Các thiết bị truyền nhiệt cơ bản trong hệ thống lạnh

Do tính đa dạng của công nghệ sử dụng lạnh nên dẫn đến sự đa dạng của thiết bị truyền nhiệt. Bài viết dưới đây chúng tôi sẽ đề cập đến những dạng thiết bị trao đổi nhiệt thông dụng nhất trong hệ thống lạnh dùng cho thực phẩm.

Thiết bị bốc hơi

Thiết bị bốc hơi rất đa dạng người ta có thể phân loại chúng ra các dạng sau:

• Phân loại theo đặc trưng đối tượng được làm lạnh, thiết bị bốc hơi để làm lạnh chất lỏng, làm lạnh chất khí, làm lạnh vật phẩm rắn và thiết bị bốc hơi ngưng tụ.
• Phân loại theo đặc trưng điều kiện tuần hoàn đối tượng được làm lạnh, ta có hai loại: loại kín (như thiết bị bốc hơi kiểu vỏ – ống và kiểu vỏ – ống xoắn) và loại hở (có mức chất lỏng hở như bể muối trong sản xuất đá).
• Phân loại theo độ dày của tác nhân lạnh trong thiết bị bốc hơi.
• Phân loại theo kết cấu thiết bị bốc hơi, là có loại ống có cánh và loại ống trơn.

Về kết cấu thiết bị bốc hơi dùng cho các freon khác với loại dùng cho NH₃ do hệ số cấp nhiệt phía freon sôi thấp hơn phía chất tải lạnh (nếu là môi trường lỏng) vì vậy người ta phải làm thêm các cánh với bể cao 1,45 – 1,6mm bước cánh nhỏ (hệ số cánh khoảng 3,5 – 3,8) về phía freon sôi.

Mặt khác do vật liệu đồng chế tạo thiết bị bốc hơi cho freon đắt hơn vật liệu thép nên khi thiết kế thiết bị bốc hơi cho freon chọn chênh lệch nhiệt độ giữa hai lưu chất lớn hơn (Δ_t0 = 6 – 8⁰C) so với trường hợp thiết bị bốc hơi cho NH₃ (Δ_t0 = 5⁰C).

Mức độ dày của tác nhân lòng trong thiết bị bốc hơi với freon cho phép lấy thấp (~0,6D) hơn so với NH₃ (= 0,8D) vì hỗn hợp lỏng – hơi của freon khi sôi có lẫn dầu máy nén có hiện tượng bùng nổ, tạo bọt.

Đối với thiết bị bốc hơi dạng xối – tưới hay nhúng ngập thì chất lài lạnh (thường là nước hoặc nước muối) đi ngoài nóng, còn tác nhân lạnh sôi trong ống. Trường hợp này có thế tổ hợp ống thành giàn.

Ngoài ra còn có thiết bị bốc hơi kiểu panen đứng nó gồm những bể mặt truyền nhiệt là những lấm kim loại hình chữ nhật đứng nhúng vào thùng chứa chất tải lạnh (có dùng cánh khuấy) hoặc ôm quanh vỏ của thùng chứa chất tải lạnh (kiểu kết cấu thùng lên men bia). 

Thiết bị làm lạnh không khí

Tuỳ thuộc cách tiếp xúc giữa không khí với bề mặt mà người ta phân loại thiết bị làm lạnh không khí loại ướt và loại khô. Ngoài ra tuỳ theo phương thức làm lạnh mà người ta còn chia ra loại thiết bị làm lạnh trực tiếp và gián tiếp. Khi trong ống là tác nhân lạnh sôi thì gọi là thiết bị làm lạnh trực tiếp. Khi trong ống là chất tải lạnh chảy thì gọi là thiết bị làm lạnh gián tiếp.

Thông thường quá trình truyền nhiệt trong thiết bị làm lạnh không khí là quá trình truyền nhiệt giữa một lưu thế trong ống là lỏng với lưu thế ngoài ống là không khí.

Để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt phía ngoài ống với không khí người ta thường phun nước thành mưa hoặc tưới lên bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt.

Thiết bị làm lạnh không khí kiểu khô

Loại này thường dùng loại ống (hoặc giàn ống) có cánh tản nhiệt về phía không khí. Trong 1 trường hợp không khí quá ẩm làm quá trình có tạo nhiều tuyết và nước đá liên bề mặt ống lạnh thì phải dùng ống trơn. 

Cánh của ống rất đa dạng: loại tấm phẳng, loại xoắn vis không hàn, và loại xoắn vis có hàn, loại xoắn vis đúc, loại cánh rời…Trong đó loại cánh ngang rời bằng nhôm ép lên ống có nhiều ưu điểm về chế tạo hiệu quả truyền nhiệt và giảm trở lực dòng chảy. Hệ số cánh loại này là 10 – 25. Cánh loại tấm có thể là dạng phăng, gợn sóng hoặc dích dắc đế tạo độ chảy rối của dòng chảy.

