áp suất hút và áp suất đẩy của máy nén gas, máy sấy khí

Chào bạn, câu hỏi của bạn liên quan trực tiếp đến nguyên lý hoạt động cốt lõi của chu trình làm lạnh bằng máy nén hơi, được sử dụng trong các máy sấy kiểu làm lạnh (như máy sấy khí tác nhân lạnh hoặc máy sấy quần áo bơm nhiệt). Việc duy trì hai mức áp suất khác biệt rõ rệt (áp suất thấp ở dàn lạnh và áp suất cao ở dàn nóng) là chìa khóa để hệ thống hoạt động.

Hãy cùng giải thích tại sao lại có các mức áp suất đó (ví dụ 5 bar và 14-18 bar):

1. Nguyên tắc cơ bản: Thay đổi trạng thái sôi/ngưng tụ bằng áp suất
   • Mọi chất làm lạnh (gas lạnh) đều có một đặc tính quan trọng: Nhiệt độ sôi (bay hơi) và nhiệt độ ngưng tụ của nó phụ thuộc trực tiếp vào áp suất.
     • Giảm áp suất: Làm chất làm lạnh sôi ở nhiệt độ thấp hơn.
     • Tăng áp suất: Làm chất làm lạnh ngưng tụ ở nhiệt độ cao hơn.
   • Hệ thống làm lạnh lợi dụng điều này để “di chuyển” nhiệt từ nơi lạnh (dàn lạnh) đến nơi nóng (dàn nóng).
2. Tại Dàn Lạnh (Evaporator) – Áp suất thấp (Ví dụ: 5 bar)
   • Mục tiêu: Hấp thụ nhiệt từ môi trường cần làm lạnh (ví dụ: không khí ẩm trong máy sấy khí, hoặc không khí trong lồng sấy quần áo). Để làm được điều này, chất làm lạnh phải sôi (bay hơi) ở một nhiệt độ rất thấp, thấp hơn nhiệt độ của môi trường đó.
   • Tại sao lại thấp? Trong máy sấy khí, mục tiêu là làm lạnh không khí xuống gần điểm đóng băng (khoảng 2-5°C) để hơi nước trong không khí ngưng tụ thành dạng lỏng và được loại bỏ. Để dàn lạnh có thể lạnh đến mức đó, chất làm lạnh bên trong nó cần phải sôi ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ví dụ khoảng 0°C đến +3°C (cần có độ chênh lệch nhiệt độ để nhiệt truyền qua).
   • Vai trò của áp suất thấp: Để làm cho chất làm lạnh (ví dụ R134a, R407C, R410A – tùy loại máy) sôi ở khoảng 0-3°C, người ta phải giảm áp suất của nó xuống mức tương ứng trên biểu đồ P-T (Áp suất – Nhiệt độ) của chất đó. Mức áp suất khoảng 5 bar (áp suất tương đối – gauge pressure) thường tương ứng với nhiệt độ sôi trong khoảng này đối với nhiều loại gas lạnh phổ biến dùng trong các ứng dụng điều hòa, làm lạnh và sấy khí.
   • Nói cách khác: Áp suất 5 bar được chọn để “ép” gas lạnh sôi ở nhiệt độ đủ thấp nhằm làm lạnh không khí và ngưng tụ hơi ẩm hiệu quả.
3. Tại Dàn Nóng (Condenser) – Áp suất cao (Ví dụ: 14-18 bar)
   • Mục tiêu: Thải bỏ nhiệt mà chất làm lạnh đã hấp thụ ở dàn lạnh (cộng với nhiệt sinh ra do máy nén) ra môi trường xung quanh (không khí bên ngoài). Để làm được điều này, chất làm lạnh phải ngưng tụ ở một nhiệt độ cao hơn đáng kể so với nhiệt độ môi trường xung quanh.
   • Tại sao phải cao? Giả sử nhiệt độ không khí xung quanh là 30-35°C. Để nhiệt có thể “chảy” từ dàn nóng ra không khí một cách hiệu quả, nhiệt độ của chất làm lạnh đang ngưng tụ phải cao hơn không khí, ví dụ khoảng 45°C đến 60°C hoặc hơn nữa.
   • Vai trò của áp suất cao: Máy nén (compressor) sẽ nén hơi chất làm lạnh từ áp suất thấp lên áp suất cao. Mức áp suất cao này (ví dụ 14-18 bar) được chọn để “ép” chất làm lạnh phải ngưng tụ ở nhiệt độ cao (45-60°C) kia. Ở áp suất này, nhiệt độ ngưng tụ của gas lạnh sẽ cao hơn nhiều so với nhiệt độ môi trường, cho phép nhiệt dễ dàng truyền từ dàn nóng ra không khí.
   • Nói cách khác: Áp suất 14-18 bar được chọn để đảm bảo gas lạnh đủ “nóng” khi ngưng tụ, giúp quá trình thải nhiệt ra môi trường diễn ra thuận lợi, ngay cả khi trời nóng.

