo quản thực phẩm 1.1.1 Tác dụng của nhiệt độ thấp đối với thực phẩm Năm 1745 nhà bác học Nga Lômônôxốp trong một luận án nổi tiếng “Bàn về nguyên nhân của nóng và lạnh“ đã cho rằng: Những quá trình sống và thối rửa diễn ra nhanh hơn do nhiệt độ cao và kìm hãm chậm lại do nhiệt độ thấp. Thật vậy, biến đổi của thực phẩm tăng nhanh ở nhiệt độ 40÷50oC vì ở nhiệt độ này rất thích hợp cho hoạt hoá của men phân giải (enzim) của bản thân thực phẩm và vi sinh vật. 3
ở nhiệt độ thấp các phản ứng hoá sinh trong thực phẩm bị ức chế. Trong phạm vi nhiệt độ bình thường cứ giảm 10oC thì tốc độ phản ứng giảm xuống 1/2 đến 1/3 lần. Nhiệt độ thấp tác dụng đến hoạt động của các men phân giải nhưng không tiêu diệt được chúng. Nhiệt độ xuống dưới 0oC, phần lớn hoạt động của enzim bị đình chỉ. Tuy nhiên một số men như lipaza, trypsin, catalaza ở nhiệt độ -191oC cũng không bị phá huỷ. Nhiệt độ càng thấp khả năng phân giải giảm, ví dụ men lipaza phân giải mỡ. Khi nhiệt độ giảm thì hoạt động sống của tế bào giảm là do: - Cấu trúc tế bào bị co rút - Độ nhớt dịch tế bào tăng - Sự khuyếch tán nước và các chất tan của tế bào giảm. - Hoạt tính của enzim có trong tế bào giảm. Bảng 1-1: Khả năng phân giải phụ thuộc nhiệt độ Nhiệt độ, oC 40 10 0 -10 Khả năng phân giải, % 11,9 3,89 2,26 0,70 Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản, hoạt động sống có thể độc lập với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh cao, đa số tế bào thực vật không bị chết khi nước trong nó chưa đóng băng. Tế bào động vật có cấu trúc và hoạt động sống phức tạp, gắn liền với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh kém hơn. Đa số tế bào động vật chết khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4oC so với thân nhiệt bình thường của nó. Tế bào động vật chết là do chủ yếu độ nhớt tăng và sự phân lớp của các chất tan trong cơ thể. Một số loài động vật có khả năng tự điều chỉnh hoạt động sống khi nhiệt độ giảm, cơ thể giảm các hoạt động sống đến mức nhu cầu bình thường của điều kiện môi trường trong một khoảng thời gian nhất định. Khi tăng nhiệt độ, hoạt động sống của chúng phục hồi, điều này được ứng dụng trong vận chuyển động vật đặc biệt là thuỷ sản ở dạng tươi sống, đảm bảo chất lượng tốt và giảm chi phí vận chuyển. * ảnh hưởng của lạnh đối với vi sinh vật. 4
- Khả năng chịu lạnh của mỗi loài vi sinh vật có khác nhau. Một số loài chết ở nhiệt độ 20÷0oC. Tuy nhiên một số khác chịu ở nhiệt độ thấp hơn. Khi nhiệt độ hạ xuống thấp nước trong tế bào vi sinh vật đông đặc làm vỡ màng tế bào sinh vật. Mặt khác nhiệt độ thấp, nước đóng băng làm mất môi trường khuyếch tán chất tan, gây biến tính của nước làm cho vi sinh vật chết. Trong tự nhiên có 3 loại vi sinh vật thường phát triển theo chế độ nhiệt riêng Bảng 1-2: ảnh hưởng của nhiệt độ đến vi sinh vật Vi khuẩn Nhiệt độ Nhiệt độ Nhiệt độ thấp nhất thích hợp cao nhất nhất - Vi khuẩn ưa lạnh 0oC 15 ÷ 20oC 30oC (Psychrophiles) o - Vi khuẩn ưa ấm 10 ÷ 20oC 20 ÷ 40oC 45 C (Mesophiles) o - Vi khuẩn ưa nóng 40 ÷ 90oC 50 ÷ 55oC 50 ÷ 70 C (Thermopphiles) Nấm mốc chịu đựng lạnh tốt hơn, nhưng ở nhiệt độ -10oC hầu hết ngừng hoạt động ngoài trừ các loài Mucor, Rhizopus, Penicellium. Để ngăn ngừa mốc phải duy trì nhiệt độ dưới -15oC. Các loài nấm có thể sống ở nơi khan nước nhưng tối thiểu phải đạt 15%. ở nhiệt độ -18oC, 86% lượng nước đóng băng, còn lại 14% không đủ cho vi sinh vật phát triển. Vì vậy để bảo quản thực phẩm lâu dài cần duy trì nhiệt độ kho lạnh ít nhất -18oC. Để bảo quả thực phẩm người ta có thể thực hiện nhiều cách như: Phơi, sấy khô, đóng hộp và bảo quản lạnh. Tuy nhiên phương pháp bảo quả lạnh tỏ ra có ưu điểm nổi bật vì: - Hầu hết thực phẩm, nông sản đều thích hợp đối với phương pháp này. 5
- Việc thực hiện bảo quản nhanh chóng và rất hữu hiệu phù hợp với tính chất mùa vụ của nhiều loại thực phẩm nông sản. - Bảo tồn tối đa các thuộc tính tự nhiên của thực phẩm, giữ gìn được hương vị, màu sắc, các vi lượng và dinh dưỡng trong thực phẩm. 1.1.2 Các chế độ xử lý lạnh thực phẩm Thực phẩm trước khi được đưa vào các kho lạnh bảo quản, cần được tiến hành xử lý lạnh để hạ nhiệt độ thực phẩm từ nhiệt độ ban đầu sau khi đánh bắt, giết mổ xuống nhiệt độ bảo quản. Có hai chế độ xử lý lạnh sản phẩm là xử lý lạnh và xử lý lạnh đông a) Xử lý lạnh là làm lạnh các sản phẩm xuống đến nhiệt độ bảo quản lạnh yêu cầu. Nhiệt độ bảo quản này phải nằm trên điểm đóng băng của sản phẩm. Đặc điểm là sau khi xử lý lạnh, sản phẩm còn mềm, chưa bị hóa cứng do đóng băng. b) Xử lý lạnh đông là kết đông (làm lạnh đông) các sản phẩm. Sản phẩm hoàn toàn hóa cứng do hầu hết nước và dịch trong sản phẩm đã đóng thành băng. Nhiệt độ tâm sản phẩm đạt -80C, nhiệt độ bề mặt đạt từ -180C đến -120C. Xử lý lạnh đông có hai phương pháp: a) Kết đông hai pha Thực phẩm nóng đầu tiên được làm lạnh từ 370C xuống khoảng 40C sau đó đưa vào thiết bị kết đông để nhiệt độ tâm khối thực phẩm đạt -80C. b) Kết đông một pha Thực phẩm còn nóng được đưa ngay vào thiết bị kết đông để hạ nhiệt độ tâm khối thực phẩm xuống đạt dưới -80C. Kết đông một pha có nhiều ưu điểm hơn so với kết đông hai pha vì tổng thời gian của quá trình giảm, tổn hao khối lượng do khô ngót giảm nhiều, chi phí lạnh và diện tích buồng lạnh cũng giảm. Đối với chế biến thịt thường sử dụng phương pháp 01 pha. Đối với hàng thuỷ sản do phải qua khâu chế biến và tích trữ trong kho chờ đông nên thực tế diễn ra 2 pha. Các loại thực phẩm khác nhau sẽ có chế độ bảo quản (bảng 1- 3 và 1-4) và đông lạnh thích hợp khác nhau (bảng 1-5). 6
ở chế độ bảo quản lạnh và trong giai đoạn đầu của quá trình kết động hai pha, người ta phải gia lạnh sản phẩm. Thông thường thực phẩm được gia lạnh trong môi trường không khí với các thông số sau: - Độ ẩm không khí trong buồng: 85 ÷ 90% - Tốc độ không khí đối lưu tự nhiên: 0,1 ữ 0,2 m/s; đối lưu cưỡng bức cho phép 〈 0,5 m/s (kể cả rau quả, thịt, cá, trứng ). - Giai đoạn đầu, khi nhiệt độ sản phẩm còn cao, người ta giữ nhiệt độ không khí gia lạnh thấp hơn nhiệt độ đóng băng của sản phẩm chừng 1 ữ 2 0C. Nhiệt độ đóng băng của một số sản phẩm như sau: thịt -1,2 0C, cá từ 0,6 ữ -20C, rau quả - 0,84 -4,20C. Nhiệt độ không khí gia tăng 20C thì thời gian gia nhiệt kéo dài thêm 5h. Sau khi tăng nhiệt độ sản phẩm đạt 348oC, nhiệt độ không khí tăng lên -1400C. Tóm lại, cần tăng tốc độ gia lạnh nhưng phải tránh đóng băng trong sản phẩm. Bảng 1-3. Chế độ bảo quản rau quả tươi Sản phẩm Nhiệt độ Độ ẩm Chế độ Thời gian bảo 0C khôngkhí,% thông gió quản - Bưởi 045 85 Mở 142 tháng - Cam 0,54 2 85 “ 142 tháng - Chanh 14 2 85 “ 142 tháng - Chuối chín 14416 85 “ 5410 ngày - Chuối xanh 11,54 85 “ 3410 tuần 13,5 - Dứa chín 447 85 “ 34 4 tuần - Dứa xanh 10 85 “ 446 tháng - Đào 041 85490 “ 446 tháng - Táo 043 90495 “ 3410 tháng - Cà chua chín 042 85490 “ 146 Tuần - Cà chua xanh 5415 85490 “ 144 Tuần - Cà rốt 041 90495 “ 143 Tháng -18 90 Đóng 12418 Tháng - Dưa chuột -18 90 “ 5 Tháng - 29 90 “ 1 Năm - Đậu tươi 2 90 Mở 344 Tuần - Hành 0 4 4 75 “ 142 Năm 7
- Khoai tây 3 4 10 85490 “ 8410 Tháng - Nấm tươi 0 4 2 80490 “ 0,543 Tháng -18 90 Đóng 10412 Tháng - Cải bắp, súp lơ -240 90 “ 247 Tuần -18 90 “ 243 Tuần - Su hào -140,5 85490 “ - Dừa 0 85 “ - Xoài 13 85490 “ - Hoa nói chung 1 4 3 85490 “ - Cúc 1,6 80 “ - Huệ 1,6 80 “ - Phong lan 2 4 4,5 80 “ - Hoa hồng 4,5 80 “ Bảng 1-4: Chế độ bảo quản sản phẩm động vật Độ ẩm Chế độ Nhiệt độ Thời gian Sản phẩm không khí thông 0C bảo quản % gió Thịt bò, hươi, nai, cừu -0,540,5 82485 Đóng 10415 ngày Thịt bò gầy 040,5 80485 ‘’ ‘’ Gà, vịt, ngan, ngỗng -140,5 85490 ‘’ ‘’ mổ sẵn Thịt lợn tươi ướp lạnh 044 80485 ‘’ 10412 Tháng Thịt lợn tươi ướp -1,84-23 80485 ‘’ 12418 đông Tháng Thịt đóng hộp kín 042 75480 ‘’ ‘’ Cá tươi ướp đá từ 50 -1 100 Đóng 6412 Ngày đến 100% lượng cá Cá khô (W=14417%) 244 50 ‘’ 12 Tháng Cá thu muối, sấy 244 75480 Mở Vài tháng Lươn sống 243 854100 ‘’ Vài tháng ốc sống 243 854100 ‘’ Sò huyết -1411 854100 ‘’ 15430 ngày Tôm sống 243 854100 ‘’ Vài ngày Tôm nấu chín 243 Vài ngày 8
Bơ muối ngắn ngày 12415 75480 Mở 38 Tuần Bơ muối lâu ngày -144 75480 ‘’ 12 Tuần Bơ muối lâu ngày -184-20 75480 ‘’ 36 Tuần Pho mát cứng 1,544 70 ‘’ 4412 Tháng Pho mát nhão 7415 80485 ‘’ ít ngày Sữa bột đóng hộp 5 75480 Đóng 346 Tháng Sữa đặc có đường 0410 75480 ‘’ 6 Tháng Sữa tươi 042 75480 ‘’ 2 Ngày Trong một kho lạnh có thể có buồng gia lạnh riêng biệt. Song cũng có thể sử dụng buồng bảo quản lạnh để gia lạnh. Khi đó, số lượng sản phẩm đưa vào phải phù hợp với năng suất lạnh của buồng. Các sản phẩm nóng phải bố trí đều cạnh các dàn lạnh để rút ngắn thời gian gia lạnh. Sản phẩm khi gia lạnh xong phải thu dọn và sắp xếp vào vị trí hợp lý trong buồng để tiếp tục gia lạnh đợt tiếp theo. Bảng 1-5. Các thông số về phương pháp kết đông Nhiệt độ Thông số không Tốn tâm thịt, khí trong buồng kết Thời hao Phương pháp kết 0C đông gian khối đông Tốc độ kết Ban Nhiệt lượng, Cuối chuyển đông đầu độ, 0C % động, m/s Kết đông hai pha 2,58 - Chậm 4 -8 -18 0,140,2 40 2,35 - Tăng cường 4 -8 -23 0,540,8 26 2,20 - Nhanh 4 -8 -15 344 16 Kết đông một pha - Chậm 37 -8 -23 0,140,2 36 1,82 - Tăng cường 37 -8 -30 0,540,8 24 1,60 - Nhanh 37 -8 -35 142 20 1,20 9
1.2 ứng dụng trong các ngành khác Ngoài ứng dụng trong kỹ thuật chế biến và bảo quản thực phẩm, kỹ thuật lạnh còn được ứng dụng rất rộng rãi trong rất nhiều ngành kinh tế, kỹ thuật khác nhau. Dưới đây là các ứng dụng thông dụng nhất. 1.2.1 ứng dụng trong sản xuất bia, nước ngọt Bia là sản phẩm thực phẩm, thuộc loại đồ uống độ cồn thấp, thu nhận được bằng cách lên men rượu ở nhiệt độ thấp dịch đường (từ gạo, ngô, tiểu mạch, đại mạch vv ), nước và hoa húp lông. Qui trình công nghệ sản xuất bia trải qua nhiều giai đoạn cần phải tiến hành làm lạnh mới đảm bảo yêu cầu. Đối với nhà máy sản xuất bia hiện đại, lạnh được sử dụng ở các khâu cụ thể như sau: 1.2.1.1. Sử dụng để làm lạnh nhanh dịch đường sau khi nấu Dịch đường sau quá trình húp lông hoá có nhiệt độ khoảng 80oC cần phải tiến hành hạ nhiệt độ một cách nhanh chóng xuống nhiệt độ lên men 6÷8oC. Tốc độ làm lạnh khoảng 30÷45 phút. Nếu làm lạnh chậm một số chủng vi sinh vật có hại cho quá trình lên men sẽ kịp phát triển và làm giảm chất lượng bia. Để làm lạnh dịch đường người ta sử dụng thiết bị làm lạnh nhanh. Quá trình đó được thực hiện qua hai giai đoạn: - Dùng nước 1oC hạ nhiệt độ dịch đường từ 80oC xuống khoảng 20oC. - Sử dụng glycol (hoặc nước muối) có nhiệt độ thấp khoảng - 8oC để hạ nhiệt độ dịch đường từ 20oC xuống 8oC. Kỹ thuật lạnh hiện đại sử dụng glycol để làm lạnh vì nước muối gây ăn mòn hư hỏng thiết bị điện. 10
Như vậy trong quá trình hạ nhiệt này đòi hỏi phải sử dụng một lượng lạnh khá lớn. Tính trung bình đối với một nhà máy bia công suất 50 triệu lít/năm mỗi ngày phải nấu khoảng 180m3 dịch đường. Lượng lạnh dùng để hạ nhiệt rất lớn. 1.2.1.2. Quá trình lên men bia Quá trình lên men bia được thực hiện ở một phạm vi nhiệt độ nhất định khoảng 6÷8oC. Quá trình lên men là giai đoạn quyết định để chuyển hoá dịch đường houblon hoá thành bia dưới tác động của nấm men thông qua hoạt động sống của chúng. Trong quá trình lên men dung dịch toả ra một lượng nhiệt lớn. Quá trình lên men đường houblon hoá diễn ra qua hai giai đoạn: - Lên men chính: Kéo dài từ 7 ÷ 12 ngày đối với các loại bia vàng và 12 ÷ 18 ngày đối với các loại bia đen. Nhiệt độ lên men là 6 ÷ 8oC. - Lên men phụ và tàng trữ: Kéo dài ít nhất 3 tuần đối với tất cả các loại bia. Nhiệt độ lên men phụ là 1 ÷ 2oC. Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình lên men và chất lượng sản phẩm. Khi nhiệt độ cao sẽ dẫn đến các tác động như sau: + Thời gian lên men nhanh. + Mật độ tối đa đạt được cao hơn khi nhiệt độ thấp. + Lên men triệt để nhưng hàm lượng các sản phẩm bậc hai (đặc biệt là diaxetyl) tạo ra nhiều hơn. + Lượng sinh khối tạo ra nhiều hơn nhưng lượng tế bào chết lại nhiều hơn và tốc độ suy giảm các đặc tính công nghệ cũng nhanh hơn. + Tỷ lệ giữa các cấu tử trong bia không cân đối, chất lượng bia giảm Mỗi loại nấm men đều có nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển lên men. Khi không đảm bảo các yêu cầu về nhiệt độ các kết quả nhận được chất lượng sẽ rất kém. 11
