Thiết bị bay hơi trong máy lạnh nén hơi: nhiệm vụ, phân loại

Thiết bị bay hơi là một trong những thiết bị chính của hệ thống lạnh, đóng vai trò quan trọng trong quá trình làm lạnh. Nó là nơi mà chất lạnh (hay còn gọi là môi chất lạnh) hấp thụ nhiệt từ không khí trong phòng, chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi.

Nhiệm vụ

Thiết bị bay hơi là thiết bị trao đổi nhiệt, có nhiệm vụ hoá hơi môi chất bão hoà ẩm sau tiết lưu đồng thời làm lạnh môi trường cần làm lạnh. 

Lưu ý:

• Quá trình làm việc của thiết bị bay hơi ảnh hưởng đến thời gian và hiệu quả làm lạnh. Vì vậy, dù toàn bộ trang thiết bị hệ thống tốt đến đâu nhưng thiết bị bay hơi làm việc kém hiệu quả thì tất cả trở nên vô ích. 
• Khi quá trình trao đổi nhiệt ở thiết bị bay hơi kém thì thời gian làm lạnh tăng, nhiệt độ phòng không đảm bảo yêu cầu, trong một số trường hợp do không bay hơi hết lỏng trong dàn lạnh dẫn tới máy nén có thể hút ẩm về gây ngập lỏng. 
• Ngược lại, khi thiết bị bay hơi có diện tích quá lớn so với yêu cầu, thì chi phí đầu tư cao và đồng thời còn làm cho độ quá nhiệt hơi ra khỏi thiết bị lớn. Khi độ quá nhiệt lớn thì nhiệt độ cuối quá trình nén cao, tăng công suất nén. 

Phân loại thiết bị bay hơi 

Theo môi trường cần làm lạnh: 

• Bình bay hơi, được sử dụng để làm lạnh chất lỏng như nước, nước muối. 
• Dàn lạnh không khí, được sử dụng để làm lạnh không khí. 
• Dàn lạnh kiểu tấm, có thể sử dụng làm lạnh không khí, chất lỏng hoặc sản phẩm dạng đặc. Ví dụ các tấm lắc trong tủ đông tiếp xúc, trống làm đá vảy vv… 
• Dàn làm lạnh chất lỏng: dàn lạnh xương cá, panel trong các hệ thống lạnh sản xuất nước đá khối. 

Theo mức độ chứa dịch trong dàn lạnh: 

• Dàn lạnh kiểu ngập lỏng hoặc không ngập lỏng. 
• Ngoài ra còn phân loại theo tính chất kín – hở của môi trường làm lạnh

Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng 

Thiết bị bay hơi kiểu ống chùm có vỏ bọc

Thiết bị bay hơi ống chùm hở

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

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

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. 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 – 0,8m/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 xương cá được sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống làm lạnh nước hoặc nước muối, ví dụ như hệ thống máy lạnh sản xuất nước đá khối. Về cấu tạo, tương tự dàn lạnh panen/ống thẳng 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. Mật độ dòng nhiệt của dàn bay hơi xương cá tương đương dàn lạnh kiểu panen tức khoảng 2900 – 3500 W/m².

Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí

Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí đối lưu tự nhiên

Dàn lạnh đối lưu tự nhiên không dùng quạt được sử dụng để làm lạnh không khí trong các buồng lạnh. Dàn có thể được lắp đặt áp trần hoặc áp tường, ống trao đổi nhiệt là ống thép trơn hoặc ống có cánh bên ngoài. Cánh tản nhiệt sử dụng là cánh thẳng hoặc cánh xoắn. Đối với dàn ống trơn thường dùng là ống thép Φ57×3,5, bước ống từ 180 – 300mm. Dàn ống có hệ số truyền nhiệt khoảng k = 7 – 10w/m².K

Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí đối lưu cưỡng bức

Dàn lạnh đối lưu không khí cưỡng bức được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống lạnh để làm lạnh không khí như trong các kho lạnh, thiết bị cấp đông, điều hoà vv… 

Dàn lạnh đối lưu cưỡng bức có 02 loại: Loại ống đồng và ống sắt. Thường các dàn lạnh đều được làm cánh nhôm hoặc cánh sắt. Dàn lạnh có vỏ bao bọc, lồng quạt, ống khuếch tán gió, khay hứng nước ngưng. Việc xả nước ngưng có thể sử dụng bằng nhiều phương pháp, nhưng phổ biến nhất là dùng điện trở xả băng. Dàn lạnh ống trơn NH₃ có k = 35 – 43 W/m²K. Đối với dàn lạnh freon k = 12 W/m2.K.

