Giới thiệu sơ đồ hệ thống lạnh cơ bản

Theo mục phân loại, chúng tôi sẽ giới thiệu một số sơ đồ hệ thống lạnh cơ bản cho cả mỗi chất NH₃ và Freon cũng như cho cả cỡ nhỏ, trung bình và lớn.

Hệ thống lạnh 1 cấp

Máy nén hút hơi môi chất từ bình chứa tuần hoàn, nén lên áp suất cao để đẩy vào bình ngưng giải nhiệt bằng nước. Lỏng ngưng chảy xuống bình chứa cao áp. Qua van phao hạ áp, lỏng vào bình chứa tuần hoàn. Nhờ van phao hạ áp mức lỏng trong bình chứa tuần hoàn được giữ không đổi. 

Nếu van phao hạ áp bị hỏng hóc, người ta có thể sử dụng van tiết lưu đặt phía trên để thay thế tạm thời. Lỏng trong bình chứa tuần hoàn được bơm đến các dàn. Hỗn hợp lỏng hơi ra từ dàn được đẩy trở lại bình chứa tuần hoàn. Hơi được hút về máy nén, còn lỏng lại được bơm trở lại dàn. Bơm dịch là loại dễ hỏng nên cần có thêm một chiếc dự phòng. 

Mỗi phòng lạnh đều có 1 rơle nhiệt độ TC điều chỉnh nhiệt độ phòng. Khi thiếu lạnh (chưa đủ nhiệt độ lạnh), TC mở van điện từ cho lỏng vào, khi đủ lạnh TC đóng van điện từ (ở đây chỉ biểu diễn cho 1 phòng lạnh). Ở đây không biểu diễn bình tách dầu cho máy nén.

Hệ thống lạnh 2 cấp

Hệ thống lạnh 2 cấp chỉ khác hệ thống lạnh 1 cấp là có thêm máy nén cấp cao áp. Trong trường hợp này người ta vẫn dùng van phao hạ áp để khống chế mức lỏng với 1 van tiết lưu dự phòng. Lỏng được quá lạnh bằng 1 ống nối trực tiếp với bình chứa cao áp. 

Cấp lỏng vào bình chứa tuần hoàn cũng được thực hiện giống như với bình trung gian. Ở bình trung gian cũng có thiết bị bảo vệ mức lỏng max LAH có báo động và phải tái lập chế độ làm việc bằng tay sau khi rơle mức lỏng tác động. 

Sơ đồ cấp lỏng cho dàn bay hơi

Hệ thống dàn lạnh bay hơi trực tiếp là bộ phận thiết bị trực tiếp thực hiện việc cấp lạnh cho buồng. Giải pháp đúng cho cụm thiết bị này có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo sự hoạt động bình thường và hiệu quả của toàn hệ thống lạnh. 

Sơ đồ cụm dàn lạnh cần đáp ứng các yêu cầu sau:

• An toàn tuyệt đối cho hệ thống không bị va đập thuỷ lực khi cấp lỏng cho hệ thống làm việc ở các chế độ tải nhiệt khác nhau, đặc biệt khi đầy tải hoặc quá tải;
• Cấp lỏng đều cho các bề mặt trao đổi nhiệt, đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt là lớn nhất;
• Đảm bảo phân phối nhiệt độ đều đặn trong buồng; 
• Có khả năng tự động việc cấp lỏng cho dàn; 
• Thể tích chứa mỗi chất của hệ thống dàn là thấp nhất để tránh nguy hiểm do môi chất có thể gây ra; 
• Dễ dàng lắp ráp, vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa;
• Dễ dàng xả dầu, vệ sinh, xả băng cho dàn;
• Cột áp thuỷ tĩnh không được ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi (hệ thống cấp lỏng nhờ cột lỏng, bình tách lỏng ở trên, kho lạnh nhiều tầng). 

