tự động hóa thiết bị bay hơi
Tự động hoá thiết bị bay hơi là trang bị cho nó những dụng cụ và thiết bị tự động để nó có thể làm việc bình thường, tự động không cần công nhân vận hành theo dõi phục vụ. Những dụng cụ tự động thực hiện hai chức năng chính: - ...
Tự động hoá thiết bị bay hơi là trang bị cho nó những dụng cụ và thiết bị tự động để nó có thể làm việc bình thường, tự động không cần công nhân vận hành theo dõi phục vụ.
Những dụng cụ tự động thực hiện hai chức năng chính:
- Cấp đầy đủ và đều đặn (có thể theo chương trình hoặc chu kỳ) môi chất lỏng cho thiết bị bay hơi.
- Bảo vệ thiết bị ngưng tụ và hệ thống lạnh ở các chế độ làm việc nguy hiểm hoặc không kinh tế, thí dụ, tránh thiết bị bay hơi làm việc ở chế độ ứ lỏng, gây ra hiện tượng lỏng lọt về máy nén có thể dẫn đến va đập thủy lực hay thủy kích khi phụ tải nhiệt của thiết bị bay hơi tăng đột ngột.
Phương pháp tự động hóa, các dụng cụ tự động hóa cũng như bảo vệ tự động sử dụng phải phụ thuộc vào từng loại thiết bị bay hơi và từng loại môi chất lạnh.
Giống như thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi được chia ra làm 2 loại chính:
- Bình bay hơi làm lạnh chất lỏng trong đó có loại môi chất lạnh sôi trong ống và loại môi chất lạnh sôi ngoài ống.
- Dàn bay hơi làm lạnh không khí trực tiếp,môi chất lạnh sôi trong ống.
Ngoài ra, theo mức độ choán chỗ của môi chất lạnh lỏng trong thiết bị bay hơi có thể phân loại ngập và không ngập. Sự phân loại này chỉ dùng cho bình bay hơi ống chùm:
- Ở loại thiết bị bay hơi kiểu ngập, môi chất lạnh bao phủ toàn bộ bề mặt trao đổi nhiệt F của thiết bị.
- Ở loại thiết bị bay hơi kiểu không ngập, môi chất lạnh lỏng không bao phủ toàn bộ bề mặt trao dổi nhiệt mà một phần bề mặt này dùng để hoá nhiệt hơi hút về máy nén.
Đối với các loại dàn bay hơi trực tiếp thì phân ra theo kiểu cấp lỏng từ trên xuống hoặc cấp lỏng từ dưới lên. Khi cấp lỏng từ dưới lên hiệu quả trao đổi nhiệt lớn hơn vì diện tích dàn được phủ lỏng sôi nhiều hơn, tuy nhiên, khả năng lọt lỏng về máy nén gây va đập thủy lực lại lớn hơn. Ngược lại kiểu cấp lỏng từ trên xuống có hiệu quả trao đổi nhiệt nhỏ. Phần dưới dàn chủ yếu sử dụng vào việc quá nhiệt hơi hút nên an toàn hơn, khó bị lọt lỏng về máy nén hơn.
Theo môi chất lạnh, phân ra hai loại chính là thiết bị bay hơi amoniăc và thiết bị bay hơi freôn. Sự khác nhau trong phương pháp cấp lỏng cũng là do tính chất vật lý và nhiệt động khác nhau cũng như tác động qua lại giữa chúng và dầu bôi trơn.
Thí dụ, các freôn có nhiệt hoá hơi nhỏ hơn nhiều lần so với amoniăc, hệ số tỏa nhiệt cũng nhỏ hơn, do đó với cùng năng suất lạnh, lưu lượng freôn tuần hoàn trong hệ thống lạnh lớn hơn nhiều lần, bề mặt trao đổi nhiệt cũng phải lớn hơn nên thường có cánh phía freôn. Hầu hết các freôn hòa tan dầu tạo khả năng tốt hồi dầu về máy nén qua đường hút nhưng hệ thống lạnh amoniăc cần trang bị bình tách dầu và các bầu dầu cho các thiết bị để thu hồi và trả dầu về bình chứa.
Bảo vệ thiết bị bay hơi cũng gồm 3 công việc chính, đó là:
- Bảo vệ thiết bị bay hơi không bị cấp quá nhiều lỏng, gây nguy cơ lọt lỏng về máy nén, gây va đập thuỷ lực.
- Bảo vệ thiết bị bay hơi không bị đóng băng chất tải lạnh lỏng trong ống trao đổi nhiệt gây nguy cơ nổ ống, rò rỉ môi chất lạnh, làm hư hỏng thiết bị bay hơi.
- Xả băng định kỳ cho các dàn bay hơi làm lạnh không khí bảo đảm quá trình trao đổi nhiệt hiệu quả.
Sau đây chúng ta sẽ đi sâu nghiên cứu các vấn đề cụ thể của tự động điều khiển, điều chỉnh, báo hiệu và bảo vệ cho thiết bị bay hơi.
Bộ cấp lỏng cho thiết bị bay hơi là một cụm quan trọng của hệ thống lạnh được tự động hoá. Việc cấp lỏng chỉ có thể thực hiện nhờ bộ điều chỉnh cấp lỏng (bằng tay hoặc tự động) bởi vì chỉ cần một đại lượng nhiễu rất nhỏ tác động, như thay đổi phụ tải nhiệt, thay đổi nhiệt độ môi trường bên ngoài thì thiết bị bay hơi đã có thể bị ứ lỏng, dẫn đến nguy cơ máy nén hút phải lỏng gây ra va đập thuỷ lực cho máy nén.
Mức lỏng của thiết bị bay hơi ảnh hưởng rất lớn đến chỉ tiêu năng lượng của máy lạnh. Phần lớn các thiết bị bay hơi đều có mức lỏng tiêu chuẩn. Thấp hơn hoặc cao hơn mức đó thì hiệu quả năng lượng sẽ giảm đi vì không sử dụng hết diện tích bề mặt trao đổi nhiệt hoặc sẽ dẫn tới chế độ làm việc nguy hiểm như nguy cơ lỏng lọt vào máy nén…
Mức chứa lỏng của thiết bị bay hơi được đặc trưng bằng mức sử dụng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt nhưng việc xác định trực tiếp diện tích bề mặt trao đổi nhiệt đó khá khó khăn.
Có ba chỉ tiêu gián tiếp cho phép đánh giá mức độ cấp lỏng cho thiết bị bay hơi là:
- Độ quá nhiệt của hơi ra khỏi thiết bị bay hơi.
- Mức lỏng của môi chất.
- Áp suất bay hơi.
Dụng cụ để thực hiện việc tự động cấp lỏng cho thiết bị bay hơi là dụng cụ điều chỉnh tự động. Có thể chia ra hai loại dụng cụ điều chỉnh cấp lỏng tự động là:
- Dụng cụ điều chỉnh cấp lỏng theo dộ quá nhiệt hơi hút về máy nén.
- Dụng cụ điều chỉnh mức lỏng.
Ngoài ra có dụng cụ duy trì khống chế áp suất bay hơi không đổi.
a) Điều chỉnh cấp lỏng theo độ quá nhiệt hơi hút
Điều chỉnh cấp lỏng theo độ quá nhiệt hơi hút hiện nay là phương pháp phổ biến nhất vì độ quá nhiệt phản ánh đúng độ khô của hơi, một thông số quan trọng để lỏng không lọt vào máy nén, tuy nhiên độ khô của khô của hơi rất khó xác định và hầu như chưa có dụng cụ nào cấp lỏng dựa trên nguyên tắc này.
Độ quá nhiệt hơi hút càng cao, càng đảm bảo an toàn cho máy nén. Nhược điểm của nó là kém hiệu quả trao đổi nhiệt. Lựa chọn độ quá nhiệt thích hợp cho mỗi hệ thống lạnh là nhiệm vụ rất quan trọng. Độ quá nhiệt hơi hút là hiệu nhiệt độ hơi hút và nhiệt độ sôi nên rất dễ xác định. Tuy nhiên, trên thực tế, luôn luôn tồn tại pha lỏng trong dòng hơi ra khỏi thiết bị (nhất là trong hệ thống lạnh freôn do môi chất hoà tan trong dầu), đồng thời, ngay trong thiết bị bay hơi do tổn thất thuỷ lực trong dòng chuyển động cưỡng bức, trong ống và cột lỏng, trong thể tích chất lỏng sôi nên độ chính xác của giá trị nhiệt độ sôi xác định được và độ quá nhiệt của hơi, còn phụ thuộc vào phương pháp đo lường áp dụng. Mặc dù vậy, độ quá nhiệt của hơi ở lối ra khỏi thiết bị bay hơi vẫn là chỉ tiêu để đánh giá mức độ cấp lỏng và có thể sử dụng với bất cứ môi chất lạnh nào, chỉ trừ các bình bay hơi không có thể tích cần thiết làm quá nhiệt hơi.
b) Cấp lỏng theo mức:
Đối với các bình bay hơi kiểu ngập và các dàn không có phần làm quá nhiệt, chỉ tiêu cấp lỏng là mức lỏng trong thiết bị. Mức lỏng có thể được đo và được cấp theo nguyên lý bình thông nhau. Đối với môi chất freôn, do hoà tan dầu hoàn toàn, chế độ sôi màng mạnh, nhiều khi không tồn tại cả biên pha, nhiệt độ và áp lực sôi giảm, đặc tính thiết bị thay đổi nên khó sử dụng được nguyên lý bình thông nhau. Đối với freôn do đó thường cấp lỏng theo độ quá nhiệt.
