Nghiên cứu ứng dụng thay thế máy nén 2 cấp piston trên tàu thủy

Kỹ thuật lạnh là một ngành được phát triển trên 100 năm nay. Ngay từ những ngày đầu mới phát triển, các nhà khoa học đã thấy được tính ưu việt và khả năng ứng dụng rộng rãi vào đời sống con người trong rất nhiều lĩnh vực như : điều hòa không khí, bảo quản lạnh , đông lạnh thực phẩm và rất nhiều ngành kỹ thuật khác có liên quan. Cùng với sự phát triển kinh tế thì nhu cầu giao lưu thương mại , du lịch giữa các nơi cũng ngày càng phát triển. Để phục vụ tốt cho việc giao lưu ấy thì cần phải có các phương tiện vận tải lạnh , cần có kho lạnh trữ thực phẩm , hệ thống điều hòa không khí phục vụ sinh hoạt cho hàng ngàn người trên tàu. Trên đất liền, giữa các địa điểm có đường sắt nối liền thì vận chuyển lạnh bằng tàu hỏa là kinh tế nhất nhưng thực tế khối lượng vận chuyển phải lớn mới kinh tế. Trên các đoạn đường không có đường sắt, giữa các kho lạnh phân phối và tiêu dùng hoặc giữa nơi đánh bắt và chế biến thì vận chuyển bằng ôtô và container là kinh tế và tiện lợi nhất. Trong việc vận chuyển sản phẩm lạnh và đông lạnh giữa các châu lục , tàu thủy là phương tiện duy nhất, kinh tế nhất. Cũng nhờ có tàu thủy mà có thể đánh bắt hải sản lâu ngày trên biển. Như vậy để phục vụ nhu cầu du lịch ngày càng cao của con người, đảm bảo chất lượng , đa dạng về sản phẩm thì không thể thiếu các phương tiện vận chuyển khác nhau bằng đường thủy, đường bộ, đường không . Tàu thủy chế tạo ngày càng lớn hơn , đi biển nhiều ngày hơn . Trên tàu không thể thiếu được hệ thống điều hòa không khí và kho lanh bảo quản thực phẩm. Máy nén 2 cấp pittong đã được sử dụng từ lâu đã mang lại hiệu quả nhất định cho hệ thống lạnh trên tàu thủy. Nhưng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và đời sống , để chọn một máy nén thích hợp cho hệ thống lạnh lại phải dựa vào nhiều tiêu chí. Với mong muốn đó trong quá trình tìm hiểu tôi thấy nhiều điểm mới đối với máy nén trục vít sử dụng economiser. tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng thay thế máy nén 2 cấp piston trên tàu thủy bằng máy nén trục vít sử dụng economiser

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kỹ thuật lạnh là một ngành được phát triển trên 100 năm nay Ngay từ những ngày đầu mới phát triển, các nhà khoa học đã thấy được tính ưu việt và khả năng ứng dụng rộng rãi vào đời sống con người trong rất nhiều lĩnh vực như : điều hòa không khí, bảo quản lạnh , đông lạnh thực phẩm và rất nhiều ngành kỹ thuật khác

là kinh tế và tiện lợi nhất

Trong việc vận chuyển sản phẩm lạnh và đông lạnh giữa các châu lục , tàu thủy là phương tiện duy nhất, kinh tế nhất Cũng nhờ có tàu thủy mà có thể đánh bắt hải sản lâu ngày trên biển

Như vậy để phục vụ nhu cầu du lịch ngày càng cao của con người, đảm bảo chất lượng , đa dạng về sản phẩm thì không thể thiếu các phương tiện vận chuyển khác nhau bằng đường thủy, đường bộ, đường không Tàu thủy chế tạo ngày càng lớn hơn , đi biển nhiều ngày hơn Trên tàu không thể thiếu được hệ thống điều hòa không khí và kho lanh bảo quản thực phẩm Máy nén 2 cấp pittong đã được sử dụng

từ lâu đã mang lại hiệu quả nhất định cho hệ thống lạnh trên tàu thủy Nhưng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và đời sống , để chọn một máy nén

thích hợp cho hệ thống lạnh lại phải dựa vào nhiều tiêu chí Với mong muốn đó trong quá trình tìm hiểu tôi thấy nhiều điểm mới đối với máy nén trục vít sử dụng economiser. tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng thay thế máy nén 2 cấp

piston trên tàu thủy bằng máy nén trục vít sử dụng economiser”

2 Mục đích nghiên cứu

Làm rõ được tính ưu việt của máy nén trục vít sử dụng economiser, phạm vi

rõ nét thể hiện tính ưu việt đó Chọn máy nén theo phương pháp tính toán thông thường, chọn máy nén theo phần mềm bitzer Ứng dụng phần mềm bitzer để chọn máy nén và các thiết bị phụ được nhanh chóng ,phù hợp tiêu chí sử dụng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Máy nén lạnh các loại,các thiết bị chính và phụ trong hệ thống máy, các chu trình máy nén lạnh Máy nén trục vít sử dung economiser

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp phân tích thống kê, so sánh, phương pháp toán, phương pháp tổng hợp và phân tích kinh nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của việc nghiên cứu

-Về lý thuyết: Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu khoa học để xác định được tính khách quan khi sử dụng các loại máy nén lạnh Đề tài chỉ ra những điểm cần quan tâm khi chọn và sử dụng máy nén đó là độ tin cậy của thiết bị, tuổi thọ, năng suất lạnh, chi phí đầu tư ban đầu, chi phí điện năng, giảm ô nhiễm môi trường,

sử dụng được các môi chất không gây hại cho môi trường, tiết kiệm không gian lắp đặt Đề tài đã chọn được máy nén trục vít sử dụng economiser với nhiều đặc điểm

ưu việt

-Về thực tiễn: Đề tài đã chỉ ra phạm vi ứng dụng máy nén truc vít sử dụng economiser trên các tàu cần hệ thống lạnh và điều hòa không khi cỡ lớn và nhiệt độ làm lạnh sâu, làm lạnh nhanh Không có lợi khi ứng dụng vào các hệ thống lạnh và điều hòa không khí vừa và nhỏ Ứng dụng phần mềm bitzer để chọn máy nén và các

thiết bị khác phù hợp Phổ biến về việc sử dụng máy nén trục vít Thực tế ở nước ngồi đã sử dụng nhiều

6 Kết cấu luận án

Kết cấu luận án gồm 3 chương :Mở đầu, kết luận và 3 chương

Chương 1:Tổng quan

Chương 2:Tính tốn chu trình hệ thống lạnh 2 cấp nén

Chương 3:Tính tốn thay thế và đánh giá kết quả

7 Kết quả đat được và điểm mới của luận án

Đề tài đã nghiên cứu được tính ưu việt của máy nén trục vít và phạm vi ứng dụng của nĩ Máy nén trục vít sử dụng economiser cần được phổ biến trong lĩnh vực giao thơng, bệnh viện, nhà chung cư, kho bảo quản thực phẩm cỡ lớn , … Hệ số COP, nhiệt độ tầm nén, dịng khởi động là nhân tố ảnh hưởng đến độ an tồn của người và tính hiệu quả máy mĩc Rất nhiều yếu tố khác cần được bạn đọc tiếp tục nghiên cứu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan máy nén lạnh

1.1.1 Định nghĩa

Máy nén lạnh là loại máy nén đặt biệt dùng trong kỹ thuật lạnh để hút hơi ở áp suất thấp, nhiệt độ thấp sinh ra ở dàn bay hơi nén lên áp suất cao để đẩy vào dàn ngưng tụ, đảm bảo sự tuần hoàn môi chất một cách hợp lý trong hệ thống lạnh

Máy nén là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống lạnh Công suất, chất lượng, tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống lạnh chủ yếu đều do máy nén quyết định

1.1.2 Phân loại máy nén lạnh

Bảng 1.1 Phân loại tổng quát máy nén lạnh dùng trong máy lạnh nén hơi

Máy nén lạnh

học Máy nén Piston dao

động

Máy nén Piston

quay

Máy nén Turbine

Bảng 1.2 Giới thiệu các ưu nhược điểm chính giữa các máy nén piston, trục vít và turbine

Loại máy nén

Đặc tính kỹ thuật

trạng thái hút

0,055 ÷ 3 m3/s trạng thái hút

Tối thiểu 0,3 m3/s trạng thái nén Tỷ số nén tối đa hoặc

hiệu áp suất trong 1

định

Ổn định

Lưu lượng thể tích khi

thay đổi áp suất nén

Ít phụ thuộc Hầu như giữ

nguyên

Rất ít phụ thuộc

Khả năng điều chỉnh

năng suất khi giữ

nguyên tốc độ vòng

quay

Hạn chế theo từ

nấc

Điều chỉnh vô cấp không hạn chế xuống đến

10%

Điều chỉnh vô cấp có giới hạn

do thiết bị điều chỉnh Đối với hiện tượng

lỏng vào đường hút (va

Ít gây trở ngại

Yêu cầu diên tích lắp

đặt

Yêu cầu bảo dưỡng Ít, đơn giản,dễ

dàng

kiến thức và sự thận trọng cao

Vốn đầu tư Thuận lợi nhất

cho năng suất dưới 1 MW

Thuận lợi hơn cho năng suất từ 1,5 MW trở lên

Nhỏ nhất cho năng suất từ 2

MW trở lên, đặc biệt ĐHKK

1.1.2.1 Máy nén piston

Bảng 1.3.Các đặc điểm cơ bản của máy nén hở, kín và nửa kín

Đặc điểm Máy nén hở Máy nén nửa kín Máy nén kín

Đặc điểm cấu

tạo và khả

ở chi tiết chuyển động quay, dễ rò rĩ môi chất

Động cơ lắp chung trong vỏ máy nén, đệm kín trên mặt bích tĩnh nên việc giữ kín dễ dàng hơn

Động cơ và máy nén đặt trong vỏ hàn kín, tuyệt đối kín

tất cả các loại môi

chất

Chỉ sử dụng cho môi chất không dẫn điện freon, không sử dụng cho NH3, hơn nữa NH3 ăn mòn dây đồng Đặc điểm tốc

độ

Tổn thất Có tổn thất qua đai Không có tổn thất truyền động

truyền động hoặc khớp

điều chỉnh tốc

độ

Vô cấp qua bánh đai Hạn chế qua thay đổi số cặp cực

Yêu cầu độ

bền chi tiết và

công nghệ gia

công

Vừa phải (do các chi tiết làm việc với tốc độ chậm nên vật liệu và công nghệ gia công không yêu cầu khắt khe)

Cao (các lá van và các chi tiết làm việc với tốc độ lớn, tải thay đổi nhanh nên vật liệu và công nghệ gia công

đòi hỏi khắt khe)

1.1.2.2 Máy nén trục vít

Máy nén trục vít giữ vị trí quan trọng trong kỹ thuật lạnh do máy nén trục vít có một loạt các ưu điểm so với máy nén pittông trượt Máy nén trục vít thường được thiết kế, chế tạo với năng suất hút lý thuyết từ 400 ÷ 5000 m3/h cho tất cả các lọai môi chất lạnh R12, R502, R22 và amoniac (NH3) Hoặc máy nén cỡ nhỏ có năng suất hút xuống tới 84

Hình 1.1 Hình cấu tạo bên trong máy nén trục vít 1 vít

Để làm kín các khoang người ta bố trí các lổ phun dầu trên thân Dầu tràn vào các khoang và do có độ nhớt cao, dầu làm kín các khe giữa các bề mặt tiếp xúc Ngoài máy nén trục vít kiểu 2 vít người ta còn chế tạo loại trục vít loại 1 vít

Nguyên lý làm việc của máy nén 1 trục vít cũng tương tự máy nén 2 trục vít Máy nén 1 trục vít cần phải có thêm 2 bánh răng hình sao bố trí

2 bên sườn của trục vít để tạo ra các khoang có thể tích thay dđổi lớn dần trong quá trình hút và bé dần trong quá trình nén và đẩy Trục vít chế tạo bằng thép nhưng các bánh răng thường chế tạo bằng chất dẻo nhưng chỉ cần thay thế sau khoảng 25.000h vận hành

b Hệ số cấp 

Máy nén trục vít không có van hút, van đẩy nên không có tổn thất tiết lưu và do nhiệt độ cuối tầm thấp nên hệ số cấp  của máy nén trục vít cao hơn hẳn so với máy nén pittông Hệ số cấp của máy trục vít có tỷ lệ giảm nhỏ hơn nên có thể sử dụng máy nén đến tỷ số nén  =20

c Điều chỉnh năng suất lạnh

Năng suất lạnh có thể điều chỉnh được vô cấp từ 100% xuống đến 10% đối với máy nén trục vít điều chỉnh con trượt di chuyển song song với trục của trục vít và nhờ đó điều chỉnh diện tích cửa xả của thân máy

d Nhiệt độ cuối tầm nén và tỉ số nén

Nhiệt độ cuối tầm nén t2 phụ thuộc vào số mũ đọan nhiệt k của từng môi chất lạnh, vào chế độ vận hành và vào loại máy nén Nhiệt độ cuối tầm nén của máy nén pittông và đặc biệt máy nén amoniac rất cao Do phải hạn chế nhiệt độ cuối tầm nén nên phải hạn chế tỷ số nén của máy nén pittông Đối với máy nén pittông thường

t2 ≤ 140 0C nên tỷ số nén đối với môi chất amoniac  ≤ 9 còn đối với R12, R502 và R22  ≤ 12

Nhiệt độ cuối tầm nén của máy nén trục vít ngược lại rất thấp

do phun tràn dầu trong buồng nén và dầu đã hấp thụ hầu như toàn bộ nhiệt lượng do quá trình nén sinh ra Chính vì vậy, tỷ số nén của máy nén trục vít có thể đạt rất cao  = pk/p0 = 20 và hiệu áp suất giữa khoang đẩy và khoang hút cũng có thể đạt rất cao p = pk – p0 = 20 bar ở bất kỳ tỷ số nén nào

Đây là ưu điểm hơn hẳn của máy nén trục vít so với máy nén pittông vì với tỷ số áp suất đó, có thể đạt được nhiệt độ rất thấp trong buồng lạnh vẫn với chỉ một cấp nén trong khi nếu dùng máy nén pittông bắt buộc phải dùng chu trình 2 cấp rất kồng kềnh và phức tạp

Một ưu điểm tiếp theo là với cấu tạo đặc biệt của máy nén trục vít có thể đưa hơi có áp suất trung gian về hòa trộn để làm mát trung gian máy nén, nâng cao hiệu suất lạnh

e Tổ máy nén trục vít

Khác với máy nén pittông, máy nén trục vít đòi hỏi nhiều thiết

bị đi kèm đặc biệt hệ thống phun dầu

1.1.2.3 Máy nén rôtô

Máy nén rôtô là loại máy nén thể tích Quá trình hút, nén và đẩy được thực hiện nhờ sự thay đổi thể tích của không khí giới hạn giữa pittông và xilanh Điều khác biệt cơ bản của máy nén rôtô với máy nén pittông trượt là pittông lăn hoặc pittông quay Có nhiều loại máy nén rôtô khác nhau

1.2 Tác nhân lạnh và sự ảnh hưởng đến mơi trường

1.2.1 Tác nhân lạnh

Tác nhân lạnh là thuật ngữ dùng để chỉ đến các chất dùng trong các thiết bị,

hệ thống làm lạnh trong dân dụng, cơng nghiệp và thương mại (trong máy lạnh dân dụng thường gọi là gas lạnh)

1.2.2 Các yếu tố

Từ những yếu tố trực tiếp và gián tiếp, việc lựa chọn sử dụng tác nhân lạnh cần dựa

trên sự cân bằng bao gồm:

 Thời gian tồn tại trong khí quyển

1.3 Tổng quan hệ thống lạnh trên tàu biển

1.3.1 Hệ thống điều hồ khơng khí trên tàu biển

1.3.1.1 Nguyên lý chung của hệ thống điều hịa khơng khí là:

Hệ thống máy lạnh cung cấp hơi lạnh cho dàn lạnh 4 Khơng khí được quạt 5 đẩy qua dàn lạnh để hạ nhiệt độ và ngưng tụ ẩm (hơi nước trong khơng khí), sau đĩ

không khí lạnh được các đường ống dẫn gió lạnh 6 đưa vào miệng ống thổi 7 Không khí lạnh từ các miệng thổi 7 sẽ thổi gió lạnh vào phòng (miệng thổi phải phân phối thích hợp, để gió lạnh được phân phối đều trong phòng), gió lạnh sẽ hòa trộn với không khí trong phòng để nhận nhiệt nóng trong phòng đồng thời làm phòng 8 mát sau đó được đường gió hồi 9 hút về dàn lạnh

Vì trong phòng có người sinh hoạt và có các chất thải của các thiết bị… để đảm bảo không khí trong sạch đảm bảo yêu cầu đạt vệ sinh (lượng CO2 thấp ít bụi…), nên một phần đường gió sau khi sử dụng được thải qua đường 12 Để cung cấp một lượng oxi cần thiết trong phòng ta cần cung cấp một lượng gió tươi (sau khi lọc bụi, diệt vi khuẩn…) và được thổi vào phòng

Đối với hệ thống lạnh trên tàu, về nguyên lý cơ bản là giống, nhưng không hoàn toàn Trong hệ thống lạnh sử dụng chất tải lạnh (nước), và chất tải nhiệt (không khí) Chất tải lạnh sau khi được làm lạnh, sẽ đến không gian cần làm lạnh trao đổi nhiệt với chất tải nhiệt, từ đây chất tải nhiệt sẽ đi làm nhiệm vụ làm lạnh

Hinh 1.2.Sơ đồ nguyên lý và đồ thị hệ thống điều hòa không khí

1.3.1.2 Một số sơ đồ hệ thống:

Điều hòa không khí trung tâm:

Tổ hợp các thiết bị điều hòa không khí mà việc xử lý được tiến hành ở một trung tâm, sau đó được đưa đến hộ tiêu thụ qua các kênh dẫn không khí

Hình 1.3 Hệ thống điều hoà không khí trung tâm nước (Water Chiller)

1.3.2 Hệ thống kho lạnh trên tàu biển

Ngoài hệ thống lạnh điều hoà không khí trên tàu thuỷ còn có hệ thống kho lạnh Mục đích kho lạnh cấp đông và trữ đông trên tàu biển là giữ cho thực phẩm

được tươi và kéo dài thời gian bảo quản, nhằm đảm bảo nguồn thực phẩm an toàn

và vệ sinh cho: nhân viên, thuyền viên và khách đi tàu…

1.3.3 Sơ đồ và chu trình biểu diễn trên đồ thị lg p-i

- Nguyên lý hoạt động:

Hơi môi chất sinh ra ở thiết bị bay hơi có nhiệt độ t0, áp suất p0 có trạng thái

1’ và được quá nhiệt do: qúa nhiệt trong thiết bị bay hơi nhờ van tiết lưu nhiệt và do

tổn thất trên đường ống hút từ dàn lạnh về máy nén đến trạng thái quá nhiệt 1 có

nhiệt độ th, p0 và được máy nén tầm thấp hút về và được đẩy vào bình trung gian

Ở bình trung gian thì hơi quá nhiệt 1 sẽ được làm mát về trạng thái hơi bão

hoà khô 3 do hoà trộn với lượng hơi ẩm 7 và được máy nén tầm cao hút về, được

nén đến trạng thái 4 đưa vào bình ngưng

Hình 1.4 Sơ đồ và chu trình 2 cấp nén

Ở bình ngưng thì môi chất được làm mát và ngưng tụ nhờ nước Môi chất

được quá lạnh ngay trong thiết bị ngưng tụ từ trạng thái 5’ đến 5 Sau khi ra khỏi

thiết bị ngưng tụ vào bình chứa cao áp thì môi chất lỏng chia làm hai nhánh: một

outdoor air

exhaust air

5’

nhánh nhỏ đi qua van tiết lưu thứ nhất vào bình trung gian để làm mát hơi về máy nén tầm cao xuống trạng thái hơi bão hoà khô 3 Còn nhánh chính được dẫn qua ống xoắn của bình trung gian, được quá lạnh từ trạng thái 5 đến 6 Sau đó vào van tiết lưu thứ hai, tiết lưu xuống nhiệt độ t0, áp suất p0 để cấp cho dàn bay hơi Như vậy môi chất lạnh được tuần hoàn trong hệ thống

1.4 Tổng quan chu trình máy nén 1, 2 cấp

Mỗi chu trình máy lạnh nén hơi đều có một phạm vi ứng dụng nhất định hay nói khác đi, để có thể đạt hiệu quả kinh tế cao nhất phải chọn chu trình phù hợp nhất đối với mỗi nhu cầu cụ thể Ví dụ chu trình 1 cấp nén chỉ ứng dụng tốt cho các nhu cầu lạnh đến -200C Từ -20 ÷ -500C phải sử dụng chu trình 2 cấp nén Đến nhiệt độ -

1000C phải sử dụng chu trình 3 cấp nén hoặc ghép tầng…

1.4.1 Chu trình máy lạnh nén hơi 1 cấp

1.4.1.1 Chu trình khô

Chu trình khô với 2 đặc điểm chính là điểm 1 luôn nằm trên đường bão hòa khô (thường là nhờ thiết bị tách lỏng bố trí giữa máy nén và thiết bị bay hơi) và quá trình tiết lưu có tổn thất không thuận nghịch với nhiệt độ lỏng trước van tiết lưu bằng nhiệt độ ngưng tụ

Hình 1.5 Chu trình khô

1.4.1.2 Chu trình quá lạnh và quá nhiệt

Gọi là chu trình quá lạnh khi nhiệt độ của môi chất lỏng trước khi đi vào van

tiết lưu nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ và gọi là chu trình quá nhiệt khi nhiệt độ hơi hút

về máy nén lớn hơn nhiệt độ bay hơi (nằm trong vùng hơi quá nhiệt) Chu trình quá

lạnh và quá nhiệt là chu trình có cả hai đặc điểm trên

1.4.1.3 Chu trình hồi nhiệt

Hình 1.6.Chu trình quá lạnh, quá nhiệt

Chu trình hồi nhiệt được ứng dụng cho các hệ thống lạnh môi chất là freôn, nhất là R12 với hiệu quả nhiệt rõ rệt Chu trình hồi nhiệt không sử dùng cho NH3

1.4.2 Chu trình máy lạnh nén hơi 2 cấp

Đối với máy nén pittong tỉ số nén càng cao, thì hệ số cấp càng nhỏ, nhiệt độ cuối quá trình nén càng cao, nhất là đối với môi chất NH3 Như vậy, tỉ số nén cao dẫn đến 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 chuyển chu trình 1 cấp nén sang 2 hoặc nhiều cấp nén có làm mát trung gian

Tuy vậy việc lựa chọn 1 hay 2 cấp nén còn phụ thuộc vào điều kiện của từng trường hợp cụ thể vì 1 cấp nén ngược lại có ưu điểm so với 2 cấp nén là đơn giản,

dễ sử dụng, ít thiết bị và giá thành rẻ hơn Đây cũng lại là bài toán tối ưu về kinh tế, nhưng nếu chọn máy 1 cấp nén cần phải khống chế độ làm việc của máy nén và các thiết bị không được vượt quá những giới hạn cho phép về nhiệt độ, độ bền và an toàn do đơn vị chế tạo quy định

Nếu số giờ hoạt động của máy trong năm nhỏ hoặc rất nhỏ, thường người ta chọn máy 1 cấp nén, phải nhận hệ số lạnh nhỏ nhưng giảm đáng kể số vốn đầu tư, lắp đặt và ngược lại

Hình1.7 Chu trình hồi nhiệt

1.4.2.1 Chu trình 2 cấp làm mát trung gian không hoàn toàn, một tiết lưu

Đây là chu trình 2 cấp nén đơn giản nhất Quá trình ngưng tụ tiết lưu và bay hơi giống như một cấp Riêng quá trình nén được bố trí làm hai cấp có thiết bị làm mát trung gian

Hơi ở thiết bị bay hơi ra có trạng thái bão hòa 1 được máy nén hạ áp nén lên trạng thái 2 sau đó được làm mát trong thiết bị làm mát trung gian xuống đến trạng thái 3 có nhiệt độ bằng nhiệt độ ngưng tụ tk, sau đó được máy nén cao áp nén lên trạng thái 4 Sau khi được làm mát và ngưng tụ, môi chất lỏng đi qua van tiết lưu vào thiết bị bay hơi và hóa hơi ở áp suất thấp, thu nhiệt của chất tải lạnh hoặc môi trường lạnh, áp suất trung gian ptg thường được xác định theo công thức sau:

2 1 4 3

l h   h h h

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 sử dụng được cho môi chất freon

1.4.2.2 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn

Hình 1.8 Chu trình 2 cấp nén, một tiết lưu làm mát trung gian không hoàn toàn

Hình1.9 Chu trình 2 cấp nén, hai tiết lưu làm mát trung gian không hoàn toàn

Chương 2: TÍNH TOÁN CHU TRÌNH HỆ THỐNG LẠNH 2 CẤP NÉN

2.1 Tính nhiệt chu trình hệ thống lạnh 2 cấp nén

Ở đây tác giả chỉ tính toán 3 chu trình cơ bản được sử dụng trong thực tế là: chu trình bình trung gian không có ống xoắn (R717), chu trình bình trung gian có ống xoắn (R717) và chu trình có hồi nhiệt và quá lạnh lỏng (R22)

Mục đích của chu trình 2 cấp là:

- Cải thiện hiệu suất thể tích của máy nén khi tỷ số nén quá cao

- Giữ cho nhiệt độ cuối tầm nén không quá cao và đạt được nhiệt độ sôi thấp

vì nhiệt độ cuối tàm nén cao làm cháy dầu bôi trơn và hư hỏng máy nén

Với 2 điều kiện đó, máy lạnh R22 thường phải chuyển sang 2 cấp nén khi tỷ

số nén π ≥ 9 còn máy lạnh Freon π ≥ 12 ÷ 13

Cần thiết phải phân biệt 2 loại hệ thống lạnh 2 cấp Một là loại máy nén lạnh

2 cấp trong một loại máy nén (tiếng anh là compound compressor – máy nén 2 cấp) loại thứ hai là kiểu máy nén hạ áp riêng và cao áp riêng biệt (tiếng anh là booster)

Chu trình có máy nén hạ áp và cao áp riêng biệt cần tính toán riêng máy nén

hạ áp và cao áp Chu trình này có thể kết nối thêm dàn bay hơi với nhiệt độ trung gian Thậm chí có thể chọn nhiệt độ trung gian theo yêu cầu Nhiệt độ trung gian này không phải là nhiệt độ trung gian lý thuyết từ áp suất trung gianp tg  p p k o

Để có thể tạo lập được nhiệt độ trung gian yêu cầu phải chọn thể tích quét lý thuyết của máy nén cấp hạ áp và cao áp chính xác

Chu trình 2 cấp có máy nén 2 cấp (compound compressor) có đặc điểm là không hoặc khó thực hiện 2 chế độ bay hơi Máy nén thường có:

- Loại 3, 6, 9, 12… xi lanh trong đó 2/3 là xi lanh hạ áp và 1/3 là xi lanh cao

áp

- Loại 4, 8, 12, 16… xi lang trong đó là 3/4 là xi lanh hạ áp và 1/4 là xi lanh cao áp

* Trường hợp 1: Kho lạnh lắp đặt tại Tp.HCM có nhiệt độ buồng lạnh -22 oC, Qo = 150kW, môi chất R717 (NH3), thiết bị ngưng tụ kiểu tháp ngưng, dàn bay hơi trực tiếp, bình tách lỏng đặt trên cao, bình trung gian không có ống xoắn Hãy tính chu trình và chọn máy nén lạnh

to = -30 oC tra PL1a (TL5) po = 1,2bar

Áp suất trung gian:

Xây dựng chu trình trên đồ thị lg p–h:

Giả thiết độ quá nhiệt hơi hút 10K (t1’ = -300C, t1 = -200C) và độ lạnh 0K (t5’ = t5 =

Hình 2.2 Chu trình lạnh 2 cấp làm mát trung gian hoàn toàn (NH 3 )

BH-Thiết bị bay hơi; NHA-Máy nén hạ áp; NCA-Máy nén cao áp;

NT-Thiết bị ngưng tụ; TL1, TL2-Van tiết lưu 1,2; BTG-Bình trung gian

Chọn máy nén 2 cấp, ta thành lập tỉ số: 174, 4 0,304

574

CA HA

Tổng công suất tiếp điện: Nel = 32,1 + 46,68 = 78,78 kW

Tra PL4 (TL5) được tổ 3 máy nén N62A của Mycom:

Kho lạnh lắp đặt tại Tp.HCM có nhiệt độ buồng lạnh -22 oC, Qo = 150kW, môi chất R717 (NH3), thiết bị ngưng tụ kiểu tháp ngưng, dàn bay hơi trực tiếp, bình tách lỏng đặt trên cao, bình trung gian có ống xoắn Hãy tính chu trình và chọn máy nén lạnh

Xây dựng chu trình đồ thị lg p-h với giả thiết độ quá nhiệt 10K và độ quá lạnh 0K Nhiệt độ t6 cao hơn t9 là 3K

Bảng 2.2 Thông số tại các trạng thái trường hợp 2

* Trường hợp 3: Kho lạnh lắp đặt tại Tp.HCM có nhiệt độ buồng lạnh -22 o

C, Qo = 150kW, môi chất R22, thiết bị ngưng tụ kiểu tháp ngưng, dàn bay hơi trực tiếp, bình tách lỏng đặt trên cao, thiết bị quá lạnh lỏng và hồi nhiệt Hãy tính chu trình và chọn máy nén lạnh

Từ t0 = -300C tra phụ lục 2a (TL5) ta được: p0 = 1,63 bar

Từ tk = 450C tra phụ lục 2a (TL5) ta được: pk = 17,3 bar

o

p p

   tỷ số nén 10,61 nhỏ hơn 12 nên về nguyên tắc vẫn có thể sử dụng chu trình lạnh 1 cấp, nhưng vì đây là hệ thống lạnh lớn nên có thể sử dụng chu trình lạnh 2 cấp, chấp nhận giá đầu tư cao để giảm giá vận hành cho hệ thống vì kho lạnh hoạt động liên tục cả năm

Áp suất trung gian: p tg  17,3.1, 635,31,barsuy ra

ltCA ltHA

Hình 2.4 Chu trình 2 cấp R22 có quá lạnh lỏng và hồi nhiệt

QL-thiết bị quá lạnh; HN-thiết bị hồi nhiệt

2.2 Khả năng áp dụng Economiser vào hệ thống lạnh 2 cấp nén

Để tiện việc đánh giá kết quả của việc ứng dụng Economiser vào máy nén 2

cấp một cách khách quan, tác giả mượn kết quả đã tính toán ở trường hợp 3 ở mục 2.1 tính nhiệt chu trình hệ thống lạnh 2 cấp nén

Bảng2.6 So sánh thông số kỹ thuật giữa các máy nén lạnh trường hợp 3

STT Thành phần Thông số kỹ thuật của máy nén lạnh BITZER

15 Tiết kiệm năng

không tiết

17 Công nghệ chế tạo phức tạp phức tạp đơn giản đơn giản

* Nhận xét về ưu và nhược điểm hệ thống lạnh máy nén (piston, trục vít) ứng dụng

hệ thống Economiser với hệ thống không ứng dụng Economiser, tác giả thấy có những điểm sau:

- Ưu điểm:

+ Kết cấu máy gọn nhẹ hơn

+ Năng suất lạnh COP tăng

+ Tiết kiệm được năng lượng dẫn động máy nén các thiết bị giải nhiệt

+ Kết cấu thiết bị cũng đơn giản hơn, tuổi thọ cũng cao hơn (do nhiệt độ và áp suất cuối tầm nén thấp hơn)

+ Tiết kiệm được không gian lắp đặt thiết bị

- Nhược điểm:

+ Chi phí đầu tư ban đầu tăng

+ Thời gian bảo trì bảo dưỡng tăng

* Kết luận: Qua bảng thông số kỹ thuật ứng dụng economiser vào máy nén

lạnh, tác giả thấy năng suất lạnh Q 0 , COP tăng Bên cạnh đó cũng tiết kiệm được năng lượng trong quá trình vận hành mang tính lâu dài (giá tiền điện hằng năm càng tăng lũy tiến), giảm được lượng khí thải, tuổi thọ thiết bị cũng như việc đảm bảo được độ an toàn cho người vận hành cao hơn so với chi phí đầu tư ban đầu cho

hệ thống lạnh… Tác giả nhận thấy việc ứng dụng Economiser vào máy nén lạnh là hoàn toàn khả thi và mang tính thực tiễn cao

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế cụm máy nén trục vít sử dụng Economiser điều hoà không khí cho toà

nhà Việt Cường – Bà Rịa Vũng Tàu

2.3 Tính nhiệt của chu trình thiết bị làm lạnh dùng máy nén trục vít có Economiser

Để tiện việc so sánh và đánh giá, tác giả lấy thông số ở 3 trường hợp trên như sau:

* Trường hợp 4: Kho lạnh lắp đặt tại Tp.HCM có nhiệt độ buồng lạnh -22 oC, Qo = 150kW, môi chất R22, thiết bị ngưng tụ kiểu tháp ngưng, dàn bay hơi trực tiếp Hãy tính nhiệt của chu trình thiết bị làm lạnh dùng máy nén trục vít có ECONOMISER

Giải:

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý cụm máy nén trục vít sử dụng economiser

Từ nhiệt độ buồng lạnh -220C, chọn nhiệt độ bay hơi t0 = -300C thấp hơn nhiệt

Từ t0 = -300C tra phụ lục 2a (TL5) ta được: p0 = 1,63 bar

Từ tk = 450C tra phụ lục 2a (TL5) ta được: pk = 17,3 bar

* Nếu sử dụng máy nén trục vít Bitzer R22 ở nhiệt độ t 0 = -30 0 C, t k = 40 0 C PL 6 (TL5) ta được:

Bảng2.7.So sánh tổ máy nén trục vít Bitzer R22 model HSN7471-75 có hoặc không

có ECONOMISER

Bảng2.8 So sánh tổ máy nén trục vít Bitzer R22 model HSN6461-50 có hoặc không

có ECONOMISER.

* Nhận xét:

So với bài toán ở trường hợp 3 (cùng số liệu môi chất R22, Q0 = 150 kW, t0 = -300C, tk = 400C, cùng độ quá lạnh và quá nhiệt như nhau), nhưng trường hợp 4 sử dụng Economiser có những ưu và khuyết điểm sau:

- Ưu điểm:

+ Kết cấu thiết bị cũng đơn giản hơn, tuổi thọ cũng cao hơn (do nhiệt độ và áp suất cuối tầm nén thấp hơn 800C so với loại thường là 100 ÷ 1200

C) + Tiết kiệm được không gian lắp đặt thiết bị (ở máy nén 2 cấp phải mất không gian

để lắp đặt bình trung gian (BTG), còn máy nén trục vít thì chỉ cần economiser)