Loại xoắn vis không hàn làm từ các dải (băng) bằng thép, nhôm hay đồng được xoắn quanh ống với bước vis từ 30mm đến 20mm và không được nhỏ hơn 15mm đối với các thiết bị làm lạnh không khí có xả tuyết tự động.

a) modun cơ bản; b) tổ hợp một số modun; c) thiết bị làm lạnh không khí kiểu treo trần hay có chân đỡ độc lập

Cánh loại xoắn vis liền tạo bằng cách đúc hay ép chỉ dùng cho các ống dày (6 đến 5mm) tạo cánh có mặt cánh hình thang, bước cánh cao chừng 14mm. Hệ số cánh khoảng 19,6 dùng thích hợp cho máy điều hòa không khí có tách ẩm dạng nước chảy từ bề mặt ống lạnh.

Các thiết bị thiết bị làm lạnh không khí đặt cho các phòng lạnh và làm lạnh đông thường có bước cánh 10 – 12 mm nên cần phải lưu ý việc tẩy tuyết phá băng cho chúng.

Thiết bị làm lạnh không khí kiểu ướt (xối tưới)

Loại thiết bị làm lạnh không khí kiểu này có bề mặt giàn lạnh được xối tưới bằng nước: dung dịch ctylenglycol hay thuỷ tinh hữu cơ lỏng để tăng cường hiệu quả truyền nhiệt. Sự trao đổi nhiệt xảy ra giữa không khí và màng chất lỏng trên bề mặt ống lạnh được bổ sung bằng sự trao đổi nhiệt giữa không khí và giọt chất lỏng rơi trong không gian giữa các ống. 

Ngoài ra chất lỏng xối tưới còn làm cản trở sự bám tuyết trên bề mặt giàn ống. 

Thường dùng các thiết bị làm lạnh không khí kiểu xối tưới với hệ số cánh khoảng 20 – 25, cánh cao 10 – 12 mm, bước cánh 8 – 10 mm, đường kính ống đến 25mm.

Để làm lạnh không khí trong phòng bảo quản tĩnh (không khí đối lưu tự nhiên) người ta thường dùng các giàn lạnh đứng quanh tường hay treo trần, dàn ống dựng quanh tường thường có 1 – 2 dãy, mỗi dãy có 12 – 16 ống theo chiều cao (nếu là ống ngang). Giàn ống treo trần cũng gồm 1 – 2 dãy nằm ngang, sự trao đổi nhiệt là nhờ vào sự đổi lưu tự nhiên của không khí trong phòng với vận tốc không khí khoảng 0,4 – 0,5 m/s.

Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh nhằm mục đích chuyển trạng thái tác nhân lạnh từ dạng hơi sang dạng lòng nhờ trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài (là nước, không khí hay kết hợp giữa chúng). Thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh được phân loại theo một số đặc điểm sau:

• Phân loại theo chất giải nhiệt ngưng tụ: Theo cách này người ta chia ra thiết bị ngưng tụ dùng khí (thường là không khí), thiết bị ngưng tụ dùng lỏng (thường là nước), thiết bị ngưng tụ dùng nền đất làm chất giải nhiệt và thiết bị ngưng tụ – bốc hơi.
• Phân loại theo không gian ngưng tụ người la chia ra: Loại ngưng tụ ngoài ống (như thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang) và loại ngưng tụ trong ống (như các gian ống ngưng tụ trao đổi nhiệt với không khí hay nước. thiết bị ngưng tụ kiểu ống xoắn hay kiểu tấm bản
• Phân loại theo phương thức vận chuyển chất tải nhiệt người ta chia ra thiết bị ngưng tụ tuần hoàn tự nhiên và thiết bị ngưng tụ tuần hoàn cưỡng bức chất tải nhiệt qua bề mặt truyền nhiệt. 

Trong tất cả các trường hợp đều có thể thay dòng lạnh (chất tải nhiệt). Trong thiết bị ngưng tụ bằng một lưu chất nào đó để tận dụng nhiệt độ ngưng tụ chất thải ra của tác nhân lạnh để đun nóng lưu chất đó phục vụ cho mục đích công nghệ khác.

a) thiết bị ngưng tụ dùng nước không tuần hoàn b) thiết bị ngưng tụ dùng nước có tuần hoàn c) thiết bị ngưng tụ bay hơi . d) thiết bị ngưng tụ bay hơi kết hợp thiết bị ngưng tụ thứ cấp: e) thiết bị ngưng tụ dùng không khí;

1-   trạng thái của dòng lạnh (lỏng). 1’- trạng thái của dòng lạnh (khí); 2- trạng thái của dòng hơi nóng: 2’ – trạng thái của dòng hơi lạnh: 3- trạng thái của dòng lạnh (lỏng); 3’ – trạng thái của dòng lạnh (khí); 4- trạng thái ra của dòng lỏng nóng (chất ngưng);

1- máy bơm, II- thiết bị ngưng tụ III. tháp rê, IV- bể (hồ) giải nhiệt nước. V- thiết bị ngưng tụ – bay hơi VI thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí {có thể kết hợp phun nước bổ sung; VI- quai gió

