Giáo trình mô đun Máy lạnh và điều hòa không khí

CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM

TRƯỜNG CAO ĐẰNG HÀNG HẢI I

GIÁO TRÌNH

MÔ ĐUN:MÁY LẠNH

VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

NGHỀ: KHAI THÁC MÁY TÀU THỦY

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Ban hành kèm theo Quyết định số: ngày tháng năm 2017

của Hiệu trường Trường Cao đẳng Hàng hải I

Hải phòng, năm 2017

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép

dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh

thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

LỜI GIỚI THIỆU

Trong những năm qua, dạy nghề đã có những bước tiến vượt bậc cả về số

lượng và chất lượng, nhằm thực hiện nhiệm vụ đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật

trực tiếp đáp ứng nhu cầu xã hội. Một trong những yếu tố góp phần vào việc nâng

cao chất lượng đào tạo chính là nguồn tài liệu, giáo trình để phục vụ công tác

giảng dạy và nghiên cứu. Xuất phát từ nhu cầu trên cuốn giáo trình Máy lạnh và

điều hòa không khí được giáo viên khoa Khai thác Máy tàu biển, Trường Cao

đẳng Hàng hải I biên soạn với mong muốn cung cấp thông tin cho việc tiếp cận,

giảng dạy và học tập mô đun Máy lạnh và điều hòa không khí trong Nhà trường.

Giáo trình được biên soạn với các nội dung cơ bản nhất của mô đun, nó phù

hợp với đề cương và đối tượng đào tạo của trường Cao đẳng Hàng hải I. Giáo

trình còn được cập nhật các kiến thức khoa học và một số công ước quốc tế mới

nhất có liên quan đến lĩnh vực làm lạnh dưới tàu thủy.

Mặc dù có rất nhiều cố gắng, nhưng không tránh khỏi những sai sót, rất mong

nhận được sự đóng góp ý kiến của độc giả để giáo trình được hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày 01 tháng 12 năm 2017

Chủ biên: Ths, Mtr. Đỗ Hồng Hải

3

MỤC LỤC

TT

Nội dung

Trang

1

Lời giới thiệu

Mục lục

3

2

3

4

5

4

5

Danh mục bảng, biểu

Danh mục hình vẽ

Nội dung

6

7

Bài 1. Hệ thống lạnh thực phẩm

8

Bài 2. Vận hành hệ thống lạnh

36

39

51

58

61

Bài 3. Bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống lạnh

Bài 4. Hệ thống điều hoà không khí trung tâm

Bài 5. Vận hành hệ thống điều hoà không khí trung tâm

Bài 6. Bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống điều hoà không khí trung

tâm

6

Tài liệu tham khảo

65

4

DANH MỤC CÁC BẢNG

Tên bảng

Stt

1

Trang

10

Bảng 1.1. Chế độ bảo quản rau tươi

2

Bảng 1.2. Chế độ và thời gian bảo quản đồ hộp, rau quả

Bảng 1.3. Giới thiệu chế độ bảo quản sản phẩm động vật

11

3

12

Bảng 1.4. Các hỗn hợp công chất có nồng độ tới hạn

4

20

5

DANH MỤC HÌNH VẼ

Stt

1

Tên hình

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý HT lạnh thực phẩm

Hình 1.2. Đồ thị T-S

Trang

13

2

14

3

Hình 1.3. Đồ thị P-i

14

4

Hình 1.4. Quá trình nén trên đồ thị T-S

Hình 1.5. Quá trình nén trên đồ thị P-i

Hình 1.6. Quá trình ngưng tụ trên đồ thị P-i

Hình 1.7. Quá trình tiết lưu trên đồ thị P-i

Hình 1.8. Máy nén lạnh kiểu piston

Hình 1.9. Bảng van

15

5

15

6

16

7

16

8

24

9

24

10

11

12

13

Hình 1.10. Cấu tạo của một bảng van

Hình 1.11. Kết cấu bộ làm kín đầu trục

Hình 1.12. Máy nén trục vít

25

26

28

Hình 1.13. Bình ngưng tụ làm mát bằng nước

29

Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý van tiết lưu giãn nở tĩnh nhiệt

cân bằng trong

14

15

16

30

31

32

Hình 1.15. Van tiết lưu giãn nở tĩnh nhiệt cân bằng trong

Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý van tiết lưu giãn nở tĩnh nhiệt

cân bằng ngoài

17

18

Hình 1.17. Dàn bay hơi dùng đối lưu cưỡng bức

Hình 1.18. Hình ảnh một số dàn bay hơi thực tế hay gặp

Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống lạnh thực phẩm tàu thủy

Hình 3.1. Sơ đồ nạp bổ sung dầu nhờn máy nén lạnh

Hình 3.2. Sơ đồ nạp bổ sung công chất ở thể hơi

Hình 3.3. Sơ đồ nạp bổ sung công chất ở thể lỏng

33

34

36

44

45

46

2.1

3.1

3.2

3.3

Hình 3.4. Sơ đồ thực hiện xả không khí ra khỏi hệ thống

lạnh

3.4

3.5

4.1

47

49

53

Hình 3.5. Sơ đồ thực hiện thay dầu nhờn máy nén lạnh

Hình 4.1. Hệ thống điều hòa không khí trung tâm một

kênh thấp áp

6

GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN

Tên mô đun: Máy lạnh và điều hòa không khí

Mã mô đun: MĐ6840111.22

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun:

- Vị trí: Mô đun được thực hiện sau khi học xong các môn học, mô đun: Nhiệt kỹ

thuật, Điện tàu thủy, Máy phụ 1,2. Đây là một trong những mô đun cốt lõi của

chương trình đào tạo nghề Khai thác máy tàu thủy

- Tính chất: Máy lạnh và ĐHKK là mô đun đào tạo trong danh mục các mô

đun/môn học đào tạo thuộc chương trình cao đẳng nhằm trang bị cho sinh viên các

kiến thức cơ bản về khai thác máy lạnh và ĐHKK trên tàu thủy.

