Tổng quan về Chất Tải Lạnh

Trước kia chất tải lạnh thường được sử dụng ở nước ta là các dung dịch muối như NaCl, CaCl2... Tuy nhiên, các dung dịch muối này là những môi trường xâm thực rất mạnh và là nguyên nhân dẫn đến ăn mòn kim loại có mặt trong hệ thống, gây ra sự phá huỷ trang thiết bị làm giảm hiệu quả kinh tế và ảnh hưởng tới quá trình sản xuất.

Tổng quan về Chất Tải Lạnh - Phần 1

Gần đây, do nhu cầu phát triển sản xuất, đổi mới công nghệ trong ngành thực phẩm, các trang thiết bị công nghệ mới đòi hỏi các sản phẩm phục vụ kèm theo phải đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật cao của máy móc, thiết bị. Vì vậy chất tải lạnh cũng dần được chuyển đổi từ các dung dịch muối sang loại môi chất khác nhằm khắc phục được các nhược điểm của các chất tải lạnh truyền thống.

Do là sản phẩm mới sử dụng cho trang thiết bị, công nghệ mới nên hiện tại ở nước ta chưa có sản phẩm chất tải lạnh được sản xuất trong nước mà phải sử dụng các sản phẩm nhập ngoại hoặc được cung ứng bởi các hãng nước ngoài.

Qua việc đánh giá phân tích tình hình sử dụng trong nước, có thể thấy nghiên cứu sản xuất chất tải lạnh đáp ứng được nhu cầu chất tải lạnh đối với các hệ thống làm lạnh trong các nhà máy chế biến thuỷ sản và chế biến thực phẩm.

Việc nghiên cứu thành công chất tải lạnh gốc glycol sẽ góp phần ổn định sản xuất cho các nhà máy chế biến thuỷ sản và thực phẩm do chủ động được nguồn cung chất tải lạnh trong nước đồng thời tiết kiệm ngoại tệ khi phải nhập ngoại sản phẩm cùng loại

Khái niệm về chất tải lạnh

Chất tải lạnh là môi chất trung gian tải lạnh từ máy và thiết bị lạnh đến hộ tiêu thụ lạnh. Chất tải lạnh còn được gọi là chất tải lạnh thứ cấp hay môi chất lạnh thứ cấp (secondary refrigerant) để phân biệt với môi chất lạnh sơ cấp (primary refrigerant) làm môi chất tuần hoàn trong máy lạnh.

Hệ thống lạnh dùng chất tải lạnh là hệ thống gián tiếp. Sản phẩm được làm lạnh gián tiếp qua chất tải lạnh. 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.
Môi chất lạnh có tính độc hại và có ảnh hưởng không tốt đến môi trường và sản phẩm bảo quản, chất tải lạnh trung gian được coi là vòng tuần hoàn an toàn.
Khi có nhiều hộ tiêu thụ lạnh và khi hộ tiêu thụ lạnh ở xa trung tâm cung cấp lạnh. Ở đây, nếu dùng dàn bay hơi trực tiếp sẽ rất bất tiện vì đường ống môi chất dài và phức tạp, tốn môi chất lạnh, việc phát hiện rò rỉ khó khăn, tổn thấp áp suất lớn, việc phân phối đều môi chất lỏng cho các dàn bay hơi cũng khó khăn. Tất cả các nhược điểm này đều có thể khắc phục khi dùng chất tải lạnh. Ví dụ đối với một kho lạnh có nhiều buồng với nhiều dàn lạnh bảo quản thực phẩm việc dùng vòng tuần hoàn chất tải lạnh có nhiều ưu điểm về vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa hơn.

Nhược điểm cơ bản của hệ thống lạnh dùng chất tải lạnh là:

Hiệu suất nhiệt kém hơn, tổn thất exergi lớn hơn, do phải làm lạnh gián tiếp qua vòng tuần hoàn chất tải lạnh, hiệu nhiệt độ bay hơi và buồng lạnh tăng, hệ số lạnh giảm và hiệu quả chu trình lạnh giảm.
Thiết bị kồng kềnh hơn vì tốn thêm nhiều thiết bị cho vòng tuần hoàn chất tải lạnh: bơm, dàn, bể dãn nở...
Vốn đầu tư ban đầu tăng.

