Giáo trình kỹ thuật lạnh iuh

Hiệu của chu trính lạnh được đánh giá bằng hệ số lạnh ε được xác định bằng công thức và có thể biến đổi : Biểu thức trên cho ta thấy rằng hệ số lạnh của chu trình Carnot không phụ thuộc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

MỤC LỤC

Chương 1: CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH

1.1 Khái niệm về nóng và lạnh

1.2 Phương pháp tạo ra nhiệt độ thấp

1.2.1 Làm lạnh khi các chất biến đổi pha

1.4.2 Năng suất lạnh và năng suất lạnh riêng

1.4.3 Sự phụ thuộc của năng suất lạnh vào nhiệt độ sôi to và nhiệt độ ngưng

tụ tk1.4.4 Chu trình bơm nhiệt

1.4.5 Chu trình hỗn hợp

Chương 2: VẬT LIỆU LẠNH

2.1 Môi chất lạnh

2.1.1 Yêu cầu đối với môi chất lạnh

a Yêu cầu về nhiệt động :

b Yêu cầu về hoá lý :

c Yêu cầu về sinh lý

d Yêu cầu về kinh tế

b Dung dịch nước muối NaCl

c Dung dịch nước muối CaCl2

2.3 Dầu bôi trơn

2.3.1 Đại cương

a.Nhiệm vụ của dầu bôi trơn

b Yêu cầu đối với dầu bôi trơn

c Phân loại

2.3.2 Một số tính chất cơ bản của dầu bôi trơn

a Độ nhớt

b Khối lượng riêng

c Nhiệt độ đông đặc và nhiệt độ lưu động

o Tính bôi trơn và tính chất mài mòn

2.3.3 Các đặc tính riêng biệt của dầu lạnh

b Sử dụng dầu trong máy lạnh NH3

c Sử dụng dầu trong máy lạnh freon

2.3.5 Ảnh hưởng của tính hòa tan dầu trong môi chất lạnh đến sự làm việc

của hệ thống lạnh

a Làm giảm năng suất lạnh

b Đặc tính khởi động của máy nén

c Sự trao đổi nhiệt trong thiết bị

d Sự tuần hoàn dầu trong hệ thống

2.4 Vật liệu cách nhiệt

2.4.1 Đại cương

2.4.2 Một số phương pháp cách nhiệt lạnh

a Cách nhiệt bằng bọt xốp:

b Cách nhiệt bằng phương pháp điền đầy

c Phương pháp cách nhiệt chân không

2.4.3 Các tính chất của vật liệu cách nhiệt lạnh

a Yêu cầu đối với vật liệu cách nhiệt lạnh

b Hệ số dẫn nhiệt

c Sự phụ thụôc vào khối lượng riêng

d Phụ thuộc vào độ lớn của lỗ xốp

f Ảnh hưởng của cấu trúc phân tử rắn

g Ảnh hưởng của độ ẩm

h Ảnh hưởng của áp suất không khí

i Ảnh hưởng của độ ẩm và độ khuyếch tán ẩm đến tính chất của vật liệu cách nhiệt

j Độ ẩm cân bằng của vật liệu

3.3 Chu trình quá lạnh, quá nhiệt

™ Quá lạnh, quá nhiệt:

™ Nguyên nhân gây ra quá lạnh, quá nhiệt:

3.3.1 Định nghĩa

3.3.2 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động

Chương 4: CHU TRÌNH MÁY LẠNH NHIỀU CẤP

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

5.2.1 Quá trình nén lý thuyết

5.2.2 Quá trình nén thực

5.2.3 Máy một tầm nén

5.2.4 Máy nén hai tầm (Một máy 2 tầm nén)

5.2.5 Các bộ phận chi tiết trong máy nén pittông

a Đầu Van an toàn (Safety valve) và cơ cấu van

b Bộ tải và giảm tải (Unloader mechanism)

c Van xoay tay

d Cơ cấu bôi trơn (Lubrication mechanism)

e Kính xem dầu (oil sight glass)

f Bộ tản nhiệt dầu (Oil cooler)

g Cơ cấu bộ đệm kín (Shaft seal mechanism)

h Thân máy ( còn gọi là cacter )

i Pistong và sơ mi xylanh

j Trục khuỷu

l Tay biên

m Cụm van hút, van đẩy

5.2.6 Tính toán máy nén pittông

a Thể tích hút lý thuyết

b Thể tích hút thực tế

c Năng suất khối lượng của máy nén

d Hiệu suất nén và công suất động cơ yêu cầu

e Năng suất lạnh của máy nén

5.3 Máy nén roto

5.3.1 Máy nén roto lăn

5.3.2 Máy nén roto tấm trượt

Chương 6: THIẾT BỊ NGƯNG TỤ

6.1 Đặc điểm của thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh

6.1.1 Vai trò, vị trí của thiết bị ngưng tụ

6.1.2 Đặc điểm của thiết bị ngưng tụ

6.2 Khái niệm và Phân loại thiết bị ngưng tụ

6.2.1 Khái niệm về thiết bị ngưng tụ

6.2.2 Phân loại thiết bị ngưng tụ

a Theo môi trường làm mát, có thể chia các thiết bị ngưng tụ thành 4 nhóm

b Theo đặc điểm của quá trình ngưng tụ môi chất, có thể chia các thiết bị ngưng tụ thành 2 nhóm lớn

c Theo đặc điểm của quá trình lưu động của môi trường làm mát qua bề mặt trao đổi nhiệt có thể chia các thiết bị ngưng tụ thành các nhóm 6.3 Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước

6.3.1 Bình ngưng tụ kiểu ống vỏ nằm ngang

a Cấu tạo chung của bình ngưng NH3 và Freon

c Năng suất làm việc

d Ưu, nhược điểm của bình ngưng tụ ống vỏ NH3 và Freon

6.3.3 Thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử và kiểu ống lồng

a Thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử

ƒ Ưu và nhược điểm của cả 2 thiết bị kiểu phần tử và kiểu ống lồng

6.3.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu panen

a Cấu tạo

b Nguyên lý hoạt động

c Ưu và nhược điểm của thiết bị

6.4 Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí

6.4.1 Dàn ngưng đối lưu tự nhiên

6.4.2 Dàn ngưng đối lưu cưỡng bức

a Cấu tạo

b Nguyên lý hoạt động

c Năng suất làm việc

d Ưu và nhược điểm của thiết bị

6.5 Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước và không khí

6.5.1 Thiết bị ngưng tụ kiểu tưới

a Cấu tạo

b Nguyên lý hoạt động

c Năng suất làm việc

d Ưu và nhược điểm của thiết bị

6.5.2 Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi

a Cấu tạo

b Nguyên lý hoạt động

c Năng suất làm việc

d Ưu và nhược điểm của thiết bị

e Sự khác biệt giữa thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi và kiểu tưới

6.6 Tính chọn thiết bị ngưng tụ

* Tính chọn một thiết bị ngưng tụ thường phải qua các bước sau:

6.6.1 Chọn kiểu của thiết bị thiết kế và dự kiến chế độ làm việc dựa vào 6.6.2 Xác định phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Qk trong quá trình tính

toán nhiệt chu trình máy lạnh 6.6.3 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình giữa môi chất lạnh và môi

trường  ttb6.6.4 Xác định hệ số truyền nhiệt k

6.6.5 Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F, m2

6.6.6 Xác định chiều dài tổng cộng ống thiết bị ngưng tụ

6.6.7 Bố trí kết cấu thiết bị ngưng tụ

a Xác định số ống trong một đường nước theo vận tốc nước đã chọn

Chương 7: THIẾT BỊ BAY HƠI

7.1 Khái niệm và phân loại thiết bị bay hơi

7.1.1 Khái niệm về thiết bị bay hơi

7.1.2 Phân loại thiết bị bay hơi

a Theo môi trường làm lạnh

b Theo mức độ choán chỗ của môi chất lạnh lỏng trong thiết bị

c Theo điều kiện tuần hoàn của chất tải lạnh

7.2 Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng

7.2.1 Thiết bị bay hơi ống vỏ kiểu ngập

a Cấu tạo

Sự khác nhau về cấu tạo giữa bình bay hơi ống vỏ kiểu ngập amôniăc và bình bay hơi ống vỏ frêôn

b Nguyên lý làm việc

c Ưu và nhược điểm

7.2.2 Thiết bị bay hơi ống vỏ môi chất sôi trong ống và trong kênh

a Bình bay hơi ống vỏ chùm ống thẳng, chum ống chữ U

7.3 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí

7.4 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí bằng nước và nước muối

