Giáo trình Tính toán thiết kế hệ thống lạnh công nghiệp - Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí

hơi:
Bình bay hơi được sử dụng để làm lạnh chất lỏng như glycol, nước, nước muối. Bình thường được lắp đặt ở bên trong nhà đặt trên các gối đỡ bằng bê tông.
Hình 4.10. Bình bay hơi NH3
1 - nắp bình; 2 – Thân bình; 3 – Tách lỏng; 4 - ống NH3 ra; 
5 - Tấm chắn lỏng; 6 - ống TĐN; 7 - ống lỏng ra; 8 - ống lỏng vào;9 - Chân bình; 10 - Rốn bình; 11 - ống nối van phao 
Cường độ trao đổi nhiệt trong thiết bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ nhiệt, tốc độ chuyển động, nhiệt độ và bản chất vật lý của chất lỏng trong ống. Đối với bình làm lạnh nước muối khi tốc độ v = 1 ÷ 1,5 m/s, độ làm lạnh nước muối khoảng 2 ÷ 30C, hệ số truyền nhiệt k = 400 ÷ 520 W/m2.K; mật độ dòng nhiệt qof = 2000 ÷ 4500 W/m2
 	Chất lỏng thường được làm lạnh là nước, glycol, muối NaCl và CaCl2. Khi làm lạnh muối NaCl và CaCl2 thì thiết bị chịu ăn mòn đặc biệt khi để lọt khí vào bên trong nên thực tế ít sử dụng. Trường hợp này nên sử dụng các dàn lạnh kiểu hở khi bị hư hỏng dễ sửa chữa và thay thế. Để làm lạnh nước và glycol người ta thường sử dụng bình bay hơi frêôn.
Hình 4.11. Bình bay hơi frêôn
a) Môi chất sôi ngoài ống: 1) ống phân phối lỏng, 2,3 - Chất tải 
lạnh vào, ra; 4 - Van an toàn; 5 - Hơi ra; 6 - áp kế; 7 - ống thuỷ
b) Môi chất sôi trong ống (dạng chữU); c) Tiết diện ống có cánh trong gồm 02 lớp: lớp ngoài là đồng niken, trong là nhôm 
Khi xảy ra đóng băng ít nguy hiểm hơn trường hợp nước chuyển động bên trong ống. Đối với bình môi chất sôi trong ống khối lượng môi chất giảm 2 ÷3 lần so với sôi ngoài ống. Điều này rất có ý nghĩa đối với hệ thống frêôn vì giá thành frêôn cao hơn NH3 nhiều. Để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt đối với bình frêôn, đặc biệt R12 người ta làm cánh về phía môi chất. Khi môi chất chuyển động bên trong người ta chế tạo ống có cánh bằng 02 lớp vật liệu khác nhau, bên ngoài là đồng, bên trong là nhôm. 
Hệ số truyền nhiệt bình ngưng sử dụng môi chất R12 khoảng 230 ÷ 350 W/m2.K, độ chênh nhiệt độ khoảng 5 ÷ 8K. Đối với môi chất R22 ống trao đổi nhiệt có thể là ống đồng nhẵn vì hệ số truyền nhiệt của nó cao hơn so với R12 từ 20 ÷ 30%.
* Dàn lạnh panen: 
Để làm lạnh các chất lỏng trong chu trình hở người ta sử dụng các dàn lạnh panen Cấu tạo của dàn gồm 02 ống góp lớn nằm phía trên và phía dưới, nối giữa hai ống góp là các ống trao đổi nhiệt dạng ống trơn thẳng đứng. Môi chất chuyển động và sôi trong các ống, chất lỏng cần làm lạnh chuyển động ngang qua ống. Các dàn lạnh panen được cấp dịch theo kiểu ngập lỏng nhờ bình giữ mức- tách lỏng. Môi chất lạnh đi vào ống góp dưới và đi ra ống góp trên. Tốc độ luân chuyển của nước muối trong bể khoảng 0,5 ÷ 0,8 m/s, hệ số truyền nhiệt k = 460 ÷ 580 w/m2.K.
Khi hiệu nhiệt độ giữa môi chất và nước muối khoảng 5 ÷ 6K, mật độ dòng nhiệt của dàn bay hơi panen khá cao khoảng 2900 ÷ 3500 W/ m2.K.
Dàn lạnh panen kiểu ống thẳng có nhược điểm là quãng đường đi của dòng môi chất trong các ống trao đổi nhiệt khá ngắn và kích thước tương đối cồng kềnh. Để khắc phục điều đó người ta làm dàn lạnh theo kiểu xương cá.