Hình 1 giới thiệu cách phân loại sơ đồ cấp lỏng cho dàn bay hơi, hình 2 giới thiệu ba sơ đồ cấp lỏng chủ yếu cho dàn bay hơi trực tiếp. Đó là: 

• Cấp lỏng nhờ độ chênh áp suất giữa phía đẩy và phía hút Δp = P_k – P_o
• Cấp lỏng nhờ cột cấp lỏng H;
• Cấp lỏng nhờ bơm tuần hoàn;

Các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy, hiệu quả trao đổi nhiệt của dàn đạt cao nhất khi cấp lỏng từ dưới lên với điều kiện lỏng ngập trong dàn vừa phải.

Độ ngập lỏng của dàn được đánh giá qua độ quá nhiệt của hơi khi hút về máy nén. Độ ngập lỏng vừa phải có độ quá nhiệt hơi hút ổn định từ 5 đến 15 K. 

Nếu độ quá nhiệt quá nhỏ, dàn đã được cấp quá nhiều lỏng, nguy cơ va đập thuỷ lực có thể xảy ra. Nếu độ quá nhiệt quá lớn, dàn được cấp quá ít lỏng, một phần dàn chỉ có hơi, hiệu quả trao đổi nhiệt kém. Bởi vậy, tất cả các sơ đồ, đều theo hệ thống cấp lỏng từ dưới lên.

a) Nhờ độ chênh áp P_k – P_o; b) Nhờ cột lỏng H; c) Nhờ bơm tuần hoàn.
1. Đường lỏng cao áp; 2. Đường hút về máy nén; 3. Dàn bay hơi; 4. Bình tách lỏng, 5. Ống góp của bộ phận phân phối lỏng; 6. Bơm tuần hoàn; 7. Van tiết lưu.

Từ bình chứa cao áp, lỏng theo ống 1 đến trạm tiết lưu. Do chênh lệch áp suất giữa hai phía đẩy và phía hút Δp ≈ 10 – 13 bar, lỏng được phun vào dàn 3 (hình 2a), dù cho dàn được đặt ở các vị trí khác nhau trong buồng lạnh hay trong kho lạnh nhiều tầng. Hơi sinh ra ở dàn bay hơi sẽ theo đường 2 về máy nén. 

Trường hợp chỉ có một máy nén và một số dàn lạnh hạn chế có thể sử dụng phương pháp cấp lỏng này. Mỗi dàn lạnh có một van tiết lưu và có thể tự động hóa việc cấp lỏng nhờ tín hiệu quá nhiệt của hơi hút về máy nén. Cũng có thể sử dụng phương pháp tự động khác theo tín hiệu quá nhiệt.

Nếu cấp lỏng theo phương pháp 2 (hình 2b) thì lỏng được tiết lưu trực tiếp vào bình tách lỏng. Lỏng sẽ tự chảy vào bộ phân phối và chảy vào các dàn lạnh. Hơi tạo thành trong dàn sẽ kéo theo một phần lỏng chảy trở lại bình tách lỏng. 

Phần hơi được hút về máy nén theo đường 2, phần lỏng sẽ rơi xuống đáy bình và chảy trở lại dàn lạnh. Để đảm bảo lỏng phân phối tốt trong dàn, bình tách lỏng phải đặt cao hơn dàn cao nhất từ 3 đến 5 m. Sơ đồ này thường được gọi là sơ đồ có bình tách lỏng đặt trên cao. 

Sơ đồ này có nhược điểm là khi tải nhiệt thiết bị lớn, lỏng cuốn theo hơi lớn có thể gây va đập thuỷ lực cho máy nén. Để khắc phục nhược điểm này cần phải bố trí bình chứa dự phòng và nối một ống xả tràn từ bình tách lỏng tới bình chứa dự phòng.

Nhược điểm khác của sơ đồ này là nếu cột lỏng quá cao sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ bay hơi. Điều này dễ nhận ra ở phạm vi nhiệt độ thấp.

Đối với hệ thống lạnh lớn có nhiều hộ tiêu thụ lạnh (nhiều dàn), phương pháp cấp lỏng ở hình 2a, b đều tỏ ra có nhiều nhược điểm. Nhược điểm quan trọng là phân phối lỏng không đều cho các dàn. Khi đó người ta phải sử dụng sơ đồ có bơm tuần hoàn (hình 2c).

Sau khi đi qua van tiết lưu lỏng vào bình tách lỏng, sau đó được bơm tuần hoàn hút và đẩy vào ống phân phối cho các dàn lạnh. Hơi sinh ra ở dàn bay hơi kéo theo một phần lỏng quay trở lại bình tách lỏng. Ở bình tách lỏng, hơi theo đường 2 về máy nén còn lỏng theo bơm 6 quay trở lại các dàn lạnh.

Trong sơ đồ này, bình tách lỏng đặt ở phía dưới các dàn bay hơi, ở ngay trong gian máy và thiết bị. Bơm đặt thấp hơn bình tách lỏng ít nhất 1,5 – 3 m để đảm bảo tuần hoàn được môi chất lỏng. Để đề phòng cột lỏng quá nhỏ, hơi có thể lọt vào bơm làm gián đoạn sự hoạt động của bơm người ta bố trí thiết bị tách hơi 7 trước bơm.

Ưu điểm của hệ thống có bơm tuần hoàn là :

• Lỏng lưu động trong dàn với tốc độ lớn, tất cả bề mặt dàn được thấm ướt làm cho hiệu quả trao đổi nhiệt tăng.
• Phân phối lỏng cho các dàn đồng đều hơn;
• Giảm hiện tượng phun hơi và lỏng từ dàn khi tải nhiệt của dàn tăng đột.

Sơ đồ bình tách lỏng

Sơ đồ bình tách lỏng đặt trên cao

Hình 3 giới thiệu sơ đồ bình tách lỏng đặt trên cao đơn giản không có bình chứa dự phòng và có bình chứa dự phòng. Do những nhược điểm đã nêu nên sơ đồ này chỉ sử dụng hạn chế cho các kho lạnh đến 600 tấn.

1. Bình tách lỏng; 2. Rơle mức lỏng khống chế mức lỏng trong bình; 3. Rơle mức lỏng max trong bình; 4. Dàn lạnh; 5. Rơle nhiệt độ; 6. Van điện từ ; 7, 8. Bình chứa dự phòng: 9. Ống thuỷ (bộ chỉ báo mức lỏng); 10. Phin lọc; 11. Ống chảy tuần hoàn; 12. Ống cân bằng hơi.

Ở đây, bố trí lỏng tiết lưu trực tiếp vào bình tách lỏng. Mức lỏng được khống chế nhờ rơle mức lỏng (có thể dùng van phao hạ áp). Lỏng tự chảy từ bình tách lỏng vào dàn bay hơi.

Trường hợp tải nhiệt của dàn lạnh tăng đột ngột, để bảo vệ máy nén không hút phải lỏng khi bình bị ngập lỏng, người ta bố trí rơle mức lỏng 3, ngắt mạch máy nén. Ở các hệ thống lớn có thể bố trí thêm bình chứa dự phòng, khi mức lỏng tăng, lỏng chảy tràn về bình chứa dự phòng (luôn phải có 2 bình thay nhau làm việc, 1 làm việc, 1 đẩy lỏng về bình chứa cao áp). 

Ở điều kiện làm việc bình thường, bình chứa dự phòng rỗng. Nếu mức lỏng ở 1 bình chứa đạt mức tiêu chuẩn người ta chuyển bình kia làm việc còn lỏng trong bình đây sẽ dùng hơi cao áp từ máy nén đẩy về bình chứa cao áp, đôi khi đẩy qua van tiết lưu trở lại bình tách lỏng. 

Nhược điểm cơ bản của sơ đồ này là bình tách lỏng phải đặt cao trên tất cả các thiết bị khác, khó khăn cho việc theo dõi, đặc biệt đối với kho lạnh nhiều tầng.

Sơ đồ bình tách lỏng đặt dưới thấp với bình chứa dự phòng

1. Van điện từ; 2. Van tiết lưu nhiệt; 3. Dàn bay hơi; 4. Bình tách lỏng; 5. Rơle mức lỏng bảo vệ: 5′. Bình chứa dự phòng; 6. Ông chảy tràn; 7. Ống cân bằng hơi 

Để khắc phục nhược điểm trên, người ta sử dụng sơ đồ bình tách lỏng đặt dưới thấp. Đối với môi chất NH₃, sơ đồ này bắt buộc phải có bình chứa dự phòng (hình 4). Đối với Freon, người ta chỉ cần bố trí bình tích lỏng đặt phía sau dàn lạnh. 

Cần lưu ý trong sơ đồ này: van tiết lưu cho các dàn bay hơi là van tiết lưu nhiệt, có độ quá nhiệt 5 – 15 K. Bình tách lỏng luôn giữ mức lỏng ngang với ống chảy tràn đảm bảo độ quá nhiệt hơi hút về máy nén không quá cao (đặc biệt đối với NH₃). Hoạt động của bình chứa dự bình tách lỏng trên cao.

Sơ đồ xả băng với bình chứa thu hồi

Hệ thống amoniac xả băng bằng hơi nóng bắt buộc phải có bình chứa thu hồi. Hình 5 giới thiệu sơ đồ nguyên lý hệ thống dàn bay hơi với bình chứa thu hồi.

1, 2, 3, 4. Hệ van điện từ điều khiển xả băng; 5. Van điện từ điều chỉnh nhiệt độ phòng; 6. Van tiết lưu nhiệt; 7. Bình chứa thu hồi; 8. Dàn bay hơi cấp lỏng từ trên xuống (a); 9. Dàn bay hơi cấp lỏng từ dưới lên (b); Ghi chú: Ở đây chỉ về đường xả băng cho 1 dàn để đỡ rối.

Khi xả băng, đóng van điện từ 1 và 2 sau đó mở van điện từ 3 và 4. Hơi nóng từ đầu đẩy máy nén đi vào dàn, trong quá trình xả băng, lỏng bị đẩy vào bình chứa thu hồi.

Kết thúc quá trình xả băng, van điện từ 3 và 4 đóng lại, van 1 và 2 mở ra để quay về chu kỳ làm lạnh. Việc xả băng được tiến hành cho từng dàn một. Khi bình chứa thu hồi đạt mức lỏng tiêu chuẩn, người ta khoá van thu hồi, mở van lấy hơi nóng từ đầu đẩy về trạm tiết lưu.

Sơ đồ có bơm tuần hoàn

Sơ đồ có bơm ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt cho các kho lạnh lớn làm lạnh trực tiếp có nhiều dàn bay hơi. So với sơ đồ không bơm, sơ đồ này có thêm bình chứa tuần hoàn. Sơ đồ hệ thống lạnh có bơm có thể chia ra một số loại sau:

• Sơ đồ có bình chứa tuần hoàn đặt nằm ngang,
• Sơ đồ có bình chứa tuần hoàn đạt đứng,
• Sơ đồ cấp lỏng từ trên xuống,
• Sơ đồ cấp lỏng từ dưới lên.

Nếu chọn sơ đồ cấp lỏng từ trên xuống, cần phải chú ý đến việc xả môi chất lỏng về bình chứa tuần hoàn. Điều này đặc biệt quan trọng đối với kho lạnh một tầng vì hầu như tất cả các thiết bị đều có độ cao như nhau. Vì vậy đối với kho lạnh một tầng và tầng dưới của kho lạnh nhiều tầng không nên sử dụng sơ đồ cấp lỏng từ trên xuống.

