Thiết bị bay hơi của hệ thống lạnh: phân loại, cấu tạo, nguyên lí

Thiết bị bay hơi là một trong những thiết bị chính quan trọng trong một hệ thống lạnh nếu vắng mặt thiết bị này thì hệ thống lạnh không thể hoạt động được.

Vị trí của nó là nằm sau van tiết lưu và trước máy nén lạnh, nói một cách chính xác hơn là nó nằm sau van tiết lưu – bình chứa thấp áp, trước bình tách lỏng – máy nén lạnh.

Nhiệm vụ của thiết bị bay hơi

Nhiệm vụ của thiết bị bay hơi trong hệ thống lạnh là thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh và môi trường cần làm lạnh. Sau khi môi chất lạnh đi qua van tiết lưu, nó có áp suất thấp P₀ và nhiệt độ thấp T₀. Tại thiết bị bay hơi, môi chất lạnh hấp thụ nhiệt từ môi trường và trải qua quá trình bay hơi, chuyển đổi từ pha lỏng (hỗn hợp lỏng và hơi ẩm, trong đó phần lớn là lỏng) sang pha hơi.

Quá trình diễn ra tại thiết bị bay hơi

• Pha lỏng chuyển sang pha hơi: Môi chất lạnh hấp thụ nhiệt từ môi trường và bay hơi dần, duy trì quá trình bay hơi đẳng áp với áp suất P₀ = const.
• Trạng thái sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi: Môi chất lạnh chuyển hoàn toàn sang trạng thái hơi. Nó có thể ở dạng:
  • Hơi bão hòa khô (X = 1), hoặc
  • Gần hơi bão hòa (X = 1 nhưng có thể hơi ẩm), hoặc
  • Hơi quá nhiệt (nếu có thêm nhiệt độ sau quá trình bay hơi).

Thiết bị bay hơi có 2 loại chính: đó là thiết bị bay hơi làm lạnh trực tiếp và thiết bị bay hơi làm lạnh gián tiếp.

Thiết bị bay hơi làm lạnh trực tiếp

• Phù hợp: Thiết bị này thích hợp cho sản phẩm làm lạnh, làm đông có hình dạng và kích thước hợp lý.
• Ứng dụng: Trong chế biến thực phẩm, sản phẩm thường được tạo hình trước khi làm lạnh.
• Thiết kế: Thường là các tủ cấp đông tiếp xúc.

Cấu tạo

Cấu tạo bên ngoài của tủ

Hình hộp chữ nhật, tùy theo năng suất lạnh mà tủ sẽ có kích thước bên ngoài khác nhau.

1. Tủ cấp đông tiếp xúc.
2. Cửa tủ cấp đông.
3. Tủ điện điều khiển.
4. Hệ thống ben thuỷ lực.
5. Động cơ điện và bơm dầu.

Vỏ tủ xung quanh được bọc cách nhiệt và cách ẩm. Vỏ tủ có chiều dày khoảng từ (12 – 15)mm được cấu tạo bởi ba lớp, lớp ngoài cùng và lớp trong cùng là lớp các inox có chiều dày khoảng (0,5 – 0,8)mm, lớp ở giữa là lớp cách nhiệt và cách ẩm và thường dùng nhất là polyurethan.

Cấu tạo bên trong tủ

Cấu tạo và Chức năng

• Tấm lắc: Được đúc bằng hợp kim nhôm, có hình dạng hộp chữ nhật mỏng. Bên trong chia thành 5 khoang nối tiếp nhau qua các ống góp.
• Rảnh dẫn môi chất lạnh: Mỗi khoang có 8 rảnh để dẫn môi chất lạnh, giúp tăng diện tích trao đổi nhiệt và độ vững chắc cho cấu trúc.
• Di chuyển: Các tấm lắc được lắp đặt song song và có thể di chuyển lên xuống nhờ hệ thống ben thủy lực, tạo không gian cho sản phẩm cấp đông.

Cấu trúc bên trong tủ đông tiếp xúc

• Đường lỏng: Môi chất từ bình chứa thấp áp vào dàn lạnh.
• Đường hơi: Môi chất từ dàn lạnh về bình chứa thấp áp.
• Ống góp: Bao gồm ống góp lỏng và hơi, cùng với ống cao su tổng hợp.
• Khoảng không: Để đặt thực phẩm cần cấp đông.

