Các khái niệm mở đầu về nhiệt động
Các khái niệm cơ bản
1.1.1 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của nhiệt động:
Nhiệt động học nghiên cứu các quy luật chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng, đồng thời phân tích các hướng có thể xảy ra trong các quá trình vật lý và hóa học.
Thiết bị nhiệt là thiết bị chuyển đổi giữa nhiệt năng và cơ năng, được phân thành hai nhóm chính: động cơ nhiệt và máy lạnh.
- Động cơ nhiệt: Có chức năng chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng như động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ phản lực, v.v….
- Máy lạnh:có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh đến nguồn nóng
1.1.2 Hệ nhiệt động, chất môi giới, trạng thái và thông số trạng thái: a) Hệ nhiệt động:là hệ gồm một hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu các tính chất nhiệt động của chúng Tất cả những vật ngoài hệ nhiệt động được gọi là môi trường xung quanh Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động với môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của hệ nhiệt động.
Hệ nhiệt động được phân loại như sau :
Hệ nhiệt động kín– Hệ nhiệt động trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh
Hệ nhiệt động hở- Hệ nhiệt động trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh
Hệ nhiệt động cô lập– Hệ nhiệt động không trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường xung quanh.
Hệ nhiệt động không cô lập – Hệ nhiệt động có khả năng trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường xung quanh.
Hệ đoạn nhiệt – Hệ nhiệt động là hệ không trao đổi nhiệt năng với môi trường xung quanh b) Chất môi giới:
Chất môi giới trong thiết bị nhiệt là chất trung gian quan trọng, đóng vai trò trong việc chuyển đổi giữa nhiệt năng và cơ năng.
Thông số trạng thái của chất môi giới là các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của nó Các thông số này bao gồm nhiệt độ, áp suất và thể tích, giúp mô tả chính xác tình trạng của chất môi giới trong các quá trình nhiệt động học.
Nhiệt độ(T) – số đo trạng thái nhiệt của vật Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử m μ ω 2
Trong đó: mμ – khối lượng phân tử ω – vận tốc trung bình của các phân tử k – hằng số Bonzman , k = 1,3805.105 J/độ
Nhiệt kế là thiết bị đo nhiệt độ, hoạt động dựa trên sự thay đổi của các tính chất vật lý như chiều dài, thể tích, màu sắc và điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
Mối quan hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ: o C=5
Khái niệm: Áp suất của lưu chất (p) – lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành chứa p =
Theo thuyết động học phân tử : p = α.n.m μ ω 2
F – lực tác dụng của các phân tử ;
A – diện tích thành bình chứa ; n – số phân tử trong một đơn vị thể tích ; α – hệ số phụ thuộc vào kích thước và lực tương tác của các phân tử
3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch)
4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot)
Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất:
1 atm = 760 mm Hg (at 0 0C) = 10,13 10 4 Pa = 2116 psf (lbf/ft2)
1at = 0,981 bar = 9,81.10 4 N/m 2 = 9,81.10 4 Pa = 10 mH20 = 735,5 mmHg = 14,7 psi
1) Áp suất khí quyển (p0)– áp suất của không khí tác dụng lên bề mặt các vật trên trái đất
2) Áp suất dư (pd) – là phần áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển p d = p – p 0 [1-4]
3) Áp suất tuyệt đối (p)– áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối p = p d + p [1-5]
4) Áp suất chân không (pck)– phần áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển pck = p0 – p [1-6]
Hình 1.2 Các loại áp suất
- Thể tích riêng và khối lượng riêng
• Thể tích riêng (v)– Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng chất đó : ν =
Khối lượng riêng (ρ), hay còn gọi là mật độ, là khối lượng của một chất ứng với một đơn vị thể tích của chất đó.
Nội nhiệt năng (u)– gọi tắt là nội năng – là năng lượng do chuyển động của các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng
Nội năng gồm 2 thành phần : nội động năng (ud) và nội thế năng (up)
- Nội động năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ của vật
Nội thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử và phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng, do đó nội năng là hàm của nhiệt độ và thể tích riêng: \$u = u(T, v)\$ Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng 0, nên nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ Lượng thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định bằng biểu thức: \$\Delta u = C_u = C_v(T_2 - T_1)\$ Đối với 1 kg môi chất, nội năng được ký hiệu là \$u\$ với đơn vị là J/kg; còn đối với G kg môi chất, nội năng được ký hiệu là \$U\$ với đơn vị là J.
Ngoài ra nội năng còn có một số đơn vị khác như: kCal; kWh; Btu…
- Entanpy :(i) – là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức : i = u + p.v [1-9]
Enthalpy của khí thực là hàm của các thông số trạng thái, tương tự như nội năng Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
- Entropy : (s) là một hàm trạng thái của chất môi giới
Phương trình trạng thái của chất khí
1.2.1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng :
- Phương trình trạng thái khi viết cho 1kg khí có dạng : p.v=R.T [1-10]
Trong đó: p : áp suất tuyệt đối (N/m 2 ) v: thể tích riêng ( m 3 /kg) R: hằng số chất khí (J/kg.độ)
- Phương trình trạng thái đối với G kg khí : p.v.G=G.R.T→ p.V=G.R.T [1-11]
Trong đó: R R μ μ Với Rμ = 8314 (J/kmol.độ) μ :là khối lượng 1 kmol phân tử (μkk = 29, μoxi = 16,…)
1.2.2 Phương trình trạng thái của khí thực:
Trong thực tế, khí thực có tính chất phức tạp và việc tính toán liên quan đến chúng cũng không đơn giản Để xây dựng phương trình cho khí thực, người ta thường bắt đầu từ phương trình của khí lý tưởng và sau đó bổ sung các hệ số điều chỉnh dựa trên kết quả thực nghiệm.
- Theo Vander Waals phương trình có dạng:
Hệ số điều chỉnh về áp suất nội bộ được ký hiệu là a/v 2, trong khi b là hệ số điều chỉnh về thể tích bản thân phân tử Các hằng số a và b, còn được gọi là các hằng số cá biệt, biến thiên theo từng loại chất khí.
Bài tập: Cho không khí có các thông số trạng thái như sau: áp suất p = 1 bar, nhiệt độ t = 27 o C Hãy xác định thể tích của khối khí.
* Để giải bài tập này cần thực hiện các bước sau
Bước 1: Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng ta có: p.v = R.TVới p = 1bar = 10 5 Pa, t = 27 o C = 300K
Bước 2: Tính thể tích của khối không khí : v = R T p = 287×300
Mỗi học sinh làm một bài tập tren giấy trong khoảng thời gian 30 phút
1) Hệ nhiệt động là gì? Phân loại hệ nhiệt động.
2) Chất môi giới là gì ? Nêu các thông số trạng thái của chất môi giới.
3) Trình bày phương trình trạng thái của khí lý tưởng.
Định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
Nhiệt, nhiệt dung riêng và công
Nhiệt và công là hai phương tiện chính mà môi chất sử dụng để trao đổi năng lượng trong quá trình Khi năng lượng được trao đổi qua công, luôn có sự chuyển động vĩ mô đi kèm, trong khi đó, trao đổi năng lượng qua nhiệt luôn đi kèm với sự chênh lệch nhiệt độ.
