Tự động hóa thiết bị ngưng tụ
Tự động hoá thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ chính là: - Duy trì nhiệt độ và áp suất ngưng tụ không đổi hoặc dao động trong một giới hạn cho phép; - Tiết kiệm nước giải nhiệt cho bình ngưng làm mát bằng nước. Việc duy trì ...
Tự động hoá thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ chính là:
- Duy trì nhiệt độ và áp suất ngưng tụ không đổi hoặc dao động trong một giới hạn cho phép;
- Tiết kiệm nước giải nhiệt cho bình ngưng làm mát bằng nước.
Việc duy trì nhiệt độ và áp suất ngưng tụ không đổi đối với hệ thống lạnh là rất cần thiết vì nếu áp suất ngưng tụ cao sẽ làm giảm năng suất lạnh của hệ thống tăng tiêu hao điện năng (theo kinh nghiệm khi vận hành máy lạnh trong điều kiện bình thường, nhiệt độ ngưng tụ tăng lên 1°C, năng suất lạnh giảm đi 1,5%, công suất điện tiêu tốn tăng khoảng 1%). Điều đó làm cho hệ thống lạnh làm việc không kinh tế, hơn nữa có thể dẫn tới quá tải cho động cơ máy nén, nhiệt độ đầu đẩy tăng, tiêu hao dầu tăng, độ tin cậy và tuổi thọ các chi tiết giảm.
Ngược lại nếu nhiệt độ và áp suất ngưng tụ quá thấp lại ảnh hưởng đến quá trình cấp lỏng cho dàn bay hơi. Lỏng cấp ít, chập chờn không đều và có thể ngừng trệ vì áp suất ngưng tụ quá thấp (đặc biệt đối với ống mao dẫn) dẫn đến năng suất lạnh của hệ thống giảm.
Về lý thuyết khi nhiệt độ và áp suất ngưng tụ giảm, năng suất lạnh tăng, nhưng đối với một máy lạnh cụ thể, tất cả các thiết bị đã được thiết kế hiệu chỉnh đồng bộ thì nhiệt độ áp suất ngưng tụ giảm, năng suất lạnh giảm.
Nếu như nhiệt độ ngưng tụ giảm nhiều (chế độ vận hành mùa đông), áp suất bay hơi sẽ giảm quá mức cho phép và rơle áp suất thấp sẽ ngắt, ngừng máy nén để bảo vệ. Nếu vận hành lâu ở chế độ này máy nén có thể bị hư hỏng nhanh chóng do thiếu dầu bôi trơn. Chính vì vậy phải trang bị các thiết bị bảo vệ để máy nén không làm việc ở áp suất hút quá thấp.
Sự bảo vệ này phụ thuộc vào khoảng nhiệt độ vận hành của thiết bị ngưng tụ, của kiểu thiết bị ngưng tụ và phụ tải của toàn bộ hệ thống.
Thiết bị ngưng tụ được chia làm 3 loại chính với ba dạng thiết bị tự động :
- Bình ngưng giải nhiệt bằng nước
- Dàn ngưng giải nhiệt gió
- Tháp ngưng giải nhiệt bằng nước kết hợp gió.
Trong thực tế do tình hình khan hiếm nước, đặc biệt đối với các khu vực thiếu nước và đối với các hệ thống lạnh cũng như điều hoà không khí lớn người ta sử dụng nước tuần hoàn qua tháp giải nhiệt. Khi sử dụng nước tuần hoàn ta có khả năng sử dụng hai dạng điều chỉnh để khống chế nhiệt độ và áp suất ngưng tụ cần thiết : Bypass nước giải nhiệt và điều chỉnh tốc độ quạt gió tháp giải nhiệt.
Hình 3.5 mô tả sơ đồ bypass nước giải nhiệt.
