Hệ thống làm lạnh rất phổ biến trong công nghiệp sản xuất khí tự nhiên và những quá trình có liên quan trong các ngành công nghiệp khác. Hiệu quả làm lạnh của hệ thống có thể đạt được bằng cách sử dụng một trong những chu trình sau:
- Nén – giãn nở. - Hấp thụ.
- Sử dụng hơi nước nén.
Trong nghiên cứu này, em sử dụng phương pháp nén – giãn nở để làm lạnh sơ bộ dòng khí nguyên liệu.
Bằng cách sử dụng giản đồ áp suất – Entanpy (P-H), quá trình làm lạnh của chu trình lạnh có thể chia thành 4 giai đoạn:
- Giản nở. - Bay hơi. - Nén. - Ngưng tụ.
Chu trình làm lạnh của hơi nén có thể được biểu diễn bằng sơ đồ quy trình làm lạnh và giản đồ P-H như hình 5.1.
Hình 5.1. Sơ đồ quy trình làm lạnh và giản đồ P-H
* Giai đoạn giản nở:
Điểm khởi đầu của một chu trình làm lạnh là vị trí mà tại đó môi chất làm lạnh ở trạng thái lỏng. Điểm A trong hình 5.1 đại diện cho điểm bọt của môi chất lỏng tại áp suất hơi bão hòa của nó PA và entanpy hLA. Trong giai đoạn giãn nở, áp suất và nhiệt độ của môi chất được giảm bằng cách sử dụng một van điều khiển để giảm áp suất của dòng xuống áp suất PB. Giá trị áp suất PB được xác định bởi nhiệt độ TB(điểm B) cần đạt được.
Tại điểm B, entanpy của chất lỏng bão hòa là hLB trong khi đó entanpy của hơi bão hòa tương ứng là hVB. Sau khi diễn ra sự giản nở A-B qua van điều khiển và không có sự trao đổi năng lượng, quá trình này được coi là đẳng entanpy. Như vậy, tổng entanpy của dòng môi chất làm lạnh tại đầu ra của van tương đương với entanpy tại đầu vào của van là hLA.
Tính từ điểm B, trong thiết bị bay hơi, cả 2 pha lỏng và hơi đều cùng tồn tại. Để tính lượng hơi được hình thành trong quá trình giản nở, ta gọi X là phần lỏng còn lại của môi chất được hình thành ở áp suất PB với entanpy là hLB, phần hơi được hình thành sau quá trình giản nở với entanpy hVB là 1-X. Phương trình cân bằng nhiệt :
X hVB- hLA
hVB- hLB 1 - X hLB- hLA
hVB- hLB (5.1) [4,tr.14-2] Trong đó: X là phần lỏng còn lại của môi chất làm lạnh
hVB là entanpy của phần hơi được hình thành sau quá trình giản nở hLA là entanpy của môi chất làm lạnh ban đầu
hLB là entanpy của phần lỏng còn lại của môi chất
Hơi được hình thành từ quá trình giãn nở A-B không cung cấp bất kỳ lượng nhiệt lạnh nào cho quá trình này mà là nhiệt được quá trình này hấp thụ nhờ sự bay hơi một phần chất lỏng của môi chất làm lạnh.
* Giai đoạn bay hơi:
Sự bay hơi diễn ra trong một bộ trao đổi nhiệt gọi là thiết bị bay hơi/làm lạnh. Như trong hình 5.1, giai đoạn B-C không có sự thay đổi nhiệt độ và áp suất. Entanpy của hơi tại điểm C là hVB. Quá trình làm lạnh được tạo ra bởi phần lỏng của môi chất làm lạnh (X) và hiệu suất làm lạnh có thể được định nghĩa là X(hVB – hLB). Từ biểu thức 5.1, ta có thể biến đổi nó thành:
Suất năng lượng làm lạnh = hVB - hLA
Công suất làm lạnh có thể coi là tổng nhiệt lượng đã được hấp thụ trong thiết bị bay hơi/làm lạnh bởi quá trình này, nó thường được biểu diễn bằng đơn vị Btu/đơn vị thời gian. Lưu lượng dòng môi chất làm lạnh (m) được tính như sau:
- (5.2) [4,tr. 14-2]
Trong đó: m là lưu lượng dòng môi chất làm lạnh Qref là tổng nhiệt lượng đã được hấp thụ
hVB là entanpy của phần hơi được hình thành sau quá trình giản nở
* Giai đoạn nén:
Sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi/làm lạnh, dòng môi chất làm lạnh được hóa hơi hoàn toàn ở áp suất hơi bão hòa PC với nhiệt độ tương ứng là TC và entanpy là hVB. Giá trị entropy tại thời điểm này là SC. Dòng hơi này sẽ được nén đẳng entropy đến áp suất PA (C-D) như hình 5.1.
Công của quá trình đẳng entropy (lý tưởng) sử dụng cho quá trình nén môi chất làm lạnh từ áp suất PB lên PA được xác định bởi công thức:
Wi m.(h’VD - hVB) (5.3) [4, tr. 14-2]
Lượng entropy h’VD được xác định nhờ vào tính chất của môi chất làm lạnh tại áp suất PA và entropy là SC. Vì môi chất làm lạnh không phải là lý tưởng và sự hoạt động của máy nén cũng không phải lý tưởng, do đó hiệu suất quá trình đẳng entropy ηi được xác định để bù đắp cho quá trình trình nén. Công nén thực tế W của quá trình nén có thể được tính toán theo công thức sau:
i
ηi m(h'VD-hVB)
ηi m(hVD-hVB) (5.4) [4, tr. 14-3] Công suất của máy nén có thể được biểu diễn như sau:
(5.5) [4, tr. 14-3]
(Với 2544,4 Btu/h = 1 hp)
* Giai đoạn ngưng tụ:
Môi chất làm lạnh rời khỏi máy nén với áp suất PA và nhiệt độ TD (điểm D trong hình 5.1) được làm mát xuống dưới nhiệt độ sôi với áp suất gần như không đổi và hơi môi chất bắt đầu ngưng tụ khi đạt đến một nhiệt độ không đổi.
Sau quá trình nén và ngưng tụ, nhiệt độ của dòng môi chất tăng lên, do đó nó cần được làm mát để trở về điểm xuất phát (điểm A) và có thể tiếp tục chu trình làm lạnh đươc thể hiện như hình 5.2.
Nhiệt lượng để làm mát và ngưng tụ có thể tính toán như sau:
Qcd = m [(hVB – hLA) + (hVD – hVB)]
= m (hVD – hLA) (5.6) [4, tr. 14-3]