Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng

Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống làm lạnh, đảm nhiệm chức năng trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh và chất lỏng cần làm lạnh. Dưới đây là một số phân loại phổ biến của thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng.

Phân loại theo môi chất lạnh

• Bình bay hơi hệ thống NH₃: Đặc điểm cơ bản của bình bay hơi kiểu này là môi chất lạnh bay hơi bên ngoài các ống trao đổi nhiệt, tức khoảng không gian giữa các ống, chất lỏng cần làm lạnh chuyển động bên trong các ống trao đổi nhiệt.
• Bình bay hơi Freon: Bình bay hơi Freon ngược lại môi chất lạnh có thể sôi ở bên trong hoặc ngoài ống trao đổi nhiệt, chất lỏng cần làm lạnh chuyển động dích dắc bên ngoài hoặc bên trong các ống trao đổi nhiệt.

Bình bay hơi NH₃

Cấu tạo

Bình sử dụng các trao đổi nhiệt là thép áp lực trơn C20 đường kính Φ38×3, Φ51×3,5 hoặc Φ57×3,5. Các chùm ống được bố trí so le, cách đều và nằm trên các đỉnh tam giác đều, mật độ tương đối dày để giảm kích thước bình, đồng thời giảm dung tích chứa NH₃. Thân và nắp bình bằng thép CT3.

Để bình có hình dáng đẹp, hợp lý tỷ số giữa chiều dài và đường kính cần duy trì trong khoảng L/D=5÷8. Các mặt sàng thường được làm bằng thép cacbon hoặc thép hợp kim và có độ dày khá lớn 20÷30mm. Ống được núc chặt vào mặt sàng hoặc hàn. Khoảng hở cần thiết nhỏ nhất giữa các ống ngoài cùng và mặt trong của thân bình là 15÷20mm.

1- nắp bình; 2-Thân bình; 3-Tách lỏng; 4- ống NH3 ra; 5- Tấm chắn lỏng; 6- ống trao đổi nhiệt; 7- ống lỏng ra; 8- ống lỏng vào; 9- Chân bình; 10- Rốn bình; 11- ống nối van phao

Nguyên lý

Phía dưới bình có thể có rốn để thu hồi dầu, từ đây dầu được đưa về bình thu hồi dầu. Môi chất được tiết lưu vào bình từ phía dưới, sau khi trao đổi nhiệt hơi sẽ được hút về máy từ bình tách lỏng gắn ở phía trên bình bay hơi. 

Đối với các bình công suất lớn, lỏng được đưa vào ống góp rồi đưa vào một số ống nhánh dẫn vào bình, phân bố đều theo chiều dài. Hơi ra bình cũng được dẫn ra từ nhiều ống phân bố đều trong không gian. Bình bay hơi có trang bị van phao khống chế mức lỏng tránh hút hơi ẩm về máy nén. Van phao tác động đóng van điện từ cấp dịch khi mức dịch vượt quá mức cho phép. Trường hợp muốn khống chế mức dịch dưới có thể dùng thêm van phao thứ 2 tác động mở van điện từ cấp dịch khi lượng dịch quá thấp.

Các nắp bình cũng có các vách phân dòng để chất tải lạnh chuyển động nhiều lần trong bình, tăng thời gian làm lạnh và tốc độ chuyển động của nó nhằm nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt.

Cường độ trao đổi nhiệt trong thiết bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ nhiệt, tốc độ chuyển động, nhiệt độ và bản chất vật lý của chất lỏng trong ống. Đối với bình làm lạnh nước muối khi tốc độ v=1÷1,5 m/s, độ làm lạnh nước muối khoảng 2÷3^oC, hệ số truyền nhiệt k = 400÷520 W/m².K; mật độ dòng nhiệt q_of = 2000÷4500 W/m².

Chất lỏng thường được làm lạnh là nước, glycol, muối Nacl và CaCl₂. Khi làm lạnh muối NaCl và CaCl₂ thì thiết bị chịu ăn mòn đặc biệt khi để lọt khí vào bên trong nên thực tế ít sử dụng. Trường hợp này nên sử dụng các dàn lạnh kiểu hở khi bị hư hỏng dễ sửa chữa và thay thế. Để làm lạnh nước và glycol người ta thường sử dụng bình bay hơi Freon.

Bình bay hơi Freon

Bình bay hơi Freon môi chất sôi trong ống thường được sử dụng để làm lạnh các môi chất có nhiệt độ đóng băng cao như nước trong các hệ thống điều hoà water chiller.

a) Môi chất sôi ngoài ống: 1) ống phân phối lỏng, 2,3- Chất tải lạnh vào, ra; 4- Van an toàn; 5- Hơi ra; 6- áp kế; 7- ống thuỷ
b) Môi chất sôi trong ống (dạng chữ U)
c) Tiết diện ống có cánh trong gồm 02 lớp: lớp ngoài là đồng niken, trong là nhôm

Khi xảy ra đóng băng ít nguy hiểm hơn trường hợp nước chuyển động bên trong ống. Đối với bình môi chất sôi trong ống khối lượng môi chất giảm 2 ÷3 lần so với sôi ngoài ống. Điều này rất có ý nghĩa đối với hệ thống Freon vì giá thành Freon cao hơn NH₃ nhiều.