- Nhiệt năng (nhiệt lượng):là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ Đơn vị đo nhiệt năng :
- Calorie (Ca)- Ca là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 gram nước tăng từ
- British thermal unit (Btu)- Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 pound nước tăng từ 59.50F lên 60.50F
Hình 2.1.Các hình thức truyền nhiệt
- Nếu ta có 1 đơn vị chất môi giới là 1kg, cần một nhiệt lượng là dq làm cho nó thay đổi nhiệt độ là dt thì:
- Nếu ta cung cấp cho 1kg chất môi giới nhiệt lượng là q làm cho nó thay đổi nhiệt độ từ t1 đến t2 thì:
Phân loại nhiệt dung riêng:
Khi lấy đơn vị đo là kg: gọi là nhiệt dung riêng khối lượng Ký hiệu: c (KJ/kg.độ)
- Nếu quá trình tiến hành trong điều kiện áp suất không đổi, gọi là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp.Kí hiệu: cp
- Nếu quá trình tiến hành trong điều kiện thể tích không đổi, gọi là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích.Kí hiệu: cv
Khi lấy đơn vị đo là m 3 tiêu chuẩn: gọi là nhiệt dung riêng thể tích.Kí hiệu: c’ (KJ/ m 3 tc.độ) m 3 tc được đo ở điều kiện: p= 760mmHg, t=0 o C
- Nếu quá trình tiến hành trong điều kiện áp suất không đổi, gọi là nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp.Kí hiệu: c’p
- Nếu quá trình tiến hành trong điều kiện thể tích không đổi, gọi là nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích.Kí hiệu: c’v
Khi lấy đơn vị đo là kmol: gọi là nhiệt dung riêng kmol Kí hiệu:cμ (KJ/kmol.độ)
- Nếu quá trình tiến hành trong điều kiện áp suất không đổi, gọi là nhiệt dung riêng kmol đẳng áp.Kí hiệu: cμp
- Nếu quá trình tiến hành trong điều kiện thể tích không đổi, gọi là nhiệt dung riêng kmol đẳng tích.Kí hiệu: cμv
Trị số k của khí thực phụ thuộc vào loại chất khí và nhiệt độ Đối với khí lý tưởng, k chỉ phụ thuộc vào loại chất khí
• Quan hệ giữa c, k và R : cv 1 k−1 R
Nhiệt dung riêng của khí thực :
Nhiệt dung riêng của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và quá trình nhiệt động
• Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng :
Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào loại chất khí mà không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.
Bảng 1.1: Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng
Loại khí k c μ v[kJ/kmol.K] c μ p [kJ/kmol K]
Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc, nội năng từ vật có nhiệt độ cao hơn sẽ tự động truyền sang vật có nhiệt độ thấp hơn Lượng nội năng được truyền gọi là nhiệt lượng.
- Nhiệt lượng là dạng năng lượng chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi năng lượng.
- Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng
+ Theo nhiệt dung riêng thực: q = c.(t2 – t1) [2-4]
+ Theo nhiệt dung riêng quan hệ là đường thẳng: q=[ a + b× ( t 2 −t 2 1 ) ] × ( t 2 −t 1 ) [2-5]
Công, hay còn gọi là cơ năng, là dạng năng lượng được hình thành từ quá trình biến đổi năng lượng, trong đó có sự dịch chuyển của lực tác dụng Về mặt trị số, công được tính bằng tích của thành phần lực cùng phương chuyển động và quãng đường dịch chuyển Đơn vị của công, tương tự như năng lượng, là Joule (J), trong đó 1 J tương ứng với công của lực 1N tác dụng trên quãng đường 1 m Công có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
1) Công thay đổi thể tích (l)– còn gọi là công cơ học – là công do chất môi giới sinh ra khi dãn nở hoặc nhận được khi bị nén Công thay đổi thể tích gắn liền với sự dịch chuyển ranh giới của hệ nhiệt động
2) Công kỹ thuật (lkt)–là công của dòng khí chuyển động được thực hiện khi áp suất của chất khí thay đổi
Qui ước : Công do hệ nhiệt động sinh ra mang dấu (+), công do môi trường tác dụng lên hệ nhiệt động mang dấu (-).
Định luật nhiệt động I
2.2.1 Năng lượng toàn phần của hệ:
Năng lượng toàn phần của hệ nhiệt động gồm:
- Năng lượng đẩy: chỉ có trong hệ hở, đó là năng lượng làm chuyển động dòng môi chất;
- Ngoại thế năng: năng lượng do chênh lệch độ cao;
Xét cho 1 kg chất môi giới, năng lượng toàn phần được xác định theo công thức: w=u+d+g.h+ω 2
2 [2-7] Đối với G kg môi chất:
Nếu bỏ qua ngoại thế năng thì: w=u+p.v+ω 2
[2-10] Đối với hệ kín, môi chất không di chuyển nên năng lượng đẩy, ngoại thế năng và ngoại động năng bằng 0, khi đó: w =u
2.2.2 Nội dung và ý nghĩa của định luật nhiệt động I
Năng lượng không tự mất đi hay tự tạo ra, mà chỉ biến đổi giữa các dạng khác nhau trong các quá trình lý hóa Tổng năng lượng trong một hệ cô lập luôn giữ nguyên.
- Thực chất của định luật nhiệt động thứ nhất là định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt.
Công thức của định luật:
Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q, hệ sẽ thực hiện công L và phần còn lại sẽ làm thay đổi nội năng U của vật.
- Viết cho 1kg ta có : q = Δu = Cu + l [2-12]
Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
2.3.1.1 Quá trình đẳng tích: ( v = const ) a) Lý thuyết liên quan:
Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn quá trình đẳng tích
- Quá trình đẳng tích là quá trình thay đổi thông số trạng của chất môi giới trong điều kiện thể tích không đổi ( v = const)
- Quan hệ giữa các thông số:
Độ biến thiên nội năng của khí lý tưởng được xác định bởi nhiệt dung riêng hằng số, với nội năng là thông số trạng thái Trong quá trình đẳng tích, độ biến thiên nội năng được tính bằng công thức: \$\Delta u = C_u = c_v \cdot (T_2 - T_1)\$ (J/kg) Đối với độ biến thiên entanpy, các yếu tố liên quan cũng cần được xem xét để hiểu rõ hơn về tính chất của khí lý tưởng.
Ta có entanpy là khí thông số trạng thái Trong quá trình đẳng áp ta có Đối với khí lý tưởng ta luôn có: Δu = Ci = cp.(T2 – T1) (J/kg) [2-15]
+ Độ biến thiên entropy: Δu = Cs (J/kg.độ)
Vì đây là quá trình đẳng tích: v2 = v1 Δss=c v lnT 2
+ Công thay đổi thể tích: l (J/kg)
Vì là quá trình đẳng tích nên: v2 = v1 => l=0
+ Công kỹ thuật: lkt (J/kg) l kt =v ( p 1 − p 2 ) hay l kt = R (T 1 −T 2 )
Theo định luật nhiệt động I: q = Δu = Cu + l
+ Hệ số biến đổi năng lượng : α v =Δs u q =1
[2-19] b) Trình tự thực hiện: Để giải 1 bài tập về quá trình đẳng tích, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1 : Xác định các thông số trạng thái của quá trình
Bước 2 : Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng
Bước 3 : Tính toán quá trình c) Thực hành :
Sinh viên áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng vào quá trình đẳng tích để giải bài tập.
