by Do khoa học kỹ thuật lạnh ngày một phát triển đến mức hoàn thiện trong mọi lĩnh vực như: kỹ thuật điều hòa không khí, kỹ thuật lạnh đông thực phẩm rau quả, thủy hải sản, gia súc, gia cầm, kỹ thuật lạnh sản xuất nước đá, nên hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để sản xuất nước đá, đi kèm theo nó là các thiết bị công nghệ làm nước đá cũng có phần khác nhau, chủ yếu là khác nhau về thiết bị trao đổi nhiệt làm lạnh (thiết bị bay hơi) và phương pháp làm lạnh (làm lạnh gián tiếp hay trực tiếp).
Nếu sử dụng phương pháp làm lạnh gián tiếp trong công nghệ sản xuất nước đá cây, đá bẹ, đá tảng,v.v thì phải dùng chất tải lạnh trung gian là nước muối natri clorua (NaCl) hoặc hỗn hợp nước muối NaCl và KCl, hay NaCl có pha trộn muối canxi clorua (CaCl2).
Nếu sử dụng phương pháp làm lạnh trực tiếp như trong công nghệ sản xuất nước đá vảy, đá viên, đá bột, nước đá ống tinh thiết, nước đá cục pha lê, v.v thì phải dùng môi chất lạnh trao đổi lạnh trực tiếp với nước cần làm đá.
Dù được làm lạnh thế nào đi chăng nữa thì vẫn có chung sơ đổ công nghệ thiết bị hệ thống, trong đó chỉ khác nhau về thiết bị bay hơi. Do nhiệt độ bay hơi của môi chất ở thiết bị bay hơi đòi hỏi không cao, nhiệt độ làm nước đông đặc có nhiệt độ âm không sâu, vì vậy tỷ số nén không cao, cho nên hệ thống lạnh dùng để sản xuất nước đá thường dùng là hệ thống lạnh một cấp nén.
1. Sơ đồ thiết bị chung trong công nghệ sản xuất nước đá
Sản xuất nước đá nhân tạo bằng cách lạnh đông nước ở nhiệt độ (-25÷ -8)°C, tuỳ theo phương pháp làm lạnh mà nhiệt độ của môi chất lạnh ở dàn bay hơi thay đổi trong khoảng từ (-30÷-12)"C.
Đối với phương pháp sản xuất nước đá cây, nước đá khối thường sử dụng hệ thống lạnh một cấp nén – môi chất lạnh là amôniắc (NH3), nếu hình dạng sản phẩm làm đông phức tạp, hơn nữa môi chất lạnh amôniắc có mùi hôi thối khó chịu, thì phải sử dụng phương pháp làm lạnh gián tiếp với chất tải lạnh trung gian là nước muối (NaCl + CaCl2 hoặc NaCl + MgCl2 hoặc cũng có thể CaCl2 + MgCl2), tuy nhiên không nhất thiết sử dụng môi chất lạnh amôniắc mà có thể sử dụng môi chất lạnh Freon vẫn tốt như R22, R502, v.v
Đối với phương pháp làm lạnh trực tiếp thì tuyệt đối không nên sử dụng hệ thống lạnh – môi chất lạnh amôniắc, bởi vì sự rò rỉ rất nhỏ cũng làm cho sản phẩm nước đá có mùi hôi khó chịu, cho nên khi hệ thống lạnh dùng để sản xuất nước đá vảy, nước đá ống, v.v nên sử dụng môi chất lạnh Freon là tốt nhất, nếu sử dụng amôniắc thì cần phải có điều kiện nghiêm ngặt là hệ thống phải kín tuyệt đối, nhất là dàn lạnh.
Ngoài ra, sơ đồ hệ thống trên sử dụng thiết bị ngưng tụ ống chùm làm mát bằng nước, cũng có thể thay thế thiết bị ngưng tụ trên bằng các thiết bị làm mát bằng không khí hoặc môi trường làm mát vừa nước vừa không khí, ví dụ như thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới không khí đối lưu tự nhiên hoặc không khí đối lưu cưỡng bức. Thiết bị ngưng tụ kiểu xối thường được lắp đặt ở ngoài trời.
