Cách sản xuất đá khô theo chu trình áp suất trung bình

Sản xuất đá khô (CO₂ rắn) theo chu trình áp suất trung bình có thể được thực hiện theo các bước sau

Sơ đồ hệ thống và đồ thị chu trình nhiệt động

1- MN-C₁, MN-C₂ lần lượt là máy nén lạnh cấp 1 và cấp 2 ở tầng trên.
2- MN-C₁-CO₂, MN-C₂-CO₂ lần lượt máy nén cấp 1 và cấp 2 ở tầng dưới sản xuất đá khô.
3- BTD bình tách dầu (nếu có), 4- BCTA bình chứa thấp áp.
5- TBNT thiết bị ngưng tụ, 6- NT-BH thiết bị ngưng tụ ở tầng dưới và cũng là thiết bị bay hơi ở tầng trên.
7- TBLM-SB thiết bị làm mát sơ bộ, 8- BTG bình trung gian ở tầng trên, 9- BTG-CO₂ bình trung gian ở tầng dưới.

Nguyên lí làm việc

Sản xuất đá khô theo chu trình áp suất trung bình trong chu trình máy lạnh ghép tầng từ hai hệ thống máy lạnh. Tầng dưới là hệ thống lạnh hai cấp nén sử dụng môi chất CO₂ đây là hệ thống hở sản xuất đá khô. Tầng trên là hệ thống lạnh hai cấp nén thông thường sử dụng môi chất lạnh amoniac (NH₃) hoặc freon (R22, R502,…) là hệ thống kín dùng để giải nhiệt cho tầng dưới. Vì vậy hệ thống này cũng có thể gọi hệ thống lạnh CO₂ – NH₃ hoặc CO₂ – Freon.

Nguyên lí làm việc ở tầng dưới

Khí CO₂ được tinh sạch trong bồn chứa ở trạng thái 0 nó sẽ kết hợp với hơi bão hoà khô ở trạng thái 10 (nằm trên đường X =1) tạo ra trạng thái 1, CO₂ ở trạng thái 1 được NM-Cl-CO₂ hút về nén đoạn nhiệt hay đa biến lên trạng thái 2, quá trình nén này làm tăng áp suất từ P_o = 1kg/cm² lên đến p_tg = 7 – 9kg/cm² kéo theo nhiệt độ tăng.

Sau đó được đưa về TBLM-SB làm giảm nhiệt độ chuyển từ trạng thái 2 sang trạng thái 2’, hơi quá nhiệt CO₂ này sẽ kết hợp với CO₂ bão hoà khô ở trạng thái 7 (nằm trên x=1) tạo ra trạng thái 3, hơi này được MN-C₂-CO₂ hút về nén đoạn nhiệt hay đa biến lên trạng thái 4, quá trình nén này làm tăng áp suất từ P_tg lên đến P_k = 15 – 20kg/cm² đồng thời nhiệt độ cũng tăng lên.

Tại đây hơi quá nhiệt CO₂ ở trạng thái 4 được dẫn đến thiết bị NT-BH (ngưng tụ ở tầng dưới – bay hơi ở tầng trên), nó sẽ thải nhiệt cho hệ thống lạnh tầng trên (bằng cách môi chất lạnh NH3 hay freon của tầng trên đi trong thiết bị bay hơi có nhiệt độ rất thấp, nó sẽ nhận nhiệt của hơi CO₂ đi ngoài ống thiết bị ngưng tụ, làm sôi môi chất lạnh đi trong ống) thực hiện quá trình ngưng tụ đẳng áp 4 -5 (P_k = const) chuyển đổi pha từ pha hơi sang pha lỏng, đồng thời quá lạnh CO₂ lỏng trước khi ra khỏi thiết bị NT- BH.

Lỏng CO₂ quá lạnh ở trạng thái 5 được dẫn đến VTL-1 thực hiện quá trình tiết lưu đẳng entalpi (h = const), quá trình tiết lưu này làm giảm áp suất từ P_k xuống P_tg kéo theo nhiệt độ giảm, CO₂ sau khi tiết lưu ở trạng thái 6 nằm trong vùng hơi bão hoà ẩm, phần hơi ẩm được tách ra bay lên phía trên của BTG-CO₂ trở thành hơi bão hòa khô ở trạng thái 7 có nhiệt độ thấp và hơi này có nhiệm vụ làm mát tiếp tục hơi quá nhiệt ở trạng thái 2’ sau khi ra khỏi TBLM-SB.