2.3.2 Quá trình đẳng áp: ( p = const ) a) Lý thuyết liên quan :
Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn quá trình đẳng áp
- Quá trình đẳng áp là quá trình thay đổi thông số của chất môi giới trong điều kiện áp suất không thay đổi (p = const)
- Quan hệ giữa các thông số:
+ Độ biến thiên nội năng: Δu = Cu (J/kg) Δu = Cu = cv.(T2 – T1) [2-21]
+ Độ biến thiên entanpy: Δu = Ci (J/kg) Δu = Ci = cp.(T2 – T1) [2-22]
+ Độ biến thiên entropy: Δu = Cs (J/kg.độ)
Vì quá trình đẳng áp có:
Hằng số chất khí R có ý nghĩa vật lý là công mà 1kg chất khí thực hiện trong quá trình đẳng áp khi nhiệt độ thay đổi 1K Trị số của hằng số này được xác định bằng công kỹ thuật lkt (J/kg), trong đó lkt = 0 do áp suất p được giữ cố định.
Từ định luật nhiệt động I: q = Δu = Cu + l
+ Hệ số biến hóa năng lượng αp:
[2-26] b) Trình tự thực hiện : Để giải 1 bài tập về quá trình đẳng áp, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1 : Xác định các thông số trạng thái của quá trình
Bước 2 : Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng
Bước 3 : Tính toán quá trình c) Thực hành :
Sinh viên áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng vào quá trình đẳng áp để giải bài tập.
2.3.3 Quá trình đẳng nhiệt : ( T = const ) a) Lý thuyết liên quan:
Hình 2.4 Đồ thị biểu diễn quá trình đẳng nhiệt
- Quá trình đẳng nhiệt là quá trình thay đổi trạng thái của chất môi giới trong điều kiện nhiệt độ không đổi.
- Quan hệ giữa các thông số :
- Độ biến thiên nội năng: Δsu=c v ( T 2 −T 1 )= 0
- Độ biến thiên entanpy: Δsi =c p ( T 2 −T 1 )=0
- Độ biến thiên entropy: Δu = Cs (J/kg.độ ) Δss= l
Vì là quá trình đẳng nhiệt nên: cv.ln T T 2
Δss=R ln v 2 v 1 hay Δss= R ln P 1
- Công giãn nở: l ( J/kg) l= R T ln v 2 v 1 =R T ln p 1 p 2 [2-32]
- Công kỹ thuật: lkt (J/kg) l kt =−R.T ln p 2 p 1 =R.T ln p 1 p 2 [2-34]
Theo định luật nhiệt động I: q = Δu = Cu + l (mà Δu = Cu = 0)
Vậy trong quá trình đẳng nhiệt nhiệt lượng tham gia vào quá trình chỉ dùng để thực hiện công.
- Hệ số biến đổi năng lượng: α = Δsu q = 0 q ⇒ α= 0
[2-37] b) Trình tự thực hiện : Để giải 1 bài tập về quá trình đẳng nhiệt, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1 : Xác định các thông số trạng thái của quá trình
Bước 2 : Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng
Bước 3 : Tính toán quá trình c) Thực hành:
Sinh viên áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng vào quá trình đẳng nhiệt để giải bài tập.
2.3.4 Quá trình đoạn nhiệt: ( s = const) a) Lý thuyết liên quan:
Quá trình đoạn nhiệt là quá trình chất môi giới tiến hành hoàn toàn không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài
Hình 2.5.Đồ thị biểu diễn quá trình đoạnnhiệt
Ta có số mũ đoạn nhiệt: c p c v =k
- Quan hệ giữa các thông số đầu và cuối quá trình:
T 2 = (p p 1 2) k−1 k = (v v 2 1) k−1 Độ biến thiên nội năng được tính bằng công thức Δu = Cu (J/kg) và Δu = cv.(T2 – T1) Đối với độ biến thiên entanpy, công thức là Δu = Ci (J/kg) và Δu = cp.(T2 – T1) Cuối cùng, độ biến thiên entropy được xác định bằng Δu = Cs (J/kg.độ) với Δss=0 do đây là quá trình đẳng entropy.
Công thay đổi thể tích ( công giãn nở) : l ( J/kg)
Tính công theo định luật nhiệt động I ta có : l=− Δsu=−c v ΔsT = R k −1 ( T 1 −T 2 )
Công kỹ thuật : lkt (J/kg) l kt =k ×l
Để giải bài tập về quá trình đoạn nhiệt, trước tiên cần xác định các thông số trạng thái của quá trình Nhiệt lượng được ký hiệu là q (J/kg) và có giá trị q = 0.
Bước 2 : Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng
Bước 3 : Tính toán quá trình c) Thực hành:
Sinh viên áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng vào quá trình đoạn nhiệt để giải bài tập.
2.3.5 Quá trình đa biến: a) Lý thuyết liên quan: Định nghĩa 1: quá trình đa biến là quá trình có nhiệt dung không đổi c n =const Định nghĩa 2: quá trình đa biến là quá trình thỏa mãn phương trình p v n = const
- Quan hệ giữa các thông số đầu và cuối quá trình:
T 2 = ( p p 1 2 ) n−1 n = ( v v 2 1 ) n −1 [2-49] Độ biến thiên nội năng : Δu = Cu (J/kg) Δu = Cu = cv.(T2 – T1) [2-50] Độ biến thiên entanpy : Δu = Ci (J/kg) Δu = Ci = cp.(T2 – T1) [2-51] Độ biến thiên entropy : Δu = Cs (J/kg.K) Δss=c n lnT 2
Công thay đổi thể tích : l= 1 n−1 ( p 1 v 1 − p 2 v 2 )
Nhiệt lượng tham gia quá trình : q=c n ( T 2−T 1 ) =c n ΔsT
Hệ số biến đổi năng lượng : α= Δsu q =c v ΔsT c n ΔsT ⇒α=n−1 n−k [2-57] b) Trình tự thực hiện : Để giải 1 bài tập về quá trình đa biến, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1 : Xác định các thông số trạng thái của quá trình
Bước 2 : Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng
Bước 3 : Tính toán quá trình c) Thực hành :
Sinh viên áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng vào quá trình đa biến để giải bài tập.
Bài 1:Có 1kg không khí được chứa trong bình kín có thể tích v= 0,5 m 3 /kg, ở nhiệt độ t1= 30 o C, bị nung nóng đẳng tích tới nhiệt độ t2= 150 o C Cho biết k=1,4 Hãy xác định a) Các thông số áp suất đầu và cuối của quá trình b) Sự thay đổi nội năng và thay đổi entropy c) Công và nhiệt lượng của quá trình.
Bài 2:Có 2kg khí NH3có áp suất ban đầu P1= 2bar, ở nhiệt độ ban đầu t1= 15 o C, được gia nhiệtđẳng ápđến nhiệt độ t2= 150 o C Cho biết k=1,3 Hãy xác định a) Các thông số thể tích đầu và cuối của quá trình b) Sự thay đổi nội năng và thay đổi entropy c) Công và nhiệt lượng của quá trình.
Bài 3:Có 1kg khí O2có thông số ban đầu p1= 0,8bar, ở nhiệt độ ban đầu t1= 35 o C, thực hiện quá trìnhđẳng nhiệttới áp suấtp2= 3,2bar Cho biết k=1,3 Hãy xác định a) Các thông số thể tích đầu và cuối của quá trình b) Sự thay đổi nội năng và thay đổi entropy c) Công và nhiệt lượng của quá trình.
Bài 4:Cho 3kg không khí có thông số ban đầu V1= 0,5 m 3 , nhiệt đột1= 200 o C, thực hiện quá trình dãn nởđoạn nhiệtđến thể tíchV2= 1,8 m 3 Hãy xác định a) Các thông số áp suất đầu và cuối của quá trình b) Nhiệt độ cuối t2 ? c) Sự thay đổi nội năng và thay đổi entropy d) Công dãn nở và công kỹ thuật.
