Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh (Nghề: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trình độ CĐ/TC): Phần 2 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Chương III
CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH
§1. CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH VÀ MƠI CHẤT LẠNH
Mục tiêu:
- Trình bày được ý nghĩa của kỹ thuật lạnh trong đời sống và trong kỹ thuật;
- Trình bày được ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong đời sống và trong kỹ thuật;
- Trình bày được các yêu cầu cơ bản đối với môi chất lạnh;
- Vẽ và trình bày được các phương pháp làm lạnh cơ bản;
- Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình vẽ hình.
I. Ý NGHĨA CỦA KỸ THUẬT LẠNH
1. Tác dụng của nhiệt độ thấp đối với thực phẩm
Năm 1745 nhà bác học Nga Lômônôxốp trong một luận án nổi tiếng “Bàn về
nguyên nhân của nóng và lạnh“ đã cho rằng: Những quá trình sống và thối rửa diễn ra
nhanh hơn do nhiệt độ cao và kìm hãm chậm lại do nhiệt độ thấp.
Thật vậy, biến đổi của thực phẩm tăng nhanh ở nhiệt độ 40 oC ÷50 oC vì ở nhiệt
độ này rất thích hợp cho hoạt hố của men phân giải (Enzim) của bản thân thực phẩm
và vi sinh vật. Ở nhiệt độ thấp các phản ứng hoá sinh trong thực phẩm bị ức chế.
Trong phạm vi nhiệt độ bình thường cứ giảm 10oC thì tốc độ phản ứng giảm xuống
1/2 đến 1/3 lần.
Nhiệt độ thấp tác dụng đến hoạt động của các men phân giải nhưng không tiêu
diệt được chúng. Nhiệt độ xuống dưới 0oC, phần lớn hoạt động của Enzim bị đình chỉ.
Tuy nhiên một số men như Lipaza, Trypsin, Catalaza ở nhiệt độ -191oC cũng không
bị phá huỷ. Nhiệt độ càng thấp khả năng phân giải càng giảm, ví dụ men Lipaza phân
giải mỡ.
Khi nhiệt độ giảm thì hoạt động sống của tế bào giảm là do:
- Cấu trúc tế bào bị co rút.
- Độ nhớt dịch tế bào tăng.
- Sự khuyếch tán nước và các chất tan của tế bào giảm.
- Hoạt tính của Enzim có trong tế bào giảm.

53

Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản, hoạt động sống có thể độc lập với cơ
thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh cao, đa số tế bào thực vật khơng bị chết khi nước
trong nó chưa đóng băng.
Tế bào động vật có cấu trúc và hoạt động sống phức tạp, gắn liền với cơ thể
sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh kém hơn. Đa số tế bào động vật chết khi nhiệt độ
giảm xuống dưới 4 oC so với thân nhiệt bình thường của nó. Tế bào động vật chết là
do chủ yếu độ nhớt tăng và sự phân lớp của các chất tan trong cơ thể.
Một số lồi động vật có khả năng tự điều chỉnh hoạt động sống khi nhiệt độ
giảm, cơ thể giảm các hoạt động sống đến mức nhu cầu bình thường của điều kiện
môi trường trong một khoảng thời gian nhất định. Khi tăng nhiệt độ, hoạt động sống
của chúng phục hồi, điều này được ứng dụng trong vận chuyển động vật đặc biệt là
thuỷ sản ở dạng tươi sống, đảm bảo chất lượng tốt và giảm chi phí vận chuyển.
* Ảnh hưởng của lạnh đối với vi sinh vật
- Khả năng chịu lạnh của mỗi lồi vi sinh vật có khác nhau. Một số lồi chết ở
nhiệt độ 20oC ÷ 0oC. Tuy nhiên một số khác chịu ở nhiệt độ thấp hơn. Khi nhiệt độ hạ
xuống thấp nước trong tế bào vi sinh vật đông đặc làm vỡ màng tế bào sinh vật. Mặt
khác nhiệt độ thấp, nước đóng băng làm mất mơi trường khuyếch tán chất tan, gây
biến tính của nước làm cho vi sinh vật chết. Trong tự nhiên có 3 loại vi sinh vật
thường phát triển theo chế độ nhiệt riêng.
Nấm mốc chịu đựng lạnh tốt hơn, nhưng ở nhiệt độ -10oC hầu hết ngừng hoạt
động ngoài trừ các loài Mucor, Rhizopus, Penicellium. Để ngăn ngừa mốc phải duy
trì nhiệt độ dưới -15oC. Các lồi nấm có thể sống ở nơi khan nước nhưng tối thiểu
phải đạt 15%. ở nhiệt độ -18oC, 86% lượng nước đóng băng, cịn lại 14% khơng đủ
cho vi sinh vật phát triển.
Vì vậy để bảo quản thực phẩm lâu dài cần duy trì nhiệt độ kho lạnh ít nhất -18oC.
Để bảo quả thực phẩm người ta có thể thực hiện nhiều cách như: phơi, sấy khơ,
đóng hộp và bảo quản lạnh. Tuy nhiên phương pháp bảo quản lạnh tỏ ra có ưu điểm
nổi bật vì:

- Hầu hết thực phẩm, nơng sản đều thích hợp đối với phương pháp này.
- Việc thực hiện bảo quản nhanh chóng và rất hữu hiệu phù hợp với tính chất
mùa vụ của nhiều loại thực phẩm nơng sản.
- Bảo tồn tối đa các thuộc tính tự nhiên của thực phẩm, giữ gìn được hương vị,
màu sắc, các vi lượng và dinh dưỡng trong thực phẩm.
* Các chế độ xử lý lạnh thực phẩm: có hai chế độ xử lý lạnh sản phẩm là xử lý
lạnh và xử lý lạnh đông:

54


a. Xử lý lạnh
Là làm lạnh các sản phẩm xuống đến nhiệt độ bảo quản lạnh yêu cầu. Nhiệt độ
bảo quản này phải nằm trên điểm đóng băng của sản phẩm. Đặc điểm là sau khi xử lý
lạnh, sản phẩm cịn mềm, chưa bị hóa cứng do đóng băng.
b. Xử lý lạnh đông
Là kết đông (làm lạnh đông) các sản phẩm. Sản phẩm hồn tồn hóa cứng do hầu
hết nước và dịch trong sản phẩm đã đóng thành băng. Nhiệt độ tâm sản phẩm đạt 8oC, nhiệt độ bề mặt đạt từ -18oC đến -12oC.
Xử lý lạnh đơng có hai phương pháp
+ Kết đơng hai pha:
Thực phẩm nóng đầu tiên được làm lạnh từ 37 oC xuống khoảng 4oC sau đó đưa
vào thiết bị kết đơng để nhiệt độ tâm khối thực phẩm đạt -8oC.
+ Kết đông một pha:
Thực phẩm cịn nóng được đưa ngay vào thiết bị kết đơng để hạ nhiệt độ tâm
khối thực phẩm xuống đạt dưới -8oC.
Kết đơng một pha có nhiều ưu điểm hơn so với kết đơng hai pha vì tổng thời
gian của q trình giảm, tổn hao khối lượng do mất nước giảm nhiều, chi phí lạnh và
diện tích buồng lạnh cũng giảm.
Đối với chế biến thịt thường sử dụng phương pháp 1 pha. Đối với hàng thuỷ sản
do phải qua khâu chế biến và tích trữ trong kho chờ đơng nên thực tế diễn ra 2 pha.