7.4.1 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí bằng nước và nước muối

c Ưu và nhược điểm

7.5 Tính chọn thiết bị bay hơi

Các bước tính toán dàn lạnh

7.5.1 Chọn loại thiết bị bay hơi

7.5.2 Tính diện tích trao đổi nhiệt

7.5.3 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình  ttb

7.5.4 Xác định hệ số truyền nhiệt k

7.5.5 Xác định lưu lượng chất tải lạnh lỏng hoặc không khí làm lạnh

7.5.6 Xác định tổng chiều dài truyền nhiệt L

7.5.7 Xác định số ống trong một hàng của thiết bị và tổn số ống trong thiết bị

a Số ống trong một hàng của thiết bị, n1

b Đường kính trong của bình bay hơi

Chương 8: THIẾT BỊ TIẾT LƯU

Lý thuyết chung về tiết lưu

8.1 Van tiết lưu tay

8 2 Van tiết lưu nhiệt

8.2.1 Nhiệm vụ

8.2.2 Cấu tạo

8.2.3 Nguyên lý làm việc

8.3 Van tiết lưu điện tử

Chương 9: CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRONG HỆ THỐNG LẠNH

9.1 Thiết bị tách lọc

9.1.1 Thiết bị tách dầu

a Lý do cần phải tách dầu

b Vị trí lắp đặt bình tách dầu

c Cấu tạo và nguyên lý hoạt động, phạm vi sử dụng bình tách dầu

d Các lưu ý khi lắp đặt và sử dụng bình tách dầu

9.1.3 Thiết bị tách khí không ngưng

a Lý do cần phải tách khí không ngưng

b Nguyên nhân khí không ngưng lọt vào bên trong hệ thống lạnh

c Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bình tách khí không ngưng

9.1.4 Thiết bị lọc

a Lý do cần phải lắp đặt thiết bị tách lọc

b Các loại thiết bị lọc

ƒ Thiết bị lọc hơi

ƒ Thiết bị lọc lỏng

ƒ Thiết bị khử ẩm (hút ẩm) 9.2 Thiết bị chứa đựng

9.2.1 Bình chứa cao áp

a Nhiệm vụ của bình chứa cao áp

b Cấu tạo, vị trí lắp đặt bình chứa cao áp

c Xác định thể tích bình chứa cao áp

9.2.2 Bình chứa hạ áp

a Nhiệm vụ của bình chứa hạ áp

b Cấu tạo và vị trí lắp đặt bình chứa hạ áp

c Xác định thể tích bình chứa hạ áp

9.2.3 Bình chứa tuần hoàn

a Nhiệm vụ của bình chứa tuần hoàn

b Cấu tạo và vị trí lắp đặt bình chứa tuần hoàn

c Xác định thể tích bình chứa tuần hoàn

9.2.4 Bình chứa bảo vệ

9.2.5 Bình chứa dầu (Bình tập trung dầu)

a Nhiệm vụ của bình chứa dầu

b Cấu tạo bình chứa dầu và nguyên lý hoạt động

c Chọn dung tích bình chứa dầu

9.2.6 Bình giữ mức lỏng – tách lỏng

a Nhiệm vụ của bình chứa dầu:

b Cấu tạo bình bình giữ mức-tách lỏng

9.2.7 Bình trung gian

a Nhiệm vụ của bình trung gian:

b Cấu tạo của bình trung gian

c Tính toán bình trung gian

9.4.1 Thiết bị hồi nhiệt

a Nhiệm vụ của thiết bị hồi nhiệt:

b Cấu tạo và nguyên lý làm việc thiết bị hồi nhiệt

9.4.2 Thiết bị quá lạnh

a Nhiệm vụ của thiết bị quá lạnh lỏng

b Cấu tạo và nguyên lý làm việc thiết bị quá lạnh

9.4.3 Thiết bị tháp giải nhiệt

a Nhiệm vụ của tháp giải nhiệt nước

b Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tháp giải nhiệt

Muốn làm lanh vật thề đến nhiệt độ tháp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh chỉ có thể thực hiện được bằng các máy lạnh hoặc bằng các nguồn lạnh khác (ví dụ như nước đá)

Trạng thái nhiệt cùa một vật thể được đặc trưng bởi nhiệt độ Trong hệ thống đơn vị quốc tế người ta sử dụng hai thang đo nhiệt độ: nhiệt độ Kelvin T,K (còn gọi là nhiệt độ tuyệt đối) và nhiệt độ Celcius t,oC Quan hệ giữa hai nhiệt độ như sau:

t = T – 273oC

Đơn vị đo nhiệt lượng: [J]

Trong hệ thống đơn vị quốc tế, đơn vị đo nhiệt lượng được sử dụng là Joule (J), tức là công sinh ra khi có 1 lực là 1 Newton thực hiện một quãng đường dài là 1m Để thuận lợi hơn người ta sử dụng KiloJoule (KJ) bằng 1000J Ngoài ra cón có đơn vị nhiệt lượng khác là Kilocalo (Kcal), tức là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của 1kg nước từ 19,5oC đến 20,5oC ở

áp suất khí quyển

1 Kcal = 4186,8J = 4,1868 KJ

Để nung nóng một khối lượng như nhau của các vật thể khác nhau đến một số nhiệt độ như nhau cần có một nhiệt lượng khác nhau Điều đó có nghĩa là nhiệt dung của các vật thể phụ thuộc vào tính chất vật lý của chúng Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để nung nóng hoặc làm lạnh 1Kg vật chất lên hoặc xuống 1 độ

1 Kcal/Kg độ = 4186,8J/Kg.K = 4,1868 KJ/Kg.K

Nhiệt dung của các chất lỏng và chất rắn phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng Khi nhiệt độ giảm, nhiệt dung của đa số các chất đều giảm

1.2 Phương pháp tạo ra nhiệt độ thấp

1.2.1 Làm lạnh khi các chất biến đổi pha

Trạng thái của một chất (thể rắn, thể lỏng, thể khí) phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài: nhiệt độ t và áp suất P Khi cò sự thay đỗi các điều kiện đó thì mối liên kết giữa các phân tử vật thể cũng thay đổi và vật thể đó được chuyển sang một trạng thái khác Sự biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác của một vật thể đồng nhất gọi là biến đổi pha

Sự biến đổi pha của các chất đồng nhất diễn ra ở nhiệt độ không đổi, phụ thuộc vào các điều kiện biến đổi và các tính chất vật lí của các chất, có kèm theo sự tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt một lượng cần thiết để thay đổi mối liên kết giữa các phân tử

Quá trình biến đổi trang thái của một chất được chỉ ra trên hình 1.1 bởi biểu đồ biến đổi pha của cacbonic

Đường AB trên biểu đồ phân chia vùng chất rắn và chất khí, đường AC phân chia vùng chất rắn và chất lỏng, đường AD phân chia vùng chất lỏng và chất khí Ở các điểm đặc biệt trên các đường AB, AC, AD vật thể có thể đồng thời ở cả hai pha: rắn và khí, rắn và lỏng, lỏng và khí Trạng thái như vậy được gọi là trạng thái ba thể Các thông số của điểm ba thể phụ thuộc vào các tính chất vật lý của vật thể Khi t > tth (ở điểm tới hạn D) chỉ còn một thể khí

Sự biến đổi pha là quá trình vật lý không kèm theo sự biến đổi hóa học

Có một số chất khí biến đối pha (nóng chảy, sôi, thăng hoa) thì thu một nhiệt lượng khá lớn ở nhiệt độ thấp, cho nên chúng có thể sử dụng để làm lạnh

dụ như hỗn hợp nước đá với muối NaCl có thể làm lạnh đến nhiệt độ -21,2oC

và với muối CaCl2 thì có thẻ đến -55oC

Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy 1Kg nước đá hoặc 1Kg hỗn hợp gọi là nhiệt nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy của các thành phần dung dịch càng giảm thì các thành phần dung dịch càng giảm

Trong thực tế người ta thường sử dụng nước đá làm từ các dung dịch 3 thể

có nhiệt độ nóng chảy thấp được xác định ở điểm 3 thể Ví dụ, các dung dịch

Na2S2O3 và NaNO3 có nhiệt độ đông đặc -11oC và -18,5oC

Nhiệt độ thấp có thể nhận được khi hỗn hợp nước đá với các loại axit loãng Ví dụ, hỗn hợp với số lượng như nhau giữa H2SO4 nồng độ 66% và tuyết hoặc đá nghiền vụn sẻ có nhiệt độ đông đặc -37oC

1.2.3 Sự sôi

Quá trình sôi diễn ra khi cung cấp nhiệt cho một chất lòng

Nhiệt lượng cần thiết để làm 1Kg chất lỏng biến thành hơi bão hòa khô gọi là nhiệt ẩn hóa hơi qh

