Bài giảng công nghệ lạnh thực phẩm chương 2 cơ sở lý thuyết và các quá trình và thiết bị của hệ thống lạnh nén hơi

Hơi môi chất được máy nén 1 hút về nén lên áp suất cao và nhiệt độ cao, sau đó được đẩy vào dàn ngưng 2 thải nhiệt cho môi trường làm mát không khí hoặc nước… và ngưng tụ ở áp suất không

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CỦA HỆ

THỐNG LẠNH NÉN HƠI

Nguyên lý làm việc: Quá trình bay hơi AB tại dàn bay hơi (4) môi chất lạnh ở dạng lỏng có nhiệt độ thấp và áp suất

thấp nhận nhiệt từ vật cần làm lạnh, hóa hơi Hơi môi chất được máy nén (1) hút về nén lên áp suất cao và nhiệt độ cao, sau đó được đẩy vào dàn ngưng (2) thải nhiệt cho môi trường làm mát (không khí hoặc nước…) và ngưng tụ ở áp suất không đổi Sau khi ngưng môi chất lạnh lỏng qua van tiết lưu (3) hạ xuống áp suất thấp và đi vào dàn bay hơi.

2.1 Môi chất lạnh Môi chất lạnh (R – Refrigerant) (tác nhân lạnh, ga lạnh ): là lưu chất được sử dụng trong

hệ thống máy lạnh Nhờ nó mà nhiệt được truyền từ nguồn có nhiệt độ thấp ra môi trường

Yêu cầu chung đối với môi chất lạnh:

- Tính chất hóa học:

+ Bền vững trong giới hạn làm việc;

+ Không ăn mòn các vật liệu chế tạo máy,

không phản ứng với dầu bôi trơn, oxy không

khí ;

+ An toàn, không dễ cháy nổ

45

Môi chất lạnh

Bền vững hóa học

An toàn

Hiệu suất làm việc cao

Có tính kinh tế, khả thi

Thân thiện với môi trường

-Tính chất vật lý

+ Áp suất ngưng không quá cao;

+ Áp suất bay hơi không được quá nhỏ;

+ Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn dải nhiệt độ làm việc;

+ Ẩn nhiệt hóa hơi càng lớn càng tốt;

+ Năng suất lạnh riêng thể tích lớn;

+ Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn;

+ Độ nhớt nhỏ;

+ Khả năng hòa tan dầu tốt;

+ Khả năng hòa tan nước tốt;

+ không dẫn điện

- Tính chất sinh lý:

+ Không độc hại đối với cơ thể sống;

+ Không ản hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm;

+ Môi chất cần có mùi đặc biệt để dễ nhận biết khi rò gỉ

-Ảnh hưởng đến môi trường (ODP và GWP) và Tính kinh tế

46

Thêm số 7 sau chữ R, tiếp theo là khối lượng phân tử

NH3: R717, CO2: R744, H2O: R718, không khí: R729

50

2.2 Các môi chất lạnh thông dụng

NH3 (R717)

- Là chất vô cơ, không màu, có mùi khai (thối);

- Độc hại, gây khó thở, tác động lên niêm mạc mắt;

- Cháy yếu trong không khí (ngọn lửa vàng), cháy mạnh trong oxy, không nổ ở đk thường

- Có tính kiềm, làm giấy quỳ chuyển màu xanh;

- Không tác dụng với kim loại đen, tác dụng với kim loại màu;

- Không hòa tan dầu bôi trơn, không phản ứng hóa học với dầu bôi trơn

52

Tác động đến môi trường của môi chất lạnh

Tác động đến môi trường

Làm nóng toàn cầu (GWP)

Hệ số ảnh hưởng môi trường theo chu trình vòng đời (LCCP)

Làm suy giảm

tầng ozon

(ODP)

61

Đáp ứng các yêu cầu khác

63

2.3 Chất tải lạnh: là môi chất trung gian, nhận nhiệt của đối tượng cần làm lạnh chuyển tới

thiết bị bay hơi.Hệ thống lạnh dùng chất tải lạnh là hệ thống gián tiếp qua chất tải lạnh

Sơ đồ hệ thống lạnh có sử dụng chất tải lạnh

65

Yêu cầu đối với chất tải lạnh:

+ Nhiệt độ đóng băng thấp;

+ Tính chất nhiệt vật lý tốt;

+ Độ nhớt nhỏ, không tác dụng với kim loại và vật liệu khác trong hệ thống;

+ Không gây tác động xấu tới con người và môi trường;

+ Không gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng sản phẩm;

+ Rẻ tiền, dễ sản xuất.

