Sơ đồ hệ thống lạnh 1 cấp, 2 cấp: Cấu tạo & ứng dụng thực tế

Am hiểu cấu trúc, sơ đồ hệ thống lạnh là chìa khóa giúp bạn ứng dụng vào nhà xưởng, trung tâm mua sắm. Từ đó vận hành đúng cách, lâu dài mà không gặp phải rủi ro.

1. Tổng quan về sơ đồ hệ thống lạnh công nghiệp

1.1 Khái niệm, vai trò

Hệ thống lạnh công nghiệp là hệ thống làm mát diện rộng gồm tập hợp các thiết bị cơ - nhiệt - điện. Tất cả cùng thực hiện nhiệm vụ thu hồi nhiệt từ không gian/sản phẩm cần làm lạnh và thải nhiệt ra môi trường.

Mục đích là tạo không gian sống/ làm việc mát mẻ, dễ chịu; đồng thời đảm bảo chất lượng sản phẩm, hạn chế hư hỏng gây ảnh hưởng đến uy tín của nhà sản xuất. Do đó, hệ thống lạnh công nghiệp được ứng dụng phổ biến trong các tòa nhà, trung tâm thương mại, chung cư và nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp như chế biến thực phẩm, sản xuất đồ uống, dược phẩm, hóa chất, nhà kho đông lạnh,...

So với mô hình giải nhiệt dân dụng, hệ thống công nghiệp ưu việt hơn ở chỗ: Công suất lớn, hoạt động liên tục, đáp ứng tốt yêu cầu khắt khe về độ chính xác, an toàn.

Sơ đồ hệ thống lạnh là bản vẽ kỹ thuật mô tả chi tiết cách lắp đặt, vị trí từng máy móc trong hệ thống.

Trong công nghiệp, hệ thống lạnh có vai trò rõ nét:

• Giữ chất lượng sản phẩm: Nhờ điều hòa nhiệt độ ở điều kiện chuẩn, các loại dược phẩm, hóa chất, thức ăn ít bị biến đổi tính chất.
• Giữ ổn định sản xuất: Với những dây chuyền yêu cầu nhiệt độ chính xác, hệ thống lạnh đóng vai trò quyết định hiệu quả của quy trình sản xuất.
• Kiểm soát rủi ro: Nhờ tích hợp nhiều cơ chế bảo vệ, hệ thống vận hành an toàn trong môi trường áp suất và nhiệt độ cao.

Dựa vào bản vẽ chi tiết, các kỹ sư dễ dàng lắp đặt, kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa nhanh chóng, chính xác khi cần thiết. Từ đó phát huy tốt vai trò, nhiệm vụ của toàn hệ thống.

1.2 Cách phân loại

Để thuận tiện cho việc thiết kế, lựa chọn và ứng dụng vào thực tế, người ta thường chia hệ thống lạnh công nghiệp làm nhiều loại.

Theo chu trình làm lạnh

• Hệ thống lạnh 1 cấp: Chỉ sử dụng một máy nén, cấu trúc chung đơn giản, phù hợp với nhu cầu làm lạnh ở mức nhiệt độ trung bình, công suất vừa.
• Hệ thống lạnh 2 cấp: Sử dụng hai cấp nén liên tiếp, cho phép hạ nhiệt độ xuống rất thấp, hiệu suất làm mát cao và ổn định hơn. Hệ thống phù hợp với các ứng dụng cần làm lạnh sâu như bảo quản thực phẩm, dược phẩm, sản xuất đồ đông lạnh... Tuy nhiên chi phí đầu tư, vận hành tương đối cao.

Theo loại dung môi

• Hệ thống sử dụng môi chất NH₃: Hiệu suất trao đổi nhiệt cao, tiết kiệm năng lượng, thường dùng trong kho lạnh và nhà máy chế biến quy mô lớn.
• Hệ thống sử dụng môi chất Freon R134a, R404A, R507: Vận hành an toàn, dễ kiểm soát, phù hợp với nhiều mô hình hiện đại. Tuy nhiên, các môi chất lạnh hóa học có thể gây hại cho môi trường.
• Hệ thống sử dụng CO₂: Xu hướng mới thân thiện với môi trường, đáp ứng các tiêu chuẩn xanh về khí thải và an toàn sinh thái.

Theo mục đích sử dụng

• Hệ thống dùng trong bảo quản nông sản, thực phẩm
• Hệ thống cấp đông nhanh
• Điều hòa trung tâm xưởng

Trong các kiểu kể trên, cách phân loại theo chu trình làm lạnh thường được thể hiện trong sơ đồ kỹ thuật nhất.

2. Cấu tạo chính của hệ thống làm lạnh công nghiệp

Từ sơ đồ kỹ thuật, bạn dễ dàng đọc ra cấu tạo của hệ thống lạnh gồm những bộ phận nào và vai trò cũng như mối liên kết giữa chúng.

