CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH

1.Định nghĩa: HT lạnh cung cấp các kiến thức về: Các phương pháp làm lạnh; Cơ sở nhiệt động học của các phương pháp này; Các hệ thống thiết bị kỹ thuật dùng để hiện thực hóa các các phương pháp nêu trên; Ứng dụng của HT lạnh; Cơ sở phương pháp tính toán, chọn và thiết kế hệ thống lạnh. Cơ sở KT lạnh cung cấp các kiến thức về: Các phương pháp làm lạnh; Cơ sở nhiệt động học của các phương pháp này; Các hệ thống thiết bị kỹ thuật dùng để hiện thực hóa các các phương pháp nêu trên; Ứng dụng của HT lạnh; Cơ sở phương pháp tính toán, chọn và thiết kế hệ thống lạnh. 2.Lịch sử phát triển: Ngành lạnh xuất hiện từ rất lâu, cùng với lịch sửphát triển của con người hiện đại; 5000 năm trước con người đã biết dùng băng, tuyết và hang động cónhiệt độ thấp để dự trữ thực phẩm; 2000 năm trước đã biết trộn muối vào nước đá để đạt nhiệt độ < 0 o C; Thế kỷ 18 ngành lạnh thực sự phát triển khi con người đã biết làm lạnh bằng cách cho các chất lỏng bay hơi ở áp suất thấp; 1834 máy lạnh pitton đầu tiên của J Perkin ra đời với cấu trúc tương tự máy lạnh hiện đại, 1810 máy lạnh hấp thụ đầu tiên ra đời, 1845 máylạnh nén khí ra đời, 1910 máy lạnh ejectơ đầu tiên ra đời; TK 20 với sự xuất hiện của các môi chất lạnh như NH3, freon và sựhoàn thiện về kỹ thuật dẫn tới sự phát triển như vũ bão của ngành lạnh. Lịchsử phát triển và ý nghĩa kinh tế Xu hướng phát triển hiện nay: • Nâng cao hiệu suất năng lượng; • Chi phí vật tư chế tạo máy lạnh trên một đơn vị lạnh; • Tăng tuổi thọ và độ tin cậy; • Sử dụng các môi chất tự nhiên (NH3, CO2, SO2…) và các môichất mới thân thiện với môi trường hơn; • Sử dụng các hệ thống hỗn hợp máy lạnh + bơm nhiệt; • Nghiên cứu hoàn thiện ứng dụng các công nghệ làm lạnh mới; • Sử dụng công nghệ nano trong KT lạnh;

CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH Lịch sử phát triển ý nghĩa kinh tế 1.Định nghĩa: HT lạnh cung cấp kiến thức về: -Các phương pháp làm lạnh; -Cơ sở nhiệt động học phương pháp này; -Các hệ thống thiết bị kỹ thuật dùng để thực hóa các phương pháp nêu trên; - Ứng dụng HT lạnh; - Cơ sở phương pháp tính tốn, chọn thiết kế hệ thống lạnh Cơ sở KT lạnh cung cấp kiến thức về: -Các phương pháp làm lạnh; -Cơ sở nhiệt động học phương pháp này; -Các hệ thống thiết bị kỹ thuật dùng để thực hóa các phương pháp nêu trên; - Ứng dụng HT lạnh; - Cơ sở phương pháp tính tốn, chọn thiết kế hệ thống lạnh Lịch sử phát triển ý nghĩa kinh tế 2.Lịch sử phát triển: Ngành lạnh xuất từ lâu, với lịch sử phát triển người đại; -5000 năm trước người biết dùng băng, tuyết hang động có nhiệt độ thấp để dự trữ thực phẩm; -2000 năm trước biết trộn muối vào nước đá để đạt nhiệt độ < 0oC; -Thế kỷ 18 ngành lạnh thực phát triển người biết làm lạnh cách cho chất lỏng bay áp suất thấp; -1834 máy lạnh pitton J Perkin đời với cấu trúc tương tự máy lạnh đại, 1810 máy lạnh hấp thụ đời, 1845 máy lạnh nén khí đời, 1910 máy lạnh ejectơ đời; - TK 20 với xuất môi chất lạnh NH3, freon hoàn thiện kỹ thuật dẫn tới phát triển vũ bão ngành lạnh Lịch sử phát triển ý nghĩa kinh tế Xu hướng phát triển nay: • Nâng cao hiệu suất lượng; • Chi phí vật tư chế tạo máy lạnh đơn vị lạnh; • Tăng tuổi thọ độ tin cậy; • Sử dụng mơi chất tự nhiên (NH3, CO2, SO2…) môi chất thân thiện với mơi trường hơn; • Sử dụng hệ thống hỗn hợp máy lạnh + bơm nhiệt; • Nghiên cứu hồn thiện ứng dụng cơng nghệ làm lạnh mới; • Sử dụng công nghệ nano KT lạnh; Lịch sử phát triển ý nghĩa kinh tế 3.Ý nghĩa kinh tế: 3.1 Chế biến bảo quản thực phẩm sau thu hoạch & giết mổ: -Ở nhiệt độ trời vi sinh vật trình phân rã sinh hóa phát triển nhanh chóng Ở nhiệt độ thấp trình làm chậm lại Vì sử dụng công nghệ lạnh để chế biến bảo quản thực phẩm biện pháp hữu hiệu để nâng cao chất lượng thời gian bảo quản mà khơng dùng hóa chất Thời gian bảo quản số loại thực phẩm (ngày) phụ thuộc nhiệt độ T ( oC ) bảo quản -30 -20 -10 10 20 Cá 230 110 40 Thịt bò 2300 1000 100 15 Gia cẩm 800 230 70 30-90 10-40 4-8 Rau, táo Lịch sử phát triển ý nghĩa kinh tế Ứng dụng cơng nghiệp :  CN Hóa chất - Sử dụng lạnh sâu ( cryo) để hóa lỏng khí: N ,O ,Ar,… 2 - Dùng để chưng cất, tách, sản xuất loại khí;  CN nhẹ: sản xuất vải, sợi, may mặc giầy dép;  CN sản xuất: cao su  CN điện tử công nghệ cao  CN hóa học : điều khiển tốc độ phản ứng  CN thực phẩm: sản xuất rượu, bia, nước giải khát Lịch sử phát triển ý nghĩa kinh tế Ứng dụng đời sống: • Các hệ thống điều khơng dùng để trì điều kiện vi khí hậu thích hợp với yêu cầu sống sản xuất • Các tủ lạnh, tủ đơng, máy hút ẩm gia dụng Ứng dụng y tế • Tạo điều kiện vi khí hậu thích hợp sinh học chữa điều trị bệnh nhân • Kỹ thuật lạnh sâu (cryo) dùng để gây mê cục để mổ chữa bệnh; • Kỹ thuật cryo dùng để lưu giữ tế bào gốc, gen Ứng dụng công nghệ sinh học: Dùng để lưu giữ nghiên cứu giống, nghiên cứu trình sinh học, lai tạo , tạo đột biến giống Lịch sử phát triển ý nghĩa kinh tế Ứng dụng nghiên cứu : • Vật lý siêu dẫn; • Vật lý nhiệt độ thấp siêu thấp; Ứng dụng xây dựng Ứng dụng quân Ứng dụng thiêt bị đo kiểm xác Ứng dụng nghiên cứu vũ trụ Các khái niệm máy lạnh & chu trình 1.Nguyên lý chung: để làm lạnh, cần thiết phải tạo nguồn có nhiệt độ thấp nhiệt độ môi trường Nguồn nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh, sau lượng nhiệt hệ thống máy móc chuyền tải thải mơi trường Các phương pháp làm lạnh Bay khuyếch tán Phương pháp tiết Hòa trộn Phương lưu Tan chảy, muối với pháp dãn khơng sinh Dãn nở khí Hiệu ứng thăng hoa Khử từ Bay nước nở ngoại ống nhiệt điện vật đoạn nhiệt chất lỏng nước sinh ngoại cơng, xốy Penlitier rắn nhiệt đá cơng hiệu ứng độ thấp JoulThomson Các loại máy lạnh thông dụng Định nghĩa: Máy lạnh hệ thống thiết bị dùng để lấy nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp nhiệt độ mơi trường sau chuyển lên nguồn có nhiệt độ cao nhiệt độ mơi trường để thải nhiệt Trong trình máy lạnh nhận cơng từ ngồi vào T1 T1 L T mt Tmt L T mt Tmt L T2 Máy nóng Máy lạnh Bơm nhiêt MÁY LẠNH NHIỆT ĐỘ THẤP (MÁY LẠNH CRYO) Kỹ thật lạnh cryo Lạnh cryo làm lạnh đến nhiệt độ To < -120K Trong thực tế kỹ thuật lạnh cryo hóa lỏng khơng khí đơn chất khơng khí O2, N2, H2, CO2, Ar2, Xe2, kríptơng Kr2 Năm 1877 CO2, O2, N2 hóa lỏng máy lạnh piston tầng Năm 1898 H2 hóa lỏng nhờ làm lạnh trước van tiết lưu N2 lỏng bay Năm 1908 thu He2 lỏng nhờ làm lạnh trước van tiết lưu H2 lỏng bay Nhiệt độ sôi chất khí áp suất khí lấy theo bảng sau: Kỹ thật lạnh cryo Ứng dụng lạnh cryo thực tế lớn: Luyện kim: không khí đẩy vào lò luyện gang, luyện thép,được làm giàu ôxy tới 35 ≈ 40, làm giảm khối lượng than, tăng suất chất lượng gang thép Cơng nghệ hóa học: sử dụng nitơ (nitơ kỹ thuật) để sản xuất amơniac, làm phân đạm, axít nitríc; ôxy dùng làm chất xúc tác số phản ứng Cơ khí: sử dụng ơxy việc hàn, cắt kim loại; ắcgông cho hàn cao áp Điện: khí trơ dùng để nạp vào bóng đèn thắp sáng He2 lỏng dùng kỹ thuật siêu dẫn Kỹ thuật tên lửa, tàu vũ trụ: sử dụng ôxy hiđrô dạng lỏng Y tế: dùng nitơ lỏng bay để bảo quản phôi, máu khô, dược liệu quí Thời gian đầu phát triển kỹ thật lạnh cryo người ta sử dụng máy nén lạnh piston nhiều cấp nhiều tầng phức tạp, chủ yếu thực phòng thí nghiệm Năm 1939 chế tạo thành công turbine dãn nở với hiệu suất cao, đạt 82% Các máy lạnh cryo ngày sử dụng máy nén piston turbine (công suất lớn), máy dãn nở piston turbine kết hợp với van tiết lưu, sử dụng thiết bị hồi nhiệt hoàn thiện, q trình phân chia đơn khí thực tháp chưng cất Chu trình Picter Tầng 1: dùng nước làm ngưng tụ môi chất Thiết bị bay tầng thiết bị ngưng tụ tầng Môi chất tầng chất khí cần hóa lỏng (nitơ) Đối với khí N2 ta dùng tầng với môi chất sau: Tầng 1: Amơniăc NH3 Tầng 2: Êtylen C2H4 Tầng 3: Ơxy O2 Tầng 4: Khơng khí, Nitơ N2 Bổ sung lượng môi chất tầng cuối lấy cách đưa vào đầu hút máy nén tầng cuối Bằng phương pháp ghép tầng người ta thu CO2, O2, N2 lỏng Do độ phức tạp ghép tầng, khó khăn tự động hóa, hiệu suất thấp nên phương pháp ngày khơng sử dụng Chu trình Linde Đơn giản phương pháp Picter, chu trình hồi nhiệt Máy nén (1) nén mơi chất tuần hoàn hệ thống Đầu tiên thiết bị hồi nhiệt chưa có lỏng, lượng mơi chất bổ sung 0, nhiệt độ mơi chất trước van tiết lưu (3) hạ dần từ tmt xuống to thiết bị hồi nhiệt (2) xuất lượng lỏng Thông thường áp suất đầu hút máy nén áp suất khí Bằng phương pháp Linde người ta thu N2 He2 lỏng Chu trình Clode Là phương pháp sử dụng thiết bị hồi nhiệt kết hợp với máy dãn nở; chu trình nguyên lý chu trình máy lạnh cryo ngày Các giai đoạn nhiệt động 12 - Quá trình nén làm mát thiết bị làm mát; 23 - Làm lạnh thiết bị hồi nhiệt; 34 - Tiết lưu; 34’ - Dãn nở; 45 & 4’5 – Bay nhận nhiệt lượng qo; 61 - Hồi nhiệt I: Máy nén; II: Máy nén cao áp; III: Tiết lưu; IV: Ejector; V: Máy dãn nở làm lạnh chính; VI:Thiết bị hồi nhiệt; VII: Thiết bị bay môi chất lạnh bên ngoài; VIII: Máy dãn nở mắc nối tiếp; IX: Máy dãn nở mắc song song Các giai đoạn nhiệt động Giai đoạn 1: môi chất nén từ po tới pk làm mát đến t2 gần tmt Q trình nén cấp nhiều cấp có làm mát trung gian Giai đoạn 2: làm lạnh sơ môi chất làm lạnh đến t3 nhờ thiết bị hồi nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt: Sơ đồ a: Nhờ thiết bị hồi nhiệt không dùng môi chất lạnh bên Sơ đồ b: Sử dụng hồi nhiệt kết hợp nguồn lạnh bên ngồi: mơi chất phía frêon với nhiệt độ sôi t = 90OC ≈ -50OC, mơi chất lạnh phía N2 H2 lỏng Đây sơ đồ khơng có thiết bị hồi nhiệt Sơ đồ c: Làm lạnh bên nhờ máy dãn nở mắc song song Sơ đồ d: Làm lạnh bên nhờ máy dãn nở mắc nối tiếp Các giai đoạn nhiệt động Giai đoạn 3: Làm lạnh Đưa nhiệt độ mơi chất đến nhiệt độ cần thiết Có phương án độc lập: Sơ đồ e: Dùng van tiết lưu – sơ đồ đơn giản Sơ đồ f: Dùng van tiết lưu kết hợp ejector – có hiệu Sơ đồ g: Dùng máy dãn nở - có hiệu suất cao nhất, song sơ đồ phức tạp Thực tế lạnh cryo giai đoạn sử dụng van tiết lưu kết hợp với máy dãn nở SƠ ĐỒ HĨA LỎNG KHƠNG KHÍ LOẠI TRUNG ÁP, CAO ÁP THU N2, O2 Sơ đồ hóa lỏng khơng khí trung áp, cao áp Tháp chưng cất I - Máy nén; II - Thiết bị lọc ẩm lọc CO2 khơng khí; III - Thiết bị hồi nhiệt; IV - Máy dãn nở; V - Tháp chưng cất thứ nhất; VI - Tháp chưng cất thứ hai; VII - Thiết bị ngưng tụ – bay hơi; VIII - Van tiết lưu khơng khí; IX - Van tiết lưu nitơ; X - Van tiết lưu lỏng; XI – Bơm ôxy lỏng Nguyên lý làm việc • • • • • • • Thiết bị hệ thống tháp chưng cất gồm tháp chưng cất tháp chưng cất trên, áp suất làm việc tháp chưng cất cao áp suất làm việc tháp chưng cất Do lỏng từ tháp chưng cất tự chảy lên tháp chưng cất qua van tiết lưu VTL2 VTL3 Tháp chưng cất phân chia khơng khí sơ thành phần dễ bay (N2) khối lỏng giàu ôxy (36 - 38%) Ở tháp chưng cất q trình phân chia khơng khí tiếp tục xảy ra, N2 khí lên trên, O2 lỏng xuống Nhiệt độ O2 lỏng đáy tháp chưng cất thấp nhiệt độ ngưng tụ N2 khí đỉnh tháp chưng cất N2 khí đỉnh tháp chưng cất ngưng tụ, phần chảy xuống tầng mâm chưng cất tháp chưng cất làm dòng hồi lưu, phần lại lên đỉnh tháp chưng cất làm dòng hồi lưu cho tháp chưng cất qua van tiết lưu VTL2 Thông thường nhiệt độ ngưng tụ N2 đỉnh tháp chưng cất lớn nhiệt độ O2 lỏng đáy tháp chưng cất 1,5 - 3K O2 N2 khí đưa lên thiết bị hồi nhiệt đưa đến hộ tiêu thụ Áp suất làm việc tháp chưng cất khoảng p = 4,8 - 5,2 bar Áp suất làm việc tháp chưng cất khoảng p = 1,4 - 1,6 bar Nhiệt độ làm việc tháp khoảng – 200oC SƠ ĐỒ HĨA LỎNG KHƠNG KHÍ HẠ ÁP THU O2, N2 Nguyên lý làm việc • • • Chia tháp chưng cất đúp thành phần: tháp chưng cất cao áp (4,8 - 5,2 bar), tháp chưng cất hạ áp (1,4 -1,6 bar ) Thiết bị trao đổi nhiệt tháp để tạo dòng hồi lưu Ngồi khơng khí có lượng nhỏ H2O CO2 đóng băng nhiệt độ 0oC -80oC thiết bị hồi nhiệt, chu trình 6.4 khơng thể làm việc liên tục mà cần có thời gian để phá băng H2O CO2 Để hệ thống làm việc liên tục ta chế tạo thiết bị hồi nhiệt Ngồi khơng khí có số khí độc hại, gây cháy nổ ơxy lỏng nên cần phải lọc Các vấn đề giải sơ đồ lạnh cryo hạ áp Nguyên lý làm việc I - Thiết bị hồi nhiệt nitơ; II – Thiết bị hồi nhiệt ôxy; III - Bình hấp thụ CO2; IV – Máy dãn nở turbine; V - Tháp chưng cất thứ nhất; VI - Tháp chưng cất thứ hai; VII - Thiết bị ngưng tụ – bay hơi; IX - Van tiết lưu nitơ; X - Van tiết lưu lỏng; XI - Thiết bị lạnh nitơ lỏng; XII - Thiết bị làm lạnh chất lỏng; XIII - Thiết bị gia nhiệt nitơ; ... 2) Máy lạnh đa dụng PHÂN LOẠI MÁY LẠNH Phân loại máy lạnh theo môi chất lạnh sử dụng 1) Máy lạnh amôniăc 2) Máy lạnh freon 3) Máy lạnh propan 4) Máy lạnh etan 5) Máy lạnh khơng khí 6) Máy lạnh. .. PHÂN LOẠI MÁY LẠNH Phân loại máy lạnh theo chu trình nhiệt động 1) Máy lạnh cấp 2) Máy lạnh cấp 3) Máy lạnh nhiều cấp 4) Máy lạnh ghép tầng Phân loại máy lạnh theo tính sử dụng 1) Máy lạnh chuyên... MÁY LẠNH Phân loại máy lạnh theo dạng lượng cấp cho chu trình 1) Máy lạnh sử dụng máy nén lạnh (máy nén piston, máy nén ly tâm, máy nén roto, máy nén trục vít) 2) Máy lạnh sử dụng nhiệt máy lạnh