Van 3 ngả điều chỉnh lưu lượng nước được bố trí trên đường ra bình ngưng và đường vào tháp giải nhiệt. Đầu cảm nhiệt được đặt trên đường nước vào bình ngưng. Đường bypass nối tắt từ đường ra bình ngưng về trước bơm, cho nước ra khỏi bình ngưng đi tắt về bơm không qua tháp giải nhiệt. Nếu nhiệt độ nước vào bình ngưng tw1 không đủ cao van điều chỉnh sẽ mở cho một phần mức có nhiệt độ cao tw2 đi tắt về bơm để quay trở lại bình ngưng mà không qua tháp giải nhiệt. Như vậy lưu lượng nước qua tháp giải nhiệt sẽ giảm. Chế độ làm việc như vậy phù hợp khi máy lạnh chỉ chạy với một phần tải hoặc khi độ ẩm không khí bên ngoài rất nhỏ.
Phương pháp điều chỉnh thứ 2 là điều chỉnh tốc độ quạt để qua đó điều chỉnh lưu lượng gió và gián tiếp điều chỉnh năng suất giải nhiệt của tháp phù hợp với nhiệt thải ngưng tụ. Động cơ thay đổi được tốc độ ở đây có thể là loại nhiều cặp cực với vòng dây riêng rẽ hoặc động cơ Dahlander. Đơn giản nhất là phương pháp đóng, ngắt động cơ.
Ngoài ra còn có thể sử dụng phương pháp điều chỉnh vô cấp động cơ qua máy biến tần, cả cho động cơ quạt gió và động cơ bơm nhưng do quá đắt nên các phương án này thường bị loại ngay từ ban đầu.
Một phương án khác có thể áp dụng cho bình ngưng của các hệ thống lớn là sử dụng nhiều bơm nước giải nhiệt thí dụ 2 hoặc 3 bơm và điều khiển lưu lượng nước nhảy cấp bằng cách cho từng bơm hoạt động theo nhiệt độ nước ra.
Trong các dàn ngưng giải nhiệt gió để khống chế nhiệt độ và áp suất ngưng tụ thì chúng ta có thể điều chỉnh về phía môi chất lạnh và điều chỉnh về phí không khí.
Điều chỉnh phí môi chất lạnh.
Trong kỹ thuật lạnh, để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt của dàn ống xoắn đến mức tối đa, người ta bố trí bình chứa và các đường tích lỏng để nhanh chóng giải phóng bề mặt trao đổi nhiệt khỏi bị ứ lỏng. Nếu điều chỉnh nhiệt độ và áp suất ngưng tụ, khi chạy một phần tải hoặc khi điều kiện thời tiết bên ngoài thuận lợi (thí dụ mùa đông) ngược lại phải che bớt một phần dàn ngưng, giảm tốc độ quạt gió. Một phương pháp che bớt một phần dàn ngưng là cho ngập lỏng một phần dàn ngưng để vô hiệu hoá quá trình trao đổi nhiệt của nó. Phương pháp này gọi là điều chỉnh phía môi chất lạnh.
Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là cần phải sử dụng một bình chứa lớn để chứa lượng môi chất chỉ cần đến để làm ngập lỏng trong mùa đông. Khi làm việc trong mùa hè, toàn bộ phần lỏng đó phải chứa tại bình chứa để giải phóng toàn bộ bề mặt dàn ngưng tụ.
Có 2 phương pháp khả thi để làm ngập lỏng một phần dàn là:
a. Phương pháp của ALCO
Phương pháp Alco sử dụng có các thiết bị lạnh hoạt động suốt năm. Hãng Alco đưa ra 2 thiết bị HP8 và HP14. Năng suất của HP8 là Qk = 30,6 47,5 kW và HP14 với Qk = 80,9 118,9 kW tùy theo từng môi chất lạnh (theo catalog thiết bị của Alco). Nếu cần năng suất lớn hơn có thể lắp 2 thiết bị song song với nhau.