Tuy nhiên, khi xét từng trường hợp ứng dụng cụ thể, nhiều khi hệ thống gián tiếp lại đơn giản và kinh tế hơn.

Có thể phân loại chất tải lạnh theo các đặc điểm sau:

Căn cứ vào dạng, có thể phân loại ra chất tải lạnh khí, lỏng hoặc rắn.
Căn cứ vào thành phần hoá học có thể phân ra các loại chất tải lạnh vô cơ, hữu cơ như nước, nước muối, dung dịch cồn, rượu, các hydrocacbon và các loại freôn.
Căn cứ vào tính chất sử dụng phân ra chất tải lạnh sử dụng một lần như nước đá, đá khô, nitơ lỏng và chất tải lạnh tuần hoàn như nước muối, glycol...

Yêu cầu đối với chất tải lạnh

Chất tải lạnh lý tưởng cần có các tính chất sau đây:

Điểm đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ làm việc của hệ thống nhiều. Trong thực tế, phải có hiệu nhiệt độ an toàn là 5oC, ví dụ nếu yêu cầu nhiệt độ làm việc của hệ thống là -15oC thì nhiệt độ đông đặc của chất tải lạnh ít nhất phải đạt -20oC hoặc thấp hơn nữa.
Nhiệt độ sôi phải đủ cao để không bị bay hơi tốt thất vào môi trường khi máy lạnh không hoạt động, nghĩa là phải không dễ bay hơi. Đối với các chất dễ bay hơi như cồn, rượu... phải cho tuần hoàn trong hệ thống kín để tránh tổn thất do bay hơi.
Không được ăn mòn thiết bị, gây han rỉ đối với máy móc và thiết bị, làm giảm tuổi thọ, gây ra các hỏng hóc.
Không ảnh hưởng đến các vật liệu làm kín.
Dễ dàng kiểm tra nhiệt độ đông đặc.
Không cháy, không gây nổ.
Không độc hại với cơ thể sống, không làm mất phẩm chất hàng hoá bảo quản.
Hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng càng lớn càng tốt vì chất tải lạnh cần có tính chất trao đổi nhiệt tốt và khả năng trữ lạnh lớn.
Độ nhớt và khối lượng riêng càng nhỏ càng tốt vì độ nhớt nhỏ, tổn thất áp suất trên đường ống giảm, công tiêu tốn cho việc tuần hoàn chất tải lạnh giảm ; khối lượng riêng nhỏ cũng làm giảm công bơm đồng thời tăng hệ số trao đổi nhiệt.
Cần có tính kinh tế tốt nghĩa là rẻ tiền, dễ kiếm, dễ vận chuyển và bảo quản. Không có chất tải lạnh lý tưởng đáp ứng đầy đủ các tính chất trên. Trong thực tế, chỉ có chất tải lạnh có cả các ưu nhược điểm. Khi ứng dụng trong các trường hợp cụ thể cần phải chọn chất tải lạnh sao cho nó phát huy được các ưu điểm và hạn chế đến mức thấp nhất các nhược điểm của nó.

Nguyên lý làm việc của hệ thống làm lạnh

Hệ thống làm lạnh bao gồm một số bộ phận chính sau: Thùng chứa dung dịch chất tải lạnh, bơm dung dịch và hệ thống làm lạnh trung tâm bao gồm máy nén một cấp, dàn bay hơi làm lạnh dung dịch chất tải lạnh; dàn ngưng tụ chất tải lạnh sơ cấp

Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống làm lạnh

Nguyên lý làm việc của hệ thống làm lạnh: Chất tải lạnh từ thùng chứa được trao đổi nhiệt với chất tải lạnh sơ cấp (ví dụ NH3) nhờ hệ thống làm lạnh trung tâm. Chất tải lạnh sau khi đã hấp thụ nhiệt từ chất tải lạnh sơ cấp sẽ được bơm đến các hộ tiêu thụ lạnh.Các hộ tiêu thụ lạnh là các thùng chứa sản phẩm được thiết kế dạng áo bọc ngoài có chất tải lạnh thứ cấp tuần hoàn.