Tóm lại:

Hai mức áp suất này không phải là ngẫu nhiên. Chúng được các kỹ sư tính toán và lựa chọn dựa trên:

• Loại chất làm lạnh sử dụng: Mỗi loại có biểu đồ P-T khác nhau.
• Nhiệt độ bay hơi mong muốn ở dàn lạnh: Để đạt hiệu quả làm lạnh/ngưng tụ ẩm (ví dụ ~0-3°C). Áp suất thấp (5 bar) được chọn để đạt nhiệt độ này.
• Nhiệt độ ngưng tụ cần thiết ở dàn nóng: Phải đủ cao so với môi trường để thải nhiệt hiệu quả (ví dụ ~45-60°C). Áp suất cao (14-18 bar) được chọn để đạt nhiệt độ này.
• Nhiệt độ môi trường vận hành: Máy cần hoạt động được cả khi trời mát và trời nóng.
• Hiệu suất năng lượng và giới hạn của thiết bị (máy nén, van…).

Vì vậy, áp suất thấp (5 bar) là để hấp thụ nhiệt ở nhiệt độ thấp, còn áp suất cao (14-18 bar) là để thải nhiệt ở nhiệt độ cao. Sự chênh lệch áp suất này, được tạo ra bởi máy nén và van tiết lưu, chính là trái tim của chu trình làm lạnh.

Chắc chắn rồi, dưới đây là bảng tham khảo nhiệt độ ngưng tụ (nhiệt độ sôi ở áp suất cao) tương ứng với các mức áp suất cao áp khác nhau, trong dải từ 14 bar đến 25 bar (áp suất गेज – gauge pressure, tức áp suất đo bằng đồng hồ), cho một số loại chất làm lạnh (gas lạnh) phổ biến.

Lưu ý quan trọng:

• Áp suất गेज (bar(g)): Là áp suất bạn thường đọc trên đồng hồ đo áp suất, không tính áp suất khí quyển. Áp suất tuyệt đối (bar(a)) sẽ cao hơn áp suất गेज khoảng 1 bar.
• Nhiệt độ ngưng tụ (°C): Đây là nhiệt độ mà tại đó gas lạnh bắt đầu chuyển từ thể hơi sang thể lỏng ở áp suất tương ứng. Nhiệt độ thực tế của hơi gas ra khỏi máy nén (nhiệt độ đầu đẩy) sẽ cao hơn nhiệt độ này do có độ quá nhiệt (superheat).
• Chất làm lạnh dạng hỗn hợp (Blend): Đối với các hỗn hợp không đồng sôi (zeotropic) như R407C, quá trình ngưng tụ xảy ra trong một khoảng nhiệt độ (gọi là độ trượt nhiệt – temperature glide). Nhiệt độ ghi trong bảng thường là nhiệt độ điểm sương (Dew Point), là nhiệt độ mà giọt lỏng cuối cùng ngưng tụ.
• Dữ liệu tham khảo: Các giá trị này là gần đúng và có thể thay đổi một chút tùy thuộc vào nguồn dữ liệu (bảng P-T tiêu chuẩn nào được sử dụng).

Bảng Nhiệt độ Ngưng tụ Tương ứng với Áp suất Cao áp (Tham khảo)

Phân tích nhanh:

• Bạn có thể thấy ở cùng một áp suất, các loại gas lạnh khác nhau sẽ ngưng tụ ở các nhiệt độ khác nhau.
• R410A cần áp suất cao hơn nhiều so với các loại gas khác để đạt cùng nhiệt độ ngưng tụ (hoặc ở cùng áp suất, nó ngưng tụ ở nhiệt độ thấp hơn nhiều). Mức 14-18 bar(g) là khá thấp đối với dàn nóng R410A trong điều kiện hoạt động bình thường, trong khi 25 bar(g) lại gần với phạm vi hoạt động cao của nó hơn.
• R134a có nhiệt độ ngưng tụ tăng rất nhanh khi áp suất tăng lên mức cao. Ở 25 bar(g), nhiệt độ ngưng tụ đã lên tới 81°C, rất cao so với mức 55°C ở 14 bar(g). Điều này cho thấy việc tăng áp suất lên cao như vậy (như bạn hỏi ở câu trước) sẽ làm hệ thống trở nên cực kỳ nóng.
• R22 và R407C có đặc tính áp suất/nhiệt độ khá giống nhau ở dải này.

Bảng này giúp bạn hình dung được mối quan hệ P-T và tại sao việc tăng áp suất cao áp lên mức 25-30 bar lại làm nhiệt độ hệ thống tăng vọt như vậy.