- Ý nghĩa và vai trò của mô đun: Máy lạnh và điều hòa không khí là mô đun

chuyên môn nghề rất quan trọng và có ý nghĩa thực tiễn rất lớn, nhằm trang bị cho

người học những kiến thức kỹ năng cốt lõi của nghề Khai thác máy tàu thủy

Mục tiêu của môn học/mô đun:

- Kiến thức: Trình bày được kiến thức cơ bản về máy lạnh và điều hoà không khí

tàu thuỷ; Trình bày được sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh

và điều hoà không khí tàu thuỷ; Trình bày được quy trình khai thác hệ thống lạnh

và điều hoà không khí tàu thuỷ; Trình bày được quy trình tháo lắp và kiểm tra các

chi tiết, bộ phận trong hệ thống lạnh và điều hoà không khí tàu thuỷ;

- Kỹ năng: Khai thác vận hành được máy lạnh và điều hoà không khí tàu thuỷ theo

đúng quy trình, đảm bảo an toàn, chính xác và đạt hiệu quả kinh tế cao; Tháo, lắp,

bảo dưỡng và sửa chữa được những hư hỏng thường gặp của hệ thống lạnh và điều

hoà không khí tàu thủy.

- Năng lực tự chủ và chịu trách nhiệm: Làm việc có kỷ luật, có trách nhiệm, kiên

trì, chủ động, tích cực và sáng tạo trong học tập và lao động. Đảm bảo an toàn lao

động và bảo vệ môi trường.

Nội dung của mô đun:

7

BÀI 1: HỆ THỐNG LẠNH THỰC PHẨM

Mã bài: MĐ6840111.22.01

Giới thiệu: Bài này trang bị cho người học các kiến thức cơ bản về bảo quản thực

phẩm, cấu tạo và nguyên lý hoạt động, các bộ phận chính của hệ thống lạnh

Mục tiêu:

- Trình bày được sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh, yêu

cầu cơ bản đối với công chất lạnh.

- Phân biệt được các chi tiết, bộ phận trong kết cấu của hệ thống lạnh.

- Làm việc có kỷ luật, có trách nhiệm, kiên trì, chủ động, tích cực và sáng tạo

trong học tập và lao động. Đảm bảo an toàn lao động và bảo vệ môi trường.

Nội dung

1. Giới thiệu chung về hệ thống lạnh và bảo quản thực phẩm

1.1. Khái niệm và phân loại hệ thống lạnh thực phẩm

1.1.1. Khái niệm về hệ thống lạnh thực phẩm

Trong quá trình phát triển xã hội loài người, con người đã biết sử dụng lạnh để

bảo quản lương thực, thực phẩm. Khi nghiên cứu những tranh vẽ trên tường của kim

tự tháp Ai cập từ 3000 năm trước cho thấy đã có những mô tả quá trình làm mát

không khí. Hoặc người Trung Quốc cổ cách đây 2000 năm đã biết trộn muối vào

nước để tạo nhiệt độ thấp.

Việc sử dụng các phương pháp làm lạnh nhân tạo đã được loài người lần lượt

tìm ra trong quá trình tiến hóa của mình. Các hỗn hợp làm lạnh được phát hiện vào

thế kỷ thứ 4. Làm lạnh bằng chu trình khí được Cullen phát minh năm 1755. Làm

lạnh bằng chu trình hấp thụ được Nainem và Curre phát minh 1777. Làm lạnh bằng

chu trình hơi được Vans phát minh năm 1805. Làm lạnh bằng Ejector được Latiere

phát minh năm 1910.

Sự phát triển tiếp theo của kỹ thuật làm lạnh bằng chu trình hơi ( phương pháp

làm lạnh phổ biến nhất hiện nay) được đánh dấu chủ yếu là do sự thay đổi công

chất sử dụng trong các hệ thống. Năm 1864 Tellier sử dụng metyleter. Năm 1874

Pictet sử dụng SO₂. Năm 1876 Linde sử dụng NH₃. Năm 1878 Vicent sử dụng

CH₃Cl. Riêng CO₂, theo những tài liệu không chính xác lắm thì đã được dùng dưới

các tàu biển của Mỹ từ năm 1876. Việc phát hiện ra freon R12 vào năm 1930 trong

phòng thí nghiệm của hãng FRIGIDAIRE ở DATTON - USA và sau đó là việc sản

xuất có tính công nghiệp loại công chất này đã có tác dụng thúc đẩy sự phát triển

và đổi mới việc thiết kế các thiết bị của hệ thống lạnh.

Song song với việc phát triển về sự thay đổi công chất và đổi mới các thiết bị thì

trong phạm trù sử dụng kỹ thuật lạnh cùng được phát triển không ngừng. Những

thiết bị làm lạnh đầu tiên được dùng trong việc sản xuất nước đá, sau đó đến việc

xây dựng những sân băng nhân tạo. Phạm trù sử dụng rộng rãi nhất là trong lĩnh

vực sản xuất, bảo quản và vận chuyển thực phẩm. Năm 1876 con tàu đông lạnh

vận chuyển thịt đầu tiên mang tên ''LE FRIGORIFIQUE'' đã ra đời nhờ công của

Tellier và sau đó những số liệu tốt đẹp về các con tàu vận chuyển thịt, rau quả,

thuỷ hải sản bởi chất lượng hàng hoá được vận chuyển càng ngày càng lan rộng.

Hệ thống lạnh thực phẩm là hệ thống làm nhiệm vụ duy trì ổn định nhiệt độ kho

bảo quản thực phẩm ở giá trị đặt bằng cách vận chuyển nhiệt từ kho lạnh ra ngoài

môi trường

8

1.1.2. Phân loại hệ thống lạnh thực phẩm

Hệ thống lạnh thực phẩm được phân loại như sau

- Theo buồng lạnh:

+ Hệ thống lạnh thực phẩm một buồng lạnh

+ Hệ thống lạnh thực phẩm nhiều buồng lạnh

- Theo công suất:

+ Tủ lạnh

+ Tủ cấp đông

+ Hệ thống lạnh thực phẩm

- Theo công chất làm mát:

+ Hệ thống lạnh làm mát bằng không khí

+ Hệ thống lạnh làm mát bằng nước

- Theo cấp nén:

+ Hệ thống lạnh một cấp nén

+ Hệ thống lạnh 2 cấp nén

- Theo máy nén:

+ Hệ thống lạnh có máy nén hở

+ Hệ thống lạnh có máy nén kín

+ Hệ thống lạnh có máy nén kiểu vận tốc

+ Hệ thống lạnh có máy nén kiểu thể tích

1.2. Bảo quản thực phẩm

1.2.1. Những nguyên nhân chính làm hư hỏng thực phẩm

Trong quá trình bảo quản, cất giữ, bản thân các loại thực phẩm luôn trải qua các

quá trình biến đổi, làm giảm giá trị dinh dưỡng sử dụng của thực phẩm và có thể

làm hỏng hẳn thực phẩm chủ yếu do những nguyên nhân sau:

- Do hoạt động của các vi khuẩn, nấm, mốc: Rau, quả bị hư hỏng chủ yếu do

nấm, mốc trong khi đó thịt, cá bị hư hỏng chủ yếu do các loại vi khuẩn. Thịt các

động vật mới giết gần như không có vi khuẩn, nhưng chúng xuất hiện liền sau đó

trên các bề mặt của thịt và trong những điều kiện thuận lợi về nhiệt độ, độ ẩm,

chúng sinh sôi phát triển rất nhanh, từ mật độ vài trăm vi khuẩn trên một cm², chỉ

sau vài giờ chúng có thể phát triển đến mật độ vài triệu vi khuẩn trên 1cm². Thịt sẽ

không sử dụng được khi mật độ vi khuẩn khoảng 10⁷÷ 10⁸trên một cm².

- Do hoạt động của các quá trình sinh hoá: Trong các loại rau, quả, thịt, cá...,

trong quá trình cất giữ bảo quản, luôn luôn xảy ra các quá trình sinh hoá hết sức

phức tạp do tác dụng của các Enzyma. Trong thời gian đầu, các quá trình này có

thể làm tăng khả năng sử dụng của thực phẩm (ví dụ: làm chín tới các hoa quả, làm

thịt đạt tới kỳ ngon nhất đối với con người). Nhưng sau đó, các quá trình này chủ

yếu làm mất các vị ngon tự nhiên và giá trị dinh dưỡng của thực phẩm.

- Do ảnh hưởng của các hiện tượng vật lý: Ở đây chủ yếu là nói đến sự mất mát

hàm lượng nước chứa trong các loại thực phẩm tươi sống, do đó làm mất trọng

lựơng, mất màu sắc tự nhiên và giá trị hàng hoá của thực phảm.

1.2.2. Những kiến thức cơ bản về chế độ bảo quản thực phẩm

Chế độ bảo quản thực phẩm là vấn đề khá phức tạp và đã được nghiên cứu rất

nhiều, nó luôn thay đổi theo điều kiện, tính chất sản phẩm, phương pháp làm lạnh và

bảo quản. Việc chọn đúng đắn chế độ bảo quản như nhiệt độ, độ ẩm, thông gió (vận

9

tốc gió lưu thông trong buồng, số lần thay đổi không khí), cách xếp đặt, đóng gói...

sẽ làm tăng đáng kể chất lượng và thời gian bảo quản thực phẩm.

Đối với các sản phẩm sống như rau, hoa quả tươi chẳng hạn khi bảo quản lạnh

không được đưa nhiệt độ xuống thấp hơn quy định. Nhiệt độ lạnh quá có thể làm

chết rau, hoa quả. Ví dụ chuối xanh, cà chua xanh nếu bảo quản quá lạnh sẽ bị

sượng không dùng được nữa. Các sản phẩm từ động vật chết có thể bảo quản ở

nhiệt độ thấp hơn qui định. Nhiệt độ càng thấp, thời gian bảo quản sẽ càng lâu,

không làm giảm chất lượng sản phẩm. Thịt bò, gia cầm, cá thường được bảo quản

ở -12⁰C ÷ - 18⁰C. Dưới đây là bảng kê chi tiết chế độ bảo quản các loại thực phẩm

Bảng 1.1 Chế độ bảo quản rau tươi

Độ ẩm không Chế độ thông Thời gian bảo

Sản phẩm

Bưởi

Cam

Chanh

Chuối chín

Chuối xanh

Dứa chín

Dứa xanh

Đào

Táo

Cà chua chín

Cà chua xanh

Nhiệt độ ⁰C

khí %

gió

quản

0 - 5

0,5 - 2

1 - 2

14 - 16

11,5 - 13,5

4 - 7

10

85

Mở

Đóng

Mở

1- 2 tháng

5 - 10 ngày

3 - 10 tuần

3 - 4 tuần

4 - 6 tháng

4 - 10 tháng

3 - 10 tháng

1 - 6 tuần

1 - 4 tuần

1 - 3 tháng

12- 18 tháng

5 tháng

85

0 - 1

0 - 3

0 - 2

5 - 15

0 - 1

- 18

- 29

2

0 - 4

3 - 10

0 - 2

- 18

35 - 90

90 - 95

85 - 90

90 - 95

90

Cà rốt

90

Dưa chuột

1 năm

3- 4 tuần

Đậu tươi

Hành

Khoai tây

75

Mở

Đóng

Mở

Đóng

Mở

1 - 2 tuần

6 - 9 tháng

1- 2 tuần

8 - 10 tháng

0,5 - 3 tháng

10 - 12 tháng

2- 7 tuần

1 - 2 tháng

2 - 3 tuần

1 - 2 tuần

2 tuần

85 - 90

80 - 90

90

Nấm tươi

Từ -2 đến 0

- 18

- 1 đến 0,5

0

90

Cải bắp, súp lơ

Su hào

Dừa

Xoài

Hoa nói chung

Cúc

85 - 95

85

85 - 90

80

13

1-3

Mở

Huệ

1,6

80

Mở

1 tháng

10

Bảng 1.2 Chế độ và thời gian bảo quản đồ hộp, rau quả

Độ ẩm

không khí

%

Thời gian

bảo quản

Nhiệt độ

Sản phẩm

Bao bì

⁰C

tháng

Hộp sắt tây đóng

hòm

Compot quả

Đồ hộp rau

0 - 5

65 - 75

8

Hộp sắt tây đóng

hòm

Nước rau và nước quả Chai đóng hòm

Tiệt trùng

0 - 10

0 - 1

0 - 6

-1

65 - 75

90 - 95

65 - 75

75 - 85

80 - 85

80 - 88

80 - 85

7

4

Thanh trùng

Rau ngâm muối, quả

Thùng gỗ lớn

10

8

ngâm dấm

Nấm ướp muốn ngâm

Thùng gỗ lớn

dấm

Quả sấu, nấm sấy

Rau sấy

Hòm, gói

Hòm, thùng

Gói

12

10

5

Lạc cả vỏ

Lạc nhân

Gói

-1

Thanh trùng trong

hộp kín

Hộp sắt tây đóng

hòm

2 - 20

10 - 15

0 - 20

10 - 15

0 - 2

3 - 5

3

Thanh trùng

Thùng gỗ lớn

Thanh trùng trong

hộp kín

Hộp sắt tây đóng

hòm

3 - 5

3

Không thanh trùng

Thùng gỗ lớn

Mức gọt (mức mịn,

mứt nghiền)

2 - 6

11

Bảng 1.3. Giới thiệu chế độ bảo quản sản phẩm động vật

Độ ẩm

không

khí %

Chế độ

thông

gió

Thời gian

bảo quản

Sản phẩm

Nhiệt độ ⁰C

Thịt bò, hươu, nai, cừu

Thịt bò gầy

Từ -0,5 đến 0,5

0 - 0,5

82-85

80-85

85-90

80-85

75-80

100

Đóng

10-15 ngày

10-12 ngày

12-18 tháng

6-12 ngày

Gà, vịt, ngan, ngỗng mổ sẵn

Thịt lợn tươi ướp lạnh

Thịt lợn tươi ướp đông

Thịt đóng hộp kín

Từ -1 đến 0,5

0 - 4

Từ - 18đến -23

0 - 2

Cátươi ướp đátừ50 đến

100% lượng cá

-1

Cá khô (W = 14-17%)

2 - 4

50

Đóng

Mở

6 - 12 tháng

12 tháng

Cá thu muối, sấy

Lươn sống

75-80

2 - 3

85-100

Mở

Vài tháng

15 - 30 ngày

Vài ngày

38 tuần

Ốc sống

Sò huyết

Từ - 1 đến 11

2 - 3

Tôm sống

Tôm nấu chín

Bơ muối ngắn ngày

Bơ muối lâu ngày

Pho mát cứng

Pho mát nhão

Sữa bột đóng hộp

Sữa đặc có đường

Sữa tươi

2 - 3

12 - 15

từ -1 đến 4

từ -18 đến -20

1,5 - 4

75-80

70

Mở

12 tuần

Mở

36 tuần

Mở

4 - 12 tháng

Ít ngày

7 - 15

80-85

75-80

Mở

5

Đóng

3-6 tháng

6 tháng

0 - 10

0 - 2

2 ngày

12

2. Nguyên lý làm việc của hệ thống lạnh thực phẩm

2.1. Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý HT lạnh thực phẩm

MN: Máy nén

BN: Bình ngưng

VTL : Van tiết lưu

DBH: Dàn bay hơi

1,2,3,4,5 là các trạng thái của công chất

2.2. Nguyên lý hoạt động

Chu trình hơi đơn giản nhất có bốn thiết bị chính là máy nén (MN), bình

ngưng (BN), van tiết lưu (VTL) và dàn bay hơi (DBH) được thể hiện trên hình vẽ.

Bốn thiết bị này được nối với nhau bằng hệ thống ống hợp lý kín hoàn toàn. Trong

hệ thống kín này được nạp công chất lạnh (sẽ nghiên cứu ở phần sau).

Hiệu quả làm lạnh hàng hoá là mục đích chính của chu trình được xảy ra

trong buồng lạnh. Trong buồng lạnh cách nhiệt tốt, người ta bố trí dàn bay hơi một

cách hợp lý. Hơi công chất ẩm ở trang thái 5 (hơi ẩm gồm thể lỏng và thể hơi) sau

van tiết lưu đi vào dàn bay hơi. Ở đây phần lỏng của hơi ẩm nhận nhiệt của hàng

hoá qua không khí trong buồng lạnh sôi và bay hơi, hàng hoá do trao nhiệt cho

công chất qua không khí nên lạnh đi, còn hơi ẩm thì sôi bay hơi để trở thành hơi

bão hoà khô ở trạng thái 1 (có áp suất thấp P₀và nhiệt độ thấp t_o), sau đó đi vào

máy nén và được nén đoạn nhiệt đến trạng thái 2. Công chất ra khỏi máy nén là hơi

quá nhiệt có áp suất cao P_kđược đưa vào bình ngưng, làm mát đẳng áp đến nhiệt

độ ngưng tụ t_k= t₃và sau đó ngưng tụ hoá lỏng (nhả nhiệt cho chất làm mát) đến

trạng thái 4, rồi đi vào van tiết lưu. Sau van tiết lưu công chất là hơi ẩm ở trạng

thái 5, hoàn thành một chu trình kín.

13

T

Các quá trình được biểu diễn trên đồ

thị nhiệt động T-S và P- i như sau:

Chu trình hơi đơn giản nhất được

biểu diễn đồ thị T - S (xem hình 2.3)

và trong máy lạnh, người ta hay sử

dụng đồ thị P - i (xem hình 2.4).

Trong các hình này:

PK = const

i= const

2

T

4

K

P

K

T

5

O

P

O

1

s

Hình 1.2. Đồ thị T-S s

H 2.3

- Quá trình 1-2 là quá trình nén đoạn

nhiệt xảy ra trong máy nén.

P

- Quá trình 2-4 là quá trình thải nhiệt

bằng ngưng tụ đẳng áp xảy ra trong

bình ngưng tụ.

i= const

S = const

2

4

3

1

- Quá trình 4-5 là quá trình tiết lưu

đẳng Entalpi xảy ra trong van tiết

lưu.

5

i

H 2.4

Hình 1.3. Đồ thị P-i

Các quá trình cơ bản

a. Quá trình bay hơi

Quá trình sôi và bay hơi của công chất xảy ra trong dàn bay hơi, thường là

quá trình hoá hơi đẳng áp, đẳng nhiệt. Công chất lỏng lấy nhiệt lượng của môi

trường cần làm lạnh để sôi và bay hơi.

Trạng thái công chất ra khỏi dàn bay hơi có thể là trạng thái 1 (hơi bão hoà

khô, hơi quá nhiệt hoặc hơi ẩm). Trạng thái hơi ẩm xảy ra khi lượng công chất

được cấp vào dàn bay hơi nhiều hơn lượng công chất thực tế bay hơi trong dàn bay

hơi. Công chất lỏng không bay hết sẽ theo dòng hơi công chất ra khỏi dàn bay hơi

đi về máy nén, gây ra hành trình ẩm của máy nén rất nguy hiểm. Trạng thái hơi quá

nhiệt xảy ra khi lượng công chất được cấp vào dàn bay hơi ít hơn lượng công chất

thực tế bay hơi trong toàn bộ dàn bay hơi.

Trong thực tế sử dụng máy lạnh, tuỳ theo mức độ mở van tiết lưu mà người

vận hành có thể điều chỉnh được để cho hơi công chất ra khỏi dàn bay hơi (tại cửa

hút của máy nén) là hơi ẩm, hơi bão hoà khô hoặc hơi quá nhiệt. Khi hơi tại cửa

hút của máy nén là hơi ẩm thì về mặt năng lượng với một số loại công chất có thể

có lợi (hệ số làm lạnh lớn), nhiệt độ cuối quá trình nén thấp, nhưng lúc này tổn hao

áp suất trong đường ống hút lại lớn và sẽ xảy ra hiện tượng thuỷ kích phá hỏng

máy nén nên trong thực tế chúng ta không được phép để xảy ra.

14

Kinh nghiệm khai thác hệ thống lạnh cho thấy, với công chất là Amoniac thì

chúng ta nên điều chỉnh van tiết lưu sao cho hơi công chất tại của hút của máy nén

là hơi bão hoà khô, còn với công chất là các loại freon thì là hơi quá nhiệt nhưng

tương đối gần đường giới hạn trên.

Năng suất làm lạnh đơn vị khối lượng q₀(J/kg) là nhiệt lượng mà 1 kg công

chất mang ra khỏi dàn bay hơi trong một chu trình làm việc của nó.

b. Quá trình nén.

Thông thường, khi nghiên cứu

T

lý thuyết, người ta coi quá trình nén

hơi bão hoà khô từ áp suất P_ođến áp

suất P_klà quá trình nén đoạn

nhiệt.Trong thực tế, do có sự trao đổi

nhiệt với môi trường xung quanh nên

quá trình nén là quá trình đa biến.

Phần đầu của quá trình nén (đoạn 1A)

do nhiệt độ thành vách xi lanh cao

hơn nhiệt độ hơi công chất nên quá

trình có sự nhận nhiệt. Tại một thời

điểm nào đó (trạng thái A) nhiệt độ

thành vách xi lanh đúng bằng nhiệt độ

hơi côngchất trong xi lanh, quá trình

lúc này là đoạn nhiệt. Sau đó nhiệt độ

công chất cao hơn nhiệt độ thành vách

xy lanh (đoạn A2'), nên quá trình có

sự nhả nhiệt.

P

K

= const

2

P

K

2'

A

P

O

1

S

Hình 1.4. Quá_Htr₂ìn_.6h nén trên^sđồ thị T-S

P

S = const

2

3

1

1'

l'

l

i

Hình 1.5. Quá^Htr²ìn^.7h nén trên đồ thị P-i

Trên hình 1.4 là sự biểu diễn quá trình nén lý thuyết 12 và quá trình nén thực tế đa

biến 1A2' trên đồ thị nhiệt động T - S.