Để làm lạnh người ta sử dụng các chất lỏng có nhiệt độ sôi to thấp ở áp suất Po bình thường và có nhiệt ẩn hóa hơi lớn; to phụ thuộc vào Po khi Po

tăng thì to tăng, còn qh thì giảm Quá trình sôi của chất lỏng được áp dụng rộng rãi trong chu trình lạnh

1.2.4 Thăng hoa

Quá trình biến đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí không qua trạng thái lỏng trung gian gọi là thăng hoa

Để làm lạnh người ta còn sử dụng cacbonic rắn thăng hoa hay còn gọi la

“đá khô” Nhiệt độ thăn hoa của đá khô ở áp suất khí quyển la -78,9oC, nhiệt

ẩn thăng hoa bằng 574 KJ/Kg (137 Kcal/Kg); nếu áp suất giảm, có thể giảm nhiệt độ thăng hoa của đá khô đến -100oC

1.2.5 Làm lạnh bằng cách giãn nở khí

Trong quá trình dãn nở đoạn nhiệt của một chất khí, nhiệt độ sẽ giảm xuống, vì rằng ngoại công lúc bấy giờ sinh ra là do nội năng của chất khí Mối liên hệ giữa t và P trong quá trình dãn nở đoạn nhiệt đối với một chất khí lý tưởng như sau:

, với K là số mũ đoạn nhiệt

Nếu không khí nén đến áp suất 90 bar ở t1 = 25oC và cho dãn nở đến 1 bar với K = 1,4; nhiệt độ cuối T2 sẽ bằng :

- Nguyên lý hoạt động:

+ Quá trình 1 – 2: Xảy ra ở tại máy nén, không khí được nén đoạn nhiệt S1 = const

+ Quá trình 2 – 3: Xảy ra tại bình làm mát, không khí thải nhiệt cho môi trường, P = const

+ Quá trình 3 – 4: Xảy ra tại máy giãn nở, không khí giãn nở đoạn nhiệt S2 = const, nhiệt độ thấp, áp suất thấp

+ Quá trình 4 – 1: Xảy ra tại buồng lạnh (phòng lạnh), không khí thu nhiệt của môi trường ở po = const và nóng dần lên đến điểm 1 do đó khép kín vòng tuần hoàn

- Nhận xét :

+ Quá trình máy lạnh nén khí gồm hai quá trình nén và giãn nở đoạn nhiệt với hai quá trình trình thu và thải nhiệt đẳng áp nhưng không đẳng nhiệt + Công của chu trình bằng diện tích (1 - 2 - 3 - 4) biểu diễn trên đồ thị T-s + Nhiệt độ to (nhiệt độ phòng lạnh) đạt được phụ thuộc vào t3, áp suất P1 và

Phương pháp tạo ra nhiệt độ thấp này được áp dụng ứng dụng rộng rãi

từ máy điều tiết không khí cho đến trong kỹ thuật siêu lạnh (kỹ thuật Cryo) ở các máy lạnh không khí để sản xuất Nitơ, oxy hóa lỏng, hóa lỏng không khí

và tách khí, hóa lỏng khí đốt

1.2.6 Làm lạnh bằng tiết lưu (hiệu ứng Joule-Thomson)

Hình 1.3 Tiết lưu không sinh ngoại công của một dòng môi chất

Tiết lưu là một quá trình giảm áp suất của một chất lỏng hoặc chất khí khi chuyển động qua cửa nghẽn (van)

Trong quá trình này không có sinh công và entanpi không đổi Nội năng của chất khí dùng để thắng ma sát bên trong khi chuyển động qua cửa nghẽn

Sự thay đổi nhiệt độ của khí lý tưởng bị tiết lưu gọi là hiệu ứng Thomson

Joule-Hiệu ứng này được sử dụng trong kỹ thuật siêu lạnh Sự giảm nhiệt độ trong quá trình tiết lưu ít hơn nhiều so với quá trình dãn nở đoạn nhiệt

có sự truyền động năng từ các lớp trong cho các lớp ngoài và làm tăng nhiệt

độ của các lớp ngoài, còn các lớp khí bên trong thì lạnh đi Kết quả là các lớp khí bên ngoài (đi qua van tiết lưu) thì nóng, còn các lớp khí bên trong (đi qua cửa nghẽn) thì lạnh

Thí nghiệm cho thấy không khí có áp suất vừa phải ở nhiệt độ môi trường

có thể chấp nhận được một dòng khí lạnh (-10

p -50oC) và dòng khí nóng (100 130)oC

Quá trình làm lạnh trong ống xoáy đòi hỏi rất nhiều điện năng

Ưu điểm của ống xoáy là cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy và khởi động nhanh Việc áp dụng ống xoáy để làm lạnh chỉ mang tính chất tạm thời với công suất nhỏ, đặc biệt có lợi đối với những nơi có sẵn nguồn khí nén

1.2.8 Làm lạnh bằng hiệu ứng nhiệt điện

Phương pháp lám lạnh này dựa vào nuyên lý khi có một dòng điện chuyển động trong mạch điện gồm hai dây dẫn khác nhau, thì một đầu sẽ nóng lên một đầu sẽ lạnh đi Nhiệt lượng Qp tỏa ra hoặc mất đi tỉ lệ với cường độ dòng điện I và thời gian τ

Qp = P.I. với P là hệ số Peltier (Peltier là người phát minh ra nguyên lý trên đây vào năm 1834), phụ thuộc vào các tính chất vật lý của vật liệu

Hình 1.5: Hiệu ứng nhiệt điện Khi kỹ thuật bán dẫn ra đời thì nguyên lý này được áp dụng vào thực tế Người ta sử dụng các pin nhiệt điện làm bằng hai chất bàn dẫn và nối tiếp nhau bằng các lá đồng Các pin nhiệt điện có thể nối tiếp thành nhiều bộ Nếu cho dòng điện một chiều đi qua các pin nhiệt điện, thì trên một đầu sẽ mất nhiệt Qn và do đó sẽ nóng lên đến tn

Làm lạnh bằng kỹ thuật nhiệt điện là một hướng mới trong kỹ thuật lạnh + Ưu điểm: không có tiếng ồn, không có các môi chất làm việc ở áp

suất và tin cậy

+ Khuyết điểm: tiêu hao nhiều điện năng và giá thành cao

Phương pháp này bước đầu có hiệu quả chỉ đối với các thiết bị lạnh rất nhỏ Muốn phát triển rộng viêc sử dụng nó cấn tăng hiệu suất của các pin nhiệt điện và giảm giá thành của chúng

1.3 Các giãn đồ nhiệt

Để xác định các thông số của các môi chất làm việc khi tính các chu trình máy lạnh người ta sử dụng các bản hơi bão hòa khô của các tác nhân lạnh (xem phụ lục) và đồng thời sử dụng các giãn đồ nhiệt Thường dùng nhất là giản đổ T-S và i-S

1.3.1 Giản đồ T-S

Hình 1.6: Giãn đồ T-s Trên giản đồ T-S trên trục nằm ngang là các giá trị entropi S, còn trục đứng thì nhiệt độ tuyệt đối T Các đường thẳng đứng song song S = const tạo thành các đường đoạn nhiệt

Trên giản đồ có một đường biên đặc trưng cho trạng thái lỏng bão hòa (độ khô x = 0), và có một đường biên đặc trưng cho trạng thái hơi bão hòa khô (x

= 1)

Vùng 2 nằm giữa hai đường biên là hơi bão hòa ẩm Đường biên x = 0 ngăn cách giữa vùng hơi ẩm với vùng quá lạnh, còn đường biên x = 1 thì ngăn cách giữ vùng hơi ẩm với vùng hơi quá nhiệt

Ngoài ra trên giản đồ còn có các đườn đẳng áp P = const, các đường đẳng tích v = const và các đường đẳng entanpi h = const (xem hình 1.6)

Các đường đẳng áp trong vùng hơi ẩm trùng với các đường đẳng nhiệt, còn ở vùng hơi quá nhiệt thì chúng uốn cong lên phía trên Nhiệt lượng cấp vào và mất đi, công tiêu hao và công nhận được biểu thị bởi các diện tích trên giản đồ

1.3.2 Giản đồ i-P

Hình 1.7: Giãn đồ lgp-h Giản đồ có các đường nằm ngang là các đườn đẳng áp P = const và các đường thẳng đứng là các đương thẳng entanpi h = const Để cho dễ dàng trong sử dụng, thường trên trục đứng người ta dùng các giá trị lgP (h.1.7) Trên giản đồ còn có thêm các đường t, s, và v không đổi