Ở chế độ bảo quản lạnh và trong giai đoạn đầu của quá trình kết động hai pha,
người ta phải gia lạnh sản phẩm. Thông thường thực phẩm được gia lạnh trong mơi
trường khơng khí với các thơng số sau:
- Độ ẩm khơng khí trong buồng: 85% ÷ 90%
- Tốc độ khơng khí đối lưu tự nhiên: 0,1 m/s đến 0,2 m/s; đối lưu cưỡng bức cho
phép 0,5 m/s (kể cả rau quả, thịt, cá, trứng...).
Trong một kho lạnh có thể có buồng gia lạnh riêng biệt. Song cũng có thể sử
dụng buồng bảo quản lạnh để gia lạnh. Khi đó, số lượng sản phẩm đưa vào phải phù
hợp với năng suất lạnh của buồng. Các sản phẩm nóng phải bố trí đều cạnh các dàn
lạnh để rút ngắn thời gian gia lạnh. Sản phẩm khi gia lạnh xong phải thu dọn và sắp
xếp vào vị trí hợp lý trong buồng để tiếp tục gia lạnh đợt tiếp theo.
2. Ứng dụng trong sản xuất bia, nước ngọt
Bia là sản phẩm thực phẩm, thuộc loại đồ uống độ cồn thấp, thu nhận được bằng
cách lên men rượu ở nhiệt độ thấp dịch đường (từ gạo, ngô, tiểu mạch, đại mạch
55


vv...), nước và hoa húp lơng. Qui trình cơng nghệ sản xuất bia trải qua nhiều giai đoạn
cần phải tiến hành làm lạnh mới đảm bảo yêu cầu.
3. Ứng dụng trong cơng nghiệp hố chất
Trong cơng nghiệp hố chất như hố lỏng các chất khí là sản phẩm của cơng
nghiệp hố học như Clo, Amơniắc, Cacbonnic, Sunfuarơ, các loại chất đốt, các khí
sinh học vv... Kỹ thuật lạnh có thể ứng dụng để:
- Tách các chất từ các hỗn hợp
- Điều khiển tốc độ phản ứng
4. Ứng dụng trong điều hồ khơng khí
Ngày nay kỹ thuật điều hồ được sử dụng rất rộng rãi trong đời sống và trong
công nghiệp. Khâu quan trọng nhất trong các hệ thống điều hoà khơng khí đó là hệ
thống lạnh
Máy lạnh được sử dụng để xử lý nhiệt ẩm khơng khí trước khi cấp vào phịng.

Máy lạnh khơng chỉ được sử dụng để làm lạnh về mùa hè mà còn được đảo chiều để
sưởi ấm mùa đơng.
Điều hồ khơng khí được sử dụng với 2 mục đích:
- Phục vụ cuộc sống tiện nghi của con người (Hệ thống điều hoà trong đời sống,
dân dụng…).
- Phục vụ các quá trình sản xuất (Hệ thống điều hồ cơng nghiệp…).
5. Ứng dụng trong siêu dẫn
Một ứng dụng rất quan trọng của kỹ thuật lạnh là sử dụng trong kỹ thuật siêu
dẫn. Người ta nhận thấy khi làm lạnh các chất dẫn điện xuống nhiệt độ rất thấp thì
điện trở của nó bằng 0. Thơng thường nhiệt độ đó rất thấp.
Khi dây đạt được nhiệt độ siêu dẫn thì có thể sử dụng vật liệu dẫn điện mà không
gây ra tổn thất điện năng trên đường dây. Trong trường hợp đó có thể ứng dụng để tạo
ra các nam châm cực lớn trong các máy gia tốc của nhà máy điện nguyên tử, nhiệt
hạch, đệm từ cho các tàu cao tốc, nam châm điện của các cầu cảng vv…
6. Ứng dụng trong y tế và sinh học cryô
a. Ứng dụng trong y tế
Các ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong y tế rất phong phú, từ việc điều hoà trong
các bệnh viện, bảo quản thuốc trong các buồng lạnh, đến bảo quản các bộ phận cơ thể.
b. Kỹ thuật Cr
Kỹ thuật lạnh ngày càng đóng vai trị quan trọng trong nông, lâm nghiệp, sinh
học, vi sinh vv.. Kỹ thuật lạnh thâm độ cịn gọi là kỹ thuật Cr (-80oC ÷ -196oC) đã
56


hỗ trợ đắc lực cho việc lai tạo giống, bảo quản tinh đông, gây đột biến hoặc các kỹ
thuật khác trong lai tạo giống.
7. Ứng dụng trong thể thao
Trong một số bộ môn thi đấu trong nhà người ta duy trì nhiệt độ thấp để khơng
làm ảnh hưởng tới sức khoẻ và nâng cao thành tích của vận động viên. Trong hầu hết
các nhà thi đấu đều có trang bị các hệ thống điều hồ khơng khí.

Trong thể thao kỹ thuật lạnh được ứng dụng khá rộng rãi. Trong môn trượt băng
nghệ thuật, để tạo ra các sân băng người ta dùng hệ thống lạnh để tạo băng theo yêu
cầu.
8. Ứng dụng trong xây dựng
Quá trình kết rắn của bê tơng gắn liền với q trình toả nhiệt, trong đó nhiệt
Hydrat hố tuỳ theo thành phần xi măng có thể đạt từ 250 kJ/kg đến 500 kJ/kg xi
măng. Nhiệt đó sẽ toả ra môi trường. Các thử nghiệm cho thấy một nửa lượng nhiệt
đó toả ra trong 3 ngày đầu và toàn bộ nhiệt lượng toả ra suốt trong một năm mới kết
thúc. Do bê tông toả nhiệt nên nhiệt độ tăng khoảng 20 oC đến 30oC so với nhiệt độ
mơi trường. Đối với tường mỏng thì nhiệt đó khơng q quan trọng vì nhiệt nhanh
chóng toả ra mơi trường và nhiệt độ tường được duy trì có thể xem đồng đều.
Nhưng đối với những cơng trình được đổ bằng các khối bê tơng lớn, ví dụ như
các đập chắn sóng. Do hệ số dẫn nhiệt của bê tơng  =2 W/mK và hệ số dẫn nhiệt độ
a= 0,004 m2/h, nên nhiệt toả từ các khối bê tông ra bên ngoài chậm, ảnh hưởng nhất
định đến chất lượng của bê tông. Khi tường dày 2m thời gian làm lạnh 4 ngày, trong
khi tường dày 60m thời gian làm nguội lên đến trên 10 năm mà hiệu nhiệt độ so với
môi trường bên ngồi khơng giảm xuống cịn một nửa so với lúc ban đầu.
Như vậy, trong khi bề mặt đập đã lạnh và đông cứng từ lâu mà trong tường đập
nhiệt độ vẫn còn rất cao. Sự chênh lệch nhiệt độ đó tạo ra ứng lực kéo trên bề mặt đập
gây ra các vết rạn nứt bê tông. Do không thể thải nhiệt tự do ra môi trường và để tránh
hiệu nhiệt độ quá cao giữa tâm tường và bề mặt tường cần phải có biện pháp làm lạnh
nhân tạo tường đập khi đổ bê tơng. Có các phương pháp khả thi sau đây:
+ Đặt ngầm các đường ống làm lạnh bên trong đập:
Người ta bố trí các ống nước lạnh đường kính 25mm trong đập cách nhau theo
chiều ngang khoảng 2,4 m; chiều cao khoảng 3m và liên tục bơm nước lạnh qua để
thải nhiệt cho bê tông. Tốc độ nước trong ống khoảng 0,6 m/s.
+ Làm lạnh bằng cách trộn thêm nước đá:
Làm lạnh vữa bê tông xuống khoảng 4oC sau đó cho thêm vào vữa một ít nước
đá dưới dạng đá mảnh, đá vụn và tính tốn sao cho dung nhiệt đủ để cân bằng toàn bộ
nhiệt Hydrat hoá.

