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 thiết bị bay hơi là môi chất lạnh sau khi tiết lưu được đưa vào thiết bị bay hơi tại đây môi chất lạnh có nhiệt độ thấp T_o, áp suất thấp P_o nhận nhiệt của môi trường cần làm lạnh chuyển đổi pha từ pha lỏng (chính xác là hỗn hợp lỏng và hơi ẩm, nhưng lỏng chiếm lượng rất lớn, hơi ẩm chiếm lượng không đáng kể) sang pha hơi, thực hiện quá trình bay hơi đẳng áp P₀= const.

Sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi môi chất lạnh ở trạng thái hơi bão hoà khô nằm trên đường X=1 hoặc nằm lân cận xung quanh trạng thái (P_o, X = 1), có thể ở trạng thái hơi bão hoà ẩm hoặc cũng có thể ở trạng thái hơi quá nhiệt.

Phân loại

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

Đối với loại thiết bị này thích hợp khi sản phẩm làm lạnh, làm lạnh đông có hình dạng kích thước hợp lý. Trong sản xuất chế biến thực phẩm thường sản phẩm được tạo hình cho phù hợp với phương pháp làm lạnh này trước khi làm lạnh, làm lạnh đông. Thiết bị bay hơi làm lạnh trực tiếp thường là các tủ cấp đông tiếp xúc.

Cấu tạo

Cấu tạo bên ngoài của tủ: là một 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: bao gồm các tấm lắc được đúc bằng hợp kim nhôm có hình dạng là hình hộp chữ nhật bản mỏng, khoảng trống ở bên trong hình hộp chia làm 5 khoang ghép nối tiếp nhau thông qua các ống góp ở hai đầu.

Mỗi khoang được chia làm 8 rảnh để dẫn môi chất lạnh sau khi được tiết lưu đi vào, mặt khác nó làm tăng diện tích trao đổi nhiệt tăng độ vững chắc cho cấu trúc dàn lạnh, kéo dài đường đi của môi chất lạnh bên trong tạo điều kiện cho nó bay hơi, đồng thời phân phối môi chất lạnh đồng đều, các tấm lắc này được lắp đặt song song nhau theo phương nằm ngang của đáy tủ và có thể di chuyển lên xuống được nhờ hệ thống ben thuỷ lực, khoảng giữa hai tấm lắc là không gian để sản phẩm cấp đông.

1. Đường lỏng môi chất từ bình chứa thấp áp vào dàn lạnh.
2. Đường hơi môi chất từ dàn lạnh về bình chứa thấp áp.
3. Ống góp lỏng môi chất lạnh.
4. Ống góp hơi môi chất lạnh.
5. Ống cao su tổng hợp.
6. Các tấm lắc truyền nhiệt.
7. Khoảng không đặt thực phẩm cần cấp đông.

Thực phẩm sau khi được sắp xếp vào khoảng giữa hai tấm lắc, lúc này ben thuỷ lực hoạt động ép tấm lắc xuống sao cho hai bề mặt thực phẩm tiếp xúc với tấm lắc, khi hệ thống lạnh làm việc tấm lắc đóng vai trò thiết bị trao đổi nhiệt của dàn lạnh sẽ làm lạnh thực phẩm.

Các đường môi chất lạnh vào và ra ở các tấm lắc được nối với ống góp, các ống góp này một đầu kín đầu kia được nối với một ống góp được làm bằng cao su hợp chất dẻo tổng hợp, chịu lực và bền với nhiệt độ, sau đó các ống cao su này được nối với đường dẫn môi chất lạnh từ bình chất thấp áp về dàn lạnh (các tấm lắc) đồng thời dẫn hơi môi chất từ dàn lạnh sau khi bay hơi về lại bình chứa thấp áp.

• (1), (2), (3), (4), (5) – là các khoang dẫn môi chất lạnh vào và ra của tấm lắc.
• (6) – là đường môi chất lạnh từ bình chứa thấp áp vào và được nối với ống góp cao su tổng hợp.
• (7) – là đường hơi môi chất lạnh từ tấm lắc về bình chứa thấp áp vào và được nối với ống góp cao su tổng hợp.
• (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.

Trường hợp muốn cho piston chuyển động đi lên thì khởi động động cơ điện, bơm dầu hoạt động, hút dầu từ thùng dầu nén lên điểm A, điều khiển van 4 ngả mở thông đường AD và CB, đồng thời đóng các đường AB và CD, dầu đi từ điểm A qua D xuống khoang phía dưới đáy xilanh, nhờ bơm tạo ra áp lực dầu, dầu ở khoang dưới qua khe đẩy piston chuyển động lên phía trên, phần dầu nằm ở phía trên của piston sẽ được đẩy trở về thùng chứa dầu theo đường BC.

Trường hợp muốn piston chuyển động xuống phía dưới thì điều khiển van 4 ngả mở các đường AB, CD đồng thời đóng các đường AD, CB, cũng tương tự dầu từ thùng dầu nén lên điểm A đi qua B vào khoang trên của xilanh qua khe, nhờ áp lực dầu sẽ đẩy piston đi xuống, phần dầu ở khoang dưới đáy xilanh sẽ được piston đẩy về trở lại thùng chứa dầu qua đường BC.

Trong trường hợp áp lực dầu lớn ở khoang trên của xilanh có thể gây hư hỏng cho các khuôn đựng thực phẩm hoặc làm biến dạng dàn lạnh rất nguy hiểm, để ngăn ngừa hiện tượng này khi đó van ổn áp tự động mở thông với điểm D khi áp lực dầu ở khoang trên vượt quá áp lực định mức, khi áp lực giảm dưới hoặc bằng áp lực định mức quy định van ổn áp sẽ trở lại trạng thái bình thường và chỉ mở thông đường dầu từ B về khoang trên của xilanh.

Van 4 ngã được điều khiển bằng tay hoặc bằng van điện từ một cách tự động, trong một số trường hợp cơ cấu nâng hạ được đặt bài trong tủ cấp đông, khi đó dầu trong hệ thống phải có nhiệt độ đông đặc nhỏ hơn nhiệt độ làm việc của tủ đông và phải lắp hai ben nâng hạ ở hai đầu dàn lạnh.

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

Kết cấu buồng cấp đông dạng xoắn

Buồng có cấu tạo dạng khối hộp, các tấm vách là các tấm cách nhiệt polyurethan dày 150mm, tỷ trọng 40kg/m³, các mặt inox. Bên trong bố trí một băng tải vận chuyển sản phẩm theo dạng xoắn lò xo từ dưới lên trên. Giàn lạnh không khí đối lưu cưỡng bức với tốc độ tương đối cao (8 – 12)m/s và nhiệt độ rất thấp (-45 đến -35)°C đối lưu từ trên xuống.

Buồng cấp đông với băng tải kiểu xoắn có cấu tạo nhỏ gọn, nên tổn thất 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 4 cửa ra vào ở hai phía nên rất tiện lợi cho việc 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 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 tương ứng kích cỡ sản phẩm khác nhau.

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

Đối với loại này thì 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 để chế tạo, sản phẩm cấp đông được đưa vào một đầu và ra đầu kia. Để thời gian cấp đông đạt yêu cầu, chiều dài băng chuyền khá lớn nên chiếm diện tích lớn đây là một trong những nhược điểm lớn nhất của buồng cấp đông dạng thẳng. Hiện nay, các xí nghiệp đông lạnh ở Việt Nam không sử dụng loại băng chuyền kiểu này mà chỉ sử dụng băng chuyền loại xoắn ốc.

Hệ thống cấp đông IQF siêu tốc

Cấu tạo: Về cấu tạo băng chuyền cấp đông IQF siêu tốc không khác gì mấy so với băng chuyền dạng thẳng. Bên trong bố trí 1 hoặc 2 băng tải sản phẩm có khả năng điều chỉnh tốc độ vô cấp nhờ bộ biến tần và đạt tốc độ khoảng từ (0,5-10)m/phút, tùy theo yêu cầu cấp đông của nhiều loại sản phẩm khác nhau.

Buồng cấp đông có bao che cách nhiệt bằng polyurethan, dày 150-200mm, hai bên 2 lớp inox, phủ sơn nhựa thực phẩm màu trắng hai mặt. Buồng cấp đông có cửa ra vào kiểu kho lạnh với hệ thống điện trở nhiệt sưởi cửa bên trong cùng có đèn chiếu sáng.

Dàn lạnh làm bằng thép không gỉ với cánh tản nhiệt bằng nhôm thiết kế cho bơm cấp dịch tuần hoàn NH₃/ R₂₂/R₅₀₂ bước cánh được thiết kế đặc biệt để tăng hiệu quả truyền nhiệt và vệ sinh dễ dàng, băng tải bằng inox dạng lưới.

Hệ thống được thiết kế theo từng mô đun lắp sẵn cho phép tăng giảm năng suất cấp đông trong một dải rộng. Mỗi môđun đều có dàn lạnh, quạt làm bằng nhôm được lắp hoàn chỉnh

Hệ thống xả tuyết dàn lạnh bằng nước hoạt động tự động vào cuối ca sản xuất

Nguyên lý làm việc: Trong suốt thời gian cấp đông, khi sản phẩm di chuyển xuyên qua buồng cấp đông trên những băng chuyền, hàng ngàn tia khí lạnh với tốc độ cao hướng trực tiếp và liên tục lên mặt trên và mặt dưới của sản phẩm, thổi hơi lạnh bao bọc quanh sản phẩm đẩy nhanh quá trình trao đổi nhiệt. Các tia lạnh này làm lạnh đạt hiệu quả tương đương phương pháp nhúng nitơ lỏng.

Hệ thống cấp đông siêu tốc được thiết kế để chế biến các loại sản phẩm mỏng, dẹt, tôm cũng như các loại bánh nướng…, dạng rời

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.