Tính tốn chu trình máy lạn h1 cấp

3.8.1 Các đại lượng cho trước.

 Nhiệt độ của mơi trường giải nhiệt (nước hoặc khơng khí): tw.

 Nhiệt độ của sản phẩm cần làm lạnh, hoặc mơi trường cần làm lạnh (lỏng hoặc khí): tf.

 Năng suất lạnh cần đảm bảo Qo cho 1 giờ; quy đổi ra kJ/h.

3.8.2 Trình tự tính tốn.

1) Tính nhiệt độ ngưng tụ tk:

 Nếu mơi trường giải nhiệt là khơng khí: tk = tw+(10  20)oC;

 Nếu môi trường giải nhiệt là nước: tk = tw+(5  8)oC; 2) Tính nhiệt độ bay hơi to:

 Mơi trường làm lạnh là khơng khí: to = tf - (7  10)oC;

 Môi trường làm lạnh là khơng khí cho điều hịa nhiệt độ: to = tf - (1220)oC;

 Môi trường làm lạnh là chất lỏng: to = tf - (4  6)oC; 3) Chọn độ qúa nhiệt:

 Máy lạnh amôniăc: tqn = 3  5oC;

 Máy lạnh freon: tqn = 10  45oC tùy theo mức độ hồi nhiệt; 4) Chọn độ quá lạnh:

 Máy lạnh amôniăc: tql = 2  3oC tại thiết bị ngưng tụ;

 Máy lạnh freon: tql xác định theo phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị hồi nhiệt: h1-h6 = h3 - h4, kJ/h;

5) Xây dựng đồ thị, xác định giá trị t, p, v, h, s ở các điểm nút của chu trình (Bảng 3.1).

Bảng 3.1: Thông số trạng thái các điểm nút của chu trình.

TSTT Điểm nút t o C p bar v m3/kg h kJ/kg S kJ/(kg.độ) 1 2 3 4 5 6 7 Hình 3.9: Đồ thị T-s chu trình máy lạnh 1 cấp.

6) Tính cơng máy nén: l = h2-h1, kJ/h;

7) Tính nhiệt lượng thải ra ở thiết bị ngưng tụ: qk=h2-h3, kJ/kg; 8) Tính nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo=h6-h5, kJ/kg; 9) Tính hệ số làm lạnh:

l qo



 .

10) Tính lượng mơi chất G tuần hoàn trong hệ thống lạnh trong 1 giờ:

o o q Q G ; kg/h 11) Thể tích hút giờ máy nén: Vh=G.v1, m3/h.

CHƯƠNG 4:

MÁY LẠNH NHIỀU CẤP, NHIỀU TẦNG 4.1 Sự cần thiết phải dùng máy nén piston nhiều cấp, nhiều tầng. 4.1.1 Q trình nén khí máy nén piston 1 cấp:

Hình 4.1: Máy nén 1 cấp có khơng gian chết.

Vì lý do kỹ thuật: các vật khi nóng lên thì thể tích tăng lên, nên khi piston lên đến điểm cao nhất (Hình 4.1, điểm 3 - gọi là điểm chết trên - hoặc tử điểm thượng) vẫn không chạm vào bề mặt nắp quy lát (cụm van đẩy) máy nén, do đó trong xy lanh vẫn cịn một khoảng khơng gian cho môi chất; khoảng không gian này được gọi là không gian chết Vc. Khi pit tông thực hiện hành trình hút thì phần thể tích Vc dãn nở ra đến V4. Sau khi pit tơng đi qua điểm 4 thì hơi mơi chất mới được nạp vào xy lanh. Q trình nạp mơi chất dừng khi pit tơng đi đến điểm chết dưới (điểm 1). Lượng hơi môi chất thực tế hút được bằng: Vh=V1-V4. Thể tích pit tơng qt được là Vq.

Khi p2 tăng thì V4 tăng, Vh giảm, tác hại khơng gian chết tăng lên.