57


Nước trộn bê tông được làm lạnh trong các máy sản xuất nước lạnh đến 1 oC.
Nước đá đưa vào máy trộn cần được nghiền nhỏ để nước đá tan nhanh. Tốc độ tan đá
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ máy trộn, kích thước cục đá và lượng đá trộn
trong máy trộn. Đá phải đảm bảo tan hết khi vữa bê tông ra khỏi máy trộn.
9. Ứng dụng khác
a. Công nghệ lai tạo giống thực vật
Trong kỹ thuật sinh học lai tạo giống phục vụ ngành nông, lâm nghiệp, yêu cầu
thực tế đặt ra là cần lai tạo ra những giống cây có khả năng chịu đựng điều kiện khí
hậu khắc nghiệt để có thể gieo trồng ở những vùng khí hậu nhất định. Có những giống
địi hỏi chịu đựng nhiệt độ cao, khơng khí khơ hạn, có giống địi hỏi phải chịu đựng
khí hậu lạnh, ẩm ướt. Ở một số viện nghiên cứu và lai tạo giống thực vật người ta đã
xây dựng các phòng thử nghiệm, đó là các nhà kính ở trong đó người ta trồng các lồi
thực vật thử nghiệm, nhiệt độ khơng khí có thể điều chỉnh được. Những phịng thí
nghiệm đó người ta gọi là Phytotron. Các thơng số khí hậu có thể điều chỉnh được
trong các phịng này là nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO2, cường độ chiếu sáng vv... Điều
kiện chiếu sáng được mô phỏng như ngày và đêm.
b. Làm mát động cơ và máy phát
Nhiệt độ môi trường càng cao, khối lượng khơng khí được hút vào động cơ đốt
trong càng nhỏ do đó cơng suất động cơ giảm. Bằng cách làm lạnh khơng khí cấp cho
động cơ người ta có thể nâng cơng suất động cơ lên cao hơn.
Khơng khí cấp cho động cơ Diesel có thể làm lạnh trực tiếp nhờ chu trình nén
khí hoặc gián tiếp nhờ môi chất lạnh sôi.
II. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH
1. Tủ lạnh nước đá đơn giản
Hình 1.1 biểu diễn tủ lạnh đơn giản nhất bằng nước đá. Đó là một tủ cách nhiệt,
bên trong có ngăn đựng đá cục. Đá tan 0oC nên nhiệt độ tủ lạnh không thể xuống đến
0oC. Nếu dùng nước đá NaCl có thể đạt -21oC và nước đác CaCl2 có thể đạt -55oC và

nước đá khơ (CO2 rắn) có thể đạt -78oC

58


1: Tủ cách nhiệt; 2: Nước đá; 3: Ống nước xả; 4: Giá để thực phẩm;
5: Dòng nhiệt truyền vào tủ lạnh
Hình 1.1 Tủ lạnh dùng nước đá
2. Làm lạnh bằng bay hơi chất lỏng
Khi bay hơi (hoặc sôi) chất lỏng bao giờ cũng thu nhiệt. Khi chất lỏng bay hơi ở
nhiệt độ thấp nó thu nhiệt của mơi trường và tạo ra hiệu ứng lạnh.
Khi trời nóng bức, sau khi tắm xong, đứng trước quạt ta thấy rất mát, đó là vì
nước trên cơ thể bay hơi thu nhiệt của cơ thể. Cồn, xăng, ete…. là những chất dễ bay
hơi hơn. Cồn và gas butan( bật lửa) cũng cho hiệu ứng tương tự như vậy.
Đối với các gas lạnh thơng thường như NH3, R12, R22… là các chất có nhiệt độ
sôi thấp, nếu để các chất lỏng này dây vào da có thể gây bỏng lạnh vì nhiệt độ quá
thấp khi bay hơi tức thời có thể làm chết các tế bào giống như bị bỏng do nóng.
3. Tủ lạnh bằng R12 sơi ở áp suất khí quyển
Hình 1.2 mô tả tủ lạnh nhờ hiệu ứng lạnh từ bốc hơi gas lỏng R12 ở áp suất khí
quyển. Nhiệt độ tủ lạnh sẽ đạt được tới gần -29,8oC

1: Bình bốc hơi; 2: R12 lỏng; 3: Ống thơng hơi.
Hình 1.2 Tủ lạnh bằng R12 sơi tự nhiên trong khí quyển
4. Tủ lạnh khống chế áp suất sôi
Nếu muốn tạo ra nhiệt độ phù hợp trong tủ, cần phải khống chế áp suất sơi. Thật
vậy, nếu nối ống thốt 3 (hình 1.3) vào một máy nén và điều chỉnh số vòng quay vơ
cấp ta có thể điều chỉnh được áp suất sơi như ý muốn. Khi cho máy nén quay chậm,
tạo được áp suất 3,1 bar trong bình bay hơi, nhiệt độ sôi sẽ là 0 oC và khi máy nén
quay nhanh , tạo được áp suất 0,6 bar nhiệt độ sôi sẽ là -41oC.

59


1: Vỏ cách nhiệt; 2: Bình bốc hơi; 3: R12 lỏng; 4: Ngăn đựng thực phẩm.
Hình 1.3 Tủ lạnh khống chế áp suất sơi
5. Tủ lạnh với vịng tuần hồn kín gas lạnh
Ta biết ở áp suất 12,2 bar gas R12 sẽ ngưng tụ ở nhiệt độ 50oC khi nó nhả nhiệt
Từ hình 1.3 trên nếu ta lắp thêm một dàn ngưng tụ phía đầu đẩy máy nén và một
bộ phận tiết lưu để giảm áp suất và nhiệt độ đồng thời phun gas lỏng vào dàn bay hơi
là ta đã có một hệ thống lạnh mà gas lạnh tuần hồn trong một chu trình kín liên tục
khơng bị mất gas lạnh. Để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi nhiệt, trong tủ
lạnh, bình bay hơi được thay bằng dàn bay hơi, có cánh tản nhiệt và tương tự cho dàn
ngưng, đơi khi cũng có thêm quạt.

