Giáo trình kỹ thuật lạnh 3-IUH

Chng 1 Chương 3 CHU TRÌNH MÁY LẠNH MỘT CẤP 3 1 Chu trình Carnot ngược chiều 3 1 1 Định nghĩa Chu trình thuận chiều là chu trình tiến hành thuận theo chiều kim đồng hồ và là chu trình của các máy sinh.

Chương 3 CHU TRÌNH MÁY LẠNH MỘT CẤP

3.1 Chu trình Carnot ngược chiều

3.1.1 Định nghĩa

- Chu trình thuận chiều là chu trình tiến hành thuận theo chiều kim đồng hồ và là chu trình của các máy sinh công, biến đổi nhiệt năng thành cơ năng như các động cơ nhiệt, động cơ nổ, đầu máy hơi nước

- Chu trình ngược chiều tiến hành ngược theo chiều kim đồng hồ là chu trình của máy lạnh và bơm nhiệt, tiêu tốn năng lượng hoặc công để bơm một dòng nhiệt từ nhiệt độ thấp thải ra môi trường có nhiệt độ cao hơn Tất cả các chu trình nghiên cứu dưới đây đều là chu trình ngược chiều

- Chu trình Carnot ngược chiều có thể thực hiện trong máy lạnh nén khí với thiết bị dãn nở, trong đó tác nhân lạnh không phải là khí mà là chất lỏng dễ bay hơi

3.1.2 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động

Chu trình Carnot ngược chiều là chu lạnh đơn giản nhất Chu trình gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và 2 quá trình đẳng nhiệt xen kẽ nhau Trên đồ thị T- s nó là hình chữ nhật nhưng đứng về mặt thiết bị nó phức tạp hơn các chu trình khác vì do có thêm thiết bị giản nở

Hình 3.1: Chu trình Carnot ngược chiều

Trong đó:

MN: Máy nén NT: Thiết bị ngưng tụ

DN: Máy giãn nở BH: Thiết bị bốc hơi Trên sơ đồ và đồ thị biểu diển các quá trình của chu trình Carnot ngược chiều như sau:

- Quá trình 1-2: Đây là quá trình nén đoạn nhiệt hơi hút xảy ra tại máy nén Để điểm 2 nằm đúng trên đường hơi bảo hòa khô, điểm 1 phải nằm đúng trong vùng hơi ẩm Ở quá trình này có đặc điểm là S1=S2

(AS = 0 ) Nhiệt độ tăng từ T1 ^T_; áp suất tăng từ P1 ^P2

- Quá trình 2-3: Đây là quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt xảy ra tại thiết bị ngưng tụ Đặc điểm của quá trình : T2 = T3 và p2 = p3 = pk và điểm 3 nằm trên đường bảo hòa lỏng ( x= 0)

- Quá trình 3-4: Là quá trình giãn nở đoạn nhiệt có sinh ngoại công xảy

ra ở máy giãn nở Đặc điểm quá trình là S3 = S4

- Quá trình 4-1: Là quá trình bốc hơi đẳng nhiệt T4 = T1 để sinh lạnh ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp và quá trình này cũng là quá trình đẳng áp

* Nhận xét:

- Chu trình Carnot có hệ số lạnh đạt cực đại mà các chu trình khác không chu trình nào đạt được

Hệ số lạnh của chu trình : s = — = _ T°

l TK - T°

Hệ số lạnh của chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ của môi trường, không phụ thuộc tính chất của môi chất lạnh

- Ưu điểm và nhược điểm :

+ Ưu điểm:

Công nén nhỏ do nhiệt độ cuối tầm nén thấp

Quá trình giãn nở trong máy dãn nở có sinh công hữu ích

Hệ số lạnh của chu trình là lớn nhất so với các chu trình khác ở cùng một điều kiện làm việc

Máy giãn nở sinh ngoại công có ích khi vận hành

+ Nhược điểm:

Máy dãn nở kồng kềnh làm tăng chi phí đầu tư ban đầu vận hành khó khăn do vậy máy dãn nở ít được sử dụng trong thực tế

Chu trình Carnot có trạng thái hơi hút về máy nén tại điểm 1 nằm trong vùng hơi ẩm và cần phải điều chỉnh sao cho điểm 2 nằm ở cuối quá trình nén phải rơi đúng vào đường bảo hòa khô Điều này rất khó thực hiện trong thực tế

