Quá trình làm việc của hệ thống máy lạnh chuyển tiếp (cascade)

Hệ thống máy lạnh chuyển tiếp (cascade) sử dụng hai chu trình làm lạnh riêng biệt, kết hợp với nhau để đạt được nhiệt độ thấp hơn so với hệ thống máy lạnh thông thường.

Chu trình sử dụng 1 môi chất lạnh

Trong công nghiệp nhất là công nghiệp hoá lỏng không khí, hoá lỏng khí đốt, nhiều trường hợp đòi hỏi nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh rất thấp, không được quá -100^oC. Đạt được nhiệt độ này rất khó nếu chỉ dùng những môi chất lạnh bình thường với các chu trình nén một, hai hay ba cấp, vì nhiệt độ đóng băng của NH₃, khá cao, ở -77,9^oC, cho nên giới hạn dưới cho phép của NH₃ với t_o ≥ -70^oC.

Vì vậy người ta phải dùng những môi chất lạnh có nhiệt độ đóng băng rất thấp như R₂₃ (-163^oC), propan (C₂H₈ = -187,1^oC), etan C₂H₆ = -183,2^oC)…

Nhưng nếu chỉ dùng những môi chất lạnh này thì sẽ tốn nhiều công nén vi nhiệt độ tới hạn của chúng thấp. Mặt khác, nếu t_o thấp mà chỉ dùng một môi chất lạnh thì ΔP trong máy sẽ quá lớn. Phần lớn các môi chất lạnh bốc hơi với to thấp lại cần áp suất chân không thấp, cho nên dễ lọt không khí từ ngoài vào hệ thống.

Đối với hệ thống suppap của máy nén cũng tránh đổ chân không nhiều trong máy (các máy nén hiện đại hệ thống supap cua nó chỉ đảm bảo làm việc với áp suất hút nhỏ nhất là 0,1 ata. Một tuabin lạnh có thể làm việc với áp suất hút tới 0,06 ata. Vì thế người ta phải dùng hệ thống máy lạnh chuyển tiếp với 2, 3 môi chất lạnh.

Chu trình sử dụng 2, 3 môi chất lạnh

Trong trường hợp này thường có hai chu trình song song nhau, chu trình trên (tầng trên) dùng để giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ K của tầng dưới.

a) Sơ đồ nguyên lý làm việc
b) Chu trình làm việc biểu diễn trên đồ thị IgP – I.
c) d) chu trình làm việc của máy lạnh chuyển tiếp dùng một môi chất lạnh, biểu diễn trên đồ thị t – s, biểu diễn trên đồ thị IgP – I.

Chu trình dưới là chính, là khâu cung cấp nhiệt cho chu trình trên và cung cấp lạnh cho trạm lạnh. Thường dùng môi chất cho tầng trên là NH₃, R₂₂… là các môi chất lạnh có áp suất không lớn lắm, và cho tầng dưới là R₁₃ , R₂₃, … là những môi chất lạnh có áp suất cao, không đòi hỏi độ chân không nhiều khi cần t_o khá thấp, và có t_đb rất thấp.

Ta gọi chênh lệch áp suất giữa thiết bị ngưng tụ và thiết bị bốc hơi là ΔP = P_k – P_o2 thì ở đây chênh lệch áp suất của mỗi cấp nén chỉ còn là:

ΔP₁ = P_k – P_o1 << ΔP (ở tầng trên)
ΔP₂ = P_o1  – P_o2 << ΔP (ở tầng dưới)

Trong hệ thống người ta không dùng bình làm mát trung gian, mà chi dùng một thiết bị bốc hơi – ngưng tụ L – K, trong đó môi chất lạnh của tầng trên bốc hơi với áp suất P_o1 còn môi chất lạnh ở tầng dưới ngưng tụ với áp suất P_o1 + ΔP_o

Một số trường hợp người ta dùng một môi chất lạnh cho cả hai tầng của máy lạnh chuyển tiếp nhằm giảm chênh lệch áp suất trong từng cấp máy so với máy nén lạnh một cấp. Loại máy Cascade dùng với hai môi chất thường chỉ gặp ở máy lạnh freon.