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

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG LẠNH NÉN HƠI 42 MÁY LẠNH NÉN HƠI Hệ số lạnh (COP) 𝑛ă𝑛𝑔 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑙ạ𝑛ℎ 𝑄𝑙 ε= = 𝐶ô𝑛𝑔 𝑛é𝑛 𝑊 43 Nguyên lý làm việc: Quá trình bay AB dàn bay (4) mơi chất lạnh dạng lỏng có nhiệt độ thấp áp suất thấp nhận nhiệt từ vật cần làm lạnh, hóa Hơi mơi chất máy nén (1) hút nén lên áp suất cao nhiệt độ cao, sau đẩy vào dàn ngưng (2) thải nhiệt cho mơi trường làm mát (khơng khí nước…) ngưng tụ áp suất không đổi Sau ngưng môi chất lạnh lỏng qua van tiết lưu (3) hạ xuống áp suất thấp vào dàn bay 44 2.1 Môi chất lạnh Môi chất lạnh (R – Refrigerant) (tác nhân lạnh, ga lạnh ): lưu chất sử dụng hệ thống máy lạnh Nhờ mà nhiệt truyền từ nguồn có nhiệt độ thấp mơi trường Bền vững hóa học u cầu chung mơi chất lạnh: - Tính chất hóa học: + Bền vững giới hạn làm việc; + Khơng ăn mịn vật liệu chế tạo máy, không phản ứng với dầu bôi trơn, oxy không khí ; + An tồn, khơng dễ cháy nổ Thân thiện với mơi trường An tồn Mơi chất lạnh Có tính kinh tế, khả thi Hiệu suất làm việc cao 45 -Tính chất vật lý + Áp suất ngưng khơng cao; + Áp suất bay không nhỏ; + Nhiệt độ đông đặc phải thấp dải nhiệt độ làm việc; + Ẩn nhiệt hóa lớn tốt; + Năng suất lạnh riêng thể tích lớn; + Hệ số dẫn nhiệt trao đổi nhiệt lớn; + Độ nhớt nhỏ; + Khả hòa tan dầu tốt; + Khả hòa tan nước tốt; + khơng dẫn điện - Tính chất sinh lý: + Khơng độc hại thể sống; + Không ản hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm; + Môi chất cần có mùi đặc biệt để dễ nhận biết rị gỉ -Ảnh hưởng đến mơi trường (ODP GWP) Tính kinh tế 46 Phân loại mơi chất lạnh Các Freon • Halocarbons • Hydrocarbons • Hỗn hợp mơi chất đồng sơi (R5**) • Hỗn hợp mơi chất khơng đồng sơi (R4**) Mơi chất vơ • R717 • R744 • R729 • R764 Mơi chất hữu • CmHn • Rượu 47 48 Hỗn hợp khơng đồng sơi Thêm số sau chữ R, quy ước theo số thứ tự; 01, 02, 03….và chữ A B hay C tùy theo tỉ lệ thành phần chất VD R401A: R32/R125 (50/50%), R407C: R32/R125/R134a (23/25/52)… Hỗn hợp đồng sôi Thêm số sau chữ R, quy ước theo số thứ tự; 01, 02, 03….06 VD R502 hỗn hợp 48,8% R22+51,2%R115 Các chất vô Thêm số sau chữ R, khối lượng phân tử NH3: R717, CO2: R744, H2O: R718, khơng khí: R729 49 50 2.2 Các mơi chất lạnh thông dụng NH3 (R717) - Là chất vô cơ, khơng màu, có mùi khai (thối); - Độc hại, gây khó thở, tác động lên niêm mạc mắt; - Cháy yếu khơng khí (ngọn lửa vàng), cháy mạnh oxy, khơng nổ đk thường - Có tính kiềm, làm giấy quỳ chuyển màu xanh; - Không tác dụng với kim loại đen, tác dụng với kim loại màu; - Khơng hịa tan dầu bơi trơn, khơng phản ứng hóa học với dầu bơi trơn 51 Năng suất lạnh riêng: qo= h1’-h10=1407,39-161,99=1245,4 kj/kg Công nén riêng: l= l1 +l2= (h2-h1) +m3/m1 (h4-h3)=(1633,12-1429,35) +(1633,12-164,11)(1662,66-1451,73)/(1451,73- 338,80)=203,77+1469,01x210,93/1112,93=203,77+278,4=482,17 kJ/kg Năng suất