Ngồi ra khi p2 tăng thì nhiệt độ cuối tầm nén t2 tăng, làm giảm hoặc thậm chí phá hủy khả năng bơi trơn của dầu bôi trơn máy nén.

Để tăng thể tích hút và giảm nhiệt độ cuối tầm nén người ta khống chế tỷ số nén

12 10 p p 1 2   

 cho một cấp nén. Khi tỷ số nén vượt qua trị số này người ta sử dụng máy nén

nhiều cấp, nhiều tầng.

4.1.2 Quá trình nén khí máy nén piston nhiều cấp:

Ngồi hai ưu điểm kể trên q trình nén nhiều cấp cịn có ưu điểm là tiết kiệm cơng nén hơn do có thể sử dụng làm mát trung gian giữa các cấp nén. Trong thực tế kỹ thuật quá trình nén không vượt quá 3 cấp, phổ biến nhất là 2 cấp. Do làm mát trung gian nên đỡ tốn công nén.

Nguyên lý làm việc máy nén 3 cấp: môi chất với thông số trạng thái p1, T1 được hút vào máy nén cấp 1 (MN1) nén đoạn nhiệt theo q trình 12 với thơng số trạng thái 2 là p2, T2, tiêu thụ ngoại công l1. Sau khi ra khỏi máy nén cấp 1 môi chất được đưa đến thiết bị làm mát trung gian 1 (MTG), tại đây môi chất nhả nhiệt đẳng áp q1 cho mơi trường xung quanh theo q trình 23.

Hình 4.2: Máy nén nhiều cấp.

MTG1: thiết bị làm mát trung gian 1, MTG2: thiết bị làm mát trung gian 2; MN1: máy nén 1; MN2: máy nén 2; MN3: máy nén 3.

Sau khi ra khỏi thiết bị MTG1 môi chất đi vào máy nén cấp 2 nén đoạn nhiệt theo quá trình 34 với thông số trạng thái 4 là p4, T4, tiêu thụ ngoại công l2. Sau khi ra khỏi máy nén cấp 2 (MN2) môi chất được đưa đến thiết bị làm mát trung gian 2 (MTG 2), tại đây môi chất nhả nhiệt đẳng áp q1 cho mơi trường xung quanh theo q trình 45. Sau khi ra khỏi thiết bị MTG2 môi chất đi vào máy nén cấp 3 nén đoạn nhiệt theo q trình 56 với thơng số trạng thái 6 là p6, T6, tiêu thụ ngoại công l3. Sau khi ra khỏi máy nén cấp 3 (MN3) môi chất được đưa đến thiết bị ngưng tụ.

Tính tốn:

 Công nén: l = l1 + l2 + l3 = dt (12345678910)

 Công nén cho máy nén 1 cấp l1cấp = dt(1278910)

 Do làm mát trung gian nên đỡ tốn 1 công nén:

l = l – l1cấp = dt(27865432).

 Tỷ số nén cho các cấp và nhiệt độ đầu tầm hút mỗi cấp được tính trên cơ sở cơng nén là nhỏ nhất (l = min; l = max). Khi tính tốn sơ bộ cho m cấp chọn tỷ số nén b bằng:

m o k p p   . 4.1.3 Máy lạnh nhiều tầng:

Khi làm lạnh ở nhiệt độ thấp ngồi phương pháp nén nhiều cấp cịn sử dụng phương pháp máy lạnh nhiều tầng. Đây là phương pháp sử dụng để hố lỏng các chất khí trong lịch sử lạnh cryo (Cryogen). Ngày nay rất ít sử dụng.

4.1.4 Phân cấp máy nén theo nhiệt độ bay hơi:

to  -30oC: 1 cấp nén.

to = -30oC  -50oC: 2 cấp nén. to = -30oC  -70oC: 3 cấp nén.

4.2 MÁY LẠNH HAI CẤP KHƠNG TRÍCH HƠI TRUNG GIAN, LÀM MÁT TRUNG GIAN KHƠNG HỒN TOÀN. GIAN KHƠNG HỒN TOÀN.

4.2.1 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết:

Chu trình: Hơi mơi chất với các thơng số trạng thái po, t1 được máy nén thấp áp NTA (Hình 4.3) nén đoạn nhiệt đến áp suất ptg, t2. Hơi môi chất được đưa vào thiết bị làm mát trung gian,

môi chất nhả nhiệt cho môi trường làm mát theo quá trình 2 – 3. Đây là quá trình làm mát khơng hồn toàn, điểm 3 ở vùng quá nhiệt; ta lấy t3 = t5. Sau thiết bị làm mát trung gian hơi trung áp được đưa vào máy nén áp cao NAC và được nén đọan nhiệt đến áp suất pk, t4. Sau nén cao áp môi chất được đưa đến thiết bị ngưng tụ và ngưng tụ thành lỏng hoàn tồn ứng với thơng số trạng thái điểm 5. Lỏng sau thiết bị ngưng tụ được đưa đến van tiết lưu và tiết lưu từ pk xuống po ứng với thông số trạng thái điểm 6 rồi đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt trở về thông số trạng thái điểm 1.

Hình 4.3: Máy lạnh hai cấp khơng trích hơi trung gian, làm mát trung gian khơng hoàn toàn. MNTA: máy nén thấp áp; MNCA: máy nén cao áp; TBLM: thiết bị làm mát; TBNT: thiết bị

ngưng tụ; VTL: van tiết lưu; TBBH: thiết bị bay hơi.

4.2.2 Tính tốn chu trình:

1) Cơng tiêu thụ máy nén thấp áp: lNAT = h2 – h1. 2) Công tiêu thụ máy nén cao áp: lNAC = h4 – h3. 3) Công nén: l = lNAT - lNAC.

4) Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị làm mát trung gian: qMTG = h3 – h2. 5) Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = h4 – h5.

6) Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h1 – h6. 7) Hệ số làm lạnh:  = qo/l.

8) Lượng mơi chất tuần hồn qua máy nén thấp áp: GNAT = Qo/qo. 9) Lượng môi chất tuần hoàn qua máy nén áp cao: GNAC = GNAT. 10) Thể tích hút máy nén thấp áp: VhNAT = GNAT.v1.

11) Thể tích hút máy nén áp cao: VhNAC = GNAC.v3.

4.2.3 Nhận xét:

1) Nhiệt độ ở đầu hút máy nén áp cao là t3 cịn lớn do mơi chất chưa được làm mát hoàn toàn.

Nếu giảm được t3 xuống thì t4 sẽ giảm, cơng nén lNAC sẽ giảm. 2) Áp suất trung gian tính tốn sơ bộ: pTG  po.pk

4.3 MÁY LẠNH 2 CẤP CĨ TRÍCH HƠI TRUNG GIAN, LÀM MÁT TRUNG GIAN KHƠNG HỒN TỒN, CĨ 2 TIẾT LƯU.

4.3.1 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết:

Hình 4.4: M áy lạnh 2 cấp có trích hơi trung gian, làm mát trung gian khơng hồn tồn, có 2 tiết lưu.

12: quá trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy ở máy nén thấp áp; 23: quá trình làm mát ở thiết bị làm mát; 34 và 10-4 quá trình hồ trộn 2 dịng mơi chất lạnh; 45: q trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy ở máy nén cao áp; 56: quá trình ngưng tụ đẳng áp ở thiết bị ngưng tụ; 67: quá trình tiết lưu ở van tiết lưu 1; 89: quá trình tiết lưu ở van tiết lưu 2; 91: quá trình bay hơi ở thiết

bị bay hơi.

MNTA: máy nén thấp áp; MNCA: máy nén cao áp; TBLM: thiết bị làm mát; TBNT: thiết bị ngưng tụ; VTL1: van tiết lưu 1; VTL2: van tiết lưu 2; TBBH: thiết bị bay hơi.

