Hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí-Air conditioning and refrigeration

Bài viết liên quan

1. GIỚI THIỆU
Bài viết này giới thiệu vắn tắt về những đặc điểm chính của hệ thống làm lạnh và hệ thống điều hòa không khí

1.1 Điều hoà không khí và làm lạnh là gì
Làm lạnh và điều hoà không khí được sử dụng để làm mát sản phẩm hoặc môi trường của toà nhà. Hệ thống làm lạnh và điều hoà không khí (R) hấp thụ nhiệt từ nơi cần làm mát và truyền nhiệt hấp thụ ra khu vực khác, có nhiệt độ cao hơn (xem hình 1).

Hệ thống làm lạnh có một số chu trình trao đổi nhiệt, như minh hoạ ở hình 2. Nhiệt năng chuyển từ trái sang phải, được trích từ không gian và đưa vào các cửa ra qua năm chu trình trao đổi nhiệt:

• Chu trình sử dụng không khí trong nhà. Ở chu trình bên trái, quạt thổi không khí trong nhà vào dàn lạnh, tại đó không khí sẽ truyền nhiệt cho nước lạnh. Không khí mát sẽ làm mát không gian của toà nhà.
• Chu trình sử dụng nước lạnh. Được thực hiện bởi bơm nước lạnh, nước quay trở lại từ giàn lạnh, được đưa tới thiết bị bay hơi của bộ phận làm lạnh để được làm mát trở lại.
• Chu trình sử dụng môi chất lạnh. Sử dụng môi chất lạnh đổi pha, máy nén ở hệ thống làm lạnh truyền nhiệt từ môi chất lạnh sang nước ngưng.
• Chu trình sử dụng nước ngưng. Nước hấp thụ nhiệt từ bình ngưng của thiết bị làm lạnh, và được máy bơm nước ngưng tới tháp giải nhiệt.
• Chu trình sử dụng tháp giải nhiệt. Quạt của tháp giải nhiệt hút khí vào dòng hở của nước ngưng nóng, truyền nhiệt ra bên ngoài.

1.2 Hệ thống điều hòa không khí
Tuỳ theo các thiết bị ứng dụng, có một số giải pháp/cách kết hợp điều hoà không khí có thể áp dụng, bao gồm:

• Điều hoà không khí (cho không gian hoặc máy móc)
• Điều hòa hai cục
• Bộ giàn quạt lạnh trong hệ thống lớn hơn (FCU)
• Bộ xử lý không khí trong hệ thống lớn hơn (AHU)

1.3 Hệ thống làm lạnh (cho các quá trình)
Hệ thống làm lạnh dưới đây hiện có trong các quy trình công nghiệp (như dây chuyền làm lạnh) và cho các mục đích sinh hoạt (thiết bị điều biến, tức là tủ lạnh):

•  Thiết bị điều biến công suất thấp dạng giãn nở trực tiếp tương tự như tủ lạnh sinh hoạt.
•  Dây chuyền làm lạnh trung tâm sử dụng nước lạnh với nước lạnh là chất tải lạnh thứ cấp với dải biến thiên nhiệt độ trên 5 oC. Thiết bị này có thể sử dụng để tạo đá.
•  Dây chuyền làm lạnh bằng muối sử dụng muối ở nhiệt độ thấp hơn làm môi chất lạnh thứ cấp cho các thiết bị ứng dụng cần nhiệt độ dưới không, với hệ thống điều hòa cục bộ hoặc trung tâm
•  Công suất của dây chuyền đạt 50 TR (tấn lạnh) thường được xem là công suất nhỏ, 50 – 250 TR là công suất vừa và trên 250 TR là công suất lớn.

