Thiết bị trong hệ thống lạnh

MH11-03

Giới thiệu:

Trong chương này chủ yếu là nói về q trình làm việc các thiết bị trong hệ thống lạnh và chỉ ra được các thiết bị thống dụng và phạm vi ứng dụng của chúng trong đời sống, sau khi học xong bài này người kỹ thuật có kiến thức nền cơ bản để đáp ứng cho những môn thực hành sau này

Mục tiêu:

Kiến thức:

- Trình bày khái niệm về máy nén lạnh.

- Hiểu được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy nén lạnh thông dụng.

Kỹ năng:

- Mô tả được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy nén lạnh thông dụng.

- Nhận dạng được các thiết bị trong hệ thống lạnh.

- Trình bày được chức năng của các thiết bị trong hệ thống lạnh.

Năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong học tập và tính tốn.

Nội dung chính: 1. MÁY NÉN LẠNH

1.1. Khái niệm

Máy nén lạnh là loại máy nén đặc 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 hồn mơi chất một cách hợp lý trong hệ thống lạnh

1.1.1. Vai trò của máy nén lạnh

Máy nén lạnh là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống lạnh. Công suất, chất lượng , tuổi thọ vàđộ tin cậy của hệ thống lạnh chủ yếu đều do máy nén lạnh quyết định. Có thể so sánh máy nén lạnh có chức năng và có tầm quan trọng giống như trái tim của cơ thể sống

1.1.2. Phân loại máy nén lạnh:

64

a/ Máy nén động học : máy nén turbin , li tâm hướng trục

b/ Máy nén thể tích: máy nén pittong dao đông , máy nén pittong quay +/Máy nén pittong dao động : pittong trượt, con lắc, kiểu màng

+/Máy nén pittong quay : trục vít, rơ to lăn, rơ to tấm trượt, rô to xoắn ốc

1.2. Máy nén pittong

1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc

1.2.1.1. Cấu tạo

Máy nén pittong có nhiều chủng loại khác nhau có nhiều nguyên lý cũng như cấu tạo khác nhau tuỳ theo từng nhà sản xuất, nhưng lại hoàn toàn đồng nhất nhau theo một sốcăn cứ sau :

a. Môi chất lạnh : máy nén dùng môi chất Freon gần như tương tự nhau, máy nén dùng môi chất amoniac (NH3) khác biệt nhiều hơn do tính chất khác nhau, máy nén NH3 kí hiệu chữ A, máy nén frenon kí hiệu Φ , ít khi sử dụng môi chất lẫn lộn cho một máy nén

Hình 3.1. Mặt cắt máy nén Mycom nhiều xilanh kiểu hở môi chất ammoniac và

Freon

65

- Máy nén thẳng đứng : xilanh đặt thẳng đứng - Máy nén nằm ngang : xilanh đặt nằm ngang

- Máy nén hình chữ V,W… xilanhđặt hình chữ V, W.. c. Số xilanh của máy nén : Máy nén 1 xilanh hoặc 2, 4, 6, 8….xilanh e. Cấp nén : Có 1 cấp hoặc 2 cấp được bố trí trên cùng một máy f. Số mặt làm việc của pittong

Phần lớn các loại máy nén pittong hiện đại có số vịng quay cao, tỉ số đường kính xilanh trên hành trình pittong lớn đều có loại tác dụng đơn nghĩa là nén hơi trên 1 mặt. Các loại máy nén con trượt thì dẫn hướng pittong nén hơi theo cả hai mặt là loại tác dụng kép

g. Hướng chuyển động mơi chất trong quá trình nén qua xilanh :

Có 2 loại : máy nén thuận dịng và máy nén ngược dòng. Gọi là máy nén thuận dòng khi dịng hơi khơng đổi hướng khi qua xilanh, được hút vào thân máy hoặc thân xilanh, clape hút đặt trên đỉnh pittong, clape đẩy đặt trên tấm nắp xilanh. Gọi là máy nén ngược dòng khi dòng hơi đổi hướng khi qua xilanh, clape hút và đẩy đều bố trí trên nắp xilanh, dịng hơi chuyển hướng khi hút vào và đẩy ra khỏi xilanh. Thông thường máy nén thuận dịng dùng cho mơi chất amoniac cịn máy nén ngược dịng dùng cho Freon

h. Phương pháp giữ kín khoang trong của máy nén

+/ Máy nén hở : là loại máy nén có đầu trục khuỷu nhơ ra thân máy nén để

nhận truyền động từ động cơ, nên phải có cụm bịt kín cổ trục để cho mơi chất khơng rị rỉ ra ngồi và khơng cho khí lọt vào hệ thống