Các phương pháp sản xuất nước đá dù khác nhau thế nào đi chăng nữa thì toàn bộ sơ đồ công nghệ thiết bị giống như hình bên dưới nhưng chi khác nhau vị trí (5) thiết bị bay hơi, ứng với mỗi phương pháp khác nhau sẽ có thiết bị bay hơi khác nhau.
2. Phương pháp sản xuất nước đá khối
Phương pháp sản xuất nước đá khối có thể sản xuất nước đá đục, nước đá trong, v.v. tuỳ theo chất lượng của nguồn nước nguyên liệu. Phương pháp sản xuất nước đá khối hiện nay được sử dụng nhiều ở Việt Nam cũng như ở các nước trên thế giới, bởi vì phương pháp này không đòi hỏi kỹ thuật cao, thiết bị đơn giản, sửa chữa vận hành cũng tương đối đơn giản.
Hệ thống thiết bị máy sản xuất nước đá khối cho sản phẩm ở dạng khối như: đá cây, đá bẹ, đá tảng,v.v. tuỳ theo hình dạng khuôn đá khác nhau. Khối lượng mỗi loại đá khối khác nhau: 3,5kg, 5kg, 12,5kg, 25kg, 50kg (phố biển nhất hiện nay ở Việt Nam), 70kg (ở Đức), 90kg, 100 ; 120kg (ở Mỹ).
Hình 2. Sơ đồ hệ thống thiết bị máy sản xuất nước đá khối
Hệ thống thiết bị sản xuất nước đá khối thông thường là hệ thống lạnh một cấp nén. Có máy nén lạnh một cấp, có thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và các thiết bị phụ cần thiết khác. Thiết bị ngưng tụ có thể làm mát bằng không khí, bằng nước, bằng không khí và nước, nhưng thông dụng nhất hiện nay là thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí và nước (trong đó không khí đối lưu cưỡng bức hoặc tự nhiên). Ở Việt Nam các hệ thống máy nước đá thường sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới được lắp đặt ở ngoài trời gần nguồn nước (sông, suối, ao, hồ, v.v.) trong đó không khí đổi lưu tự nhiên. Còn thiết bị bay hơi thường sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm hoặc kiểu xương cá và làm lạnh gián tiếp trong đó chất tải lạnh trung gian thường dùng nhất là hỗn hợp nước muối (NaCl, CaCl2), dàn lạnh và nước muối được đặt chung một cái bể (gọi là bể làm đá hay bể đá). Bể đá thường cấu tạo 2 ngăn thông nhau và chứa nước muối, ngăn lớn chứa các khuôn chứa nước làm đá đặt ngập trong bể nước muối, ngăn nhỏ chứa thiết bị bay hơi và cánh khuấy làm lạnh và đối lưu nước muối để đưa lạnh từ dàn bay hơi đến khuôn nước làm đá, tại đây sẽ xảy ra quá trình trao đổi nhiệt, nước làm đá có nhiệt độ từ (25÷30)°C cao sẽ trao đổi nhiệt với nước muối có nhiệt độ từ (-15÷ - 8)'C, nước muối sẽ nhận nhiệt từ nước làm đá trong khuôn làm tăng nhiệt độ, nước trong khuôn làm đá tỏa nhiệt làm giảm nhiệt độ, sự giảm này được thực hiện liên tục cho đến khi nước trong khuôn đá cân bằng nhiệt độ với nước muối bên ngoài là quá trình làm đá kết thúc. Để duy trì nhiệt độ nước muối của chất tải lạnh trung gian từ (-15 - 8)°C thì nhiệt nước đá nhận vào trong bản thân nó sẽ được đưa tới thiết bị bay hơi nhờ đối lưu cưỡng bức của cánh khuấy, tại đó nó sẽ tỏa nhiệt cho dàn lạnh, còn môi chất lạnh đi trong ống trao đổi nhiệt của dàn lạnh có nhiệt độ (-30 ÷ -12)°C sẽ nhận nhiệt thực hiện quá trình bay hơi đẳng áp trước khi máy nén hút về thực hiện một chu trình mới tiếp theo.
Cấu tạo bể sản xuất nước đá: gồm hai phần, một là cơ cấu bao che “các vách xung quanh và đáy bể”, hai là các thiết bị công nghệ sản xuất nước đá.
