Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh (Nghề: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trình độ CĐ/TC): Phần 2 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật Nhiệt-Lạnh và Điều hòa không khí, cụ thể là: Môi chất lạnh, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Máy lạnh, cấu trúc cơ bản của hệ thống lạnh và hệ thống ĐHKK. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 2 sau đây!

Chương III

CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH

§1 CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH VÀ MÔI CHẤT LẠNH

Mục tiêu:

- Trình bày được ý nghĩa của kỹ thuật lạnh trong đời sống và trong kỹ thuật;

- Trình bày được ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong đời sống và trong kỹ thuật;

- Trình bày được các yêu cầu cơ bản đối với môi chất lạnh;

- Vẽ và trình bày được các phương pháp làm lạnh cơ bản;

- Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình vẽ hình

I Ý NGHĨA CỦA KỸ THUẬT LẠNH

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 oC ÷50 oC 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 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 càng 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

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 4 oC 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

- Khả năng chịu lạnh của mỗi loài vi sinh vật có khác nhau Một số loài chết ở nhiệt độ 20oC ÷ 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

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 quản lạnh tỏ ra có ưu điểm nổi bật vì:

- Hầu hết thực phẩm, nông sản đều thích hợp đối với phương pháp này

- 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

* Các chế độ xử lý lạnh thực phẩm: 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 -

8oC, nhiệt độ bề mặt đạt từ -18oC đến -12oC

Xử lý lạnh đông có hai phương pháp

+ Kết đông hai pha:

Thực phẩm nóng đầu tiên được làm lạnh từ 37oC xuống khoảng 4oC sau đó đưa vào thiết bị kết đông để nhiệt độ tâm khối thực phẩm đạt -8oC

Đối với chế biến thịt thường sử dụng phương pháp 1 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

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 m/s đến 0,2 m/s; đối lưu cưỡng bức cho phép 0,5 m/s (kể cả rau quả, thịt, cá, trứng )

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

2 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

3 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 Kỹ thuật lạnh có thể ứng dụng để:

- Tách các chất từ các hỗn hợp

- Điều khiển tốc độ phản ứng

4 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…)

5 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 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…

6 Ứng dụng trong y tế và sinh học cryô

hỗ trợ đắc lực cho việc lai tạo giống, bảo quản tinh đông, gây đột biến hoặc các kỹ thuật khác trong lai tạo giống

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

8 Ứng dụng trong xây dựng

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 kJ/kg 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 20oC 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 xem 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 =2 W/mK 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:

+ 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 nước lạnh qua để thải nhiệt cho bê tông Tốc độ nước trong ống khoảng 0,6 m/s

+ 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 mảnh, đá vụn và tính toán sao cho dung nhiệt đủ để cân bằng toàn bộ nhiệt Hydrat hoá

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

9 Ứng dụng khác

a 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

b 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

II CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

1 Tủ lạnh nước đá đơn giản

Hình 1.1 biểu diễn tủ lạnh đơn giản nhất bằng nước đá Đó là một tủ cách nhiệt, bên trong có ngăn đựng đá cục Đá tan 0oC nên nhiệt độ tủ lạnh không thể xuống đến

0oC Nếu dùng nước đá NaCl có thể đạt -21oC và nước đác CaCl2 có thể đạt -55oC và nước đá khô (CO2 rắn) có thể đạt -78oC

1: Tủ cách nhiệt; 2: Nước đá; 3: Ống nước xả; 4: Giá để thực phẩm;

5: Dòng nhiệt truyền vào tủ lạnh

Đối với các gas lạnh thông thường như NH3, R12, R22… là các chất có nhiệt độ sôi thấp, nếu để các chất lỏng này dây vào da có thể gây bỏng lạnh vì nhiệt độ quá thấp khi bay hơi tức thời có thể làm chết các tế bào giống như bị bỏng do nóng

3 Tủ lạnh bằng R12 sôi ở áp suất khí quyển

Hình 1.2 mô tả tủ lạnh nhờ hiệu ứng lạnh từ bốc hơi gas lỏng R12 ở áp suất khí quyển Nhiệt độ tủ lạnh sẽ đạt được tới gần -29,8oC

1: Bình bốc hơi; 2: R12 lỏng; 3: Ống thông hơi

Hình 1.2 Tủ lạnh bằng R12 sôi tự nhiên trong khí quyển

4 Tủ lạnh khống chế áp suất sôi

Nếu muốn tạo ra nhiệt độ phù hợp trong tủ, cần phải khống chế áp suất sôi Thật vậy, nếu nối ống thoát 3 (hình 1.3) vào một máy nén và điều chỉnh số vòng quay vô cấp ta có thể điều chỉnh được áp suất sôi như ý muốn Khi cho máy nén quay chậm, tạo được áp suất 3,1 bar trong bình bay hơi, nhiệt độ sôi sẽ là 0oC và khi máy nén quay nhanh , tạo được áp suất 0,6 bar nhiệt độ sôi sẽ là -41oC

1: Vỏ cách nhiệt; 2: Bình bốc hơi; 3: R12 lỏng; 4: Ngăn đựng thực phẩm

Hình 1.3 Tủ lạnh khống chế áp suất sôi

5 Tủ lạnh với vòng tuần hoàn kín gas lạnh

Ta biết ở áp suất 12,2 bar gas R12 sẽ ngưng tụ ở nhiệt độ 50oC khi nó nhả nhiệt

Từ hình 1.3 trên nếu ta lắp thêm một dàn ngưng tụ phía đầu đẩy máy nén và một

bộ phận tiết lưu để giảm áp suất và nhiệt độ đồng thời phun gas lỏng vào dàn bay hơi

là ta đã có một hệ thống lạnh mà gas lạnh tuần hoàn trong một chu trình kín liên tục không bị mất gas lạnh Để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi nhiệt, trong tủ lạnh, bình bay hơi được thay bằng dàn bay hơi, có cánh tản nhiệt và tương tự cho dàn ngưng, đôi khi cũng có thêm quạt

1: Van tiết lưu; 2: Dàn lạnh; 3: Ống hút; 4: Máy nén; 5: Ống nén; 6: Dàn nóng;

có nhiệt độ cao hơn

b Các yêu cầu đối với môi chất lạnh

Do đặc điểm của chu trình lạnh, của hệ thống thiết bị, điều kiện vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa, an toàn cháy nổ, an toàn độc hại,…, môi chất lạnh cần phải có các tính chất phù hợp sau

- Tính chất bảo vệ môi trường : Không làm ô nhiễm môi trường, không có hại đối với môi trường

và vật liệu chế tạo máy

+ Phải có mùi đặt biệt để dễ dàng phát hiện khi rò rỉ và có biện pháp phòng chống an toàn Nếu môi chất không có mùi thì co thể pha thêm chất có mùi vào để dễ nhận biết nếu chất đó không ảnh hưởng đến chu trình máy lạnh