Mỗi dàn có từ 1 – 6 quạt, các dàn lạnh đặt phía trước mỗi dàn, hút không khí chuyển động qua các dàn. Dàn lạnh có bước cánh từ 3 – 8 mm, tuỳ thuộc mức độ thoát ẩm của các sản phẩm trong kho. Vỏ bao che của dàn lạnh là tôn mạ kẽm, phía dưới có máng hứng nước ngưng. 

Máng hứng nước nghiêng về phía sau để nước ngưng chảy kiệt, tránh đọng nước trong máng, nước đọng có thể đóng băng làm tắc đường thoát nước. Dàn gồm nhiều cụm ống độc lập song song dọc theo chiều cao của dàn, vì vậy thường có các búp phân phối ga để phân bố dịch lỏng đều cho các cụm.

Thiết bị bay hơi làm đông sản phẩm 

Tủ đông tiếp xúc

Sản phẩm được đặt trên các khay và được kẹp giữa các tấm lắc cấp đông. Các tấm lắc kim loại bên trong rỗng để cho môi chất lạnh di chuyển qua lại, nhiệt độ bay hơi đạt -40 ÷ -45^oC. 

Nhờ tiếp xúc với các tấm lắc có nhiệt độ rất thấp, quá trình trao đổi nhiệt tương đối hiệu quả và thời gian làm đông được rút ngắn đáng kể so với làm đông dạng khối trong các kho cấp đông gió, đạt τ = 1,5 ÷ 2 giờ nếu cấp dịch bằng bơm hoặc 4 ÷ 4,5 giờ nếu cấp dịch từ bình giữ mức theo kiểu ngập dịch. Truyền nhiệt trong tủ đông tiếp xúc là dẫn nhiệt và đối lưu. Phương pháp làm đông tiếp xúc thường được áp dụng cho các loại sản phẩm dạng khối (block). 

Tủ cấp đông tiếp xúc được sử dụng để cấp đông các mặt hàng dạng block. Mỗi block thường có khối lượng 2kg. 

Theo nguyên lý cấp dịch, hệ thống lạnh tủ cấp đông tiếp xúc có thể chia ra làm các dạng sau: 

• Cấp dịch từ bình trống tràn: (có chức năng giống bình giữ mức – tách lỏng). Với tủ cấp dịch dạng này, dịch lỏng chuyển dịch dần vào các tấm lắc nhờ chênh lệch cột áp thuỷ tĩnh, nên tốc độ chuyển động chậm và thời gian cấp đông lâu 4 – 6 giờ/mẻ tùy nguyên liệu làm đông.
• Cấp dịch nhờ bơm dịch: Môi chất chuyển động vào các tấm lắc dưới dạng cưỡng bức do bơm tạo ra nên tốc độ chuyển động lớn, thời gian cấp đông giảm còn 1h30 đến 2h30 phút/mẻ. Hiện nay người ta thường sử dụng cấp dịch dạng này.
• Cấp dịch bằng tiết lưu trực tiếp: Môi chất bên trong các tấm lắc ở dạng hơi bão hoà ẩm nên hiệu quả truyền nhiệt không cao, khả năng làm lạnh kém, thời gian cấp đông kéo dài. Phía trên bên trong tủ là cùm ben vừa là giá nâng các tấm lắc và là tấm ép khi ben ép các tấm lắc xuống. Bên trong tủ còn có ống góp cấp lỏng và hơi ra. 

Trên tủ cấp đông người ta đặt bình trống tràn, hệ thống máy nén thuỷ lực của ben và nhiều thiết bị phụ khác.

Khung sườn vỏ tủ được chế tạo từ thép chịu lực và gỗ để tránh cầu nhiệt. Để tăng tuổi thọ cho gỗ người ta sử dụng loại gỗ satimex có tẩm dầu. Vật liệu bên trong tủ làm bằng thép không gỉ, đảm bảo điều kiện vệ sinh thực phẩm.

