Nghiên cứu nâng cao chất lượng chu trình lạnh 1 cấp có nhiệt độ sôi 65°c

Nghiên cứu nâng cao chất lượng chu trình lạnh 1 cấp có nhiệt độ sôi 65°c Nghiên cứu nâng cao chất lượng chu trình lạnh 1 cấp có nhiệt độ sôi 65°c Nghiên cứu nâng cao chất lượng chu trình lạnh 1 cấp có nhiệt độ sôi 65°c Nghiên cứu nâng cao chất lượng chu trình lạnh 1 cấp có nhiệt độ sôi 65°c

TÓM TẮT

Luận văn này nghiên cứu về việc nâng cao chất lượng chu trình lạnh một cấp

ở nhiệt độ sôi – 65 oC nhằm đáp ứng những nhu cầu lạnh sâu nhưng chỉ cần sử dụng máy nén một cấp Trong khi đó với cùng điều kiện như vậy, hiện nay người ta đang

sử dụng các hệ thống lạnh hai hay nhiều cấp hoặc ghép tầng để tạo ra nhiệt độ sôi từ – 30 oC trở xuống Luận văn gồm các phần chính sau:

- Khảo sát các chu trình lạnh hiện nay và ứng dụng trong thực tế Tìm hiểu thực trạng thiết bị máy móc để đáp ứng từng cấp độ làm lạnh

- Nghiên cứu phân tích chu trình lạnh một cấp hồi nhiệt nhằm nâng cao chất lượng chu trình từ đó đưa ra giải pháp thực hiện chu trình lạnh một cấp đáp ứng điều kiện nhiệt độ sôi dưới – 30 oC

- Xây dựng đường đặc tính năng lượng, hệ số cấp của máy nén khi chuyển đổi từ môi chất lạnh do nhà sản xuất khuyến cáo sang hỗn hợp môi chất lạnh mới

- Xây dựng chu trình lạnh một cấp nhiệt độ sôi – 65 oC sử dụng hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi Tính toán chu trình, lựa chọn thiết bị thi công mô hình thí nghiệm

- Tiến hành thí nghiệm, đo đạt đánh giá kết quả thu được

- Kết luận và đề xuất ý kiến

ABSTRACT

This thesis studies the improvement of the quality of single cycle refrigeration of boiling point - 65oC to meet the deep cooling needs but only by using a single-stage vapour compression refrigeration system While the same conditions, people are now using two or multi-stage vapour compression refrigeration system or cascade systems to produce a evaporator temperature of -30° C or below The thesis consists of the following main parts:

- Investigate the current cold cycle and apply in practice Understand the state of machine equipment to meet different levels of cooling

- Research and analysis of a single-stage refrigeration cycle with a liquid – vapour heat exchanger to improve the quality of the cycle, thereby providing a solution for performing a single-stage refrigeration cycle that meets the required cooling temperature under -30°C

- Construction of the energy characteristic curve, the coefficient of the compressor when switching from the refrigerant recommended by the manufacturer to the new refrigerant mixture

- Construction of a single-stage refrigeration cycle with a boiling point of

- 65°C using of Non – Azeotropic refrigerant mixtures Cycle calculation, equipment selection, experimental model construction

- Perform experiments, measure and evaluate results

- Conclusions and suggestions for research development

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

2.1 Tổng quan các chu trình lạnh hiện nay 15

2.1.5 Chu trình hai cấp, một tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn có

2.1.8 Chu trình lạnh ghép tầng 27

3.2 Sự ảnh hưởng quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị hồi nhiệt

Chương 4 NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CHU TRÌNH LẠNH 1 CẤP NHIỆT

4.3.1 Sơ đồ thiết bị và chu trình biểu diễn trên đồ thị lgP – h 54

4.3.6 Tính toán thiết bị hồi nhiệt 63

qk - Năng suất giải nhiệt riêng, KJ/Kg

NT - Thiết bị ngưng tụ

TBHN - Thiết bị hồi nhiệt

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.2: Chu trình một cấp dùng bình tách lỏng 17

Hình 2.4: Chu trình 2 cấp làm mát trung gian không hoàn toàn, 1 tiết lưu 21

Hình 2.5: Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn

Hình 2.6: Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn 24

Hình 2.7: Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn 26

Hình 3.1: Sơ đồ thiết bị chu trình máy lạnh một cấp có hồi nhiệt 41

Hình 3.5: Tổn thất execgi của quá trình ngưng tụ 44

Hình 3.6: Tổn thất execgi của quá trình tiết lưu 45

Hình 3.7: Tổn thất execgi của quá trình bay hơi 45

Hình 3.8: Tổn thất execgi của quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị hồi nhiệt 46

Hình 3.9: Hiệu suất execgi của chu trình theo nhiệt độ bay hơi 47

Hình 3.10: Sơ đồ thiết bị chu trình lạnh một cấp không có hồi nhiệt 48

Hình 3.11: Hiệu suất execgi của chu trình không có hồi nhiệt theo nhiệt độ

Hình 3.13: Biến thiên nhiệt độ trong thiết bị hồi nhiệt 49

Hình 3.14: Tổn thất execgi tuyệt đối ở thiết bị tiết lưu của chu trình không có

Hình 3.15: Tổn thất execgi tuyệt đối ở thiết bị hồi nhiệt và tiết lưu của chu

Hình 3.16: Tổn thất execgi của quá trình tiết lưu theo độ chênh lệch nhiệt độ

Hình 4.1: Sơ đồ thiết bị chu trình máy lạnh 1 cấp sử dụng môi chất RTIC 55

Hình 4.2: Đồ thị lgP-h chu trình lạnh 1 cấp sử dụng môi chất RTIC 55

Hình 4.3: Sơ đồ thuật toán xác định đường đặc tính hệ số cấp λ và hiệu suất

Hình 4.4: Đồ thị lgP-h chu trình nhiệt động sử dụng môi chất lạnh R22 của

Hình 4.5: Hiệu suất năng lượng η theo tỷ số nén π 59

Hình 4.8: Thiết bị ngưng tụ sử dụng trong mô hình 62

Hình 4.10: Thiết bị hồi nhiệt sử dụng trong mô hình 64

Hình 4.11: Sơ đồ thiết bị sử dụng môi chất RTIC 65

Hình 4.12: Cặp nhiệt điện (thermocouple) 66

Hình 4.13: Đồng hồ điều khiển nhiệt độ DELTA series A 66

Hình 4.15: Đồng hồ áp suất của mô hình thí nghiệm 67

Hình 4.17: Van tiết lưu sử dụng trong mô hình 68

Hình 4.18: Hệ thống điện điều khiển của mô hình 70

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Thông số trạng thái môi chất trên đường áp suất p = 2atm 37

