BÁO cáo môn học kỹ thuật lạnh ứng dụng hệ thống lạnh hai cấp nén

Hinh 2-1: chu trình hai cấp nén, một tiết lưu làm mát trung gian không hoàn toàn NHA: máy nén hạ áp NCA: máy nén cao áp MTG: thiết bị làm mát trung gian... Hơi ở thiết bị bay hơi ra có t

BÁO CÁO MÔN HỌC KỸ THUẬT LẠNH ỨNG DỤNG

Đề tài :

HỆ THỐNG LẠNH HAI CẤP NÉN

GVHD: TRẦN XUÂN AN

SVTT: 1 LÊ CÔNG ĐÔNG

2 NGÔ QUỐC HUY

3 NGUYỄN THÀNH LONG

4 TRƯƠNG CHÍ TRUNG

5 NGUYỄN VĂN NAM

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

LỜI MỞ ĐẦU

Từ xa xưa con người đã biết làm lạnh và sử dụng lạnh với nhiều cáchkhác nhau Nghành khảo cổ học đã phát hiện ra những hang động cómạch nước ngầm nhiệt độ thấp chảy qua dùng để chứa thực phẩm vàlương thực khoảng 5000 năm trước.

Các tranh vẽ trên tường trong các kim tự tháp ai cập cách đây khoảng

2500 năm đã mô tả cảnh nô lệ quạt các bình gốm xốp cho nước bay hơilàm mát không khí Cách đây 2000 năm người ấn độ và trung quốc đãbiết trộn muối vào nước hoặc nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn

Thế kỷ 19 là thời kì phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật lạnh Năm 1823FARADAY bắt đầu công bố về hóa lỏng khí Năm 1834 J.PERKINS đãđăng kí bằng phát minh đầu tiên về máy lạnh nén hơi với đầy đủ cácthiết bị như một máy lạnh nén hơi hiện đại…

Ở nước ta ngành lạnh phát triển mạnh vào sau chiến tranh thế giới thứhai nó phát triển cúng với công cuộc xây dựng chủ nghĩa xã hội và từ đó

có rất nhiều máy lạnh ra đời như máy lạnh hấp thụ, máy lạnh ejector…

và có nhiều loại máy nén củng ra đời như máy nén pit tông, náy nén litâm, máy nén roto… được sử dụng nhiều trong bảo quản thực phẩm

Để đáp ứng nhu cầu phát triển của đất nước ngành công nghệ chế biềnthực phẩm ra đời để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng và đảm bảocho việc xuất khẩu các loại thủy hải sản và thịt sản phẩm của các loạiđộng vật

Nước ta đang tiến hành công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước để pháttriển kịp các nước trong khu vực và trên thế giới nhất là trong việc xuấtkhẩu các mặt hàng tươi sống và các loại thủy hải sản

Do đó chúng em đang sống thời kì đất nước đang bước vào thời kì pháttriển nên những sinh viên ngành Công Nghệ Điện Lạnh chúng em cũngphải cố gắng hết sức để đưa nghành công nghệ nhiệt lạnh nước ta đi lên

và phát triển

Trong bài báo cáo do trình độ còn hạn chế nên còn nhiều thiếu thiếusót.mong được sự chỉ dạy thêm của thầy

CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG LẠNH HAI CẤP NÉN

Định nghĩa: hệ thống lạnh hai cấp là hệ thống lạnh thực hiện việc

nén môi chất ở hai cấp áp suất, hơi mô chất được cấp hạ áp nén lên thiết

bị trung gian và hơi trung áp tiếp tục được nén lên thiết bị ngưng tụ

 Hệ thống lạnh hai cấp nén có thể thực hiện theo hai cách:

 Dùng hai máy nén một cấp riêng biệt: máy nén cùng thấp áp, máynén cao áp

 Dùng một máy nén hai cấp có hai cấp nén trong một cacte

 Đối vớimáy nén pittông tỉ số nén càng cao, thì hệ số cấp càng nhỏ, nhiệt độ cuốiquá trình nén càng cao, nhất là đối với môi chất amôniac Như vậy, tỉ sốnén cao dẫn đến những điều kiện làm việc không thuận lợi của máy nén.Khi tỉ số nén lớn hơn 9 đối với NH3 hoặc 13 đối với freon phải chuyểnchu trình một cấp nén sang hai hoặc nhiều cấp nén có làm mát trunggian Tuy vậy việc lựa chọn 1 hoặc hai cấp nén còn phụ thuộc vào nhiềuđiều kiện của từng trường hợp cụ thể vì một cấp nén ngược lại có ưuđiểm so với 2 cấp nén là đơn giản, dễ sử dụng, ít thiết bị và giá thành rẻ

hơn Đây cũng là bài toán tối ưu về kinh tế, nhưng nếu chọn máy nénmột cấp cần phải khống chế chế độ làm việc của máy nén và các thiết bịkhông vượt quá những giới hạn cho phép về nhiệt độ, độ bền và an toàn

do đơn vị chế tạo quy định

Có rất nhiều chu trình hai cấp nén với cách bố trí thiết bị khác nhau ởđây, giới thiệu một số chu trình 2 cấp nén cơ bản và thông dụng

CHƯƠNG II: CHU TRÌNH HAI CẤP NÉN

I/ Chu trình hai cấp làm mát tung gian không hoàn toàn, một tiết lưu:

Đây là chu trinh hai cấp nén đơn giản nhất quá trình ngưng tụ tiết lưu vàbay hơi giống như một cấp Riêng quá trình nén được bố trí làm hai cấp

có thiết bị làm mát trung gian

Hinh 2-1: chu trình hai cấp nén, một tiết lưu làm mát trung gian không hoàn toàn

NHA: máy nén hạ áp NCA: máy nén cao áp MTG: thiết bị làm mát trung gian

Hơi ở thiết bị bay hơi ra có trạng thái bảo hoà 1 được máy nén hạ áp nénđoạn nhiệt đẳng entropy thành hơi quá nhiệt trung áp (trạng thái 2), sau

đó được làm mát trong thiết bị làm mát trung gian ở điều kiện áp suấtkhông đổi làm giảm nhiệt độ của hơi quá nhiệt nhưng trạng thái khôngthay đổi (trạng thái 3) có nhiệt độ bằng nhiệt độ ngưng tụ Tk, sau đó đượcmáy nén cao áp thực hiện quá trình nén đoạn nhiệt đẳng entropy thànhhơi quá nhiệt cao áp (trạng thái 4) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ thựchiện quá trình trao đổi nhiệt với môi trường biến thành lỏng, lỏng này đivào van tiếp lưu thực hiện quá trình tiết lưu đẳng enthanpy thành hơi bảohoà ẩm Hơi này đi vào thiết bị bay hơi và hoá hơi ở áp suất thấp, thunhiệt của chất tải lạnh hoặc môi trường lạnh, áp suất trung gian ptg

thường được xác định theo công thức sau :

Ptg = √Po Pk

Đó cũng là áp suất tối ưu xét về mặt nhiệt động So với chu trình mộtcấp nén, ưu điểm chính của chu trình này là công tiêu tốn giảm đi mộtkhoảng ∆ l bằng diện tích 2-2’-4-3; trên đồ thị T-S Công tiêu tốn cho quátrình này là :

l = (h2 - h1) + (h4 – h3)năng xuất lạnh :

qo = h1 – h6

các thông số khác xác định giống như chu trình khô một cấp

Do nhiệt độ cuối tầm nén t4 cao nên chu trình này chỉ được sử dụng chomôi chất frêôn

II/ Chu trình hai cấp, hai tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn :

Hình 2-2: chu trình hai cấp nén, hai tiết lưu làm mát trung gian không hoàn toàn

BTG: bình trung gian

Hơi ở trạng thái 1 trên đường bảo hoà (to : po ; x = 1) được máy nén hạ ápnén lên trạng thái quá nhiệt 2 Trong thiết bị làm mát trung gian MTGhơi quá nhiệt được làm mát tới nhiệt độ tk = t6 =t3 ở trạng thái 3 Trênmáy nén hiện đại hai cấp trên một máy người ta không dùng bình MTG

mà bố trí thiết bị tự động phun môi chất lỏng vào để làm mát Hơi quánhiệt ở trạng thái 3 được hoà trộn với hơi bảo hoà tạng thái 8 Sau khihoà trộn, hơi được hút về máy nén cao áp ở trạng thái 4 Đối với nhữngmôi chất có nhiệt cuối quá trình nén thấp như freon người ta không dùngthiết bị làm mát trung gian (MTG) trừ trạng thái 4 hơi được máy néncao áp (NCA) nén lên trạng thái 5 sau đó được làm mát và ngưng tụxuống trạng thái bảo hoà 6 Qua van tiết lưu thứ nhất (TL1) môi chất cótrạng thái 7 Lượng hơi ở trạng thái 8 được đưa ngay về máy nén cao áp

Lượng lỏng ở trạng thái 9 từ bình trung gian (BTG) được tiết lưu (TL2)xuống trạng thái 10 rồi đưa vào thiết bị bay hơi.

So với chu trình 1 cấp,chu trình này có năng suất lạnh riêng tăng thêmmột khoảng ∆qo bằng diện tích 10-7’-12-11 trên đồ thị T-S và công tiêuhao giảm đi một khoảng ∆ l bằng diện tích 2-2’-5-4

Năng suất lạnh riêng của chu trình :

L1 = l1 m4

L2 = l2 m4

Lưu lượng m1 và m4 có thể xác định dễ dàng qua việc cân bằng

nhiệt và cân bằng chất ở bình trung gian

m4 h7 = m8.h8 + m1.h9

m4 = m1 + m8

từ đây ta có thể xác định được :

m1 = m4 h 8−h7 h 8−h 9Mhư vậy hệ số lạnh của chu trình là :

Nhờ entanpy h3 và h8 với m1 và m8 ta có thể xác định được nhiệt độ hoà

trộn t4 và entanpy của điểm 4 là h4 , như vậy tất cả các thông số cần thiết

đã được xác định

Chu trình này có ưu điểm hơn so với chu trình một tiết lưu là tổn haocông nén thấp hơn, năng suất lạnh riêng lớn hơn

Chu trình này chỉ sử dụng cho môi chât freon

III/ Chu trình hai cấp, hai tiết lưu làm mát trung gian hoàn toàn :

Một trong những nhược điểm của chu trình hai cấp làm mát trung giankhông hoàn toàn là trạng thái hơi hút vào máy nén cao áp chưa hạ xuốngđường bảo hoà khô Nhiệt độ cuối quá trình nén cao áp vẫn có khả năngvượt quá giới hạn cho phép, chưa tận dụng hết khả năng giảm công néntới mức tối thiểu Chu trình hai cấp, sau khi làm mát trung gian xuốngnhiệ độ tk sẽ được cho sục thẳng vào bình trung gian Một phần lỏng sautiết lưu được sử dụng để làm mát hoàn toàn hơi hút vào máy nén cao ápxuống đến trạng thái bão hoà khô điểm 8

So với chu trình hai cấp, hai tiết lưu, làm mát trung gian không hoàntoàn (h.2-2) công nén riêng giảm thêm được một khoảng bằng diện tích4’-4’’-5-8 và so với chu trình một cấp công nén giảm một khoảng bằng

diện tích 2-2’-5-8, đây cũng là khoảng công nén ∆ l lớn nhất có thể tiếtkiệm được

Hình 2-3: chu trình hai cấp, hai tiết lưu làm mát trung gian hoàn toàn

Chu trình này được sử dụng nhiều trong thực tế chủ yếu cho NH3 Tổnthất lỏng ở bình trung gian để làm mát hơi từ điểm 4’ xuống điểm 4trùng vó điểm 8 là không đáng kể vì nhiệt ẩn hoá hơi của lỏng lớn hơngiá trị Cph ∆T của hơi quá nhiệt rất nhiều Qua tính toán tối ưu có thểkhẳng định tổn thất lỏng đó nhỏ hơn công tiết kiệm được ở quá trìnhnén

Việc đánh giá ưu nhược điểm của từng chu trình về tất cả các mặt phụthuộc vào việc giải bài toán tối ưu và so sánh các chu trình với nhau

IV/ Chu trình hai cấp, bình trung gian có ống xoắn :

Chu trình này về cơ bản giống chu trình hai cấp, hai tiết lưu làm máttrung gian hoàn toàn Khác biệt cơ bản của nó so với chu trình làm máttrung gian hoàn toàn là dòng môi chất lỏng từ thiết bị ngưng tụ chia ralàm hai nhánh Một nhánh nhỏ qua tiết lưu thứ nhất vào bình trung gian

để làm mát hơi về máy nén cao áp xuống trạng thái bảo hoà khô Cònnhánh chính được dẫn qua ống xoắn của bình trung gian, được làm quálạnh sau đó vào tiết lưu 2 xuống áp suất po để cấp cho dàn bay hơi Nhưvậy năng xuất lạnh của phần lỏng đi qua van tiết lưu 1 chỉ đẻ hạ nhiệt độcủa hơi từ máy nén hạ áp tới nhiệt độ bảo hoà và dung để quá lạnh phầnlỏng trước khi đưa vào van tiết lưu 2 Lỏng tiết lưu từ áp suất pk xuống

áp xuất po chỉ qua van TL2 Nếu thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn llà lýtưởng thì nhiệt độ lỏng ra khỏi ống xoắn (t10) bằng nhiệt độ trung gian ttg

và sau khi tiết lưu đẳng entanpy xuống áp xuất po môi chất xx có trạngthái 11’ Nhưng thực tế có tổn thất trao đổi nhiệ độ thuận nghịch nên nênnhiệt độ lỏng t10 bao giờ cũng lớn hơn ptg từ 3 đến 5k năng suất lạnhriêng thực tế nhỏ hơn năng suất lạnh lý thuyết một khoảng ∆qo = h11- h11’

Hình 2-4: chu trình hai cấp, bình trung gian có ống xoắn

Nhưng chu trình với bình trung gian ống xoắn có ưu thế vận hành la dầubôi trơn từ máy nén hạ áp không đi vào tuyến lỏng để vào thiết bị bayhơi, do đó không làm bám lên thiết bị bay hơi tạo lớp cản trở trao đổinhiệt chu trình này được ứng dụng rông rãi trong thục tế cho môi chất

NH3 tyu phải chịu tổn thất nhỏ về năng xuấ lạnh

V/ Chu trình hai cấp nén, hai chế độ bay hơi :

Về nguyên tắc khi sử dụng chu trình hai cấp nén người ta có thể thựchiện 2 chế độ bay hơi với hai nhiệt độ khác nhau Thiết bị bay hơi ở áp

suất trung gian sẽ được mắc trục tiếp vào bình trung gian Một phần lỏngtrong binh trung gian sử dụng thiết bị bay hơi trung gian.

Hình 2-5: chu trình hai cấp nén, hai chế độ bay hơi

Trên sơ đồ biểu diễn ở hinh 2-5 ta thấy muốn tinh toán đươc chu trình, taphải biết năng suất Qo ở nhiệt độ bay hơi to và năng xuất lạnh Qotg ở nhiệt

độ trung gian ttg Việc xác định hệ số lạnh của sơ đồ này phức tạp Do cóhai năng suất lạnh ở hai cấp nhiệt độ khác nhau nên người ta tính hệ sốlạnh rkiêng cho tung cấp áp suất nhưng rox ràng tính toán như vậy làkhông chính xác Bình thường người ta không xét đến hệ số lạnh trongtrường hợp này Nhiệt độ trung gian theo yêu cầu có thể khác với lýthuyết chu trình này thường được gọi là chu trình Booster

VI/ Chu trình hai cấp, quá lạnh lỏng và hồi nhiệt :

Đây là chu rình hai cấp nén, làm mát trung gian không hoàn toàn, tiếtlưu thẳng từ pk xuống po tiết lưu thứ hai sử dụng môi chất lạnh lỏng bayhơi ở áp suất trung gian làm quá lạnh lỏng, có thiết bị hồi nhiệt giũa hơihút về máy nén hạ áp và lỏng trước khi vào thiết bị quá quá lạnh, chủyếu sử dụng cho môi chất freon

Hình 2-6: chu trình hai cấp, quá lạnh lỏng và hồi nhiệt

Đặc điểm của sơ đồ này là có thiết bị hồi nhiệt và thiết bị quá lạnh lỏngbằng tiết lưu môi chất lỏng xuống áp suất trung gian và thiết bị quá lạnhbằng van tiết lưu nhiệt Sau van tiết lưu TL2 môi chất có trạng thái 9

Khi ra khỏi thiết bị quá lạnh môi chất ở tạng trạng thái hơi quá nhiệt 10.

Độ quá nhiệt 10 được khống chế bằng van tiêt lưu nhiệt TL2

CHƯƠNG III: CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRONG HỆ THỐNG LẠNH HAI CẤP NÉN

VAI TRÒ, VỊ TRÍ THIẾT BỊ PHỤ TRONG HỆ THỐNG LẠNH

Trong hệ thống lạnh các thiết bị chính bao gồm: máy nén, thiết bị ngưng

tụ và thiết bị bay hơi Tất cả các thiết bị còn lại được coi là thiết bị phụ.Như vậy số lượng và công dụng của các thiết bị phụ rất đa dạng, baogồm: bình trung gian, bình chứa cao áp, bình chứa hạ áp, bình tách lỏng,bình tách dầu, bình hồi nhiệt, bình tách khí không ngưng, bình thu hồidầu, bình giữ mức, các thiết bị điều khiển, tự động vv…

Các thiết bị phụ có thể có trong hệ thống lạnh này, nhưng có thể không

có trong loại hệ thống khác, tuỳ thuộc vào yêu cầu của hệ thống

Tuy được gọi là các thiết bị phụ, nhưng nhờ các thiết bị đó mà hệ thốnghoạt động hiệu quả, an toàn và kinh tế hơn, trong một số trường hợp bắtbuộc phải sử dụng một thiết bị phụ nào đó

THIẾT BỊ PHỤ TRONG HỆ THỐNG LẠNH

Thiết bị trung gian

Công dụng chính của bình trung gian là để làm mát trung gian giữa cáccấp nén trong hệ thống lạnh máy nén nhiều cấp.