+ Không được làm hỏng hay ảnh hưởng xấu đến sản phẩm bảo quản khi rò rỉ

+ Áp suất bay hơi không được quá thấp ở điều kiện môi trường, phải lớn hơn áp

suất khí quyển một ít để hệ thống không bị chân không, tránh rò lọt không khí vào hệ

thống

+ Nhiệt độ đông đặc của môi chất phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi nhiều để có thể

mở rộng dải làm việc của môi chất về phía nhiệt độ thấp

+ Nhiệt độ tới hạn của môi chất phải cao hơn nhiệt độ ngưng tụ nhiều để có thể

mở rộng dải làm việc của môi chất về phía nhiệt độ cao

+ Nhiệt ẩn hoá hơi và nhiệt dung riêng của môi chất lỏng càng lớn càng tốt

nhưng chúng không đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng môi chất

lạnh Nhiệt ẩn hoá hơi lớn, lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống càng nhỏ và năng

suất lạnh riêng khối lượng càng lớn

+ Độ nhớt động lực học của môi chất càng nhỏ càng tốt vì tổn thất áp suất trên

đường ống và các van giảm, tuy nhiên môi chất dễ rò rỉ ra môi trường

+ Hệ số dẫn nhiệt (), hệ số dẫn nhiệt độ càng lớn càng tốt

+ Sự hòa tan dầu của môi chất cũng đóng vai trò quan trọng trong sự vận hành

và bố trí thiết bị Môi chất hoà tan dầu hoàn toàn (R12) có ưu điểm là quá trìng bôi

trơn tốt hơn, thiết bị trao đổi nhiệt luôn được rửa sạch lớp dầu bám trên bề mặt, quá

trình trao đổi nhiệt tốt hơn nhưng có nhược điểm là có thể làm độ nhớt của dầu giảm

và tăng nhiệt độ bay hơi nếu tỷ lệ dầu trong môi chất lạnh lỏng ở áp suất bay hơi

tăng Môi chất không hoà tan dầu (NH3) có nhược điểm là quá trình bay hơi khó thực

hiện hơn, lớp dầu bám trên bề mặt thiết bị làm cảng trở quá trình trao đổi nhiệ, nhưng

lại có ưu điểm là không làm giảm độ nhớt của dầu ,không làm sủi bọt dầu, không làm

tăng nhiệt độ bay hơi của môi chất

+ Môi chất hoà tan được nhiều nước ở cả 3 pha càng tốt vì tránh được tắt ẩm cho

van tiết lưu

+ phải không dẫn điện, có thể sử dụng cho máy nén kín và nữa kín

- Tính kinh tế:

+ Dễ chế tạo, giá thành rẻ

+ Dễ kiếm, nghĩa là việc sản xuất vận chuyển, bảo quản dễ dàng

- Trong thực tế không có một môi chất nào đáp ứng được tất cả các yêu cầu trên,

do đó khi chọn môi chất cho một ứng dụng cụ thể cần phát huy được ưu điểm một

cách tối đa và hạn chế đến mức thấp nhất các nhược điểm của nó

2 Các môi chất lạnh thông dụng:

Các môi chất lạnh thường được sử dụng hiện nay như: R22, R123, R134a, R410,

R32, R404A, R407C, R717……

3 Chất tải lạnh:

Chất tải lạnh là chất trung gian, nhận nhiệt lượng của đối tượng cần làm lạnh chuyển tới thiết bị bay hơi Người ta sử dụng chất tải lạnh trong những trường hợp sau:

- Khó sử dụng trực tiếp dàn bay hơi để làm lạnh sản phẩm

- Môi chất lạnh có tính độc hại, ảnh hưởng đến môi trường

- Môi trường cần làm lạnh ở xa máy móc thiết bị làm lạnh

- Chất tải lạnh có thể ở dạng khí như không khí, lỏng như nước, nước muối các loại, dung dịch các chất hữu cơ như rựu, metanol…

Một số yêu cầu đối với chất tải lạnh như sau:

- Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh ít nhất là 5K

- Nhiệt độ sôi phải đủ cao để khi ngừng máy chất tải lạnh không bị bay hơi

- Không ăn mòn thiết bị

- Không cháy nổ, rẻ tiền, dễ kiếm

Câu hỏi ôn tập:

1 Hãy trình bày các ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong đời sống hiện nay?

2 Hãy vẽ và chú thích phương pháp làm lạnh đơn giản nhất bằng nước đá? Nhiệt độ bên trong có thể làm lạnh được bao nhiêu với phương pháp này?

3 Hãy trình bày các yêu cầu cơ bản đối với môi chất lạnh?

4 Chất tải lạnh là gi? Hãy trình bày các yêu cầu cơ bản đối với chất tải lạnh?

§2 CÁC HỆ THỐNG LẠNH THÔNG DỤNG

Mục tiêu:

- Vẽ và trình bày được nguyên lý làm việc của các hệ thống lạnh thông dụng;

- Tính toán được nhiệt lượng của các hệ thống lạnh thông dụng;

- Phân tích và trình bày được ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi đối với hệ thống lạnh;

- Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình vẽ hình và tính toán

I HỆ THỐNG LẠNH MỘT CẤP NÉN

1 Chu trình carnot ngược chiều

Chu trình Carnot là chu trình gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và 2 quá trình đẳng nhiệt xen kẽ Trên đồ thị T-S nó đơn giản là một hình chữ nhật nhưng đứng về mặt thiết bị nó lại phức tạp hơn các chu trình khác do có thêm máy dãn nỡ

a) Sơ đồ thiết bị b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị T-S MN: Máy nén; DN: Máy dãn nơ ; NT: TB ngưng tụ; BH :TB bay hơi;

Hình 2.1 Chu trình Carnot ngược chiều

Quá trình 1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt hơi hút Để điểm 2 nằm đúng trên đường hơi bão hoà khô, điểm 1 phải nằm trong vùng hơi ẩm Đặc điểm của quá trình nén đoạn nhiệt là s1 = s2

Quá trình 2-3 là quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt T2 = T3 và đẳng áp p2 = p3 = pk Điểm 3 nằm trên đường bão hoà lỏng

Quá trình 3-4 là quá trình dãn nỡ đoạn nhiệt có sinh ngoại công Đặc điểm quá trình là s4 = s3

Quá trình 4-1 là quá trình bay hơi đẳng nhiệt T4 = T1 để sinh lạnh ở nhiệt độ thấp

và áp suất thấp Quá trình này cũng là quá trình đẳng áp

Điểm quan trọng nhất của chu trình Carnot ngược chiều là hệ số lạnh đạt cực đại, không một chu trình nào khác có thể đạt được nên chu trình Carnot ngược chiều được coi là chu trình lí tưởng và hệ số lạnh của chu trình được sử dụng để so sánh đánh giá