Bảng 2.2: Thông số trạng thái môi chất trên đường áp suất p = 18atm 38

Bảng 3.1: Công thức tính tổn thất execgi các quá trình 41

Bảng 4.2: Các thông số trạng thái cơ bản tại các điểm nút chu trình 57

Bảng 4.3: Các thông số của môi chất R22 và RTIC tại nhiệt độ sôi – 65oC 60

Bảng 4.4: Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy nén 60

Bảng 4.5: Các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị ngưng tụ 61

Bảng 4.6: Các đặc điểm kỹ thuật của đồng hồ điều khiển nhiệt độ DELTA

Bảng 4.7: Bảng tổng hợp thông số thiết bị mô hình thí nghiệm 68

Bảng 4.8: Tổng hợp các thông số thí nghiệm và lý thuyết 72

Bảng 4.10: Tổng hợp các thông số của các môi chất lạnh 74

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ta thấy rằng chu trình lạnh một cấp có ưu điểm chính là đơn giản, ít thiết bị,

sử dụng và vận hành dễ dàng, giá thành rẻ, vốn đầu tư ban đầu thấp nhưng có nhược điểm là giá vận hành cao khi vượt quá chế độ làm việc thuận lợi

Theo [4] Để đảm bảo cho hệ thống lạnh làm việc an toàn, hiệu quả với độ tin cậy và tuổi thọ cao, chi phí vận hành thấp, máy nén lạnh hoạt động hiệu quả, đặc biệt máy nén pittông cần đáp ứng các yêu cầu sau:

Nhiệt độ cuối tầm nén không vượt quá 120oC

Nhiệt độ dầu bôi trơn không vượt quá 60oC

Hệ số cấp λ phải đủ lớn (λ ≥ 0,5… 0,6)

Theo các giá trị trên, máy nén amoniắc tối đa chỉ làm việc với tỷ số nén πmax = 9 và máy nén frêôn tối đa πmax = 12 ÷ 13 Khi tỷ số nén vượt quá giá trị πmax trên cần thiết phải sử dụng chu trình hai hoặc nhiều cấp nén

Do vậy, khi hạ nhiệt độ to càng thấp thì tỷ số nén sẽ càng tăng lên ảnh hưởng đến thiết bị nên chu trình lạnh một cấp không đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật Khi đó chúng ta phải chuyển sang chu trình lạnh 2 cấp Đối với chu trình một cấp thì nhiệt độ to nên dùng tối đa là – 30 oC Khi nhiệt độ bay hơi thấp hơn nữa thì nên chuyển sang chu trình 2 cấp, 3 cấp,… hay ghép tầng

Máy lạnh 2 cấp, 3 cấp,… hay ghép tầng ngược lại phức tạp hơn, thiết bị nhiều hơn, sử dụng và vận hành khó hơn, giá thành cao hơn làm cho vốn đầu tư ban đầu cao nhưng lại có ưu điểm là có hiệu suất cao, giá vận hành rẻ, giá thành một đơn vị lạnh thấp hơn đặc biệt ở các chế độ làm việc mà máy lạnh một cấp hầu như không vận hành nổi

Kết luận: Với những ứng dụng lạnh từ - 30 oC trở lên thì dùng chu trình lạnh một cấp; – 30oC đến – 50oC dùng chu trình lạnh 2, 3 cấp; – 50oC đến –100oC: dùng chu trình lạnh ghép tầng Trong các loại chu trình trên rõ ràng ta thấy chu trình lạnh

1 cấp có nhiều ưu điểm nhưng lại không ứng dụng được ở những nhu cầu làm lạnh thấp hơn – 30oC

Tuy nhiên, khi những ứng dụng lạnh thấp hơn – 30oC nhưng vẫn sử dụng chu trình lạnh một cấp với chất lượng của chu trình đáp ứng những yêu cầu của chu trình một cấp (λ ≥ 0,5… 0,6; tỷ số nén πmax = 12 ÷ 13; Nhiệt độ cuối tầm nén không vượt quá 120oC) thì đem lại hiệu quả rất lớn về kinh tế cũng như kỹ thuật

Vì vậy cần phải có giải pháp phân tích chất lượng chu trình lạnh một cấp nhằm đáp ứng các yếu tố kỹ thuật trên nhưng đạt được nhiệt độ sôi thấp đến – 65 oC để phục vụ các nhu cầu lạnh thấp hơn – 30oC mà chu trình lạnh một cấp

hiện nay không thể thực hiện được Do đó đề tài “nghiên cứu nâng cao chất lượng

chu trình lạnh 1 cấp có nhiệt độ sôi – 65 o C” mang ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế,

kỹ thuật và có khả năng ứng dụng thực tế cao

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước

Việc nghiên cứu môi chất lạnh mới luôn gắn liền với lịch sử phát triển hơn

150 năm của ngành kỹ thuật lạnh Đến nay người ta đã biết đến hàng trăm loại môi chất khác nhau Mỗi lần phát hiện ra một môi chất mới phù hợp, kỹ thuật lạnh bước vào một giai đoạn phát triển mới đó là việc sử dụng SO2 của Pictet, Pháp năm 1874

và NH3 của Linde, Đức cũng vào khoảng thời gian này Đặc biệt việc sử dụng các frêôn vào năm 1970 ở Mỹ đã đưa ngành Kỹ thuật lạnh đến một bước ngoặc lịch sử;

kỹ thuật điều hòa không khí, kỹ thuật lạnh dân dụng và thương nghiệp phát triển một cách đột phá Tuy nhiên, vào năm 1974 Rowland và Molina phát hiện ra rằng frêôn phá hủy tầng ôzôn và gây hiệu ứng lồng kính làm nóng trái đất Do đó, các chất frêôn cần phải được nghiên cứu và thay thế bằng các môi chất lạnh mới hiệu suất cao, an toàn và thân thiện với môi trường

Một số môi chất lạnh mới tiêu biểu trên thế giới được nghiên cứu và đề nghị thay thế môi chất lạnh cũ như sau:

Bảng 1.1: Một số môi chất lạnh mới tiêu biểu

Môi chất Thay thế cho môi chất

Môi chất lạnh tương lai, không clo

- Yasin Ust, Ali Volkan Akkaya, Aykut Safa [17] đã phân tích chu trình

máy lạnh nén hơi một cấp bằng phương pháp hiệu suất execgi cho các loại môi chất

lạnh khác nhau Kết quả nghiên cứu đã cho thấy rằng môi chất lạnh R32 có hiệu suất execgi tốt nhất so với các môi chất lạnh khác (R410A,R143A, R404A và R125)

Nội dung nghiên cứu của bài báo chỉ dừng lại ở mức độ so sánh hiệu suất execgi của chu trình máy lạnh một cấp khi sử dụng các loại môi chất lạnh khác nhau chứ chưa tiến xa hơn là phân tích chu trình để tìm ra tổn thất năng lượng cho chu trình

- Qin WANG cùng cộng sự [18] tối ưu hóa hiệu suất chu trình lạnh một cấp

Linde-Hampson (LHR) hoạt động với 6 cặp môi chất khác nhau (R23/R134a, R23/R227ea, R23/R236ea, R170/R290, R170/R600a và R170/R600) với hệ số phá hủy tầng ozone(ODPs) bằng 0 để đạt được mức nhiệt độ - 60oC