Hình 4.12. Thiết bị bay hơi kiểu panen
1 - Bình giữ mức - tách lỏng;2 - Hơi về máy nén;3 - ống góp hơi; 4 - Góp lỏng vào; 5 - Lỏng vào; 6 - Xả tràn nước muối; 7 - Xả nước muối;8 - Xả cạn; 9 - Nền cách nhiệt;10 - Xả dầu; 11 - Van an toàn
* Dàn lạnh xương cá:
Dàn lạnh xương cá được sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống làm lạnh nước hoặc nước muối, ví dụ như hệ thống máy đá cây. Về cấu tạo, tương tụ dàn lạnh panen nhưng ở đây các ống trao đổi nhiệt được uốn cong, do đó chiều dài mỗi ống tăng lên đáng kể. Các ống trao đổi nhiệt gắn vào các ống góp trông giống như một xương cá khổng lồ. Đó là các ống thép áp lực dạng trơn, không cánh. Dàn lạnh xương cá cũng có cấu tạo gồm nhiều cụm (môđun), mỗi cụm có 0 1ống góp trên và 01 ống góp dưới và hệ thống 2 ÷ 4 dãy ống trao đổi nhiệt nối giữa các ống góp. Mật độ dòng nhiệt của dàn bay hơi xương cá tương đương dàn lạnh kiểu panen tức khoảng 2900 ÷ 3500 W/ m2.K 
Hình 4.13. Dàn lạnh xương cá
 	1 - ống góp ngang; 2 - ống trao đổi nhiệt; 3 - ống góp dọc; 
 	4 - Kẹp ống; 5 - Thanh đỡ
* Dàn lạnh tấm bản: 
Ngoài các dàn lạnh thường được sử dụng ở trên, trong công nghiệp người ta còn sử dụng dàn bay hơi kiểu tấm bản để làm lạnh nhanh các chất lỏng. Ví dụ hạ nhanh dịch đường và glycol trong công nghiệp bia, sản xuất nước lạnh chế biến trong nhà máy chế biến thực phẩm vv.. 
Cấu tạo dàn lạnh kiểu tấm bản hoàn toàn giống dàn ngưng tấm bản, gồm các tấm trao đổi nhiệt dạng phẳng có dập sóng được ghép với nhau bằng đệm kín. Hai đầu là các tấm khung dày, chắc chắn được giữ nhờ thanh giằng và bu lông. Đường chuyển động của môi chất và chất tải lạnh ngược chiều và xen kẽ nhau. Tổng diện tích trao đổi nhiệt rất lớn.
Quá trình trao đổi nhiệt giữa hai môi chất thực hiện qua vách tương đối mỏng nên hiệu quả trao đổi nhiệt cao. Các lớp chất tải lạnh khá mỏng nên quá trình trao đổi nhiệt diễn ra nhanh chóng. Dàn lạnh tấm bản NH3có thể đạt k = 2500 ÷ 4500 W/m2.K khi làm lạnh nước. Đối với R22 làm lạnh nước hệ số truyền nhiệt đạt k = 1500 ÷ 3000 W/m2.K. Đặc điểm của dàn lạnh kiểu tấm bản là thời gian làm lạnh rất nhanh, khối lượng môi chất lạnh cần thiết nhỏ
 Hình 4.14. Dàn lạnh kiểu tấm bản
* Lắp đặt van tiết lưu:
Cấu tạo van tiết lưu tự động gồm các bộ phận chính sau: Thân van A, chốt van B, lò xo C, màng ngăn D và bầu cảm biến E. Bầu cảm biến được nối với phía trên màng ngăn nhờ một ống mao.Bầu cảm biến có chứa chất lỏng dễ bay hơi. Chất lỏng được sử dụng thường chính là môi chất lạnh sử dụng trong hệ thống. Khi bầu cảm biến được đốt nóng, áp suất hơi bên trong bầu cảm biến tăng, áp suất này truyền theo ống mao và tác động lên phía trên màng ngăn và ép một lực ngược lại lực ép của lòxo lên thanh chốt. Kết quả khe hở được mở rộng ra, lượng môi chất đi qua van nhiều hơn để vào thiết bị bay hơi. Khi nhiệt độ bầu cảm biến giảm xuống, hơi trong bầu cảm biến ngưng lại một phần, áp suất trong bầu giảm, lực do lò xo thắng lực ép của hơi và đẩy thanh chốt lên phía trên. Kết quả van khép lại một phần và lưu lượng môi chất đi qua van giảm. 