+ Đảm bảo độ an toàn cao hơn và thời gian bảo trì bảo dưỡng cũng đơn giản hơn so với 2 cấp nén bình trung gian (BTG)

- Nhược điểm:

+ Chi phí đầu tư ban đầu tăng

Không có Economiser Có Economiser

2.4 Sử dụng phần mềm tính toán

Ở các phần trên tác giả đã đi tính toán nhiệt của chu trình thiết bị làm lạnh dùng máy nén trục vít có sử dụng hệ thống Economiser trong máy nén trục vít và cũng đã so sánh được năng suất lạnh tại các trường hợp

Tại phần này tác giả cũng lấy 1 phần mềm chuyên tính toán máy nén lạnh của hãng Bitzer (Đức) để so sánh khách quan hơn với các phần tính toán trên

Để tiện việc so sánh và đánh giá, tác giả lấy thông số giống như các trường hợp trên như sau:

* Trường hợp 5: Kho lạnh lắp đặt tại Tp.HCM có nhiệt độ buồng lạnh -22 oC, Qo = 150kW, môi chất R22, thiết bị ngưng tụ kiểu tháp ngưng, dàn bay hơi trực tiếp Hãy

sử dụng phần mềm tính nhiệt và so sánh với các kết quả ở các trường hợp trên

Từ nhiệt độ buồng lạnh -220C, chọn: t0 = -300C thấp hơn nhiệt độ

Hình 2.7 Giao diện phần mềm tính toán máy nén lạnh Bitzer (Đức)

a/

Hình 2.8.a+b Sơ đồ nguyên lý cụm máy nén trục vít sử dụng economiser

Hình 2.9.Đồ thị thể hiện các điểm nút trạng thái

trong chu trình máy nén trục vít sử dụng

Economiser tiết lưu trung gian

* Kết quả 1: 2 cụm máy nén trục vít bán kín, môi chất R22, làm mát trung gian

bằng thiết bị Economiser Bảng so sánh 2 cặp nhiệt nhiệt độ ngưng: tkA = 400C; tkB =

450C; t0 = -300C; tql = 340C (t8 = 60C); tqn = 300C (t1 = 00C);

Bảng 2.9.Kết quả tính cụm 2 máy nén trục vít bán kín – R22 – Economiser

Thông số kỹ thuật cụm 2 máy nén trục vít bán kín – R22 – Economiser bằng phần

mềm Bitzer

Xem phụ lục 2.1 Kết quả thông số kỹ thuật của cụm 2 máy nén trục vít bán

kín – Môi chất lạnh R22 – Economiser bằng phần mềm Bitzer

* Nhận xét:

So sánh kết quả tính toán với trường hợp 4, ta thấy:

- Phần mềm cho thấy tính tương đồng trong việc lựa chọn số cụm (2 cụm) và

kiểu máy nén lạnh (HSN7471-75-40P) đã được chọn ở phần trên

Bảng 2.10.Thông số máy nén lạnh Bitzer model HSN7471-75-40P

- Dựa trên thông số trạng thái thể hiện ở phần mềm tính toán Bitzer và bảng

2.7 trường hợp 4 ta thấy có nhiều điểm tương đồng tại các điểm nút

Chỉ khác ở trạng thái 21 (phần mềm Bitzer) tương ứng với trạng thái 10

(phần tính toán) là khác nhau Ở đây tác giả chỉ mới làm quá lạnh lỏng đến t10 =

-20C thì năng suất lạnh q0 đã tăng nhiều, nếu tác giả tính toán thể hiện t10 = -16,30C

thì năng suất lạnh Q0 tương ứng cũng sẽ tăng lên nhiều Điều này ta có thể làm được

bằng cách điều chỉnh van tiết lưu làm mát trung gian phù hợp (Vấn đề mang tính

công nghệ của hãng máy nén Bitzer)

Hình2.10.Thông số tại các trạng thái của phần mềm máy nén lạnh Bitzer

Bảng2.11 Thông số tại các trạng thái trường hợp 4

Nhưng lưu lượng qua Economiser 1335 kg/h (phần mềm Bitzer) nhỏ hơn rất

nhiều 1764 kg/h (phần mềm tính toán); tức lớn hơn 10% Ở đây, tác giả tính toán

dựa trên các thông số tính toán tra ở đồ thị nên có thể sai số khá lớn so với nếu dùng

phần mềm lập trình tính toán, bên cạnh đó, độ quá lạnh lỏng của thiết bị Economiser

ở phần tính toán tác giả chọn tại mức -20

C (khác so với -160C) của phần mềm nên đây cũng là điều dẫn sai lệch Ngoài ra, đây cũng có thể là vấn đề về công nghệ của

hãng máy nén Bitzer

Bảng 2.12 Thông số kỹ thuật của phần mềm máy nén lạnh Bitzer

* Kết quả 2: 2 cụm máy nén trục vít hở, môi chất R22, làm mát trung gian bằng

thiết bị Economiser Bảng so sánh 2 cặp nhiệt nhiệt độ ngưng: tkA = 400C; tkB =

450C; t0 = -300C; tql = 340C (t8 = 60C); tqn = 300C (t1 = 00C);