Chu trình làm việc của máy lạnh nén hơi 1 cấp

Máy lạnh nén hơi 1 cấp là một loại máy lạnh có chu trình làm việc đơn giản, thường được sử dụng trong các hệ thống điều hòa không khí gia đình và văn phòng. Dưới đây là chu trình làm việc cơ bản của máy lạnh nén hơi 1 cấp.

Chu trình Carnot ngược chiều 

Sơ đồ nguyên lý

Hình dưới đây biểu diễn sơ đồ thiết bị máy lạnh nén hơi làm việc theo chu trình Carnot ngược chiều gồm có: Máy nén C, thiết bị ngưng tụ C, thiết bị dãn nở T, thiết bị bay hơi E.

Đồ thị nhiệt động 

Chu trình Carnot ngược chiều là chu trình đơn giản nhất. Trên đồ thị T-s chu trình làm việc là 1 – 2 – 3 – 4 – 1. Bao gồm các quá trình: 

• 1-2 quá trình nén đoạn nhiệt (s₁ – s₂ = 0 hoặc Δs = 0), hơi được máy nén hút về ở trạng thái 1, trạng thái bão hòa, được máy nén nén đến trạng thái 2 là bão hòa khô. 
•  2-3 quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt, khi môi chất nhả nhiệt cho môi trường, điểm 3 nằm trên đường bão hòa lỏng. 
•  3-4 quá trình dãn nở đoạn nhiệt, có sinh công ngoại của môi chất trong thiết bị dãn nở. 
•  4-1 quá trình bay hơi đẳng nhiệt trong thiết bị bay hơi sinh lạnh.  

Năng suất lạnh riêng của chu trình là đoạn 4-1 trên đồ thị (p – h): q_o = h₁ – h₄, kJ/kg 

Công nén riêng l và công dãn nở có ích l_dn 

• l = h₂ – h₁ , kJ/kg 
• l_dn = h₃ – h₄, kJ/kg 

Công tiêu tốn cho chu trình là: l_ct = l – l_dn

Nhiệt thải ở dàn ngưng: q_k = h₂ – h₃, kJ/kg 

Hệ số lạnh của chu trình:  ε_c = q_o/l_c = T_e/T_c – T_e 

Chu trình Carnot ngược chiều có hệ số lạnh lớn nhất và được dùng để so sánh hiệu quả với các chu trình lạnh khác, được đánh giá qua hiệu suất exergy (hay trình độ hoàn thiện nhiệt động học)

 γ = ε/ ε_c

γ luôn nhỏ hơn 1, nếu γ càng gần 1 thì chu trình lạnh thực càng hiệu quả cao, có nghĩa hiệu suất lạnh cao. 

Chu trình Carnot có công tiêu hao nhỏ nhất. Hệ số lạnh lớn nhất song có hạn chế: 

• Máy nén hút hơi bão hòa ẩm dễ gây va đập thủy lực khí nén 
• Công ngoại sinh ra không lớn, song thiết bị dãn nở cồng kềnh

Chu trình trong vùng hơi bão hòa dùng van tiết lưu

Sơ đồ nguyên lý

Về cơ bản sơ đồ nguyên lý của chu trình tương tự chu trình Carnot ngược. Tuy nhiên, thiết bị dãn nở được thay bằng van tiết lưu. 

Đồ thị nhiệt động

Chu trình làm việc của hệ thống: 1 – 2 – 3 – 4 – 1. Bao gồm các quá trình sau:

• 1-2 quá trình nén đoạn nhiệt, môi chất máy nén hút vào là hơi bão hoà khô, trạng thái 1 (T_e, P_e) được nén đến trạng thái 2 (T₂, P_c) được đẩy sang thiết bị ngưng tụ.
• 2-3 quá trình ngưng tụ đẳng áp (P_c không đổi) xảy ra trong thiết bị ngưng tụ. Môi chất nhả nhiệt cho môi trường để ngưng tụ hoá lỏng.
• 3-4 quá trình tiết lưu đẳng enthalpy (h không đổi) xảy ra tại van tiết lưu. Kết quả môi chất từ trạng thái 3(T_c, P_c) lỏng được tiết lưu đến trạng thái 4(T_e, P_e).
• 4-1 quá trình bay hơi đẳng áp xảy ra trong thiết bị bay hơi, tại đây môi chất trao đổi nhiệt với đối tượng cần làm lạnh. Môi chất nhận nhiệt để bay hơi, đối tượng bị mất nhiệt được làm lạnh.

Khi dùng van tiết lưu thay cho thiết bị dãn nở, ta không thu được công ngoại (công dãn nở của môi chất). Công đó đã tiêu hao trong tiết lưu để khắc phục ma sát. Ma sát đó biến thành nhiệt truyền vào môi chất, do đó làm giảm năng suất lạnh riêng một giá trị tương ứng.

Chu trình bão hoà khô hay quá nhiệt

Khi máy nén hút hơi bão hoà ẩm, do hệ số tỏa nhiệt của hơi ẩm lớn nên xảy ra quá trình truyền nhiệt mạnh giữa hơi môi chất và các phần tử mà máy nén đi qua. Do nhận nhiệt hơi môi chất được làm khô, thể tích riêng của hơi tăng lên. Trong khi đó thể tích xy lanh không đổi, dẫn đến giảm lưu lượng khối lượng, làm giảm năng suất lạnh của máy.

Mặt khác, khi máy nén hút hơi bão hòa ẩm, khí nén dễ xảy ra hiện tượng va đập thuỷ lực dẫn đến hư hỏng máy.

Vì vậy, thực tế chu trình đều làm việc với môi chất hút vào máy nén là hơi quá nhiệt. Tuy nhiên, về lý thuyết chu trình làm việc với hơi hút vào máy nén là quá nhiệt, công tiêu hao tăng lên. Do vậy, hệ số lạnh cũng giảm.

Chu trình có quá lạnh môi chất

Khái niệm

Quá lạnh là quá trình giảm nhiệt độ môi chất sau ngưng tụ, để giảm tổn thất không thuận nghịch trong van tiết lưu. Việc quá lạnh môi chất có thể thực hiện ngay trong thiết bị ngưng tụ hoặc lắp thêm thiết bị làm quá lạnh sau thiết bị ngưng tụ.

Đồ thị nhiệt động

Trên đồ thị quá trình 3-3’ là quá trình môi chất được làm quá lạnh đẳng áp. Nhiệt độ môi chất giảm từ nhiệt độ ngưng tụ xuống nhiệt độ quá lạnh.

Nhờ quá lạnh môi chất trước tiết lưu nên năng suất lạnh riêng tăng lên. Công tiêu hao của chu trình không đổi. Do đó hệ số lạnh chu trình tăng.

Chu trình có thiết bị hồi nhiệt

Trong máy lạnh dùng môi chất Freon, người ta sử dụng chu trình hồi nhiệt. Trong chu trình này xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi môi chất sau quá trình bay hơi với môi chất lỏng sau ngưng tụ. Kết quả hơi môi chất hút vào máy nén được quá nhiệt, còn môi chất lỏng được quá lạnh trước tiết lưu.

Sơ đồ nguyên lý

Đồ thị nhiệt động

Chu trình sử dụng thiết bị hồi nhiệt làm năng suất lạnh tăng lên, đồng thời công ép nén cũng tăng.

Quá trình làm quá lạnh và quá nhiệt môi chất được thực hiện trong nội tại hệ thống. Nói chung, chu trình sử dụng thiết bị hồi nhiệt thực tế đều có lợi.