Môi chất lạnh trong kỹ thuật lạnh: khái niệm, các loại phổ biến

Môi chất lạnh là một thành phần thiết yếu trong các hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí. Để hiểu rõ về môi chất lạnh trong kỹ thuật lạnh, chúng ta cần xem xét các khái niệm cơ bản, chức năng, và các loại phổ biến của nó.

Khái niệm

Môi chất lạnh/tác nhân lạnh/ga lạnh là chất môi giới sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược chiều để hấp thu nhiệt của môi trường cần làm lạnh có nhiệt độ thấp và tải nhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao (nước, không khí…).

Trong máy lạnh nén hơi, quá trình hấp thu nhiệt ở môi trường lạnh (buồng lạnh) xảy ra do quá trình sôi và bay hơi của môi chất ở nhiệt độ thấp, áp suất thấp, còn quá trình thải nhiệt ở môi trường có nhiệt độ cao xảy ra do quá trình ngưng tụ môi chất ở áp suất và nhiệt độ cao.

Kí hiệu môi chất lạnh

 Các môi chất lạnh thuộc nhóm CFC, HCFC, HFC

Ví dụ 1: Tìm ký hiệu của môi chất có công thức hoá học CCl₂F₂ .

• Số thứ nhất: số nguyên tử C -1 = 1-1 = 0
• Số thứ 2: số nguyên tử H +1 = 0+1 = 1
• Số thứ 3: số nguyên tử F =2

Vậy môi chất có ký hiệu : R012 hoặc R12.

Ví dụ 2: Tìm ký hiệu của môi chất có công thức hoá học CHClF₂.

• Số thứ nhất: số nguyên tử C -1 = 1-1 = 0
• Số thứ 2: số nguyên tử H +1 = 1+1 = 2
• Số thứ 3: số nguyên tử F =2

Vậy môi chất có ký hiệu: R022 hoặc R22

Các môi chất lạnh thuộc nhóm BFC

Ví dụ 3: Tìm ký hiệu của môi chất có công thức hóa học CBrClF₂ .

• Số thứ nhất: số nguyên tử C -1 = 1-1 = 0
• Số thứ 2: số nguyên tử H +1 = 0+1 = 1
• Số thứ 3: số nguyên tử F =2

Vậy môi chất có ký hiệu: R012B1 hoặc R12B1

Ví dụ 4: Tìm ký hiệu của môi chất có công thức hóa học CBr₂F₂ .

• Số thứ nhất: số nguyên tử C -1 = 1-1 = 0
• Số thứ 2: số nguyên tử H +1 = 0+1 = 1
• Số thứ 3: số nguyên tử F =2

Vậy môi chất có ký hiệu: R012B2 hoặc R12B2

Các môi chất lạnh thuộc nhóm hữu cơ cấu trúc vòng (Cyclobutance)

Ví dụ 5: Tìm ký hiệu của môi chất có công thức hóa học C₄Cl₂F₆ .

• Số thứ nhất: số nguyên tử C -1 = 4-1 = 3
• Số thứ 2: số nguyên tử H +1 = 0+1 = 1
• Số thứ 3: số nguyên tử F =6

Vậy môi chất có ký hiệu: RC0316 hoặc RC316

Ví dụ 6: Tìm ký hiệu của môi chất có công thức hóa học C₄ClF₇ .

• Số thứ nhất: số nguyên tử C -1 = 4-1 = 3
• Số thứ 2: số nguyên tử H +1 = 0+1 = 1
• Số thứ 3: số nguyên tử F =7

Vậy môi chất có ký hiệu: RC0317 hoặc RC317

Lưu ý:

• Đối với môi chất là hỗn hợp không đồng sôi thì kí tự số đầu tiên luôn là số 4. Ví dụ R410A(R32/R125), R413A(R134a/R218/R600a), R401A(R22/R152a/R124) R402(R22/R125/R290), R403A(R22/R218/R290)…vv
• Đối với môi chất là hỗn hợp không đồng sôi kí tự số đầu tiên luôn là số 5. Ví dụ R500(R12/R152a), R501(R22/R12), R502(R22/R115), R503(R23/R13), R505(R12/R31) R506(R31/R114).vv

Các môi chất lạnh nhóm vô cơ

Ví dụ 7 

• Môi chất H₂ : R702 
• Môi chất He: R704 
• Môi chất NH₃: R717 
• Môi chất H₂0: R718 
• Môi chất CO₂: R744 
• Môi chất N₂: R728
• Môi chất Không khí: R729

Lưu ý: Đối với các môi chất có phân tử lượng nhỏ hơn 10 kg/kmol thì thêm số 0 phía trước phân tử lượng của nó.

Các môi chất lạnh thường dùng

Amoniac

• Công thức hóa học NH₃, mang ký hiệu R717, là chất khí không màu, mùi khai hắc.
• NH₃ lỏng có nhiệt độ sôi tiêu chuẩn – 33,35℃ ( sôi ở áp suất khí quyển).
• Là môi chất có tính chất nhiệt động học tốt, phù hợp với chu trình máy lạnh nén hơi dùng máy nén piston.

Tính chất vật lý

• Nếu dùng nước để ngưng tụ, thì nhiệt độ ngưng tụ là 30℃ áp suất ngưng tụ là 1,2 Mpa. Ở Việt Nam nếu ngưng bằng nước tuần hoàn trong điều kiện mùa hè (nhiệt độ nước ra khỏi dàn ngưng là 37℃ thì nhiệt độ ngưng tụ của môi chất là 40 đến 42℃, áp suất ngưng là 1,6Mpa).
• Nhiệt độ cuối quá trình nén cao nên cần phải làm mát đầu xilanh bằng nước và phải cho máy nén hút hơi bão hòa.
• Áp suất bay hơi đạt áp suất chân không khi nhiệt độ sôi nhỏ hơn -33, 4℃
• Năng suất lạnh riêng khối lượng lớn nên lưu lượng khối lượng môi chất tuần hoàn trong máy nhỏ. Do vậy, NH₃ rất phù hợp với máy lạnh nén hơi có công suất lớn và rất lớn.
• Năng suất lạnh riêng thể tích lớn nên máy nén và thiết bị gọn nhẹ.
• Độ nhớt nhỏ, tính lưu động cao nên tổn thất áp suất nhỏ, đường ống dẫn và các van gọn nhẹ.
• Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt khi sôi và khi ngưng tương đương với nước, nên trong các thiết bị trao đổi nhiệt giữa nước với NH₃ người ta không cần phải làm cánh cho thiết bị.
• Hòa tan nước không hạn chế nên van tiết lưu không bị tắc ẩm, tuy nhiên hàm lượng nước phải khống chế dưới 0,1%. Nếu vượt quá nồng độ này sẽ làm tăng nhiệt sôi.
• Không hòa tan dầu bôi trơn, nên khó bôi trơn các chi tiết chuyển động của máy nén. Do đó, phải duy trì áp lực bơm dầu cần thiết để đảm bảo bôi trơn. Hệ thống phải bố trí tách dầu trên đường đẩy máy nén.
• Dẫn điện nên không sử dụng được cho hệ thống lạnh dùng máy nén kín và bán kín.

Tính chất hóa học

• Bền vững ở nhiệt độ và áp suất làm việc. Chỉ phân hủy thành oxi và hyđro ở nhiệt độ 260℃, nhưng khi có hơi nước và bề mặt xilanh bằng thép làm chất xúc tác thì NH₃ phân hủy ngay ở nhiệt độ 110 – 120℃. Bởi vậy cần làm mát thật tốt đầu xilanh của máy nén và hạn chế nhiệt độ cuối tầm nén càng thấp càng tốt.
• Không ăn mòn kim loại đen chế tạo máy nhưng ăn mòn đồng và hợp kim đồng trừ đồng thau phốt pho, do đó không sử dụng đồng và hợp kim đồng trong máy lạnh NH₃
• Không ăn mòn phi kim loại chế tạo máy.

Tính an toàn cháy nổ

• Gây cháy nổ trong không khí. Ở nồng độ 13,5 – 16% cháy ở nhiệt độ 651℃. Vì vậy, trong phòng máy không để các nguồn nhiệt, phải thông thoáng.
• Hỗn hợp với thủy ngân gây nổ rất nguy hiểm nên hệ thống amoniac không dùng áp kế thủy ngân.

