Thiết kế hệ thống làm lạnh gián tiếp sản phẩm là nước tinh khiết, lưu lượng 20m3h, từ nhiệt độ 30oC đến 4oC, đặt tại Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và tìm hiểu tại trường Đại Học Công Nghiệp Hà
Nội, đến nay em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Để hoàn thành tốt đồ án tốt
nghiệp với đề tài “ Thiết kế hệ thống làm lạnh gián tiếp sản phẩm là nước tinh
khiết, lưu lượng 20m3/h, từ nhiệt độ 30oC đến 4oC, đặt tại Hà Nội ”, ngoài sự
cố gắng của bản thân, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ rất nhiều của các thầy
trong bộ môn và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn:
Ban Giám Hiệu trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện
tốt nhất về cơ sở vật chất để em thực hiện đồ án này.
Các Thầy trong tổ bộ môn Kỹ Thuật Nhiệt - Trường Đại Học Công Nghiệp
Hà Nội đã trang bị kiến thức cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em học tập
tốt nhất trong suốt thời gian qua.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo K.s Trần Quyết Thắng
người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và đóng góp nhiều quý báu giúp em
hoàn thành đồ án này một cách thuận lợi, tốt đẹp.
Cuối cùng, em xin gửi lời chúc tốt đẹp nhất tới các Thầy trọng bộ môn,
chúc các thầy công tác tốt và dồi dào sức khỏe!
Một lần nữa em xin được chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 29 tháng 04 năm 2016
Sinh viên
Đỗ Văn Tuyển.
Contents



CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LẠNH CHILLER
I.
Tổng quan chung về kỹ thuật lạnh.
1.

Khái niệm kỹ thuât lạnh
Kỹ thuật lạnh là một ngành nghiên cứu các phương pháp làm lạnh, các thiết

bị lạnh, môi chất và vật liệu lạnh… Nhằm ứng dụng thực tế vào đời sống cũng
như các ngành kinh tế khác như: Công nghiệp thực phẩm, đánh bắt và xuất khẩu
thủy hải sản, sinh học, hóa chất.
Một ứng dụng to lớn của Kỹ thuật lạnh nó là kho lạnh, kho lạnh là những
kho có cấu tạo và kiến trúc đặc biệt, được sử dụng để bảo quản các loại hàng hóa
và sản phẩm khác nhau với điều kiện khí hậu phù hợp. Qua đó có thể bảo quản sản
phẩm trong một thời gian nhất định.
2.

Lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh.
Đã mấy ngàn năm trôi qua, từ khi con người còn chưa đạt được những

thành tựu lớn về khoa học, chúng ta đã biết sử dụng lửa vào việc sưởi ấm vào mùa
đông và cũng biết sử dụng băng, tuyết vào việc giữ gìn, bảo quản thực phẩm.
Cách đây khoảng hơn 2000 năm người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết cách trộn
muối với nước hoặc nước đá để tạo ra nhiệt độ thấp hơn.
Vào năm 1761-1764, giáo sư Black đã tìm ra nhiệt ẩn hoá hơi và nhiệt
ẩn nóng chảy. Từ đó mà con người đã biết làm lạnh bằng cách cho bay hơi chất
lỏng ở áp suất thấp.
Năm 1834, J.Perkins đã đăng kí phát minh đầu tiên về máy lạnh nén hơi với
đầy đủ các thiết bị như một máy lạnh nén hơi hiện đại gồm có máy nén, dàn
ngưng, dàn bay hơi và van tiết lưu. Đến cuối thế kỉ 19, nhờ có một cải tiến của
Linde với việc sử dụng ammoniac làm môi chất lạnh cho máy nén hơi, việc chế
tạo sử dụng máy nén hơi mới thực sự phát triển rộng rãi hơn trong hầu hết các
nghành kinh tế.

Đến thế kỉ XIX, thì kỹ thuật lạnh mới thật sự phát triển mạnh mẽ.
Năm 1810, máy lạnh hấp thụ chu kì với cặp môi chất H 2O/H2SO4 đầu tiên
do Leslie (Pháp) đưa ra. Đến giữa thế kỉ XIX nó được phát triển rầm rộ nhờ vào kĩ
sư Carré (Pháp) với hàng loạt bằng phát minh về máy lạnh hấp thụ chu kì và liên
tục với các cặp.
Năm 1873, Van der Waals công bố phương trình trạng thái, cùng lúc đó nhà
bác học Pháp là Charler Tellier trình bày luận án ở Viện hàn lâm Pháp về việc
dùng lạnh để bảo quản thịt, ông là người được cả thế giới xem như là ông tổ ngành
lạnh.
Năm 1898, Dewar hoá lỏng được H2 và Linde hoá lỏng O2, N2 và tách bằng
chưng cất. Đến cuối thế kỉ XIX, với hàng loạt cải tiến của Linde với việc sử dụng
môi chất NH3 cho máy lạnh nén hơi, làm cho máy lạnh nén hơi được sử dụng phổ
biến ởnhiều nơi.
Năm 1904: Mollier xây dựng đồ thị i – s và logP – i.
Năm 1930, sự kiện quan trọng phát triển kĩ thuật lạnh là việc sản xuất và
ứng dụng môi chất lạnh Freon ở Mĩ. Môi chất lạnh Freon là hợp chất hữu cơ
hydro cacbua no hoặc không no như metal (CH4) hoặc etan (C2H6)…, được thay
thế một phần hoặc toàn bộ các nguyên tử hydro bằng các nguyên tử halogen như
Clo (Cl), Flo (F) hoặc Brom (Br). Đây là những môi chất lạnh có tính chất quý
báu không cháy, không nổ, không độc hại phù hợp với chu trình làm việc của máy
nén hơi.
Ngày nay kỹ thuật lạnh hiện đị đã có những bước tiến rất xa có trình độ kỹ
thuật ngang với các ngành kỹ thuật tiên tiến khác.
3.

