Chọn chiller tuần hoàn và các yếu tố ảnh hưởng công suất làm mát

Có 4 yếu tố để chọn ra chiller tuần hoàn phù hợp:

1. Tải nhiệt do thiết bị cần làm mát tạo ra (Q)
2. Nhiệt độ tối đa có thể chấp nhận của chất lỏng đi ra khỏi nguồn nhiệt (Tout)
3. Lưu tốc chất lỏng khả dụng
4. Điều kiện môi trường vận hành (V̇)

Ví dụ 1

Chiller cần cấp lưu lượng 2 gallon/phút ở 20°C cho một ống tia X sinh ra 2.000 W nhiệt. Nguồn điện là 60 Hz. Đánh dấu điểm này trên đồ thị chiller, chúng ta có thể thấy rằng RC022 sẽ là lựa chọn thích hợp. Dựa vào các đường cong bơm, chúng ta thấy rằng bơm BE sẽ cung cấp lưu tốc cần thiết.

Nếu đã biết Tải nhiệt (Q) nhưng chưa biết Lưu tốc, có thể sử dụng phương trình sau để xác định lưu tốc cần thiết.

Ví dụ 2

Một đầu laser tạo ra 2.000 watt (6.824 BTU/Giờ) nhiệt. Nhiệt độ chất lỏng không được vượt quá 20°C (68°F). Với chất lỏng làm mát là nước, nguồn điện 60 Hz, nhiệt độ môi trường xung quanh 20°C, đâu là chiller tuần hoàn thích hợp?

Sử dụng đồ thị hiệu suất nhiệt (hình 1), vẽ một đường ngang ở tải nhiệt cần thiết (2000 W). Như được thể hiện, RC022 sẽ phù hợp với yêu cầu này ở 13°C (55°F). Đây là TIN (nhiệt độ ra khỏi chiller tuần hoàn). Do đó, phép tính khi đó trở thành:

Tiếp theo, xác định xem chiller tuần hoàn có thể đáp ứng lưu tốc cần thiết hay không. Như được thể hiện trên đồ thị bơm hệ thống (hình 2), bơm thể tích 1,3 gallon/phút (tiêu chuẩn trên RC022) sẽ đáp ứng vượt mức yêu cầu về lưu lượng.

Xem thêm thông tin về các tùy chọn chiller tuần hoàn của chúng tôi trong mục Chiller tuần hoàn

Chiller tuần hoàn là hệ thống làm lạnh bằng chất lỏng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm y tế, quân sự, laser và thiết bị phân tích. Chiller được sử dụng để giữ cho một bộ phận, chẳng hạn như đầu laser, tấm đầu dò hoặc thiết bị nhạy cảm nhiệt độ khác ở nhiệt độ không đổi và/hoặc để loại bỏ nhiệt thải và ngăn ngừa tình trạng quá nhiệt cho các bộ phận quan trọng.

Khi lựa chọn chiller tuần hoàn, cần cân nhắc một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến công suất làm mát. Những yếu tố này bao gồm nhiệt độ không khí xung quanh hoặc nhiệt độ nước của cơ sở, nhiệt độ cài đặt của chiller, lưu chất quy trình, bảo trì chiller và nhiều yếu tố khác. Các nhà sản xuất chiller thường cung cấp định mức công suất làm mát dựa trên nhiệt độ nước cấp 20°C và nhiệt độ môi trường 20°C. Tuy nhiên, điều gì xảy ra nếu nhiệt độ môi trường cao hơn hoặc thấp hơn 20°C? Điều gì xảy ra nếu chất làm mát được cung cấp cho quy trình ở 5°C thay vì ở 20°C? Điều gì sẽ xảy ra nếu sử dụng chất làm mát không phải nước? Tất cả những thay đổi này ảnh hưởng như thế nào đến công suất làm mát của chiller?

Chiller là một hệ thống phức tạp, nhưng về cơ bản thì gồm các bộ phận là máy nén, bộ ngưng tụ, van giãn nở nhiệt (TXV) và bộ bay hơi. Bắt đầu từ máy nén, môi chất lạnh đi từ bộ bay hơi được nén từ khí bão hòa thành khí áp suất cao, nhiệt độ cao. Lúc này, khí nóng được đưa qua bộ ngưng tụ, tại đây nó được làm mát và ngưng tụ thành chất lỏng bão hòa bằng cách thải nhiệt ra không khí môi trường có nhiệt độ thấp hơn (đối với bộ ngưng tụ làm mát bằng không khí) hoặc vào nước của cơ sở (đối với bộ ngưng tụ làm mát bằng nước). Sau đó, môi chất lạnh đi qua TXV, tại đó áp suất và nhiệt độ của nó giảm đáng kể. Nhiệt độ môi chất lạnh hiện thấp hơn nhiệt độ của chất lỏng quá trình và, do đó, nhiệt được truyền từ chất lỏng quá trình sang môi chất lạnh, khiến môi chất lạnh bay hơi thành khí áp suất thấp. Chu kỳ lại được lặp lại khi khí chảy trở lại máy nén.

Bộ ngưng tụ và bộ bay hơi là các bộ trao đổi nhiệt truyền nhiệt từ môi trường này sang môi trường khác. Bộ ngưng tụ làm mát bằng không khí thường sử dụng bộ trao đổi nhiệt ống đồng cánh nhôm kiểu chất lỏng - không khí để thải nhiệt từ môi chất lạnh dạng khí có nhiệt độ cao ra không khí xung quanh. Mặt khác, bộ ngưng tụ làm mát bằng nước sử dụng bộ trao đổi nhiệt chất lỏng - chất lỏng để truyền nhiệt từ môi chất lạnh dạng khí có nhiệt độ cao sang nước của cơ sở. Bộ bay hơi thường sử dụng bộ trao đổi nhiệt chất lỏng - chất lỏng để truyền nhiệt từ chất lỏng quá trình sang môi chất lạnh. Hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lỏng quá trình được sử dụng, nhiệt độ chất lỏng đầu vào, lưu tốc, vật liệu chế tạo và thiết kế của bộ trao đổi nhiệt. Khi tất cả các yếu tố khác đều như nhau, động lực thúc đẩy quá trình truyền nhiệt từ chất lỏng này sang chất lỏng khác là sự chênh lệch nhiệt độ của các chất lỏng đầu vào.

Nhiệt độ không khí xung quanh hoặc nhiệt độ nước của cơ sở đóng vai trò quan trọng trong công suất làm mát của chiller. Để bộ ngưng tụ có thể thải toàn bộ nhiệt (tải nhiệt quá trình cộng với nhiệt nén) ra không khí xung quanh hoặc nước của cơ sở, chênh lệch nhiệt độ giữa môi chất lạnh dạng khí có nhiệt độ cao và không khí xung quanh hoặc nguồn nước của cơ sở phải đủ lớn. Ví dụ: các chiller của Eaton thường hoạt động ở nhiệt độ ngưng tụ trong khoảng từ 32,2°C (90°F) đến 43,3°C (110°F) và thải nhiệt ra không khí xung quanh 20°C (68°F) hoặc nước của cơ sở 24°C (75°F) (Hình 2). Bộ ngưng tụ làm mát bằng nước có thể thải cùng một lượng nhiệt sang nước của cơ sở với nhiệt độ cao hơn vì nước là lưu chất truyền nhiệt tốt hơn nhiều so với không khí và không đòi hỏi chênh lệch nhiệt độ lớn giữa hai lưu chất đầu vào.

Khi nhiệt độ không khí xung quanh hoặc nhiệt độ nước của cơ sở tăng lên, bộ ngưng tụ chiller sẽ bị giảm khả năng truyền nhiệt quá trình từ môi chất lạnh sang không khí xung quanh hoặc nước của cơ sở, gây ra áp suất ngưng tụ cao hơn, từ đó có thể dẫn đến giảm hiệu suất của hệ thống. Do đó, nếu chiller tuần hoàn sẽ tiếp xúc với nhiệt độ môi trường trên 20°C, cần thực hiện phép tính định cỡ để xác định công suất làm mát cần thiết. Tương tự, nếu nhiệt độ môi trường giảm, hiệu suất sẽ được cải thiện do chênh lệch nhiệt độ ban đầu lớn hơn.