Một công ty lớn có thể có một hệ thống các tổ máy, thường có bơm nước lạnh, bơm nước ngưng, tháp giải nhiệt, là thiết bị bên ngoài. Một công ty cũng có thể có hai hoặc ba mức làm lạnh và điều hoà không khí, chẳng hạn như hệ thống gồm ba cấp:

•  Điều hòa không khí (20 – 25 oC)
•  Hệ thống nước lạnh (80 – 100 C)
•  Hệ thống sử dụng muối (các thiết bị ứng dụng nhiệt độ dưới 0)

2. CÁC DẠNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ VÀ LÀM LẠNH
Phần này mô tả các nguyên tắc của dây chuyền làm lạnh trong công nghiệp: Làm lạnh nén hơi (VCR) Làm lạnh hấp thụ hơi (VAR). Làm lạnh nén hơi sử dụng cơ năng làm lực phát động để làm lạnh, còn làm lạnh hấp thụ hơi sử dụng nhiệt năng làm làm lực phát động để làm lạnh.

2.1 Hệ thống làm lạnh nén hơi
2.1.1 Mô tả
Chu trình làm lạnh nén hơi dựa trên nguyên tắc chất lỏng được nén ở nhiệt độ nhất định sẽ lạnh hơn khi chúng được giãn nở. Với mức thay đổi áp suất phù hợp, khí nén sẽ nóng hơn nguồn làm mát của chúng ta (ví dụ như không khí bên ngoài) và khí giãn nở sẽ lạnh hơn nhiệt độ lạnh chúng ta mong đạt được. Trong trường hợp này, chất lỏng được sử dụng để làm mát môi trường nhiệt độ thấp và thải khí ra môi trường nhiệt độ cao.
Hệ thống làm lạnh nén hơi có hai ưu điểm. Thứ nhất, vì nó sử dụng một lượng nhiệt năng lớn để chuyển chất lỏng thành hơi nên sẽ có rất nhiều nhiệt thải từ không gian được điều hoà không khí. Thứ hai, bản chất cách nhiệt của hoá hơi cho phép trích nhiệt mà không cần tăng nhiệt độ của chất lỏng tới nhiệt độ làm mát. Điều này có nghĩa là, tốc độ trao đổi nhiệt vẫn cao, vì nhiệt độ chất lỏng càng gần với nhiệt độ xung quanh, tốc độ trao đổi nhiệt càng thấp.

Chu trình làm lạnh được mô tả trong hình 3 và 4 và có thể chia thành các cấp như sau:

• 1 – 2. Môi chất lạnh lỏng áp suất thấp trong thiết bị bay hơi hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh, thường là không khí, nước hoặc chất lỏng khác. Trong quá trình này, nó thay đổi trạng thái từ lỏng sang khí, và sẽ bị quá nhiệt tại đầu ra của thiết bị bay hơi.
• 2 – 3. Hơi quá nhiệt cấp vào máy nén, tại đó áp suất hơi tăng lên. Nhiệt độ cũng tăng vì một phần năng lượng đưa vào quá trình nén đã chuyển sang môi chất lạnh.
• 3 – 4. Khí quá nhiệt áp suất cao đi từ máy nén vào bình ngưng. Bộ phận đầu tiên của quy trình làm mát (3-3a) khử quá nhiệt khí trước khi quay trở lại dạng lỏng (3a-3b). Quy trình này thường sử dụng không khí hoặc nước để làm mát. Tại bình chứa chất lỏng và hệ thống ống, nhiệt độ sẽ giảm thêm (3b - 4), và dung dịch môi chất lạnh được làm mát sơ bộ trước khi đi vào thiết bị giãn nở.
• 4 - 1 Dung dịch đã được làm mát sơ bộ với áp suất cao sẽ đi vào thiết bị giãn nở, thiết bị này giúp giảm áp suất chất lỏng và điều chỉnh lưu lượng chất lỏng đi thiết bị bay hơi

Hình 3. Giản đồ chu trình làm lạnh nén hơi  

Hình 4. Giản đồ chu trình làm lạnh bao gồm thay đổi về áp suất 

(Cục Sử dụng năng lượng hiệu quả, 2004)  

Bình ngưng phải có khả năng thải nhiệt đầu vào kết hợp của máy nén và thiết bị bay hơi. Hay nói cách khác: (1 - 2) + (2 - 3) phải tương đương (3 - 4). Không có tổn thất hoặc thu hồi nhiệt qua thiết bị giãn nở.