Chu trình: Trong sơ đồ này (Hình 4.4) mơi chất đi qua máy nén thấp áp và máy nén áp cao khơng bằng nhau do có trích một phần hơi trung gian, hơi này tạo ra sau tiết lưu TL1. Hơi môi chất với áp suất po, nhiệt độ T1 được nén ở máy nén thấp áp đến áp suất trung gian pTG. Tiếp theo được làm mát đến điểm 3 ở thiết bị làm mát trung gian. Sau khi ra khỏi thiết bị làm mát trung gian hơi môi chất được hỗn hợp với buồng hơi bão hịa khơ sau van tiết lưu TL1 ứng với thông số trạng thái 10 tạo thành hỗn hợp có thơng số trạng thái 4. Máy nén cao áp nén đến áp suất pk ứng với điểm 5. Hơi cao áp được đưa vào bộ ngưng và ngưng tụ đến điểm 6. Lỏng tiết lưu qua tiết lưu 1 đến trạng thái 7. Phần hơi  sinh ra sau van tiết lưu TL1 với trạng thái 10 được đưa trở lại đầu hút máy nén áp cao; phần lỏng với trạng thái 9 đi tiếp qua van tiết lưu TL2 vào thiết bị

bay hơi nhận nhiệt qo đến thông số trạng thái 1 rồi về đầu hút máy nén thấp áp.

4.3.2 Tính tốn chu trình:

Chu trình được tính tốn cho 1kg mơi chất đi qua thiết bị bay hơi . 1) Xác định lượng lỏng hóa hơi sau van tiết lưu TL1: .

Xác định theo phương trình cân bằng nhiệt bình trung gian: (1 + ).h7 = h8 + .h10 7 10 8 7 h h h h     

2) Công máy nén thấp áp: lNAT = h2 – h1.

3) Công máy nén áp cao: lNAC = (1 +  ).(h5 – h4). 4) Công nén: l = lNAT + lNAC.

5) Nhiệt lượng tỏa ra ở thiết bị làm mát trung gian: qMTG = h2 – h3. 6) Nhiệt lượng tỏa ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = (1 +  ).(h5 – h6). 7) Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h1 – h9. 8) Hệ số làm lạnh:  = qo/l.

9) Lượng mơi chất tuần hồn qua máy nén thấp áp: GNAT = Qo/qo. 10) Lượng mơi chất tuần hồn qua máy nén áp cao: GNAC = (1 +  )GNAT. 11) Thể tích hút máy nén thấp áp: VhNAT = GNAT.v1.

12) Thể tích hút máy nén áp cao: VhNAC = GNAC.v4.

4.3.3 Nhận xét:

1) Do giảm được nhiệt độ đầu hút nén cao áp nên nhiệt độ cuối tầm nén cao áp T5 nhỏ hơn so với 4.2. Công nén cao áp ở 4.3 lNAC = (1 +  ).(h5 – h4) nhỏ hơn so với 4.2 lNAC = h4 – h3. 2) Nhiệt độ thấp nhất ở đầu hút máy nén áp cao có thể đạt được là T10.

4.4 MÁY LẠNH 2 CẤP CĨ TRÍCH HƠI TRUNG GIAN, LÀM MÁT TRUNG GIAN HỒN TỒN, CĨ 2 TIẾT LƯU.

4.4.1 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết:

Chu trình: Hơi mơi chất sau thiết bị bay hơi với các thông số trạng thái 1 (po, t1) được máy

nén thấp áp NTA (Hình 4.5) nén đoạn nhiệt đến trạng thái 2 với áp suất ptg rồi đưa sang bình trung gian, làm mát đẳng áp, làm mát hoàn toàn đến trạng thái 3 nhờ một phần lỏng  bay hơi ở bình trung gian. Hơi bảo hịa khơ đi vào máy nén cao áp NCA, nén tới pk theo quá trình 34 rồi tới thiết bị ngưng tụ, ngưng tụ đẳng áp, nhả nhiệt qk theo quá trình 45. Lỏng cao áp qua van tiết lưu TL1, tiết lưu theo quá trình 56 đến ptg rồi đi vào bình trung gian. Tại bình trung gian phần hơi  sinh ra sau van tiết lưu TL1 được đưa về đầu hút máy nén cao áp, phần lỏng  bay hơi để làm mát hoàn toàn 1 kg hơi qua nhiệt trung áp, phần lỏng còn lại (1 kg) được đưa đến van tiết lưu TL2 tiết lưu theo quá trình 78 đến đến áp suất po rồi đưa vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt qo theo quá trình 81 rồi trở về máy nén thấp áp NTA.

Hình 4.5: Máy lạnh 2 cấp có trích hơi trung gian, làm mát trung gian hồn tồn, có 2 tiết lưu. 12: q trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy ở máy nén thấp áp; 23: quá trình làm mát hồn tồn trong bình trung gian; 34: quá trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy ở máy nén cao áp; 45: quá trình ngưng tụ đẳng áp ở thiết bị ngưng tụ; 56: quá trình tiết lưu ở van tiết lưu 1; 78: quá trình tiết lưu ở van tiết lưu 2; 81: quá trình bay hơi ở thiết bị bay hơi.

MNTA: máy nén thấp áp; MNCA: máy nén cao áp; TBNT: thiết bị ngưng tụ; VTL1: van tiết lưu 1; VTL2: van tiết lưu 2; TBBH: thiết bị bay hơi.

4.4.2 Tính tốn chu trình:

Chu trình được tính tốn cho 1 kg qua thiết bị bay hơi. - : lượng hơi sau van tiết lưu TL1.

- : Lượng lỏng bay hơi ở bình trung gian để làm mát hoàn toàn 1 kg hơi qua nhiệt trung áp.

- Lượng môi chất đi qua máy nén cao áp là 1 +  + . 1) Xác định  theo phương trình cân bằng nhiệt:

.h7 + 1.h2 = (1 + ).h3. 7 3 3 2 h h h h    

2) Xác định  qua van tiết lưu TL1:

h5 = h6 (1 +  + ).h6 = (1 + ).h7 + .h4   6 4 7 6 7 3 7 2 6 4 7 6 h h h h h h h h h h h h 1              

3) Công máy nén thấp áp: lNAT = h2 – h1.

4) Công máy nén cao áp: lNAC = (1 +  +)(h4 – h3).

5) Công nén: l = lNAT + lNAC.

6) Nhiệt lượng tỏa ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = (1 +  +)(h4 – h5). 8) Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h1 – h8.

9) Hệ số làm lạnh:  = qo/l.

10) Lượng mơi chất tuần hồn qua máy nén thấp áp: GNAT = Qo/qo.

11) Lượng môi chất tuần hoàn qua máy nén cao áp: GNAC = (1 +  +)GNAT. 12) Thể tích hút của máy nén thấp áp: VhNAT = GNAT.v1.

13) Thể tích hút máy nén cao áp: VhNAC = GNAC.v3.

4.5 MÁY LẠNH 2 CẤP LÀM MÁT TRUNG GIAN HOÀN TỒN, CĨ 2 CHẾ ĐỘ BỐC HƠI.

4.5.1 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết:

Do yêu cầu bảo quản hay gia công lạnh các mặt hàng ở nhiệt độ khác nhau ta lắp đặt hệ thống máy lạnh 2 cấp có hai chế độ bốc hơi. Trong sơ đồ nguyên lý có lắp thiết bị bay hơi trung gian BHTG làm việc với các thông số ptg, ttg.

Hình 4.6: Máy lạnh 2 cấp làm mát trung gian hồn tồn, có 2 chế độ bốc hơi.