Vì sao dùng nước muối làm chất tải lạnh

Thiết kế kho lạnh bảo quản trái cây2.1.1 Khái quát về môi chất lạnh- Là chất môi giới sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược chiều để hấp thụnhiệt của môi trường cần làm lạnh và tải nhiệt ra mơi trường có nhiệt độ caohơn [là vật chất tuần hồn trong hệ thống lạnh]. Mơi chất làm nhiệm vụ mangnhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp để thải ra nơi có nhiệt độ cao hơn. Đây là phần-khơng thể thiếu của các thiết bị làm lạnh.Ở máy lạnh nén hơi, sự thu nhiệt của mơi trường có nhiệt độ thấp nhờ quá trìnhbay hơi ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp, sự thải nhiệt cho mơi trường có nhiệt độcao nhờ quá trình ngưng tụ ở nhiệt độ cao và áp suất cao, sự tăng áp suất củaquá trình nén hơi và giảm áp suất nhờ quá trình tiết lưu hoặc giản nở lỏng.- Thông thường môi chất lạnh tồn tại ở 2 dạng: Tác nhân lạnh ở dạng lỏng: NH3 và Freon. Tác nhân lạnh ở dạng rắn: chủ yếu ở dạng đá khô[ tuyết cacbonic], đá ướt vàhỗn hợp đá muối.2.1.2 Môi chất amoniắc- CTHH: NH3 , kí hiệu R717- NH3 là một chất khí khơng màu, có mùi rất hắc. Lỏng NH3 sơi ở áp suất khíquyển ở nhiệt độ -33,35oC. Amoniắc có tính chất nhiệt động tốt phù hợp với chutrình máy lạnh nén hơi dùng máy nén pittơng.2.1.2.1 Tính chất vật lý:-Áp suất ngưng tụ trong điều kiện mùa hè ở Việt Nam tương đối cao. Nếu dùngnước tuần hoàn, nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng là 37oC, nhiệt độ ngưng tụ-42oC.Nhiệt độ cuối tầm nén rất cao nên phải làm mát đầu xilanh bằng nước và phải-hút hơi bão hòa.Năng suất lạnh riêng thể tích lớn nên máy nén và thiết bị gọn nhẹ.Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn thuận lợi cho việc thiết kế và chế tạo thiết-bị ngưng tụ và bay hơi.Hòa tan nước khơng hạn chế nên van tiết lưu không bị tắc ẩm, nhưng nhiệt độbay hơi bị tăng nếu hàm lượng nước lớn.Vì vậy lượng nước phải khống chế-dưới 0,1%.Khơng hòa tan dầu nên khó bơi trơn các chi tiết chuyển động của máy nén, dođó phải duy trì áp lực bơm dầu cần thiết để đảm bảo bôi trơn. Hệ thống phải bốbình tách dầu trên đường đẩy máy nén và các bầu dầu cho các thiết bị trao đổi22Thiết kế kho lạnh bảo quản trái câynhiệt như bình ngưng, bình bay hơi, tránh lớp dầu bám trên bề mặt trao đồinhiệt cản trở q trình trao đổi nhiệt.Đồng thời do khơng hòa tan dầu nên nhiệt-độ bay hơi khơng bị tăng.Vì NH3 dẫn điện nên không sử dụng cho máy nén kín và nửa kín.2.1.2.2 Tính chất hóa học-NH3 nói chung bền vững ở nhiệt độ và áp suất công tách. NH3 chỉ phân hủythành nitơ và hyđrô ở nhiệt độ 260oC nhưng khi có hơi nước và thép làm chấtxúc tác, amoniắc bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ 110 – 120oC. Bởi vậy cần làm máttốt đầu xilanh và hạn chế nhiệt độ cuối tầm nén trong khoảng nhiệt độ này là tốt-nhất.Khơng ăn mòn các kim loại đen, các phi kim loại chế tạo máy, nhưng ăn mònđồng và các hợp kim của đồng nên không sử dụng đồng và các hợp kim của-đồng trong hệ thống lạnh amoniắc, trừ đồng thau photpho.Không gây tác hại phá hủy tầng ozon như các chất Freon.2.1.2.3 Tính an tồn cháy nổ-NH3 gây cháy nổ trong khơng khí. Ở nồng độ 13,5 – 16%, amoniắc bốc cháy ởnhiệt độ 651oC. Vì vậy các gian máy NH3 không được dùng ngọn lửa trần vàphải được thơng thống thường xun. Hệ thống lạnh bằng amoniắc không nên-làm việc ở áp suất chân không đề phòng hút