• Hình a) giới thiệu sơ đồ thiết bị ngưng tụ xuôi dòng làm lạnh bằng nước. Loại này thường dùng cho hệ thống lạnh có năng suất nhỏ ở các trạm lạnh và tàu thuỷ và nước sau khi sử dụng (trao đổi nhiệt) bỏ đi không tuần hoàn lại.
• Hình b) giới thiệu sơ đồ thiết bị ngưng tụ dùng nước có tuần hoàn bằng cách bổ sung thiết bị ngưng tụ giải nhiệt (làm mát) cho nước là tháp rê hay bể (hồ) giải nhiệt.
• Hình c) giới thiệu sơ đồ thiết bị ngưng tụ – bốc hơi [thường dùng trong các máy lạnh chuyên tiếp hay trong các thiết bị hóa lỏng không khí và sản xuất O₂, N₂, CO₂ …
• Hình d) giới thiệu sơ đồ thiết bị ngưng tụ bốc hơi kết hợp một thiết bị ngưng tụ thứ cấp để ngưng tụ hơi của dòng lạnh để tuần hoàn vào chu trình nhờ sử dụng một chất tải nhiệt thứ cấp một pha.

Thiết bị ngưng tụ dùng không khí

Thiết bị ngưng tụ loại này sử dụng không khí đối lưu tự nhiên hay cưỡng bức đề tải lượng nhiệt do tác nhân lạnh ngưng tụ tỏa ra. Loại thiết bị này thường dùng giàn ống có cánh (về phía không khí) cánh dày 0,2 – 0,8 mm, bước cánh 4 – 12 mm và hệ số cánh β = 7 – 20. 

Các loại thiết bị ngưng tụ dùng không khí cũng có cấu tạo tương tự như các thiết bị làm lạnh không khí dùng ống có cánh chỉ khác là ống dày hơn vì chịu áp cao hơn.

Thiết bị ngưng tụ dùng nước

Có những loại thiết bị ngưng tụ sau đây:

Loại thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang: Đây là loại thiết bị dùng khá phổ biến nông công nghiệp nhất là đối với những hệ thống lạnh có năng suất vừa và lớn. Ưu điểm của thiết bị này gọn nhẹ, ít cổng kềnh, ống được gắn vào hai mặt sàng ở hai đầu của thiết bị, chất tải nhiệt (nước) đi trong ống còn hơi tác nhân ngưng tụ đi ngoài ống. 

Các thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang dùng nước có phụ tải nhiệt riêng khoảng 4-5 kW/m2, vận tốc nước đi trong ống 0,8 – 1,5 m/s.

1- van an toàn; 2- Ống cân bằng hơi; 3, 10- ống vào và ra của tác nhân lạnh 4- áp kế; 5- xả khí không ngưng phía vỏ; 6- xả không khí phía ống; 7, 8- ống vào và ra của nước: 9- xả nước.

Loại thiết bị ngưng tụ ong chúm thằng đứng: Cũng tương tự như ống chùm nằm ngang nước được cấp vào mại trong của ống truyền nhiệt tạo thành màng mỏng chảy xuôi xuống nhờ bộ phận phân phối nước kiểu chóp và lỗ, ưu điểm của loại này là có thế dùng nước có độ sạch không cao như nước sông, biển, ao hồ và với độ chênh lệch nhiệt độ 4 – 70c thì hệ số truyền nhiệt của nó khá cao K = 800 W/m².độ.

Loại thiết bị ngưng tụ tấm bản: Loại này được chế tạo từ những tấm kim loại dày chừng chứng 1mm dập thành gợn sóng và hàn ép tạo thành ống dẫn tác nhân lạnh cần ngưng tụ và có thể chịu được chênh lệch áp suất giữa hai lưu chất (lưu chất cao áp di trong rãnh ống). Trong một thiết bị thì các tấm bản tạo thành cụm chồng lên nhau để tạo sự chảy rối cho lưu chất chảy ngoài rãnh ống. 

1 3- các tấm vỏ ép ngoài, 2- các tấm bản bề mặt trao đổi nhiệt; 4- chất làm lạnh vào và ra (nước, không khí..)
5 6- chất cần được làm lạnh vào và ra.

Thiết bị ngưng tụ kiểu làm lạnh bốc hơi

Loại thiết bị này có hai kiểu:

• Kiểu xối tưới: hiện nay ít dùng vì cổng kềnh, hiệu quả sử dụng không cao. –
• Kiểu làm lạnh bằng không khí và phun nước bổ sung.

Loại thiết bị thứ hai thích hợp cho vùng khí hậu khô nóng và hiếm nước, hiệu quả sử dụng thiết bị cao. 

a) sơ đồ hệ thống; b) biến thiên nhiệt độ các dòng theo chiều cao thiết bị;

1- quạt hút gió; 2- vỏ thiết bị : 3- bộ phận gần lỏng, 4- các vòi phun nước; 5, 6- ống hơi tác nhân vào và tác nhân lỏng ra; 7- cửa chớp lấy gió vào; 8- hố tạm chứa nước; 9- bổ sung nước mát. 10- bơm nước;

t , t_k – đường nhiệt độ tác nhân, t_w – dường nhiệt độ nước; t_b – đường nhiệt độ không khí