Máy lạnh một cấp nhiệt độ sôi âm 70oC

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 
Để thực hiện nhiệt độ âm 70 oC 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 
dụng. Nghiên cứu cho thấy thời gian khởi động máy lạnh 1 cấp nhiệt độ sôi âm 70 oC 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. 
1. Đặt vấn đề 
Thực phẩm kết đông siêu tốc có chất 
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 
________________________ 
 TS, Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa 
 ThS, Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa 
***
 KS, Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa 
phần trăm theo số mol lần lượt 
0,5/37,5/36/8,5/17,5. 
Máy lạnh 1 cấp sử dụng hỗn hợp môi 
chất lạnh 5 thành phần tạo được độ lạnh ở 
nhiệt độ sôi âm 70 o 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 
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. 
Nhằm nghiên cứu thời gian khởi 
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). 
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. 
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 
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 
nhiệt độ âm 70 o C là thời gian khởi động 
rất lâu vì trong hỗn hợp môi chất chứa 
thành phần khí argon. Khi máy dừng thời 
1 
2 
10 
8 
9 
14 
12 
5 
11 4 
6 
PI 
1 
PI 
2 
3 
PI 
3 
15 
13 
7 
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. 
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. 
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 
1 cấp nhiệt độ sôi âm 70 o 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. 
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 
)( oo pfQ , 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 . 
Hình 3: Sự phụ thuộc năng suất lạnh vào áp 
suất bay hơi )( oo pfQ 
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. 
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 
tích  và hiệu suất năng của máy nén  vào 
tỷ số nén như hình 6. 
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 = -70
o
C, tk 
= 40 
o
C khi sử dụng các loại môi chất 
lạnh khác nhau được thể hiện ở bảng sau: 
TT Môi chất lạnh 
po 
bar 
pk 
bar 
Hệ số 
nén 
Hiệu suất 
năng lượng 
 
Hiệu suất 
thể tích 
 
1 R134a 0,08 10,17 127 0 0 
2 R22 0,21 15,34 73 0 0 
3 R404A 0,28 18,29 65 0 0 
4 R410A 0,26 24,26 93 0 0 
5 407C 0,24 17,49 73 0 0 
6 NH3 0,19 15,55 82 0 0 
7 
Ar/R14/R23 
/R134a/R123 với tỉ lệ 
phần trăm theo số mol 
0,5/37,5/36/8,5/17,5 
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. 
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 = -70
oC, tk = 40
oC 
đạt hiệu suất năng lượng của chu trình 
0,664 và hiệu suất thể tích của máy nén 
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. 
- 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 
o
C 
For reaching the negative temperature of 70 
o
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 
o
C and condensing temperature 40 
o
C, 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.