Khi định cỡ chiller, bạn cần phải nắm được nhiệt độ môi trường tối đa hoặc nhiệt độ tối đa đối với nước của cơ sở để có thể chọn chiller có đủ công suất làm mát đủ đáp ứng nhu cầu trong ứng dụng của bạn. Tham khảo ý kiến kỹ sư ứng dụng để được hỗ trợ định cỡ chiller.

Ảnh hưởng của chất lỏng quá trình

Chất lỏng quá trình được sử dụng trong chiller tuần hoàn cũng ảnh hưởng đến hiệu suất. Công suất làm mát của chiller thường dựa trên việc dùng nước làm chất lỏng quá trình, vì vậy việc sử dụng chất lỏng quá trình khác với nước có thể khiến công suất làm mát giảm. Ví dụ: một số chiller tuần hoàn được thiết kế để tương thích với chất lỏng quá trình là polyalphaolefin (PAO). PAO thường được sử dụng trong các ứng dụng quân sự vì tính chất điện môi và/hoặc phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng. Tuy nhiên, khi các yếu tố khác tương đương nhau, công suất làm mát của chiller PAO sẽ thấp hơn so với chiller nước, do PAO có nhiệt dung riêng, khối lượng riêng và độ dẫn nhiệt thấp hơn nước.

Ảnh hưởng của việc vận hành và bảo trì chiller

Một yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu suất của chiller là bảo trì bộ ngưng tụ và bộ bay hơi. Bụi tích tụ trên bộ ngưng tụ làm mát bằng không khí hoặc chất bẩn bám trong ống hoặc các đường dẫn dòng chảy trên bộ ngưng tụ làm mát bằng nước hoặc bộ bay hơi dẫn đến giảm hiệu suất của chiller. Bụi hoặc mảnh vụn tích tụ trên các cánh tản nhiệt và cánh quạt của bộ ngưng tụ làm mát bằng không khí sẽ hạn chế luồng không khí, dẫn đến giảm công suất làm mát của chiller. Nếu vận hành chiller trong môi trường bụi bặm hoặc bẩn, phải lên lịch bảo trì hoặc vệ sinh định kỳ và/hoặc lựa chọn chiller quá cỡ Ngoài ra, cũng có thể dẫn đến tình trạng bám bẩn ở các bộ ngưng tụ làm mát bằng nước do sự hình thành cặn, ăn mòn và/hoặc sự phát triển của sinh vật bắt nguồn từ chất lượng nước kém. Tình trạng bám bẩn tạo thành một lớp cách nhiệt trên thành trong của ống, cản trở truyền nhiệt giữa môi chất lạnh và nước, dẫn đến suy giảm hiệu suất của chiller. Sử dụng nước sạch với các chất ức chế ăn mòn có thể giảm thiểu nguy cơ bám bẩn.

Các yếu tố khác

Trong trường hợp hiếm hoi khi chiller tuần hoàn làm mát bằng không khí được đặt ở nơi có độ cao lớn, không khí có mật độ thấp hơn sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm mát. Vì lưu lượng khối bằng lưu lượng thể tích nhân với mật độ, nếu mật độ giảm thì quạt bộ ngưng tụ phải cung cấp lưu lượng thể tích cao hơn để duy trì cùng công suất làm mát như ở mực nước biển. Một phương án chọn chiller tuần hoàn quá cỡ để đảm bảo đáp ứng nhu cầu công suất làm mát.

Độ ẩm là một yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu suất của chiller khi nhiệt độ chất làm mát quy trình được cung cấp nằm dưới điểm sương của môi trường xung quanh. Trong những trường hợp như vậy, nếu các đường ống dẫn của chiller, bộ bay hơi và bơm không được cách nhiệt, có thể xảy ra hiện tượng ngưng tụ trên các bề mặt này, gây suy giảm công suất làm mát. Bề mặt kim loại chưa qua xử lý cũng có thể bị hư hại do ăn mòn. Do đó, đặc biệt khuyến nghị sử dụng vật liệu cách nhiệt.