độ hoàn thiện của các chu trình khác

Hệ số lạnh của chu trình Carnot ký hiệu là c và được xác định như sau :

 luôn nhỏ hơn 1 và cũng được gọi là hiệu suất exergy của chu trình

* Ưu điểm, nhược điểm của chu trình Carnot

- Công nén nhỏ do nhiệt độ cuối tầm nén thấp ( T2 = Tk )

- Quá trình dãn nỡ trong máy dãn nỡ sinh công hữu ích

- Hệ số lạnh là lớn nhất so với các chu trình khác ở cùng điều kiện làm việc

- Trạng thái 1 của hơi hút nằm trong vùng hơi ẩm cần phải điều chỉnh sao cho điểm 2 cuối tầm nén phải rơi đúng vào đường hơi bão hoà khô Điều này không thể thực hiện được trong thực tế, hơn nữa lỏng và hơi phân bố không đều nên máy nén rất

dễ bị va đập thủy lực (hút phải lỏng), gây hư hỏng máy nén

Máy dãn nỡ có ưu điểm là sinh ngoại công có ích nhưng khi vận hành thực tế, máy dãn nỡ rất kồng kềnh, làm tăng đáng kể chi phí đầu tư ban đầu mà công thu được không đáng kể Đó cũng là 2 nhược điểm về vận hành chủ yếu của chu trình Carnot Chính vì vậy, chu trình Carnot không được sử dụng trong thực tế

*Định nghĩa

Chu trình khô là chu trình có hơi hút về máy nén là hơi bão hòa khô

Hình 2.2 biểu diễn chu trình khô trong đó hình 2.2a là sơ đồ thiết bị và hình 2.2b

là chu trình khô biểu diễn trên đồ thị lgp-h

a) Sơ đồ thiết bị b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lpg-h MN: Máy nén ; NT: Bình ngưng tụ ; BH :Bình bay hơi; TL:Van tiết lưu

Hình 2.2 Chu trình khô

Các quá trình của chu trình khô là :

Quá trình 1-2 : Quá trình nén hơi đoạn nhiệt (s1 = s2 hoặc s = 0 ) từ áp suất bay hơi và nhiệt độ bay hơi lên áp suất ngưng tụ và nhiệt độ T2 >Tk Quá trình này tiến hành trong vùng hơi quá nhiệt

Quá trình 2-3 : Quá trình làm mát và ngưng tụ hơi môi chất đẳng áp, thảy nhiệt cho nước hoặc không khí làm mát

Quá trình 3-4 : Quá trình tiết lưu đẳng entanpy từ áp suất ngưng tụ và nhiệt độ ngưng tụ xuống áp suất bay hơi và nhiệt độ bay hơi

Quá trình 4-1 : Quá trình bay hơi đẳng áp và đẳng nhiệt để thu nhiệt của môi trường lạnh Đây chính là quá trình làm lạnh mà ta muốn thực hiện

Chu trình khô chủ yếu sử dụng cho môi chất Amoniắc nên nhiệt độ hút rất cao

Để hạn chế bớt nhiệt độ này, cần phải cho máy nén hút hơi bão hoà Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng, phải bố trí bình tách lỏng trên đường hơi hút về máy nén Lỏng cuốn theo sẽ bị tách ra và đưa quay trở lại dàn bay hơi

Tính toán chu trình khô:

+ Năng suất lạnh riêng khối lượng :

q0 = h1 – h4 , kJ/kg + Năng suất lạnh riêng thể tích :

1

o v v

q

q  , kJ/m3 + Năng suất nhiệt riêng thảy ra ở dàn ngưng :

qk = h2 – h3 , kJ/kg + Tỷ số nén :

o

k p

T T 

Giải : Dựa vào đồ thị lgp-h của Amoniắc có thể xây dựng được chu trình khô theo tk = 400C và to = -100C Trước hết kẻ 2 đường po = 0,29 Mpa tương ứng to

= -100C và pk = 1,56 MPa tương ứng tk = 40 oC (nếu tra đồ thị lgp-h của Amoniắc

có po = 2,9136 bar và pk = 15,559 bar)

Các điểm nút chu trình :

Điểm 1 : là điểm cắt po với đường hơi bão hoà khô x = 1

Điểm 3 : là điểm cắt pk với đường lỏng bão hoà x = 0

Điểm 4 : là điểm cắt giữa po và h3 = const ( đường song song với trục tung và đi qua điểm 3 )

Điểm 2 : là điểm cắt giữa pk và s = const ( đường cong song song với các đường

s = const và đi qua điểm 1 ) vì s2 = s1

Các thông số trạng thái p, t, h của các điểm nút chu trình 1,2,3,4 có thể đọc được trên đồ thị lgp-h

Tính toán chu trình

+ Năng suất lạnh riêng khối lượng :

q0 = h1 – h4 kJ/kg + Năng suất lạnh riêng thể tích :

1

o v v

q

q  kJ/m3 + Năng suất nhiệt riêng ngưng tụ :

qk = h2 – h3 kJ/kg + Tỷ số nén :

o

k p

T T 







3 Chu trình quá lạnh, quá nhiệt

Chu trình quá lạnh, quá nhiệt có sơ đồ thiết bị giống như chu trình khô nhưng có thêm bộ quá lạnh lỏng trước khi vào van tiết lưu nên nhiệt độ môi chất lỏng trước van tiết lưu thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ và có độ quá nhiệt hơi hút (hoặc do sử dụng van tiết lưu nhiệt) nên hơi hút trước khi vào máy nén có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bay hơi

a Định nghĩa

Chu trình quá lạnh và quá nhiệt là chu trình có nhiệt độ lỏng vào van tiết lưu nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ ( nằm trong vùng lỏng quá lạnh ) và hơi hút về máy nén lớn hơn nhiệt độ bay hơi (nằm trong vùng quá nhiệt )

b Các phương pháp làm quá lạnh

- Có bố trí thêm thiết bị quá lạnh sau thiết bị ngưng tụ

- Được quá lạnh lỏng ngay trong thiết bị ngưng tụ vì thiết bị ngưng tụ thuộc kiểu trao đổi nhiệt ngược dòng

- Do toả nhiệt ra môi trường trên đường từ bình ngưng đến van tiết lưu

* Phương pháp làm quá nhiệt:

- Sử dụng van tiết lưu nhiệt để điều chỉnh sự quá nhiệt hơi hút

- Do tải nhiệt lớn và thiếu lỏng cấp cho dàn bay hơi

- Do tổn thất lạnh trên đường từ bình bay hơi về máy nén

Hình 2.3 giới thiệu chu trình quá lạnh và quá nhiệt

a) Sơ đồ thiết bị b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp – h QL: Thiết bị quá lạnh lỏng ; TLN: Van tiết lưu tự động nhờ độ quá nhiệt hơi hút

gọi tắt là van tiết lưu nhiệt

Hình 2.3 Chu trình quá lạnh và quá nhiệt

Độ quá nhiệt hơi hút :

o 1 ' 1 1

t    



Độ quá lạnh lỏng :