Còn trên hình 2.7 biểu diễn quá trình nén lý thuyết trên đồ thị P - i.

Công nén đơn vị 1 (J/kg) là công cần thiết nén 1 kg công chất từ áp suất P_ođến áp

suất P_ktrên đồ thị P - i được tính:

1 = i₂- i₁(J/kg) - Nén hơi bão hoà khô

1' = i_2'- i_1'(J/kg) - Nén hơi quá nhiệt

c. Quá trình ngưng tụ

(1.1)

(1.2)

Trong lý thuyết cũng như trong thực tế, quá trình ngưng tụ là quá trình đẳng

áp xảy ra trong bình ngưng

15

P

Đồ thị P - i biểu diễn quá trình này

được biểu diễn trên hình 2.8.

Thông thường quá trình xảy ra

trong bình ngưng bao gồm mấy

giai đoạn như sau:

i= const

4

S = const

2

3

4'

- Giai đoạn 2-3: Hơi công suất làm

mát đẳng áp từ hơi quá nhiệt thành

hơi bão hoà khô.

1

5

qK

- Giai đoạn 3-4: Hơi bão hoà trao

nhiệt cho chất làm mát để ngưng

tụ hoá lỏng đẳng áp đẳng nhiệt.

i

Hình 1.6. Quá trình ngưng tụ trên đồ thị P-i

H 2.8

- Giai đoạn 4-4’: Chỉ xảy ra với bình ngưng có diện tích trao đổi nhiệt lớn hơn cần

thiết gọi là giai đoạn quá lạnh công chất lỏng.

Nhiệt lượng ngưng tụ đơn vị q_k: Là nhiệt lượng mà một kg công chất trao cho chất

làm mát trong một chu kỳ làm việc. Được tính theo công thức:

q_k= i₂- i₄(J/kg)

(1.3)

P

d. Quá trình tiết lưu

S = const

Công chất lỏng trước khi

i= const

4

vào dàn bay hơi cần phải được

giảm áp từ áp ngưng tụ P_kđến

áp suất bay hơi P_o. Quá trình

này có thể thực hiện được nhờ

giãn nở sinh công (đoạn 45')

hoặc nhờ van tiết lưu (đoạn 45).

Việc dùng máy giãn nở

1

5'

5

i

H 2.9

Hình 1.7. Quá trình tiết lưu trên đồ thị P-i

sinh công xét về mặt năng

lượng rất có lợi (tận dụng được

Công chất giãn nở để làm quay máy nén, năng suất làm lạnh đơn vị tăng lên một

đoạn q_o= i5 - i5' so với việc dùng van tiết lưu)

Nhưng khi so sánh sự có lợi về mặt năng lượng này với sự cồng kềnh, phức

tạp, hay hỏng hóc, khó điều chỉnh được lưu lượng công chất đi qua của máy giãn

nở nên trong thực tế hiện nay dưới các tàu thuỷ cũng như trên bờ, người ta đã

không sử dụng máy giãn nở. Phương pháp thường hay được dùng hiện nay là dùng

van tiết lưu. Quá trình tiết lưu qua van tiết lưu được thực tế chứng minh là một quá

trình đẳng Entalpi (đoạn 45 trên hình 2.9). Ưu điểm chính của van tiết lưu là gọn

nhẹ, ít hỏng hóc, dễ dàng điều chỉnh được lưu lượng công chất đi qua sao cho phù

hợp với phụ tải nhiệt của dàn bay hơi.

Để tăng kinh tế của hệ thống lạnh bằng cách tăng năng suất làm lạnh đơn vị

từ đó làm giảm lưu lượng công chất lưu thông, giảm công nén, giảm kích thước

các thiết bị, người ta thường hay sử dụng chu trình hơi có quá lạnh.

16

Quá lạnh công chất lỏng có thể hiểu là quá trình làm lạnh đẳng áp công chất

lỏng sau bình ngưng xuống nhiệt độ quá lạnh (t_ql) nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ t_k.

* Tìm hiểu thêm chu trình hơi có quá lạnh bằng công chất lạnh qua tài liệu tham

khảo

3. Công chất và chất tải nhiệt

3.1.Các công chất làm lạnh.

3.1.1.Yêu cầu cơ bản với công chất làm lạnh

Mỗi một chất hoá học được coi là công chất làm lạnh lý tưởng, nếu nó có

các tính chất sau đây:

Tính chất nhiệt động học.

-Với nhiệt độ sôi yêu cầu khá nhỏ (-10⁰C  -50⁰C) thì áp suất hơi bão hoà

tương ứng phải lớn hơn 1KG/cm²để tránh sự xâm nhập liên tục của không khí vào

hệ thống khi hệ thống không kín hoàn toàn.

- Với nhiệt độ chất làm mát trung bình (30⁰C  40⁰C) thì áp suất ngưng tụ

của công chất không được lớn hơn 20 KG/cm²để tránh kết cấu của các thiết bị quá

cồng kềnh, nặng nề, phức tạp do phải làm việc với áp suất cao.

- Điểm tới hạn của công chất, nghĩa là áp suất tới hạn và nhiệt độ tới hạn

phải lớn hơn áp suất ngưng tụ và nhiệt độ ngưng tụ ở chế độ làm việc bình thường

càng nhiều càng tốt để tránh sự tiết lưu thể hơi do không xảy ra quá trình ngưng tụ

hoá lỏng.

- Năng suất làm lạnh đơn vị lớn.

- Hoàn thiện về phương diện động học (nghĩa là hệ số làm lạnh phải không

quá nhỏ so với hệ số làm lạnh của chu trình Các - nô ngược).

