Chng 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH BỘ MÔN KTL ĐHKK GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT LẠNH (Lưu hành nội bộ) Tp Hồ Chí Minh 2015 1 MỤC LỤC Chương 1 CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH 1 1 Khái niệm về nóng và lạnh 1 2 Phương pháp tạo ra nhiệt độ thấp 1 2 1 Làm lạnh khi các chất biến đổi pha 1 2 2 Sự nóng chảy 1 2 3 Sự sôi 1 2 4 Thăng hoa 1 2 5 Làm lạnh bằng cách giãn nở khí 1 2 6 Làm lạnh bằng tiết lưu (hiệu ứng Joule Thomson) 1 2 7 Làm lạnh bằng hiệu ứng xoáy 1 2 8 Làm lạnh bằng hiệu.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH
Trang 2MỤC LỤC
Chương 1: CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH
1.1 Khái niệm về nóng và lạnh
1.2 Phương pháp tạo ra nhiệt độ thấp
1.2.1 Làm lạnh khi các chất biến đổi pha
1.4.2 Năng suất lạnh và năng suất lạnh riêng
1.4.3 Sự phụ thuộc của năng suất lạnh vào nhiệt độ sôi to và nhiệt độ ngưng
tụ tk 1.4.4 Chu trình bơm nhiệt
1.4.5 Chu trình hỗn hợp
Chương 2: VẬT LIỆU LẠNH
2.1 Môi chất lạnh
2.1.1 Yêu cầu đối với môi chất lạnh
a Yêu cầu về nhiệt động :
b Yêu cầu về hoá lý :
c Yêu cầu về sinh lý
d Yêu cầu về kinh tế
Trang 3b Dung dịch nước muối NaCl
c Dung dịch nước muối CaCl2
2.3 Dầu bôi trơn
2.3.1 Đại cương
a.Nhiệm vụ của dầu bôi trơn
b Yêu cầu đối với dầu bôi trơn
c Phân loại
2.3.2 Một số tính chất cơ bản của dầu bôi trơn
a Độ nhớt
b Khối lượng riêng
c Nhiệt độ đông đặc và nhiệt độ lưu động
o Tính bôi trơn và tính chất mài mòn
2.3.3 Các đặc tính riêng biệt của dầu lạnh
b Sử dụng dầu trong máy lạnh NH3
c Sử dụng dầu trong máy lạnh freon
2.3.5 Ảnh hưởng của tính hòa tan dầu trong môi chất lạnh đến sự làm việc
của hệ thống lạnh
Trang 4a Làm giảm năng suất lạnh
b Đặc tính khởi động của máy nén
c Sự trao đổi nhiệt trong thiết bị
d Sự tuần hoàn dầu trong hệ thống
2.4 Vật liệu cách nhiệt
2.4.1 Đại cương
2.4.2 Một số phương pháp cách nhiệt lạnh
a Cách nhiệt bằng bọt xốp:
b Cách nhiệt bằng phương pháp điền đầy
c Phương pháp cách nhiệt chân không
2.4.3 Các tính chất của vật liệu cách nhiệt lạnh
a Yêu cầu đối với vật liệu cách nhiệt lạnh
b Hệ số dẫn nhiệt
c Sự phụ thụôc vào khối lượng riêng
d Phụ thuộc vào độ lớn của lỗ xốp
f Ảnh hưởng của cấu trúc phân tử rắn
g Ảnh hưởng của độ ẩm
h Ảnh hưởng của áp suất không khí
i Ảnh hưởng của độ ẩm và độ khuyếch tán ẩm đến tính chất của vật liệu cách nhiệt
j Độ ẩm cân bằng của vật liệu
3.3 Chu trình quá lạnh, quá nhiệt
Quá lạnh, quá nhiệt:
Nguyên nhân gây ra quá lạnh, quá nhiệt:
3.3.1 Định nghĩa
3.3.2 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động
Trang 5Chương 4: CHU TRÌNH MÁY LẠNH NHIỀU CẤP
4.1 Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu, làm mát trung gian một phần
Trang 65.2.1 Quá trình nén lý thuyết
5.2.2 Quá trình nén thực
5.2.3 Máy một tầm nén
5.2.4 Máy nén hai tầm (Một máy 2 tầm nén)
5.2.5 Các bộ phận chi tiết trong máy nén pittông