3.1.3 Nguyên lý làm việc

Hơi bão hòa ẩm ở trạng thái 1 được hút về máy nén, được nén đoạn nhiệt, đẳng entropy Hơi ra khỏi máy nén có trạng thái bão hòa khô 2 đi vào TBNT thải nhiệt cho môi trường làm mát là nước hoặc không khí Quá trình 2-3 là quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt, đẳng áp Lỏng bão hòa với thông số trạng thái 3 đi vào máy dãn nở, dãn nở đoạn nhiệt, đẳng entropy theo quá trình 3-4 có sinh ngoại công Với thông số trạng thái 4 môi chất đi vào TBBH, nhận nhiệt lượng q0 đẳng nhiệt, đẳng áp theo quá trình 4-1 rồi đi vào máy nén Chu trình cứ thế tiếp diễn

3.1.4 Tính toán chu trình

Điểm quan trọng nhất của chu trình Carnot ngược chiều là hệ số lạnh đạt cực đại nên chu trình Carnot ngược chiều được coi là chu trình lý tưởng

- Hệ số lạnh của chu trình Carnot (s c) được xác định như sau :

T

0 ( S 1 - s 4 ) = T 0

(T k - TO)(s2 -s3) DT (6 T k - T 0-1 - 4 - 5)

DT (1 - 2 - 3 - 4)

do (S1 - S4= S2 - S3)

3.2 Chu trình khô

3.2.1 Định nghĩa

Chu trình khô là chu trình có hơi hút về máy nén là hơi bảo hòa khô.

Nhận xét: Chu trình khô cải tiến để loại trừ được các nhược điểm của

chu trình Carnot để đề phòng va đập thủy lực, hơi hút về máy là hơi bảo hòa khô và máy dãn nở được thay thế bằng van tiết lưu

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động

Hình 3.2: Chu trình khô

Trong đó:

MN: Máy nén NT: Thiết bị ngưng tụ

TL: Van tiết lưu BH: Thiết bị bốc hơi

J tk nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường làm mát (nước hoặc không khí) trong thiết bị ngưng tụ

J t0: Nhiệt độ bay hơi phụ thuộc vào nhiệt độ môi chất hay vật cần làm lạnh (không khí, nước, dung dịch ) trong thiết bị bốc hơi Trên sơ đồ và đồ thị biểu diển các quá trình của chu trình khô như sau:

- Quá trình 1-2: Là quá trình nén đoạn nhiệt môi chất (ở dạng hơi) Hơi môi chất ở trạng thái điểm 1 được máy nén hút và nén lên đến trạng thái tại điểm 2, trong quá trình nén này tiêu tốn một công l Ở quá trình này có đặc điểm: S1= S2 ( hoặc AS = 0); nhiệt độ của môi chất lạnh tăng từ T0 đến TK ; áp suất tăng từ p0 đến pK Điểm 2 nằm trong vùng hơi quá nhiệt

- Quá trình 2-3: Quá trình làm mát và ngưng tụ đẳng áp hơi môi chất, xảy ra tại thiết bị ngưng tụ Môi chất trao đổi nhiệt với môi trường làm mát bằng nước hoặc không khí Khi môi chất được đưa đến thiết

bị ngưng tụ, môi chất được làm mát và hạ nhiệt độ xuống tới đường bảo hòa khô (x=1), trong quá trình này, nhiệt độ thì giảm còn áp suất thì không đổi

Trong vùng hơi ẩm môi chất chuyển đổi pha từ dạng bảo hòa khô sang dạng lỏng nhờ có nước làm mát (hoặc không khí) Trong quá trình này, áp suất không đổi p2 = p3 = pK.

- Quá trình 3 - 4: Đây là quá trình tiết lưu đẳng Enthalpy môi chất lạnh

ở điểm 3 được tiết lưu đến điểm 4 , trong quá trình tiết lưu này môi chất có nhiệt độ và áp suất từ tK, pK giảm xuống đến nhiệt độ và áp suất t0, p0

- Quá trình 4 - 1: Đây là quá trình sôi và bốc hơi đẳng áp và đẳng nhiệt Trong quá tình này môi chất nhận nhiệt của môi trường cần làm lạnh sôi và bốc hơi đẳng áp đồng thời sinh lạnh ( đây là quá trình mà ta cần thực hiện ) Sau đó môi chất lạnh được máy nén hút

về khép kín vòng tuần hoàn và bắt đầu một chu trình mới

Trong đó:

Điểm 1 : Giao điểm của Po và x=1

Điểm 2 : Giao điểm của đường S1=S2 và đường Pk

Điểm 3 : Giao điểm của đường x= 0 và đường Pk

Điểm 4 : Giao điểm của h3= h4 và đường Po

3.2.3 Nguyên lý làm việc

Hơi bão hòa khô từ TBBH đi đến máy nén, được nén đoạn nhiệt, đẳng entropy theo quá trình 1-2 Hơi quá nhiệt cao áp với thông số trạng thái 2 đi vào TBNT, ngưng tụ đẳng áp theo quá trình 2-3, nhả nhiệt qk thành lỏng hoàn toàn Lỏng cao áp với thông số trạng thái 3 đi đến van tiết lưu và tiết lưu đẳng enthalpy thành hơi bão hòa ẩm hạ áp với thông số trạng thái 4 Môi chất với thông số trạng thái 4 đi vào TBBH nhận nhiệt q0 đẳng nhiệt, đẳng áp đến thông số trạng thái 1 rồi quay về máy nén Chu trình cứ thế tiếp diễn

3.2.4 Tính toán chu trình

1) Tính toán năng suất lạnh riêng:

qo = hi- h2 ; [Kj/kg]

2) Năng suất lạnh riêng thể tích:

QV = q0/v1 ; [Kj/m3]

3) Năng suất nhiệt riêng thải ra ở thiết bị ngưng tụ:

qk = h2-h3 ; [Kj/kg]

4) Công nén riêng:

l = h2-hl ; [Kj/kg]

5) Tỷ số nén:

n = pk [Kj/kg];[ kcal/kg]

p0

6) Hệ số lạnh của chu trình:

e = qo

1 0

7) Độ hoàn thiện của chu trình:

v = s = £ [ T K T- 0 ]

Y=

3.3 Chu trình quá lạnh, quá nhiệt

❖ Quá lạnh, quá nhiệt:

* Quá lạnh: Là quá trình tiếp tục hạ nhiệt độ của môi chất sau khi đã được ngưng tụ, mục đích làm giảm tổn thất không thuận nghịch trong van tiết lưu

* Quá nhiệt: Là quá trình xảy ra khi nhiệt độ hơi hút về máy nén lớn hơn nhiệt độ bốc hơi, quá trình này xảy ra nằm trong vùng hơi quá nhiệt ở đồ thị lgP-h

❖ Nguyên nhân gây ra quá lạnh, quá nhiệt:

* Nguyên nhân gây ra quá lạnh:

- Có bố trí thêm thiết bị quá lạnh lỏng sau thiết bị ngưng tụ

- Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng nên lỏng môi chất được quá lạnh ngay ở thiết bị ngưng tụ

- Do lỏng môi chất tỏa nhiệt ra ở môi trường trên đoạn đường ống từ thiết bị ngưng tụ đến thiết bị tiết lưu

* Nguyên nhân quá nhiệt:

- Sử dụng van tiết lưu nhiệt, hơi ra khỏi thiết bị bốc hơi bao giờ cũng

có một độ quá nhiệt nhất định

- Do tải nhiệt quá lớn và thiếu lỏng cấp cho thiết bị bốc hơi

- Do tổn thất lạnh trên đường ống từ thiết bị bốc hơi về máy nén

3.3.1 Định nghĩa

Chu trình quá lạnh, quá nhiệt là chu trình có nhiệt độ lỏng vào van tiết lưu nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ (nằm trong vùng lỏng quá lạnh) và hơi môi chất hút về máy nén lớn hơn nhiệt độ bốc hơi (nằm trong vùng quá nhiệt)

3.3.2 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động

Trong đó:

MN: Máy nén

QL: Bình quá lạnh BH: Thiết bị bốc hơi Trên sơ đồ và đồ thị biểu diển các quá trình của chu trình quá lạnh, quá nhiệt như sau:

- Quá trình 1-2: Là quá trình nén đoạn nhiệt môi chất (ở dạng hơi) Hơi môi chất từ điểm 1 được máy nén hút và nén lên đến trạng thái tại điểm 2, trong quá trình nén này tiêu tốn một công l Ở quá trình này

có đặc điểm: S1 = S2 (hoặc AS = 0); nhiệt độ của môi chất lạnh tăng từ

T0 đến TK ; áp suất tăng từ p0 đến pK quá trình này xảy ra tại vùng hơi quá nhiệt

- Quá trình 2-3: Quá trình làm mát và ngưng tụ đẳng áp hơi môi chất, xảy ra tại thiết bị ngưng tụ Quá trình này được chia thành 3 giai đoạn

