Những khái niệm cơ bản

Chương 2 : Kỹ Thuật Lạnh

1. Những khái niệm cơ bản

1.1. Ý nghĩa của kỹ thuật lạnh trong đời sống và kỹ thuật

1.1.1. Ý nghĩa của kỹ thuật lạnh trong đời sống

Từ ngàn xưa, con người đã có ý thức tạo ra điều kiện khơng khí tiện nghi chung quanh mình : mùa đơng thì sưởi ấm , mùa hè thì thơng gió tự nhiên hoặc cưỡng bức . Máy điều hồ khơng khí để tạo ra khơng khí mát mẻ ở phịng làm việc nhằm mục đích để tăng năng suất lao động v.v…

Tủ lạnh gia đình dùng để bảo quản dài hạn các thực phẩm và thức ăn dể bị ôi thiu hư hỏng hàng ngày trong gia đình , nhằm để phục vụcho đời sống . Ngồi ra tủ lạnh cịn dùng để làm đá viên phục vụ cho sinh hoạt hàng ngày

1.1.2. Ý nghĩa của kỹ thuật lạnh trong kỹ thuật

Bảo quản thực phẩm :

Đây làứng dụng quan trọng nhất của kỹ thuật lạnh là dùng để bảo quản thực phẩm . Theo thống kê thì khoảng 80% năng suất lạnh được sử dụng trong công nghiệp bảo quản thực phẩm . Thực phẩm hầu hết là các sản phẩm dể bịôi thiu hư hỏng do vi khuẩn gây ra . Nước ta có khí hậu nhiệt đới nóng vàẩm nên q trình ơi thiu thực phẩm xảy ra càng nhanh chóng

Để bảo quản thực phẩm , ngồi các phương pháp sấy khơ, phóng xạ, bao bì, xử lý khí…phương pháp làm lạnh tỏ ra có rất nhiều ưu điểm như ít làm giảm chất lượng màu sắc , mùi vị thực phẩm trong nhiều tháng , thậm chí nhiều năm bảo quản

Ngày nay cơng nghiệp thực phẩm xuất khẩu đang giữ một vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh tế của nước ta và nền công nghiệp chế biến thực phẩm

Sấy thăng hoa :

Sản phẩm sấy đầu tiên được kết đông xuống -200C sau đó được sấy bằng cách hút chân khơng nên chất lượng sản phẩm hầu như được giữ nguyên vẹn . Khi sử dụng sản phẩm được tái hấp thụ nước và giữ nguyên được trạng thái ban đầu cả về chất lượng, màu sắc, mùi vị…..do giá thành sấy thăng hoa rất đắt nên ít được ứng dụng cho thự phẩm mà chủ yếu cho ngành y dược

Công nghiệp hoá chất :

Ứng dụng quan trọng nhất trong cơng nghiệp hố chất là việc hố lỏng và tách khí như cơng nghiệp sản xuất khí clo, amoniắc, carbonic, sunfurơ, clohydric, các loại khí đốt, khí sinh học khí thiên nhiên v.v…

Hố lỏng và tách khí từ khơng khí là ngành cơng nghiệp có ý nghĩa rất to lớn đối với ngành luyện kim, chế tạo máy và các ngành kinh tế khác kể cả y học và sinh học

Điều hoà khơng khí :

Điều hồ khơng khí cơng nghiệp và tiện nghi ngày nay là không thể thiếu và thật sự đang phát triển rất mạnh mẽ. Các yêu cầu nghiêm ngặt về nhiệt độ, độẩm và thành phần khơng khí trong các quy trình cơng nghệ sản xuất như vải sợi, in ấn, thuốc lá, điện tử, máy tính v.v…nhất thiết phải cóđiều hồ khơng khí

Các ngành dịch vụ như khách sạn, du lịch…cũng khơng thể thiếu điều hồ khơng khí và tất cả các ngành y tế, thể dục thể thao, giao thông vận tải, vui chơi giải trí…cũng khơng thể thiếu điều hồ khơng khí

1.2. Các phương pháp làm lạnh nhân tạo

1.2.1. Làm lạnh bằng giãn nở khí sinh cơng

Đây làphương pháp làm lạnh nhân tạo quan trọng nhất của các máy lạnh làm việc theo nguyên lý giãn nở khí có sinh ngoại cơng gọi là máy nén khí . Phạm vi hữu dụng rất rộng lớn từ máy điều hồ khơng khí cho đến kỹ thuật sử dụng đông lạnh, để sản xuất nito…

Nguyên tắc làm việc của máy nén khínhư sau:

Hình 2.1. Ngun tắc làm việc của máy lạnh nén khí

a) Sơ đồ thiết bị b) Chu trình lạnh được biểu diễn trên đồ thị T-S

Máy nén khí gồm bốn thiết bị chính : máy nén , bình làm mát , bình giãn nở , buồng làm lạnh . Mơi chất là khơng khí hoặc là chất bất kỳ không biến đổi pha trong chu trình.

1.2.2. Hoá lỏng hoặc thăng hoa chất rắn

Để làm lạnh là phương pháp chuyển pha của các chất tải lạnh như nước đá , đá khô..

- Nước đá tan ở nhiệt độ (00C) thu nhiệt lượng (333 kJ) tương đương (79,5 kcal/kg, nếu cần nhiệt độ thấp hơn phải hoà trộn đá cục với muối ăn (NaCl) hoặc muối (CaCl2) nhiệt độ thấp nhất đạt được với nước đá muối là (-210C) ở nồng độ muối (23%) muối trong nước đá

Nước đá vànước muối được sử dụng rộng rải nhất là trong lĩnh vực đánh bắt hải sản vì nó có các ưu điểm là rẻ tiền , khơng độc hại , nhiệt ẩn hố lỏng khí có nhược điểm là gây ẩm ướt cho sản phẩm bảo quản lâu nhưng có độăn mịn cao

Đá khơ : là cabonic dạng rắn kho sử dụng nó chuyển từ dạng rắn sang dạng hơi mà không để lại chất lỏng , nên gọi là đá khô . Ngày nay đá khơ có ý nghĩa cơng nghiệp rộng lớn đặc biệt dùng làm lạnh trên phương tiện vận tải . Đá khơ có rất nhiều ưu điểm, nhiệt ẩn hố hơi lớn năng suất lạnh và thể tích lớn , không làm ẩmkk0ướt sản phẩm , nhược điểm là rất đắt tiền

1.2.3. Bay hơi chất lỏng

Quá trình bay hơi chất lỏng bao giờ cũng gắn liền với quá trình thu nhiệt . Nhiệt cần thiết đểbay hơi 1kg chất lỏng gọi là nhiệt ẩn bay hơi

Chất lỏng bay hơi đóng vai trị là mơi chất lỏng và chất tải lạnh quan trọng trong kỹ thuật lạnh

Các môi chất lỏng dùng trong máy lạnh, máy hơi , hấp thụ ejecter là NH3, nước, các Freon điều thực hiện q trình thu nhiệt của mơi trường lạnh bằng quá trình bay hơi ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp , thải nhiệt độ ra môi trường bên ngồi bằng q trình ngưng tụ ở áp suất cao và nhiệ độ cao

1.3. Môi chất lạnh và chất tải lạnh

a. Định nghĩa : môi chất lạnh ( còn gọi là tác nhân lạnh hay gas lạnh ) là

chất môi giới sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược chiều để hấp thụ nhiệt của mơi trường cần làm lạnh có nhiệt độ thấp và thải nhiệt ra mơi trường có nhiệt độ cao hơn. Mơi chất lạnh tuần hồn được trong hệ thống lạnh nhờ q trình nén

b. u cầu của mơi chất lạnh

Năng suất lạnh riêng qo càng cao càng tốt

Nhiệt độ sôi thấp, áp suất ở nhiệt độ bay hơi trong dàn bay hơi phải lớn hơn áp suất khí quyển (để khi ống bị hở thì mơi chất thốt ra ngồi chứ khơng cho khơng khí chui vào trong ống )

Không gây nổ , cháy, ăn mịn, kim loại và khơng phản ứng với dầu bơi trơn , không độc hại với người và thực phẩm , phải bền vững trong phạm vi áp suất và nhiệt độ làm việc

Hoà tan được với nước để hệ thống không bị tắt ẩm van tiết lưu , hồ tan được với dầu nhờn để dể bơi trơn, khơng dẫn điện để sử dụng cho máy nén kín và nữa kín

Tính kinh tế ; rẻ tiền , dể kiếm,dể sản xuất , vận chuyển dể dàng … Không được phá huỷ môi sinh và môi trường

1.3.1. Các môi chất thường dùng trong ky thuật lạnh

a/ Môi chất lạnh ammoniac (NH3) : ký hiệu là (R717)

R717 là chất khí khơng màu , có mùi rất hắc . gas lỏng NH3 sơi ởáp suất khí quyển với nhiệt độ – 33,350C . Amoniac có tính chất nhiệt động tốt phù hợp với chu trình máy lạnh nén hơi dùng máy nén pittong

*/ Tính chất vật lý :

Áp suất ngưng tụ trong điều kiện mùa hè tương đối cao, nếu dùng nước giải nhiệt thì nhiệt độ đầu ra của nước là 370C , nhiệt độ ngưng tụ là 420C , áp suất tuyệt đối lên đến 16,5bar

Nhiệt độ cuối tầm nén rất cao nên phải làm mát đầu xilanh bằng nước và phải hút về máy nén là hơi bảo hồ

