Chiller là gì? Cấu tạo, phân loại, nguyên lý hoạt động và ưu nhược điểm máy Chiller

Chiller, hay còn gọi là water chiller, là một khái niệm mới mẻ với đa số người, tuy nhiên, đối với nhiều ngành công nghiệp làm lạnh hiện đại, chiller lại là một phần quan trọng và không thể thiếu. Hệ thống chiller được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, y tế, và điện tử. Nếu bạn đang tò mò và muốn hiểu rõ về khái niệm “Chiller – Water Chiller”, Kho lạnh Nguyền Hoàng sẽ cung cấp thông tin chi tiết để giúp bạn có cái nhìn tổng quan về nó.

Chiller là gì?

Chiller, hay còn gọi là máy làm lạnh nước, là thiết bị tạo ra nước lạnh để cung cấp cho các hệ thống làm lạnh của công trình, thường được áp dụng cho nhà máy hoặc trung tâm thương mại.

Hệ thống chiller, hoặc hệ thống điều hòa trung tâm chiller, là một loại máy tạo ra nguồn lạnh để làm mát các vật phẩm, thực phẩm trong các hệ thống điều hòa không khí trung tâm, sử dụng nước làm chất lạnh. Nước sẽ trải qua quá trình làm lạnh thông qua bình bốc hơi, thường từ 12 độ xuống còn 7 độ Celsius.

Chiller thực tế bao gồm bốn thành phần chính của chu trình nhiệt cơ bản: máy nén, van tiết lưu, thiết bị ngưng tụ, và thiết bị bay hơi, cùng với một số thiết bị khác. Thường, máy Chiller được sản xuất như một đơn vị không thể tách rời và phải tuân thủ các tiêu chuẩn theo ARI (American Refrigeration Institute). Việc phân loại chiller có thể dựa trên loại máy nén (Piston, trục vít, xoắn ốc, ly tâm), phương pháp ngưng tụ như giải nhiệt nước (water-cooled) hoặc giải nhiệt bằng không khí (Air-cooled), và nhiều yếu tố khác như loại hồi nhiệt (heat recovery), lưu lượng nước qua bình bốc hơi không thay đổi hoặc thay đổi, cũng như chiller hấp thụ.

Cấu tạo của Chiller

Máy làm lạnh Chiller bao gồm các thành phần chính như sau: máy nén, bình ngưng, dàn bay hơi, van tiết lưu, bộ nguồn, bộ điều khiển, và hộp nước.

Máy nén

Máy nén đóng vai trò là động cơ chính trong hệ thống làm lạnh, đặt giữa dàn bay hơi và dàn ngưng tụ. Nhiệm vụ chính của máy nén là tạo ra sự chênh lệch áp suất để đẩy chuyển môi chất làm lạnh xung quanh toàn bộ hệ thống. Có nhiều thiết kế máy nén khác nhau, trong đó máy nén kiểu ly tâm, trục vít, xoắn ốc, trục quay, và kiểu piston là những loại phổ biến. Mỗi loại máy nén mang đến những đặc điểm độc đáo của mình.

Máy nén có khả năng tạo ra âm thanh đáng kể và thường xuyên phát ra tiếng ồn với cường độ cao. Do đó, việc đeo thiết bị bảo vệ thính giác khi ở gần máy làm lạnh là cần thiết để đảm bảo an toàn và sự thoải mái cho người làm việc trong môi trường làm lạnh.

Bình ngưng

Bình ngưng đặt sau máy nén và trước van tiết lưu, có chức năng chính là loại bỏ nhiệt từ chất làm lạnh được thu nhận trong dàn bay hơi. Có hai loại bình ngưng chính: làm mát bằng không khí và làm mát bằng nước.

Bình ngưng làm mát bằng nước hoạt động theo nguyên tắc của chu trình “nước ngưng,” trong đó nước và chất làm lạnh chảy qua các ống, được ngăn cách bởi thành ống. Nước lạnh chảy bên trong ống, trong khi chất làm lạnh chảy ra bên ngoài.