Ưu điểm của giản đồ lgp-p là các giá trị nhiệt lượng và công của quá trình đạon nhiệt đều được biểu thị bằng các đoạn thẳng chứ không phải là các diện tích

Trong tính toán thiết kế các thiết bị lạnh để đảm bảo độ chính xác người ta

sử dụng giản đồ có các nhiệt độ đủ lớn để xác định các thông số hơi quá nhiệt hoặc là sử dụng các bảng với sự nội suy cần thiết Phần phụ lục ở sau sách này có đầy đủ các bảng để xác định các thông số hơi quá nhiệt

Ví dụ 1.1: Hãy xác định thông số của các điểm và nhiệt lượng cung cấp

cho 20Kg NH3 trong quá trình sôi ở nhiệt độ -20oC (H.1.6; và H.1.7)

Giải: Thông số của các điểm có thể xác định theo bảng hoặc theo giản đồ

và được viết vào bảng dưới đây:

Các

điểm

t (oC)

P (at)

V (m3/Kg)

h (Kcal/Kg)

s (Kcal/Kg.độ)

x

1

2

-20 -20

1,94 1,94

0,0015 0,6236

78,17 395,46

0,917 2,17

0

1

Nhiệt lượng cung cấp cho 1Kg NH3:

kcal/kg

29 , 317 17

, 78 46 , 395

1

 h h q

Nhiệt lượng cung cấp cho 20Kg NH3:

Thông số của các điểm nằm trên hai đường biên có thể xác định theo bảng của hơi bão hòa khô chỉ cần theo một trong các thông số t hoặc P

Ví dụ: Hơi bão hòa NH3 với t = -10oC ta có:

P = 2,966 at; v = 0,4184 m3/Kg; h = 398,67 Kcal/Kg; S = 2,136 Kcal/Kg.độ

1.4 Quá trình nghịch khép kín

Theo định luật 2 nhiệt động, sự làm lạnh nhân tạo liên tục không thể thực hiện được nếu không tiêu hao năng lượng Tập hợp các quá trình như vậy gọi

là quá trình nghịch khép kín hay gọi là chu trình nghịch nhiệt động

Trong quá trình thuận nhịch khép kín (hay gọi là chu trình thuận nhiệt động) nhiệt từ nguồn nóng truyền lại cho nguồn lạnh (môi trường xung quanh) và sinh công Trong chu trình nghịch, nhiệt từ nguồn lạnh truyền lại cho nguồn nóng (môi trường xung quanh) và tất nhiên là phải tiêu hao một công

Chu trình nghịch, trong đó nhiệt từ môi trường cần làm lạnh truyền lại cho môi trường xung quanh (nước hoặc không khí) gọi là chu trình lạnh

Sau đây chúng ta sẽ khảo sát một chu trình lạnh hoàn hảo nhất, chu trình Carnot với sự tiêu hao công nhỏ nhất

1.4.1 Chu trình lạnh

Trên hình 1.8 là chu trình Carnot được biểu thị trên giản đồ T-S Chu trình gồm có hai quá trình đẳng nhiệt và hai

quá trình đoạn nhiệt

Trong quá trình đẳng nhiệt 4-1 môi

chất làm việc được cung cấp một nhiệt

lượng qo (diện tích 4-1-6-5) lấy từ

nguồng nhiệt có nhiệt độ thấp To

Trong quá trình đoạn nhiệt 1-2 môi

chất được nén từ áp suất ban đầu Po đến

áp suất cuối Pk và nhiệt độ môi chất

cung tăng lên từ To đến nhiệt độ của môi

trường xung quanh hoặc là nhiệt độ của

nguồn có nhiêt độ cao Tk Để nén môi

chất trong máy nén phải tốn một công ln Hình 1.8: Chu trình nghịch Carnot

Trong quá trình đẳng nhiệt 2-3 môi chất truyền lại cho nguồn nóng một nhiệt lượng qk (diện tích 2-3-5-6)

Để có thể tiếp tục nhiệt ở nguồn lạnh môi chất phải được dãn nở đoạn nhiệt trong xylanh hoặc trong tuabin (quá trình 3-4) từ áp suất Pk đến áp suất

Po và nhiệt độ cũng giảm từ Tk đến To Trong quá trình giãn nở môi chất sinh một công lg Như vậy trong quá trình thực hiện một chu trình nghịch, nhiệt lượng qo lấy từ nguồn lạnh To truyền cho nguồn nóng Tk

Để làm việc đó phải tốn một công là lc bằng:

Theo định luật 2 nhiệt động, cân bằng nhiệt của máy lạnh sẻ có giá trị như sau:

Vậy thì tức là hiệu số của hai diện tích 2-3-5-6 và 4-1-6-5 bằng diện tích 1-2-3-4

Hiệu của chu trính lạnh được đánh giá bằng hệ số lạnh ε được xác định bằng công thức

và có thể biến đổi :

Biểu thức trên cho ta thấy rằng hệ số lạnh của chu trình Carnot không phụ thuộc vào các tính chất vật lý của môi chất làm việc mà chỉ phụ thuộc vào các nhiệt độ To và TK ε càng lớn nếu To càng lớn và TK càng nhỏ Trong thực tế nguồn lạnh là các vật thể cần làm lạnh như: không khí, nước, nước muối, sản phẩm, đất ,còn nguồn nóng là môi trường xung quanh như: nước hoặc không khí

Theo công thức trên thì nếu ε càng lớn thì càng ít tốn công để làm lạnh, tức là hiệu quả của máy lạnh càng cao Từ đó ta thấy khi thiết kế máy lạnh cần cố gắng (trong điều kiên cho phép) đạt tới giá trị càng lớn đối với To và càng nhỏ đối với TK

Môi chất làm việc trong chu trình lạnh người ta gọi đó là tác nhân lạnh

1.4.2 Năng suất lạnh và năng suất lạnh riêng

Nhiệt lượng lấy từ nguồn lạnh trong 1 đơn vị thời gian gọi là năng suất lạnh Qo, KW (Kcal/h)

Nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi 1Kg tác nhân lạnh gọi là năng suất lạnh riêng qo, KJ/Kg (Kcal/Kg)

Nhiệt lượng do tác nhân lạnh thu được để tạo thành 1m3 hơi bão hòa khô, gọi là năng suất lạnh riêng của thể tích qv, KJ/m3 (Kcal/m3)

với là thể tích riêng của hơi bão hòa khô, m3/Kg

1.4.4 Chu trình bơm nhiệt

Hình 1.9: Máy lạnh hấp thụ Bất cứ một máy lạnh nào cũng có thể trở thành bơm nhiệt, bởi vì nó là thiết bị dùng để truyền tải nhiệt từ nguồn lạnh đến nguồn nóng Nhưng trong các chu trình lanh thông thường thì nguồn nóng là môi trường xung quanh và nhiệm vụ của máy lạnh là phải làm lạnh vật thể đến t < tm (tm là nhiệt độ môi trường) Ngược lại nếu môi trường xung quanh là nguồn lạnh và nhiệm vụ phải cung cấp nhiệt có t > tm thì chu trình như vậy gọi là chu trình bơm nhiệt Chu trình lý tưởng Carnot đối với bơm nhiệt cũng giống như đối với máy lạnh, được biểu thị trên giãn đổ T-S (H.1.9.a) Hiệu quả của chu trình được tính bằng hệ số nhiệt μ

Thay thế và biến đổi ta được:

Công thức trên nói rằn TK càng cao và Tm càng thấp thi càng thấp và công tiêu hao để nhận được một đơn vị nhiệt càng lớn

Từ các công thức trên chúng ta có thể dể dàng thấy được mối quan hệ giữa

hệ số nhiệt và hệ số lạnh ε như sau:

1.4.5 Chu trình hỗn hợp

Một chu trình nghịch vừa có thể làm lạnh vừa có thể sấy nóng gọi là chu trình hỗn hợp (H.1.9b) Nó gồm có hai chu trình: Chu trình lạnh 1-2-3-4 và chu trình bơm nhiệt 2-5-6-3

Chu trình hỗn hợp có hiệu quả nhiều hơn so với từng chu trình riêng lẻ, vì rằng trong chu trình đó có thể sử dung nhiệt ở cả hai nấc nhiệt độ

Trong chu trình Carnot hỗn hợp, quá trình 4-1 ở nhiệt độ To được cung cấp một nhiệt lượng qo tương đương diện tích 4-1-a-b còn quá trinh 5-6 ở nhiệt độ TK thì mất đi một nhiệt lượng qK tương đương với diện tích 5-6-b-a Công tiêu hao trong chu trình tương đương với diện tích 1-5-6-4

