Tìm hiểu máy lạnh Ejector/phun hơi

Năm 1956 Nhà bác học người Nga gốc Do Thái Badin Két đã chỉ ra khả năng dùng Ejector để có được áp suất bay hơi thấp (độ chân không cao) lên 0,002Mpa, ở áp suất này R12 sẽ đạt nhiệt độ sôi là -100^oC.

Khác với máy nén piston hệ số làm việc của Ejector ở vùng áp suất thấp không giảm đi, đó là ưu điểm cơ bản của Ejector, mặt khác Ejector còn đóng vai trò là một máy nén khí ở áp suất thấp tương đồng với máy nén piston.

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

Cấu tạo của Ejector

Ejector bao gồm ba bộ phận chính:

• Lỗ hẹp (Nozzle): Đây là phần đầu vào nơi hơi làm việc cao áp đi qua. Tại đây, hơi nước được phun với tốc độ cao, thường đạt đến tốc độ âm thanh (khoảng 300 m/s), tạo ra sự chênh lệch áp suất.
• Buồng hút (Mixing Chamber): Khi hơi làm việc đi qua lỗ hẹp, nó tạo ra áp suất thấp trong buồng hút, từ đó hút hơi môi chất lạnh từ dàn bay hơi vào buồng này.
• Buồng khuếch tán (Diffuser): Sau khi hỗn hợp hơi làm việc và hơi môi chất lạnh hòa trộn, buồng khuếch tán sẽ làm giảm tốc độ của hỗn hợp và tăng áp suất, đưa hỗn hợp ra khỏi ejector.

Sơ đồ nguyên lý

Hơi làm việc (thường là hơi nước) được nén với áp suất cao, đi qua lỗ hẹp và chuyển động với tốc độ cao. Tại đây, áp suất động học trong buồng hút giảm xuống. Do sự chênh lệch áp suất, hơi môi chất lạnh từ dàn bay hơi được hút vào buồng hút và hòa trộn với hơi làm việc.

Trong buồng khuếch tán, tốc độ hỗn hợp hơi giảm xuống và áp suất tăng lên. Điều này giúp chuyển hơi hỗn hợp ra ngoài ejector để tiếp tục chu trình làm lạnh.

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống lạnh phun hơi (Ejector)

Hệ thống làm lạnh phun hơi hoạt động theo các bước:

1. Nước lạnh (Chilled Water) được điều chỉnh áp suất thông qua van tiết lưu để đạt đến áp suất bay hơi và được phun vào bình bay hơi.
2. Trong bình bay hơi, nước phun vào sẽ bay hơi một phần (0,3 – 1%) do nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bão hòa của áp suất bên trong. Quá trình này hấp thụ nhiệt từ phần nước còn lại, làm lạnh nước đến nhiệt độ bão hòa.
3. Hơi môi chất lạnh sinh ra được hút vào ejector, hòa trộn với hơi làm việc và sau đó đi vào bình ngưng.
4. Bình ngưng thực hiện quá trình ngưng tụ hơi nước thành nước lỏng, sau đó nước được đưa qua van tiết lưu và trở lại bình bay hơi, hoàn thành chu trình.
5. Bơm nước lạnh sẽ đưa nước từ Chilled Water đến các khu vực cần làm lạnh.
6. Bơm hút chân không được sử dụng để duy trì áp suất thấp trong bình ngưng, đảm bảo không khí không ngưng được loại bỏ khỏi hệ thống.

Một phần nước ngưng trong bình ngưng sẽ được bơm đến bình sinh hơi để chuyển hóa thành hơi áp suất cao. Hơi này sau đó được đưa vào ejector làm hơi làm việc để tiếp tục chu trình làm lạnh.

Lợi ích của hệ thống lạnh phun hơi sử dụng ejector:

• Không yêu cầu máy nén cơ học, giảm chi phí đầu tư và bảo trì.
• Hiệu quả cao khi làm việc ở các hệ thống lạnh có nhiệt độ thấp, chẳng hạn như trong điều hòa không khí hoặc công nghiệp làm lạnh sâu.
• Sử dụng nhiệt thải hoặc nguồn nhiệt thấp để tạo hơi làm việc, tiết kiệm năng lượng.

Chu trình lý thuyết

Chu trình lý thuyết của máy lạnh ejector được trình bày trên đồ thị T- s và h- s

Chu trình lý thuyết của máy lạnh Ejector có thể được mô tả qua các giai đoạn chính, thể hiện trên đồ thị nhiệt động T-s và h-s. Dưới đây là phân tích chi tiết về chu trình hoạt động của máy lạnh Ejector.

