ỨNG DỤNG CÁNH HƯỚNG DÒNG VÀO THIẾT KẾ KHO LẠNH

Tổng quan

Trong một nghiên cứu mới đây được thực hiện bởi Viện Khoa Học Công Nghệ & Thực Phẩm của Ấn Độ vào năm 2019 nhằm nghiên cứu kho tiền đông (pre-cooling) để sản phẩm đạt được trạng thái nhiệt độ đồng nhất trước khi được vận chuyển vào kho lạnh. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm trên một kho lạnh ở miền nam Tunisia chứa 11 tấn hạt chà là từ điều kiện thu hoạch ở nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ kho là 5 độ C. Kho lạnh được nghiên cứu có thể tích 63 mét khối, điều kiện vận hành bình thường của kho trong suốt quá trình tiền đông là 40 tiếng, vận tốc gió và nhiệt độ ở các vị trí khác nhau của kho dao động từ 0.25-7 m/s và 3-6 độ C. Nhiệt độ sản phẩm cao hơn nhiệt độ kho khoảng 12 độ C. Qua quá trình nghiên cứu, một cách thiết kế kho mới được đề xuất bằng cách sử dụng cánh hướng dòng với hình dáng động lực học. Thiết kế này cho phép cải thiện quá trình trao đổi nhiệt giữa luồng không khí lạnh và sản phẩm. Giai đoạn tiền đông được rút ngắn đến 10 tiếng đồng hồ và nhiệt độ trung bình của sản phẩm đạt 6 độ C.

Thông thường sau khi thu hoạch, các sản phẩm nông nghiệp sẽ được làm lạnh sơ bộ để duy trì chất lượng cũng như hạn sử dụng trong quá trình lưu thông trong thị trường. Việc làm lạnh sẽ giúp hạn chế quá trình trao đổi chất và enzym hóa của sản phẩm. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình làm lạnh như: phương pháp làm lạnh, đặc tính nhiệt và vật lý của sản phẩm, điều kiện nhiệt độ ban đầu, điều kiện kho và cách sắp xếp hàng hóa. Thêm vào đó cũng có nhiều nghiên cứu đã chỉ ra hệ số trao đổi nhiệt của sản phẩm cũng bị ảnh hưởng nhều bởi phương pháp đóng gói.

Một vấn đề khó khăn trong việc đạt được nhiệt độ sản phẩm đồng nhất là do sự phân bố dòng khí trao đổi nhiệt không đều. Một số nghiên cứu đã chứng minh việc sử dụng tốc độ dòng gió thổi cao hoặc đặt thiết bị trao đổi nhiệt thấp và gần với các kệ hàng có thể giúp cải thiện hiệu quả trao đổi nhiệt.

Thiết kế chi tiết

Trong thí nghiệm nói trên, 11 tấn hạt chà là đã được lưu trữ trong một kho lạnh có nhiệt độ 5 độ C với kích thước 5.6 x 3.62 x 3.3 m. Kho lạnh sử dụng hệ thống lạnh máy nén hơi, dàn lạnh được lắp trên trần và đối diện với cửa kho. Dàn lạnh này có 3 quạt hướng trục với đường kính 45 cm với tốc độ vòng quay 1500 vòng/ phút. Hạt chà là được đóng gói thành 432 thùng với kích thước 62 x 32 x 15 cm. Những thùng này được sắp xếp thành 3 hàng, mỗi hàng gồm 84 thùng, với độ cao là 2 mét. Lối đi lại được bố trí giữa các dãy hàng hóa và gần với vách kho.

Ở thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu thực hiện mô phỏng theo 3 cách; cách thứ nhất là kho lạnh thông thường, cách thứ hai là sử dụng một tấm hướng dòng dạng phẳng, và cuối cùng là một tấm hướng dòng với hình dáng động lực học.

Kho lạnh thông thường

Ở mô hình thứ nhất, kho lạnh thông thường, vận tốc gió đạt tốc độ cao nhất ở 7.5 mét/ giây ở khu vực xung quanh cánh quạt và gần như bằng không ở khu trung tâm, lưu lượng gió di chuyển từ quạt dàn lạnh qua phần trên của các thùng hàng và chạm vào phần vách ở cửa trước và quay về theo hướng phía dưới sàn. Hướng phân phối gió này sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình làm lạnh trong kho lạnh. Trong thực tế vận tốc gió là nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt giữa không khi lạnh và sản phẩm trong suốt giai đoạn tiền đông. Tuy nhiên để kho làm lạnh nhanh và đồng đều, vận tốc gió và nhiệt độ phải phân bố đều quanh kho lạnh.