Để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt đối với bình Freon, đặc biệt R12 người ta làm cánh về phía môi chất. Khi môi chất chuyển động bên trong người ta chế tạo ống có cánh bằng 02 lớp vật liệu khác nhau, bên ngoài là đồng, bên trong là nhôm.

Hệ số truyền nhiệt bình ngưng sử dụng môi chất R12 khoảng 230÷350 W/m².K, độ chênh nhiệt độ khoảng 5÷8K. Đối với môi chất R22 ống trao đổi nhiệt có thể là ống đồng nhẵn vì hệ số truyền nhiệt của nó cao hơn so với R12 từ 20÷30%.

Phân loại theo kiểu dáng

Dàn lạnh kiểu panen

Để làm lạnh các chất lỏng trong chu trình hở người ta sử dụng các dàn lạnh panen.

Cấu tạo của dàn gồm 02 ống góp lớn nằm phía trên và phía dưới, nối giữa hai ống góp là các ống trao đổi nhiệt dạng ống trơn thẳng đứng. Môi chất chuyển động và sôi trong các ống, chất lỏng cần làm lạnh chuyển động ngang qua ống. 

1- Bình giữ mức-tách lỏng; 2- Hơi về máy nén; 3- ống góp hơi; 4-Góp lỏng vào; 5- Lỏng vào; 6- Xả tràn nước muối; 7- Xả nước muối ;8- Xả cạn; 9- Nền cách nhiệt; 10- Xả dầu; 11- Van an toàn

Các dàn lạnh panen được cấp dịch theo kiểu ngập lỏng nhờ bình giữ mức- tách lỏng. Môi chất lạnh đi vào ống góp dưới và đi ra ống góp trên. Tốc độ luân chuyển của nước muối trong bể khoảng 0,5÷0,8 m/s, hệ số truyền nhiệt k=460÷580 w/m².K. 

Khi hiệu nhiệt độ giữa môi chất và nước muối khoảng 5÷6K, mật độ dòng nhiệt của dàn bay hơi panen khá cao khoảng 2900÷3500 W/m²

Dàn lạnh panen kiểu ống thẳng có nhược điểm là quãng đường đi của dòng môi chất trong các ống trao đổi nhiệt khá ngắn và kích thước tương đối cồng kềnh. Để khắc phục điều đó người ta làm dàn lạnh theo kiểu xương cá.

Dàn lạnh xương cá

Dàn lạnh xương cá được sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống làm lạnh nước hoặc nước muối, ví dụ như hệ thống máy đá cây.

Về cấu tạo, tương tụ dàn lạnh panen nhưng ở đây các ống trao đổi nhiệt được uốn cong, do đó chiều dài mỗi ống tăng lên đáng kể. Các ống trao đổi nhiệt gắn vào các ống góp trông giống như một xương cá khổng lồ. Đó là các ống thép áp lực dạng trơn, không cánh. Dàn lạnh xương cá cũng có cấu tạo gồm nhiều cụm (môđun), mỗi cụm có 01 ống góp trên và 01 ống góp dưới và hệ thống 2÷4 dãy ống trao đổi nhiệt nối giữa các ống góp.

1- ống góp ngang; 2- ống trao đổi nhiệt; 3- ống góp dọc; 4- Kẹp ống; 5- Thanh đỡ

Mật độ dòng nhiệt của dàn bay hơi xương cá tương đương dàn lạnh kiểu panen tức khoảng 2900÷3500 W/m².

Dàn lạnh tấm bản

Ngoài các dàn lạnh thường được sử dụng ở trên, trong công nghiệp người ta còn sử dụng dàn bay hơi kiểu tấm bản để làm lạnh nhanh các chất lỏng. Ví dụ hạ nhanh dịch đường và glycol trong công nghiệp bia, sản xuất nước lạnh chế biến trong nhà máy chế biến thực phẩm vv..

Cấu tạo dàn lạnh kiểu tấm bản hoàn toàn giống dàn ngưng tấm bản, gồm các tấm trao đổi nhiệt dạng phẳng có dập sóng được ghép với nhau bằng đệm kín. Hai đầu là các tấm khung dày, chắc chắn được giữ nhờ thanh giằng và bu lông. Đường chuyển động của môi chất và chất tải lạnh ngược chiều và xen kẽ nhau. 

Tổng diện tích trao đổi nhiệt rất lớn. Quá trình trao đổi nhiệt giữa hai môi chất thực hiện qua vách tương đối mỏng nên hiệu quả trao đổi nhiệt cao. Các lớp chất tải lạnh khá mỏng nên quá trình trao đổi nhiệt diễn ra nhanh chóng. 

Dàn lạnh tấm bản NH₃ có thể đạt k =2500÷4500 W/m².K khi làm lạnh nước. Đối với R22 làm lạnh nước hệ số truyền nhiệt đạt k =1500÷3000W/m².K. 

Đặc điểm của dàn lạnh kiểu tấm bản là thời gian làm lạnh rất nhanh, khối lượng môi chất lạnh cần thiết nhỏ.

Nhược điểm là chế tạo phức tạp nên chỉ có các hãng nổi tiếng mới có khả năng chế tạo. Do đó khi hư hỏng, không có vật tư thay thế, sửa chữa khó khăn.