- Giai đoạn 1, môi chất sau khi được đưa đến thiết bị ngưng tụ, môi chất trao đổi nhiệt với môi trường làm mát bằng nước hoặc không khí môi chất được làm mát và hạ nhiệt độ xuống tới đường bảo hòa khô (x =1), trong quá trình này, nhiệt độ thì giảm còn áp suất thì không đổi

Hình 3.3: Chu trình quá lạnh, quá nhiệt

a) Sơ đồ nguyên lý b) Đồ thị lgp-h

NT: Thiết bị ngưng tụ

TLN: Van tiết lưu nhiệt

- Giai đoạn 2, đây là quá trình ngưng tụ đẳng áp môi chất chuyển đổi pha từ dạng bảo hòa khô sang dạng lỏng nhờ có nước làm mát (hoặc không khí) Trong quá trình này, áp suất không đổi p3’ = pK = cost

- Giai đoạn 3, là quá trình quá lạnh hơi môi chất, môi chất ở trạng thái điểm 3 (điểm nằm trên đường x = 0) được đưa vào bình quá lạnh

và được làm lạnh hạ nhiệt độ từ t3’ xuống nhiệt độ t3

- Quá trình 3 - 4: Đây là quá trình tiết lưu đẳng Enthalpy môi chất lạnh

ở điểm 3 được tiết lưu đến điểm 4, trong quá trình tiết lưu này môi chất có nhiệt độ và áp suất từ tK, pK giảm.Trong chu trình này h = const

- Quá trình 4 - 1’: Đây là quá trình bốc hơi đẳng áp, đẳng nhiệt hơi môi chất t = const; p = const, môi chất trao đổi nhiệt với môi trường cần làm lạnh sôi và bốc hơi

- Quá trình 1’ - 1: Là quá trình quá nhiệt hơi môi chất do sử dụng van tiết lưu nhiệt Sau đó môi chất được máy nén hút về và khép kín vòng tuần hoàn

Nhận xét:

Chu trình này do có quá lạnh, quá nhiệt nên:

- Độ quá nhiệt hơi hút nên: AtQN = ti - ti’ = ti- t0

- Độ quá lạnh hơi hút nên: AtQL = t3 ’ - t3 = tK- t3

- Nếu ta so sánh với chu trình khô thì:

+ Do có độ quá nhiệt nên công nén riêng lớn hơn, năng suất hút giảm đi lý do vì thể tích riêng ( v) tăng lên: lo = h2 - hi

+ Do có độ quá lạnh lỏng nên năng suất lạnh riêng tăng: Aq 0 =

h3’-h3 = h3’-h4

+ Năng suất lạnh riêng: q0 = hi’-h4

- Nếu nhiệt độ buồng lạnh cao hơn ti trong trường hợp dùng van tiết lưu nhiệt và trường hợp thiết bị bốc hơi là dàn trao đổi nhiệt ngược dòng, khi đó: qo = hi-h4

- Đối với hệ thống lạnh dùng NH3 sử dụng chu trình khô để tránh lỏng cuốn vào máy nén và do tổn thất lạnh đường ống hút nên nhiệt độ hút thường cao hơn nhiệt độ sôi từ 5 ^ 80C Nhiệt độ lỏng vào van tiết lưu do tỏa nhiệt ra môi trường nên cũng thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ

từ 2 ^ 50C Chu trình này chủ yếu sử dụng cho môi chất NH3

Chú ý:

+ Quá lạnh luôn làm tăng hệ số làm lạnh s hay tăng hiệu suất exergi

Hen

+ Quá nhiệt tuy làm tăng công nén chut ít (giảm s) nhưng đảm bảo cho máy nén vì hơi hút về không có chứa lỏng gây ra va đập thuỷ lực + Chu trình quá lạnh và quá nhiệt thường sử dụng cho môi chất lạnh

NH3

3.3.3 Nguyên lý làm việc

Hơi quá nhiệt với thông số trạng thái 1 được hút về máy nén, nén đoạn nhiệt, đẳng entropy theo quá trình 1-2 Hơi quá nhiệt cao áp với thông số trạng thái 2 đi vào TBNT, ngưng tụ đẳng áp theo quá trình 2-3’, nhả nhiệt qk

thành lỏng hoàn toàn Lỏng cao áp với thông số trạng thái 3’ đi đến TBQL được làm mát và hạ nhiệt độ xuống thành lỏng quá lạnh với thông số trạng thái 3 Sau đó lỏng với thông số trạng thái 3 đi qua van tiết lưu và tiết lưu đẳng enthalpy thành hơi bão hòa ẩm hạ áp với thông số trạng thái 4 Môi chất với thông số trạng thái 4 đi vào TBBH nhận nhiệt q0 đẳng nhiệt, đẳng áp đến thông số trạng thái 1’ rồi bị quá nhiệt thành hơi quá nhiệt với thông số trạng thái 1 và được máy nén hút về Chu trình cứ thế tiếp diễn

3.3.4 Tính toán chu trình

a Năng suất lạnh riêng:

q0 - h1 - hi

b Độ quá nhiệt:

A t qn -t 1 -tí -t 1 -t0

c Độ quá lạnh lỏng:

- tk -t3A t ql

3.4 Chu trình hồi nhiệt

3.4.1 Định nghĩa

Chu trình hồi nhiệt là chu trình có thiết bị trao đổi nhiệt trong giữa môi chất lỏng nóng (trước khi vào van tiết lưu) & hơi lạnh trước khi về máy nén.

3.4.2 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động

Hình 3.4: Chu trình hồi nhiệt

a) Sơ đồ nguyên lý b) Đồ thị lgp-h

Trong đó:

MN: Máy nén NT: Thiết bị ngưng tụ

HN: Thiết bị hồi nhiệt BH: Thiết bị bốc hơi TLN: Van tiết lưu nhiệt

Trên sơ đồ và đồ thị biểu diển các quá trình của chu trình hồi nhiệt như sau:

- Quá trình 1-2: (xảy ra tương tự như chu trình quá lạnh và quá nhiệt)nhưng ở chu trình này hơi môi chất được hút từ thiết bị hồi nhiệt chứ không phải là thiết bị bốc hơi Hơi hút về máy nén cũng là hơi quá nhiệt

- Quá trình 2-3: Quá trình làm mát và ngưng tụ đẳng áp hơi môi chất, xảy ra tại thiết bị ngưng tụ Quá trình này được chia thành 3 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1 và giai đoạn 2 cũng tương tự như chu trình quá lạnh và quá nhiệt

+ Giai đoạn 3 là quá trình quá lạnh lỏng hơi môi chất ở thiết bị hồi nhiệt, môi chất ở điểm 3’ (điểm nằm trên đường x = 0) được đưa vào hồi nhiệt và được hạ nhiệt độ từ t3’ xuống nhiệt độ t3 do trao đổi nhiệt với hơi môi chất có nhiệt độ thấp từ thiết bị bốc hơi về

+Quá trình 3 - 4: Đây là quá trình tiết lưu đẳng Enthalpy môi chất lạnh

ở điểm 3 được tiết lưu đến điểm 4, trong quá trình tiết lưu này môi chất có nhiệt độ và áp suất từ tK, pK giảm, trong quá trình này h = const

+Quá trình 4 - 1’: Đây là quá trình bốc hơi đẳng áp và đẳng nhiệt hơi môi chất, trong quá trình này môi chất trao đổi nhiệt với môi trường cần làm lạnh môi chất lấy nhiệt của môi trường sôi và bốc hơi

+Quá trình 1’- 1: Quá trình hút hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt

Nhận xét:

Chu trình quá lạnh, quá nhiệt và chu trình hồi nhiệt có khác nhau ở một số điểm:

+Ở chu trình quá lạnh, quá nhiệt thì độ quá lạnh, quá nhiệt không phụ thuộc vào nhau và có các giá trị khác nhau

+Ở chu trình hồi nhiệt thì lượng nhiệt do môi chất lạnh thu vào đúng bằng lượng nhiệt do lỏng nóng thải ra Do đó:

A h3’3 = A hii’ ; với A h3’3 = h3 — h3 ; A hii’ = hl — hi’ Nhiệt do hơi thu vào: Qh = m.Cph A th

Nhiệt do môi chất lỏng thải ra: Q1 = m.Cpi A t1

Do đó: m Cph A th = m.Cpi A ti

Vì nhiệt dung riêng của iỏng bằng nhiệt dung riêng của hơi :

Cpi = Cph nên : A ti = A th + Năng suất lạnh riêng : qo = h1 - h4

+ Công nén riêng: lo = hl - hi

+Chu trình hồi nhiệt sử dụng cho các môi chất Freoni2, Freon22, Freon502 Không sử dụng cho môi chất NH3