Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh (Nghề: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trình độ CĐ/TC): Phần 2 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:106

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật Nhiệt-Lạnh và Điều hòa không khí, cụ thể là: Môi chất lạnh, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Máy lạnh, cấu trúc cơ bản của hệ thống lạnh và hệ thống ĐHKK. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 2 sau đây!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh (Nghề: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trình độ CĐ/TC): Phần 2 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Chương III CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH §1. CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH VÀ MÔI CHẤT LẠNH Mục tiêu: - Trình bày được ý nghĩa của kỹ thuật lạnh trong đời sống và trong kỹ thuật; - Trình bày được ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong đời sống và trong kỹ thuật; - Trình bày được các yêu cầu cơ bản đối với môi chất lạnh; - Vẽ và trình bày được các phương pháp làm lạnh cơ bản; - Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình vẽ hình. I. Ý NGHĨA CỦA KỸ THUẬT LẠNH 1. Tác dụng của nhiệt độ thấp đối với thực phẩm Năm 1745 nhà bác học Nga Lômônôxốp trong một luận án nổi tiếng “Bàn về nguyên nhân của nóng và lạnh“ đã cho rằng: Những quá trình sống và thối rửa diễn ra nhanh hơn do nhiệt độ cao và kìm hãm chậm lại do nhiệt độ thấp. Thật vậy, biến đổi của thực phẩm tăng nhanh ở nhiệt độ 40 oC ÷50 oC vì ở nhiệt độ này rất thích hợp cho hoạt hoá của men phân giải (Enzim) của bản thân thực phẩm và vi sinh vật. Ở nhiệt độ thấp các phản ứng hoá sinh trong thực phẩm bị ức chế. Trong phạm vi nhiệt độ bình thường cứ giảm 10oC thì tốc độ phản ứng giảm xuống 1/2 đến 1/3 lần. Nhiệt độ thấp tác dụng đến hoạt động của các men phân giải nhưng không tiêu diệt được chúng. Nhiệt độ xuống dưới 0oC, phần lớn hoạt động của Enzim bị đình chỉ. Tuy nhiên một số men như Lipaza, Trypsin, Catalaza ở nhiệt độ -191oC cũng không bị phá huỷ. Nhiệt độ càng thấp khả năng phân giải càng giảm, ví dụ men Lipaza phân giải mỡ. Khi nhiệt độ giảm thì hoạt động sống của tế bào giảm là do: - Cấu trúc tế bào bị co rút. - Độ nhớt dịch tế bào tăng. - Sự khuyếch tán nước và các chất tan của tế bào giảm. - Hoạt tính của Enzim có trong tế bào giảm. 53
Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản, hoạt động sống có thể độc lập với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh cao, đa số tế bào thực vật không bị chết khi nước trong nó chưa đóng băng. Tế bào động vật có cấu trúc và hoạt động sống phức tạp, gắn liền với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh kém hơn. Đa số tế bào động vật chết khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4 oC so với thân nhiệt bình thường của nó. Tế bào động vật chết là do chủ yếu độ nhớt tăng và sự phân lớp của các chất tan trong cơ thể. Một số loài động vật có khả năng tự điều chỉnh hoạt động sống khi nhiệt độ giảm, cơ thể giảm các hoạt động sống đến mức nhu cầu bình thường của điều kiện môi trường trong một khoảng thời gian nhất định. Khi tăng nhiệt độ, hoạt động sống của chúng phục hồi, điều này được ứng dụng trong vận chuyển động vật đặc biệt là thuỷ sản ở dạng tươi sống, đảm bảo chất lượng tốt và giảm chi phí vận chuyển. * Ảnh hưởng của lạnh đối với vi sinh vật - Khả năng chịu lạnh của mỗi loài vi sinh vật có khác nhau. Một số loài chết ở nhiệt độ 20oC ÷ 0oC. Tuy nhiên một số khác chịu ở nhiệt độ thấp hơn. Khi nhiệt độ hạ xuống thấp nước trong tế bào vi sinh vật đông đặc làm vỡ màng tế bào sinh vật. Mặt khác nhiệt độ thấp, nước đóng băng làm mất môi trường khuyếch tán chất tan, gây biến tính của nước làm cho vi sinh vật chết. Trong tự nhiên có 3 loại vi sinh vật thường phát triển theo chế độ nhiệt riêng. Nấm mốc chịu đựng lạnh tốt hơn, nhưng ở nhiệt độ -10oC hầu hết ngừng hoạt động ngoài trừ các loài Mucor, Rhizopus, Penicellium. Để ngăn ngừa mốc phải duy trì nhiệt độ dưới -15oC. Các loài nấm có thể sống ở nơi khan nước nhưng tối thiểu phải đạt 15%. ở nhiệt độ -18oC, 86% lượng nước đóng băng, còn lại 14% không đủ cho vi sinh vật phát triển. Vì vậy để bảo quản thực phẩm lâu dài cần duy trì nhiệt độ kho lạnh ít nhất -18oC. Để bảo quả thực phẩm người ta có thể thực hiện nhiều cách như: phơi, sấy khô, đóng hộp và bảo quản lạnh. Tuy nhiên phương pháp bảo quản lạnh tỏ ra có ưu điểm nổi bật vì: - Hầu hết thực phẩm, nông sản đều thích hợp đối với phương pháp này. - Việc thực hiện bảo quản nhanh chóng và rất hữu hiệu phù hợp với tính chất mùa vụ của nhiều loại thực phẩm nông sản. - Bảo tồn tối đa các thuộc tính tự nhiên của thực phẩm, giữ gìn được hương vị, màu sắc, các vi lượng và dinh dưỡng trong thực phẩm. * Các chế độ xử lý lạnh thực phẩm: có hai chế độ xử lý lạnh sản phẩm là xử lý lạnh và xử lý lạnh đông: 54
a. Xử lý lạnh Là làm lạnh các sản phẩm xuống đến nhiệt độ bảo quản lạnh yêu cầu. Nhiệt độ bảo quản này phải nằm trên điểm đóng băng của sản phẩm. Đặc điểm là sau khi xử lý lạnh, sản phẩm còn mềm, chưa bị hóa cứng do đóng băng. b. Xử lý lạnh đông Là kết đông (làm lạnh đông) các sản phẩm. Sản phẩm hoàn toàn hóa cứng do hầu hết nước và dịch trong sản phẩm đã đóng thành băng. Nhiệt độ tâm sản phẩm đạt - 8oC, nhiệt độ bề mặt đạt từ -18oC đến -12oC. Xử lý lạnh đông có hai phương pháp + Kết đông hai pha: Thực phẩm nóng đầu tiên được làm lạnh từ 37 oC xuống khoảng 4oC sau đó đưa vào thiết bị kết đông để nhiệt độ tâm khối thực phẩm đạt -8oC. + Kết đông một pha: Thực phẩm còn nóng được đưa ngay vào thiết bị kết đông để hạ nhiệt độ tâm khối thực phẩm xuống đạt dưới -8oC. Kết đông một pha có nhiều ưu điểm hơn so với kết đông hai pha vì tổng thời gian của quá trình giảm, tổn hao khối lượng do mất nước giảm nhiều, chi phí lạnh và diện tích buồng lạnh cũng giảm. Đối với chế biến thịt thường sử dụng phương pháp 1 pha. Đối với hàng thuỷ sản do phải qua khâu chế biến và tích trữ trong kho chờ đông nên thực tế diễn ra 2 pha. Ở chế độ bảo quản lạnh và trong giai đoạn đầu của quá trình kết động hai pha, người ta phải gia lạnh sản phẩm. Thông thường thực phẩm được gia lạnh trong môi trường không khí với các thông số sau: - Độ ẩm không khí trong buồng: 85% ÷ 90% - Tốc độ không khí đối lưu tự nhiên: 0,1 m/s đến 0,2 m/s; đối lưu cưỡng bức cho phép 0,5 m/s (kể cả rau quả, thịt, cá, trứng...). Trong một kho lạnh có thể có buồng gia lạnh riêng biệt. Song cũng có thể sử dụng buồng bảo quản lạnh để gia lạnh. Khi đó, số lượng sản phẩm đưa vào phải phù hợp với năng suất lạnh của buồng. Các sản phẩm nóng phải bố trí đều cạnh các dàn lạnh để rút ngắn thời gian gia lạnh. Sản phẩm khi gia lạnh xong phải thu dọn và sắp xếp vào vị trí hợp lý trong buồng để tiếp tục gia lạnh đợt tiếp theo. 2. Ứng dụng trong sản xuất bia, nước ngọt Bia là sản phẩm thực phẩm, thuộc loại đồ uống độ cồn thấp, thu nhận được bằng cách lên men rượu ở nhiệt độ thấp dịch đường (từ gạo, ngô, tiểu mạch, đại mạch 55
vv...), nước và hoa húp lông. Qui trình công nghệ sản xuất bia trải qua nhiều giai đoạn cần phải tiến hành làm lạnh mới đảm bảo yêu cầu. 3. Ứng dụng trong công nghiệp hoá chất Trong công nghiệp hoá chất như hoá lỏng các chất khí là sản phẩm của công nghiệp hoá học như Clo, Amôniắc, Cacbonnic, Sunfuarơ, các loại chất đốt, các khí sinh học vv... Kỹ thuật lạnh có thể ứng dụng để: - Tách các chất từ các hỗn hợp - Điều khiển tốc độ phản ứng 4. Ứng dụng trong điều hoà không khí Ngày nay kỹ thuật điều hoà được sử dụng rất rộng rãi trong đời sống và trong công nghiệp. Khâu quan trọng nhất trong các hệ thống điều hoà không khí đó là hệ thống lạnh Máy lạnh được sử dụng để xử lý nhiệt ẩm không khí trước khi cấp vào phòng. Máy lạnh không chỉ được sử dụng để làm lạnh về mùa hè mà còn được đảo chiều để sưởi ấm mùa đông. Điều hoà không khí được sử dụng với 2 mục đích: - Phục vụ cuộc sống tiện nghi của con người (Hệ thống điều hoà trong đời sống, dân dụng…). - Phục vụ các quá trình sản xuất (Hệ thống điều hoà công nghiệp…). 5. Ứng dụng trong siêu dẫn Một ứng dụng rất quan trọng của kỹ thuật lạnh là sử dụng trong kỹ thuật siêu dẫn. Người ta nhận thấy khi làm lạnh các chất dẫn điện xuống nhiệt độ rất thấp thì điện trở của nó bằng 0. Thông thường nhiệt độ đó rất thấp. Khi dây đạt được nhiệt độ siêu dẫn thì có thể sử dụng vật liệu dẫn điện mà không gây ra tổn thất điện năng trên đường dây. Trong trường hợp đó có thể ứng dụng để tạo ra các nam châm cực lớn trong các máy gia tốc của nhà máy điện nguyên tử, nhiệt hạch, đệm từ cho các tàu cao tốc, nam châm điện của các cầu cảng vv… 6. Ứng dụng trong y tế và sinh học cryô a. Ứng dụng trong y tế Các ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong y tế rất phong phú, từ việc điều hoà trong các bệnh viện, bảo quản thuốc trong các buồng lạnh, đến bảo quản các bộ phận cơ thể. b. Kỹ thuật Cryô Kỹ thuật lạnh ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nông, lâm nghiệp, sinh học, vi sinh vv.. Kỹ thuật lạnh thâm độ còn gọi là kỹ thuật Cryô (-80oC ÷ -196oC) đã 56
hỗ trợ đắc lực cho việc lai tạo giống, bảo quản tinh đông, gây đột biến hoặc các kỹ thuật khác trong lai tạo giống. 7. Ứng dụng trong thể thao Trong một số bộ môn thi đấu trong nhà người ta duy trì nhiệt độ thấp để không làm ảnh hưởng tới sức khoẻ và nâng cao thành tích của vận động viên. Trong hầu hết các nhà thi đấu đều có trang bị các hệ thống điều hoà không khí. Trong thể thao kỹ thuật lạnh được ứng dụng khá rộng rãi. Trong môn trượt băng nghệ thuật, để tạo ra các sân băng người ta dùng hệ thống lạnh để tạo băng theo yêu cầu. 8. Ứng dụng trong xây dựng Quá trình kết rắn của bê tông gắn liền với quá trình toả nhiệt, trong đó nhiệt Hydrat hoá tuỳ theo thành phần xi măng có thể đạt từ 250 kJ/kg đến 500 kJ/kg xi măng. Nhiệt đó sẽ toả ra môi trường. Các thử nghiệm cho thấy một nửa lượng nhiệt đó toả ra trong 3 ngày đầu và toàn bộ nhiệt lượng toả ra suốt trong một năm mới kết thúc. Do bê tông toả nhiệt nên nhiệt độ tăng khoảng 20 oC đến 30oC so với nhiệt độ môi trường. Đối với tường mỏng thì nhiệt đó không quá quan trọng vì nhiệt nhanh chóng toả ra môi trường và nhiệt độ tường được duy trì có thể xem đồng đều. Nhưng đối với những công trình được đổ bằng các khối bê tông lớn, ví dụ như các đập chắn sóng. Do hệ số dẫn nhiệt của bê tông  =2 W/mK và hệ số dẫn nhiệt độ a= 0,004 m2/h, nên nhiệt toả từ các khối bê tông ra bên ngoài chậm, ảnh hưởng nhất định đến chất lượng của bê tông. Khi tường dày 2m thời gian làm lạnh 4 ngày, trong khi tường dày 60m thời gian làm nguội lên đến trên 10 năm mà hiệu nhiệt độ so với môi trường bên ngoài không giảm xuống còn một nửa so với lúc ban đầu. Như vậy, trong khi bề mặt đập đã lạnh và đông cứng từ lâu mà trong tường đập nhiệt độ vẫn còn rất cao. Sự chênh lệch nhiệt độ đó tạo ra ứng lực kéo trên bề mặt đập gây ra các vết rạn nứt bê tông. Do không thể thải nhiệt tự do ra môi trường và để tránh hiệu nhiệt độ quá cao giữa tâm tường và bề mặt tường cần phải có biện pháp làm lạnh nhân tạo tường đập khi đổ bê tông. Có các phương pháp khả thi sau đây: + Đặt ngầm các đường ống làm lạnh bên trong đập: Người ta bố trí các ống nước lạnh đường kính 25mm trong đập cách nhau theo chiều ngang khoảng 2,4 m; chiều cao khoảng 3m và liên tục bơm nước lạnh qua để thải nhiệt cho bê tông. Tốc độ nước trong ống khoảng 0,6 m/s. + Làm lạnh bằng cách trộn thêm nước đá: Làm lạnh vữa bê tông xuống khoảng 4oC sau đó cho thêm vào vữa một ít nước đá dưới dạng đá mảnh, đá vụn và tính toán sao cho dung nhiệt đủ để cân bằng toàn bộ nhiệt Hydrat hoá. 57
Nước trộn bê tông được làm lạnh trong các máy sản xuất nước lạnh đến 1 oC. Nước đá đưa vào máy trộn cần được nghiền nhỏ để nước đá tan nhanh. Tốc độ tan đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ máy trộn, kích thước cục đá và lượng đá trộn trong máy trộn. Đá phải đảm bảo tan hết khi vữa bê tông ra khỏi máy trộn. 9. Ứng dụng khác a. Công nghệ lai tạo giống thực vật Trong kỹ thuật sinh học lai tạo giống phục vụ ngành nông, lâm nghiệp, yêu cầu thực tế đặt ra là cần lai tạo ra những giống cây có khả năng chịu đựng điều kiện khí hậu khắc nghiệt để có thể gieo trồng ở những vùng khí hậu nhất định. Có những giống đòi hỏi chịu đựng nhiệt độ cao, không khí khô hạn, có giống đòi hỏi phải chịu đựng khí hậu lạnh, ẩm ướt. Ở một số viện nghiên cứu và lai tạo giống thực vật người ta đã xây dựng các phòng thử nghiệm, đó là các nhà kính ở trong đó người ta trồng các loài thực vật thử nghiệm, nhiệt độ không khí có thể điều chỉnh được. Những phòng thí nghiệm đó người ta gọi là Phytotron. Các thông số khí hậu có thể điều chỉnh được trong các phòng này là nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO2, cường độ chiếu sáng vv... Điều kiện chiếu sáng được mô phỏng như ngày và đêm. b. Làm mát động cơ và máy phát Nhiệt độ môi trường càng cao, khối lượng không khí được hút vào động cơ đốt trong càng nhỏ do đó công suất động cơ giảm. Bằng cách làm lạnh không khí cấp cho động cơ người ta có thể nâng công suất động cơ lên cao hơn. Không khí cấp cho động cơ Diesel có thể làm lạnh trực tiếp nhờ chu trình nén khí hoặc gián tiếp nhờ môi chất lạnh sôi. II. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH 1. Tủ lạnh nước đá đơn giản Hình 1.1 biểu diễn tủ lạnh đơn giản nhất bằng nước đá. Đó là một tủ cách nhiệt, bên trong có ngăn đựng đá cục. Đá tan 0oC nên nhiệt độ tủ lạnh không thể xuống đến 0oC. Nếu dùng nước đá NaCl có thể đạt -21oC và nước đác CaCl2 có thể đạt -55oC và nước đá khô (CO2 rắn) có thể đạt -78oC 58
1: Tủ cách nhiệt; 2: Nước đá; 3: Ống nước xả; 4: Giá để thực phẩm; 5: Dòng nhiệt truyền vào tủ lạnh Hình 1.1 Tủ lạnh dùng nước đá 2. Làm lạnh bằng bay hơi chất lỏng Khi bay hơi (hoặc sôi) chất lỏng bao giờ cũng thu nhiệt. Khi chất lỏng bay hơi ở nhiệt độ thấp nó thu nhiệt của môi trường và tạo ra hiệu ứng lạnh. Khi trời nóng bức, sau khi tắm xong, đứng trước quạt ta thấy rất mát, đó là vì nước trên cơ thể bay hơi thu nhiệt của cơ thể. Cồn, xăng, ete…. là những chất dễ bay hơi hơn. Cồn và gas butan( bật lửa) cũng cho hiệu ứng tương tự như vậy. Đối với các gas lạnh thông thường như NH3, R12, R22… là các chất có nhiệt độ sôi thấp, nếu để các chất lỏng này dây vào da có thể gây bỏng lạnh vì nhiệt độ quá thấp khi bay hơi tức thời có thể làm chết các tế bào giống như bị bỏng do nóng. 3. Tủ lạnh bằng R12 sôi ở áp suất khí quyển Hình 1.2 mô tả tủ lạnh nhờ hiệu ứng lạnh từ bốc hơi gas lỏng R12 ở áp suất khí quyển. Nhiệt độ tủ lạnh sẽ đạt được tới gần -29,8oC 1: Bình bốc hơi; 2: R12 lỏng; 3: Ống thông hơi. Hình 1.2 Tủ lạnh bằng R12 sôi tự nhiên trong khí quyển 4. Tủ lạnh khống chế áp suất sôi Nếu muốn tạo ra nhiệt độ phù hợp trong tủ, cần phải khống chế áp suất sôi. Thật vậy, nếu nối ống thoát 3 (hình 1.3) vào một máy nén và điều chỉnh số vòng quay vô cấp ta có thể điều chỉnh được áp suất sôi như ý muốn. Khi cho máy nén quay chậm, tạo được áp suất 3,1 bar trong bình bay hơi, nhiệt độ sôi sẽ là 0 oC và khi máy nén quay nhanh , tạo được áp suất 0,6 bar nhiệt độ sôi sẽ là -41oC. 59
1: Vỏ cách nhiệt; 2: Bình bốc hơi; 3: R12 lỏng; 4: Ngăn đựng thực phẩm. Hình 1.3 Tủ lạnh khống chế áp suất sôi 5. Tủ lạnh với vòng tuần hoàn kín gas lạnh Ta biết ở áp suất 12,2 bar gas R12 sẽ ngưng tụ ở nhiệt độ 50oC khi nó nhả nhiệt Từ hình 1.3 trên nếu ta lắp thêm một dàn ngưng tụ phía đầu đẩy máy nén và một bộ phận tiết lưu để giảm áp suất và nhiệt độ đồng thời phun gas lỏng vào dàn bay hơi là ta đã có một hệ thống lạnh mà gas lạnh tuần hoàn trong một chu trình kín liên tục không bị mất gas lạnh. Để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi nhiệt, trong tủ lạnh, bình bay hơi được thay bằng dàn bay hơi, có cánh tản nhiệt và tương tự cho dàn ngưng, đôi khi cũng có thêm quạt. 60
1: Van tiết lưu; 2: Dàn lạnh; 3: Ống hút; 4: Máy nén; 5: Ống nén; 6: Dàn nóng; 7: Bình chứa; 8: Ống dẫn lỏng. Hình 1.4 Tủ lạnh với vòng tuần hoàn kín gas lạnh III. MÔI CHẤT LẠNH, CHẤT TẢI LẠNH 1. Khái niệm và các yêu cầu cơ bản của môi chất lạnh a. Môi chất lạnh Môi chất lạnh là chất môi giới sử dụng trong chu trình nhiệt động carnot ngược chiều để bơm một dòng nhiệt từ một môi trường có nhiệt độ thấp đến một môi trường có nhiệt độ cao hơn b. Các yêu cầu đối với môi chất lạnh Do đặc điểm của chu trình lạnh, của hệ thống thiết bị, điều kiện vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa, an toàn cháy nổ, an toàn độc hại,…, môi chất lạnh cần phải có các tính chất phù hợp sau - Tính chất bảo vệ môi trường : Không làm ô nhiễm môi trường, không có hại đối với môi trường. - Tính chất hoá học: + Phải bền vững về mặt hoá học trong phạm vi áp suất và nhiệt độ làm việc, không được phân huỷ hoặc polyme hoá. + Phải trơ về mặt hoá học, không ăn mòn vật liệu chế tạo thiết bị của hệ thống, không phản ứng với dầu bôi trơn, ôxy trong không khí và hơi ẩm. + Phải an toàn, không gây cháy, nổ . - Tính chất sinh lý : + Không được độc hại đối với con người và các cơ thể sống khác, không gây phản ứng với cơ quan hô hấ, không tạo các khí độc hại khi tiếp xúc với ngọn lửa hàn và vật liệu chế tạo máy. + Phải có mùi đặt biệt để dễ dàng phát hiện khi rò rỉ và có biện pháp phòng chống an toàn . Nếu môi chất không có mùi thì co thể pha thêm chất có mùi vào để dễ nhận biết nếu chất đó không ảnh hưởng đến chu trình máy lạnh . + Không được làm hỏng hay ảnh hưởng xấu đến sản phẩm bảo quản khi rò rỉ . - Tính chất vật lí: + Ở điều kiện môi trường, áp suất ngưng tụ không được quá cao để số cấp nén của máy nén càng ít càng tốt, giảm rò rỉ môi chất, giảm chiều dày vách của các thiết bị áp lực để tiết kiệm vật liệu kim loại và an toàn, giảm nguy cơ nổ vỡ thiết bị. 61
+ Áp suất bay hơi không được quá thấp ở điều kiện môi trường, phải lớn hơn áp suất khí quyển một ít để hệ thống không bị chân không, tránh rò lọt không khí vào hệ thống. + Nhiệt độ đông đặc của môi chất phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi nhiều để có thể mở rộng dải làm việc của môi chất về phía nhiệt độ thấp . + Nhiệt độ tới hạn của môi chất phải cao hơn nhiệt độ ngưng tụ nhiều để có thể mở rộng dải làm việc của môi chất về phía nhiệt độ cao. + Nhiệt ẩn hoá hơi và nhiệt dung riêng của môi chất lỏng càng lớn càng tốt nhưng chúng không đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng môi chất lạnh. Nhiệt ẩn hoá hơi lớn, lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống càng nhỏ và năng suất lạnh riêng khối lượng càng lớn. + Độ nhớt động lực học của môi chất càng nhỏ càng tốt vì tổn thất áp suất trên đường ống và các van giảm, tuy nhiên môi chất dễ rò rỉ ra môi trường. + Hệ số dẫn nhiệt (), hệ số dẫn nhiệt độ càng lớn càng tốt + Sự hòa tan dầu của môi chất cũng đóng vai trò quan trọng trong sự vận hành và bố trí thiết bị. Môi chất hoà tan dầu hoàn toàn (R12) có ưu điểm là quá trìng bôi trơn tốt hơn, thiết bị trao đổi nhiệt luôn được rửa sạch lớp dầu bám trên bề mặt, quá trình trao đổi nhiệt tốt hơn nhưng có nhược điểm là có thể làm độ nhớt của dầu giảm và tăng nhiệt độ bay hơi nếu tỷ lệ dầu trong môi chất lạnh lỏng ở áp suất bay hơi tăng. Môi chất không hoà tan dầu (NH3) có nhược điểm là quá trình bay hơi khó thực hiện hơn, lớp dầu bám trên bề mặt thiết bị làm cảng trở quá trình trao đổi nhiệ, nhưng lại có ưu điểm là không làm giảm độ nhớt của dầu ,không làm sủi bọt dầu, không làm tăng nhiệt độ bay hơi của môi chất. + Môi chất hoà tan được nhiều nước ở cả 3 pha càng tốt vì tránh được tắt ẩm cho van tiết lưu + phải không dẫn điện, có thể sử dụng cho máy nén kín và nữa kín. - Tính kinh tế: + Dễ chế tạo, giá thành rẻ. + Dễ kiếm, nghĩa là việc sản xuất vận chuyển, bảo quản dễ dàng. - Trong thực tế không có một môi chất nào đáp ứng được tất cả các yêu cầu trên, do đó khi chọn môi chất cho một ứng dụng cụ thể cần phát huy được ưu điểm một cách tối đa và hạn chế đến mức thấp nhất các nhược điểm của nó 2. Các môi chất lạnh thông dụng: Các môi chất lạnh thường được sử dụng hiện nay như: R22, R123, R134a, R410, R32, R404A, R407C, R717…… 62
3. Chất tải lạnh: Chất tải lạnh là chất trung gian, nhận nhiệt lượng của đối tượng cần làm lạnh chuyển tới thiết bị bay hơi. Người ta sử dụng chất tải lạnh trong những trường hợp sau: - Khó sử dụng trực tiếp dàn bay hơi để làm lạnh sản phẩm - Môi chất lạnh có tính độc hại, ảnh hưởng đến môi trường - Môi trường cần làm lạnh ở xa máy móc thiết bị làm lạnh - Chất tải lạnh có thể ở dạng khí như không khí, lỏng như nước, nước muối các loại, dung dịch các chất hữu cơ như rựu, metanol… Một số yêu cầu đối với chất tải lạnh như sau: - Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh ít nhất là 5K - Nhiệt độ sôi phải đủ cao để khi ngừng máy chất tải lạnh không bị bay hơi - Không ăn mòn thiết bị - Không cháy nổ, rẻ tiền, dễ kiếm - Hệ số dẫn nhiệt càng lớn càng tốt - Độ nhớt càng nhỏ càng tốt - Đối với nhiệt độ trên 0oC thì nước là chất tải lạnh lý tưởng vì nó đáp ứng hầu hết các yêu cầu trên - Khi cần nhiệt độ thấp hơn thì người ta sử dụng dung dịch muối như NaCl, CaCl2, Etilenglicol(C2H4(OH)2) và Glycerin…. Câu hỏi ôn tập: 1. Hãy trình bày các ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong đời sống hiện nay? 2. Hãy vẽ và chú thích phương pháp làm lạnh đơn giản nhất bằng nước đá? Nhiệt độ bên trong có thể làm lạnh được bao nhiêu với phương pháp này? 3. Hãy trình bày các yêu cầu cơ bản đối với môi chất lạnh? 4. Chất tải lạnh là gi? Hãy trình bày các yêu cầu cơ bản đối với chất tải lạnh? 63
§2. CÁC HỆ THỐNG LẠNH THÔNG DỤNG Mục tiêu: - Vẽ và trình bày được nguyên lý làm việc của các hệ thống lạnh thông dụng; - Tính toán được nhiệt lượng của các hệ thống lạnh thông dụng; - Phân tích và trình bày được ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi đối với hệ thống lạnh; - Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình vẽ hình và tính toán. I. HỆ THỐNG LẠNH MỘT CẤP NÉN 1. Chu trình carnot ngược chiều Chu trình Carnot là chu trình gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và 2 quá trình đẳng nhiệt xen kẽ. Trên đồ thị T-S nó đơn giản là một hình chữ nhật nhưng đứng về mặt thiết bị nó lại phức tạp hơn các chu trình khác do có thêm máy dãn nỡ. a) Sơ đồ thiết bị b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị T-S MN: Máy nén; DN: Máy dãn nơ ; NT: TB. ngưng tụ; BH :TB. bay hơi; Hình 2.1 Chu trình Carnot ngược chiều Quá trình 1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt hơi hút. Để điểm 2 nằm đúng trên đường hơi bão hoà khô, điểm 1 phải nằm trong vùng hơi ẩm. Đặc điểm của quá trình nén đoạn nhiệt là s1 = s2. Quá trình 2-3 là quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt T2 = T3 và đẳng áp p2 = p3 = pk . Điểm 3 nằm trên đường bão hoà lỏng. 64
Quá trình 3-4 là quá trình dãn nỡ đoạn nhiệt có sinh ngoại công. Đặc điểm quá trình là s4 = s3. Quá trình 4-1 là quá trình bay hơi đẳng nhiệt T4 = T1 để sinh lạnh ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Quá trình này cũng là quá trình đẳng áp. Điểm quan trọng nhất của chu trình Carnot ngược chiều là hệ số lạnh đạt cực đại, không một chu trình nào khác có thể đạt được nên chu trình Carnot ngược chiều được coi là chu trình lí tưởng và hệ số lạnh của chu trình được sử dụng để so sánh đánh giá độ hoàn thiện của các chu trình khác. Hệ số lạnh của chu trình Carnot ký hiệu là  c và được xác định như sau : q0 c  l Ghi nhớ : Hệ số lạnh của chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ của chu trình, khônh phụ thuộc tính chất của môi chất lạnh. Nếu gọi  là hệ số lạnh của chu trình bất kỳ, có thể tính được độ hoàn thiện của chu trình bất kỳ đó :   c  luôn nhỏ hơn 1 và cũng được gọi là hiệu suất exergy của chu trình * Ưu điểm, nhược điểm của chu trình Carnot - Công nén nhỏ do nhiệt độ cuối tầm nén thấp ( T2 = Tk ). - Quá trình dãn nỡ trong máy dãn nỡ sinh công hữu ích. - Hệ số lạnh là lớn nhất so với các chu trình khác ở cùng điều kiện làm việc. - Trạng thái 1 của hơi hút nằm trong vùng hơi ẩm cần phải điều chỉnh sao cho điểm 2 cuối tầm nén phải rơi đúng vào đường hơi bão hoà khô. Điều này không thể thực hiện được trong thực tế, hơn nữa lỏng và hơi phân bố không đều nên máy nén rất dễ bị va đập thủy lực (hút phải lỏng), gây hư hỏng máy nén. Máy dãn nỡ có ưu điểm là sinh ngoại công có ích nhưng khi vận hành thực tế, máy dãn nỡ rất kồng kềnh, làm tăng đáng kể chi phí đầu tư ban đầu mà công thu được không đáng kể. Đó cũng là 2 nhược điểm về vận hành chủ yếu của chu trình Carnot. Chính vì vậy, chu trình Carnot không được sử dụng trong thực tế. 2. Chu trình khô Chu trình khô là chu trình cải tiến để loại trừ các nhược điểm nêu trên của chu trình Carnot. Để đề phòng va đập thủy lực, hơi hút về máy nén là hơi bão hoà khô và để đơn giản, máy dãn nỡ được thay thế bằng van tiết lưu. 65
*Định nghĩa Chu trình khô là chu trình có hơi hút về máy nén là hơi bão hòa khô. Hình 2.2 biểu diễn chu trình khô trong đó hình 2.2a là sơ đồ thiết bị và hình 2.2b là chu trình khô biểu diễn trên đồ thị lgp-h. a) Sơ đồ thiết bị b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lpg-h MN: Máy nén ; NT: Bình ngưng tụ ; BH :Bình bay hơi; TL:Van tiết lưu Hình 2.2 Chu trình khô Các quá trình của chu trình khô là : Quá trình 1-2 : Quá trình nén hơi đoạn nhiệt (s1 = s2 hoặc s = 0 ) từ áp suất bay hơi và nhiệt độ bay hơi lên áp suất ngưng tụ và nhiệt độ T2 >Tk. Quá trình này tiến hành trong vùng hơi quá nhiệt. Quá trình 2-3 : Quá trình làm mát và ngưng tụ hơi môi chất đẳng áp, thảy nhiệt cho nước hoặc không khí làm mát. Quá trình 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. Quá trình 4-1 : Quá trình bay hơi đẳng áp và đẳng nhiệt để thu nhiệt của môi trường lạnh. Đây chính là quá trình làm lạnh mà ta muốn thực hiện. Chu trình khô chủ yếu sử dụng cho môi chất Amoniắc nên nhiệt độ hút rất cao. Để hạn chế bớt nhiệt độ này, cần phải cho máy nén hút hơi bão hoà. Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng, phải bố trí bình tách lỏng trên đường hơi hút về máy nén. Lỏng cuốn theo sẽ bị tách ra và đưa quay trở lại dàn bay hơi. 66