Bài 5:Cho 1kg khí N2 có thông số ban đầu p1= 1bar, nhiệt đột1= 27 o C, được nénđa biếntới áp suấtp2= 15bar, nhiệt độ t2= 427 o C Cho k=1,4 Hãy xác định a) Các thông số thể tích đầu và cuối của quá trình b) Số mũ đa biến: n c) Công dãn nở và công kỹ thuật. d) Nhiệt lượng tỏa ra.
Dẫn nhiệt ổn định
Định luật Fourier về dẫn nhiệt
Nhiệt độ là thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật thể Trong trường hợp tổng quát, nhiệt độ t được xác định là hàm của tọa độ x, y, z và thời gian , tức là: t = f(x,y,z).
Tập hợp giá trị nhiệt độ của tất cả các điểm khác nhau trong không gian tại một thời điểm nào đó gọi là trường nhiệt độ.
Trường nhiệt độ được chia thành hai loại: trường nhiệt độ ổn định, không thay đổi theo thời gian, và trường nhiệt độ không ổn định, có sự biến thiên theo thời gian Mặt đẳng nhiệt là một khái niệm quan trọng trong nghiên cứu này.
Tại một thời điểm nhất định, tập hợp tất cả các điểm trong vật có cùng nhiệt độ tạo thành các mặt đẳng nhiệt Những mặt này, hay còn gọi là mặt đẳng nhiệt, là quỹ tích của các điểm có nhiệt độ giống nhau Do một điểm trong vật không thể có hai nhiệt độ khác nhau, các mặt đẳng nhiệt không cắt nhau; chúng chỉ cắt bề mặt của vật hoặc khép kín bên trong vật.
Nhiệt độ trong vật thay đổi theo phương cắt các mặt đẳng nhiệt, với sự biến thiên nhiệt độ lớn nhất theo phương pháp tuyến Độ tăng nhiệt độ theo phương tiếp tuyến bề mặt đẳng nhiệt được đặc trưng bởi gradient nhiệt độ, là một vecto có phương trùng với phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt Chiều dài của gradient nhiệt độ thể hiện sự tăng nhiệt độ, và giá trị của nó bằng đạo hàm của nhiệt độ theo phương đó.
Mật độ dòng nhiệt là lượng nhiệt được truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt, vuông góc với hướng truyền nhiệt, trong một đơn vị thời gian, được ký hiệu là q và có đơn vị đo là W/m².
Dòng nhiệt : là lượng nhiệt truyền qua toàn bộ diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian – Q (W)
Định luật Fourier về dẫn nhiệt khẳng định rằng mật độ dòng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với gradient nhiệt độ.
Là nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi grad(t) = 1
Hệ số dẫn nhiệt l đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Phụ thuộc vào bản chất của các chất l rắn >l lỏng >l khí
- Phụ thuộc vào nhiệt độ q F
Q = F ×q q=−λ×grad ( t ) [ W/m 2 ] l = lo.(1 + b×t) [3-4] lo - hệ số dẫn nhiệt ở 0 o C b - hệ số thực nghiệm
Hệ số dẫn nhiệt của kim loại nguyên chất và hầu hết các chất lỏng (ngoại trừ nước và Glyxerin) thường giảm khi nhiệt độ tăng Ngược lại, chất cách nhiệt và khí có hệ số dẫn nhiệt tăng khi nhiệt độ tăng Đối với vật liệu xây dựng, hệ số dẫn nhiệt còn phụ thuộc vào độ xốp và độ ẩm Các vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn hoặc bằng 0,2 W/mK có thể được sử dụng làm chất cách nhiệt.
Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng
3.2.1 Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng một lớp: a) Lý thuyết liên quan:
Xét một vách phẳng đồng chất và đẳng hướng với chiều dày $\delta$ và hệ số dẫn nhiệt $l$, lớp này có chiều rộng lớn hơn nhiều so với chiều dày Nhiệt độ ở hai bên vách được giữ cố định là $t_{w1}$ và $t_{w2}$ Mục tiêu là xác định mật độ dòng nhiệt truyền qua vách phẳng này.
Hình 3.2 Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng một lớp
Theo biểu thức định luật Fourier ta được: q=λ δ(t w1 −t w 2 )
Nhiệt lượng truyền qua vách trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với hệ số dẫn nhiệt và độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt, đồng thời tỷ lệ nghịch với chiều dày của vách.
Phương trình có thể viết lại dưới dạng: q=t w 1 −t w2 δ λ (W/m 2 ) [3-6]
Phương trình tương tự như phương trình định luật Omh về điện, chúng ta có thể xem δ λ là nhiệt trở dẫn nhiệt của vách 1 lớp
[3-7] Nhiệt lượng truyền qua bề mặt vách F sau khoảng thời gian được xác định theo công thức sau:
(J) [3-8] b) Trình tự thực hiện: Để giải 1 bài tập về dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng 1 lớp, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1: Xác định các đại lượng tw, λ, δ trên vách phẳng một lớp
Bước 2: Áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt để giải
Bước 3: Tính mật độ dòng nhiệt qua vách phẳng một lớp. c) Thực hành:
Sinh viên áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt qua vách phẳng một lớp để giải bài tập.
Bài tập yêu cầu tính mật độ dòng nhiệt truyền qua một vách phẳng đồng chất với chiều dày δ Pmm Nhiệt độ ở hai mặt của vách lần lượt là 100 o C và 90 o C Các vật liệu được xem xét bao gồm: a Thép với hệ số dẫn nhiệt λ = 40W/m.K, b Bê tông với hệ số dẫn nhiệt λ = 1,1W/m.K, và c Gạch khô với hệ số dẫn nhiệt λ = 0,11W/m.K.
Bài giải: Áp dụng công thức tính mật độ dòng nhiệt qua vách phẳng 1 lớp
Ta có: q= λ 1 δ 1 (t w 1 −t w 2 ) a Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách làm bằng thép q=t w 1 −t w2 δ λ
00( W/m 2 ) b Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách làm bằng bê tông q= t w 1 −t w2 δ λ
"0 ( W / m 2 ) c Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách làm bằng gạch khô q= t w 1 −t w2 δ λ
3.2.2 Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng nhiều lớp: a) Lý thuyết liên quan:
Vách được tổ hợp từ một số các lắp vật liệu gọi là vách nhiều lớp.
Vách lò hơi bên trong được cấu tạo từ lớp gạch chịu lửa, bên ngoài là lớp gạch đỏ, và lớp ngoài cùng là lớp bảo ôn Trong khi đó, vách kho lạnh được làm từ các tấm panel với ba lớp chính: hai lớp ngoài cùng bằng tôn và lớp giữa bằng polyurethan.
Trong phần này, chúng ta sẽ giải quyết bài toán dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp, với các thông số của vách phẳng được trình bày như hình dưới đây.