3. Phương pháp sản xuất nước đá bột – nước đá vảy (sản xuất liên tục)
Sơ đồ máy và thiết bị
Thiết bị có dạng hình trụ như trên hình 3 bên dưới được đặt ở trên nóc của phòng (kho) bảo quản nước đá, dàn lạnh hình trụ hai lớp (lớp ngoài dành cho gas đi, lớp trong tiếp xúc với nước) làm lạnh trực tiếp không thông qua chất tải lạnh trung gian, nước từ bồn chứa cố định được bơm lên thùng chứa chuyển động theo vòi phun, phun lên bề mặt trong của dàn lạnh và tạo thành nước đá, phần nước dư chảy xuống máng hứng theo ống dẫn về lại bồn nước cố định, lớp nước đá được tách ra khỏi bề mặt dàn lạnh do lưỡi dao chuyển động theo trục quay, nước đá rơi xuống qua khoảng trống của máng hứng chuyển động xuống kho bảo quản. Máng hứng chuyển động dạng hình nón cụt liên kết với trục quay phía dưới gắn với ổ đỡ cố định, đầu trên trục quay gắn với một gối đỡ cố định và bộ giảm tốc, thiết bị này có thể hoạt động tự động hoàn toàn, an toàn, tạo ra nước đá có kích thước nhỏ phù hợp với công nghệ chế biến lạnh nhưng dễ nóng chảy nên không tiện cho việc vận chuyển nước đá. Hiệu suất của thiết bị cao hơn rất nhiều so với thiết bị làm nước đá khối, bởi vì hao phí lạnh ít hơn, việc điều chỉnh tự động và bộ phận cung cấp gas lạnh, nhiệt độ dàn lạnh dễ dàng hơn, dàn lạnh chia làm ba ngăn có năng suất lạnh khác nhau, nước chuyển động từ trên xuống dưới có nhiệt độ giảm dần nên các ngăn đòi hỏi lưu lượng gas lạnh tuần hoàn qua sẽ khác nhau. Khi nước đá trong kho bảo quản quá nhiều thì bộ phận an toàn sẽ ngắt mạch điện làm ngừng hoạt động sản xuất.
Hình 3. Cấu tạo máy và thiết bị sản xuất nước đá vảy làm đá một mặt
Hình 4. Cấu tạo máy và thiết bị sản xuất nước đá vảy làm đá hai mặt
Hệ thống như hình 4 có năng suất gấp đôi so với hệ thống hình 3, tuy nhiên việc gia công lắp đặt hệ thống thiết bị này rất khó khăn và phức tạp hơn nhiều so hệ thống làm đá một mặt, vì vậy chi phí ban đầu rất lớn.
Hệ thống làm đá hai mặt dàn lạnh có hệ thống phun ở ngoài và ở trong, có hệ thống dao cạo đá ở mặt ngoài và mặt trong, chính vì vậy lớp đá tạo thành có độ dày gấp đôi so với làm đá một mặt, vì lý do đó mà hiệu suất hệ thống tăng gấp đôi.
Các hệ thống lạnh này thông thường sử dụng môi chất lạnh R12, R22, R502, Ngoài ra cũng có thể sử dụng môi chất lạnh amôniắc (NH3) nhưng phải đảm bảo độ kín tuyệt đối của dàn bay hơi. Hiện nay ở Thành phố Hồ Chí Minh một số công ty chế biến thủy hải sản đã sử dụng môi chất amôniắc để chạy cho hệ thống lạnh sản xuất nước đá vảy, phần lớn còn lại sử dụng môi chất lạnh R22.
Khối lượng riêng của sản phẩm khoảng từ 300 - 500 kg/m, chi phí lạnh khoảng (460÷ 500)KJ/kg và chi phí điện (145 ÷ 200 KJ/kg, máy tương đối gọn nhẹ, giá thành sản xuất nước đá bột đá vảy chi khoảng (40 ÷ 50)% so với sản xuất nước đá khối có bể nước muối. Thời gian làm đá rất nhanh, bề dày lớp đá tạo thành khoảng (0,5÷2,5)mm, nhiệt độ nước đá tạo thành khoảng (-10÷ -4)°C và nhiệt độ bay hơi môi chất lạnh ở dàn lạnh thấp hơn, khoảng (-30 ÷ -15)'C.