Thực tế, phần lớn các thiết bị bay hơi được cấp lỏng theo tín hiệu quá nhiệt có thể kết hợp với dụng cụ điều chỉnh 2 vị trí. Các bình bay hơi amoniăc thường dùng bộ điều chỉnh mức lỏng.
Cấp lỏng theo độ quá nhiệt hơi hút
Năng suất lạnh Q0 của thiết bị bay hơi được xác định theo biểu thức :
Q0 = kFΔtb (3.4)
trong đó :
k - hệ số truyền nhiệt, W/m2K
F - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2
Δtb - hiệu nhiệt độ trung bình logarit, K.
Hiệu nhiệt độ trung bình logarit xác định theo biểu thức :
Giả sử diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F = const, chỉ còn hệ số truyền nhiệt k phụ thuộc vào mức lỏng cấp trong thiết bị bay hơi hay độ quá nhiệt hơi hút về máy nén vì mức lỏng tỷ lệ nghịch với độ quá nhiệt hơi hút. Mức lỏng càng thấp, độ quá nhiệt càng cao và ngược lại mức lỏng càng cao độ quá nhiệt càng thấp.
Không thể chọn độ quá nhiệt bằng không vì đó là chế độ làm việc nguy hiểm vậy độ quá nhiệt là bao nhiêu để hệ thống lạnh hoạt động an toàn nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt cao.
a. Ống mao
Ống mao hay còn gọi là ống mao dẫn, ống kapile, cáp phun… đơn giản chỉ là một đoạn ống rất nhỏ có đường kính từ 0,6 đến 2mm và chiều dài từ 0,5 5m nối giữa phin lọc dàn ngưng tụ và dàn bay hơi của hệ thống lạnh nhỏ.
Ống mao có ưu điểm là rất đơn giản, không có chi tiết chuyển động nên làm việc đảm bảo độ tin cậy rất cao. Sau khi máy nén ngừng vài phút, áp suất 2 bên hút và đẩy sẽ cân bằng nên khởi động máy rất dễ dàng.
Tuy nhiên ống mao cũng có nhược điểm là dễ tắc bẩn, tắc ẩm, không thể điều chỉnh được vì ống mao là cơ cấu tiết lưu cố định do đó chỉ sử dụng cho hệ thống lạnh nhỏ như tủ lạnh gia đình, thương nghiệp, các máy điều hòa nhiệt độ một và hai cục năng suất đến khoảng 24.000 BTU/h. Điều chỉnh năng suất lạnh bằng thermostart hay rơle nhiệt độ. Khi đủ lạnh rơle nhiệt độ ngắt mạch máy nén. Khi nhiệt độ vượt quá mức cho phép, rơle nhiệt dộ lại đóng mạch cho máy nén hoạt động. Độ quá nhiệt hơi hút được tính toán trước khi nạp, thí dụ như tủ lạnh, đường ống hút ra khỏi vỏ về máy nén phải có nhiệt độ đủ cao để không bị đọng sương gây ướt sũng cách nhiệt vỏ tủ…
b. Điều chỉnh bằng van tiết lưu nhiệt
Van tiết lưu hay van tiết lưu điều chỉnh tự động nhờ độ quá nhiệt của hơi hút về máy nén. Có 2 loại van : van tiết lưu nhiệt cân bằng trong và cân bằng ngoài. Hình 3.9 giới thiệu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của van tiết lưu nhiệt cân bằng trong.
Van tiết lưu nhiệt gồm khoang áp suất quá nhiệt p1 có màng đàn hồi, đầu cảm nhiệt 10, ống nối 9. Phía trong khoang được nạp môi chất dễ bay hơi (thường chính là môi chất sôi sử dụng trong hệ thống lạnh). Nhiệt độ quá nhiệt (cao hơn nhiệt độ sôi t0) được đầu cảm 10 biến thành tín hiệu áp suất để làm thay đổi vị trí của màng đàn hồi. Màng đàn hồi được gắn với kim van 5 nhờ thanh truyền 12, nên khi màng co dãn, kim van 5 trực tiếp điều chỉnh cửa thoát phun môi chất lỏng vào dàn.
Van tiết lưu hoạt động như sau : nếu tải nhiệt của dàn tăng hay môi chất vào dàn ít, độ quá nhiệt hơi hút tăng, áp suất p1 tăng, màng 2 dãn ra, đẩy kim van 5 xuống dưới, cửa thoát môi chất mở rộng hơn cho môi chất lỏng vào nhiều hơn. Khi môi chất lạnh vào càng nhiều độ quá nhiệt hơi hút giảm, p1 giảm, màng 2 bị kéo lên trên khép bớt cửa môi chất vào ít hơn và nhiệt độ quá nhiệt lại tăng, chu kỳ điều chỉnh lặp lại, và dao động quanh vị trí đã đặt.
Độ quá nhiệt có thể nhờ vít 7. Khi vặn vít thuận chiều kim đồng hồ tương ứng độ quá nhiệt tăng, và ngược chiều kim đồng hồ là độ quá nhiệt giảm. Khi điều chỉnh hết mức, có thể thay đổi 20% năng suất lạnh của van.
Van tiết lưu nhiệt cân bằng trong chỉ sử dụng cho các loại máy lạnh nhỏ, dàn bay hơi bé, tổn thất áp suất không lớn. Khi cần giữ áp suất bay hơi và nhiệt độ bay hơi ổn định, đối với các dàn lạnh có công suất lớn và tổn thất áp suất lớn người ta phải sử dụng loại van tiết lưu cân bằng ngoài (hình 3.10).
Van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoài có thêm ống nối 13 lấy tín hiệu áp suất hút ở gần đầu máy nén (bố trí càng gần đầu máy nén càng tốt). Áp suất phía dưới màng đàn hồi không còn là áp suất p0 mà là áp suất hút ph. Do tổn thất áp suất ở dàn bay hơi thay đổi theo tải nên áp suất hút ph là tín hiệu cấp lỏng bổ sung để hoàn thiện hơn chế độ cấp lỏng cho dàn bay hơi.
Khi chọn van tiết lưu nhiệt cần lưu ý để van đảm bảo cấp lỏng bình thường cả khi năng suất lạnh lớn nhất và nhỏ nhất.
Hệ thống dùng van tiết lưu làm việc ở chế độ quá nhiệt và mức lỏng dao động đáng kể. Thực tế, những hệ thống loại này chỉ làm việc ổn định khi độ quá nhiệt đạt từ 35K tuỳ theo từng trường hợp cụ thể.
Để khắc phục các nhược điểm của van tiết lưu nhiệt ngày nay người ta đã phát triển nhiều loại van tiết lưu khác đặc biệt van tiết lưu điện tử.
c. Điều chỉnh bằng van tiết lưu điện tử
Nguyên tắc cơ bản của van tiết lưu điện tử là lấy tín hiệu quá nhiệt và có thể thêm tín hiệu áp suất hút đưa qua bộ xử lý điện tử để điều khiển van tiết lưu có động cơ truyền động đóng mở kim van tùy theo mức độ môi chất lỏng cần cấp cho dàn bay hơi.
Hình 3.11 giới thiệu sơ đồ điều chỉnh thiết bị bay hơi sử dụng van tiết lưu điện tử.
d. Cấp lỏng theo độ quá nhiệt cho bình bay hơi
Hình 3.12 giới thiệu một phương pháp cấp lỏng theo độ quá nhiệt cho bình bay hơi kết hợp với ứng dụng điều chỉnh 2 vị trí là van điện từ.
Tín hiệu nhiệt độ vào và ra 3 được đưa về rơle hiệu nhiệt độ 2 (ΔT). Rơle hiệu nhiệt độ 2 điều khiển van điện từ 1 đóng, mở cấp lỏng cho bình bay hơi. Van điều chỉnh bằng tay 5 có nhiệm vụ tiết lưu giảm áp suất môi chất từ áp suất ngưng tụ xuống áp suất bay hơi p0.
Khi hiệu nhiệt độ (hay độ quá nhiệt) giảm, rơle hiệu nhiệt độ ngắt mạch van điện từ. Van đóng không cho môi chất vào bình. Khi hiệu nhiệt độ tăng, rơle đóng mạch cho van điện từ mở cấp lỏng cho bình bay hơi. Lượng môi chất vào bình cần khống chế để có lưu lượng lớn hơn lưu lượng hơi được hút về máy nén. Như vậy, mức lỏng trong bình bay hơi dao động chung quanh giá trị đặt trước.
Để tránh độ quá nhiệt dao động quá lớn, ảnh hưởng đến sự làm việc của máy nhiệt độ phải là loại có độ nhạy cảm cao từ 0,1 đến 0,3K.
Đối với các van tiết lưu nhiệt cấp lỏng cho dàn bay hơi thường người ta cũng bố trí một van điện từ phía trước kết hợp một rơle nhiệt độ phòng để điều chỉnh nhiệt độ phòng.
Cấp lỏng theo mức lỏng
a. Cấp lỏng theo mức lỏng bằng van phao
Hình 3.13 giới thiệu một phương pháp cấp lỏng theo mức lỏng nhờ van phao đơn giản nhất.
Buồng phao 2 được nối với bình bay hơi 4 nhờ đường cân bằng hơi 3 và đường cân bằng lỏng 5. Như vậy, mức lỏng của bình bay hơi cũng chính là mức lỏng của buồng phao vì là bình thông nhau. Tín hiệu lên xuống của mức lỏng trong bình bay hơi biến thành tín hiệu lên xuống của phao và chuyển qua cơ cấu thừa hành ra tác động đóng mở van cấp lỏng cho bình bay hơi.
Khi mức lỏng tăng, phao đóng bớt van cấp lỏng và khi mức lỏng giảm phao mở rộng thêm cửa thoát của van cho lỏng vào nhiều hơn. Cứ như vậy van phao duy trì được mức lỏng dao động quanh giá trị đặt trong bình bay hơi. Phao thường bố trí ngang hàng ống thử 23 của bình.
b. Cấp lỏng theo mức bằng điều chỉnh 2 vị trí
Hình 3.14 giới thiệu phương pháp cấp lỏng theo mức bằng điều chỉnh 2 vị trí. Phương pháp cấp lỏng này tương tự như phương pháp trình bày trên hình 3.12 nhưng rơle hiệu nhiệt độ được thay bằng rơle mức lỏng (level controller hoặc level switch). Rơle mức lỏng là một dụng cụ đóng ngắt mạch điện điều khiển theo sự lên xuống của mức lỏng. Rơle mức lỏng có 1 buồng phao nối thông với bình bay hơi bằng ống cân bằng hơi và cân bằng lỏng theo nguyên lý bình thông nhau.
Khi mức lỏng trong buồng phao tăng, phao nổi lên và cho tín hiệu ngắt mạch van điện từ đóng lại, không cho môi chất vào bình bay hơi. Khi mức lỏng hạ xuống, phao hạ xuống theo và cho tín hiệu đóng ngắt mạch cho van điện từ mở, cấp lỏng cho bình bay hơi.
c. Cấp lỏng nhờ van phao cao áp
Dùng cho các hệ thống lạnh lớn có một bình bay hơi làm việc theo kiểu ngập lỏng. Van phao đặt phía bình ngưng tụ. Van mở để cấp lỏng cho bình bay hơi khi mức lỏng trong bình ngưng tăng lên, không phụ thuộc vào mức trong bình bay hơi.
Một số sơ đồ cấp lỏng thường gặp
a. Cấp lỏng bình bay hơi môi chất sôi ngoài ống
b. Cấp lỏng bình bay hơi môi chất trong ống
c. Cấp lỏng dàn bay hơi freôn nhỏ
d. Cấp lỏng dàn bay hơi lớn freôn lớn
e. Cấp lỏng dàn bay hơi amoniăc
f. Cấp lỏng cho nhiều dàn bay hơi nhờ cột lỏng
.g. Cấp lỏng cho dàn bay hơi nhờ bơm tuần hoàn
Hệ thống bảo vệ thiết bị bay hơi dùng để ngăn ngừa thiết bị bay hơi làm việc ở chế độ nguy hiểm có thể dẫn đến nguy cơ làm hư hỏng thiết bị bay hơi, máy nén và các bộ phận khác của máy lạnh. Những nguyên nhân cơ bản gây ra chế độ vận hành nguy hiểm là tràn lỏng trong dàn bay hơi và đóng băng chất tải lạnh.
Do đó thường có 2 hệ thống bảo vệ đó là; Bảo vệ thiết bị bay hơi không bị tràn lỏng và Bảo vệ bình bay hơi không bị đóng băng chất tải lạnh.
Hệ thống bảo vệ ở đây gồm những dụng cụ bảo vệ, các phần tử liên quan và sơ đồ điều khiển điện. Tín hiệu xử lý của hệ thống bảo vệ được truyền về hệ thống điều khiển của máy lạnh, dừng máy nén để bảo vệ hoặc truyền đến các phần tử liên quan.