66

Hình 3.2. Ngun tắc cấu tạo máy nén hở

- Ưu điểm : có thểđiều chỉnh vô cấp năng suất lạnh nhờđiều chỉnh tỷ sốđai truyền, bảo dưỡng sửa chữa dể dàng, tuổi thọ cao. dể gia công các chi tiết thay thế hoặc chế tạo tồn bộ vì cơng nghệ chế tạo đơn giản. có thể dùng động cơ điện, xăng, dầu để truyền động máy nén thuận tiện cho những nơi khơng cóđiện

- Nhược điểm : Tốc độ thấp, vòng quay nhỏ nên máy nén rất cồng kềnh, chi phí vật liệu cho một đơn vị lạnh cao. Dể rị rỉ mơi chất lạnh qua cụm bịt kín cổ trục

Hình 3.3. Máy nén hở 2 xilanh đứng, tḥn dịng mơi chất NH3

1. Thân máy, 2. Trục khuỷu, 3. Tay biên, 4. Xilanh, 5. Nắp xilanh, 6. Nắp khoang đẩy; 7. Lò xo, 8. Áo nước làm mát, 9. Clape hút, 10. Pittong, 11. Bánh đai, 12. Cụm

bịt kín cổ trục, 13. Van chặn đầu đẩy, 14. Van chặn đầu hút, 15. Van khởi động; 16. Van an toàn

+/ Máy nén nửa kín : là loại máy nén cóđộng cơ lắp chung trong vỏ máy nén. Đệm kín khoang mơi chất bằng đệm kín tĩnh điện đặt trên bích nắp sau động cơ, siết chặt bằng bulong

67

Hình 3.4. Máy nén nửa kín copeland (Mỹ)

- Ưu điểm : loại trừ được nguy cơ hỏng hóc và sự rị rỉ của cụm bịt kín cổ trục ở máy nén hở. Máy nén gần như kín mơi chất lạnh. Gọn nhẹ, diện tích lắp đặt nhỏ. Khơng có tổ thất truyền động ở trục khuỷu vì máy nén gắn trực tiếp lên trục động cơ, tốc độ vòng quay đạt đến 3600vg/phút nên năng suất lạnh lớn mà máy nén vẫn gọn nhẹ

- Nhược điểm : chỉ sử dụng được cho môi chất lạnh khơng dẫn điện và khơng an mịn kim loại đồng như mơi chất Freon. Khó có thể điều chỉnh năng suất lạnh vì khơng cópuli điều chỉnh vơ cấp. Chỉ có thểđiều chỉnh tốc độ động cơ qua thay đổi số cặp cực rất hạn chế và khó thực hiện. Khó bảo dưỡng sửa chữa động cơ do động cơ nằm phía trong vịng tuần hồn mơi chất lạnh. Độ quá nhiệt hơi hút cao tại vì sử dụng hơi hút làm mát động cơ và máy nén. Khi động cơ bị cháy thì tồn bộ hệ thống nhiểm bẩn nặng nề, đòi hỏi phải tẩy rửa cẩn thận

Hình 3.5. Ngun tắc cấu tạo máy nén nửa kín

1.Trục khuỷu 2.Thân máy 3.Tay biên 4.Pittong 5.Nắp trong 6.Van hút 7.Van đẩy 8.Rô to 9.Stato 10.Cửa hút 11.Nắp bít động cơ 12.Cuộn dây

68

+/ Máy nén kín (lốc) : là loại máy nén nhỏ, có động cơ điện nằm chung trong một vỏ máy bằng thép hàn kín đểđảm bảo độ kín tuyệt đối

- Ưu điểm : khơng rị rỉ môi chất lạnh do vỏ được hàn kín. Khơng tổn thất truyền động do trục động cơ liền với trục máy nén. Có thể đạt tốc độ cao nhất 3600vg/phút ởlưới điện 60 Hz. Gọn nhẹ, hiêu suất cao, dể lắp đặt

- Nhược điểm : chỉ sử dụng được cho Freon không dẫn điện. Chỉ thay đổi năng suất lạnh qua thay đổi số cặp cực rất khó. Năng suất lạnh nhỏ, rất nhỏ. Độ quá nhiệt hơi hút cao vìhơi hút phải làm mát động cơ. Toàn bộ hệ thống bị nhiểm bẩn khi động cơ bị cháy. Công nghệ gia cơng địi hỏi khắt khe

Hình 3.6. Giới thiệu máy nén kín cắt bở

l. Năng suất lạnh Q0:

Là thông số chủ yếu của máy nén. Năng suất lạnh được tính theo điều kiện tiêu chuẩn với nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi. Căn cứ vào năng suất lạnh người ta phân làm 3 loại : - Máy nén nhỏ : Q0 < 14 kW (12.000 kcal/h) - Máy nén trung bình : Q0 = 14 đến 105 kW (90.000 kcal/h) - Máy nén lớn : Q0 > 105 kW (90.000 kcal/h) 1.2.2. Tổn thất và hiệu suất 1.2.2.1. Các thông sốđặc trưng của máy nén lạnh:

69

Định Nghĩa: thể tích hút lý thuyết của máy nén lànăng suất hút của máy nén hay thể tích quét lý thuyết của các pitton trong một đơn vị thời gian. Thể tích hút lý thuyết của máy nén có thể xác định theo biểu thức sau:

n z s d Vlt . . . 4 2  = (3-1)

Trong đó : Vlt - năng suất hút lý thuyết, đơn vị m3/s hoặc m3/h d –đường kính xilanh , m

s – hành trình pittong , m z – số xilanh

n – tốc độ vịng quay , vịng/s

b. Thể tích hút thực tế

Định nghĩa : thể tích hút thực tế là thể tích thực tế của hơi mơi chất lạnh ở trạng thái hút mà máy nén hút và nén lên áp suất cao đẩy vào dàn ngưng tụ theo điều kiện làm việc của hệ thống lạnh. Thể tích hút thực tế bao giờ cũng nhỏ hơn thể tích hút lý thuyết

Thể tích hút thực tế được xác định theo công thức sau:

lt tt V V =. (3-2) Vtt – thể tích hút thực tế, m3/s hoặc m3/h  - hệ số cấp c. Hệ số cấp  Định nghĩa: hệ số cấp là tỷ số giữa thể tích hút thực tế và thể tích hút lý thuyết của máy nén. Hệ số cấp cịn gọi là hiệu suất thể tích lt tt V V =  (3-3)

Hệ số cấp phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố về lý thuyết có thể xác định qua các tổn thất sau: k r w tl c       = . . . . (3-4) Trong đó : c  - hệ số tính đến tổn thất do thể tích chết gây ra. Thể tích chết là thể tích cịn sót lại giữa nắp xilanh và mặt trên pittong khi pittong đã lên tới điểm chết trên.

70

Thể tích chết thường chiếm 3-5% thể tích quet pittong. Thể tích chết càng lớn thì

c

 càng lớn

tl

 - hệ số tính đến tổn thất do mơi chất bị tiết lưu ở clape hút và đẩy vì áp suất hút luôn nhỏ hơn áp suất khoang hút và áp suất đẩy luôn lớn hơn áp suất khoang đẩy. Đây là chênh lệch áp suất cần thiết để clape hút và đẩy tự động đóng và mở

w

 - hệ số tính đến hơi mơi chất bị nóng lên do tiếp xúc với bề mặt xilanh nóng

r

 - hệ số tính đến hơi mơi chất rò rỉ qua secmang quay trở lại van hút

k

 - hệ số tính đến các tổn thất khác

Ngồi ra hệ số cấp cịn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tốnhư trình độ cơng nghệ gia cơng máy nén, độ chính xác các chi tiết, dầu bơi trơn…..

Để tính tốn gần đúng ta có thể tra giá trịtheo đồ thị phụ thuộc vào kiểu máy nén, loại môi chất lạnh và tỉ sốáp suất 0 p pk =  , thể tích chết khoảng 4,5%

Hình 3.7. Hệ số cấp λphụ thuộc vào hệ số nén Π = pk/p0

Hệ số cấp càng giảm khi tỉ sốáp suất càng tăng

d. Năng suất khối lượng của máy nén

Định nghĩa: là khối lượng môi chất lạnh mà máy nén thực hiện được trong một đơn vị thời gian. Năng suất khối lượng còn gọi là lưu lượng khối lượng của máy nén, đơn vị là kg/s hoặc kg/h, ký hiệu là m

71 Có thể xác định m theo biểu thức : tt tt V v V m= = . (3-5) Trong đó :

v – thể tích riêng của hơi hút về máy nén m3/kg  - khối lượng riêng của hơi hút về máy nén , kg/m3 Lưu ý : tra bảng  ='' , ;;

v

v= cho hơi bảo hồ khơ

e. Hiệu suất nén :

ĐN: là tỉ số giữa công nén lý thuyết và công nén thực tế cấp cho máy nén

el s N N =  (3-6)

Cũng như tổn thất thể tích, cơng nén thực tế cũng lớn hơn công nén lý thuyết do có những tổn thất khác nhau trong q trình nén thực

f. Cơng nén đoạn nhiệt kí hiệu :

Ns hoặc L là công nén lý thuyết để nén hơi môi chất lạnh từáp suất po lên áp suất ngưng tụ pk theo quá trình nén đoạn nhiệt

Tính Ns theo biểu thức sau: Ns = m.l = m(h2 – h1) (3-7) l : Công nén riêng kJ/kg

h2 và h1 làentanpi hơi vào và ra khỏi máy nén

g. Cơng suất hữu ích :

Là cơng nén đo trên trục khuỷu có tính thêm đến tổn thất ma sát ở ổ đỡ, bề mặt ma sát ở tay biên , chốt pittong, xilanh pittong…

e s e N N  = (3-8)

72

Hình 3.8 Sự phụ thuộc µe vào tỷ số áp suất pk/p0

h. Hệ số lạnh của chu trình:

Định nghĩa: Hệ số lạnh của chu trình là tỷ số giữa năng suất lạnh đạt được và công tiêu tốn cho chu trình

+/ Hệ số lạnh lý thuyết : là tỷ số giữa năng suất lạnh riêng và cơng nén đoạn nhiệt l q0 =  hoặc s N Q0 = 

Ngồi ra người ta tính thêm 2 loại hệ số lạnh khác là: +/ Hệ số lạnh hữu ích : s e N Q0 =  (3-9) +/ Hệ số lạnh thực tế: el N Q0 =  (3-10) Ở đây chúng ta chỉ nghiên cứu hệ số lạnh lý thuyết

1.3. Giới thiệu một số chủng loại máy nén khác

1.3.1. Máy nén rô to pittông

Máy nén rô to là một loại máy nén thể tích. Q trình hút nén và đẩy được thực hiện nhờ sự thay đổi thể tích của không gian giới hạn giữa pittong và

73

xilanh.Điều khác biệt cơ bản của máy nén rô to với máy nén pittong trượt là pittong lăn hoặc pittong quay

a/ Máy nén rơ to lăn:

Hình trụ nằm trong xilanh. Nhờ có bánh lệch tâm, pittong lăn trên bề mặt trong của xilanh và luôn tạo ra 2 khoang hút và nén nhờ tấm ngăn. Chỉ khi pittong lăn lên vị trí tấm ngăn, khoang hút đạt thể tích tối đa, lúc đó chỉ có 1 khoang duy nhất giữa xilanh và pittong, quá trình hút kết thúc. Khi pittong lăn tiếp tục, quá trình nén bắt đầu và khoang hút mới lại hình thành. Cứ như vậy khoang nén nhỏ dần lại và khoang hút lớn dần lên, cho đến khi hơi nén được đẩy hết ra ngồi và khoang hút đạt cực đại, một q trình hút và nén mới lại bắt đầu.Máy nén rô to lăn cóưu điểm làít chi tiết rất gọn nhẹ chỉ có van đẩy khơng có van hút giảm được tổn thất tiết lưu nhưng cũng cónhược điểm là cơng nghệ chế tạo địi hỏi rất chính xác , khó giữ kín khoang mơi chất đặc biệt ở hai đầu pittong, khóbơi trơn và độ mài mòn tấm trượt lớn. Máy nén rô to lăn được sử dụng rộng rãi trong điều hồ khơng khí

Hình 3.9. Ngun lý cấu tạo và làm việc của máy nén roto lăn

a/ Bắt đầu quá trình nén cửa hút và xảđóng b/ Tiếp tục quá trình nén bắt đầu quá trình hút c/ Tiếp tục nén và hút d/ Chuẩn bị kết thúc quá trình đẩy và sắp kết thúc quá trình hút

b/ Máy nén rơ to tấm trượt:

- Nguyên lý hoạt động :

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy nén rô to tấm trượt cũng gần giống như máy nén rô to lăn. Khác nhau cơ bản là các tấm trượt nằm trên pittong. Pittong khơng có bánh lệch tâm mà quay ở vị trí cố định. Pittong và xilanh luôn tiếp xúc

74

với nhau ở một đường cố định phân cách giữa cửa hút và đẩy.Cửa hút khơng có van chỉ có cửa đẩy được bố trí van.Khi pittong quay các tấm trượt văng ra do lực ly tâm, quét trên bề mặt xilanh và tạo ra các khoang có thể tích thay đổi thực hiện quá trình hút nén và đẩy. Nếu làm mát tốt tỷ số nén có thể đạt 5-6, hiệu áp có thể đạt 3-5 bar. Lưu lượng thể tích có thể đạt 0,03 đến 1m3/s hay được sử dụng trong