Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh và điều hoà không khí (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp

Nội dung của giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh và điều hoà không khí đưa ra những kiến thức nền cơ bản về nhiệt, quá trình hoạt động các hệ thống lạnh và vấn đề về điều hoà không khí. Từ đó người kỹ thuật sẽ được vận dụng kiến thức này đưa vào thực hành những môn sau vững vàng nhạy bén hơn. Mời các bạn cùng tham khảo!

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP

GIÁO TRÌNH

MÔN HỌC: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH

VÀ ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ

NGÀNH, NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

(Ban hành kèm theo Quyết định Số: 257/QĐ-TCĐNĐT ngày 13 tháng 07 năm 2017

của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp)

Đồng Tháp, năm 2017

i

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

i

LỜI GIỚI THIỆU

Kinh tế Việt Nam ngày càng phát triển cao, cùng với sự tốc độ phát triển của thế giới ngành điện lạnh cũng không thể thiếu trong mọi lĩnh vực, trong hệ thống lạnh các thiết bị trao đổi nhiệt hầu như chiếm khá cao và đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, và đòi hỏi người thiết kế phải tính toán rất kỹ để đưa ra sản phẩm đáp ứng cho thị trường, và đòi hỏi người kỹ thuật vận hành, sử dụng phải am hiểu quá trình hoạt động của hệ thống

Cấu trúc của giáo trình gồm bốn chương trong thời gian 60 giờ qui chuẩn Nôi dung của giáo trình đưa ra những kiến thức nền cơ bản về nhiệt, quá trình hoạt động các hệ thống lạnh và vấn đề về điều hoà không khí Từ đó người kỹ thuật sẽ được vận dụng kiến thức này đưa vào thực hành những môn sau vững vàng nhạy bén hơn

Cùng giúp chủ biên biên soạn giáo trình là các giáo viên tổ môn Điện lạnh của Trường Cao Đẳng nghề Đồng Tháp

Chắc chắn giáo trình không tránh khỏi thiếu sót Chúng tôi mong nhận được

ý kiến đóng góp để giáo trình được chỉnh sửa và ngày càng hoàn thiện hơn Mọi đóng góp xin gửi về tổ điện lạnh khoa Điện - Điện Tử trường Cao Đẳng nghề Đồng Tháp tỉnh Đồng Tháp

Đồng Tháp, ngày tháng năm 2017

Tham gia biên soạn

Chủ biên: K.S HUỲNH TUẤN KIỆT

i

MỤC LỤC



Trang

LỜI GIỚI THIỆU i

Chương 1: Cơ sở kỹ thuật nhiệt động và truyền nhiệt 1

1 Nhiệt động kỹ thuật 1

1.1 Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới 1

1.2 Hơi và các thông số trạng thái của hơi 5

1.3 Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi 9

1.4 Chu trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt 11

2 Truyền nhiệt 15

2.1 Dẫn nhiệt : 15

2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 20

2.3 Trao đổi nhiệt bức xạ 23

2.4 Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt 25

BÀI TẬP ỨNG DỤNG 32

Chương 2: Kỹ Thuật Lạnh 33

1 Những khái niệm cơ bản 33

1.1 Ý nghĩa của kỹ thuật lạnh trong đời sống và kỹ thuật 33

1.2 Các phương pháp làm lạnh nhân tạo: 35

1.3 Môi chất lạnh và chất tải lạnh : 36

2 Các hệ thống lạnh thông dụng 43

2.1 Hệ thống lạnh với 1 cấp nén 43

2.2 Sơ đồ hai cấp nén có làm mát trung gian: 50

2.3 Các sơ đồ khác : 54

2.4 Bài tập ứng dụng 59

BÀI TẬP MỞ RỘNG 61

Chương 3: Thiết bị trong hệ thống lạnh 63

ii

1 Máy nén lạnh 63

1.1 Khái niệm 63

1.2 Máy nén pittong : 64

1.3 Giới thiệu một số chủng loại máy nén khác 72

2 Giới thiệu chung về các thiết bị khác của hệ thống lạnh 78

2.1 Các thiết bị trao đổi nhiệt chủ yếu 78

2.2 Thiết bị tiết lưu (giảm áp) 97

2.3 Các thiết bị tự động và bảo vệ của hệ thống lạnh 100

BÀI TẬP ỨNG DỤNG 107

Chương 4: Cơ sở kỹ thuật điều hoà không khí 108

1 Không khí ẩm 108

1.1 Các thông số trạng thái của không khí ẩm 108

1.2 Đồ thị I-d và d-t của không khí ẩm 110

1.3 Một số quá trình của không khí ẩm khi ĐHKK 113

2 Hệ thống điều hòa không khí 115

2.1 Khái niệm về thông gió và ĐHKK 115

2.2 Các hệ thống ĐHKK 116

2.3 Các phương pháp và thiết bị xử lý không khí 124

BÀI TẬP ỨNG DỤNG 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

i

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH VÀ ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ

Mã số môn học: MH11

Vị trí, tính chất của môn học:

- Vị trí: Môn học cơ sở kỹ thuật chuyên nghành, chuẩn bị các kiến thức

cần thiết cho các phần học kỹ thuật chuyên môn tiếp theo

- Tính chất: Môn học thiên về lý thuyết chuyên môn hỗ trợ cho các mô đun chuyên môn nghề: Hệ thống lạnh dân dụng, Hệ thống ĐHKK dân dụng, Hệ thống máy lạnh công nghiệp

