Đề tài Môi chất lạnh

Môi chất lạnh - Môi chất là chất môi giới sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược chiều để hấp thu nhiệt của môi trường cần làm lạnh và tải nhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao hơn (là vật chất tuần hoàn trong hệ thống lạnh). - Môi chất làm nhiệm vụ mang nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp để thải ra nơi có nhiệt độ cao hơn  đây là thành phần không thể thiếu của máy lạnh nén hơi Phân loại Dựa vào thành phần hóa học: Môi chất vô cơ: NH3(R717), CO2 (R744), … Môi chất hữu cơ: hydrocacbon, halocacbon… Dựa vào nhiệt độ sôi và áp suất bão hòa Môi chất có áp suất sôi cao: R744 Môi chất có áp suất sôi trung bình:R123, R134 Nhóm môi chất có áp suất sôi thấp:R717, R507 Ngoài ra còn dựa vào tính độc hại và tính dễ cháy nổ để phân loại KÍ HIỆU CỦA CÁC MÔI CHẤT LẠNH freôn: Kí hiệu các môi chất lạnh thường bắt đầu bằng R, sau đó là 3 chữ số Ví dụ: R113: R 1 1 3 số lượng nguyên tử flo trong phân tử số lượng nguyên tử hydro +1 số lượng nguyên tử cacbon -1 chữ đầu của Refrigerant Số lượng nguyên tử clo có thể xác định dễ dàng nhờ số hóa trị còn lại của các nguyên tử cacbon, thí dụ R113 có 3 flo 0 hiđro và 2 cacbon là dẫn xuất của C2H6 vậy công thức hóa học của R113 là C2Cl3F3. nếu có thành phần brom thì sau ký hiệu có chữ B và một con số chỉ số lượng nguyên tử brom. R13B1: CBrF3. Các dẫn xuất từ mêtan CH4 có chữ số đầu tiên = 0 nên không viết. Đó là trường hợp của R11, R12… Các chất đồng phân có thêm chữ a, b để phân biệt : R134a: CH2F-CF3 Quy tắc giới thiệu mở rộng đến prôpan C3H8 (R290), tiếp theo butan (C4H10) là R600. Các olêfin (dẫn xuất từ hydrocacbon chưa no) có số 1 trước 3 chữ số : C2F4 ký hiệu R1114(CF2=CF2 – tetraflo etylen). Các hợp chất có cấu trúc vòng có thêm chữ C: C4F8. Kí hiệu RC318. Các hỗn hợp không đồng sôi: R4xx, Ví dụ: R404A R125/R143/R134a: 44/52/4% Các hỗn hợp đồng sôi: R5xx, Ví dụ: R502: 48,8% R22 và 51,2% R115 kg/kg Các hỗn hợp không đồng sôi: là hỗn hợp các môi chất thành phần có nhiệt độ sôi cách nhau hơn 15độ. Hỗn hợp có nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ sôi thay đổi khi áp suất ngưng tụ và áp suất sôi không đổi. Các hỗn hợp đồng sôi: là hỗn hợp thường có 2 hoặc 3 thành phần,mục đích là để tăng cường các ưu điểm và hạn chế các nhược điểm của các đơn chất. Thường các chất thành phần có nhiệt độ sôi không chênh nhau quá 10độ. KÍ HIỆU CỦA CÁC MÔI CHẤT LẠNH vô cơ: Các môi chất vô cơ có chữ R và sau đó là 3 chữ số, chữ số thứ nhất là 7 còn 2 chữ số sau là phân tử lượng làm tròn. Ví dụ: amoniac: R717, cacbonđioxit: R744… Tạo thành ôzôn Ôzôn trong bầu khí quyển được tạo thành khi các tia cực tím chạm phải các phân tử ôxy (O2) chứa hai nguyên tử ôxy, tạo thành hai nguyên tử ôxy đơn, được gọi là ôxy nguyên tử. Ôxy nguyên tử kết hợp cùng với một phân tử ôxy tạo thành ôzôn (O3). Phân tử ôzôn có hoạt tính cao, khi bị tia cực tím chạm phải, lại tách ra thành phân