Tính chất vật lý

- Phải có các thống số vật lý như hệ số dẫn nhiệt dung riêng, độ nhớt, sức

căng bề mặt... sao cho hệ số truyền nhiệt đối lưu lớn.

- Khả năng hoà tan với nước càng cao càng tốt.

- Khả năng cách điện tốt.

- Dễ phát hiện khi có xì rò.

Tính chất hoá học:

- Không tác dụng hoá học, gây ăn mòn phá huỷ các kim loại vật liệu làm

thiết bị cũng như các chất cần thiết phải có mặt trong hệ thống như dầu bôi trơn,

chất chống ẩm.

- Tính ổn định bền vững hoá học cao, không bị phân huỷ trong những điều

kiện làm việc thường xảy ra của hệ thống.

Tính chất sinh lý học:

- Không nổ, không cháy, không độc hại nguy hiểm đối với con người.

Tính kinh tế

- Rẻ tiền, dễ sản xuất.

Điều tất nhiên là không có một chất hay hợp chất hoá học nào trong thực tế đáp

ứng được tất cả các yêu cầu lý tưởng trên và cũng không có một công chất làm

lạnh nào là vạn năng, có thể sử dụng được trong mọi lĩnh vực nhiệt độ, năng suất,

17

chủng loại mà vẫn đáp ứng được yêu cầu sử dụng. Chính vì vậy để quyết định sử

dụng loại công chất nào, người thiết kế cần phải dựa vào các giả thiết đã có với hệ

thống, như nhiệt độ yêu cầu, năng suất làm lạnh yêu cầu, điều kiện khả năng chế

tạo và điều kiện vận hành, sửa chữa.

3.1.2. Tính chất cụ thể của một số công chất thông dụng

Dưới tàu thuỷ cũng như trên bờ hiện nay, chúng ta thường gặp các loại công

chất là NH₃, R22, R502.

a. Amôniac.

- Công thức hoá học của Amôniac là NH3 ký hiệu thương mại của nó là R717.

NH3 là công chất làm lạnh được dùng lâu đời nhất và rất thông dụng dưới các

tàu đông lạnh xuất xưởng trước năm 1970. Nhưng do NH3 rất dễ nổ, dễ cháy,

và rất độc hại với con người nên có xu hướng sẽ không được dùng trong tương

lai. Các tính chất cơ bản của NH3:

- Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển 1KG/cm²là -33,5⁰C

- Áp suất ngưng tụ ở 38⁰C là 14,1 KG/cm²

- Năng suất làm lạnh đơn vị ở -15⁰C là 1312,69 KJ/Kg

- Không hoà tan với dầu bôi trơn, hoà tan vô hạn với nước.

- Nhẹ hơn không khí nên các cửa thông gió chống độc hại với hệ thống lạnh sử

dụng NH3 phải bố trí trên cao.

- Nếu không có nước thì gần như không ăn mòn kim loại, nhưng nếu có lẫn một

lượng nước nhỏ thì tạo thành dung dịch kiềm NH4OH, có khả năng ăn mòn

nhiều kim loại, đặc biệt là đồng và các hợp kim của đồng.

- Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu lớn.

- Có mùi khai khó ngửi, rất dễ nổ, dễ cháy và rất độc hại với con người.

- Do là nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp sản xuất phân đạm nên luôn

luôn được sản xuất công nghiệp do đó giá thành rẻ, dễ kiếm.Ở nước ta nhà máy

phân đạm Hà Bắc cũng đã sản xuất được NH3.

b. Freon 12.

Công thức hoá học của Freon 12 là CF₂C1₂, ký hiệu thương mại là R12,

thuộc nhóm CFCs. Trước đây được dùng dưới các hệ thống máy lạnh thực phẩm

dưới tàu, trong các hệ thống điều hoà không khí của một số tàu, trong các tủ lạnh

và tủ bảo quản. Tuy nhiên do khả năng phá hủy tầng Ô-zôn lớn nên chất này đã bị

cấm sử dụng từ 1/1/1996.

c. Freon 22.

Công thức hoá học của Freon 22 là CHF₂C1, ký hiệu thương mại là R22,

thuộc nhóm HCFCs. Hay được dùng trong các kho lạnh lớn xây dựng dưới các

hệ thống máy lạnh hầm hàng của các tàu đông lạnh xuất xưởng sau 1970, trong

các hệ thống điều hoà không khí trung tâm và độc lập và các hệ thống máy lạnh

thực phẩm. Tuy nhiên theo phụ lục VI, MARPOL 73/78 thì việc lắp đặt các

trang thiết bị mới có hydro-chlorofluorocarbon (HCFCs) được cho phép đến

ngày 1/1/2020. Chất này có thể bị cấm sử dụng sau năm 2030.

Các tính chất cơ bản của R22 như sau:

18

- Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển 1KG/cm²là -40,8⁰C.

- Áp suất ngưng tụ ở 38⁰C là 14 KG/cm²

- Năng suất làm lạnh đơn vị ở -15⁰C là 218 KJ/Kg.

- Không màu, không mùi, không độc hại với con người, ở nhiệt độ cao có thể bị

phân tích thành forgen rất độc.

- Không nổ, không cháy, rất an toàn.

- Khả năng thẩm thấu rò lọt cao.

- Có khả năng hoà tan mỡ bôi trơn, phá huỷ cao su tự nhiên

- Hoà tan hữu hạn với dầu nhờn.

- Hoà tan vô cùng ít với nước.

- Nặng hơn không khí

- Nếu tinh khiết thì gần như không ăn mòn kim loại, nếu lẫn nước thì ăn mòn sắt

thép, thiếc, chì... trong các mối hàn, không ăn mòn đồng.