- Ý nghĩa và vai trò của môn học : Là môn cơ sở lý thuyết quan trọng

trong ngành nghề kỹ thuật máy lạnh và điều hoà không khí môn này làm tiền đề cho những môn thực hành sau này, giúp cho chúng ta nắm rõ các quá trình nhiệt động môi chất, truyền nhiệt của các thiết bị, những hệ thống lạnh thông dụng và quá trình, các dạng máy điều hoà không khí thông dụng

Mục tiêu của môn học:

- Về kiến thức:

+ Trình bày được các khái niệm, định nghĩa về truyền nhiệt, chất môi giới, chu trình nhiệt động học, quá trình hóa hơi đẳng áp, quá trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt, quá trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt, các quy luật truyền nhiệt

+ Giải thích được quá trình lưu động và tiết lưu

+ Trình bày được các khái niệm và định nghĩa về truyền nhiệt

+ Trình bày được các khái niệm về kỹ thuật Nhiệt-Lạnh, nguyên lý làm việc của máy lạnh và các quy luật truyền nhiệt cơ bản

+ Mô tả được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy nén lạnh thông dụng + Nhận dạng và trình bày được chức năng các thiết bị trong hệ thống lạnh, điều hoà không khí

+ Trình bày được khái niệm về không khí ẩm, kỹ thuật điều hoà không khí

và các quá trình, nguyên lý làm việc của hệ thống điều hoà không khí

+ Trình bày được chức năng của hệ thống vận chuyển khí

1

Chương 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT

Mã chương: MH11-01 Giới thiệu:

Trong chương này khá chi tiết về quá trình truyền nhiệt và quá trình biến đổi pha của môi chất trong hệ thống lạnh ứng dụng trong thực tế, sau khi học xong bài này người kỹ thuật có kiến thức nền cơ bản để đáp ứng cho những môn thực hành sau này

Mục tiêu:

Kiến thức:

- Hiểu và nắm vững các quá trình, nguyên lý làm việc của máy lạnh và

- Biết được các quy luật truyền nhiệt sử dụng trong ngành kỹ thuật máy lạnh

Kỹ năng:

- Tính toán được các chu trình nhiệt động được sư dụng trong ngành kỹ thuật lạnh

- Tính toán được tổn thất nhiệt, các quá trình truyền nhiệt

Năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong học tập và tính toán

Nội dung chính:

1 NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT

1.1 Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới

1.1.1 Các khái niệm và định nghĩa

Để thực hiện quá trình chuyển hoá giữa nhiệt và công và chuyển tải năng lượng trong các hệ thống nhiệt động người ta phải dùng một chất trung gian được gọi là chất môi giới Chất môi giới thường gặp trong kỹ thuật ở dạng khí hoặc hơi,

vì thể khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn do đó có khả năng sinh công lớn

Dụng cụ để đo áp suất gọi là áp kế , trong thực tế áp kế có 3 loại :

Loại dùng để đo áp suất khí quyển (Asmospheric pressure) gọi là Barometer Loại dùng để đo áp suất của các chất khí lớn hơn áp suất khí quyển (áp suất

dư – Gauge pressur ) được gọi la Manometer

Loại dùng để đo áp suất của chất khí thấp hơn áp suất khí quyển (áp suất chân không – Vancuum pressure) thì gọi là vacuumeter

c/ Thể tích riêng (specific volume ) và khối lượng riêng (specific mass)

Một khối khí có khối lượng là G kg và choán thể tích là V (m3), thể tích riêng được định nghĩ bằng trình sau:

) / (

m kg V

G

v =

=

Thể tích riêng là một thông số trạng thái của chất khí

d/ Nội năng (u)

Là nhiệt động gồm nhiều vật tác dụng lên nhau đều có năng lượng tổng E Năng lượng tổng này bao gồm động năng và thế năng, nội năng U bao gồm :

Động năng Uđ là động năng của chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của các nguyên tử và phân tử (năng lượng)

Thế năng Ut là năng lượng của lực liên kết giữa các phân tử và nguyên tử

Thí dụ : Đối với nước , theo quy ước quốc tế chọn uo ở nhiệt độ nước bằng 0,01 0C và áp suất bằng 0,006228 at , giá trị uo được chọn tuỳ ý và không ảnh

4

hưởng đến trị của độ biến thiên ∆u Đơn vị dùng để đo nội năng là KJ Trong một

số tài liệu cũ còn dùng kCal , trong các sách và tạp chí của Anh Mỹ còn dùng các đơn vị khác như : Btu , v.v

1 KJ = 0,2392 Kcal hay 1 Kcal = 4,18 KJ

số trạng thái nên I cũng là một thông số trạng thái

f/ Entropi (s)

Là một thông số trạng thái được ký hiệu là s Entropy không đo được bằng trực tiếp mà phải tính toán Trong nhiêt động học kỹ thuật không quan tâm đến trị số tuyệt đối cũa entropy mà chỉ quan tâm đến hàm lượng biến đổi entropy (∆s) Đơn vị của entropy là Kj/kg.0K (hay J/kg0K) Độ biến đổi của entropy không phụ thuộc vào đặc tính của quá trình thay đổi trạng thái của chất khí mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình

1.1.3 Nhiệt dung riêng và tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng

a Định nghĩa nhiệt dung riêng:

Nhiệt dung riêng (NDR) của một chất nào đó là nhiệt lượng cần thiết để làm cho một đơn vị chất đó thay đổi một độ theo quá trình nào đó

NDR ký hiệu là C , đơn vị là kJ/kg.độ

b Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng

Nhiệt lượng Q chất khí trao đổi với môi trường khi nhiệt độ của nó thay đổi

từ t1 đến t2 là :

