Máy lạnh một cấp nhiệt độ sôi âm 70⁰C
TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 7 * 2014
33
MÁY LẠNH MỘT CẤP NHIỆT ĐỘ SÔI ÂM 70 oC
Đặng Văn Lái*
Lê Quang Tân**
Lê Thành Nhân***
Tóm tắt
o
Để thực hiện nhiệt độ âm 70 C giống như máy lạnh ghép tầng nhưng đơn giản hơn về
mặt cấu tạo thiết bị và vận hành, máy lạnh 1 cấp với hỗn hợp môi chất lạnh 5 thành phần gồm
Ar/R14/R23 /R134a/R123 với tỉ lệ phần trăm theo số mol lần lượt 0,5/37,5/36/8,5/17,5 được sử
o
dụng. Nghiên cứu cho thấy thời gian khởi động máy lạnh 1 cấp nhiệt độ sôi âm 70 C sử dụng
hỗn hợp môi chất này giảm 15 phút khi điều chỉnh áp suất trong dàn bay hơi theo giá trị tối ưu
so với không điều chỉnh. Với chế độ nhiệt độ sôi âm 70 oC và nhiệt độ ngưng tụ 40 oC, hiệu suất
năng lượng của chu trình và hiệu suất thể tích của máy nén đạt 0,664 và 0,751, trong khi đó chu
trình 1 cấp sử dụng các môi chất lạnh truyền thống hiệu suất năng lượng và hiệu suất thể tích
gần như bằng 0 vì tỷ số nén lớn hơn 30.
Từ khóa: môi chất lạnh, máy lạnh, thời gian khởi động.
phần trăm theo số mol lần lượt
1. Đặt vấn đề
Thực phẩm kết đông siêu tốc có chất
0,5/37,5/36/8,5/17,5.
lượng cao đáp ứng yêu cầu các thị trường
khó tính như Nhật, Châu Âu và Mỹ... Để
thực hiện kết đông siêu tốc, thực phẩm
được nhúng vào nitơ hay frêôn lỏng hoặc
sử dụng thiết bị kết đông siêu tốc với tốc độ
không khí lạnh đến 25 m/s và nhiệt độ từ
âm 40 oC đến âm 100 oC. Để tạo độ lạnh ở
nhiệt độ sôi này các nhà máy chế biến thực
phẩm sử dụng máy lạnh nhiều cấp hay máy
lạnh ghép tầng. Nhược điểm của các hệ
thống lạnh truyền thống này là cồng kềnh,
vốn đầu tư ban đầu cao, tiêu tốn nhiều điện
năng và công tác vận hành bảo dưỡng phức
tạp đặc biệt trên các tàu đánh bắt cá công
suất nhỏ từ 90 CV trở lên. Để thực hiện
nhiệt độ âm sâu giống như máy lạnh ghép
tầng nhưng đơn giản hơn về mặt cấu tạo
thiết bị và vận hành, ta có thể sử dụng máy
lạnh 1 cấp với hỗn hợp môi chất lạnh 5 thành
phần gồm Ar/R14/R23 /R134a/R123, tỉ lệ
________________________
Máy lạnh 1 cấp sử dụng hỗn hợp môi
chất lạnh 5 thành phần tạo được độ lạnh ở
o
nhiệt độ sôi âm 70 C là vấn đề mới, do
vậy việc nghiên cứu về thời gian khởi động
và các đặc tính năng lượng của nó là hết
sức cần thiết.
2. Máy lạnh 1 cấp nhiệt độ âm 70 o C
Sự thay đổi thành phần các môi chất
đơn chất trong hỗn hợp và các áp suất của
chu trình lạnh không chỉ ảnh hưởng đến
năng suất lạnh riêng mà còn ảnh hưởng đến
đường đặc tính của nó. Nhờ tính chất này ta
có thể tạo hỗn hợp môi chất lạnh không
đồng sôi, hiệu suất cao, thân thiện với môi
trường, có nhiệt độ bay hơi thấp nhưng chỉ
sử dụng 1 máy nén 1 cấp và 1 van tiết lưu.