Ngược lại, bình ngưng làm mát bằng không khí vận hành khác biệt một chút, không sử dụng tháp giải nhiệt. Thay vào đó, chúng thổi không khí qua các ống bình ngưng, với chất làm lạnh chảy bên trong ống. Điều này tạo ra quá trình làm mát bằng cách sử dụng không khí, giúp loại bỏ nhiệt độ của chất làm lạnh và duy trì hiệu suất của hệ thống.

Van tiết lưu

Van tiết lưu được đặt giữa dàn ngưng và dàn bay hơi, với mục đích chính là làm cho chất làm lạnh giãn nở khi đi qua van. Quá trình này không chỉ giúp giảm áp suất mà còn cải thiện khả năng làm mát bằng cách giảm nhiệt độ từ dàn bay hơi. Van tiết lưu đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉ lưu lượng và áp suất của chất làm lạnh, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình làm mát trong hệ thống làm lạnh.

Dàn bay hơi

Dàn bay hơi, hay dàn lạnh chiller, là một thiết bị trao đổi nhiệt giữa gas lạnh sôi ở áp suất và nhiệt độ thấp với môi trường cần được làm lạnh. Nó đặt giữa van tiết lưu và máy nén trong hệ thống làm lạnh.

Chức năng chính của dàn bay hơi là thu nhiệt từ tòa nhà và chuyển nó vào chất làm lạnh để tiếp tục quá trình làm mát. Nhiệt độ “nước lạnh” được tạo ra từ sự chiết xuất nhiệt từ tòa nhà. “Nước lạnh” này sau đó được bơm xung quanh tòa nhà để cung cấp điều hòa không khí. Sau khi “nước lạnh” này đã thu hút thêm nhiệt từ môi trường, nó quay trở lại dàn bay hơi để bắt đầu chu kỳ làm lạnh mới.

Bộ nguồn

Bộ nguồn còn được gọi là nguồn điện, có thể được gắn trực tiếp vào máy làm lạnh hoặc có thể tách rời và lắp đặt ở một vị trí khác, sau đó được kết nối với máy làm lạnh bằng dây cáp điện. Nhiệm vụ chính của bộ nguồn là điều khiển dòng điện đến máy làm lạnh. Thường, bộ nguồn chứa các thành phần như bộ khởi động, bộ ngắt mạch, bộ điều khiển tốc độ và các thiết bị giám sát công suất để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của máy làm lạnh.

Bộ điều khiển

Bộ điều khiển thường được lắp đặt trực tiếp trên máy làm lạnh với mục đích theo dõi các khía cạnh khác nhau của hiệu suất máy và kiểm soát chúng thông qua các điều chỉnh. Bộ điều khiển này thường xuyên tạo ra các cảnh báo để thông báo cho đội ngũ kỹ thuật và tự động ngắt điện hệ thống một cách an toàn để tránh hỏng hóc thiết bị. Hơn nữa, các hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) thường kết nối với bộ điều khiển để có khả năng điều khiển và giám sát từ xa. Điều này giúp tối ưu hóa quản lý và hiệu suất của hệ thống máy làm lạnh.

Hộp nước

Hộp nước được tích hợp vào dàn bay hơi và dàn ngưng của thiết bị làm lạnh bằng nước. Chức năng chính của bộ phận này là dẫn dòng nước một cách hiệu quả qua hệ thống, đảm bảo sự tuần hoàn nước trong quá trình trao đổi nhiệt và duy trì hiệu suất làm lạnh của thiết bị.

Hệ thống điều hòa trung tâm nước (Water Chiller)

Hệ thống điều hòa trung tâm nước (Water Chiller) là một thiết bị quan trọng trong các hệ thống làm lạnh công nghiệp và thương mại. Chức năng chính của nó là tạo ra nguồn lạnh (nước lạnh) để làm mát các quy trình sản xuất, máy móc, hay không gian trong các tòa nhà.

Hệ thống Water Chiller hoạt động dựa trên nguyên lý nhiệt học, trong đó nước được sử dụng làm chất truyền nhiệt để thu và đưa đi nhiệt từ các khu vực cần làm mát. Cụ thể, nước lạnh được tạo ra thông qua quá trình trao đổi nhiệt giữa chất làm lạnh (như gas lạnh) và nước.