a Đầu Van an toàn (Safety valve) và cơ cấu van
b Bộ tải và giảm tải (Unloader mechanism)
c Van xoay tay
d Cơ cấu bôi trơn (Lubrication mechanism)
e Kính xem dầu (oil sight glass)
f Bộ tản nhiệt dầu (Oil cooler)
g Cơ cấu bộ đệm kín (Shaft seal mechanism)
h Thân máy ( còn gọi là cacter )
i Pistong và sơ mi xylanh
j Trục khuỷu
l Tay biên
m Cụm van hút, van đẩy
5.2.6 Tính toán máy nén pittông
a Thể tích hút lý thuyết
b Thể tích hút thực tế
c Năng suất khối lượng của máy nén
d Hiệu suất nén và công suất động cơ yêu cầu
e Năng suất lạnh của máy nén
5.3 Máy nén roto
5.3.1 Máy nén roto lăn
5.3.2 Máy nén roto tấm trượt
Trang 7Chương 6: THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
6.1 Đặc điểm của thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh
6.1.1 Vai trò, vị trí của thiết bị ngưng tụ
6.1.2 Đặc điểm của thiết bị ngưng tụ
6.2 Khái niệm và Phân loại thiết bị ngưng tụ
6.2.1 Khái niệm về thiết bị ngưng tụ
6.2.2 Phân loại thiết bị ngưng tụ
a Theo môi trường làm mát, có thể chia các thiết bị ngưng tụ thành 4 nhóm
b Theo đặc điểm của quá trình ngưng tụ môi chất, có thể chia các thiết bị ngưng tụ thành 2 nhóm lớn
c Theo đặc điểm của quá trình lưu động của môi trường làm mát qua bề mặt trao đổi nhiệt có thể chia các thiết bị ngưng tụ thành các nhóm 6.3 Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước
6.3.1 Bình ngưng tụ kiểu ống vỏ nằm ngang
a Cấu tạo chung của bình ngưng NH3 và Freon
c Năng suất làm việc
d Ưu, nhược điểm của bình ngưng tụ ống vỏ NH3 và Freon
6.3.3 Thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử và kiểu ống lồng
a Thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử
Ưu và nhược điểm của cả 2 thiết bị kiểu phần tử và kiểu ống lồng
6.3.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu panen
a Cấu tạo
b Nguyên lý hoạt động
c Ưu và nhược điểm của thiết bị
Trang 86.4 Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí
6.4.1 Dàn ngưng đối lưu tự nhiên
6.4.2 Dàn ngưng đối lưu cưỡng bức
a Cấu tạo
b Nguyên lý hoạt động
c Năng suất làm việc
d Ưu và nhược điểm của thiết bị
6.5 Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước và không khí
6.5.1 Thiết bị ngưng tụ kiểu tưới
a Cấu tạo
b Nguyên lý hoạt động
c Năng suất làm việc
d Ưu và nhược điểm của thiết bị
6.5.2 Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi
a Cấu tạo
b Nguyên lý hoạt động
c Năng suất làm việc
d Ưu và nhược điểm của thiết bị
e Sự khác biệt giữa thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi và kiểu tưới
6.6 Tính chọn thiết bị ngưng tụ
* Tính chọn một thiết bị ngưng tụ thường phải qua các bước sau:
6.6.1 Chọn kiểu của thiết bị thiết kế và dự kiến chế độ làm việc dựa vào 6.6.2 Xác định phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Qk trong quá trình tính
toán nhiệt chu trình máy lạnh 6.6.3 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình giữa môi chất lạnh và môi
trường ttb 6.6.4 Xác định hệ số truyền nhiệt k
6.6.5 Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F, m2
6.6.6 Xác định chiều dài tổng cộng ống thiết bị ngưng tụ
6.6.7 Bố trí kết cấu thiết bị ngưng tụ
a Xác định số ống trong một đường nước theo vận tốc nước đã chọn
Trang 9Chương 7: THIẾT BỊ BAY HƠI
7.1 Khái niệm và phân loại thiết bị bay hơi
7.1.1 Khái niệm về thiết bị bay hơi
7.1.2 Phân loại thiết bị bay hơi
a Theo môi trường làm lạnh
b Theo mức độ choán chỗ của môi chất lạnh lỏng trong thiết bị
c Theo điều kiện tuần hoàn của chất tải lạnh
7.2 Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng
7.2.1 Thiết bị bay hơi ống vỏ kiểu ngập
a Cấu tạo
Sự khác nhau về cấu tạo giữa bình bay hơi ống vỏ kiểu ngập amôniăc và bình bay hơi ống vỏ frêôn
b Nguyên lý làm việc
c Ưu và nhược điểm
7.2.2 Thiết bị bay hơi ống vỏ môi chất sôi trong ống và trong kênh
a Bình bay hơi ống vỏ chùm ống thẳng, chum ống chữ U
7.3 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí
7.4 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí bằng nước và nước muối
7.4.1 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí bằng nước và nước muối
c Ưu và nhược điểm
7.5 Tính chọn thiết bị bay hơi
Các bước tính toán dàn lạnh
7.5.1 Chọn loại thiết bị bay hơi
7.5.2 Tính diện tích trao đổi nhiệt
7.5.3 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình ttb
7.5.4 Xác định hệ số truyền nhiệt k
7.5.5 Xác định lưu lượng chất tải lạnh lỏng hoặc không khí làm lạnh
Trang 107.5.6 Xác định tổng chiều dài truyền nhiệt L
7.5.7 Xác định số ống trong một hàng của thiết bị và tổn số ống trong thiết bị
a Số ống trong một hàng của thiết bị, n1
b Đường kính trong của bình bay hơi
Chương 8: THIẾT BỊ TIẾT LƯU
Lý thuyết chung về tiết lưu
8.1 Van tiết lưu tay
8 2 Van tiết lưu nhiệt
8.2.1 Nhiệm vụ
8.2.2 Cấu tạo
8.2.3 Nguyên lý làm việc
8.3 Van tiết lưu điện tử
Chương 9: CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRONG HỆ THỐNG LẠNH
9.1 Thiết bị tách lọc
9.1.1 Thiết bị tách dầu
a Lý do cần phải tách dầu
b Vị trí lắp đặt bình tách dầu
c Cấu tạo và nguyên lý hoạt động, phạm vi sử dụng bình tách dầu
d Các lưu ý khi lắp đặt và sử dụng bình tách dầu
9.1.3 Thiết bị tách khí không ngưng
a Lý do cần phải tách khí không ngưng
b Nguyên nhân khí không ngưng lọt vào bên trong hệ thống lạnh
c Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bình tách khí không ngưng
9.1.4 Thiết bị lọc
a Lý do cần phải lắp đặt thiết bị tách lọc
b Các loại thiết bị lọc
Trang 11 Thiết bị lọc hơi
Thiết bị lọc lỏng
Thiết bị khử ẩm (hút ẩm) 9.2 Thiết bị chứa đựng
9.2.1 Bình chứa cao áp
a Nhiệm vụ của bình chứa cao áp
b Cấu tạo, vị trí lắp đặt bình chứa cao áp
c Xác định thể tích bình chứa cao áp
9.2.2 Bình chứa hạ áp
a Nhiệm vụ của bình chứa hạ áp
b Cấu tạo và vị trí lắp đặt bình chứa hạ áp
c Xác định thể tích bình chứa hạ áp
9.2.3 Bình chứa tuần hoàn
a Nhiệm vụ của bình chứa tuần hoàn
b Cấu tạo và vị trí lắp đặt bình chứa tuần hoàn
c Xác định thể tích bình chứa tuần hoàn
9.2.4 Bình chứa bảo vệ
9.2.5 Bình chứa dầu (Bình tập trung dầu)
a Nhiệm vụ của bình chứa dầu
b Cấu tạo bình chứa dầu và nguyên lý hoạt động
c Chọn dung tích bình chứa dầu
9.2.6 Bình giữ mức lỏng – tách lỏng
a Nhiệm vụ của bình chứa dầu:
b Cấu tạo bình bình giữ mức-tách lỏng
9.2.7 Bình trung gian
a Nhiệm vụ của bình trung gian:
b Cấu tạo của bình trung gian
c Tính toán bình trung gian
9.4.1 Thiết bị hồi nhiệt
a Nhiệm vụ của thiết bị hồi nhiệt:
b Cấu tạo và nguyên lý làm việc thiết bị hồi nhiệt
Trang 129.4.2 Thiết bị quá lạnh
a Nhiệm vụ của thiết bị quá lạnh lỏng
b Cấu tạo và nguyên lý làm việc thiết bị quá lạnh
9.4.3 Thiết bị tháp giải nhiệt
a Nhiệm vụ của tháp giải nhiệt nước
b Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tháp giải nhiệt
Trang 13Muốn làm lanh vật thề đến nhiệt độ tháp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh chỉ có thể thực hiện được bằng các máy lạnh hoặc bằng các nguồn lạnh khác (ví dụ như nước đá)
Trạng thái nhiệt cùa một vật thể được đặc trưng bởi nhiệt độ Trong hệ thống đơn vị quốc tế người ta sử dụng hai thang đo nhiệt độ: nhiệt độ Kelvin T,K (còn gọi là nhiệt độ tuyệt đối) và nhiệt độ Celcius t,oC Quan hệ giữa hai nhiệt độ như sau:
t = T – 273oC
Đơn vị đo nhiệt lượng: [J]
Trong hệ thống đơn vị quốc tế, đơn vị đo nhiệt lượng được sử dụng là Joule (J), tức là công sinh ra khi có 1 lực là 1 Newton thực hiện một quãng đường dài là 1m Để thuận lợi hơn người ta sử dụng KiloJoule (KJ) bằng 1000J Ngoài ra cón có đơn vị nhiệt lượng khác là Kilocalo (Kcal), tức là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của 1kg nước từ 19,5oC đến 20,5oC ở
áp suất khí quyển
1 Kcal = 4186,8J = 4,1868 KJ
Để nung nóng một khối lượng như nhau của các vật thể khác nhau đến một số nhiệt độ như nhau cần có một nhiệt lượng khác nhau Điều đó có nghĩa là nhiệt dung của các vật thể phụ thuộc vào tính chất vật lý của chúng Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để nung nóng hoặc làm lạnh 1Kg vật chất lên hoặc xuống 1 độ
1 Kcal/Kg độ = 4186,8J/Kg.K = 4,1868 KJ/Kg.K
Trang 14Nhiệt dung của các chất lỏng và chất rắn phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng Khi nhiệt độ giảm, nhiệt dung của đa số các chất đều giảm
1.2 Phương pháp tạo ra nhiệt độ thấp
1.2.1 Làm lạnh khi các chất biến đổi pha
Trạng thái của một chất (thể rắn, thể lỏng, thể khí) phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài: nhiệt độ t và áp suất P Khi cò sự thay đỗi các điều kiện đó thì mối liên kết giữa các phân tử vật thể cũng thay đổi và vật thể đó được chuyển sang một trạng thái khác Sự biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác của một vật thể đồng nhất gọi là biến đổi pha