Tính toán chu trình khô: + Năng suất lạnh riêng khối lượng : q0 = h1 – h4 , kJ/kg + Năng suất lạnh riêng thể tích : qo qv  , kJ/m3 v1 + Năng suất nhiệt riêng thảy ra ở dàn ngưng : qk = h2 – h3 , kJ/kg + Tỷ số nén : pk  po + Công nén riêng : l = h2 – h1 , kJ/kg + Hệ số lạnh của chu trình : qo  l + Độ hoàn thiện chu trình hay hiệu suất exergy : Tk  To   . To Ví dụ: Một máy lạnh nén hơi Amoniắc có thể tích hút lý thuyết Vlt = 20m3/h, nhiệt độ ngưng tụ 40oC, nhiệt độ bay hơi -10oC. Hãy xác định chu trình khô, năng suất lạnh qo, hệ số lạnh và hiệu xuất execgy. Giải : Dựa vào đồ thị lgp-h của Amoniắc có thể xây dựng được chu trình khô theo tk = 400C và to = -100C. Trước hết kẻ 2 đường po = 0,29 Mpa tương ứng to = -100C và pk = 1,56 MPa tương ứng tk = 40 oC (nếu tra đồ thị lgp-h của Amoniắc có po = 2,9136 bar và pk = 15,559 bar). Các điểm nút chu trình : Điểm 1 : là điểm cắt po với đường hơi bão hoà khô x = 1 Điểm 3 : là điểm cắt pk với đường lỏng bão hoà x = 0 Điểm 4 : là điểm cắt giữa po và h3 = const ( đường song song với trục tung và đi qua điểm 3 ). 67
Điểm 2 : là điểm cắt giữa pk và s = const ( đường cong song song với các đường s = const và đi qua điểm 1 ) vì s2 = s1 . Các thông số trạng thái p, t, h của các điểm nút chu trình 1,2,3,4 có thể đọc được trên đồ thị lgp-h. Tính toán chu trình + Năng suất lạnh riêng khối lượng : q0 = h1 – h4 kJ/kg + Năng suất lạnh riêng thể tích : qo qv  kJ/m3 v1 + Năng suất nhiệt riêng ngưng tụ : qk = h2 – h3 kJ/kg + Tỷ số nén : pk  po + Công nén riêng : l = h2 – h1 kJ/kg + Hệ số lạnh của chu trình : qo  l + Hiệu suất exergy: Tk  To   . To 3. Chu trình quá lạnh, quá nhiệt Chu trình quá lạnh, quá nhiệt có sơ đồ thiết bị giống như chu trình khô nhưng có thêm bộ quá lạnh lỏng trước khi vào van tiết lưu nên nhiệt độ môi chất lỏng trước van tiết lưu thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ và có độ quá nhiệt hơi hút (hoặc do sử dụng van tiết lưu nhiệt) nên hơi hút trước khi vào máy nén có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bay hơi. 68
a. Định nghĩa Chu trình quá lạnh và quá nhiệt là chu trình có nhiệt độ lỏng vào van tiết lưu nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ ( nằm trong vùng lỏng quá lạnh ) và hơi hút về máy nén lớn hơn nhiệt độ bay hơi (nằm trong vùng quá nhiệt ). b. Các phương pháp làm quá lạnh - Có bố trí thêm thiết bị quá lạnh sau thiết bị ngưng tụ. - Được quá lạnh lỏng ngay trong thiết bị ngưng tụ vì thiết bị ngưng tụ thuộc kiểu trao đổi nhiệt ngược dòng. - Do toả nhiệt ra môi trường trên đường từ bình ngưng đến van tiết lưu . * Phương pháp làm quá nhiệt: - Sử dụng van tiết lưu nhiệt để điều chỉnh sự quá nhiệt hơi hút . - Do tải nhiệt lớn và thiếu lỏng cấp cho dàn bay hơi . - Do tổn thất lạnh trên đường từ bình bay hơi về máy nén. Hình 2.3 giới thiệu chu trình quá lạnh và quá nhiệt a) Sơ đồ thiết bị b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp – h. QL: Thiết bị quá lạnh lỏng ; TLN: Van tiết lưu tự động nhờ độ quá nhiệt hơi hút gọi tắt là van tiết lưu nhiệt. Hình 2.3 Chu trình quá lạnh và quá nhiệt Độ quá nhiệt hơi hút : t qn  t 1  t 1'  t 1  t o Độ quá lạnh lỏng : 69
t ql  t 3'  t 3  t k  t 3 c. So sánh với chu trình khô Do có độ quá nhiệt nên công nén riêng lớn hơn chút ít, năng suất hút giảm chút ít do thể tích riêng v1 tăng lên. Công nén riêng l = h2 – h1 . Do có độ quá lạnh lỏng nên năng suất lạnh riêng tăng 1 khoảng qo  h3'  h4  h3'  h3 Năng suất lạnh riêng : qo  h1'  h4 Nếu nhiệt độ buồng lạnh cao hơn t1 trong trường hợp dùng van tiết lưu nhiệt và trường hợp thiết bị bay hơi là dàn trao đổi nhiệt ngược dòng có thể tính : qo  h1  h4 Các hệ thống lạnh Amoniắc vận hành theo chu trình khô nhưng trong thực tế để đảm bảo không bị cuốn lỏng vào máy nén và do tổn thất lạnh trên đường hút nên nhiệt độ hút thường cao hơn nhiệt độ sôi từ 5oC đến 8oC . Nhiệt độ lỏng vào van tiết lưu do toả nhiệt ra môi trường nên cũng thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ 2 oC đến 5oC. Như vậy chu trình khô đã lệch sang chu trình quá lạnh và quá nhiệt. Chu trình này cũng chủ yếu sử dụng cho môi chất NH3. 4. Chu trình hồi nhiệt Chu trình hồi nhiệt (hình 2.4) là chu trình có thiết bị trao đổi nhiệt trong giữa môi chất lỏng (trước khi vào van tiết lưu) và hơi lạnh trước khi hút về máy nén. Chu trình hồi nhiệt biểu diễn trên đồ thị lgp – h gần giống như chu trình quá lạnh quá nhiệt. a) Sơ đồ thiết bị b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp – h HN – Thiết bị hồi nhiệt (còn gọi là thiết bị trao đổi nhiệt trong ) Hình 2.4 Chu trình hồi nhiệt 70
* Hai chu trình có khác biệt cơ bản sau: - Ở chu trình quá lạnh quá nhiệt, độ quá lạnh và quá nhiệt không phụ thuộc vào nhau và có các giá trị bất kỳ. - Ở chu trình hồi nhiệt, lượng nhiệt do hơi lạnh thu vào đúng bằng lượng nhiệt do lỏng nóng thảy ra, do đó h3'3  h11' trong đó h3'3  h3'  h3 và h11'  h1  h1' Các quá trình cơ bản của chu trình hồi nhiệt : Quá trình 1-2 : Quá trình nén đoạn nhiệt s = const hay s1 = s2 . Quá trình 2-3’ : Làm mát và ngưng tụ trong dàn ngưng tụ, đẳng áp. Quá trình 3’-3 : Quá lạnh lỏng trong thiết bị hồi nhiệt. Quá trình 3-4 : Tiết lưu đẳng entanpy h = const hay h3 = h4 . Quá trình 4-1’ : Bay hơi đẳng áp, đẳng nhiệt thu nhiệt môi trường lạnh trong dàn bay hơi. Quá trình 1’-1 : Quá nhiệt hơi hút trong thiết bị hồi nhiệt. Các thiết bị hồi nhiệt thường được thiết kế với t min  5K nghĩa là nhiệt độ của hơi ra t1 thấp hơn nhiệt độ lỏng vào t3’ là 5 oC . Thí dụ nhiệt độ lỏng vào 30oC thì nhiệt độ hơi ra hồi nhiệt vào máy nén là 25oC Sau đó đo khoảng h11' và lấy h3'3 Như vậy có thể xác định được điểm 3 và điểm 4. Các máy lạnh tự lắp đặt, không có hồi nhiệt chính thức mà chỉ có bố trí hồi nhiệt bằng cách quấn đường lỏng quanh đường hút hoặc bố trí một số vòng ống dẫn lỏng trong bình bẫy lỏng thì hiệu quả kém hơn nhiều và nhiệt độ hơi hút ra khỏi hồi nhiệt thấp hơn nhiệt độ lỏng vào có khi đến 20oC hoặc 30oC. Khi đó phải đo đạc trực tiếp các giá trị nhiệt độ mới có thể xây dựng được chu trình trên đồ thị lgp-h. * Ghi nhớ Chu trình hồi nhiệt chỉ sử dụng cho các môi chất freôn như R12, R22, R502, R134a. Với các môi chất này chu trình hồi nhiệt tỏ ra có hiệu suất lạnh cao hơn, hệ số lạnh cao hơn các chu trình khô và quá lạnh quá nhiệt. Chu trình hồi nhiệt không sử dụng cho môi chất Amoniắc vì qua tính toán và thực tế chu trình hồi nhiệt NH3 cho hiệu suất lạnh kém hơn, hệ số lạnh kém hơn chu trình khô. Ví dụ: Một buồng lạnh sử dụng 1 máy lạnh làm việc ở nhiệt độ ngưng tụ 40 oC và nhiệt độ bay hơi -20oC, môi chất R22. Máy nén hở của hãng BOCK (CHTB Đức) có thể tích hút lý thuyết 27,1 m3/h. Xác định các thông số trạng thái điểm nút chu trình . Hãy xác định chu trình hồi nhiệt với t3’ – t1 = 15K và xác định các thông số của hệ thống lạnh. 71
Giải : Xác định các điểm nút chu trình Xây dựng chu trình trên đồ thị lgp-h : Kẻ 2 đường pk và po song song với trục hoành, xác định được 3 điểm : + 1’ là điểm cắt của po và đường hơi bão hoà khô. + 3’ là điểm cắt của pk và đường lỏng bão hoà. + 1 là điểm cắt của po và đường t = 25oC . Từ 1 kẻ đường cong s1 = const = s2. Điểm 2 là điểm cắt của pk và s1 = s2 = const Đo khoảng cách 1’1 và lấy dấu 3’3 đúng bằng 1’1 như vậy xác định được điểm 3 trên đồ thị. Chỉ có thể sử dụng phương pháp đồ thị để tìm điểm 3, mà không thể tính toán được vì rất phức tạp. Kẻ đường h3 = const song song trục tung cắt đường po ở 4. Như vậy tất cả 6 điểm nút chu trình đã được xác định. Chỉ có 2 điểm 1’ và 3’ có thể đọc được các thông số từ bảng hơi bão hoà , còn tất cả các điểm khác phải đọc trực tiếp trên đồ thị . Xác định chu trình hồi nhiệt + Năng suất lạnh riêng khối lượng : qo  h1'  h4 kJ/kg + Năng suất lạnh riêng thể tích : qo qv  kJ/m3 v1 + Năng suất nhiệt riêng ngưng tụ : q k  h2  h3' + Tỷ số nén : pk  po + Công nén riêng : l=h2 – h1 + Hệ số lạnh : qo  l 72