MÁY VÀ THIẾT BỊ LẠNH

MÁY VÀ THIẾT
BỊ LẠNH


Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế
1.Lịch sử phát triển:
Ngành lạnh xuất hiện từ rất lâu, cùng với lịch sử phát triển của con
người hiện đại;
-5000 năm trước con người đã biết dùng băng, tuyết và hang
động có nhiệt độ thấp để dự trữ thực phẩm;
-2000 năm trước đã biết trộn muối vào nước đá để đạt nhiệt độ
< 0oC;
-Thế kỷ 18 ngành lạnh thực sự phát triển khi con người đã biết
làm lạnh bằng cách cho các chất lỏng bay hơi ở áp suất thấp;
-1834 máy lạnh pitton đầu tiên của J Perkin ra đời với cấu trúc
tương tự máy lạnh hiện đại, 1810 máy lạnh hấp thụ đầu tiên ra
đời, 1845 máy lạnh nén khí ra đời, 1910 máy lạnh ejectơ đầu
tiên ra đời;
- TK 20 với sự xuất hiện của các môi chất lạnh như NH3, freon
và sự hoàn thiện về kỹ thuật dẫn tới sự phát triển như vũ bão
của ngành lạnh.


Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế
2. Xu hướng phát triển hiện nay:
• Nâng cao hiệu suất năng lượng;
• Chi phí vật tư chế tạo máy lạnh trên một đơn vị lạnh;
• Tăng tuổi thọ và độ tin cậy;
• Sử dụng các môi chất tự nhiên (NH3, CO2, SO2…) và
các môi chất mới thân thiện với môi trường hơn;
• Sử dụng các hệ thống hỗn hợp máy lạnh + bơm nhiệt;

• Nghiên cứu hoàn thiện ứng dụng các công nghệ làm
lạnh mới;
• Sử dụng công nghệ nano trong KT lạnh;


Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế
3.Ý nghĩa kinh tế:
3.1. Chế biến và bảo quản thực phẩm sau thu hoạch & giết mổ:
-Ở nhiệt độ ngoài trời các vi sinh vật và các quá trình phân rã sinh hóa phát
triển nhanh chóng. Ở nhiệt độ thấp các quá trình này được làm chậm lại. Vì
vậy sử dụng công nghệ lạnh để chế biến và bảo quản thực phẩm là biện
pháp rất hữu hiệu để nâng cao chất lượng và thời gian bảo quản mà không
dùng hóa chất
Thời gian bảo quản một số loại thực phẩm (ngày) phụ thuộc nhiệt độ
T ( oC ) bảo quản

-30

-20

-10

0

10

20

Cá

230

110

40

6

4

2

Thịt bò

2300

1000

100

15

6

3

Gia cẩm

800

230

70

7

5

2

30-90

10-40

4-8

Rau, táo


Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế
Ứng dụng trong công nghiệp :
 CN Hóa chất
- Sử dụng lạnh sâu ( cryo) để hóa lỏng khí: N ,O ,Ar,…
2

2

- Dùng để chưng cất, tách, sản xuất các loại khí;
 CN nhẹ: sản xuất vải, sợi, may mặc giầy dép;
 CN sản xuất: cao su

 CN điện tử và công nghệ cao
 CN hóa học : điều khiển tốc độ phản ứng
 CN thực phẩm: sản xuất rượu, bia, nước giải khát


Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế
Ứng dụng trong đời sống:
• Các hệ thống điều không dùng để duy trì các điều kiện vi khí hậu thích
hợp với yêu cầu cuộc sống hoặc sản xuất.
• Các tủ lạnh, tủ đông, máy hút ẩm gia dụng.
Ứng dụng trong y tế
• Tạo điều kiện vi khí hậu thích hợp và sạch sinh học trong chữa và điều
trị bệnh nhân
• Kỹ thuật lạnh sâu (cryo) dùng để gây mê cục bộ để mổ và chữa bệnh;
• Kỹ thuật cryo còn dùng để lưu giữ các tế bào gốc, gen.
Ứng dụng trong công nghệ sinh học:
Dùng để lưu giữ nghiên cứu các giống, nghiên cứu các quá trình sinh
học, lai tạo , tạo đột biến về giống.


Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế
Ứng dụng trong nghiên cứu :
• Vật lý siêu dẫn;
• Vật lý nhiệt độ thấp và siêu thấp;
Ứng dụng trong xây dựng
Ứng dụng trong quân sự
Ứng dụng trong các thiêt bị đo kiểm chính xác
Ứng dụng trong nghiên cứu vũ trụ

Các khái niệm cơ bản về máy lạnh & chu trình
1.Nguyên lý chung: để làm lạnh, cần thiết phải tạo ra
nguồn có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường. Nguồn
này sẽ nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh, sau đó
lượng nhiệt này sẽ được các hệ thống máy móc chuyền
tải đi và thải ra môi trường.


Các khái niệm cơ bản về máy lạnh & chu trình
2. Các phương pháp làm lạnh
Bay hơi khuyếch tán

Phương pháp dãn nở sinh ngoại công
Phương pháp tiết lưu không sinh ngoại công, hiệu ứng JoulThomson
Dãn nở khí trong ống xoáy

Hiệu ứng nhiệt điện Penlitier

Khử từ đoạn nhiệt

Tan chảy, thăng hoa vậtrắn ở nhiệt độ thấp


3. Các loại máy lạnh thông dụng
Định nghĩa: Máy lạnh là hệ thống thiết bị dùng để lấy nhiệt từ
nguồn có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường sau đó
chuyển lên nguồn có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường để
thải nhiệt ra. Trong quá trình này máy lạnh nhận công từ ngoài
vào
T1

T1
L

T mt

Tmt

L

T mt

Tmt
L

T2
Máy nóng

Máy lạnh

Bơm nhiêt


Các loại máy lạnh cơ bản trong thực tế:
1. Máy lạnh nén hơi
2. Máy lạnh hấp thụ
3. Máy lạnh ejectơ
4. Máy lạnh nén khí
Máy lạnh loại 1, 2, 3 sử dụng van tiết lưu (hiệu ứng
Joule-Thomson) để tạo ra nguồn nhiệt độ thấp; môi

chất có chuyển pha
Máy lạnh loại 4 dùng máy giãn nở sinh ngoại công;
môi chất không chuyển pha

14


Qc,t c
COP ()= Q0 / L

NhiÖt th¶i ra m«i
tr-êng bªn ngoµi

Đánh giá hiệu suất
Nhiệt của máy lạnh

C

QT tiết lưu

Áp suất

D

QT Ngưng tụ

A

(2) Giàn ngưng

QT bay hơi
Qe
QC
Entanpy

B
L

(3) van tiết lưu

(1) Máy nén

L

Qe, te
Nhiệt nhận từ môi

Công cấp

trường cần làm lạnh

Cho máy nén

(4) Giàn bay hơi

(điện năng)

Nguyên lý hoạt động:
QT bay hơi (A-B): tại giàn bay hơi (4), môi chất lạnh ở dạng lỏng có nhiệt
độ và áp suất thấp Pe,Te nhận nhiệt từ vật cần làm lạnh, hóa hơi. Hơi môi

chất qua máy nén (1) được nén lên áp suất và nhiệt độ cao hơn môi trường
(B-C), sau đó hơi môi chất đi qua giàn ngưng (2) nhả lượng nhiệt Qc ra môi
trường và ngưng tụ tại áp suất Pc. Môi chất lỏng có áp suất P đi qua van
tiết lưu (3) hạ xuống áp suất Pe,Te và đi vào giàn bay hơi.
15


Cơ sở nhiệt động của máy lạnh
• Chu trình ngược Carnot (1796- 1832)
Định nghĩa: chu trình ngược Carnot là chu
trình ngược được thực hiện bởi 2 quá
trình đẳng nhiệt và 2 quá trình đẳng
entropy.
Chu trình ngược Carnot là chu trình
ngược lý tưởng, mọi quá trình là thuận
nghịch, nhiệt lượng qo được lấy ở nguồn
lạnh có nhiệt độ to, nhiệt lượng qk nhả ra
cho nguồn nóng có nhiệt độ tk, để thực
hiện chu trình ta tốn 1 công l
1-2: quá trình nén đẳng entropy ở máy nén;
2-3: quá trình nhả nhiệt đẳng nhiệt ở nguồn nóng;
3-4: quá trình dãn nở đẳng entropy ở máy dãn nở;
4-1: quá trình nhận nhiệt đẳng nhiệt ở nguồn
lạnh.
Máy lạnh 1 cấp dùng môi chất là không khí


Chu trình ngược Carnot (1796- 1832)
• Tính toán chu trình.
1) Công cấp cho máy nén: lmn = h2 – h1;

2) Công cấp cho máy dãn nở: ldn = h3 – h4;
3) Công cấp cho chu trình: lct = lmn – ldn = dt(12341) = (s1 - s4).(Tk - To);
dt – diện tích (Trên đồ thị T-s).
4) Nhiệt lượng nhận được ở nguồn lạnh: qo = dt(s114s4s1) = (s1 - s4).To;
5) Nhiệt lượng nhả ra ở nguồn nóng: qk = dt(s123s4s1) = (s1 - s4).Tk;
6) Hệ số làm lạnh

Ý nghĩa hệ số làm lạnh ε:
khi l = 1 ta có ε = qo. Vậy hệ số làm lạnh ε cho biết lượng lạnh thu được là
bao nhiêu khi tiêu tốn một đơn vị công.


Các phương pháp làm lạnh nhân tạo.
• Phân chia dải nhiệt độ:
-

Lạnh đông: To > 120 K;

-

Lạnh cryo: To < 120 K;

• Các phương pháp làm lạnh nhân tạo:
1) Làm lạnh bằng hiệu ứng tiết lưu (Làm lạnh bằng hiệu ứng dãn nở đoạn
nhiệt không sinh ngoại công).
2) Làm lạnh bằng hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt, sinh ngoại công.
3) Làm lạnh bằng hiệu ứng hấp thụ.
4) Làm lạnh bằng hiệu ứng dòng lưu động qua ống (ejector, ống xoáy).
5) Làm lạnh bằng hiệu ứng nhiệt điện.
6) Làm lạnh bằng hiệu ứng từ trường.

Trong 6 phương pháp làm lạnh nhân tạo kể trên thì phương pháp 1 và 2 là
thông dụng nhất. Đối với lạnh đông thì chỉ dùng phương pháp 1; với lạnh
cryo sử dụng cả 1 và 2.


Làm lạnh nhờ hiệu ứng tiết lưu.
• Định nghĩa: quá trình tiết lưu là quá trình giảm áp suất do ma
sát mà không sinh ngoại công khi môi chất chuyển động qua
những chỗ có trở lực cục bộ đột ngột. Ví dụ: môi chất chuyển
động qua nghẽn van tiết lưu.
Thông thường môi chất đi qua các nghẽn với vận tốc rất lớn (15
~ 20 m/s); chiều dài của nghẽn không lớn (chừng 20mm). Do
đó nhiệt lượng do ma sát sinh ra coi như không kịp truyền ra
môi trường xung quanh. Thực tế nhiệt do ma sát sinh ra
không đáng kể. Do đó quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất và
môi trường xung quanh được bỏ qua.
Vậy quá trình tiết lưu được xem là quá trình dãn nở đoạn
nhiệt không sinh ngoại công.


Làm lạnh nhờ hiệu ứng tiết lưu.


Hiệu ứng Joule-Thompson
• Đối với các chất lỏng và khí thực khi đi qua tiết lưu nhiệt độ
môi chất sau tiết lưu có thể giảm, không đổi hoặc tăng. Đánh
giá sự biến đổi nhiệt độ nhờ hiệu ứng Joule-Thompson.
• Hiệu ứng vi phân Joule-Thompson là tỷ số giữa độ biến thiên
nhiệt độ với độ biến thiên áp suất trong quá trình tiết lưu. Chỉ
số h có nghĩa quá trình có h = const

dT
h 
dp


Hiệu ứng Joule-Thompson


Hiệu ứng Joule-Thompson
Trạng thái khí thực khi tiết lưu có
αh = 0 được gọi là trạng thái
chuyển biến, nhiệt độ tương ứng
được gọi là nhiệt độ chuyển
biến. Các điểm trạng thái chuyển
biến tạo thành đường chuyển
biến.
Thông thường các khí thực có nhiệt độ chuyển biến Tcb ở áp
suất môi trường khá cao Tcb > 800K,
Do đó đối với các máy lạnh thực tế ở giải nhiệt độ và áp suất
công tác -100 ~ 310oC; 0,1 ~ 20 kgf/cm2 thì αh > 0 → nhiệt độ
sau tiết lưu luôn luôn giảm.


Làm lạnh nhờ hiệu ứng dãn nở đoạn
nhiệt sinh ngoại công.
Quá trình dãn nở đoạn nhiệt sinh
ngoại công là quá trình dãn nở thuận
nghịch đẳng entropy của các chất từ
áp suất cao xuống áp suất thấp.

Phương trình: ds = 0.
• Hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt đẳng
entropy: hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt
đẳng entropy vi phân là tỷ số giữa độ
biến thiên nhiệt độ với độ biến thiên
áp suất.


Làm lạnh nhờ hiệu ứng dãn nở đoạn
nhiệt sinh ngoại công.

Do đó khi dãn nở đoạn nhiệt nhiệt độ luôn luôn giảm.
So sánh với hiệu ứng vi phân tiết lưu:
khi có cùng dải áp suất Δp = p1 - p2 và cùng các thông số
trạng thái ban đầu thì nhiệt độ của môi chất sau khi dãn nở
đẳng entropy nhỏ hơn nhiệt độ cuối của tiết lưu: T2s≤T2h.
Dấu bằng xảy ra khi cp = ∞ ở vùng 2 pha.


Ưu nhược điểm của tiết lưu và dãn nở
sinh ngoại công.
* Tiết lưu:
• Ưu: thiết bị là van tiết lưu gọn nhẹ, dễ chế tạo, rẻ
tiền, dễ vận hành, dễ sửa chữa, dễ thay thế,độ tin
cậy làm việc cao.
* Dãn nở sinh ngoại công:
• Nhược: thiết bị là máy dãn nở nặng nề, cồng kềnh,
khó chế tạo, đắt tiền, vận hành phức tạp dễ hỏng,
khó sửa chữa, thay thế tốn kém, vận hành cần
thường

Ưu nhược điểm của tiết lưu và dãn nở
sinh ngoại công.
• các quá trình dãn nở thực đều không thuận nghịch:
Δs = s2t - s1 > 0. Đánh giá hiệu suất máy dãn nở
bằng tỷ số:

Ngày nay các máy dãn nở không khí đạt tới η → 82%.
• Ở lạnh đông chỉ dùng van tiết lưu,
• Ở lạnh cryo dùng máy dãn nở để khởi động hệ thống và bù
tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh hoặc lấy sản phẩm
dạng lỏng, khi làm việc ổn định thì phần lớn môi chất lưu
chuyển trong hệ thống đi qua van tiết lưu.


Làm lạnh nhờ hiệu ứng khác
•Làm lạnh nhờ hiệu ứng xoáy.
•Làm lạnh nhờ hiệu ứng nhiệt điện.
•Hiệu ứng Zeebec.
•Hiệu ứng Peltier:
•Làm lạnh nhờ hiệu ứng hấp thụ.