CHƯƠNG 8. CHU TRÌNH LÝ THUYẾT HỆ THỐNG THIẾT BỊ LÀM LẠNH VÀ BƠM NHIỆT

Chu trình ngược chiều là chu trình của máy lạnh và bơm nhiệt, trong đó thực hiện quá trình chuyển nhiệt năng từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao dưới tác dụng của năng lượng bên ngoài (công, nhiệt, ...). Trên các đồ thị trạng thái, đường biểu diễn chu trình ngược chiều có chiều ngược chiều kim đồng hồ.

Tuỳ theo mục đích sử dụng ta chia chu trình ngược chiều thành:

- Chu trình máy lạnh (sử dụng nhiệt lấy từ nguồn lạnh q2)

- Chu trình bơm nhiệt(sử dụng nhiệt nhả cho nguồn nóng q1 để đốt nóng, sấy,...)

Tuy nhiên về sơ đồ nguyên lý, cấu tạo thiết bị và chu trình của chúng hoàn toàn giống nhau, chỉ khác ở khoảng nhiệt độ làm việc T­1 của nguồn nóng và T2 của nguồn lạnh. Với máy lạnh T1 là nhiệt độ của môi trường (không khí, nước làm mát), T2 là nhiệt độ cần làm lạnh. Với bơm nhiệt T1 là nhiệt độ cần cho quá trình đốt nóng, T2 là nhiệt độ môi trường. Thông thường người ta chế tạo một loại gọi là máy biến nhiệt tổng hợp trong đó sử dụng nhiệt q1 (cho đốt nóng) và q2 (cho làm lạnh). Sau đây chúng ta sẽ xem xét sơ qua các phương pháp làm lạnh.

8.1. Các phương pháp làm lạnh

Muốn làm lạnh một vật ta phải lấy nhiệt của vật đó ở nhiệt độ thấp để nhiệt độ của vật giảm đến nhiệt độ yêu cầu. Đó là nguyên tắc chung của phương pháp làm lạnh sẽ được trình bày dưới đây:

8.1.1. Sử dụng sự giãn nở của chất khí

Chúng ta đã biết nhiệt độ của chất khí luôn tỷ lệ thuận với áp suất của nó. Nếu ta thực hiện quá trình giảm áp suất (giãn nở) sẽ kéo theo sự giảm nhiệt độ, sau đó sẽ thực hiện quá trình nhận nhiệt của vật ở nhiệt độ thấp này. Đây chính là chu trình máy lạnh không khí (môi chất là không khí).

8.1.2. Sử dụng hiệu ứng tiết lưu đoạn nhiệt Juole-Thomson

Chúng ta đã biết khi chất khí hoặc hơi ở nhiệt độ ban đầu nhỏ hơn nhiệt độ chuyển biến pha hơi (ở cùng áp suất), qua tiết lưu nhiệt độ của khí hoặc hơi giảm. Đây chính là nguyên lý của máy lạnh hoá lỏng các khí.

8.1.3. Sử dụng hiệu ứng nhiệt-điện (hiệu ứng J-Peltier)

Hiệu ứng nói rằng: có dòng điện chạy qua mạch gồm hai dây kim loại hàn hai đầu với nhau thì một đầu mối hàn toả nhiệt, đầu kia hấp thụ nhiệt. Sử dụng sự hấp thụ nhiệt của một đầu mối hàn ở nhiệt độ thấp để lấy nhiệt của vật cần làm lạnh là nguyên lý của chu trình máy lạnh điện-nhiệt.

8.1.4. Sử dụng nhiệt chuyển biến pha ở nhiệt độ thấp

Ta biết rằng áp suất của chất lỏng khi qua van tiết lưu sẽ giảm, điều này kéo theo nhiệt độ sôi tương ứng giảm. Dùng môi chất nhận nhiệt của vật cần làm lạnh để bốc hơi ở nhiệt độ thấp này là nguyên lý của máy lạnh thông thường (máy lạnh có máy nén, máy lạnh hấp thụ).

Người ta cũng có thể sử dụng nhiệt nóng chảy hoặc thăng hoa trong quá trình biến từ pha rắn sang pha lỏng hoặc từ pha rắn sang pha hơi của một số chất ở nhiệt độ thấp.

8.1.5. Sử dụng hiệu ứng xoáy

Hiệu ứng xoáy do Rank tìm ra năm 1931: khi cho dòng khí (ví dụ không khí) qua vòi phun theo phương pháp tuyến với chu vi ống, người ta nhận được hai dòng khí đi ra ở hai phía ống có nhiệt độ khác nhau. Sử dụng dòng khí lạnh có nhiệt độ thấp là nguyên lý của máy lạnh dựa trên hiệu ứng xoáy.

Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số chu trình máy lạnh dựa trên các nguyên lý làm lạnh kể trên.

8.2. Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt không khí

8.2.1. Sơ đồ nguyên lý

Môi chất ở đây sử dụng là không khí. Sơ đồ nguyên lý như hình 8.1.

Ở buồng lạnh I khi nhận nhiệt q2 của vật cần làm lạnh ở nhiệt độ thấp và áp suất p1 = const làm nhiệt độ của vật giảm xuống đến nhiệt độ yêu cầu.

Dùng máy nén II (pistôn, ly tâm, ...) hút không khí từ buồng lạnh ở áp suất p1 vào và nén (giả thiết nén đoạn nhiệt) đến áp suất p2. Khi nén nhiệt độ tăng đến t2.

Không khí từ máy nén đi vào bình làm mát III nhả nhiệt q1 cho nước hoặc không khí làm mát ở áp suất p2 = const. Nhiệt độ không khí giảm từ t2 đến t3.

Không khí ra khỏi bình làm mát vào máy giãn nở IV (piston hay tuabin) thực hiện quá trình giãn nở (giả thiết là đoạn nhiệt), ở đây áp suất giảm từ p2 xuống p1 và nhiệt độ giảm từ t3 đến t4. Máy giãn nở và máy nén đồng trục với nhau, nên công thực hiện trong máy giãn nở để góp một phần chạy máy nén, phần còn lại có thể dùng động cơ điện...

8.2.2. Chu trình máy lạnh trên đô thị

Biểu diễn chu trình máy lạnh trên đồ thị T-s.

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong máy nén;

2-3: quá trình nhả nhiệt đẳng áp q1 trong bình làm mát;

3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong máy giãn nở;

4-1: quá trình nhận nhiệt đẳng áp q2 trong buồng lạnh.

Hệ số làm lạnh của chu trình được xác định:

Mà q1 = Cp(T2 – T3), q2 = Cp(T1 – T4)

Vì quá trình 1-2 và 3-4 đều giả thiết là đoạn nhiệt nên:

hay

(8.1)

Khi chu trình trên là chu trình bơm nhiệt thì hệ số bơm nhiệt là:

(8.2)

Ưu điểm cơ bản chủa chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt không khí là dùng không khí sẵn có và không độc hại. Nhược điểm là do chu trình tiến hành xa chu trình Carot (vì hai quá trình nhận nhiệt và thải nhiệt ở đây là đẳng áp) nên hệ số làm lạnh hoặc bơm nhiệt đạt được nhỏ. Mặt khác lại phải dùng với máy giãn nở nên kích thước thiết bị lớn. Vì vậy hiện nay chỉ dùng nhiều trong ngành hàng không (máy bay phản lực) ở đây thuận lợi là có thể dùng tuabin khí và máy nén đã có sẵn trong máy bay phản lực.

8.3. Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt dùng hơi

Môi chất sử dụng ở đây là hơi của một số chất lỏng, phương pháp làm lạnh ở đây cho môi chất bốc hơi ở nhiệt độ thấp. Tuỳ theo phương pháp tăng áp suất của môi chất ta chia ra: chu trình có máy nén, chu trình hấp thụ (không dùng máy nén mà dùng bơm).

8.3.1. Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt có máy nén

Môi chất thường dùng ở đây là amôniac (NH3), frêon như R12, R22, khí CO2. Khi áp suất trong buồng lạnh p1 = 1 bar, nhiệt độ sôi ts tương ứng với các môi chất trên như sau:

Môi chất

ts

NH3

-340C

R12

-300C

R22

-400C

CO2

-780C

NH3 thường được sử dụng trong các máy lạnh và bơm nhiệt công nghiệp như để sản xuất nước đá làm, đông lạnh... vì nhiệt hoá hơi của NH3 lớn nên cho công suất lớn. Các loại frêon thường được sử dụng trong máy lạnh sinh hoạt như tủ lạnh, tủ đá, ... vì ở đây không đòi hỏi công suất lớn và ưu điểm của frêon là không mùi, không độc hại.

Sơ đồ cấu tạo máy lạnh dùng hơi có máy nén và van tiết lưu được thể hiện trên hình 8.3.

Máy nén I hút hơi công chất giả thiết là hơi bão hoà khô từ buồng lạnh IV ở áp suất p1, sau đó nén giả thiết là đoạn nhiệt môi chất đến áp suất p2. Hơi từ máy nén đi vào buồng ngưng II ngưng tụ trong điều kiện áp suất p2 = const, nhả nhiệt q1 cho không khí hoặc nước làm mát. Chất lỏng ngưng từ bình ngưng qua van tiết lưu III, áp suất giảm từ p2 xuống p1. Hơi bão hoà ẩm từ van tiết lưu đi vào buồng lạnh IV hoặc bình bốc hơi nhận nhiệt q2 của vật cần làm lạnh ở p1 = const, sôi và bốc hơi.

Các quá trình của chu trình được biểu diễn trên dồ thị T-s hoặc đồ thị lgp-i.

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén;

2-3: quá trình ngưng tụ ở p2 = const và nhả nhiệt q1 trong bình ngưng;

3-4: quá trình tiết lưu qua van tiết lưu (đẳng entanpi);

4-1: qúa trình bốc hơi xảy ra trong giàn bốc hơi của buồng lạnh, môi chất nhận nhiệt q2 ở p1 = const.

Hệ số làm lạnh của chu trình:

Ta có: q2 = q4-1 = i1 – i4, q1 = q2-3 = i2 – i3

=>l = i2 – i3 – (i1 – i4) = i2 – i1

Vì trong qúa trình tiết lưu i3 = i4, ta thấy l chính là công của máy nén.

(8.3)

Và hệ số bơm nhiệt của chu trình: (8.4)

Năng suất lạnh của máy lạnh: Q0 = G.q2, W hoặc kcal/h (8.5)

Công suất của máy nén N: N = G.l (8.6)

Với G là lưu lượng của môi chất trong chu trình (kg/s).

8.3.2. Chu trình thiết bị làm lạnh dùng êjecto hơi và hấp thụ

8.3.2.1. Chu trình thiết bị làm lạnh dùng êjecto hơi (máy nén kiểu phun)

Trong chu trình thiết bị làm lạnh loại này người ta thường dùng chất môi giới làm lạnh là hơi nước (vì nước sẵn và rẻ) và thay máy nén piston bằng ejecto hơi (có nghĩa là máy nén chỉ tiêu thụ nhiệt năng mà không tiêu thụ cơ năng).

Sơ đồ thiết bị làm lạnh dùng ejecto như hình 8.5.

Hơi nước có áp suất tương đối cao từ lò hơi hay cửa trích hơi của tuabin đi vào ống tăng tốc, tốc độ hơi nước tăng lên, áp suất giảm xuống và hút hơi nước từ bình bốc hơi (bình làm lạnh dung dịch muối) vào buồng hỗn hợp. Sau đó hỗn hợp hơi nước đi vào ống tăng áp, qua đó áp suất tăng lên và đi vào bình ngưng tụ, hơi nước ngưng tụ theo quá trình đẳng áp. Một phần nước ngưng (nước bão hoà) đi qua van tiết lưu, áp suất và nhiệt độ của nước giảm xuống và sinh hơi bão hoà có độ khô giảm đi vào bình bốc hơi. Hơi nước bão hoà nhận nhiệt lượng của dung dịch muối ở điều kiện đẳng áp (p = const), độ khô của hơi tăng lên và sau đó trở về ejecto lặp lại các quá trình như trước.

Dung dịch muối sau khi được làm lạnh ở bình bốc hơi rồi trở về buồng lạnh thu nhiệt lượng của vật bị làm lạnh, cứ thế lặp đi lặp lại trong vòng kín.

Hệ số làm lạnh của chu trình: (8.7)

Trong đó: q1- nhiệt lượng nhận được từ vật cần làm lạnh;

q2- nhiệt lượng của hơi nước đưa vào ejecto.

8.3.2.2. Chu trình làm lạnh kiểu hấp thụ

Trong chu trình làm lạnh loại này, người ta cũng không dùng máy nén mà chỉ cần tiêu thụ năng lượng ở bên ngoài cung cấp vào (nhiệt năng ở dạng thấp). Chất môi giới là chất dễ bị chất khác hấp thụ, thường là NH3, còn chất hấp thụ là H2O. H2O và NH3 có nhiệt độ sôi rất khác nhau. Nếu ở cùng áp suất thì NH3 sôi ở nhiệt độ thấp hơn so với H2O.

Sơ đồ nguyên lý của chu trình thiết bị làm lạnh kiểu hấp thụ như hình 8.6

*Nguyên lý làm việc:

Sau khi qua van tiết lưu hơi NH3 đi vào bình bốc hơi nhận nhiệt lượng của dung dịch muối và sinh hơi có độ khô lớn (x = 1). Hơi NH3 đi vào bình hấp thụ bị nước hấp thụ tạo thành dung dịch (H2O + NH3). Để đảm bảo độ hấp thụ NH3 tương đối cao, trong bình hấp thụ được làm mát bằng nước. Dung dịch (H2O + NH3) được bơm vào bình bốc hơi, trong bình này dung dịch được đốt nóng bằng hơi nước từ lò hơi hay từ cửa trích của tuabin đưa sang có nhiệt độ bằng nhiệt độ sôi của NH3 được bốc hơi tách ra khỏi dung dịch, hơi NH3 có độ khô lớn, áp suất và nhiệt độ tương đối cao, đi vào bình ngưng thải nhiệt cho môi trường (nước làm mát) ở điều kiện đẳng áp biến thành nước NH3, nước NH3 tiếp tục đi qua van tiết lưu để sinh hơi bão hoà (vì nhiệt độ giảm, áp suất giảm) và quá trình được lặp lại. Dung dịch loãng còn lại trong bình bốc hơi được đi qua van điều chỉnh trở về bình hấp thụ.

Hệ số làm lạnh: Chu trình thiết bị làm lạnh loại này không dùng máy nén mà dùng bình hấp thụ và bình bốc hơi, chỉ tiêu thụ nhiệt năng và một phần cơ năng (rất nhỏ) để bơm dung dịch do đó hệ số làm lạnh có thể xác định theo công thức sau:

(8.8)

Trong đó: l’- công bơm dung dịch, công này rất nhỏ so với nhiệt năng đưa vào chu trình, có thể bỏ qua.

q1- nhiệt lượng hơi nước từ lò hơi hay từ cửa trích của tuabin để đốt nóng dung dịch NH3 trong bình bốc hơi.

q2- nhiệt lượng của vật được làm lạnh thải ra cho NH3.

Vậy hệ số làm lạnh của chu trình thiết bị làm lạnh kiểu hấp thụ có thể tính:

(8.9)

8.3.3. Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt

Bơm nhiệt và chu trình thiết bị làm lạnh có nguyên lý làm việc hoàn toàn giống nhau (đều làm việc theo chu trình ngược) nghĩa là phải tiêu tốn công để lấy nhiệt lượng từ vật có nhiệt độ thấp truyền cho vật có nhiệt độ cao hơn, chi có mục đích sử dụng năng lượng khác nhau mà thôi.

Từ lâu người ta đã sử dụng chu trình ngược để sưởi ấm phòng ở (được gọi là bơm nhiệt). Người sử dụng bơm nhiệt đầu tiên là Kenvin vào năm 1852, sau đó ở Anh đã sử dụng vào năm 1927, Thụy sỹ vào năm 1939 và hiện nay ở các nước có kỹ thuật tiên tiến đã đều sử dụng bơm nhiệt.

Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt như hình 8.10:

Dùng công l’ để lấy nhiệt lượng từ khí quyển có nhiệt độ thấp Ta truyền cho vật muốn làm nóng (sấy, sưởi...) có nhiệt độ cao T1. Trong bơm nhiệt nhiệt lượng có ích là q1 = q2 + l’. Nhiệt lượng q1 ở chu trình làm lạnh được thải vào khí quyển (hoặc nước làm mát) bằng phương pháp làm mát kiểu tản nhiệt, còn trong bơm nhiệt thì dùng nhiệt lượng q1 cung cấp cho bộ tiêu thụ nhiệt.

Chu trình bơm nhiệt được đánh giá bằng hệ số bơm nhiệt hay còn gọi là hệ số sấy nóng:

(8.10)

Hệ số này là tỷ số giữa nhiệt lượng cấp cho quá trình sấy nóng q1 và công tiêu tốn trong chu trình l’.

Ý nghĩa của e và j đều giống nhau chúng là nhiệt lượng có ích tạo nên tương ứng với một đơn vị công tiêu tốn, e và j càng lớn càng tốt.

Qua hệ giữa hệ số làm lạnh và hệ số sấy nóng:

q1 = q2 + l’

vậy (8.11)

Ta thấy hệ số sấy nóng luôn lớn hơn 1.

Bơm nhiệt cũng như các chu trình làm lạnh đều lấy chu tình Cacnô ngược thuận nghịch làm chu trình lý tưởng (hình 8.11), do đó hệ số sấy nóng của chu trình Cacnô ngược xác định như sau:

hay (8.12)

Ta thấy rằng hiệu nhiệt độ sấy nóng cần thiết không cách xa nhiệt độ khí quyển là mấy, nghĩa là Ta/T1 càng lớn thì j càng lớn thì càng có lợi.

Trong thực tế, bơm nhiệt hoặc máy lạnh không thực hiện được theo chu trình Cacnô thuận nghịch, mà thường làm việc theo chu trình ngược với chất môi giới là hơi của một số chất ở áp suất bình thường có nhiệt độ sôi thấp như NH3, CO2, frêôn...

Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt cũng giống hệ như chu trình làm lạnh đã nghiên cứu ở trên.

Nước ta ở vùng nhiệt đới và là một nước có nhiều nông, lâm, thủy sản nên để điều hoà nhiệt độ trong phòng, sấy, sưởi nhằm bảo quản và chế biến các sản phẩm thì sử dụng bơm nhiệt