Ebook Máy và thiết bị lạnh: Phần 2

[r]

Chương 5

CHU TRÌNH 2 VÀ NHIỀU CẤP

Máy nén lạnh, đặc b iệt m áy nén p ittô n g c ầ n đáp ứng các yêu cẩu :

- N h iệt độ cuối tầ m n én không vượt q u á 130°c.

- N h iệt độ d ầ u nhỏ hơn 60°c.

- H ệ số cấp Ằ lớn hơn 0,60

để đảm bảo cho hệ th ố n g lạn h làm việc an toàn, hiệu quả với độ tin cậy và tuổi thọ cao, chi phí vận h à n h thấp

Theo các giá trị trê n , m áy nén am oniác tói đa chỉ làm việc với tỷ số n é n = 9

và m áy nén freôn tối đa n = 12 -í- 13 Khi tỷ số n én vượt giá trị n^ „„ trê n nên

và m áy nén freôn tối đa = 12 -í- 12

sử dụng chu trìn h 2 hoặc nh iêu cấp nén

Tuy nhiên, việc lựa chọn chu trìn h 1 cấp hay 2 cấp nén là bài to án tối ưu về kinh tế, phải xem x ét nghiên cứu t ấ t cả các khía cạnh của từ n g trư ờ n g hợp ứng dụng

cụ th ể

Máy lạn h 1 cấp co' n h ữ n g ưu điểm chính là đơn giản, ít th iế t bị, sử d ụ n g và vận

h à n h dễ dàng, giá th à n h rẻ, vốn đẩu tư ban đ ầu th ấp n h ư n g có nhược điểm là giá vận h à n h cao khi vượt q u á ch ế độ làm việc th u ậ n lợi

Máy lạn h 2 cấp ngược lại phức tạ p hơn, th iế t bị nhiều hơn, sử dụ n g và vận hành khó hơn, giá th à n h cao hơn làm cho vốn đẩu tư ban đầu cao n h ư n g lại cđ ưu điểm

là có hiệu s u ấ t cao, giá vận h à n h rẻ, giá th à n h 1 đơn vị lạn h th ấ p hơn đặc biệt ở các chế độ làm việc m à m áy lạnh 1 cấp h ầu như không vận h àn h nổi

Do đó, nếu hệ th ố n g lạn h phải làm việc liên tụ c thì nên chọn m áy 2 cấp, còn nếu chỉ làm việc m ột số giờ tro n g năm th ì nên chọn m áy 1 cấp ta sẽ đ ạ t được giá th à n h chung cho 1 đơn vị lạn h là th ấ p n h ất

Có r ấ t nh iều chu trìn h 2 và nh iều cấp vối các cách bố tr í th iế t bị khác nhau, ở đây chúng t a sẽ khảo s á t m ột số chu trìn h th ô n g dụ n g n h ấ t

Đây là chu trĩn h 2 cấp n é n đơn giản n h ấ t Quá trìn h ngưng tụ , tiế t lưu và bay hơi giống nh ư chu trìn h 1 cấp

R iêng q u á trìn h nén được bố trí làm 2 cấp có làm m á t tru n g gian n h ư n g hơi môi

c h ấ t trư ớc khi vào m áy n én cao áp chưa đ ạ t đến điểm bão hòa khô do đó chưa được gọi là làm m á t tru n g gian to à n phần H ình 5.1 giới thiệu chu trìn h 2 cấp làm m á t tru n g gian 1 p h ẩ n 1 tiế t lưu

155

H ìn h 5.1 Chu trinh 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian 1 phần ;

NHA - Máy nén hạ áp ; NCA - Máy nén cao áp ; MTG - Thiết bị làm mát trung gian (bằng nuóc làm mát).

Định nghĩa : Chu trìn h 2 cấp 1 tiế t lưu làm m át tru n g gian 1 ph ẩn là chu trìn h

tư ơ ng tự chu trìn h khô 1 cấp, riên g q u á trìn h nén được ph ân th à n h 2 cấp, hơi r a cấp

hạ áp được làm m á t đến n h iệ t độ môi trư ờ n g (tg = tị.).