Ứng dụng kinh tế của kỹ thuật lạnh.
Kỹ thuật lạnh đã ra đời hàng trăm năm nay và được sử dụng rất rộng rãi trong

nhiều ngành kỹ thuật rất khác nhau:

Trong công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm, công nghiệp hoá chất,
công nghiệp rượu, bia, sinh học. Kỹ thuật lạnh đã ra đời hàng trăm năm nay và được
sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật rất khác nhau: trong công nghiệp chế
biến và bảo quản thực phẩm, công nghiệp hoá chất, công nghiệp rượu, bia, sinh học,
đo lường tự động, kỹ thuật sấy nhiệt độ thấp, xây dựng, công nghiệp dầu mỏ, chế tạo
vật liệu, dụng cụ, thiết kế chế tạo máy, xử lý hạt giống, y học, thể thao, trong đời
sống vv... Ngày nay ngành kỹ thuật lạnh đã phát triển rất mạnh mẽ, được sử dụng với
nhiều mục đích khác nhau, phạm vi ngày càng mở rộng và trở thành ngành kỹ thuật
vô cùng quan trọng, không thể thiếu được trong đời sống và kỹ thuật của tất cả các
nước.
3.1. Ứng dụng trong ngành chế biến và bảo quản thực phẩm
a. Tác dụng của nhiệt độ thấp đối với thực phẩm
Ở nhiệt độ thấp các phản ứng hoá sinh trong thực phẩm bị ức chế. Trong phạm
vi nhiệt độ bình thường cứ giảm 10 oC 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 0 oC, phần lớn hoạt động của enzim bị đình chỉ.
Tuy nhiên một số men như lipaza, trypsin, catalaza ở nhiệt độ -191 oC cũng không bị
phá huỷ. Nhiệt độ càng thấp khả năng phân giải giảm, ví dụ men lipaza phân giải mỡ.
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 không 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 4oC 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 loài 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.
Để bảo quả thực phẩm người ta có thể thực hiện nhiều cách như: phơi, sấy khô,
đóng hộp và bảo quản lạnh. Tuy nhiên phương pháp bảo quả lạnh tỏ ra có ưu điểm
nổi bật vì:
- Hầu hết thực phẩm, nông 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 nông 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.

b. Các chế độ xử lý lạnh thực phẩm.
Thực phẩm trước khi được đưa vào các kho lạnh bảo quản, cần được tiến hành
xử lý lạnh để hạ nhiệt độ thực phẩm từ nhiệt độ ban đầu sau khi đánh bắt, giết mổ
xuống nhiệt độ bảo quản.
Có hai chế độ xử lý lạnh sản phẩm là xử lý lạnh và xử lý lạnh đông:
- 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 còn mềm, chưa bị hóa cứng do đóng băng.
- Xử lý lạnh đông là kết đông (làm lạnh đông) các sản phẩm. Sản phẩm hoàn
toàn 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 đông có hai phương pháp:
- Kết đông hai pha: thực phẩm nóng đầu tiên được làm lạnh từ 37 oC xuống
khoảng 4oC sau đó đưa vào thiết bị kết đông để nhiệt độ tâm khối thực phẩm đạt -8oC.
- Kết đông một pha: thực phẩm còn nóng được đưa ngay vào thiết bị kết đông

để hạ nhiệt độ tâm khối thực phẩm xuống đạt dưới -8oC.
Kết đông một pha có nhiều ưu điểm hơn so với kết đông hai pha vì tổng thời
gian của quá trình giảm, tổn hao khối lượng do khô ngót 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 đông nên thực tế diễn ra 2
pha.

3.2. Ứng dụng trong các ngành khác
Ngoài ứng dụng trong kỹ thuật chế biến và bảo quản thực phẩm, kỹ thuật lạnh
còn được ứng dụng rất rộng rãi trong rất nhiều ngành kinh tế, kỹ thuật khác nhau.
Dưới đây là các ứng dụng thông dụng nhất.
3.2.1 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
vv...), nước và hoa húp lông. Qui trình công nghệ sản xuất bia trải qua nhiều giai
đoạn cần phải tiến hành làm lạnh mới đảm bảo yêu cầu.
Đối với nhà máy sản xuất bia hiện đại, lạnh được sử dụng ở các khâu cụ thể
như sau:
a. Sử dụng để làm lạnh nhanh dịch đường sau khi nấu.