Quy trình làm lạnh

1. Sắp xếp thực phẩm: Thực phẩm được đặt giữa hai tấm lắc.
2. Hoạt động của ben thủy lực: Ép tấm lắc xuống để thực phẩm tiếp xúc với bề mặt làm lạnh.
3. Trao đổi nhiệt: Tấm lắc hoạt động như thiết bị trao đổi nhiệt, làm lạnh thực phẩm.

Kết nối và Ống góp

Các đường môi chất lạnh vào và ra được nối với ống góp, một đầu kín và đầu kia nối với ống góp cao su tổng hợp, chịu lực và bền với nhiệt độ.

Cấu tạo tấm lắc

• (1), (2), (3), (4), (5): Các khoang dẫn môi chất lạnh.
• (6): Đường môi chất từ bình chứa vào tấm lắc.
• (7): Đường hơi từ tấm lắc về bình chứa.
• (8): Các ống góp của tấm lắc.

Cấu tạo ben thuỷ lực

Cơ cấu nâng hạ có nhiệm vụ nâng hạ tấm truyền nhiệt của dàn lạnh, làm tăng mức độ tiếp xúc, tăng khả năng trao đổi nhiệt của dàn lạnh, ben thuỷ lực nâng hạ gồm piston, xilanh và cần nâng hạ nối với tấm truyền nhiệt trên cùng của dàn lạnh, piston chỉ chuyển động lên xuống sẽ kéo theo các tấm truyền nhiệt sẽ chuyển động lên xuống.

1. Dàn lạnh.
2. Mặt trên của tủ.
3. Thùng chứa dầu.
4. Động cơ điện.
5. Bơm dầu.
6. Đồng hồ áp lực.
7. Van 4 ngã.
8. Van ổn áp.
9. Khoang dầu.
10. Piston của ben thuỷ lực.
11. Cần nâng – hạ các tâm lắc
12. Xilanh của ben thuỷ lực.

Cơ cấu vận hành của hệ thống thủy lực trong quá trình nâng hạ piston là một yếu tố quan trọng trong việc điều khiển các thiết bị công nghiệp, đặc biệt là trong tủ cấp đông. Dưới đây là các chi tiết về cách hoạt động của hệ thống này:

1. Chuyển động đi lên của piston

Khởi động: Động cơ điện khởi động, làm bơm dầu hoạt động. Bơm dầu hút dầu từ thùng chứa và nén lên điểm A.

Điều khiển van 4 ngả:

• Mở thông các đường AD và CB.
• Đóng các đường AB và CD.

Lưu thông dầu:

• Dầu từ điểm A đi qua D vào khoang dưới của xy lanh.
• Áp lực dầu đẩy piston chuyển động lên phía trên.
• Phần dầu nằm ở phía trên của piston sẽ được đẩy về thùng chứa qua đường BC.

2. Chuyển động đi xuống của piston

Điều khiển van 4 ngả:

• Mở thông các đường AB và CD.
• Đóng các đường AD và CB.

Lưu thông dầu:

• Dầu từ điểm A đi qua B vào khoang trên của xy lanh, tạo áp lực đẩy piston đi xuống.
• Dầu từ khoang dưới được đẩy về thùng chứa qua đường BC.

3. Ngăn ngừa hư hỏng do áp lực lớn

Khi áp lực dầu quá lớn ở khoang trên của xy lanh (có thể gây hư hỏng khuôn hoặc biến dạng dàn lạnh), van ổn áp sẽ tự động hoạt động:

• Van mở thông điểm D khi áp lực vượt mức cho phép, giúp giảm áp lực dầu.
• Khi áp lực dầu giảm xuống mức an toàn, van ổn áp đóng lại, giữ cho dầu chỉ lưu thông từ điểm B về khoang trên của xy lanh.

4. Điều khiển van 4 ngả

• Bằng tay hoặc tự động thông qua van điện từ.
• Trong trường hợp hệ thống thủy lực được đặt trong tủ cấp đông, dầu phải có nhiệt độ đông đặc thấp hơn nhiệt độ làm việc của tủ đông. Hai ben nâng hạ được lắp ở hai đầu dàn lạnh để đảm bảo sự ổn định và đồng đều trong quá trình hoạt động.