Khi hiệu n h iệ t độ tị - t^ q u á cao, tỷ số nén n = P|j/Po vượt giới hạn cho phép cẩn th iế t phải sử dụng chu trìn h 2 cấp nén Áp s u ấ t tru n g gian Pjg được xác định theo biểu thứ c :

tg = VPo'Pk Đây là áp s u ấ t tru n g gian tối ưu xét về m ặt n h iệ t động T rong th ự c tế, do chế

độ làm việc th a y đổi hoặc do phải chọn m áy nén với kết cấu có sẵn, áp s u ấ t tru n g gian cđ th ể lệch khỏi áp s u ấ t tru n g gian tối ưu

Chu trình làm việc như sau

Hơi r a ở th iế t bị bay hơi có trạ n g th á i 1 được m áy n é n h ạ áp h ú t và n én lên áp

s u ấ t tru n g gian, ở đây hơi được làm m á t bằn g nước hoặc không khí môi trư ờ n g xuống n h iệ t độ Tg =T| và được m áy nén cao áp h ú t và nén lên áp s u ấ t ngư ng tụ P|^ Sau ngưng tụ , lỏng được đưa vào van tiế t lưu và tiế t lưu xuóng áp su ấ t p^ và cấp vào cho dàn bay hơi 0 dàn bay hơi môi ch ất lỏng sôi th u n h iệt của môi trư ờ n g lạnh Hơi tạo th à n h tro n g th iế t bị bay hơi lại được m áy nén h ạ áp h ú t vể khép kín chu trìn h lạnh

ư u điểm so với chu trình 1 cấp (1 -2 ’ - 5 - 6 )

- N hiệt độ cuối tầ m nén thấp, không vượt q u á giới hạn cho phép : T 4 « T 2., m áy

vận h àn h an to àn , tin cậy, hiệu quả hơn

- Do được làm m á t tru n g gian nên công nén giảm

Nhược điểm

- Chu trìn h phức tạ p hơn, vận h à n h khtí hơn, đ ầu tư lộn hơn.

156

Tính toán chu trình

Chu trìn h tín h to á n gẩn giống như chu trìn h khô 1 cấp, riê n g ;

- N ă n g s u ấ t lạn h riê n g khối lượng :

- Công nén riê n g :

ứ n g dụng trong thực tẽ

Chu trìn h 2 cấp, 1 tiế t lưu làm m á t tru n g gian 1 p h ần được ứng dụ n g chủ yếu cho môi c h ấ t freôn với n h iệ t độ cuối tầ m nén không cao

1 PHẦN CÓ HỒI NHIỆT

Do n h iệ t độ Í2 tư ơ n g đối th ấ p nên thư ờ ng bố trí th êm th iế t bị hổi n h iệ t để tă n g hiệu q u ả lạn h cho chu trìn h Đ iểm 1 dịch vào vùng hơi quá n h iệt và điểm 5 tiế n vào

v ù n g -lỏ n g q u á lạn h (hình 5.2)

H ìn h 5.2 Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trang gian 1 phần, có hồi nhiệt HN.

So với sơ đổ biểu diễn trê n hìn h 5.1 ta th ấy rõ ràng, nhờ cổ hồi n h iệt m à n ă n g

su ấ t lạn h riê n g khối lượng tă n g lên m ột khoảng Aq^, tro n g khi đó sơ đổ th iế t bị hầu như không phức tạ p thêm

Đ ể cđ th ể tă n g th êm hiệu quả lạn h người ta còn tìm cách bố tr í th êm 1 bình quá lạn h môi c h ấ t lạn h lỏng ở giữa th iế t bị hổi n h iệ t và van tiế t lưu H ình 5.3 giới tjiiệu chu trìn h 2 cấp, 1 tiế t lưu, làm m á t tru n g gian không hoàn toàn, cđ hổi n h iệ t và bình quá lạn h lỏng

Bình quá lạn h lỏng sử dụ n g 1 van tiế t lưu n h iệt để tiế t lưu 1 ph ần lỏng vào làm

m át môi c h ấ t lỏng từ th iế t bị hổi n h iệt ra Môi ch ất lỏng khi ra khỏi bình quá lạnh

157

lỏng có n h iệt độ t j gần b ằ n g n h iệt độ của bình tru n g gian tjg = tg Về lý th u y ết có

th ể tín h t j = tg+5K

H ìn h 5.3 Chu Irinh 2 cấp, 1 tiết lưu, làm Qiát trung gian một phần

có hổi nhiệt và có binh quá lạnh QL.

