Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh (Nghề: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trình độ CĐ/TC): Phần 1 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh phần 1 gồm các nội dung chính sau: Nhiệt động kỹ thuật; hơi và các thông số trạng thái của hơi; chu trình nhiệt động của máy lạnh; đối lưu và bức xạ nhiệt. Mời các bạn cùng tham khảo!

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG

(Ban hành theo Quyết định số: 568/QĐ-CĐN ngày 21 tháng 5 năm 2018

của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang)

LÊ VĨNH TRIỀUTháng 5 năm 2018

LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình giảng dạy môn Cơ Sở Kỹ Thuật Nhiệt Lạnh và Điều Hòa Không Khí

là tài liệu được biên soạn theo chương trình chi tiết Nghề: Kỹ Thuật Máy Lạnh và Điều Hòa Không Khí Đây là môn cơ sở kỹ thuật chuyên ngành nhằm trang bị kiến thức cần thiết cho các môn họn chuyên môn tiếp theo Môn này trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất về Kỹ thuật Nhiệt Lạnh và Điều hòa Không khí, làm sáng tỏ các vấn đề lý thuyết, nguyên lý cơ bản, nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh, tính toán nhiệt lượng cơ bản

Giáo trình giảng dạy này nhằm giúp cho học sinh sinh viên hiểu rõ những kiến thức cơ bản và vận dụng những kiến thức cơ bản đó để giải quyết những vấn đề chưa

rõ Ở mỗi chương, ngoài kiến thức cơ bản còn có một số ví dụ, bài tập và câu hỏi ôn tập nhằm cô đọng lại phần kiến thức đã học

Giáo trình giảng dạy này kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy để biên soạn và trích dẫn từ một số giáo trình như:

1 PGS.TS Võ Chí Chính Giáo trình điều hòa không khí NXB Khoa học và

kỹ thuật Hà Nội 2005

2 Nguyễn Đức Lợi- Phạm Văn Tùy Kỹ thuật lạnh cơ sở NXB Giáo dục 1996

3 Nguyễn Đức Lợi Gas, dầu và chất tải lạnh NXB Giáo dục 2007

4 Lê Chí Hiệp Kỹ thuật điều hòa không khí NXB Khoa học và kỹ thuật 2007

5 Hoàng Đình Tín- Lê Chí Hiệp Nhiệt động lực học kỹ thuật NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh 2007

6 GS.TSKH Trần Văn Phú Giáo trình nhiệt kỹ thuật NXB Giáo dục 2007 Giáo trình được hoàn thành như trong quá trình soạn cũng không tránh khỏi khiếm khuyết do đó mong nhận được sự đóng góp của Lãnh đạo nhà trường, đồng nghiệp và các em học sinh

Xin trân trọng cảm ơn

An Giang, ngày 20 tháng 03 năm 2018

MỤC LỤC

I LỜI GIỚI THIỆU 1

II MỤC LỤC 2

III CHƯƠNG TRÌNH CHI TIẾT 7

IV NỘI DUNG Chương I CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG §1 NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT I ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY NHIỆT 13

1 Đơn vị đo công, nhiệt lượng và công suất 13

2 Dấu của công và nhiệt lượng 13

3 Định luật nhiệt động II và nguyên lý làm việc của máy nhiệt 14

II THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT 15

1 Định nghĩa 15

2 Các thông số trạng thái 15

III NHIỆT DUNG RIÊNG 17

1 Định nghĩa 17

2 Phân loại nhiệt dung riêng 17

3 Cách tính nhiệt lượng 17

§2 HƠI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA HƠI I CÁC PHA CỦA VẬT CHẤT 20

1 Đồ thị pha 20

2 Các quá trình chuyển pha 21

II QUÁ TRÌNH HÓA HƠI ĐẲNG ÁP CỦA CÁC CHẤT LỎNG 22

1 Quá trình bay hơi 22

2 Quá trình sôi 22

III QUÁ TRÌNH HÓA HƠI ĐẲNG ÁP CỦA NƯỚC 23

1 Nhiệt hiện 24

2 Nhiệt ẩn 24

IV ĐỒ THỊ MOLLIER CỦA MÔI CHẤT LẠNH 24

1 Giới thiệu đồ thị Mollier 24

2 Cấu tạo đồ thị Mollier 25

§3 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH

I CHU TRÌNH MÁY LẠNH SỬ DỤNG MÁY NÉN 29

1 Chu trình carnot thuận chiều và hiệu suất của chu trình 29

2 Chu trình carnot ngược chiều, hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt 29

II CHU TRÌNH MÁY LẠNH HẤP THỤ 31

III CHU TRÌNH MÁY LẠNH BÁN DẪN 32

Chương II TRUYỀN NHIỆT §1 DẪN NHIỆT I HỆ SỐ DẪN NHIỆT 34

1 Dòng nhiệt và mật độ dòng nhiệt 34

2 Định luật Fourier về dẫn nhiệt 34

II DẪN NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG 35

1 Dẫn nhiệt qua vách phẳng 1 lớp 35

2 Dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp 36

III DẪN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ 38

1 Dẫn nhiệt qua vách trụ 1 lớp 38

2 Dẫn nhiệt qua vách trụ nhiều lớp 39

§2 ĐỐI LƯU VÀ BỨC XẠ NHIỆT I ĐỐI LƯU NHIỆT 42

II CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỐI LƯU NHIỆT 42

III BỨC XẠ NHIỆT 43

IV CÁC HỆ SỐ BỨC XẠ 44

§3 TRAO ĐỔI NHIỆT HỖN HỢP I TRAO ĐỔI NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG 46

1 Truyền nhiệt qua vách phẳng 1 lớp 46

2 Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp 47

II TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ 49

1 Truyền nhiệt qua vách trụ 1 lớp 49

2 Truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp 50

Chương III

CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH

§1 CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH VÀ MÔI CHẤT LẠNH

I Ý NGHĨA CỦA KỸ THUẬT LẠNH 53

1 Tác dụng của nhiệt độ thấp đối với thực phẩm 53

2 Ứng dụng trong sản xuất bia, nước ngọt 55

3 Ứng dụng trong công nghiệp hoá chất 56

4 Ứng dụng trong điều hoà không khí 56

5 Ứng dụng trong siêu dẫn 56

6 Ứng dụng trong y tế và sinh học Cryô 56

7 Ứng dụng trong thể thao 57

8 Ứng dụng trong xây dựng 57

9 Ứng dụng khác 58

II CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH 58

1 Tủ lạnh nước đá đơn giản 58

2 Làm lạnh bằng bay hơi chất lỏng 59

3 Tủ lạnh bằng R12 sôi ở áp suất khí quyển 59

4 Tủ lạnh khống chế áp suất sôi 59

5 Tủ lạnh với vòng tuần hoàn kín gas lạnh 60

III MÔI CHẤT LẠNH, CHẤT TẢI LẠNH 61

1 Khái niệm và các yêu cầu cơ bản của môi chất lạnh 61

2 Các môi chất lạnh thông dụng 62

3 Chất tải lạnh 63

§2 CÁC HỆ THỐNG LẠNH THÔNG DỤNG I HỆ THỐNG LẠNH MỘT CẤP NÉN 64

1 Chu trình carnot ngược chiều 64

2 Chu trình khô 65

3 Chu trình quá lạnh, quá nhiệt 68

4 Chu trình hồi nhiệt 70

5 Sự phụ thuộc của q o vào nhiệt độ bay hơi t o và nhiệt độ ngưng tụ t k 73

II HỆ THỐNG LẠNH HAI CẤP NÉN 74

1 Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu, làm mát trung gian 1 phần 75

2 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian 1 phần 76

3 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian toàn phần 79

§3 CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG LẠNH

I MÁY NÉN LẠNH 83

1 Nhiệm vụ 83

2 Phân loại 83

3 Máy nén pittong 86

4 Máy nén trục vít 91

5 Máy nén roto 92

II THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 95

1 Vai trò và phân loại thiết bị ngưng tụ 95

2 Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước 96

3 Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước và không khí 102

4 Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí 107

III THIẾT BỊ BAY HƠI 110

1 Vai trò, phân loại thiết bị bay hơi 110

2 Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng 110

3 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí 116

IV THIẾT BỊ TIẾT LƯU 1 Van tiết lưu tự động 119

2 Búp phân phối lỏng 121

IV THIẾT BỊ PHỤ 122

1 Vai trò, vị trí thiết bị phụ trong hệ thống lạnh 122

2 Thiết bị trung gian 122

3 Bình tách dầu 125

4 Bình tách lỏng 127

5 Bình giữ mức - tách lỏng 131

6 Bình thu hồi dầu 132

7 Bình tách khí không ngưng 133

8 Bình chứa cao áp và hạ áp 135

9 Tháp giải nhiệt 137

10 Bộ lọc ẩm và lọc cơ khí 137

11 Van chặn 138

12 Van 1 chiều 139

13 Kính xem gas 140

14 Ong tiêu âm 141

15 Van nạp gas 141

17 Van xả gas (relief valve) 141

Chương IV

CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

§1 KHÔNG KHÍ ẨM

I KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI KHÔNG KHÍ ẨM 143

1 Khái niệm không khí ẩm 143

2 Phân loại không khí ẩm 143

III ĐỒ THỊ I-D VÀ T-D CỦA KHÔNG KHÍ ẨM 144

1 Các thông số đặc trưng của không khí ẩm 144

2 Đồ thị không khí ẩm 145

3 Các quá trình nhiệt động của không khí ẩm 146

§2 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ I KHÁI NIỆM 151

1 Khái niệm, mục đích các hệ thống thông gió 151

2 Phân loại các hệ thống thông gió 153

3 Khái niệm về điều hòa không khí 153

II CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ 153

1 Hệ thống điều hòa không khí dùng trực tiếp môi chất lạnh làm chất tải lạnh 153

2 Hệ thống điều hòa không khí với chất tải lạnh là không khí 156

3 Hệ thống điều hòa với chất tải lạnh là nước 157

4 Hệ thống điều hòa với chất tải lạnh là nước kết hợp với không khí 157

Tài liệu tham khảo 158

CHƯƠNG TRÌNH CHI TIẾT

MÔN HỌC: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

- Là Môđun thiên về lý thuyết: tra bảng biểu và làm sáng tỏ các vấn đề lý thuyết

II MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC:

- Trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật Nhiệt-Lạnh và Điều hòa không khí, cụ thể là: Môi chất lạnh, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Máy lạnh, cấu trúc cơ bản của hệ thống lạnh và hệ thống ĐHKK

- Học sinh cần đạt được kỹ năng tra bảng các thông số trạng thái của môi chất, sử dụng đồ thị, chuyển đổi các đơn vị đo và tính toán được các bài toán đơn giản về Nhiệt-Lạnh

III NỘI DUNG MÔN HỌC:

1 Nội dung tổng quát:

Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập

Kiểm tra

Chương 1 : CƠ SỞ KỸ THUẬT

I Bài 1 : Nhiệt động kỹ thuật 4 4

II Bài 2 : Hơi và các thông số trạng thái của hơi 9 7 1 1

III Bài 3 : Chu trình nhiệt động của máy lạnh 6 6

V Bài 2 : Đối lưu và bức xạ nhiệt 3 3

VI Bài 3 :Trao đổi nhiệt hỗn hợp 7 4 2 1

VII Bài 1 :Cơ sở kỹ thuật lạnh và môi chất lạnh 4 4 VIII Bài 2 :Các hệ thống lạnh thông dụng 9 5 4

IX Bài 3 :Các thiết bị trong hệ thống lạnh 8 6 2

Chương 4 : CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỀU

Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập

Kiểm tra

Chương 1 : CƠ SỞ KỸ THUẬT

NHIỆT ĐỘNG

I Bài 1 : Nhiệt động kỹ thuật 4 4

I.Định luật nhiệt động II và

nguyên lý làm việc của máy nhiệt

2

II.Thông số trạng thái của môi

chất

1

III.Nhiệt dung riêng 1

II Bài 2 : Hơi và các thông số trạng

thái của hơi

I.Các pha của vật chất 1

II.Quá trình hóa hơi đẳng áp của

Chương 2 : TRUYỀN NHIỆT

I.Hệ số dẫn nhiệt 0.5

II.Dẫn nhiệt qua vách phẳng 0.5 1

III Dẫn nhiệt qua vách trụ 0.5 1

V Bài 2 : Đối lưu và bức xạ nhiệt 3 3

II.Các phương pháp đối lưu nhiệt 1

III Bức xạ nhiệt 0.5

IV Các hệ số bức xạ 1

VI Bài 3 :Trao đổi nhiệt hỗn hợp 7 4 2 1

I.Trao đổi nhiệt qua vách phẳng 2 1

II Trao đổi nhiệt qua vách trụ 2 1

III Môi chất lạnh, chất tải lạnh 2

VIII Bài 2 :Các hệ thống lạnh thông

dụng

III.Thiết bị bay hơi 1

IV.Thiết bị tiết lưu 1

Kiểm tra lần 3

Chương 4 : CƠ SỞ KỸ THUẬT

ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

IV ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN MÔN HỌC: (máy móc, trang thiết bị, công cụ,

nguyên vật liệu, và các nguồn lực khác):

Chương trình được thực hiện bắt buộc đối với các học viên trung cấp nghề và cao đẳng nghề máy lạnh và điều hoà không khí Trước khi học mô đun lạnh cơ bản Sau khi học các môn vật liệu điện lạnh, an toàn lao động điện lạnh và kỹ thuật đo lường điện lạnh

Chương trình thiên về lý thuyết; các bài tập ứng dụng chủ yếu là tra bảng biểu, hoặc làm sáng tỏ các vấn đề lý thuyết

V PHƯƠNG PHÁP NỘI DUNG ĐÁNH GIÁ:

Các điểm kiểm tra thường xuyên ở các bài học, kiểm tra định kỳ ở cuối phần Thi hết môn theo tiến độ học tập của nhà trường Điểm tổng kết môn học theo qui chế thi và kiểm tra

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO:

- Kỹ thuật nhiệt-Bùi Hải và Trần Thế Sơn - NXB Giáo dục

- Thông gió và điều hòa không khí-Nguyễn Đức Lợi và Phạm Văn Tùy -NXB Khoa học kỹ thuật

Chương I

CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG

§1 NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT

Mục tiêu:

- Trình bày được nguyên lý hoạt động của các máy nhiệt;

- Trình bày được các thông số cơ bản của môi chất;

- Trình bày và tính toán được nhiệt lượng cơ bản;

- Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình tính toán

I ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA

MÁY NHIỆT

1 Đơn vị đo công, nhiệt lượng và công suất

- Công ký hiệu là L(l) và nhiệt lượng ký hiệu là Q(q) ứng với G kg môi chất là các dạng khác nhau của năng lượng và được đo bằng đơn vị Jule(J), Calo(cal) hoặc BTU Trong đó J là đơn vị đo năng lượng nói chung của hệ đo cơ bản (hệ SI).Công được định nghĩa là công của lực có cường độ 1N dịch chuyển 1m Cal cũng là đơn vị

đo nhiệt lượng, 1 cal là nhiệt lượng cần thiết khi đốt nóng 1g nước để nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ BTU là đơn vị chuyên biệt đo nhiệt lượng của nước Anh, Mỹ hiện nay Quan hệ giữa 3 đơn vị đo như sau:

1 cal = 4,1868 J = 0,003968 BTU

hoặc 1 kcal = 4,186 KJ = 3,968 BTU

- Các đại lượng tương ứng với G kg môi chất được ký hiệu bằng các chữ hoa, còn các đại lượng tương ứng với 1kg môi chất được ký hiệu bằng các chữ thường Như vậy công tương ứng với 1 kg môi chất tương ứng sẽ được ký hiệu là l(J/kg) và q(J/kg)

- Công suất ký hiệu là P được định nghĩa là công thực hiện trong một đơn vị thời gian Đơn vị chuẩn đo trong hệ SI là W Như vậy W=J/s Quan hệ giữa các đơn vị đo công suất thường gặp là:

1 W= 3,412 BTU/h = 0.859845 kcal/h

2 Dấu của công và nhiệt lượng

Trong nhiệt động kỹ thuật, người ta quy ước:

- Công do môi chất sinh ra là công dương và công khi môi chất nhận từ môi

trường là công âm Do đó công sinh ra trong các động cơ nhiệt là công dương và công

tiêu tốn trong các máy lạnh hoặc bơm nhiệt là công âm

- Nhiệt lượng do môi chất nhận được là nhiệt lượng dương và nhiệt lượng do môi

chất tỏa ra là nhiệt lượng âm Do đó nhiệt lượng mà môi chất lạnh nhận được từ các

vật cần làm lạnh trong dàn lạnh là nhiệt lượng dương và nhiệt lượng mà môi chất thảy

vào môi trường qua dàn nóng là nhiệt lượng âm

3 Định luật nhiệt động II và nguyên lý làm việc của máy nhiệt

Định luật nhiệt động I chính là định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng viết

cho các quá trình nhiệt động, nó cho phép tính toán cân bằng năng lượng trong các

quá trình nhiệt động, xác định lượng nhiệt có thể chuyển hoá thành công hoặc công

chuyển hoá thành nhiệt Tuy nhiên nó không cho ta biết trong điều kiện nào thì nhiệt

có thể biến đổi thành công và toàn bộ nhiệt có thể biến đổi hoàn toàn thành công

không

Định luật nhiệt động II cho phép ta xác định trong điều kiện nào thì quá trình sẽ

xảy ra, chiều hướng xảy ra và mức độ chuyển hoá năng lượng của quá trình Định luật

nhiệt động II là tiền đề để xây dựng lý thuyết động cơ nhiệt và thiết bị nhiệt

Có nhiều cách phát biểu định luật nhiệt động II:

- Cách thứ nhất do Thomson-Planck phát biểu năm 1851: Không thể có động cơ

nhiệt có khả năng biến toàn bộ nhiệt lượng cung cấp cho nó thành công mà không

mất đi một phần nhiệt lượng truyền cho các vật khác Như vậy nếu động cơ nhiệt

nhận được một nhiệt lượng q1 từ nguồn nóng để sinh cho chúng ta một công l thì nó

phải mất một nhiệt lượng q2 truyền cho nguồn lạnh

q1 = l + |q2|

- Cách thứ hai do Carnot-Clausius đề xuất năm 1851: Nhiệt lượng tự nó chỉ có

thể truyền từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp Muốn truyền ngược lại phải

tiêu tốn thêm một năng lượng Như vậy muốn làm lạnh một vật chúng ta cần phải tiêu

tốn một công l nào đó để đưa nhiệt lượng q2 từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt

độ cao hơn q1

|q1| = |l |+ q2

Hình 1.1 Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt và máy lạnh

Như vậy, cả động cơ nhiệt cũng như máy lạnh và bơm nhiệt chỉ có thể làm việc khi có hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau

II THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT

1 Định nghĩa

Thông số trạng thái là một đại lượng vật lý có một giá trị duy nhất ở một trạng thái Có 8 thông số trạng thái: thể tích riêng, áp suất, nhiệt độ, nội năng, năng lượng đẩy, entanpy, entropy và execgy Trong 8 thông số này thì thì có các thông số có thể

đo được là: thể tích riêng, áp suất và nhiệt độ

2 Các thông số trạng thái

a Thể tích riêng v

Thể tích riêng v là thể tích của 1 kg môi chất Do đó nếu gọi V là thể tích của G

kg môi chất thì thể tích riêng v được xác định:

S

F

p  (N/m2) Đơn vị đo áp suất N/m2 còn được gọi là Pascal(Pa) Pascal là đơn vị đo áp suất chuẩn trong hệ SI Ngoài ra còn dùng các đơn vị đo khác như atmotphe kỹ thuật (at)

atmotphe vật lý(atm), milimet cột thủy ngân, milimet cột nước, PSI… Ta có quan hệ giữa các đơn vị đo như sau:

1 at = 0,9807 bar = 735 mmHg = 10 mH2O (at: Atmosphere technical)

1 at = 735 torr (torr: torricelli)

1 at = 1000 centimeter water (4oC)

1 atm = 101325 Pa (atm: Standard atmosphere )= 760mmHg

1 bar = 105 N/m2 = 105 Pa= 14,5 PSI=750mmHg

1 kgf/cm2 = 1 at = 98,0665 kPa

1PSI = 6,8948 kPa = 6894,84 N/m2

- Áp suất tuyệt đối của môi chất là một trong ba thông số trạng thái cơ bản và có thể đo được trực tiếp

+ Nếu áp suất nơi cần đo lớn hơn áp suất khí quyển (pkq) thì áp suất đo được gọi

là áp suất dư hay áp suất tương đối (pd) Khi đó áp suất tuyệt đối (ptđ) được tính bằng:

ptđ = pd + pkq

+ Nếu áp suất nơi cần đo nhỏ hơn áp suất khí quyển (pkq) thì áp suất đo được gọi

là áp suất chân không (pck) Khi đó áp suất tuyệt đối (ptđ) được tính bằng:

ptđ = pkq - pck

- Dụng cụ đo áp suất khí áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển là áp kế hay manomet Dụng cụ đo áp suất khi áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển gọi là chân không kế hay vaccuummet

c Nhiệt độ

Nhiệt độ là thông số xác định động năng của các phân tử, hay nói đơn giản nhiệt

độ là thông số trạng thái xác định mức độ nóng hay lạnh của vật

• Nhiệt độ tuyệt đối ký hiệu T(K) là đại lượng vật lý tỷ lệ với mức độ chuyển

động nhiệt của các phân tử

T: Nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin (K)

R: Hằng số phổ biến của chất khí R=8314 (J/kmolK)

: Động năng trung bình của các phân tử khí(J/kmol)

• Nhiệt độ Celsius ký hiệu t(oC) đã chọn nhiệt độ đông đặc to= 0 oC và nhiệt độ sôi tsôi=100 oC của nước ở áp suất 760mmHg(1,01325 bar) làm điểm mốc và chia làm

100 khoảng bằng nhau

2 Phân loại nhiệt dung riêng

Với chất lỏng hoặc chất rắn, đơn vị đo vật chất thường là khối lượng(kg) Với

chất khí có thể có 3 đơn vị đo vật chất: khối lượng(kg), thể tích V(m3

tc) và kmol Về quá trình cung cấp nhiệt cũng có 3 quá trình: quá trình cấp nhiệt đẳng tích, quá trình cấp nhiệt đẳng áp và quá trình cấp nhiệt đa biến, đo đó ta có các loại nhiệt dung riêng sau:

- Nhiệt dung riêng khối lượng C(J/kgK)

+ Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp Cp(J/kgK)

+ Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích Cv(J/kgK)

+ Nhiệt dung riêng khối lượng đa biến Cn(J/kgK)

- Nhiệt dung riêng thể tích C’(J/m3tcK)

+ Nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp C’p(J/m3tcK)

+ Nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích Cv(J/m3tcK)

+ Nhiệt dung riêng thể tích đa biến Cn(J/m3tcK)

- Nhiệt dung riêng kmol C (J/kmolK)

+ Nhiệt dung riêng kmol đẳng áp Cp(J/kmolK)

+ Nhiệt dung riêng kmol đẳng tích Cv(J/kmolK)

+ Nhiệt dung riêng kmol đa biến C(J/kmolK)

3 Cách tính nhiệt lượng

Nhiệt lượng được tính theo nhiệt dung riêng hoặc theo entropy Ta có

Q=G.C.∆t=Vtc.C’.∆t Q: Nhiệt lượng (J)

G: Khối lượng chất khí(kg)

C: Nhiệt dung riêng khối lượng(J/kgK)

C’: Nhiệt dung riêng thể tích(J/m3

Gạch 0,84 Thủy ngân 0,138 Nito, 0oC 1,039

Nước đá 2,04 Nước 4,1816 Amoniac,

100oC

2,23

Bài tập:

1 Áp suất trên đồng hồ đo một bình chứa hơi có giá trị quan sát được là 7,5 kgf/cm2 Hãy xác định áp suất tuyệt đối trong bình chứa hơi đó?

2 Hãy tính nhiệt lượng để cung cấp cho 2,5kg nhôm từ 30oC lên 250oC ?

Câu hỏi ôn tập:

1 Hãy vẽ sơ đồ và trình bày nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt và của máy lạnh?

2 Hãy trình bày công thức xác định áp suất tuyệt đối ?

3 Hãy trình bày mối liên hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ ?

§2 HƠI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA HƠI

Mục tiêu:

- Trình bày được các trạng thái pha của môi chất;

- Trình bày và tra được đồ thị Mollier của môi chất lạnh;

- Trình bày được các quá trình chuyển pha của môi chất;

- Vẽ và trình bày được đồ thị pha của môi chất;

- Tính toán được quá trình chuyển pha của nước;

- Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình tính toán

I CÁC PHA CỦA VẬT CHẤT

Tất cả các vật chất đều có thể tồn tại ở bốn trạng thái: rắn, lỏng, khí và plasma, tùy theo điều kiện áp suất và nhiệt độ Bốn trạng thái gọi chung là pha Trong nhiệt động kỹ thuật cơ sở ta chỉ xét đến ba pha là pha rắn, pha lỏng và pha khí hoặc hơi

1 Đồ thị pha

Đồ thị biểu diễn các trạng thái chuyển pha của các chất gọi tắt là đồ thị pha Đồ thị pha của các chất có cấu tạo giống nhau, chỉ khác về các thông số cụ thể Đồ thị pha biểu diễn trên trục tọa độ p-t như sau

điểm này ẩn nhiệt hóa hơi bằng không Điểm tới hạn của nước là tk=374,15oC,

pk=221,29 bar, điểm tới hạn của NH3 là tk=132,3oC, pk=112,8 bar

- Đồ thị pha chia trạng thái vật chất ra làm ba vùng tương ứng với pha ba:

+ Pha rắn: Các điểm nằm bên trái đường AOB

+ Pha lỏng: Các điểm nằm giữa hai đường OA và OK

+ Pha hơi: Các điểm nằm bên phải đường BOK

- Vật chất nằm trên các đường biến pha muốn chuyển từ pha này sang pha khác môi chất phải nhận hoặc tỏa ra một nhiệt lượng nhất định Nhiệt lượng này gọi chung

là nhiệt chuyển pha

2 Các quá trình chuyển pha

Quá trình chuyển pha có 2 đặc điểm:

- Áp suất và nhiệt độ trong quá trình chuyển pha là hai thông số phụ thuộc lẫn nhau

- Áp suất và nhiệt độ trong quá trình chuyển pha không đổi

a Quá trình nóng chảy và quá trình đông đặc

Quá trình nóng chảy là quá trình vật chất chuyển từ pha rắn sang pha lỏng và ngược lại quá trình đông đặc là quá trình vật chất chuyển từ pha lỏng sang pha rắn Khi 1kg vật chất ở thể rắn nằm trên đường chuyển pha thực hiện quá trình nóng chảy

để chuyển về thể lỏng cần một nhiệt lượng là rnc, và ngược lại 1kg vật chất ở thể lỏng nằm trên đường chuyển pha muốn chuyển về thể rắn thì cần tỏa ra một nhiệt lượng đúng bằng rnc Nhiệt lượng rnc gọi là nhiệt ẩn nóng chảy(đông đặc) là nhiệt lượng cần thiết để đưa 1kg vật chất ở trạng thái rắn nằm trên đường chuyển pha về trạng thái lỏng cũng nằm trên đường đó

b Quá trình hóa hơi và quá trình ngưng tụ

Quá trình hóa hơi là quá trình vật chất chuyển từ thể lỏng sang thể hơi và ngược lại quá trình ngưng tụ là quá trình vật chất chuyển từ thể hơi sang thể lỏng Khi 1kg vật chất ở thể lỏng nằm trên đường chuyển pha thực hiện quá trình chuyển pha về thể hơi thì cần một nhiệt lượng rbh Ngược lại, khi 1kg vật chất ở thể hơi nằm trên đường chuyển pha muốn thực hiện quá trình ngưng tụ để chuyển về thể lỏng thì phải tỏa ra một nhiệt lượng đúng bằng rbh Nhiệt lượng rbh gọi là ẩn nhiệt hóa hơi(ngưng tụ) là nhiệt lượng cần thiết để đưa 1kg vật chất ở trạng thái lỏng nằm trên đường chuyển pha sang trạng thái hơi cũng nằm trên đường đó

c Quá trình thăng hoa và quá trình ngưng kết

Quá trình thăng hoa là quá trình vật chất chuyển từ thể rắn sang thể hơi và ngược lại quá trình ngưng kết là quá trình vật chất chuyển từ thể hơi sang thể rắn

Quá trình thăng hoa và quá trình ngưng kết chỉ xảy ra khi trạng thái vật chất nằm dưới điểm ba thể Khi 1kg vật chất ở thể rắn nằm trên đường chuyển pha thực hiện quá trình chuyển pha về thể hơi thì cần một nhiệt lượng rth Ngược lại, khi 1kg vật chất ở thể hơi nằm trên đường chuyển pha muốn thực hiện quá trình ngưng tụ để chuyển về thể rắn thì phải tỏa ra một nhiệt lượng đúng bằng rth Nhiệt lượng rth gọi là

ẩn nhiệt thăng hoa(ngưng kết) là nhiệt lượng cần thiết để đưa 1kg vật chất ở trạng thái rắn nằm trên đường chuyển pha sang trạng thái hơi cũng nằm trên đường đó

Hình 2.2 Các quá trình chuyển pha của vật chất

II QUÁ TRÌNH HÓA HƠI ĐẲNG ÁP CỦA CÁC CHẤT LỎNG

Quá trình hóa hơi là quá trình vật chất chuyển từ pha lỏng sang pha hơi Quá trình hóa hơi xảy ra khi áp suất lớn hơn áp suất điểm ba thể Quá trình hóa hơi bao gồm quá trình bay hơi và quá trình sôi Quá trình hóa hơi có thể thực hiện ở nhiều điều kiện khác nhau nhưng trong kỹ thuật thường xảy ra quá trình hóa hơi đẳng áp

1 Quá trình bay hơi

Quá trình bay hơi là quá trình vật chất chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và chỉ xảy ra trên mặt thoáng ở áp suất và nhiệt độ nào đó Cường độ bay hơi phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và khi nhiệt độ tăng thì cường độ bay hơi cũng tăng

2 Quá trình sôi

Quá trình sôi là quá trình hóa hơi xảy ra không chỉ trên mặt thoáng của chất lỏng

mà cả bên trong toàn bộ không gian của chất lỏng Ở một áp suất nhất định, quá trình sôi cũng xảy ra ở một nhiệt độ nhất định Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hòa Áp suất và nhiệt độ sôi là 2 thông số phụ thuộc lẫn nhau Áp suất càng tăng thì nhiệt độ sôi càng tăng và ngược lại áp suất càng giảm thì nhiệt độ sôi càng giảm Cũng như các quá trình chuyển pha khác, quá trình hóa hơi của các chất đều thực hiện theo quy luật chung:

- Lỏng chưa sôi nhận nhiệt lượng để biến thành lỏng sôi hay lỏng bão hòa Quá trình này gọi là quá trình đốt nóng Đặc điểm quá trình này là nhiệt độ tăng từ t ban đầu lên t Như vậy lỏng bão hòa là lỏng có nhiệt độ bằng nhiệt độ bão hòa

- Lỏng bão hòa tiếp tục nhận nhiệt lượng, một phần lỏng bão hòa biến dần thành hơi có nhiệt độ bằng nhiệt độ bão hòa, hỗn hợp này gọi là hơi bão hòa ẩm Đặc điểm của quá trình này là nhiệt độ không thay đổi

- Hơi bão hòa ẩm tiếp tục nhận thêm nhiệt lượng để tất cả lỏng bão hòa biến thành hơi có nhiệt độ bằng nhiệt độ bão hòa Đặc điểm của quá trình này là nhiệt độ không đổi Hơi ở trạng thái này gọi là hơi bão hòa khô

- Hơi bão hòa khô tiếp tục được đốt nóng để nhiệt độ của nó lớn hơn nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất sôi Quá trình này gọi là quá trình làm quá nhiệt Đặc điểm của quá trình này là nhiệt độ của hơi tăng từ tbh lên nhiệt độ t>tbh Hơi ở trạng thái này gọi là hơi quá nhiệt Vậy hơi quá nhiệt là hơi có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ hơi bão hòa

III QUÁ TRÌNH HÓA HƠI ĐẲNG ÁP CỦA NƯỚC

Giả sử lấy một khối băng có trọng lượng 1kg và nhiệt độ ban đầu là -50oC, dùng đèn để nung lên và dùng nhiệt kế để quan sát sự thay đổi nhiệt độ của khối băng này,

ta vẽ được đồ thị biến đổi nhiệt độ theo thời gian như sau:

Hình 2.3 Quá trình hóa hơi của nước

- Ứng với đoạn AB của đồ thị: nhiệt độ khối băng nhanh chóng tăng từ -50oC lên

0oC mà không tan chảy

- Ứng với đoạn BC của đồ thị: khối băng tan chảy hoàn toàn ở 0oC mà không tăng nhiệt

- Ứng với đoạn CD của đồ thị: nhiệt độ nước nhanh chóng tăng từ 0oC đến

100oC mà không bay hơi

- Ứng với đoạn DE của đồ thị: nước sôi và bay hơi hoàn toàn ở 100oC mà không tăng nhiệt

- Ứng với đoạn EF của đồ thị: nhiệt độ hơi nước tăng từ 100oC lên 150oC

1 Nhiệt hiện

Là quá trình vật chất được cung cấp hoặc lấy đi nhiệt lượng mà không làm thay đổi trạng thái vật chất, chỉ làm thay đổi nhiệt độ (tương ứng với đoạn AB, CD và EF trên đồ thị), nhiệt lượng này được gọi là nhiệt động và được tính theo công thức sau:

Qh = G.C.(t2 – t1) (W) Trong đó:

Qh là nhiệt hiện (kJ)

G là khối lượng vật chất.(kg)

t1 và t2 lần lượt là nhiệt độ ban đầu và cuối quá trình nung (K)

C là nhiệt dung riêng ( kJ/kgK), đây là nhiệt lượng cần cung cấp hoặc lấy đi để 1Kg vật chất thay đổi 1K Với nước ở áp suất khí quyển, ta có:

Qa là nhiệt ẩn (kJ)

G là khối lượng vật chất (kg)

r là ẩn nhiệt ( kJ/kg), đây là nhiệt lượng cần cung cấp hoặc lấy đi để 1kg vật chất thay đổi trạng thái hoàn toàn

rBC(tan chảy, đông đặc) = 333(kJ/kg)

rDE(bốc hơi, ngưng tụ) = 2256(kJ/kg)

IV ĐỒ THỊ MOLLIER CỦA MÔI CHẤT LẠNH

1 Giới thiệu đồ thị Mollier

Đồ thi Mollier là đồ thị biểu diễn trạng thái gas lạnh theo áp suất (thang Logarit trục tung) và Enthalpy ( thang tuyến tính trục hoành) nên còn gọi là đồ thị logp-h Đồ thị do nhà bác học người Đức Mollier xây dựng năm 1912

Trên đồ thị Mollier biểu diễn các thông số trạng thái là:

- Áp suất, đơn vị bar, hoặc MPa, ký hiệu P

- Nhiệt độ, đơn vị oC , ký hiệu t

- Entalpy, đơn vị kJ/kg, ký hiệu h

- Entropy, đơn vị kJ/kgK, ký hiệu s

- Thể tích riêng, đơn vị m3/kg, ký hiệu v

Ngoài ra còn đường x=const là thành phần hơi không đổi trong hỗn hợp hơi ẩm

* Ưu điểm của đồ thị Mollier

- Căn cứ vào các sai lệch giữa áp suất và nhiệt độ thiết kế lý thuyết trên đồ thị Mollier, và áp suất, nhiệt độ đo được trong thực tế vận hành, ta có thể dễ dàng chuẩn đoán được sự cốcủa hệ thống và đề ra biện pháp sửa chữa hữu hiệu Chính vì vậy đồ thị Mollier không những cần thiết đối với các kỹ sư thiết kế mà cũng rất cần thiết đối với người vận hành, sửa chữa hệ thống lạnh

2 Cấu tạo đồ thị Mollier

a Các đường áp suất và entanpy không đổi

Được biểu diễn trên trục tung theo thang chia logarit và enthalpy trên trục hoành theo thang tuyến tính

Hình 2.4 Các đường áp suất không đổi

b Đường lỏng bão hòa và đường hơi bão hòa

Đường lỏng bão hòa và đường hơi bão hòa chia đồ thị làm 3 khu vực khác nhau

Và hai đường này gặp nhau tại một điểm, điểm đó là điểm tới hạn Nhiệt độ tới hạn là nhiệt độ cao nhất mà một chất khí có thể hóa lỏng khi được nén lên áp suất cao Mỗi chất khí có nhiệt độ tới hạn riêng Áp suất tới hạn là áp suất bão hòa của điểm tới hạn