1.2.1.3. Bảo quản và nhân men giống Một khâu vô cùng quan trọng cần lạnh trong nhà máy bia là khâu bảo quản và nhân men giống. Men giống được bảo quản trong những tank đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Tank cũng có cấu tạo tương tự tank lên men, nó có thân hình trụ bên ngoài có các áo dẫn glycol làm lạnh. Tuy nhiên kích thước của tank men nhỏ hơn tank lên men rất nhiều, nên lượng lạnh cần thiết cho tank men giống không lớn. 1.2.1.4. Làm lạnh đông CO2 Trong quá trình lên men nhờ các quá trình thuỷ phân mà trong các tank lên men sinh ra rất nhiều khí CO2. Quá trình phát sinh khí CO2 thể hiện ở phản ứng dưới đây. Kết quả cuối cùng của quá trình chuyển hoá (lên men) từ đường hexoza đến rượu etylic và khí cácbonic có thể biểu diễn bằng phương trình tổng quát của Gay - Lussac như sau: C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2 Khí CO2 lại rất cần cho trong qui trình công nghệ bia như ở khâu chiết rót và xử lý công nghệ ở tank lên men. Khí CO2 thoát ra từ các tank lên men trong các quá trình sinh hoá cần phải được thu hồi, bảo quản để sử dụng vào trong dây chuyền công nghệ. Để bảo quản CO2 tốt nhất chỉ có thể ở thể lỏng, ở nhiệt độ bình thường áp suất ngưng tụ của CO2 đạt gần 100at. Vì vậy để giảm áp suất bảo quản 2 CO2 xuống áp suất dưới 20 kG/cm cần thiết phải hạ nhiệt độ bảo quản xuống rất thấp cỡ -30 ÷ -35oC. Dưới đây trình bày sơ đồ làm lạnh CO2: 12
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống thu hồi CO2 1.2.1.5. Làm lạnh nước 1oC Nước lạnh được sử dụng trong nhà máy bia với nhiều mục đích khác nhau, đặc biệt được sử dụng để làm lạnh nhanh dịch đường sau khi được houblon hoá đến khoảng 20oC. Việc sử dụng nước 1oC là một giải pháp rất hữu hiệu và kinh tế trong các nhà máy bia hiện đại. Phụ tải nhiệt của các mẻ nấu theo thời gian trong ngày không đều và liên tực mà có dạng hình xung. Khi các mẻ nấu hoàn thành yêu cầu phải tiến hành làm lạnh rất nhanh. Rõ ròng nếu sử dụng làm lạnh trực tiếp thì công suất máy lạnh sẽ rất lớn. Việc sử dụng nước lạnh 1oC để hạ lạnh nhanh dịch đường cho phép trữ một lượng lạnh đáng kể để làm lạnh dịch đường của các mẻ nấu một cách nhanh chóng. Điều này cho phép không cần có hệ thống lạnh lớn nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu. Nước được làm lạnh nhờ glycol đến khoảng 1oC qua thiết bị làm lạnh nhanh kiểu tấm bản. 13
1.2.1.6. Làm lạnh hầm bảo quản tank lên men và điều hoà Trong một số nhà máy công nghệ cũ, bia được bảo quản lạnh trong các hầm làm lạnh, trong trường hợp này cần cung cấp lạnh để làm lạnh hầm bảo quản. Có thể sử dụng lạnh của glycol để điều hoà không khí trong một số khu vực nhất định của nhà máy, các phòng bảo quản hoa vv 1.2.2 ứng dụng trong công nghiệp hoá chất Trong công nghiệp hoá chất như hoá lỏng các chất khí là sản phẩm của công nghiệp hoá học như clo, amôniắc, cacbonnic, sunfuarơ, các loại chất đốt, các khí sinh học vv Hoá lỏng và tách các chất khí từ không khí là một ngành công nghiệp hết sức quan trọng, có ý nghĩa vô cùng to lớn với ngành luyện kim, chế tạo máy, y học, ngành sản xuất chế tạo cơ khí, phân đạm, chất tải lạnh vv Các loạt khí trơ như nêôn, agôn vv được sử dụng trong công nghiệp hoá chất và sản xuất bóng đèn. Việc sản xuất vải sợi, tơ, cao su nhân tạo, phim ảnh được sự hỗ trợ tích cực của kỹ thuật lạnh. Thí dụ trong quy trình sản xuất tơ nhân tạo người ta phải làm lạnh bể quay tơ xuống nhiệt độ thấp đúng yêu cầu công nghệ thì chất lượng mới đảm bảo. Cao su và các chất dẻo khi hạ nhiệt độ xuống thấp sẽ trở nên dòn và dễ vỡ như thuỷ tinh. Nhờ đặc tính này người ta có thể chế tạo được cao su bột. Khi hoà trộn với bột sắt để tạo nên cao su từ tính hoặc hoà trộn với phụ gia nào đó có thể đạt được độ đồng đều rất cao. Trong công nghiệp hoá chất cũng sử dụng lạnh rất nhiều trong các quy trình sản xuất khác nhau để tạo ra nhiệt độ lạnh thích hợp nhất cho từng hoá chất. 1.2.2.1 Tách các chất từ các hỗn hợp 1. Hỗn hợp khí - hơi Tách hỗn hợp khí - hơi chủ yếu bằng phương pháp ngưng tụ hơi. Mục đích là để sản xuất hơi hoặc khí tinh khiết. 14
Trường hợp này thường gặp khi cần tách các chất khí trong quá trình cracking dầu mỏ. Trong quá trình này các phân tử hyđrô cacbon lớn dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao cùng các chất xúc tác được tách ra thành các phân tử nhỏ. Hỗn hợp khí thu được gồm hai nhóm chính: Mê tan cùng các hyđrô cacbon nhẹ và êtan với các hyđrô cacbon nặng. Việc tách hai nhóm các chất đó được thực hiện nhờ ngưng tụ và sau đó chưng cất dưới áp suất từ 10÷35 bar và nhiệt độ tới -100oC với êtylen là môi chất lạnh. Sản phẩm thu được là êtylen, propylen và các ôlefin khác nhau. Êtylen cũng có thể sản xuất bằng phương pháp này từ khí lò cốc. Để sản xuất polyêtylen cần có êtylen với độ nguyên chất cao do đó thành phần axêtylen trong khí thô cần phải được ngưng tụ để tách ra. Amôniắc cũng có thể sản xuất bằng phương pháp ngưng tụ hổn hợp khí lò. Để có thể ngưng tụ hơi NH3 cần có nhiệt độ -50 đến - 60oC. Trong thiết bị chiết suất làm việc với hexan là dung môi, thì hexan được ngưng tụ từ không khí và được thu hồi lại. Đối với khí thiên nhiên để đem sử dụng cần thiết phải khử hiđrô sunfua, quá trình khử đó cũng được thực hiện bằng phương pháp ngưng tụ ở nhiệt độ thấp. Mức độ hoà tan của các khí CO2, H2S và nhiều loại chất khí khác vào metanol phụ thuộc vào nhiệt độ rất nhiều. Nhiệt độ càng thấp metanol có khả năng hấp thụ các chất đó càng lớn. ứng dụng các tính chất đó người ta sử dụng metanol để rửa và làm sạch các chất khí thô ở áp suất cao. Quá trình rửa thực hiện ở áp suất 20 bar và nhiệt độ o o o -75 C. Khi hấp thụ CO2, nhiệt độ metanol tăng từ -75 C lên -20 C. o Sau khi giãn nở, CO2 bay hơi và nhiệt độ mêtanol giảm từ -20 C xuống -75oC như cũ. Với nhiệt độ thấp như vậy mêtanol lại được bơm lại tháp rửa. Phương pháp này cũng có thể áp dụng để hấp thụ axêtylen trong công nghệ sản xuất axêtylen từ các khí pyrolyse. 2. Hỗn hợp lỏng Rất nhiều hỗn hợp lỏng có các nhiệt độ sôi của các thành phần rất gần nhau nên tách các chất đó bằng chưng cất rất khó khăn. 15
Ngược lại nhiệt độ đông đặc của chúng cách nhau tương đối xa cho phép có thể dễ dàng tách chúng bằng phương pháp tinh thể hoá phân đoạn. Ví dụ đối với trường hợp xylol thô, trong đó có chứa mêta-, ortho- và paraxylol, etylbenzol và các hiđrô cacbon khác. Sản phẩm chính là paraxylol, nguyên liệu chính để sản xuất sợi tổng hợp polyester. Trong quá trình này, chủ yếu paraxylol được kết tinh ra khỏi xylol thô bằng cách làm lạnh gián tiếp trong thiết bị kết tinh kiểu nạo. o Môi chất lạnh trong trường hợp này là R13, nhiệt độ sôi khoảng -80 C. Phương pháp kết tinh mới để thu paraxylol là sử dụng cacbonic lỏng bay hơi trực tiếp ở nhiệt độ -60oC đến -65oC. Phương pháp phun môi chất lạnh lỏng trực tiếp vào thiết bị kết tinh cũng được sử dụng để sản xuất phân bón hoá học nitrophotphat. Phương pháp làm lạnh gián tiếp qua một ống xoắn ruột gà, hệ số toả nhiệt sẽ bị giảm mạnh do các tinh thể bám vào bề mặt trao đổi nhiệt. Nếu phân phối đều môi chất lạnh lỏng, butan hoặc propan từ phía dưới để làm lạnh trực tiếp thùng kết tinh có tác dụng rất tốt cả về mặt làm lạnh và cả về mặt kết tinh vì các chất lỏng hoá hơi tạo thành các bọt khí nổi lên trên làm chất lỏng bị xáo động mạnh, hệ số toả nhiệt lớn. Trong công nghiệp lọc dầu theo phương pháp Edeleanu các hyđrô cacbon giàu cacbon bị loại bỏ bằng SO2 lỏng ở nhiệt độ khoảng o -10 C do SO2 có khả năng hoà tan chọn lọc. Tách parafin ra khỏi dầu cũng là một ứng dụng khác của kỹ thuật lạnh trong công nghiệp lọc dầu. Để tách parafin người ta sử dụng một dung môi pha loãng dầu sau đó làm lạnh trong thiết bị làm lạnh chất lỏng kiểu nạo ở nhiệt độ khoảng -30oC. 1.2.2.2 Điều khiển tốc độ phản ứng Một số phản ứng toả nhiệt xảy ra một cách chậm chạp do đó phải có phương pháp thải nhiệt cho phản ứng hoặc đôi khi chỉ cần làm lạnh sơ bộ các chất lỏng tham gia phản ứng. Ví dụ trong quá trình sản xuất xà phòng hoặc các chất tẩy rửa chỉ cần làm lạnh dung dịch kiềm natri xuống khoảng +10oC là đủ. Đôi khi làm lạnh trực tiếp bằng nước 16
đá cũng mang lại hiệu quả nhất định. Ví dụ trong quá trình sản xuất các chất màu tổng hợp gốc nitơ người ta cho 4 kg nước đá vào mỗi kg sản phẩm tham gia phản ứng, các phản ứng sẽ tiến hành nhanh chóng do được làm lạnh đều đặn. Trong việc tổng hợp vi tamin A, phản ứng xảy ra chỉ trong một vài phần trăm giây ở nhiệt độ trong phòng. Vì trong khoảng thời gian quá ngắn đó không có khả năng thải nhiệt cho phản ứng nên người ta tiến hành phản ứng ở nhiệt độ thấp. Ví dụ khi cho phản ứng ở -55oC thì thời gian phản ứng kéo dài đến 01 phút. Nhiệt toả ra từ phản ứng được thải đi chủ yếu nhờ bay hơi amôniắc. Amôniắc đóng vai trò chất dung môi trong thùng phản ứng. Ngoài ra, thùng phản ứng còn được làm 2 vỏ và từ ngoài thùng được làm lạnh bằng amôniắc. Trong công nghệ sản xuất cao su tổng hợp người ta cũng đưa thẳng môi chất lạnh vào thùng phản ứng và tuỳ theo sản phẩm ra mà yêu cầu nhiệt độ lạnh khác nhau trong thùng phản ứng. Ví dụ khi polyme hoá hỗn hợp isobutylen và isobutylen-isopren người ta cho etylen lỏng chảy vào thùng phản ứng. Trong quá trình polyme hoá êtylen lỏng bay hơi và duy trì nhiệt độ cần thiết của phản ứng ở nhiệt độ khoảng -100oC. Hơi êtylen được một máy lạnh hoá lỏng trở lại và làm sạch qua chưng cất. Thiết bị hoá lỏng etylen thường sử dụng propan làm môi chất lạnh. Trong các trường hợp khác, thùng phản ứng chỉ cần được làm lạnh từ ngoài bằng amôniắc lỏng sôi trong thùng hai vỏ. Khi polyme hoá ở nhiệt độ thấp, các tính chất của sản phẩm được cải thiện. Ví dụ sợi nhân tạo PVC không bị co ngót ở trong nước nóng khi polyme hoá ở -20 đến -60oC 1.2.2.3 Lưu kho và vận chuyển hoá chất 1. Các loại hoá chất. Các sản phẩm hút ẩm phải được bảo quản trong phòng nhiệt độ thấp để chúng không bị hút ẩm. Ví dụ phân bón nhân tạo cần có các hạt urê bề mặt nhẵn bóng và rắn đường kính 1,5 đến 2mm, rất dễ lắc. Nếu bảo quản các hạt urê đó trong không khí ẩm thì chúng sẽ hút ẩm trong không khí và sẽ dính kết vào nhau. 17
Trong công nghiệp chất dẻo người ta thường sử dụng loại axít acryl. Hoá chất này có thể gây cháy nổ do polyme hoá ở nhiệt độ thường. Khi bảo quản lạnh có thể tránh được nguy cơ cháy nổ. Axêtylen có thể chuyên chở thuận lợi hơn nhiều khi hoà tan vào dung môi axêtôn ở nhiệt độ thấp. Ví dụ ở nhiệt độ -80oC có thể hoà tan 2000m3 tiêu chuẩn axêtylen vào 1m3 axêtôn. Bảo quản diboran B2H6 lỏng thuận lợi hơn sau khi hoá lỏng ở áp suất 8,5 bar và nhiệt độ -60oC. 2. Khí hoá lỏng. Hoá lỏng, lưu giữ và vận chuyển khí đốt thiên nhiên hoặc khí mỏ thuộc về lĩnh vực kỹ thuật cryô, ở đây chỉ điểm qua ngắn gọn. Khí thiên nhiên chủ yếu là mê tan, sôi ở -161oC và có nhiệt lượng lớn hơn hẳn khí thành phố. Vì không để lại cặn khi cháy, khí thiên nhiên được coi là nhiên liệu rất thích hợp cho các động cơ đốt trong. Các nguồn khí mỏ được tìm thấy ở nhiều nước trên thế giới. Từ nơi khai thác trên biển, khí mỏ được đưa vào đất liền đến các nới tiêu thụ bằng đường ống. Để vận chuyển bằng đường biển khí cần được hoá lỏng nhờ làm lạnh. Do khí thiên nhiên có áp suất rất cao khi khai thác từ các mũi khoan nên có thể dãn nở trong ống xoắn để sản xuất lạnh mà không tốn kém gì. Có nhiều phương pháp hoá lỏng khí thiên nhiên. Phương pháp được ứng dụng rộng rãi nhất là phương pháp làm lạnh nhờ các máy ghép tầng, trong đó các cấp trên môi chất lạnh là etylen và propan. Có thể sử dụng các phương pháp làm lạnh gián tiếp để hoá lỏng khí thiên nhiên. Một trong những phương pháp làm lạnh gián tiếp là nén khí lên trên áp suất tới hạn sau đó đưa vào làm lạnh gián tiếp bằng môi chất lạnh, ví dụ như êtan. Sau đó khí được dãn nở và một phần khí được hoá lỏng. Hình 1-2 giới thiệu chu trình hoá lỏng khí thiên nhiên bằng máy lạnh ghép tầng. Chu trình cổ điển thông dụng (hình 1-2a) có nhược điểm là quá nhiều thiết bị với nhiều loại máy nén, thiết bị trao đổi nhiệt, đường ống vv làm cho công tác vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa gặp khó khăn, đặc biệt khi tải dao động và việc hút hơi lạnh về máy nén. Công việc tự động hoá cũng gặp khó khăn. 18
5 4 5 2 1 1 288K 293K; 6,8MPa 293K, 0,86MPa 3 7 6 6 NH3 233K, 0,07MPa 238K; 1,66MPa 238K 233K 7 6 6 C2H4 3 170K, 0,1MPa 173K 170K 6 6 6 7 0,1MPa 112K 7 a) b) 1-Khí thiên nhiên vào; 2- Máy nén khí thiên nhiên; 3- Máy nén lạnh; 4- Máy nén lạnh hỗn hợp môi chất; 5- Bình ngưng; 6- Thiết bị trao đổi nhiệt; 7- Van tiết lưu Hình 1-2: Chu trình ghép tầng hoá lỏng khí thiên nhiên Một giải pháp tích cực là ứng dụng hỗn hợp môi chất lạnh được viết tắt là phương pháp ARC (Auto-Refrigerated Cascade). Hỗn hợp môi chất lạnh gồm nitơ, mêtan, êtan, propan và butan được nén trong máy nén 4 và được hoá lỏng theo thứ tự từng thành phần. Bằng cách tiết lưu và cho bay hơi từng thành phần đó khí thiên nhiên được làm lạnh dần đến 120oK rồi hoá lỏng một phần khi qua tiết lưu 7. Hiện nay nhiều nhà máy hoá lỏng khí thiên nhiên có năng suất rất lớn làm việc theo phương pháp ARC này. Ví dụ nhà máy hoá lỏng khí Badak (Inđônêxia) có năng suất 250.000m3 tiêu chuẩn trong một giờ và nhà máy hoá lỏng Arzew (Angiêri) có năng suất 1.200.000 m3/h. Khí thiên nhiên hoá lỏng được ký hiệu là LNG (Liquefied Natural Gas) có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển khoảng -160oC, bởi 19
