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

Phân loại thiết bị bốc hơi

Theo đối tượng được làm lạnh

• Làm lạnh chất lỏng
• Làm lạnh chất khí
• Làm lạnh vật phẩm rắn
• Thiết bị bốc hơi ngưng tụ

Theo điều kiện tuần hoàn đối tượng làm lạnh

• Loại kín (ví dụ: kiểu vỏ – ống và vỏ – ống xoắn)
• Loại hở (ví dụ: bể muối trong sản xuất đá)

Theo kết cấu

• Ống có cánh
• Ống trơn

Đặc điểm kết cấu

Thiết bị bốc hơi cho freon

• Có thêm cánh (bề cao 1,45 – 1,6mm, hệ số cánh 3,5 – 3,8)
• Chênh lệch nhiệt độ lớn hơn (Δt0 = 6 – 8°C)
• Độ dày tác nhân lỏng thấp hơn (~0,6D)
• Hệ số cấp nhiệt phía freon sôi thấp hơn phía chất tải lạnh (nếu là môi trường lỏng)

Thiết bị bốc hơi cho NH3

• Không cần thêm cánh
• Chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn (Δt0 = 5°C)
• Độ dày tác nhân lỏng cao hơn (0,8D)

Các dạng khác

• Dạng xối – tưới hoặc nhúng ngập:
  • Chất tải lạnh (thường là nước hoặc nước muối) đi ngoài ống
  • Tác nhân lạnh sôi trong ống
  • Có thể tổ hợp ống thành giàn
• Kiểu panen đứng:
  • Gồm những tấm 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)

Lưu ý

• Vật liệu đồng cho freon đắt hơn vật liệu thép cho NH3
• Hỗn hợp lỏng – hơi của freon khi sôi có hiện tượng bùng nổ, tạo bọt do lẫn dầu máy nén

Thiết bị làm lạnh không khí

Phân loại

Phân loại theo cách tiếp xúc giữa không khí và bề mặt

• Loại ướt: Thiết bị làm lạnh sử dụng nước hoặc chất lỏng để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt.
• Loại khô: Thiết bị làm lạnh không sử dụng nước, chỉ dựa vào không khí để làm lạnh.

Phân loại theo phương thức làm lạnh

• Thiết bị làm lạnh trực tiếp: Khi trong ống là tác nhân lạnh sôi.
• Thiết bị làm lạnh gián tiếp: Khi trong ống là chất tải lạnh chảy.

Quá trình truyền nhiệt: Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị làm lạnh không khí thường xảy ra giữa một lưu chất lỏng trong ống và không khí bên ngoài ống.

Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt: Để cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt, 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

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

Ống có cánh tản nhiệt

• Sử dụng phổ biến để tăng hiệu quả làm lạnh về phía không khí.
• Trường hợp không khí quá ẩm (tạo nhiều tuyết và nước đá): Sử dụng ống trơn để tránh tích tụ tuyết trên bề mặt ống lạnh.

Các loại cánh tản nhiệt:

• Cánh tấm phẳng
• Cánh xoắn vis không hàn:
  • Làm từ dải thép, nhôm hoặc đồng, xoắn quanh ống.
  • Bước vis: từ 30mm đến 20mm (tối thiểu 15mm cho thiết bị có xả tuyết tự động).
• Cánh xoắn vis có hàn
• Cánh xoắn vis liền (đúc/ép):
  • Sử dụng cho ống dày (5 – 6mm).
  • Cánh có mặt hình thang, bước cánh khoảng 14mm.
  • Hệ số cánh: 19,6, thích hợp cho máy điều hòa không khí tách ẩm.
• Cánh ngang rời (nhôm ép lên ống):
  • Ưu điểm: dễ chế tạo, hiệu quả truyền nhiệt cao, giảm trở lực dòng chảy.
  • Hệ số cánh: 10 – 25.
• Cánh tấm phẳng: Có thể có bề mặt phẳng, gợn sóng, hoặc dích dắc để tạo độ rối, tăng hiệu quả trao đổi nhiệt.

Lưu ý về thiết bị làm lạnh không khí trong phòng lạnh và làm lạnh đông:

• Bước cánh: 10 – 12mm.
• Cần chú ý tẩy tuyết và phá băng định kỳ để duy trì hiệu quả hoạt động.

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

Loại thiết bị làm lạnh không khí này có bề mặt giàn lạnh được xối tưới bằng:

• Nước
• Dung dịch etylenglycol
• Thủy tinh hữu cơ lỏng

Mục đích của việc xối tưới là để: tăng cường hiệu quả truyền nhiệt và cản trở sự bám tuyết trên bề mặt giàn ống.