3 k 3 ' 3



c So sánh với chu trình khô

Do có độ quá nhiệt nên công nén riêng lớn hơn chút ít, năng suất hút giảm chút

ít do thể tích riêng v1 tăng lên Công nén riêng l = h2 – h1

Do có độ quá lạnh lỏng nên năng suất lạnh riêng tăng 1 khoảng

3 ' 3 4 ' 3

4 Chu trình hồi nhiệt

Chu trình hồi nhiệt (hình 2.4) là chu trình có thiết bị trao đổi nhiệt trong giữa môi chất lỏng (trước khi vào van tiết lưu) và hơi lạnh trước khi hút về máy nén Chu trình hồi nhiệt biểu diễn trên đồ thị lgp – h gần giống như chu trình quá lạnh quá nhiệt

a) Sơ đồ thiết bị b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp – h

HN – Thiết bị hồi nhiệt (còn gọi là thiết bị trao đổi nhiệt trong )

Hình 2.4 Chu trình hồi nhiệt

* Hai chu trình có khác biệt cơ bản sau:

- Ở chu trình quá lạnh quá nhiệt, độ quá lạnh và quá nhiệt không phụ thuộc vào nhau và có các giá trị bất kỳ

- Ở chu trình hồi nhiệt, lượng nhiệt do hơi lạnh thu vào đúng bằng lượng nhiệt do lỏng nóng thảy ra, do đó h3'3  h11'trong đó  h3'3  h3'  h3 và h11' h1h1'

Các quá trình cơ bản của chu trình hồi nhiệt :

Quá trình 1-2 : Quá trình nén đoạn nhiệt s = const hay s1 = s2

Quá trình 2-3’ : Làm mát và ngưng tụ trong dàn ngưng tụ, đẳng áp

Quá trình 3’-3 : Quá lạnh lỏng trong thiết bị hồi nhiệt

Quá trình 3-4 : Tiết lưu đẳng entanpy h = const hay h3 = h4

Quá trình 4-1’ : Bay hơi đẳng áp, đẳng nhiệt thu nhiệt môi trường lạnh trong dàn bay hơi

Quá trình 1’-1 : Quá nhiệt hơi hút trong thiết bị hồi nhiệt

Các thiết bị hồi nhiệt thường được thiết kế với  tmin  5 Knghĩa là nhiệt độ của hơi ra t1 thấp hơn nhiệt độ lỏng vào t3’ là 5oC Thí dụ nhiệt độ lỏng vào 30oC thì nhiệt độ hơi ra hồi nhiệt vào máy nén là 25oC Sau đó đo khoảng  h11' và lấy  h3'3Như vậy có thể xác định được điểm 3 và điểm 4

Các máy lạnh tự lắp đặt, không có hồi nhiệt chính thức mà chỉ có bố trí hồi nhiệt bằng cách quấn đường lỏng quanh đường hút hoặc bố trí một số vòng ống dẫn lỏng trong bình bẫy lỏng thì hiệu quả kém hơn nhiều và nhiệt độ hơi hút ra khỏi hồi nhiệt thấp hơn nhiệt độ lỏng vào có khi đến 20oC hoặc 30oC Khi đó phải đo đạc trực tiếp các giá trị nhiệt độ mới có thể xây dựng được chu trình trên đồ thị lgp-h

* Ghi nhớ

Chu trình hồi nhiệt chỉ sử dụng cho các môi chất freôn như R12, R22, R502, R134a Với các môi chất này chu trình hồi nhiệt tỏ ra có hiệu suất lạnh cao hơn, hệ số lạnh cao hơn các chu trình khô và quá lạnh quá nhiệt

Chu trình hồi nhiệt không sử dụng cho môi chất Amoniắc vì qua tính toán và thực tế chu trình hồi nhiệt NH3 cho hiệu suất lạnh kém hơn, hệ số lạnh kém hơn chu trình khô

Ví dụ: Một buồng lạnh sử dụng 1 máy lạnh làm việc ở nhiệt độ ngưng tụ 40oC và nhiệt độ bay hơi -20oC, môi chất R22 Máy nén hở của hãng BOCK (CHTB Đức) có thể tích hút lý thuyết 27,1 m3/h Xác định các thông số trạng thái điểm nút chu trình Hãy xác định chu trình hồi nhiệt với t3’ – t1 = 15K và xác định các thông số của

hệ thống lạnh

Giải : Xác định các điểm nút chu trình

Xây dựng chu trình trên đồ thị lgp-h :

Kẻ 2 đường pk và po song song với trục hoành, xác định được 3 điểm :

+ 1’ là điểm cắt của po và đường hơi bão hoà khô

+ 3’ là điểm cắt của pk và đường lỏng bão hoà

+ 1 là điểm cắt của po và đường t = 25oC

Từ 1 kẻ đường cong s1 = const = s2 Điểm 2 là điểm cắt của pk và s1 = s2 = const

Đo khoảng cách 1’1 và lấy dấu 3’3 đúng bằng 1’1 như vậy xác định được điểm 3 trên đồ thị Chỉ có thể sử dụng phương pháp đồ thị để tìm điểm 3, mà không thể tính toán được vì rất phức tạp

Kẻ đường h3 = const song song trục tung cắt đường po ở 4

Như vậy tất cả 6 điểm nút chu trình đã được xác định Chỉ có 2 điểm 1’ và 3’ có thể đọc được các thông số từ bảng hơi bão hoà , còn tất cả các điểm khác phải đọc trực tiếp trên đồ thị

Xác định chu trình hồi nhiệt

+ Năng suất lạnh riêng khối lượng :

4 ' 1

q   kJ/kg + Năng suất lạnh riêng thể tích :

1

o v v

q

q  kJ/m3 + Năng suất nhiệt riêng ngưng tụ :

' 3 2

+ Hiệu suất exergy:

o

o k T

T T 







5 Sự phụ thuộc của Q o vào nhiệt độ bay hơi t o và nhiệt độ ngưng tụ t k

Trong mục trên đã đề cập đến năng suất lạnh Qo của máy nén phụ thuộc vào chế

độ làm việc.Ở đây ta nghiên cứu sâu hơn về sự phụ thuộc của Qo vào nhiệt độ bay hơi

và ngưng tụ trong chu trình 1 cấp nén

a Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ t k

Hình 2.5 biểu diễn sự phụ thuộc của năng suất lạnh Qo vào nhiệt độ ngưng tụ tk

trên dồ thị lgp-h Ta thấy rõ ràng khi tk tăng từ t3 lên t3’ thì qo giảm 1 khoảng  qo và công nén cũng tăng 1 khoảng  l Do tk tăng nên pk tăng kéo theo  tăng và  giảm Theo biểu thức tính Q0 :

1

o lt o

v

q V

Q 

Ở đây v1 giữ nguyên, Vlt giữ nguyên,  và qo giảm thì Qo sẽ giảm

Ngược lại nếu tk giảm Qo sẽ tăng

Hình 2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ

b Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi t o

Hình 2.6 biểu diễn sự phụ thuộc của năng suất lạnh Qo vào nhiệt độ bay hơi to Khi to giảm 1 khoảng  Tothì qo giảm 1 khoảng  qo.Hơn nữa khi to giảm, tỷ số nén giảm và  giảm theo Thể tích riêng hơi hút v1 tăng do đó Qo giảm Ngược lại nếu to

tăng Qo tăng Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi tới năng suất lạnh Qo mạnh hơn ảnh hưởng của tk tới 2÷3 lần do có thêm ảnh hưởng của thể tích riêng v1

Ngoài Qo, công nén hiệu dụng Ne và hệ số lạnh hiệu dụng ecũng phụ thuộc vào nhiệt độ ngưng tụ tk và bay hơi to

Hình 2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi

II HỆ THỐNG LẠNH HAI CẤP NÉN

Máy nén lạnh, đặc biệt máy nén pittong cần đáp ứng các yêu cầu :

- Nhiệt độ cuối tầm nén không vượt quá 130oC

- Nhiệt độ dầu nhỏ hơn 60 oC

- Hệ số cấp  lớn hơn 0,60…

Để đảm bảo cho hệ thống lạnh làm việc an toàn, hiệu quả với độ tin cậy và tuổi thọ cao, chi phí vận hành thấp

Theo các giá trị trên, máy nén Amoniắc tối đa chỉ làm việc với tỷ số nénmax= 9

và máy nén freôn tối đa max= 12 ÷ 13 Khi tỷ số nén vượt giá trị maxtrên nên sử dụng chu trình 2 hoặc nhiều cấp nén

Tuy nhiên, việc lựa chọn chu trình 1 cấp hay 2 cấp nén là bài toán tối ưu về kinh

tế, phải xem xét nghiên cứu tất cả các khía cạnh của từng trường hợp ứng dụng cụ thể Máy lạnh 1 cấp có những ưu điểm chính là đơn giản, ít thiết bị, sử dụng và vận hành dễ dàng, giá thành rẻ, vốn đầu tư ban đầu thấp nhưng có nhược điểm là giá vận hành cao khi vượt quá chế độ làm việc thuận lợi

Máy lạnh 2 cấp ngược lại phức tạp hơn, thiết bị nhiều hơn, sử dụng và vận hành khó hơn, giá thành cao hơn làm cho vốn đầu tư ban đầu cao nhưng lại có ưu điểm là

có hiệu suất cao, giá vận hành rẻ, giá thành 1 đơn vị lạnh thấp hơn đặc biệt ở các chế

độ làm việc mà máy lạnh 1 cấp hầu như không vận hành được

Do đó, nếu hệ thống lạnh phải làm việc liên tục thì nên chọn máy 2 cấp, còn nếu chỉ làm việc một số giờ trong năm thì nên chọn máy 1 cấp ta sẽ đạt được giá thành chung cho1 đơn vị lạnh là thấp nhất

Có rất nhiều chu trình 2 và nhiều cấp với các cách bố trí thiết bị khác nhau Ở đây chúng ta sẽ khảo sát một số chu trình thông dụng nhất

1 Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu, làm mát trung gian 1 phần

Đây là chu trình 2 cấp nén đơn giản nhất Quá trình ngưng tụ, tiết lưu và bay hơi giống như chu trình 1 cấp

Riêng quá trình nén được bố trí làm 2 cấp có làm mát trung gian nhưng hơi môi chất trước khi vào máy nén cao áp chưa đạt đến điểm bão hoà khô do đó chưa được gọi là làm mát trung gian toàn phần Hình 2.7 giới thiệu chu trình 2 cấp làm mát trung gian 1 phần 1 tiết lưu

a) Sơ đồ thiết bị b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp – h NHA: Máy nén hạ áp ; NCA: Máy nén cao áp ;

MTG: Thiết bị làm mát trung gian ( bằng nước làm mát)

Hình 2.7 Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian 1 phần

a Định nghĩa

Chu trình 2 cấp 1 tiết lưu làm mát trung gian 1 phần là chu trình tương tự chu trình khô 1 cấp, riêng quá trình nén được phân thành 2 cấp, hơi ra cấp hạ áp được làm mát đến nhiệt độ môi trường (ta = tk )

Khi hiệu nhiệt độ tk – to quá cao, tỷ số nén

k o

P 

Đây là áp suất trung gian tối ưu xét về mặt nhiệt động Trong thực tế, do chế độ làm việc thay đổi hoặc do phải chọn máy nén với kết cấu có sẵn, áp suất trung gian có thể lệch khỏi áp suất trung gian tối ưu

b Chu trình làm việc như sau

Hơi ra ở thiết bị bay hơi có trạng thái 1 được máy nén hạ áp hút và nén lên áp suất trung gian Ở đây hơi được làm mát bằng nước hoặc không khí môi trường xuống nhiệt độ Ta = Tk và được máy nén cao áp hút và nén lên áp suất ngưng tụ pk Sau ngưng tụ, lỏng được đưa vào van tiết lưu và tiết lưu xuống áp suất po và cấp vào cho dàn bay hơi Ở dàn bay hơi môi chất lỏng sôi thu nhiệt của môi trường lạnh Hơi tạo thành trong thiết bị bay hơi lại được máy nén hạ áp hút về khép kín chu trình lạnh

* Ưu điểm so với chu trình 1 cấp ( 1 – 2’ – 5 – 6 )

- Nhiệt độ cuối tầm nén thấp, không vượt quá giới hạn cho phép, máy vận hành

an toàn, tin cậy, hiệu quả hơn

- Do được làm mát trung gian nên công nén giảm

* Nhược điểm

Chu trình phức tạp hơn, vận hành khó hơn, đầu tư lớn hơn

c Tính toán chu trình

Chu trình tính gần giống như chu trình khô 1 cấp, riêng :

+ Năng suất lạnh riêng khối lượng :

qo=h1 – h6

+ Công nén riêng :

l=(h2 –h1 ) + (h4 –h3 ) Ứng dụng trong thực tế

Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian 1 phần được ứng dụng chủ yếu cho môi chất Freôn với nhiệt độ cuối tầm nén không cao

2 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian 1 phần

Sơ đồ này bày trí thêm 1 van tiết lưu, 1 bình trung gian và đường ống nối bình trung gian với ống hút của máy nén cao áp

Hình 2.8 Chu trình 2 cấp 2 tiết lưu làm mát trung gian 1 phần

Các quá trình cơ bản :

Quá trình 1-2 : Nén đoạn nhiệt qua máy nén hạ áp s1 = s2 = const

Quá trình 2-3 : Làm mát trung gian xuống nhiệt độ môi trường t3 = tk

Quá trình 3-4 : Hoà trộn giữa dòng hơi nén từ máy nén hạ áp với dìng hơi từ bình trung gian BTG có trạng thái 8 thành trạng thái 4