66

Dung dịch NaCl và CaCl2

68

Chất tải lạnh là các dung môi hữu cơ

69

2.4 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống máy lạnh nén hơi 1 cấp

71

Đồ thị LgP-i

Đồ thị T-S

2.4 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống máy lạnh nén hơi 1 cấp

Chu trình Carnot ngược chiều

• Chu trình Carno là chu trình lý tưởng gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và 2 quá trình đẳng nhiệt xen kẽ nhau

• Quá trình làm mát (đoạn 4-1), Năng suất lạnh

Ưu điểm của máy lạnh nén hơi

- Ứng dụng dễ dàng vào tất cả các trường hợp có nhu cầu về lạnh;

- Tổ hợp máy nén dùng động cơ điện đơn giản, gọn nhẹ, sử dụng dễ dàng;

- Đáp ứng được các nhu cầu khác nhau về nhiệt độ và công suất lạnh;

- Gia công dễ dàng;

- Độ an toàn và tin cậy cao, dễ tự động hóa;

- Lắp đặt, bảo hành, thay thế vận hành đơn giản;

- Thích ứng với từng trường hợp cụ thể.

2.4.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống máy lạnh nén hơi 1 cấp

Chu trình cơ bản của máy lạnh nén hơi 1 cấp

Quá trình 1-2 nén đoạn nhiệt, đẳngentropi

Quá trình 2-3 ngưng tụ đẳng áp

Quá trình 3-4 Tiết lưu đẳng entanpi

Quá trình 4-1: Bay hơi đẳng áp

76

Công nén l= h2-h1Nhiệt tỏa ra ở thiết bị ngưng tụ qk=h2-h3Năng suất lạnh: qo=h1-h4

Hệ số lạnh: ε=qo/l= (h1-h4)/( h2-h1)

Để đảm bảo không bị thủy kích thì điểm 1 phải nằm ở vùng hơi quá nhiệt

Có 2 phương pháp: bố trí thiết bị tách lỏng hoặc thiết bị hồi nhiệt

Chu trình có quá lạnh và tách lỏng ( dùng cho NH 3 )

Công nén l= h2-h1Nhiệt tỏa ra ở thiết bị ngưng tụ qk=h2-h3Năng suất lạnh: qo=h1-h4

Hệ số lạnh: ε=qo/l= (h1-h4)/( h2-h1)

77

Chu trình có quá lạnh và quá nhiệt bằng hồi nhiệt ( dùng cho Freon )

Công nén l= h2-h1Nhiệt tỏa ra ở thiết bị ngưng tụ qk=h2-h3Năng suất lạnh: qo=h6-h5

Hệ số lạnh: ε=qo/l= (h6 -h5)/( h2-h1)Lượng nhiệt trao đổi ở thiết bị hồi nhiệt:

qhn=h3-h4=h1-h6

78

Trình tự tính toán nhiệt cho chu trình lạnh một cấp

Các đại lượng cho trước:

- Nhiệt độ của môi trường giải nhiệt (nước hoặc không khí): tw

- Nhiệt độ của sản phẩm cần làm lạnh, hoặc môi trường cần làm lạnh (nước hoặc không khí): tf

- Năng suất lạnh cần đảm bảo Qo cho 1 giờ, quy đổi ra kJ/h

Trình tự tính toán:

1 Tính nhiệt độ ngưng tụ tk:

- Nếu môi trường ngưng tụ là không khí: 𝑡𝑘 = 𝑡𝑤 + (10 ÷ 20)℃

- Nếu môi trường giải nhiệt là nước: 𝑡𝑘 = 𝑡𝑤 + (5 ÷ 8)℃

2 Tính nhiệt độ bay hơi to:

- Môi trường làm lạnh là không khí: 𝑡𝑜 = 𝑡𝑓 − (7 ÷ 10)℃

- Môi trường làm lạnh là không khí cho điều hòa nhiệt độ: 𝑡𝑜 = 𝑡𝑓 − (12 ÷ 20)℃

- Môi trường làm lạnh là chất lỏng: 𝑡𝑜 = 𝑡𝑓 − (4 ÷ 6)℃

3 Chọn độ quá nhiệt:

- Máy lạnh sử dụng môi chất ammoniac: ∆𝑡𝑞𝑛 = 3 ÷ 5℃

- Máy lạnh sử dụng môi chất Freon: ∆𝑡𝑞𝑛 = 10 ÷ 45℃

4 Chọn độ quá lạnh:

- Máy lạnh sử dụng môi chất ammoniac: ∆𝑡𝑞𝑙 = 2 ÷ 3℃ tại thiết bị ngưng tụ

- Máy lạnh sử dụng môi chất Freon xác định theo phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị hồi nhiệt: ℎ1 − ℎ6 = ℎ3 − ℎ4, kJ/h;

5 Xây dựng đồ thị, xác định giá trị t, p, v, h, s ở các điểm nút của chu trình.

6 Tính công nén: 𝑙 = ℎ2 − ℎ1, kJ/h

7 Tính nhiệt lượng thải ra ở thiết bị ngưng tụ: 𝑞𝑘 = ℎ2 − ℎ3, kJ/kg;

8 Tính nhiệt lượng nhận ơ thiết bị bay hơi: 𝑞𝑜 = ℎ4 − ℎ1, kJ/kg;

9 Tính hệ số lạnh: 𝜀 = 𝑞𝑜

𝑙

10 Tính lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống lạnh trong 1h: 𝑚 = 𝑄𝑜

𝑞𝑜, kg/h;

11 Thể tích hút của máy nén trong 1h: 𝑉ℎ = 𝑚 𝑣1, m 3 /h.

12 Bảng tổng hợp các thông số trạng thái, xác định máy nén, giàn ngưng:

81

83

Bài tập 3.

Xác định chu trình quá lạnh và quá nhiệt biết:

Bài tập 4.

Xác định chu trình quá lạnh và quá nhiệt biết:

- Môi chất lạnh R22.

𝑡k- nhiệt độ ngưng tụ

tw1 – nhiệt độ nước vào bình ngưng ( hoặc ra khỏi tháp);

tw2 – Nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng (hoặc vào tháp)

∆tmin – hiệu nhiệt độ tối thiểu (3-5K)

∆tw – hiệu nhiệt độ nước vào và ra khỏi bình ngưng 5K

2.4.2 Chu trình làm việc của máy lạnh nén hơi 2 cấp

Lợi ích khi sử dụng máy nén hơi nhiều cấp

-Cải thiện được hệ số cấp λ của máy nén khi tỉ số nén Π≥9

- Giảm được nhiệt độ cuối tầm nén, tăng độ bền của máy, dầu bôi trơn;

- Giảm công nén (∆l)

- Đạt được nhiệt độ sôi tương đối thấp

Máy lạnh chuyển sang 2 cấp trong những trường hợp sau:

- P2/P1>9 đối với máy lạnh NH3 (nhiệt độ sôi<-30 o C);

- P2/P1> 12 đối với máy lạnh freon (nhiệt độ sôi<-35 o C)

a) Chu trình lạnh 2 cấp, 1 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn ( Tham khảo )

Áp suất trung gian thường được xác định theo công thức:

- Nhiệt độ cuối tầm nén vẫn khá cao

nên chỉ áp dụng cho máy nén môi chất

freon

nhiệt độ môi trường trước khi được nén

cao áp

- Nhiệt độ cuối tầm nén vẫn khá cao

nên chỉ áp dụng cho máy nén môi chất

freon

b) Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn, có hồi nhiệt ( tham khảo ).

- Xác định lưu lượng môi chất qua máy nén cao áp cần lập phương trình cân bằng khối lượng và entanpi tại điểm hòa trộn 3’.

𝑚3′ = 𝑚1 + 𝑚7 (1)

𝑚3′ ℎ3′ = 𝑚1ℎ3 + 𝑚7ℎ7 (2) Giải hệ phương trình này (biểu diễn m3’ qua m1 )ta có:

𝑚4 = 𝑚3′ = 𝑚1 ℎ3−ℎ7

ℎ3′−ℎ7 (*) Cân bằng tại bình làm mát trung gian

Điểm đặc biệt của chu trình:

- Có thêm bình quá lạnh giữa van TL và HN

- Bình quá lạnh được làm mát bằng cách tiết lưu môi chất đến

Ptg

- Áp suất trung gian thường được xác định theo công thức:

Ptg= 𝑃 × 𝑃

Xác định lưu lượng môi chất (m4) nén tại máy nén cao áp qua lưu lượng môi chất tại máy nén hạ áp (m1) bằng cách lập phương trình cân bằng khối lượng tại bình làm mát trung gian

𝑚4 = 𝑚1 + 𝑚8 (1) Cân bằng entanpi: 𝑚4ℎ7 = 𝑚8ℎ8 + 𝑚1ℎ9 (2)

Từ (1) và (2) ta có: 𝑚4 = 𝑚1 ℎ9−ℎ8

ℎ7−ℎ8 (*) Tại điểm phối trộn (điểm 4) ta có:

𝑚4 = 𝑚1 + 𝑚8 (1) Cân bằng entanpi: 𝑚4ℎ4 = 𝑚1ℎ3 + 𝑚4 − 𝑚1 ℎ8 3

Từ (1) và (3) ta có 𝑚4 = 𝑚1 ℎ3−ℎ8

ℎ4−ℎ8 (**)

Từ (*) và (**) ta có: ℎ4 = ℎ8 + (ℎ3−ℎ8)(ℎ8−ℎ7)

ℎ8−ℎ9

Điểm đặc biệt của chu trình:

- Có thêm bình làm mát trung gian giữa 2 van

TL

Có hai van TL nối tiếp nhau;

- áp suất trung gian tối ưu Ptg=2 𝑃𝑜 × 𝑃𝑘

- Chu trình này ứng dụng cho Amoniac

e) Chu trình hai cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn (Dùng cho môi chất Amoniac )

Năng suất lạnh riêng: qo=h1’-h10Công nén l= l1+l2= (h2-h1)+( h5-h4) Nhiệt tỏa ra ở thiết bị ngưng tụ qk=h6-h5

- Xác định lưu lượng môi chất (m4) nén tại máy nén cao áp qua lưu lượng môi chất tại máy nén hạ áp (m1) bằng cách lập phương trình cân bằng entanpi tại bình trung gian

𝑚4ℎ8 + 𝑚1ℎ9 = 𝑚4ℎ7 + 𝑚1ℎ3 (1)

Từ (1) ta có: 𝑚4 = 𝑚1 ℎ3−ℎ9

ℎ8−ℎ7 (*)

Đặc điểm chu trình:

- Có thêm bình làm mát trung gian;

- Có hai van TL nối tiếp nhau;

- áp suất trung gian tối ưu Ptg=2 𝑃𝑜 × 𝑃𝑘

- Chu trình này ứng dụng cho Amoniac

f) Chu trình hai cấp, 2 tiết lưu, làm mát hoàn toàn, bình trung gian ống xoắn (Dùng phổ

10 =T9 + 5K.

Năng suất lạnh riêng: qo=h1-h11Công nén l= l1+l2= (h2-h1)+( h5-h4) Nhiệt tỏa ra ở thiết bị ngưng tụ qk=h6-h5

- Xác định lưu lượng môi chất (m4) nén tại máy nén cao áp qua lưu lượng môi chất tại máy nén hạ áp (m1) bằng cách lập phương trình cân bằng khối lượng tại bình trung gian

𝑚4 = 𝑚1 + 𝑚7 (1) Cân bằng entanpi: 𝑚4ℎ6 + 𝑚1ℎ3 + (𝑚4−𝑚1)ℎ7 = 𝑚4ℎ4 +

- Có thêm bình trung gian làm mát ống xoắn;

- Có một van tiết lưu chính và một van tiết lưu phụ, nối song song;

- áp suất trung gian tối ưu (ε→max) Ptg=2 𝑃𝑜 × 𝑃𝑘

- Chu trình này ứng dụng phổ biến cho môi chất Amoniac

Bài tập 7.

Xác định chu trình hai cấp, bình trung gian có ống xoắn, môi chất NH3:

Tra bảng hơi bão hòa của NH3 ta có: Po (to= -40 o C)=0,72 bar; Pk ( tk =35 o C)=13,5 bar.

Tỉ số nén Π=𝑃𝐾

𝑃𝑂 = 18,75 > 9 → 𝐶ℎọ𝑛 𝑚á𝑦 𝑛é𝑛 2 𝑐ấ𝑝

Tất cả những biện pháp này dẫn tới sự xuất hiện của các thiết bị phụ

Phân loại thiết bị phụ

- Không ảnh hưởng tới chu trình nhiệt động: Bình chứa (cao áp, tuần hoàn…) phin lọc, phin sấy, bình tách dầu, bình tách lỏng.

- Có ảnh hưởng nhất định tới chu trình nhiệt động: Bình làm mát trung gian, bình quá lạnh, bình tuần hoàn – tách lỏng.

2.4.1.1 NÂNG CAO HIỆU QUẢ CHU TRÌNH CƠ BẢN CỦA MÁY NÉN HƠI

2.5 Những biện pháp cơ bản để khai thác hệ thống lạnh đạt hiệu quả

Xu hướng phát triển hiện nay của ngành kỹ thuật lạnh:

- Nâng cao hiệu suất năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường;

- Giảm chi phí vật tư chế tạo máy lạnh trên một đơn vị lạnh;

- Tăng tuổi thọ và độ tin cậy;

- Sử dụng các môi chất tự nhiên (NH3, CO2, SO2…) và các môi chất thân thiện với môitrường hơn

- Sử dụng các hệ thống hỗn hợp có tái hồi nhiệt gồm: máy lạnh+bơm nhiệt;

- Nghiên cứu hoàn thiện, ứng dụng các công nghệ làm lạnh mới;

- Sử dụng công nghệ nano trong kỹ thuật lạnh;

2.5.1 Chọn môi chất lạnh hợp lý

Chỉ tiêu Yêu cầu đối với môi chất lạnh

Tính chất hóa học: + Bền vững trong giới hạn làm việc;

+ Không ăn mòn các vật liệu chế tạo máy, không phản ứng với dầu bôi trơn, oxy không khí ;

+ An toàn, không dễ cháy nổ

Tính chất vật lý + Áp suất ngưng không quá cao;

+ Áp suất bay hơi không được quá nhỏ;

+ Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn dải nhiệt độ làm việc;

+ Ẩn nhiệt hóa hơi càng lớn càng tốt;

+ Năng suất lạnh riêng thể tích lớn;

+ Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn;

+ Độ nhớt nhỏ;

+ Khả năng hòa tan dầu tốt;

+ Khả năng hòa tan nước tốt;

+ không dẫn điện.

Tính chất sinh lý: + Không độc hại đối với cơ thể sống;

+ Không ản hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm;

+ Môi chất cần có mùi đặc biệt để dễ nhận biết khi rò gỉ.

Tính kinh tế +Rẻ tiền, sẵn có trong tự nhiên;

+ Dễ sản xuất, vận chuyển và bảo quản.

Khả năng ảnh hưởng môi

trường

+Không phá hủy tầng ozon ( chỉ số ODP=0) + Không gây nhiệu ứng nhà kính (tăng nhiệt độ trung bình của bầu khí quyển) chỉ số GWP càng thấp càng tốt.

NH 3 (R717) +Dễ sản xuất, rẻ tiền;

+ Có mùi hắc nên dễ dàng phát hiện chỗ rò rỉ;

+ Có ẩn nhiệt hóa hơi lớn (rNH3=313,89kcal/kg);

+ Nếu rò rỉ ra sản phẩm thì làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm.

+ Không hòa tan dầu nên khó bôi trơn chi tiết chuyển động;

Sử dụng chủ yếu cho các máy lạnh nén hơi dùng máy nén pittong

+Ẩn nhiệt hóa hơi nhỏ (rR22= 38,59kcal/kg) bằng 1/8 của

NH3; + Không hòa tan trong nước;

+ Khó phát hiện chỗ rò rỉ;

+ Tham gia vào phá hủy tầng ozon và gây hiệu ứng nhà kính.

Sử dụng cho các máy lạnh năng suất nhỏ, trung bình, lớn và rất lớn, đặc biệt trong điều hòa không khí.

R502 (48,8% R22

và 51,2% R115)

Nhiệt độ cuối tầm nén giảm

Năng suất lạnh tăng 20%

Hòa tan dầu tốt hơn

Nhiệt độ sôi thấp hơn

Thay thế cho R502

Nhiệt độ cuối tầm nén thấp hơn tới 9K

Tăng tuổi thọ của máy nén

R407C

Thay thế cho R12 và R22

Sử dụng trong một số máy điều hòakhông khí phòng và tổ hợp gọn

Các thông số của chế độ làm việc của hệ thống lạnh:

- Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh to (oC);

- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tk (oC);

- Nhiệt độ quá lạnh của môi chất trước van tiết lưu tqt (oC);

- Nhiệt độ quá nhiệt của môi chất trước khi vào máy nén tqn (oC);

2.5 2 Chọn nhiệt độ bay hơi hợp lý

Nhiệt độ bay hơi được chọn theo nhiệt độ của môi trường cần làm lạnh

𝑡𝑜 = 𝑡𝑓 − ∆𝑡𝑜Trong đó: tf – nhiệt độ phòng cần làm lạnh;

to – nhiệt độ bay hơi;

∆to- hiệu nhiệt độ yêu cầu (∆to = 5-7K hoặc 10-15K)

Nếu tăng nhiệt độ bay hơi t’e>te thì:

- Năng suất lạnh tăng một lượng ∆Q=Q’o-Qo

- Công nén giảm đi một lượng: ∆L=L-L’

Để tăng nhiệt độ bay hơi te(to):

- Thường xuyên vệ sinh dàn bay hơi;

- Xác định nhiệt độ buồng lạnh và chọn kíchthước dàn bay hơi hợp lý

ε’=Qo’/L’> ε=Qo/L

Hệ thống cấp lỏng từ trên xuống Hệ thống cấp lỏng từ dưới lên

2.5.3 Chọn nhiệt độ ngưng tụ hợp lý

Nếu nhiệt độ ngưng tụ giảm t’c<tc (te=const)thì:

- Năng suất lạnh tăng một lượng ∆Q=Q’o-Qo

- Công nén giảm đi một lượng: ∆L=L-L’

ε’=Qo’/L’> ε=Qo/L

Để giảm nhiệt độ ngưng tụ tc(tk):

- Thường xuyên vệ sinh dàn ngưng;

- Sử dụng dàn ngưng giải nhiệt nước hoặc bay hơi

112

Quá nhiệt có thể thực hiện bằng các cách sau:

- Quá nhiệt ngay trong dàn lạnh sử dụng van tiết lưu nhiệt;

- Quá nhiệt nhờ hòa trộn thêm với hơi nóng trên đường về máy nén.

- Quá nhiệt do tổn thất lạnh trên đường về máy nén.

- Bố trí thêm thiết bị quá lạnh lỏng sau thiết bị ngưng tụ;

- Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng nên lỏng môi chất được quá lạnh ngay trong thiết bị ngưng tụ;

- Do lỏng môi chất tỏa nhiệt ra môi trường trên đường từ thiết bị ngưng tụ về đến thiết bị tiết lưu;

- Bố trí thêm thiết bị hồi nhiệt.