Q = G.C.Δt (1-7)

Hoặc : Q = Vt/c.C’ Δt

Hoặc : Q = M.Cµ Δt

Ở đây : G : là khối lượng của khối khí, kg

Vt/c là thể tích khối khí ở điều kiện tiêu chuẩn 3

/ c

t

m

Nhiệt độ 0C hoặc độ 0K độ (kenlvin)

Áp suất, Pa, bar hoặc MPa

Khi thăng hoa hoặc hoá hơi chất môi giới nhận nhiệt, nhiệt chuyển pha này gọi là nhiệt thăng hoa hoặc nhiệt hoá hơi, khi ngưng kết hoặc ngưng tụ , chất môi giới nhả nhiệt Nhiệt lượng nhả ra khi ngưng kết hoặc ngưng tụ có trị số tuyệt đối bằng với nhiệt thăng hoa hoặc nhiệt hoá hơi Ở đây ta chỉ xét quá trình hoá hơi từ chất lỏng

a/ Nóng chảy và đông đặc :

Nóng chảy là quá trình chuyển rắn sang thể lỏng và ngược lại quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể rắn gọi là đông đặc Khi nóng chảy môi chất nhận nhiệt, khi đông đặc môi chất nhả nhiệt, hai nhiệt lượng đó có giá trị bằng nhau, gọi là nhiệt ẩn nóng chảy hoặc nhiệt ẩn đông đặc

Mỗi đơn chất khác nhau có giá trị nhiệt ẩn khác nhau, cùng một chất nhưng

ở áp suất khác nhau cũng có giá trị nhiệt ẩn khác nhau

b/ Hoá hơi và ngưng tụ

ẩn hoá hơi (ngưng tụ) phụ thuộc vào bản chất và thông số của môi chất

c/ Thăng hoa và ngưng kết

Thăng hoa là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi và ngược lại gọi là quá trình ngưng kết

Khi thăng hoa môi chất nhận nhiệt và khi ngưng kết môi chất nhả nhiệt, hai nhiệt lượng đó bằng nhau về trị số gọi là ẩn nhiệt thăng hoa hoặc ẩn nhiệt ngưng kết

1.2.2 Quá trình hoá hơi đẳng áp

Hình dưới đây biểu diễn quá trình hoá hơi đẳng áp trong đó nhiệt độ của nước phụ thuộc vào lượng nhiệt cung cấp ( đây không phải là đồ thị vì q không phải là thông số trạng thái)

Hình 1.1 Mô tả quá trình hoá hơi của nước

*/ Đoạn OA: biểu diễn quá trình đốt nóng nước từ nhiệt độ ban đầu to đến

ts Trong quá trình này nhiệt độ tăng lên khi lượng nhiệt cung cấp tăng Nước ở nhiệt độ ban đầu to < ts gọi là nước chưa sôi

7

*/ Đoạn AC : biểu diễn quá trình sôi , ở đây nhiệt độ tA = tC = ts = const mặt

dù vẫn cấp nhiệt cho nước Nhiệt lượng cấp cho nước trong đoạn này chỉ để biến nước đổi pha gọi là nhiệt ẩn hoá hơi , kí hiệu là r (kJ.kg)

+/ Nước ở trạng thái điểm A gọi là nước sôi , các thông số của nước sôi

kí hiệu là : i’ , s’ , u’ , v’ …

+/ Hơi ở điểm C gọi là hơi bảo hoà khô , các thông số của hơi bảo hoà khô kí hiệu là : i” , s” , u” , v”…

+/ Hơi tại điểm B hay một điểm bất kì trên đoạn AC là hỗn hợp giữa nước sôi Và hơi bão hoà khô , và được gọi là hơi bảo hoà ẩm , các thông số của hơi bảo hoà ẩm kí hiệu là : ix , sx , ux , vx ,…

*/ Trong đoạn CD , khi hơi nhận nhiệt tiếp thì nhiệt độ của hơi lại tăng lên ,

và hơi tại điểm D gọi là hơi quá nhiệt , hơi này có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi ,

tD > ts ( ở cùng áp suất )

1.2.3 Các đường giới hạn và các miền trạng thái của nước và hơi

Quá trình hoá hơi đẳng áp của nước ở các điều kiện áp suất khác nhau được biểu hiện trên đồ thị p-v và T – s

Ở áp suất p đã biết , khi đó thể tích của nước tại điểm O, A, C và biểu diễn chúng trên đồ thị trạng thái p-v ta được các điểm a , b, c , d Tương tự , nếu tiến hành ở áp suất p1 , p2 ,…ta được các điểm biểu diễn a’ , b’ , c’ , d’ , a” , b” , c” , d”…

Hình 1.2 Đồ thị p - v

Nhiệt lượng cần cấp cho nước sôi từ nhiệt độ thường to (entanpy i0) đến nhiệt

độ sôi ts (entanpy is) là :

Q = qn + r + qh (1-8) Trong đó :

qn – nhiệt lượng cần đốt nóng nước từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ sôi

qn = i’ – i0 hay qn = Cpn (ts – t0)

r – nhiệt ẩn hoá hơi r = i’ – i”

qh – nhiệt cần đốt nóng hơi bão hoà khô thành hơi quá nhiệt

qh = I – I’ hoặc qh = Cph (t - ts)

1.2.4 Cách xác định các thông số hơi bằng đồ thị lgp-h

Đồ thị lgp-h là đồ thị được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật lạnh, dùng để tính toán chu trình , nên đồ thị lgp-h được sử dụng rộng rãi hơn