Theo phương pháp này, thiết bị là loại van 3 ngả có 2 đường vào và 1 đường ra. Hình 3.7 giới thiệu sơ đồ thiết bị với van ba ngả Alco.
Nguyên tắc làm việc của hệ thống như sau:
Nếu áp suất và nhiệt độ ngưng tụ giảm quá giới hạn cho phép, van điều chỉnh Alco tác động, dẫn hơi nóng thẳng vào bình chứa BC. Điều đó gây nên sự ứ đọng môi chất lạnh lỏng ở dàn ngưng tụ và do thiếu diện tích trao đổi nhiệt, áp suất và nhiệt độ ngưng tụ lại tăng lên.
Điều quyết định ở đây là van đã tạo nên một sự ứ đọng môi chất lỏng trong dàn bay hơi khi dẫn trực tiếp hơi nóng vào bình chứa. Cũng cần lưu ý là lượng môi chất lạnh phải đủ để ngay cả trong trường hợp lỏng bị ứ lại tại dàn ngưng thì vẫn đủ lỏng cấp cho dàn bay hơi.
Chú ý:
Người vận hành không thể điều chỉnh áp suất ngưng tụ được. Áp suất ngưng tụ đã được thiết kế và ấn định tại nhà máy và van Alco sẽ tác động điều chỉnh khi nhiệt độ không khí bên ngoài giảm xuống dưới 32°C. Việc lắp đặt van điều chỉnh Alco không yêu cầu bất cứ điều kiện gì : có thể lắp đặt van ở ngoài trời, ở trong nhà, ngay cạnh dàn ngưng tụ, trong phòng máy… Tất cả nhưng điều nêu trên không ảnh hưởng đến sự làm việc của van, và sau khi lắp đặt xong cũng không cần một sự hiệu chỉnh bất kỳ nào.
b. Phương pháp của Danfoss
Dụng cụ điều chỉnh này có tên gọi KVR. Hình 3.7 giới thiệu cách lắp dụng cụ KVR vào hệ thống lạnh. Van KVR được lắp đặt ở giữa dàn ngưng tụ và bình chứa nhưng nên lắp gần dàn ngưng
. Đầu tiên môi chất lạnh lỏng phải ngập đầy đoạn ống giữa van KVR và dàn ngưng, sau đó mới làm ứ đọng phần dưới của dàn ngưng. Chính vì vậy lắp van KVR càng gần dàn ngưng càng tốt. Đoạn ống đó càng dài càng tốn môi chất lạnh, và nếu có sự cố rò rỉ xảy ra thì độ ô nhiễm môi trường sẽ càng nhiều. Trái với van Alco, van KVR của Danfoss có thể hiệu chỉnh, công nhân vận hành phải lắp vào van một áp kế.
Van điều chỉnh làm việc tuỳ thuộc vào áp suất vào và mở khi có hiệu áp Δp = 0,33 bar, ngay khi áp suất vào van cao hơn áp suất đặt đúng bằng giá trị đó. Nếu như áp suất vào giảm xuống dưới áp suất đặt thì van đóng.
Như vậy các ống xoắn phía dưới của dàn ngưng sẽ được ngập lỏng, diện tích trao đổi nhiệt của dàn ngưng giảm xuống, và như vậy áp suất ngưng tụ không đổi được duy trì.
Cũng như hệ thống lạnh dùng van Alco, hệ thống dùng van KVR cũng cần dự tính một bình chứa đủ lớn. Duy trì áp suất ngưng tụ đủ lớn là nhằm mục đích duy trì áp suất trước van tiết lưu đủ lớn, đảm bảo lượng môi chất phun vào dàn bay hơi, loại trừ các trục trặc có thể xảy ra cho hệ thống. Tuy nhiên KVR chỉ duy trì áp suất ngưng tụ, còn áp suất bình chứa và áp suất trước van tiết lưu chưa được điều chỉnh.