tử ôxy và một ôxy nguyên tử, một quá trình liên tục gọi là chu kỳ ôxy-ôzôn. Trước khi bắt đầu xu hướng suy giảm ôzôn, lượng ôzôn trong tầng bình lưu được giữ ổn định nhờ vào cân bằng giữa sự tạo thành và phân hủy các phân tử ôzôn nhờ vào tia cực tím TẦNG OZON VÀ SỰ SUY THOÁI - Tầng ozôn là lá chắn của trái đất chống lại tia cực tím có hại của mặt trời. Khi nó bị phá hủy tia cực tím xuống được trái đất làm cháy da và gây ra các bệnh ung thư da. Ôzôn có thể bị phá hủy bởi các nguyên tử clo, flo hay brôm trong bầu khí quyển. Các nguyên tố này có trong một số hợp chất bền nhất định, đặc biệt là chlorofluorocacbon (CFCs,HCFCs), đi vào tầng bình lưu và được giải phóng bởi các tia cực tím. Người ta tính rằng một phân tử CFC, HCFC mất trung bình là 15 năm để đi từ mặt đất lên đến các tầng trên của khí quyển và có thể ở đó khoảng một thế kỷ, phá hủy đến cả trăm ngàn phân tử ôzôn trong thời gian này. Ví dụ: R11. Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời chúng phân hủy ra các nguyên tử clo, clo xúc tác phá hủy ozôn thành oxy. Cl· + O3 → ClO· + O2ClO· + O3 → Cl· + 2 O2 Để đánh giá khả̉ năng phá hủy tầng ozon của các môi chất lạnh khác nhau người ta đưa ra chỉ số phá hủy tầng ozon ODP (Ozon Depletion Potential) là chỉ số phá hủy ozon.Lấy chuẩn ODP của R11=1 Các chất làm suy giảm ozon (ODS – Ozone Depleting Substances có ODP >0) HIỆU ỨNG NHÀ KÍNH Nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất được quyết định bởi cân bằng giữa năng lượng mặt trời chiếu xuống trái đất và lượng bức xạ nhiệt của mặt đất vào vũ trụ.Ở trạng thái ổn định nhiệt độ của trái đất là 150C. Bức xạ nhiệt của mặt trời là bức xạ có sóng ngắn nên dễ dàng xuyên qua tầng ozon và lớp khí CO2 để đi tới mặt đất, ngược lại bức xạ nhiệt từ trái đất vào vũ trụ là bước sóng dài, không có khả năng xuyên qua lớp khí CO2 dày và bị CO2 + hơi nước trong khí quyển hấp thụ. Như vậy lượng nhiệt này làm cho nhiệt độ bầu khí quyển bao quanh trái đất tăng lên. Lớp khí CO2 có tác dụng như một lớp kính giữ nhiệt lượng tỏa ngược vào vũ trụ của trái đất trên quy mô toàn cầu. Bên cạnh CO2 còn có một số khí khác cũng được gọi chung là khí nhà kính như NOx, Metan, CFC. Để đánh giá khả̉ năng làm nóng địa cầu của các môi chất lạnh khác nhau người ta đưa ra chỉ số làm nóng địa cầu GWP ( Global Warming Potential) là chỉ số làm nóng địa cầu, người ta lấy GWP của CO2=1 - Hiệu ứng nhà kính, xuất phát từ effet de serre trong tiếng Pháp, do Jean Baptiste Joseph Fourier lần đầu tiên đặt tên, - Hiệu ứng nhà kính dùng để chỉ hiệu ứng xảy ra khi năng lượng bức xạ của tia sáng mặt trời, xuyên qua các cửa sổ hoặc mái nhà bằng kính, được hấp thụ và phân tán trở lại thành nhiệt lượng cho bầu không gian bên trong, dẫn đến việc sưởi ấm toàn bộ không gian bên trong chứ không phải chỉ ở những chỗ được chiếu sáng. Hiệu ứng này đã được sử dụng từ lâu trong các nhà kính trồng cây. Ngoài ra hiệu ứng nhà kính còn được sử dụng trong kiến