Các phương pháp làm lạnh trong kho lạnh: trực tiếp & gián tiếp

Hiện nay, trong kho lạnh phổ biến hai phương pháp làm lạnh chính là:

Phương pháp làm lạnh trực tiếp

Khái niệm

Làm lạnh buồng trực tiếp là làm lạnh buồng bằng dàn bay hơi đặt trong buồng lạnh. Môi chất lỏng sôi thu nhiệt của môi trường buồng lạnh. Dàn bay hơi có thể là các loại dàn đối lưu không khí tự nhiên hoặc cưỡng bức bằng quạt gió.

Nguyên lí hoạt động

Nhiệt độ sôi trong dàn bay hơi đối lưu không khí tự nhiên thấp hơn nhiệt độ buồng đến 10^oC. Trong hệ thống làm lạnh trực tiếp, môi chất lạnh lỏng ở thiết bị ngưng tụ đi qua van tiết lưu để vào dàn bay hơi. Dàn bay hơi đặt trong buồng lạnh cách nhiệt. Môi chất lạnh lỏng sôi trong dàn, thu nhiệt của không khí sau đó được máy nén hút về để nén lên áp suất cao và đẩy vào thiết bị ngưng tụ.

1. Máy nén; 2. Bình ngưng; 3. Van tiết lưu; 4. Dàn bay hơi

Ưu điểm

• Thiết bị đơn giản vì không cần thêm vòng tuần hoàn phụ.
• Tuổi thọ cao, kinh tế hơn vì không phải tiếp xúc với nước muối là chất gây han gỉ, ăn mòn mạnh.
• Tổn thất năng lượng về mặt nhiệt động nhỏ vì hiệu nhiệt độ giữa buồng lạnh và dàn bay hơi trực tiếp bao giờ cũng nhỏ hơn hiệu nhiệt độ giữa dàn bay hơi gián tiếp qua nước muối và buồng lạnh.
• Tổn hao lạnh khi khởi động nhỏ, nghĩa là khi làm lạnh trực tiếp thời gian từ khi mở máy đến khi buồng lạnh đạt nhiệt độ yêu cầu nhỏ hơn.
• Nhiệt độ buồng lạnh có thể giám sát qua nhiệt độ sôi của môi chất. Nhiệt độ sôi của môi chất có thể xác định dễ dàng qua áp kế đầu hút của máy nén.
• Dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ bằng cách đóng và ngắt máy nén (đối với các máy nén nhỏ và trung bình).

Nhược điểm

• Khi là hệ thống lạnh trung tâm có nhiều hộ sử dụng lạnh thì lượng môi chất nạp vào hệ thống là rất lớn, khả năng rò rỉ môi chất lớn và khả năng xác định vị trí rò rỉ rất khó khăn. Việc cấp lỏng cho các dàn bay hơi ở xa gặp trở ngại do tổn thất áp suất. 
• Đối với máy lạnh Freon việc hồi dầu sẽ khó khi dàn lạnh đặt quá xa và đặt thấp hơn vị trí của máy nén. Với quá nhiều dàn lạnh, việc phân phối lượng môi chất cho từng dàn cũng không thể như nhau, khả năng máy rơi vào hành trình ẩm rất lớn, vấn đề bảo vệ máy nén khỏi hành trình ẩm đòi hỏi sự quan tâm đặc biệt.
• Khả năng trữ lạnh của hệ thống lạnh trực tiếp kém hơn, khi máy ngừng hoạt động thì dàn lạnh cũng hết lạnh nhanh chóng.

Do những nhược điểm trên mà người ta chỉ sử dụng hệ thống lạnh trực tiếp khi số hộ tiêu thụ lạnh không nhiều, đặc biệt sử dụng để làm lạnh cục bộ. Hệ thống lạnh trực tiếp thường được tự động hoá bao gồm tự động điều khiển và điều chỉnh, tự động báo hiệu và bảo vệ theo nhiệt độ buồng và theo chế độ làm việc an toàn của máy.

Phương pháp làm lạnh gián tiếp

Khái niệm

Làm lạnh buồng gián tiếp là làm lạnh buồng bằng các dàn nước muối lạnh. Thiết bị bay hơi đặt ngoài buồng lạnh. Môi chất lạnh sôi để làm lạnh nước muối. Nước muối lạnh được bơm tuần hoàn bơm đến các dàn lạnh. 

Sau khi trao đổi nhiệt với không khí trong buồng lạnh, nước muối nóng sẽ được đưa trở lại thiết bị bay hơi để làm lạnh xuống đến trạng thái ban đầu. Các dàn nước muối bố trí trong buồng cũng có hai loại đối lưu không khí tự nhiên và cưỡng bức.

Nguyên lý hoạt động

Hình dưới đây giới thiệu cách phân loại các phương pháp làm lạnh buồng gián tiếp nhờ nước muối, sơ đồ gồm hai vòng tuần hoàn riêng biệt.

• Vòng tuần hoàn môi chất lạnh để làm lạnh nước muối (chất tải lạnh).
• Vòng tuần hoàn nước muối để tải nhiệt từ buồng lạnh đến bình bay hơi hoặc có thể nói vòng tuần hoàn nước muối đồ cấp lạnh từ bình bay hơi đến buồng lạnh.

1. Máy nén; 2. Bình ngưng; 3. Bình bay hơi; 4. Van tiết lưu; 5. Bơm nước muối; 6. Dàn lạnh nước muối; 7. Bình giãn nở

Nếu nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh > 5°c, chất tải lạnh là nước. Nhiệt độ bay hơi đến -18^oc, chất tải lạnh là dung dịch muối NaCl; nhiệt độ bay hơi đến -45°c, chất tải lạnh là dung dịch muối CaCl₂. Trong kho lạnh, các loại chất tải lạnh là nước muối nhưng trong hệ thống điều hòa không khí chất tải lạnh thường dùng là nước.

Dung dịch muối được làm lạnh trong bình bay hơi sau đó được đưa vào dàn lạnh trong buồng lạnh, ở trong buồng nước muối nóng lèn do thu nhiệt của buồng lạnh. Sau đó nước muối lại trở về bình bay hơi để hạ nhiệt độ xuống nhiệt độ yêu cầu. 

Bình giãn nở được dùng để cân bằng thể tích dung dịch khi giãn nở vì nhiệt, đảm bảo bơm hoạt động bình thường. Bơm dùng để lưu thông cưỡng bức nước muối từ bình bay hơi qua dàn, đảm bảo vòng tuần hoàn kín của nước muối.

Nhiệt độ sôi của mối chất lạnh to thấp hơn nhiệt độ nước muối từ 4 – 6°c và thấp hơn nhiệt độ không khí trong buồng từ 12 – 16°c. Nhiệt độ nước muối thấp hơn nhiệt độ không khí trong buồng đối với dàn đối lưu không khí tự nhiên khoảng từ 8 – 10°C.

Ưu điểm

• Có độ an toàn cao: chất tải lạnh là nước muối không cháy nổ, không độc hại với cơ thể sống, không ảnh hưởng đến chất lượng bảo quản sản phẩm nên vòng tuần hoàn bằng nước muối được coi là vòng tuần hoàn an toàn ngăn chặn được sự tiếp xúc trực tiếp của môi chất lạnh độc hại (ví dụ như Amoniac) với sản phẩm bảo quản.
• Khi có vòng tuần hoàn nước muối thì máy lạnh có cấu tạo đơn giản hơn, đường ống dẫn môi chất ngắn hơn. Hệ thống được lắp ráp thành tổ hợp hoàn chỉnh tại nhà máy chế tạo nên có độ tin cậy cao hơn. Các công việc lắp đặt, hiệu chỉnh, thử bền, thử kín, nạp ga, vận hành, hiệu chỉnh, bảo dưỡng đều dễ dàng và đơn giản hơn.
• Việc cấp lạnh cho từng hộ do nước muối đảm nhiệm, áp suất nước muối không cao nên an toàn và độ kín của dàn không quá quan trọng. Việc sửa chữa thay thế dàn đơn giản, dễ dàng.
• Hệ thống dung dịch muối có khả năng trữ lạnh lớn nên nhiệt độ buồng lạnh sau khi máy đã dừng duy trì được lâu hơn.

Nhược điểm

• Năng suất lạnh của máy giảm (tổn thất lạnh lớn) do độ chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ buồng lạnh và nhiệt độ sôi của môi chất lớn (lớn hơn so với làm lạnh trực tiếp từ 4 – 6^oC).
• Hệ thống lạnh cồng kềnh hơn do phải thêm một vòng tuần hoàn nước muối gồm bơm, bình giãn nở, các đường ống dẫn nước muối và bình bay hơi làm lạnh nước muối.
• Nước muối tuy không cháy nổ, độc hại nhưng có tính ăn mòn thiết bị trong vòng tuần hoàn và cả các thiết bị trong khu vực, nếu tiếp xúc với không khí sẽ gây ăn mòn mạnh hơn.
• Tốn năng lượng bổ sung cho bơm và cách khuấy nước muối.

Do các ưu và nhược điểm trên, hệ thống lạnh gián tiếp chỉ được ứng dụng cho một số trường hợp như hệ thống điều hòa không khí trung tâm, hệ thống cần vòng tuần hoàn an toàn (làm lạnh thực phẩm và nước uống) khi sử dụng môi chất lạnh độc hại như Amoniac.