MÁY VÀ THIẾT BỊ LẠNH

Ngành lạnh xuất hiện từ rất lâu, cùng với lịch sử phát triển của con người hiện đại; 5000 năm trước con người đã biết dùng băng, tuyết và hang động có nhiệt độ thấp để dự trữ thực phẩm; 2000 năm trước đã biết trộn muối vào nước đá để đạt nhiệt độ < 0oC; Thế kỷ 18 ngành lạnh thực sự phát triển khi con người đã biết làm lạnh bằng cách cho các chất lỏng bay hơi ở áp suất thấp; 1834 máy lạnh pitton đầu tiên của J Perkin ra đời với cấu trúc tương tự máy lạnh hiện đại, 1810 máy lạnh hấp thụ đầu tiên ra đời, 1845 máy lạnh nén khí raNgành lạnh xuất hiện từ rất lâu, cùng với lịch sử phát triển của con người hiện đại; 5000 năm trước con người đã biết dùng băng, tuyết và hang động có nhiệt độ thấp để dự trữ thực phẩm; 2000 năm trước đã biết trộn muối vào nước đá để đạt nhiệt độ < 0oC; Thế kỷ 18 ngành lạnh thực sự phát triển khi con người đã biết làm lạnh bằng cách cho các chất lỏng bay hơi ở áp suất thấp; 1834 máy lạnh pitton đầu tiên của J Perkin ra đời với cấu trúc tương tự máy lạnh hiện đại, 1810 máy lạnh hấp thụ đầu tiên ra đời, 1845 máy lạnh nén khí ra

MÁY VÀ THIẾT

BỊ LẠNH

- TK 20 với sự xuất hiện của các môi chất lạnh như NH3, freon

và sự hoàn thiện về kỹ thuật dẫn tới sự phát triển như vũ bão của ngành lạnh

Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế

2 Xu hướng phát triển hiện nay:

• Nâng cao hiệu suất năng lượng;

• 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 mới thân thiện với môi trường hơn;

• Sử dụng các hệ thống hỗn hợp máy lạnh + bơm nhiệt;

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

• Sử dụng công nghệ nano trong KT lạnh;

Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế

T ( o C ) bảo quản -30 -20 -10 0 10 20

Thịt bò 2300 1000 100 15 6 3 Gia cẩm 800 230 70 7 5 2

3.Ý nghĩa kinh tế :

3.1 Chế biến và bảo quản thực phẩm sau thu hoạch & giết mổ: -Ở nhiệt độ ngoài trời các vi sinh vật và các quá trình phân rã sinh hóa phát triển nhanh chóng Ở nhiệt độ thấp các quá trình này được làm chậm lại Vì vậy sử dụng công nghệ lạnh để chế biến và bảo quản thực phẩm là biện pháp rất hữu hiệu để nâng cao chất lượng và thời gian bảo quản mà không dùng hóa chất

Thời gian bảo quản một số loại thực phẩm (ngày) phụ thuộc nhiệt độ

Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế

Ứng dụng trong công nghiệp :

 CN Hóa chất

- Sử dụng lạnh sâu ( cryo) để hóa lỏng khí: N ,O ,Ar,…

- Dùng để chưng cất, tách, sản xuất các loại khí;

 CN nhẹ: sản xuất vải, sợi, may mặc giầy dép;

 CN sản xuất: cao su

 CN điện tử và công nghệ cao

 CN hóa học : điều khiển tốc độ phản ứng

 CN thực phẩm: sản xuất rượu, bia, nước giải khát

2 2

Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế

• Kỹ thuật lạnh sâu (cryo) dùng để gây mê cục bộ để mổ và chữa bệnh;

• Kỹ thuật cryo còn dùng để lưu giữ các tế bào gốc, gen

Ứng dụng trong công nghệ sinh học:

Dùng để lưu giữ nghiên cứu các giống, nghiên cứu các quá trình sinh học, lai tạo , tạo đột biến về giống

Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế

Ứng dụng trong nghiên cứu :

• Vật lý siêu dẫn;

• Vật lý nhiệt độ thấp và siêu thấp;