trúc, dùng năng lượng mặt trời một cách thụ động để tiết kiệm chất đốt sưởi ấm nhà ở. Từ khoảng 100 năm nay con người tác động mạnh vào sự cân bằng nhạy cảm giữa hiệu ứng nhà kính tự nhiên và tia bức xạ của mặt trời. Sự thay đổi nồng độ của các khí nhà kính trong vòng 100 năm lại đây (điôxít cacbon tăng 20%, mêtan tăng 90%) đã làm tăng nhiệt độ lên 20°C. CFC (clo-flo-cacbon) là các chất nguy hiểm nhất kể cả với tầng ozon và hiệu ứng nhà kính. Thành phần hóa học chỉ gồm Clo, Flo và Cacbon như R11, R12… các chất này đứng đầu danh sách các chất bị cấm. HCFC (hydro-clo-flo-cacbon) là các chất ít nguy hiểm hơn. Ngoài thành phần Clo, Flo chúng có chứa 1 hoặc nhiều nguyên tử hyđro. Chính thành phần hyđro làm cho chúng bị phân hủy nhanh và khả năng phá hủy tầng ozon giảm. Tuy nhiên các chất này vẫn gây hiệu ứng nhà kính cao. Tùy theo tính chất cụ thể của từng môi chất, chúng có thể được lựa chọn là môi chất quá độ đến năm 2020- 2030. Đại diện tiêu biểu là R22 và R123 HFC (hydro-flo-cacbon) là các chất không phá hủy tầng ozon, nhưng vẫn gây hiệu ứng nhà kính. Đại diện là R134a YÊU CẦU ĐỐI VỚI MÔI CHẤT LẠNH Tính chất hóa học Môi chất cần bền vững về mặt hóa học trong phạm vi áp suất và nhiệt độ làm việc, không được phân hủy, không được polime hóa. Môi chất phải trơ, không ăn mòn các vật liệu chế tạo máy, dầu bôi trơn, oxy trong không khí và hơi ẩm. An toàn, không dễ cháy và dễ nổ. Tính chất lý học Áp suất ngưng tụ không quá cao, nếu áp suất ngưng tụ quá cao độ bền chi tiết yêu cầu lớn, vách thiết bị dày, dễ rò rỉ môi chất. Áp suất bay hơi không quá nhỏ, phải lớn hơn áp suất khí quyển để hệ thống không bị chân không, dễ rò lọt không khí vào hệ thống. Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi nhiều, nhiệt độ tới hạn phải cao hơn nhiệt độ ngưng tụ nhiều Nhiệt ẩn hóa hơi và nhiệt dung riêng của môi chất lỏng càng lớn càng tốt. Nhiệt ẩn hóa hơi càng lớn, lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống nhỏ năng suất lạnh riêng khối lượng càng lớn. Năng suất lạnh riêng thể tích càng lớn càng tốt, máy nén và các thiết bị sẽ gọn nhẹ Tính chất lý học Độ nhớt nhiệt động càng nhỏ càng tốt để giảm tổn thất trên đường ống và các cửa van Hệ số dẫn nhiệt λ, tỏa nhiệt α càng lớn càng tốt, vì thiết bị trao đổi nhiệt sẽ gọn nhẹ hơn. Môi chất hòa tan dầu hoàn toàn có ưu điểm hơn môi chất không hòa tan hoặc hòa tan hạn chế vì quá trình bôi trơn tốt hơn, thiết bị trao đổi nhiệt không bị một lớp trở nhiệt do dầu bao phủ Không được dẫn điện để có thể sử dụng cho máy nén kín và nửa kín. Khả năng hòa tan nước của môi chất càng lớn càng tốt vì tránh được hiện tượng tắc ẩm cho bộ phận tiết lưu, Tính chất sinh lý Môi chất không được độc hại với người và cơ thể sống, không gây phản ứng với cơ quan hô hấp, không tạo khí độc khi tiếp xúc với lửa hàn và vật liệu chế tạo máy Môi chất cần có mùi đặc biệt để dễ dàng phát hiện khi bị rò rỉ Môi chất không được ảnh hưởng xấu đến chất lượng