Hệ thống quản trị đào tạo trực tuyến
Nội dung
Các yêu cầu hoàn thành
Chương 5: Vật Liệu Chế Tạo Máy và Thiết Bị Lạnh
1. Mục Tiêu
Sau khi hoàn thành chương này, người học có thể:
Trình bày được các yêu cầu kỹ thuật và tính chất cơ bản của vật liệu dùng để chế tạo máy nén và thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống lạnh.
Liệt kê và mô tả được ưu điểm của các kim loại phổ biến (Đồng, Thép carbon, Thép không gỉ) và vật liệu phi kim (Cao su, PTFE, vật liệu cách nhiệt) trong ứng dụng lạnh.
Giải thích được tầm quan trọng của việc xem xét tác động qua lại giữa môi chất lạnh, dầu lạnh và vật liệu chế tạo.
2. Nội Dung Chương
2.1. Các Kim loại Thường sử dụng trong Hệ thống Lạnh
2.1.1. Nhiệm vụ và Yêu cầu của Vật liệu Chế tạo Máy – Thiết bị Lạnh
Vật liệu trong hệ thống lạnh phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ rất thấp (dàn bay hơi, cấp đông), nhiệt độ và áp suất cao (máy nén, dàn ngưng), và tiếp xúc trực tiếp với môi chất lạnh và dầu lạnh.
Yêu cầu cơ bản:
Độ Bền cơ học: Phải đảm bảo chịu được áp suất cao (phía đẩy) và áp suất chân không (khi hút).
Độ Dẻo dai ở nhiệt độ thấp: Vật liệu không được trở nên giòn và dễ nứt gãy khi làm việc ở nhiệt độ dưới $0^\circ\text{C}$.
Khả năng hàn và gia công: Phải dễ dàng gia công cơ khí và hàn kín để đảm bảo độ kín tuyệt đối.
Chống ăn mòn: Phải bền vững khi tiếp xúc với môi chất lạnh, dầu lạnh và hơi ẩm.
2.1.2. Một số Kim loại Thường sử dụng trong Hệ thống Lạnh
| Kim loại | Đặc tính Chính | Ứng dụng Điển hình |
| Đồng (Copper) | Dẫn nhiệt tốt, dễ uốn, dễ hàn, chống ăn mòn tốt với nhiều môi chất. | Ống trao đổi nhiệt (dàn lạnh, dàn nóng), đường ống dẫn môi chất. |
| Thép Carbon | Giá thành rẻ, độ bền cơ học cao. | Vỏ máy nén, bình chứa cao/hạ áp, vỏ dàn trao đổi nhiệt lớn. |
| Thép Hợp kim/Thép không gỉ (Inox) | Độ bền cơ học cao ở nhiệt độ cao/thấp, chống ăn mòn tuyệt vời. | Trục máy nén, van, lò xo, các thiết bị tiếp xúc với môi chất ăn mòn (ví dụ: amoniac). |
| Nhôm (Aluminum) | Rất nhẹ, dẫn nhiệt tốt. | Cánh tản nhiệt (Fin) của dàn nóng/lạnh, ống trao đổi nhiệt trong một số hệ thống dân dụng. |
2.2. Vật liệu Phi kim Loại (Non-metallic Materials)
2.2.1. Một số Tính chất của Vật liệu Phi kim loại
Vật liệu phi kim được sử dụng chủ yếu làm vật liệu làm kín (seal), cách điện và cách nhiệt.
Tính chất quan trọng:
Độ đàn hồi: Cần thiết cho các vòng đệm và gioăng (seals) để đảm bảo độ kín tuyệt đối.
Tính ổn định hóa học: Không được phản ứng hoặc bị hòa tan bởi môi chất lạnh và dầu lạnh.
Tính cách điện: Quan trọng đối với vật liệu bọc dây điện và các bộ phận của động cơ (trong máy nén kín).
2.2.2. Một số Vật liệu Phi kim loại Thường sử dụng trong Hệ thống Lạnh
| Vật liệu | Đặc tính Chính | Ứng dụng Điển hình |
| Cao su tổng hợp (NBR, Neoprene) | Độ đàn hồi cao, chịu dầu tốt, độ kín tốt. | Gioăng làm kín mặt bích, vòng đệm (O-rings) cho máy nén bán kín. |
| PTFE (Teflon) | Hệ số ma sát cực thấp, ổn định hóa học tuyệt vời (chịu hóa chất, dầu, nhiệt). | Vòng đệm trục, ghế van (valve seats), lớp lót chống ăn mòn. |
| Vật liệu Cách nhiệt | Độ dẫn nhiệt ($\lambda$) rất thấp. | Lớp vỏ kho lạnh (PU, PS), bọc ống (Cao su non) để ngăn nhiệt xâm nhập. |
| Vật liệu Cách điện | Độ bền điện môi cao. | Lớp cách điện cho cuộn dây động cơ máy nén kín. |
2.3. Tác động Qua lại giữa các Loại Vật liệu trong Hệ thống Lạnh
Trong một hệ thống lạnh, vật liệu chế tạo, môi chất lạnh và dầu lạnh luôn tương tác với nhau. Sự tương tác này có thể gây ra hỏng hóc nếu vật liệu không được chọn đúng.
Tương tác Vật liệu - Môi chất:
Ăn mòn: Ví dụ, môi chất lạnh Amoniac ($\text{NH}_3$) gây ăn mòn mạnh đối với Đồng và hợp kim Đồng (nên các hệ thống $\text{NH}_3$ phải dùng Thép). Ngược lại, hầu hết các môi chất $\text{HFC/HCFC}$ đều an toàn với Đồng.
Hòa tan: Môi chất có thể hòa tan một số chất dẻo, làm giảm tính chất làm kín của gioăng đệm.
Tương tác Vật liệu - Dầu:
Dầu lạnh có thể làm mềm hoặc làm cứng một số loại cao su, làm hỏng vòng đệm.
Tương tác Thép - Nhiệt độ thấp:
Ở nhiệt độ rất thấp (ví dụ: trong hệ thống cấp đông sâu), Thép carbon có thể bị giòn lạnh, mất đi tính dẻo dai và dễ bị nứt vỡ. Do đó, cần sử dụng thép hợp kim hoặc thép không gỉ đặc biệt.
Hiện tượng Oxy hóa và Cáu cặn:
Sự hiện diện của hơi ẩm và oxy trong hệ thống có thể dẫn đến hình thành axit (ví dụ: $\text{HCl}$ với $\text{R}22$) hoặc cáu cặn, gây ăn mòn kim loại (thường là Đồng và Thép).