Các thông số đã biết: 1 , 2 , 3 , l 1 , l 2 , l 3 , t w1 , t w4
Các thông số chưa biết: t w2 , t w3
Hình 3.3 Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng nhiều lớp
Mật độ dòng nhiệt qua các vách được tính như sau: q=λ 1 δ 1 (t w 1 −t w 2 )
Từ các công thức trên ta xác định được độ chênh nhiệt độ qua các lớp: t w 1 −t w 2 = δ 1 λ 1 q t w 2 −t w 3 = δ 2 λ 2 q t w 3 −t w 4 = δ 3 λ 3 q } [3-12]
Cộng từng vế các biểu thức trên ta được: t w1 −t w 4 =q ( δ 1 λ 1 + δ 2 λ 2 + δ 3 λ 3 ) ⇒ q = t w 1 −t w 4 δ 1 λ 1 + δ 2 λ 2 + δ 3 λ 3 [3-13]
Tương tự ta có thể suy ra công thức tổng quát cho vách phẳng nhiều lớp: q=t w 1 −t (n+ 1)
Nhiệt trở toàn phần tính bằng công thức:
Ta có thể tính tw2, tw3 theo công thức sau: t w2 =t w 1 −q δ 1 λ 1 , [3-16] t w 3 =t w 2 −qδ 2 λ 2 =t w 1 −q ( δ λ 1 1
+δ 2 λ 2 ) [3-17] b) Trình tự thực hiện: Để giải 1 bài tập về dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng nhiều lớp, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1: Xác định các đại lượng tw, λ, δ trên vách phẳng nhiều lớp
Bước 2: Áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt để giải
Bước 3: Tính mật độ dòng nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp c) Thực hành:
Sinh viên áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp để giải bài tập.
Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ
3.3.1 Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ một lớp: a) Lý thuyết liên quan:
Để tính mật độ dòng nhiệt qua mặt trụ F trong một đơn vị thời gian, chúng ta áp dụng định luật Fourier.
Q=− λ dt dr F =−λ( 2 π rl ) dt dr =−λ( 2 πl ) rdt dr = 2 πλ l (t w1 −t w 2 ) ln d 2 d 1 (W) [3-
(W/m) [3-19] b) Trình tự thực hiện: Để giải 1 bài tập về dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ một lớp, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1: Xác định các đại lượng tw, λ, d trên vách trụ một lớp
Bước 2: Áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt qua vách trụ để giải
Bước 3: Tính mật độ dòng nhiệt qua vách trụ một lớp c) Thực hành:
Sinh viên áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt qua vách trụ một lớp để giải bài tập.
3.3.2 Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ nhiều lớp: a) Lý thuyết liên quan:
Giả thiết có một vách trụ được tổ hợp bởi ba lớp vật liệu khác nhau, có các thông số như hình bên.
Khi chế độ nhiệt ổn định, mật độ dòng nhiệt trên một đơn vị độ dài ql không thay đổi theo chiều dày của vách.
Hình 3.5 Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ nhiều lớp
Trong trường hợp này dòng nhiệt dẫn qua các lớp có thể tính theo công thức sau : t w1 −t w 2 =q l ln d 2 d 1
Cộng các phương trình vế theo vế, sau khi biến đổi ta có : q l = t w 1 −t wn+1
2π ( λ 1 1 ln d d 2 1 + λ 1 2 ln d d 3 2 + + λ 1 n ln d d n +1 n ) [3-23] b) Trình tự thực hiện: Để giải 1 bài tập về dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ nhiều lớp, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1: Xác định các đại lượng tw, λ, d trên vách trụ nhiều lớp
Bước 2: Áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt qua vách trụ để giải
Bước 3: Tính mật độ dòng nhiệt qua vách trụ nhiều lớp c) Thực hành:
Sinh viên áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt qua vách trụnhiều lớp để giải bài tập
Bài 1: Cho vách phẳng hai lớp có các thông số như sau:
Để xác định chiều dày của lớp vách thứ hai và nhiệt độ mặt tiếp xúc, ta có lớp thứ nhất với chiều dày vách δ1 = 0 mm, hệ số dẫn nhiệt λ1 = 0,75 W/m.K và nhiệt độ tw10 = 10 °C Lớp thứ hai có hệ số dẫn nhiệt λ2 = 0,2 W/m.K, trong khi nhiệt độ mặt ngoài cùng là tw30 = 30 °C Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách được ký hiệu là q' W/m².
Bài 2: Một ống dẫn hơi được làm bằng thép có đường kính d1/d2 = 110/130mm, hệ số dẫn nhiệt λ1P W/m.K, ống được bọc hai lớp vật liệu cách nhiệt có chiều dày bằng nhau δ2 = δ3 Pmm Nhiệt độ bề mặt trong ống là tw1= 250 o C, nhiệt độ mặt ngoài của lớp cách nhiệt thứ hai là 50 o C Hệ số dẫn nhiệt của các lớp cách nhiệt lần lượt là λ1=0,06 W/m.K, λ2=0,12 W/m.K Hãy xác định tổn thất nhiệt qua 1m chiều dài ống và nhiệt độ bề mặt tiếp xúc.
nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt
Truyền nhiệt qua vách phẳng và vách trụ
Truyền nhiệt qua vách là một bài toán tổng hợp, nghiên cứu quá trình chuyển giao nhiệt lượng giữa hai lưu chất qua một bề mặt rắn Trong trường hợp này, việc trao đổi nhiệt phụ thuộc vào sự tác động đồng thời của các phương thức truyền nhiệt cơ bản.
4.1.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp và nhiều lớp: a) Lý thuyết liên quan:
Bài toán truyền nhiệt qua vách phẳng 1 hay n lớp có nhiệt trở R, hệ số dẫn nhiệt k và mật độ dòng nhiệt được tính theo các công thức sau:
Hình 4.1 Quá trình tuyền nhiệt qua vách phẳng
1 n δ λ+ 1 α 2 [4-3] b) Trình tự thực hiện: Để giải 1 bài tập về truyền nhiệt ổn định qua vách phẳng, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1: Xác định các đại lượng tf, tw, δ, λ, αtrên vách phẳng một và nhiều lớp
Bước 2: Áp dụng định luật Fourier về truyền nhiệt để giải
Bước 3: Tính mật độ dòng nhiệt truyền qua vách c) Thực hành:
Sinh viên áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt qua vách phẳng một vànhiều lớp để giải bài tập
Bài tập yêu cầu xác định mật độ dòng nhiệt và nhiệt độ tiếp xúc giữa các lớp của vách phẳng rộng đồng chất dùng làm kho lạnh Các thông số được cung cấp bao gồm nhiệt độ biên ngoài tf1 = 35 °C và tf2 = -24 °C, cùng với hệ số trao đổi nhiệt α1 = 23 W/m².K và α2 = 10 W/m².K Chiều dày của các lớp vách lần lượt là δ1 = 220 mm và δ2 = 200 mm, với hệ số dẫn nhiệt của vách thứ nhất là λ1 = 0,75 W/m.K và λ2 = 0,042 W/m.K.
4.1.2 Truyền nhiệt qua vách trụ một lớp và nhiều lớp: a) Lý thuyết liên quan:
Hình 4.2 Quá trình tuyền nhiệt qua vách trụ
Bài toán truyền nhiệt qua vách trụ 1 hay n lớp có nhiệt trở R, hệ số dẫn nhiệt k và mật độ dòng nhiệt được tính theo các công thức sau:
Truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp do con người tạo ra thường không có cánh, tương tự như truyền nhiệt qua vách phẳng Để giải bài tập về truyền nhiệt ổn định qua vách trụ, cần thực hiện các bước cụ thể.
Bước 1: Xác định các đại lượng tf, tw, d, α, λ trênvách trụmột và nhiều lớp
Bước 2: Áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt để giải
Bước 3: Tiến hành giải bài tập c) Thực hành:
Sinh viên áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt qua vách trụ một vànhiều lớp để giải bài tập.
