Thiết bị lạnh

Để làm lạnh một vùng không gian nào đó, ta có một số cách khác nhau. Một trong các phương pháp được dùng phổ biến là sử dụng các thiết bị làm lạnh hoạt động theo nguyên lý tiết lưu hơi nén.

Nguyên lý tiết lưu hơi nén

 

Các nguyên tắc chính của phương pháp làm lạnh bằng tiết lưu hơi nén là:

  • Để làm lạnh một vùng không gian nào đó, ta lấy nhiệt ở nơi đó thải ra môi trường bên ngoài.
  • Để thực hiện được điều trên, ta đưa một chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp vào nơi ấy. Chất lỏng ấy sẽ lấy nhiệt ở nơi này để chuyển từ dạng lỏng sang dạng hơi. Chất lỏng này được gọi là chất làm lạnh.
  • Để chất làm lạnh có nhiệt độ sôi thấp, ta hạ áp suất của nó bằng cách đưa qua một bộ phận tiết lưu trước khi đưa đến nơi cần làm lạnh.
  • Để có thể sử dụng lại chất làm lạnh, ta dùng một máy nén để vận chuyển chất làm lạnh tuần hoàn trong hệ thống.
  • Để đưa chất làm lạnh từ dạng hơi về lại dạng lỏng, ta cho nó ngưng tụ bằng cách tỏa nhiệt ra môi trường ngoài.

Các nguyên tắc trên được minh họa thêm trên Hình 10.

AC 43D 12B

Hình 10 Sơ đồ hệ thống lạnh dùng tiết lưu hơi nén
A : tiết lưu - B : bộ bốc hơi - C : máy nén - D : bộ ngưng tụ

Hệ thống hoạt động như sau:

  • Sau khi được giảm áp tại tiết lưu A, chất làm lạnh đi vào bộ bốc hơi B (còn được gọi là dàn lạnh).
  • Tại B, chất làm lạnh lấy nhiệt từ vùng không gian cần làm lạnh để chuyển từ dạng lỏng thành dạng hơi.
  • Máy nén C sẽ rút chất làm lạnh từ bộ bốc hơi B để đẩy sang bộ ngưng tụ D (còn được gọi là dàn nóng).
  • Tại D, chất làm lạnh thải nhiệt ra môi trường để chuyển từ dạng hơi về dạng lỏng và tiếp tục một chu trình mới.

Đồ thị `p-h` của chất làm lạnh

 

Trong khi khảo sát chu trình thiết bị lạnh, ta thường cần sử dụng đồ thị p-h của chất làm lạnh tương ứng. Cấu tạo tổng quát của đồ thị này được thể hiện trên Hinh 11. (Các số liệu trên đồ thị này ứng với R134a)

1002003004005001005010510,50,1Entanpy (kJ/kg) 2,22,12,01,91,81,7 60300− 30− 60 K0,20,40,60,8 Áp suất (bar)

Hình 11 Đồ thị `p-h` của chất làm lạnh R134a

Trên đồ thị này, ta có :

  • Trục hoành là trục entanpy `h`.
  • Trục tung là trục áp suất `p`; trục này được chia độ theo thang logarit. Vì thế đôi khi người ta còn gọi đồ thị này là đồ thi `log p-h`.
  • Đường bão hòa (đường C, mầu xanh lá cây) gồm hai nhánh, nhánh bên trái ứng với trạng thái lỏng bão hòa, khi chất làm lạnh bắt đầu sôi. Nhánh bên phải ứng với trạng thái hơi bão hòa khô. Hai nhánh gặp nhau tại điểm K là điểm tới hạn.
  • Đường bão hòa cha đồ thị làm 3 vùng chính : vùng phía ngoài đường C, bên trái là vùng lỏng, vùng phía ngoài đường C bên phải là vùng hơi quá nhiệt, vùng phía trong đường C là hơi bão hòa ẩm.
  • Họ đường cong nhiệt độ t (màu xanh dương). Khi nhiệt độ bé hơn nhiệt độ tới hạn (điểm K) mỗi đường cong của họ này gồm ba đoạn, đoạn giữa nằm bên trong đường cong C là một đoạn thẳng nằm ngang, hai đoạn hai bên rất dốc, gần như thẳng đứng.
  • Họ đường cong entropy s (màu đỏ), đi từ phía dưới lên phía trên và chuyển dần sang bên phải.
  • Họ đường cong độ khô x nằm bên trong đường C (màu xanh lá cây). Tất cả các đường cong của họ này đều xuất phát từ điểm K đi xuống phía dưới.
  • Trên nhiều đồ thị loại này, còn có thêm họ đường cong khối lượng riêng.

Cách sử dụng đồ thị này tương tự như các loại đồ thị khác. Để xác định một điểm trên đồ thị này, ta cần hai thông số trạng thái. Sau khi đã biết được điểm biểu diễn trạng thái, ta có thể xác định các thông số còn lại.