Số lượng các thành phần, tỷ lệ phần trăm
của chúng trong hỗn hợp và các áp suất của
chu trình lạnh được tối ưu hóa nhằm đạt giá
trị cực đại năng suất lạnh riêng [1,2]. Kết
quả nhiều lần tính toán tối ưu thành phần
hỗn hợp môi chất bằng phần mềm
MIXTURE.EXE của Trường đại học Năng
TS, Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa
ThS, Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa
*** KS, Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa
34
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN
lượng Mátxcơva chúng tôi thu được hỗn
hợp Ar/R14/R23 /R134a/R123 với tỉ lệ
phần trăm theo số mol lần lượt
0,5/37,5/36/8,5/17,5.
động và các đường đặc tính năng lượng của
máy nén, Trường Cao đẳng Công nghiệp
Tuy Hòa xây dựng chu trình lạnh 1 cấp với
sơ đồ thiết bị như hình vẽ (hình 1).
Nhằm nghiên cứu thời gian khởi
15
PI
3
14
PI
1
PI
2
13
12
5
9
6
8
Hình 1: Sơ đồ thiết bị máy lạnh sử dụng hỗn hợp môi chất lạnh
1- Máy nén 1 cấp; 2- Bình tách dầu; 3-Bình ngưng tụ; 4-Thiết bị sấy lọc; 5- Mắt gas;
6 - Thiết bị hồi nhiệt; 7- Van tiết lưu tay; 8- Buồng lạnh; 9- Bình tách lỏng; 10- Bình cân bằng; 11,
13- Van chặn;12- Van điện từ; 14-Van bypass;15- Tháp giải nhiệt.
chạy bằng hỗn hợp môi chất lạnh 5 thành
phần có đặc điểm là dễ bị sai lệch các thành
phần tối ưu trong hỗn hợp. Do vậy việc nạp
môi chất vào máy lạnh được thực hiện theo
phương pháp cân khối lượng nhằm đảm bảo
thành phần tối ưu và hiệu suất của chu trình.
Đặc điểm thứ hai của máy lạnh 1 cấp
o
nhiệt độ âm 70 C là thời gian khởi động
rất lâu vì trong hỗn hợp môi chất chứa
thành phần khí argon. Khi máy dừng thời
Hình 2: Hình ảnh máy lạnh 1 cấp nhiệt độ âm
70 o C
Máy lạnh 1 cấp nhiệt độ sôi âm 70 o C
TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 7 * 2014
35
gian dài, hỗn hợp môi chất ở trạng thái hơi
quá nhiệt làm cho áp suất trong hệ thống
tăng cao. Nhằm ngăn ngừa máy nén quá tải
do áp suất đầu đẩy cao vượt mức cho phép,
ngay thời điểm khởi động một phần hỗn
hợp môi chất lập tức được dẫn về bình chứa
đặt ngay sau máy nén gọi là bình cân bằng.
Sau thời gian hoạt động, hỗn hợp môi chất
được làm lạnh và hóa lỏng một phần trong
thiết bị hồi nhiệt, do vậy áp suất đầu đẩy
giảm dần. Khi áp suất đầu đẩy giảm, môi
chất lạnh từ bình cân bằng được bổ sung từ
từ vào hệ thống qua đường ống hút sao cho
áp suất đầu đẩy và dòng điện máy nén
không vượt quá ngưỡng cho phép.
Quy trình thí nghiệm được tiến hành
theo hướng dẫn của tài liệu [3].
Ứng với mỗi giá trị nhiệt độ bay hơi,
điều chỉnh áp suất trong dàn lạnh bằng van
tiết lưu và xác định giá trị của năng suất
lạnh Qo. Sau đó biểu diễn sự phụ thuộc
năng suất lạnh vào áp suất bay hơi
Qo f (po ) , từ đó tìm được giá trị năng
suất lạnh lớn nhất.