Để có thể làm tăng hiệu suất thiết bị sản xuất đá vảy có thể dùng bơm cấp dịch cưỡng bức cho dàn lạnh, vật liệu chế tạo thiết bị bay hơi có độ dẫn nhiệt cao như: thép CT30, hợp kim nhôm AMG5 và AD31 và chiều dày rất hạn chế, hệ thống phun nước tốt ở bề mặt thiết bị bay hơi, tăng số vòng quay của cơ cấu trục, nước làm đá được làm lạnh sơ bộ, hạ thấp nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh, tăng cường sự trao đổi nhiệt bề mặt trong của thiết bị bay hơi (phía Freon).
4. Phương pháp sản xuất nước đá ống hay nước đá viên (nước đá tinh khiết)
Sơ đồ máy và thiết bị
Hình 5. Cấu tạo máy và thiết bị sản xuất nước đá tinh khiết – nước đá viên
Kích thước của loại máy này có chiều cao 1700 mm, chiều dài 1000 mm, chiều rộng 950 mm, rất gọn nhẹ và hiệu quả rất cao. Hệ thống được làm lạnh trực tiếp, dàn lạnh là dạng ống chùm thẳng đứng trong đó môi chất lạnh đi ở ngoài ống còn bên trong của ống chứa nước làm đá (ống trao đổi nhiệt ở dàn lạnh cũng chính là khuôn làm đá), khi đá đóng băng tách đá bằng cách phun gas nóng vào dàn lạnh, đá rớt xuống có hệ thông máng đỡ và dao cắt thành từng khúc có chiều dài (50-100) mm tuỳ theo thống số cài đặt ở hệ thống điều khiển, hệ thống điều khiển của máy này thường sử dụng PLC, thời gian đông đá khoảng từ (30÷45) phút. Dao cắt có hành trình chuyển động hình cánh quạt.
Công suất của loại thiết bị có kích thước như vậy khoảng (1÷1,4) tấn/ngày, nếu thiết kế chế tạo trong nước giá khoảng 9000 USD, rất thích hợp sử dụng cho các nhà hàng, khách sạn lớn hoặc các siêu thị,.., Ưu điểm của loại máy này là lắp đặt bất cứ nơi nào cũng được, vận hành an toàn, ít hư hỏng, ít tốn điện năng và có thể dùng nguồn một pha hoặc ba pha vẫn được. Nhược điểm là giá thành còn rất cao, vì hệ thống điều khiển bằng PLC cho nên khi hư hỏng khó sửa chữa.
5. Một số máy và thiết bị sản xuất nước đá khác
1. Máy sản xuất nước đá miếng
Hình 6. chính là cấu tạo của máy sản xuất nước đá miếng, loại máy này trước đây rất thông dụng nhưng hiện nay ít được phổ biến và chỉ sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt.
Hình 6. Cấu tạo máy sản xuất đá miếng
Máy sản xuất đá miếng thường có công suất nhỏ dùng trong dân dụng, đá miếng có khối lượng riêng (khi đổ đống) khoảng (400÷600) kg/m. Thời gian làm đông rất nhanh là do bề dày lớp đá mỏng khoảng (5÷25) mm, giá thành nước đá này giảm khoảng (30÷40)% so với nước đá khối qua bể nước muối. Chi phí lạnh cho đông đá của máy này khá cao, khoảng (670÷840) kJ/kg, loại máy này làm lạnh trực tiếp không thông qua chất tải lạnh trung gian nước muối và có thể dùng môi chất lạnh freon R12, R22 hoặc R502, hiện nay các loại môi chất lạnh này đang xếp vào loại môi chất cấm sử dụng vì nó ảnh hưởng đến môi trường, các nhà khoa học đang đi tìm loại môi chất lạnh mới để thay thế.
2. Máy sản xuất nước đá ống
Máy đá ống làm lạnh – đông nước đá trực tiếp không thông qua nước muối, thiết bị bay hơi ở đây được cấu tạo ống lồng trong ống như trên hình 7 bên dưới, ở giữa tâm có ống dẫn môi chất lạnh tuần hoàn, ở bên ngoài có ông bao xung quanh dẫn môi chất lạnh tuần hoàn, ở giữa ông lồng trong ống chứa nước cần làm đông để tạo nước đá dạng hình ống.
Thông thường hệ thống sản xuất nước đá ống có công suất lớn không chỉ có một ống mà là một tập hợp ống được sắp xếp từng dãy, mỗi dãy có nhiều ống, nhiệt độ sôi của môi chất lạnh ở dàn bay hơi khoảng từ (-15÷-25)'C, khối lượng của mỗi ống đá là 25 kg, thời gian làm đông tương đối nhanh, khoảng 1,5÷2 giờ, và vệ sinh hơn, phương pháp tách đá bằng gas nóng giống như sản xuất nước đá miếng và nước đá viên, hao tổn nước đá khi tách khoảng 2÷3 %. Khi tách đá lớp đá ở nắp dưới vẫn chưa tan cho nên cần phải mở nắp trước khi tách đá. Đối với phương pháp sản xuất nước đá ống cũng có các khuôn đá 12,5kg; 35kg và 50kg tuỳ theo yêu cầu và mục đích sử dụng. Giá thành của phương pháp sản xuất nước đá này giảm khoảng (25÷30)%. Hệ thống này có thể sử dụng môi chất lạnh freon R22, R502 hoặc amôniăc (NH3), tuy nhiên sử dụng NH3 là tốt hơn cả vì năng suất lạnh riêng của nó về khối lượng cũng như về thể tích tương đối lớn so với freon R22, R502. Phần tính toán chi phí lạnh của máy sản xuất nước đá miếng hoàn toàn tương tự như máy sản xuất nước đá viên – nước đá tinh khiết.
3. Máy sản xuất nước đá liên tục
Hệ thống máy nước đá này làm lạnh trực tiếp không thông qua chất tải lạnh trung gian (nước muối), sản xuất nước đá liên tục. Trong các loại máy nước đá như: máy sản xuất đá khối kiểu bể nước muối, máy sản xuất viên, đá ông, v.v, quá trình đồng đá bị chậm đi do lớp đá tạo thành làm tăng nhiệt trở, quá trình sản xuất gián đoạn do phải có thời gian tách đá ra khỏi khuôn, kéo dài chu kỳ sản xuất và làm tăng tổn thất lạnh do làm lạnh khuôn đá nhiều lần. Loại máy sản xuất nước đá liên tục này khắc phục được các nhược điểm trên và được coi là một trong những loại máy tiên tiến nhất vừa làm lạnh trực tiếp vừa sản xuất đá liên tục do hãng Siman (Amo) thiết kế, chế tạo. Quá trình sản xuất làm đông nước từng lớp sau đó dùng hệ thống cơ cấu ép nén thủy lực để đẩy đá ra ngoài từ dưới lên, không cần dùng gas nóng để tách đá. Loại máy này hiện nay được nhiều nước trên thế giới sản xuất như Pháp, Áo, Mỹ, Nhật, Nga và Đức, tuy nhiên nó chi sản xuất ở quy mô nhỏ và chưa được phổ biến rộng rãi trong công nghiệp.
Để làm đá, đầu tiên đổ đầy nước vào khuôn và đông lạnh như đá khối, khi đã động khối đá thì qua lỗ nhỏ ở đáy khuôn cho một lượng nước vào để tạo áp lực tách đá ra khỏi khuôn và đồng thời chảy đầy vào các khe hở giữa khối đá và khuôn. Lực đầy này phụ thuộc vào nhiệt độ của đá, thường khoảng từ (0,5÷2,0)Mpa, khe hở phụ thuộc và lượng nước đưa vào (khoảng từ (0,5÷3)mm), lớp nước đá mỏng được đông trong bao nhiêu giây dựa vào sự truyền nhiệt qua bề mặt của khuôn và bề mặt quá lạnh của khối đá đã đông ở phía trên. Thời gian đông đá cũng chính là thời gian đưa phần nước vào khuôn và thực tế là từ khuôn, nước đá liên tục phát triển và được không ngừng cắt ngắn (5phút/1 lần) bởi lưỡi cưa đĩa.
0 comments: