Giáo trình hình thành quy trình phân tích khả năng vận dụng phương pháp xả băng trong tải dao động p1 pdf

tuyết ở dàn lạnh dẫn đến nhiều sự cố cho hệ thống lạnh nh: Nhiệt độ kho lạnh không đạt yêu cầu, thời gian làm lạnh lâu, ngập dịch, cháy mô tơ vv Sở dĩ nh vậy là vì: - Lớp tuyết bám bên ngoài dàn lạnh tạo thành lớp cách nhiệt, ngăn cản quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất và không khí trong buồng lạnh. Do đó nhiệt độ buồng lạnh không đạt yêu cầu, thời gian làm lạnh kéo dài. Mặt khác môi chất lạnh trong dàn lạnh do không nhận đợc nhiệt để hoá hơi nên, một lợng lớn hơi ẩm đợc hút về máy nén gây ra ngập lỏng máy nén. - Khi tuyết bám nhiều đờng tuần hoàn của gió trong dàn lạnh bị nghẽn, lu lợng gió giảm, hiệu quả trao đổi nhiệt cũng giảm theo, trở lực lớn quạt làm việc quá tải và mô tơ có thể bị cháy. - Trong một số trờng hợp tuyết bám quá dày làm cho cánh quạt bị ma sát không thể quay đợc và sẽ bị cháy, hỏng quạt. Để xả tuyết cho dàn lạnh ngời ta thờng sử dụng 3 phơng pháp sau đây. a) Dùng gas nóng: Phơng pháp này rất hiệu quả vì quá trình cấp nhiệt xả băng thực hiện từ bên trong. Tuy nhiên, phơng pháp xả băng bằng gas nóng cũng gây nguy hiểm do chỉ thực hiện khi hệ thống đang hoạt động, khi xả băng quá trình sôi trong dàn lạnh xãy ra mãnh liệt có thể cuốn theo lỏng về máy nén. Vì thế chỉ nên sử dụng trong hệ thống nhỏ hoặc hệ thống có bình chứa hạ áp. b) Xả băng bằng nớc: Phơng pháp dùng nớc hiệu quả cao, dễ thực hiện đặc biệt trong các hệ thống lớn. Mặt khác khi xả băng bằng nớc ngời ta đã thực hiện hút kiệt ga và dừng máy nén trớc khi xả băng nên không sợ ngập lỏng khi xả băng. Tuy nhiên, khi xả băng, nớc có thể bắn tung toé ra các sản phẩm trong buồng lạnh và khuyếch tán vào không khí trong phòng, làm tăng độ ẩm của nó, lợng ẩm này tiếp tục bám lại trên dàn lạnh trong quá trình vận hành kế tiếp. Vì thế biện pháp dùng nớc th ờng sử dụng cho hệ thống lớn, tuyết bám nhiều, ví dụ nh trong các hệ thống cấp đông. c) Dùng điện trở: trong các kho lạnh nhỏ các dàn lạnh thờng sử dụng phơng pháp xả băng bằng điện trở. Cũng nh phơng pháp xả băng bằng nớc phơng pháp dùng điện trở không sợ ngập lỏng. Mặt khác xả băng bằng điện trở không làm 62 Giỏo trỡnh hỡnh thnh quy trỡnh phõn tớch kh nng vn dng phng phỏp x bng trong ti dao ng tăng độ ẩm trong kho. Tuy nhiên phơng pháp dùng điện trở chi phí điện năng lớn và không dễ thực hiện. Các điện trở chỉ đợc lắp đặt sẵn do nhà sản xuất thực hiện. 2.3 tính phụ tải nhiệt kho lạnh Tính cân bằng nhiệt kho lạnh nhằm mục đích xác định phụ tải cần thiết cho kho để từ đó làm cơ sở chọn máy nén lạnh. Đối với kho lạnh các tổn thất nhiệt bao gồm: - Nhiệt phát ra từ các nguồn nhiệt bên trong nh: Nhiệt do các động cơ điện, do đèn điện, do ngời, sản phẩm tỏa ra, do sản phẩm hô hấp. - Tổn thất nhiệt do truyền nhiệt qua kết cấu bao che, do bức xạ nhiệt, do mở cửa, do bức