Máy lạnh nén khí: sơ đồ nguyên lý, đồ thị, phân loại

Máy lạnh nén khí là loại máy lạnh có máy nén nhưng môi chất tuần hoàn trong hệ thống không biến đổi trạng thái (từ hơi thành lỏng ở dàn nóng và từ lỏng thành hơi ở dàn lạnh) như ở máy lạnh nén hơi. Môi chất tuần hoàn trong máy nén khí luôn luôn ở thể khí.

Sơ đồ nguyên lý máy lạnh nén khí

Đồ thị nhiệt động

Tính chất chung của máy lạnh nén khí được xem xét ở đây là trên cơ sở của chu trình đơn giản nhất. Song trong thực tế, người ta áp dụng chu trình trao đổi nhiệt hở (với áp suất thừa và chân không).

Hầu hết ở nhiệt độ thấp hơn -80℃ người ta sử dụng rộng rãi máy lạnh “Gas” loại Filip mà môi chất lạnh của nó là Hydro hoặc Heli.

Ở trong vùng nhiệt độ từ -70℃ đến -120℃, không khí được sử dụng như một loại môi chất (không ngưng tụ). Bởi nhiệt độ tới hạn của nó là -140,7℃

Trên đây là chu trình đơn giản nhất của máy lạnh nén khí. Máy lạnh không khí sử dụng hiệu ứng giãn nở chứa môi chất không chuyển pha mà luôn tuần hoàn ở trạng thái hơi.

Chu trình máy lạnh nén khí gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và 2 quá trình đẳng nhiệt (hoạt động theo chu trình Carnot).

Trên chu trình lý thuyết, không khí được ép nén đoạn nhiệt quá trình 1-2, sau đó được làm mát đến nhiệt độ môi trường bên ngoài ở áp suất không đổi quá trình 2-3, sau đó giãn nở đoạn nhiệt trong máy dãn nở và sinh công ngoại quá trình 3-4. Không khí có nhiệt độ thấp được đẩy vào buồng lạnh để trao đổi nhiệt với đối tượng làm lạnh, sau đó lại được máy nén hút về.

Phân loại

Máy lạnh nén khí chu trình Joule đơn giản

Máy lạnh nén khí chu trình Joule đơn giản (không có thiết bị hồi nhiệt) 

a – Sơ đồ thiết bị ; b – Chu trình lý thuyết biểu diễn trên đồ thị T – s ; c – Chu trình thực
MN-Máy nén ; DN- Dàn nóng (thải nhiệt); DN – Máy dãn nở ; DL – Dàn lạnh (thu nhiệt); BL – Buồng lạnh.

Các quá trình trong máy lạnh nén khí chu trình Joule là :

• 1.2 – Quá trình nén đoạn nhiệt s₁ = s₂ trong máy nén MN.
• 2.3 – Quá trình thải nhiệt cho môi trường ở dàn nóng DN với áp suất không đổi (đẳng áp p = const).
• 3.4 – Quá trình giãn nở đoạn nhiệt s₃ = s₄ trong máy dãn nở DN
• 4.1 – Quá trình thu nhiệt đẳng áp (p_o = const) ở dàn lạnh DL trong buồng lạnh BL.

Dàn lạnh biểu diễn trên hình là dàn lạnh hở vì môi chất ở đây là không khí và áp suất p_o là áp suất khí quyển.

Người ta cũng có thể làm dàn lạnh kiểu kín như một thiết bị trao đổi nhiệt không khí/không khí. Nhưng dàn lạnh kín chịu tổn thất trao đổi nhiệt không thuận nghịch với Δt và có tổn thất áp suất lớn nên hiệu suất chu trình giảm.

Máy lạnh có dàn lạnh kín tương ứng là chu trình kín và máy có dàn lạnh hở tương ứng là chu trình hở. Đối với máy lạnh môi chất là không khí thì máy lạnh chu trình hở có nhiều ưu điểm và đạt hiệu suất cao hơn máy lạnh chu trình kín.

Máy lạnh nén khí chu trình Joule có hồi nhiệt

Để có thể tạo được nhiệt độ thấp hơn người ta sử dụng hồi nhiệt là một thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng bố trí giữa dòng khí nóng tới máy dãn nở và khí lạnh trước khi về máy nén. Sau đây là các quá trình cơ bản :

• 1.2 : quá trình nén đoạn nhiệt với trạng thái 1 là không khí có nhiệt độ và áp suất môi trường.
• 2.3 : Quá trình làm mát đẳng áp trong dàn nóng DN,
• 3.4 : Quá trình giảm nhiệt độ trong hồi nhiệt HN,
• 4.5 : Quá trình dãn nở trong máy dãn nở,
• 5.6 : Quá trình thu nhiệt (tạo hiệu ứng lạnh) trong buồng lạnh,
• 6.1 : Quá trình tăng nhiệt độ trong hồi nhiệt HN.

a) Sơ đồ thiết bị; b) Chu trình lý thuyết biểu diễn trên đồ thị T-S. HN – Hồi nhiệt (thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng).

Không khí được hút vào máy nén ở trạng thái môi trường t₁ = t_u và p = p_b (áp suất khí quyển) và được nén lên trạng thái 2 để đẩy vào dàn nóng. Ở dàn nóng không khí được làm mát (bằng nước hoặc bằng không khí) tới nhiệt độ môi trường t₃ và được đẩy vào hồi nhiệt.

Trong hồi nhiệt, không khí tiếp tục hạ nhiệt độ nhờ nhả nhiệt cho không khí lạnh ngược dòng (vừa ở dàn lạnh ra) đến nhiệt độ t₄ sau đó được đưa vào máy dãn nở. Trong máy dãn nở không khí được dãn nở từ áp suất p_k xuống áp suất p_o và nhiệt độ từ t₄ xuống đến nhiệt độ thấp nhất của chu trình là t₅ và được đẩy vào dàn lạnh.

Khi đạt đến nhiệt độ t₆ (nhiệt độ phòng lạnh), không khí được đưa vào hồi nhiệt. Trong hồi nhiệt, không khí lạnh tăng dần nhiệt độ đến nhiệt độ hút về máy nén t₁ do thu nhiệt của dòng không khí nóng đi ngược chiều và lại được hút về máy nén, khép kín vòng tuần hoàn của chu trình lạnh.

Máy lạnh nén khí philip (Chu trình Stirling)

Trong những năm 50 của thế kỷ 20 Công ty Philip của Hà Lan đã chế tạo thành công máy lạnh nén khí làm việc theo chu trình Stirling với 2 quá trình đẳng nhiệt và 2 quá trình đẳng tích.

a) Sơ đồ nguyên lý và đồ thị p-v ;
b) Nguyên tắc cấu tạo máy nén
1 – Pittông nén ; 2 – Xi lanh ; 3 – Pittong dãn nở ; 4 – Buồng nén ; 5 – Buồng dãn nở ; 6 – Dàn lạnh (để tải năng suất lạnh Q_o đến nơi tiêu thụ); 7 – Hồi nhiệt ; 8 – Bộ làm mát
c) Mặt cắt đứng của máy
1 – Không khí môi trường ;2 – Phin lọc không khí (bụi, tuyết do ẩm ngưng kết CO₂…) ; 3 – Đầu xi lanh (dùng để ngưng tụ không khí thành lỏng); 4 – Không khí lạnh lỏng ra ; 5 – Bình áp lực đế điều chỉnh áp suất khí công tác trong bình và qua đó để điều chỉnh năng suất lạnh ; 6 – Bộ an toàn áp suất dầu, sẽ nhả (dầu máy) khi áp suất dầu bôi trơn máy nén không đủ.

Nhờ sự chuyển động cùng chiều và ngược chiều đặc biệt của hai pittông và nhờ sự bố trí của bộ hồi nhiệt làm nhiệm vụ trữ nhiệt và trữ lạnh, 4 quá trình của chu trình Stirling đã được thực hiện ;

• I – Pittông trong xi lanh nóng chuyển động từ điểm chết dưới lên vị trí ở giữa, qua đó thực hiện quá trình nén không khí. Nhiệt toả từ quá trình nén được thải cho nước làm mát do đó quá trình 2-3 gần như đẳng nhiệt.
• II – Khi cả 2 xilanh chuyển động sang phía trái, quá trình đẳng tích được thực hiện và khối không khí được đẩy từ vùng xilanh nóng sang vùng xilanh lạnh. Bộ hồi nhiệt đang có nhiệt độ lạnh do không khí lạnh trước đó, do đó không khí nóng khi đi qua đây sẽ được làm lạnh xuống. Khối đệm trong bộ hồi nhiệt sẽ nóng lên. Áp suất giảm xuống theo đường 3-4.
• III – Nhờ pittông ở xi lanh lạnh tiếp tục đi xuống, không khí được dãn nở có sinh ngoại công, bởi vậy quá trình đẳng nhiệt 4-1 có khả năng sinh ra năng suất lạnh Q_o (thu một lượng nhiệt Q_o của môi trường lạnh).
• IV – Không khí lạnh lại được đẩy đẳng tích trở về xilanh nóng. Trong quá trình này, nhiệt độ của nó tăng lên trong khi nhiệt độ khối đệm của hồi nhiệt lại hạ xuống nhiệt độ thấp. Áp suất tăng từ P₁ lên P₂. Hai pittông lại trở về vị trí ban đầu, chu trình lạnh được khép kín.

1- Buồng dãn nở (T_o) ; 2- Trao đổi nhiệt (T_o) ; 3- Hồi nhiệt 2 (T_o < T< T_m) ; 4- Buồng dãn nở trung gian (T_m); 5- Trao đổi nhiệt (T_m); 6- Hồi nhiệt 1 (T_m<T<T_k) ; 7- Bộ làm mát (T_k) ; 8- Buồng nén (T_k).

Ở nhiệt độ 80 – 180K, hiệu suất exergy ν đạt 0,40 đến 0,45. Ở khoảng nhiệt độ này hầu như không một hệ thống lạnh nào khác có thể đạt được các giá trị cao như vậy. Khi nhiệt độ hạ xuống 30K thì hiệu suất exergy giảm xuống đến 0. Khi đó người ta phải sử dụng máy lạnh nén khí Philip 2 cấp, trong đó khí của phần lạnh trước khi dãn nở được làm lạnh sơ bộ ở cấp 1 (nóng). Máy lạnh Philip 2 cấp có thể đạt được nhiệt độ tới 12K.

Các máy lạnh nén khí Philip có pittông dùng để hoá lỏng các loại khí khó hóa lỏng với khối lượng nhỏ như không khí, ôxy…, tuy nhiên cũng có thể dùng để làm lạnh khí công tác để gia lạnh các dòng khí khác. Các thiết kế đặc biệt (truyền động thuỷ lực, máy 4 xilanh) có thể cho năng suất hóa lỏng không khí đến 400 lít không khí lỏng môi giờ.

Máy lạnh nén khí Philip 2 cấp dùng để hoá lỏng khí hêli và sử dụng trong nhiều lĩnh vực nhiệt độ thấp khác nhau như làm lạnh các vật liệu siêu dẫn, cuộn dây siêu dẫn, đầu dò tia hồng ngoại các bộ khuếch đại thuận từ trường, tái hóa lỏng hyđrô và neôn, ngưng kết các khí ở đầu xi lanh lạnh khi bơm chân không cho các buồng chân không đến 10^-6Pa (bơm chân không cryô)…