2.1.2 Các loại môi chất lạnh sử dụng trong hệ thống nén hơi

Có rất nhiều loại môi chất lạnh sử dụng trong hệ thống nén hơi. Nhiệt độ làm mát mong muốn sẽ quyết định việc lựa chọn chất lỏng. Các môi chất lạnh thường được sử dụng là tập hợp các flocacbon được clo hoá (CFCs, còn gọi là các Freon): R-11, R-12, R-21, R-22 and R-502. Bảng 1 tóm tắt các đặc tính của những chất làm lạnh và bảng 2 nêu hiệu suất của chúng.

Việc lựa chọn môi chất lạnh và nhiệt độ làm mát mong muốn và tải sẽ quyết định việc lựa chọn máy nén, cũng như thiết kế của bình ngưng, thiết bị bay hơi, và các thiết bị phụ trợ khác. Các yếu tố khác như độ phức tạp của bảo trì, yêu cầu khoảng không, và sự sẵn có của các yếu tố phụ trợ khác (nước, điện, vv…) cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn các bộ phận trên.

2.2 Hệ thống làm lạnh hấp thụ hơi

2.2.1 Mô tả

Hệ thống làm lạnh hấp thụ hơi bao gồm:

• Bình hấp thụ: Hấp thụ hơi môi chất lạnh bằng một chất hấp thụ phù hợp, tạo ra một dung dịch đậm đặc của môi chất lạnh trong bình hấp thụ
• Bơm: Bơm dung dịch đậm đặc và tăng áp suất của dung dịch lên tới áp suất của bình ngưng
• Máy phát: Chưng hơi từ dung dịch đậm đặc, tạo ra dung dịch loãng đưa vào tuần hoàn

Hình 5: Giản đồ hệ thống làm lạnh hấp thụ hơi  

Thiết bị làm lạnh hấp thụ là một máy tạo ra nước lạnh bằng cách sử dụng nhiệt như hơi, nước nóng, khí, dầu, vv… Nước lạnh được tạo ra dựa trên nguyên tắc là dung dịch (tức là môi chất lạnh, bốc hơi ở nhiệt độ thấp) hấp thụ nhiệt từ xung quanh khi bốc hơi. Nước tinh khiết được sử dụng làm môi chất lạnh và dung dịch lithi bromua (LiBrH2O) được sử dụng làm chất hấp thụ.

Nhiệt sử dụng cho hệ thống làm lạnh hấp thụ hơi có thể là nhiệt thải trích từ quá trình, từ bộ phát diezen, vv… Trong trường hợp đó, hệ thống hấp thụ chỉ sử dụng điện cho máy bơm.

Tuỳ theo nhiệt độ yêu cầu và chi phí điện, có thể sẽ kinh tế hơn nếu tạo nhiệt/hơi để vận hành hệ thống hấp thụ.

Dưới đây là mô tả khái niệm làm lạnh hấp thụ (nguồn tham khảo của tranh minh hoạ chưa xác định).

Thiết bị bay hơi

Môi chất lạnh (nước) bay hơi ở nhiệt độ khoảng 4oC trong điều kiện chân không 754 mm Hg ở thiết bị bay hơi. Nước lạnh đi qua ống của bộ trao đổi nhiệt trong thiết bị bay hơi và truyền nhiệt cho môi chất lạnh đã hoá hơi. Môi chất lạnh (hơi) lại chuyển thành chất lỏng, còn nhiệt ẩn từ quá trình bay hơi làm mát nước lạnh (trong sơ đồ là từ 12 oC - 7 oC). Nước lạnh được sử dụng cho mục đích làm mát.

