Chương 4: Quá trình lạnh | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Chương 4 Quá trình lạnh 4.1. LẠNH ĐÔNG
4.1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Quá trình lạnh là quá trình thu nhiệt từ nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp rồi truyền
cho vật có nhiệt độ cao hơn. Cần phải tiêu tốn công bên ngoài
Kỹ thuật làm lạnh thường được dùng trong hấp thụ, sấy thăng hoa, tách khí,
bảo quản thực phẩm,…
Phân loại quá trình lạnh: -
Lành lạnh ôn độ/lạnh đông: từ nhiệt độ thường đến -100°C - Làm lạnh dưới -100°C
- Lạnh thâm độ: từ -100°C đến -231°C
- Lạnh băng thâm độ: 40 đến 0,3°K
- Siêu lạnh thâm độ: đến 0,00002°K QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2 4.1. LẠNH ĐÔNG
4.1.1 CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG
1 - 2: nén đoạn nhiệt hơi tác nhân lạnh,
nhiệt độ hơi thay đổi từ T0 – T, tiêu hao công L1
2 - 3: ngưng tụ đẳng nhiệt tác nhân
lạnh, nhiệt lượng Q tỏa ra môi trường xung quanh
3 - 4: giãn đoạn nhiệt lỏng tác nhân
lạnh, nhiệt độ cuối là T0, sinh công L0
4 - 1: bay hơi lỏng tác nhân lạnh, thu
nhiệt Q0 của nguồn lạnh QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3 4.1. LẠNH ĐÔNG
4.1.1 CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG
Tác nhân lạnh thu nhiệt của nguồn lạnh, entropi giảm đi một lượng: Q0 /T0
Tác nhân lạnh ngưng tụ tỏa nhiệt cho nguồn nóng, Entropi của nguồn nóng
tăng lên một lượng: : Q0 + L1-L0/T0
⎛ T −T ⎞
Công tiêu hao cần thiết cho máy lạnh: L = 0 Q0⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ T0 ⎠
Lượng nhiệt Q0 do tác nhân lạnh thu vào gọi là năng suất của máy lạnh QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4 4.1. LẠNH ĐÔNG
BIỂU ĐỒ T-S CỦA QUÁ TRÌNH LẠNH
Năng suất lạnh biểu diễn bởi diện tích 1- 4 - 5 - 6
Lượng nhiệt do tác nhân lạnh ngưng
tụ tỏa ra cho nguồn nóng ở nhiệt độ
T biểu diễn bởi diện tích 2- 3 - 5 - 6
Hiệu số giữa hai diện tích là công
tiêu hao L biểu diễn bởi diện tích 1-2-3-4
Hệ số lạnh (hiệu quả làm việc của máy lạnh) Q Q T S − S T 0 0 0 ( 1 2 ) 0 ε = = = = L Q − Q
T S − S −T S − S T −T 0 ( 1 2 ) 0 ( 1 2 ) 0 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 4.1. LẠNH ĐÔNG
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA MÁY LẠNH NÉN HƠI
Chu trình Carno nghịch được coi là chu trình lý tưởng cho máy lạnh nén hơi
Máy nén hút hơi ẩm tử thiết bị bay
hơi có nhiệt độ T0 và áp suất P0
Hơi được nén tới áp suất P và nhiệt độ T
Hơi tác nhân lạnh được đưa vào
thiết bị ngưng tụ, ngưng tụ thành lỏng
Tác nhân lạnh sau ngưng tụ được
đưa vào máy giãn đến ap suất P0, nhiệt độ T0
Tác nhân lạnh ra khỏi máy giãn đi vào thiết bị bay hơi, hút vào máy nén và lặp lại từ đầu. Q Q i − i i − i 0 0 1 4 1 3 ε = = = = L Q − Q i − i i − i QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 0 2 1 2 1 6 4.1. LẠNH ĐÔNG
CHU TRÌNH THỰC CỦA MÁY LẠNH
Chu trình thực khác với chu trình lý tưởng - Thay máy giãn bằng van tiết lưu - Hơi tác nhân lạnh
được nén ở trạng thái bão hòa chứ (1’) không phải ở vùng hơi ẩm
- Nén quá nhiệt : 1’-2’
- Làm lạnh hơi quá nhiệt, 2’-2 - Ngưng tụ : 2-3 - làm quá lạnh : 3-3’
- giãn qua van tiết lưu 3’-4’ ’ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7 4.1. LẠNH ĐÔNG
CHU TRÌNH THỰC CỦA MÁY LẠNH
Chu trình thực khác với chu trình lý tưởng Q i − i i − i - Hệ số lạnh 0 ' 1 4' ' 1 3' ε = = = L i − i i − i 2' ' 1 2' ' 1 - Năng suất lạnh Q = G 0 (i −i 1 3' ), W