Quá trình 4-5 : Nén đoạn nhiệt trong máy nén cao áp s4 = s5 = const

Quá trình 5-6 : Làm mát và ngưng tụ đẳng áp trong bình ngưng

Quá trình 6-7 : Tiết lưu đẳng entanpy từ áp suất ngưng tụ pk xuống áp suất trung gian ptg đẩy vào bình trung gian h6 = h7 Thành phần hơi 8 về máy nén cao áp, thành phần lỏng đi vào tiết lưu 2 có trạng thái 9

Quá trình 9-10 : Tiết lưu đẳng entanpy (h9 = h10) và đưa vào bình bay hơi

Quá trình 10-1 : Bay hơi lỏng thu nhiệt môi trường, tạo hiệu ứng lạnh

* Ưu nhược điểm so với chu trình 1 tiết lưu

Năng suất lạnh riêng tăng 1 khoảng  qo rất đáng kể so với việc tiết lưu trực tiếp

từ điểm 6

Công nén giảm 1 khoảng  l do hơi được làm mát từ 2 xuống 3 và xuống điểm 4 Nhiệt độ cuối tầm nén được giảm đáng kể từ 2’ xuống 5 nên hiệu suất làm việc cao hơn

Tính toán chu trình:

+ Năng suất lạnh riêng khối lượng :

qo = h1 –h10 (kJ/kg) + Công nén riêng cấp hạ áp và cao áp :

l1=h2 –h1 (kJ/kg)

l2=h5 –h4 (kJ/kg) + Hệ số lạnh :

4 1

4 1

o

4 4 1 1

o 1

l.

m

m l

q l.

m l.

m

q m

9 8

1

4

h h

h h m

9 8 1 o

h h

h h l

Các điểm nút chu trình xác định tương đối dễ dàng

Riêng điểm 4 phải tính toán entanpy h4 h4 có thể tính nhờ cân bằng entanpy ở điểm hoà trộn :

4 4 8 1 4 3

8 8 3 4

7 8

h h

h h

3 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian toàn phần

Nhược điểm chủ yếu của các chu trình làm mát trung gian 1 phần là hơi hút về máy nén cao áp chư a được làm mát “toàn phần” xuống đến trạng thái hơi bão hoà khô nên công nén tiết kiệm được chưa phải là tối đa và nhiệt độ cuối tầm nén cao áp

T5 chưa phải là tối thiểu

Để làm mát toàn phần hơi nén hạ áp sau khi qua mát trung gian người ta cho sục thẳng vào bình trung gian Ở đây, một phần lỏng ở áp suất và nhiệt độ trung gian sẽ bay hơi làm mát hơi ở trạng thái 3 xuống trạng thái bão hoà khô 8 Điểm 4 sẽ trùng với điểm 8 Hình 2.9 giới thiệu chu trình 2 cấp 2 tiết lưu làm mát trung gian toàn phần

Hình 2.9 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian toàn phần

* Ưu điểm

Khi hơi hút về máy nén cao áp được làm mát xuống đến đường bão hoà khô, công nén tiết kiệm được cũng đạt đến đường bão hoà khô, công nén tiết kiệm được cũng đạt tối đa Nhiệt độ cuối tầm nén T5 cũng là nhiệt độ tối thiểu với quá trình nén đoạn nhiệt Đây cũng là ưu điểm cơ bản của chu trình này so với các chu trình làm mát 1 phần

* Nhược điểm

Chu trình này có nhượ điểm về vận hành là dầu từ máy nén hạ áp đi vào bình trung gian sẽ theo môi chất lỏng, qua tiết lưu 2 vào bình bay hơi Ở nhiệt độ thấp, (khoảng -40 oC ) dầu bị đặc quánh khó lưu thông, dính lên bề mặt trao đổi nhiệt của bình hoặc dàn bay hơi tạo ra lớp trở nhiệt làm giảm khả năng trao đổi nhiệt của dàn bay hơi

* Ứng dụng

Chu trình này chủ yếu ứng dụng cho môi chất Amoniắc

Tính toán chu trình :

Các điểm nút chu trình có thể xác định rất dẽ dàng trên đồ thị lgp-h và tương tự như chu trình trên hình 5.9 Riêng tỷ số m4/m1 có thể xác định qua cân bằng entanpy ở bình trung gian :

3 1 7 4 9 1 8

) h h ( m ) h h (

m4 8  7  1 3  9

7 8

9 3

1

4

h h

h h m

h h ) h h (

h h l.

m

m l

q

4 5 7 8

9 3 1 2

10 1

4 1

4 1

4 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, bình trung gian có ống xoắn

Như trên đã nói, chu trình 2 cấp 2 tiết lưu làm mát trung gian toàn phần (hình 2.9) có nhiệt điểm là dầu của cấp nén hạ áp theo lỏng vào bình bay hơi tạo lớp trở nhiệt trên bề mặt trao đổi nhiệt Để khắc phục nhược điểm này người ta dẫn lỏng qua ống xoắn vào làm quá lạnh trong bình trung gian, và dầu ở cấp nén hạ áp không thể đi vào bình bay hơi được Hình 2.10 giới thiệu chu trình 2 cấp bình trung gian ống xoắn Khác biệt cơ bản với chu trình (hình 2.9) là :

Dòng môi chất lỏng từ thiết bị ngưng tụ ra chia làm 2 nhánh : nhánh chính đi qua ống xoắn được quá lạnh đến trạng thái 10 để qua tiết lưu 2 vào bình bay hơi ; nhánh phụ vào tiết lưu 1 để vào bình trung gian bay hơi làm mát hơi nén hạ áp từ điểm 3 xuống điểm 4 trùng 8 bão hoà khô

Nhiệt độ t10 là nhiệt độ lỏng ra khỏi bình trung gian ống xoắn lấy bằng :

K 5 t t t

t10  9   min  9 

- Hiệu nhịêt độ tối thiểu trong thiết bị trao đổi nhịêt :  tmin  5 K

- Môi chất lỏng tiết lưu trực tiếp từ áp suất pk xuống po (không qua áp suất trung gian nên có thể coi là chu trình 2 cấp 1 tiết lưu) Chu trình 1 tiết lưu có ưu điểm là có thể đặt dàn lạnh ở xa vì hiệu áp rất cao

- Do nhiệt độ tiết lưu cao hơn nhiệt độ bình trung gian (điểm 9) do đó năng suất lạnh bị giảm mất 1 khoảng  q 'o h11 h11'

Hình 2.10 Chu trình 2 cấp bình trung gian ống xoắn

- Nhưng do bình trung gian ống xoắn có ưu thế vận hành không bị dầu làm bẩn bình bay hơi nên vẫn được ứng dụng rộng rãi cho môi chất Amoniắc, tuy phải chấp nhận tổn thất nhỏ về năng suất lạnh

- Tính toán chu trình giống như chu trình 2 cấp 2 tiết lưu làm mát trung gian toàn phần (hình 2.10) Tỷ số m4/m1 cũng được xác định bằng cách cân bằng entanpy ở bình trung gian

10 1 4 4 7 1 4 3

1 6

Vậy:

7 4

10 7 3 6

1

4

h h

h h h h m

Bài tập:

1 Hãy tính năng suất lạnh và hệ số lạnh của chu trình quá lạnh một cấp nén biết hệ thống sử dụng môi chất R22, nhiệt độ bay hơi là -20oC, nhiệt độ môi trường là 32oC, độ quá lạnh là 10oC?

2 Hãy tính nhiệt lượng tỏa ra tại thiết bị ngưng tụ của hệ thống lạnh sử dụng môi chất NH3 biết nhiệt độ ngưng tụ là -33,4oC, nhiệt độ ngưng tụ là 36oC, biết chu trình hệ thống là chu trình khô?

3 Hãy tính năng suất lạnh và các hệ số nhiệt của chu trình 2 cấp nén bình trung gian có ống xoắn sử dụng môi chất NH3, biết nhiệt độ bay hơi là -

40oC, nhiệt độ ngưng tụ là 40oC?

Câu hỏi ôn tập:

1 Hãy vẽ sơ đồ nguyên lý hệ thống, trình bày nguyên lý làm việc và lập biểu thức tính toán nhiệt lượng của chu trình quá nhiệt 1 cấp nén?

2 Hãy vẽ sơ đồ nguyên lý hệ thống, trình bày nguyên lý làm việc và lập biểu thức tính toán của chu trình hai cấp , hai tiết lưu làm mát trung gian toàn phần?

3 Hãy vẽ sơ đồ nguyên lý hệ thống, trình bày nguyên lý làm việc và lập biểu thức tính toán của chu trình hai cấp , hai tiết lưu làm mát trung gian toàn phần, làm quá lạnh môi chất lỏng trước khi tiết lưu?

§3 CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG LẠNH

Mục tiêu:

- Trình bày được nhiệm vụ của các thiết bị trong hệ thống lạnh;

- Phân loại được các loại thiết bị trong hệ thống lạnh;

- Trình bày được đặc điểm cấu tạo và ưu nhược điểm của các loại thiết bị trong

hệ thống lạnh;

- Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình so sánh và phân loại

I MÁY NÉN LẠNH

1 Nhiệm vụ

Nhiệm vụ của máy nén là hút hơi môi chất có nhiệt độ thấp, áp suất thấp từ thiết

bị bay hơi để nén lên nhiệt độ cao, áp suất cao đẩy sang thiết bị nhưng tụ và giúp môi chất lưu thông trong hệ thống Nó là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống lạnh và được xem như con tim của hệ thống

Trong hệ thống lạnh máy nén được lắp trước thiết bị ngưng tụ và sau thiết bị bay hơi theo hướng lưu thông môi chất

- Có thể điều chỉnh năng suất lạnh nhờ điều chỉnh vô cấp tỷ số đai truyền

- Bão dưỡng, sửa chữa dễ dàng, tuổi thọ cao

- Có thể xử dụng động cơ điện, xăng, dầu để truyền động máy nén

* Nhược điểm

- Có tổn thất truyền động qua puly và dây đai

- Tốc độ thấp, số vòng quay nhỏ, máy cồng kềnh, chi phí vận hành cao

- Dễ rò rỉ môi chất qua cụm bịt kín ở cổ trục

Hình 3.1 Máy nén hở

b Máy nén nửa kín (bán kín)

Đây là loại máy nén có động cơ lắp chung trong vỏ máy bằng thép Đệm kín vỏ máy là đệm kín tĩnh điện đặt ở nắp sau động cơ, siết chặt bằng bulong Máy nén nửa kín trước đây thường có công suất nhỏ, nhưng hiện nay người ta đã chế tạo được các máy nén kiểu này với công suất lên đến hàng trăm kW

* Ưu điểm

- Gọn, nhẹ, diện tích lắp đặt nhỏ

- Tốc độ quay cao, có thể đạt 3600vòng/phút nên nâng cao năng suất lạnh

* Nhược điểm

- Chỉ dùng được cho các loại môi chất không dẫn điện như Freon

- Khó bão dưỡng, sửa chữa động cơ

- Độ quá nhiệt hơi hút cao vì thường sử dụng hơi hút làm mát động cơ và máy nén

1: Trục khuỷu; 2: Thân máy; 3: Tay biên; 4: Pittong; 5: Nắp trong; 6: Van hút; 7: Van đẩy; 8: Rôto; 9: Stato; 10: Cửa hút; 11: Nắp bích động cơ; 12: Cuộn dây;

- Độ quá nhiệt hơi hút cao

- Hư hỏng khó sửa chữa

1: Thân máy nén; 2: Xy lanh; 3: Pittong; 4: Tay biên; 5: Trục khuỷu; 6: Van đẩy; 7: Van hút; 8: Nắp trong; 9: Nắp ngoài xy lanh; 10: Ống hút; 11: Stato; 12: Rôto;

1: Thân máy; 2: Trục khuỷu; 3: Tay biên; 4: Xy lanh; 5: Nắp xy lanh; 6: Nắp khoang đẩy; 7: Lò xo; 8: Áo nước làm mát; 9: Clappe hút; 10: Pittong; 11: Bánh đai;

12: Cụm bịt kín cổ trục; 13: Van chặn đầu đẩy; 14: Van chặn đầu hút;

15: Van khởi động; 16: Van an toàn

Hình 3.4 Máy nén pittong hở, 2 xy lanh

b Nguyên lý làm việc

1: Xy lanh; 2: Pittong; 3: Séc măng; 4: Clappe hút; 5: Khoang hút; 6: Khoang đẩy; 7: Clappe đẩy; 8: Chốt pittong; 9: Tay biên; 10: Khuỷu; 11: Trục khuỷu

Hình 3.5 Nguyên lý làm việc của máy nén pittông

Pittong chuyển động lên xuống trong xy lanh nhờ cơ cấu truyền động ( trục khuỷu, tay biên) biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của pittong Quá trình hút và nén diễn ra như sau:

- Khi khuỷu 10 ở vị trí A: pittong nằm ở điểm chết trên, hai clappe hút 4 và đẩy

7 đều đóng

- Khi khuỷu 10 chuyển động đến vị trí B: pittong chuyển động xuống, thực hiện quá trình hút, clappe hút mở, hơi từ khoang hút 5 đi vào buồng xy lanh, clappe 7 vẫn đóng do áp suất ở buồng đẩy 6 cao hơn Quá trình kết thúc khi trục khuỷu 10 tiến đến

vị trí C, pittong tiến đến điểm chết dưới

- Trục khủy bắt đầu chuyển động hướng đến điểm D: pittong chuyển động lên phía trên, bắt đầu quá trình nén, clappe hút đóng, clappe đẩy mở do có chênh lệch áp suất giữa khoang trong xy lanh và khoang đẩy Quá trình nén kết thúc khi khuỷu vừa đến điểm A, pittong đạt điểm chết trên

Máy nén pittong là loại rất phổ biến hiện nay, nó được dùng với môi chất NH3 và Freôn Số lượng Pittong – Xy lanh: 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 18, và được bố trí thẳng đứng, nằm ngang, chữ V hay W

c Hiệu suất thể tích của máy nén pittong

: hệ số cấp, hệ số này luôn nhỏ hơn 1

n z s 4

d V

Hệ số cấp thể hiện các tổn hao thể tích của máy nén trong quá trình làm việc, bao gồm các tổn hao sau:

- Tổn hao do thể tích chết gây ra: Thể tích còn sót lại khi pittong ở điểm chết trên

- Tổn hao do môi chất tạo ra sự chênh lệch áp suất để đóng mở các clappe

- Tổn hao do rò rỉ môi chất qua sécmăng

- Các tổn hao khác

Thí dụ: Máy nén 2AT125 có đường kính xy lanh là 125mm, hành trình pittong là 110mm, số lượng xy lanh là 2, tốc độ quay trục khuỷu là 450vòng/phút, hệ số cấp là 0,69 Tính thể tích hút lý thuyết và thể tích hút thực tế

Giải

Thể tích hút lý thuyết:

Thể tích hút thực tế:

d Năng suất lạnh của máy nén

* Khái niệm về năng suất lạnh

Năng suất lạnh là nhiệt lượng mà hệ thống lấy đi của đối tượng cần làm lạnh trong một đơn vị thời gian, thường ký hiệu là Qo

Qo=m.qo ( kW hoặc kcal/h)

Qo: năng suất lạnh của máy nén ( kW hoặc kcal/h)

m: năng suất khối lượng (kg/s)

qo: năng suất lạnh riêng khối lượng (kJ/Kg)

Năng suất lạnh của hệ thống không cố định mà thay đổi theo chế độ làm việc của

hệ thống Nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ càng gần nhau thì năng suất lạnh càng cao, ngược lại thì năng suất lạnh giảm

- Nếu giữ nguyên nhiệt độ ngưng tụ và giảm nhiệt độ sôi (bay hơi) 1 oC thì năng suất lạnh giảm 4%

- Nếu giữ nguyên nhiệt độ bay hơi và tăng nhiệt độ ngưng tụ 1 oC thì năng suất lạnh giảm 1,5%

) h / m ( 9 , 72 ) ph / m ( 214 , 1 2 450 11 , 0 4

) 125 , 0 ( 14 , 3 n z s 4

d

2 2

) h / m ( 3 , 50 V

Vtt   lt  3

* Ba chế độ lạnh tiêu chuẩn

Do năng suất lạnh của hệ thống không cố định mà thay đổi theo chế độ làm việc nên các nhà sản xuất qui định chế độ lạnh tiêu chuẩn để ước đoán năng suất lạnh trong điều kiện vận hành thực tế Nếu hệ thống làm việc đúng theo chế độ lạnh tiêu chuẩn thì có năng suất lạnh đúng với nhãn máy

-15 -15

-40 -35

* Tốc độ động cơ và trục khuỷu

- Các loại máy nén kín và nửa kín hoặc máy nén hở dùng khớp nối trực tiếp thì tốc độ động cơ và trục khuỷu bằng nhau:

kW 16 100

4 5 20 20

kW 5 , 14 100

5 , 1 5 20 100

4 5 20 20

n1: tốc độ động cơ

n2: tốc độ trục khuỷu

s: hệ số trượt

- Đối với máy nén hở, truyền động qua dây đai, tốc độ trục khuỷu là:

d1: đường kính bánh đai động cơ

d2: đường kính bánh đai máy nén

4 Máy nén trục vít

a Cấu tạo

Máy nén trục vít thường gặp là loại có 2 trục vít khớp với nhau Hai trục có dạng không giống nhau: trục chính có 4 răng lồi là trục chủ động, trục này còn được gọi là trục đực Trục phụ có 6 răng lõm còn được gọi là trục cái Hai trục này ăn khớp với nhau và với thân máy khi trục quay và tạo ra các khoang hút và nén, tuy nhiên các

bề mặt không tiếp xúc với nhau Để làm kín các khoang người ta bố trí các lỗ phun dầu trên thân Dầu tràn vào các khoang và do có độ nhớt cao, dầu làm kín các khe hở giữa các bề mặt tiếp xúc

1: Vít chính với 4 răng lồi; 2: Vít phụ với 6 răng lõm; 3: Xy lanh hoặc thân máy;

4: Con trượt điều chỉnh năng suất lạnh

Hình 3.6 Hình dáng cấu tạo của máy nén trục vít loại 2 vít

) s 1 ( p

f 60 n

n1  2  

1 2

1

d d

n 

b Nguyên lý làm việc

Hai trục vít khớp nhau, quay ngược chiều nhau ép hơi môi chất vào giữa Môi chất từ cửa hút ở đầu trục vít theo rãnh xoắn ốc được ép đến cửa đẩy cuối trục vít Máy nén trục vít được chia làm 3 loại chính sau đây:

- Loại khô: không có phun dầu vào giữa hai trục vít, loại này thường dùng cho máy nén không khí

- Loại phun dầu: thường dùng cho máy điều hoà không khí, loại này lợi dụng sự chênh lệch áp suất giữa bình tách dầu và áp suất đầu hút, dầu được phun vừa đủ để đệm kín và bôi trơn hai trục vít Loại này không cần bơm dầu bôi trơn

- Loại tràn dầu: loại này có trục vít vừa nén dầu vừa nén môi chất Như vậy chính dầu lảm giảm độ quá nhiệt của môi chất khi nén Đây là ưu điểm chính của loại này nên nó được dùng cho các loại máy nén có tỷ số nén cao Dầu sau khi nén được tách khỏi môi chất và giải nhiệt ( bằng nước hoặc môi chất khác), sau đó bơm trở lại

- Không có hiện tượng va đập thủy lực

- Tỷ số nén cao, có thể đạt đến  = 20, do đó không cần dùng máy nén hai cấp trong một số ứng dụng quan trọng của kỹ thuật lạnh

Ngày nay máy nén trục vít đang ngày càng phổ biến ở Việt Nam, nó thường được lắp trong hệ thống lạnh có năng suất từ 70 kW trở lên

5 Máy nén Roto

a Máy nén rôto lăn

Máy nén rôto lăn gồm có thân hình trụ rỗng, đóng vai trò là xy lanh, pittong cũng là một hình trụ nằm trong xy lanh Nhờ có một tay quay lệch tâm nối liền với pittong mà pittong có thể lăn trên bề mặt trong xy lanh Vì kích thước pittong nhỏ hơn

xy lanh nên chúng chỉ có một đường tiếp xúc với nhau và luôn tạo ra hai khoang hút

và nén nhờ các tấm ngăn