Tính chất sinh lý

• Độc hại với cơ thể người, gây kích thích niêm mạc mắt, dạ dày, gây co thắt cơ quan hô hấp, làm bỏng da. Khi bị NH₃ bắn vào da phải rửa sạch bằng nước sạch và ấm, bị ngạt phải hô hấp nhân tạo, cho uống cà phê hoặc nước chanh đường để kích thích tỉnh táo, nặng phải đưa đến bệnh viện.
• Làm giảm, hư hỏng thực phẩm khi trong phòng lạnh NH₃ rò rỉ ra ngoài.

Tính kinh tế

• Là môi chất lạnh rẻ tiền, dễ kiếm, dễ vận chuyển, bảo quản.
• Amoniac là một môi chất quan trọng, sử dụng trong nhiều lĩnh vực cần nhiệt độ bay hơi từ 10℃ đến -60℃. Là môi chất thích hợp với máy nén piston, không sử dụng cho máy nén tuabin vì tỷ số áp suất quá thấp.

Môi chất R22

Công thức hóa học CHCLF₂, là chất khí không màu, có mùi thơm nhẹ, sôi ở áp suất khí quyển ở -40,8^oC.

Tính chất vật lý

• Ở điều kiện làm mát bằng nước tuần hoàn mùa hè ở Việt Nam nhiệt độ ngưng tụ 42℃, áp suất ngưng tụ 16,1Bar, là môi chất có áp suất tương đối cao.
• Nhiệt độ cuối tầm nén trung bình nhưng cần làm mát tốt đầu máy nén.
• Năng suất lạnh riêng thể tích lớn gần bằng của NH₃ nên cấu trúc máy cũng tương đối gọn nhẹ
• Độ nhớt lớn, tính lưu động kém NH₃, nên các đường ống dẫn và cửa van đều lớn hơn.
• Hòa tan hạn chế dầu bôi trơn nên gây nhiều khó khăn cho việc bôi trơn. Trong khoảng nhiệt độ từ -20℃ đến -40℃ môi chất không hòa tan dầu. Dầu có nguy cơ bám lại trên bề mặt dàn bay hơi làm cho máy nén trở nên thiếu dầu, nên người ta tránh cho môi chất làm việc ở khoảng nhiệt độ này.
• Không hòa tan nước nhưng mức độ hòa tan vần lớn gấp 6 lần R12 nên máy R22 ít bị nguy cơ tắc ẩm hơn.
• Không dẫn điện ở thể hơi nên có thể sử dụng cho máy nén kín hoặc bán kín. Dẫn điện ở thể lỏng, vì vậy không được để máy nén kín và bán kín hút môi chất lỏng về.

Tính chất hóa học

• Bền vững ở nhiệt độ và áp suất làm việc
• Khi có chất xúc tác là thép, phân hủy ở 550℃ thành chất phosgen rất độc.
• Không tác dụng với kim loại và phi kim loại chế tạo máy, nhưng hòa tan và làm trương nở một số chất hữu cơ như cao su và chất dẻo nên bộ đệm kín phải sử dụng cao su chịu freon.

Tính an toàn cháy nổ

Không cháy, không nổ, an toàn khi sử dụng.

Tính chất sinh lý

• Không độc hại với cơ thể người. Khi nồng độ lên quá cao trong không khí có thể làm gây cho người ngạt thở do thiếu oxy.
• Không làm biến màu thực phẩm bảo quản

Tính kinh tế

R22 đắt tiền, dễ kiếm, vận chuyển và bảo quản dễ dàng

Ứng dụng

Được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt trong điều hòa không khí, máy lạnh bảo quản và làm đông thực phẩm. Góp phần làm thủng bầu ozon nên chỉ được phép sử dụng đến năm 2020.

Môi chất R134a

HFC-134a : (R134a)

R134a là môi chất lạnh không chứa chlorine trong thành phần hoá học nên chỉ số ODP = 0, R134a đã được thương mại hoá trên thị trường và dùng để thay thế cho R12 ở nhiệt độ cao và trung bình, đặc biệt là điều hoà không khí trong ô tô, điều hoà không khí nói chung, máy hút ẩm và bơm nhiệt.

Ở giải nhiệt độ thấp R134a không có những đặc tính thuận lợi, hiệu quả năng lượng rất thấp nên không thể dùng được, R134a cũng có những tính chất tương tự như R12:

Không gây cháy nổ, không độc hại, không ảnh hưởng xấu đến cơ thể.