Từ hình 1.9b, ta thấy tỉ số

Chương 2 VẬT LIỆU LẠNH

2.1 Môi chất lạnh

2.1.1 Yêu cầu đối với môi chất lạnh

a Yêu cầu về nhiệt động :

- Có năng suất lạnh riêng thể tích và năng suất lạnh riêng khối lượng lớn

- Áp suất ngưng tụ không quá lớn

- Áp suất sôi của môi chất lạnh mong muốn cao hơn áp suất khí quyển

- Tỷ số nén không quá lớn

- Ẩn nhiệt hoá hơi phải lớn

- Nhiệt độ đông đặc của môi chất thấp, trọng lượng riêng, độ nhớt nhỏ

b Yêu cầu về hoá lý :

- Dễ hoà tan trong nước

- Hoà tan nhiều trong dầu bôi trơn để dễhồi dầu về máy nén

- Không ăn mòn vật liệu chế tạo máy và thiết bị

- Không cháy nổ , không độc hại, không gây ô nhiễm môi trường

c Yêu cầu về sinh lý

Không cháy nổ , không độc hại, không gây ô nhiễm môi trường

d Yêu cầu về kinh tế

Môi chất phải rẻ tiền, dễ kiếm , dễ vận chuyển và bảo quản

2.1.2 Một Số Môi Chất Lạnh Thông Dụng

a Môi chất NH3 ( Amoniac)

- Đây là môi chất vô cơ đuợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống lạnh làm nước đá công nghiệp

- Nhiệt độ bay hơi ở điều kiện tiêu chuẩn là -33,350C

- Có năng suất lạnh riêng thể tích và năng suất lạnh riêng khối lượng lớn, hoà tan vô hạn trong nước , không hoà tan dầu bôi trơn

- Không ăn mòn kim loại đen và phi kim loại , ăn mòn đồng và các hợp kim của đồng

- Là khí không màu , có mùi khai, gây độc hại với môi trường và con ngưòi

b Môi chất Freon 12

- Ký hiệu thương mại của môi chất này là R12, công thức hoá học là CCl2F2 Là dẫn suất halogen của mêtan Môi chất này đã bị cấm sử dụng trên thế giới do nó có tính phá huỷ ozone và là khí gây hiệu ứng nhà kính làm nóng địa cầu

- Đây là loại môi chất an toàn, không cháy nổ, không độc hại với cơ thể sống khi ở điều kiện thường nhưng khi gặp nhiệt độ cao (550 –

6000 C) nó cháy và phân huỷ thành phosgen rất độc

- Nó chủ yếu sử dụng trong các máy lạnh dân dụng do có năng suất lạnh riêng nhỏ

- Không ăn mòn các vật liệu, không dẫn điện, không hoà tan nước, hoà tan một phần dầu bôi trơn

- Có tinh lưu động và thẩm thấu cao dễ bị dò rỉ

- Nhiệt độ bay hơi ở điều kiện tiêu chuẩn là – 29,80C , áp suất ngưng tụ trung bình

- Hiện nay, để thay thế cho môi chất này người ta dùng môi chất R134a

c Môi chất Freon 22

- Ký hiệu thương mại của môi chất này là R22, công thức hoá học là CHClF2 Là dẫn suất halogen của metan nhưng trong phân tử chỉ có một nguyên tử clo nên khả năng phá huỷ môi trường không bằng R12, tuy nhiên môi chất này cũng đã bị cấm nhưng việc tìm môi chất thay thế cũng gặp nhiều khó khăn

- Đây là loại môi chất an toàn, không cháy nổ, không độc hại với cơ thể sống khi ở điều kiện thường nhưng khi gặp nhiệt độ cao (550 –

6000 C) nó cháy và phân huỷ thành phosgen rất độc

- Nó chủ yếu sử dụng trong các máy lạnh dân dụng do có năng suất lạnh riêng nhỏ, các máy điều hoà không khí có công suất trung bình

và trong các máy lạnh công nghiệp khác

- Nhiệt độ bay hơi tiêu chuẩn của nó là -40,80C, các tính chất nhiệt động của nó tốt hơn so với R12

- Hoà tan dầu bôi trơn, không hoà tan nước, không ăn mòn kim loại, hợp kim và phi kim

d Môi chất Freon 134a

- Ký hiệu thương mại của môi chất này là R134a, là môi chất tương đối thân thiện với môi trường được dùng để thay thế cho môi chất R12

- Môi chất này có những tính chất tương đồng với R12 , năng suất lạnh cũng tương đương

- Nhiệt độ bay hơi tiêu chuẩn của nó là – 26,30C, cao hơn so với R12

- Khi máy lạnh đang sử dụng môi chất R12 mà chuyển qua sử dụng R134a thì cần thay đổi một số phụ kiện và thiết bị như là dầu bôi trơn, các vòng đệm kín bằng cao su, phin sấy lọc, kể cả các dụng cụ như các loại đồng hồ gas, đèn thử xì …

2.2.2 Các yêu cầu đối với chất tải lạnh

Giống như môi chất lạnh, chất tải lạnh lý tưởng cũng cần có các tính chất sau đây:

a Tính chất hoá học

- Không ăn mòn thiết bị

- Bền vững, không phân hủy trong phạm vi làm việc

- Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt phải lớn

- Nhiệt dung riêng càng lớn càng tốt

- Độ nhớt và khối lượng càng nhỏ càng tốt vì giảm được tổn thất thủy lực

- Không gây cháy nổ

- Không làm ô nhiểm môi trường

b Dung dịch nước muối NaCl

- Đáp ứng khá đầy đủ yêu cầu trên Nhược điểm chủ yếu là ăn mòn kim loại của hệ thống lưu chuyển môi chất tải lạnh

c Dung dịch nước muối CaCl 2

- Có các tính chất gần giống NaCl tuy khó tìm

2.3 Dầu bôi trơn

2.3.1 Đại cương

a.Nhiệm vụ của dầu bôi trơn

Dầu bôi trơn được sử dụng trong các hệ thống lạnh có máy nén cơ có nhiệm vụ chủ yếu là:

- Bôi trơn các chi tiết chuyển động của máy nén, các bề mặt ma sát, giảm ma sát và tổn thất do ma sát gây ra Riêng máy nén và máy giãn

nở, nhiệt độ giảm đột ngột dầu bị đông cứng ngay

- Làm nhiệm vụ tải nhiệt từ các bề mặt ma sát piston, xi lanh, ổ bi, ổ bạc,… ra vỏ máy để toả ra môi trường, đảm bảo nhiệt độ ở các vị trí trên không quá cao

- Chống rò rỉ môi chất cho các cụm bịt kín và đệm kín cổ trục

- Giữ kín các khoang nén trong máy nén trục vít

b Yêu cầu đối với dầu bôi trơn

Dầu bôi trơn nằm trong máy nén, do đó dầu tham gia vào vòng tuần hoàn môi chất lạnh, đi qua tất cả các thiết bị chính và phụ của hệ thống Chính vì vậy dầu kỹ thuật lạnh có các yêu cầu rất khắt khe:

- Có đặc tính chống mài mòn và chống sây sát bề mặt tốt

- Có độ nhớt thích hợp đảm bảo bôi trơn các chi tiết

- Có độ tinh khiết cao, không chứa các thành phần có hại đối với hệ thống lạnh như ẩm, axit, lưu huỳnh, không được hút ẩm

- Nhiệt độ bốc cháy phải cao, cao hơn nhiều so với nhiệt độ cuối quá trình nén

- Nhiệt độ đông đặc phải thấp, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ sau tiết lưu và ở dàn bay hơi

- Nhiệt độ lưu động phải thấp hơn nhiệt độ bay hơn để đảm bảo tuần hoàn được trong hệ thống và có thể hồi dầu dễ dàng về máy nén

- Không tạo lớp trở nhiệt trên bề mặt trao đổi nhiệt, trong trường hợp này dầu phải hoà tan hoàn toàn vào môi chất

- Không làm giảm nhiệt độ bay hơi qua đó làm giảm năng suất lạnh, trong trường hợp này dầu không được hoà tan vào môi chất lạnh

- Không được dẫn điện, có độ cách điện cao cả ở pha hơi và pha lỏng đặc biệt cho hệ thống lạnh kín và nửa kín

- Không gây cháy nổ

- Không phân huỷ trong phạm vi nhiệt độ vận hành (thường từ -60 đến

1500C, đặc biệt cho máy ghép tầng đến 800C thậm chí – 1100C)

- Không được tác dụng với môi chất lạnh, với các vật liệu chế tạo máy

vô cơ và hữu cơ, dây điện, sơn cách điện dây cuốn động cơ với vật liệu hút ẩm để tạo ra các sản phẩm có hại trong hệ thống lạnh, nhất là

có hại cho động cơ và máy nén

- Tuổi thọ cao và bền vững, đặc biệt trong hệ thống lạnh kín, có thể làm việc liên tục 20 đến 25 năm ngang với tuổi thọ của block tủ lạnh