Như vậy trong quá trình làm việc van tự động điều chỉnh khe hở giữa chốt và thân van nhằm khống chế mức dịch vào dàn bay hơi vừa đủ và duy trì hơi đầu ra thiết bay hơi có một độ quá nhiệt nhất định. Độ quá nhiệt này có thể điều chỉnh được bằng cách tăng độ căng của lò xo, khi độ căng lò xo tăng, độ quá nhiệt tăng. Van tiết lưu là một trong 4 thiết bị quan trọng không thể thiếu được trong các hệ thống lạnh. 
+ Van tiết lưu tự động có 02 loại : 
- Van tiết lưu tự động cân bằng trong: 
Chỉ lấy tín hiệu nhiệt độ đầu ra của thiết bị bay hơi (hình a). Van tiết lưu tự động cân bằng trong có 01 cửa thông giữa khoang môi chất chuyển động qua van với khoang dưới màng ngăn.
- Van tiết lưu tự động cân bằng ngoài: 
Lấy tín hiệu nhiệt độ và áp suất đầu ra thiết bị bay hơi (hình b). Van tiết lưu tự động cân bằng ngoài, khoang dưới màng ngăn không thông với khoang môi chất chuyển động qua van mà được nối thông với đầu ra dàn bay hơi nhờ một ống mao
 Hình 4.14 - Cấu tạo bên trong của van tiết lưu tự động
 Hình 4.15. Cấu tạo bên ngoài của van tiết lưu tự động 
+ Lắp đặt van tiết lưu tự động:
Trên hình 1.24 là sơ đồ lắp đặt van tiết lưu tự động cân bằng trong và ngoài. Điểm khác biệt của hai sơ đồ là trong hệ thống sử dụng van tiết lưu tự động cân bằng ngoài có thêm đường ống tín hiệu áp suất đầu ra dàn bay hơi. Các ống nối lấy tín hiệu là những ống kích thước khá nhỏ Φ3 ÷ Φ4.
 Hình 4.16. Sơ đồ lắp van tiết lưu tự động
Van TLTĐ cân bằng trong; b. Van TLTĐ cân bằng ngoài. 
+ Chọn van tiết lưu tự động:
Việc chọn van tiết lưu tự động căn cứ vào các thông số sau: 
- Môi chất sử dụng 
- Công suất lạnh Qo, Tons 
- Phạm vi nhiệt độ làm việc : Nhiệt độ bay hơi. 
- Độ giảm áp suất qua thiết bị tiết lưu.
Việc chọn van tiết lưu phải phù hợp với công suất và chế độ nhiệt của hệ thống. Trong trường hợp chọn công suất của van lớn thì khi vận hành thường hay bị ngập lỏng và ngược lại khi công suất của van nhỏ thì lượng môi chất cung cấp không đủ cho dàn lạnh ảnh hưởng nhiều đến năng suất lạnh của hệ thống. 
- Khi lắp đặt van tiết lưu tự động cần chú ý lắp đặt bầu cảm biến đúng vị trí quy định, cụ thể như sau : 
+ Đặt ở ống hơi ra ngay sau dàn lạnh và đảm bảo tiếp xúc tốt nhất bằng kẹp đồng hay nhôm, để tránh ảnh hưởng của nhiệt độ bên ngoài cần bọc cách nhiệt bầu cảm biến cùng ống hút có bầu cảm biến. 
+ Khi ống hút nhỏ thì đặt bầu ngay trên ống hút, nhưng khi ống lớn hơn 18mm thì đặt ở vị trí 4 giờ. 
+ Không được quấn hoặc làm dập ống mao dẫn tới bầu cảm biến
7.Tính chọn đường ống tủ cấp đông.
7.1.Tính chọn vật liệu.
 Về lưu lượng: đơn vị m3/h hoặc lít/phút (L/min). Chọn theo lưu lượng mình cần.
ví dụ:
   +  Trong một giờ thì bơm đầy bồn 3 mét khối => lưu lượng 3 khối/giờ.
   +  Muốn bơm đầy 2 bồn, mỗi bồn 4 mét khối trong 3 giờ =>8 khối/3giờ =>2,7 khối/giờ.
   +  Trên máy có sẳn lưu lượng cần bơm qua, rồi lấy tổng lưu lượng các máy ra lưu lượng chính.
7.2.Tính chọn đường kính.