vậy khí hoá lỏng cần được chứa và vận chuyển trong các bình cách nhiệt tốt. Người ta đã bảo quản khí hoá lỏng trong nền đất đông cứng. Phương pháp này tỏ ra có hiệu quả kinh tế. Bình chứa đặt trong nền đất đông cứng đã sử dụng có sức chứa lên tới 40.000 m3. Khí hoá lỏng từ dầu thô LPG (Liquefied Petroleum Gas) có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển cao hơn nhiều. Khí PLG là sản phẩm thu được khi chế biến dầu thô và bao gồm chủ yếu các thành phần propan, n-butan và isobutan. Các chất này là thể khí ở nhiệt độ môi trường nhưng chỉ cần nén lên áp suất vừa phải là chúng đã hoá lỏng vì nhiệt độ tới hạn của chúng lớn hơn nhiệt độ môi trường nhiều. Các khí lỏng cũng được bảo quản và vận chuyển bằng các bình. Ngày nay người ta gọi nhiều khí có nhiệt độ tới hạn cao hơn nhiệt độ môi trường, khi được hoá lỏng là khí hoá lỏng như amôniắc, butadien, clo vv Trong một bình kín chứa khí lỏng, hơi và lỏng ở trạng thái cân bằng, bởi vậy áp suất trong bình phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Trong khi vận chuyển khí lỏng người ta phân biệt ba loại áp suất: áp suất đầy, áp suất giảm và áp suất khí quyển. Chuyên chở với áp suất đầy nghĩa là các chai không được làm lạnh, áp suất trong chai là áp suất bão hoà tương ứng với nhiệt độ môi trường. Các chai thường được thiết kế cho áp suất cao nhất lên tới 17 bar, nghĩa là khi chuyên chở propan, nhiệt độ ngoài trời có thể lên tới khoảng 45oC. Hình dáng của các bình chứa rất khác nhau nhưng thông thường có dạng hình trụ nằm hoặc đặt đứng (đặt trong các khoang tàu thuỷ), đôi khi cả hình cầu. Các bình chứa này rất nặng nên thường được chế tạo không quá 1000 Tấn. Chuyên chở với kiểu áp suất giảm thuận lợi hơn vì áp suất trong bình không quá cao nhưng phải có hệ thống làm lạnh kèm theo. Các bình khí hoá lỏng được làm lạnh đến một nhiệt độ thuận lợi nào đó để áp suất trong bình không quá cao. Do được làm lạnh nên các bình chứa này phải được bọc cách nhiệt để giữ lạnh. Do khối lượng riêng ở nhiệt độ thấp lớn hơn nên với cùng thể tích bình, phương pháp áp suất giảm chứa được nhiều khí hoá lỏng hơn. Các bình chứa áp suất giảm được thiết kế cho áp suất tối đa 10 bar. Nhiệt độ thấp nhất cho phép tuỳ theo vật liệu chế tạo mà tiêu chuẩn cho phép. 20
Do có tổn thất qua lớp cách nhiệt của bình nên để duy trì áp suất bình cần trang bị hệ thống lạnh hoặc tiến hành tái làm lạnh khí hoá lỏng như hình 1-3. 2 3 4 1 1- Bình chứa khí hoá lỏng; 2- Máy nén; 3- Bình tái ngưng tụ; 4- Van tiết lưu Hình 1-3: Sơ đồ tái hoá lỏng khí thiên nhiên Trên sơ đồ này, phần lỏng đã hoá hơi được máy nén 2 hút về và nén lên áp suất và nhiệt độ cao, sau đó đưa vào bình tái ngưng tụ 3 để ngưng lại thành lỏng, lỏng được tiết lưu để giảm áp suất và nhiệt độ xuống áp suất nhiệt độ trong bình. Để tránh làm bẩn khí lỏng ở bình 1 do dầu bôi trơn máy nén lẫn vào, người ta sử dụng máy nén không cần dầu bôi trơn. Đề phòng trường hợp có khí không ngưng trong bình chứa cần có thiết bị xả khí không ngưng. Chuyên chở khí lỏng với áp suất khí quyển cũng còn được gọi là chuyên chở khí lỏng được làm lạnh hoàn toàn. áp suất trong bình chỉ cao hơn áp suất khí quyển tối đa là 0,3 bar. Nhiệt độ của khí hoá lỏng trong bình gần bằng nhiệt độ bão hoà theo áp suất khí quyển hay nhiệt độ sôi ở áp suất thường bởi vậy bình chứa cần được bọc cách nhiệt tốt. Do không chịu áp lực nên vách bình không cần dày và hình dáng có thể tuỳ theo kho chứa hoặc khoang tàu thuỷ. Thực tế cho thấy máy lạnh lắp đặt trên tàu và cả trên đất liền để làm lạnh một phần hoặc làm lạnh hoàn toàn khí lỏng trong bình chứa tiêu tốn năng lượng lớn hơn nhiều lần phương pháp tái hoá lỏng. 21
Để làm lạnh khí lỏng đến -50oC cần một máy lạnh hai cấp với khí lỏng đồng thời làm môi chất lạnh. Khi chuyên chở êtylen lỏng ở nhiệt độ -100oC cần trang bị một máy lạnh ghép tầng, tầng dưới lấy êtylen và tầng trên lấy R22 làm môi chất lạnh. Nếu chọn R13B1 thì bình bay hơi ghép tầng không phải làm việc với áp suất chân không. 1.2.3 ứng dụng trong điều hoà không khí Ngày nay kỹ thuật điều hoà được sử dụng rất rộng rãi trong đời sống và trong công nghiệp. Khâu quan trọng nhất trong các hệ thống điều hoà không khí đó là hệ thống lạnh Máy lạnh được sử dụng để xử lý nhiệt ẩm không khí trước khi cấp vào phòng. Máy lạnh không chỉ được sử dụng để làm lạnh về mùa hè mà còn được đảo chiều để sưởi ấm mùa đông. Điều hoà không khí được sử dụng với 2 mục đích: - Phục vụ cuộc sống tiện nghi của con người (Hệ thống điều hoà trong đời sống, dân dụng). - Phục vụ các quá trình sản xuất (Hệ thống điều hoà công nghiệp). 1.2.3.1. Các hệ thống điều hoà trong đời sống dân dụng Hiện nay các hệ thống điều hoà được sử dụng rất rộng rãi ở các hộ gia đình, trong các công sở, cơ quan, nhà máy, xí nghiệp, khách sạn, ngân hàng, nhà thi đấu thể thao, hội trường, rạp chiếu bóng, rạp hát vv nhằm phục vụ cuộc sống tiện nghi của con người. Nhiệt độ thích hợp đối với con người là khoảng từ 22oC đến 29oC. Tuy nhiên khí hậu quanh năm luôn luôn thay đổi, mùa hè nước ta nhiều nơi nhiệt độ có thể đạt 40oC. Làm việc trong những điều kiện như vậy rất khó chịu và ảnh hưởng nhất định đến hiệu quả và chất lượng công việc. Ngược lại mùa đông, nhiệt độ có thể hạ xuống 10oC. Hiện nay người ta sử dụng nhiều hệ thống điều hoà khác nhau trong đời sống như: Máy điều hoà dạng cửa sổ, máy điều hoà 2 mãnh, 22
máy điều hoà kiểu VRV, máy điều hoà làm lạnh bằng nước và máy điều hoà trung tâm. Đối với các hộ gia đình, thích hợp nhất là các máy điều hoà công suất nhỏ như loại cửa sổ và máy điều hoà 2 mãnh. 1.2.3.2. Các hệ thống điều hoà trong công nghiệp Trong nhiều ngành công nghiệp để sản xuất ra các sản phẩm có chất lượng kỹ thuật cao đòi hỏi phải duy trì nhiệt độ, độ ẩm trong một giới hạn nhất định. Ví dụ như trong ngành cơ khí chính xác, thiết bị quang học, trong công nghiệp bánh kẹo, trong ngành điện tử vv Trong các ngành công nghiệp nhẹ điều hoà không khí cũng được sử dụng nhiều như trong công nghiệp dệt, công nghiệp thuốc lá vv Mỗi loại sản phẩm đòi hỏi sản xuất trong những điều kiện nhiệt độ, độ ẩm khác nhau, ví dụ như: - Kẹo sôcôla: 7 ÷ 8 oC - Kẹo cao su: 20oC - Bảo quản rau quả : 10oC - Đo lường chính xác: 20 ÷ 24 oC - Công nghiệp dệt: 20 ÷ 32oC - Chế biến thực phẩm: Nhiệt độ càng thấp càng tốt, khoảng 5÷10oC Các hệ thống điều hoà không khí trong công nghiệp chủ yếu là các hệ thống công suất lớn như kiểu VRV, máy điều hoà làm lạnh bằng nước và máy điều hoà trung tâm. 1.2.4 ứng dụng trong siêu dẫn Một ứng dụng rất quan trọng của kỹ thuật lạnh là sử dụng trong kỹ thuật siêu dẫn. Người ta nhận thấy khi làm lạnh các chất dẫn điện xuống nhiệt độ rất thấp thì điện trở của nó bằng 0. Thông thường nhiệt độ đó rất thấp. Khi dây đạt được nhiệt độ siêu dẫn thì có thể sử dụng vật liệu dẫn điện mà không gây ra tổn thất điện năng trên đường dây. Trong 23
trường hợp đó có thể ứng dụng để tạo ra các nam châm cực lớn trong các máy gia tốc của nhà máy điện nguyên tử, nhiệt hạch, đệm từ cho các tàu cao tốc, nam châm điện của các cầu cảng vv Ngày nay trong các phòng thí nghiệm người ta đã nghiên cứu được các hợp kim có thể đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cao, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi kỹ thuật siêu dẫn. 1.2.5 ứng dụng trong y tế và sinh học cryô 1.2.5.1 ứng dụng trong y tế Các ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong y tế rất phong phú, từ việc điều hoà trong các bệnh viện, bảo quản thuốc trong các buồng lạnh, đến bảo quản các bộ phận cơ thể. 1. Bảo quản máu và các bộ phận cấy ghép Ngày nay, trong các bệnh viện nhu cầu về máu rất cao. Máu được bảo quản trong các tủ lạnh có nhiệt độ +4oC. Tuy nhiên thời gian bảo quản bị hạn chế chỉ trong vài tuần lễ, sau đó bắt đầu quá trình tan rã hồng cầu (quá trình hemolyse). Để bảo quản lâu vài tháng cần tách plasma khỏi hồng cầu. Các bộ phận xương dùng cấy ghép cần duy trì trong tủ lạnh nhiệt độ thấp, nhiệt độ bảo quản càng thấp thời gian bảo quản càng lâu. ở nhiệt độ +2 đến +4oC thời gian bảo quản từ một đến hai tuần, ở nhiệt độ -18oC có thể giữ được trong 6 tuần. Hiện nay người ta bảo quản xương, các bộ phận cấy ghép ở -70oC. Các bộ phận cấy ghép có thể được bảo quản bằng phương pháp sấy thăng hoa. Như vậy không cần bảo quản và vận chuyển lạnh. Phương pháp sấy thăng hoa giữ một vị trí quan trọng trong kỹ thuật bảo quản các bộ phận cấy ghép lên cơ thể. Ngày nay, thế giới đang phát triển mạnh ngành vi phẩu thuật, để giải quyết tốt hàng loạt các ca phức tạp như ghép dây thần kinh, ghép nối các mạch máu, can thiệp trực tiếp vào các túi phồng mạch máu não, nối các mạch máu da đầu và mạng lưới huyết quản nuôi dưỡng não, tái lập sự lưu thông của hệ thống động mạch vành tim 24
vv thì việc bảo quản sẵn sàng các phẩm vật sinh học để kịp thời thay thế là một nhu cầu rất cấp thiết. Một số thuốc quí đòi hỏi bảo quản ở nhiệt độ từ –15oC đến – 25oC, ví dụ như cao gan, sữa ong chúa, các loại thuốc kháng sinh, vv Hầu hết các thuốc còn lại cần phải bảo quản trong điều kiện nhiệt độ thấp 2. Hạ thân nhiệt nhân tạo Trong y tế người ta còn sử dụng lạnh trong phẩu thuật với những mục đích chủ yếu sau: - Làm lạnh cục bộ tại nơi phẩu thuật để gây tê, giảm đau cho bệnh nhân. - Giảm trao đổi chất để ngừng vòng tuần hoàn máu khi phẩu thuật. - Gây ngủ nhân tạo, để phẩu thuật. - ướp xác chết phục vụ khám, xét nghiệm tử thi hoặc chờ mai táng. Trong các khoa răng hàm mặt người ta sử dụng các dao mổ lạnh chuyên dùng, có tác dụng làm giảm đau khi nhổ răng. Trong khoa mắt người ta sử dụng kỹ thuật lạnh đông để lấy thuỷ tinh thể bị đục ra khỏi mắt do vậy hiệu quả chữa bệnh nâng lên rất cao. Đối với o các bệnh nhân ung thư, người ta dùng N2 lỏng đạt nhiệt độ –196 C bơm bào khối ung thư để diệt những mô ung thư ở đó và loại trừ hoàn toàn khả năng lan truyền của tế bào ung thư trong cơ thể. Dùng những dụng cụ âm sâu cho phép khử những u ác tính ở những vị trí khó phẩu thuật của cơ thể, loại trừ khả năng di căn, hạn chế đau đớn. Một số động vật có giấc ngủ đông trong khoảng thời gian rất lâu mà vẫn duy trì được sự sống. Muốn vậy động vật thường hạ thân nhiệt xuống nhiệt độ khá thấp, xấp xỉ nhiệt độ môi trường để giảm trao đổi chất trong cơ thể. Con người nếu được giảm thân nhiệt nhân tạo, sự trao đổi chất trong cơ thể giảm xuống đáng kể, nhịp đập của tim giảm xuống. Giảm trao đổi chất trong cơ thể và qua đó giảm tiêu hao ôxi là rất cần thiết trong khi mổ tim. Trong suốt quá trình mổ tim, vòng tuần hoàn máu phải ngừng hoạt động nhưng không được gây ra bất kỳ tổn 25
hại nào. Ngay ở nhiệt độ cơ thể 28oC có thể dừng tuần hoàn máu trong thời gian 8 phút để tiến hành mổ tim. Để làm lạnh (hạ thân nhiệt) một bệnh nhân đã gây mê có thể tiến hành theo nhiều cách, ví dụ như nhúng vào hỗn hợp nước và nước đá hoặc quấn quanh thân một tấm mền lạnh. Từ cách thử nghiệm trên súc vật người ta đã xây dựng được một thiết bị dùng hạ thân nhiệt và được điều chỉnh rất dễ dàng. Bệnh nhân được đặt trong một khoang nhỏ có gió lạnh lưu thông, khoang được làm bằng chất dẻo trong suốt, bên dưới bố trí dàn lạnh và quạt gió. Không khí được làm lạnh xuống +4oC ở cửa vào. Nhiệt độ gió có thể điều chỉnh xuống -2oC. Toàn bộ các thiết bị khác của hệ thống lạnh như máy nén, dàn nóng, tủ điện, đường ống được bố trí ở phía dưới hộp chất dẻo, toàn bộ được đặt trên xe nên di chuyển dễ dàng. Ngoài ra để hạ thân nhiệt người ta còn sử dụng phương pháp bức xạ, bằng cách đặt bệnh nhân vào trong một chiếc hộp, bề mặt xung quanh hộp được làm lạnh sâu bằng polyêtylen. Nhiệt bức xạ từ cơ thể được bề mặt lạnh hấp thụ, nhưng giảm thành phần tổn thất lạnh do đối lưu và hiện tượng ngưng tụ. Trong các ca mổ khó khăn đòi hỏi thời gian mổ kéo dài, nhiệt độ thân nhiệt đòi hỏi hạ thấp hơn nhiều. Tuy nhiên khi hạ nhiệt độ xuống thấp 28 đến 26oC có nhiều nguy cơ không thể đưa tim hoạt động trở lại được. Vì vậy người ta sử dụng phương pháp khác. Trong trường hợp này người ta sử dụng phương pháp làm lạnh riêng vòng tuần hoàn máu. Máu được đưa vào ống xoắn đặt trong dung dịch chất lỏng lạnh và được một bơm máu (thay chức năng của tim) bơm tuần hoàn như bình thường. Tim được đưa ra khỏi vòng tuần hoàn để mổ. Bằng phương pháp này, người ta có thể đưa thân nhiệt xuống đến 13oC thậm chí thấp hơn. Tốc độ làm lạnh phù hợp được ghi nhận là 1K/phút. Làm lạnh máu được tiến hành gián tiếp qua nước lạnh để đề phòng trường hợp nhiệt độ máu giảm xuống 2oC. Nước lạnh được sản xuất trong máy làm lạnh nước có phủ băng để giữ nhiệt độ không đổi khi chảy vào bình làm lạnh máu. Trong quá trình làm ấm sau khi mổ nước nóng có nhiệt độ 42oC được cho chảy vào bình trao đổi nhiệt để làm ấm máu. 26
