Chuong 8

CHƯƠNG VIII: MÔI CHẤT LẠNH VÀ CHẤT TẢI LẠNH I.

Môi chất lạnh: Môi chất thường phải hoạt động trong điều kiện áp suất, nhiệt độ thay đổi trong phạm vi rộng nên nó phải có tính chất phù hợp với điều kiện vận hành hệ thống trong thiết bị, đảm bảo an toàn và đạt được các tính chất hóa học, lý học, sinh học và kinh tế. tuy nhiên trong thực tế không có môi chất lý tưởng nào đảm ảo tối ưu các tính chất trên. Do vậy, khi chọn tác nhân lạnh cho hệ thống chúng ta cần phải phân tích các ưu khuyyết điển của các loại tác nhân lạnh đồng thời đưa vào từng yêu cầu cụ thể: mục đích, điều kiện làm việc, các đặt điểm cấu tạo của máy. Các yêu cầu đối với tác nhân lạnh: 1.

Yêu cầu về nhiệt động: -

Năng suất lạnh qv của tác nhân phải lớn hơn vì như thế sẽ làm giảm một cách đáng kể các kích thước và trọng lượng của máy nén do thể tích tác nhân làm việc trong một chu trình nhỏ

-

Áp suất tác nhân ở cuối tầm nén không được quá lớn, vì áp suất cao sẽ làm phức tạp và nặng nề thiết bị, đồng thời không an toàn.

-

Áp suất sôi của tác nhân lạnh mông muốn cao hơn áp suất khí quyển để không phải làm việc ở chân không, vì không khí dễ xâm nhập vào hệ thống chân không ảnh hưởng xấu đến sự làm việc của thiết bị.

-

Pk

Hệ số nén P không nên quá lớn sẽ làm giảm công tiêu hao quá vì o kích thước của máy nén, đồng thười tăng hiệu suất của máy nén.

- Nhiệt hóa hơi để giảm số lượng tác nhân lạnh cần luân chuyển trong thiết bị. -

Nhiệt độ đông đặc của tác nhân lạnh phải đạt tới nhiệt độ làm lạnh thấp và nhiệt độ tới hạn phải cao để cho hệ số làm lạnh lớn.

- Trọng lượng riêng và độ nhớt phải nhỏ để giảm tổn thất thủy lực trong đường ống. Ngoài ra, độ nhớt giảm sẽ tăng hệ số tỏa nhiệt và truyền nhiệt, từ đó sẽ giảm tiêu hao kim lọai cho thiết bị trao đổi nhiệt. 2.

Yêu cầu về hóa lý: Tác nhân phải dễ dàng tan trong nước để tránh hiện tượng đóng băng

cản trở sự làm việc của hệ thống. Ngoài ra, nước ở trạng thái tự do có khả năng ăn mòn kim loại. Tính chất quan trọng của tác nhân lạnh là sự hòa tan trong dầu. Nếu tác nhân lạnh không tan trong dầu thì chúng sẽ tách ra khỏi dầu khi chúng sôi to =const không phụ thuộc vào lượng dầu trong hệ thống. nhưng trong các bề mặt truyền nhiệt sẽ tạo một lớp dầu mỏng cản trở sự truyền nhiệt. Tác nhân không được ăn mòn kim loại và các vật liệu khác của thiết bị. Không nổ

Tác nhân phải có mùi, màu sắc hoặc vài tính chất khác để dễ phát hiện khi bị rò rỉ. 3. Yêu cầu về sinh lý: Môi chất không được độc hại với người và cơ thể sống, không gây phản ứng với cơ quan hô hấp, không tạo các khí độc khi tiếp xúc với lửa hàn và vật liệu chế tạo máy. Môi chất phải có mùi đặt 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 ảnh hưởng tới chất lượng các sản phẩm bảo quản. 4. Yêu cầu về hóa học: -

Môi chất cần bền vưng về mặt hóa học trong phạm vi áp suất và nhiệt độ làm việc, không được phân hủy, không được polime hóa.