Tương đối bền vững về mặt hoá học và nhiệt.

Không ăn mòn các kim loại chế tạo máy, có các tính chất vật lý phù hợp. R134a có các tính chất vật lý và nhiệt động sau:

• Công thức hoá học: CH₂F-CF₃.
• Phân tử lượng: M = 102,03 Kg/Kmol.
• Nhiệt độ sôi ở 1 atm: = -26,3℃.
• Nhiệt độ đông đặc 1 atm: = -101℃.
• Nhiệt độ tới hạn (1 atm): t_c = 101,15℃
• Áp suất tới hạn: p_c = 40,64 bar
• C = 0,508 Kg/dm³ p
• Mật độ khối lượng tới hạn: l =1,377 Kg/l, p Mật độ lỏng sôi (1atm):
• h =1,207 kg/l p Mật độ hơi bảo hoà (ở 25℃) :
• Nhiệt dung riêng của lỏng sôi : C = 1,26 kJ/Kg.K
• Nhiệt ẩn hoá hơi (25℃, 1 atm): r = 215,5 kJ/Kg.K = 0,0149 N/m;
• Số mũ đoạn nhiệt (30℃, 1atm): K = 1,093.
• Độ hoà tan nước trong HFC -134a ( 25℃, 1 atm): 0,11%.
• Độ hoà tan HFC-134a trong nước ( 25℃, 1 atm): 0,15%.
• Giới hạn cháy trong không khí: không cháy
• Nhiệt độ tự bốc cháy: t_bc = 770℃
• Chỉ số phá huỷ Ozone : ODP = 0
• Chỉ số làm nóng địa cầu : GWP = 0,26 (so với R11)

Cũng như R12, R134a phù hợp hầu hết các kim loại, phi kim loại và hợp kim chế tạo máy, như kẽm , magie, chì và hợp kim nhôm với thành phần magie lớn hơn 2% khối lượng. Đối với phi kim loại R134a có tính phù hợp cao hơn.

Tuy HFC-134a là môi chất không độc nhưng theo sự nghiên cứu của các nhà khoa học hãng DOPONT thì cần chú ý rằng khi trộn HFC-134a với một loại khí hoặc lỏng nào đó gây cháy nổ thì sẽ tạo ra một chất gây cháy vì thế không được trộn lẫn HFC-134a với bất kỳ chất khí hoặc lỏng nào gây cháy nổ.

R404A (SUVAHP62)

SUVAHP62 là một hỗn hợp gần đồng sôi mà trong thành phần hoá học của nó không chứa chlorine nên chỉ số ODP = 0.

R404A có các đặc tính tốt nhất trong các môi chất thay thế cho R502, nó có công suất và hiệu suất tương tự như R502 nhưng nhiệt độ cuối tầm nén thấp hơn đến 9℃, đảm bảo tuổi thọ máy nén, các chi tiết và dầu bôi trơn cao hơn. 

Mặt khác R404A có những đặc tính truyền nhiệt tốt hơn R502, do vậy khi có sự giảm hiệu suất nén trong hệ thống thì có thể khắc phục bằng cách cải tiến quá trình truyền nhiệt trong hệ thống. Suva HP62 thường được sử dụng trong những thiết bị mới và trong những hệ thống dùng R502 mà thời gian sử dụng còn lại trên 7 năm. R404A có các thông số nhiệt vật lý sau:

• Thành phần hóa học (theo khối lượng): 44% R125; 52% 143a; 4% 134a.
• Phân tử lượng: M = 97,6,kg/kmol
• Nhiệt độ sôi ở 1atm: t_s = -46,5℃
• Nhiệt độ tới hạn: t_c = 72,1℃
• Áp suất tới hạn: P_c = 3,732 MPa.
• Mật độ tới hạn: c = 484,5 kg/cm3p
• Mật độ chất lỏng (ở 25℃): l = 1048 kg/cm3
• Mật độ hơi bão hoà (ở h = 18,2 Kg/cm3 ở -15℃)
• Nhiệt dung riêng lỏng (25℃): C = 1,53 kJ/kg.K
• Nhiệt dung riêng hơi (25℃, 1atm) : C = 0,87 kJ/kg.K
• Nhiệt ẩn hoá hơi ( 25℃, 1atm ) : r = 202,1 kJ/kg
• Giới hạn cháy trong không khí: không cháy
• Chỉ số phá huỷ Ozone: ODP = 0
• Chỉ số làm nóng địa cầu: GWP = 0,94 (so với R11)

