Chất tải lạnh trong kỹ thuật lạnh: khái niệm, ưu – nhược, các loại

Chất tải lạnh (chất làm lạnh) là một phần quan trọng trong các hệ thống lạnh và điều hòa không khí. Chúng hoạt động như một môi trường truyền nhiệt từ nơi cần làm lạnh đến nơi thải nhiệt ra ngoài. Dưới đây là một cái nhìn tổng quan về khái niệm, ưu nhược điểm và các loại chất tải lạnh phổ biến trong kỹ thuật lạnh:

Khái niệm

Chất tải lạnh là chất trung gian nhận nhiệt của đối tượng cần làm lạnh chuyển tới thiết bị bay hơi cấp cho môi chất lạnh sôi. Hệ thống lạnh dùng chất tải lạnh còn gọi là hệ thống lạnh gián tiếp.

Ưu nhược điểm

Ưu

• Có khả năng hấp thụ và thải nhiệt rất tốt, giúp các hệ thống làm lạnh hoạt động hiệu quả.
• Có nhiều loại chất tải lạnh khác nhau với các đặc tính khác nhau, đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau của các hệ thống làm lạnh.
• Độ an toàn cao, không gây cháy nổ, không độc hại và thân thiện với môi trường.
• Có khả năng trữ lạnh lớn, giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong một thời gian dài sau khi máy ngừng hoạt động.

Nhược

• Về mặt nhiệt động làm lạnh gián tiếp qua chất tải lạnh có tổn thất năng lượng lớn hơn do phải truyền nhiệt qua trung gian.
• Về kinh tế cũng tốn kém hơn do phải chi phí thêm thiết bị: bơm, dàn lạnh, đường ống cho vòng tuần hoàn chất tải lạnh.
• Khó sử dụng trực tiếp dàn bay hơi để làm lạnh sản phẩm.
• Khi có nhiều nơi tiêu thụ lạnh, khó kiểm soát được sự rò rỉ môi chất ở quá nhiều đường ống, dàn lạnh và tránh hệ thống phải nạp quá nhiều môi chất lạnh.
• Hiệu suất nhiệt kém hơn, tổn thất exergi lớn hơn, do phải làm lạnh gián tiếp qua vòng tuần hoàn chất tải lạnh, hiệu nhiệt độ bay hơi và buồng lạnh tăng, hệ số lạnh giảm và hiệu quả chu trình lạnh giảm.
• Thiết bị cồng kềnh hơn vì tốn thêm nhiều thiết bị cho vòng tuần hoàn chất tải lạnh : bơm, dàn, bể giãn nở…
• Vốn đầu tư ban đầu tăng.
• Tuy nhiên, khi xét từng trường hợp ứng dụng cụ thể, nhiều khi hệ thống gián tiếp lại đơn giản và kinh tế hơn.

Yêu cầu đối với chất tải lạnh

Tính chất vật lý

• Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh ít nhất là 5^℃, tránh làm nổ ống do nguy cơ đông đặc.
• Ít bay hơi hay nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển phải cao để không tổn thất chất tải lạnh đặc biệt khi không chạy máy lạnh.
• Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt phải lớn
• Nhiệt dung càng lớn càng tốt, khả năng trữ nhiệt càng lớn càng tốt.
• Độ nhớt và khối lượng riêng càng nhỏ càng tốt vì giảm được tổn thất áp suất trên đường ống.

Tính chất hóa học

• Không ăn mòn kim loại chế tạo máy, không ăn mòn thiết bị.
• Bền vững, không phân hủy trong phạm vi nhiệt độ làm việc.

Tính an toàn

• Không cháy nổ
• Không làm ô nhiễm môi trường.

Tính chất sinh lý

• Không độc hại với người và cơ thể sống.
• Không tác động xấu đến thực phẩm.

Tính kinh tế

Rẻ tiền, dễ kiếm, dễ vận chuyển, bảo quản.

Một số chất tải lạnh thường dùng

Nước

Nước là chất tải lạnh lý tưởng. Nó đáp ứng hầu hết các yêu cầu đã nêu. Nhược điểm duy nhất của nước là đông đặc ở 0^℃. Như vậy, để đảm bảo an toàn, nhiệt độ sôi của nước không được thấp hơn 5^℃. Chính vì lý do đó nước chỉ được sử dụng cho mục đích điều hòa không khí hoặc bảo quản rau quả ở nhiệt độ thấp.

Dung dịch muối NaCl

• Nước muối ăn cũng đáp ứng gần như đầy đủ các yêu cầu của một chất tải lạnh lý tưởng, rẻ tiền, dễ kiếm, an toàn.
• Ở nồng độ khối lượng 23,3% muối NaCl dung dịch đạt nhiệt độ cùng tinh (nhiệt độ hóa rắn thấp nhất) ở -21,1^℃. Như vậy, nhiệt độ sôi môi chất không được thấp hơn -16^℃.
• Nhược điểm khác của nước muối NaCl là gây han rỉ và ăn mòn thiết bị nhanh. Để giảm tính ăn mòn của nước muối, người ta thường cho thêm phụ gia hoặc các chất ức chế ăn mòn như cromat và photphat và đưa độ pH về giá trị trung tính.

Dung dịch muối CaCl₂

• Dung dịch nước muối CaCl₂ cũng đáp ứng được rất nhiều yêu cầu của một chất tải lạnh giống như NaCl, Tuy nhiên nước muối CaCl₂ không dễ kiếm như NaCl.
• Nước muối CaCl₂ dùng cho các ứng dụng có nhiệt độ thấp hơn NaCl. Ở nồng độ 29,6% khối lượng, nước muối đạt nhiệt độ cùng tinh – 55^℃. Như vậy nhiệt độ sôi của môi chất cho phép đến – 50^℃.
• Nhược điểm của CaCl₂ là ăn mòn thiết bị cũng giống như NaCl. Các biện pháp hạn chế ăn mòn bằng các phụ gia và chất ức chế cũng giống như đối với NaCl.
• Ngoài NaCl và CaCl₂ người ta còn sử dụng một số loại muối khác như K₂C0₃ hoặc MgCl₂, nhưng phạm vi sử dụng chúng không rộng rãi.

Metanol (CH₃OH)

Metanol còn gọi là rượu metylic không màu, rất độc (làm mù mắt và chết người), pha với nước thành dung dịch có mùi cồn, được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp xúc tác ở áp suất cao (250bar, 380℃) từ cacbon monooxit và hydro, dùng làm chất tải lạnh, dung môi cũng như để sản xuất fomandehit và chất dẻo. Nhiệt độ hóa rắn của metanol -125℃ ở nồng độ hơn 80% (pha dung môi là nước).

Etanol (C₂H₅OH)

Etanol còn gọi là rượu etylic dùng để uống, là chất lỏng không màu, hòa tan trong nước, dễ bắt cháy, có mùi đặc trưng là mùi cồn, có tác dụng gây say. Etanol được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp từ etan hoặc bằng cách lên men rượu vi sinh từ đường. Nhiệt độ hóa rắn của etanol khoảng gần -123℃, nồng độ trên 90%.

Glycol (C₂H₄(OH)₂)

Glycol là nhóm các hợp chất hữu cơ có nhóm chức (OH)₂. Ở đây là etylenglycol CH₂OH-CH₂OH. Ngoài etylenglycol người ta còn sử dụng propylenglycol C₃H₅(OH)₂. Các glycol là chất lỏng không màu, không mùi, có tính nhờn và có vị hơi ngọt, gây nổ gây cháy yếu khi đạt nồng độ > 3,2% thể tích trong không khí. Glycol dùng làm chất tải lạnh và tải nhiệt, ví dụ dùng để tỏa nhiệt động cơ ô tô ở các nước ôn đới và hàn đới cũng như dùng để sản xuất sợi polyester và các chất nổ. Glycol được dùng rộng rãi làm chất tải lạnh thay cho nước muối trong các nhà máy bia ở Việt Nam. Do glycol đắt hơn etanol 4 – 5 lần nên nhiều nhà máy bia dùng etanol thay cho glycol.

Cùng chủ đề:

Môi chất lạnh trong kỹ thuật lạnh: khái niệm, các loại phổ biến