xạ và do lọt không khí vào phòng. Tổng tổn thất nhiệt kho lạnh đợc xác định: Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 (2-4) Q 1 - Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che của kho lạnh. Q 2 - Dòng nhiệt do sản phẩm toả ra trong quá trình xử lý lạnh. Q 3 - Dòng nhiệt do không khí bên ngoài mang vào khi thông gió buồng lạnh. Q 4 - Dòng nhiệt từ các nguồn khác nhau khi vận hành kho lạnh. Q 5 - Dòng nhiệt từ sản phẩm toả ra khi sản phẩm hô hấp (thở) chỉ có ở các kho lạnh bảo quản rau quả. 2.3.1 Tính nhiệt kho lạnh bảo quản 2.3.1.1 Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che là tổng các dòng nhiệt tổn thất qua tờng bao che, trần và nền do sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trờng bên ngoài và bên trong cộng với các dòng nhiệt tổn thất do bức xạ mặt trời qua tờng bao và trần Q 1 = Q 11 + Q 12 (2-5) Q 11 - dòng nhiệt qua tờng bao, trần và nền do chênh lệch nhiệt độ; Q 12 - dòng nhiệt qua tờng bao và trần do bức xạ mặt trời. Thông thờng nhiệt bức xạ qua kết cấu bao che bằng 0 do hầu hết các kho lạnh hiện nay là kho panel và đợc đặt bên trong nhà, trong phân xởng nên không có nhiệt bức xạ. 63 1. Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che do chênh lệch nhiệt độ Q 11 - đợc xác định từ biểu thức: Q 11 = k.F.(t 1 -t 2 ) (2-6) k t - hệ số truyền nhiệt của kết cấu bao che, W/m 2 .K F - diện tích bề mặt của kết cấu bao che, m 2 . t 1 - nhiệt độ môi trờng bên ngoài, 0 C; t 2 - nhiệt độ trong buồng lạnh, 0 C. a. Xác định diện tích bề mặt kết cấu bao che Diện tích bề mặt kết cấu bao che đợc xác định theo diện tích bên ngoài của kho. Để xác định diện tích này chúng ta căn cứ vào các kích thớc chiều rộng, dài và cao nh sau: * Tính diện tích tờng F t = Chiều dài x Chiều cao Xác định chiều dài: - Kích thớc chiều dài tờng ngoài: + Đối với buồng ở góc kho: lấy chiều dài từ mép tờng ngoài đến trục tâm tờng ngăn (chiều dài l 1 , l 3 hình 2-11 ). + Đối với buồng ở giữa chiều dài đợc tính là khoảng cách giữa các trục tờng ngăn (chiều dài l 2 hình 2-11) + Đối với tờng ngoài hoàn toàn: Tính từ mép tờng ngoài này đến mép tờng ngoài khác (chiều dài l 4 hình 2-11 ). - Kích thớc chiều dài tờng ngăn: + Đối với buồng ngoài lấy từ mặt trong tờng ngoài đến tâm tờng ngăn (chiều dài l 5 hình 2-11) + Đối với buồng trong lấy từ tâm tờng ngăn tới tâm tờng ngăn (chiều dài l 6 hình 2-11) Kích thớc chiều cao + Đối với kho cấp đông (panel chôn một phần dới đất ) chiều cao đợc tính từ mặt nền đến mặt trên của trần. + Đối với kho lạnh (panel đặt trên con lơn thông gió ): Chiều cao đợc tính từ đáy panel nền đến mặt trên panel trần. * Tính diện tích trần và nền Diện tích của trần và của nền đợc xác định từ chiều dài và chiều rộng. Chiều dài và chiều rộng lấy từ tâm của các tờng ngăn hoặc từ bề mặt trong của tờng ngoài đến tâm của tờng ngăn. 64 L4 L1 L2 L3 L5 L6 Hình 2-11: Cách xác định chiều dài của tờng b. Xác định nhiệt độ trong phòng và ngoài trời - Nhiệt độ không khí bên trong t 2 buồng lạnh lấy theo yêu cầu thiết kế, theo yêu cầu công nghệ hoặc tham khảo ở các bảng 1-3 và 1-4. - Nhiệt độ bên ngoài t 1 là nhiệt độ trung bình cộng của nhiệt độ trung bình cực đại tháng nóng nhất và nhiệt độ cực đại ghi nhận đợc trong vòng 100 năm gần đây, (ở đây đã tính toán sẵn và cho ở phụ lục 1). Lu ý: - Đối với các tờng ngăn mở ra hành lang buồng đệm vv không cần xác định nhiệt độ bên ngoài. Hiệu nhiệt độ giữa hai bên vách lấy định hớng nh sau: + t = 0,7 (t 1 t 2 ) Nếu hành lang có cửa thông với bên ngoài + t = 0,6(t 1 t 2 ) Nếu hành lang không có cửa thông với bên ngoài - Dòng nhiệt qua sàn lửng tính nh dòng nhiệt qua vách ngoài. - Dòng nhiệt qua sàn bố trí trên nền đất có sởi xác định theo biểu thức: Q 11 = k 1 .F.(t n - t 2 ), W (2-7) t n - nhiệt độ trung bình của nền khi có sởi. Nếu nền không có sởi, dòng nhiệt qua sàn có thể xác định theo biểu thức: Q 11 = k q .F i .(t 1 -t 2 ).m (2-8) k q - hệ số truyền nhiệt quy ớc tơng ứng với từng vùng nền; 65 222 222 222 222 ( I ) ( II ) ( III ) ( IV ) a b Hình 2-12: Phân dãi nền kho lạnh F - Diện tích tơng ứng với từng vùng nền, m 2 ; t 1 - Nhiệt độ không khí bên ngoài, 0 C; t 2 - Nhiệt độ không khí bên trong buồng lạnh, 0 C; m - Hệ số tính đến sự gia tăng tơng đối trở nhiệt của nền khi có lớp cách nhiệt. Để tính toán dòng nhiệt vào qua sàn, ngời ta chia sàn ra các vùng khác nhau có chiều rộng 2m mỗi vùng tính từ bề mặt tờng bao vào giữa buồng (hình 2-12). Giá trị của hệ số truyền nhiệt quy ớc k q ,W/m 2 K, lấy theo từng vùng là: - Vùng rộng 2m dọc theo chu vi tờng bao: k I = 0,47 W/m 2 .K, F I =4(a+b) - Vùng rộng 2m tiếp theo về phía tâm buồng: k II = 0,23 W/m 2 .K, F II =4(a+b)-48 - Vùng rộng 2m tiếp theo: k III =0,12 W/m 2 .K, F III =4(a+b)-80 - Vùng còn lại ở giữa buồng lạnh: k IV = 0,07 W/m 2 .K, F IV =(a-12)(b-12) Riêng diện tích của vùng một rộng 2m cho góc của tờng bao đợc tính hai lần, vì đợc coi là có dòng nhiệt đi vào từ hai phía: F =4(a + b) trong đó a, b là hai cạnh của buồng lạnh. Cần lu ý: - Khi diện tích kho nhỏ hơn 50 m 2 thì coi toàn bộ là vùng I 66 Có nhiều phơng pháp hoá lỏng khí thiên nhiên. Phơng pháp đợc ứng dụng rộng rãi nhất là phơng pháp làm lạnh nhờ các máy ghép tầng, trong đó các cấp trên môi chất lạnh là etylen và propan. Có thể sử dụng các phơng pháp làm lạnh gián tiếp để hoá lỏng khí thiên nhiên. Một trong những phơng pháp làm lạnh gián tiếp là nén khí lên trên áp suất tới hạn sau đó đa vào làm lạnh gián tiếp bằng môi chất lạnh, ví dụ nh êtan. Sau đó khí đợc dãn nở và một phần khí đợc hoá lỏng. Hình 1-2 giới thiệu chu trình hoá lỏng khí thiên nhiên bằng máy lạnh ghép tầng. Chu trình cổ điển thông dụng (hình 1-2a) có nhợc điểm là quá nhiều thiết bị với nhiều loại máy nén, thiết bị trao đổi nhiệt, đờng ống vv làm cho công tác vận hành, bảo dỡng, sửa chữa gặp khó khăn, đặc biệt khi tải dao động và việc hút hơi lạnh về máy nén. Công việc tự động hoá cũng gặp khó khăn. 5 NH3 C 2H4 293K, 0,86MPa 233K, 0,07MPa 2 1 3 7 3 7 6 6 288K 233K238K 170K, 0,1MPa 238K; 1,66MPa 173K 170K 6 7 0,1MPa 112K 293K; 6,8MPa 4 7 6 5 6 6 6 1 a) b) 1-Khí thiên nhiên vào; 2- Máy nén khí thiên nhiên; 3- Máy nén lạnh; 4- Máy nén lạnh hỗn hợp môi chất; 5- Bình ngng; 6- Thiết bị trao đổi nhiệt; 7- Van tiết lu Hình 1-2: Chu trình ghép tầng hoá lỏng khí thiên nhiên 17 . Một giải pháp tích cực là ứng dụng hỗn hợp môi chất lạnh đợc viết tắt là phơng pháp ARC (Auto-Refrigerated Cascade). Hỗn hợp môi chất lạnh gồm nitơ, mêtan, êtan, propan và butan đợc nén trong máy nén 4 và đợc hoá lỏng theo thứ tự từng thành phần. Bằng cách tiết lu và cho bay hơi từng thành phần đó khí thiên nhiên đợc làm lạnh dần đến 120 o K rồi hoá lỏng một phần khi qua tiết lu 7. Hiện nay nhiều nhà máy hoá lỏng khí thiên nhiên có năng suất rất lớn làm việc theo phơng pháp ARC này. Ví dụ nhà máy hoá lỏng khí Badak (Inđônêxia) có năng suất 250.000m 3 tiêu chuẩn trong một giờ và nhà máy hoá lỏng Arzew (Angiêri) có năng suất 1.200.000 m 3 /h. Khí thiên nhiên hoá lỏng đợc ký hiệu là LNG (Liquefied Natural Gas) có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển khoảng -160 o C, bởi vậy khí hoá lỏng cần đợc chứa và vận chuyển trong các bình cách nhiệt tốt. Ngời ta đã bảo quản khí hoá lỏng trong nền đất đông cứng. Phơng pháp này tỏ ra có hiệu quả kinh tế. Bình chứa đặt trong nền đất đông cứng đã sử dụng có sức chứa lên tới 40.000 m 3 . Khí hoá lỏng từ dầu thô LPG (Liquefied Petroleum Gas) có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển cao hơn nhiều. Khí PLG là sản phẩm thu đợc khi chế biến dầu thô và bao gồm chủ yếu các thành phần propan, n- butan và isobutan. Các chất này là thể khí ở nhiệt độ môi trờng nhng chỉ cần nén lên áp suất vừa phải là chúng đã hoá lỏng vì nhiệt độ tới hạn của chúng lớn hơn nhiệt độ môi trờng nhiều. Các khí lỏng cũng đợc bảo quản và vận chuyển bằng các bình. Ngày nay ngời ta gọi nhiều khí có nhiệt độ tới hạn cao hơn nhiệt độ môi trờng, khi đợc hoá lỏng là khí hoá lỏng nh amôniắc, butadien, clo vv Trong một bình kín chứa khí lỏng, hơi và lỏng ở trạng thái cân bằng, bởi vậy áp suất trong bình phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Trong khi vận chuyển khí lỏng ngời ta phân biệt ba loại áp suất: áp suất đầy, áp suất giảm và áp suất khí quyển. Chuyên chở với áp suất đầy nghĩa là các chai không đợc làm lạnh, áp suất trong chai là áp suất bão hoà tơng ứng với nhiệt độ môi trờng. Các chai thờng đợc thiết kế cho áp suất cao nhất lên tới 17 bar, nghĩa là khi chuyên chở propan, nhiệt độ ngoài trời có thể lên tới khoảng 45 o C. Hình dáng của các bình chứa rất khác nhau nhng thông thờng có dạng hình trụ nằm hoặc đặt đứng (đặt trong các khoang tàu thuỷ), đôi 18 khi cả hình cầu. Các bình chứa này rất nặng nên thờng đợc chế tạo không quá 1000 Tấn. Chuyên chở với kiểu áp suất giảm thuận lợi hơn vì áp suất trong bình không quá cao nhng phải có hệ thống làm lạnh kèm theo. Các bình khí hoá lỏng đợc làm lạnh đến một nhiệt độ thuận lợi nào đó để áp suất trong bình không quá cao. Do đợc làm lạnh nên các bình chứa này phải đợc bọc cách nhiệt để giữ lạnh. Do khối lợng riêng ở nhiệt độ thấp lớn hơn nên với cùng thể tích bình, phơng pháp áp suất giảm chứa đợc nhiều khí hoá lỏng hơn. Các bình chứa áp suất giảm đợc thiết kế cho áp suất tối đa 10 bar. Nhiệt độ thấp nhất cho phép tuỳ theo vật liệu chế tạo mà tiêu chuẩn cho phép. Do có tổn thất qua lớp cách nhiệt của bình nên để duy trì áp suất bình cần trang bị hệ thống lạnh hoặc tiến hành tái làm lạnh khí hoá lỏng nh hình 1-3. 3 1 2 4 1- Bình chứa khí hoá lỏng; 2- Máy nén; 3- Bình tái ngng tụ; 4- Van tiết lu Hình 1-3: Sơ đồ tái hoá lỏng khí thiên nhiên Trên sơ đồ này, phần lỏng đã hoá hơi đợc máy nén 2 hút về và nén lên áp suất và nhiệt độ cao, sau đó đa vào bình tái ngng tụ 3 để ngng lại thành lỏng, lỏng đợc tiết lu để giảm áp suất và nhiệt độ xuống áp suất nhiệt độ trong bình. Để tránh làm bẩn khí lỏng ở bình 1 do dầu bôi trơn máy nén lẫn vào, ngời ta sử dụng máy nén không cần dầu bôi trơn. Đề phòng trờng hợp có khí không ngng trong bình chứa cần có thiết bị xả khí không ngng. 19 Chuyên chở khí lỏng với áp suất khí quyển cũng còn đợc gọi là chuyên chở khí lỏng đợc làm lạnh hoàn toàn. áp suất trong bình chỉ cao hơn áp suất khí quyển tối đa là 0,3 bar. Nhiệt độ của khí hoá lỏng trong bình gần bằng nhiệt độ bão hoà theo áp suất khí quyển hay nhiệt độ sôi ở áp suất thờng bởi vậy bình chứa cần đợc bọc cách nhiệt tốt. Do không chịu áp lực nên vách bình không cần dày và hình dáng có thể tuỳ theo kho chứa hoặc khoang tàu thuỷ. Thực tế cho thấy máy lạnh lắp đặt trên tàu và cả trên đất liền để làm lạnh một phần hoặc làm lạnh hoàn toàn khí lỏng trong bình chứa tiêu tốn năng lợng lớn hơn nhiều lần phơng pháp tái hoá lỏng. Để làm lạnh khí lỏng đến -50 o C cần một máy lạnh hai cấp với khí lỏng đồng thời làm môi chất lạnh. Khi chuyên chở êtylen lỏng ở nhiệt độ -100 o C cần trang bị một máy lạnh ghép tầng, tầng dới lấy êtylen và tầng trên lấy R 22 làm môi chất lạnh. Nếu chọn R13B1 thì bình bay hơi ghép tầng không phải làm việc với áp suất chân không. 1.2.3 ứng dụng trong điều hoà không khí Ngày nay kỹ thuật điều hoà đợc 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 đợc sử dụng để xử lý nhiệt ẩm không khí trớc khi cấp vào phòng. Máy lạnh không chỉ đợc sử dụng để làm lạnh về mùa hè mà còn đợc đảo chiều để sởi ấm mùa đông. Điều hoà không khí đợc sử dụng với 2 mục đích: - Phục vụ cuộc sống tiện nghi của con ngời (Hệ thống điều hoà trong đời sống, dân dụng). - Phục vụ các quá trình sản xuất (Hệ thống điều hoà công nghiệp). 1.2.3.1. Các hệ thống điều hoà trong đời sống dân dụng Hiện nay các hệ thống điều hoà đợc sử dụng rất rộng rãi ở các hộ gia đình, trong các công sở, cơ quan, nhà máy, xí nghiệp, khách sạn, ngân hàng, nhà thi đấu thể thao, hội trờng, rạp chiếu bóng, rạp hát vv nhằm phục vụ cuộc sống tiện nghi của con ngời. Nhiệt độ thích hợp đối với con ngời là khoảng từ 22 o C đến 29 o C. Tuy nhiên khí hậu quanh năm luôn luôn thay đổi, mùa hè nớc ta nhiều nơi nhiệt độ có thể đạt 40 o C. Làm việc trong những điều kiện 20 nh vậy rất khó chịu và ảnh hởng nhất định đến hiệu quả và chất lợng công việc. Ngợc lại mùa đông, nhiệt độ có thể hạ xuống 10 o C. Hiện nay ngời ta sử dụng nhiều hệ thống điều hoà khác nhau trong đời sống nh: Máy điều hoà dạng cửa sổ, máy điều hoà 2 mãnh, máy điều hoà kiểu VRV, máy điều hoà làm lạnh bằng nớc và máy điều hoà trung tâm. Đối với các hộ gia đình, thích hợp nhất là các máy điều hoà công suất nhỏ nh loại cửa sổ và máy điều hoà 2 mãnh. 1.2.3.2. Các hệ thống điều hoà trong công nghiệp Trong nhiều ngành công nghiệp để sản xuất ra các sản phẩm có chất lợng kỹ thuật cao đòi hỏi phải duy trì nhiệt độ, độ ẩm trong một giới hạn nhất định. Ví dụ nh trong ngành cơ khí chính xác, thiết bị quang học, trong công nghiệp bánh kẹo, trong ngành điện tử vv Trong các ngành công nghiệp nhẹ điều hoà không khí cũng đợc sử dụng nhiều nh trong công nghiệp dệt, công nghiệp thuốc lá vv Mỗi loại sản phẩm đòi hỏi sản xuất trong những điều kiện nhiệt độ, độ ẩm khác nhau, ví dụ nh: - Kẹo sôcôla: 7 ữ 8 o C - Kẹo cao su: 20 o C - Bảo quản rau quả : 10 o C - Đo lờng chính xác: 20 ữ 24 o C - Công nghiệp dệt: 20 ữ 32 o C - Chế biến thực phẩm: Nhiệt độ càng thấp càng tốt, khoảng 5ữ10 o C Các hệ thống điều hoà không khí trong công nghiệp chủ yếu là các hệ thống công suất lớn nh kiểu VRV, máy điều hoà làm lạnh bằng nớc và máy điều hoà trung tâm. 1.2.4 ứng dụng trong siêu dẫn Một ứng dụng rất quan trọng của kỹ thuật lạnh là sử dụng trong kỹ thuật siêu dẫn. Ngời ta nhận thấy khi làm lạnh các chất dẫn điện xuống nhiệt độ rất thấp thì điện trở của nó bằng 0. Thông thờng nhiệt độ đó rất thấp. Khi dây đạt đợc nhiệt độ siêu dẫn thì có thể sử dụng vật liệu dẫn điện mà không gây ra tổn thất điện năng trên đờng dây. Trong trờng hợp đó có thể ứng dụng để tạo ra các nam châm cực lớn trong các máy 21 . ngời ta thờng sử dụng 3 phơng pháp sau đây. a) Dùng gas nóng: Phơng pháp này rất hiệu quả vì quá trình cấp nhiệt xả băng thực hiện từ bên trong. Tuy nhiên, phơng pháp xả băng bằng gas nóng. lạnh nhỏ các dàn lạnh thờng sử dụng phơng pháp xả băng bằng điện trở. Cũng nh phơng pháp xả băng bằng nớc phơng pháp dùng điện trở không sợ ngập lỏng. Mặt khác xả băng bằng điện trở không làm. hoạt động, khi xả băng quá trình sôi trong dàn lạnh xãy ra mãnh liệt có thể cuốn theo lỏng về máy nén. Vì thế chỉ nên sử dụng trong hệ thống nhỏ hoặc hệ thống có bình chứa hạ áp. b) Xả băng