Vỏ tủ có hai bộ cánh cửa ở hai phía: bộ 4 cánh và bộ 2 cánh, cách nhiệt polyurethan dày 125 – 150mm, hai mặt bọc inox dày 0,6mm. Tấm lắc trao đổi nhiệt làm từ hợp kim nhôm đúc có độ bền cơ học và chống ăn mòn cao, tiếp xúc 2 mặt. Tủ có trang bị nhiệt kế để theo dõi nhiệt độ bên trong tủ trong quá trình vận hành. Thông số kỹ thuật của tủ như sau:

• Kiểu cấp đông: tiếp xúc trực tiếp, 2 mặt 
• Sản phẩm cấp đông: thịt, thuỷ sản các loại 
• Nhiệt độ sản phẩm đầu vào: +10^oC đến 12^oC 
• Nhiệt độ trung bình mặt sản phẩm sau cấp đông : -18^oC 
• Nhiệt độ tâm sản phẩm sau cấp đông: -12^oC 
• Khay cấp đông: loại 2 kg 
• Nhiệt độ nước châm khuôn: 3 ÷ 6^oC 
• Môi chất lạnh NH₃/R22. 
• Thời gian cấp đông: 
  • Cấp dịch từ bình trống tràn: 4 ÷ 6 giờ 
  • Cấp dịch bằng bơm: 1,5 ÷ 2,5 giờ 
  • Cấp dịch bằng tiết lưu trực tiếp: 7 ÷ 9 giờ 

Tủ đông băng chuyền thẳng

Trên hình giới thiệu một buồng cấp đông I.Q.F có băng chuyền dạng thẳng. Các dàn lạnh được bố trí bên trên các băng chuyền, thổi gió lạnh lên bề mặt băng chuyền có sản phẩm đi qua. Vỏ bao che là polyurethan dày 150mm, bọc inox hai mặt. 

Toàn bộ băng chuyền trải dài theo một đường thẳng. Băng chuyền dạng thẳng đơn giản dễ chế tạo, sản phẩm cấp đông được đưa vào một đầu và ra đầu kia. Để thời gian cấp đông đạt yêu cầu, chuyền dài của băng chuyền khá lớn nên chiếm nhiều diện tích. 

Để hạn chế tổn thất nhiệt ở cửa ra vào của các băng tải, khe hở vào ra rất hẹp. Một số buồng cấp đông có khe hở có thể điều chỉnh được tùy thuộc từng loại sản phẩm.

Lưới của tủ đông băng chuyền xoắn ốc

Trên hình là cấu tạo của buồng cấp đông I.Q.F dạng xoắn ốc. Buồng có cấu tạo dạng khối hộp, các tấm vách là tấm cách nhiệt polyurethan dày 150mm, tỷ trọng 40kg/m³, hai mặt inox. Bên trong bố trí một băng tải vận chuyển sản phẩm cấp đông đi theo dạng xoắn lò xo từ dưới lên trên. 

Dàn lạnh không khí đối lưu cưỡng bức với tốc độ cao và nhiệt độ rất thấp, đạt – 40 đến -30^oC. Buồng cấp đông với băng tải kiểu xoắn có cấu tạo nhỏ gọn, nên tổn thất lạnh không lớn, hiệu quả làm lạnh cao và không gian lắp đặt bé. Tuy nhiên việc chế tạo, vận hành và sửa chữa khá phức tạp, nhất là cách bố trí băng tải. 

Buồng có 04 cửa ra vào ở hai phía rất tiện lợi cho việc kiểm tra, vệ sinh và bảo trì bảo dưỡng. Nền buồng được gia cố thêm lớp nhôm để làm sàn và máng thoát nước, nhôm đúc có gân dạng chân chim chống trượt dày 3mm.

Băng tải hàng làm bằng vật liệu inox hoặc nhựa đặc biệt, có thể điều chỉnh chuyển động nhanh chậm vô cấp nhờ bộ biến tần điện tử (Inverter) tương ứng kích cỡ sản phẩm khác nhau. Buồng có hệ thống rửa vệ sinh bằng nước và thổi khô băng tải bằng khí nén. Buồng cấp đông có búa làm rung để chống các sản phẩm dính vào nhau và vào băng tải.

Dàn lạnh sử dụng môi chất NH₃, ống trao đổi nhiệt là vật liệu inox, cánh nhôm, xả băng bằng nước. Dàn lạnh có quạt kiểu hướng trục, mô tơ chịu được ẩm ướt. Tất cả các chi tiết của băng chuyền cấp đông IQF như: khung đỡ băng chuyền, khung đỡ dàn lạnh, vỏ che dàn lạnh đều làm bằng vật liệu không rỉ.

Thiết bị bay hơi sản xuất đá vẩy