Đường ống có nhiều dạng khác nhau nhưng hay gặp nhất là dạng tròn và đặt biệt thông dụng là dạng có hình chứ nhật. Khi tính trở kháng (tổn thất áp suất) cho 1m chiều dài ống, thường người ta sử dụng đường kính ống dẫn làm đại lượng mốc (tương tự như tính trở kháng cho 1m chiều dài ống nước ở chương). Nếu đoạn ống chữ nhật chiều dài 1m với kích thước a x b có cùng trở kháng như đoạn ống tròn, ta coi đoạn ống chữ nhật có đường kính tương đương như đoạn ống tròn. Đường kính tương đương của ống chữ nhật được tính theo công thức:
7.3.Phương pháp thi công.
TT
Tên công việc
Thiết bị - dụng cụ
Tiêu chuẩn thực hiện
01
Đọc bản vẽ mặt bằng lắp đặt
Bản vẽ mặt bằng lắp đặt, Giấy bút
Chính xác
Đầy đủ
02
 Đọc bản vẽ thiết kế hệ thống lạnh
Bản vẽ thiết kế hệ thống lạnh, Giấy bút
Chính xác
Đầy đủ
03
Đọc bản vẽ mạch điện động lực và điều khiển
Bản vẽ mạch điện động lực và điều khiển, Giấy bút
Chính xác
Đầy đủ
04
Chuẩn bị trang thiết bị phục vụ lắp đặt
Dụng cụ cơ khí, Dụng cụ đo kiểm, Thiết bị thi công, Thiết bị an toàn
Đầy đủ
8.Tính chọn cách nhiệt tủ cấp đông.
8.1.Cách nhiệt bằng panen tấm.
Dàn lạnh kiểu bay hơi được sử dụng tương đối nhiều tại Liên Xô (cũ) để làm lạnh nước muối.
Dàn gồm các ống góp trên và ống góp dưới. Các ống trao đổi nhiệt có dạng ống thẳng đứng nối giữa 2 ống góp. Dàn lạnh kiểu panel có ưu điểm là dễ chế tạo, nhưng chiếm thể tích tương đối lớn làm cho kích cỡ bể đá lớn làm tăng chi phí đầu tư và vận hành.
Các thông số kỹ thuật của dàn lạnh pênl làm lạnh nước muối như sau:
- Tốc độ nước muối trong bể (qua dàn): 0,5đến 0,8 m/s.
- Hệ số truyền nhiệt : k = 460 đến 580 W/m2.K.
- Độ chênh nhiệt độ : 5 đến 6 oK.
- Mật độ dòng nhiệt : qkf = 2900 đến 3500 W/m2.
- Diện tích dàn : 20 đến 320 m2.
8.2.Cách nhiệt bằng mút.
Độ bám dính PE và OPP >= 45 N/m2.(theo tiêu chuẩn ASTMD903-93).
 Khả năng giảm nhiệt 50-80%.(thử nghiệm bằng dụng cụ chuyên dùng).
 Khả năng giảm âm 30-60%.(theo tiêu chuẩn TCVN6851-2-2001).
 Độ bền đâm thủng từ 45-60N.(theo tiêu chuẩn TCVN4639-88).
 Độ bền kéo đứt từ 1300-1500N/m2. (theo tiêu chuẩn TCVN5721-1993).
 Khả năng lão hoá tự nhiên màng OPP trong 10năm là 2% (TCVN5821-1994).
 Độ dày màng OPP đo thực tế là 0.12mm.
8.3.Cách nhiệt bằng phom.
Hình 9.3 phôm PU dạng panel
Phôm PU  là những tấm cách nhiệt kho lạnh với lõi cách nhiệt PolyUrethan, có độ dày từ 50 ÷ 150 mm hai mặt trong và ngoài được bao bọc bởi tole colorbond hoặc I-nox dày 0,45 mm ÷ 0,5 mm. Mỗi tấm Panel PU có: chiều rộng từ 600 mm ÷ 1160 mm, chiều dài từ 1200 mm ÷ 11600 mm và được liên kết với nhau bằng khoá CamLock.
8.4.Phương pháp thi công.
TT
Tên công việc
Thiết bị - dụng cụ
Tiêu chuẩn thực hiện
01
Đọc bản vẽ mặt bằng lắp đặt
Bản vẽ mặt bằng lắp đặt, Giấy bút
Chính xác
Đầy đủ
02
 Đọc bản vẽ thiết kế hệ thống lạnh
Bản vẽ thiết kế hệ thống lạnh, Giấy bút
Chính xác
Đầy đủ
03
Đọc bản vẽ mạch điện động lực và điều khiển
Bản vẽ mạch điện động lực và điều khiển, Giấy bút
Chính xác
Đầy đủ
04
Chuẩn bị trang thiết bị phục vụ lắp đặt
Dụng cụ cơ khí, Dụng cụ đo kiểm, Thiết bị thi công, Thiết bị an toàn
Đầy đủ
9.Phương pháp lắp đặt tủ cấp đông.	