Ứng dụng trong xây dựng

Ứng dụng trong quân sự

Ứng dụng trong các thiêt bị đo kiểm chính xác

Ứng dụng trong nghiên cứu vũ trụ

Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế

Các khái niệm cơ bản về máy lạnh & chu trình

1.Nguyên lý chung: để làm lạnh, cần thiết phải tạo ra

nguồn có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường Nguồn

này sẽ nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh, sau đó

lượng nhiệt này sẽ được các hệ thống máy móc chuyền

tải đi và thải ra môi trường

Các khái niệm cơ bản về máy lạnh & chu trình

2 Các phương pháp làm lạnh

Bay hơi khuyếch tán

Phương pháp dãn nở sinh ngoại công

Phương pháp tiết lưu không sinh ngoại công, hiệu ứng Thomson

T T

mt

3 Các loại máy lạnh thông dụng

Định nghĩa: Máy lạnh là hệ thống thiết bị dùng để lấy nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường sau đó

chuyển lên nguồn có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường để thải nhiệt ra Trong quá trình này máy lạnh nhận công từ ngoài vào

Máy lạnh loại 4 dùng máy giãn nở sinh ngoại công; môi chất không chuyển pha

Các loại máy lạnh cơ bản trong thực tế:

15

(1) Máy nén

(2) Giàn ngưng

(3) van tiết lưu

(4) Giàn bay hơi

QT bay hơi (A-B): tại giàn bay hơi (4), môi chất lạnh ở dạng lỏng có nhiệt

độ và áp suất thấp Pe,Te nhận nhiệt từ vật cần làm lạnh, hóa hơi Hơi môi chất qua máy nén (1) được nén lên áp suất và nhiệt độ cao hơn môi trường (B-C), sau đó hơi môi chất đi qua giàn ngưng (2) nhả lượng nhiệt Qc ra môi trường và ngưng tụ tại áp suất Pc Môi chất lỏng có áp suất P đi qua van tiết lưu (3) hạ xuống áp suất Pe,Te và đi vào giàn bay hơi

Cơ sở nhiệt động của máy lạnh

• Chu trình ngược Carnot (1796- 1832)

Định nghĩa: chu trình ngược Carnot là chu

trình ngược được thực hiện bởi 2 quá

trình đẳng nhiệt và 2 quá trình đẳng

entropy

Chu trình ngược Carnot là chu trình

ngược lý tưởng, mọi quá trình là thuận

nghịch, nhiệt lượng qo được lấy ở nguồn

lạnh có nhiệt độ to, nhiệt lượng qk nhả ra

cho nguồn nóng có nhiệt độ tk, để thực

hiện chu trình ta tốn 1 công l

1-2: quá trình nén đẳng entropy ở máy nén;

2-3: quá trình nhả nhiệt đẳng nhiệt ở nguồn nóng;

3-4: quá trình dãn nở đẳng entropy ở máy dãn nở;

4-1: quá trình nhận nhiệt đẳng nhiệt ở nguồn

lạnh

Máy lạnh 1 cấp dùng môi chất là không khí

Chu trình ngược Carnot (1796- 1832)

• Tính toán chu trình

1) Công cấp cho máy nén: lmn = h2 – h1;

2) Công cấp cho máy dãn nở: ldn = h3 – h4;

3) Công cấp cho chu trình: lct = lmn – ldn = dt(12341) = (s1 - s4).(Tk - To);

Các phương pháp làm lạnh nhân tạo

• Phân chia dải nhiệt độ:

- Lạnh đông: To > 120 K;

- Lạnh cryo: To < 120 K;

• Các phương pháp làm lạnh nhân tạo:

1) Làm lạnh bằng hiệu ứng tiết lưu (Làm lạnh bằng hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt không sinh ngoại công)

2) Làm lạnh bằng hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt, sinh ngoại công

3) Làm lạnh bằng hiệu ứng hấp thụ

4) Làm lạnh bằng hiệu ứng dòng lưu động qua ống (ejector, ống xoáy)

5) Làm lạnh bằng hiệu ứng nhiệt điện

6) Làm lạnh bằng hiệu ứng từ trường

Trong 6 phương pháp làm lạnh nhân tạo kể trên thì phương pháp 1 và 2 là thông dụng nhất Đối với lạnh đông thì chỉ dùng phương pháp 1; với lạnh cryo sử dụng cả 1 và 2

Làm lạnh nhờ hiệu ứng tiết lưu

• Định nghĩa: quá trình tiết lưu là quá trình giảm áp suất do ma sát mà không sinh ngoại công khi môi chất chuyển động qua những chỗ có trở lực cục bộ đột ngột Ví dụ: môi chất chuyển động qua nghẽn van tiết lưu

Thông thường môi chất đi qua các nghẽn với vận tốc rất lớn (15

~ 20 m/s); chiều dài của nghẽn không lớn (chừng 20mm) Do

đó nhiệt lượng do ma sát sinh ra coi như không kịp truyền ra môi trường xung quanh Thực tế nhiệt do ma sát sinh ra

không đáng kể Do đó quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất và môi trường xung quanh được bỏ qua

Vậy quá trình tiết lưu được xem là quá trình dãn nở đoạn

nhiệt không sinh ngoại công

Làm lạnh nhờ hiệu ứng tiết lưu

Hiệu ứng Joule-Thompson

• Đối với các chất lỏng và khí thực khi đi qua tiết lưu nhiệt độ môi chất sau tiết lưu có thể giảm, không đổi hoặc tăng Đánh giá sự biến đổi nhiệt độ nhờ hiệu ứng Joule-Thompson

• Hiệu ứng vi phân Joule-Thompson là tỷ số giữa độ biến thiên nhiệt độ với độ biến thiên áp suất trong quá trình tiết lưu Chỉ

số h có nghĩa quá trình có h = const

h

dT dp

Hiệu ứng Joule-Thompson

Trạng thái khí thực khi tiết lưu có

αh = 0 được gọi là trạng thái chuyển biến , nhiệt độ tương ứng

được gọi là nhiệt độ chuyển biến Các điểm trạng thái chuyển biến tạo thành đường chuyển

biến

Thông thường các khí thực có nhiệt độ chuyển biến Tcb ở áp

suất môi trường khá cao Tcb > 800K,

Do đó đối với các máy lạnh thực tế ở giải nhiệt độ và áp suất

công tác -100 ~ 310oC; 0,1 ~ 20 kgf/cm2 thì αh > 0 → nhiệt độ

sau tiết lưu luôn luôn giảm

Làm lạnh nhờ hiệu ứng dãn nở đoạn

nhiệt sinh ngoại công

Quá trình dãn nở đoạn nhiệt sinh

ngoại công là quá trình dãn nở thuận

nghịch đẳng entropy của các chất từ

áp suất cao xuống áp suất thấp

Phương trình: ds = 0

• Hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt đẳng

entropy: hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt

đẳng entropy vi phân là tỷ số giữa độ

biến thiên nhiệt độ với độ biến thiên

áp suất

Làm lạnh nhờ hiệu ứng dãn nở đoạn

nhiệt sinh ngoại công

Do đó khi dãn nở đoạn nhiệt nhiệt độ luôn luôn giảm

So sánh với hiệu ứng vi phân tiết lưu:

khi có cùng dải áp suất Δp = p1 - p2 và cùng các thông số trạng thái ban đầu thì nhiệt độ của môi chất sau khi dãn nở đẳng entropy nhỏ hơn nhiệt độ cuối của tiết lưu: T2s≤T2h

Dấu bằng xảy ra khi cp = ∞ ở vùng 2 pha

Ưu nhược điểm của tiết lưu và dãn nở

sinh ngoại công

* Tiết lưu:

• Ưu: thiết bị là van tiết lưu gọn nhẹ, dễ chế tạo, rẻ tiền, dễ vận hành, dễ sửa chữa, dễ thay thế,độ tin cậy làm việc cao

* Dãn nở sinh ngoại công:

• Nhược: thiết bị là máy dãn nở nặng nề, cồng kềnh, khó chế tạo, đắt tiền, vận hành phức tạp dễ hỏng, khó sửa chữa, thay thế tốn kém, vận hành cần

thường

Ưu nhược điểm của tiết lưu và dãn nở

sinh ngoại công

• các quá trình dãn nở thực đều không thuận nghịch:

Δs = s2t - s1 > 0 Đánh giá hiệu suất máy dãn nở

bằng tỷ số:

Ngày nay các máy dãn nở không khí đạt tới η → 82%

• Ở lạnh đông chỉ dùng van tiết lưu,

• Ở lạnh cryo dùng máy dãn nở để khởi động hệ thống và bù tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh hoặc lấy sản phẩm dạng lỏng, khi làm việc ổn định thì phần lớn môi chất lưu chuyển trong hệ thống đi qua van tiết lưu

Phân loại máy lạnh

Phân loại máy lạnh theo quá trình biến đổi vật lý của môi chất

1) Máy lạnh sử dụng môi chất có biến đổi pha trong chu trình làm việc: môi chất từ pha hơi chuyển sang pha lỏng và ngược lại như máy lạnh nén hơi, máy lạnh ejector, máy lạnh hấp thụ 2) Máy lạnh sử dụng môi chất là không khí, không khí khi dãn nở sinh ngoại công có ích như các máy lạnh cryo

3) Máy lạnh sử dụng môi chất là không khí, không khí khi dãn nở không sinh ngoại công có ích như các ống xoáy

4) Máy lạnh sử dụng hiệu ứng Pentier: không có môi chất

Phân loại máy lạnh

Phân loại máy lạnh theo dạng năng lượng cấp cho chu trình

1) Máy lạnh sử dụng cơ năng như các máy nén lạnh (máy nén piston, máy nén ly tâm, máy nén roto, máy nén trục vít)

2) Máy lạnh sử dụng nhiệt năng như máy lạnh ejector, máy lạnh hấp thụ, máy lạnh có máy nén hoạt động nhờ turbine hơi nước hoặc động cơ đốt trong

3) Máy lạnh sử dụng trực tiếp điện năng như máy lạnh

sử dụng hiệu ứng Pentier, máy lạnh dùng từ trường

Phân loại máy lạnh

Phân loại máy lạnh theo năng suất lạnh

1) Máy lạnh công suất nhỏ: năng suất lạnh Qo < 15kW 2) Máy lạnh công suất vừa: năng suất lạnh 15kW < Qo

< 120kW

3) Máy lạnh công suất lớn: năng suất lạnh Qo >120kW

Phân loại máy lạnh theo nhiệt độ làm lạnh

1) Máy lạnh cryo: T < 120K

2) Máy lạnh thông thường: T >120K

Máy lạnh nhiệt độ thấp: to < -30oC;

Máy lạnh nhiệt độ trung bình: to = -30 ~ -10oC;

Máy lạnh nhiệt độ cao: to = -10 ~ +20oC;

Phân loại máy lạnh

Phân loại máy lạnh theo chu trình nhiệt động

Phân loại máy lạnh

Phân loại máy lạnh theo môi chất lạnh sử dụng

6) Máy lạnh hơi nước

7) Máy lạnh hấp thụ nước - amôniăc

8) Máy lạnh hấp thụ nước - bromua liti

Phân loại máy lạnh

Phân loại theo máy nén hơi

Ngày nay đa số các máy lạnh sử dụng máy nén hơi, dựa theo dạng máy nén người ta chia ra:

1) Máy nén píttông - Piston Compressor

2) Máy nén rôto - Rotor Compressor

3) Máy nén trục vít - Screw Compressor

4) Máy nén ly tâm - Centrifugal Compressor

5) Máy nén cánh xoắn - Scroll Compressor

Các tác nhân lạnh, chất tải lạnh và môi trường lạnh

hiện chu trình làm lạnh trở lại Trong máy lạnh có vòi phun (ejectơ) thì không

dùng máy nén mà sử dụng động năng của dòng hơi lưu động qua vòi phun

để hút hơi tác nhân lạnh từ dàn bay hơi về, đưa tới bình ngưng để tiếp tục chu trình trở lại Trong máy lạnh hấp thụ trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ các quá trình hóa lý khác nhau của các chất tác nhân và chất hấp thụ

• Tác nhân lạnh có thể hòa tan trong chất hấp thụ và ở áp suất bình thường

nó sôi ở nhiệt độ thấp, còn chất hấp thụ sôi ở nhiệt độ cao hơn nhiều

• Những tác nhân lạnh sử dụng trong máy lạnh phần lớn ở áp suất bình

thường có nhiệt độ sôi dưới , thường là nhiệt độ âm Cho đến nay, tác nhân lạnh đã được sử dụng nhiều hơn cả là nước, không khí, amoniac, các hỗn hợp và freon, …

Các tác nhân lạnh, chất tải lạnh và môi trường lạnh

Những yêu cầu đối với tác nhân lạnh

Khi vận hành, tác nhân lưu động trong hệ thống đường ống và toàn bộ thiết bị, máy móc, vì vậy

tác nhân lạnh đáp ứng:

- Những yêu cầu đối với các tính chất nhiệt động

- Những yêu cầu về các tính chất hóa, lý khác

Các tác nhân lạnh, chất tải lạnh và môi trường lạnh

Những yêu cầu đối với tác nhân lạnh

a) Áp suất ngưng tụ hơi trong bình ngưng phải thấp để làm nhẹ kết cấu máy nén, làm giảm khối lượng các chi tiết chuyển động và do đó làm tăng hiệu suất

cơ học của máy nén Ngoài ra, áp suất ngưng hơi nhỏ còn làm giảm rò, rỉ tác nhân ra ngoài môi trường, tránh độc hại và làm giảm tổn thất tác nhân, đặc biệt

là đối với máy nén pittông

b) Áp suất bốc hơi tác nhân trong dàn bốc hơi (dàn lạnh) phải lớn hơn 1 atm một chút để tránh thâm nhập của không khí ở môi trường bên ngoài vào hệ thống Không khí thâm nhập vào hệ thống sẽ gây ảnh hưởng xấu đến các tính chất của tác nhân và do đó làm giảm năng suất lạnh Trong không khí luôn luôn

có hơi nước có thể làm rỉ máy, thiết bị và hơi nước khi đóng băng sẽ gây tai nạn (nút đá) làm hỏng thiết bị của hệ thống

c) Năng suất lạnh riêng đối với 1 kg của tác nhân phải lớn và nhiệt dung riêng của thể lỏng C’ phải nhỏ để giảm tổn thất khi tiết lưu

d) Thể tích riêng của hơi tác nhân đối với máy nén pittông phải nhỏ để giảm các kích thước của máy, còn đối với máy nén kiểu tuabin thể tích riêng phải lớn để tăng hiệu suất của máy

Các tác nhân lạnh, chất tải lạnh và môi trường lạnh

Những yêu cầu đối với tác nhân lạnh

e) Độ nhớt của tác nhân không lớn để làm tăng quá trình trao đổi nhiệt, làm giảm tổn thất thủy lực Nếu độ nhớt của tác nhân quá nhỏ sẽ sinh rò, rỉ tác nhân ra ngoài môi trường nhiều, như vậy cũng không có lợi

f) Trong máy nén pittông, tác nhân lạnh và dầu bôi trơn không được hòa tan nhau vì nếu chúng hòa tan nhau sẽ làm giảm năng suất ảnh hưởng xấu đến chế độ bôi trơn của hệ thống

i) Tác nhân không có độc hại, không gây nổ và không bắt lửa, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị

k) Tác nhân không ăn mòn kim loại (về hóa học cũng như về điện hóa)

j) Tác nhân phải rẻ tiền, dễ điều chế và có thể bảo quản được lâu dài

Nói chung cho máy lạnh khí hoặc hơi, yêu cầu chủ yếu đối với tác nhân là nhiệt độ sôi ở điều kiện bình thường phải thấp Nếu độ nhớt càng nhỏ và nhiệt dung riêng càng lớn thì các thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống càng nhỏ, gọn, đỡ cồng kềnh

Yêu cầu đối với tác nhân trong máy lạnh hấp thụ giống như yêu cầu cho tác nhân trong máy lạnh hơi hoặc khí Trong máy lạnh hấp thụ phải kể đến một tính chất quan trọng của tác nhân là hấp thụ và nhả hấp thụ tốt

Các tác nhân lạnh, chất tải lạnh và môi trường lạnh

Các tác nhân lạnh, chất tải lạnh và môi trường lạnh

Các tác nhân lạnh, chất tải lạnh và môi trường lạnh

Các tác nhân lạnh, chất tải lạnh và môi trường lạnh

Các tác nhân lạnh, chất tải lạnh và môi trường lạnh

Các tác nhân lạnh, chất tải lạnh và môi trường lạnh

42

Cơ chế phá hủy tầng ozon của các chất CFC

• Cơ chế phá hủy ozon của các chất CFC được mô tả như sau:

CCl3F Cl  CCl2F

Cl  O3  ClO  O2

ClO  O  Cl  O2

• Tại tầng bình lưu các chất CFC hấp thụ các photon năng lượng cao

từ ánh sáng và giải phóng ra clo tự do

- Clo tự do phá hủy O3 thành O2 và oxy nguyên tử.Thông qua một chuỗi các phản ứng dưới sự tham gia xúc tác của clo tự do có thể phá hủy hàng chục ngàn đến hàng trăm ngàn phân tử ozon

• Thông thường lượng ozon khí quyển ở trạng thái cân bằng động Những năm gần đây sự cân bằng này bị phá vỡ Vì lượng chất CFC thải vào khí quyển hàng chục năm nay đang có mặt tại tầng bình lưu của khí quyển

• Các freon tong phân tử còn chứa nguyên tử hydro gọi là các chất HCFC thì phá hủy ozon ít hơn so với CFC nhiều lần