- Tính bền vững hoá học cao, cách điện tốt.

d. Freon 502

- Freon 502 là hỗn hợp có nồng độ tới hạn 48,8% R22 và 51,2% R115. Có ký

hiệu thương mại là R502. Được đưa vào sử dụng từ năm 1962 trong các tủ cấp

đông tủ bảo quản nhiệt độ sâu và chỉ được sử dụng với máy nén thể tích kiểu

Piston.

- Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển 1KG/cm2 là - 47,2⁰C.

- Năng suất làm lạnh đơn vị ở -15⁰C là 161 KJ/Kg.

- Áp suất ngưng tụ ở 38⁰C là 15,5 KG/cm2

- Hoà tan rất tốt với dầu bôi trơn ở nhiệt độ lớn hơn 90⁰C nên gần như không có

hiện tượng lắng đọng dầu bôi trơn trên bình ngưng. Nhưng ở dưới nhiệt độ này

thì không hoà tan nên cần có bình tách dầu ở phần thấp áp.

Ngoài các tính chất trên, các tính chất còn lại của R502 đều giống của R22.

e. Hỗn hợp công chất

Những suy nghĩ về vấn đề tạo ra những tính chất có lợi của công chất bằng

cách hoà trộn nhiều công chất đã được nhà bác học Pictet viết lại từ năm 1885. Lúc

đó nhà bác học đã thí nghiệm hoà hợp hai công chất SO₂và CO₂. Mặc dù việc hoà

trộn này của nhà Bác học không mang lại những kết quả tốt đẹp nhưng nó trở

thành tiền đề để vấn đề được trở thành đối tượng nghiên cứu của nhiều phòng thí

nghiệm trên thế giới.

f. Hỗn hợp có nồng độ tới hạn

Các hỗn hợp công chất có nồng độ tới hạn có tính chất như công chất

nguyên chất và không thể tách ra khỏi nhau được, được sản xuất và bán ra trên thị

trường với các ký hiệu R500, R501, R 502, R503, R504.

R500 = (73,8%) R12 + (26,2%) R 152a

R501 = (75% R22 + (25%) R12

R502 = (48,8%) R22 + (51,2%) R115

R503 = (40,1%) R23 + (59,9%) R13

R504 = (48,2%) R32 + (51,8%) R115

19

Bảng 1.4. Các hỗn hợp công chất có nồng độ tới hạn

Công chất R500 R502 R503 R504

Tính chất

Nhiệtđộsôiởápsuất1KG/cm²

-33⁰C -47,2⁰C -89⁰C 21⁰C

Áp suất làm lạnh (KG/cm²)

2.12

192.5

10.6

3,44

161

18

5.8

Năng suất làm lạnh đơn vị ở -15⁰C (kJ/kg)

Áp suất ngưng tụ ở 38⁰C (Kg/cm²

121

25.6

207

15,5

g. Hỗn hợp có nồng độ bất kỳ

Vấn đề kết hợp hai hay nhiều loại công chất để tạo ra một công chất với

nồng độ bất kỳ, có công nén đơn vị nhỏ, hệ số làm lạnh lớn, áp suất sôi thay đổi, áp

suất ngưng tụ thấp trong thời gian gần đây được nhiều nhà Bác học như Harness,

công bố, chúng ta có thể rút ra một số kết luận sau:

- Năng suất làm lạnh và hệ số làm lạnh có thể tăng lên.

- Nhiệt độ trong quá trình sôi thay đổi.

- Hệ số trao đổi nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt giảm một cách đáng kể.

3.1.3. Công chất lạnh thân thiện với môi trường

Do tầng ôzôn đang bị suy thoái bởi các chất freon có chứa Clo, hiệu ứng nhà

kính làm cho trái đất nóng lên cũng gây ra bởi freon. Vì vậy các hệ thống lạnh hiện

nay đang sử dụng các công chất lạnh không chứa Clo, đó là các loại HFC. Do

không có Clo nên chỉ số ODP (Ozone Depletion Potential) = 0 và chỉ số GWP

(Global Warming Potential) càng nhỏ nếu càng ít Flo. Các công chất chú ý nhiều

nhất là R134a, R404a, R407a,b,c và R507.

a. Freon 134a (R134a)

Công thức CF3CH2F, là ga lạnh quan trọng thay thế cho R12 do có tính chất

lý hóa tương đồng. R134a có thể thay thế R12 trong hầu hết các ứng dụng khác

nhau từ tủ lạnh, máy điều hòa gia đình, bơm nhiệt…đến các máy điều hòa trung

tâm, trong máy lạnh thương nghiệp và vận tải lạnh. Tuy nhiên R134a có tác dụng

làm nóng trái đất (GWP=1430) và vì dịch vụ R134a rất khó khăn nên hiện nay

quan niệm sử dụng R134a cho tương lai chưa thống nhất, như ở EU đã đề nghị

cấm R134a, riêng ở Đức toàn bộ máy điều hòa ôtô được thay thế bằng CO₂từ năm

2006.

b. Freon R152a (R152a)

Công thức CH3CHF2, có tính chất tương tự như R12 và có thể thay thế cho

R12 nhưng không được sử dụng ở dạng đơn chất do tính cháy nổ của nó.

c. Freon 404a (R404a)

R404A- là ga lạnh hỗn hợp gồm R125/R143/R134a với tỷ lệ khối lượng

44/52/4%. R404a được sử dụng chủ yếu trong những hệ thống lạnh có nhiệt độ

thấp. R404a được hỗn hợp phù hợp nhằm thay thế R502. Khi thay R502 bằng

R404a cần tuân theo quy trình thay thế ga lạnh như thay dầu, súc rửa dầu khoáng,

20

Giáo trình mô đun Máy lạnh và điều hòa không khí - Nghề: Khai thác máy tàu thủy