60


1: Van tiết lưu; 2: Dàn lạnh; 3: Ống hút; 4: Máy nén; 5: Ống nén; 6: Dàn nóng;
7: Bình chứa; 8: Ống dẫn lỏng.
Hình 1.4 Tủ lạnh với vịng tuần hồn kín gas lạnh
III. MƠI CHẤT LẠNH, CHẤT TẢI LẠNH
1. Khái niệm và các yêu cầu cơ bản của môi chất lạnh
a. Môi chất lạnh
Môi chất lạnh là chất mơi giới sử dụng trong chu trình nhiệt động carnot ngược
chiều để bơm một dịng nhiệt từ một mơi trường có nhiệt độ thấp đến một mơi trường
có nhiệt độ cao hơn
b. Các yêu cầu đối với môi chất lạnh
Do đặc điểm của chu trình lạnh, của hệ thống thiết bị, điều kiện vận hành, bảo
dưỡng, sửa chữa, an toàn cháy nổ, an tồn độc hại,…, mơi chất lạnh cần phải có các
tính chất phù hợp sau

- Tính chất bảo vệ môi trường : Không làm ô nhiễm môi trường, khơng có hại
đối với mơi trường.
- Tính chất hố học:
+ Phải bền vững về mặt hoá học trong phạm vi áp suất và nhiệt độ làm việc,
không được phân huỷ hoặc polyme hố.
+ Phải trơ về mặt hố học, khơng ăn mòn vật liệu chế tạo thiết bị của hệ thống,
không phản ứng với dầu bôi trơn, ôxy trong không khí và hơi ẩm.
+ Phải an tồn, khơng gây cháy, nổ .
- Tính chất sinh lý :
+ Khơng được độc hại đối với con người và các cơ thể sống khác, không gây
phản ứng với cơ quan hô hấ, không tạo các khí độc hại khi tiếp xúc với ngọn lửa hàn
và vật liệu chế tạo máy.
+ Phải có mùi đặt biệt để dễ dàng phát hiện khi rò rỉ và có biện pháp phịng
chống an tồn . Nếu mơi chất khơng có mùi thì co thể pha thêm chất có mùi vào để dễ
nhận biết nếu chất đó khơng ảnh hưởng đến chu trình máy lạnh .
+ Khơng được làm hỏng hay ảnh hưởng xấu đến sản phẩm bảo quản khi rị rỉ .
- Tính chất vật lí:
+ Ở điều kiện môi trường, áp suất ngưng tụ không được quá cao để số cấp nén
của máy nén càng ít càng tốt, giảm rị rỉ mơi chất, giảm chiều dày vách của các thiết
bị áp lực để tiết kiệm vật liệu kim loại và an toàn, giảm nguy cơ nổ vỡ thiết bị.
61


+ Áp suất bay hơi không được quá thấp ở điều kiện mơi trường, phải lớn hơn áp
suất khí quyển một ít để hệ thống khơng bị chân khơng, tránh rị lọt khơng khí vào hệ
thống.
+ Nhiệt độ đơng đặc của môi chất phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi nhiều để có thể
mở rộng dải làm việc của mơi chất về phía nhiệt độ thấp .
+ Nhiệt độ tới hạn của môi chất phải cao hơn nhiệt độ ngưng tụ nhiều để có thể
mở rộng dải làm việc của mơi chất về phía nhiệt độ cao.

+ Nhiệt ẩn hố hơi và nhiệt dung riêng của môi chất lỏng càng lớn càng tốt
nhưng chúng khơng đóng vai trị quan trọng trong việc đánh giá chất lượng môi chất
lạnh. Nhiệt ẩn hố hơi lớn, lượng mơi chất tuần hồn trong hệ thống càng nhỏ và năng
suất lạnh riêng khối lượng càng lớn.
+ Độ nhớt động lực học của môi chất càng nhỏ càng tốt vì tổn thất áp suất trên
đường ống và các van giảm, tuy nhiên mơi chất dễ rị rỉ ra môi trường.
+ Hệ số dẫn nhiệt (), hệ số dẫn nhiệt độ càng lớn càng tốt
+ Sự hòa tan dầu của mơi chất cũng đóng vai trị quan trọng trong sự vận hành
và bố trí thiết bị. Mơi chất hồ tan dầu hồn tồn (R12) có ưu điểm là q trìng bơi
trơn tốt hơn, thiết bị trao đổi nhiệt luôn được rửa sạch lớp dầu bám trên bề mặt, q
trình trao đổi nhiệt tốt hơn nhưng có nhược điểm là có thể làm độ nhớt của dầu giảm
và tăng nhiệt độ bay hơi nếu tỷ lệ dầu trong môi chất lạnh lỏng ở áp suất bay hơi
tăng. Môi chất khơng hồ tan dầu (NH3) có nhược điểm là q trình bay hơi khó thực
hiện hơn, lớp dầu bám trên bề mặt thiết bị làm cảng trở quá trình trao đổi nhiệ, nhưng
lại có ưu điểm là khơng làm giảm độ nhớt của dầu ,không làm sủi bọt dầu, không làm
tăng nhiệt độ bay hơi của môi chất.
+ Môi chất hoà tan được nhiều nước ở cả 3 pha càng tốt vì tránh được tắt ẩm cho
van tiết lưu
+ phải khơng dẫn điện, có thể sử dụng cho máy nén kín và nữa kín.
- Tính kinh tế:
+ Dễ chế tạo, giá thành rẻ.
+ Dễ kiếm, nghĩa là việc sản xuất vận chuyển, bảo quản dễ dàng.
- Trong thực tế khơng có một mơi chất nào đáp ứng được tất cả các u cầu trên,
do đó khi chọn mơi chất cho một ứng dụng cụ thể cần phát huy được ưu điểm một
cách tối đa và hạn chế đến mức thấp nhất các nhược điểm của nó
2. Các mơi chất lạnh thông dụng:
Các môi chất lạnh thường được sử dụng hiện nay như: R22, R123, R134a, R410,
R32, R404A, R407C, R717……
62

3. Chất tải lạnh:
Chất tải lạnh là chất trung gian, nhận nhiệt lượng của đối tượng cần làm lạnh
chuyển tới thiết bị bay hơi. Người ta sử dụng chất tải lạnh trong những trường hợp
sau:
- Khó sử dụng trực tiếp dàn bay hơi để làm lạnh sản phẩm
- Môi chất lạnh có tính độc hại, ảnh hưởng đến mơi trường
- Mơi trường cần làm lạnh ở xa máy móc thiết bị làm lạnh
- Chất tải lạnh có thể ở dạng khí như khơng khí, lỏng như nước, nước muối các
loại, dung dịch các chất hữu cơ như rựu, metanol…
Một số yêu cầu đối với chất tải lạnh như sau:
- Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi của mơi chất lạnh ít nhất là
5K
- Nhiệt độ sơi phải đủ cao để khi ngừng máy chất tải lạnh khơng bị bay hơi
- Khơng ăn mịn thiết bị
- Khơng cháy nổ, rẻ tiền, dễ kiếm
- Hệ số dẫn nhiệt càng lớn càng tốt
- Độ nhớt càng nhỏ càng tốt
- Đối với nhiệt độ trên 0oC thì nước là chất tải lạnh lý tưởng vì nó đáp ứng hầu
hết các yêu cầu trên
- Khi cần nhiệt độ thấp hơn thì người ta sử dụng dung dịch muối như NaCl,
CaCl2, Etilenglicol(C2H4(OH)2) và Glycerin….
Câu hỏi ơn tập:
1. Hãy trình bày các ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong đời sống hiện nay?
2. Hãy vẽ và chú thích phương pháp làm lạnh đơn giản nhất bằng nước đá?
Nhiệt độ bên trong có thể làm lạnh được bao nhiêu với phương pháp này?
3. Hãy trình bày các u cầu cơ bản đối với mơi chất lạnh?
4. Chất tải lạnh là gi? Hãy trình bày các yêu cầu cơ bản đối với chất tải lạnh?