- Phải không được độc hại

- Phải rẻ tiền và dễ kiếm

Trong thực tế, tất nhiên không tìm được dầu bôi trơn lý tưởng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trên, chỉ có thể tìm loại dầu ứng dụng cho từng loại cụ thể

để phát huy ưu điểm hay khắc phục nhược điểm

- Dầu tổng hợp: Được sản xuất từ các chất khác nhau, các loại este, silicol, polyclycol hoặc các dầu tổng hợp gốc hydrocacbon, so với dầu khoáng thì nó có độ bôi trơn tốt hơn khi hỗn hợp với môi chất lạnh, nhiệt độ đông đặc cũng thấp hơn, sự mài mòn thấp hơn nhưng giá thành cao hơn

- Dầu khoáng có phụ gia tổng hợp: Để cải thiện một số tính chất của dầu khoáng người ta cho thêm vào các chất phụ gia Ví dụ: để tăng

độ nhớt, chống ôxy hoá, chống hiện tượng sủi bọt, hạ nhiệt độ đông đặc, tăng nhiệt độ bốc cháy… trên thực tế có thể sử dụng hỗn hợp dầu khoáng và dầu tổng hợp nhưng phải thận trọng và phải thử nghiệm trước Đã có trường hợp bổ sung dầu bôi trơn loại khác vào gây trục trặc nghiêm trọng toàn bộ hệ thống bôi trơn dẫn đến cháy động cơ

2.3.2 Một số tính chất cơ bản của dầu bôi trơn

a Độ nhớt: Là thông số quan trọng nhất quyết định việc bôi trơn, giảm

tổn thất ma sát, độ mài mòn thiết bị, tăng cường độ kín cho cụm bịt đầu trục, cho các đệm kín, các khoang hút và nén của máy nén trục vít Để bôi trơn bình thường cho máy nén hiện đại có tốc độ cao, độ nhớt dầu ở 1000C không nhỏ hơn 6  7mm2/s khi máy làm việc với cường độ cao hơn độ nhớt phải đạt

c Nhiệt độ đông đặc và nhiệt độ lưu động: Nhiệt độ đông đặc là nhiệt

độ khi dầu đã hoá đặc, nhiệt độ lưu động là nhiệt độ dầu còn có khả năng lưu động trong thiết bị đường ống đảm bảo vòng tuần hoàn, thường nhiệt động lưu động cao hơn nhiệt độ đông đặc từ 3 đến 50C Nhiệt độ đông đặc của dầu giảm khi tăng hàm lượng napten, giảm cacbuahydro thơm và parafin, nhiệt độ đông đặc của dầu khoáng khi độ nhớt giảm

d Nhiệt độ bốc cháy: Phụ thuộc vào sự có mặt của nhóm dễ bay hơi

trong dầu Yêu cầu nhiệt độ bốc cháy 160 đến 1800C trở lên Dầu không thể cháy trong hệ thống lạnh nhưng nhiệt độ bốc cháy cao chứng tỏ sự ổn định của dầu cao

e Độ acid: Độ acid của dầu là hàm lượng KOH trong dầu tính bằng

miligam KOH trong một gam dầu, yêu cầu không quá 0,03 đến 0,05mg KOH trong một gam dầu độ acid có thể thể hiện qua độ PH Độ PH của dầu lạnh 6,5; 7

f Hàm lượng nước và tính hút ẩm của dầu: Nước hoà tan ít trong dầu

tuy nhiên dầu lạnh có tính hút ẩm, tính hút ẩm tăng khi nhiệt độ tăng, nước có thể hoà tan trong dầu khoáng tốc độ hút bụi cũng phụ thuộc vào từng loại dầu, nước dù còn lại ít cũng gây trục trặc trong hệ thống làm lão hoá dầu gây phản ứng vơi dầu và môi chất lạnh tạo ra chất ăn mòn có hại khác Trong thực tế nước trong dầu lạnh có khoảng 10 đến 60 phần triệu khối lượng theo lượng dầu nạp vào máy R12, R22, R502

Do dầu có tính hấp thụ nước cao nên phải rất thận trọng khi bảo quản dầu

g Sức căng bề mặt: Ảnh hưởng đến chất lượng bôi trơn và chống mài mòn của chúng, nó phụ thuộc vào loại dầu, nhiệt độ, vào độ hoà tan, vào môi chất lạnh

h Điểm anilin: Được định nghĩa là nhiệt độ tới hạn của sự hoà tan dầu

vào anilin để tạo ra dung dịch đồng nhất

Thực tế điểm anilin được sử dụng để đánh giá hàm lượng hydro cacbua thơm, điểm anilin phụ thuộc vào phân tử lượng và thành phần dầu, trong kỹ thuật lạnh điểm anilin dùng để định hướng đánh giá tính ổn định và sự hoà tan dầu trong môi chất lạnh

i Hàm lượng asfat: Có trong dầu khoáng và dầu hydro cacbua, đây là những thành phần có hại làm giảm chất lượng dầu tạo căn, giảm tính ổn định, lão hoá, trong dầu lạnh tốt thì hàm lượng hắc ín không vượt quá 0,3 -0,5%

j Tính ổn định nhiệt: Đặc trưng cho khả năng bảo toàn tính chất hoá học

và lý học của dầu chống lại sự phá huỷ và oxy hoá ở nhiệt độ cao, tính ổn định nhiệt được thể hiện qua nhiều chỉ tiêu như: hàm lượng hắc ín, asfal nhỏ, nhiệt độ bắt cháy cao, nhiệt độ sôi cao … dầu parafin có tính ổn định nhiệt cao, để nâng cao người ta cho thêm vào chất phụ gia chống oxy hoá

k Hình dạng và mầu sắc: Đặc trưng cho sự trong suốt và không trong

suốt khi quan sát qua một lớp dầu nhất định, dầu lạnh phải có độ trong suốt cao do có keo hoặc các chất lạ khác lơ lửng trong dầu

Màu sắc của dầu cũng là chỉ tiêu để đánh giá chất lượng dầu chất lượng cao phải có màu sáng hoặc sáng vàng Khi làm việc trong hệ thống lạnh càng ngày dầu càng sẫm lại nó đặc trưng cho sự oxy hoá và thời gian sử dụng trong hệ thống

l Sự sủi bọt: Là một tiêu chuẩn đánh giá sự thích hợp của dầu đối với

máy lạnh trong các hệ thống kín và nửa kín sủi bọt của dầu làm cho máy làm việc nặng nề vì dầu lọt vào đường hút để vào xi lanh nếu vào quá nhiều dễ gây ngập dịch Sự sủi bọt phụ thuộc vào chế độ làm việc của máy và độ hoà tan của dầu vào môi chất (độ hoà tan càng lớn sủi bọt càng nhiều) Người ta thử sự sủi bọt của dầu tinh khiết bằng cách thổi qua quả cầu có khoan nhiều

lỗ ngâm trong dầu

Giảm sự sủi bọt bằng cách thêm các phụ gia chống sủi bọt, tuy nhiên các phụ gia đều làm giảm chất lượng dầu cho nên hạn chế phụ gia ở mức thấp nhất

m Độ dẫn điện: Độ dẫn điện của dầu là một tính chất quan trọng đánh

giá chất lượng dầu, với máy kín và nửa kín vì động cơ nằm trong vỏ máy nên phải cách điện để đảm bảo động cơ hoạt động an toàn, do có tính cách điện

cao nên dễ nhầm với dầu biến thế

n Độ dẫn nhiệt: Hệ số dẫn nhiệt tương đối nhỏ nếu bám trên bề mặt dầu

trở thành cách nhiệt, trong hệ thống lạnh hệ số dẫn nhiệt lớn càng thuận lợi cho các quá trình trao đổi nhiệt, tuy nhiên nó không đóng vai trò quan trong trong việc đánh giá chất lượng dầu

o Tính bôi trơn và tính chất mài mòn: Tính bôi trơn chính là khả năng

chống lại sự mài mòn do ma sát, chống sây sước bề mặt, tính chất bôi trơn phụ thuộc vào loại dầu, độ nhợt sức căng bề mặt và các tính chất khác của dầu

Để cải thiện chất lượng bôi trơn và chống mài mòn cảu dầu có thể cho vào dầu một lượng nhỏ chất phụ gia, thường làm là phốt phát trierezol