Sự biến đổi pha của các chất đồng nhất diễn ra ở nhiệt độ không đổi, phụ thuộc vào các điều kiện biến đổi và các tính chất vật lí của các chất, có kèm theo sự tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt một lượng cần thiết để thay đổi mối liên kết giữa các phân tử
Quá trình biến đổi trang thái của một chất được chỉ ra trên hình 1.1 bởi biểu đồ biến đổi pha của cacbonic
Đường AB trên biểu đồ phân chia vùng chất rắn và chất khí, đường AC phân chia vùng chất rắn và chất lỏng, đường AD phân chia vùng chất lỏng và chất khí Ở các điểm đặc biệt trên các đường AB, AC, AD vật thể có thể đồng thời ở cả hai pha: rắn và khí, rắn và lỏng, lỏng và khí Trạng thái như vậy được gọi là trạng thái ba thể Các thông số của điểm ba thể phụ thuộc vào các tính chất vật lý của vật thể Khi t > tth (ở điểm tới hạn D) chỉ còn một thể khí
Trang 15Sự biến đổi pha là quá trình vật lý không kèm theo sự biến đổi hóa học
Có một số chất khí biến đối pha (nóng chảy, sôi, thăng hoa) thì thu một nhiệt lượng khá lớn ở nhiệt độ thấp, cho nên chúng có thể sử dụng để làm lạnh
dụ như hỗn hợp nước đá với muối NaCl có thể làm lạnh đến nhiệt độ -21,2oC
và với muối CaCl2 thì có thẻ đến -55oC
Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy 1Kg nước đá hoặc 1Kg hỗn hợp gọi là nhiệt nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy của các thành phần dung dịch càng giảm thì các thành phần dung dịch càng giảm
Trong thực tế người ta thường sử dụng nước đá làm từ các dung dịch 3 thể
có nhiệt độ nóng chảy thấp được xác định ở điểm 3 thể Ví dụ, các dung dịch
Na2S2O3 và NaNO3 có nhiệt độ đông đặc -11oC và -18,5oC
Nhiệt độ thấp có thể nhận được khi hỗn hợp nước đá với các loại axit loãng Ví dụ, hỗn hợp với số lượng như nhau giữa H2SO4 nồng độ 66% và tuyết hoặc đá nghiền vụn sẻ có nhiệt độ đông đặc -37oC
1.2.3 Sự sôi
Quá trình sôi diễn ra khi cung cấp nhiệt cho một chất lòng
Nhiệt lượng cần thiết để làm 1Kg chất lỏng biến thành hơi bão hòa khô gọi là nhiệt ẩn hóa hơi qh
Để làm lạnh người ta sử dụng các chất lỏng có nhiệt độ sôi to thấp ở áp suất Po bình thường và có nhiệt ẩn hóa hơi lớn; to phụ thuộc vào Po khi Po
tăng thì to tăng, còn qh thì giảm Quá trình sôi của chất lỏng được áp dụng rộng rãi trong chu trình lạnh
1.2.4 Thăng hoa
Quá trình biến đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí không qua trạng thái lỏng trung gian gọi là thăng hoa
Để làm lạnh người ta còn sử dụng cacbonic rắn thăng hoa hay còn gọi la
“đá khô” Nhiệt độ thăn hoa của đá khô ở áp suất khí quyển la -78,9oC, nhiệt
ẩn thăng hoa bằng 574 KJ/Kg (137 Kcal/Kg); nếu áp suất giảm, có thể giảm nhiệt độ thăng hoa của đá khô đến -100oC
Trang 161.2.5 Làm lạnh bằng cách giãn nở khí
Trong quá trình dãn nở đoạn nhiệt của một chất khí, nhiệt độ sẽ giảm xuống, vì rằng ngoại công lúc bấy giờ sinh ra là do nội năng của chất khí Mối liên hệ giữa t và P trong quá trình dãn nở đoạn nhiệt đối với một chất khí lý tưởng như sau:
, với K là số mũ đoạn nhiệt
Nếu không khí nén đến áp suất 90 bar ở t1 = 25oC và cho dãn nở đến 1 bar với K = 1,4; nhiệt độ cuối T2 sẽ bằng :
- Nguyên lý hoạt động:
+ Quá trình 1 – 2: Xảy ra ở tại máy nén, không khí được nén đoạn nhiệt S1 = const
Trang 17+ Quá trình 2 – 3: Xảy ra tại bình làm mát, không khí thải nhiệt cho môi trường, P = const
+ Quá trình 3 – 4: Xảy ra tại máy giãn nở, không khí giãn nở đoạn nhiệt S2 = const, nhiệt độ thấp, áp suất thấp
+ Quá trình 4 – 1: Xảy ra tại buồng lạnh (phòng lạnh), không khí thu nhiệt của môi trường ở po = const và nóng dần lên đến điểm 1 do đó khép kín vòng tuần hoàn
- Nhận xét :
+ Quá trình máy lạnh nén khí gồm hai quá trình nén và giãn nở đoạn nhiệt với hai quá trình trình thu và thải nhiệt đẳng áp nhưng không đẳng nhiệt + Công của chu trình bằng diện tích (1 - 2 - 3 - 4) biểu diễn trên đồ thị T-s + Nhiệt độ to (nhiệt độ phòng lạnh) đạt được phụ thuộc vào t3, áp suất P1 và
Phương pháp tạo ra nhiệt độ thấp này được áp dụng ứng dụng rộng rãi
từ máy điều tiết không khí cho đến trong kỹ thuật siêu lạnh (kỹ thuật Cryo) ở các máy lạnh không khí để sản xuất Nitơ, oxy hóa lỏng, hóa lỏng không khí
và tách khí, hóa lỏng khí đốt
1.2.6 Làm lạnh bằng tiết lưu (hiệu ứng Joule-Thomson)
Hình 1.3 Tiết lưu không sinh ngoại công của một dòng môi chất
Tiết lưu là một quá trình giảm áp suất của một chất lỏng hoặc chất khí khi chuyển động qua cửa nghẽn (van)
Trong quá trình này không có sinh công và entanpi không đổi Nội năng của chất khí dùng để thắng ma sát bên trong khi chuyển động qua cửa nghẽn
Trang 18Sự thay đổi nhiệt độ của khí lý tưởng bị tiết lưu gọi là hiệu ứng Thomson
Joule-Hiệu ứng này được sử dụng trong kỹ thuật siêu lạnh Sự giảm nhiệt độ trong quá trình tiết lưu ít hơn nhiều so với quá trình dãn nở đoạn nhiệt
có sự truyền động năng từ các lớp trong cho các lớp ngoài và làm tăng nhiệt
độ của các lớp ngoài, còn các lớp khí bên trong thì lạnh đi Kết quả là các lớp khí bên ngoài (đi qua van tiết lưu) thì nóng, còn các lớp khí bên trong (đi qua cửa nghẽn) thì lạnh
Thí nghiệm cho thấy không khí có áp suất vừa phải ở nhiệt độ môi trường
có thể chấp nhận được một dòng khí lạnh (-10
p -50oC) và dòng khí nóng (100 130)oC
Quá trình làm lạnh trong ống xoáy đòi hỏi rất nhiều điện năng
Ưu điểm của ống xoáy là cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy và khởi động nhanh Việc áp dụng ống xoáy để làm lạnh chỉ mang tính chất tạm thời với công suất nhỏ, đặc biệt có lợi đối với những nơi có sẵn nguồn khí nén
1.2.8 Làm lạnh bằng hiệu ứng nhiệt điện
Phương pháp lám lạnh này dựa vào nuyên lý khi có một dòng điện chuyển động trong mạch điện gồm hai dây dẫn khác nhau, thì một đầu sẽ nóng lên một đầu sẽ lạnh đi Nhiệt lượng Qp tỏa ra hoặc mất đi tỉ lệ với cường độ dòng điện I và thời gian τ