1.2.5.2 Kỹ thuật cryô Kỹ thuật lạnh ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nông, lâm nghiệp, sinh học, vi sinh vv Kỹ thuật lạnh thâm độ còn gọi là kỹ thuật cryô (-80÷-196oC) đã hổ trợ đắc lực cho việc lai tạo giống, bảo quản tinh đông, gây đột biến hoặc các kỹ thuật khác trong lai tạo giống. Nhờ kỹ thuật cryô mà từ một con bò đực người ta đã có thể thụ tinh cho hàng vạn con cái khác nhau, ngay cả sau khi đã chết hàng chục năm. ở Mỹ hiện nay có hàng chục bệnh nhân bị các chứng bệnh nan y đang được ướp sống chờ đến khi con người có khả năng chữa trị căn bệnh đó từ người bệnh, người ta sẽ phục hồi lại và bệnh nhân có thể sống lại được. Nếu thành công có thể ngừng cuộc sống trong một thời gian nhất định. Tuy nhiên, hiện nay vẫn còn vấn đề kỹ thuật chưa giải quyết được, đó là tế bào thần kinh của các động vật máu nóng không thích hợp với môi trường lạnh nên nếu xác ướp được làm sống lại được thì tâm tư tình cảm sẽ hoàn toàn thay đổi. Đây là nguyên nhân hạn chế sự phát triển của kỹ thuật ướp xác sống bằng lạnh sâu. 1.2.6 ứng dụng trong kỹ thuật đo và tự động áp suất bay hơi của một chất lỏng luôn phụ thuộc vào nhiệt độ vì vậy người ta ứng dụng hiện tượng này trong các dụng cụ đo lường như đồng hồ áp suất, nhiệt kế, trong các rơ le áp suất vv Hiệu ứng nhiệt điện phản ánh mối quan hệ của độ chênh nhiệt độ 2 đầu cặp nhiệt với dòng điện chạy qua mạch cặp nhiệt điện. ứng dụng hiện tượng này người ta đã tạo ra các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất hoặc thiết bị điều khiển tự động. 27
1.2.7 ứng dụng trong thể thao Trong một số bộ môn thi đấu trong nhà người ta duy trì nhiệt độ thấp để không làm ảnh hưởng tới sức khoẻ và nâng cao thành tích của vận động viên. Trong hầu hết các nhà thi đấu đều có trang bị các hệ thống điều hoà không khí. Trong thể thao kỹ thuật lạnh được ứng dụng khá rộng rãi. Trong môn trượt băng nghệ thuật, để tạo ra các sân băng người ta dùng hệ thống lạnh để tạo băng theo yêu cầu. 1.2.7.1 Hệ thống làm lạnh sân băng Trước đây để làm lạnh các sân băng người ta thường hay sử dụng nước muối làm chất tải lạnh. Nước muối có nhiệt độ khoảng - 10oC và nhiệt độ môi chất lạnh nằm trong khoảng -15 đến -17oC. Do chiều dài ống rất lớn nên không thể phân bố nhiệt độ đều ở tất cả mọi vị trí trên sân băng. Lý do khác là do tiết kiệm nên công suất bơm tuần hoàn nước bị hạn chế. Nhiệt độ vào và ra của nước muối chênh nhau khoảng 3 đến 4K. Một nhược điểm nữa của hệ thống dùng nước muối là luôn luôn phải kiểm tra sự rò rỉ của nước muối, đề phòng hoen rỉ kết cấu nền và gây rả băng. Khi nước muối rò rỉ ra lớp băng, nhiệt độ đông đặc của hỗn hợp nước muối giảm nên băng bị chảy ra. Hình 1-4 và hình 1-5 mô tả sơ đồ hệ thống lạnh và sơ đồ hệ thống cấp nước muối làm lạnh sân băng. 4 -8°C-10°C 1 2 -10°C 3 1- Sân băng; 2- Bơm nước muối; 3- Bể nước muối; 4- Nước muối vào ra Hình 1-4: Sơ đồ làm lạnh sân băng bằng nước muối 28
Ngày nay người ta thường sử dụng hệ thống lạnh làm lạnh trực tiếp sân băng do đó có thể khắc phục được các nhược điểm của hệ thống sử dụng nước muối làm chất tải lạnh, ngoài ra còn phát huy các ưu điểm sau: - Nhiệt độ bay hơi trực tiếp -10oC cao hơn 5 đến 7K so với dùng nước muối nên tiêu tốn năng lượng cho máy nén giảm 25 đến 35%. - Bơm tuần hoàn môi chất lạnh tiêu tốn năng lượng chỉ bằng 15 đến 25% năng lượng tiêu tốn cho bơm nước muối vì khối lượng tuần hoàn rất nhỏ. - Các đường ống sân băng đỡ bị han rỉ hơn rất nhiều. - Nhiệt độ ở mọi vị trí sân băng bằng nhau. 1.2.7.2 Tính toán tải lạnh sân băng Tải lạnh sân băng bao gồm các thành phần sau: - Dòng nhiệt truyền từ nền đất lên: ở trạng thái cân bằng dòng nhiệt này tương đối nhỏ. - Dòng nhiệt từ không khí: Dòng nhiệt từ không khí bao gồm cả dòng nhiệt hiện lẫn nhiệt ẩn, tuỳ thuộc vào tốc độ không khí, nhiệt độ không khi trên bề mặt băng. Để có một lớp không khí lạnh ở trên có thể làm tường bao chung quanh sân băng cao hơn. Đối với sân băng trong nhà, tốc độ không khí vừa phải có thể tính với hệ số truyền nhiệt k = 0,11 W/m2.K - Dòng nhiệt bức xạ mặt trời: ở các nước ôn đới sân băng có thể xây dựng ngoài trời, nhưng ở Việt Nam chắc chắn phải có mái che nên có thể bỏ qua thành phần này. 29
5 8 2 3 6 1 7 4 1- Bình chứa NH3; 2- Máy nén lạnh; 3- Bình tách dầu; 4- Bình làm mát dầu; 5- Bình ngưng; 6- Thiết bị tiết lưu; 7- Bơm NH3; 8- Sân băng Hình 1-5: Sơ đồ làm lạnh sân băng trực tiếp bằng môi chất lạnh - Kết đông lớp băng mới thay vào lớp băng đã sử dụng. Đối với sân băng có đông khách, kích thước 30 x 60 m mỗi giờ phải thay chừng 2m3 Bảng 1-6: Thông số một số sân trượt băng trên Thế giới Nước, địa điểm, tên Loại Hệ Diện tích L x d Công sân sân thống sàn, m2 km/mm suất lạnh lạnh * Liên xô - Matxcơva - Công viên thiếu nhi Hở Trực tiếp 10x12 =120 0,6 / 29 50.000 - Sân vận động thiếu nhi Kín Trực tiếp 20x30=300 2,3/29 225.000 - “ “ “ Hở “ 31x60=1860 18/29 900.000 - Cung thể thao Kín Gián tiếp 31x60=1860 18/45 1200.000 * Ba Lan - Catovit Hở “ 2400 ống elip 350.000 * Mỹ Kín Trực tiếp 18,5x36=666 8,7/16 250.000 * Tiệp khắc cũ – Praha - Cung thể thao Kín Gián tiếp 30x61=1830 - Sân vận động mùa Hở “ 30x72=2160 560.000 đông * Thuỵ sĩ - Baden Hở “ 75x80=6000 84 1.000.000 - Genevơ Kín Trực tiếp 26x60=1560 16/32 360.000 30
Tính toán nhiệt cho sân băng là khá phức tạp vì tải lạnh phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện không khí bên ngoài. Sau đây là một vài số liệu định hướng cho một số tháng mùa đông và tháng gối đầu ở các nước ôn đới: - Sân băng mùa đông ngoài trời: 180÷290 W/m2 - Sân băng trong nhà mùa hè: 350÷470 W/m2 - Sân băng có mái che mùa hè: 470 ÷700 W/m2 Đối với Việt Nam con số này phải cao hơn, do điều kiện nhiệt độ bên ngoài thường cao hơn các nước ôn đới nhiều. Bảng 1-6 là thông số của một số sân băng trên thế giới. 1.2.8 ứng dụng trong sấy thăng hoa Vật sấy được làm lạnh xuống dưới -20oC và được sấy bằng cách hút chân không. Đây là một phương pháp hiện đại và không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Vật phẩm hầu như được rút ẩm hoàn toàn khi sấy nên sản phẩm trở thành bột bảo quản và vận chuyển dễ dàng. Giá thành sản phẩm cao nên người ta chỉ ứng dụng để sấy các vật phẩm đặc biệt như các dược liệu quý hiếm, máu, các loại thuốc, hócmôn. Quá trình thực hiện theo tuần tự sau: đầu tiên người ta kết đông sản phẩm xuống khoảng –20oC, sau đó rút nước ra sản phẩm bằng cách thăng hoa các tinh thể nước hoá đá trong sản phẩm nhờ hút chân không cao. * Đông khô các loại vác xin Do giữ được các tính chất tươi sống, các hoạt tính sinh học, đặc hiệu vv . nên kỹ thuật đông khô được sử dụng để sản xuất các loại vắc xin đông khô cho người và gia súc. Hiện nay ở nước ta người ta đã sử dụng rất phổ biến kỹ thuật này như ở Viện vệ sinh và dịch tể Hà Nội, Viện Pasteur thành phố Hồ Chí Minh, Viện sản xuất sinh vật phẩm Đà Lạt – Nha Trang. * Huyết tương đông khô Huyết tương đông khô là sản phẩm được sản xuất từ máu tươi, là một trong những vật phẩm rất quý báu, dùng để điều trị cấp cứu. 31
Trong quá trình sản xuất huyết tương khô người ta làm lạnh và sấy thăng hoa để đạt được huyết tương có độ ẩm 1%. 1.2.9 ứng dụng trong xây dựng 1.2.9.1 Làm lạnh bê tông ở các đập chắn nước Quá trình kết rắn của bê tông gắn liền với quá trình toả nhiệt, trong đó nhiệt hydrat hoá tuỳ theo thành phần xi măng có thể đạt từ 250 đến 500 kJ/kg xi măng. Nhiệt đó sẽ toả ra môi trường. Các thử nghiệm cho thấy một nửa lượng nhiệt đó toả ra trong 3 ngày đầu và toàn bộ nhiệt lượng toả ra suốt trong một năm mới kết thúc. Do bê tông toả nhiệt nên nhiệt độ tăng khoảng 20 đến 30oC so với nhiệt độ môi trường. Đối với tường mỏng thì nhiệt đó không quá quan trọng vì nhiệt nhanh chóng toả ra môi trường và nhiệt độ tường được duy trì có thể coi đồng đều. Nhưng đối với những công trình được đổ bằng các khối bê tông lớn, ví dụ như các đập chắn sóng. Do hệ số dẫn nhiệt của bê tông λ=2 W/m.K và hệ số dẫn nhiệt độ a = 0,004 m2/h, nên nhiệt toả từ các khối bê tông ra bên ngoài chậm, ảnh hưởng nhất định đến chất lượng của bê tông. Khi tường dày 2m thời gian làm lạnh 4 ngày, trong khi tường dày 60m thời gian làm nguội lên đến trên 10 năm mà hiệu nhiệt độ so với môi trường bên ngoài không giảm xuống còn một nửa so với lúc ban đầu. Như vậy, trong khi bề mặt đập đã lạnh và đông cứng từ lâu mà trong tường đập nhiệt độ vẫn còn rất cao. Sự chênh lệch nhiệt độ đó tạo ra ứng lực kéo trên bề mặt đập gây ra các vết rạn nứt bê tông. Do không thể thải nhiệt tự do ra môi trường và để tránh hiệu nhiệt độ quá cao giữa tâm tường và bề mặt tường cần phải có biện pháp làm lạnh nhân tạo tường đập khi đổ bê tông. Có các phương pháp khả thi sau đây: 1. Đặt ngầm các đường ống làm lạnh bên trong đập. Người ta bố trí các ống nước lạnh đường kính 25mm trong đập cách nhau theo chiều ngang khoảng 2,4 m; chiều cao khoảng 3m và liên tục bơm 32
nước lạnh qua để thải nhiệt cho bê tông. Tốc độ nước trong ống khoảng 0,6 m/s. Công suất lạnh tính toán để có thể hạ nhiệt độ bê tông xuống 20 đến 30 K là tuỳ thuộc vào loại xi măng sử dụng, khả năng làm mát của môi chất, ảnh hưởng bức xạ mặt trời. Theo kinh nghiệm, công suất lạnh có thể tính theo lượng nhiệt tỏa của bê tông khoảng 74000 kJ/m3 bê tông với một số thông số khác của bê tông: Nhiệt dung riêng 0,8 kJ/kg.K, khối lượng riêng 2600 kg/m3 và hiệu nhiệt độ cần làm lạnh khoảng 35K. Biến thiên nhiệt độ của nước lạnh trong ống phụ thuộc chủ yếu vào tỉ lệ nhiệt giải phóng trong bê tông. Khi biết nhiệt lượng hydrat hoá giải phóng và các thông số kỹ thuật của bê tông, có thể tính toán được biến thiên nhiệt độ của khối bê tông và kể cả trường nhiệt độ của bê tông trong khi đang làm lạnh. 2. Làm lạnh bằng cách trộn thêm nước đá. Làm lạnh vữa bê tông xuống khoảng 4oC sau đó cho thêm vào vữa một ít nước đá dưới dạng đá mãnh, đá vụn và tính toán sao cho dung nhiệt đủ để cân bằng toàn bộ nhiệt hydrat hoá. Có thể làm lạnh xi măng ngay từ nhà máy sản xuất. Thường nhiệt độ xi măng ở đây lên tới 60oC. Tuy nhiên hệ số dẫn nhiệt của xi măng kém do đó cần diện tích trao đổi nhiệt lớn, gây nhiều khó khăn nên ít được ứng dụng. Các phụ gia như sợi, đá thô có kích thước lớn đến 150mm được rửa sạch và làm lạnh sơ bộ bằng nước lạnh sau đó được chứa vào các silô và được làm lạnh tiếp bằng không khí lạnh nhiệt độ -1oC thổi qua silô. Cát được làm lạnh trực tiếp ngay trên các phương tiện băng tải bằng chất tải lạnh. Nước trộn bê tông được làm lạnh trong các máy sản xuất nước lạnh đến 1oC. Nước đá đưa vào máy trộn cần được nghiền nhỏ để nước đá tan nhanh. Tốc độ tan đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ máy trộn, kích thước cục đá và lượng đá trộn trong máy trộn. Đá phải đảm bảo tan hết khi vữa bê tông ra khỏi máy trộn. 33
1.2.9.2 Kết đông nền móng Kỹ thuật lạnh còn được sử dụng để làm lạnh lòng đất khi xây dựng các cửa vào hầm mỏ, các công trình ngầm, công trình xây dựng metro, các công trình đê đập, cũng như sử dụng để xử lý nền móng các công trình ở vùng đất yếu, vùng đất phức hợp về địa chất thuỷ văn. Đặc biệt các công trình xây dựng trên nền đất sình lầy và có nhiều nước ngầm. Nền móng xây dựng đôi khi không đủ chắc chắn, nên khi đào móng đất trượt như cát chảy. Để ngăn ngừa hiện tượng đó người ta đưa ra một phương pháp sử dụng lạnh để tạo ổn định móng, đó là phương pháp sử dụng cọc kết đông. Nhờ các cọc này người ta tạo nên một vành đai bao bọc hố cần đào (xem hình 1-6) Cấu tạo cọc kết đông rất đơn giản theo kiểu ống lồng ống. Đường kính ống ngoài khoảng 100mm, ống trong 40mm. Chất lỏng lạnh có nhiệt độ khoảng -20 đến -40oC được dẫn đi vào từ ống trong và đi ra ống ngoài ra ngoài, đầu cọc vót nhọn để dễ nén vào lòng đất. Tuy nhiên để dễ dàng đưa cọc vào nền đất có thể tiến hành khoan mồi trước. Các cọc được nối song song với bộ phận phân phối và thu hồi môi chất lạnh. 2 4 3 D 1 d 1- Cọc kết đông; 2,3- Môi chất lạnh vào và ra; 4- Khối kết đông Hình 1-6: Sơ đồ kết đông nền móng bằng cọc kết đông 34