Phần CO₂ sẽ được tách ra nằm ở phía dưới đáy của BTG-CO₂ chuyển về trạng thái 8, lỏng CO₂ ở trạng thái 8 được dẫn tới VTL-2 tiếp tục thực hiện quá trình tiết lưu đẳng entalpi (h₈ = h₉ = const), quá trình tiết lưu này làm giảm áp suất từ P_tg xuống P_o = 1kg/cm² (áp suất khí quyển) và chuyển từ trạng thái 8 xuống trạng thái 9 nằm trong vùng hơi ẩm bão hoà nhưng do nhiệt độ CO₂ hạ xuống rất sâu nên lỏng và hơi CO₂ bị hoá đá tạo hỗn hợp đá khô và hơi CO₂.

Phần đá khô chuyển về trạng thái 11 nằm trong vùng rắn CO₂, phần hơi còn lại không hoá đá chuyển về trạng thái 10 hơi bão hoà khô có nhiệt độ thấp hơi này có nhiệm vụ làm mát hơi quá nhiệt CO₂ từ bồn chứa cung cấp vào cho hệ thống.

Nguyên lí làm việc ở tầng trên

Môi chất lạnh sau khi nhận nhiệt của môi trường cần làm lạnh (nhận nhiệt của CO₂ ở thiết bị NT-BH) thực hiện quá trình bay hơi đẳng áp (P_o° ở tầng trên = const), chuyển đổi pha từ hơi ẩm bão hoà ở trạng thái 8° về trạng thái 10° hơi bão hoà khô nằm trên đường X =1 và bị quá nhiệt trên đường hút về ở trạng thái 1°.

Hơi quá nhiệt này được MN-C₁ hút về nén đoạn nhiệt hay đa biến từ trạng thái 1° lên trạng thái 2°, quá trình nén này làm tăng áp suất từ P_o° lên p_tg° đồng thời kéo theo nhiệt độ tăng, hơi môi chất lạnh quá nhiệt sau khi nén lên đưa vào bình trung gian có ống xoắn được làm mát hoàn toàn bởi môi chất lạnh tiết lưu lần 1, chuyển từ trạng thái 2° sang trạng thái 3°.

Sau đó được MN-C₂ hút về nén đoạn nhiệt hay đa biến lên trạng thái 4°, quá trình nén này làm tăng áp suất từ p_tg° lên p_k° đồng thời kéo theo nhiệt độ tăng, hơi môi chất lạnh quá nhiệt sau khi được nén lên được đưa về TBNT, tại đây nó thải nhiệt cho môi trường nước làm mát thực hiện quá trình ngưng tụ đẳng áp (P_k° = const) 4°- 5° chuyển đổi pha từ pha hơi sang pha lỏng.

Sau khi ra khỏi TBNT lỏng môi chất lạnh ở trạng thái 5° được dẫn đi về BTG, tại đây lỏng được tách ra làm hai nhánh, nhánh có lưu lượng nhỏ đi về VTL-1, thực hiện quá trình tiết lưu đẳng entalpi 5°- 6° làm giảm áp suất từ P_k° xuống p_tg° đồng thời kéo theo nhiệt độ môi chất lạnh giảm.

Mục đích quá trình tiết lưu 1 là làm mát hơi môi chất hoàn toàn từ MN-C₁ nén lên đồng thời làm quá lạnh môi chất lạnh lỏng đi trong ống xoắn của BTG, nhánh có lưu lượng lớn hơn đi vào ống xoắn của BTG để làm quá lạnh chuyển từ trạng thái 5° sang trạng thái 7°, môi chất lạnh lỏng quá lạnh được dẫn tới VTL-2 thực hiện quá trình tiết lưu đẳng entalpi 7°-8°.

Đồng thời làm giảm áp suất từ P_k° xuống P_o° kéo theo nhiệt độ giảm rất sâu (thông thường nhiệt độ sôi hay bay hơi của môi chất lạnh ở tầng trên dao động trong khoảng – 50 đến -45°C là đạt, lỏng sau khi tiết lưu đưa về BCTA tại đây phần lỏng được tách ra ở đáy bình trạng thái 9° cấp dịch cho NT-BH, phần hơi tách ra ở phía trên của bình và kết hợp với phần hơi môi chất sau khi nhận nhiệt của CO₂ tầng dưới bay hơi về trước khi máy nén hút về thực hiện một chu trình mới tiếp theo.

*Nguồn tham khảo: Công nghệ lạnh ứng dụng trong sản xuất nước đá khô và nước giải khát – Nguyễn Tấn Dũng