Bài tập yêu cầu xác định tổn thất nhiệt trên 1m chiều dài ống dẫn hơi bằng thép có đường kính d1 = 200mm và d2 = 216mm, với hệ số trao đổi nhiệt λ1 = 47 W/m.K và lớp cách nhiệt δ1 = 120mm có hệ số λ2 = 0,8 W/m.K Nhiệt độ dòng hơi là tf1 = 360 oC, trong khi nhiệt độ không khí bên ngoài là tf2 = 25 oC Hệ số trao đổi nhiệt phía hơi là α1 = 120 W/m².K và phía không khí là α2 = 11 W/m².K Cần tính toán nhiệt độ bề mặt trong và ngoài của lớp cách nhiệt.
Truyền nhiệt qua vách có cánh
Cánh thường làm cho vách 1 lớp và cánh làm về phía có α bé hơn.
Hình 4.3 Vách có làm cánh
Bài toán truyền nhiệt qua vách có cánh có nhiệt trở R, hệ số dẫn nhiệt k và mật độ dòng nhiệt được tính theo các công thức sau:
Để giảm cường độ truyền nhiệt, người ta thường cách nhiệt mặt vách bằng cách bọc nó bằng nhiều lớp vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ Ngược lại, để tăng cường độ truyền nhiệt, có thể thiết kế cánh phía có hệ số phát xạ nhỏ, như ở phía chất khí Tuy nhiên, do công dụng trái ngược của hai phương pháp này, không ai áp dụng cánh trên vách nhiều lớp.
Thiết bị trao đổi nhiệt
4.3.1 Định nghĩa và phân loại:
Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa các chất mang nhiệt, thường là chất lỏng, khí hoặc hơi.
Theo đặc điểm trao đổi nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt được chia ra 3 loại: loại vách ngăn, loại hồi nhiệt và loại hỗn hợp.
Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn, chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh được tách biệt hoàn toàn bởi bề mặt vách hoặc ống rắn, và quá trình trao đổi nhiệt diễn ra thông qua cơ chế truyền nhiệt.
Trong thiết bị trao đổi nhiệt hồi nhiệt, vách TĐN được quay để tiếp xúc tuần hoàn với chất lỏng nóng và lạnh, tạo ra quá trình trao đổi nhiệt không ổn định Điều này khiến nhiệt độ trong vách dao động theo chu kỳ quay.
Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp, chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh tiếp xúc trực tiếp với nhau, tạo điều kiện cho quá trình trao đổi chất diễn ra đồng thời với quá trình trao đổi nhiệt giữa hai chất này.
Cách ly hoàn toàn chất cần gia công với chất tải nhiệt là yêu cầu phổ biến trong nhiều quy trình công nghệ, vì vậy thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất.
Theo chiều chuyển động của hai chất lỏng, thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn được chia ra 2 kiểu chính: kiểu song song và kiểu giao nhau
Trong thiết bị trao đổi nhiệt kiểu song song, véc tơ vận tốc của hai chất lỏng song song (⃗ v 1 // ⃗ v 2) có thể cùng chiều, ngược chiều hoặc thay đổi chiều, được gọi là song song hỗn hợp.
- Trong thiết bị trao đổi nhiệt kiểu giao nhau, 2 véc tơ ⃗ v 1 // ⃗ v 2 giao nhau theo 1 góc ϕ nào đó, có thể giao 1 lần hay nhiều lần
4.3.2 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt.
- Các phương trình cơ bản
Tính nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt là quá trình xác định các thông số cần thiết để thiết bị hoạt động hiệu quả trong việc trao đổi nhiệt giữa hai chất lỏng Trong đó, chất lỏng nóng và lạnh được ký hiệu lần lượt bằng chỉ số 1 và 2, cùng với dấu (‘) và (“) để phân biệt thông số vào và ra khỏi thiết bị.
F – diện tích truyền nhiệt, m 2 k – độ chênh nhiệt độ trung bình, k = f(α1, α2, λ, δ) (W/m 2 K) Δu = Ct gọi là độ chênh trung bình trên mặt F của nhiệt độ 2 chất lỏng.
- Xác định độ chênh trung bình Δu = Ct
Hình 4.4 Sơ đồ song song
- Nhiệt độ trung bình lôgarit Δst=Δst max −Δst min lnΔst max Δst min
- Nhiệt độ trung bình số học Δst=t 1 ' +t 1 } } } over {2} } - { {t rSub { size 8{2} } rSup { size 8{'} } +t rSub { size 8{2} } rSup { size 8{
2 [ K ] Δst=Δst max +Δst min
Biểu thức Δu = Ct cho các sơ đồ khác như song song đổi chiều và giao nhau 1 hay n lần được tính từ sơ đồ song song ngược chiều, sau đó nhân với hệ số εΔu = Ct cho từng sơ đồ dựa trên đồ thị.
- Tính nhiệt độ của các chất ra khỏi TBTĐN
Khi kiểm tra hoặc chọn một TBTĐN có sẵn, cần xác định các thông số t1’, t2’, k, C1, C2 và tính toán nhiệt độ t1”, t2” để đánh giá sự phù hợp với công nghệ Phép tính này có thể áp dụng cho các sơ đồ song song không đổi chiều.
Biết t’1, t’2, W1, W2, tính t”1, t”2 với nhiệt độ trung bình số học Δst= t 1 ' +t 1 } } } over {2} } - { {t rSub { size 8{2} } rSup { size 8{'} } +t rSub { size 8{2} } rSup { size 8{
Từ đó ta suy ra đượct1”, t2”.
Các nguyên lý làm lạnh và ứng dụng
Lịch sử phát triển của kỹ thuật lạnh
Con người đã sử dụng phương pháp làm lạnh từ rất sớm, với các phát hiện khảo cổ cho thấy cách đây khoảng 5000 năm, những hang động có mạch nước ngầm với nhiệt độ thấp đã được dùng để bảo quản thực phẩm và lương thực.
Các bức tranh tường trong kim tự tháp Ai Cập cách đây 2500 năm cho thấy cảnh nô lệ quạt bình gốm xốp để làm mát không khí Hai ngàn năm trước, người Ấn Độ và Trung Quốc đã phát hiện ra cách trộn muối vào nước hoặc nước đá để hạ nhiệt độ.
Kỹ thuật lạnh hiện đại bắt đầu từ phát hiện của Giáo sư Black về nhiệt ẩn hóa hơi và nhiệt ẩn nóng chảy vào năm 1761 ‒ 1764 Con người đã áp dụng phương pháp làm lạnh bằng cách cho bay hơi chất lỏng ở áp suất thấp.
Vào năm 1780, Clouet và Monge đã lần đầu tiên hóa lỏng khí SO2, đánh dấu một phát hiện quan trọng Đến năm 1781, Cavallo bắt đầu nghiên cứu hiện tượng bay hơi một cách có hệ thống.
Thế kỷ XIX là thời kỳ phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật lạnh Năm 1823, Faraday bắt đầu công bố những công trình về hóa lỏng khí SO2, H2S, CO2, N2O, C2H2,
Đến năm 1845, nhiều loại khí như NH3 và HCl đã được hóa lỏng, nhưng các khí như O2, N2, CH4, CO, NO và H2 vẫn không thể hóa lỏng, được gọi là các khí "vĩnh cửu" do Natlerev đã nén chúng tới áp lực 3600 atm mà không thành công Năm 1869, Andrew đã giải thích điểm tới hạn của khí hóa lỏng, mở đường cho Cailletet và Picle hóa lỏng O2, N2 và tách chúng bằng chưng cất, trong khi K.Onnes đã thành công trong việc hóa lỏng Heli.