Chu trình làm lạnh

 

Để việc khảo sát chu trình lạnh được thuận tiện, ta thừa nhận các giả thuyết gần đúng sau (đối chiếu thêm với sơ đồ trên Hình 10):

  • Quá trình tiết lưu 41 có entanpy không đổi :

    `h_4=h_1`(30)

  • Quá trình nén 23 là đoạn nhiệt :  `dq_(23) = 0`  nên   `ds_(23) = 0`.
  • Các quá trình truyền nhiệt tại bộ ngưng tụ (34) và bộ bốc hơi (12) là những quá trình đẳng áp.
  • Chất làm lạnh rời bộ bốc hơi ở trạng thái hơi bão hòa khô (điểm 2).
  • Chất làm lạnh rời bộ ngưng tụ ở trạng thái lỏng bão hòa (điểm 4).

Chu trình lạnh đáp ứng các giả thuyết này còn được gọi là chu trình lạnh lý thuyết. Hình 12 biểu diễn chu trình này trên đồ thị `p-h` của chất làm lạnh.

pDpBhA 1234sC tBtD

Hình 12 Chu trình lạnh trên đồ thị `p-h` của chất làm lạnh

Áp dụng định luật 1 cho quá trình sôi tại bộ bốc hơi B, ta có:

`dq = dh - v dp = dh`

Vậy lượng nhiệt lấy đi tại bộ bốc hơi là:

`q_1=h_2-h_1`(31)

Áp dụng định luật 1 cho quá trình nén 23, ta có:

`dq = dh - v dp = 0`   hay `- dh = - v dp`

Mà công chi cho máy nén là công kỹ thuật nên:

`dw_(mn) = dw_(kt) = - v dp = - dh`

Vậy công cần thiết để kéo máy nén là:

`w_(mn)=h_2-h_3`(32)

Áp dụng định luật 1 cho quá trình ngưng tụ:

`dq = dh - v dp = dh`

Vậy lượng nhiệt thải ra môi trường tại bộ ngưng tụ D là:

`q_2=h_4-h_3`(33)

Hệ số làm lạnh của thiết bị lạnh là:

`epsilon=|q_1/w_(mn)|=(h_2-h_1)/(h_3-h_2`(34)

Thí dụ

 

Một thiết bị lạnh sử dụng R134a hoạt động theo chu trình lạnh lý thuyết. Cho biết nhiệt độ bốc hơi và nhiệt độ ngưng tụ của chất làm lạnh trong thiết bị này lần lượt là - 20ºC và 40ºC.

1. Tính lượng nhiệt lấy đi được tại bộ bốc hơi, lượng nhiệt tỏa ra tại bộ ngưng tụ, và lượng công phải chi cho máy nén ? (đơn vị là kJ/kg, kết quả là số đại số).

Lời giải

Để tính các thông số năng lượng trên, ta sẽ sử dụng các công thức (31), (32), và (33). Muốn vậy, ta cần xác định entanpy tại các điểm 1, 2, 3, và 4 bằng đồ thị `p-h`.

  • Đường nằm ngang (a) ứng với nhiệt độ - 20ºC cắt nhánh phải đường bão hòa tại điểm 2.
    Do đó `h_2 = 386\ "kJ/kg"`
  • Đường nằm ngang (b) ứng với nhiệt độ 40ºC cắt nhánh trái đường bão hòa tại điểm 4.
    Do đó `h_4 = 256\ "kJ/kg"`
  • Từ điểm 2, vẽ đường thẳng (c) song song với đường entropy gần nhất. Đường (c) cắt đường (b) tại điểm 3. Do đó `h_3 = 429\ "kJ/kg"`
  • Ngoài ra :  ` h_1 = h_4 = 256\ "kJ/kg"`.

Vậy :

  • `q_1 = h_2 - h_1 = 386 - 256 = 130\ "kJ/kg"`
  • `q_2 = h_4 - h_3 = 256 - 429 = - 173\ "kJ/kg"`
  • `w_(mn) = h_2 - h_1 = 386 - 429 = - 43\ "kJ/kg"`

2. Nếu động cơ dùng để kéo máy nén của thiết bị này có công suất là 7,5 kW thì công suất làm lạnh của thiết bị này là bao nhiêu kW?

Lời giải

Lưu lượng của R134a di chuyển trong hệ thống lạnh là:

    `M=N_(mn)/w_(mn)=75/43=0,1744\ "kg/s"`

Vậy công suất làm lạnh của thiết bị này là:

    `N_1 = Mq_1 = 0,1744xx130 = 22,67\ "kW"`


3. Mỗi giờ, thiết bị này thải ra môi trường bao nhiêu nhiệt? (đơn vị là MJ và dùng giá trị tuyệt đối)

Lời giải

Lượng nhiệt mà bộ ngưng tụ thải ra môi trường trong mỗi giờ là:

    `|Q_2| = 3600 M |q_2| = 3600xx0,1744 xx173 = 108.616\ "kJ" = 108,6\ "MJ"`


4. Hệ số làm lạnh của thiết bị này là bao nhiêu ?

Lời giải

Hệ số làm lạnh của thiết bị này là:

    `epsilon=|q_1/w_(mn)|=130/43=3,023`




Trang web này được cập nhật lần cuối ngày 19/12/2018