63

§2. CÁC HỆ THỐNG LẠNH THÔNG DỤNG

Mục tiêu:
- Vẽ và trình bày được nguyên lý làm việc của các hệ thống lạnh thơng dụng;
- Tính tốn được nhiệt lượng của các hệ thống lạnh thơng dụng;
- Phân tích và trình bày được ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay
hơi đối với hệ thống lạnh;
- Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình vẽ hình và tính tốn.
I. HỆ THỐNG LẠNH MỘT CẤP NÉN
1. Chu trình carnot ngược chiều
Chu trình Carnot là chu trình gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và 2 quá trình đẳng
nhiệt xen kẽ. Trên đồ thị T-S nó đơn giản là một hình chữ nhật nhưng đứng về mặt
thiết bị nó lại phức tạp hơn các chu trình khác do có thêm máy dãn nỡ.

a) Sơ đồ thiết bị

b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị T-S

MN: Máy nén; DN: Máy dãn nơ ; NT: TB. ngưng tụ; BH :TB. bay hơi;
Hình 2.1 Chu trình Carnot ngược chiều
Quá trình 1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt hơi hút. Để điểm 2 nằm đúng trên
đường hơi bão hồ khơ, điểm 1 phải nằm trong vùng hơi ẩm. Đặc điểm của quá trình
nén đoạn nhiệt là s1 = s2.
Quá trình 2-3 là quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt T2 = T3 và đẳng áp p2 = p3 = pk .
Điểm 3 nằm trên đường bão hoà lỏng.
64

Quá trình 3-4 là quá trình dãn nỡ đoạn nhiệt có sinh ngoại cơng. Đặc điểm q
trình là s4 = s3.
Quá trình 4-1 là quá trình bay hơi đẳng nhiệt T4 = T1 để sinh lạnh ở nhiệt độ thấp
và áp suất thấp. Quá trình này cũng là quá trình đẳng áp.
Điểm quan trọng nhất của chu trình Carnot ngược chiều là hệ số lạnh đạt cực đại,
không một chu trình nào khác có thể đạt được nên chu trình Carnot ngược chiều được
coi là chu trình lí tưởng và hệ số lạnh của chu trình được sử dụng để so sánh đánh giá
độ hồn thiện của các chu trình khác.
Hệ số lạnh của chu trình Carnot ký hiệu là  c và được xác định như sau :
c 

q0
l

Ghi nhớ : Hệ số lạnh của chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ bay hơi và
nhiệt độ ngưng tụ của chu trình, khơnh phụ thuộc tính chất của môi chất lạnh.
Nếu gọi  là hệ số lạnh của chu trình bất kỳ, có thể tính được độ hồn thiện của
chu trình bất kỳ đó :



c

 ln nhỏ hơn 1 và cũng được gọi là hiệu suất exergy của chu trình

* Ưu điểm, nhược điểm của chu trình Carnot
- Công nén nhỏ do nhiệt độ cuối tầm nén thấp ( T2 = Tk ).
- Quá trình dãn nỡ trong máy dãn nỡ sinh cơng hữu ích.
- Hệ số lạnh là lớn nhất so với các chu trình khác ở cùng điều kiện làm việc.
- Trạng thái 1 của hơi hút nằm trong vùng hơi ẩm cần phải điều chỉnh sao cho

điểm 2 cuối tầm nén phải rơi đúng vào đường hơi bão hồ khơ. Điều này khơng thể
thực hiện được trong thực tế, hơn nữa lỏng và hơi phân bố không đều nên máy nén rất
dễ bị va đập thủy lực (hút phải lỏng), gây hư hỏng máy nén.
Máy dãn nỡ có ưu điểm là sinh ngoại cơng có ích nhưng khi vận hành thực tế,
máy dãn nỡ rất kồng kềnh, làm tăng đáng kể chi phí đầu tư ban đầu mà cơng thu được
khơng đáng kể. Đó cũng là 2 nhược điểm về vận hành chủ yếu của chu trình Carnot.
Chính vì vậy, chu trình Carnot khơng được sử dụng trong thực tế.
2. Chu trình khơ
Chu trình khơ là chu trình cải tiến để loại trừ các nhược điểm nêu trên của chu
trình Carnot. Để đề phịng va đập thủy lực, hơi hút về máy nén là hơi bão hồ khơ và
để đơn giản, máy dãn nỡ được thay thế bằng van tiết lưu.
65


*Định nghĩa
Chu trình khơ là chu trình có hơi hút về máy nén là hơi bão hịa khơ.
Hình 2.2 biểu diễn chu trình khơ trong đó hình 2.2a là sơ đồ thiết bị và hình 2.2b
là chu trình khơ biểu diễn trên đồ thị lgp-h.

a) Sơ đồ thiết bị

b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lpg-h

MN: Máy nén ; NT: Bình ngưng tụ ; BH :Bình bay hơi; TL:Van tiết lưu
Hình 2.2 Chu trình khơ
Các q trình của chu trình khơ là :
Q trình 1-2 : Q trình nén hơi đoạn nhiệt (s1 = s2 hoặc s = 0 ) từ áp suất bay
hơi và nhiệt độ bay hơi lên áp suất ngưng tụ và nhiệt độ T2 >Tk. Quá trình này tiến
hành trong vùng hơi quá nhiệt.
Quá trình 2-3 : Quá trình làm mát và ngưng tụ hơi mơi chất đẳng áp, thảy nhiệt

cho nước hoặc khơng khí làm mát.
Quá trình 3-4 : Quá trình tiết lưu đẳng entanpy từ áp suất ngưng tụ và nhiệt độ
ngưng tụ xuống áp suất bay hơi và nhiệt độ bay hơi.
Quá trình 4-1 : Quá trình bay hơi đẳng áp và đẳng nhiệt để thu nhiệt của mơi
trường lạnh. Đây chính là quá trình làm lạnh mà ta muốn thực hiện.
Chu trình khơ chủ yếu sử dụng cho mơi chất Amoniắc nên nhiệt độ hút rất cao.
Để hạn chế bớt nhiệt độ này, cần phải cho máy nén hút hơi bão hồ. Để đảm bảo máy
nén khơng hút phải lỏng, phải bố trí bình tách lỏng trên đường hơi hút về máy nén.
Lỏng cuốn theo sẽ bị tách ra và đưa quay trở lại dàn bay hơi.