- Công tiêu hao lý thuyết
L = Q −Q = G i −i , 0 ( 2' ' 1 ) W
- Lượng nhiệt tác nhân lạnh cấp cho nguồn nóng
Q = G(i −i 2' 3' ), W - Năng suất lạnh Q = V λ q = V λ ρ − , 0 n v n 1(i i 1 3' ) W L Q - Công suất máy lạnh 0 N = = kW 10 η 00 10 ηε 00
Hiệu suất chung của máy lạnh
η =ηiηckηcdηdc QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 4.1. LẠNH ĐÔNG TÁC NHÂN LẠNH
- Tác nhân lạnh ảnh hưởng đến: kích thước máy lạnh, vật liệu chế tạo, áp suất làm việc
- Các yêu cầu với tác nhân lạnh:
• Nhiệt độ tới hạn lớn: đảm bảo có thể dùng nước hoặc không khí để làm
lạnh hơi ngưng tụ
• Nhiệt bay hơi lớn: lượng tác nhân lạnh dũng ít
• Thể tích hơi riêng phần nhỏ: kích thước máy lạnh nhỏ
• Áp suất bay hơi lớn hơn áp suất khí quyển
• Không tạo thành hợp chất với dầu bôi trơn máy
• Không cháy nổ, không độc hại, rẻ tiền kW QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 4.1. LẠNH ĐÔNG Amoniac Ưu điểm Nhược điểm - Được dùng phổ biến - Độc hại cho máy lạnh dùng - Có mùi đặc trưng máy nén Pittong - Ăn mòn đồng và các - Thể tích nhỏ hợp kim đồng
- Nhiệt độ tới hạn lớn - Có thể tạo hỗn hợp (132,4°C) cháy nổ với không khí - Áp suất làm việc trong
thiết bị ngưng tụ không quá cao (9-14 at)
- Áp suất bốc hơi không Ứng dụng quá thấp
- Dễ phát hiện khi dò rỉ - Dùng cho máy lạnh có công suất lớn QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 4.1. LẠNH ĐÔNG Cloflocarbon (CFC) Ưu điểm Nhược điểm
- Được dùng phổ biến vì
- Rất nhẹ, có thể tồn tại
không độc hại, cháy nổ trong khí quyển lâu dài,
tạo chất Clorin phá hủy tang ôzon Ứng dụng - Phải chấm dứt sử dụng tới năm 2010 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 4.1. LẠNH ĐÔNG Hydrocarbon
- Propan nguyên chất , R290
- Izo Butan nguyên chất, R600a Nhược điểm - Hợp chất R290/R600a - Dễ gây cháy nổ khi trộn lẫn không khí và có mồi nổ Ưu điểm - Nhiệt lượng bay hơi lớn hơn CFC
- Khối lượng riêng nhỏ Ứng dụng hơn CFC - R290 dùng trong CN - R600a: dùng cho tủ lạnh gia đình - R290/R600a: dùng cho máy lạnh thương mại QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12 4.1. LẠNH ĐÔNG CHẤT TẢI LẠNH
- Dùng chất tải lạnh với vai trò là chất trung
gian mang nhiệt từ vật làm lạnh đến tác nhân lạnh
- Chu trình vận chuyển của chất tải lạnh:
- Bơm tuần hoàn đi theo vòng kín
- Lấy nhiệt của vật làm lạnh tại thiết bị bốc hơi
- Chất tải lạnh thường dùng: - NaCl,CaCl2, MgCl2
- Lựa chọn nồng độ tùy thuộc vào mức độ làm lạnh
- Nồng độ phải đủ lớn để dung dịch
không đóng băng ở nhiệt độ thấp nhất trong hệ thống
- Chất tải lạnh phải được chuẩn bị
bằng nuối tinh khiết, nếu có lẫn Na2SO4 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 4.1. LẠNH ĐÔNG MÁY NÉN HAI BẬC
- Máy nén Amoniac chỉ làm việc thích hợp với chỉ số nén không quá 8-9
- Khi nén áp suất cao, làm tăng nhiệt độ hơi tác nhân lạnh, có thể làm phân
hủy Amoniac (120 C) -> nén 2 – 3 bậc
- Khi nhiệt độ bay hơi T0 = -25°C : 1 bậc
- Khi nhiệt độ bay hơi T0 = -25°C - 50°C : 2 bậc
- Khi nhiệt độ bay hơi T0 = -50°C - 75°C : 3 bậc
- Trong máy lạnh hai cấp, mức độ nén của cấp thấp và cấp cao nhỏ hơn
máy nén một cấp nên hiệu suất thể tích máy nén sẽ lớn hơn. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 4.1. LẠNH ĐÔNG
SƠ ĐỒ LÀM LẠNH LIÊN HỢP
- Với tác nhân lạnh có áp suất ngưng tụ không cao lắm và nhiệt độ bay hơi