Hơi m ôi c h ấ t r a khỏi b ìn h bay hơi có tr ạ n g th á i r q u a hổi n h iệ t tra o đổi n h iệ t với lỏng no'ng trở th à n h hơi q u á n h iệ t tr ạ n g th á i 1, được m áy n é n h ú t và n é n lên

tr ạ n g th á i 2 K hi q u a bìn h m á t tr u n g g ian hơi n é n ở áp s u ấ t tr u n g g ian được làm

m á t xuống đến tg H ơi từ bìn h làm m á t tr u n g g ian cđ tr ạ n g th á i 3 sẽ hòa trộ n với hơi từ b ìn h q u á lạ n h QL có tr ạ n g th á i 7 (hơi bão hòa khô) th à n h tr ạ n g th á i 3 ’ và

đi vào m áy n é n cao áp S au khi n é n hơi cđ tr ạ n g th á i 4 ớ bìn h n g ư n g tụ hơi

n g ư n g tụ th à n h lỏng ở tr ạ n g th á i lỏng bão hòa 5", q u a hổi n h iệ t, giảm n h iệ t độ xuống 5 ’ và q u a bìn h q u á lạ n h n h iệ t độ giảm x u ố n g đ iểm 5, cao hơn n h iệ t độ tru n g gian khoảng 5°c.

Từ trạ n g th á i 5, 1 p h ần lỏng được đư a qua van tiế t lưu n h iệ t TLN tiế t lưu xuống

áp s u ấ t tru n g gian 6 ’ bay hơi làm q u á lạ n h 'm ô i c h ấ t lỏng còn p h ầ n lớn tiế t lưu th ẳ n g xuống áp s u ấ t bay hơi 6 đưa vào bình bay hơi để bay hơi sinh lạnh, và nh ư vậy khép kín chu trìn h lạnh

Việc tín h to á n chu trìn h theo hình 5.2 và 5.3 phải căn cứ vào độ q u á n h iệt hơi

h ú t l ’- l tro n g hổi n h iệ t hay căn cứ vào sự tra o đổi n h iệ t thực t ế tro n g th iế t bị tra o đổi nhiệt

C ũng giống n h ư 'c h u trìn h biểu diễn trê n hình 5.1 co' th ể chọn th iế t bị hồi n h iệt

xác định q u a qu an hệ tg - tg = 5K hay tj = tg + 5K

- N ăn g s u ấ t lạn h riê n g khối lượng :

■ ^6 >

158

- Công n én riên g

lj - ÌI 2 hj

I4 = -

h3-(5.3a) (5.3b) tro n g đ t í'l j là công n én riê n g của m áy nén h ạ áp và 1^ là công nén riên g của m áy nén cao áp

Công nén lý th u y ế t :

Ns^ =

Ns4=

tro n g đó nij và m^ là lưu lượng nén qua m áy nén h ạ áp và cao áp

Đ ể xác định lưu lượng cao áp phải cân bằn g điểm hòa trộ n :

- Cân b à n g c h ấ t

m^ = m.y + m j hay m.y = m^ - m j m

- Cân b ằ n g e n ta n p y :

myh.^ + niịh^ = m^.h^,

(5.4a)

(5.4b)

7>

m^, h3,

m ,, h Thay m^ = m^ - m j vào phương trìn h cân bằn g en ta n p y và r ú t gọn ta được :

^3 ^7

“ 4 = “ i h ^ hay

m,

• - H ệ số lạn h :

m

m jlj + m^l^

^ • ^4

(5.5)-(5.6)

Thí dụ 5.1 : T ính to án chu trìn h 2 cấp, 1 tiế t lưu, làm m á t tru n g gian 1 phẩn,

có hổi n h iệt và quá lạnh, môi c h ấ t R22, n ă n g su ấ t lạn h Q =100kW H ãy xác định các th ô n g số cơ bản của m áy nén cao và h ạ áp Cho b iết : N h iệt độ ngưng tụ 40°c

và n h iệt độ bay hơi -4 0 ”C, độ quá n h iệt hơi h ú t tro n g hồi n h iệt là 30K Chu trìn h

tươrfg ứng hìn h 5.3

Giải :

Trước hết phải xây dự ng chu trìn h theo các dữ kiện đã cho của đầu bài trê n đổ thị Igp-h

- Áp s u ấ t tru n g gian :

Ptg • Po “ V 15,33.1,05 = 4,01bar tro n g đó P|, = 15,33 b a r tư ơ n g ứng t| = 4 0 °c

và p^ = 1,05 b a r tư ơ ng ứ n g t = - 4 0 ° c

Pịg = 4,01 b a r tư ơ ng ứng tịg = - 6,8° c

N hư vậy t a đã xác định được các điểm n ú t :

1’ - Đ iểm c ắ t p^ và X =1 (hơi bão hòa khô)

1 - Đ iểm c ắ t p^ và tj = - 10°c (tj = + 30K)

159

2 - Đ iểm c ắ t Pjg và = X2 = const

3 - Đ iểm c á t tị và

5"- Đ iểm cát P j và X = 0 (bão hòa lỏng)

7 - Đ iểm c ắ t P j g và X = 1

8 - Đ iểm c á t P j g và X = 0

5 ’- Đ iểm c ắ t giữa P|^ và hg

h^ = hg,, - (hj - hj,)