Hình 3 là một ví dụ về việc tính toán
và vẽ đồ thị sự phụ thuộc năng suất lạnh
vào áp suất bay hơi ứng với nhiệt độ sau
van tiết lưu to = - 70 o C .
Đặc điểm cuối cùng là khi chuyển
đổi từ môi chất lạnh do nhà sản xuất
khuyến cáo sang hỗn hợp môi chất mới
vừa tạo các đường đặc tính năng lượng
của máy nén thay đổi. Việc khảo sát các
đường đặc tính hết sức quan trọng, giúp
chúng ta đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng
lượng của máy lạnh.
Hình 3: Sự phụ thuộc năng suất lạnh vào áp
suất bay hơi Qo f (po )
Phân tích đồ thị cho thấy năng suất
lạnh trong quá trình khởi động đạt giá trị
cực đại ứng với áp suất po = 3,8 bar.
Như vậy, đối với mỗi nhiệt độ bay
hơi sẽ có 1 áp suất tối ưu tương ứng sao
cho năng suất lạnh là lớn nhất. Tập hợp các
cặp áp suất tối ưu và nhiệt độ bay hơi được
mô tả bởi hình 4.
3. Kết quả nghiên cứu thời gian khởi
động và đặc tính năng lượng của máy
lạnh 1 cấp nhiệt độ sôi âm 70 o C
Thời gian khởi động hệ thống nhiệt
độ thấp phụ thuộc vào áp suất bay hơi. Do
vậy, để giảm thời gian khởi động máy lạnh
o
1 cấp nhiệt độ sôi âm 70 C cần phải điều
chỉnh áp suất bay hơi theo nhiệt độ sau van
tiết lưu phù hợp sao cho năng suất lạnh đạt
giá trị cực đạt.
Để khảo sát thời gian khởi động máy
lạnh nhiệt độ âm 70 o C chúng tôi tiến hành
các thí nghiệm sau:
Thí nghiệm 1: Khởi động máy và duy
trì áp suất bay hơi không đổi.
Thí nghiệm 2: Khởi động và điều
chỉnh áp suất bay hơi tối ưu theo nhiệt độ
bay hơi sao cho năng suất lạnh Qo đạt giá
trị lớn nhất.
Hình 4: Mối quan hệ áp suất bay hơi tối ưu và
nhiệt độ bay hơi
Hình 5 là sự so sánh thời gian khởi
động máy lạnh theo 2 phương pháp: không
và có điều chỉnh áp suất trong dàn bay hơi
theo áp suất tối ưu.
36
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN
Hình 5: Biến thiên nhiệt độ bay hơi trong thời
gian khởi động máy
Có điều chỉnh áp suất bay hơi tối ưu;
Không điều chỉnh áp suất bay hơi
Phân tích biểu đồ biến thiên nhiệt ta
thấy thời gian khởi động máy lạnh 1 cấp
nhiệt độ sôi âm 70 o C có điều chỉnh áp suất
bay hơi theo giá trị tối ưu chỉ có 45 phút so
với khi không điều chỉnh áp suất là 60 phút.
Việc khảo sát các đường đặc tính
năng lượng của máy nén khi chuyển đổi từ
môi chất lạnh do nhà sản xuất khuyến cáo
sang hỗn hợp môi chất mới hết sức quan
trọng. Để nghiên cứu vấn đề này, căn cứ
catalog máy nén và các thông số nhiệt động
học của hỗn hợp môi chất lạnh tính toán và
biểu diễn đồ thị sự phụ thuộc hiệu suất thể
Hình 6: Hiệu suất năng lượng và hiệu suất thể
tích máy nén Bitzer, model 4СС- 6,2(Y)
So sánh hiệu suất năng lượng của
chu trình 1 cấp và hiệu suất thể tích của
máy nén với chế độ nhiệt độ t0 = -70oC, tk
o
= 40 C khi sử dụng các loại môi chất
tích và hiệu suất năng của máy nén vào
tỷ số nén như hình 6.