Dịch đường sau quá trình húp lông hoá có nhiệt độ khoảng 80 oC cần phải tiến
hành hạ nhiệt độ một cách nhanh chóng xuống nhiệt độ lên men 6÷8 oC. Tốc độ làm
lạnh khoảng 30÷45 phút. Nếu làm lạnh chậm một số chủng vi sinh vật có hại cho quá
trình lên men sẽ kịp phát triển và làm giảm chất lượng bia. Để làm lạnh dịch đường
người ta sử dụng thiết bị làm lạnh nhanh.
Như vậy trong quá trình hạ nhiệt này đòi hỏi phải sử dụng một lượng lạnh khá
lớn. Tính trung bình đối với một nhà máy bia công suất 50 triệu lít/năm mỗi ngày
phải nấu khoảng 180m3 dịch đường. Lượng lạnh dùng để hạ nhiệt rất lớn.

b. Quá trình lên men bia.
Quá trình lên men bia được thực hiện ở một phạm vi nhiệt độ nhất định khoảng
6÷8oC. Quá trình lên men là giai đoạn quyết định để chuyển hoá dịch đường houblon
hoá thành bia dưới tác động của nấm men thông qua hoạt động sống của chúng.
Trong quá trình lên men dung dịch toả ra một lượng nhiệt lớn.
c. Bảo quản và nhân men giống.
một khâu vô cùng quan trọng cần làm lạnh trong nhà máy bia là khâu bảo quản
và nhân men giống. Men giống được được bảo quản trong tank đặc biệt ở nhiêt độ
thấp. Tank cũng có cấu tạo như tank lên men, nó có thân hình trụ bên ngoài có các áo
dẫn glycol làm lạnh. Tuy nhiên kích thước của tank men nhỏ hơn tank lên men rất
nhiều, nên lượng làm lạnh cần thiết cho tank men không giống.
d. Làm lạnh đông CO2
Trong quá trình lên men nhờ các quá trình thuỷ phân mà trong các tank lên
men sinh ra rất nhiều khí CO 2. Khí CO2 lại rất cần cho trong qui trình công nghệ bia
như ở khâu chiết rót và xử lý công nghệ ở tank lên men. Khí CO 2 thoát ra từ các tank
lên men trong các quá trình sinh hoá cần phải được thu hồi, bảo quản để sử dụng vào


trong dây chuyền công nghệ. Để bảo quản CO 2 tốt nhất chỉ có thể ở thể lỏng, ở nhiệt
độ bình thường áp suất ngưng tụ của CO 2 đạt gần 100at. Vì vậy để giảm áp suất bảo
quản CO2 xuống áp suất dưới 20 kg/cm2 cần thiết phải hạ nhiệt độ bảo quản xuống rất
thấp cỡ (- 30 ÷ -35oC).
e. Làm lạnh nước.
Nước lạnh được sử dụng trong nhà máy bia với nhiều mục đích khác nhau, đặc
biệt được sử dụng để làm lạnh nhanh dịch đường sau khi được houblon hoá đến
khoảng 20oC. Việc sử dụng nước 1oC là một giải pháp rất hữu hiệu và kinh tế trong
các nhà máy bia hiện đại. Phụ tải nhiệt của các mẻ nấu theo thời gian trong ngày
không đều và liên tực mà có dạng hình xung. Khi các mẻ nấu hoàn thành yêu cầu
phải tiến hành làm lạnh rất nhanh. Rõ ràng nếu sử dụng làm lạnh trực tiếp thì công

suất máy lạnh sẽ rất lớn.
Việc sử dụng nước lạnh để hạ lạnh nhanh dịch đường cho phép trữ một lượng
lạnh đáng kể để làm lạnh dịch đường của các mẻ nấu một cách nhanh chóng. Điều
này cho phép không cần có hệ thống lạnh lớn nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu. Nước
được làm lạnh nhờ glycol đến khoảng 1oC qua thiết bị làm lạnh nhanh kiểu tấm bản.
f. Làm lạnh hầm bảo quản tank lên men và điều hoà.
Trong một số nhà máy công nghệ cũ, bia được bảo quản lạnh trong các hầm
làm lạnh, trong trường hợp này cần cung cấp lạnh để làm lạnh hầm bảo quản.
Có thể sử dụng lạnh của glycol để điều hoà không khí trong một số khu vực
nhất định của nhà máy, các phòng bảo quản hoa vv..
3.2.2 Ứng dụng trong công nghiệp hoá chất
Trong công nghiệp hoá chất như hoá lỏng các chất khí là sản phẩm của công
nghiệp hoá học như clo, amôniắc, cacbonnic, sunfuarơ, các loại chất đốt, các khí sinh
học vv...


Hoá lỏng và tách các chất khí từ không khí là một ngành công nghiệp hết sức
quan trọng, có ý nghĩa vô cùng to lớn với ngành luyện kim, chế tạo máy, y học,
ngành sản xuất chế tạo cơ khí, phân đạm, chất tải lạnh vv... Các loạt khí trơ như nêôn,
agôn vv... được sử dụng trong công nghiệp hoá chất và sản xuất bóng đèn. Việc sản
xuất vải sợi, tơ, cao su nhân tạo, phim ảnh được sự hỗ trợ tích cực của kỹ thuật lạnh.
Thí dụ trong quy trình sản xuất tơ nhân tạo người ta phải làm lạnh bể quay tơ xuống
nhiệt độ thấp đúng yêu cầu công nghệ thì chất lượng mới đảm bảo. 2
Cao su và các chất dẻo khi hạ nhiệt độ xuống thấp sẽ trở nên dòn và dễ vỡ như
thuỷ tinh. Nhờ đặc tính này người ta có thể chế tạo được cao su bột. Khi hoà trộn với
bột sắt để tạo nên cao su từ tính hoặc hoà trộn với phụ gia nào đó có thể đạt được độ
đồng đều rất cao.
Trong công nghiệp hoá chất cũng sử dụng lạnh rất nhiều trong các quy trình
sản xuất khác nhau để tạo ra nhiệt độ lạnh thích hợp nhất cho từng hoá chất.
3.2.3 Ứng dụng trong điều hoà không khí