5. Yêu cầu dầu trong hệ thống

Đảm bảo rằng dầu sử dụng trong hệ thống có khả năng chống đông đặc ở nhiệt độ thấp, vì điều này rất quan trọng để duy trì hiệu quả hoạt động trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt của tủ đông.

Thiết bị bay hơi làm lạnh gián tiếp

Sử dụng thiết bị này trong những trường hợp khó làm lạnh: làm đông trực tiếp, không gian làm lạnh, làm đông phức tạp, hình dáng, kích thước sản phẩm phức tạp, môi chất lạnh có tính độc hại ảnh hưởng không tốt đến môi trường và sản phẩm làm lạnh, làm lạnh đông và bảo quản, nơi tiêu thụ lạnh khá xa trạm lạnh, …v.v, lúc đó cần phải sử dụng chất tải lạnh trung gian như không khí, nước muối, alcol, etylelglycol, …v.v.

Thiết bị bay hơi làm lạnh gián tiếp thường được sử dụng trong các tủ cấp đông gió, trong các băng chuyền lạnh đông nhanh và cực nhanh IQF (với chất tải lạnh là không khí đối lưu cưỡng bức), trong các nhà máy sản xuất nước đá cây (với chất tải lạnh là nước muối).

Một số thiết bị bay hơi làm lạnh đông gián tiếp có kết cấu như sau:

Kết cấu của tủ đông gió

Tủ đông gió có cấu tạo dạng tủ chắc chắn, có thể dễ dàng vận chuyển nơi khác khi cần.

Tủ có cấu tạo như sau:

• Vỏ tủ: cách nhiệt vỏ tủ bằng polyurethan dày 150mm, có mật độ khoảng 40-42kg/m³, hệ số dẫn nhiệt là 0,018 – 0,02W/m.K. Các lớp bao bọc bên trong và bên ngoài là inox dày 0,6mm, tủ có 2 buồng có khả năng hoạt động độc lập, mỗi buồng có 2 cánh cửa cách nhiệt. Cánh tủ có trang bị điện trở sấy chống đóng băng, bản lề tay khóa bằng inox. Khung vỏ tủ được gia công từ thép chịu lực, mạ kẽm và gỗ chống thoát nhiệt tại các vị trí cần thiết.
• Dàn lạnh: có 1 hoặc 2 dàn lạnh hoạt động độc lập. dàn lạnh có ống, cánh tản nhiệt và vỏ là thép nhúng kẽm nóng hoặc bằng inox.
• Giá đỡ khay cấp đông: mỗi ngăn có 1 giá đỡ khay cấp đông, giá có nhiều tầng để đặt khay cấp đông, khoảng cách giữa các tầng hợp lý để đua khay cấp đông vào và ra, lưu thông gió trong quá trình chạy máy.
• Khay cấp đông: được chế tạo bằng inox dày 2mm, có đục lỗ trên bề mặt để không khí tuần hoàn dễ dàng.

Hệ thống làm lạnh đông nhanh IQF

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. Buồng đông IQF, 8. Buồng tái đông, 9. Bình thu hồi dầu, 10. Bể nước xả băng, 11. Bơm xả băng, 12. Bơm giải nhiệt, 13. Bơm dịch

Buồng cấp đông dạng xoắn

Buồng cấp đông IQF (Individual Quick Freezing) dạng xoắn có cấu tạo khối hộp, là một hệ thống tiên tiến và hiệu quả trong công nghệ làm lạnh đông nhanh. Dưới đây là những đặc điểm chính của buồng cấp đông dạng xoắn:

Cấu tạo

• Vách cách nhiệt: Các tấm vách được làm bằng vật liệu polyurethan, dày 150mm với tỷ trọng 40kg/m³, có mặt ngoài bằng inox. Điều này giúp đảm bảo khả năng cách nhiệt cao, giữ nhiệt độ bên trong ổn định và giảm thiểu tổn thất nhiệt.
• Băng tải dạng xoắn: Bên trong buồng, một hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm theo dạng xoắn lò xo từ dưới lên trên. Băng tải xoắn giúp tối ưu hóa không gian và tăng cường hiệu quả làm lạnh khi sản phẩm di chuyển liên tục qua các lớp không khí lạnh đối lưu.
• Giàn lạnh: Giàn lạnh sử dụng không khí đối lưu cưỡng bức với tốc độ từ 8 đến 12 m/s và nhiệt độ rất thấp (-45°C đến -35°C), giúp làm lạnh nhanh và đều. Luồng không khí di chuyển từ trên xuống dưới, tuần hoàn khắp buồng để đảm bảo mỗi sản phẩm tiếp xúc với không khí lạnh một cách tối ưu.

Đặc điểm

Hiệu quả cao, tổn thất nhỏ: Với thiết kế nhỏ gọn, hệ thống băng tải xoắn giúp giảm tổn thất nhiệt, cải thiện hiệu quả làm lạnh và giảm không gian lắp đặt.

Cửa ra vào tiện lợi: Buồng có 4 cửa ra vào ở hai phía, giúp việc vệ sinh và bảo trì, bảo dưỡng trở nên dễ dàng và thuận tiện hơn.

Nền buồng gia cố: Nền buồng được gia cố bằng lớp nhôm đúc dày 3mm có gân dạng chân chim chống trượt, giúp đảm bảo an toàn cho người vận hành và dễ thoát nước.

Hệ thống băng tải

Vật liệu: Băng tải được làm từ inox hoặc nhựa đặc biệt, có khả năng chịu nhiệt độ thấp và chống ăn mòn, phù hợp với môi trường làm lạnh.

Điều chỉnh tốc độ: Hệ thống băng tải có thể điều chỉnh tốc độ nhanh chậm vô cấp nhờ bộ biến tần điện tử, giúp tùy chỉnh theo kích cỡ sản phẩm khác nhau để đạt hiệu quả làm lạnh tối ưu.

Hệ thống cấp đông IQF buồng cấp đông có băng chuyền kiểu thẳng

Cấu tạo buồng cấp đông dạng thẳng

• Dàn lạnh: Các dàn lạnh được bố trí bên trên băng chuyền, thổi luồng gió lạnh xuống bề mặt sản phẩm khi chúng di chuyển dọc theo băng chuyền, giúp sản phẩm được làm lạnh đều.
• Vỏ bao che: Vỏ ngoài buồng cấp đông được làm từ vật liệu cách nhiệt polyurethan dày 150mm, với hai mặt bọc inox, đảm bảo giữ nhiệt và tăng tuổi thọ của thiết bị.
• Băng chuyền: Băng chuyền dạng thẳng trải dài, sản phẩm được đưa vào từ một đầu và ra ở đầu kia. Băng chuyền này phải có chiều dài đủ lớn để đảm bảo sản phẩm được cấp đông đúng thời gian.

Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

• Dễ chế tạo và vận hành, do cấu trúc thẳng đơn giản.
• Phù hợp với những loại sản phẩm cần thời gian đông dài và điều kiện làm lạnh tương đối ổn định.

Nhược điểm:

• Chiếm diện tích lớn: Do chiều dài băng chuyền phải đủ lớn để đảm bảo thời gian cấp đông cần thiết, loại băng chuyền này chiếm diện tích sàn lớn, không phù hợp với những không gian hạn chế.
• Hiệu quả thấp hơn: So với các loại buồng cấp đông hiện đại như buồng cấp đông xoắn ốc, buồng cấp đông dạng thẳng có hiệu suất không cao, khó tối ưu hóa không gian và khả năng làm lạnh.

Hiện trạng sử dụng

Ở Việt Nam, các xí nghiệp đông lạnh đã dần ngừng sử dụng băng chuyền kiểu thẳng do những hạn chế về diện tích và hiệu quả. Thay vào đó, băng chuyền xoắn ốc được ưa chuộng hơn vì có thiết kế nhỏ gọn hơn, tận dụng không gian tốt và cải thiện hiệu suất làm lạnh.

Hệ thống cấp đông IQF siêu tốc

Cấu tạo

• Băng tải: Bên trong buồng cấp đông có 1 hoặc 2 băng tải được làm từ inox dạng lưới, có thể điều chỉnh tốc độ từ 0,5 đến 10 m/phút thông qua bộ biến tần, giúp tối ưu quá trình cấp đông cho nhiều loại sản phẩm khác nhau.
• Vỏ bao che: Vỏ buồng cấp đông được cách nhiệt bằng polyurethan dày 150-200mm, với hai lớp inox bên ngoài phủ sơn nhựa thực phẩm màu trắng. Hệ thống có cửa ra vào kiểu kho lạnh với điện trở nhiệt sưởi cửa để chống đông tuyết và đèn chiếu sáng bên trong.
• Dàn lạnh: Dàn lạnh được làm từ thép không gỉ với cánh tản nhiệt bằng nhôm, thiết kế cho hệ thống bơm cấp dịch tuần hoàn NH3, R22, hoặc R502. Bước cánh dàn lạnh được thiết kế đặc biệt để tối ưu hiệu quả truyền nhiệt và dễ vệ sinh.
• Xả tuyết tự động: Hệ thống xả tuyết bằng nước hoạt động tự động vào cuối mỗi ca sản xuất, giúp giữ cho dàn lạnh luôn ở trạng thái hoạt động tốt.
• Mô-đun: Hệ thống được thiết kế theo từng mô-đun lắp sẵn, mỗi mô-đun đều có dàn lạnh và quạt làm từ nhôm, cho phép linh hoạt trong việc tăng giảm năng suất cấp đông.

Nguyên lý làm việc

Trong suốt quá trình cấp đông, sản phẩm được di chuyển trên băng chuyền qua buồng cấp đông. Các tia khí lạnh với tốc độ cao thổi trực tiếp lên mặt trên và mặt dưới của sản phẩm, giúp sản phẩm được làm lạnh đều từ mọi hướng. Hệ thống thổi khí lạnh này có hiệu quả tương đương với phương pháp nhúng nitơ lỏng, đảm bảo làm lạnh nhanh chóng và đồng đều.

Ứng dụng

Hệ thống cấp đông IQF siêu tốc được thiết kế để chế biến nhiều loại sản phẩm mỏng, rời như tôm, cá, các loại thực phẩm nướng (bánh, pizza) và nhiều sản phẩm dạng rời khác. Công nghệ này đảm bảo sản phẩm được cấp đông riêng lẻ, giữ được chất lượng và hương vị tối ưu khi rã đông.

Ưu điểm

• Hiệu quả làm lạnh cao: Tốc độ luồng khí lạnh lớn giúp sản phẩm đạt trạng thái cấp đông nhanh và đồng đều.
• Điều chỉnh linh hoạt: Tốc độ băng tải có thể điều chỉnh vô cấp, đáp ứng nhu cầu cấp đông của nhiều loại sản phẩm khác nhau.
• Thiết kế mô-đun: Linh hoạt trong việc mở rộng năng suất cấp đông khi cần.

Dàn lạnh gián tiếp trong các bể nước muối làm nước đá cây

Đối với dàn lạnh trong các bể nước muối làm nước đá cây thì có nhiều loại khác nhau, nhưng chủ yếu là ba loại cơ bản như hình trên. Khi có cùng diện tích trao đổi nhiệt thì dàn đuôi cá là tốt nhất, rồi đến dàn xương cá cuối cùng là dàn thẳng đứng do có nhiều chỗ quặt dòng làm tăng khả năng trao đổi nhiệt.

Dàn lạnh kiểu Alphalaval

Ở các nhà máy sản xuất bia thường dùng thiết bị bay hơi kiểu tấm. Gọi là dàn bay hơi Alphalaval.

1. Đường nước nha vào.
2. Đường nước nha ra.
3. Tác nhân lạnh vào.
4. Tác nhân lạnh ra.
5. Cấu trúc khoảng lỗ trao đổi nhiệt của thiết bị làm lạnh kiểu bảng mỏng.

Đối với thiết bị này có nhiều tính ưu việt, nó là thiết bị rời từng tấm bảng mỏng có thể ghép nối tiếp nhau, tạo thành bề dày tấm bảng lớn hơn. Do khoang chứa môi trường cần làm lạnh và tác nhân lạnh có cấu trúc hình lục giác sắp xếp nối tiếp nhau, chính vì vậy diện tích trao đổi nhiệt, thể tích chứa môi trường cần làm lạnh rất lớn, tiết kiệm được không gian chiếm chỗ.

Thiết bị gọn nhẹ, đơn giản và lắp đặt dễ dàng. Tuy nhiên việc gia công, chế tạo thiết bị này gặp rất nhiều khó khăn. Do đó, giá thành của thiết bị này tương đối cao. Hiện nay, trong công nghệ sản xuất nước giải khát có gas và nhất là công nghệ sản xuất bia thường sử dụng thiết bị này là hiệu quả nhất.

---

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