Cấu trúc chính của hệ thống Water Chiller bao gồm máy nén, van tiết lưu, bình ngưng tụ, dàn bay hơi, và các bộ phận điều khiển. Hệ thống này có khả năng làm mát nước và sau đó đưa nước lạnh này điều hòa nhiệt độ trong các quy trình sản xuất hay không gian làm việc.

Hệ thống Chiller gồm những gì?

Cụm trung tâm nước Water Chiller

Đây là trung tâm chủ đạo của hệ thống Chiller, là thiết bị đắt đỏ nhất và tiêu thụ năng lượng nhiều nhất. Được sản xuất theo công suất đã định sẵn, quá trình tính toán và chọn lựa không phức tạp như các phần khác. Sự chọn lựa của chúng dựa trên các yêu cầu về hiệu suất làm lạnh, bao gồm máy nén gas, hiệu suất làm việc, loại gas, và cũng tuỳ thuộc vào các yêu cầu về chất tải lạnh, cũng như việc có gắn bơm nhiệt hay không. Các thương hiệu nổi tiếng cung cấp cụm water-cooled chiller bao gồm: York, Trane, Carrier, Hitachi, và nhiều khác.

Mô hình hệ thống điều hòa trung tâm Chiller

Dưới đây là mô hình hoạt động của hệ thống điều hòa Chiller giải nhiệt nước trong 4 vòng tuần hoàn:

Vòng tuần hoàn đỏ:

• Nước nóng được bơm vào cooling tower để tỏa nhiệt ra môi trường.

• Vòng tuần hoàn màu xanh:
  • Gas lạnh trong cụm water chiller tham gia vào vòng tuần hoàn này.
• Vòng tuần hoàn màu vàng:
  • Hệ thống ống gió thổi vào phòng được điều hòa tham gia vào vòng tuần hoàn này.

Chiller trong hệ thống Water Chiller

Trong hệ thống Water Chiller, thiết bị Chiller đóng vai trò trung tâm quan trọng, chia hệ thống thành hai pha rõ ràng như sau:

• Pha làm lạnh:
  • Bình bay hơi của Chiller.
  • Các thiết bị bổ sung như AHU (Air Handling Unit), FCU (Fan Coil Unit).
• Pha giải nhiệt:
  • Bình ngưng tụ.
  • Cooling Tower.

Phân loại Chiller

Trong hệ thống điều hòa trung tâm, có nhiều cách phân loại chiller như theo máy nén, thiết bị ngưng tụ (water-cooled, air-cooled), heat recovery, lưu lượng qua bình bốc hơi, và thậm chí còn có chiller hấp thụ. Phần thiết kế và thi công điều hoà trung tâm là yếu tố quan trọng, với sự chú ý đặc biệt để tránh ảnh hưởng đến hoạt động và chất lượng của hệ thống.

Chiller đóng vai trò quan trọng, đảm nhận nhiệm vụ làm lạnh và phân phối nhiệt đến các tải trong toàn bộ hệ thống. Sự ảnh hưởng của chiller đối với hệ thống là không lớn. Khi lắp đặt chiller, việc lựa chọn tháp giải nhiệt (nước hoặc gió) cũng là một quyết định quan trọng vì ảnh hưởng đến hiệu quả, tiết kiệm và môi trường.

Đối với mục đích dự phòng, việc cân nhắc lựa chọn ít nhất 2 chiller và thiết kế để chúng có thể hoạt động xen kẽ, giúp đảm bảo sự liên tục khi một trong chúng gặp sự cố.

Nguyên lý hoạt động của Chiller

Hệ thống Chiller hoạt động dựa trên nguyên lý nhiệt học, sử dụng quá trình chuyển đổi của nước qua các trạng thái khác nhau. Nước từ trạng thái khí ngưng tụ chuyển sang dạng lỏng, và từ lỏng đông đặc thành trạng thái rắn.