Có hai phương pháp duy trì áp suất bình chứa là:
- Lắp đặt bình chứa trong phòng máy ấm, nơi có nhiệt độ không quá thấp trong mùa đông. Áp suất bão hoà của môi chất lạnh được coi là đủ cho van tiết lưu hoạt động bình thường.
- Đối với các hệ thống lạnh lớn, bình chứa đặt ở ngoài trời, mùa đông nhiệt độ xuống quá thấp, áp suất hơi bão hoà trong bình chứa không đủ cho van tiết lưu hoạt động bình thường, cần phải lắp một van điều áp NRD (van duy trì áp suất không đổi). Khi áp suất trong bình chứa và áp suất đầu đẩy chênh nhau Δp = 0,5 1,0 bar thì van điều áp NRD (xem hình 3.7) mở cho hơi nóng từ máy nén đi thẳng vào bình chứa, duy trì áp suất ở bình chứa không đổi. Khi áp suất hai bên cân bằng, van NRD lại đóng.
Sự kết hợp của 2 van KVR và NRD đảm bảo đạt được sự điều chỉnh áp suất ngưng tụ theo ý muốn, đảm bảo áp suất ngưng tụ luôn luôn lớn hơn chút ít so với áp suất ở bình chứa, đảm bảo lỏng ngưng ở dàn ngưng chảy được về bình chứa ngay cả khi ống dẫn lỏng lắp đặt phía dưới bình chứa.
Ngoài những phương pháp trình bày ở trên, còn nhiều phương pháp khác điều chỉnh áp suất ngưng tụ.
Điều chỉnh phía không khí
Điều chỉnh phía không khí có ưu điểm là không cần lượng môi chất lạnh lớn nạp vào hệ thống và do đó cũng không cần bình chứa lớn. Cũng có 2 phương pháp điều chỉnh chủ yếu như sau.
a. Đóng ngắt quạt gió qua tín hiệu áp suất hoặc nhiệt độ
Đối với các dàn ngưng trang bị nhiều quạt gió li tâm hay hướng trục thì việc ngắt bớt hoặc đóng thêm quạt cho dàn ngưng là điều có thể thực hiện một cách dễ dàng. Một giải pháp khả thi là đóng ngắt quạt qua áp suất đầu đẩy máy nén. Phương pháp này có độ tin cậy cao và giá cả phải chăng. Có thể dùng rơle áp suất trình tự hoặc rơle áp suất riêng lẻ. Các rơle áp suất này rất sẵn có trên thị trường. Tín hiệu áp suất của rơle là áp suất đầu đẩy của máy nén. Tiếp điểm đóng mở của rơle được mắc nối tiếp với nguồn cung cấp điện cho động cơ quạt.
Phương pháp sử dụng rơle áp suất đóng ngắt quạt có thể áp dụng cho cả các dàn ngưng chỉ có một quạt duy nhất. Phương pháp này không áp dụng được cho hệ thống lạnh có quạt truyền động từ động cơ máy nén.
Đối với dàn ngưng có nhiều quạt có thể đóng ngắt một phần quạt nhờ rơle nhiệt độ. Đầu cảm của rơle lấy tín giệu nhiệt độ ngưng tụ hoặc có thể lấy ngay nhiệt độ không khí ngoài trời. Đối với quạt li tâm, phương pháp điều khiển này có các ưu điểm : kinh tế do tiết kiệm được năng lượng, tuổi thọ động cơ quạt cao hơn và giảm được tiếng ồn. Đối với quạt hướng trục thường không đạt được các ưu điểm đó.
Đầu cảm của rơle nhiệt độ của quạt thứ nhất được gắn vào giữa các lớp dàn ngưng ở phía hút của quạt thứ nhất, sau đó tiến hành đặt nhiệt độ ngắt quạt theo ý muốn.
Nếu như nhiệt độ vị trí đó hạ xuống thấp hơn nhiệt độ đặt của quạt, rơle nhiệt độ sẽ ngắt quạt thứ nhất. Nếu nhiệt độ dàn tiếp tục giảm xuống dưới nhiệt độ đặt cho quạt thứ 2 thì rơle nhiệt độ của quạt thứ 2 sẽ ngắt tiếp quạt thứ 2.
- Quạt cuối cùng đặt ở nhiệt độ thấp nhất và quạt đầu tiên đặt ở nhiệt độ cao nhất.
- Khoảng nhiệt độ đặt nên chia đều cho số quạt của dàn ngưng.
- Nhiệt độ ngưng tụ thường cao hơn nhiệt độ không khí bên ngoài khoảng 15°C hay Δt = 15K.
Chú ý:
Cần phải lưu ý đặt các clapê quá áp tự đóng phía sau quạt theo hướng của quạt vì trong mọi trường hợp, dòng khí thải không được đi vào từng đường hút của các quạt đang hoạt động, nếu không quạt có thể bị quá tải dẫn đến cháy động cơ.
Ở dạng điều chỉnh này, khi đóng mạch thêm cho một quạt có thể dẫn tới sự giảm đột ngột của áp suất ngưng tụ trong dàn sinh ra sự bay hơi của môi chất lạnh trên đường ống từ bình chứa đến van tiết lưu, làm cho van tiết lưu cung cấp không đầy đủ lỏng cho dàn bay hơi, áp suất bay hơi có thể giảm xuống. Đây cũng chính là nhược điểm của phương pháp điều chỉnh này. Nhiều hệ thống lạnh lắp đặt thực tế theo phương án này làm việc thiếu ổn định. Hơn nữa nếu máy đặt ở vùng đông dân cư, tiếng ồn không đồng đều của quạt khi bật, khi tắt cũng gây khó chịu.
b. Điều chỉnh lưu lượng gió bằng clapê gió
Để khắc phục tình trạng đóng, ngắt động cơ liên tục có thể sử dụng clapê gió (damper) điều chỉnh nhờ tín hiệu áp suất đầu đẩy máy nén. Hình 5.15 giới thiệu sơ đồ điều chỉnh clapê gió.
Khi áp suất ngưng tụ giảm, các tấm chắn mở to hơn để không khí đi qua lỗ bề mặt trao đổi nhiệt nhiều hơn. Khi áp suất ngưng tụ tăng lên, động cơ điều chỉnh clapê DM khép bớt clapê cho gió vào dàn ngưng ít hơn. Áp suất tăng, quá trình được lặp lại. Nếu máy nén dừng, quạt dừng và clapê gió cũng khép lại.
Phương pháp này không kinh tế vì quạt phải chạy liên tục nên tổn hao năng lượng lớn. Tuổi thọ quạt giảm và không giảm được tiếng ồn.
c. Điều chỉnh tốc độ quạt qua máy biến tần
Do các nhược điểm của việc điều chỉnh đóng ngắt quạt nên xu hướng điều chỉnh tốc độ quạt qua máy biến tần ngày càng được chú ý. Phương pháp này có thể điều chỉnh vô cấp với độ chính xác cao áp suất và nhiệt độ ngưng tụ, không gây tiếng ồn lớn, đặc biệt xoá bỏ được tiếng ồn chu kỳ bất thường do đóng mở quạt mà còn có thể tiết kiệm được năng lượng một cách đáng kể, tăng tuổi thọ và độ tin cậy của động cơ quạt.
Tín hiệu đưa vào máy biến tần có thể là áp suất hoặc nhiệt độ ngưng tụ. Do điều chỉnh vô cấp nên loại trừ được sự biến động đột ngột của áp suất ngưng tụ và qua đó van tiết lưu có thể làm việc một cách tin cậy hơn, luôn đảm bảo sự cấp lỏng đều đặn tối ưu cho dàn bay hơi.