Đồ thị lgp-h lấy trục tung là áp suất chia theo thang logarit, trục hoành là entanpy h Các đường s = const là các đường nghiêng có độ dóc lớn và các đường

v = const là các đường nghiêng xoải đều từ góc trái phía dưới lên góc phải phía trên Riêng đường đẳng nhiệt t = const chia làm 3 phần : phần bên trái đường bão hoà lỏng x = 0 nằm gần thẳng đứng, phần trong vùng hơi ẩm nằm ngang song song với trục hoành và phần bên phải đường x = 1 là các đường rất dốc từ phía trên xuống dưới ( hình đồ thi )

9

1.3 Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi

1.3.1 Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi trên đồ thị lgp-h

+/ Quá trình 3 – 4: là quá trình tiết lưu môi chất lỏng từ nhiệt độ cao và

áp suất cao xuống nhiệt độ thấp áp suất thấp (pk , tk ↓ p0 t0 ) quá trình đẳng entanpy

i3 = i4 (∆I = 0)

+/ Quá trình 4 – 1: là quá trình bay hơi môi chất lỏng đẳng áp và đẳng nhiệt (p = const , t = const) để thu nhiệt của môi trường cần làm lạnh, đây chính

là quá trình làm lạnh mà ta muốn thực hiện

1.3.2 Quá trình lưu động và tiết lưu

1.3.3 Quá trình lưu động

+/ Khái niệm

- Lưu động là quá trình đoạn nhiệt của sự chuyển động dòng môi chất, ở đây

ta chủ yếu nghiên cứu sự chuyển động của dòng chất khí hoặc hơi

G – lưu lượng khối lương (kg/s)

- Vận tốc của dòng (m/s)

f – diện tích – tiết diện ngang của dòng chất khí s¸t (m2)

 - khối lượng riêng của môi chất (kg/m3)

v - thể tích riêng của môi chất (m3/kg)

1.3.4 Quá trình tiết lưu

+/ Khái niệm cơ bản

Tiết lưu là hiện tượng giảm áp suất của dòng môi chất lưu động qua tiết diện thay đổi đột ngột, qua đó áp suất giảm nhưng không sinh ra công, tiết lưu là quá trình không thuận nghịch

2 1 2



Thông thường quá trình tiết lưu thường gặp là :

0 2 2

2 1 2 2 1

11

1.4 Chu trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt

1.4.1 Khái niệm và định nghĩa chu trình nhiệt động

Để biến nhiệt năng thành công cần phải cho chất môi giới giãn nở liên tục trong động cơ nhiệt Muốn nhận được một công liên tục phải cho chất môi giới giãn nở liên tục Nhưng chất môi giới không thể giãn nở mãi được, vì kích thướt động cơ có hạn Vì vậy muốn được công liên tục người ta phải cho chất môi giới sau khi giãn nở một phần rồi trở về trạng thái ban đầu để giãn nở phần sau Chất môi giới thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi trở về trạng thái ban đầu như vậy

ta nói chất môi giới thực hiện một chu trình hay một quá trình kín

a/ Chu trình thuận chiều :

Là chu trình tiến hành theo cùng chiều kim đồng hồ

Hình 1.5 Chu trình thuận chiều

Chu trình này biến nhiệt thành công Công của chu trình sinh ra mang dấu dương (l0 > 0) vì đường cong giãn nở 234 nằm trên đường cong nén 412 Đây là chu trình làm việc của các động cơ nhiệt

b/ Chu trình ngược chiều :

Là chu trình tiến hành ngược theo chiều kim đồng hồ

Hình 1.6 Chu trình ngược chiều

12

Chu trình nà tiêu hao công hay còn gọi là chu trình nhận công (l<0) bởi vì đường cong nén 412 nằm trên đường cong giãn nở 234 Đây là chu trình làm việc của má lạnh và bơm nhiệt

1.4.2 Chu trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt

a/ Chu trình nhiệt đông của máy lạnh

Để hạ nhiệt độ của một vật nào đó xuống thấp hơn nhiệt độ của môi trường và giữ ở nhiệt độ thấp đó người ta phải dùng máy làm lạnh Đối với máy làm lạnh nhiệt lượng của vật cần làm lạnh được nhả ra cho môi chất , môi chất lại nhả nhiệt ra cho môi trường xung quanh

Có thể chia máy lạnh làm hai phần ; nhóm thứ nhất là máy làm lạnh dùng môi chất là không khí Nhóm thứ 2 là máy làm lạnh dùng môi chất là hơi, như hơi amoniac (NH3) Freon v.v… nhóm này hiện nay được sử dụng rộng rãi Máy làm lạnh khác với động cơ nhiệt là nó làm việc theo chu trình ngược chiều, trong chu trình ngược chiều môi chất của nguồn lạnh một nhiệt lượng là q2

và nhả cho nguồn nóng một nhiệt lượng là q1 công tiêu hao trong chu trình này là :

Hình 1.7 Chu trình ngược chiều

Nhiệt lượng q2 càng lớn thì công tiêu hao q1 càng nhỏ thì hệ số làm lạnh ε càng lớn , chu trình càng hoàn thiện

b/ Chu trình máy lạnh dùng hơi có máy nén :

Hiện nay người ta sử dụng rộng rãi may làm lạnh dùng môi chất là hơi Môi chất là chất lỏng dể bay hơi như Amoniac (NH3), Cacbonic (CO2), Freon v.v…Máy lạnh dùng môi chất là hơi sử dụng môi chất cả pha lỏng và pha hơi

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động lgp-h

Trong sơ đồ bao gồm các thiết bị như sau:

1 Thiết bị ngưng tụ (dàn nóng – Condensor ) ; thực hiện quá trình ngưng hơi từ trạng thái 2 ( hơi quá nhiệt sau khi nén) thành lỏng bão hoà ở trạng thái 3 (

4 Máy nén ( Compressor) ; làm nhiệm vụ nén môi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp ( điểm 1) lên áp suất cao , nhiệt độ cao ( điểm 2) trong điều kiện đoạn nhiệt

*/ Tính toán chu trình :

14

Như vậy đối với 1kg môi chất trong chu trình ta có:

Nhiệt lượng thải ra trong quá trình ngưng tụ:

qk = i2 – i3 , kJ/kg (1-11) Nhiệt lượng nhận được từ phòng lạnh (đối tượng cần làm lạnh) có van tiết lưu là

4 1 3 1

q = − = − (1-12)

Vì trong quá trình tiết lưu : i3 = i4

Công tiêu hao trong chu trình máy lạnh là:

1 2 2

4 1 2 0

i i

i i l

q l

c/ Chu trình nhiệt động của bơm nhiệt:

Về nguyên lý hoạt động giữa chu trình bơm nhiệt và máy lạnh là hoàn toàn giống nhau, chỉ khác nhau về mục đích sử dụng

*/ Trong máy lạnh, mục đích sử dụng là nguồn lạnh q2

1.4.3 Chu trình máy lạnh hấp thụ

Định nghĩa: Máy lạnh hấp thụ là máy lạnh sử dụng năng lượng dạng nhiệt

để hoạt động.máy lạnh hấp thụ có các bộ phận giống như máy lạnh nén hơi.Riêng máy nén cơ được thay bằng một hệ thống bình hấp thụ, bơm dung dịch, bình sinh hơi và tiết lưu dung dịch Hệ thống thiết bị này chạy bằng nhiệt năng, thường là các dạng nhiệt năng tận dụng Máy sử dụng rất kinh tế ở những nơi có nguồn nhiệt phong phú trong các xí nghiệp như : nước nóng, khí nóng thải dạng hơi, các sản phẩm cháy của nhiên liệu…

Hiện nay dung dịch sử dụng phổ biến nhất là : amoniac – nước và nước – litibromua (LiBri – H2O)

Nguyên lý hoạt động

Dung dịch loãng trong bình hấp thụ có khả năng hấp thụ hơi môi chất sinh

ra ở bình bay hơi để trở thành dung dịch đậm đặc Khi dung dịch trở thành đậm đặc sẽ được bơm dung dịch bơm lên bình sinh hơi Ở đây dung dịch được gia nhiệt

15

đến nhiệt độ cao (đối với dung dịch amoniac/nước khoảng 1300C) và hơi amoniac

sẽ thoát ra khỏi dung dịch đi vào bình ngưng tụ Do amoniac thoát ra, dung dịch trở thành dung dịch loãng, đi qua van tiết lưu dung dịch về bình hấp thụ tiếp tục chu kỳ mới Ở đây , do vậy có 2 vòng tuần hoàn rõ rệt

Hình 1.9.Sơ đồ nguyên lý của máy lạnh nén hơi (a) và máy lạnh hấp thụ (b)

SH : Bình sinh hơi, HT : Bình hấp thụ, B dd : Bơm dung dịch, TL dd : Tiết lưu

2.1.1 Các khái niệm và định nghĩa

+/ Khái niệm dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là hiện tượng các phân tử vật 1 va chạm (trực tiếp hoặc thông qua các điện tử do trong vật) vào các phần tử vật 2 để truyển một phần động năng Dẫn nhiệt xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần của một vật hoặc giữa hai vật tiếp xúc nhau Dẫn nhiệt thuần tuý xảy ra trong hệ gồm các vật rắn

có sự tiếp xúc trực tiếp

+/ Gradien Nhiệt độ :

16

Hình 1.10 Mặt đẳng nhiệt

Biểu diễn các mặt đẳng nhiệt có nhiệt độ khác nhau một khoảng ∆t Nhiệt độ trong vật chỉ thay đổi theo phương cắt các mặt đẳng nhiệt, đồng thời sự biến thiên nhiệt độ trên một đơn vị đo độ dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt

2.1.2 Dòng nhiệt ổn định dẫn qua vách phẳng và vách trụ

2.1.2.1 Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng và vách trụ

a/ Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng:

+/ Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng một lớp :

Hình 1.11 Vách phẳng một lớp

t F t F

chiều dày lớp thứ nhất là δ1 , lớp thứ 2 là δ2 và lớp thứ 3 là δ3 ; hệ số dẫn nhiệt lần lượt bằng λ1, λ2, λ3, Biết nhiệt độ hai bề mặt ngoài cùng không đổi bằng tw1

và tw4 bởi vì hai bề mặt có sự tiếp xúc tốt nên tại đấy hai bề mặt có cùng nhiệt

=

−

3 3 2 2 1

1 4

*/ Xét vách n lớp :

Vậy ta có mật độ dòng nhiệt truyền qua vách phẳng n lớp là :

) 1 ( 1

= tb t w t w n q

18

Hình 1.13 Vách trụ một lớp +/ Vách trụ 1 lớp : chúng ta nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt qua vách trụ

1 lớp (ống tròn) đường kính trong d1 = 2r1 và đường kính ngoài d2 = 2r2 Nhiệt độ

bề mặt vách trong và vách ngoài không thay đổi bằng tw1 và tw2 Trong khoảng nhiệt độ cho, hệ số dẫn nhiệt λ có giá trị không đổi Chúng ta cần tìm sự phân bố nhiệt độ trong vách và dòng nhiệt qua vách Kết hợp phương trình vi phân dẫn nhiệt với điều kiện biên loại 1 ta có công thức sau :

) / ln(

) (

2

1 2

2 1

d d

t t L F

19

- Giả thiết : có một vách do 3 lớp vật liệu khác nhau tổ hợp thành, bởi vì giữa các lớp tiếp xúc với nhau rất tốt nên nhiệt độ giữa hai lớp chỗ tiếp giáp sẽ bằng nhau Đường kính ngoài, đường kính trong và hệ số dẫn nhiệt của các lớp đã biết, tất cả được biểu thị trên hình vẽ Ngoài ra còn biết nhiệt độ bề mặt trong tw1 và nhiệt độ bề mặt ngoài cùng tw4 (tw1> tw4), nhiệt độ các lớp tiếp xúc chưa biết gọi

là tw2 , tw3

) / ( ln

1 ln

1 ln

1

) (

2

3 4 3 2 3 2 1 2 1

4 1

m W d

d d

d d

d

t t

−

Trong mỗi lớp nhiệt độ phâ bố theo quy luật đường cong logarit, nhưng trên toàn

bộ vách mà nói thì đường cong phân bố nhiệt độ là một đường gãy khúc

+/ Xét vách trụ n lớp :

Ta có công thức tính mật độ dòng nhiệt đối với vách n lớp là :

) / ( ln 2 1

) (

1

1 1

) 1 ( 1

m W d d

t t

q i n

i

n w w L

=

=

+ +

Hình 1.15 Nhiệt trở

20

2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

2.2.1.Các khái niệm và định nghĩa :

a/ Định nghĩa :

TĐNĐL là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng khi có sự chênh lệch nhiệt độ, đây là quá trình rất thường gặp trong thiết bị kỹ thuật cũng như trong cuộc sống

Như trao đổi nhiệt một pha như trao đổi nhiệt giữa khí và bề mặt vách khi làm mát động cơ

Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu được thực hiện đồng thời với quá trình dẫn nhiệt Do trong quá trình chuyển động không thể tránh khỏi sự va chạm của các phân tử chất khí hoặc chất lỏng có nhiệt độ khác nhau

2.2.2 Những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu :

a/ Nguyên nhân gây ra chuyển động :

Nguyên nhân gây ra chuyển động khác nhau thì quá trình toả nhiệt cũng khác nhau có 2 nguyên nhân chính là :

+/ Chuyển động tự nhiên : sự chyển động này gây ra bởi sự chênh lệch khối lương riêng giữa các vùng trong chất lỏng Việc gây nên sự chênh lệch này chính

là do sự chênh lệch nhiệt độ và thể tích trong không gian quá trình tiến hành Chuyển động tự nhiên chỉ xuất hiện khi khối lượng riêng chất lỏng thay đổi trong trường lực, trọng trường

Khi : Ref < 2200 chất lỏng chảy tầng

Ref > 104 chất lỏng chảy rối

21

2200 < Ref < 104 chảy quá độ

2.2.3 Một số hình thức trao đổi nhiệt đối lưu thường gặp :

a/ Toả nhiệt đối lưu tự nhiên :

Hình 1.16 Toả nhiệt đối lưu tự nhiên

Chuyển động tự nhiên của chất lỏng dọc theo bề mặt xảy ra là do sự tồn tại của trao đổi nhiệt Thông thường nhiệt độ chỉ thay đổi trong lớp mỏng gần sát bề mặt trao đổi nhiệt, đặc tính của chuyển động tự nhiên phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ trong lòng chất lỏng

b/ Toả nhiệt đối lưu cưỡng bức :

Hình 1.17 Toả nhiệt đối lưu cưỡng bức

Tính chất chuyển động của chất lỏng trong ống hoặc rãnh có thể phân thành 2 chế độ cơ bản : chảy tầng và chảy rối Khi tốc độ nhỏ, chất lỏng chảy tầng

và khi tốc độ lớn, chất lỏng chảy rối gọi là tốc độ tới hạn Đối với các loại chất

2.2.4 Toả nhiệt khi sôi và khi ngưng hơi :

Hình 1.18 Toả nhiệt khi sôi và khi ngưng

2.2.4.1 Toả nhiệt khi ngưng hơi :

a/ Khái niệm chung :

Ngưng hơi là quá trình biến trạng thái hơi thành trạng thái chất lỏng hoặc trạng thái tinh thể (rắn), quá trình này gắn liền với việc biến đổi pha Quá trình ngưng hơi chỉ có thể xảy ra khi hơi ở trạng thái dưới tới hạn do làm lạnh hoặc nén Vùng xảy ra các quá trình ngưng có thể ở trong thể tích khối hơi khi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ bão hoà ở áp suất tương ứng hoặc có thể xảy ra trên bề mặt vật được làm lạnh Trong thực tế chúng ta thường gặp các quá trình ngưng thành trạng thái lỏng trên bề mặt vật rắn, ví dụ : ngưng hơi môi chất lạnh trong thiết bị ngưng tụ của hệ thống lạnh, các bình ngưng của tuabin nhà máy nhiệt điện, hiện tượng đọng sương …

b/ Các điều kiện để ngưng hơi :

Muốn xảy ra quá trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn cần phải có hai điều kiện như sau :

- Rút nhiệt của hơi (ẩn nhiệt hoá hơi r) qua bề mặt vật rắn, muốn như vậy thì nhiệt