Ngày nay kỹ thuật điều hoà được sử dụng rất rộng rãi trong đời sống và trong
công nghiệp. Khâu quan trọng nhất trong các hệ thống điều hoà không khí đó là hệ
thống lạnh
Máy lạnh được sử dụng để xử lý nhiệt ẩm không khí trước khi cấp vào phòng.
Máy lạnh không chỉ được sử dụng để làm lạnh về mùa hè mà còn được đảo chiều để
sưởi ấm mùa đông.
Các hệ thống điều hoà trong công nghiệp:
Trong nhiều ngành công nghiệp để sản xuất ra các sản phẩm có chất lượng kỹ
thuật cao đòi hỏi phải duy trì nhiệt độ, độ ẩm trong một giới hạn nhất định. Ví dụ như
trong ngành cơ khí chính xác, thiết bị quang học, trong công nghiệp bánh kẹo, trong
ngành điện tử vv...
Trong các ngành công nghiệp nhẹ điều hoà không khí cũng được sử dụng
nhiều như trong công nghiệp dệt, công nghiệp thuốc lá vv..


3.2.4 Ứng dụng trong kỹ thuật đo và tự động
Áp suất bay hơi của một chất lỏng luôn phụ thuộc vào nhiệt độ vì vậy người ta
ứng dụng hiện tượng này trong các dụng cụ đo lường như đồng hồ áp suất, nhiệt kế,
trong các rơ le áp suất vv...
Hiệu ứng nhiệt điện phản ánh mối quan hệ của độ chênh nhiệt độ 2 đầu cặp
nhiệt với dòng điện chạy qua mạch cặp nhiệt điện. ứng dụng hiện tượng này người ta
đã tạo ra các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất hoặc thiết bị điều khiển tự động.
3. 2.5 Ứng dụng trong thể thao
Trong một số bộ môn thi đấu trong nhà người ta duy trì nhiệt độ thấp để không
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 hoà không 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.
3.2.6 Ứng dụng trong sấy thăng hoa

Vật sấy được làm lạnh xuống dưới -20oC và được sấy bằng cách hút chân
không. Đây là một phương pháp hiện đại và không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản
phẩm. Vật phẩm hầu như được rút ẩm hoàn toàn khi sấy nên sản phẩm trở thành bột
bảo quản và vận chuyển dễ dàng. Giá thành sản phẩm cao nên người ta chỉ ứng dụng
để sấy các vật phẩm đặc biệt như các dược liệu quý hiếm, máu, các loại thuốc,
hócmôn.
Quá trình thực hiện theo tuần tự sau: đầu tiên người ta kết đông sản phẩm
xuống khoảng -20oC, sau đó rút nước ra sản phẩm bằng cách thăng hoa các tinh thể
nước hoá đá trong sản phẩm nhờ hút chân không cao.
II.

Tổng quan về hệ thống lạnh Chiller.


1.

Khái niệm Chiller.
Chiller là loại phát sinh ra nguồn lạnh để làm lạnh các đồ vật, thực phẩm. Ở

máy lạnh người ta luôn thấy 1 nguồn lạnh và 1 nguồn nóng hơn môi trường xung
quanh dù chạy với nguyên lý nào. Thực ra máy lạnh củng là máy bơm nhiệt. Tùy theo
cách sử dụng mà người ta gọi cho thích hợp. Ở máy lạnh nguồn lạnh được sử dụng là
mục đích chính trong khi máy bơm nhiệt nguồn nóng chủ yếu phục vụ chính cho yêu
cầu. Nhiều trường hợp thuận lợi ta có thể thiết kế sử dụng cả 2 nguồn nóng và nguồn
lạnh tiết kiệm được nhiều năng lương. . Là máy sản xuất nước lạnh dùng trong hệ
thống điều hòa không khí trung tâm,công nghiệp chế biến.
Thực chất máy chiller gồm 4 thiết bị chính của chu trình nhiệt căn bản là máy
nén, van tiết lưu, thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi. Ngoài ra có thêm một số thiết
bị khác nữa. Chiller phải đạt tiêu chuẩn theo ARI việc phân loại chiller có nhiều cách:
theo máy nén ( Piston ,trục vít, xoắn ốc, ly tâm..), theo ngưng tụ như giải nhiệt nước (

water-cooled), hay giải nhiệt gió(Air-cooled), thiết bị hồi nhiệt (heat recovery), loại
lưu lượng qua bình bốc hơi không thay đổi hay thay đổi lưu lượng nước,…
2.

Hệ thống lạnh chiller.