Bình hấp thụ

Để duy trì sự bay hơi, hơi môi chất lạnh phải được thải ra từ thiết bị bay hơi và cần cung cấp môi chất lạnh (nước). Hơi môi chất lạnh được hấp thụ trong dung dịch lithi bromua, rất thuận tiện hấp thụ hơi môi chất lạnh trong bình hấp thụ. Nhiệt sinh ra từ quá trình hấp thụ liên tục được loại bỏ khỏi hệ thống bằng nước mát. Quá trình hấp thụ cũng duy trì độ chân không trong thiết bị bay hơi.

Máy phát áp suất cao

Vì dung dịch lithi bromua được pha loãng, khả năng hấp thụ hơi môi chất lạnh giảm. Để duy trì quá trình hấp thụ, dung dịch lithi bromua pha loãng cần được cô đặc lại.

Thiết bị làm lạnh hấp thụ được lắp cùng hệ thống cô đặc dung dịch, được gọi là máy phát. Chất gia nhiệt như hơi, nước nóng, khí hoặc dầu đóng vai trò là dung dịch cô đặc. Dung dịch cô đặc được đưa trở lại bình hấp thụ để tiếp tục hấp thụ hơi lạnh.

Bình ngưng

Để hoàn tất chu trình làm lạnh, cần đảm bảo là quy trình làm lạnh diễn ra liên tục, cần có hai chức năng sau

1. Cô đặc và hoá lỏng hơi môi chất lạnh, được tạo ra trong máy phát áp suất cao.

2. Cung cấp nước ngưng cho thiết bị bay hơi làm môi chất lạnh (nước). Một bình ngưng được lắp đặt phục vụ cho hai chức năng trên.

Hệ thống làm lạnh hấp thụ sử dụng nước Li-Br làm môi chất lạnh có hệ số hiệu suất (COP) trong khoảng 0,65 – 0,70 và có thể cung cấp nước lạnh ở nhiệt độ 6,7 oC với nhiệt độ nước làm mát ở 30 oC. Hiện cũng có những hệ thống có thể cung cấp nước lạnh ở nhiệt độ 3 oC.

Hệ thống dựa trên Amoniac hoạt động ở mức cao hơn áp suất khí quyển có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp (dưới 0oC). Hiện bình hấp thụ đang có sẵn với công suất trong khoảng 10-1500 tấn. Mặc dù chi phí ban đầu của hệ thống hấp thụ cao hơn hệ thống nén, chi phí vận hành rẻ hơn nhiều vì nhiệt thải được tận dụng.

2.2.2 Làm mát bằng bay hơi trong hệ thống làm lạnh hấp thụ hơi

Có những nơi có thể thay điều hoà không khí giúp đặt mức điều chỉnh độ ẩm lên tới 50% giúp con người thoải mái hoặc cho quá trình bằng một hệ thống làm mát bằng bay hơi giúp tiết kiệm năng lượng và rẻ hơn nhiều.

Hình 5. Giản đồ làm mát bằng bay hơi. Theo: Munters (2001)  

Khái niệm rất đơn giản và tương tự như khái niệm ở tháp giản nhiệt. Không khí được đưa vào tiếp xúc chặt chẽ với nước để làm giảm nhiệt độ của không khí xuống gần nhiệt độ bầu ướt.

Không khí mát được sử dụng phục vụ cho con người hoặc làm mát quá trình. Nhược điểm của hệ thống là độ ẩm trong không khí cao. Tuy nhiên, đây lại là một phương tiện làm mát vô cùng hiệu quả với chi phí rất thấp. Những hệ thống thương mại lớn thường dùng khối đệm bằng cenluloza để phun nước. Có thể điều chỉnh nhiệt độ bằng cách điều chỉnh lưu lượng khí và tốc độ luân chuyển khí.
Ứng dụng phương pháp làm mát bằng bay hơi đặc biệt thích hợp cho làm mát ở những vùng khô hanh. Nguyên tắc này cũng được thực hiện ở các doanh nghiệp thuộc ngành dệt cho một số quá trình nhất định.

Nguồn bài viết: Chương trình môi trường liên hợp quốc (năm 2006) UNEP - 

Hướng dẫn Sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á

Chia sẻ bài viết