• Máy nén: Hút môi chất lạnh (áp suất thấp) từ dàn bay hơi, nén lên áp suất và nhiệt độ cao, tạo điều kiện để môi chất lưu thông khắp hệ thống. Thiết bị này có thể là máy nén piston, trục vít hoặc xoắn ốc, tùy yêu cầu của ứng dụng.
• Dàn ngưng: Là nơi môi chất lạnh (sau khi nén) thải nhiệt ra bên ngoài, chuyển từ trạng thái khí sang lỏng. Dàn ngưng có thể hoạt động theo cơ chế giải nhiệt gió hoặc nước, tương tự như tháp giải nhiệt.
• Van tiết lưu: Có 2 loại phổ biến là van tiết lưu nhiệt và van điện tử. Bộ phận này thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng và giảm áp suất môi chất lạnh trước khi đưa vào dàn bay hơi. Nhờ đó, môi chất đạt được điều kiện nhiệt độ thấp cần thiết, sẵn sàng hấp thụ nhiệt.
• Dàn bay hơi: Là nơi diễn ra quá trình làm lạnh trực tiếp, môi chất lạnh hấp thụ nhiệt từ không gian/sản phẩm và bay hơi hoàn toàn. Hiệu suất của dàn bay hơi sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng, tốc độ làm mát và mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống.
• Thiết bị phụ trợ: Ngoài các bộ phận chính kể trên, hệ thống lạnh còn có bình chứa cao áp, bình trung gian, phin lọc, kính xem gas, van điện từ, van an toàn. Chức năng của chúng là chứa, duy trì lượng môi chất, loại bỏ tạp chất, độ ẩm.
• Hệ thống điều khiển: Bao gồm tủ điện, cảm biến nhiệt độ - áp suất, rơ le bảo vệ, PLC. Dựa vào đây, người dùng dễ dàng quan sát, điều chỉnh hoạt động theo mong muốn.
• Tháp giải nhiệt: Làm mát nước để giải nhiệt dàn ngưng

3. Sơ đồ, nguyên lý vận hành của hệ thống lạnh 1 cấp

Hệ thống lạnh công nghiệp 1 cấp vận hành theo chu trình khép kín. Dựa trên sơ đồ, có thể nhận thấy quy trình này diễn ra liên tục với 4 giai đoạn cốt lõi:

• Nén môi chất: Hơi môi chất sau khi rời dàn bay hơi sẽ được máy nén hút về và nén lại để làm tăng áp suất và nhiệt độ. Lúc này, môi chất chuyển sang trạng thái hơi nóng, sẵn sàng đi vào giai đoạn thải nhiệt.
• Ngưng tụ, giải nhiệt: Hơi môi chất áp suất cao được dẫn đến dàn ngưng. Tại đây, nhiệt lượng được tản ra xung quanh thông qua không khí/nước hoặc cả hai. Quá trình này khiến môi chất ngưng tụ thành dạng lỏng, áp suất cao, sau đó di chuyển đến bộ phận tiết lưu.
• Tiết lưu giảm áp: Tại van tiết lưu, môi chất lỏng cao áp được hạ thấp áp suất và nhiệt độ đột ngột, tạo thành môi chất lỏng áp suất thấp.
• Bay hơi - làm lạnh: Môi chất lỏng áp thấp đi vào dàn bay hơi, hấp thụ nhiệt từ không gian hoặc vật thể cần làm lạnh. Quá trình này làm môi chất sôi và hóa hơi hoàn toàn.

Chu trình kết thúc và vòng tuần hoàn mới lại bắt đầu từ máy nén.

4. Sơ đồ, nguyên lý vận hành của hệ thống lạnh 2 cấp

So với hệ thống 1 cấp, sơ đồ hệ thống lạnh 2 cấp được thiết kế phức tạp hơn với 2 cấp nén liên tiếp.

Cấp nén thứ nhất

• Sau quá trình bay hơi, hơi môi chất lạnh (áp suất thấp), sẽ được máy nén 1 hút vào và nén lên mức áp suất cao hơn.
• Dòng môi chất này được dẫn đến bình tách lỏng - hồi nhiệt để chia phần hơi và phần lỏng ra riêng biệt.
• Phần lỏng thu được tiếp tục đi qua van tiết lưu cấp 1. Tại đây áp suất và nhiệt độ giảm mạnh, tạo điều kiện cho môi chất đi vào dàn lạnh 1. Trong dàn lạnh, môi chất bay hơi và hấp thụ một lượng nhiệt lớn từ môi trường, hạ nhiệt độ xuống mức ban đầu.

Cấp nén thứ hai

Hơi môi chất sinh ra từ dàn lạnh 1 sẽ được máy nén 2 hút về và tiếp tục nén, nâng áp suất và nhiệt độ lên cao hơn nữa.

