Sơ đồ hệ thống lạnh 1 cấp: Cấu tạo, Nguyên lý & Ứng dụng

Từ kho mát đến điều hòa công nghiệp, hệ thống lạnh 1 cấp nén vẫn được lựa chọn để điều hòa nhiệt độ. Chỉ với 1 máy nén duy nhất, làm thế nào để tạo ra chu trình giải nhiệt ổn định, bền vững? Cùng khám phá.

1. Tìm hiểu hệ thống lạnh 1 cấp nén là gì?

Trong công nghiệp, người ta sử dụng hệ thống lạnh để hạ nhiệt độ trong không gian hoặc đối tượng cần làm lạnh xuống mức cài đặt. Mô hình làm lạnh phổ biến nhất là hệ thống 1 cấp nén và 2 cấp nén.

Trong đó, hệ thống lạnh 1 cấp nén (single-stage) là hệ thống làm lạnh nhờ 1 máy nén duy nhất. Bằng cách nén môi chất lạnh từ áp suất thấp lên áp suất cao, thiết bị tạo ra chu trình trao đổi nhiệt khép kín.

Quá trình làm mát gồm 4 quy trình cơ bản là nén - ngưng tụ - tiết lưu và bay hơi. Môi trường sử dụng cơ bản là những kho lạnh có nền nhiệt trên -30 độ C.

2. Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo của hệ thống lạnh 1 cấp nén

2.1 Cấu tạo của hệ thống lạnh 1 cấp nén

Đơn giản nhưng chặt chẽ, hệ thống lạnh 1 cấp nén gồm các bộ phận liên kết chặt chẽ với nhau như sau:

• Máy nén: Là bộ phận trung tâm, thực hiện nhiệm vụ hút môi chất lạnh ở dạng hơi, áp suất thấp tại dàn bay hơi, nén lên áp suất và nhiệt độ cao. Máy quyết định công suất, hiệu quả làm lạnh thực tế.
• Dàn ngưng: Có chức năng giải nhiệt cho môi chất lạnh sau khi chúng ra khỏi máy nén. Môi chất dạng hơi được chuyển hóa thành dạng lỏng trong quá trình trao đổi nhiệt với không khí/nước. Dàn ngưng làm việc hiệu quả thì hệ thống tiêu hao ít điện.
• Van tiết lưu: Có thể là van tiết lưu nhiệt, van điện tử hoặc ống mao, giúp môi chất lạnh hạ nhiệt và áp suất trước khi đi vào dàn bay hơi. Khâu này giúp môi chất đủ điều kiện để hấp thụ nhiệt.
• Dàn bay hơi: Là nơi xảy ra quá trình hấp thụ nhiệt từ không gian/vật thể cần làm lạnh. Môi chất bay hơi hoàn toàn tại đây, chuyển về thể hơi áp suất thấp và được đưa về máy nén, bắt đầu chu trình mới.
• Bình tách lỏng: Loại bỏ gas lỏng lẫn trong hơi trước khi đưa vào máy nén
• Tháp giải nhiệt: Bộ phận này chỉ có trong các hệ thống có dàn ngưng giải nhiệt bằng nước. Còn ở các hệ thống dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí, tháp được thay thế bằng quạt gió.
• Phụ kiện hỗ trợ: Ngoài các bộ phận chính kể trên, hệ thống lạnh 1 cấp nén còn có thêm phin lọc sấy, cảm biến áp suất/nhiệt độ…

2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh 1 cấp nén

Hệ thống lạnh 1 cấp nén được thiết kế theo sơ đồ chặt chẽ, tiện cho kỹ sư theo dõi, lắp đặt.

Trong đó, các bộ phận được kết nối với nhau chuẩn logic, tạo nên hệ thống làm mát hoàn chỉnh. Dưới đây là sơ đồ hệ thống lạnh 1 cấp nén thường thấy

2.3. Phân tích nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh 1 cấp nén

Hệ thống lạnh 1 cấp nén làm mát nhờ chu trình bay hơi của máy nén và quá trình truyền nhiệt giữa môi chất lạnh với môi trường. Chi tiết như sau:

• Nén môi chất: Ban đầu, môi chất có trạng thái hơi, áp suất và nhiệt độ đều thấp. Máy nén hút chúng lại và nén lên áp suất, nhiệt độ cao.
• Giải nhiệt môi chất: Môi chất sau khi nén được đưa ra ngoài, đi đến dàn ngưng tụ. Tại đây, chúng tiếp xúc với nước/không khí và trao đổi nhiệt. Dù đã được làm mát và chuyển thành thể lỏng nhưng áp suất môi chất vẫn cao.
• Giảm áp suất: Môi chất lỏng được đi qua van tiết lưu và được hạ bớt áp suất.
• Hấp thụ nhiệt: Khi ra khỏi van tiết lưu, môi chất đến dàn bay hơi và thực hiện nhiệm vụ hấp thụ nhiệt cho đối tượng cần làm lạnh. Sau quá trình này, chúng chuyển lại thể hơi, áp suất thấp và được thu lại máy nén, chuẩn bị cho chu trình tiếp theo.

3. Điểm chung của các hệ thống lạnh 1 cấp nén công nghiệp

3.1. Kết cấu khoa học, tiện cho sửa chữa, bảo trì

Nguyên tắc thiết kế của hệ thống lạnh 1 cấp là đơn giản - khoa học - dễ tiếp cận. Các bộ phận chính được bố trí theo trình tự và bám sát chu trình nén hơi tiêu chuẩn.

So với hệ thống lạnh 2 cấp nén, số lượng thiết bị, đường ống được tối giản. Các điểm nối ít đi, giảm nguy cơ rò rỉ môi chất cũng như lỗi kỹ thuật.