Năng suất lạnh riêng thể tích lớn nên máy nén và các thiết bịtương đối gọn nhẹ

Độ nhớt nhỏ , tính lưu động cao nên tổn thất áp suất nhỏ, đường ống và các van gọn nhẹ

Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn nên thuận lợi cho việc thiết kế chế tạo các thiết bị ngưng tụ và bay hơi

Hoà tan được với nước không hạn chế nên van tiết lưu không bị tắc ẩm, tuy nhiên hàm lượng nước phải khống chế dưới 0,1%

Khơng hồ tan được với dầu nhờn nên khó bơi trơn cho các chi tiết chuyển động của máy nén, do đó phải duy trì áp lực bơm dầu cần thiết để đảm bảo cho việc bôi trơn nên hệ thống phải có bình tách dầu trên đường ống nén

- Dẫn điện nên khơng sử dụng cho máy nén kín và nữa kín

*/ Tính chất hoá học :

- Bền vững trong khoảng nhiệt độ và áp suất làm việc, chỉ phân huỷ thành Nito và Hidro ở nhiệt độ 2600C nhưng khi có mặt ẩm và bề mặt xilanh bằng thép làm chất xúc tác thì NH3 phân huỷ ngay ở nhiệt độ 1100C – 1200C, bởi vậy cần làm mát tốt ởđầu xilanh và hạn chế nhiệt độ cuối tầm nén càng thấp càng tốt

- Khơng ăn mịn kim loại đen chế tạo máy nhưng ăn mòn đồng và các hợp kim của đồng trừ đồng thau photpho do đó khơng sử dụng đồng và hợp kim của đồng trong máy lạnh dùng NH3

- Không an mịn phi kim loại chế tạo máy

*/ Tính an toàn cháy nổ :

- Gây cháy nổ trong khơng khí ở nồng độ 13,5 – 16,5 % cháy ở nhiệt độ 6510C vì vậy các phịng máy dùng gas NH3 không được dùng ngọn lửa chật và phải được thông thoáng thường xuyên

- Hỗn hợp với thuỷ ngân sẽ gây nổ rất nguy hiểm nên hệ thống NH3 không được dùng áp kế thuỷ ngân

*/ Tính chất sinh lý :

- Độc hại đối với cơ thể sống gây kích thích viêm mạc mắt, dạ dày, gây co thắc cơ quan hô hấp, làm bỏng da

- Có mùi khó ngửi, hắc nên dể phịng tránh

- Làm giảm chất lượng thực phẩm bảo quản, và làm biến màu thực phẩm và giảm chất lượng rất nhanh chóng

*/ Tính kinh tế :

- Rẻ tiền, dể kiếm, dể bào chế và bảo quản, Ngày nay gas NH3 trở thành môi chất lạnh quan trọng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực ở nhiệt độ từ 100C đến - 600C

b/ Môi chất lạnh Freon 22 (R22)

- Cơng thức hố học : CHCLF2 là chất khí khơng màu có mùi thơm rất nhẹ sơi ở áp suất khí quyển với nhiệt độ -400C

*/ Tính chất vật lý :

- Ở điều kiện làm mát bằng nước thì nhiệt độ ngưng tụ là 300C, áp suất ngưng tụ là 1,19 MPa, nếu làm mát bằng khơng khí thì nhiệt độ ngưng tụ là 420C và áp suất ngưng tụ là 1,6 MPa

- Nhiệt độ cuối tầm nén trung bình nhưng cần phải làm mát tốt ở đầu máy nén

- Áp suất bay hơi lớn hơn áp suất khí quyển

- Hồ tan hạn chế với dầu bôi trơn nên gây khá nhiều khókhăn cho việc bơi trơn, ở khoảng nhiệt độ từ– 200C đến – 400C thì mơi chất khơng hồtan được với dầu nên dầu cónguy cơ bám trên bề mặt của dàn bay hơi làm cho máy nén thiếu dầu. Khơng hồ tan được với nước, nhưng mức độ hoà tan vẫn gấp 5 lần so với R12 nên máy lạnh dùng gas R22 ít bịnguy cơ tắc ẩm hơn

- Không dẫn điện nên sử dụng được cho máy nén nửa kín và máy nén kín tuy nhiên độ an tồn kém hơn R12

*/ Tính chất hoá học :

- Bền vững ở phạm vi nhiệt độ vàáp suất làm việc

- Khi có chất xúc tác là thép sẽ phân huỷ ở nhiệt độ 5500C có thành phần phosgen rất độc

- Khơng có tác dụng kim loại và phi kim loại chế tạo máy, nhưng làm trương phịng hay hồ tan mơt số chất hữu cơ như cao su và chất dẻo

*/ Tính an toàn cháy nổ :

- Không cháy và không gây nổ

*/ Tính chất sinh lý ;

- Khơng độc hại với cơ thể sống, khi nồng độ lên quá cao có thể bị ngạt thở do thiếu dưỡng khí

- Khơng làm biến chất thực phẩm bảo quản

*/ Tính kinh tế :

- R22 đắc tiền nhưng dể kiếm, dể vận chuyển và bảo quản

- Đang được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp đặc biệt trong sử dụng ĐHKK, mức độ phá huỷ tầng ozon nhỏ nhưng nó gây hiệu ứng lồng kính làm nóng quả địa cầu

c/ Mơi chất lạnh Freon 12 (R12)

- Cơng thức hố học CCL2F2 : là chất khí khơng màu có mùi thơm rất nhẹ, có nhiệt độ sơi ởáp suất khí quyển là– 29,80C, R12 là mơi chất lạnh an tồn cao và tính chất nhiệt động tốt hơn gas R22 được sử dụng cho tủ lạnh gia đình và máy ĐHKK ơ tơ. Tuy nhiên R12 là một Freon có mức độ phá huỷ tầng ozon và hiệu ứng lồng kính lớn nên bị cấm sản xuất, lưu hành và sử dụng từ 1/1/1996 nhưng thời hạn này được kéo dài 10 năm cho các nước đang phát triển

- Áp xuất ngưng tụ loại trung bình, nhiệt độ ngưng tụ 420C - Nhiệt độ cuối tầm nén thấp, thuận lợi cho máy nén ngược dòng - Áp xuất bay hơi thường lớn hơn 1bar

- Năng suất lạnh riêng khối lượng chỉ nhỏ bằng 1/8 đến 1/10 của NH3 nên lưu lượng tuần hồn trong hệ thống lớn do đó chỉ thích hợp cho hệ thống vừa và nhỏ. Tuy nhiên năng suất lạnh riêng thể tích vẫn bằng 60% của NH3 nên hệ thống lạnh R12 cũng chỉ lớn gấp rưỡi hệ thống lạnh NH3 có cùng áp suất

- Khơng dẫn điện nên sử dụng rất an toàn cho máy nén kín và nửa kín - Hồ tan dầu bơi trơn hồn tồn rất thuận lợi cho q trình bơi trơn

- Khơng hồ tan với nước đây là nhược điểm rất lớn gây tắc ẩm ở bộ phận tiết lưu

- Có đặc tính rửa sạch cặn bẩn, sắt, bụi, rỉ sắt, vẩy, hạt bám trên thành ống, máy nén và thiết bịdo đó phải bố trí phin lọc cẩn thận để tránh tắc bẩn

- Có khảnăng rị rỉ rất cao, có thể rị rỉ qua gang và cấu trúc tinh thể thô, nên thân máy nén R12 cũng phải đúc bằng gang mịn có các thành phần Mn, Silic, Crom đặc biệt là Niken

- Những chổ rò rỉ R12 có thể phát hiện được qua vết dầu vì R12 rị rỉ ln kèm theo dầu, để phát hiện R12 bị rị rỉ cũng có thể dùng máy để dị gas điện tử hoặc dùng đèn halogen

1.3.2. Chất tải lạnh

Chất tải lạnh là chất trung gian, nhận nhiệt của đối tượng cần làm lạnh chuyển tới thiết bị bay hơi. Hệ thống lạnh dùng chất tải lạnh là hệ thống gián tiếp qua chất tải lạnh

Người ta sử dụng chất tải lạnh trong trường hợp như sau : - Khó sử dụng trực tiếp dàn bay hơi để làm lạnh sản phẩm

- Mơi chất lạnh có tính độc hại và ảnh hưởng khơng tốt đến mơi trường và sản phẩm bảo quản, chất tải lạnh trung gian được coi là vịng tuần hồn an tồn

- Khi có nhiều hộ tiêu thụ lạnh và khi hộ tiêu thụ lạnh ở quá xa nơi cung cấp lạnh. Trong trường hợp trên nếu dùng dàn bay hơi trực tiếp sẽ rất bất tiện vì đường ống mơi chất dài và phức tạp, tốn môi chất lạnh, việc phát hiện rị rỉ khó khan, tổn thất áp suất lớn. Nếu dùng chất tải lạnh, khắc phục được hầu hết các nhược điểm vì đơn giản hố việc cung cấp lạnh như việc sử dụng nước muối lạnh làm lạnh

cho các phòng khác nhau, hoặc sử dụng nước đá trong các tàu, thuyền đánh cá, ni tơ lỏng, CO2 rắn để kết đông và bảo quản lạnh đông

Đứng về mặt nhiệt động mà đánh giá thì dùng chất tải lạnh trung gian là làm tăng exergy vì qua hai thiết bị trao đổi nhiệt hiệu nhiệt độ tăng lên làm giảm hệ số

Thiết bị trong hệ thống lạnh