khơng khí vào hệ thống.Hỗn hợp [amoniắc với thủy ngân] gây nổ rất nguy hiểm nên hệ thống lạnh bằngamoniắc không được sử dụng áp kế thủy ngân.2.1.2.4 Tính chất sinh lý-Nhược điểm cơ bản của NH3 là độc hại đối với cơ thể con người, gây kích thíchniêm mạc của mắt, dạ dày, gây cơ thắt cơ quan hơ hấp, làm bỏng da. Nhưng-amoniắc có mùi khai khó ngửi và hắc nên có thể phát hiện ngay đề phòng tránh.Amoniắc làm giảm chất lượng thực phẩm bảo quản, làm cho thực phẩm, rauquả biến màu, giảm chất lượng nhanh chóng khi có rò rỉ amoniắc vào buồnglạnh.2.1.2.5 Tính kinh tế23Thiết kế kho lạnh bảo quản trái cây-Amoniắc là môi chất lạnh rẻ tiền, dễ kiếm, vận chuyển và bảo quản dễ dàng. Vì-vậy tuy độc hại nhưng môi chất này vẫn là môi chất lạnh quan trọng.Amoniắc sử dụng trong các máy lạnh có năng suất lớn; thích hợp với máy nénpittong, khơng sử dụng cho máy nén turbin vì tỉ số áp suất quá nhỏ.2.2 CHẤT TẢI LẠNH2.2.1 Định nghĩa-Chất tải lạnh là chất trung gian nhận nhiệt của đối tượng cần làm lạnh chuyểntới thiết bị bay hơi cấp cho môi chất lạnh sôi.-Hệ thống lạnh dùng chất tải lạnh còn gọi là hệ thống lạnh gián tiếp2.2.2. Ưu nhược điểm của hệ thống làm lạnh gián tiếp sử dụng chất tải lạnh: Ưu điểm: người ta sử dụng chất tải lạnh trong các trường hợp sau:- Khó sử dụng trực tiếp dàn bay hơi để làm lạnh sản phẩm.- Khi môi chất lạnh có tính độc hại và có ảnh hưởng khơng tốt đến môi trường và-sản phẩm bảo quản, chất tải lạnh được coi là vòng tuần hồn an tồn. Nhược điểm:Về mặt nhiệt động làm lạnh gián tiếp qua chất tải lạnh có tổn thất năng lượng-lớn hơn do phải truyến quan chất trung gian.Về kinh tế cũng tốn kém hơn do phải chi phí thêm thiết bị: bơm, dàn lạnh, thiếtbị tuần hoàn chất tải lạnh,..24Thiết kế kho lạnh bảo quản trái cây2.2.3. Yêu cầu đối với chất tải lạnh Tính chất vật lý- Nhiệt độ đơng đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi của mơi chất lạnh ít nhất là--5oC tránh làm nổ ống do nguy cơ đông đặc.Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt phải lớn.Nhiệt dung càng lớn càng tốt, khả năng giữ nhiệt càng lớn càng tốt.Độ nhớt và khối lượng riêng càng nhỏ càng tốt vì giảm được tổn thất áp suấttrên đường ống. Tính chất hóa họcKhơng ăn mòn kim loại chế tạo máy, khơng ăn mòn thiết bị.Bền vững khơng bị phên hủy trong điều kiện làm việc. Tính an tồn: không gây cháy nổ, không làm ô nhiễm môi trường. Tính chất sinh lý: khơng độc hại cho cơ thể con người, không ảnh hưởngxấu đến chất lượng thực phẩm bảo quản. Tính kinh tế: rẻ tiền, dễ vận chuyển bảo quản.2.2.4. Chất tải lạnh khơng khíKhơng khí là mơi trường khí phổ biến nhất vì:- Khơng khí rất phổ biến, rẻ, và nhiều.- Dễ vận chuyển vào tận các nơi cần làm lạnh.- Khơng khí cần cho sự sống của sinh vật đặc biệt là nhóm thực vật hơ hấp như-trái cây, nhờ q trình hơ hấp trái cây sẽ tươi ngon hơn.Mơi trường khơng khí khơng gây độc hại cho người và thực phẩm.Khi vận chuyển bẳng môi trường khơng khí thì dễ điều chỉnh vận tốc lưu lượngvà khơng khí có thể coi là khơng ăn mòn thiết bị.Tuy nhiên khi sử dụng khơng khí cũng cũng có những nhược điểm sau:+ Hệ số cấp nhiệt α nhỏ: α = 6 – 8 kcal/m2.h.độ khi ở trạng thái đối lưu tựnhiên Để khắc phục ta có thể tăng vận tốc khơng khí lên nhưng α tăng cũngkhơng đáng kể.+ Khơng khí khó làm sạch khi tách các tạp chất cơ học, VSV, đặc biệt là táchcác mùi vị lạ trong khơng khí.25

