CHƯƠNG VIII: CHỌN HỆ THỐNG LẠNH 3.2.1 Chọn phương pháp làm lạnh Trong thực tế có nhiều phương pháp làm lạnh cho kho. Nhưng có hai phương pháp thông dụng nhất l à: làm lạnh trực tiếp và làm lạnh gián tiếp. Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm khác nhau phù hợp với yêu cầu thiết bị, công nghệ của từng trường hợp cụ thể. Đối với mỗi trường hợp đó người ta sẽ chọn phương pháp làm lạnh sao cho phát huy tối đa ưu điểm và hạn chế đến mức thấp nhất các nhược điểm. 1. Làm lạnh trực tiếp. Là phương pháp làm lạnh kho bằng dan bay hơi đặt trong kho lạnh, môi chất lạnh lỏng sôi thu nhiệt của môi trường cần làm l ạnh. Làm lạnh trực tiếp có thể là dàn lạnh đối lưu tự nhiên hoặc đối lưu cưỡng bức. Ưu điểm: - Thiết bị đơn giản không cần thêm một vòng tuần hoàn phụ. - Tuổi thọ cao kinh tế vì không phải tiếp xúc với nước muối là một chất ăn mòn kim loại rất nhanh chóng. - Đứng về mặt nhiệt động thì ít tổn thất năng lượng vì hiệu nhiệt độ giữa kho lạnh và dàn bay hơi gián tiếp qua không khí. - Tổn hao lạnh khi khởi động nhỏ nghĩa là khi làm lạnh trực tiếp thời gian từ khi mở máy đến lúc kho lạnh đạt nhiệt độ yêu cầu sẽ nhanh hơn. - Nhiệt độ kho lạnh có thể giám sát theo nhiệt độ sôi của môi chất, nhiệt độ sôi có thể xác định dễ dàng qua nhiệt kế của đầu hút máy nén. Nhược điểm - Đối với hệ thống lạnh lớn thì lượng môi chất nạp vào máy l ớn, khả năng rò rỉ của môi chất lớn, khó có khả năng dò tìm được chỗ rò rỉ để xử lý. Tổn thất áp suấp cho việc cấp cho những dàn bay hơi ở xa có hồi dầu về nếu dùng môi chất Freon, máy nén dễ hút ẩm, việc bảo vệ máy nén khó khăn. - Trữ lạnh của dàn lạnh trực tiếp kém khi máy lạnh ngừng hoạt động thì dàn lạnh cũng hết lạnh nhanh chóng. 2. Làm lạnh gián tiếp Là phương pháp làm lạnh bằng các giàn chất tải lạnh như nước muối, glycol,… thiết bị bay hơi đặt ở ngo ài kho lạnh. Ở trong buồng chất tải lạnh nóng lên do thu nhiệt của buồng lạnh. Sau đó trở lại dàn bay hơi để hạ nhiệt độ xuống bằng nhiệt độ yêu cầu và c ứ như vậy được tuần hoàn liên tục. Dàn lạnh gián tiếp cũng có thể là dàn lạnh đối lưu tự nhiên hoặc đối lưu cưỡng bức. Ưu điểm: - Hệ thống lạnh có độ an toàn cao, chất tải lạnh không cháy, không nổ, không độc hại với cơ thể sống và không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm bảo quản. Nó l à vòng tuần hoàn an toàn và ngăn chặn sự tiếp xúc của môi chất độc hại đối với sản phẩm. - Máy lạnh có cấu tạo đơn giản hơn, đường ống dẫn môi chất hệ thống ngắn được chế tạo ở dạng tổ hợp hoàn chỉnh nên chất lượng cao, độ tin cậy lớn, dễ d àng kiểm tra lắp đặt và hiệu chỉnh. - Dung dịch chất tải lạnh có khả năng trữ lạnh lớn sau khi máy ngừng hoạt động, nhiệt độ kho có khả năng duy trì được lâu hơn. Nhược điểm - Năng suất lạnh của máy bị giảm do chênh lệch nhiệt độ lớn. - Hệ thống thiết bị cồng kềnh vè phải thêm vòng tuần hoàn cho ch ất tải lạnh. - Tốn năng lượng bổ sung cho bơm hoặc cánh khuấy chất tải lạnh. Qua sự phân tích ưu nhược điểm của hai phương pháp làm lạnh trên, tôi chọn phương pháp làm lạnh cho kho đang thiết kế là phương pháp làm lạnh trực tiếp. Nó phù hợp với điều kiện của kho lạnh như: hệ thống không cồng kềnh, dễ điều chỉnh nhiệt độ, tổn hao lạnh khị khởi động nhỏ, chi phí đầu tư ban đầu không lớn. 3.2.2 Chọn môi chất lạnh. 