2.1.Phân loai.
Máy lạnh được chia làm 2 loại chính: máy lạnh động cơ, sử dụng động cơ là
máy nén khí để hoạt động và loại máy lạnh thẩm thấu để vận hành trong quá trình
trao đổi nhiệt. Mỗi loại máy lạnh đều có ưu nhược điểm riêng; máy lạnh cơ động thì
năng động hơn, được thiết kế gọn gàng hơn, máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu thì ít
cơ động hơn và thiết kế cũng cồng kềnh hơn,nhưng lại không phụ thuộc vào điện
năng, mà dùng trực tiếp nguồn năng lượng đầu vào như dầu khí, than đá hoặc nguồn
nhiệt năng khác để tái tạo lại hệ thống môi chất thẩm thấu chạy máy.
* Máy lạnh động cơ:
-

Đây là loại máy phổ biến, sử dụng máy nén, van tiết lưu, dàn lạnh và bình

ngưng là các bộ phận then chốt. Trong chu trình khép kín, máy nén với công suất Q N


sẽ hút ga lạnh từ dàn lạnh Qo và nén ga lạnh vào bình ngưng với áp suất và nhiệt độ
cao. Trong bình ngưng ga lạnh được hóa lỏng và đưa 1 lượng nhiệt năng ngưng tụ Q K
ra môi trường xung quanh. Ga lạnh dạng lỏng đi qua van tiết lưu áp suất được giảm
xuống thấp, một phần ga lạnh được bốc hơi ở dàn lạnh,quá trình bốc hơi sẽ hút 1
công suất lạnh Qk từ môi trường được làm lạnh như thực phẩm, đồ vật,… Theo định
luật bảo toàn năng lượng ta có phương trình cho chu trình nhiệt động khép kín như
sau:
•

Qk = QN + Qo

•

Công suất ngưng tụ = Công suất lạnh + Công suất máy
Máy lạnh cơ động được dùng phổ biến rộng rãi trong đời sống hàng ngày như

tủ lạnh, tủ đông, máy điều hòa không khí, kho lạnh, nhà máy sản xuất bia và công
nghiệp hóa chất…
* Máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu hòa tan:
Máy lạnh loại này không cần sử dụng máy nén, mà sử dụng môi chất thẩm thấu
hòa tan để thẩm thấu ga lạnh trong quy trình trao đổi nhiệt làm lạnh. Trong quá trình
thẩm thấu ga lạnh sẽ sinh ra nhiệt và được thiết kế làm mát dung dịch. Khi dung dich
đã hút thẩm thấu no ga lạnh, dung dịch bõa hòa ga lạnh sẽ được hâm nóng qua hệ
thống dầu khí hoặc nguồn năng lượng khác,để đuổi ga lạnh ra khỏi dung dịch: đây là
quá trình tái tạo dung dịch để tái sử dụng lại trong chu trình nhiệt động khép kín,
trong khi ga lạnh sẽ được ngưng tụ lại và tái sử dụng.
Hệ thống lạnh chiller là sự kết hợp một cách khoa học có tính toán hoạt động
nhịp nhàng của các thành phần trong hệ thống.
Hệ thống cơ bản gồm 4 thành phần chính:
-

Cụm trung tâm nước water chiller.

-

Hệ thống đường ống nước lạnh và bơm nước lạnh.

-

Hệ thống tái sử dụng trực tiếp: AHU, FCU, PAU, PHE…


-

Hệ thống cooling tower đối với Chiller giải nhiệt nước.

Hình 2.1: Hệ thống lạnh Chiller.

2.2. Cụm water cooled chiller.

Hình 2.2: Cụm trung tâm nước water chiller.
Cụm trung tâm nước water chiller là trung tâm của hệ thống, Tiêu thụ điện
năng lớn nhất, giá thành cao nhất so với thiết bị khác. Được sản xuất hàng loạt công
nghiệp theo những công suất định sẳn tại các nước có nền công nghệ cao. Cụm trung
tâm nước water chiller gồm 3 phần chính là:
-

Máy nén : Có rất nhiều dạng, nhưng phổ biến là loại trục vít, máy nén

kín, máy nén pittong nửa kín.


-

Thiết bị ngưng tụ: Tùy thuộc vào hình thức giải nhiệt mà thiết bị ngưng

tụ là bình hay giàn ngưng. Khi giải nhiệt bằng nước thì sử dụng bình ngưng, khi giải
nhiệt bằng gió thì ta sử dụng dàn ngưng. Nếu giải nhiệt bằng nước thì hệ thống có

thêm tháp giải nhiệt và bơm nước giải nhiệt. Trên thực tế nước ta hay sử dụng thiết bị
ngưng tụ giải nhiệt nước vì hiệu quả cao và ổn định hơn.
-

Thiết bị bay hơi: Bình bay hơi thường sử dụng là bình bay hơi ống đồng

có cánh. Môi chất lạnh sôi ngoài ống, nước chảy trong ống. Bình bay hơi được bọc
cách nhiệt và được duy trì nhiệt độ không được đưới quá 7oC nhằm ngăn ngừa nước
đóng băng gây nổ vỡ bình. Công dụng của bình bay hơi là làm lạnh nước.

2.2 Hệ thống đường ống nước lạnh và bơm nước lạnh

Hình 2.3: Hệ thống đường ống nước lạnh và bơm nước lạnh
•

Bơm nước.