-

Môi chất trơ, không ăn mòn kim loại, các vật liệu chế tạo máy, dầu bôi trơn, oxy trong không khí và hơi ẩm.

5.

An toàn, không dễ cháy, dễ nổ.

Yêu cầu về lí học: -

Áp suât ngưng tụ không được quá cao, nếu áp suất ngưng tụ quá cao, độ bên chi tiết yêu cầu lớn, vách thiết bị dầy, dễ rò rỉ môi chất.

-

Áp suất bốc hơi không được quá nhỏ, phải lớ 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 nhiệt độ tới hạn phải cao hơn nhiệt độ ngưng tụ nhiều.

-

Nhiệt ẩn hóa hơi r = h’’-h’ và nhiệt dung riêng c của môi chất lỏng càng lớn càng tốt, tuy nhiên chúng không đóng vai trò quan trọng trong công việc đánh giá chất lượng môi chất lạnh. Nhiệt ẩn hóa hơi càng lớn, lợng môi chất tuần hoàn trong hệ thóng càng nhỏ năng suất lạnh riêng khối lượng càng lớn.

-

Năng suất lạnh riêng thể tích càng lớn càng tốt, máy nén và thiết bị sẽ gọn nhẹ.

-

Độ nhớt động càng nhỏ càng tốt, để giảm tổn thất áp suất trên đường ống và các cửa van.

-

hệ số dẫn nhiệt  , tỏa nhiệt  càng lớn càng tốt, vì thiết bị trao đổi nhiệt gọn hơn.

-

Môi chất hòa tan dầu hoàn toàn có ưu điểm so với loại môi chất không hòa tan hoặc hòa tan dầu hạn chế 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 hòa tan nước của môi chất càng lớn càng tốt để tránh tắt ẩm cho bộ phận tiết lưu.

-

Không được dẫn điện để có thể sử dụng cho máy nén khi và nửa kín.

6. Yêu cầu kinh tế:

Giá thành hạ, dễ kiếm, dễ vận chuyển và bảo quản dễ dàng. Được sản xuất công nghiệp Các tác nhân được phổ biến hiện nay bao gồm: NH 3,R12, R13, R14, R502, R22… Không có môi chất lạnh lí tưởng đáp ứng đầy đủ yêu câu đã nêu. Chỉ có thể tìm được một môi chất đáp ứng ít hay nhiều yêu cầu đó mà thôi. Tùy trường hợp ứng dụng có thể chọn loại môi chất này hoặc môi chất kia sao cho ưu điểm được phát huy cao nhất (ngược lại, nhược điểm được hạn chế đến mức thấp nhất) Căn cứ vào các yêu trên và dựa vào tính chất khắc khe trong việc làm lạnh trong lĩnh vực nước giải khát ta chọn tác nhân lạnh NH 3 trong hệ thống lạnh. 

Môi chất lạnh Amoniac: công thức hóa học NH3, kí hiệu R717, sôi ở áp suất khí quyển ở -33.35oC. NH3 là một chất khí không màu có mùi rất hắc Ở điều kiện bình ngưng tụ làm mát bằng nước, nhiệt độ ngưng tụ

30oC, áp suất ngưng tụ khoảng 1,2Mpa = 12 bar. Áp suất bay hơi thường lớn hơn áp suât khí quyển. Ở các máy nén hai cấp, khi nhiệt độ bay hơi nhở hơn -33,35oC, áp suất bay hơi mới bị chân không. Năng suất lạnh riêng khối lượng (qo, kJ/kg) lớn nên lưu lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống nhỏ, rất phù hợp cho các máy lạnh có năng suất lớn và rất lớn. Năng suất lạnh riêng thể tích (qv, kJ/m3) lớn hơn máy nén gọn nhẹ.