các sản phẩm bảo quản Tính kinh tế Giá thành phải hạ nhưng độ tinh khiết phải đạt yêu cầu Dễ kiếm, vận chuyển và bảo quản dễ dàng MỘT SỐ MÔI CHẤT LẠNH THƯỜNG GẶP NH3 NH3 là chất khí không màu, có mùi khai, cháy trong oxy có ngọn lửa màu vàng Tính chất nhiệt động: - Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển: -33,35ºC - Nhiệt độ đông đặc: -77,7ºC - Nhiệt độ tới hạn: 135,3ºC - Áp suất tới hạn: 11,33MPa - Nhiệt độ ngưng tụ: 32ºC Áp suất ngưng tụ khoảng 12 ÷ 15 kg/cm2 (00C) =0,64kg/dm3 - ODP= 0; GWP= 0 Năng suất lạnh riêng khối lượng q0 lớn Năng suất lạnh riêng thể tích qv lớn (máy nén và thiết bị gọn nhẹ) Nhiệt độ cuối tầm nén cao (làm mát đầu xi lanh và phải hút hơi bão hòa) Độ nhớt nhỏ, tính lưu động cao (tổn thất áp suất nhỏ, đường ống và các van gọn nhẹ) Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn(thuận lợi cho việc thiết kế chế tạo thiết bị ngưng tụ và bay hơi) Các thông số trạng thái ở 00C Tính chất hóa học Bền vững trong khoảng nhiệt độ và áp suất công tác, chỉ phân hủy ở 2600C. (Tuy nhiên nếu bề mặt xi lanh làm bằng thép và có mặt ẩm làm chất xúc tác thì ở nhiệt độ 110 -1200C đã bị phân hủy) NH3 không tác dụng với phi kim, kim loại đen chế tạo máy và kim loại màu( trừ Cu và hợp kim của Cu) NH3 hòa tan vô tận trong H2O (không bị tắc ẩm van tiết lưu nhưng phải khống chế ẩm 2% khối lượng). Đối với phi kim loại tính phù hợp cao hơn R12 R134a có chỉ số làm nóng địa cầu bằng 90% của R12 và có nhiều đặc tính giống R12 như: - Không gây cháy nổ - Không độc hại, không ảnh hưởng xấu tới cơ thể sống - Tương đối bền vững hóa và nhiệt - Có các tính chất tốt với kim loại chế tạo máy - Có tính chất nhiệt động và vật lý phù hợp Ứng dụng Dùng làm môi chất lạnh trong tủ lạnh và hệ thống lạnh ô tô Là môi chất làm lạnh tiêu chuẩn công nghiệp mới cho điều hòa không khí và tủ ướp lạnh R134a dùng trong máy nén nửa kín, trục vít và tua bin Ở Nhật Bản, năm 2002: 85% tủ lạnh dùng R134a R407C (R32/R125/R134a):23/25/52% - Là môi chất thay thế cho R22 (năng suất lạnh riêng thể tích và hiệu suất lạnh tương đương với R22) Tính chất nhiệt động Nhiệt độ sôi ( ở 0,1013 Mpa): -43,80C Nhiệt độ tới hạn: 86,10C Áp suất tới hạn: 4,63 MPa Độ trượt nhiệt độ: 7K ODP= 0; GWP= 1526 Bền vững hóa học, không ăn mòn vật liệu chế tạo máy ( giống với R22) Các thông số trạng thái ở 00C - Ga lạnh dưới dạng lỏng Freon R407C- Trọng lượng 11.34Kg/bình- Nơi sản xuất: Mỹ, Ấn độ, Trung quốc Ứng dụng: - Dùng làm môi chất trong máy điều hòa nhiệt độ, máy lạnh của kho lạnh - Ga lạnh dưới dạng lỏng Freon R407C- Trọng lượng 11.34Kg/bình- Nơi sản xuất: Mỹ, Ấn độ, Trung quốc Ứng dụng: - Dùng làm môi chất trong máy điều hòa nhiệt độ, máy lạnh của kho lạnh R290 Là môi chất dùng thay thế cho R22.. CTHH:C3H8 (propan) Là chất khí không màu, dễ cháy gây tốn kém đầu tư cho công việc phòng chống cháy nổ, không độc, dễ hóa lỏng. Tính chất nhiệt động Nhiệt độ sôi: -42,10C Nhiệt độ tới hạn: 96,70C Áp suất tới hạn: 4,25 MPa Có chỉ số ODP=0, GWP=20. Ở nhiệt độ bay hơi -400C đến -500C hệ thống sử dụng môi chất này tiết kiệm năng lượng hơn so với máy nén 2 cấp sử dụng NH3.. Ở Ý, hãng Delonghi đã cho ra đời ba mẫu máy điều hoà phòng RAC môi chất R290 (propan) năng suất lạnh từ 2 đến 3,6 kW Các thông số trạng thái ở 00C R404A R125/R143/R134a:44/52/4% Tính chất Nhiệt độ sôi: -46,60C Nhiệt độ tới hạn: 72,10C ODP= 0; GWP= 3260 Áp suất tới hạn: 3,74 Mpa Không cháy nhưng độc hại so với R502 Bền vững hóa học và không ăn mòn vật liệu chế tạo máy Không hòa tan dầu khoáng, chỉ hòa tan dầu P0 Các thông số trạng thái ở 00C Ưu điểm (R404 và hỗn hợp không đồng sôi) Hỗn hợp tạo được các môi chất lạnh có các tính chất phù hợp với các dạng máy lạnh hiện đại Hiệu suất cao Độ tin cậy lớn ( an toàn, chất lượng tốt) (chúng có những ưu điểm mà đơn môi chất không thể có được) Nhược điểm - Có độ trượt nhiệt độ khi sôi hay khi ngưng - Nồng độ môi chất R404 ở thể lỏng và ở thể hơi không giống nhau dẫn đến sự sai khác nồng độ nếu hệ thống bị rò rỉ hoặc khi nạp không đúng kỹ thuật Ga lạnh dưới dạng lỏng Freon R404 Trọng lượng 10,89Kg/bình Nơi sản xuất: Mỹ, Ấn độ, Trung quốc Ứng dụng - Sử dụng chủ yếu trong những ứng dụng làm lạnh thương mại và công nghiệp lớn: như những kho hàng bảo quản lạnh, máy nước đá, máy điều hòa nhiệt độ - Nó là nguồn thay thế dài hạn cho R502 R502 Là môi chất lạnh đồng sôi gồm 48,8% R22 và 51,2% R115 theo nồng độ khối lượng. Do có thành phần R115 nên nhiều nhược điểm của R22 đã được cải thiện: nhiệt độ cuối tầm nén giảm,năng suất lạnh tăng 20%, hòa tan dầu tốt hơn, nhiệt độ sôi thấp hơn R502 thường được sử dụng ở nhiệt độ lạnh đông từ -20 ÷ -500C R502 đã bị cấm và ngày nay được thay thế bằng R404A, R407, R507 và cả R290 Ga lạnh dưới dạng lỏng Freon R502 Trọng lượng 13,6Kg/bình Nơi sản xuất: Mỹ, Ấn độ, Trung quốc Ứng dụng - Dùng làm môi chất trong máy điều hòa nhiệt độ, máy lạnh của kho lạnh R507 R125/R143a: 50/50% Là môi chất lạnh đồng sôi dùng để thay thế cho R22 và R502 (ở dải nhiệt độ thấp), thay thế cho R134a ở dải nhiệt độ trung bình. Nhiệt độ sôi( ở 0,1013 Mpa): -47,10C Nhiệt độ tới hạn: 70,80C Áp suất tới hạn: 3,72 Mpa ODP= 0; GWP= 3300 Tính chất lý hóa tương tự R502, nhiệt độ cuối tầm nén thấp hơn, năng suất lạnh riêng thể tích lớn hơn nhưng hiệu suất lạnh nhỏ hơn 502. Không cháy nổ, không độc hại, không ăn mòn vật liệu chế tạo máy. Các thông số trạng thái ở 00C CO2 Tính chất Là chất khí không màu, không mùi. Độ hòa tan trong nước 1,45kg/m2 Điểm nóng chảy -570C. Nhiệt độ ngưng tụ: 00C. Nhiệt độ bay hơi: -280C Điểm sôi -780C. Điểm bắt lửa : không cháy Sử dụng - CO2 lỏng và rắn là chất làm lạnh quan trọng, đặc biệt là trong công nghệ thực phẩm, trong đó tham gia vào quá trình lưu trữ và vận chuyển các loại kem và các thực phẩm đông lạnh. CO2 được sử dụng trong các hệ thống lạnh trên xe buýt và trong các dinh thự, các siêu thị… Băng khô được sử dụng để làm lạnh đồ uống.