Sơ đồ chu trình

• Quá trình 1-2: Hơi sơ cấp được sinh ra trong thiết bị sinh hơi. Hơi này giãn nở đoạn nhiệt trong ống tăng tốc của Ejector đến áp suất p0p0​ trong thiết bị bay hơi.
• Quá trình 2-3: Hơi sơ cấp (tại điểm 2) hòa trộn với hơi sinh ra từ thiết bị bay hơi (tại điểm 9) trong buồng hỗn hợp của Ejector.
• Quá trình 3-4: Hỗn hợp hơi được nén đoạn nhiệt trong ống khuếch tán của Ejector đến áp suất ngưng tụ pkpk​.
• Quá trình 4-5: Tiếp tục quá trình ngưng tụ, tại đây nước ngưng tạo thành một phần được nén theo quá trình (5-6) và đi vào bình sinh hơi.
• Quá trình 6-7: Nước được làm nóng tới nhiệt độ bão hòa.
• Quá trình 7-1: Tiếp tục quá trình sinh hơi.
• Quá trình 5-8: Phần nước ngưng còn lại được tiết lưu đến áp suất p0p0​ và tiếp tục quá trình bay hơi (8-9).

Đồ thị T-s và h-s

Đồ thị T-s

Trên đồ thị T-s, chu trình lý thuyết của máy lạnh Ejector thể hiện các trạng thái khác nhau của môi chất qua các điểm:

• Điểm 1: Trạng thái hơi bão hòa khô.
• Điểm 2: Trạng thái hơi sơ cấp sau khi sinh ra.
• Điểm 3: Trạng thái hỗn hợp sau khi hòa trộn.
• Điểm 4: Trạng thái sau khi nén trong Ejector.
• Điểm 5: Trạng thái nước ngưng tụ.

Đồ thị h-s

Trên đồ thị h-s, các trạng thái cũng được thể hiện tương tự, cho thấy sự thay đổi enthalpy và entropy trong quá trình làm việc.

Hoạt động đồng thời của hai chu trình

Chu trình làm việc có thể xem như gồm hai chu trình xảy ra đồng thời theo hai chiều ngược nhau:

• Chu trình thuận: $1\to 11\to 5\to 6\to 7\to 1$
• Chu trình ngược: $9\to 10\to 5\to 8\to 9$

Ưu, nhược điểm máy lạnh Ejector

Ưu điểm

An toàn và thân thiện với môi trường: Máy lạnh ejector sử dụng nước làm môi chất lạnh, không độc hại và không gây nguy cơ cháy nổ. Hơn nữa, nước có nhiệt hóa hơi rất lớn (khoảng 2500 kJ/kg ở 0°C), giúp tăng hiệu quả làm lạnh.

Khả năng sử dụng hơi nước làm chất công tác sơ cấp: Hơi nước được sử dụng làm chất công tác sơ cấp trong ejector, giúp tận dụng năng lượng nhiệt từ các nguồn nhiệt thải hoặc hệ thống hơi nước sẵn có.

Ứng dụng rộng rãi trong điều hòa không khí: Máy lạnh ejector phù hợp cho các hệ thống điều hòa không khí, đặc biệt là ở những nơi không yêu cầu nhiệt độ làm lạnh thấp và có nguồn năng lượng thứ cấp dồi dào, chẳng hạn như các nhà máy công nghiệp nhẹ, thực phẩm hoặc trên tàu thủy.

Tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trong hệ thống hơi nước: Sử dụng hơi nước ở các điều kiện thấp trong các thiết bị điều hòa không khí sẽ làm giảm áp suất của mạng hơi nước, giúp tăng lượng điện năng sinh ra trong các hệ thống tuabin trích hơi.

Ứng dụng trong công nghiệp hóa học và thực phẩm: Máy lạnh ejector có thể được sử dụng để sản xuất nước lạnh hoặc phục vụ các quy trình công nghệ, chẳng hạn như chế biến và bảo quản thực phẩm đóng hộp.

Nhược điểm

Yêu cầu áp suất làm việc rất thấp: Khi sử dụng nước làm môi chất lạnh, cần phải duy trì áp suất hóa hơi rất thấp (0,00608 bar ở 0°C), dẫn đến việc hệ thống phải chịu áp suất âm cao, đòi hỏi thiết kế đặc biệt để đảm bảo không có rò rỉ không khí vào.

Thể tích lớn của hơi nước: Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, hơi nước có thể tích riêng lớn (1211 m³/kg ở 0°C), điều này đòi hỏi các thiết bị bay hơi và ngưng tụ có kích thước lớn.

Hiệu suất năng lượng thấp: Máy lạnh ejector có hiệu quả năng lượng tương đối thấp do tổn thất năng lượng trong quá trình giãn nở và nén bên trong ejector.

Yêu cầu độ chân không cao: Cần duy trì áp suất thấp trong thiết bị bay hơi và ngưng tụ, điều này dẫn đến việc phải sử dụng các hệ thống hút chân không và duy trì môi trường không có không khí lẫn vào, tăng chi phí và độ phức tạp của hệ thống.

---

*Nguồn tham khảo: Máy và thiết bị lạnh – Trần Danh Giang