Thông qua quá trình mô phỏng, quá trình làm lạnh sơ bộ kéo dàn hơn 20 giờ để phòng đạt được sự phân bố nhiệt độ yêu cầu. Sau 25 tiếng làm lạnh, nhiệt độ sản phẩm ở 2 phía vách khá đồng đều ở 14 độ C. Tuy nhiên ở khu vực giữa của kho, nhiệt độ duy trì ở mức từ 10 đến 18 độ C. Những sản phẩm đặt ở phía 2 bên vách có xu hướng được làm lạnh nhanh hơn ở khu vực giữa kho.

Việc hạ nhiệt độ kho nhanh chóng là rất quan trọng để giảm việc phát thải khí ethylene, enzym hóa phát sinh từ phản ứng trao đổi chất trong sản phẩm. Việc này có thể thực hiện được bằng cách đáp ứng đúng công suất lạnh trong khoảng thời gian phù hợp. Bất kỳ một sự khác biệt nào giữa nhiệt độ của sản phẩm và điều kiện kho mong muốn sẽ tạo điều kiện cho vi sinh vật phát trển và gây ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Sự khác biệt về nhiệt độ trong một kho lạnh thông thường được tạo ra do quá trình làm lạnh không đồng đều. Đây là lý do mà các cơ chế sinh học và tổn thất về khối lượng sẽ nghiêm trọng hơn khi được so sánh ở những khu vực khác trong kho. Thêm vào đó, hiệu quả làm lạnh kém ở khu vực giữa kho sẽ sẽ kéo dài quá trình làm lạnh, từ đó tăng thêm chi phí vận hành.

Kho lạnh với cánh hướng dòng dạng phẳng

Sử dụng mội cánh hướng dòng đơn, dạng phẳng, phân bố nhiệt độ trong phòng sau 25 tiếng làm lạnh được minh họa ở hình 4. Mặc dù với khối lượng sản phẩm lớn, nhưng ở hai bên vách, nhiệt độ đều đạt ở mức 10 độ C, một vài thùng hàng có nhiệt độ trên 15 độ C. Ở khu vực giữa kho, tất cả sản phẩm đều nhiệt độ dưới 15 độ C.

Bằng cách sử dụng cách hướng dòng dạng phẳng, các sản phẩm được cải thiện về quá trình làm lạnh đặc biệt là phân bố nhiệt độ của khi. Tuy nhiên thiết kế này không thể đảm bảo độ làm lạnh đồng nhất trong toàn bộ kho lạnh.

Kho lạnh với 3 cánh hướng dòng hình dáng động lực học

Ở thiết kế này cho ra một cách phân phối gió tốt hơn với hình dáng cánh hướng dòng theo hình dáng động lực học, thứ mà chúng ta vẫn thường thấy trong thiết kế xe đua. Với thiết kế này, nhiệt độ trong kho trở nên đồng đều hơn, tất cả sản phẩm đều được làm lạnh dưới 10 độ C. Ở 3 dãy hàng trong kho lạnh đều đạt được mức độ làm lạnh đồng đều theo mong muốn.

Bằng cách sử dụng 3 cánh hướng dòng cho phép rút ngắn thời gian làm lạnh trong kho đến 6 giờ đồng hồ so với việc sử dụng cánh hướng dòng dạng phẳng và lên tới 10 giờ đồng hồ so với việc kho lạnh hoạt động không có cánh hướng dòng.

Cách sắp xếp với 3 cánh hướng dòng trong kho lạnh giúp giảm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ cũng như chi phí hoạt động của kho lạnh mà không cần đầu tư quá nhiều.

Kết luận

Thông qua việc phân tích ba thiết kế trên bao gồm kho lạnh thông thường, kho lạnh sử dụng cánh hướng dòng dạng phẳng, kho lạnh sử dụng ba cánh hướng dòng, những sự phân bố của nhiệt độ, hướng gió đã được thảo luận một cách chi tiết, các kết quả được minh họa thông qua việc sử dụng phần mềm CFD. Kết quả cho thấy kho lạnh thông thường không có cánh hướng dòng phải tốn thời gian lâu hơn để làm lạnh và nhiệt độ sản phẩm không đồng đều. Sử dụng cánh hướng dòng đơn dạng phẳng cho kết quả tốt hơn nhưng hiệu quả từ việc áp dụng ba cánh hướng dòng cho thấy hiệu quả cao nhất. Thiết kế này cho phép dòng khí đối lưu trong phòng tốt hơn và cải hiện quá trình làm lạnh nhiệt hiện của phòng. Thời gian làm lạnh cũng được rút ngắn đáng kể từ đó cho phép giảm thiểu lượng điện năng tiêu thụ cũng như chi phí vận hành của kho lạnh.