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 thu nhiệt của môi trường có nhiệt độ thấp và thải nhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao hơn. Môi chất tuần hoàn trong hệ thống lạnh nhờ quá trình nén. Ở máy lạnh nén hơi, sự thu nhiệt của môi trường có nhiệt độ thấp nhờ quá trình bay hơi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp, sự thải nhiệt cho môi trường có nhiệt độ cao nhờ quá trình ngưng tụ ở áp suất cao và nhiệt độ cao, sự tăng áp của quá trình nén hơi và giảm áp. Môi ch ất lạnh sử dụng trong hệ thống lạnh cần đáp ứng các yêu cầu sau: 1. Tính chất hoá học - Môi chất cần bền vững về mặt hoá học trong phạm vi áp suất và nhiệt độ làm việc, không được phân huỷ, không được polyme hoá. - Môi ch ất phải trơ, không ăn mòn các vật liệu chế tạo máy, dầu bôi trơn, oxy trong không khí và hơi ẩm. - An toàn, không dễ cháy dễ nổ. 2. Tính chất lý học - Áp suất ngưng tụ không được quá cao, nếu áp suất ngưng tụ quá cao độ bền chi tiết y êu cầu lớn, vách thiết bị dày, dễ rò rỉ môi chất. - Áp suất bay hơi không được quá nhỏ, phải lớn hơn áp suất khí quyển để hệ thống không bị chân không, dễ rò lọt không khí vào hệ thống. - Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi nhiều và nhi ệt độ tới hạn phải cao hơn nhiệt độ ngưng tụ nhiều. - Nhiệt ẩn hoá hơi (r) và nhiệt dung riêng (c) của môi chất lỏng càng lớn càng tốt. Nhiệt ẩn hoá hơi càng lớn, lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống càng nhỏ, năng suất lạnh riêng khối lượng c àng lớn. - Năng suất lạnh riêng thể tích càng lớn càng tốt, máy nén và thi ết bị càng gọn. - Độ nhớt động học càng nhỏ càng tốt, để giảm tổn thất áp suất trên đường ống và cửa van. - Hệ số dẫn nhiệt và hệ số toả nhiệt càng lớn càng tốt vì thiết bị trao đổi nhiệt gọn hơn. - Môi chất hoà tan dầu hoàn toàn có ưu điểm hơn so với loại môi chất không hoà tan hoặc hoà tan một phần vì quá trình bôi trơn tốt hơn, thiết bị trao đổi nhiệt không bị một lớp trở nhiệt do dầu bao phủ, tuy cũng có nhược điểm làm tăng nhiệt độ bay hơi, làm giảm độ nhớt của dầu. - Khả năng hoà tan nước của hệ thống càng lớn càng tốt để tránh tắc ẩm ở bộ phận tiết lưu. - Không được dẫn điện để có thể sử dụng cho máy nén kín và n ửa kín. 3. Tính chất sinh lý - Môi chất không độc hại đối với người và cơ thể sống, không gây phản ứng với cơ quan hô hấp, không tạo lớp khí độc khi tiếp xúc với lửa hàn và vật liệu chế tạo máy. - Môi chất cần phải có mùi đặc biệt để dễ dàng phát hiện khi bị rò rỉ. Có thể pha thêm chất có mùi vào môi chất lạnh nếu chất đó không ảnh hưởng đến chu trình máy lạnh. - Môi chất không được ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm bảo quản. 4. Tính kinh tế - Giá thành phải hạ tuy độ tinh khiết phải đạt