Thiết bị làm mát trung gian trong các hệ thống lạnh gồm có 3 dạng chủyếu sau:

- Bình trung gian kiểu đặt đứng có ống xoắn ruột gà sử dụng cho NH3 vàfrêôn

- Bình trung gian nằm ngang sử dụng cho Frêôn

- Bình trung gian kiểu tấm bản

Bình trung gian đặt đứng có ống xoắn ruột gà

Bình trung gian có ống xoắn ruột gà ngoài việc sử dụng để làm máttrung gian, bình có có thể sử dụng để :

- Tách dầu cho dòng gas đầu đẩy máy nén cấp 1

- Tách lỏng cho ga hút về máy nén cấp 2

- Quá lạnh lỏng trước khi tiết lưu vào dàn lạnh nhằm giảm tổn thất tiếtlưu

1- Hơi hút về máy nén áp cao; 2- Hơi từ đầu đẩy máy nén hạ áp đến, Tiết lưu vào; 4- Cách nhiệt; 5- Nón chắn; 6- Lỏng ra; 7- ống xoắn ruộtgà; 8- Lỏng vào; 9- Hồi lỏng; 10- Xả đáy, hồi dầu; 11- Chân bình; 12-Tấm bạ; 13- Thanh đỡ; 14- ống góp lắp van phao; 15- ống lắp van AT,

3-áp kế

Hình 1-1 : Bình trung gian đặt đứng

Bình trung gian có cấu tạo hình trụ, có chân cao, bên trong bình bố tríống xoắn làm lạnh dịch lỏng trước tiết lưu Bình có trang bị 02 van phaokhống chế mức dịch, các van phao được nối vào ống góp 14 để lấy tínhiệu Van phao phía trên V1 bảo vệ mức dịch cực đại của bình, nhằmngăn ngừa hút lỏng về máy nén cao áp Khi mức dịch trong bình dângcao đạt mức cho phép van phao tác động đóng van điện từ ngừng cấpdịch vào bình Van phao dưới V2 khống chế mức dịch cực tiểu nhằmđảm bảo các ống xoắn luôn luôn ngập trong dịch lỏng Khi mức dịchdưới hạ xuống thấp quá mức cho phép van phao V2 tác động mở vanđiện từ cấp dịch cho bình Ngoài van phao bình còn được trang bị van antoàn và đồng hồ áp suất lắp ở phía trên thân bình

Ga từ máy nén cấp 1 đến bình được dẫn sục vào trong khối lỏng có nhiệt

người ta khoan nhiều lổ nhỏ để hơi sục ra xung quanh bình đều hơn.Phía trên thân bình có các nón chắn có tác dụng như những nón chắntrong các bình tách dầu và tách lỏng Dòng lỏng tiết lưu hoà trộn với hơiquá nhiệt cuối quá trình nén cấp 1, trước khi đưa vào bình Ống hút hơi

về máy nén cấp 2 được bố trí nằm phía trên các nón chắn Bình trunggian được bọc cách nhiệt, bên ngoài cùng bọc tôn bảo vệ

Bình trung gian kiểu nằm ngang

Các máy lạnh frêôn của hãng MYCOM thường sử dụng bình trung giankiểu nằm ngang Cấu tạo bình trung gian kiểu nằm ngang tương đốigiống bình ngưng tụ, gồm: Thân hình trụ, hai đầu có các mặt sàng, bêntrong là các ống trao đổi nhiệt Nguyên lý làm việc tương tự như bìnhtrung gian kiểu ống xoắn ruột gà Môi chất lạnh lỏng từ bình chứa cao ápđến được đưa vào không gian giữa các ống trao đổi nhiệt và thân bình.Bên trong bình, môi chất lỏng chuyển động theo đường dích dắc nhờ cáctấm ngăn Hơi quá nhiệt từ máy nén cấp 1 đến, sau khi hoà trộn với dònghơi sau tiết lưu đi vào bên trong các ống trao đổi nhiệt theo hướng ngượcchiều so với dịch lỏng

A- ống hơi ra; B- Lỏng vào; C- Lỏng ra; D- ống tiết lưu; E- Hơi vào