Vào năm 1834, J Perkins (Anh) đã đăng ký phát minh đầu tiên về máy lạnh nén hơi, bao gồm đầy đủ các thiết bị như máy nén, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi và van tiết lưu Đến cuối thế kỷ XIX, nhờ những cải tiến của Linde (Đức) trong việc sử dụng amôniắc làm môi chất lạnh, máy lạnh nén hơi đã phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành kinh tế quốc dân.
Máy lạnh hấp thụ đầu tiên được giới thiệu bởi Leslie vào năm 1810, sử dụng cặp môi chất H2O/H2SO4 Đến giữa thế kỷ XIX, kỹ sư Carré đã phát triển mạnh mẽ công nghệ này với nhiều bằng phát minh về máy lạnh hấp thụ chu kỳ và liên tục, áp dụng các cặp môi chất đa dạng.
Máy lạnh nén khí đầu tiên được chế tạo bởi bác sĩ người Mỹ Gorrie vào năm 1845, nhằm điều tiết không khí cho trạm xá chữa bệnh sốt cao của ông Dựa trên các nghiên cứu lý thuyết, bác sĩ Gorrie đã thành công trong việc thiết kế máy lạnh này, giúp trạm xá của ông trở nên nổi tiếng trên toàn thế giới.
Máy lạnh ejectơ hơi nước, được chế tạo bởi Leiblanc vào năm 1910, đánh dấu một sự kiện quan trọng trong lịch sử công nghệ làm lạnh Thiết bị này có cấu trúc đơn giản và sử dụng nhiệt năng, cho phép tận dụng các nguồn năng lượng phế thải để tạo ra hiệu ứng làm lạnh.
Vào năm 1930, sự phát triển kỹ thuật lạnh ghi nhận một bước tiến quan trọng với việc sản xuất và ứng dụng freôn tại Mỹ Freôn là các hợp chất hữu cơ hyđrôcacbua, trong đó các nguyên tử hyđrô được thay thế bằng nguyên tử halôgen như clo, flo hoặc brôm Được sản xuất bởi Dupont Kinetic Chemical Inc, freôn mang lại nhiều ưu điểm như không cháy, không nổ và không độc hại, phù hợp với chu trình làm việc của máy nén hơi Nhờ vào những đặc tính quý báu này, freôn đã đóng góp tích cực vào sự phát triển của kỹ thuật lạnh, đặc biệt là trong lĩnh vực điều hòa không khí.
Kỹ thuật lạnh hiện đại đã phát triển mạnh mẽ, đạt trình độ ngang bằng với các ngành kỹ thuật tiên tiến khác Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh đã được mở rộng, với khả năng tiếp cận gần đến nhiệt độ không tuyệt đối Ở phía nhiệt độ cao, thiết bị ngưng tụ có thể đạt trên 100°C, phục vụ cho các ứng dụng như bơm nhiệt để sưởi ấm, chuẩn bị nước nóng và sấy Ứng dụng này không chỉ giúp thu hồi nhiệt thải mà còn tiết kiệm năng lượng sơ cấp Năng suất lạnh của các tổ hợp máy lạnh cũng đa dạng, từ những máy lạnh trong phòng thí nghiệm với công suất vài mW đến các hệ thống có công suất hàng triệu W tại các trung tâm điều hòa không khí.
Hiệu suất máy lạnh được cải thiện đáng kể, dẫn đến giảm chi phí vật tư và năng lượng cho mỗi đơn vị lạnh Tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị cũng tăng lên Mức độ tự động hóa trong các hệ thống lạnh ngày càng cao, với sự xuất hiện của các thiết bị lạnh hoàn toàn tự động sử dụng điện tử và vi điện tử, thay thế dần các thiết bị thao tác bằng tay.
Các phương pháp làm lạnh
5.2.1 Phương pháp bay hơi khuếch tán:
Một thí dụ điển hình của bay hơi khuếch tán là nước bay hơi vào không khí
Hình 5.1 minh họa đồ thị h-x của không khí ẩm, với t1 là nhiệt độ khô, t2 là nhiệt độ ướt, và ts là nhiệt độ đọng sương Điểm 1 thể hiện trạng thái ban đầu của không khí Khi nước được phun liên tục vào không khí khô, nước sẽ bay hơi và khuếch tán vào không khí, dẫn đến sự biến đổi trạng thái không khí theo đường đẳng enthalpy h = const Độ ẩm tăng từ φ1 đến φmax = 100%, qua đó thực hiện quá trình làm lạnh không khí từ t1 xuống t2.
5.2.2 Phương pháp hòa trộn lạnh
Cách đây 2000 năm, người Trung Quốc và Ấn Độ đã biết làm lạnh bằng cách hòa trộn muối và nước
Khi hòa trộn 31g NaNO3 và 31g NH4Cl với 100g nước ở 10°C, nhiệt độ hỗn hợp sẽ giảm xuống -12°C Tương tự, khi hòa trộn 200g CaCl2 với 100g nước đá vụn, nhiệt độ sẽ giảm từ 0°C xuống -42°C.
Ngày nay người ta vẫn sử dụng nước đá muối để ướp cá mới đánh bắt khi cần bảo quản cá ở nhiệt độ dưới 0 0 C
5.2.3 Phương pháp dãn nở khí có sinh ngoại công Đây là phương pháp làm lạnh nhân tạo quan trọng Các máy lạnh làm việc theo nguyên lý dãn nở khí có sinh ngoại công gọi là máy lạnh nén khí có máy dãn nở Phạm vi ứng dụng rất rộng lớn từ máy điều tiết không khí cho đến các máy sử dụng trong kĩ thuật cryô để sản xuất nitơ, oxi lỏng, hóa lỏng không khí, Nguyên lý làm việc:
Máy điều hòa không khí bay hơi nước bao gồm bốn thiết bị chính: máy nén, bình làm mát, máy dãn nở và buồng lạnh Môi chất lạnh có thể là không khí hoặc một chất khí bất kỳ, không trải qua sự biến đổi pha trong chu trình Quá trình nén không khí diễn ra ở đoạn nhiệt s1 = const từ trạng thái 1 đến trạng thái tiếp theo.
2 Ở bình làm mát, không khí thải nhiệt cho môi trường ở áp suất không đổi đến trạng thái 3, sau đó được dãn nở đoạn nhiệt s3 = const xuống trạng thái 4 có nhiệt độ thấp và áp suất thấp Trong phòng lạnh không khí thu nhiệt của môi trường ở áp suất không đổi và nóng dần lên điểm 1, khép kín vòng tuần hoàn Như vậy chu trình máy lạnh nén khí gồm 2 quá trình nén và dãn nở đoạn nhiệt với 2 quá trình thu và thải nhiệt đẳng áp nhưng không đẳng nhiệt.
5.2.4 Phương pháp tiết lưu không sinh ngoại công
Quá trình tiết lưu là hiện tượng giảm áp suất do ma sát, xảy ra khi môi chất di chuyển qua các khu vực có trở lực cục bộ đột ngột mà không sinh ra ngoại công.
Ví dụ : môi chất chuyển động qua nghẽn van tiết lưu
Hình 5.3 Tiết lưu không sinh ngoại công của một dòng môi chất
5.2.5 Hiệu ứng nhiệt điện, hiệu ứng Peltier
Hiệu ứng nhiệt điện, hay còn gọi là hiệu ứng Peltier, xảy ra khi dòng điện chạy qua một mạch kín gồm hai kim loại khác nhau Khi đó, một đầu nối sẽ tỏa nhiệt trong khi đầu còn lại hấp thụ nhiệt.