nhiệt riêng: qk=(h4-h5).m3/m1=(1662,66- 339,40)1469,01/1112,93=1323,26x1,31=1733,5 kJ/kg; Hệ số lạnh: ε=qo/l=1245,4/482,17=2,58 100 Bài tập Xác định chu trình hai cấp, bình trung gian có ống xoắn, mơi chất NH3: - Năng suất lạnh Qo =290kW Nhiệt độ bay hơi: to=-40 oC Nhiệt độ nhiệt: tqn=-30 oC Nhiệt độ ngưng tụ: tk=+35 oC Nhiệt độ lạnh: tql=+30 oC 101 2.4.1.1 NÂNG CAO HIỆU QUẢ CHU TRÌNH CƠ BẢN CỦA MÁY NÉN HƠI - Mục đích: Để đảm bảo điều kiện hoạt động ổn định, tăng độ bền tuổi thọ máy lạnh, an toàn lao động trình làm việc người vận hành thiết bị; Tăng hiệu suất lượng chu trình – hệ số lạnh (ε) (hồn thiện nhiệt động tận dụng nhiệt lạnh) Tất biện pháp dẫn tới xuất thiết bị phụ Phân loại thiết bị phụ - Khơng ảnh hưởng tới chu trình nhiệt động: Bình chứa (cao áp, tuần hồn…) phin lọc, phin sấy, bình tách dầu, bình tách lỏng Có ảnh hưởng định tới chu trình nhiệt động: Bình làm mát trung gian, bình q lạnh, bình tuần hồn – tách lỏng 102 2.5 Những biện pháp để khai thác hệ thống lạnh đạt hiệu Xu hướng phát triển ngành kỹ thuật lạnh: - Nâng cao hiệu suất lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường; - Giảm chi phí vật tư chế tạo máy lạnh đơn vị lạnh; - Tăng tuổi thọ độ tin cậy; - Sử dụng môi chất tự nhiên (NH3, CO2, SO2…) môi chất thân thiện với môi trường - Sử dụng hệ thống hỗn hợp có tái hồi nhiệt gồm: máy lạnh+bơm nhiệt; - Nghiên cứu hồn thiện, ứng dụng cơng nghệ làm lạnh mới; - Sử dụng công nghệ nano kỹ thuật lạnh; 103 2.5.1 Chọn môi chất lạnh hợp lý Chỉ tiêu Tính chất hóa học: u cầu mơi chất lạnh + Bền vững giới hạn làm việc; + Khơng ăn mịn vật liệu chế tạo máy, khơng phản ứng với dầu bơi trơn, oxy khơng khí ; + An tồn, khơng dễ cháy nổ Tính chất vật lý + Áp suất ngưng không cao; + Áp suất bay không nhỏ; + Nhiệt độ đông đặc phải thấp dải nhiệt độ làm việc; + Ẩn nhiệt hóa lớn tốt; + Năng suất lạnh riêng thể tích lớn; + Hệ số dẫn nhiệt trao đổi nhiệt lớn; + Độ nhớt nhỏ; + Khả hòa tan dầu tốt; + Khả hịa tan nước tốt; + khơng dẫn điện Tính chất sinh lý: + Khơng độc hại thể sống; + Không ản hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm; + Mơi chất cần có mùi đặc biệt để dễ nhận biết rò gỉ +Rẻ tiền, sẵn có tự nhiên; Tính kinh tế + Dễ sản xuất, vận chuyển bảo quản Khả ảnh hưởng môi +Không phá hủy tầng ozon ( số ODP=0) trường + Khơng gây nhiệu ứng nhà kính (tăng nhiệt độ trung bình bầu khí quyển) số GWP thấp 104 tốt Môi chất NH3 (R717) Ưu điểm +Dễ sản xuất, rẻ tiền; + Có mùi hắc nên dễ dàng phát chỗ rò rỉ; + Có ẩn nhiệt hóa lớn (rNH3=313,89kcal/kg); + Có tính chất nhiệt động tốt; + Hịa tan nước nên không gây tắc ẩm tb tiết lưu; + Không phá hủy tầng ozon không gây hiệu ứng nhà kính Nhược điểm + Độc hại thể người; + Nguy hiểm dễ cháy nổ; + Dẫn điện ăn mòn đồng hợp kim đồng; + Nếu rị rỉ sản phẩm làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm + Khơng hịa tan dầu nên khó bơi trơn chi tiết chuyển động; Ứng dụng Sử dụng chủ yếu cho máy lạnh nén dùng máy nén pittong Các Freon + Ít độc; + Khơng có mùi có mùi hương nhẹ; + Hịa tan dầu bơi trơn; + Nhiệt độ cuối tầm nén thấp; +Không làm biến chất thực phẩm bảo quản; +Ẩn nhiệt hóa nhỏ (rR22= 38,59kcal/kg) 1/8 NH3; + Khơng hịa tan nước; + Khó phát chỗ rị rỉ; + Tham gia vào phá hủy tầng ozon gây hiệu ứng nhà kính Sử dụng cho máy lạnh suất nhỏ, trung bình, lớn lớn, đặc biệt điều hịa khơng khí 105 Thay cho R502 Nhiệt độ cuối tầm nén giảm R502 (48,8% R22 51,2% R115) R404A (44%R125, Năng suất lạnh tăng 20% 52% R143a 4% R134a) Nhiệt độ cuối tầm nén thấp tới 9K Tăng tuổi thọ máy nén Hòa tan dầu tốt Nhiệt độ sôi thấp Thay R12 dải nhiệt độ cao R134a ODP=0 GWP =1600 R407C Thay cho R12 R22 Sử dụng số máy điều hịa khơng khí phịng tổ hợp gọn 106 Các thông số chế độ làm việc hệ thống lạnh: - Nhiệt độ sôi môi chất lạnh to (oC); - Nhiệt độ ngưng tụ môi chất tk (oC); - Nhiệt độ lạnh môi chất trước van tiết lưu tqt (oC); - Nhiệt độ nhiệt môi chất trước vào máy nén tqn (oC); 2.5 Chọn nhiệt độ bay hợp lý Nhiệt độ bay chọn theo nhiệt độ môi trường cần làm lạnh 𝑡𝑜 = 𝑡𝑓 − ∆𝑡𝑜 Trong đó: tf – nhiệt độ phịng cần làm lạnh; to – nhiệt độ bay hơi; ∆to- hiệu nhiệt độ yêu cầu (∆to = 5-7K 10-15K) 107 Nếu tăng nhiệt độ bay t’e>te thì: - Năng suất lạnh tăng lượng ∆Q=Q’o-Qo - Công nén giảm lượng: ∆L=L-L’ ε’=Qo’/L’> ε=Qo/L Để tăng nhiệt độ bay te(to): - Thường xuyên vệ sinh dàn bay hơi; - Xác định nhiệt độ buồng lạnh chọn kích thước dàn bay hợp lý 108 Hệ thống cấp lỏng từ xuống Hệ thống cấp lỏng từ lên 109 2.5.3 Chọn nhiệt độ ngưng tụ hợp lý -Nếu thiết bị ngưng tụ làm mát nước chọn tk sau: tk= tw2 +∆tk đó: tw2 – nhiệt độ nước ngưng tụ khỏi dàn làm mát ∆tk – Hiệu nhiệt độ ngưng tụ, thường chọn ∆tk=3÷5 oC Nhiệt độ nước vào nước tw2= tw1 +2÷6 oC - Nếu dàn ngưng làm mát khơng khí ∆tk=8÷10 oC, nhiệt độ khơng khí vào có độ chênh lệch từ 6-9 oC NH3 3÷4 oC với freon 110 2.5.3 Chọn nhiệt độ ngưng tụ hợp lý Nếu nhiệt độ ngưng tụ giảm t’c ε=Qo/L Để giảm nhiệt độ ngưng tụ tc(tk): - Thường xuyên vệ sinh dàn ngưng; - Sử dụng dàn ngưng giải nhiệt nước bay 111 112 2.5.4 Chọn ∆tqn hợp lý tqn nhiệt độ môi chất trước hút máy nén, để đảm bảo an toàn cho máy làm việc (va đập thủy lực) tqn phải lớn nhiệt độ bay môi chất - Với mơi chất NH3 ∆tqn=5÷15 oC - Với freon ∆tqn=25÷30 oC Quá nhiệt thực cách sau: - Quá nhiệt dàn lạnh sử dụng van tiết lưu nhiệt; - Quá nhiệt nhờ hòa trộn thêm với nóng đường máy nén - Quá nhiệt tổn thất lạnh đường máy nén 113 2.5.5 Chọn ∆tql hợp lý tql nhiệt độ môi chất lỏng trước vào van tiết lưu Nhiệt độ lạnh thấp suất lạnh lớn ∆tql= tw1 + (3÷5) oC Để q lạnh thực hiện: - Bố trí thêm thiết bị lạnh lỏng sau thiết bị ngưng tụ; - Thiết bị ngưng tụ thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng nên lỏng môi chất lạnh thiết bị ngưng tụ; - Do lỏng môi chất tỏa nhiệt môi trường đường từ thiết bị ngưng tụ đến thiết bị tiết lưu; - Bố trí thêm thiết bị hồi nhiệt 114