Nghiên cứu đã tập trung vào hai vấn đề quan trọng đó là lựa chọn môi chất lạnh thân thiện môi trường và sử dụng chu trình lạnh 1 cấp cho dải nhiệt độ âm sâu Nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng để đạt được nhiệt độ âm sâu phải sử dụng hỗn hợp môi chất không đồng sôi Hạn chế lớn nhất của nghiên cứu này đó là chưa có mô hình thực nghiệm để đánh giá kết quả, ở đây tác giả đã sử dụng phương pháp mô phỏng số để phỏng đoán kết quả, do đó kết quả chưa mang tính thuyết phục cao

- Nawaz Khan cùng cộng sự [19] đã phân tích chi tiết execgi cho chu trình

máy lạnh nén hơi sử dụng các môi chất lạnh R12, R22, R134a Hiệu suất execgi và mức độ phá hủy execgi cho từng thiết bị chính của chu trình như máy nén, thiết bị ngưng tụ, bay hơi và tiết lưu đã được phân tích chi tiết Nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng chi tiết từng thiết bị đến hiệu suất của cả chu trình như thế nào

Nội dung nghiên cứu có hướng mới, tập trung phân tích tổn thất năng lượng từng thành phần của hệ thống Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ dừng lại ở dãy nhiệt độ từ

âm 40oC và chu trình lạnh sử dụng cho nghiên cứu là chu trình một cấp – chu trình

cơ bản (chu trình khô) mà chưa có những nghiên cứu ở dải nhiệt độ âm sâu hơn

- Min-Hsing Yang và Rong-Hua Yeh [20] đã thực hiện phân tích số nâng

cao hiệu suất và tổn thất execgi cho hệ thống lạnh nén hơi sử dụng các loại môi chất

R22, R134a, R410A và R717 Nghiên cứu đã tính toán COP, diện tích trao đổi nhiệt, độ không thuận nghịch và tổn thất ma sát xảy ra bên trong các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng trong nghiên cứu này ở các điều kiện nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi khác nhau Các ảnh hưởng của nước làm mát trong bộ quá lạnh, tổn thất áp suất của môi chất lạnh trong các thiết bị trao đổi nhiệt và độ quá nhiệt trong thiết bị bay hơi cũng được nghiên cứu Nghiên cứu đã cho thấy được các yếu tố gây ra tổn thất năng lượng, độ quá lạnh quá nhiệt tối ưu cho hệ thống

Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp cân bằng execgi để xác định thành phần gây tổn thất năng lượng và khắc phục cho hệ thống lạnh nén hơi một cấp Tuy nhiên dải nhiệt độ bay hơi của môi chất trong nghiên cứu này chỉ từ âm 20oC đến

0oC, dải nhiệt độ âm sâu hơn âm 20oC thì trong nghiên cứu này chưa đề cập đến cũng như chưa có những tính toán phân tích

- Dalkilic và Wongwises [21] đã điều tra hiệu suất của hệ thống máy lạnh

nén hơi tại các độ quá lạnh và quá nhiệt bằng việc sử dụng của hỗn hợp môi chất R134a, R152a, R32, R290, R1270 và R600a theo định luật I nhiệt động học Tại nhiệt độ ngưng tụ 50oC và nhiệt độ bay hơi dao động từ -30oC đến 10oC, kết quả cho thấy rằng hỗn hợp R290/R600a và R290/R1270 là những lựa chọn thay thế thích hợp nhất cho các loại môi chất lạnh hiện hành như R12, R22 và R134a

Nghiên cứu đã hướng đến việc sử dụng những hỗn hợp môi chất lạnh có khuynh hướng thân thiện với môi trường để thay thế môi chất lạnh truyền thống Phương pháp phân tích đó là tính toán hệ số COP so sánh hiệu suất của các loại môi chất lạnh Hạn chế của nghiên cứu là chưa phân tích execgi của hệ thống để xác định thành phần tổn thất

- Gang Yan, Hui Hu, Jianlin Yu [22] đã đề xuất một chu trình máy lạnh tự

động ghép tầng bên trong hoạt động với hỗn hợp môi chất không đồng sôi R290/R600a hoặc R290/R600 cho hệ thống lạnh kết đông dân dụng Nghiên cứu sử dụng các công cụ mô phỏng để đánh giá hiệu suất với chu trình máy lạnh thông

thường Nghiên cứu đã cho thấy chu trình máy lạnh tự động ghép tầng có hiệu suất tốt hơn chu trình thông thường trong ứng dụng hệ thống lạnh kết động dân dụng

- R Cabello, E Torrella, J Navarro-Esbri [23] đã đề cập đến ảnh hưởng

của các thông số hoạt động chính (áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ và độ quá nhiệt trước khi vào máy nén) vào đặc tính năng lượng Kết quả thử nghiệm được thực hiện trên chu trình lạnh 1 cấp với 3 loại môi chất lạnh khác nhau (R134a, R407C và R22)

- C Aprea, A Greco [24] Thực hiện việc đánh giá hiệu suất của môi chất

lạnh R22 và R407C dùng trong chu trình máy lạnh 1 cấp nén hơi với việc sử dụng máy nén pittong nửa kín Nghiên cứu đã rút ra được kết luận hiệu suất thể tích của máy nén pittông nửa kín sẽ tốt hơn khi sử dụng môi chất R22

- Bayram Kilic[25] Thực hiện việc phân tích execgi chu trình máy lạnh 2 cấp có làm mát trung gian sử dụng các môi chất lạnh R507, R407c và R404a Nghiên cứu đã phân tích hiệu suất COP, hiệu suất execgi, tổn thất không thuận nghịch của các môi chất lạnh nói trên trong các điều kiện khác nhau của nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi Với các kết quả phân tích này tác giả đề xuất việc thay thế các môi chất lạnh mới thân thiện với môi trường này cho các môi chất lạnh truyền thống CFC và HCFC gây tác hại đến tầng ôzôn và bầu khí quyển

- R S Mishra[26] thực hiện việc phân tích hiệu suất năng lượng của hệ thống

lạnh nén hơi sử dụng các môi chất lạnh thân thiện với môi trường như R507a, R125, R134a, R290, R600,R600a, R1234ze, R1234yf, R410a, R407c, R707, R404a and R152a Nghiên cứu thực hiện việc phân tích năng lượng dựa trên định luật I (hiệu suất COP) và định luật II (tổn thất các quá trình không thuận nghịch – hiệu suất execgi), việc phân tích này được thực hiện trên chu trình lạnh nén hơi một cấp nhiều dàn lạnh, 1 máy nén, 1 van tiết lưu và một dàn ngưng Tác giả đã đối chiếu hiệu suất năng lượng của hệ thống khi có thiết bị hồi nhiệt và khi không có thiết bị hồi nhiệt giữa lỏng nóng ra khỏi dàn ngưng và hơi sau dàn bay hơi

Kết quả nghiên cứu cho được bảng phân tích năng lượng như sau:

Bảng 1.2: Hiệu suất hệ thống lạnh Môi chất lạnh

thân thiện

môi trường

Có thiết bị hồi nhiệt Không có thiết bị hồi nhiệt

execgi η e (%) COP

Hiệu suất execgi η e (%)

- RecepYumrutas và cộng sự [27] đã tiến hành phân tích execgi để xem xét

ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi cho chu trình máy lạnh nén hơi đến các thông số như tổn thất áp suất, COP, hiệu suất năng lượng theo định luật II (hiệu suất execgi) và tổn thất execgi Mô hình tính toán đã cho thấy rằng: nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ có ảnh hưởng lớn đến tổn thất execgi của thiết bị bay hơi và ngưng

tụ, hiệu suất execgi và COP của hệ thống nhưng lại ảnh hưởng nhỏ đến tổn thất execgi trong máy nén và thiết bị tiết lưu Khi giảm độ chênh lệch nhiệt độ giữa dàn bay hơi với không gian làm lạnh và dàn ngưng tụ với không khí bên ngoài thì hiệu

suất execgi và COP tăng

- H.M Getu, P.K Bansal[28] đã tối ưu hóa các thông số thiết kế và hoạt động

như là nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ quá lạnh, nhiệt độ quá nhiệt và chênh lệch nhiệt

độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng R744 – R717 trong hệ hệ thống lạnh ghép tầng

Các phân tích nghiên cứu của nghiên cứu đã thu được thông số nhiệt động tối ưu của

hệ thống

- Jyoti Soni, R.C Gupta[29] đã thực hiện việc tính toán hiệu suất lý thuyết

của chu trình máy lạnh nén hơi với 2 môi chất lạnh là R407C và R410A Một mô hình toán dựa trên phân tích năng lượng và execgi để xác định ảnh hưởng của nhiệt

độ ngưng tụ, độ quá lạnh, bộ trao đổi nhiệt lỏng – hơi đến COP, hiệu suất execgi và tổn thất execgi

- Reşat Selbaş, Önder Kızılkan , Arzu Şencan[30] Ứng dụng execgi để tối

ưu hóa về mặt kinh tế nhiệt động được áp dụng cho chu trình máy lạnh nén hơi có quá lạnh và quá nhiệt Nghiên cứu đã thực hiện việc tối ưu từng thiết bị của hệ thống như dàn ngưng tụ, dàn bay hơi, thiết bị quá lạnh và quá nhiệt Nghiên cứu đã đưa ra hàm kinh tế phụ thuộc vào các điều kiện tối ưu với các môi chất lạnh R22, R134a, and R407c

- David A Didion, Donald B Bivens [31] Thực hiện việc phân tích đưa

ra giải pháp hòa trộn môi chất lạnh để thay thế cho các môi chất lạnh CFC có tác động phá hủy tầng ôzôn Nguyên cứu đưa ra ba phương án hòa trộn môi chất đó là: hỗn hợp môi chất lạnh đồng sôi, gần đồng sôi và không đồng sôi trong đó nhấn mạnh khả năng cải thiện hiệu suất cho hệ thống lạnh với hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi Nguyên cứu cũng chỉ ra rằng khi sử dụng hỗn hợp môi chất không đồng sôi hệ thống lạnh cần có những thay đổi về thiết bị

- Xing Jin, Xiaosong Zhang [32] Nghiên cứu đã đề cập đến đặc trưng thay

đổi nhiệt độ trong quá trình trao đổi nhiệt của hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi Chu trình Lorenz được sử dụng để phân tích thuộc tính đặc biệt này của hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi Bằng cách phân tích truyền nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt dạng ngược dòng Nghiên cứu đã đưa ra phương pháp mới đánh giá hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi dựa trên sự thay đổi chênh lệch nhiệt độ của môi chất lạnh và lưu chất trao đổi nhiệt Từ đó tối ưu hóa chênh lệnh nhiệt độ của lưu

chất trao đổi nhiệt trước và sau khi vào thiết bị trao đổi nhiệt dạng ngược dòng ứng với mỗi loại môi chất lạnh không đồng sôi khác nhau

- Leelananda Rajapaksha [33] Nghiên cứu đã tổng hợp và cho thấy rằng

việc sử dụng hỗn hợp các môi chất lạnh không đồng sôi ngày càng phổ biến vì các

ưu điểm của nó Đồng thời nghiên cứu cũng tập trung vào hai đặc trưng cơ bản của hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi đó là nhiệt độ trượt và thành phần hỗn hợp,

từ đó đưa ra giải pháp nâng cao hiệu suất năng lượng, cải thiện hệ thống

- Pasumpon.M , Alex Arputhanathan.R , Dr.R.Vijayan [34] Mục đích

của nghiên cứu đó là dự đoán hiệu suất của chu trình lạnh nén hơi với các môi chất lạnh khác nhau Ở đây tác giả sử dụng hỗn hợp các môi chất lạnh không đồng sôi với các tỷ lệ khối lượng khác nhau của ba môi chất lạnh R22, R290 và R407C Để

có được các thông số trạng thái của hỗn hợp tác giả đã sử dụng phần mềm REFPROP Bằng việc tính toán lý thuyết nghiên cứu đã đưa ra được hỗn hợp môi chất lạnh với R22-40% / R290-40% / R407C-20% sẽ đạt được hiệu suất tốt nhất

Hugh, N., Mathison, M., and A Bowman [35] Nghiên cứu thực hiện việc

hòa trộn hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi R23/R134a Với việc sử dụng phần mềm EFPROP Version 8.0 (NIST 2007), tác giả đã xuất được đồ thị lgP – h của hỗn hợp môi chất 32.2% R-23 và 67.8% R-134a theo thành phần khối lượng để đạt

tích hiệu quả về mặt năng lượng của chu trình một cấp sử dụng hỗn hợp môi chất

ASHRAE Refrigeration Handbook (SI) [36] Tài liệu đã cung cấp các chu

trình lạnh phục vụ cho nhu cầu làm lạnh thâm độ - 50 ÷ - 1000C như chu trình tự động ghép tầng và chu trình ghép tầng Trong đó chu trình tự động ghép tầng sử dụng hỗn hợp 2 môi chất lạnh chỉ sử dụng máy nén một cấp nhưng lại sử dụng 2 van tiết lưu và thiết bị tách lỏng – hơi Về lý thuyết có khả năng làm lạnh thâm độ được nhưng thực tế rất khó để điều chỉnh cũng như xác định chính xác nhiệt độ bay

hơi do phải sử dụng thiết bị tách lỏng – hơi và đặc biệt áp suất bảo hòa của 2 môi chất lạnh sự dụng trong chu trình chênh lệch khá lớn

Venkatarathnam GS, Sirinivasa M [37] Bài báo nghiên cứu sự hình thành

các điểm có chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất giữa hai dòng lưu chất trong thiết bị bay hơi và ngưng tụ đối với các hỗn hợp môi chất không đồng sôi là do sự thay đổi không tuyến tính của entanpy theo nhiệt độ trong quá trình chuyển pha Nghiên cứu