5 - Đ iểm c ắ t giữa P ị, và tj

= tg + 5K = -4 0 + 5 = -3 5 ° c

6 - Đ iểm c á t giữa Pp và = const (vuông góc trụ c hoành)

onst

6 ’- Đ iểm c ắ t giữa Pjg và h j = hg = h^ = const

Đ iểm 3 ’ được xác định qua cân bằn g lưu

lượng và cân b ằng e n ta n p y ở điểm hòa trộ n và

ở bình quá lạn h :

N ăng lượng vào bằng n ă n g lượng r a khỏi

bình q u á lạ n h n ê n ;

m^ h5, + (m^ -m j ) h^ =m4h5 + (m^ - m ịlh^

K hai triể n và r ú t gọn được :

(V i'hs= fì^‘)

So sá n h với b iểu thức (5.5) cđ :

m h , h j

hg h^

hg, - h^

(h^ hj.)

(hg h^)

Vậy điểm 3 ’ đ ă được xác định là điểm c ắ t của P ị g và hg,

Đ iểm 4 sẽ là điểm cắt của P | và S g = S4 = const

N hư vậy, t ấ t cả các điểm n ú t chu trin h đã được xác định

ở đây xin n h á c lại là tù y từ n g trư ờ n g hợp người ta có th ể chọn hổi n h iệ t lớn hay nhỏ K hi 2 cấp n é n d ù n g hai m áy n é n riê n g biệt, cđ th ể d ù n g hổi n h iệ t lớn để

n h iệ t độ hơi r a khỏi hổi n h iệ t chỉ nhỏ hơn n h iệ t độ n g ư n g tụ 5 ° c N h ư n g ngược lại, n ế u 2 cấp n én bố t r í tr ê n 1 m áy n én duy n h ấ t th ì d ù n g hổi n h iệ t nhỏ th ậ m chí bỏ hổi n h iệ t và d ù n g hơi n é n r a từ cấp áp th ấ p làm m á t cho m áy n é n và động

cơ (loại n ử a kín) vì n h iệ t độ hơi r a ở cấp này k h á th ấ p , sa u đó mới đi vào xilanh cao áp

T hông số trạ n g th á i các điểm n ú t chu trin h đọc được trê n đổ thị Ig p-h (hoặc t r a

từ bảng 2.4) được tậ p hợp tro n g bản g 5.1

160

BẨNG 5.1 T h ô n g số c á c đ iể m n ú t c h u t r ì n h t h í d ụ 5.1

p,MPa t, “c h,kJ/kg v,m^/kg

-Tính toán chu trình :

1 - N ăn g s u ấ t lạn h riê n g khối lượng :

= hj, - h^ = 689 - 489 = 191 kJ/k g

2 - N ăn g su ấ t lạn h riê n g th ể tích :

% = ụ

-191 0,255 = 749kJ/m ^

3 - N ăn g su ấ t n h iệ t riê n g th ả i ra ở bình ngư ng ;

q, = h^ - h5„ = 769 - 550 = 219 k J/kg

4 - Công nén riê n g :

lj = h 2 - hj = 744 - 707 = 37 kJ/kg I4 =h^ - h3 = 769 - 731 = 38 kJ/kg

5 - Tỷ số nén :*

n = Pk /Po = 14,6

= Pk /Ptg = ^ 2 = Ptg/Po = 3,32

6 - H ệ số lạn h của chu trìn h (phương trìn h (5.6)) :

9 o

7 3 6 - 7 0 3

^^ + 731 - 7 0 3

= 2,33

7 - Độ hoàn th iệ n chu trìn h :

V = 2,33 = 2.33 ỉ ầ = 0.82 ,3 3 2 3 3 0,8

Tính toán máy nén :

8 - N ăn g s u ấ t lạn h Qq = 100kW (đẩu bài cho)

9 - Liíu lượng nén qua m áy nén h ạ áp :

m i =

% 191 = 0,5236 kg/s Lưu lượng nén qua m áy nén cao áp theo (5.7) :

m^ = m , ^ ;— = 0,5236 = = 0,6277 kg/s

10 - T hể tích h ú t thự c tế của m áy nén h ạ áp và cao áp :

= Vj m j = 0,5236.0,255 = 0,1335 m^/s

= V3 , m^ = 0,07.0,6277 = 0,0439 m^/s

11 - H ệ số cấp Ả :

Với = 3,32 t r a đổ th ị hình 3.4 được

Aj = = 0,825 (máy nén R22)