	* Lắp đặt kho(hầm) cấp đông: 
 	Do hàng cấp đông đưa vào kho đặt trên các xe tải trọng lượng khá lớn nên nền được xây dựng giống như kho xây. Các tấm panel cũng được liên kết với nhau như kho lạnh bảo quản nhờ các khoá camlocking. Phía bên trong hầm cấp đông có hệ thống kênh hướng gió và panel bảo quản panel tránh xe va đập làm thủng lớp tôn bảo vệ. 
CÂU HỎI BÀI TẬP:
Câu 1: Hãy nêu cách tính toán thiết kế tủ cấp đông?
Câu 2 : Xác định lượng nhiệt bức xạ mặt trời lớn nhất có khả năng xâm nhập vào không gian điều hòa qua một cửa sổ bằng kính tại Hà Nội, cửa sổ quay về hướng Đông tháng 6, khung kiểu loại, (nhiệt độ đọng sương trung bình ts = 27°C), kính cơ bản, diẹn tích cửa sổ kể cả khung là 4m2?
Câu 3 : kho lạnh làm lạnh 200 kg thịt heo, cho biết tN = 32,8°C, dN = 23g/kg, dT = 14g/kg, tT = 25°C. Xác định QhN và QaN?
YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 4
Nội dung:
+ Về kiến thức: Hiểu được sơ đồ nguyên ‎ của hệ thống lạnh,
. Biết tính toán thiết kế hệ thống lạnh
+ Về kỹ năng: Áp dụng phù hợp với từng loại động cơ, phù hợp với đặc tính, trạng thái làm việc của hệ thống sản xuất.
+ Về thái độ: Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn và vệ sinh công nghiệp
Phương pháp:
+ Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
 [1]. Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tuỳ, Đinh Văn Thuật 
“ Kỹ Thuật Lạnh Ưùng Dụng”, NXB Giáo Dục,2002
[2]. Trần Đức Ba, Phạm Văn Bôn
“Công Nghệ Lạnh Thực Phẩm Nhiệt Đới”
Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM, 1993
[3]. Nguyễn Đức Lợi
“Hướng Dẫn Thiết Kế Hệ Thống Lạnh”
NXB Khoa Hoc Kỹ Thuật, Hà Nội, 2002
[4].Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy
“Kỹ thuật lạnh cơ sở”, NXB Giáo Dục, 2002
[5].Viện sĩ Trần Đức Ba ( chủ biên)
“Kỹ Thuật Lạnh Đại Cương”, Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM
[6]. Khoa Công Nghệ Hoá Học, bộ môn Máy & Thiết Bị 
Giáo Trình “ Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hoá Học”, Hướng Dẫn Đồ Aùn Môn Học
Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM,1993
[7]. Phạm Văn Bôn (chủ biên), Nguyễn Đình Thọ
“Quá Trình Và Thiết Bị Trong Công Nghệ Hóa Học” –tập 5- “Quá Trình Và Thiết Bị Truyền Nhiệt”
NXB Đại Học Bách Khoa TpHCM, 2002
[8]. Các tác giả
“Sổ Tay Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hoá Chất – tập 1,2”
NXB Khoa Học & Kỹ Thuật, Hà Nội, 1992
[9]. Trần Thanh Kỳ
“Máy Lạnh”, Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM, 1994
[10]. Trần Thế San, Nguyễn Đức Phấn
“Thực Hành Lỹ Thuật Cơ Điện Lạnh”, NXB Đà Nẵng
[11]. Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tuỳ
“Máy Và Thiết Bị Lạnh”, NXB giáo dục, 1993
[12]. Trần Đức Ba, Đỗ Văn Hải
“Cơ Sở Hoá Học Quá Trình Xử Lý Nước Cấp Và Nước Thải”
[13]. Trần Hùng Dũng, Trần Văn Nghệ
“Quá Trình Và Thiết Bị Trong Công Nghệ Hóa Học” –tập 11- “ Bài Tập Và Hướng Dẫn Thiết Kế Máy Lạnh Trạm Lạnh, Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM
[14]. Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam
“Quá Trình Và Thiết Bị Trong Công Nghệ Hóa Học” –tập 10- “ ví dụ và bài tập”, Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM