Tiểu Luận - Điều Hòa Không Khí - Chủ Đề - Van Tiết Lưu

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tp HCM Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh ∞ BÁO CÁO TIỂU LUẬN ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ Chủ đề VAN TIẾT LƯU GVHD GS Lê Chí Hiệp SVTH 1 Nguyễn Văn Dóng MSSV 21000429 2 V[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tp HCM

Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh -∞ - BÁO CÁO TIỂU LUẬN ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

Chủ đề: VAN TIẾT LƯU

GVHD: GS Lê Chí Hiệp SVTH: 1 Nguyễn Văn Dóng

MSSV: 21000429

2 Vũ Lê Quốc

MSSV: 21002651

Mục lục

trang

1 Tổng quang về kĩ thuật lạnh ……… ………… 3

1.1 Lịch sử phát triển ……… 3

1.2 Các quá trình làm lạnh nhân tạo ……… 4

2 Cơ sở lý thuyết của quá trình tiết lưu ……… 5

2.1 Quá trình tiết lưu của khí và lỏng ……… 5

2.2 Phương trình của quá trình tiết lưu ……… 5

2.3 Hiệu ứng Joule – Thomson ……… 8

3 Các loại van tiết lưu thường gặp và đặc điểm từng loại …… ……… 11

3.1 Ống tiết lưu ……… …… 11

3.2 Van tiết lưu điều khiển bằng tay ……… ……… 11

3.3 Van tiết lưu nhiệt ……… ……… 14

3.4 Van tiết lưu điện tử ……… …… 19

4 Tài liệu tham khảo ……… ……… 27

1 Tổng quang về kỹ thuật làm lạnh

1.1 Lịch sử phát triển

Từ xa xưa loài người đã biết sử dụng lạnh trong đời sống: để làm nguội một vật nóng người ta đưa nó tiếp xúc với vật lạnh Ở những nơi mùa đông có băng tuyết thì vào mùa đông người ta sản xuất nước đá cây ngoài trời, sau đó đưa nước đá cây vào hầm tích trữ lại, vào mùa hè người ta sử dụng lượng lạnh do nước đá cây nhả ra để bảo quản rau quả, thịt cá thu hoạch được để dành cho mùa đông

Ở thế kỷ 17 nhà vật lý người Anh là Bôi và nhà vật lý người Đức là Gerike đã phát hiện: ở áp suất chân không nhiệt độ bay hơi của nước thấp hơn ở áp suất khí quyển Trên cơ sở này năm 1810 nhà bác học người Anh đã chế tạo ra máy lạnh sản xuất nước đá Năm 1834 bác sỹ Perkin người Anh đã đưa máy lạnh dùng môi chất êtylen C2H2vào ứng dụng Khi một nhà bác học ở viện hàn lâm Pháp trình bày phương pháp bảo quản thịt bằng làm lạnh thì công nghệ lạnh mới thực sự phát triển

Các môi chất lạnh ban đầu được sử dụng là không khí, êtylen C2H2, ôxit cacbon CO2, ôxít sulfuric SO2, peôxit nitơ NO2 Về sau môi chất lạnh tìm được là amoniac NH3 Những năm 30 - 40 của thế kỷ 20 người ta tìm ra các freon, là các dẫn xuất từ dãy hydro cacbon no

Năm 1862 máy lạnh hấp thụ ra đời Năm 1874 kỹ sư Linde người Đức chế tạo ra máy nén lạnh đầu tiên tương đối hoàn chỉnh Sang thế kỷ 20 các cơ sở nhiệt động của máy lạnh đã tương đối hoàn thiện Máy lạnh hiệu ứng Peltie, hiệu ứng từ trường

ra đời Công cuộc chạy đua làm lạnh về 0 K vẫn tiếp diễn

Kỹ thuật lạnh được ứng dụng trong nhiều ngành: trong công nghiệp thực phẩm, công nghiệp, nông nghiệp, y tế, quốc phòng, điều hòa không khí cho nhà ở, nhà công cộng, các xí nghiệp công nghiệp, các phương tiện giao thông

Nước ta nằm trong khu vực có khí hậu nóng và ẩm, phía nam hầu như không có mùa đông, đường bờ biển dài hơn 3400 km Đó là những điều kiện cho việc phát triển ngành lạnh Thật vậy, kỹ thuật lạnh ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế của đất nước Kỹ thuật lạnh đã xâm nhập vào hơn 60 ngành kinh

tế, đặc biệt vào các ngành chế biến thực phẩm, hải sản xuất khẩu, công nghiệp nhẹ, điều hòa không khí…

Để hiểu rõ chức năng và nguyên lý làm việc của van tiết lưu thì ta cần tìm hiểu một

hệ thống lạnh nói chung Ta cần xét trong phạm vi những hệ thống lạnh thông dụng cũng như trong công nghiệp, ví dụ như: hệ thống điều hòa không khí, kho lạnh, xưởng đông lạnh… Một hệ thống lạnh có thể được xem là một hệ thống kín, trong

đó có các quá trình nhiệt động là hấp thụ và thải nhiệt nhờ sự chuyển động và đổi pha của môi chất trong hệ thống nhờ hai thiết bị chính đó là máy nén hơi và van tiết lưu Ở dạng đơn giản nhất một hệ thống lạnh gồm có các thiết bị chính là máy nén hơi nén môi chất lạnh từ áp suất thấp lên áp suất cao, thiết bị ngưng tụ dung để giải nhiệt môi chất lạnh nhờ không khí hoặc nước, van tiết lưu dung để giảm áp tự áp suất cao xuống áp suất bay hơi, thiết bị bay hơi dùng để gia nhiệt cho môi chất lạnh nhờ lấy nhiệt tại môi trường cần làm lạnh

Việc lựa chọn van tiết lưu là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến lưu lượng môi chất lạnh vào thiết bị bay hơi

1.2 Các quá trình làm lạnh nhân tạo

1) Làm lạnh bằng hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt, sinh ngoại công

2) Làm lạnh bằng hiệu ứng tiết lưu (Làm lạnh bằng hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt không sinh ngoại công)

3) Làm lạnh bằng hiệu ứng hấp thụ

4) Làm lạnh bằng hiệu ứng dòng lưu động qua ống (ejector, ống xoáy)

5) Làm lạnh bằng hiệu ứng nhiệt điện

6) Làm lạnh bằng hiệu ứng từ trường

Trong 6 phương pháp làm lạnh nhân tạo kể trên thì phương pháp 1 và 2 là thông dụng nhất Đối với lạnh đông thì chỉ dùng phương pháp 1; với lạnh cryo sử dụng cả

1 và 2

2 Cơ sở lý thuyết của quá trình tiết lưu

2.1 Quá trình tiết lưu của khí và lỏng

Tiết lưu là quá trình của dòng chất môi giới đi qua một tiết diện bị co hẹp đột ngột

Trong thực tế, khi dòng môi chất đi qua các đường ống, các cửa nghẽn trong lưu lượng kế, các ống mao dẫn hoặc các van tiết lưu trong hê thống lạnh… thì nó được xem như là đang thực hiện một quá trình tiết lưu Đây là một quá trình không thuận nghịch điển hình Có thể xem quá trình tiết lưu là quá trình là đoạn nhiệt vì qua trình được tiến hành rất nhanh, nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường rất

bé, tuy nhiên trong trường hợp này entropy sẽ tăng Khi qua tiết lưu ta thấy áp suất của chất môi giới sẽ giảm xuống nhưng không sinh ra công Áp suất giảm xuống là

do khi tiết lưu sẽ xuất hiện những dòng xoáy và ma sát rất mạnh

Quá trình tiết lưu thường đi kèm với giảm hiệu suất của dòng môi chất, và điều này

là có hại Nhưng trong thực tế, người ta cần phải làm giảm tiết lưu để điều chỉnh hiệu suất của các thiết bị sử dụng hơi nước, điều chỉnh lưu lượng, và giảm áp trong các hệ thống lạnh

Bởi vì khi chuyển động qua tiết diện co hẹp đột ngột, trở lực tăng lên, điều này cũng làm cho động năng và vận tốc của dòng tăng lên, làm cho nhiệt độ và áp suất dòng khì giảm, khí chuyển động qua ống sẽ dành ra một phần nhỏ động năng của nó để thực hiện công chống lại lực ma sát, và công này được chuyển hóa thành nhiệt, điều nay dẫn tới nhiệt độ tăng hay giảm

2.2 Phương trình của quá trình tiết lưu

Xét một quá trình tiết lưu qua ống bị thu hẹp như hình Mặt cắt I-I và II-II và ống được giới hạn bởi 2 piston không trọng lượng có thể di chuyển không ma sát Áp suất p1 tác động vào piston 1 di chuyển dịch chuyển qua khoảng diện tích F2, với p1

> p2 Không có nhiệt trao đổi giữa ống với môi trường xung quanh

Độ chênh lệch áp suất Δp = p1 – p2 tất nhiên sẽ phụ thuộc vào tính chất của chất môi giới, ngoài ra nó còn phụ thuộc nhiều vào mức độ co hẹp của tiết diện tại vị trí tiết lưu và tốc độ chuyển động của chất môi giới Do đó, nếu giữ nguyên các tính chất của chất môi giới và kích thước của cơ cấu tiết lưu thì rõ ràng độ chênh áp Δp sẽ phụ thuộc vào lưu lượng, người ta sử dụng đặc điểm này để đo lưu lượng bằng phương pháp tiết lưu

Quan hệ giữa áp suất, enthanpy và tốc độ của chất môi giới ở vị trí trước và sau tiết lưu được trình bày trên hình Kí hiệu chỉ số 1 cho các thông số ở vị trí trước tiết lưu

và 2 cho vị trí sau tiết lưu

Giả sử 1kg khí chuyển động qua lỗ piston 1 sẽ di chuyển đến vị trí 1’ (đi được quãng đường s1) và piston 2 đến vị trí 2’ (đi được quãng đường s2) Để thay thế 1kg khí cần thiết phải tiêu tốn một công p1s1F1 hay p1v1 Một phần của công này, p2s2F2 hay p2v2

sẽ được bỏ ra để thắng áp suất p2, và độ chênh giữa công p1v1 – p2v2 sẽ gây ra sự biến đổi năng lượng của chất môi giới

Xét ở mặt cắt I-I và II-II, phương trình năng lượng của dòng ổn định có dạng (Steady Flow Energy Equation – SFEE):

2

)(

)

2 2 2 1 2

Ta có:

2

2 1 2 2 2

Như vậy, entanpy của chất môi giới ở trước và sau tiết lưu có giá trị bằng nhau Tuy nhiên trong thực tế thì kết luận này không đúng cho các trạng thái trung gian của quá trình tiết lưu Tại vị trí tiết lưu thì tiết diện co hẹp đột ngột nên tốc độ tăng lên, entanpy giảm và sau vị trí tiết lưu thì tốc độ giảm nên entanpy lại tăng lên giá trị ban đầu Ta kết luận i = const khi khảo sát 2 tiết diện đặt xa nghẽn, còn ở gần nghẽn thì

sự biến đổi nhiệt độ của môi chất ở vị trí sau tiết lưu là một vấn đề cần phải khảo sát

kỹ Trong trường hợp chất môi giới là khí lý tưởng, do di= cho nên kết luận c pt

ngay là nhiệt đổi không đổi sau tiết lưu Nếu môi chất là khí thực thì vấn đề sẽ phức tạp hơn Mối quan hệ giữa sự biến đổi nhiệt độ và áp suất qua quá trình tiết lưu trong trường hợp này được Joule – Thomson phát hiện bằng thực nghiệm vào năm 1852

và được gọi là hiệu ứng Joule – Thomson

2.3 Hiệu ứng Joule - Thomson

Trong bất kì khí thực nào cũng luôn tồn tại lực hút phân tử và nếu khí nở ra thì sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử hay sự thay đổi thế nội năng của toàn khối sẽ liên quan đến sự tiêu tốn công cùng với sự thay đổi của nhiệt độ

Hiệu ứng vi phân Joule-Thompson là tỷ số giữa độ biến thiên nhiệt độ với độ biến thiên áp suất trong quá trình tiết lưu:

i

i i

dp

dT

=



Ở đây i được gọi là hệ số của hiệu ứng Joule – Thomson và giá trị của nó được xác

định theo phương trình vi phân của entanpy như sau:

c

di

p p

Suy ra:

p i

i

c

v T

v T p

T

v T

 , lúc đó nhiệt độ của chất môi giới sau

tiết lưu sẽ tăng

Như vậy, tùy theo nhiệt độ ban đầu của chất môi giới trước khi vào van tiết lưu mà nhiệt độ của chất môi giới sau tiết lưu có thể tăng lên, giảm xuống hoặc không đổi Trạng thái khí thực khi tiết lưu có i =0 được gọi là trạng thái chuyển biến, nhiệt

độ tương ứng được gọi là nhiệt độ chuyển biến Nếu gọi nhiệt độ chuyển biến Tcb là giá trị nhiệt độ được xác định bởi biểu thức sau:

➢ Nếu   0, hay nhiệt độ chất môi giới trước khi vào van tiết lưu lớn hơn nhiệt

độ chuyển biến thì sau khi tiết lưu thì nhiệt độ của chất môi giới tăng lên

➢ Nếu   0, hay nhiệt độ chất môi giới trước khi vào van tiết lưu nhỏ hơn nhiệt

độ chuyển biến thì sau khi tiết lưu thì nhiệt độ của chất môi giới sẽ giảm xuống

Thông thường các khí thực có nhiệt độ chuyển biến Tcb ở áp suất môi trường khá cao T cb 800K, trừ 2 chất là H2 có T cb =200K và He có T cb =30K Do đó đối với

các máy lạnh thực tế ở giải nhiệt độ và áp suất công tác −100 3100C;

2/20

1

0  kgf cm thì nhiệt độ sau tiết lưu luôn luôn giảm

3 Các loại van tiết lưu thường gặp và đặc điểm từng loại

Van tiết lưu đơn giản, ống tiết lưu, van tiết lưu tay

Cấu tạo chung : tạo ra sự co hẹp đột ngột trên đường đi của đường dẫn môi chất lạnh

3.1 Ống tiết lưu :

a Cấu tạo :

Ống tiết lưu là một đoạn ống có tiết diện nhỏ ( khoảng 0.4 – 5 mm ), dài ( khoảng 0.4 – 0.8mm ) được xoắn lại để giảm diện tích và thường được làm bằng kim loại đồng, hợp kim đồng và được bọc bảo vệ

b Nguyên lý hoạt động:

Khi dòng môi chất lạnh chuyển động qua ống tiết lưu, khi đến vùng có tiết diện hẹp lại -> lưu chất sẽ bị nén lại và thay đổi một số thông số trạng thái

Chiều dài của ống tiết lưu lớn hơn nhiều so với đường kính -> để giảm thiểu khả năng bốc hơi qua lại trạng thái cũ của môi chất lạnh

c Ứng dụng :

Được sử dụng nhiều trong các hệ thống với công suất vừa hoặc nhỏ, hộ gia đình, cá nhân như máy điều hòa không khí gia đình, tủ lạnh gia đình… cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ và hiệu quả cao

3.2 Van tiết lưu điều khiển bằng tay :

a Cấu tạo:

Có cấu tạo chung gần giống với một van đóng mở gồm màng chắn ( chốt chắn ), và vít được gắn cứng với nhau, trên đầu vít có thể gắn hai tay quay để thuận tiện trong việc điều chỉnh

Tiết diện co hẹp của van được điều chỉnh bằng tay qua cơ cấu ren vít -> thay đổi về bề rộng khe hở

Hình 9: Cơ câu của một van tiết lưu điều khiển bằng tay

Hình 10: Một van tiết lưu điều khiển bằng tay của hãng Sporlan

b Nguyên lý hoạt động : khi quay tay quay , volan hay lulong trên đầu van sẽ làm cho trục vít quay và làm cho vị trí cản màng chắn, chốt chặn thay đổi vị trí làm thay đổi tiết diện của khe hẹp qua đó thay đổi lưu lượng thể tích của môi chất lạnh đi qua van vì vậy ta có thể điều khiển được đến giá trị mong muốn

c Ứng dụng:

Được sử dụng ở những hệ thống lạnh đơn giản, công suất lớn như nhà máy nước đá,… thường là những hệ thống lạnh cũ Cấu tạo đơn giản

3.3 Van tiết lưu nhiệt : Là van tiết lưu dựa vào sự thay đổi nhiệt độ tại điểm đo để thay đổi lưu lượng thể tích đi qua van

a Cấu tạo : hình cấu tạo cơ bản của một van tiết lưu nhiệt :

Hình 11: Sơ đồ cấu tạo cơ bản của một van tiết lưu nhiệt

1- Bầu cảm biến nhiệt: Có vỏ thường được làm bằng đồng, hợp kim

đồng Môi chất trong bầu không thông với môi chất của hệ thống Bầu cảm biến nhiệt độ được nối với nắp trên của van tiết lưu qua một ông dẫn có tiết diện nhỏ

2- Nắp trên của van: Được làm bằng hợp kim, có dạng hình nắp và được

hàn cứng hay bắt bulong (đối với các van cỡ lớn) với thân van

3- Màn chắn: Là một tấm mỏng được làm từ vật liệu đàn hồi, có thể là

kim loại hay phi kim loại

4 - Rãnh thông: có tiết diện tương đối nhỏ, làm nhiệm vụ thông giữa

phần dưới và phần trên của van

5 - Bulong chắn đầu hiệu chỉnh: bảo vệ vít diệu chỉnh áp suất cân bằng của van và chống bụ bẩn gây hư hỏng hay khó hiệu chỉnh về sau + Hình sau sẽ cho thấy rõ hơn về cấu tạo của một van tiết lưu nhiệt:

Hình 14: Chú thích và hình vẽ

Hình 15: Sơ đồ van tiết lưu nhiệt

Hình 16: Cấu tạo của van tiết lưu nhiệt có thêm ngõ cân bằng áp suất Một số van tiết lưu khác có thêm đường nối cân bằng áp suất (equalizer tube) như được ghi chú ở hình 3, và có cấu tạo phức tạp hơn như hình

Hình 17: Hình ảnh thật của một van tiết lưu nhiệt

b Nguyên lý hoạt động cơ bản:

Nhiệt độ của đường ống được truyền cho bầu cảm biến nhiệt môi chất bên trong bầu sẽ thay đổi trạng thái và tạo ra một áp suất tát động lên màng chắn một lực F

Lực này tương quan so với lực đàn hồi của lò xo cộng với áp suất bên trong dòng môi chất lạnh đã được cài đặt

Nếu F lớn hơn lực đàn hồi của lo xo cộng với áp suất bên trong dòng môi chất lạnh: thì màng chắn đấy chốt trụ đi xuống, chốt trụ sẽ làm cho cửa van mở to thêm, môi chất lạnh đi qua van nhiều hơn Nếu F nhỏ hơn lực đàn hồi của lò xo cộng với áp suất bên trong dòng môi chất lạnh: thì lực đàn hồi của lo xo sẽ làm cho van kép lại dần Tiết diện của khe hẹp nhỏ lại và môi chất lạnh đi qua van ít hơn Sư thay đổi ít hay nhiều môi chất lạnh đi qua van đó làm thay đổi trạng thái của môi chất sau khi môi chất đi qua dàn bay hơi Qua đó chúng ta có thể điều chỉnh lực nén lò xo để đạt được trạng thái mong muốn của lưu chất.

c Ứng dụng: Được sử dụng rộng rãi trong trong các hệ thống lạnh công nghiệp, dân dụng, có quy mô vừa và lớn

Hình 18: Van tiết lưu nhiệt trong hệ thống lạnh

Có độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, dễ thay thế, sữa chữa, bảo trì Hiệu quả kinh tế cao

3.4 Van tiết lưu điện tử:

Là van tiết lưu dựa vào một hay nhiều tín hiệu đo được tại một hay nhiều vị trí trong

hệ thống lạnh để điều chỉnh lưu lượng thể tích của môi chất lạnh đi qua van

a Cấu tạo :

Có cấu tạo phức tạp hơn nhiều so với van tiết lưu nhiệt và tổng quan