đã chỉ ra rằng do sự khác nhau giữa các thành phần hỗn hợp làm cho nhiệt độ trượt

trong thiết bị trao đổi nhiệt thay đổi

Marques M, Domanski PA [38] Nghiên cứu đã đưa ra phương an cải tiện hệ

số COP của chu trình lạnh nén hơi bằng việc sử dụng hỗn hợp môi chất lạnh không

đồng sôi hoạt động dựa trên chu trình lorenz Việc nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ số

COP sẽ được cải thiện khoảng 7.1% khi sử dụng môi chất lạnh không đồng sôi

R407C trên máy điều hòa nhiệt độ

Leelananda Rajapaksha [39] Bài báo đã chỉ ra rằng quá trình bay hơi và

ngưng tụ của hỗn hợp môi chất không đồng sôi là một quá trình không đẳng nhiệt, hay nói cách khác có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra ở thiết bị bay hơi và ngưng tụ Chênh lệch nhiệt độ này gọi là nhiệt độ trượt và giá trị của nó khoảng 50C hoặc lớn hơn Bài báo cũng xây dựng được đồ thị T – s của hỗn hợp môi chất không đồng sôi

Maoqiong Gong, Zhaohu Sun, Jianfeng Wu, Yu Zhang, Chong Meng, Yuan Zhou [40] Bài báo đã tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm là chu trình

lạnh ghép tầng với R404A ở tầng nhiệt độ cao, các hỗn hợp môi chất gồm: R508B(R23 + R116), R170 + R116, R170 + R23, R170 + R23 + R116 sẽ được so sánh hiệu suất COP được đặt ở tầng nhiệt độ thấp Quá trình nghiên cứu cho thấy rằng: COP của R170 + R116 cao hơn 10% so với R508B và hỗn hợp này cho thấy tiềm năng tốt để sử dụng trong các ứng dụng ở dải nhiệt độ - 80oC

1.2.2 Nghiên cứu trong nước

Hiện nay, Việt Nam đã phê chuẩn tham gia Công ước Vienna và Nghị định thư Montreal từ tháng 01/1994 và đang triển khai loại trừ các chất HCFC Theo lộ trình loại bỏ R22 trong ngành chế biến thủy sản, bảo quản lạnh sau chế biến và thu hoạch, từ năm 2015 sẽ thực hiện áp dụng các biện pháp giảm thiểu thất thoát R22 từ các hệ thống lạnh, tiến tới cấm lắp đặt mới thiết bị lạnh R22 từ năm 2017 và thực hiện lộ trình cải tạo bắt buộc thiết bị lạnh R22 sang NH3 và HFC từ năm 2025 đến năm 2032 Lộ trình chuyển đổi tự nguyện kho lạnh R22 sang NH3 và HFC sẽ được thực hiện từ năm 2033 đến năm 2041 Do vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng môi chất lạnh mới hiệu suất cao, thân thiện môi trường đã được các nhà khoa học trong nước quan tâm Cụ thể 1 số công trình tiêu biểu về môi chất lạnh trong nước như sau:

- PGS.TS Nguyễn Đức Lợi, PGS.TS Phạm Văn Tùy [12] Nghiên cứu và

sử dụng môi chất lạnh thay thế ở Việt Nam, năm 1996

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng: Hầu hết các môi chất lạnh được xem là lý tưởng,

an toàn không cháy nổ, không độc hại, bền vững hóa học… với tính chất nhiệt động tuyệt vời lại là mối lo ngại lớn của loài người và chúng cần phải loại bỏ ngay Việc nghiên cứu cũng cho thấy rằng: Môi chất càng nhiều nguyên tử hyđrô càng dễ cháy

nổ, càng nhiều Clo càng có ODP cao, càng nhiều Flo thì GWP càng cao, nếu chứa Clo và Flo thì thời gian tồn tại trong khí quyển càng lâu và độ ô nhiễm môi trường càng cao

- PSG.TS Nguyễn Đức Lợi [13] So sánh lý thuyết các môi chất lạnh mới

R1234yf và R32 với R134a trong tủ lạnh và máy lạnh thương nghiệp, năm 2014

Theo những phân tích của tác giả, có thể thấy về lý thuyết, R1234ze(E) hội

tụ đầy đủ các tính chất nhiệt động yêu cầu của môi chất ứng dụng cho tủ lạnh gia dụng và máy lạnh thương nghiệp để thay thế cho R134a Ngược lại, môi chất R32

tỏ ra có nhiều nhược điểm khó ứng dụng vào lĩnh vực này đặc biệt do nhiệt độ cuối tầm nén quá cao Trong tủ lạnh gia dụng và máy lạnh thương nghiệp, nhiệt độ cuối tầm nén khuyên dùng là dưới 100oC, trong khi nhiệt độ cuối tầm nén của R32

thường cao hơn 130 có khi vượt 180oC Ngoài ra COP và hiệu suất execgi của R32 đều nhỏ hơn của R134a hơn 10%

- GS.TSKH Trần Đức Ba [14] Nghiên cứu sử dụng môi chất lạnh R407C

thay thế R22 trong công nghệ điều hòa không khí phù hợp tại Miền Nam Việt Nam, năm 2010

Nghiên cứu đã đi đến kết luận rằng việc thay thế R22 bằng R407C là hoàn toàn phù hợp vì R407 là một hỗn hợp không đồng sôi có chỉ số phá hủy tầng ôzôn bằng 0, chỉ số làm nóng lên của trái đất nhỏ nhưng lại có tính chất nhiệt động tương đồng với R22

- PGS.TS Phạm Văn Tùy [15] Nghiên cứu thay thế môi chất lạnh tự nhiên

trong điều hòa không khí ôtô du lịch, năm 2002

Tác giả đã đưa ra hỗn hợp môi chất lạnh HC R290/R600a không làm suy giảm tầng ôzôn, ít gây hiệu ứng nhà kính nhằm thay thế cho các môi chất lạnh thông dụng trong ngành ô tô Việt Nam hiện nay là R12 và R134a

- ThS Trương Minh Thắng [16] Tiết kiệm năng lượng với hỗn hợp môi

chất lạnh không đồng sôi và các khả năng khác, năm 2009

Bài báo giới thiệu về đặc điểm của hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi và ứng dụng của nó trong kỹ thuật lạnh như khả năng điều chỉnh năng suất lạnh và tạo

ra độ lạnh sâu chỉ dùng một máy nén một cấp, đặc biệt là khả năng tiết kiệm năng lượng của hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi trong chu trình máy lạnh hoạt động theo nguyên lý của chu trình Lorenz

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Công Thương năm 2014 của TS Đặng

Văn Lái: “Nghiên cứu chế tạo môi chất lạnh dùng kết đông siêu tốc thủy sản trên

mô hình máy lạnh 1 cấp” đã đạt được kết quả khá tốt khi pha trộn thành công hỗn

hợp môi chất lạnh không đồng sôi gồm 5 thành phần theo tỉ lệ phần trăm nhất định đảm bảo cho chu trình máy lạnh 1 cấp hoạt động hiệu suất cao ở nhiệt độ sôi – 70 oC

1.2.3 Kết luận

- Với xu hướng tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí đầu tư vận hành bảo trì hệ thống Các công trình nghiên cứu về chu trình một cấp trên thế giới tập trung vào hướng phân tích năng lượng hệ thống và tìm ra các thành phần, yếu tố gây ra tổn thất năng lượng để từ đó tối ưu hóa chế độ hoạt động

- Mặc khác với yêu cầu về vấn đề môi trường ngày càng nghiêm ngặt, một hướng nghiên cứu khác cũng hết sức quan trọng đó là phân tích lựa chọn các loại môi chất lạnh vừa đảm bảo vấn đề về môi trường vừa đảm bảo yêu cầu hiệu suất tốt nhất

- Tuy nhiên vẫn chưa có đề tài nào tập trung vào việc hoàn thiện chu trình máy lạnh một cấp có nhiệt độ sôi âm đến 65oC để thay thế cho các chu trình nhiều cấp hoặc ghép tầng có thiết bị cồng kềnh, chi phí đầu tư, vận hành, bảo trì bảo dưỡng hệ thống cao

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

Để đạt được mục đích trên đề tài có các nhiệm vụ sau:

- Tính toán, phân tích tổn thất execgi các thiết bị của chu trình như: máy nén, dàn bay hơi, dàn ngưng tụ, van tiết lưu, thiết bị hồi nhiệt…

- Xây dựng và thực nghiệm chu trình 1 cấp nhiệt độ sôi - 65 oC

- So sánh chu trình lạnh một cấp có hồi nhiệt sử dụng môi chất lạnh RTIC với chu trình lạnh thông thường

1.4 Mục tiêu của đề tài

Xây dựng và thực nghiệm chu trình lạnh một cấp sử dụng hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi để kéo dài dải nhiệt độ sôi xuống – 65oC nhưng vẫn duy trì các thông số: tỷ số nén π, hiệu suất năng lượng η, hiệu suất hút thể tích λ để đảm bảo chất lượng của chu trình lạnh một cấp

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập và nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài qua các nguồn sách, các tạp chí khoa học, internet trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh từ đó đánh

- Phương pháp thí nghiệm: Phương pháp thí nghiệm được áp dụng trong đề tài nhằm đo đạc các dữ liệu về áp suất và nhiệt độ tại các điểm nút của chu trình từ đó xây dựng các chế độ làm việc của máy lạnh sử dụng hỗn hợp môi chất RTIC và đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng

- Kỹ thuật được sử dụng để thực hiện đề tài chủ yếu là gia công lắp đặt thiết bị

cơ khí, điện, nhiệt lạnh như cắt, gọt, hàn MAG, TIC các đường ống gas, các khung giá đỡ Thử bền, thử kín và vận hành điều chỉnh các thông số kỹ thuật để hoàn thiện

hệ thống lạnh 1 cấp nhiệt độ sôi – 65 oC

1.6 Điểm mới của đề tài

- Xây dựng và thực nghiệm chu trình 1 cấp nhiệt độ sôi - 65 oC

- Xây dựng các đường đặc tính năng lượng của máy nén trên cơ sở các thông

số công suất lạnh, hiệu suất hữu ích đã cho trong lý lịch máy nén

- So sánh chu trình lạnh một cấp có hồi nhiệt sử dụng môi chất lạnh RTIC với chu trình lạnh thông thường

1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài

- Đề tài có thể ứng dụng cho các mục đích lạnh sâu phục vụ các ngành công nghiệp: thực phẩm, y tế, điện tử… nhưng chỉ cần với chu trình lạnh 1 cấp thay vì nhiều cấp hoặc ghép tầng Điều này dẫn đến giá thành cũng như chi phí lắp đặt, vận hành, bảo trì, bảo dưỡng sẽ giảm đi đáng kể

- Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành nhiệt lạnh, đặc biệt trong lĩnh vực lạnh công nghiệp

-o0o -

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan các chu trình lạnh hiện nay

Theo các tài liệu [3], [4], [5], [8], [9], đã trình bày các chu trình lạnh một cấp, nhiều cấp và ghép tầng Ứng dụng của các chúng trong từng trường hợp, dải nhiệt độ khác nhau Ở đây tác giả sẽ tóm tắc lại các chu trình trên như sau:

b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp-h

Chu trình khô là chu trình cải tiến để loại trừ các nhược điểm của chu trình Cácnô ngược Để đề phòng va đập thủy lực, hơi hút về máy nén là hơi bảo hòa khô

và để đơn giản, máy dãn nở được thay thế bằng van tiết lưu

1-2 : Quá trình nén hơi đoạn nhiệt (s1 = s2) từ áp suất bay hơi và nhiệt độ bay hơi lên áp suất ngưng tụ và nhiệt độ t2 > tk Điểm 1 nằm trên đường hơi bão hòa khô, điểm 2 trong vùng hơi quá nhiệt

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

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

tụ xuống áp suất bay hơi và nhiệt độ bay hơi, h3 = h4(entanpy không đổi), s4 > s3 (∆s>0); đây là quá trình tiết lưu đoạn nhiệt không thuận nghịch có entrôpi tăng

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

Tính toán chu trình:

Công cấp cho quá trình nén: l = h2 – h1

Nhiệt lượng thải ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = h2 – h3

Năng suất lạnh riêng: qo = h1 – h4

Hệ số lạnh của chu trình khô: ε = qo/l

Hiệu suất execgi của chu trình khô:

o

o k o c

e

T

T T l

- Có 2 phương pháp chính chạy hành trình khô là dùng bình tách lỏng và dùng thiết bị hồi nhiệt

- Chu trình khô chủ yếu sử dụng cho môi chất amôniắc

2.1.2 Chu trình máy lạnh nén hơi một cấp dùng bình tách lỏng

Hơi bão hoà ẩm sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi đi vào bình tách lỏng, tách lỏng trở thành hơi bão hoà khô (1) được hút về máy nén và được nén đoạn nhiệt lên

áp suất ngưng tụ pk (2) Sau đó đi vào thiết bị ngưng tụ, nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường làm mát, ngưng tụ thành lỏng cao áp (3) Sau đó lỏng qua van tiết lưu, giảm

áp suất suống áp suất bay hơi (4), rồi đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt của môi trường cần làm lạnh, hóa hơi đẳng nhiệt, và chu trình tiếp tục

Các quá trình của chu trình

1-2 : nén hơi đoạn nhiệt (s1 = s2 hoặc ∆s = 0) trong vùng hơi quá nhiệt 2-3 : ngưng tụ môi chất ở áp suất cao, nhiệt độ cao qua thải nhiệt cho môi trường làm mát bằng nước hoặc không khí

3-4 : Quá trình tiết lưu môi chất lỏng từ nhiệt độ cao và áp suất cao xuống nhiệt độ thấp và áp suất thấp, h3 = h4 (entanpy không đổi), s4 > s3 (∆s>0); đây là quá trình tiết lưu đoạn nhiệt không thuận nghịch có entrôpi tăng

4-1 : Quá trình bay hơi môi chất lỏng đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp (t4 = t1 = t0)

để thu nhiệt của môi trường lạnh

Tính toán chu trình: Việc tính toán các thông số của chu trình máy lạnh nén hơi một cấp dùng bình tách lỏng tương tự như chu trình khô

2.1.2.2 Nhận xét

- Chu trình này lệch khỏi chu trình Cácnô nên hiệu quả giảm nhưng vẫn được

sử dụng rộng rãi trên thực tế vì tránh được hiện tượng thủy kích

- Máy lạnh amôniắc 1 cấp làm việc theo chu trình này Bình tách lỏng của máy lạnh frêôn không có đường hồi lỏng về dàn bay hơi vì lỏng gom về bình tách lỏng

sẽ tự bay hơi hết do nhận nhiệt từ môi trường xung quanh

2.1.3 Chu trình máy lạnh nén hơi một cấp – chu trình hồi nhiệt

2.1.3.1 Mô tả chu trình

a) b)

Hình 2.3 Chu trình 1 cấp hồi nhiệt

Sơ đồ thiết bị: MN - Máy nén; NT - Dàn ngưng tụ; TL - Van tiết lưu;

BH – Dàn bay hơi; HN – thiết bị hồi nhiệt b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp-h

Hơi hạ áp (1) sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi đi vào thiết bị hồi nhiệt, nhận nhiệt đẳng áp của lỏng cao áp trở thành hơi quá nhiệt (1’) rồi hút về máy nén, nén đoạn nhiệt lên áp suất ngưng tụ pk (2) Hơi cao áp đi vào thiết bị ngưng tụ nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường làm mát, ngưng tụ thành lỏng sôi (3) sau đó đi vào thiết bị hồi nhiệt nhả nhiệt đẳng áp cho hơi hạ áp thành lỏng chưa sôi (3’) rồi đi qua van tiết lưu giảm áp suất xuống áp suất bay hơi po (4) đi vào thiết bị bay hơi, nhận nhiệt của thiết bị cần làm lạnh, hóa hơi đẳng nhiệt thành hơi 1 và chu trình tiếp tục

Các quá trình của chu trình

1’-2 : nén hơi đoạn nhiệt (s1 = s2 hoặc ∆s = 0) trong vùng hơi quá nhiệt 2-2’ : làm mát hơi quá nhiệt từ nhiệt độ cuối tầm nén đến nhiệt độ ngưng tụ 2’-3 : ngưng tụ môi chất ở áp suất cao, nhiệt độ cao qua thải nhiệt cho môi trường làm mát bằng nước hoặc không khí

3-4 : Quá trình tiết lưu môi chất lỏng từ nhiệt độ cao và áp suất cao xuống nhiệt độ thấp và áp suất thấp, h3 = h4 (entanpy không đổi), s4 > s3 (∆s>0); đây là quá trình tiết lưu đoạn nhiệt không thuận nghịch có entrôpi tăng

4-1 : Quá trình bay hơi môi chất lỏng đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp (t4 = t1 = t0)

để thu nhiệt của môi trường lạnh

Tính toán chu trình:

Công cấp cho quá trình nén: l = h2 – h1’

Nhiệt lượng thải ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = h2 – h3

Năng suất lạnh riêng: qo = h1 – h4

Hệ số lạnh của chu trình khô: ε = qo/l

Hiệu suất execgi của chu trình có thiết bị hồi nhiệt:

o

o k o c

e

T

T T l

- Ta thấy rằng chu trình lạnh một cấp có ưu điểm chính là đơn giản, ít thiết

bị, sử dụng và vận hành dễ dàng, giá thành rẻ, vốn đầu tư ban đầu thấp nhưng có nhược điểm là giá vận hành cao khi vượt quá chế độ làm việc thuận lợi

- Để đảm bảo cho hệ thống lạnh làm việc an toàn, hiệu quả với độ tin cậy và tuổi thọ cao, chi phí vận hành thấp, máy nén lạnh, đặc biệt máy nén pittông cần đáp ứng các yêu cầu sau:

Nhiệt độ cuối tầm nén không vượt quá 120oC

Nhiệt độ dầu bôi trơn không vượt quá 60oC

Hiệu suất thể tích λ phải đủ lớn (λ ≥ 0,5… 0,6)

- Theo các giá trị trên, máy nén amoniắc tối đa chỉ làm việc với tỷ số nén πmax = 9 và máy nén frêôn tối đa πmax = 12 ÷ 13 Khi tỷ số nén vượt quá giá trị πmaxtrên cần thiết phải sử dụng chu trình hai hoặc nhiều cấp nén

2.1.4 Chu trình 2 cấp làm mát trung gian không hoàn toàn, 1 tiết lưu

2.1.4.1 Mô tả chu trình

Đây là chu trình 2 cấp nén đơn giản nhất Quá trình ngưng tụ tiết lưu và bay hơi giống như một cấp Riêng quá trình nén được bố trí làm hài cấp có thiết bị làm mát trung gian Chu trình được biểu diễn như sau:

a) b)

Hình 2.4 Chu trình 2 cấp làm mát trung gian không hoàn toàn, 1 tiết lưu

a) Sơ đồ thiết bị: MN - Máy nén; NT - Dàn ngưng tụ; TL - Van tiết lưu; BH – Dàn bay hơi; NHA – Máy nén hạ áp; NCA – Máy nén cao áp; MLT – Mát trung gian

b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp-h

Hơi ở thiết bị bay hơi ra ở trạng thái bão hòa (1) được máy nén hạ áp nén lên trạng thái (2) sau đó được làm mát trong thiết bị làm mát trung gian xuống đến trạng thái (3) có nhiệt độ bằng nhiệt độ ngưng tụ tk sau đó được máy nén cao áp nén lên trạng thái (4) Sau khi được làm mát và ngưng tụ, môi chất lỏng đi qua van tiết lưu vào thiết bị bay hơi và hóa hơi ở áp suất thấp, thu nhiệt của chất tải lạnh hoặc môi trường lạnh

Tính toán chu trình:

Công cấp cho quá trình nén: l = (h2 – h1)+(h3 – h4)

Năng suất lạnh riêng: qo = h1 – h6

Hệ số lạnh của chu trình khô: ε = qo/l

Hiệu suất execgi của chu trình:

    o

o k o

o k o c

e

T

T T h h h h

h h T

T T l

6 1

a) Sơ đồ thiết bị: MN - Máy nén; NT - Dàn ngưng tụ; TL - Van tiết lưu; BH – Dàn bay hơi; NHA – Máy nén hạ áp; NCA – Máy nén cao áp: MTG – Mát trung gian;

HN – Thiết bị hồi nhiệt b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp-h

Tính toán chu trình:

Công cấp cho quá trình nén: l = (h2 – h1’)+(h3 – h4)

Năng suất lạnh riêng: qo = h1 – h6

Hệ số lạnh của chu trình khô: ε = qo/l

Hiệu suất execgi của chu trình:

o k o

o k o c

e

T

T T h h h h

h h T

T T l

6 1

- So với sơ đồ biểu diễn trên hình 2.4 ta thấy rõ ràng, nhờ có hồi nhiệt mà năng suất lạnh riêng khối lượng tăng thêm một khoảng Δqo, trong khi đó sơ đồ thiết

bị hầu như không phức tạp hơn (hình 2.5)

- Mặc dù chu trình cho thấy hiệu quả hơn do tăng năng suất lạnh nhưng công nén của chu trình cũng tăng Để giảm công nén thì chu trình được cải tiến và sử dụng hai van tiết lưu: chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn

2.1.6 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn

2.1.6.1 Mô tả chu trình

a) b)

Hình 2.6 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn

a) Sơ đồ thiết bị: MN - Máy nén; NT - Dàn ngưng tụ; TL - Van tiết lưu; BH – Dàn bay hơi; NHA – Máy nén hạ áp; NCA – Máy nén cao áp: MTG – Mát trung gian;

BTG – Bình trung gian b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp-h

So với chu trình một tiết lưu, chu trình này bố trí thêm 1 van tiết lưu, 1 bình trung gian và đường ống nối bình trung gian với ống hút của máy nén cao áp

Các quá trình cơ bản như sau:

1 – 2 : Nén đoạn nhiệt qua máy nén hạ áp s1 = s2 = const

2 – 3 : Làm mát trung gian xuống nhiệt độ môi trường t3 = tk

3 – 4 : Hòa trộn giữa dòng hơi nén từ máy nén hạ áp với dòng hơi từ bình trung gian ( BTG ) có trạng thái 8 thành trạng thái 4

4 – 5 : Nén đoạn nhiệt trong máy nén cao áp s4 = s5 = const

5 – 6 : Làm mát và ngưng tụ đẳng áp trong bình ngưng

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

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

10 – 1 : Bay hơi lỏng thu nhiệt môi trường, tạo hiệu ứng lạnh

Tính toán chu trình:

Công cấp cho quá trình nén: l = (h2 – h1)+(h5 – h4)

Năng suất lạnh riêng: qo = h1 – h10

Hệ số lạnh của chu trình khô:

o k

T

T T h h h h

h h h h

9 8 1 2

10 1



Hiệu suất execgi của chu trình:

o k c

e

T

T T h h h h

h h h h

9 8 1 2

10 1

2 xuống điểm 3 và đến điểm 4 Vì thế nhiệt độ cuối tầm nén giảm đáng kể từ 2’ đến

5 nên hiệu suất làm việc của thiết bị tốt hơn, độ bền tuổi thọ máy nén tăng

- Chu trình này có thể ứng dụng cho cả môi chất amôniắc và frêôn nhưng ít được dùng Nếu dùng cho môi chất frêôn nên thêm hồi nhiệt Nếu dùng cho môi chất amôniắc cần hạn chế tối đa nhiệt độ cuối tầm nén vì đặc điểm của môi chất amôniắc là có nhiệt độ cuối tầm nén cao Nói chung đối với amôniắc chỉ sử dụng chu trình làm mát trung gian hoàn toàn

- Nhược điểm chủ yếu của các chu trình làm mát trung gian không hoàn toàn

là hơi hút về máy nén cao áp chưa được làm mát hoàn toàn xuống trạng thái hơi bảo hòa khô nên công nén tiết kiệm được chưa phải là tối đa và nhiệt độ cuối tầm nén cao áp t5 chưa phải là thấp nhất

- Để làm mát toàn phần hơi nén hạ áp sau khi qua mát trung gian người ta

suất và nhiệt độ trung gian sẽ bay hơi làm mát hơi ở trạng thái 3 xuống trạng thái bão hòa khô 8 Điểm 4 sẽ trùng với điểm 8 Dưới đây giới thiệu chu trình 2 cấp 2 tiết lưu làm mát trung gian hoàn toàn

2.1.7 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn

2.1.7.1 Mô tả chu trình

a) b)

Hình 2.7 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn

a) Sơ đồ thiết bị: MN - Máy nén; NT - Dàn ngưng tụ; TL - Van tiết lưu; BH – Dàn bay hơi; NHA – Máy nén hạ áp; NCA – Máy nén cao áp: MTG – Mát trung gian;

BTG – Bình trung gian b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp-h

Tính toán chu trình:

Công cấp cho quá trình nén: l = (h2 – h1)+(h5 – h4)

Năng suất lạnh riêng: qo = h1 – h10

Hệ số lạnh của chu trình khô:

     5 4

7 8

9 3 1 2

10 1

h h h h

h h h h

h h

      o

o k c

e

T

T T h h h h

h h h h

9 3 1 2

10 1

- Chu trình này có nhược điểm về vận hành là dầu từ máy nén hạ áp đi vào bình trung gian sẽ theo môi chất lỏng, qua tiết lưu 2 vào bình bay hơi Ở nhiệt độ thấp (khoảng -40oC) dầu bị đặc quánh khó lưu thông, phủ lên bề mặt trao đổi nhiệt của bình bay hơi cản trở quá trình trao đổi nhiệt

- Chu trình này chủ yếu ứng dụng cho môi chất amoniắc

- Chu trình 2 cấp nén chỉ sử dụng ở dải nhiệt độ từ – 30oC đến – 50oC Khi cần nhiệt độ môi trường làm lạnh thấp hơn – 50oC thì nhất thiết phải chuyển sang chu trình 3 cấp hoặc ghép tầng

2.1.8 Chu trình lạnh ghép tầng

2.1.8.1 Mô tả chu trình

Chu trình ghép tầng là ghép các chu trình lạnh đơn giản một cấp ghép vào với nhau theo kiểu: thiết bị bay hơi của cấp trên dùng để làm lạnh thiết bị ngưng tụ của cấp dưới Mỗi tầng là một máy lạnh một cấp đơn giản

Thiết bị ngưng tụ của tầng dưới được ghép với thiết bị bay hơi của tầng trên BH –

NT Toàn bộ nhiệt thải ra tại thiết bị ngưng tụ tầng dưới phải được thải cho thiết bị bay hơi của tầng trên nên năng suất nhiệt tầng dưới phải bằng năng suất lạnh của

tầng trên Và để đảm bảo sự truyền nhiệt, nhiệt độ ngưng tụ tầng dưới lớn hơn nhiệt

độ bay hơi tầng trên

Công cấp cho quá trình nén: l = (h2 – h1)+ (h2’ – h1’)

Năng suất lạnh riêng: qo = h1’ – h4’

Hệ số lạnh của chu trình khô: ε = qo/l

Hiệu suất execgi của chu trình khô:

o k c

e

T

T T h h h h

' 4 ' 1