Trong một số bộ môn thi đấu trong nhà người ta duy trì nhiệt độ thấp để không làm ảnh hưởng tới sức khoẻ và nâng cao thành tích của vận động viên. Trong hầu hết các nhà thi đấu đều có trang bị các hệ thống điều hoà không khí.

Trong thể thao kỹ thuật lạnh được ứng dụng khá rộng rãi. Trong môn trượt băng nghệ thuật, để tạo ra các sân băng người ta dùng hệ thống lạnh để tạo băng theo yêu cầu.

Trước đây để làm lạnh các sân băng người ta thường hay sử dụng nước muối làm chất tải lạnh. Nước muối có nhiệt độ khoảng -10oC và nhiệt độ môi chất lạnh nằm trong khoảng -15 đến -17oC. Do chiều dài ống rất lớn nên không thể phân bố nhiệt độ đều ở tất cả mọi vị trí trên sân băng. Lý do khác là do tiết kiệm nên công suất bơm tuần hoàn nước bị hạn chế. Nhiệt độ vào và ra của nước muối chênh nhau khoảng 3 đến 4K. Một nhược điểm nữa của hệ thống dùng nước muối là luôn luôn phải kiểm tra sự rò rỉ của nước muối, đề phòng hoen rỉ kết cấu nền và gây rả băng. Khi nước muối rò rỉ ra lớp băng, nhiệt độ đông đặc của hỗn hợp nước muối giảm nên băng bị chảy ra. Hình 1-4 và hình 1-5 mô tả sơ đồ hệ thống lạnh và sơ đồ hệ thống cấp nước muối làm lạnh sân băng.

1- Sân băng; 2- Bơm nước muối; 3- Bể nước muối; 4- Nước muối vào ra

Hình 1-4: Sơ đồ làm lạnh sân băng bằng nước muối

Ngày nay người ta thường sử dụng hệ thống lạnh làm lạnh trực tiếp sân băng do đó có thể khắc phục được các nhược điểm của hệ thống sử dụng nước muối làm chất tải lạnh, ngoài ra còn phát huy các ưu điểm sau:

– Nhiệt độ bay hơi trực tiếp -10oC cao hơn 5 đến 7K so với dùng nước muối nên tiêu tốn năng lượng cho máy nén giảm 25 đến 35%.

– Bơm tuần hoàn môi chất lạnh tiêu tốn năng lượng chỉ bằng 15 đến 25% năng lượng tiêu tốn cho bơm nước muối vì khối lượng tuần hoàn rất nhỏ.

– Các đường ống sân băng đỡ bị han rỉ hơn rất nhiều.

– Nhiệt độ ở mọi vị trí sân băng bằng nhau.

Tính toán tải lạnh sân băng

Tải lạnh sân băng bao gồm các thành phần sau:

– Dòng nhiệt truyền từ nền đất lên: ở trạng thái cân bằng dòng nhiệt này tương đối nhỏ.

– Dòng nhiệt từ không khí: Dòng nhiệt từ không khí bao gồm cả dòng nhiệt hiện lẫn nhiệt ẩn, tuỳ thuộc vào tốc độ không khí, nhiệt độ không khi trên bề mặt băng. Để có một lớp không khí lạnh ở trên có thể làm tường bao chung quanh sân băng cao hơn. Đối với sân băng trong nhà, tốc độ không khí vừa phải có thể tính với hệ số truyền nhiệt k = 0,11 W/m2.K

– Dòng nhiệt bức xạ mặt trời: ở các nước ôn đới sân băng có thể xây dựng ngoài trời, nhưng ở Việt Nam chắc chắn phải có mái che nên có thể bỏ qua thành phần này.

1- Bình chứa NH3; 2- Máy nén lạnh; 3- Bình tách dầu; 4- Bình làm mát dầu; 5- Bình ngưng; 6- Thiết bị tiết lưu; 7- Bơm NH3; 8- Sân băng

Hình 1-5: Sơ đồ làm lạnh sân băng trực tiếp bằng môi chất lạnh

– Kết đông lớp băng mới thay vào lớp băng đã sử dụng. Đối với sân băng có đông khách, kích thước 30 x 60 m mỗi giờ phải thay chừng 2m3

Bảng 1-6: Thông số một số sân trượt băng trên Thế giới

Tính toán nhiệt cho sân băng là khá phức tạp vì tải lạnh phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện không khí bên ngoài. Sau đây là một vài số liệu định hướng cho một số tháng mùa đông và tháng gối đầu ở các nước ôn đới:

– Sân băng mùa đông ngoài trời: 180đến290 W/m2

– Sân băng trong nhà mùa hè: 350đến470 W/m2

– Sân băng có mái che mùa hè: 470 đến700 W/m2

Đối với Việt Nam con số này phải cao hơn, do điều kiện nhiệt độ bên ngoài thường cao hơn các nước ôn đới nhiều.

Bảng 1-6 là thông số của một số sân băng trên thế giới.