Các tính chất trao đổi nhiệt tốt, hệ số tỏa nhiệt khi sôi và ngưng tương đương với nước nên không cần tạo cánh trong các thiết bị trao đổi nhiệt với nước. Tính lưu động cao, tổn thất áp suất tren đường ống, các cửa van nhỏ, nên các thiết bị này khá gọn nhẹ. Amôniac dẫn nhiệt và ăn mòn đồng nen chỉ sử dụng đươc cho máy nén hở. Nhiệt độ cuối tầm nén của amôniac rất cao (gần bằng 130I 140oC) nên thường sử dụng loại máy nén thẳng dòng tránh tiếp xúc trực tiếp giữa khoang hút và khoang đẩy, đầu máy nén thường được làm mát bằng nước. Amoniac không hòa tan trong dầu nên khó bôi trơn chi tiết chuyển động và các bề mặt ma sát, hệ thống phải bố trí bình tách dầu, gom dầu đưa về may nén, bề mặt trong của thiết bị thường bị bám dầu làm tăng trở nhiệt. Tuy nhiên không do tan dầu nên nhiệt độ bay hơi không bị tăng. Amoniac hòa tan nước không hạn chế. Ưu điểm chủ yếu là thiết bị tiết lưu không bị tắc ẩm, nhưng nhiệt độ bay hơi bị tăng nếu hàm lượng nước lớn. vì vậy nồng độ nước quy định cho môi chất lạnh amoniac là dưới 0.1%. Có thể xác định nồng độ này bằng nhiệt độ bay hơi của amoniac trong khí quyển. Nhiệt độ sôi không được lớn hơn -32,9oC. Có thể dùng các vật liệu chống ẩm họ kali như hydroxit kali, - natri, - bải và các vật liệu gốc kiềm như oxitbari, - canxi, gốm sỏi. Không được sử dụng các vật liệu gốc axit do tạo muối. Amoniac không ăn mòn các kim loại đen chế tạo máy, nhưng ăn mòn đồng và các hợp kim của đồng nên không sử dụng đồng và các hợp kim của đồng trong hệ thống lạnh amoniac, trừ đồng thau photpho, do đó nhiều séc măng vẫn được chế tạo bằng đồng thau photpho hoặc đồng thau phốt pho chì.

Amoniac không ăn mòn các phi kim loại chế tạo máy. Amoniac, nói chung, bền vững ở khỏng nhiệt độ và áp suất công tác. NH3 chỉ phân hủy thành nitơ và hydro ở nhiệt độ 260oC nhưng khi có hơi nước (ẩm) và thép làm chất xúc tác, amoniac bắt đầu phân hủy ngay ở nhiệt độ 110 --> 120oC. Bởi vậy cần làm mát tốt đầu xilanh và hạn chế nhiệt độ cuối tầm nén trong khonảg niệt độ này là tốt nhất. Amoniac hỗn hợp với thủy ngân gây nổ rất nguy hiểm nên tuyệt đối không được sử dụng áp kế thủy ngân cho amoniac. Amoniac gây cháy và gây nổ trong không khí. Ở nồng độ 13.6÷16%, amoniac bốc cháy ở nhiệt độ 651oC. Vì vậy các gian máy amoniac không được dùng ngọn lửa trần và phải được thông thoáng thường xuyên. Hệ thống lạnh không nên làm việc ở áp suất chân không phòng hút không khí vào hệ thống. 

Về tính chất sinh lý: Nhược điểm cơ bản của amoniac là độc hại đối với cơ thể con người, gây kích thích niêm mạc mắt, dạ dày , gây co thắt cơ quan hô hấp, làm bỏng da. Nhưng amoniac có mùi khó ngửi, hắc nên có thể phát hiện ngay để phòng tránh. Nồng độ 0,07÷0,1% thể tích không khí bắt đầu có sự hủy

hoại ở cơ quan hô hấp. Từ 0,2÷0,3% có thể làm mù mắt hoặc làm chết người trong vòng 30 phút. Khi tiếp xúc với amoniac phải có mặt nạ phòng độc, giải quyết sự cố phải có ít nhất hai người. Khi bị ngạt phảỉ đưa ra chỗ thoáng, ẩm, sạch sẽ, có thể xông bằng hơi nước nóng, cho uống

chè đặt pha đường, cà phê, nước chanh hoặc dung dịch axitlactic 3%. Khi bị bỏng amoniac, đặc biệt khi bị bỏng amoniac bục ra từ các thiết bị bắn vào, phải rửa sạch ngay bằng nước ấm và chuyển đi viện. Amoniac làm giảm chất lượng thực phẩm bảo quản. Amoniac làm cho thực phẩm, rau quả biến màu, giảm chất lượng nhanh chóng, khi có rò rỉ amoniac vào buồng lạnh. Có thể phát hiện chỗ rò rỉ bằng giấy quỳ chỉ thị màu. Giấy được tẩm một dung dịch đặc biệt. nếu amoniac rò rỉ, giấy sẽ biến thành màu đỏ. 

Về tính kinh tế: amoniac là môi chất rẻ tiền, dễ kiếm, vận chuyển bảo quản tương đối dễ dàng, nước ta sản xuất được. Vì vậy tuy độc hại, nhưng môi chât lạnh này vẫn là môi chất lạnh quan trọng. Nó được sử dụng ở những nơi chấp nhận được mang tính độc hại hoặc dã có biện pháp an toàn. Amoniac được sử dụng trong các hệ thống lạnh công suất lớn và rât lớn. Trong các hệ thống lạnh công suất nhỏ và rất nhỏ, do lượng môi chất tuần hoàn quá bé gây kho khăn cho việc tự dộng hóa nên không được sử dụng. Amoniac có thể đạt được nhiệt độ bay hơi - 60oC.

Xác định lượng môi chất cần nạp:

Để nạp môi chất trước hết cần xác định lượng môi chất cần thiết nạp vào hệ thống. Việc nạp môi chất quá nhiều hay quá ít điều ảnh hưởng đến năng suất và hiệu quả của hệ thống. - Nếu nạp môi chất quá ít: môi chất không đủ cho hoạt động bình thường của hệ thống dẫn đến dàn lạnh không đủ môi chất, năng suất lạnh hệ thống giảm, chế độ làm lạnh không đạt( thời gian kéo dài, nhiệt độ không đạt…). Mặt khác, nếu thiếu môi chất lưu lượng tiêt lưu giảm do đó dộ quá nhiệt tăng làm nhiệt độ đầu đẩy tăng lên. - Nếu nạp môi chất quá nhiều: Bình chứa không chứa hết dẫn đến một lượng lỏng sẽ nằm ở thiết bị ngưng tụ, làm giảm diện tích trao đổi nhiệt, áp suất ngưng tụ tăng, máy có thể bị quá tải. Có nhiều phương pháp xác định lượng môi chất cần nạp. Tuy nhiên trên thực tế cần xác định hợp lý và chính xác nhất là xác dịnh môi chất trên từng thiết bị khi hệ thống đang hoạt động. Ở mỗi một thiết bị môi chất thường tồn tại ở hai trạng thái: phía trên là hơi, ở dưới là lỏng, rõ ràng khối lượng môi chất ở trạng thái lỏng mới đáng kể còn lượng môi chất ở trạng thái hơi không lớn, nên chỉ cần xác định lượng lỏng ở thiết bị khi hệ thống đang hoạt động ở chế độ nhiệt bình thường. Sau đó có thể nhân thêm 10÷15% khi tính đến môi chất ở trạng thái hơi. Theo kinh nghiệm số lượng phần trăm chứa môi chất lỏng trong các thiết bị cụ thể như sau: - Bình chứa cao áp: 20% - Bình trung gian nằm ngang: 90% - Bình trung gian kiểu đứng: 60% - Bình tách dầu: 0% - Bình tách lỏng: 20%

-

Dàn lạnh làm việc theo chế độ ngập lỏng: 80÷100%

- Dàn lạnh cấp dịch theo kiểu tiết lưu trực tiếp: 30% - Thiết bị ngưng tụ: 10% - Bình chứa hạ áp: 60% - Đường cấp dịch: 100% - Bình giữ mức lỏng: 60% Khối lượng môi chất ở trạng thái lỏng trên toàn bộ hệ thống tính theo công thức:

Gi   ai .Vi .i Trong đó: ai : số lượng phần trăm không gian chứa lỏng từng thiết bị, %; Vi : dung tích của thiết bị thứ i, m3; i : khối lượng riêng của môi chất lỏng ở trạng thái của thiết bị thứ i,

kg/m3. Khối lượng môi chất của hệ thống của hệ thống nhiều hơn lượng môi chất Gi do còn một lượng môi chất ở trạng thái hơi của các thiết bị, lượng này chiếm 10 đến 15% lượng lỏng. Vì thế lượng môi chất cần nạp là:

G  Gi .k k: hệ số dự phòng tính tới lượng môi chất ở trạng thái hơi ở các thiết bị. Tính toán: Ta chỉ tính toán ở những thiết bị chính như bình chứa cao áp, bình chứa hạ áp, dàn lạnh…còn các thiết bị khác không đáng kể



Bình chứa cao áp:  a  20% 

Ở to = 36 oC ta có  = 10.762 (kg/m3) (tra sách Kĩ Thuật Lạnh Cơ Sở ,trang 342, Bảng Hơi Bão Hòa Của Amoniac - Nguyễn Đức Lợi)

3  Vcao aùp  0.96135 (m )

Vậy ta có:

Gcao aùp  acao aùp.Vcao aùp. cao aùp = 

0.2  0.96135  10,756  2,06 (m3)

Bình chứa hạ áp:  a  60% 

Ở to = -8 oC ta có  = 2,5852 (kg/m3) (tra sách Kĩ Thuật Lạnh Cơ Sở ,trang 342, Bảng Hơi Bão Hòa Của Amoniac - Nguyễn Đức Lợi)

3  Vhaïaùp  3 0.232  0.696 (m )

Vậy ta có:

Ghaïaùp  ahaïaùp.Vhaïaùp. haïaùp = 

0.6  0.696  2.5852  1.08 (m3)

Dàn lạnh làm việc theo chế độ ngập lỏng:  a  100% 

Ở to = -8 oC ta có  = 2,5852 (kg/m3) (tra sách Kĩ Thuật Lạnh Cơ Sở ,trang 342, Bảng Hơi Bão Hòa Của Amoniac - Nguyễn Đức Lợi)

3  Vhaïaùp  3 0.221 0.662 (m )

Vậy ta có:

Gdaøn laïnh  adaøn laïnh.Vdaøn laïnh. daøn laïnh = 1 0.696  2.5852  1.7 (m3) Tóm lại ta có tổng lượng môi chất có trong các thiết bị chính: Gtong  2.06 + 1.08 + 1.7 = 4.84 (m3)

Hệ số dự phòng tính tới lượng môi chất ở trạng thái hơi ở các thiết bị k = 0.1 Vậy lượng môi chất cần nạp vào là: Gnap  Gtong  Gtong .k  4.84  4.84  0.1  5.324 (m3) II.

Chất tải lạnh : là môi chất trung gian tải lạnh từ máy và thiết bị lạnh đến tải tiêu thụ lạnh. Hệ thống lạnh dùng chất tải lạnh là hệ thống gián tiếp qua chất tải lạnh. Người ta sử dụng chất tải lạnh trong các trường hợp sau:  Khó sử dụng trực tiếp dàn bay hơi để làm lạnh sản phẩm.  Môi chât lạnh có tính độc hại và có ảnh hưởng không tốt đến môi trườngvà sản phẩm bảo quản, chất tải lạnh trung gian được coi là vòng tuần hoàn an toàn. 

Khi có nhiều tải tiêu thụ lạnh và ở xa nơi cung cấp. Trong trường hợp trên nếu dùng dàn bay hơi trực tiếp sẽ rất bất tiện vì đường ống môi chất dài và rất phức tạp, tốn môi chất lạnh, việ phát hiẹn rò rỉ khó khăn, tổn thất áp suất lớn. Nếu dùng chất tải lạnh, khắc phục hầu hết các nhược điểm vì: đơn giản hóa việc cung cấp lạnh như việc sử dụng nước muối làm lạnh cho các

phòng khác nhau hoặc sử dung nước đá cho các tàu, thuyền đánh cá, nitơ lỏng, CO2 rắn 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 lạnh và hiệu quả nhiệt của chu trình lạnh. Đó cũng là nhược điểm của làm lạnh gián tiếp. Đướng về mặt kinh tế cũng không có lợi vì tốn thêm thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị tuần hoàn chất tải lạnh, mặt bằng lắp đặt, bố trí thiết bị…Do đó phương pháp chủ yếu vẫn là làm lạnh trực tiếp. Nhưng trong những trường hợp cụ thể đã nêu ở trên người ta vẫn sử dụng chất tải lạnh vì chungd có những ưu điểm nhất định, nhiều khi dơn giản và kinh tế hơn là làm lạnh trực tiếp vì khắc phục được những nhược điểm của làm lạh trực tiếp trong trừong hợp ừng dụng cụ thể đó. Chất tải lạnh có thể ở dạng khí như không khí, dạng lỏng như các loại muối, dung dịch các chất hữu cơ như rượu, mêtanol, êtanol…nitơ lỏng, dạng rắn khô như đá khô và nước đá… Cũng như môi chất lạnh, chất tải lạnh cũng phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định. Dưới đây là một số yêu cầu đối với chất tải lạnh lỏng: 

Điểm đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi, trong thực tế phải có hiệu nhiệt độ an toàn ít nhất 5K, nghĩa là điểm đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi ít nhất 5K.



Nhiệt độ sôi phải đủ cao để khi dừng máy, nhiệt độ chất tải lạnh nâng lên bằng nhiệt độ môi trường thì chất tải lạnh không bị hơi mất. Trường hợp chât tải lạnh có nhiệt độ bay hơi thấp phải sử dụng vòng tuần hoàn kín.

 Không ăn mòn thiết bị.  Không được cháy, không gây nổ và phải rẻ tiền, dễ kiếm. 

Hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng càng lớn càng tốt vì chất tải lnhj cần có những tính chất trao đổi nhiệt và khả năng trữ nhiệt lớn.



Dộ nhớt và khối lượng càng nhỏ càng tốt vì thuận lợi cho việc tuần hoàn chất tải lạnh, hơn nữa, độ nhớt nhỏ thì hệ số trao đổi nhiệt lớn hơn

Cũng như môi chất lạnh, không có một chất tải lạnh nào đáp ứng đầy dủ những yêu cầu trên. Chỉ có thể tìm được một môi chất đáp ứng ít hay nhiều yêu cầu đó mà thôi. Tùy trường hợp ứng dụng có thể chọn loại chất tải lạnh này hoặc chất tải lạnh kia sao cho ưu điểm được phát huy cao nhất (ngược lại, nhược điểm được hạn chế đến mức thấp nhất) Do đặc diểm của nhà máy nước giải khát cần nhiệt độ khoảng -8oC và cần điểm hóa rắn của chất tải lạnh phải ở nhiệt độ thấp nên ở đây ta chọn dung dịch glycol vì được dùng phổ biến hiên nay. Là chất lỏng không màu, không mùi, có tínhnhờn và có vị hơi ngọt.

Ưu điểm: Không ăn mòn kim loại. Nhược điểm: Dễ bay hơi, để tránh tổn thất do bay hơi, cần thực hiện vòng tuần hoàn kín chất tải lạnh, tranh các bể hở như bể nước muối. Phương pháp xác định lượng Glycol cần nạp vào: - Xác định thể tích của các phụ tải lạnh và các đường ống. - Chú ý ở đây glycol chỉ ở thể lỏng. - Cộng tất cả các thể tích lại ta có lượng glycol cần thiếtcho hệ thống. Vì theo đặt điểm nhà máy của nước ngoài nên bí mật công nghệ đóng vai trò quan trọng nên nhà đầu tư chỉ cho kích thước của bình chứa Glycol trên cơ sở họ đã tính toán thể tích của các phụ tải lạnh.