Hệ thống làm lạnh thứ cấp được cấu tạo từ nhiều vật liệu khác nhau bao gồm các kim loại và hợp kim khác nhau và các vật liệu làm kín khác như nhựa, polime, cao su... Tuỳ thuộc vào các thiết kế hệ thống làm lạnh khác nhau để có được chi phí tối ưu mà các thiết bị của hệ thống làm lạnh được thiết kế với các vật liệu kim loại khác nhau. Các dạng vật liệu kim loại chế tạo thiết bị thường sử dụng trong hệ thống làm lạnh được đưa ra trong bảng:

Dạng vật liệu	Các chi tiết bộ phận
Đồng	Các ống dẫn glycol, ống truyền nhiệt của dàn bay hơi
Hợp kim đồng - kẽm	Các van
Thép	Ống dẫn glycol, thùng chứa, các van
Nhôm	Bơm tuần hoàn, dàn lạnh
Gang	Các van, bơm tuần hoàng

Các chất tải lạnh thông dụng

Việc lựa chọn loại chất tải lạnh và một số tính chất căn cứ trên điều kiện hoạt động của hệ thống làm lạnh. Yêu cầu quan trọng nhất khi lựa chọn chất tải lạnh là tính tương thích của chất tải lạnh với các thành phần kim loại trong hệ thống làm lạnh. Khả năng tương thích với các vật liệu trong thành phần hệ thống làm lạnh đó là đảm bảo kéo dài thời gian sử dụng của hệ thống. Các yêu cầu khác đối với chất tải lạnh bao gồm độ dẫn nhiệt và tỷ nhiệt cao, độ nhớt thấp, nhiệt độ đông đặc thấp, nhiệt độ chớp cháy cao, độ ăn mòn thấp, độ độc thấp, và bền nhiệt. Dựa trên các tiêu chuẩn này, hầu hết chất tải lạnh thông thường được sử dụng là: Nước - Các chất tải lạnh tuần hoàn trước hết phải kể đến nước. Nước là chất tải lạnh lý tưởng vì nó đáp ứng hầu hết các yêu cầu nhưng nó có nhược điểm là điểm đông cao nên chỉ ứng dụng được cho nhiệt độ trên 0oC. Nước được sử dụng làm chất tải lạnh từ các nguồn khác nhau như nước sinh hoạt hoặc nước đã qua quá trình trao đổi ion. Nước sinh hoạt có ưu điểm là có sẵn và rẻ tiền tuy nhiên nó có chứa nhiều tạp chất gây ăn mòn các kim loại trong hệ thống làm lạnh.
Nước có thể ăn mòn các kim loại khác nhau trong hệ thống làm lạnh phụ thuộc vào thành phần hoá học của nước. Các ion clo và sulphát thường có mặt trong nước sinh hoạt và dễ gây ăn mòn. Hàm lượng ion can xi và magiê trong nước cũng cần được xem xét vì các ion này sẽ tạo cặn trên bề mặt truyền nhiệt và đường ống làm giảm khả năng truyền nhiệt và gây tắc ống dẫn.
Nước đã qua xử lý trao đổi ion là nước mà không chứa các ion như canxi, sắt, đồng, clo, brôm. Quá trình tách các tạp chất khoáng có hại và các muối và tạp chất khác có thể gây ăn mòn và tạo cặn trong hệ thống làm lạnh. Bởi vì so với nước sinh hoạt, nước trao đổi ion có trở kháng cao. Nước trao đổi ion là chất cách điện tốt. Tuy nhiên, khi tăng trở kháng của nước (loại bỏ các ion trong nước) thì cũng tăng đáng kể độ ăn mòn. Nước sau khi đã qua xử lý trao đổi ion có độ pH khoảng 7,0 nhưng sẽ nhanh chóng mang tính axit khi tiếp xúc với không khí. Khí CO2 trong không khí sẽ hoà tan vào trong nước tạo thành các ion ăn mòn và lúc đó nước sẽ nhanh chóng có độ pH khoảng 5,0 mang tính axit. Vì thế khi sử dụng nước càng tinh khiết cần thiết phải sử dụng các chất ức chế ăn mòn.