Khi sử dụng bình chứa tuần hoàn nằm ngang, cần phải có thêm bình tách lỏng, trong khi bình chứa tuần hoàn đặt đứng đồng thời làm chức năng tách lỏng.

Hình 6a, b giới thiệu sơ đồ hoàn chỉnh của một hệ thống lạnh hai nhiệt độ có bơm tuần hoàn cấp lỏng từ dưới lên.

MN₁, MN₂, MN₃. Máy nén;
1. Bình ngưng; 2. Bình chứa cao áp; 3. Bình chứa dầu; 4, 5. Bình tách dầu; 6. Bình chứa tuần hoàn; 7. Bình chứa thu hồi; 8. Bơm tuần hoàn; 9. Bình tách khí không ngưng; 10. Bình trung gian; 11. Dàn bay hơi -40°C; 12. Dàn bay hơi -10°C; 13. Trạm tiết lưu;
B. ống góp xả băng; H- Ống góp xả hơi; X- Ống góp xả lỏng; L- Ống góp phân phối lỏng; AT- Van an toàn; TL- van tiết lưu; ĐT- Van điện từ, VN- Van nạp môi chất lạnh;

Để phục vụ cho nhiệt độ sôi thấp -40°C người ta sử dụng hai máy nén M₁ (nén áp thấp) và M₂ (nén áp cao) với bình trung gian 10 có ống xoắn. Để phục vụ cho nhiệt độ sôi cao -10°C, người ta dùng một máy nén M₃. 

Đường đẩy của máy nén M₂ (cao áp) hợp với đường đẩy của máy nén M₃, đi qua van một chiều rối vào bình tách dầu 4, sau đó vào bình ngưng 1. Hơi mỗi chất thải nhiệt cho nước làm mát, ngưng tụ lại trong bình ngưng rồi chảy xuống bình chứa 2. Từ bình chứa 2, lỏng được đưa đến trạm tiết lưu 13 bằng hai đường:

• Trực tiếp đến trạm tiết lưu (lỏng không được quá lạnh, để tiết lưu cho hệ thống bay hơi nhiệt độ cao -10°C;
• Gián tiếp qua ống xoắn bình trung gian (lỏng được quá lạnh đến nhiệt độ trung gian) để tiết lưu cho hệ thống bay hơi nhiệt độ thấp.

Mỗi hệ thống nhiệt độ bay hơi có một bình chứa tuần hoàn, một bơm tuần hoàn riêng.

Từ trạm tiết lưu, lỏng được tiết lưu trực tiếp vào bình chứa tuần hoàn qua van chặn, van điện từ và van tiết lưu. Mức lỏng trong bình chứa tuần hoàn 6 được duy trì không đổi nhờ rơle mức lỏng M kiểu phao kết hợp với van điện từ ĐT. Mức lỏng xuống dưới mức quy định. 

M cho tín hiệu đóng van điện từ ngừng cấp lỏng vào bình. Bơm tuần hoàn 8 đẩy lỏng từ bình chứa tuần hoàn đến các ống góp lỏng L của dàn lạnh tương ứng. Lỏng từ ống góp L được phân phối vào các dàn nối song song. Hơi hình thành trong các dàn đi về ống góp hơi H rồi theo đường hơi quay lại bình chứa tuần hoàn.

Lỏng chưa kịp bay hơi cuốn theo hơi rơi xuống phía dưới, được bơm đẩy trở lại dàn còn hơi theo đường phía trên bình về máy nén tương ứng. Hơi từ bình chứa của hệ -40°C về máy nén hạ áp MN₁ còn hơi từ bình chứa của hệ -10°C về máy nén MN₃.

Để tách khí không ngưng, sơ đồ này sử dụng bình tách khí không ngưng tự động 9 ký hiệu AB-4 [12]. Trên các thiết bị đều có bố trí van an toàn AT, áp kế và các dụng cụ cần thiết.