66


Tính tốn chu trình khơ:
+ Năng suất lạnh riêng khối lượng :
q0 = h1 – h4 , kJ/kg
+ Năng suất lạnh riêng thể tích :
qv 

qo
, kJ/m3
v1

+ Năng suất nhiệt riêng thảy ra ở dàn ngưng :
qk = h2 – h3 , kJ/kg
+ Tỷ số nén :


pk
po

+ Công nén riêng :
l = h2 – h1 , kJ/kg
+ Hệ số lạnh của chu trình :


qo
l

+ Độ hồn thiện chu trình hay hiệu suất exergy :
  .

Tk  To
To

Ví dụ: Một máy lạnh nén hơi Amoniắc có thể tích hút lý thuyết Vlt = 20m3/h,
nhiệt độ ngưng tụ 40oC, nhiệt độ bay hơi -10oC. Hãy xác định chu trình khơ, năng suất
lạnh qo, hệ số lạnh và hiệu xuất execgy.
Giải : Dựa vào đồ thị lgp-h của Amoniắc có thể xây dựng được chu trình khơ
theo tk = 400C và to = -100C. Trước hết kẻ 2 đường po = 0,29 Mpa tương ứng
to
= -100C và pk = 1,56 MPa tương ứng tk = 40 oC (nếu tra đồ thị lgp-h của Amoniắc
có po = 2,9136 bar và pk = 15,559 bar).
Các điểm nút chu trình :
Điểm 1 : là điểm cắt po với đường hơi bão hồ khơ x = 1
Điểm 3 : là điểm cắt pk với đường lỏng bão hoà x = 0
Điểm 4 : là điểm cắt giữa po và h3 = const ( đường song song với trục tung và đi
qua điểm 3 ).
67

Điểm 2 : là điểm cắt giữa pk và s = const ( đường cong song song với các đường
s = const và đi qua điểm 1 ) vì s2 = s1 .
Các thông số trạng thái p, t, h của các điểm nút chu trình 1,2,3,4 có thể đọc được
trên đồ thị lgp-h.
Tính tốn chu trình
+ Năng suất lạnh riêng khối lượng :
q0 = h1 – h4 kJ/kg
+ Năng suất lạnh riêng thể tích :
qv 

qo
kJ/m3
v1

+ Năng suất nhiệt riêng ngưng tụ :
qk = h2 – h3 kJ/kg
+ Tỷ số nén :


pk
po

+ Công nén riêng :
l = h2 – h1 kJ/kg
+ Hệ số lạnh của chu trình :


qo
l

+ Hiệu suất exergy:
  .

Tk  To
To

3. Chu trình quá lạnh, q nhiệt
Chu trình q lạnh, q nhiệt có sơ đồ thiết bị giống như chu trình khơ nhưng có
thêm bộ quá lạnh lỏng trước khi vào van tiết lưu nên nhiệt độ môi chất lỏng trước van
tiết lưu thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ và có độ quá nhiệt hơi hút (hoặc do sử dụng van
tiết lưu nhiệt) nên hơi hút trước khi vào máy nén có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bay hơi.

68


a. Định nghĩa
Chu trình quá lạnh và quá nhiệt là chu trình có nhiệt độ lỏng vào van tiết lưu nhỏ
hơn nhiệt độ ngưng tụ ( nằm trong vùng lỏng quá lạnh ) và hơi hút về máy nén lớn
hơn nhiệt độ bay hơi (nằm trong vùng quá nhiệt ).
b. Các phương pháp làm q lạnh
- Có bố trí thêm thiết bị quá lạnh sau thiết bị ngưng tụ.
- Được quá lạnh lỏng ngay trong thiết bị ngưng tụ vì thiết bị ngưng tụ thuộc kiểu
trao đổi nhiệt ngược dòng.
- Do toả nhiệt ra mơi trường trên đường từ bình ngưng đến van tiết lưu .
* Phương pháp làm quá nhiệt:
- Sử dụng van tiết lưu nhiệt để điều chỉnh sự quá nhiệt hơi hút .
- Do tải nhiệt lớn và thiếu lỏng cấp cho dàn bay hơi .
- Do tổn thất lạnh trên đường từ bình bay hơi về máy nén.
Hình 2.3 giới thiệu chu trình quá lạnh và quá nhiệt

a) Sơ đồ thiết bị

b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp – h.

QL: Thiết bị quá lạnh lỏng ; TLN: Van tiết lưu tự động nhờ độ quá nhiệt hơi hút
gọi tắt là van tiết lưu nhiệt.
Hình 2.3 Chu trình quá lạnh và quá nhiệt
Độ quá nhiệt hơi hút :
t qn  t 1  t 1'  t 1  t o

Độ quá lạnh lỏng :
69


t ql  t 3'  t 3  t k  t 3

c. So sánh với chu trình khơ
Do có độ q nhiệt nên cơng nén riêng lớn hơn chút ít, năng suất hút giảm chút
ít do thể tích riêng v1 tăng lên. Công nén riêng l = h2 – h1 .
Do có độ quá lạnh lỏng nên năng suất lạnh riêng tăng 1 khoảng
qo  h3'  h4  h3'  h3

Năng suất lạnh riêng :
qo  h1'  h4

Nếu nhiệt độ buồng lạnh cao hơn t1 trong trường hợp dùng van tiết lưu nhiệt và
trường hợp thiết bị bay hơi là dàn trao đổi nhiệt ngược dòng có thể tính :
qo  h1  h4

Các hệ thống lạnh Amoniắc vận hành theo chu trình khơ nhưng trong thực tế để
đảm bảo không bị cuốn lỏng vào máy nén và do tổn thất lạnh trên đường hút nên nhiệt
độ hút thường cao hơn nhiệt độ sôi từ 5oC đến 8oC . Nhiệt độ lỏng vào van tiết lưu do
toả nhiệt ra môi trường nên cũng thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ 2 oC đến 5oC. Như vậy
chu trình khơ đã lệch sang chu trình q lạnh và q nhiệt. Chu trình này cũng chủ
yếu sử dụng cho mơi chất NH3.
4. Chu trình hồi nhiệt
Chu trình hồi nhiệt (hình 2.4) là chu trình có thiết bị trao đổi nhiệt trong giữa
môi chất lỏng (trước khi vào van tiết lưu) và hơi lạnh trước khi hút về máy nén. Chu
trình hồi nhiệt biểu diễn trên đồ thị lgp – h gần giống như chu trình quá lạnh quá
nhiệt.

a) Sơ đồ thiết bị

b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp – h

HN – Thiết bị hồi nhiệt (còn gọi là thiết bị trao đổi nhiệt trong )
Hình 2.4 Chu trình hồi nhiệt
70


* Hai chu trình có khác biệt cơ bản sau:
- Ở chu trình quá lạnh quá nhiệt, độ quá lạnh và q nhiệt khơng phụ thuộc vào
nhau và có các giá trị bất kỳ.
- Ở chu trình hồi nhiệt, lượng nhiệt do hơi lạnh thu vào đúng bằng lượng nhiệt do
lỏng nóng thảy ra, do đó h3'3  h11' trong đó h3'3  h3'  h3 và h11'  h1  h1'
Các quá trình cơ bản của chu trình hồi nhiệt :
Quá trình 1-2 : Quá trình nén đoạn nhiệt s = const hay s1 = s2 .
Quá trình 2-3’ : Làm mát và ngưng tụ trong dàn ngưng tụ, đẳng áp.
Quá trình 3’-3 : Quá lạnh lỏng trong thiết bị hồi nhiệt.