Trong quá trình môi chất lạnh tuần hoàn, nền móng xung quanh cọc được làm lạnh và kết đông lại thành 01 khối vững chắc. Kích thước trụ kết đông ngày càng lớn dần ra xung quanh, sau một thời gian nhất định (khoảng vài tuần, có khi vài tháng) các trụ kết đông mới nối lại với nhau thành thành vòng kín vững chắc, đảm bảo không cho đất sụt lở khi đào sâu phía bên trong. Độ chắc chắn của vòng kết đông phụ thuộc vào nhiệt độ làm lạnh và chiều dày của nó. Ví dụ độ bền nén của nền cát kết đông ở - 10oC là 100 bar, ở -15oC là 160 bar, ở -25oC là 200 bar. Khi nền cát kết đông thì nước đóng vai trò như xi măng trong kết cấu bê tông. Trong lạnh đông nước ở đất đóng băng liên kết với hạt đất tạo thành lớp liên kết bền vững chẳng khác bê tông. Liên kết này vững hơn nhiều liên kết nước đá thuần tuý. Đất cát đóng băng có độ liên kết bền vững nhất sau đó đến đất thịt và sau cùng là đất sét. Đối với cửa hầm lò, đôi khi cọc phải dài đến hàng trăm mét cắm sâu vào lòng đất. Khi đó phải khoan mồi trước các lổ cọc. Các lổ phải song song để đảm bảo khoảng cách cần thiết, nếu có một vị trí nào đó khoảng cách giữa các cột quá xa, mạch kết đông không liên kết có thể tạo nên những điểm yếu cục bộ, có thể gây sụt lở ở những vị trí này. Trong quá trình sử dụng cần tránh rò rỉ chất vào lòng đất, vì nhiệt độ đông đặc của chất tải lạnh rất thấp không thể đông được nên có thể làm cho các cọc kết đông rả đông, rất nguy hiểm và rất khó khắc phục. Do chất tải lạnh trên đường ống ra nóng hơn ống chất lỏng lạnh vào đáng kể (khoảng 8K), nên giữa chúng có trao đổi nhiệt với nhau, làm giảm hiệu quả làm lạnh nền đất. Vì vậy phải có biện pháp giảm dòng nhiệt trao đổi này, bằng cách cách nhiệt bề mặt ống trong. Đây là vấn đề tương đối khó, vì như vậy sẽ tăng kích thước ống ngoài. Có thể giảm dòng nhiệt trao đổi này bằng cách sử dụng loại vật liệu có khả năng dẫn nhiệt kém làm ống trong, ví dụ như nhựa PVC. Do phải vận hành trên các công trình xây dựng và luôn luôn phải di chuyển nên hệ thống lạnh phải gọn, dễ cơ động. Tốt nhất nên thiết kế lắp đặt trên các xe thành khối, khi vận hành chỉ cần đấu điện, nước là có thể hoạt động. Việc đấu nối chất tải lạnh cũng phải đơn giản và chắc chắn. 35
Các cọc kết đông có thể được làm lạnh bằng môi chất lạnh. Ưu điểm của phương án này là hiệu quả làm lạnh cao hơn, do độ chênh nhiệt độ lớn. Tuy nhiên phương án này có nhược điểm là chênh lệch nhiệt độ sôi bên trong ống khá lớn do chênh lệch cột áp thuỷ tĩnh, ở phía trên và phía dưới, đấu nối phức tạp hơn và môi chất dễ bị rò rỉ ra ngoài. Để tạo lớp thành vỏ dày 2 – 3 m bảo vệ hoặc ngăn cách nước thẩm thấu vào khu vực thi công, cần thực hiện các giếng khoan lạnh đông cách nhau 0,8-1,2m tuỳ loại đất Môi chất lạnh sử dụng trong các hệ thống này có thể là amôniắc, propan hoặc CO2. Khi sử dụng NH3 cần lưu ý là môi chất NH3 hoà tan trong nước nên khi rò rỉ có thể làm mềm nền, phá vỡ kết cầu nền, nguy hiểm. Có thể sử dụng không khí lạnh để kết đông như trường hợp xây dựng đường hầm Stockholm năm 1884. Người ta dùng không khí lạnh -55oC từ một máy làm lạnh không khí để kết đông nền đất. Ngày nay, để kết đông các nền đất không lớn, người ta sử dụng cả nitơ lỏng. Quá trình kết đông xảy ra rất nhanh chóng. Việc tính toán công suất lạnh trong các tài liệu tham khảo rất khác nhau do tính chất nền đất mỗi nơi rất khác nhau. Tính toán chi phí lạnh để làm lạnh đông đất - Tổng khối lượng đất cần làm lạnh: ΣVi = V1 + V2 + + Vn = F.(h1+h2+ + hn) (1-1) F – Diện tích tiết diện vỏ đông lạnh, m2 hi – Chiều dày của các lớp đất khác nhau, m - Tổng thể tích nước cần làm lạnh Vn = ΣV’i = Σ Vi x Ei (1-2) Ei – Hàm lượng phần trăm (theo thể tích) nước trong các lớp đất, % - Chi phí làm lạnh nước Qn = ρn.Vn. [Cn.t1 + r + Cđ ⏐t2] , J (1-3) 3 ρn – Khối lượng riêng của nước, ρn ≈ 1000 kg/m 36
o t1, t2 – Nhiệt độ của nước ban đầu và sau đông đá, C r – Nhiệt đông đóng băng của nước, r = 2500 kJ/kg (80 kCal/kg) Cn, Cđ - Nhiệt dung riêng của nước và đá, kJ/kg.K - Chi phí làm lạnh các các thành phần khô Qk = Σ ρi. ( Vi - V’i ).Ci (t1 - t2), J (1-4) ρi, Ci – Khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của thành phần khô của các lớp đất. Từ tổng chi phí lạnh yêu cầu trên, căn cứ vào thời gian yêu cầu làm lạnh τ (giây), có thể xác định công suất lạnh yêu cầu của máy lạnh: Q Q + Q Q = = n K ,W o τ τ (1-5) 1.2.10 ứng dụng trong công nghiệp chế tạo vật liệu và dụng cụ 1.2.10.1 Kim loại 1. Lắp chặt: Trong chế tạo máy có nhiều chi tiết đòi hỏi phải được lắp chặt vào nhau với một độ chặt lớn. Đối với các chi tiết này không thể sử dụng các biện pháp gá lắp bình thường. Ví dụ trường hợp lắp chân van vào thân máy của các động cơ ôtô. Trong trường hợp này người ta làm lạnh chân van xuống -80oC đến -180oC, đường kính chân van thu nhỏ lại người ta dễ dàng lắp vào thân máy. Khi nhiệt độ trở lại bình thường, chân van nở ra và ép chặt vào thân máy tạo nên mối liên kết rất chắc chắn. Trong trường hợp lắp ghép theo phương pháp này phải tính toán rất kỹ lưỡng dung sai khi lắp đặt. Dung sai tuỳ thuộc vào kích thước, đặc điểm chi tiết và vật liệu sử dụng. 2. Thay đổi cấu trúc tế vi 37
Bằng cách làm lạnh người ta nhận thấy có thể làm thay đổi cấu trúc của một số vật liệu chế tạo máy, theo hướng tích cực. Ví dụ như trong thép đã tôi còn sót lại một ít austenit, khi nhúng thép vào môi trường lạnh -80oC trong khoảng từ 5 đến 10 phút, austenit có thể chuyển hoá thành martensit làm cho thép cứng hơn. Gia công lạnh sau khi tôi không những làm cho thép cứng hơn mà còn tăng độ rắn, khả năng chống mài mòn, độ đàn hồi, tăng tuổi thọ và ổn định kích thước chi tiết máy. Một ví dụ cụ thể về trường hợp gia công các bơm piston tại Mỹ. Piston được chế tạo bằng thép SAE25.100, sau một thời gian làm việc ở những môi trường khí hậu khác nhau khoảng 2 tháng thì xảy ra hiện tượng kết dính là vì ostensit dư chuyển biến tiếp tục đã làm tăng kích thước và thể tích của piston. Nếu sau khi gia công xong thêm khâu gia công lạnh vào quá trình nhiệt luyện thì hiện tượng đó sẽ được khắc phục. Về gia công lạnh để tăng tính đàn hồi, độ rắn, tính chống mài mòn đã được các nhà khoa học Anh, Mỹ kết luận từ năm 1914. Bảng 1-7 dưới đây cho thấy khi gia công lạnh thép có 0,8%C, 8%Ni, 4%Cr, 1%V ở các nhiệt độ khác nhau thì độ đàn hồi E tăng lên đáng kể. Bảng 1-7: Độ đàn hồi khi gia công ở các nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ gia công - 27oC - 46oC - 84oC E, kG/cm2 64 91 119 Độ cứng HRc của thép cũng được tăng khi gia công lạnh nhờ đó làm tăng khả năng chống mài mòn của chi tiết. Bảng 1-8 dưới đây cho thấy rõ điều đó. Nhiều số liệu từ sản xuất cho biết trong gia công vỏ đạn bằng mũi đột sâu thì dùng mũi đột bằng thép gió, thép crôm cao, các bon cao hay thép cac bon thường đã qua nhiệt luyện thì sau khoảng 30000 sản phẩm chúng đều bị vỡ. Nhưng nếu dùng thép thường sau nhiệt luyện có gia công lạnh thì tuổi thọ có thể tăng 10 lần. Bảng 1-8: Độ rắn của thép ở các nhiệt độ gia công khác nhau 38
Thành phần, % % C Độ rắn HRc C Cr Ni Mo bề Sau Gia công lạnh và nung mặt khi lại 175oC tôi - 40oC - 62oC - 73oC 0,2 0,24 1,8 0,23 1 57 61,5 63 62 0,18 0,21 3,43 0,26 1,03 51,5 56,5 61 60,5 0,10 0,15 4,95 0,03 0,96 50,5 56,5 58 59 01,3 1,33 3,65 0,04 0,92 48,5 58 59 59,5 Đối với thép crôm đã tôi, khi làm lạnh xuống -80oC, cấu trúc tế vi của thép sẽ được cũng cố. Vì martensit có khối lượng riêng nhỏ hơn nên thể tích riêng lớn hơn austenit, nên nếu quá trình biến đổi chậm, thể tích tăng dần sẽ ảnh hưởng xấu đến các chi tiết máy chính xác. Quá trình “lão hoá” nhân tạo ở nhiệt độ thấp sẽ ổn định thể tích của thép. Gang austenit được sản xuất và sử dụng rộng rãi tuy cơ tính của nó kém hơn nhiều so với thép cán hoặc rèn. Tuy nhiên có thể cải thiện cơ tính của chúng rất nhiều nếu được xử lý lạnh ở -80oC trong hỗn hợp cồn và đá khô. Sau đó chúng được nung nóng đến nhiệt độ 700oC để biến đổi các martensit niken trở lại austenit. Các martensit niken không mong muốn này được hình thành trong quá trình xử lý lạnh. Qua quá trình xử lý trên, độ bền kéo tăng lên đến 2000 bar. Lạnh thâm độ được dùng để làm lạnh cho ổn định kích thước của nhiều tấm gang, tấm kim loại màu trong chế tạo vỏ, thân của các thiết bị chính xác. Làm lạnh thâm độ còn được ứng dụng để lắp ráp các cơ cấu chính xác. 3. Gia công phôi Trong quá trình gia công phôi, phần lớn cơ năng đưa vào biến thành nhiệt năng, làm cho nhiệt độ dao cắt tăng cao. Bằng cách gắn các cặp nhiệt ở đầu mũi dao và các vị trí khác nhau, người ta có thể đo được sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc của dao cắt. Đối với quá trình tiện thép vòng bi nhiệt độ đầu cắt có thể lên tới 800oC. Do nhiệt độ cao, cơ tính của dao cắt giảm. Để tăng độ bền của dao và 39
thời gian sử dụng cần phải làm lạnh dao xuống nhiệt độ thích hợp. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, tuổi thọ dao tỷ lệ nghịch với bình phương nhiệt độ. Vì vậy khi giảm nhiệt độ xuống thời gian làm việc và tuổi thọ của dao tăng đáng kể. Để làm lạnh dao, người ta sử dụng dung dịch dầu cắt hoặc nhũ tương đã được làm lạnh xuống 2 đến 4oC rót trực tiếp vào vị trí cắt. Các loại thép không rỉ austenit có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, do đó nhiệt độ ở các dao cắt còn tăng cao hơn nữa. Trong trường hợp này người ta thường sử dụng CO2 lỏng để làm lạnh. Phương pháp làm lạnh có thể thực hiện từ bên trong. Thanh thép tiện được bố trí một lổ ở phía trong đến đúng vị trí tấm dao cắt volframcacbit để CO2 lỏng chảy đến đây và bay hơi làm lạnh dao. Hơi CO2 thoát ra qua một lổ nhỏ. Trong công nghiệp chế tạo máy bay người ta sử dụng rất nhiều tấm kiểu sandwich hai bên là hai tấm kim loại rất mỏng, dễ bị uốn cong và biến dạng. Một giải pháp hiệu quả là cho đầy nước vào các ngăn sau đó làm lạnh kết đông đá. Khi đó có thể gia công cơ khí như là một khối liền. Sau khi gia công xong chỉ cần làm tan băng đổ nước ra và dùng khí nén thổi sạch nước còn sót lại trong tấm sandwich. Các dụng cụ mỏng và dẹt rất khó kẹp lên máy công cụ. Có thể sử dụng phương pháp sau: Làm lạnh các tấm kẹp phẳng bằng chất tải lạnh hoặc môi chất lạnh sôi xuống -30oC sau đó nhúng dụng cụ vào nước và đặt lên tấm kẹp phẳng. Nước đóng lại và cố định dụng cụ vào tấm kẹp một cách rất chắc chắn. Có thể áp dụng phương pháp này cả đối với các dụng cụ phi kim loại. 4. Điện cực hàn Điện cực của máy hàn điểm thường được làm mát bằng nước hoặc chất tải lạnh glycol. Nước hoặc glycol được bơm vào trong điện cực rỗng. Tuổi thọ của điện cực có thể tăng lên gấp ba lần nếu được làm lạnh bằng CO2 lỏng. Để cấp lỏng cho điện cực phải sử dụng một bơm CO2 lỏng đặc biệt. 5. Xử lý bề mặt bằng điện hoá Trong việc xử lý bề mặt nhôm để tạo một lớp ôxit dày, chất điện phân phải có nhiệt độ từ 21 đến 26,5oC. Nhiệt toả ra do dòng điện 40
phân trung bình khoảng 35 W/cm2 diện tích bề mặt liên tục phải được thải ra môi trường bên ngoài. Việc làm lạnh chất điện phân có chứa axit sunfuric được thực hiện nhờ các ống làm lạnh bằng chì. Nước lạnh tuần hoàn trong ống có nhiệt độ khoảng 5oC nhờ một máy lạnh. Cả trong quá trình mạ kim loại, tuỳ theo từng loại chất điện phân mà nhiệt độ bề mặt phải giữ ở nhiệt độ không đổi từ 20 đến 60oC. Từ các bề mặt zyanid ví dụ như mạ đồng hoặc cadmi cần định kỳ loại bỏ cacbonat natri. Để loại bỏ cacbonat natri ngườ ta sử dụng phương pháp kết tinh chậm dung dịch ở nhiệt độ khoảng -4oC. Cần thiết phải kết tinh chậm để tinh thể hình thành có kích thước lớn, dễ loại bỏ khỏi dung dịch. Để làm lạnh các chất điện phân có tính ăn mòn cao người ta sử dụng nhiều loại vật liệu đặc biệt trong đó có ống chất dẻo flo. Đối với việc đánh bóng kim loại bằng chất điện phân, người ta cố gắng đạt được bề mặt có độ phẳng cao và có khả năng phản chiếu lớn. Để tiến hành đánh bóng, người ta nhúng sản phẩm cần đánh bóng vào bên cạnh một điện cực trong bể chất điện phân và nối vào nguồn điện 1 chiều, trong đó sản phẩm cần đánh bóng là cực anốt. Các thử nghiệm cho thấy, nhiệt độ chất điện phân vào khoảng -30oC sẽ cho hiệu quả đánh bóng cao nhất. Nhiệt độ càng cao, hiệu quả đánh bóng càng phụ thuộc vào sự ổn định của điện thế. Do đó cần duy trì ổn định nhiệt độ chất điện phân ở nhiệt độ thấp là rất cần thiết. Tốc độ đánh bóng phụ thuộc không những nhiệt độ của bể mà còn phụ thuộc vào loại chất điện phân sử dụng. Chất điện phân trên cơ sở cồn mêtyl cho tốc độ đánh bóng cao nhất. 1.2.10.2 Vật liệu phi kim loại và các vật liệu khác Khi hạ nhiệt độ đủ thấp, các chất dẻo đàn hồi bị hoá cứng và giòn, rất dễ bị vỡ vụn hoặc có thể gia công cơ khí. Sau khi hạ nhiệt độ xuống -190oC trong nitơ lỏng, nylông và polyêtylen có thể được nghiền mịn. Các chi tiết ép bằng cao su hoặc bằng các chất dẻo thường thường có ba via. Dùng tay loại bỏ các ba via này rất khó khăn và mất nhiều công sức. Nếu đưa chúng qua CO2 lỏng sau đó đưa vào thùng quay 41
hình tang trống hoặc máy mài tia thì các ba via được loại bỏ dễ dàng bằng phương pháp cơ khí. Các vết cắt măng xông của săm xe ôtô, xe máy, xe đạp có thể được ghép chín tốt hơn nhiều nếu chổ tiếp giáp (chổ măng xông) được làm lạnh sơ bộ trước đó xuống -7oC. Việc làm lạnh tiến hành đơn giản bằng cách ép chúng lên bề mặt lạnh, ví dụ ép lên một bề mặt ống được làm lạnh từ bên trong môi chất lạnh hoặc chất tải lạnh. Nếu nhúng gổ vào amôniắc lỏng thì sau 15÷20 phút gổ trở nên dẻo và có thể uốn nắn dễ dàng. Sợi bông sẽ bóng như lụa nếu như sợi được nhúng vào dung dịch kiềm natri. Trong khi xử lý, sợi phải căng để chống lại xu hướng co rút của sợi. Khi xử lý độ bền kéo của sợi cũng tăng lên. Dung dịch kiềm phải được giữ ở nhiệt độ 5 đến 10oC. Sau khi xử lý sợi vẫn ở trạng thái căng, được nhúng nước nóng 60 ÷ 80oC và sau đó được rửa sạch bằng nước. Một phương pháp mới cho hiệu quả tương tự là nhúng sợi bông vào amôniắc lỏng sôi ở áp suất thường -33oC. Hơi amôniắc được thu hồi lại bằng máy nén lạnh. 1.2.11 ứng dụng khác 1.2.11.1 Các phòng thử nghiệm 1. Thử nghiệm thiết bị giao thông Nhiều thiết bị giao thông đòi hỏi tiến hành thử nghiệm trong các phòng đặc biệt với các điều kiện nhiệt độ, độ ẩm có thể thay đổi theo yêu cầu thử nghiệm. Ví dụ như phòng thí nghiệm toa tàu hỏa. Nhiệt độ của phòng thử nghiệm phải tương ứng với điều kiện khí hậu khắc nghiệt nhất bên ngoài trời ở Việt Nam là 0 đến +60oC và cho các tàu quốc tế từ -40 đến +50oC. Ngoài ra trong phòng còn có thể tạo ra các điều kiện mưa gió để thử nghiệm độ kín và khả năng hoạt động của các cửa sổ, cửa ra vào và các thiết bị khác trên tàu trong mọi điều kiện thời tiết. Đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao bên ngoài 42
phải thử nghiệm tình trạng hoạt động của hệ thống lạnh, điều hoà trên tàu. Các thử nghiệm các phương tiện giao thông khác trên bộ bao gồm thử nghiệm tính chất khí động ở tốc độ cao, các đặc tính của động cơ hoạt động ở nhiệt độ cao nhất và thấp nhất ngoài trời. Nhiệt độ phòng có thể điều chỉnh giữa +70oC và -50oC, tốc độ không khí đạt 200 km/h (ngang tốc độ ôtô). Phòng thử nghiệm cần có hệ thống làm lạnh công suất lớn, nhằm thải nhiệt qua kết cấu bao che, nhiệt do động cơ ôtô gây ra và nhiệt do quạt tuần hoàn gió tỏa ra. Để tạo ra lưu lượng không khí lớn tuần hoàn với tốc độ lớn cần có quạt công suất rất lớn nên nhiệt thải ra từ động cơ quạt rất cao. Công suất quạt có thể lên tới vài ngàn kW. Để tuần hoàn không khí người ta sử dụng quạt trục vít, đường kính đạt đến 10m hoặc lớn hơn. Trở lực dòng chảy không vượt quá 25mbar. Đối với các ôtô lạnh cần phải nghiên cứu sự truyền nhiệt qua vách cách nhiệt và các cửa cách nhiệt ở các tốc độ khác nhau và nhiệt độ khác nhau. Đối với việc thiết kế, chế tạo máy bay việc thử nghiệm các tải cơ và nhiệt hoặc tải động và tĩnh là rất cần thiết. Máy bay đặc biệt máy bay siêu âm chịu tải nhiệt rất lớn bởi vì nhiệt độ bề mặt máy bay thay đổi rất nhanh. Khi cất cánh giả sử máy bay có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường là 30oC, nhưng chỉ sau vài phút nhiệt độ bề mặt do ma sát với không khí có thể lên tới 150oC. Khi hạ cánh nhiệt độ thay đổi ngược lại. Bởi vì nhiệt độ trong máy bay thay đổi chậm, thậm chí không thay đổi do được điều hoà không khí, hiệu nhiệt độ lớn đó tạo ra các ứng lực thay đổi. Các ứng lực này là nguyên nhân gây ra hiện tượng mỏi của vật liệu chế tạo. Đối với máy bay vận tải dân dụng tuổi thọ đòi hỏi cao hơn nhiều so với máy bay quân sự. Để thử nghiệm sự vận hành của máy bay Concorde Anh và Pháp đã xây dựng một phòng thử nghiệm thay đổi nhiệt độ. ở đây có thể tiến hành cả thí nghiệm cơ học và nhiệt học trong đó nhiệt độ không khí có thể điều chỉnh từ 150oC đến -35oC. Thiết bị lạnh bao gồm một phần là máy nén piston, công suất 3.800 kW ở nhiệt độ bay hơi -1oC và nhiệt độ ngưng tụ +35oC, một phần là máy nén ly tâm với công suất lạnh 4.200 kW ở nhiệt độ bay hơi -62oC trong đó amôniắc là 43
môi chất lạnh đồng thời là chất tích lạnh. Để làm nóng nhanh không khí người ta sử dụng một calorife cho nước nóng 180oC chảy qua. Các vệ tinh nhân tạo bay trên quỹ đạo cũng chịu tác động rất lớn của nhiệt độ. Ban đêm, nhiệt độ xuống -170oC và ban ngày nhiệt độ lên tới 100oC. Để thử nghiệm khả năng chịu nhiệt độ thay đổi của vệ tinh người ta xây dựng phòng thử nghiệm vũ trụ, trong đó các điều kiện làm việc của vệ tinh được mô phỏng. Do yêu cầu chân không cao trong phòng thí nghiệm nên không có thành phần đối lưu và dẫn nhiệt. Việc nâng và hạ nhiệt độ vệ tinh được thực hiện bằng bức xạ nhiệt. 2. Động cơ và các dụng cụ Rất nhiều thiết bị kỹ thuật muốn đưa ra sản xuất hàng loạt, các nhà sản xuất cần phải tiến hành thử nghiệm trong những điều kiện khí hậu khắc nhiệt nhất mà thiết bị có thể chịu đựng trên thực tế. Muốn vậy cần có hệ thống làm lạnh và sưởi để có thể thay đổi nhiệt độ phòng một cách tuỳ ý theo các điều kiện thử nghiệm - Để thử nghiệm các động cơ ôtô và đặc biệt động cơ máy bay làm việc trong các điều kiện khác nhau người ta xây dựng các phòng thử nghiệm mô phỏng điều kiện khí hậu thực tế mà ôtô có khả năng phải chịu đựng trên thực tế. Phòng thử nghiệm này có khoảng nhiệt độ có thể thay đổi trong khoảng từ -50oC đến 70oC tương đương nhiệt độ vùng Bắc cực hay trên sa mạc và ở áp suất khác nhau. Đối với ôtô áp suất thay đổi không đáng kể có thể bỏ qua. Đối với động cơ máy bay áp suất làm việc thay đổi đáng kể, tuỳ thuộc vào độ cao. ở độ cao ngang mực nước biển áp suất khí quyển là 760mmHg, ở độ cao 20 km áp suất chỉ còn 41mmHg, ở độ cao 25km áp suất 19mmHg. - Trong phòng thí nghiệm quang học và cơ khí chính xác cần mô phỏng các điều kiện khí hậu ở đó chúng sẽ làm việc. Nhiệt độ có thể điều chỉnh trong khoảng từ -65oC đến +80oC và có thể điều chỉnh bằng chương trình. ở phạm vi nhiệt độ trên 0oC độ ẩm tương đối phải điều chỉnh được từ 40% đến 100%. - Các dụng cụ ngắt điện đặc biệt cho điện cao thế cũng cần thử nghiệm ngay ở nơi sản xuất với các điều kiện nhiệt độ từ -50oC đến 44
50oC kể cả trong điều kiện bị đóng băng. Tổn thất điện hoá của các đường dây cao thế cũng cần được nghiên cứu và thử nghiệm. 3. Công nghệ lai tạo giống thực vật Trong kỹ thuật sinh học lai tạo giống phục vụ ngành nông, lâm nghiệp, yêu cầu thực tế đặt ra là cần lai tạo ra những giống cây có khả năng chịu đựng điều kiện khí hậu khắc nghiệt để có thể gieo trồng ở những vùng khí hậu nhất định. Có những giống đòi hỏi chịu đựng nhiệt độ cao, không khí khô hạn, có giống đòi hỏi phải chịu đựng khí hậu lạnh, ẩm ướt. ở một số viện nghiên cứu và lai tạo giống thực vật người ta đã xây dựng các phòng thử nghiệm, đó là các nhà kính ở trong đó người ta trồng các loài thực vật thử nghiệm, nhiệt độ không khí có thể điều chỉnh được. Những phòng thí nghiệm đó người ta gọi là phytotron. Các thông số khí hậu có thể điều chỉnh được trong các phòng này là nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO2, cường độ chiếu sáng vv Điều kiện chiếu sáng được mô phỏng như ngày và đêm. 1.2.11.2 Làm mát động cơ và máy phát Nhiệt độ môi trường càng cao, khối lượng không khí được hút vào động cơ đốt trong càng nhỏ do đó công suất động cơ giảm. Bằng cách làm lạnh không khí cấp cho động cơ người ta có thể nâng công suất động cơ lên cao hơn. Không khí cấp cho động cơ diesel có thể làm lạnh trực tiếp nhờ chu trình nén khí hoặc gián tiếp nhờ môi chất lạnh sôi. Trên hình 1-7 giới thiệu hệ thống thiết bị làm mát không khí cấp cho động cơ diezen. Không khí được nén qua máy nén ly tâm 1 và đưa vào làm mát sơ bộ bằng nước ở thiết bị trao đổi nhiệt 3, sau đó làm mát bằng môi chất lạnh sôi ở bình bay hơi 4 rồi cấp vào động cơ diezen. Máy lạnh có máy nén ly tâm 6, bình ngưng làm mát 7, van tiết lưu 5 và bình bay hơi 4. Để truyền động cho máy nén người ta dùng động cơ tua bin 8 làm việc nhờ vòng tuần hoàn hơi frêôn. Để truyền 45
động cho máy nén ly tâm 1 người ta dùng động cơ tua bin 2 chạy bằng khí thải từ động cơ diezen. Những cuộn dây của các máy phát điện lớn thường được làm mát bằng nước hoặc bằng khí hyđrô. Với cường độ làm mát cao phải nhờ đến môi chất lạnh sôi, ví dụ frêôn vv Nhiệt độ sôi tối ưu được xác định nhờ tính toán kinh tế nếu không công suất tiêu tốn cho máy lạnh lớn hơn công suất có ít thu được từ máy phát. I- động cơ diesel; II- HT động lực cho máy lạnh; III- HT cấp khí và làm lạnh 1- Máy nén ly tâm; 2- Tua bin; 3- Làm mát không khí bằng nước; 4- Làm mát không khí bằng frêôn; 5- Van tiết lưu; 6- Máy lạnh ly tâm; 7- Bình ngưng; 8- Tua bin khí frêôn; 9- Bình chứa frêôn; 10- Bơm frêôn; 11- Bình ngưng của hệ sinh công nhờ frêôn Hình 1-7: Làm mát không khí cấp cho động cơ diesel 1.2.11.3 Xử lý lạnh các sản phẩm khác nhau 1. Ngũ cốc và thực vật Nhiều loại ngũ cốc vào dịp đông xuân trong quá trình phát triển đòi hỏi một thời kỳ giá lạnh ngay sau khi nảy mầm. Tuy nhiên nếu bị đóng băng hoặc đợt giá lạnh khắc nghiệt thì mầm có thể bị chết. Để tránh thời tiết bất lợi có thể làm thiệt hại mùa màng có thể xử lý lạnh 46
nhân tạo. Quá trình xử lý lạnh nhân tạo phải tuỳ thuộc vào giống và loại ngũ cốc. Có những loại không cần xử lý lạnh. Bằng cách xử lý lạnh của giống hoa tuylip người ta có thể làm cho hoa nở sớm hơn. Hiệu quả cũng tuỳ thuộc vào loài và giống hoa. Đối với một số loài hoa khác việc xử lý lạnh được coi là nhân tố thúc đẩy sự phát triển của hoa. Các gốc hồng nếu được bảo quản ở 0 đến 0,5oC và độ ẩm 98% sẽ có giấc ngủ đông và không bị sương giá làm hỏng. Các nhánh cẩm chướng tách từ gốc mẹ có thể bảo quản trong cactông hơn 6 tháng ở nhiệt độ 0,5oC. 2. Bảo quản hoa Hoa cắt được chia làm ba giai đoạn: a. Giai đoạn phát triển trên gốc hoa mẹ. b. Giai đoạn vận chuyển và đem bán. c. Giai đoạn cắm hoa ở trong nhà của khách hàng. Giai đoạn b) tiến hành trong thời gian càng ngắn càng tốt và bảo quản trong điều kiện để các nụ hoa không được nở ra. Thời gian cắt thích hợp rất quan trọng đối với vấn đề trên. ở nhiệt độ càng thấp cường độ thở của hoa càng giảm và thời gian hoa tươi càng dài. Đối với rất nhiều giống hoa có nhiệt độ giới hạn nếu bảo quản dưới nhiệt độ đó khi lấy ra khỏi buồng lạnh hoa không thể nở được nữa. Ví dụ hoa phong lan không thể bảo quản dưới 7÷10oC, ngược lại hoa tím có thể bảo quản đến 3oC và hoa hồng từ 0÷1oC. Bảo quản hoa thuỷ tiên và hoa cẩm chướng ở 1 đến 2oC là tốt nhất và thời gian bảo quản khoảng 10 ngày. Hoa vùng California của Mỹ tỏ ta thích hợp nhất với nhiệt độ từ 0,5 đến 4oC. Đáng lưu ý là thời gian vận chuyển trên máy bay không chiếm quá 30% thời gian từ nơi trồng hoa phía Tây đến chợ hoa ở phía Đông nước Mỹ. Trên máy bay hoa được bảo quản ở nhiệt độ 10 đến 21oC. Tuy nhiên đây là các kết quả thử nghiệm của nước ngoài, các số liệu này có thể chưa chắc đã phù hợp ở Việt Nam vì các điều kiện khí hậu, đất đai, thổ nhưỡng, chăm sóc, loài hoa có khác nhau. 47
* * * 48
Chương II Hệ Thống và thiết bị kho lạnh bảo quản 2.1 Khái niệm, phân loại và chọn nhiệt độ bảo quản 2.1.1 Kho lạnh bảo quản Kho lạnh bảo quản là kho được sử dụng để bảo quản các loại thực phẩm, nông sản, rau quả, các sản phẩm của công nghiệp hoá chất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp nhẹ vv Hiện nay kho lạnh được sử dụng trong công nghiệp chế biến thực phẩm rất rộng rãi và chiếm một tỷ lệ lớn nhất. Các dạng mặt hàng bảo quản bao gồm: - Kho bảo quản thực phẩm chế biến như: Thịt, hải sản, đồ hộp - Bảo quản nông sản thực phẩm, rau quả. - Bảo quản các sản phẩm y tế, dược liệu - Kho bảo quản sữa. - Kho bảo quản và lên men bia. - Bảo quản các sản phẩm khác. 2.1.2 Phân loại Có nhiều kiểu kho bảo quản dựa trên những căn cứ phân loại khác nhau: 44
a) Theo công dụng người ta có thể phân ra các loại kho lạnh như sau: - Kho lạnh sơ bộ: Dùng làm lạnh sơ bộ hay bảo quản tạm thời thực phẩm tại các nhà máy chế biến trước khi chuyển sang một khâu chế biến khác. - Kho chế biến: Được sử dụng trong các nhà máy chế biến và bảo quản thực phẩm (nhà máy đồ hộp, nhà máy sữa, nhà máy chế biến thuỷ sản, nhà máy xuất khẩu thịt vv ) Các kho lạnh loại này thường có dung tích lớn cần phải trang bị hệ thống có công suất lạnh lớn. Phụ tải của kho lạnh luôn thay đổi do phải xuất nhập hàng thường xuyên. - Kho phân phối, kho trung chuyển: Dùng điều hoà cung cấp thực phẩm cho các khu vực dân cư, thành phố và dự trữ lâu dài. Kho lạnh phân phối thường có dung tích lớn trữ nhiều mặt hàng và có ý nghĩa rất lớn đến đời sống sinh hoạt của cả một cộng đồng. - Kho thương nghiệp: Kho lạnh bảo quản các mặt hàng thực phẩm của hệ thống thương nghiệp. Kho dùng bảo quản tạm thời các mặt hàng đang được doanh nghiệp bán trên thị trường. - Kho vận tải (trên tàu thuỷ, tầu hoả, xe ôtô ): đặc điểm của kho là dung tích lớn, hàng bảo quản mang tính tạm thời để vận chuyển từ nơi này sang nơi khác. - Kho sinh hoạt: đây là loại kho rất nhỏ dùng trong các hộ gia đình, khách sạn, nhà hàng dùng bảo quản một lượng hàng nhỏ. b) Theo nhiệt độ người ta chia ra: - Kho bảo quản lạnh: Nhiệt độ bảo quản thường nằm trong khoảng -2oC ÷ 5oC. Đối với một số rau quả nhiệt đới cần bảo quản ở nhiệt độ cao hơn (chuối > 10oC, chanh > 4oC). Nói chung các mặt hàng chủ yếu là rau quả và các mặt hàng nông sản. 45