12 - T hể tích h ú t lý th u y ết h ạ áp và cao áp :

v„

^111 = ^ = 0,1618 m^/s = 583m^/h

V,

V ,t4 =

tt4

= 0,0532m3/s = 192m3/h

13 - Công nén lý th u y ết h ạ áp và cao áp :

^ s i = = 19>37 kW

N ,4 = in^.l^ = 28,85 kW

14 H iệu s u ấ t nén hữu ích t r a đồ th ị hình 3.6 :

Với n = 3,32 có = 0,76

15 - Công nén hữu ích :

N„

N e =

sl

7 e N,

N =-

^e4

-s4

= 25,49 kW

= 31,38 kW

16 - Công nén tiê u th ụ với giả th iế t hiệu s u ấ t động cơ ?2g| = 0,90 và hiệu su ấ t tru y ề n động đai = 0,95 :

n ”j = 29,81 kW

= 36,70 kW

17 - Chọn m áy nén (bảng 3.2c)

Chọn 2 tổ F42B2, môi ch ất R22

Năn-g s u ấ t lạ n h 50 7 0 0 k c a l/h /tổ h a y 59 k l / / t ổ ở c h ế độ làm việc

tk = 4 0 ° c , to = -4 0 °C

N = 38,5kW/tỔ ;

Đặc tín h kỹ th u ậ t m áy nén ;

d = 130m m ; s = lOOmm ; n = 900 vg/ph ; Z p = 2 xilanh ; z „ = 4 xilanh

x A ““ XdV^lllllẲ Ị ““ X v /vlỉllli Ị Ỉ1 ƠV/v V ^ ỉ ỉ Ị ^CA ~~ ^ Xllclllll ị ^HA

Vjjj = 2 m áy X 286m ^/h = 573 m^/h — 583 m^/h như yêu cầu

V|j2 = 2 m áy X 143m^/h = 286 m^/h > 192 m^/h như yêu cấu

2 tổ F42B 2 đủ đảm bảo n ă n g su ấ t lạn h n h ư n g chế độ làm việc cđ xê dịch Áp

s u ấ t tru n g gian giảm hơn so với tín h toán

H ình 5.4 giới th iệ u m ột sơ đổ 2 cấp làm việc theo chu trìn h giới th iệu trê n hình 5.2, môi c h ấ t lạn h R22, n h iệt độ bay hơi -7 0 °c.

ỊO_

r 0

% — —

H ìn h 5.4 Sơ đổ hệ thổng lạnh làm việc theo chu trình 2 cấp 1 tiết lưu làm mát trung gian

không hoàn toàn có hổi nhiệt : Nhiệt độ ngưng tụ 25°c ; nhiệt độ bay hơi -TO^C,

nSng suất lạnh 1,22 kW ; công suất động cơ 6,4kW Tiêu tổn nước cho bình ngưng 1 m^/h :

1 - hổi nhiột, đổng thòi là phin sấy lọc ; 2 - quạt dàn lạnh ; 3 - buổng lạnh ;

4 - dàn làm lạnh không khí ; 5 - động cơ điện ; 6 - máy nén cấp hạ áp ;

7 - binh ngưng làm mát bằng nước ; 8 - máy nén cáp cao áp ; 9 - động cơ diện ;

10 - binh làm mát trung gian bằng nước ; 11 - van điểu chinh nước làm mát.

H ình 5.5 giới th iệu 1 sơ đổ 2 cấp 1 tiế t lưu, làm m á t tru n g gian không hoàn toàn, cđ hổi n h iệt và bình q u á lạn h dù n g để th u hổi CO2 tro n g n h à m áy bia DANBREW

Đ an Mạch

163

H ìn h 5 5 Sơ đó 2 cáp R22 hóa lỏng C 0 2 (cùa hẵng DANBREW )

I - máy nén hạ áp ; 2 - máy nén cao áp (trên cùng 1 máy nén) ; 3 - tách dẩu kiểu phao có rơle nhiệt độ khống ché nhiệt độ dầu nếu nhiệt độ dầu quá cao không mà van;

4 - bình ngung làm mát bằng nước ; 5 - phin sáy lọc ; 6 - bình tách lỏng kiêm hổi nhiệt ; 7 - mắt kính ; 8 - phin lọc ; 9 - van điện từ ; 10 - tiết lưu kiẻu phao ;

II - binh bay hơi R12 ngưng tụ CO2 ; 12 - van tiết lưu làm mát hơi trước khi vào nén cao áp ; 13 - bình quá lạnh lỏng sau khi quá lạnh chia 2 nhánh, nhánh chính vào bình bay hơi, nhánh phụ tiết lưu trực tiếp làm mát hơi nóng.