2.3.3 Các đặc tính riêng biệt của dầu lạnh

a Tính ổn định với môi chất lạnh: Yêu cầu đầu tiên đối với dầu là phải

ổn định và bề vững hoá học với môi chất lạnh, không được phản ứng với môi chất lạnh hoặc làm xúc tác phá huỷ dầu, môi chất và tạo các chất có hại

b Nhiệt độ vẩn đục: Nhiệt độ vẩn đục là nhiệt độ bắt đầu của sự kết tủa

parafin trong dầu, nhiệt độ vẩn đục của dầu với môi chất lạnh cao hơn nhiệt

độ vẩn đục của dầu tinh khiết vì môi chất lạnh hoà tan các thành phần lỏng còn parafin rắn lắng xuống thành cặn Trong hệ thống lạnh dầu tuần hoàn cùng với môi chất lạnh, các cặn đóng dần ở các cửa van vì vậy nhiệt độ sôi của môi chất lạnh không được thấp hơn nhiệt độ vẩn đục của dầu trong vòng tuần hoàn của môi chất

c Sự hoà tan dầu với môi chất lạnh: Để đảm bảo bôi trơn chèn kín cần

dầu có độ hoà tan tốt, NH3 là loại môi chất lạnh điển hình không hoà tan dầu bôi trơn, R13 cũng hoàn toàn như vậy, dầu chìm bên dưới NH3 nhưng lại nổi trên freon Các môi chất hoà tan dầu hoàn toàn tạo điều kiện cho việc hồi dầu

về máy, còn các môi chất hoà tan hạn chế gây nhiều phức tạp hơn cả, chúng

có các khoảng trống không gian không hoà tan

d Độ nhớt của hỗn hợp: Độ nhớt của hỗn hợp dầu và môi chất lạnh nhỏ

hơn độ nhớt của dầu nguyên chất vì độ nhớt của môi chất lạnh rất nhỏ Tuỳ theo từng loại dầu và môi chất người ta xây dựng các quan hệ toán học để tính toán độ nhớt của hỗn hợp

Sự thay đổi dầu trong cacte máy nén diễn ra phức tạp hơn Ở áp suất không đổi cho trước trong cacte nhiệt độ dầu giảm thì thành phần môi chất lạnh hoà tan tăng lên, độ nhớt giảm, khi nhiệt độ dầu tăng môi chất lạnh bị đẩy ra khỏi dầu hầu như hoàn toàn và độ nhớt gần đạt độ nhớt dầu nguyên chất Lúc này độ nhớt giảm là do nhiệt độ tiếp tục tăng chứ không do môi chất hoà tan

e Độ lưu động của hỗn hợp: Môi chất lạnh hoà tan trong dầu làm cho

tính lưu động của dầu tăng lên, nhiệt độ lưu động dầu giảm xuống, thực tế người ta có thể thực hiện nhiệt độ bay hơi thấp hơn cả nhiệt độ lưu động của dầu do có hoà tan môi chất trong dầu Đây là một trong những ưu điểm của

sự hoà tan môi chất lạnh trong dầu bôi trơn

2.3.4 Sử dụng dầu lạnh

a Đại cương: Dầu lạnh phải đáp ứng đựơc yêu cầu đã nêu, chia làm hai

loại, loại A cho NH3, loại B cho freon, loại B chia làm 4 nhóm Bản sau giới thiệu sự phân loại dầu theo điều kiện ứng dụng và chất lượng dầu

Phân loại một số dầu sản xuất ở Liên Xô cũ và các nước khác theo loại

và nhóm dầu giới thiệu trong bảng sau:

PHÂN LOẠI DẦU THEO ĐIỀU KIỆN ỨNG DỤNG

VÀ CHẤT LƯỢNG YÊU CẦU

- Dầu có độ nhớt cao sử dụng cho nhiệt độ ngưng tụ cao và thế nhiệt lớn trong máy nén

- Dầu có độ nhớt thấp dùng cho nhiệt độ ngưng tụ thấp

- Các dầu nhóm I sử dụng cho nhiệt độ sôi đến - 300C

- Dầu nhóm II sử dụng cho các máy lạnh một cấp nhiệt độ thấp môi chất là R22 và R502

- Dầu nhóm III sử dụng cho các máy lạnh một và hai cấp ở nhiệt độ sôi thấp hơn -550C, chủ yêu là các loại dầu hydro cacbua và dầu tổng hợp

- Dầu nhóm IV sử dụng cho tầng dưới của máy lạnh ghép tầng, môi chất lạnh là R13, R13B1 và R502

-40 0C R22, R502

-70 0C R13B1 R502 R22

-100 0C R13B1 R13

Kiểu dầu Dầu

khoáng

Dầu khoáng

Dầu khoáng hydrocacbu

a tổng hợp

Hydrocacbua tổng hợp

Dầu tổng hợp

b Sử dụng dầu trong máy lạnh NH3

- Đặc điểm cơ bản là dầu hoà tan rất ít vào môi chất lạnh amoniắc Khối lượng riêng của dầu lớn hơn của amoniắc nên dầu rất dễ phân lớp và đọng xuống phía dưới Dầu phải ở cácte để bôi trơn máy nén nhưng do nhiều nguyên nhân, dầu theo môi chất vào đường đẩy Nhiệt độ dầu đạt đến

1301500C, nên một phần dầu biến thành hơi

- Trên đường đẩy của máy lạnh amôniắc người ta bố trí bình tách dầu

để tách dầu ra khỏi dòng môi chất Nhưng tách dầu có hiệu quả cao nhất cũng chỉ đạt đến 95% Phần dầu còn lại (chủ yếu ở dạng hơi) tiếp tục đi theo dòng môi chất vào thiết bị ngưng tụ vào bình chứa qua van tiết lưu vào thiết bị bay hơi Trong các thiết bị này, dầu lặng đọng xuống phía dưới Người ta phải bố trí các bầu lắng dầu phía dứơi các thiết bị và định kì dầu đựơc xả về máy nén hoặc về bình chứa dầu Hệ thống lạnh amoniắc không bố trí các cơ cấu tuần hoàn dầu “tự động” như trong hệ thống lạnh freon

- Người ta nhận thấy rằng, phần dầu qua đựơc bình tách dầu để vào đến dàn bay hơi là phần đầu nhẹ Nếu phần này không được quay về máy nén thì dầu ở cácte máy nén sẽ “nặng” dần, độ nhớt tăng lên Khi thử nghiệm dầu XA30 trong máy nén 200, người ta thấy độ nhớt của dầu tăng lên đến 55mm2/s Độ nhớt tăng tạo điều kiện tốt cho việc bôi trơn nhưng khi đótrong dầu tích tụ các sản phẩm có hại do phân huỷ, làm giảm độ tin cậy của các lá van và hệ thống bôi trơn Dầu chuyển nhanh sang mầu đen và đòi hỏi phải thay thế

- Do mức độ nhiệt độ làm việc (nhiệt độ đầu đẩy) của máy nén pittông amoniắc cao nên dầu amoniắc cần có độ ổn định nhiệt độ cao khi có mặt không khí, hơi nước và các chất xúc tác kim loại

- Nước hoà tan hoàn toàn trong amoniắc nhưng nước gây tác hại rất lớn trong hệ thống lạnh amoniắc nên hàm lượng nước trong dầu và trong môi chất cũng cần hạn chế đến mức thấp nhất, không vượt quá 0,2% khối lượng

- Ở miền Bắc nước ta, các hệ thống lạnh amoniắc sử dụng chủ yếu chủ yếu hai loại dầu khoáng XA 30 và XA 35

c Sử dụng dầu trong máy lạnh freon

- Trong các máy lạnh freôn R12 và R22, do tính hoà tan của dầu và môi chất lạnh nên dầu tuần hoàn cùng với môi chất lạnh Dầu từ máy nén theo đường đẩy vào thiết bị ngưng tụ, qua tiết lưu vào thiết bị bay hơi Do nhiệt độ ở thiết bị máy bay hơi thấp, độ nhớt tăng nên dầu khó hồi về máy nén Để đảm bảo dầu về máynén người ta phải có những giải pháp đặc biệt (bẫy dầu) để đưa dầu trở lại máy nén trong trường hợp máy nén đặt cao hơn thiết bị bay hơi và khi có đường ống đi lên trước khi về máy nén Tất nhiên nhiệt độ bay hơi phải cao hơn nhiệt độ lưu động của dầu

- Dầu sử dụng trong máy nén kín và nửa kín môi chất frecôn có yêu cầu đặc biệt cao về tính ổn định, hàm lượng axit, hàm lượng nứơc và các thánh phần có hại, vì dầu và môi chất lạnh tiếp xúc trực tiếp với cuộn dây điện của động cơ máy nén