Chất rắn, khi chuyển từ trạng thái lỏng sang khí, có tính chất thu nhiệt, nghĩa là lấy nhiệt từ môi trường xung quanh làm cho nó lạnh đi. Trong quá trình hoạt động của Chiller, gas lạnh lỏng bay hơi, thu nhiệt từ nước làm cho nước bị mất nhiệt và trở nên lạnh hơn. Sau đó, ở quá trình ngược lại, gas ở trạng thái áp suất thấp sẽ bị nén lại bởi máy nén ga lạnh. Dàn ống đồng thổi gió hoặc cooling water đưa gió vào để làm thành gió lạnh, trong quá trình này, gas sẽ tỏa nhiệt hoàn toàn để chuyển sang dạng lỏng, tạo ra hiện tượng thu nhiệt. Toàn bộ quá trình diễn ra trong một chu trình kín và hệ thống được điều chỉnh thông qua van tiết lưu.

Ưu và nhược điểm của hệ thống điều hòa không khí trung tâm – Chiller

Ưu điểm:

• Công suất đa dạng: Hệ thống Chiller có công suất dao động từ 5 ton đến hàng nghìn ton, đáp ứng nhu cầu của các công trình đa dạng, từ nhỏ đến lớn.
• Gọn nhẹ và linh hoạt: Hệ thống ống nước lạnh được thiết kế gọn nhẹ, phù hợp cho cả các tòa nhà cao tầng và những nơi có không gian hạn chế cho việc lắp đặt ống.
• Hoạt động ổn định và bền bỉ: Hệ thống có khả năng hoạt động ổn định, độ bền cao và tuổi thọ dài.
• Điều chỉnh công suất tải: Hệ thống có nhiều cấp giảm tải, cho phép điều chỉnh công suất tùy thuộc vào phụ tải bên ngoài, giúp tiết kiệm năng lượng.
• Phù hợp với mọi công trình: Thích hợp cho mọi loại công trình từ nhỏ đến lớn, đáp ứng nhu cầu đa dạng của khách hàng.
• Tiết kiệm điện năng: Cung cấp hiệu suất cao và giảm tiêu thụ điện năng, mang lại lợi ích về chi phí và bảo vệ môi trường.
• Nhiệt độ ổn định: Tạo ra môi trường với nhiệt độ ổn định, quan trọng cho việc bảo quản hàng hóa.

Nhược điểm:

• Lắp đặt và vận hành phức tạp: Yêu cầu người có chuyên môn và kỹ thuật cao để lắp đặt và vận hành hệ thống.
• Mất không gian vị trí: Một số hệ thống cần phải được đặt dưới tầng hầm, làm mất không gian vị trí.
• Yêu cầu phòng máy riêng: Đôi khi yêu cầu phải có phòng máy riêng và người chuyên trách phục vụ.
• Quản lý vận hành, sửa chữa và bảo dưỡng phức tạp: Yêu cầu quản lý chặt chẽ và nguồn nhân lực chuyên nghiệp để duy trì và sửa chữa hệ thống.
• Tiêu thụ năng lượng cao: Một số hệ thống có thể tiêu thụ năng lượng đáng kể, đặc biệt là với công suất lạnh cao.

Ứng dụng của Chiller

Chức năng của máy làm lạnh nước công nghiệp là chuyển động nhiệt từ một vị trí (thường là thiết bị hoặc sản phẩm trong quá trình sản xuất) đến một địa điểm khác (thường là không khí bên ngoài cơ sở sản xuất). Việc sử dụng nước hoặc dung dịch nước để truyền nhiệt là phổ biến, đồng thời yêu cầu có một hồ chứa và hệ thống bơm. Đối với mọi ngành công nghiệp và quy trình, việc đảm bảo có đủ khả năng làm mát là quan trọng để tối ưu hóa năng suất và giảm chi phí.

Trên đây là những thông tin cần biết về chiller, Nguyễn Hoàng hi vọng đây sẽ là một trong những thông tin bổ ích giúp đỡ mọi người trong việc bảo quản cũng như sử dụng phương pháp bảo quản tốt nhất.