độ bề mặt vật rắn phải thấp hơn nhiệt độ bão hoà của hơi ở áp suất tương ứng

23

Trên bề mặt vật rắn phải có các tâm ngưng tụ như những hạt bụi, bọt khí hoặc chính độ nhô nhám của bề mặt vật rắn

c/ Phân loại : Tuỳ thuộc vào trạng thái của bề mặt làm lạnh và tính dính ướt

của chất lỏng mà có thể xảy ra 2 loại quá trình ngưng hơi :

- Ngưng thành màng chất lỏng còn gọi là ngưng màng

- Ngưng thành giọt chất lỏng, còn gọi là ngưng giọt

2.2.4.2 Toả nhiệt khi sôi :

Khái niệm chung :

Trong các thiết bị kỹ thuật, chúng ta thường gặp nhất là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra biến đổi pha như : trao đổi nhiệt trong bình ngưng của tuabin hơi và trong

hệ thống máy lạnh có kèm theo quá trình biến đổi pha hơi sang pha lỏng, hoặc trong lò hơi và dàn lạnh của máy lạnh thì ngược lại biến đổi từ pha lỏng sang pha hơi

Sôi là quá trình biế đổi từ pha lỏng sang pha hơi xảy ra trong toàn bộ khối chất lỏng

2.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

2.3.1 Các khái niệm và định nghĩa

Là một dạng trao đổi nhiệt cơ bản không cần có sự tiếp xúc (khác với đối lưu

và dẫn nhiệt) giữa các vật tham gia trao đổi nhiệt với nhau và có ý nghĩa rất lớn trong kĩ thuật, đặc biệt trong kĩ thuật có nhiệt độ cao là trao đổi nhiệt bằng bức xạ Mọi vật trong tự nhiên đều có khả năng bức xạ năng lượng bất kỳ ở nhiệt độ nào (lớn hơn độ không tuyệt đối – 00K) luôn có sự biến đổi nội năng thành năng lượng sóng điện từ, các sóng này truyền đi trong không gian theo mọi hướng với vận tốc ánh sáng có chiều dài bước sóng λ

2.3.2 Dòng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa các vật :

a Dòng bức xạ toàn phần Q [W]:

Là năng lượng bức xạ phát ra trên bề mặt diện tích F của vật trong một đơn

vị thời gian trên toàn bộ không gian nửa bán cầu ứng với tất cả các bước sóng

b Dòng bức xạ đơn sắc Q λ :

Nếu dòng bức xạ chỉ tích ứng với một dải hẹp của khoảng bước sóng từ λ đến λ +d λ thì được gọi là dòng bức xạ đơn sắc

24

c Bức xạ bản thân E [W/m 2 ] :

Bức xạ của vật phát sinh do sự thay đổi trạng thái năng lượng của vật được gọi là bức xạ bản than của vật Trạng thái năng lượng của vật phụ thuộc vào bản chất vật lý và nhiệt độ của vật

d Bức xạ hiệu dụng E hd : là bằng bức xạ bản thân E và bức xạ phản xạ ER

đối với vật đục

Ta có : Ehd = E + ER (1-23)

e Bức xạ hiệu quả: là lượng nhiệt trao đổi với môi trường xung quanh nếu

tính đối với 1 m2 trên bề mặt, bức xạ hiệu quả kí hiệu là q (W/m2)

f Vật đen, vật trắng, vật trong suốt tuyệt đối :

Trong trường hợp chung, dòng năng lượng bức xạ từ bên ngoài chiếu đến vật được khảo sát là Q0, nó sẽ bị vật hấp thu một phần QA để biến thành nhiệt, một phần sẽ bị vật phản xạ lại là QR, còn phần xuyên qua vật là QD

2.3.3 Bức xạ của mặt trời (nắng)

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ ᵞ ban đầu khi đi qua 5.105km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đótừ tâm mặt trời di ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ

có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắ đầu xảy ra

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/h2

Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đường nó đi qua

nó đối với mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm

2.4 Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt

2.4.1 Truyền nhiệt tổng hợp (phức tạp):

Là quá trình TĐN giữa hai môi trường có nhiệt độ khác nhau qua một bề mặt vật rắn ngăn cách đây là trường hợp TĐN phức tạp thường gặp trong thực tế

+/ Quá trình TĐN này thường qua các giai đoạn sau :

- TĐN giữa môi trường có nhiệt độ cao với bề mặt vách được thực hiện cơ bản là : đối lưu hoặc bức xạ ; hay đối lưu với bức xạ

- Dẫn nhiệt qua bề mặt vách

26

- TĐN giữa bề mặt vách với môi trường có nhiệt độ thấp được thực hiện bằng đối lưu hoặc bức xạ hay cả đối lưu và bức xạ

2.4.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng :

Hình 1.20 Truyền nhiệt qua vách phẳng

Ta có tf1 > tf2 , quá trình trao đổi nhiệt giữa hai môi trường qua vách sẽ được thức hiện là dòng nhiệt sẽ hướng từ môi trường có nhiệt độ cao đến môi trường

có nhiệt độ thấp, như vậy mật độ dòng nhiệt được tính theo dạng sau :

Do đó nhiệt trở truyền nhiệt sẽ bằng tổng nhiệt trở cục bộ :

k =

2 1

1 1

2 1

1 1

= k.( tf1 - tf2) (1-25)

k ; gọi là hệ số truyền nhiệt của vách phẳng 1 lớp

Như vậy nếu vách có nhiều lớp tổ hợp thành thì hệ số truyền nhiệt của vách nhiều lớp là



=

+ +

i i i

k

1

1 1

27

2.4.3 Truyền nhiệt qua vách trụ :

Hình 1.21 Truyền nhiệt qua vách trụ

Giả sử tf1 > tf2 thì dòng nhiệt sẽ hướng từ trong ra ngoài nhiệt độ chất lỏng

và nhiệt độ vách chỉ thay đổi theo phương bán kính

Ta có thể xác định mật độ dòng nhiệt ứng với 1 đơn vị chiều dài hình trụ như sau :

Vậy ta có hệ số truyền nhiệt là :

kL =

2 2 1 2 1

1

1 ln

2

1 1

1

d d

1

1 ln

2

1 1 1

d d

d d

( 1

ln 2

1

2 2 1 2 1

1

2 1

m W t t k d d

d d

t t

q L f f = L f − f

+ +

d d

d d

k

1 1

1

1 ln

2

1 1

1 1

1 ln

2

1 1

=

n i

i i n

i L

L

d d

d d

2

1 1

1 1

1

2 1

m W d d

d d

t t

i i

f f L

2.4.4 Truyền nhiệt qua vách có cánh :

Hình 1.22 Truyền nhiệt qua vách có cánh

Đối với vách phẳng ma nói, phương pháp làm cánh để tăng cường diện tích trao đổi nhiệt thì việc tăng diện tích toả nhiệt và giảm nhiệt trở có hiệu quả như nhau

Khi hệ thống nhiệt ổn định, nhiệt lượng Q truyền qua có thể dùng ba phương trình sau biểu thị :

29

Ta được Q :

] )[

( k 1 1

2 2 1 1

1

2 1

W t t F

F F

t t

Q f f = w − f

+ +

1

2 2 1 1

1

đô W F F

1

1 1 1

1

F F

F k

2 2

1 1

2 1 2 1

2 1 1

F F

t t F

Q

q f f = f − f

+ +

2 1 2 1

F F k

1 2

2 1 2 1

2 1

2 1 2

1

F

F F

F

t t F

Q

+ +

2 1 2 1

2 1

F

F F

F k

2.4.5 Tăng cường truyền nhiệt và cách nhiệt :

*/ Tăng cường truyền nhiệt ;

Khi giải quyết các vấn đề thực tế về truyền nhiệt một số trường hợp cần tăng cường truyền nhiệt Muốn thực hiện được vấn đề này cần phải dựa vào những dạng truyền nhiệt cơ bản , để tìm ra những biện pháp có hiệu quả nhất

Giảm chiều dày của vách và tăng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu có thể làm giảm nhiệt trở của vách; tăng cường sự nhiễu loạn và tăng tốc độ chuyển động của chất

30

lỏng thì có thể tăng cường toả nhiệt; khi sôi có thể dùng biện pháp tăng cường sự nhiễu loạn và làm sạch chất bẩn trên bề mặt để tăng cường truyền nhiệt; cuối cùng trên bề mặt bức xạ nhiệt có thể tìm cách tăng độ đen và nhiệt độ để tăng cường TĐN bức xạ…

2 1

2 1

2 1

0

1 1

=

+/ Khi α1 nhỏ hơn α2, ta tăng α1 khiến cho k0 tăng rất nhanh

+/ Khi α1 bằng α2 , ta tăng α1 thì k0 tăng rất ít thậm chí hầu như không tăng Do đó muốn tăng cường truyền nhiệt trong trường hợp này có hiệu quả thì phải đồng thời tăng cả α1 và α2

Một trong những biện pháp thường sử dụng hiện nay là dùng ống có cán nóng tạo gân (trong ống là hơi), tạo các lõi để gây nhiễu loạn hoặc các cánh tãn nhiệt bị xẻ rãnh…Tất cả các vấn đề này đều nhằm biện pháp gây rối loạn để phá vỡ lớp biên

*/ Cách nhiệt :

Cách nhiệt là chỉ những lớp phụ dùng để giảm sự tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh Cách nhiệt có nhiều mục đích khác nhau : cách nhiệt để tiết kiệm nhiên liệu, để thực hiện khả năng của quá trình kỹ thuật hoặc để đảm bảo điều kiện an toàn lao động, mỗi một trường hợp có thể chọn lựa vật liệu cách nhiệt và tính toán những điểm khác nhau Nếu muốn giảm sự truyền nhiệt ra môi trường cần phải tìm cách tăng nhiệt trở Khi ấy chỉ cần tăng một phần nào đó trong nhiệt trở cục bộ là đủ, chúng ta có rất nhiều biện pháp, nhưng thông dụng nhất là thường phủ lên bề mặt vật liệu một lớp cách nhiệt để đạt được mục đích này

Bất kỳ vật liệu nào có hệ dẫn nhiệt bé đều có thể dùng làm chất cách nhiệt, người ta ít dùng vật liệu ngay ở trang thái tự nhiên của nó Mà đại đa số vật liệu cách nhiệt là những sản phẩm được gia công đặc biệt từ vật liệu tự nhiên như bông

xỉ, sơi thuỷ tinh, giấy amiang, cactong, mùn cưa, trấu,….tính chất của vật liệu cách nhiệt thay đổi tuỳ theo kỹ thuật gia công và thành phần của vật liệu độ ẩm….những vật liệu cách nhiệt có dạng hạt thông thường phải có thêm một chất kết dính và nói chung các vật liệu này tính cách nhiệt không được tốt lắm Ngày nay do công nghiệp hoá học phát triển mạnh, việc sử dụng các chất nhựa xốp làm vật liệu cách nhiệt tương đối phổ biến như trong các thiết bị lạnh, xây dựng