Quá trình 3-4 : Tiết lưu đẳng entanpy h = const hay h3 = h4 .
Quá trình 4-1’ : Bay hơi đẳng áp, đẳng nhiệt thu nhiệt môi trường lạnh trong dàn
bay hơi.
Quá trình 1’-1 : Quá nhiệt hơi hút trong thiết bị hồi nhiệt.
Các thiết bị hồi nhiệt thường được thiết kế với t min  5K nghĩa là nhiệt độ của
hơi ra t1 thấp hơn nhiệt độ lỏng vào t3’ là 5 oC . Thí dụ nhiệt độ lỏng vào 30oC thì
nhiệt độ hơi ra hồi nhiệt vào máy nén là 25oC Sau đó đo khoảng h11' và lấy h3'3 Như
vậy có thể xác định được điểm 3 và điểm 4.
Các máy lạnh tự lắp đặt, khơng có hồi nhiệt chính thức mà chỉ có bố trí hồi nhiệt
bằng cách quấn đường lỏng quanh đường hút hoặc bố trí một số vịng ống dẫn lỏng
trong bình bẫy lỏng thì hiệu quả kém hơn nhiều và nhiệt độ hơi hút ra khỏi hồi nhiệt
thấp hơn nhiệt độ lỏng vào có khi đến 20oC hoặc 30oC. Khi đó phải đo đạc trực tiếp
các giá trị nhiệt độ mới có thể xây dựng được chu trình trên đồ thị lgp-h.
* Ghi nhớ
Chu trình hồi nhiệt chỉ sử dụng cho các môi chất freôn như R12, R22, R502,
R134a. Với các mơi chất này chu trình hồi nhiệt tỏ ra có hiệu suất lạnh cao hơn, hệ số
lạnh cao hơn các chu trình khơ và q lạnh q nhiệt.
Chu trình hồi nhiệt khơng sử dụng cho mơi chất Amoniắc vì qua tính tốn và
thực tế chu trình hồi nhiệt NH3 cho hiệu suất lạnh kém hơn, hệ số lạnh kém hơn chu
trình khơ.
Ví dụ: Một buồng lạnh sử dụng 1 máy lạnh làm việc ở nhiệt độ ngưng tụ 40 oC và
nhiệt độ bay hơi -20oC, môi chất R22. Máy nén hở của hãng BOCK (CHTB Đức) có
thể tích hút lý thuyết 27,1 m3/h. Xác định các thông số trạng thái điểm nút chu trình .
Hãy xác định chu trình hồi nhiệt với t3’ – t1 = 15K và xác định các thông số của
hệ thống lạnh.
71


Giải : Xác định các điểm nút chu trình
Xây dựng chu trình trên đồ thị lgp-h :

Kẻ 2 đường pk và po song song với trục hoành, xác định được 3 điểm :
+ 1’ là điểm cắt của po và đường hơi bão hồ khơ.
+ 3’ là điểm cắt của pk và đường lỏng bão hoà.
+ 1 là điểm cắt của po và đường t = 25oC .
Từ 1 kẻ đường cong s1 = const = s2. Điểm 2 là điểm cắt của pk và s1 = s2 = const
Đo khoảng cách 1’1 và lấy dấu 3’3 đúng bằng 1’1 như vậy xác định được điểm 3
trên đồ thị. Chỉ có thể sử dụng phương pháp đồ thị để tìm điểm 3, mà khơng thể tính
tốn được vì rất phức tạp.
Kẻ đường h3 = const song song trục tung cắt đường po ở 4.
Như vậy tất cả 6 điểm nút chu trình đã được xác định. Chỉ có 2 điểm 1’ và 3’ có
thể đọc được các thơng số từ bảng hơi bão hồ , cịn tất cả các điểm khác phải đọc
trực tiếp trên đồ thị .
Xác định chu trình hồi nhiệt
+ Năng suất lạnh riêng khối lượng :
qo  h1'  h4 kJ/kg

+ Năng suất lạnh riêng thể tích :
qv 

qo
kJ/m3
v1

+ Năng suất nhiệt riêng ngưng tụ :
q k  h2  h3'

+ Tỷ số nén :


pk

po

+ Công nén riêng :
l=h2 – h1
+ Hệ số lạnh :


qo
l

72


+ Hiệu suất exergy:
  .

Tk  To
To

5. Sự phụ thuộc của Qo vào nhiệt độ bay hơi to và nhiệt độ ngưng tụ tk
Trong mục trên đã đề cập đến năng suất lạnh Qo của máy nén phụ thuộc vào chế
độ làm việc.Ở đây ta nghiên cứu sâu hơn về sự phụ thuộc của Q o vào nhiệt độ bay hơi
và ngưng tụ trong chu trình 1 cấp nén.
a. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tk
Hình 2.5 biểu diễn sự phụ thuộc của năng suất lạnh Qo vào nhiệt độ ngưng tụ tk
trên dồ thị lgp-h. Ta thấy rõ ràng khi tk tăng từ t3 lên t3’ thì qo giảm 1 khoảng q o và
công nén cũng tăng 1 khoảng l . Do tk tăng nên pk tăng kéo theo  tăng và  giảm.
Theo biểu thức tính Q0 :
Qo 

.Vlt .q o
v1

Ở đây v1 giữ nguyên, Vlt giữ nguyên,  và qo giảm thì Qo sẽ giảm .
Ngược lại nếu tk giảm Qo sẽ tăng.

Hình 2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ
b. Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi to
Hình 2.6 biểu diễn sự phụ thuộc của năng suất lạnh Qo vào nhiệt độ bay hơi to .
Khi to giảm 1 khoảng To thì qo giảm 1 khoảng q o .Hơn nữa khi to giảm, tỷ số nén
giảm và  giảm theo. Thể tích riêng hơi hút v1 tăng do đó Qo giảm. Ngược lại nếu to
tăng Qo tăng. Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi tới năng suất lạnh Qo mạnh hơn ảnh
hưởng của tk tới 2÷3 lần do có thêm ảnh hưởng của thể tích riêng v1.
73


Ngồi Qo, cơng nén hiệu dụng Ne và hệ số lạnh hiệu dụng  e cũng phụ thuộc vào
nhiệt độ ngưng tụ tk và bay hơi to.

Hình 2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi
II. HỆ THỐNG LẠNH HAI CẤP NÉN
Máy nén lạnh, đặc biệt máy nén pittong cần đáp ứng các yêu cầu :
- Nhiệt độ cuối tầm nén không vượt quá 130oC.
- Nhiệt độ dầu nhỏ hơn 60 oC.
- Hệ số cấp  lớn hơn 0,60…
Để đảm bảo cho hệ thống lạnh làm việc an toàn, hiệu quả với độ tin cậy và tuổi
thọ cao, chi phí vận hành thấp.
Theo các giá trị trên, máy nén Amoniắc tối đa chỉ làm việc với tỷ số nén  max = 9
và máy nén freôn tối đa  max = 12 ÷ 13. Khi tỷ số nén vượt giá trị  max trên nên sử
dụng chu trình 2 hoặc nhiều cấp nén.

Tuy nhiên, việc lựa chọn chu trình 1 cấp hay 2 cấp nén là bài toán tối ưu về kinh
tế, phải xem xét nghiên cứu tất cả các khía cạnh của từng trường hợp ứng dụng cụ thể.
Máy lạnh 1 cấp có những ưu điểm chính là đơn giản, ít thiết bị, sử dụng và vận
hành dễ dàng, giá thành rẻ, vốn đầu tư ban đầu thấp nhưng có nhược điểm là giá vận
hành cao khi vượt quá chế độ làm việc thuận lợi.
Máy lạnh 2 cấp ngược lại phức tạp hơn, thiết bị nhiều hơn, sử dụng và vận hành
khó hơn, giá thành cao hơn làm cho vốn đầu tư ban đầu cao nhưng lại có ưu điểm là
có hiệu suất cao, giá vận hành rẻ, giá thành 1 đơn vị lạnh thấp hơn đặc biệt ở các chế
độ làm việc mà máy lạnh 1 cấp hầu như khơng vận hành được.
Do đó, nếu hệ thống lạnh phải làm việc liên tục thì nên chọn máy 2 cấp, cịn nếu
chỉ làm việc một số giờ trong năm thì nên chọn máy 1 cấp ta sẽ đạt được giá thành
chung cho1 đơn vị lạnh là thấp nhất.
74


Có rất nhiều chu trình 2 và nhiều cấp với các cách bố trí thiết bị khác nhau. Ở
đây chúng ta sẽ khảo sát một số chu trình thơng dụng nhất.
1. Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu, làm mát trung gian 1 phần
Đây là chu trình 2 cấp nén đơn giản nhất. Quá trình ngưng tụ, tiết lưu và bay hơi
giống như chu trình 1 cấp.
Riêng quá trình nén được bố trí làm 2 cấp có làm mát trung gian nhưng hơi môi
chất trước khi vào máy nén cao áp chưa đạt đến điểm bão hồ khơ do đó chưa được
gọi là làm mát trung gian tồn phần. Hình 2.7 giới thiệu chu trình 2 cấp làm mát trung
gian 1 phần 1 tiết lưu.

a) Sơ đồ thiết bị b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp – h
NHA: Máy nén hạ áp ; NCA: Máy nén cao áp ;
MTG: Thiết bị làm mát trung gian ( bằng nước làm mát).
Hình 2.7 Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian 1 phần
a. Định nghĩa

Chu trình 2 cấp 1 tiết lưu làm mát trung gian 1 phần là chu trình tương tự chu
trình khơ 1 cấp, riêng quá trình nén được phân thành 2 cấp, hơi ra cấp hạ áp được làm
mát đến nhiệt độ môi trường (ta = tk )
Khi hiệu nhiệt độ tk – to quá cao, tỷ số nén



pk
po

vượt giới hạn cho phép cần

thiết phải sử dụng chu trình 2 cấp nén. Áp suất trung gian Ptg được xác định theo biểu
thức :
Ptg  po .pk

Đây là áp suất trung gian tối ưu xét về mặt nhiệt động. Trong thực tế, do chế độ
làm việc thay đổi hoặc do phải chọn máy nén với kết cấu có sẵn, áp suất trung gian có
thể lệch khỏi áp suất trung gian tối ưu.
75


b. Chu trình làm việc như sau
Hơi ra ở thiết bị bay hơi có trạng thái 1 được máy nén hạ áp hút và nén lên áp
suất trung gian. Ở đây hơi được làm mát bằng nước hoặc khơng khí môi trường xuống
nhiệt độ Ta = Tk và được máy nén cao áp hút và nén lên áp suất ngưng tụ p k. Sau
ngưng tụ, lỏng được đưa vào van tiết lưu và tiết lưu xuống áp suất po và cấp vào cho
dàn bay hơi. Ở dàn bay hơi môi chất lỏng sôi thu nhiệt của môi trường lạnh. Hơi tạo
thành trong thiết bị bay hơi lại được máy nén hạ áp hút về khép kín chu trình lạnh.
* Ưu điểm so với chu trình 1 cấp ( 1 – 2’ – 5 – 6 )

- Nhiệt độ cuối tầm nén thấp, không vượt quá giới hạn cho phép, máy vận hành
an toàn, tin cậy, hiệu quả hơn.
- Do được làm mát trung gian nên công nén giảm.
* Nhược điểm
Chu trình phức tạp hơn, vận hành khó hơn, đầu tư lớn hơn.
c. Tính tốn chu trình
Chu trình tính gần giống như chu trình khơ 1 cấp, riêng :
+ Năng suất lạnh riêng khối lượng :
qo=h1 – h6
+ Công nén riêng :
l=(h2 –h1 ) + (h4 –h3 )
Ứng dụng trong thực tế
Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian 1 phần được ứng dụng chủ yếu cho
môi chất Freôn với nhiệt độ cuối tầm nén không cao.
2. Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian 1 phần
Sơ đồ này bày trí thêm 1 van tiết lưu, 1 bình trung gian và đường ống nối bình
trung gian với ống hút của máy nén cao áp.

76


Hình 2.8 Chu trình 2 cấp 2 tiết lưu làm mát trung gian 1 phần
Các quá trình cơ bản :
Quá trình 1-2 : Nén đoạn nhiệt qua máy nén hạ áp s1 = s2 = const.
Quá trình 2-3 : Làm mát trung gian xuống nhiệt độ môi trường t3 = tk.
Q trình 3-4 : Hồ trộn giữa dịng hơi nén từ máy nén hạ áp với dìng hơi từ bình
trung gian BTG có trạng thái 8 thành trạng thái 4.
Quá trình 4-5 : Nén đoạn nhiệt trong máy nén cao áp s4 = s5 = const.
Quá trình 5-6 : Làm mát và ngưng tụ đẳng áp trong bình ngưng.
Quá trình 6-7 : Tiết lưu đẳng entanpy từ áp suất ngưng tụ p k xuống áp suất trung

gian ptg đẩy vào bình trung gian h6 = h7. Thành phần hơi 8 về máy nén cao áp, thành
phần lỏng đi vào tiết lưu 2 có trạng thái 9.
Q trình 9-10 : Tiết lưu đẳng entanpy (h9 = h10) và đưa vào bình bay hơi.
Quá trình 10-1 : Bay hơi lỏng thu nhiệt môi trường, tạo hiệu ứng lạnh.
* Ưu nhược điểm so với chu trình 1 tiết lưu
Năng suất lạnh riêng tăng 1 khoảng q o rất đáng kể so với việc tiết lưu trực tiếp
từ điểm 6.
Công nén giảm 1 khoảng l do hơi được làm mát từ 2 xuống 3 và xuống điểm 4.
Nhiệt độ cuối tầm nén được giảm đáng kể từ 2’ xuống 5 nên hiệu suất làm việc
cao hơn.
Tính tốn chu trình:
+ Năng suất lạnh riêng khối lượng :
77