Chịu trách nhiệm bơm nước lạnh qua chiller đến tải sử dụng trực tiếp ( nước
lạnh trao đổi qua tấm PHE, AHU, FCU…). Hiệu suất cao hơn nếu mỗi chiller có một
bơm riêng, loại bơm sử dụng là loại bơm có độ ồn nhỏ và cột áp khồn lớn lắm (vì cân
bằng tuần hoàn kín giữa cột áp đi và cột áp về).
Lưu lượng nước bơm qua chiller luôn phải được giữ ổn định, không tang hay
giảm công suất lưu lượng bơm bằng biến tần nếu không có sử kết hợp khoa học của
hệ thống.
Chọn công suất bơm dựa vào cột áp và lưu lượng nước ( lưu lượng có sẵn
theo thông số chiller đã chọn). Việc tính toán cột áp bơm có phần phức tạp do các
thông số tính toán nhiều ( lưu lượng nước, độ dài đường ống, độ cao, sụt áp qua co,
cút, tê…)
•

Đường ống.

Thường là ống thép đen được bọc cách nhiệt với đường ống nước lạnh.Ống
thép đen hay ống đồng với đường ống dẫn nước nóng dẫn ra cooling tower. Hiện nay
người ta bắt đầu thiết kế sang ống nhựa PPR cho hệ thống chiller, một số công trình
sử dụng loại ống này hiện nay sử dụng rất tốt.
Người ta sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau làm đường ống cụ thể như sau:

Chức năng
Ống nước lạnh chiller
Ống nước giải nhiệt và nước cấp
Ống nước ngưng hoặc xả cặn
Bão hòa hoặc nước ngưng bão hòa
Nước nóng

2.3.

Vật liệu
Thép đen hoặc thép tráng kẽm - Ống
đồng cứng.
Ống thép tráng kẽm - Ống đồng cứng.
Ống thép tráng kẽm - Ống đồng cứngỐng PVC
Ống thép đen - Ống đồng cứng
Ống thép đen - Ống đồng cứng

Hệ thống tải sử dụng trực tiếp AHU, FCU, PAU…


Hệ Thống AHU (Air handling unit), FCU (Fan Coil Unit), PAU (Primary Air

Unit) hay MAU (Make Up Air):AHU, FCU, PAU bản chất giống nhau nhưng khác
mục đích sử dụng.
- AHU: là bộ xử lý nhiệt ẩm hệ thống ống gió trung tâm và chia ra làm nhiều
ống gió phụ đi vào không gian điều hòa. Như vậy một AHU có thể có nhiều lớp lọc
bụi, nhiều dàn coil ống đồng (nước nóng hoặc lạnh) theo điều kiện xử lý yêu cầu và
dùng cho một không gian lớn.

Hình 2.4: Mô hình AHU

- FCU: thì dùng cho nhiều phòng nhỏ hay khu vực nhỏ nơi mà hệ thống ống
gió của AHU không thể tới được, hay với yêu cầu một vài phòng nằm trong khu vực
với yêu cầu nhiệt độ và độ ẩm khác với AHU đang lắp sử dụng. FCU không xử lí
nhiệt ẩm tốt bằng AHU (do kích thước sản xuất hạn chế). Nên với yêu cầu đòi hỏi
cao ta bắt buột sử dụng thêm bộ xử lý PAU (lọc, làm lạnh,gia nhiệt, tách ẩm hay tạo
ẩm) được lắp bên ngoài và nối ống gió cho nhiều FCU bên trong.


Hình 2.5. Dàn lạnh FCU
- PAU: Luôn cấp gió khô hơn không khí trong không gian điều hòa. Khô ở đây
nói đến độ chứa hơi ( hay độ khô), không phải độ ẩm tương đối ( vì gió sao khi ra coil
FCU thì có độ ẩm tương đối cao 85~95%).Luôn cấp gió nhiệt độ càng thấp ( >9 nếu
dùng VAV, > 11 nếu dùng CAV) khi có thể, khi này sẽ giảm được size của FCU hay
Indoor Unit.
2.4 Cooling tower.
Trong hệ thống lạnh giải nhiệt bằng nước bắt buộc phải sử dụng tháp giải
nhiệt.Tháp giải nhiệt được sử dụng giải nhiệt nước làm mát bình ngưng trong hệ
thống lạnh.
Tháp giải nhiệt có thân và đáy đươc làm bằng vật liệu composit.Bên trong có
các khối bằng nhựa có tác dụng làm tơi nước, tang bề mặt tiếp xúc, thường có hai
khối.Ngoài ra bên trong còn có hệ thống phun nước, quạt hướng trục.Hệ thống phun

nước quay quanh trục khi có nước phun.Mô tơ quạt đặt trên đỉnh tháp.Xung quanh
phần than còn có các tấm lưới, có thể dễ dàng tháo ra để vệ sinh đáy tháp, cho phép
quan sát tình hình nước trong tháp nhưng vẫn ngăn cản rác có thể rơi vào bên trong
tháp. Thân tháp được lắp từ một vài tấm riêng biệt, các vị trí lắp tạo thành gân tăng
sức bền cho tháp.


Phấn đáy tháp có các ống nước sau: Ống nước vào, ống nước ra, ống xả cặn,
ống cấp nước bổ xung và ống xả tràn.

Hình 2.6: Tháp giải nhiệt Rinki

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN NHIỆT VÀ CHỌN THIẾT BI
I. Tính toán nhiệt.
1.
−
−
−
−

Sơ lược về hệ thống lạnh được thiết kế:
Làm lạnh trực tiếp chất tải lạnh Glycol.
Xây 2 bể chứa Glycol để hệ thống được làm việc ổn định.
Sử dụng tháp giải nhiệt bằng nước để giải nhiệt.
Hệ thống sử dụng chu trình khô làm lạnh chất tải lạnh Glycol tuần hoàn trong

−

hệ thống từ 15oC xuống -1oC.
Dùng bình trao đổi nhiệt để làm lạnh nước thông qua quá trình trao đổi nhiệt

2.

của nước ở 30oC với Glycol ở -1oC.
Tìm hiểu chung về chất tải lạnh Glycol.

Trạng thái vật lý: Lỏng

Điểm sôi (oC): 370F,188C


Màu sắc: Không màu
Mùi đặc trưng: Không mùi

Điểm nóng chảy (oC):
Điểm bùng cháy

(oC)

(Flash

point) 218F, 103C

Áp suất hóa hơi (mm Hg) ở nhiệt
độ, áp suất tiêu chuẩn: 0.08 Nhiệt độ tự cháy (oC):
mmHg@20C,68F
Tỷ trọng hơi (Không khí = 1) ở

Tốc độ bay hơi: 2.62
nhiệt độ, áp suất tiêu chuẩn:

Độ hòa tan trong nước: tan hoàn Giới hạn nồng độ cháy, nổ trên (%
toàn
Độ PH : không thích hợp

a.
−

hỗn hợp với không khí):
Giới hạn nồng độ cháy, nổ dưới (%
hỗn hợp với không khí):

Tính chất.
Propylene Glycol, PG dược có độc tính thấp và cực kỳ tinh khiết vì thế nó
được dùng trong công nghiệp dược, mỹ phẩm, thực phẩm, nước giải khát và

−

các ứng dụng khác.
Propylene Glycol l là chất lỏng không màu, gần như không mùi, hơi nhớt, hút
ẩm, có khả năng hoà tan nhiều loại vô cơ, hữu cơ (acid béo, alcohol, ketone,

−

ester) và tan hoàn toàn trong nước.
Propylene Glycol, PG là chất kháng khuẩn và là chất bảo quản thực phẩm hiệu

−

quả.
Propylene Glycol là một dung môi quan trọng hoà tan nhiều loại chất thơm.

hưong dược được dùng trong công nghiệp ly trích hương thơm tạo ra các

−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−

hương thơm cô đặc có chất lượng cao và giá thành rẻ.
Độ bay hơi thấp
Giá trị độ ẩm nên tạo độ bền ẩm cho sản phẩm.
Tên hoá học
1,2-Propanediol
Công thức
CH3-CH(OH)-CH2OH; C3H8O2
Trọng lượng phân tử
76.10
Độ tinh khiết
>99.8% trọng lượng
Nước
<0.2% trọng lượng
Nhiệt độ sôi, 760mmHg
187.4oC (369.3oF)
Giới hạn nhiệt độ sôi

186-189oC (367-372oF)
Nhiệt độ đông
< -57oC
Trọng lượng riêng,20/20oC
1.038


−
−
−
−
b.
−

Độ nhớt 25oC
48.6 centipoise
o
Sức căng bề mặt,25 C
36mN/m
Flash point
104oC (220oF)
Nhiệt độ tự bốc cháy
371oC
Ứng dụng
Ứng dụng trong kem đánh răng và mỹ phẩm.
Vì PG không độc và khả năng hoà tan tốt hầu hết các chất hữu cơ nên PG USP

được dùng làm dung môi, chất kết tụ, chất mang, chất ổn định nhũ tương, chất làm
mềm, chất cải biến độ nhớt và chất làm ẩm trong nhiều loại mỹ phẩm như : kem khử
mùi/ trị mồ hôi, kem xoa tay, kem đánh răng,chất làm ẩm da, thuốc tẩy, kem chống

nắng, dầu gội,chất làm đặc, styling gel và kem cạo râu. Tạo sản phẩm mỹ phẩm có độ
bám dính, độ chảy lan tốt và kéo dài thời gian bảo quản.
−

Ứng dụng trong thực phẩm và dược.
Propylene Glycol, PG dược dùng trong các sản phẩm bánh kẹo, thịt, phô mai

đóng hộp và các loại thực phẩm khác. Chức năng của Propylene Glycol, PG là chất
bảo quản, chất làm ẩm, làm mềm, và tạo cấu trúc cho thực phẩm. Propylene Glycol,
PG còn có tác dụng ức chế sự phát triển của nấm mốc và vi khuẩn. Ngoài ra, đây còn
là dung môi hoà tan các loại gia vị, hương thơm và màu cho thực phẩm và nước giải
khát.
−

Thuốc lá.
Ở Nhật và các nước khác, PG dược dùng làm chất hút ẩm rất hữu hiệu trong

quá trình gia công thuốc lá. Đây là một phụ gia tạo độ bền ẩm tốt và an toàn, được
dùng để xử lý thuốc là giúp giữ sự tươi mới cho thuốc lá trong thời gian dài sau khi
đóng gói. PG cũng được dùng làm dung môi cho các hương thơm dùng trong thuốc
lá.
−

Chất tải lạnh.
Khi thêm Propylene Glycol, PG vào nước sẽ làm giảm nhiệt độ đông của nước

thấp hơn. Chất này được dùng làm chất làm lạnh rất tốt. Ưu điểm : bay hơi thấp nên
tỷ lệ hao hụt khi sử dụng thấp. Sử dụng trong các nhà máy bia và nước giải khát.

3. Chọn kích thước và kết cấu bể chứa
3.1.
Chọn kích thước bể chứa Glycol.

dung dịch Glycol.

Theo đề bài ra thì sẽ làm lạnh nước 20 m3/h từ nhiệt độ 30oC đến 4oC ta tính
được phụ tải nhiệt của dung dịch nước:

Trong đó:
Gd : lượng dung dịch nước được làm mát trong 1 ngày đêm, t/ngày đêm:
Cp: là nhiệt dung riêng của dung dịch nước
t1 : nhiệt độ của nước lúc đầu
t2 : nhiệt độ của nước sau khi được làm lạnh
T : thời gian làm lạnh trong 24h.
Hệ số chuyển đổi từ t/ngày đêm ra đơn vị kg/s;
G = 20.24= 480 kg/24h
Khối lượng riêng của nước: d = 1000 kg/m3
→ Gd = 480.1000 = 480000 kg/ ngày đêm.
Cp là nhiệt dung riêng của dung dịch nước.
Cp = 4186 J/kg.K
Từ đó tính được:

Theo bài để đảm bảo hệ thống vận hành an toàn thì lượng nhiệt Q n phải bằng
với lượng nhiệt tải của Glycol ( Qg)
Qn = Qg = 605 kw


Lại có:

Qg =

Với:
Qg : lượng glycol được làm mát trong 1 ngày đêm, t/ngày đêm:
Cp : nhiệt dung riêng của glycol.
t1 : nhiệt độ glycol sau khi làm mát nước quay về bể nóng;
t2 : nhiệt độ glycol sau đi được làm lạnh trong bình bay hơi quay về bể chứa
lạnh;
T – thời gian làm lạnh trong 24h.
⇒

Gd = = 780000 kg
Gd = 24.g.d ( với d là khối lượng riêng của dung dịch glycol d = 1038 kg/m3)

Từ đề bài ta tính được lưu lượng Glycol la 30m3/h.
Nhưa vậy ta xây 2 bể chứa Glycol một bể chứa Glycol trước khi vào dàn bay
hơi có nhiệt độ là 15oC và một bể chứa Glycol sau khi ra khỏi dàn bay hơi có nhiệt độ
là -1oC. Mỗi bể có thể tích là 10m3 2x2x2.5m.
3.2.

Kết cấu bể chứa Glycol.

Bể chứa là bể xây có kết cấu là :
−
−
−
−

tường gạch dầy 20cm.
lớp vữa chát xi măng: 2cm.

lớp cách nhiệt Polyurethane
Lớp tôn lá bảo vệ bên ngoài :0,6cm.

4.

Chọn bảo ôn kiểm tra đọng sương.
Mục đích của việc tính toán cách nhiệt, cách ẩm cho bể chứa Glycol là để

trách việc tổn thất nhiệt. Do nhiệt độ bên ngoài môi trường cao hơn nên luôn có 1


dòng nhiệt từ bên ngoài đi vào bên trong bể. Do đó việc tính toán chiều dày cách
nhiệt sao cho kinh tế nhất và hợp lý nhất .
Tính toán chiều dày cách nhiệt:
Vật liệu
Tường gạch

Chiều dày
δ, m
0,2

Hệ số dẫn nhiệt
λ, W/m.K
0,82

Vữa chát

0,02

0,88-0,93

Tôn lá

0,006

45,36

Cách nhiệt
(polyurethane)

δcn

0,041

Chiều dày cách nhiệt được tính teo hệ só truyền nhiệt k.

Trong đó:
là chiều dày lớp vật liệu thứ i (m)
là hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liêu thứ i (W/m.K)
là hệ số tỏa nhiệt từ bên ngoài tới vách.
là hệ số tỏa nhiệt từ môi trường trong bể tới vách tường trong bể.
là chiều dày lớp cách nhiệt(polyurethane).
hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt.
k: là hệ số truyền nhiệt qua kết cấu bao tre .
Từ (4.1) ta có]
Mà

(4.2)

k = 0,35 W/m2.K

α1 = 23,3 W/m2.K


α2 = 8 W/m2.K
Thay vào cong thức (4.2) ta có:

Hệ số truyền nhiệt thực tế của tường bao :

Để không xảy ra hiên tượng đông sương trên bề mặt ngoài bể thì:
kth ≤ ks
Các thông số ngoài trời của Hà Nội là:
Nhiệt độ trung bình tháng nóng nhất là t1 = 37,2oC; = 83%
Từ đó ta tra được nhiệt độ đọng sương ts = 34,6oC
Nhiệt độ trong bể chứa là -1oC
⇒
Vậy ta thấy kth ks nên bề mặt ngoài của vách không xảy ra hiện tượng đọng
sương.

5.

Tính phụ tải nhiệt.