Dung dịch nước muối vô cơ

Nước muối là dung dịch của nước với một loại muối nào đó. Nhiệt độ đông đặc của nước muối phụ thuộc vào loại muối và nồng độ muối trong dung dịch. Trong kỹ thuật lạnh người ta hay sử dụng dung dịch muối ăn NaCl và muối CaCl2. Dung dịch muối ăn rẻ tiền, dễ kiếm nhất nhưng nhiệt độ đông đặc thấp nhất có thể chỉ là -21,2oC nên chỉ sử dụng được cho nhiệt độ đến -15oC. Nếu cần nhiệt độ thấp hơn phải sử dụng dung dịch muối CaCl2, nhiệt độ cùng tinh đạt -55oC ở nồng độ 29,9%. Ngoài ra còn có thể sử dụng các dung dịch muối khác như K2CO3 và MgCl2.
Tính chất chung của các muối là an toàn, không cháy nổ, không độc hại nhưng ăn mòn mạnh kim loại chế tạo máy. Tuy nhiên độ ăn mòn còn tuỳ thuộc vào loại dung dịch muối, và thành phần kim loại khác nhau. Chính vì vậy đối với từng ứng dụng cụ thể trong công nghiệp và có thể chọn dung dịch muối phù hợp.

Các hợp chất hữu cơ

Các hợp chất hữu cơ như metanol CH3OH, etanol C2H5OH, glycol, glyxerin được thêm vào nước với tỷ lệ lớn nhất có thể được sử dụng làm các chất tải lạnh ở các nhiệt độ khác nhau và có thể đạt được nhiệt độ đông đặc thấp hơn nhiều so với các dung dịch muối vô cơ. Tuy nhiên metanol CH3OH có độc tính cao nên không được ứng dụng được trong công nghiệp thực phẩm. Nhược điểm chính của etanol là nhiệt độ sôi thấp 78°C, áp suất hơi lớn, khi tạo dung dịch với nước làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch nước do đó dễ bay hơi và không an toàn cháy nổ. So với các rượu đơn chức, các glycol và glyxerin có nhiệt độ sôi cao, có tác dụng làm hạ điểm đông đặc của nước, cũng như làm tăng nhiệt độ sôi của hỗn hợp với nước.

Tính chất vật lý của một số hợp chất hữu cơ tạo dung dịch với nước làm chất tải lạnh.

Tính chất	Nước	Metanol	Etanol	Glyxerin	Etylen Glycol	Propylen Glycol
Khối lượng phân tử	18,106	32,04	46,07	92,09	62,07	76,09
Tỷ trọng ở 25oC	1,00	0,7924	0,7905	1,2636	1,110	1,032
Tỷ nhiệt, cal/g.oC	0,9976	0,600	0,581	0,577	0,574	0,600
Tỷ nhiệt, cal/g.oC	0,9976	0,600	0,581	0,577	0,574	0,600
Tỷ nhiệt, cal/g.oC	0,9976	0,600	0,581	0,577	0,574	0,600
Áp suất hơi ở 20oC, mmHg	17,535	96,1	44,1	0,00035	0,06	<0,1
Áp suất hơi ở 20oC, mmHg	17,535	96,1	44,1	0,00035	0,06	<0,1
Độ nhớt ở 25oC, cp	1,01	0,59	1,19	1,499	20,9	60,5

Chúng tôi sẽ cập đầy đủ các bài viết về đề tài nghiên cứu Chất tải lạnh này liên tục, mời các bạn đoán xem ở các bài viết sau đây: