Máy lạnh ghép tầng: sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình, tính toán

Để nhận được nhiệt độ thấp ngoài máy lạnh nhiều cấp người ta còn sử dụng máy lạnh ghép tầng. Trong cuộc chạy đua hóa lỏng các đơn khí của không khí máy lạnh ghép tầng được sử dụng với số tầng là 4.

Máy lạnh ghép tầng là hệ thống máy lạnh có nhiều tầng. Mỗi tầng là một hệ thống máy lạnh hoàn chỉnh. Thiết bị bay hơi của tầng trên và thiết bị ngưng tụ của tầng dưới tiếp theo.

Lý do sử dụng máy lạnh ghép tầng

Chu trình máy lạnh nhiều cấp về mặt lý thuyết có khả năng cho phép thực hiện được nhiệt độ khá thấp (-120^oC). Tuy nhiên đối với máy lạnh này ta chỉ sử một môi chất thì hoàn toàn không có lợi.

Ví dụ nếu ta sử dụng môi chất áp suất thấp, khi sôi ở nhiệt độ thấp thì áp suất sôi đạt độ chân không cao và trong một số trường hợp môi chất bị đóng băng, chẳng hạn NH₃ đóng băng ở – 78^oC. Nếu sử dụng môi chất áp suất cao, do nhiệt độ tới hạn của chúng thấp nên quá trình tiết lưu ở áp suất cao tổn thất sẽ rất lớn.

Để khắc phục những điểm đó, người ta sử dụng chu trình máy lạnh ghép tầng. Tầng dưới thường là máy lạnh 1 cấp dùng môi chất áp suất cao có nhiệt độ đóng băng thấp (ví dụ R13), do đó trong hệ thống tránh được độ chân không cao. Tầng trên có thể là máy lạnh 1 cấp hoặc 2 cấp dùng môi chất áp suất trung bình (chẳng hạn R22).

Đặc điểm của máy lạnh ghép tầng là thiết bị ngưng của tầng dưới đồng thời là thiết bị bay hơi của tầng trên. Do vậy, nhiệt độ ngưng của tầng dưới giảm và làm giảm tốt thất tiết lưu.

Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết

Sơ đồ trên là sơ đồ máy lạnh 2 tầng. Chu trình tầng trên 1₁, 2₁, 3₁, 4₁ và chu trình tầng dưới là 1₂, 2₂, 3₂, 4₂. Thiết bị bay hơi của tầng trên đồng thời là thiết bị ngưng tụ của tầng dưới.

Tính toán chu trình

Ta có t_k2 > t_o1. Tính toán riêng cho từng tầng, tính toán cho cả hệ (ε).

• t_k1 xác định theo t_w.
• t_o2 xác định theo t_f.

t_k2 và t_o1 nếu không có phụ tải lạnh trung gian thì xác định định hướng theo công thức sau:

t_k1 – t_o1= t_k2 – t_o2

Các trình tự tính toán tương tự cho máy lạnh 1 cấp.

Điều kiện để máy lạnh ghép tầng làm việc ổn định là: Q_o1 = Q_k2; nghĩa là công suất lạnh của tầng trên bằng nhiệt lượng ngưng tụ của tầng dưới khi bỏ qua các tổn thất nhiệt.

Kết luận:

• Do các tầng vận hành độc lập nên môi chất ở các tầng có thể khác nhau.
• Môi chất tầng dưới có nhiệt độ đông đặc nhỏ hơn nhiều so với môi chất tầng trên.
• Ở mỗi tầng có thể sử dụng máy lạnh nhiều cấp.
• Nếu 2 hệ thống lạnh gồm một hệ có nhiều cấp và 1 hệ có nhiều tầng (mỗi tầng là 1 máy lạnh 1 cấp) thì máy lạnh ghép tầng đạt độ lạnh sâu hơn.
• Khi thông số ở một tầng nào đó bị sai lệch thì các tầng khác đều bị ảnh hưởng. Ví lý do này mà máy lạnh ghép tầng rất khó tự động hóa. Vì vậy máy lạnh ghép tầng chỉ dùng rất hạn chế khi không thể dùng máy lạnh nhiều cấp