yêu cầu. - Dễ kiếm, nghĩa là môi chất được sản xuất công nghiệp, vận chuyển và bảo quản dễ dàng. Không có môi ch ất lạnh lý tưởng đáp ứng đầy đủ các nhu cầu đã nêu trên, ta ch ỉ có thể tìm được một môi chất đáp ứng ít hay nhiều những yêu cầu đó mà thôi. Tuỳ từng trường hợp ứng dụng có thể chọn loại môi chất này hoặc môi chất kia sao cho ưu điểm được phát huy cao nhất và nhược điểm được hạn chế đến mức thấp nhất. Tôi quyết định chọn môi chất lạnh sử dụng là NH 3 . Amoniac có nhi ệt ẩn hoá hơi lớn thích hợp cho hệ thống lạnh có công suất lớn do lượng môi chất tuần hoàn nhỏ, lượng nạp nhỏ, máy nén và các thi ết bị gọn, rẻ tiền, dễ kiếm, vận chuyển và bảo quản dễ dàng, nước ta sản xuất được. Mặt khác amoniac là môi chất không gây ảnh hưởng đến tầng ozôn và hiệu ứng nhà kính như frêôn. Đây là môi chất của hiện tại và tương lai. Hiện nay, hệ thống lạnh cho kho bảo quản thường sử dụng môi chất freon 22 và môi chất NH 3 . Do yêu cầu về mặt môi trường: phá hủy tầng ozôn, gây hiệu ứng nh à kính.Môi chất freon 22 chỉ là môi chất quá độ và dần sẽ được thay thế bằng môi chất khác. Vì vậy tôi quyết định chọn môi chất ammoniac cho hệ thống lạnh đang thiết kế. Nhờ có các tính chất nhiệt động quý báu nên ammoniac tuy độc hại nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi. 3.2.3 Các thông số của chế độ làm việc Việc chọn các thông số làm việc cho hệ thống lạnh là rất quan trọng vì nếu chọn được một chế độ làm việc hợp lý, đúng đắn sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao, năng suất lạnh tăng trong khi điện năng tiêu tốn ít. Chế độ l àm việc của hệ thống lạnh được đặc trưng bằng 4 thông số nhiệt độ sau: - Nhiệt độ sôi của môi chất t 0 ( o C). - Nhi ệt độ ngưng tụ của môi chất t k . - Nhi ệt độ quá lạnh của môi chất lỏng trong thiết bị ngưng tụ t ql1 và nhiệt độ của môi chất lỏng trước van tiết lưu t ql2 . - Nhi ệt độ hơi hút về máy nén (nhiệt độ quá nhiệt) t h . 1. Nhiệt độ sôi của môi chất t 0 Nhiệt độ sôi của môi chất phụ thuộc vào nhiệt độ của kho lạnh bảo quản. nhiệt độ sôi của môi chất lạnh dùng để tính toán thiết kế có thể lấy như sau: t 0 = t b - ∆t 0 = -20 – 8 = -28 o C Trong đó t b – nhiệt độ kho bảo quản, 0 C ∆t 0 – hiệu nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của môi chất lạnh và nhiệt độ không khí trong kho. Đối với dàn lạnh bay hơi trực tiếp ∆t 0 = 8 ÷ 13 o C. Chọn ∆t 0 = 8 o C. 2. Nhiệt độ ngưng tụ t k Nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường làm mát của thiết bị ngưng tụ. Do chọn thiết bị ngưng tụ làm mát b ằng nước nên: t k = 2w t + ∆t k = 33+ 5 = 38 0 C Trong đó: 2w t – là nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng, 0 C ∆t k – là hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu, thường lấy từ 3 ÷ 5 o C. Vi ệc chọn hiệu nhiệt độ ngưng tụ thực ra là bài toán tối ưu về kinh tế để giá thành một đơn vị lạnh là rẻ nhất. Nếu hiệu nhiệt độ ngưng tụ nhỏ, nhiệt độ ngưng tụ sẽ thấp năng suất lạnh tăng, điện năng tiêu tốn nhỏ nhưng tiêu hao nước nhiều và giá thành tiêu tốn nước tăng. Tôi chọn ∆t k =5 o C. Nhi ệt độ nước ra khỏi bình ngưng có thể xác định theo công thức: t w2 = t w1 + ∆t w =28 + 5 = 33 0 C Trong đó: t w1 – là nhiệt độ nước vào bình ngưng, 0 C ∆t w – là hiệu nhiệt độ nước vào và ra bình ngưng, thường lấy từ 2 ÷ 6 0 C. Ta chọn Ct w 0 5 Do điều kiện địa chất ở Sóc Trăng, nhiệt độ nước ngầm khoảng 37 0 C nên nước ngầm được bơm lên bể chứa và được xử lý bằng cách giải nhiệt sơ bộ nhờ không khí. Nước sau khi giải nhiệt cấp cho bình ngưng khoảng 28 0 C. 3. Nhiệt độ hơi hút Là nhiệt độ của hơi môi chất trước khi vào máy nén, nó bao gi ờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của môi chất. Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng, người ta bố trí bình tách lỏng và phải đảm bảo hơi hút vào máy nén nhất thiết là hơi quá nhiệt. Độ quá nhiệt ở từng loại máy nén và đối với từng loại môi chất khác nhau thì khác nhau. Với môi chất amoniac nhiệt độ hơi hút cao hơn nhiệt độ sôi từ 5 ÷ 15 0 C. Nghĩa là độ quá nhiệt hơi hút ∆t h = 5 ÷ 15 0 K là có thể đảm bảo an toàn cho máy làm vi ệc. Chọn ∆t h = 8 0 C. [...]...Ta có: th = -2 8 + 8 = -2 00C Sự quá nhiệt hơi hút của máy lạnh Amoniac có thể đạt được bằng cách sau: - Quá nhiệt hơi hút ngay trong dàn lạnh khi sử dụng các loại van tiết lưu nhiệt - Quá nhiệt do tổn thất lạnh trên đường ống từ thiết bị bay hơi về máy nén 4 Nhiệt độ quá lạnh Nhiệt độ quá lạnh càng thấp thì năng suất lạnh càng lớn Vì vậy, người ta cố gắng hạ thấp nhiệt độ quá lạnh xuống càng thấp... Sự quá lạnh của môi chất lỏng trong chu trình mà ta tính toán ở đây sẽ được thực hiện như sau: một phần ở trong thiết bị ngưng tụ có nhiệt độ tql1 và sau đó phần lớn sẽ được quá lạnh ở trong ống xoắn ruột gà của bình trung gian có nhiệt độ tql2 Trong thiết bị ngưng tụ ta chọn là bình ngưng ống chùm vỏ bọc nằm ngang, nhiệt độ quá lạnh khi qua thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều cũng vẫn cao hơn nhiệt. .. chất sau khi ra khỏi bình ngưng sẽ được chia làm hai phần: một phần nhỏ sẽ được tiết lưu để làm mát hơi nén tầm thấp, phần lớn môi chất sẽ được quá lạnh trong bình trung gian Sau khi ra khỏi bình trung gian sẽ có nhiệt độ và được đưa đến tiết lưu vào dàn lạnh (lấy theo kinh nghiệm): tql2= t6 = ttg + 50C = 50C ... độ nước vào 3 ÷ 50C Chọn ∆t = 50C tql1 = t5 = tw1 + ∆t = 28 + 5 = 330C Nước đưa vào dàn ngưng, việc quá lạnh được thực hiện ngay trong thiết bị ngưng tụ bằng cách để mức lỏng ngập một số ống dưới cùng của dàn ống trong bình ngưng ống chùm Nước cấp vào bình ngưng sẽ đi qua các ống này trước để quá lạnh lỏng sau đó mới lên các ống trên để ngưng tụ môi chất Lỏng môi chất sau khi ra khỏi bình ngưng sẽ được . là khi làm lạnh trực tiếp thời gian từ khi mở máy đến lúc kho lạnh đạt nhiệt độ yêu cầu sẽ nhanh hơn. - Nhiệt độ kho lạnh có thể giám sát theo nhiệt độ sôi. khăn. - Trữ lạnh của dàn lạnh trực tiếp kém khi máy lạnh ngừng hoạt động thì dàn lạnh cũng hết lạnh nhanh chóng. 2. Làm lạnh gián tiếp Là phương pháp làm lạnh