Sự trao đổi nhiệt xảy ra theo hai cách:

• Giữa không khí và màng chất lỏng trên bề mặt ống lạnh
• Giữa không khí và giọt chất lỏng rơi trong không gian giữa các ống

Đặc điểm của thiết bị làm lạnh không khí kiểu xối tưới:

• Hệ số cánh: khoảng 20 – 25
• Chiều cao cánh: 10 – 12 mm
• Bước cánh: 8 – 10 mm
• Đường kính ống: đến 25mm

Trong phòng bảo quản tĩnh (không khí đối lưu tự nhiên):

• Sử dụng giàn lạnh đứng quanh tường hoặc 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 trong phòng bảo quản tĩnh:

• Dựa vào sự đối lưu tự nhiên của không khí trong phòng
• Vận tốc không khí khoảng 0,4 – 0,5 m/s

Thiết bị ngưng tụ

Mục đích của thiết bị ngưng tụ

• Chuyển trạng thái tác nhân lạnh từ dạng hơi sang dạng lỏng
• Thực hiện thông qua trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài (nước, không khí hoặc kết hợp)

Phân loại

a. Theo chất giải nhiệt ngưng tụ:
– 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
– Thiết bị ngưng tụ – bốc hơi

b. Theo không gian ngưng tụ:
– Loại ngưng tụ ngoài ống (ví dụ: thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang)
– Loại ngưng tụ trong ống (ví dụ: giàn ống ngưng tụ trao đổi nhiệt với không khí hay nước, thiết bị ngưng tụ kiểu ống xoắn hay kiểu tấm bản)

c. Theo phương thức vận chuyển chất tải nhiệt:
– Thiết bị ngưng tụ tuần hoàn tự nhiên
– Thiết bị ngưng tụ tuần hoàn cưỡng bức chất tải nhiệt qua bề mặt truyền nhiệt

Đặc điểm bổ sung

– Trong tất cả các trường hợp đều có thể thay dòng lạnh (chất tải nhiệt)
– Có thể sử dụng một lưu chất khác để tận dụng nhiệt độ ngưng tụ chất thải ra của tác nhân lạnh
– Mục đích tận dụng nhiệt: 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

Phương thức truyền nhiệt: Không khí đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức để tải lượng nhiệt do tác nhân lạnh ngưng tụ tỏa ra.

Cấu tạo giàn ống:

• Cánh dày: 0,2 – 0,8mm.
• Bước cánh: 4 – 12mm.
• Hệ số cánh (β): 7 – 20.

So sánh với thiết bị làm lạnh không khí:

• Cấu tạo tương tự thiết bị làm lạnh không khí dùng ống có cánh.
• Khác biệt chính: Ống dày hơn để chịu áp suất cao hơn.

Thiết bị ngưng tụ dùng nước

Thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang

Ứng dụng: Phổ biến trong nông nghiệp và công nghiệp cho hệ thống lạnh vừa và lớn.

Ưu điểm: Gọn nhẹ, ít cồng kềnh.

Cấu tạo:

• Ống gắn vào hai mặt sàng ở hai đầu thiết bị.
• Chất tải nhiệt (nước): Chảy trong ống.
• Hơi tác nhân ngưng tụ: Đi ngoài ống.

Thông số kỹ thuật:

• Phụ tải nhiệt riêng: 4 – 5 kW/m².
• Vận tốc nước 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.

Thiết bị ngưng tụ ống chùm thẳng đứng

Nguyên lý hoạt động: Nước được cấp vào mặt trong ống, tạo màng mỏng chảy xuống nhờ bộ phận phân phối kiểu chóp và lỗ.

Ưu điểm: Có thể dùng nước có độ sạch không cao (nước sông, biển, ao hồ).

Hệ số truyền nhiệt (K): 800 W/m²·°C với độ chênh lệch nhiệt độ 4 – 7°C.

Thiết bị ngưng tụ tấm bản

Cấu tạo:

• Làm từ các tấm kim loại dày khoảng 1mm, dập gợn sóng, hàn ép để tạo thành ống dẫn tác nhân lạnh ngưng tụ.
• Có khả năng chịu chênh lệch áp suất cao giữa hai lưu chất (lưu chất cao áp đi trong rãnh ống).

Cụm tấm bản: Các tấm được chồng lên nhau để tạo dòng chảy rối cho lưu chất bên 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

• 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

---

*Nguồn tham khảo: Kỹ thuật lạnh thực phẩm – Nguyễn Xuân Phương