3.2. Đáp ứng hiệu quả cho hệ thống làm lạnh mức trung bình

Trong dải nhiệt độ vận hành ở mức trung bình, hệ thống duy trì hiệu suất ổn định, khả năng trao đổi nhiệt đỉnh cao.

Với chỉ 1 cấp nén nhưng áp suất và nhiệt độ môi chất luôn đạt giới hạn an toàn. Các thiết bị không bị quá tải khi phục vụ hệ thống điều hòa, kho lạnh thông thường, dây chuyền sản xuất.

3.3. Hệ thống làm việc tin cậy, ít phát sinh trục trặc

Nhờ cấu hình đơn giản, chu trình rõ ràng và số lượng thiết bị được tinh giản, hệ thống ít phát sinh lỗi.

Cụ thể, máy nén ít bị rung, hầu như không nóng, quá tải hay suy giảm hiệu suất. Trong môi trường công nghiệp cần vận hành liên tục, điều này góp phần quan trọng vào việc kéo dài tuổi thọ máy.

3.4. Chi phí lắp đặt, triển khai ban đầu tối ưu ở mức thấp

So với hệ thống nhiều cấp, hệ thống lạnh 1 cấp nén có lợi thế rõ rệt về chi phí đầu tư ban đầu.

Từ việc sử dụng 1 máy nén và số lượng phụ trợ ít đã giúp thu gọn đáng kể phí mua sắm vật tư.

Tiếp theo, kết cấu đơn giản cũng có nghĩa khối lượng thi công ít đi. Đường ống môi chất ngắn, thời gian lắp đặt nhanh và chi phí nhân công giảm.

4. Hạn chế của hệ thống lạnh 1 cấp nén cần lưu ý

Sở dĩ hệ thống lạnh 1 cấp nén chỉ đáp ứng tốt các mô hình công nghiệp vừa và nhỏ. Hệ thống không đủ khả năng làm lạnh sâu. Khi yêu cầu hạ nhiệt độ xuống mức quá thấp, máy nén cần làm việc với mức chênh lệch áp suất lớn.

Lúc này hiệu suất giảm mà điện năng tiêu thụ lại tăng, độ bền các thiết bị bị ảnh hưởng.

Trong điều kiện tải lớn, có thể phát sinh tình trạng quá tải cục bộ, gây khó khăn cho việc tính toán công suất và bảo trì.

Ngoài ra, hệ thống này còn khó đáp ứng đồng đều các mức nhiệt khác nhau trong cùng 1 dây chuyền/không gian. Lý do là bởi khả năng điều chỉnh, kiểm soát nhiệt linh hoạt còn hạn chế.

5. Ứng dụng của hệ thống lạnh 1 cấp nén trong thực tế

Trong thực tế sản xuất công nghiệp và đời sống sinh hoạt, hệ thống này được đầu tư, lắp đặt khá nhiều. Cụ thể là:

• Bảo quản, lưu trữ: Hệ thống được trang bị để làm mát rau củ, trái cây, các thực phẩm tươi sống ở cửa hàng, siêu thị mini. Với yêu cầu duy trì nhiệt độ ổn định ở mức trung bình, hệ thống hoàn thành rất tốt vai trò.
• Điều hòa không khí: Đây là nền tảng của nhiều hệ thống điều hòa cục bộ, lắp đặt tại nhà xưởng, văn phòng, khu dịch vụ. Thiết bị kiểm soát nhiệt ổn định, đủ làm mát đồng đều trên không gian lớn.
• Sản xuất công nghiệp: Người ta thường ứng dụng để kiểm soát nhiệt cho dây chuyền sản xuất, các phòng kỹ thuật, khu vực nhiều máy móc.
• Làm hệ thống máy lạnh trên các phương tiện như ô tô, xe khách, xe bus, tàu điện,... để duy trì nhiệt độ thoải mái cho các hàng khách.
• ....

Ngoài ra, nhiều trường hợp, hệ thống này còn được tích hợp vào thiết bị điện lạnh dân dụng và bán công nghiệp. Điển hình là tủ lạnh, máy làm đá, máy làm lạnh nước…

6. Một số lưu ý khi thiết kế, lắp đặt hệ thống lạnh 1 cấp nén

Các kỹ thuật viên lâu năm tại Đăng Gia lưu ý, khi thiết kế, lắp đặt hệ thống lạnh 1 cấp nên chú ý những điều sau để tối ưu hiệu quả:

• Tính toán chính xác tải lạnh và công suất máy nén cần dùng. Từ đó lựa chọn máy nén phù hợp với nhu cầu, không quá tải, cũng không phung phí năng lượng.
• Chọn môi chất lạnh đáp ứng tốt yêu cầu về hiệu suất làm lạnh, độ an toàn và độ tương thích với thiết bị, tính thân thiện với môi trường.
• Khi lắp đặt, cần bố trí đường ống môi chất khoa học, hạn chế tổn thất áp suất. Đồng thời tránh đọng dầu, đọng các chất lỏng.
• Luôn đảm bảo điều kiện thông gió, tản nhiệt cho dàn ngưng, hỗ trợ hệ thống giải nhiệt làm việc tốt nhất.
• Chú ý gia công cẩn trọng mối nối và kiểm tra kỹ lại sau thi công để ngừa lỗi kỹ thuật.
• Cuối cùng, đừng quên chạy thử, hiệu chỉnh và bảo trì định kỳ cho hệ thống theo đúng kỹ thuật.

Nhìn chung, hệ thống lạnh 1 cấp nén là hệ thống làm mát đơn giản bậc nhất. Nếu không cần làm lạnh chuyên sâu, nên chọn loại này.