Giới thiệu chu trình làm lạnh

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 P_A và entanpy h_LA. 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 P_B. Giá trị áp suất P_B được xác định bởi nhiệt độ T_B(điểm B) cần đạt được.

Tại điểm B, entanpy của chất lỏng bão hòa là h_LB trong khi đó entanpy của hơi bão hòa tương ứng là h_VB. 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 h_LA.

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 P_B với entanpy là h_LB, phần hơi được hình thành sau quá trình giản nở với entanpy h_VB là 1-X. Phương trình cân bằng nhiệt :

X

h_VB- h_LB

1 - X

h_VB- h_LB (5.1) [4,tr.14-2] Trong đó: X là phần lỏng còn lại của môi chất làm lạnh

h_VB là entanpy của phần hơi được hình thành sau quá trình giản nở h_LA là entanpy của môi chất làm lạnh ban đầu

h_LB 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 h_VB. 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(h_VB – h_LB). Từ biểu thức 5.1, ta có thể biến đổi nó thành:

Suất năng lượng làm lạnh = h_VB - h_LA

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 Q_ref là tổng nhiệt lượng đã được hấp thụ

h_VB 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 P_C với nhiệt độ tương ứng là T_C và entanpy là h_VB. Giá trị entropy tại thời điểm này là S_C. Dòng hơi này sẽ được nén đẳng entropy đến áp suất P_A (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 P_B lên P_A được xác định bởi công thức:

W_i m.(h’_VD - h_VB) (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 P_A và entropy là S_C. 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 η_i 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

η_i ^m(h'VD-hVB)

η_i m(h_VD-h_VB) (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 P_A và nhiệt độ T_D (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:

Q_cd = m [(h_VB – h_LA) + (h_VD – h_VB)]

= m (h_VD – h_LA) (5.6) [4, tr. 14-3]