Quá trình làm việc của máy lạnh chuyển tiếp tương đương 3 cấp

Hệ thống máy lạnh chuyển tiếp (cascade) tương đương với hệ thống nén lạnh ba cấp gồm hai tầng: tầng trên và tầng dưới. Hệ thống này giúp đạt nhiệt độ rất thấp, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu làm lạnh sâu, dưới -100°C, trong lĩnh vực kỹ thuật làm lạnh và công nghiệp hóa lỏng khí.

Tầng trên

a) sơ đồ nguyên lý làm việc;
b) chu trình làm việc biểu diễn trên đồ thị t – s

Sơ đồ nguyên lý làm việc

Tầng trên là hệ thống nén lạnh hai cấp, thường sử dụng môi chất lạnh R22. Quá trình làm việc diễn ra như sau:

1. Hút và nén: Dịch R22 được hút vào máy nén B từ trạng thái hơi bão hòa (điểm 18) và nén đến trạng thái quá nhiệt (điểm 10).
2. Bốc hơi: Sau tiết lưu 3 (điểm 17), dịch R22 vào thiết bị bốc hơi – ngưng tụ L1-K1 để giải nhiệt cho R13.
3. Trao đổi nhiệt: Hơi bão hòa (điểm 18) qua thiết bị trao đổi nhiệt 3 thành hơi quá nhiệt (điểm 9).
4. Bình trung gian: Hơi tạo thành sau tiết lưu 2 (điểm 15) trộn với hơi trung áp để tạo hỗn hợp hơi có trạng thái 19′.
5. Ngưng tụ: Dịch R22 sau khi ngưng tụ (điểm 13) chia làm hai phần, một phần qua tiết lưu 1 vào bình trung gian, phần còn lại tiếp tục vào thiết bị ngưng tụ K1.

Chu trình làm việc biểu diễn trên đồ thị t-s

Điểm 17: Sau tiết lưu 3, dịch R22 vào thiết bị bốc hơi.

Điểm 18: Hơi bão hòa trước khi vào máy nén B.

Điểm 10: Trạng thái quá nhiệt sau khi nén.

Điểm 13: Dịch R22 sau khi ngưng tụ.

Tầng dưới

Chức năng: Tầng dưới là hệ thống nén lạnh một cấp, sử dụng môi chất R13 với nhiệt độ đóng băng thấp (tđb = 180°C). Tầng dưới cung cấp nhiệt cho tầng trên và thực hiện làm lạnh sâu.

Chu trình làm việc

1. Nén và làm nguội: Hơi R13 được máy nén A hút từ trạng thái hơi quá nhiệt (điểm 3), nén đến điểm 4 và làm nguội qua trao đổi nhiệt (điểm 5) trước khi vào thiết bị bốc hơi – ngưng tụ L1-K2 để ngưng tụ thành dịch (điểm 6).
2. Quá lạnh và tiết lưu: Dịch R13 tiếp tục làm quá lạnh ở trao đổi nhiệt 1 (điểm 7), rồi qua quá trình tiết lưu (điểm 8) và bốc hơi sinh lạnh ở thiết bị bốc hơi L2 với áp suất P03 và nhiệt độ t03 rất thấp.
3. Chu trình nén tiếp tục: Hơi R13 sau khi bốc hơi đạt trạng thái quá nhiệt (điểm 3) và tiếp tục chu trình nén lạnh.

Thiết bị bốc hơi – ngưng tụ L1-K2

Thiết bị L1-K2 là điểm trung tâm giữa tầng trên và tầng dưới, cho phép trao đổi nhiệt giữa dịch R22 ở tầng trên và hơi R13 ở tầng dưới, giúp R13 ngưng tụ khi R22 bay hơi.

Tùy chỉnh hệ thống

Hệ thống có thể được lắp ghép thành các cấu hình khác nhau như nén lạnh ba cấp hoặc bốn cấp, tùy thuộc vào yêu cầu nhiệt động của môi chất và đặc điểm kỹ thuật. Tầng trên và dưới có thể sử dụng các cấu hình nén lạnh một cấp, hai cấp, hoặc nhiều môi chất để đạt hiệu quả tối ưu.

*Nguồn tham khảo: Kỹ thuật lạnh thực phẩm – Nguyễn Xuân Phương; Máy và thiết bị lạnh – Trần Danh Giang