• Dòng môi chất sau nén lại được đưa vào bình tách lỏng, phân riêng phần hơi và phần lỏng áp suất cao.
• Phần lỏng tiếp tục đi qua van tiết lưu cấp 2 để giảm áp và giảm nhiệt, rồi mới được cấp vào dàn lạnh 2.
• Tại dàn lạnh 2, môi chất bay hơi lần nữa và tiếp tục hấp thụ nhiệt từ môi trường cần làm lạnh. Nhờ vậy, nhiệt độ được hạ sâu hơn so với hệ thống 1 cấp.

Sau khi hoàn tất chu trình, phần hơi môi chất còn lại được dẫn ra ngoài, kết thúc quá trình làm lạnh hai cấp.

5. Ứng dụng của hệ thống làm lạnh trong thực tế

5.1 Ứng dụng của hệ thống làm lạnh 1 cấp

Nhờ lợi thế về cấu trúc, chi phí, hệ thống làm lạnh 1 cấp được ứng dụng nhiều trong các nhu cầu bảo quản ở nhiệt độ trung bình.

• Kho thực phẩm: Hệ thống lạnh 1 cấp thường được lắp đặt cho các kho mát, kho đông quy mô vừa và nhỏ. Mục đích cơ bản là duy trì nhiệt độ vừa vặn, giữ trái cây, thịt cá, rau củ tươi; thực phẩm đông lạnh không đổi chất trong thời hạn ngắn.
• Nhà máy chế biến: Làm mát nguyên liệu, bảo quản bán thành phẩm hoặc vận hành các dây chuyền sản xuất không yêu cầu nhiệt độ âm sâu.
• Công nghiệp dịch vụ: Đáp ứng nhu cầu làm mát máy móc, thiết bị, hệ thống điều hòa trung tâm công suất lớn.

Ngoài ra, kết cấu gọn, dễ bảo trì còn giúp hệ thống được tin dùng trong nhiều doanh nghiệp vừa và nhỏ, cần làm lạnh lâu dài.

5.2 Ứng dụng của hệ thống làm lạnh 2 cấp

Với khả năng làm lạnh sâu và hiệu suất đỉnh cao, hệ thống làm lạnh 2 cấp được tin dùng trong các lĩnh vực nhiệt độ thấp, tải nhiệt lớn.

• Chế biến thủy sản: Hệ thống lạnh 2 cấp là lựa chọn tối ưu cho các kho cấp đông sâu, kho trữ đông dài hạn và dây chuyền cấp đông nhanh. Nhờ khả năng hạ nhiệt sản phẩm xuống mức rất thấp siêu nhanh, các tinh thể đá lớn ít hình thành. Chất lượng, màu sắc và giá trị dinh dưỡng được giữ trọn vẹn.
• Công nghiệp thực phẩm: Mô hình này được dùng phổ biến trong dây chuyền sản xuất thực phẩm đông lạnh xuất khẩu, hệ thống làm lạnh khuôn, buồng cấp đông.
• Dược phẩm, hóa chất: Khả năng kiểm soát nhiệt chuẩn xác của hệ thống rất hữu ích trong việc bảo quản nguyên liệu, vaccine, thuốc đặc trị và các hợp chất nhạy cảm với nhiệt độ.

Ngoài ra, người ta còn sử dụng trong các ngành đặc thù như sản xuất đá khô, khí hóa lỏng, công nghiệp luyện kim, phòng thí nghiệm…

6. Lưu ý khi vận hành, bảo trì hệ thống làm lạnh công nghiệp

Hiểu rõ sơ đồ hệ thống làm lạnh là bước đầu tiên, quan trọng, giúp người dùng vận hành đúng, bảo trì hiệu quả. Các kỹ thuật lâu năm tại Đặng Gia chia sẻ thêm một vài lưu ý quan trọng không nên bỏ qua như sau:

• Kiểm soát thông số: Cần luôn để mắt đến chỉ số áp suất, nhiệt độ, dòng điện. Nếu có dấu hiệu bất thường, cần xử lý ngay để hạn chế sự cố.
• Kiểm tra môi chất lạnh: Đây là yêu cầu bắt buộc, cần tiến hành định kỳ. Việc thiếu hoặc dư môi chất đều ảnh hưởng đến hiệu suất làm lạnh, thậm chí gây quá tải cho máy nén.
• Mối nối, đường ống: Luôn đảm bảo liên kết chặt chẽ, không rò rỉ.
• Bảo dưỡng: Máy nén, dàn ngưng và dàn bay hơi đều cần được bảo dưỡng theo khuyến cáo của nhà sản xuất. Trong đó, những đầu việc quan trọng nhất là làm sạch fin tản nhiệt, thay dầu bôi trơn, vệ sinh phin lọc.
• Hệ thống điện: Cần chắc chắn rằng cảm biến, rơ le và các thiết bị an toàn khác đều hoạt động chính xác, tránh quá áp, chập cháy.

Có thể khẳng định, sơ đồ hệ thống lạnh công nghiệp giúp ích rất nhiều cho cả kỹ sư lắp đặt và người vận hành. Khi đầu tư, thiết kế, nên tìm hiểu cặn kẽ để làm chủ công việc.