SUVAHP62 có sự trượt nhiệt độ trong quá trình ngưng tụ và bay hơi. Tuy nhiên, nhiệt độ trượt rất nhỏ, không quá 0,7℃ do đó không đáng kể. Điều này sẽ không có nguy cơ tăng khả năng tổn thất môi chất trong hệ thống. R404a phù hợp hầu hết các kim loại, hợp kim và các phi kim loại chế tạo máy. R404a cũng tương thích với các kim loại, hợp kim sử dụng trong hệ thống R502 nên đây là đặc điểm thuận lợi trong việc thay thế môi chất cho các hệ thống đang sử dụng R502.

R407C

Là môi chất không đồng sôi thay thế cho R12 và R22, nhưng áp suất ngưng tụ cao hơn R22 khoảng 10%. R407C được sử dụng trong máy điều hòa không khí phòng và tổ hợp gọn cũng như máy làm lạnh nước năng suất nhỏ.

R410A

Là môi chất không đồng sôi dùng thay cho R22, nhưng có áp suất ngưng tụ cao hơn R22 đến 60%. Máy nén R22 được thử nghiệm ở 2,75MPa thì máy nén R410A phải thử nghiệm ở 4,15Mpa. Ở nhiệt độ ngoài trời 36℃, máy điều hoà R22 có áp suất ngưng tụ 19bar thì R410A là 30,7bar nên tất cả mọi dụng cụ sửa chữa đến các thiết bị đều khác hẳn R22. Theo nghiên cứu mới nhất hiệu suất máy R410A cao hơn R22 nên R410A đang được phát triển nhanh chóng.

R507

Là môi chất lạnh đồng sôi dùng thay thế cho R22 và R502 có tính chất tương tự như R502. Tuy nhiên R507 không được sử dụng rộng rãi bằng R404A, R407C và R410A.

Nước

Công thức H₂O, ký hiệu R718. Nhiệt độ sôi tiêu chuẩn là 100℃. Trong kỹ thuật lạnh do áp suất chân không quá cao trong thiết bị bay hơi, qv quá nhỏ, nhiệt độ lạnh đạt được không dưới 0℃ vì nước đóng băng ở 0℃ . Vì vậy, nước chỉ sử dụng cho máy lạnh Ejector, máy lạnh hấp thụ H₂O/LiBr; H₂O/NH₃ và làm chất tải lạnh.

Môi chất R600a

• Là môi chất lạnh có công thức hoá học CH(CH₃)₃, là chất khí không màu có mùi thơm nhẹ.
• Áp suất cuối tầm nén cao.
• Năng suất lạnh riêng thể tích lớn.
• Bền vững ở phạm vi nhiệt độ và áp suất làm việc.
• Không tác dụng với kim loại và phi kim loại chế tạo máy
• Không dẫn điện.
• Môi chất có khả năng cháy nổ.
• Hợp chất này không tham gia phá hỏng tầng ozone.
• Khi rò rỉ không độc hại, không ảnh hưởng đến sức khỏe con người và gây hư hỏng sản phẩm.
• Giá thành cao, tuy nhiên dễ bảo quản và vận chuyển.

Môi chất R290

• Là môi chất lạnh có công thức hoá học C₃H₈, là môi chất có nguồn gốc thiên nhiên
• Áp suất cuối tầm nén cao.
• Năng suất lạnh riêng thể tích lớn.
• Bền vững ở phạm vi nhiệt độ và áp suất làm việc.
• Không tác dụng với kim loại và phi kim loại chế tạo máy
• Không dẫn điện.
• Hợp chất này không tham gia phá hỏng tầng ozone và gây hiệu ứng nhà kính
• Khi rò rỉ không độc hại, không ảnh hưởng đến sức khỏe con người và gây hư hỏng sản phẩm.
• Giá thành cao, tuy nhiên dễ bảo quản và vận chuyển.

Cùng chủ đề:

Chất tải lạnh trong kỹ thuật lạnh: khái niệm, ưu – nhược, các loại Dầu bôi trơn cho máy nén lạnh: nhiệm vụ, yêu cầu, cách chọn