- Nhiệt độ vận hành (nhiệt độ đầu đẩy, nhiệt độ cuộn dây điện lắp trong thân máy, dầu) càng lớn độ ổn định của dầu trong hỗn hợp với môi chất lạnh đòi hỏi càng cao Ở cùng nhiệt độ R12 dễ phân huỷ hơn R22 Nhưng vì R22 làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao hơn đáng kể, nên dầu trong máy lạnh R22 đòi hỏi chất lượng cao hơn, độ tinh khiết lớn hơn và hàm lượng các thành phần có hại nhỏ hơn

- Dầu bị giảm chất lượng phần lớn do các phản ứng hoá học làm cho thành phần dầu thay đổi, tăng tính axít Thành phần ẩm (hơi nước) trong hệ thống sẽ làm tăng nhanh tính axít của dầu và làm biến mầu (làm tối) dầu Trong máy lạnh dùng dầu khoáng càng cảm nhận thấy sự có mặt của ẩm dễ dàng hơn Bởi vậy các hệ thống lạnh freôn cần được sấy cẩn thẩn được khử

ẩm trước khi nạp dầu và môi chất lạnh vào hệ thống Sấy khử ẩm từng chi tiết của hệ thống trước khi lắp ráp sau đó phải tiến hành sấy chân không toàn bộ

hệ thống ở nhiệt độ 50…700C sau khi lắp ráp Nhiệt độ sấy có thể tăng đến khoảng 1000C vì ở nhiệt độ này cách điện của cuộn dây động cơ máy nén chưa bị ảnh hưởng

- Để đề phòng ẩm lọt vào hệ thống bằng các đường khác như từ dầu, từ môi chất, từ trong cuộn dây cuốn động cơ… người ta phải bố trí phin sấy trên đường lỏng và đường hơi của hệ thống lạnh Phin sấy dùng các chất hút ẩm như sikicagel hoặc zêolit

- Hàm lượng ẩm, trong dầu lạnh cũng hạn chế dưới 10 đến 60 phần triệu khối lượng (ppm) Dầu trước khi nạp vào máy cũng có thể sấy chân không ở nhiệt độ 50…700C

- Dầu kém phẩm chất, có tính axít cao và các chất có hại có thể ăn mòn cách điện, phá huỷ cuộn dây, làm chập mạch cuộn dây, làm hằng số đệin môi của dầu giảm, gây đánh lửa, phóng điện và dẫn đến cháy động cơ, đặc biệt trong máy lạnh R22

- Dầu kém phẩm chất, có tính axít cao và các chất có hại có thể ăn mòn cách điện, phá huỷ cuộn dây, làm chập mạch cuộn dây, làm hằng số điện môi của dầu giảm, gây đánh lửa, phóng điện và dẫn đến cháy động cơ, đặc biệt trong máy lạnh R22

- Dầu kém phẩm chất có thể dẫn đến sự ăn mòn kim loại, mạ đồng các

2.3.5 Ảnh hưởng của tính hòa tan dầu trong môi chất lạnh đến sự làm việc của hệ thống lạnh

a Làm giảm năng suất lạnh

- Dầu hoà tan trong môi chất lạnh sẽ làm giảm năng suất lạnh của máy lạnh do áp suất hút giảm

- Ở nhiệt độ sôi, áp suất sôi của môi chất lạnh tinh khiết cao hơn áp suất sôi của hỗn hợp môi chất với dầu Áp suất sôi giảm, thể tích riêng hơi hút tăng và khối lượng được nén qua máy nén giảm đi Khối lượng môi chất lạnh bay hơi trong thiết bị bay hơi giảm nên năng suất lạnh giảm

b Đặc tính khởi động của máy nén

- Khi hệ thống lạnh không hoạt động, đặc biệt là trong hệ thống lạnh kín không có van chặn điện từ, môi chất lạnh có xu hướng bị dầu trong cácte máy nén hấp thụ (do áp suất cân bằng bão hoà nhỏ hơn)

- Vào thời điểm khởi động máy, áp suất trong khoáng cácte giảm đột ngột, môi chất lạnh sôi trong cácte, hạ nhiệt độ dầu trong cácte xuống thấp,

có khi gần đến nhiệt độ bay hơi Dầu bị sủi bọt mạnh Sự sủi bọt dầu có thể phá vỡ sự làm việc của hệ thống bôi trơn, lượng dầu theo hơi môi chất tràn vào khoang hút làm cho máy nén làm việc nặng nề, có thể dẫn tới va đập thuỷ lực rất nguy hiểm

- Để giảm tính chất sủi bọt dầu có thể dùng chất phụ gia Trong nhiều máy lạnh freôn, để tránh hiện tượng môi chất lạnh tích tụ vào cácte và hiện tượng sủi bọt khi khởi động, người ta bố trí bộ sấy dầu bằng điện trở Trước khi khởi động, dầu đựơc đốt nóng để phần lớn môi chất lạnh thoát ra khỏi dầu

c Sự trao đổi nhiệt trong thiết bị

- Dầu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn nhiều so với môi chất lạnh Hỗn hợp dầu và môi chất lạnh sẽ có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn so với môi chất tinh khiết Nồng độ dầu trong môi chất càng cao, khả năng trao đổi nhiệt trong thiết bị càng giảm

- Đặc biệt trong các hệ thống lạnh mà môi chất hoà tan hạn chế dầu, khả năng trao đổi nhiệt còn xấu hơn nữa Ở trong khoảng không hoà tan, dầu

bị phân thành lớp, nổi lên trên bề mặt lỏng môi chất, bám vào các vách trao đổi nhiệt của thiết bị, tạo ra một màng trở nhiệt hạn chế khả năng trao đổi nhiệt đáng kể

d Sự tuần hoàn dầu trong hệ thống

- Sự hoà tan dầu với môi chất lạnh tạo điều kiện rất thuận lợi cho sự hồi dầu về máy nén Sự hồi dầu về máy nén là hoàn toàn tự động Để đảm bảo sự làm việc bình thường, khối lượng dầu đi khỏi máy nén phải bằng khối

lượng dầu hồi về ở bất kỳ chế độ làm việc nào Trạng thái dầu về phải gần giống trạng thái dầu đi để tránh hiện tượng bay hơi trong khoang máy nén và tránh hiện tựơng sủi bọt khi dầu còn chứa quá nhiều môi chất lạnh hấp thụ

- Khi sử dụng dầu có độ hào tan hạn chế cần đặc biệt chú ý đến thiết kề đường ống, tốc độ hơi, nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ đông đặc và lưu động, tránh đọng dầu lại trong thiết bị bay hơi

2.4 Vật liệu cách nhiệt

2.4.1 Đại cương

Do tính chất đặc biệt của cách nhiệt lạnh, những không gian mà hệ thống cần duy trì nhiệt độ nhỏ hơn môi trừơng xung quanh cần đựơc cách nhiệt và gọi là cách nhiệt lạnh

Lý do phải cách nhiệt lạnh:

- Luôn có một dòng nhiệt từ môi trừơng cao đến môi trừơng thấp qua vách cách nhiệt, riêng ở cách nhiệt lạnh ngoài dòng nhiệt còn có dòng ẩm chuyển động từ môi trường có nhiệt độ cao tới môi trường

có nhiệt độ thấp Vì vậy cách nhiệt có hai mục đích chính:

+ Hạn chế dòng nhiệt (hiệu quả kinh tế) + Tránh ngưng ẩm (hư hỏng vách)

- Vật liệu cách nhiệt là những vật liệu đắt tiền chi phí từ 25 – 40% chi phí công trình nhưng nó làm giảm chi phí vận hành, ngược lại chi phí cách nhiệt nhỏ dẫn đến chi phí vận hành lớn, tăng giá thành sản phẩm Chiều dày cách nhiệt tối ưu là chiều dày dẫn đến tổng chi phí cho một sản phẩm

Ví dụ: qv = T = Tw1 – T0 (qv : dòng nhiệt/đơn vị thể tích)

- Công suất của một máy lạnh là thải hết qv, nhiệt độ càng thấp tiêu tốn cho một đơn vị nhiệt độ tăng từ khoảng +10 đến -1000C tỷ số năng lượng công nén và năng suất lạnh lv/qv = 1/> = 1v tỷ lệ thuận với C.Ìt3, nếu nhiệt độ tăng lên 2 lần thì công nén tăng 8 lần

Như vậy cùng điều kiện nhiệt độ ban đầu như nhau thì trong nhiều trường hợp số lượng vật liệu cách nhiệt không thể bù cho chất lượng vật liệu cách nhiệt chính vì hai lý do trên, đắt tiền, chất lượng vì vậy chọn vật liệu cách nhiệt tối ưu là quan trọng