Thuyết minh sơ đồ hệ thống lạnh công nghiệp

Vài sơ đồ hệ thống lạnh 2 cấp nén

1. Máy nén, 2. Bình tách dầu, 3. Bình trung gian, 4. Thiết bị ngưng tụ ống chùm làm mát bằng nước, 5. Bình chứa cao áp, 6. Chậu nước xả khí không ngưng, 7. Cụm van tiết lưu lần 1 8. Cụm van tiết lưu lần 2, 9. Bình chứa thấp áp, 10. Tủ cấp đông gió, 11 Bình tập trung dầu, 12 Bình tách lỏng, 13. Tháp giải nhiệt, 14. Bể nước, 15. Bơm nước, 16 Phao khống chế mức dịch lỏng môi chất lạnh, 17. Van bypass, 18. Bộ phận làm mát dầu, 19. Kính xem mức dầu 

1. Máy nén; 2. Tháp giải nhiệt; 3. Bình chứa cao áp; 4. Bình ngưng; 5. Bình tách dầu; 6. Bình tách lỏng hồi nhiệt; 7. Binh trung gian; 8. Bình chứa thấp áp; 9. Tủ cấp đông; 10. Bộ lọc ẩm môi chất

Tủ cấp đông hoạt động theo nguyên lý cấp dịch từ bình chứa thấp áp, trước đây sử dụng rộng rãi do hệ thống thiết bị đơn giản, để vận hành chi phí đầu tư ít hơn so với cấp dịch bằng bơm, nhưng do tốc độ môi chất chuyển động bên trong các tấm lắc chậm nên thời gian cấp đông tương đối dài từ (4-6)h/mẻ.

Hiện nay yêu cầu vệ sinh thực phẩm đòi hỏi phải hạn chế thời gian cấp đông nên người ta ít sử dụng sơ đồ kiểu này.

1. Máy nén, 2. Thấp giải nhiệt, 3. Bình chứa cao áp, 4. Bình ngưng, 5. Bình tách dầu, 6. Bình trung gian. 7. Bình tách lỏng, 8. Bình chứa thấp áp, 9. Tủ cấp đông, 10. Bình tập trung dầu

1. Máy nén, 2. Bình chứa cao áp, 3. Dàn ngưng, 4. Bình tách dầu, 5. Bình chứa hạ áp, 6. Bình trung gian, 7. Tủ cấp đông, 8. Bình thu hồi dầu, 9. Bơm dịch, 10. Bơm nước giải nhiệt

Đây là sơ đồ nguyên lý hệ thống tủ cấp đông tiếp xúc sử dụng bơm cấp dịch. Dịch lỏng được bơm bơm thẳng vào các tấm lắc nên tốc độ chuyển động bên trong rất cao, hiệu quả truyền nhiệt tăng lên rõ rệt, giảm đáng kể thời gian cấp đông chỉ còn khoảng 1 giờ 30 phút đến 2 giờ 30 phút

Tuy nhiên hệ thống bắt buộc phải trang bị bình chứa hạ áp. Bình chứa hạ áp đóng vai trò:

• Chứa dịch để cung cấp ổn định cho bơm hoạt động.
• Đảm nhiệm chức năng tách lỏng
• Bình chứa hạ áp có dung tích khá lớn, tương đương bình chứa cao áp, được bọc cách nhiệt polyurethan dày khoảng 200mm, bên ngoài bọc inox thẩm mỹ.

Bình được bảo vệ bằng: 3 van phao, van an toàn. Nhiệm vụ của các van phao:

• Van phao trên cùng bảo vệ mức dịch cực đại, ngăn ngừa hút lỏng về máy nén.
• Van phao giữa bảo vệ mức dịch trung bình, tác động mở van điện từ cấp dịch cho bình.
• Van phao dưới cùng bảo vệ mức dịch thấp, đây là mức dịch sự cố. Khi dịch lỏng quá ít, sẽ tác động dừng bơm.

Bình trung gian kiểu đặt đứng của tủ cấp đông được bảo vệ bằng 2 van phao, 1 van an toàn. Nhiệm vụ của các van phao:

• Van phao trên bảo vệ mức lỏng cực đại, ngăn ngừa hút ẩm về máy nén cao áp.
• Van phao dưới bảo vệ mức dịch cực tiểu, ngăn ngừa sự làm việc kém của ống xoắn lò xo

Trong công nghiệp hệ thống này thường được lắp đặt rất nhiều ở các nhà máy thuỷ hải sản hoặc chế biến thực phẩm gia súc, gia cầm. Thiết bị bay hơi của phòng cấp đông và phòng trữ đông được cấp dịch từ bình trung gian, nhưng đường hút về phòng cấp đông được nối với máy nén lạnh hai cấp, còn đường hút về phòng trữ đông được nối với máy nén lạnh một cấp. Bởi vì nhiệt độ lạnh của hai phòng này khác nhau.

Chú ý: Nếu dùng một máy nén lạnh hai cấp chạy cho hai phòng này vẫn được, nhưng vấn đề xử lý kỹ thuật ở đây là trên đường hút về từ thiết bị bay hơi của phòng trữ đông (có áp suất bay hơi lớn hơn áp suất bay hơi của phòng cấp đông) nối với đường hút về từ thiết bị bay hả của phòng cấp đông cần phải lắp thêm một van tiết lưu hơi để giảm áp, lúc đó hệ thống lạnh mới hoạt động được.

Sơ đồ hệ thống lạnh 1 cấp nén

Đối với hệ thống lạnh công nghiệp một cấp nén thường được sử dụng cho những quy trình công nghệ nào đó có nhiệt độ lạnh lớn hơn -30°C, còn khi cần nhiệt độ lạnh nhỏ hơn -30°c thì phải dùng hệ thống lạnh hai cấp nén, lý do là tỉ số nén lúc đó P_k/P₀ > 9 đồng thời máy hai cấp nén chạy ở chế độ này tiết kiệm năng lượng hơn máy một cấp nén. 

Vì thế trong công nghiệp thường sử dụng hệ thống lạnh một cấp nén để sản xuất nước đá, chạy cho kho bảo quản lạnh rau quả hoặc thuỷ hải sản, gia súc, gia cầm, …v.v. Sau đây là một số sơ đồ hệ thống lạnh công nghiệp một cấp nén.

1- Máy nén lạnh; 2- Bình ngưng; 3- Dàn lạnh; 4- Bình tách lỏng; 5- Tháp giải nhiệt; 6- Bơm giải nhiệt; 7- Kho 

1- Máy nén lạnh một cấp; 2- Bình tách dầu; 3- Thiết bị ngưng tụ ống chùm; 4- Bình chứa cao áp- 5- Thiết bị bay hơi; 6- Bình tách lỏng; 7- Bình tập trung dầu; 8- Tháp giải nhiệt; 9- Động cơ điện của quạt tháp giải nhiệt; 10- Van tiết lưu; 11- Van điện từ; 12- Phim lọc; 13- Bơm nước; 14- Van bypass; 15- Van chặn hút và van chặn đẩy; 16- Cánh khuấy; 17- Bể nước; 18- Van an toàn và áp kế; 19- Rơle áp lực 20- Chậu nước 21- Thiết bị xả khí không ngưng;

Sơ đồ hệ thống máy lạnh ghép tầng công nghiệp

1. Máy nén 2. Máy nén 2. 3. Dàn ngưng 4. Dàn lạnh 5. Dàn bay hơi tầng trên – Dàn ngưng tần dưới 6. Bình chứa cao áp.

Khi cần hạ nhiệt độ xuống sâu hơn -60°C, hệ thống hai cấp nén không còn hiệu quả do một số nhược điểm nghiêm trọng. Lúc này, áp suất bay hơi trở nên quá thấp, gần như rơi vào trạng thái chân không lớn, dẫn đến môi chất lạnh trở nên rất loãng, không thể lưu thông qua thiết bị bay hơi với lưu lượng đủ lớn. Điều này làm cho hệ thống không thể hạ nhiệt độ xuống mức cần thiết.

Một vấn đề nghiêm trọng khác là tại nhiệt độ rất thấp, dầu bôi trơn hoàn toàn tách ra khỏi môi chất lạnh. Dầu không thể được kéo trở lại máy nén, tích tụ trên bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi, tạo ra một lớp cản nhiệt làm giảm hiệu suất truyền nhiệt và có thể gây hư hỏng hệ thống.

Giải pháp sử dụng hệ thống 3 cấp nén hoặc ghép tầng

Để đạt được nhiệt độ âm sâu dưới -60°C, giải pháp phù hợp hơn là sử dụng hệ thống lạnh ba cấp nén hoặc hệ thống máy lạnh ghép tầng. Các hệ thống này có khả năng hạ nhiệt độ sâu hơn nhờ vào cấu trúc phức tạp, bao gồm việc sử dụng nhiều máy nén và môi chất lạnh khác nhau, tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt và vận hành ở các điều kiện nhiệt độ thấp.

• Hệ thống lạnh ba cấp nén: Bổ sung thêm một cấp nén để tăng cường hiệu suất làm lạnh ở các mức nhiệt độ rất thấp.
• Hệ thống máy lạnh ghép tầng: Sử dụng hai hoặc nhiều chu trình làm lạnh với các môi chất lạnh khác nhau, mỗi chu trình hoạt động ở một phạm vi nhiệt độ nhất định, giúp đạt được nhiệt độ cuối cùng rất thấp.

Nhược điểm và thách thức

Tuy nhiên, các hệ thống ba cấp nén hoặc ghép tầng có những nhược điểm và thách thức lớn:

• Cấu tạo phức tạp: Hệ thống này có cấu trúc phức tạp hơn nhiều so với hệ thống một cấp hoặc hai cấp nén, đòi hỏi kiến thức chuyên sâu trong thiết kế và lắp đặt.
• Khó khăn trong vận hành và bảo dưỡng: Việc vận hành đòi hỏi nhân sự có tay nghề cao, và quá trình bảo dưỡng phức tạp hơn rất nhiều, đòi hỏi thường xuyên kiểm tra và bảo trì.
• Chi phí cao: Cả chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành hệ thống lạnh ba cấp nén hoặc ghép tầng đều cao hơn so với các hệ thống lạnh đơn giản hơn.

*Nguồn tham khảo: Tự động điều khiển các quá trình nhiệt lạnh – Nguyễn Tấn Dũng, Trịnh Văn Dũng