94 Chương 9 CÁC HỆ THỐNG LÀM LẠNH 9.1. KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG LÀM LẠNH Khi nhiệt độ của môi trường xung quanh cao thì phần lớn các thực phẩm (thịt, cá, trứng, rau, quả và v.v.) nhanh bị hư hỏng. Những thực phẩm như thế gọi là mau hỏng. Các thực phẩm bị hỏng do sự phân hủy của các thành phần của chúng (hydrat các-bon, p-rô-tít, mỡ), sự phân hủy lại được tạo điều kiện do vi khuẩn và nấm mốc ở môi trường xung quanh cũng như ở trên bề mặt và trong lòng thực phẩm. Để thực phẩm tránh bị thiu, người ta sử dụng tác dụng của bảo quản lạnh, mà thực chất của vấn đề là ở chỗ, ở nhiệt độ thấp, vi khuẩn và các nấm mốc làm chậm lại sự hoạt động của chúng và hầu như không sinh sôi nữa. Lạnh trên tàu được tạo ra do các máy lạnh. Chúng được trang bị cho tất cả các tàu đông lạnh. Ngoài các tàu đông lạnh, lạnh còn được sử dụng trên các tàu khác, đặc biệt là tàu khách, khi dự trữ thực phẩm cho thủy thủ và hành khách trong các khoang thực phẩm, các tủ và để làm nước đá (trên một số tàu). Để làm điều này, người ta sử dụng các thiết bị nhỏ hơn (kiểu tàu đặc biệt hoặc thương nghiệp) và các tủ lạnh sinh hoạt. Các máy lạnh cũng được dùng trong các thiết bị điều hòa không khí. Máy lạnh và hệ thống lạnh cùng nhau tạo thành thiết bị lạnh. Đôi khi tổ hợp này được gọi là hệ thống làm lạnh. Chất lượng các thực phẩm mau hỏng và thời gian bảo quản cho phép của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm tương đối và tần số thay đổi không khí của buồng. Chỉ tiêu nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí cũng như số lần thay đổi yêu cầu của nó đối với các buồng lạnh dưới tàu được đưa ra ở dạng bảng của Qui phạm. 9.2. CÁC MÁY LẠNH 95 Các máy lạnh tạo ra lạnh nhờ năng lượng đưa vào từ bên ngoài hoặc là ở dạng nhiệt hoặc dạng công. Tất cả các máy lạnh có thể được chia thành 3 kiểu chính: máy nén (không khí và hơi làm việc dựa vào các chất lỏng dễ sôi), hấp thụ và phụt. Các kiểu máy nén khí làm việc dựa vào việc dùng cơ năng, kiểu hấp thụ và kiểu phụt - dựa vào năng lượng nhiệt. Hiện nay, trên tàu người ta hay sử dụng các máy lạnh kiểu máy nén khí, là do nó tính kinh tế cao. Các bộ phận cơ bản của máy lạnh là: máy nén khí K, bình ngưng KD, van tiết lưu PB, và dàn bay hơi I. Máy làm việc như sau, máy nén khí K hút hơi bão hòa khô của công chất từ dàn bay hơi đến theo đường 8 và nén chúng. Nhờ nó áp suất của hơi tăng và chúng bị quá nhiệt. Hơi quá nhiệt bị đẩy, nhờ máy nén, vào bình ngưng theo đường 9, ở đó nước tuần hoàn lấy nhiệt của chúng đi. Kết quả là hơi quá nhiệt chuyển thành hơi bão hòa và sau đó ngưng tụ. Từ bầu ngưng KD, công chất lạnh lỏng đi đến van tiết lưu PB theo đường 3, khi đi qua đó nó bị tiết lưu. Quá trình tiết lưu kèm theo sự giảm áp suất của các phần tử hơi của nó. Nhiệt độ chất lỏng hạ và đạt tới nhiệt độ tương ứng với áp suất đã được đặt sau van tiết lưu. Ở nhiệt độ không đổi, bộ phận chủ yếu của nó bay hơi ở dàn bay hơi I, tức là biến thành hơi bão hòa. Nhiệt lượng, cần thiết để làm bay hơi công chất lạnh, nhận được từ nước muối choán quanh ống ruột gà của dàn bay hơi I. Hơi bão hoà khô lại theo đường 8 vào máy nén khí K v.v. tạo thành một chu trình kín. Hình 9.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống làm lạnh bằng máy nén khí. KD - bình ngưng; K - máy nén khí; I - dàn bay hơi; OP - buồng cần làm lạnh; PB - van tiết lưu 96 1 - đường dẫn nước ra; 2 - đường nước dẫn vào; 3 - đường nước nóng; 4 - đường nước lạnh; 5 - đường nước muối lạnh; 6 - bơm nước muối; 7 - đường nước muối nóng; 8 - hơi lạnh; 9 - hơi quá nhiệt. Nước muối bị làm lạnh ở dàn bay hơi I đi qua đường 5 được bơm 6 chuyển qua các ống ruột gà nằm ở trong buồng lạnh OP, sau khi lấy được một lượng nhiệt nào đó từ không khí của buồng, ở dạng đã bị hâm nóng, nó lại quay trở lại dàn bay hơi theo đường 7, tại đây nó tỏa nhiệt cho dàn bay hơi, lạnh xuống một nhiệt độ nào đó, lại theo đường 5, bơm 6 v.v. tạo thành một chu trình kín thứ hai. Để làm công chất lạnh trong các máy kiểu nén hơi (khí), cách đây không lâu người ta vẫn dùng a-mô-ni-ắc. Đây là khí không màu, nó nhẹ hơn không khí và có mùi khẳn đặc trưng, a-mô-ni-ắc rẻ và có các tính chất nhiệt động tốt (các áp suất vừa phải và sản lượng lạnh thể tích đơn vị lớn). Tuy nhiên, nó rất độc và dễ nổ ở giới hạn nồng độ thể tích 16 25%, cùng với điều trên, a-mô-ni-ắc không ăn mòn đối với kim loại đen nhưng nó ăn mòn khi có mặt của hơi, kẽm, đồng, đồng thanh và các hợp kim đồng khác, trừ đồng thanh phốt pho rơ. Hiện nay ở các máy lạnh kiểu nén hơi, người ta sử dụng rộng rãi Freon -12. Đây là khí nặng không hại, không có mùi, không màu, không cháy và không nổ, tuy nhiên khi có ngọn lửa hở một phần phân hủy và tạo thành phốt-gien. Freon trung tính với kim loại nhưng hòa tan các chất hữu cơ khác nhau. Nhiệt độ hóa hơi của freon nhỏ hơn của a-mô-ni-ắc, do đó kích thước các máy freon - ở các điều kiện khác là như nhau, lớn hơn khoảng 40% các máy a-mô-ni-ắc. Thiếu sót cơ bản của freon là khả năng dò lọt cao qua những chỗ không kín nhỏ nhất, thậm chí qua các lỗ rỗ. Freon - 22 ngày càng được sử dụng rộng rãi, nó kết hợp được các ưu điểm tốt của a-mô-ni-ắc và freon - 12. Nhưng nhược điểm là freon - 12 và đặc biệt freon - 22 là các công chất rất đắt. 9.3. CÁC KIỂU HỆ THỐNG LÀM LẠNH Để làm lạnh các hầm hàng lạnh và buồng thực phẩm, người ta sử dụng các hệ thống sau: làm lạnh trực tiếp, nước muối, không khí và hỗn hợp. Ở hệ thống làm lạnh trực tiếp, ở trong buồng người ta đặt một bộ ống để làm dàn bay hơi. Công chất lạnh lỏng, đi qua chúng bay hơi do nhiệt của không khí buồng. Kết quả là nhiệt độ không khí trong đó giảm. 97 Ưu điểm cơ bản của hệ thống làm lạnh trực tiếp là: - Kết cấu của thiết bị lạnh đơn giản và có khối lượng nhỏ tối thiểu (không đòi hỏi có dàn bay hơi, các bơm và các trang thiết bị khác để làm lạnh và bơm cấp nước muối). - Sản lượng lạnh của 1 kg công chất lỏng (khi nó bay hơi) lớn đáng kể so với sản lượng lạnh của 1 kg nước muối, nên người ta sử dụng các đường ống có tiết diện nhỏ hơn ống nước muối. Còn các nhược điểm của hệ thống lạnh trực tiếp phải được kể đến là tính chất phức tạp của việc phân chia công chất theo các bộ ống vào các buồng. Ngoài ra, khả năng rò lọt công chất lạnh vào các buồng và hầm có các sản phẩm. Ở hệ thống nước muối (hình 9.1), nước muối được làm lạnh ở dàn bay hơi do công chất lạnh sôi, được cấp bởi bơm đến các bộ tổ ống nước muối (có gân hoặc nhẵn, một hoặc hai dãy) được đặt trong các hầm ở trên mạn, vách ngăn hoặc dưới boong (tổ bộ trần). Để làm nước muối, người ta sử dụng các dung dịch nước muối clo-rua- nát- ri (NaCl), clo-rua-ma-giê (MgCl 2 ), clo-rua-can-xi (CaCl 2 ) và các muối khác, chúng vẫn ở thể lỏng ở nhiệt độ thấp hơn 0 0 C. Trong đó dung dịch NaCl được sử dụng rộng rãi và thường xuyên hơn cả, vì nó có nhiệt độ đông đặc thấp nhất. Nước muối gây gỉ các ống và thiết bị. Đặc biệt hoạt tính là dung dịch NaCl. Để tránh gỉ, từ tính toán, người ta thêm vào nước muối 0,5 kg Na 2 CO 2 ăn da vào 100 kg clo-rua-can-xi (CaCl 2 ) hoặc một lượng 1,6 g phốt-phát-nát-ri (Na 3 PO 4 ) cho 1 lít nước muối. Lưu lượng nước muối (lưu lượng của các bơm nước muối) cần phải làm sao để nhiệt độ của nó trong hầm không tăng quá 2 3 0 C. Ưu điểm của hệ thống làm lạnh bằng nước muối là: - Khả năng tích lũy lớn. - Điều chỉnh chế độ nhiệt trong các hầm đơn giản. - Loại bỏ khả năng rò lọt công chất lạnh vào hầm được làm lạnh. Các thiếu sót của nó phải kể đến là: - Chiều dài và kích thước mặt cắt của ống nước muối lớn. - Cần phải duy trì nhiệt độ sôi thấp hơn 5 0 C so với hệ thống bay hơi trực tiếp ( khi thổi sạch các tổ ống ) hay là so với làm lạnh không khí, điều đó làm giảm sản lượng lạnh đi khoảng 15%. 98 - Cần phải có trang bị bổ sung và mất thêm năng lượng cho bơm nước muối. Ở hệ thống làm lạnh bằng không khí, không khí - được làm lạnh ở các thiết bị làm lạnh không khí riêng, được quạt gió đưa đến hầm, ở đó nó bị làm nóng lên và lại được hút ra bằng quạt gió. Các ưu diểm cơ bản của hệ thống làm lạnh bằng không khí so với các hệ thống đã xét ở trên là: - Các điều kiện tốt cho việc thay đổi không khí các hầm và khả năng điều chỉnh độ ẩm của không khí trong các hầm, điều đó bảo đảm các điều kiện vệ sinh tốt nhất để bảo quản hàng. - Khối lượng và giá thành ban đầu của thiết bị nhỏ hơn, mất các ống kim loại quí ít hơn. Các nhược điểm cơ bản của làm lạnh bằng không khí là: - Không có sự tích lũy lạnh trong hệ thống. - Chi phí năng lượng cần để quay các quạt gió cao. - Sản lượng lạnh yêu cầu của thiết bị tăng vì sự rò lọt của không khí lạnh ra khỏi hầm tăng và hút vào không khí khí quyển nóng. Ở hệ thống làm lạnh hỗn hợp, trong các hầm người ta đặt tổ bộ nước muối và dẫn các kênh dẫn không khí, nó bảo đảm tính mềm dẻo cho sự làm việc của hệ thống, vì trong trường hợp này nó có khả năng tích lũy và có thể điều chỉnh độ ẩm không khí trong hầm. Tuy nhiên, ở hệ thống làm lạnh hỗn hợp, thiết bị lạnh phức tạp hơn, do vậy nó ít được sử dụng. Như đã nhận xét ở trên, các freon trung tính đối với kim loại. Các đường ống freon được làm bằng các ống thép các-bon không mối nối. Khi đường kính ống tới 20 mm, người ta dùng các ống đồng. Thiết bị được làm bằng thép các-bon hoặc hợp kim màu. Vì các freon có khả năng hòa tan các chất hữu cơ khác nhau, nên để làm vòng đệm của các đường ống freon, người ta dùng paronit (cao su a-mi-ăng) hoặc xe-va-nit (cao su chịu xăng dầu). Đối với các đường ống nước muối, người ta dùng các ống bằng thép các-bon không mối nối có tráng kẽm bên ngoài, các thiết bị cũng làm từ thép các-bon. 9.4. CÁCH NHIỆT CÁC BUỒNG LẠNH Với mục đích giảm nạp nhiệt vào các buồng được làm lạnh, người ta trang bị cách nhiệt tin cậy và hiệu quả. Sự giảm dòng nhiệt nạp vào cũng có khả năng bằng 99 cách bố trí các hầm của tàu đông lạnh ở trong thân tàu, nhờ đó mà phần lớn bề mặt trao đổi nhiệt nằm ở dưới đường nước. Cũng vì nguyên nhân này mà các buồng thực phẩm trên các tàu khách và các tàu khác, thường xuyên hơn cả được bố trí ở phần hầm, mà không ở trên thượng tầng. Các vật liệu cách nhiệt được chia ra thành vô cơ (khoáng vật và phớt, sợi thủy tinh và v.v.) và hữu cơ (lie, nhựa xốp v.v.). Chúng được sản xuất ở dạng tấm, vỏ (để cách nhiệt các đường ống), kích thước và chiều dày khác nhau. Các vật liệu cách nhiệt có hiệu quả cao và triển vọng nhất là nhựa xốp (nhựa xốp hình tấm có các mác PC-1, PC-4, PXB-1,, PC-5 và v.v.). Giá thành của chúng vẫn tương đối cao (ở mức độ cao hơn giá thành cách nhiệt lie), nhưng ở mức độ mở rộng sản xuất các nhựa xốp thì giá thành sẽ giảm. Cách nhiệt xốp polyuretan rất tiện lợi, nó nhận được bằng cách đổ vào không gian được cách nhiệt hỗn hợp ban đầu hoặc bằng cách phun bụi, nhờ đó mà bớt được công việc lắp ráp khó khăn. Nó được sử dụng rộng rãi trong ngành đóng tàu. Cấu tạo kết cấu của vách cách nhiệt đặc biệt đa dạng. Tuy vậy, tất cả các kết cấu của nó có thể chia thành các loại cơ bản sau đây (hình 9.2) bình thường, có lớp đệm không khí, có sự tán (chồn) hoặc có bọc qua các thép hình của khung xương. Thông thường hơn cả, để cách nhiệt các mạn và boong, người ta dùng kết cấu bình thường, nó cho phép tăng thể tích có ích của hầm. Kết cấu cách nhiệt có các chồn được dùng chủ yếu trong trường hợp khi vỏ tàu có các thép định hình của khung xương cao (trên các tàu đông lạnh sông, người ta cũng cách nhiệt cả các sườn, các xà ngang v.v.). Để cách nhiệt đáy tàu, thường người ta sử dụng kết cấu có lớp đệm không khí, vì rằng nước được tập trung lại trong đấy. Đôi khi người ta thiết kế cách nhiệt nó có thể tháo được ở dạng các tấm bảng có thể tháo ra làm bằng các khung gỗ có đổ đầy cách nhiệt. Trên toàn bộ chu vi của đáy ở khu vực có tổ bộ ống nước, người ta làm các lỗ xả nước để chảy nước về hệ thống hút khô. 100 Hình 9.2. Kết cấu của vách cách nhiệt a - dạng bình thường; b - dạng có lớp đệm không khí; c - dạng lớp bọc. Người ta bảo vệ vật liệu cách nhiệt khỏi hơi nước bằng các vật liệu không thấm nước. Thuộc loại này có bitum, xi và nhũ tương bitum, các keo đặc biệt (izolit, iditol- nhựa fenol formaldehit, và v.v.) và các vật liệu dạng cuộn như: giấy da cừu (còn gọi là pecgamin - để chống thấm), giấy dầu, bìa amiăng cách nước và v.v. Mục đích bảo vệ cách nhiệt khỏi động vật gậm nhấm, người ta vây cách nhiệt bằng các lưới kim loại. Các hệ cột chống lớn và các ống được cách nhiệt nhờ có vỏ và lấp đầy cách nhiệt, đôi khi nhờ phớt khoáng vật (loại vật liệu cách nhiệt) và cô-xma, các lưới kim loại, các chất bọc (trát), vỏ gỗ hoặc duyara (đối với hệ cột chống) và vải đay thô được quét sơn dầu (đối với ống). 9.5. THIẾT BỊ LÀM LẠNH KIỂU NÉN KHÍ TỰ ĐỘNG CÓ HỆ THỐNG LÀM LẠNH NƯỚC MUỐI Trên các tàu sông, người ta sử dụng các thiết bị lạnh điều khiển tay (tàu cũ), một phần và hoàn toàn tự động hóa. Tự động hóa sự làm việc của thiết bị lạnh so với sự điều khiển bằng tay là quá trình khó khăn và phức tạp, đòi hỏi trình độ cao và nhiều kinh nghiệm của nhân viên phục vụ, tự động hóa có những ưu điểm sau: 101 - Duy trì được nhiệt độ trong buồng lạnh chính xác hơn, nghĩa là, sản phẩm hàng hóa được bảo quản tốt hơn. - Chi phí khai thác nhỏ hơn do giảm biên chế nhân viên phục vụ và nhờ sự làm việc ổn định của thiết bị ở chế độ kinh tế (tiết kiệm). - Tự động bảo vệ hệ thống khỏi sự cố một cách tin cậy. - Có thể điều khiển từ xa sự làm việc của thiết bị lạnh. Ở các hệ thống được tự động hóa hoàn toàn, tất cả các quá trình đều được điều chỉnh tự động, còn nhân viên phục vụ chỉ kiểm tra định kỳ sự làm việc của chúng. Hình 9.3. Sơ đồ thiết bị lạnh kiểu nén hơi có hệ thống làm lạnh bằng nước muối. Sơ đồ thiết bị lạnh kiểu nén hơi có hệ thống làm lạnh nước muối được trình bày trên hình 9.3. Công chất lạnh là freon. Máy lạnh là một tổ hợp gồm có máy nén piston chạy bằng điện K, bầu ngưng KD, dàn bay hơi I và van tiết lưu PB. Trên ống đi từ máy nén đến bầu ngưng, người ta đặt thiết bị tách dầu nhờn MO để làm sạch freon khỏi dầu bị đem theo từ máy nén ra. Trên ống nối bầu ngưng với dàn bay hơi, có lắp phin lọc . Sự tuần hoàn của nước muối trong hệ thống lạnh được bảo đảm nhờ bơm điện nước muối PH. 102 Việc cấp nước ngoài mạn vào bầu ngưng được điều chỉnh nhờ van 1, nó duy trì sự ổn định của áp suất cần thiết để ngưng tụ freon. Khi áp suất ngưng hạ, nó giảm lưu lượng nước, còn khi tăng - lưu lượng nước cũng tăng. Van thông với công tắc áp suất cực đại 2, nhờ nó mà khi có sự tăng áp suất mạnh đột ngột của máy nén khí, sẽ được tự động ngắt, đồng thời gây tín hiệu âm thanh và ánh sáng 3. Khi áp suất giảm đến định mức, máy nén được bật tự động hoặc bằng tay. Để kiểm soát nhiệt độ hơi freon, người ta đặt cảm biến nhiệt 6, nối với công tắc áp suất cực tiểu 5. Phương tiện bảo vệ khác là công tắc áp suất cực đại nằm ở đường ống nước áp lực. Khi xảy ra sai lệch khỏi chế độ làm việc đã định, những dụng cụ này bảo đảm việc dừng máy nén. Kiểm soát nhiệt độ không khí trong buồng được thực hiện nhờ cảm biến 10, nó nối với rơ-le 8 điều khiển sự làm việc của van điện từ 11 trên đường ống nước muối. Nếu nhiệt độ không khí trong hầm thấp hơn giới hạn yêu cầu, van 11 đóng và ngăn lối vào của nước muối vào tổ bộ ống 9 làm lạnh hầm. Khi nhiệt độ không khí trong hầm tăng tới giới hạn trên đã định, do các dòng nhiệt nạp vào, thì van 11 lại được mở. Nhiệt độ nước muối được điều chỉnh nhờ cảm biến nhiệt 14 nối với bình cầu nhỏ 13, cái này khi ở trị số nhiệt độ tối thiểu của nước muối, sẽ tạo ra xung để tắt động cơ điện của máy nén. Khi máy nén dừng, bơm nước muối tiếp tục làm việc. Khi nhiệt độ nước muối đạt đến giới hạn trên đã định, các dụng cụ 13 và 14 , qua lưới điện, tự động bật máy nén. Bơm nước muối tự động tắt khi nhiệt độ của không khí trong hầm đạt đến giá trị đã cho. Ở giới hạn trên của nó, rơ-le 8 qua bàn điều khiển 4 cho van 11 xung và đồng thời bảo đảm dừng động cơ điện của bơm nước muối. Với mục đích cắt tổ bộ ống nước muối, trên các ống nhánh đi ra từ đường ống nước muối 15, người ta đặt các van chặn 7. Ngoài ra, trên mỗi nhánh có phin lọc muối 12. Khi cần thiết, điều khiển thiết bị có thể thực hiện bằng tay từ bàn điều khiển 4. . ngăn hoặc dưới boong (tổ bộ trần). Để làm nước muối, người ta sử dụng các dung dịch nước muối clo-rua- nát- ri (NaCl), clo-rua-ma-giê (MgCl 2 ), clo-rua-can-xi (CaCl 2 ) và các muối khác, chúng. ăn da vào 100 kg clo-rua-can-xi (CaCl 2 ) hoặc một lượng 1,6 g phốt-phát-nát-ri (Na 3 PO 4 ) cho 1 lít nước muối. Lưu lượng nước muối (lưu lượng của các bơm nước muối) cần phải làm sao để. kín. Hình 9. 1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống làm lạnh bằng máy nén khí. KD - bình ngưng; K - máy nén khí; I - dàn bay hơi; OP - buồng cần làm lạnh; PB - van tiết lưu 96 1 - đường dẫn