lạnh khác nhau được thể hiện ở bảng sau:
Hiệu suất
năng lượng
Hiệu suất
thể tích
Hệ số
nén
po
bar
pk
bar
TT
Môi chất lạnh
1
2
3
4
5
6
R134a
R22
0,08 10,17
0,21 15,34
0,28 18,29
0,26 24,26
0,24 17,49
0,19 15,55
127
73
65
93
73
82
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
R404A
R410A
407C
NH3
Ar/R14/R23
/R134a/R123 với tỉ lệ
phần trăm theo số mol
0,5/37,5/36/8,5/17,5
7
3
20
6,67
0,664
0,751
Phân tích bảng trên cho thấy, đối với
hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi gồm
5 thành phần, máy lạnh vận hành ở nhiệt độ
bay hơi âm 70oC, nhiệt độ ngưng tụ 40oC,
tỷ số nén 6,67 thì hiệu suất năng lượng và
hiệu suất thể tích đạt lần lượt là 0,664 và
0,751. Cũng với chế độ nhiệt độ sôi này,
chu trình 1 cấp sử dụng các môi chất lạnh
TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 7 * 2014
37
truyền thống có hiệu suất năng lượng và
hiệu suất thể tích gần như bằng 0 vì tỷ số
nén lớn hơn 30.
0,751, trong khi đó chu trình 1 cấp sử dụng
các môi chất lạnh truyền thống hiệu suất
năng lượng và hiệu suất thể tích gần như
bằng 0 vì tỷ số nén lớn hơn 30.
4. Kết luận
- Với hỗn hợp môi chất lạnh không đồng
sôi gồm 5 thành phần, máy lạnh 1 cấp làm
việc ở chế độ nhiệt độ t0 = -70oC, tk = 40oC
đạt hiệu suất năng lượng của chu trình
0,664 và hiệu suất thể tích của máy nén
- Thời gian khởi động máy lạnh 1 cấp
nhiệt độ bay hơi âm 70oC có điều chỉnh áp
suất tối ưu so với không điều chỉnh giảm từ
60 phút xuống còn 45 phút
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Лунин А.И., Могорычный В.И., Коваленко В.Н. (2009), Применение
многокомпонентных рабочих тел в низкотемпературной технике. Учебное
пособие. – М.: Издательский дом МЭИ.
[2] Бродянский В.М., Семенов А.М. (1980), Термодинамические основы
криогенной техники. М.: Энергия.
[3] Лунин А.И. (2007), Холодильные машины и установки. Издательский дом
МЭИ.
[4] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy (2010), Kỹ thuật lạnh cơ sở, Nxb Giáo dục Việt
Nam.
Abstract
Single stage refrigerating machine with vapour temperature -70 oC
o
For reaching the negative temperature of 70 C, the same cascade refrigerating
machines but simplicity in terms of structure and operation of the device, single stage
refrigerating machine with mixture of the five components Ar/R14/R23/R134a/R123 with mole
fraction 0,5/37,5/36/8,5/17,5 is used.
With this approach, the startup period of this single-stage refrigerating machine could
be reduced 15 minutes in comparison with non adjusting by the optimum value. In addition, at
the vapour temperature negative 70 oC and condensing temperature 40 oC, energy efficiency of
the machine and volumetric efficiency of compressor are 0,664 and 0,751 but at the same
temperature regime, energy efficiency and volumetric efficiency of single stage refrigerating
machine with the single-component refrigerant is near zero because its compression ratio is
above 30.
Key words: refrigerant, refrigerating machine, startup period.
5 trang
21001
Free
Bạn đang xem tài liệu "Máy lạnh một cấp nhiệt độ sôi âm 70⁰C", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- may_lanh_mot_cap_nhiet_do_soi_am_70c.pdf