thấp, máy nén phải làm việc trong điều kiện chân không
- Với các máy nén Pittong hiện đại có thể làm việc ở áp suất hút tuyệt đối 0,1
At. Với tác nhân lạnh NH3 hoặc Freon có nhiệt độ ứng với áp suất đó là
-70°C. Với các tác nhân ạnh cóa áp suất hút cao, nhiệt độ thấp thì khi
ngưng tụ cần phải có áp suất cao
- Khi cần phải làm việc ở nhiệt độ -70°C, phai dùng máy lạnh liên hợp ( trong
hệ thống có 2 tác nhân lạnh
Độ lạnh thu được ở khâu
thứ nhất dùng để ngưng
tụ tác nhân lạnh ở khâu
thứ hai, thường dùng nén một cấp hay hai cấp
Khâu thứ nhất tác nhân lạnh là
R13 (-13°C đến -90°C ). Thiết bị
bốc hơi NH3 đồng thời là thiết bị ngưng tụ R13 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15 4.1. LẠNH ĐÔNG
MÁY LÀM LẠNH KIỂU HẤP THỤ
- Trong các máy lạnh kiểu hấp thụ, năng lượng tiêu hao cho quá trình là
nhiệt năng chú không phải cơ năng
- Khi Tác nhân lạnh là NH3, thì chất chất hấp thụ dùng là dung dịch Amoniac loãng
Nguyên tắc làm việc:
- Hơi NH3 từ đỉnh tháp chưng chưng luyện (>90%) đi
vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu để ngưng tụ một phần về tháp chưng luyện
- Hơi NH3 từ đi qua thiết bị ngựng tụ làm lạnh
- Lỏng sau ngưng tụ đi qua van tiết lưu 4 giãn đến áp
suất bốc hơi rồi đi vào thiết bị bốc hơi
- Hơi từ thiết bị bốc hơi đi vào thiết bị hấp thụ 6,được
hấp thụ bằng NH3 loãng, sau đó được bơm về tháp chưng luyện
- Trong thiết bị trao đổi nhiệt, dung dịch loãng cấp nhiệt
cho dung dịch đặc: dung dịch đăc được đốt nóng trước
khi vào tháp chưng luyện, dung dịch loãng được làm
nguội trước khi vào tháp hấp thụ
- Áp suất trong thiết bị hấp thụ được duy trì bằng áp
suất trong thiết bị bốc hơi, áp suất trong tháp chưng QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16
luyện bằng áp suất ngưng tụ 4.1. LẠNH ĐÔNG
MÁY LÀM LẠNH KIỂU TUYE
- Trong các máy lạnh kiểu TUYE, năng lượng tiêu hao cho quá trình là nhiệt
năng chú không phải cơ năng
- Tác nhân là nước lạnh
Nguyên tắc làm việc:
- Hơi nước từ nồi hôiear áp suất cao đi vào tuye, giãn qua ống
loa, ap suất giảm xuống bằng áp suất trong thiết bị bốc hơi
- Hơi có vận tốc lớn hút tác nhân lạnh (nước) từ thiết bị bốc hơi sang, trộn lẫn với nhau
- Hỗn hợp hơi đi qua ống giãn, vận tốc giảm nhiều, động nănng
chuyển thành thế năng, hỗn hợp lại được nén đến áp suất cao hơn
- Hỗn hợp đi vào thiết bị ngưng tụ rồi hóa lỏng
- Nước từ thiết bị ngưng tụ một phần được bơm về nồi hơi, một
phần qua van tiết lưu 6 giãn đến áp suất bốc hơi đươc đưa vào
thiết bị bốc hơi, nhận nhiệt của môi trường cần làm lạnh để bốc hơi
- Để tạo độ chân không cao, thường dùng tuye nhiều bậc
- Thuwongf dùng sản xuất nước đá, dùng nước làm chất tải lạnh QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17 4.1. LẠNH ĐÔNG
MÁY LÀM LẠNH BẰNG KHÔNG KHÍ
Tác nhân lạnh là không khí
Nguyên tắc làm việc:
- Không khí được nén đoạn nhiệt đến áp suất tuyệt đối 5-6at trong máy nén
- Sau đó được làm lạnh bắng nước đến mức tối đa
trong thiết bị làm lạnh
- Giãn đoạn nhiệt trong máy giãn
- Nhiệt độ không khí hạ thấp rrooif đi vaog phòng lạnh
- Không khí lấy nhiệt của vật cần làm lạnh và nóng
lên rồi được hút vào máy nén
- Nhiệt dung riêng của không khí nhỏ nên ngay
trong máy có năng suất lạnh nhỏ cũng phải tuần
hoàn một lượng không khí lớn -> loại máy lạnh này rất cồng kềnh - Hay tạo thành tuyết QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18