- Kho bảo quản đông: Kho được sử dụng để bảo quản các mặt hàng đã qua cấp đông. Đó là hàng thực phẩm có nguồn gốc động vật. Nhiệt độ bảo quản tuỳ thuộc vào thời gian, loại thực phẩm bảo quản. Tuy nhiên nhiệt độ bảo quản tối thiểu cũng phải đạt -18oC để cho các vi sinh vật không thể phát triển làm hư hại thực phẩm trong quá trình bảo quản. - Kho đa năng: Nhiệt độ bảo quản là -12oC - Kho gia lạnh: Nhiệt độ 0oC, dùng gia lạnh các sản phẩm trước khi chuyển sang khâu chế biến khác. - Kho bảo quản nước đá: Nhiệt độ kho tối thiểu - 4oC c) Theo dung tích chứa. Kích thước kho lạnh phụ thuộc chủ yếu vào dung tích chứa hàng của nó. Do đặc điểm về khả năng chất tải cho mỗi loại thực phẩm có khác nhau nên thường qui dung tích ra tấn thịt (MT-Meet Tons). Ví dụ kho 50MT, Kho 100MT, Kho 150 MT vv là những kho có khả năng chứa 50, 100, 150 vv tấn thịt. d) Theo đặc điểm cách nhiệt người ta chia ra: - Kho xây: Là kho mà kết cấu là kiến trúc xây dựng và bên trong người ta tiến hành bọc các lớp cách nhiệt. Kho xây chiếm diện tích lớn, lắp đặt khó, giá thành tương đối cao, không đẹp, khó tháo dỡ và di chuyển. Mặt khác về mặt thẩm mỹ và vệ sinh kho xây không đảm bảo tốt. Vì vậy hiện nay ở nước ta người ta ít sử dụng kho xây để bảo quản thực phẩm. - Kho panel: Được lắp ghép từ các tấm panel tiền chế polyurethan và được lắp ghép với nhau bằng các móc khoá camlocking. Kho panel có hình thức đẹp, gọn và giá thành tương đối rẻ, rất tiện lợi khi lắp đặt, tháo dỡ và bảo quản các mặt hàng thực phẩm, nông sản, thuốc men, dược liệu vv Hiện nay nhiều doanh nghiệp ở nước ta đã sản xuất các tấm panel cách nhiệt đạt tiêu chuẩn cao. Vì thế hầu hết các xí nghiệp công nghiệp thực phẩm đều sử dụng kho panel để bảo quản hàng hoá. 46
2.1.3 Chọn nhiệt độ bảo quản Nhiệt độ bảo quản thực phẩm phải được lựa chọn trên cơ sở kinh tế kỹ thuật. Nó phụ thuộc vào từng loại sản phẩm và thời gian bảo quản của chúng. Thời gian bảo quản càng lâu đòi hỏi nhiệt độ bảo quản càng thấp. Đối với các mặt hàng trữ đông ở các nước châu Âu người ta thường chọn nhiệt độ bảo quản khá thấp từ -25oC ÷-30oC, ở nước ta thường chọn trong khoảng -18oC ± 2 oC. Các mặt hàng trữ đông cần bảo quản ở nhiệt độ ít nhất bằng nhiệt độ của sản phẩm sau cấp đông tránh không để rã đông và tái kết tinh lại làm giảm chất lượng sản phẩm. Dưới đây là chế độ và thời gian bảo quản của một số rau quả thực phẩm. Bảng 2-1: Chế độ và thời gian bảo quản đồ hộp rau quả Sản phẩm Loại hộp Nhiệt Độ T.gian độ bảo ẩm, bảo quản, quản, (%) ( tháng) (oC) Côm-pốt quả Hộp sắt 0 ÷ 5 65÷75 8 Đồ hộp rau Hộp sắt 0 ÷ 5 65÷75 8 Nước ra và quả - Tiệt trùng Chai 0 ÷ 10 65÷75 7 - Thanh trùng Chai 0 ÷ 10 65÷75 4 Rau ngâm ướp Thùng gổ 0 ÷1 90÷95 10 muối, quả ngâm lớn dấm Nấm ướp muối - nt - 0 ÷ 1 90÷95 8 đầm dấm Quả sấy Gói giấy, 0 ÷ 5 65÷75 12 đóng thùng 47
Rau sấy Đóng thùng 0 ÷ 5 65÷75 10 Nấm sấy Gói giấy, 0 ÷ 6 65÷75 12 đóng thùng Lạc cả vỏ - nt - - 1 75÷85 10 Lạc nhân - nt - - 1 75÷85 5 Mứt thanh trùng Hộp sắt, 2 ÷ 20 80÷85 3÷5 trong hộp kín, rim đóng thùng Mứt không kín, rim Thùng gổ 1 ÷ 15 80÷85 3 lớn Mứt thanh trùng Hộp sắt, 0 ÷ 20 80÷85 3÷5 trong hộp kín đóng thùng Mứt không thanh Thùng gổ 10 ÷ 15 80÷85 3 trùng hộp lớn Mứt ngọt - nt - 0 ÷ 2 80÷85 2÷6 Đối với rau quả, không thể bảo quản ở nhiệt độ thấp dưới 0oC, vì ở nhiệt độ này nước trong rau quả đóng băng làm hư hại sản phẩm, giảm chất lượng của chúng. Bảng 2-2: Chế độ và thời gian bảo quản rau quả tươi Sản phẩm Nhiệt độ Độ ẩm, Thông Thời gian bảo quản, (%) gió bảo quản, (oC) Bưởi 0 ÷ 5 85 Mở 1÷2 tháng Cam 0,5 ÷ 2 85 Mở - nt - Chanh 1 ÷ 2 85 - nt - - nt - Chuối chín 14 ÷ 16 85 - nt - 5÷10 ngày Chuối xanh 11,5 ÷ 13,5 85 - nt - 3÷10 tuần Dứa chín 4 ÷ 7 85 - nt - 3÷4 tuần Dứa xanh 10 85 - nt - 4÷6 tháng Đào 0 ÷ 1 85 ÷ 90 - nt - 4÷6 tháng 48
Táo 0 ÷ 3 90 ÷ 95 - nt - 3÷10 tháng Cà chua 2 ÷ 2,5 75 ÷ 80 - nt - 1 tháng chín Cà rốt 0 ÷ 1 90 ÷ 95 - nt - vài tháng Cà chua 6 80 ÷ 90 - nt - 10÷14 xanh ngày Dưa chuột 0 ÷ 4 85 - nt - vài tháng Đậu khô 5 ÷ 7 70 ÷ 75 Đóng 9÷12 tháng Đậu tươi 2 90 Mở 3÷4 tuần Hành 0 ÷ 1 75 - nt - 1÷2 năm Khoai tây 3 ÷ 6 85 ÷ 90 - nt - 5÷6 tháng Nấm tươi 0 ÷ 1 90 - nt - 1÷2 tuần Rau muống 5 ÷ 10 80 ÷ 90 - nt - 3÷5 tuần Cải xà lách 3 90 - nt - 3 tháng Xu hào 0 ÷ 0,5 90 - nt - 2÷6 tháng Cải bắp, 0 ÷ 1 90 - nt - 4 tuần xúp lơ Su su 0 90 - nt - 4 tuần Đu đủ 8 ÷ 10 80 ÷ 85 - nt - 2 tuần Quả bơ 4 ÷ 11 85 - nt - 10 ngày Khoai lang 12 ÷ 15 85 - nt - 5÷6 tuần Bông actisô 10 85 - nt - 2 tuần Mít chín 8 90 - nt - 1 tuần (múi) Thanh long 12 90 - nt - 4 tuần Măng cụt 12 85 - nt - 3÷4 tuần Bảng 2-3: Chế độ và thời gian bảo quản TP đông lạnh 49
Sản phẩm Nhiệt độ bảo Thời gian bảo quản, (oC) quản, (tháng) Thịt bò, thịt cừa các loại - 18 12 Thịt heo cả da - 18 8 không da - 18 6 Phủ tạng - 18 12 Mỡ tươi làm lạnh đông - 18 12 Mỡ muối - 18 6 Bơ - 18 3 Cá muối - 20 8 cá các loại - 25 10 Tôm, mực - 25 6 Quít không đường - 18 9 Quít với sirô đường - 18 12 Chanh - 18 9 Hồng - 18 8 Chuối, đu đủ - 18 5 Đậu Hà Lan - 18 4 Về công dụng, các tấm panel cách nhiệt ngoài việc sử dụng làm kho bảo quản thực phẩm còn có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau cụ thể như sau: Bảng 2-4: Các ứng dụng của panel cách nhiệt TT ứng dụng Nhiệt độ Chiề Hệ số oC u dày truyền mm nhiệt W/m2.K 1 - Điều hoà không khí 20 50 0,43 50
trong công nghiệp - Kho mát 0÷5oC 2 75 0,30 - Tường ngăn kho lạnh -20oC - Kho lạnh -20oC 3 - Tường ngăn kho lạnh -25oC 100 0,22 sâu - Kho lạnh -20÷- 4 - Tường ngăn 25oC 125 0,18 -35oC - Kho lạnh -20÷- 5 - Kho cấp đông 30oC 150 0,15 -40oC 6 - Kho lạnh -35oC 175 0,13 7 - Kho lạnh đông sâu - 60oC 200 0,11 2.2 Kết cấu, lắp đặt và tính toán dung tích kho lạnh 2.2.1 Kết cấu kho lạnh Hầu hết các kho lạnh bảo quản và kho cấp đông hiện nay đều sử dụng các tấm panel polyurethan đã được chế tạo theo các kích thước tiêu chuẩn. Đặc điểm các tấm panel cách nhiệt của các nhà sản xuất Việt Nam như sau: • Vật liệu bề mặt - Tôn mạ màu (colorbond ) dày 0,5÷0,8mm - Tôn phủ PVC dày 0,5÷0,8mm - Inox dày 0,5÷0,8 mm • Lớp cách nhiệt polyurethan (PU) 51
- Tỷ trọng : 38 ÷ 40 kg/m3 - Độ chịu nén : 0,2 ÷ 0,29 MPa - Tỷ lệ bọt kín : 95% • Chiều dài tối đa : 12.000 mm • Chiều rộng tối đa: 1.200mm • Chiều rộng tiêu chuẩn: 300, 600, 900 và 1200mm • Chiều dày tiêu chuẩn: 50, 75, 100, 125, 150, 175 và 200mm • Phương pháp lắp ghép: Ghép bằng khoá camlocking hoặc ghép bằng mộng âm dương. Phương pháp lắp ghép bằng khoá camlocking được sử dụng nhiều hơn cả do tiện lợi và nhanh chống hơn. • Hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,018 ÷ 0,020 W/m.K Vì vậy khi thiết kế cần chọn kích thước kho thích hợp: kích thước bề rộng, ngang phải là bội số của 300mm. Chiều dài của các tấm panel tiêu chuẩn là 1800, 2400, 3000, 3600, 4500, 4800 và 6000mm. Trên hình 2-2 giới thiệu cấu tạo của 01 tấn panel Cấu tạo gồm có 03 lớp chính: Hai bên là các lớp tôn dày 0,5÷0,6mm, ở giữa là lớp polyurethan cách nhiệt dày từ 50÷200mm tuỳ thuộc phạm vi nhiệt độ làm việc. Hai chiều cạnh có dạng âm dương để thuận lợi cho việc lắp ghép. So với panel trần và tường, panel nền do phải chịu tải trọng lớn của hàng nên sử dụng loại có mật độ cao, khả năng chịu nén tốt. Các tấm panel nền được xếp vuông góc với các con lươn thông gió (Hình 2-7). Các tấm panel được liên kết với nhau bằng các móc khoá gọi là camlocking đã được gắn sẵn trong panel, vì thế lắp ghép rất nhanh, khít và chắc chắn. Panel trần được gối lên các tấm panel tường đối diện nhau và cũng được gắn bằng khoá camlocking. Khi kích thước kho quá 52
lớn cần có khung treo đỡ panel, nếu không panel sẽ bị võng ở giữa và có thể gãy gập. Sau khi lắp đặt xong, cần phun silicon hoặc sealant để làm kín các khe hở lắp ghép. Do có sự biến động về nhiệt độ nên áp suất trong kho luôn thay đổi, để cân bằng áp bên trong và bên ngoài kho, người ta gắn trên tường các van thông áp. Nếu không có van thông áp thì khi áp suất trong kho thay đổi sẽ rất khó khăn khi mở cửa hoặc ngược lại khi áp suất lớn cửa sẽ bị tự động mở ra. Hình 2-1: Kết cấu kho lạnh panel 53
Lí p t«n Lí p pol yurethan Lí p t«n Hình 2-2: Cấu tạo tấm panel cách nhiệt Để giảm tổn thất nhiệt khi mở cửa, ở ngay cửa kho có lắp quạt màng dùng ngăn cản luồng không khí thâm nhập vào ra. Mặt khác do thời gian xuất nhập hàng thường dài nên người ta có bố trí trên tường kho 01 cửa nhỏ, kích thước 680x680mm để ra vào hàng. Không nên ra, vào hàng ở cửa lớn vì như thế tổn thất nhiệt rất lớn. Cửa kho lạnh có trang bị bộ chốt tự mở chống nhốt người, còi báo động, bộ điện trở sấy chống đóng băng. Do khả năng chịu tải trọng của panel không lớn, nên các dàn lạnh được treo trên bộ giá đỡ và được treo giằng lên xà nhà nhờ hệ thống tăng đơ, dây cáp (xem hình 2-6). 54
Hình 2-3: Kho lạnh bảo quản Hình 2-4: Lắp ghép panel kho lạnh 2.2.2 Tính toán dung tích kho lạnh 2.2.2.1. Thể tích kho lạnh Thể tích kho được xác định theo công thức sau: E V = , m 3 g v (2-1) trong đó: E - Năng suất kho lạnh, Tấn sản phẩm gV - Định mức chất tải của các loại kho lạnh, Tấn sản phẩm/m3 Định mức chất tải được xác định theo bảng 2-5 dưới đây a) b) 55
c) d) a- Tường-trần; b- Trần-trần; c- Tường-nền; d- Tường tường 1- Rivê; 2- Thanh nhôm góc; 3- Thanh nhựa; 4- Miếng che mối ghép; 5- Dầm mái; 6- Bách treo; 7- Thanh treo; 8- Thanh nhựa; 9- Miếng đệm; 10- Khoá cam-lock; 11- Nắp nhựa che lổ khoá Hình 2-5 : Các chi tiết lắp đặt panel Bảng 2-5: Tiêu chuẩn chất tải của các loại sản phẩm Tiêu TT Sản phẩm bảo quản chuẩn chất 3 tải gv, t/m 1 Thịt bò đông lạnh 1/4 con 0,40 1/2 con 0,30 1/4 và 1/2 con 0,35 2 Thịt cừu đông lạnh 0,28 3 Thịt lợn đông lạnh 0,45 4 Gia cầm đông lạnh trong hòm gỗ 0,38 5 Cá đông lạnh trong hòm gỗ hoặc 0,45 6 cactông 0,70 7 Thịt thân, cá đông lạnh trong hòm, 0,80 8 cactông 0,27 9 Mỡ trong hộp cactông 0,6040,65 10 Trứng trong hộp cactông 0,45 Đồ hộp trong các hòm gỗ hoặc 11 cactông 0,70 12 Cam, quýt trong các ngăn gỗ mỏng 0,26 13 KHI SắP XếP TRêN GIá 0,38 56
14 Mỡ trong các hộp cactông 0,30 15 Trứng trong các ngăn cactông 0,44 Thịt trong các ngăn gỗ 0,38 16 Giò trong các ngăn gỗ 0,30 17 Thịt gia cầm đông lạnh trong các 0,31 18 ngăn gỗ 0,32 19 trong ngăn 0,30 20 cactông 0,30 21 Nho và cà chua ở khay 0,32 22 Táo và lê trong ngăn gỗ 0,40 23 Cam, quýt trong hộp mỏng 0,30 24 Cam, quýt trong ngăn gỗ, cactông 0,20 Hành tây khô Cà rốt Dưa hấu, dưa bở Bắp cải Thịt gia lạnh hoặc kết đông bằng giá treo trong công ten nơ 2.2.2.2. Diện tích chất tải Diện tích chất tải của các kho lạnh được xác định theo công thức sau V F = , m 2 h (2-2) F - Diện tích chất tải, m2 h - Chiều cao chất tải của kho lạnh, m Chiều cao chất tải của kho lạnh phụ thuộc chiều cao thực tế h1 của kho. Chiều cao h1 được xác định bằng chiều cao phủ bì của kho lạnh, trừ đi hai lần chiều dày cách nhiệt 57
h1 = H - 2.δ Như vậy chiều cao chất tải bằng chiều cao thực h1 trừ khoảng hở cần thiết để cho không khí lưu chuyển phía trên. Khoảng hở đó tuỳ thuộc vào chiều dài kho, kho càng dài thì cần phải để khoảng hở lớn để gió lưu chuyển. Khoảng hở tối thiểu phải đạt từ 500 ÷800mm. Chiều cao chất tải còn phụ thuộc vào cách sắp xếp hàng trong kho. Nếu hàng hàng hoá được đặt trên các giá thì khả năng chất tải lớn, nhưng nếu không được đặt trên giá thì chiều cao chất tải không thể lớn được. Chiều cao phủ bì H của kho lạnh hiện nay đang sử dụng thường được thiết kế theo các kích thước tiêu chuẩn sau: 3000mm, 3600mm, 4800mm, 6000mm. Tuy nhiên khi cần thay đổi vẫn có thể điều chỉnh theo yêu cầu thực tế. Chiều dày δ của kho lạnh nằm trong khoảng δ = 50 ÷ 200mm, tuỳ thuộc nhiệt độ bảo quản và tính chất của tường (tường bao, tường ngăn). 2.2.2.3. Diện tích cần xây dựng Diện tích kho lạnh thực tế cần tính đến đường đi, khoảng hở giữa các lô hàng, diện tích lắp đặt dàn lạnh vv Vì thế diện tích cần xây dựng phải lớn hơn diện tích tính toán ở trên và được xác định theo công thức: F 2 FXD = , m β T (2-3) 2 FXD - Diện tích cần xây dựng, m βT - Hệ số sử dụng diện tích, tính đến diện tích đường đi lại, khoảng hở giữa các lô hàng, diện tích lắp đặt dàn lạnh vv và được xác định theo bảng 2-6. Bảng 2-6: Hệ số sử dụng diện tích 58
TT Diện tích buồng lạnh, 2 β m T 1 - Đến 20 0,5040,60 2 - Từ 20 đến 100 0,7040,75 3 - Từ 100 đến 400 0,7540,80 4 - Hơn 400 0,8040,85 Bảng 2-7 dưới đây giới thiệu kích thước của các kho lạnh PANEL bảo quả trong ngành thuỷ sản ở Việt Nam dùng để tham khảo, trong đó tấn hàng qui chuẩn ở đây là tấn thịt. Bảng 2-7: Kích thước kho bảo quản tiêu chuẩn Năng suất kho Kích thước ngoài (MT) Dài x Rộng x Cao (mm) 25 Tấn 5.400 x 5.400 x 3.000 (mm) 50 Tấn 10.800 x 5.400 x 3.000 (mm) 100 Tấn 10.800 x 10.800 x 3.000 (mm) 150 Tấn 16.200 x 10.800 x 3.000 (mm) 200 Tấn 21.600 x 10.800 x 3.000 (mm) 59
1 2 3 δ 4 h 500 δ W 500 Hình 2-6: Bố trí bên trong khoa lạnh 2.2.3 Một số vấn đề khi thiết kế, lắp đặt và sử dụng kho lạnh 2.2.3.1. Hiện tượng lọt ẩm Không khí trong kho lạnh có nhiệt độ thấp, khi tuần hoàn qua dàn lạnh một luợng nước đáng kể đã kết ngưng lại, vì vậy phân áp suất hơi nước không khí trong buồng nhỏ hơn so với bên ngoài. Kết quả hơi ẩm có xu hướng thẩm thấu vào phòng qua kết cấu bao che. Đối với kho xây hơi ẩm khi xâm nhập có thể làm ẩm ướt lớp cách nhiệt làm mất tính chất cách nhiệt của lớp vật liệu. Vì thế kho xây cần phải được quét hắc ín và lót giấy dầu chống thấm. Giấy dầu chống thấm cần lót 02 lớp, các lớp chồng mí lên 60
nhau và phải dán băng keo kín, tạo màng cách ẩm liên tục trên toàn bộ diện tích nền kho. Đối với kho panel bên ngoài và bên trong kho có các lớp tôn nên không có khả năng lọt ẩm. Tuy nhiên cần tránh các vật nhọn làm thủng vỏ panel dẫn đến làm ẩm ướt lớp cách nhiệt. Vì thế trong các kho lạnh người ta thường làm hệ thống palet bằng gỗ để đỡ cho panel tránh xe đẩy, vật nhọn đâm vào trong quá trình vận chuyển đi lại. Giữa các tấm panel khi lắp ghép có khe hở nhỏ cần làm kín bằng silicon, sealant. Bên ngoài các kho trong nhiều nhà máy người ta chôn các dãy cột cao khoảng 0,8m phòng ngừa các xe chở hàng va đập vào kho lạnh gây hư hỏng. 2.2.3.2. Hiện tượng cơi nền do băng Kho lạnh bảo quản lâu ngày, lạnh truyền qua kết cấu cách nhiệt xuống nền đất. Khi nhiệt độ xuống thấp nước kết tinh thành đá, quá trình này tích tụ lâu ngày tạo nên các khối đá lớn làm cơi nền kho lạnh, phá huỷ kết cấu xây dựng. Để đề phòng hiện tượng cơi nền người ta sử dụng các biện pháp sau: a) Tạo khoảng trống phía dưới để thông gió nền: Lắp đặt kho lạnh trên các con lươn, hoặc trên hệ thống khung đỡ. Các con lươn thông gió được xây bằng bê tông hoặc gạch thẻ, cao khoảng 100 ÷ 200mm đảm bảo thông gió tốt. Khoảng cách giữa các con lươn tối đa 400mm Bề mặt các con lươn dốc về hai phía 2% để tránh đọng nước (hình 2-7) b) Dùng điện trở để sấy nền. Biện pháp đơn giản, dễ lắp đặt, nhưng chi phí vận hành khá cao, đặc biệt khi kích thước kho lớn. Vì vậy biện pháp này ít sử dụng. c) Dùng các ống thông gió nền: Đối với kho có nền xây, để tránh đóng băng nền, biện pháp kinh tế nhất là sử dụng các ống thông gió nền. Các ống thông gió là ống PVC đường kính 61
Φ100mm, bố trí cách quảng 1000÷1500mm, đi dích dắc phía dưới nền, hai đầu thông lên khí trời. 1 2 3 1- Panel tường; 2- Con lươn; 3- Nền móng kho lạnh Hình 2-7: Con lươn thông gió kho lạnh Trong quá trình làm việc, gió thông vào ống, trao đổi nhiệt với nền đất và sưởi ấm nền, ngăn ngừa đóng băng. 2.2.3.3. Hiện tượng lọt không khí Khi xuất nhập hàng hoặc mở cửa thao tác kiểm tra, không khí bên ngoài sẽ thâm nhập vào kho gây ra tổn thất nhiệt đáng kể và làm ảnh hưởng chế độ bảo quản. Quá trình thâm nhập này thực hiện như sau: Gió nóng bên ngoài chuyển động vào kho lạnh từ phía trên cửa và gió lạnh trong phòng ùa ra ngoài từ phía dưới nền. Quá trình thâm nhập của không khí bên ngoài vào kho lạnh không những làm mất lạnh của phòng mà còn mang theo một 62
lượng hơi ẩm vào phòng và sau đó tích tụ trên các dàn lạnh ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của hệ thống. Để ngăn ngừa hiện tượng đó người ta sử dụng nhiều biện pháp khác nhau: + Sử dụng quạt màn tạo màn khí ngăn chặn sự trao đổi không khí bên ngoài và bên trong. + Làm cửa đôi: Cửa ra vào kho lạnh có 02 lớp riêng biệt làm cho không khí bên trong không bao giờ thông với bên ngoài. Phương pháp này bất tiện vì chiếm thêm diện tích, xuất nhập hàng khó khăn, giảm mỹ quan công trình nên ít sử dụng. Nhiều hệ thống kho lạnh lớn người ta làm hẳn cả một kho đệm. Kho đệm có nhiệt độ vừa phải, có tác dụng như lớp đệm tránh không khí bên ngoài xâm nhập vào kho lạnh (hình2-8). + Sử dụng cửa sổ nhỏ để vào ra hàng. Các cửa này được lắp đặt trên tường ở độ cao thích hợp và có kích thước cỡ 680x680mm (hình 2-7). + Sử dụng màn nhựa: Treo ở cửa ra vào 01 tấm màn nhựa được ghép từ nhiều mãnh nhỏ. Phương pháp này hiệu quả tương đối cao, nhưng không ảnh hưởng đến việc đi lại. Nhựa chế tạo màn cửa phải đảm bảo khả năng chịu lạnh tốt và có độ bền cao. Cửa được ghép từ các dãi nhựa rộng 200mm, các mí gấp lên nhau một khoảng ít nhất 50mm, vừa đảm bảo thuận lợi đi lại nhưng khi không có người vào ra thì màn che vẫn rất kín (hình 2-9). 63
15000 15000 15000 15000 270m2 200m2 200m2 270m2 kho l ¹ nh b¶o qu¶n kho l ¹ nh b¶o qu¶n kho l ¹ nh b¶o qu¶n kho l ¹ nh b¶o qu¶n 17000 -20 ÷ -25°C -20 ÷ -25°C -20 ÷ -25°C -20 ÷ -25°C ph ßn g ®Öm 2x60m2 6000 0 ÷ -5°C Hình 2-8: Hệ thống kho lạnh SEAPRODEX Vũng Tàu mµn nhùa mµn nhùa cö a CHÝNH 1980x980 cö a r a hµng 680x680 690 90 800 19 Mµn nhùa , dµy 2mm, réng 200mm 1100 Hình 2-9: Màn nhựa che cửa ra vào và xuất nhập hàng kho lạnh 2.2.3.4. Tuần hoàn gió trong kho lạnh Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc tuần hoàn gió trong phòng khi thiết kế và sử dụng cần phải hết sức chú ý các công việc sau: * Sắp xếp hàng hợp lý 64
Việc sắp xếp hàng trong kho phải tuân thủ các điều kiện: - Thuận lợi cho việc thông gió trong kho để tất các khối hàng đều được làm lạnh tốt. - Đi lại kiểm tra, xem xét thuận lợi. - Đảm bảo nguyên tắc hàng nhập trước xuất trước, nhập sau xuất sau. - Hàng bố trí theo từng khối, tránh nằm rời rạc khả năng bốc hơi nước lớn làm giảm chất lượng thực phẩm. Khi sắp xếp hàng trong kho phải chú ý để chừa các khoảng hở hợp lý giữa các lô hàng và giữa lô hàng với tường, trần, nền kho để cho không khí lưu chuyển và giữ lạnh sản phẩm. Đối với tường việc xếp cách tường kho một khoảng còn có tác dụng không cho hàng nghiêng tựa lên tường, vì như vậy có thể làm bung các tấm panel cách nhiệt nếu quá nặng. Khoảng cách tối thiểu về các phía cụ thể nêu trên bảng 2-8. Bảng 2-8: Khoảng cách cực tiểu khi xếp hàng trong kho lạnh Sàn Tường Trần 1 ÷ 1,5 dm 2 ÷ 8 dm 50 dm Trong kho cần phải chừa các khoảng hở cần thiết cho người và các phương tiện bốc dỡ đi lại. Bề rộng tuỳ thuộc vào phương pháp bốc dỡ và thiết bị thực tế. Nếu khe hở hẹp khi phương tiện đi lại va chạm vào các khối hàng có thể làm đổ mất an toàn và làm hư hỏng sản phẩm. Phía dưới dàn lạnh không nên bố trí hàng để người vận hành dễ dàng xử lý khi cần thiết. * Sử dụng hệ thống kênh gió để phân phối Đối với các kho lạnh dung tích lớn cần thiết phải sử dụng các kênh gió để phân phối gió đều trong kho. Nhờ hệ thống kênh gió 65
thiết kế hợp lý gió sẽ được phân bố đều hơn đến nhiều vị trí trong kho. 23000 2420 2420 2420 2420 2420 2420 2420 2420 3640 1 23 000 4 0 40 0 240 1- Dàn lạnh; 2- ống gió; 3- Miệng thổi Hình 2-10: Bố trí kênh gió trong kho lạnh 2.2.3.5. Xả băng dàn lạnh Không khí khi chuyển dịch qua dàn lạnh, ngưng kết một phần hơi nước ở đó. Quá trình tích tụ càng lâu lớp tuyết càng dày. Việc bám tuyết ở dàn lạnh dẫn đến nhiều sự cố cho hệ thống lạnh như: Nhiệt độ kho lạnh không đạt yêu cầu, thời gian làm lạnh lâu, ngập dịch, cháy mô tơ vv Sở dĩ như vậy là vì: - Lớp tuyết bám bên ngoài dàn lạnh tạo thành lớp cách nhiệt, ngăn cản quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất và không khí trong buồng lạnh. Do đó nhiệt độ buồng lạnh không đạt yêu cầu, thời gian làm lạnh kéo dài. Mặt khác môi chất lạnh trong dàn lạnh do không nhận được nhiệt để hoá hơi nên, một lượng lớn hơi ẩm được hút về máy nén gây ra ngập lỏng máy nén. 66
- Khi tuyết bám nhiều đường tuần hoàn của gió trong dàn lạnh bị nghẽn, lưu lượng gió giảm, hiệu quả trao đổi nhiệt cũng giảm theo, trở lực lớn quạt làm việc quá tải và mô tơ có thể bị cháy. - Trong một số trường hợp tuyết bám quá dày làm cho cánh quạt bị ma sát không thể quay được và sẽ bị cháy, hỏng quạt. Để xả tuyết cho dàn lạnh người ta thường sử dụng 3 phương pháp sau đây. a) Dùng gas nóng: Phương pháp này rất hiệu quả vì quá trình cấp nhiệt xả băng thực hiện từ bên trong. Tuy nhiên, phương pháp xả băng bằng gas nóng cũng gây nguy hiểm do chỉ thực hiện khi hệ thống đang hoạt động, khi xả băng quá trình sôi trong dàn lạnh xãy ra mãnh liệt có thể cuốn theo lỏng về máy nén. Vì thế chỉ nên sử dụng trong hệ thống nhỏ hoặc hệ thống có bình chứa hạ áp. b) Xả băng bằng nước: Phương pháp dùng nước hiệu quả cao, dễ thực hiện đặc biệt trong các hệ thống lớn. Mặt khác khi xả băng bằng nước người ta đã thực hiện hút kiệt ga và dừng máy nén trước khi xả băng nên không sợ ngập lỏng khi xả băng. Tuy nhiên, khi xả băng, nước có thể bắn tung toé ra các sản phẩm trong buồng lạnh và khuyếch tán vào không khí trong phòng, làm tăng độ ẩm của nó, lượng ẩm này tiếp tục bám lại trên dàn lạnh trong quá trình vận hành kế tiếp. Vì thế biện pháp dùng nước thường sử dụng cho hệ thống lớn, tuyết bám nhiều, ví dụ như trong các hệ thống cấp đông. c) Dùng điện trở: trong các kho lạnh nhỏ các dàn lạnh thường sử dụng phương pháp xả băng bằng điện trở. Cũng như phương pháp xả băng bằng nước phương pháp dùng điện trở không sợ ngập lỏng. Mặt khác xả băng bằng điện trở không làm tăng độ ẩm trong kho. Tuy nhiên phương pháp dùng điện trở chi phí điện năng lớn và không dễ thực hiện. Các điện trở chỉ được lắp đặt sẵn do nhà sản xuất thực hiện. 67
2.3 tính phụ tải nhiệt kho lạnh Tính cân bằng nhiệt kho lạnh nhằm mục đích xác định phụ tải cần thiết cho kho để từ đó làm cơ sở chọn máy nén lạnh. Đối với kho lạnh các tổn thất nhiệt bao gồm: - Nhiệt phát ra từ các nguồn nhiệt bên trong như: Nhiệt do các động cơ điện, do đèn điện, do người, sản phẩm tỏa ra, do sản phẩm “hô hấp”. - Tổn thất nhiệt do truyền nhiệt qua kết cấu bao che, do bức xạ nhiệt, do mở cửa, do bức xạ và do lọt không khí vào phòng. Tổng tổn thất nhiệt kho lạnh được xác định: Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 (2-4) Q1 - Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che của kho lạnh. Q2 - Dòng nhiệt do sản phẩm toả ra trong quá trình xử lý lạnh. Q3 - Dòng nhiệt do không khí bên ngoài mang vào khi thông gió buồng lạnh. Q4 - Dòng nhiệt từ các nguồn khác nhau khi vận hành kho lạnh. Q5 - Dòng nhiệt từ sản phẩm toả ra khi sản phẩm hô hấp (thở) chỉ có ở các kho lạnh bảo quản rau quả. 2.3.1 Tính nhiệt kho lạnh bảo quản 2.3.1.1 Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che là tổng các dòng nhiệt tổn thất qua tường bao che, trần và nền do sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên ngoài và bên trong cộng với các dòng nhiệt tổn thất do bức xạ mặt trời qua tường bao và trần Q1 = Q11 + Q12 (2-5) 68
Q11- dòng nhiệt qua tường bao, trần và nền do chênh lệch nhiệt độ; Q12- dòng nhiệt qua tường bao và trần do bức xạ mặt trời. Thông thường nhiệt bức xạ qua kết cấu bao che bằng 0 do hầu hết các kho lạnh hiện nay là kho panel và được đặt bên trong nhà, trong phân xưởng nên không có nhiệt bức xạ. 1. Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che do chênh lệch nhiệt độ Q11 - được xác định từ biểu thức: Q11 = k.F.(t1-t2) (2-6) 2 kt - hệ số truyền nhiệt của kết cấu bao che, W/m .K F - diện tích bề mặt của kết cấu bao che, m2. 0 t1- nhiệt độ môi trường bên ngoài, C; 0 t2- nhiệt độ trong buồng lạnh, C. a. Xác định diện tích bề mặt kết cấu bao che Diện tích bề mặt kết cấu bao che được xác định theo diện tích bên ngoài của kho. Để xác định diện tích này chúng ta căn cứ vào các kích thước chiều rộng, dài và cao như sau: * Tính diện tích tường Ft = Chiều dài x Chiều cao Xác định chiều dài: - Kích thước chiều dài tường ngoài: + Đối với buồng ở góc kho: lấy chiều dài từ mép tường ngoài đến trục tâm tường ngăn (chiều dài l1, l3 hình 2-11 ). + Đối với buồng ở giữa chiều dài được tính là khoảng cách giữa các trục tường ngăn (chiều dài l2 hình 2-11) + Đối với tường ngoài hoàn toàn: Tính từ mép tường ngoài này đến mép tường ngoài khác (chiều dài l4 hình 2-11 ). - Kích thước chiều dài tường ngăn: + Đối với buồng ngoài lấy từ mặt trong tường ngoài đến tâm tường ngăn (chiều dài l5 hình 2-11) 69