Nguyên lý của chu trình máy lạnh điện - nhiệt là sử dụng hấp thụ nhiệt từ một đầu nối ở nhiệt độ thấp để lấy nhiệt từ vật cần làm lạnh.
5.2.6 Tan chảy hoặc thăng hoa vật rắn
Hoá lỏng hoặc thăng hoa vật rắn để làm lạnh là phương pháp chuyển pha của các chất như nước đá và đá khô.
Nước đá tan ở 0 0 C thu một nhiệt lượng 333 kJ/kg. Đá khô là CO2 ở thể rắn khi chuyển từ dạng rắn qua dạng hơi thu 1 nhiệt lượng 572,2 kJ/kg (-78,5 0 C).
Quá trình bay hơi của chất lỏng luôn liên quan đến việc thu nhiệt Nhiệt lượng cần thiết để bay hơi 1 kg chất lỏng được gọi là nhiệt ẩn bay hơi.
Khi tắm xong và đứng trước quạt, chúng ta cảm nhận được sự mát lạnh do nước bay hơi trên bề mặt da, giúp thu nhiệt từ cơ thể và tạo ra cảm giác dễ chịu.
Chất lỏng bay hơi là môi chất lạnh và chất tải lạnh quan trọng trong kỹ thuật lạnh Các môi chất lỏng như amoniac, nước và freon được sử dụng trong máy lạnh nén hơi, hấp thụ và ejectơ Chúng thực hiện quá trình thu nhiệt ở môi trường lạnh thông qua bay hơi ở áp suất và nhiệt độ thấp, đồng thời thải nhiệt ra môi trường qua quá trình ngưng tụ ở áp suất và nhiệt độ cao.
Vai trò của kỹ thuật lạnh trong đời sống và kỹ thuật
5.3.1 Ứng dụng lạnh trong bảo quản thực phẩm
Khoảng 80% công suất lạnh được sử dụng trong công nghệ bảo quản thực phẩm, một lĩnh vực quan trọng của kỹ thuật lạnh Kỹ thuật này giúp ngăn chặn sự phân hủy của thực phẩm như rau, quả, thịt, cá, và sữa do vi khuẩn Đặc biệt, ở những nước có thời tiết nóng và ẩm như Việt Nam, quá trình phân hủy diễn ra nhanh chóng, vì vậy việc áp dụng kỹ thuật lạnh trong bảo quản thực phẩm là rất cần thiết.
Các kho lạnh bảo quản và chế biến, cùng với các thiết bị lạnh thương mại và tủ lạnh gia đình, đã trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực Chúng bao gồm các nhà máy sản xuất nước đá, máy lạnh lắp đặt trên tàu thủy và phương tiện vận tải Ngoài ra, ngành công nghiệp rượu bia, bánh kẹo, nước uống và sữa cũng phụ thuộc vào công nghệ lạnh để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
5.3.2 Ứng dụng lạnh trong công nghiệp
Hóa lỏng không khí là quá trình thu được các chất khí từ công nghiệp hóa học, bao gồm clo, amoniac, cacbonic, khí đốt và khí sinh học.
Oxi, Nitơ được sử dụng nhiều như hàn, cắt kim loại
Các loại khí trơ He, Ar, Xe… được sử dụng trong nghiên cứu vật lý, sản xuất bóng đèn
5.3.3 Ứng dụng lạnh trong nông nghiệp
Nhằm bảo quản giống, lai tạo giống, điều hoà khí hậu cho các trại chăn nuôi trồng trọt, bảo quản và chế biến cá, nông sản thực phẩm.
Hóa lỏng không khí thu nitơ sản xuất phân đạm
5.3.4 Ứng dụng lạnh trong điều tiết không khí
Ngày nay, kỹ thuật điều tiết không khí không thể tách rời khỏi các lĩnh vực như cơ khí chính xác, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật phim ảnh và quang học Để đảm bảo chất lượng sản phẩm cao, cần tuân thủ các yêu cầu nghiêm ngặt về điều kiện và thông số không khí, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm và mức độ bụi.
5.3.5 Ứng dụng lạnh trong y tế
Trong y tế, kỹ thuật lạnh ngày càng được ứng dụng rộng rãi để bảo quản thuốc và các phẩm vật y tế, mang lại hiệu quả to lớn Nhiều loại thuốc quý hiếm, như vacxine, kháng sinh và thuốc gây mê, cần được bảo quản ở nhiệt độ thích hợp để đảm bảo chất lượng và hiệu quả sử dụng.
5.3.6 Ứng dụng lạnh trong thể dục thể thao
Kỹ thuật lạnh cho phép tạo ra sân trượt băng, đường đua trượt băng và trượt tuyết nhân tạo, phục vụ cho các vận động viên luyện tập và các đại hội thể thao, ngay cả trong điều kiện nhiệt độ không khí cao Ngoài ra, công nghệ này còn được sử dụng để sưởi ấm bể bơi.
5.3.7 Ứng dụng lạnh trong đời sống
Sản xuất nước đá đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản nông sản và thực phẩm, cũng như trong chế biến thủy sản Nước đá được sử dụng để giữ lạnh trong quá trình vận chuyển và bảo quản, đặc biệt là ở các vùng nhiệt đới, nơi mà nhu cầu làm mát và giải khát của con người rất cao.
5.3.8 Một số ứng dụng khác
Trong ngành hàng không, vũ trụ và quốc phòng, máy bay và tàu vũ trụ phải hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt, với nhiệt độ có thể dao động từ hàng ngàn độ đến dưới -100 độ C Oxy và hydro lỏng được sử dụng làm nhiên liệu cho tàu vũ trụ.
1) Nêu lịch sử phát triển của kỹ thuật lạnh?
2) Ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong cuộc sống?
Môi chất lạnh – chất tải lạnh
Môi chất lạnh
Môi chất lạnh, hay còn gọi là tác nhân lạnh, là chất được sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược chiều để thu nhiệt từ môi trường có nhiệt độ thấp và thải ra môi trường có nhiệt độ cao.
6.1.2 Yêu cầu của môi chất lạnh: a) Các yêu cầu về nhiệt động:
- Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển phải thấp: tránh cho thiết bị bay hơi khỏi phải làm việc với áp suất chân không.
- Ở nhiệt độ môi trường áp suất ngưng tụ phải thấp, song phải cao hơn áp suất khíquyển:giảmchiều dày các thiết bị,đường ống trong hệ thống lạnh.
- Nhiệt độ tới hạn phải cao: tăng dải làm việc cho máy lạnh
- Nhiệt độ điểm 3 pha phải thấp: tăng dải làm việc cho máy lạnh
- Nhiệt ẩn hóa hơi lớn: lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống nhỏ.
- Nhiệt dung riêng đẳng áp phải lớn: các đường đẳng áp càng nằm ngang thì chutrìnhcànggầnvềchutrìnhngượcCarnot.
Độ nhớt vừa phải là yếu tố quan trọng, vì độ nhớt lớn sẽ làm tăng công tiêu tốn do ma sát, trong khi độ nhớt nhỏ có thể dẫn đến việc chất lỏng dễ dàng rò rỉ qua các khe hở Các yêu cầu về hóa học cũng cần được xem xét để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
- Không gây cháy.Không gây nổ.
- Không phản ứng với dầu bôi trơn.
- Không phản ứng hóa học, không ăn mòn kim loại của máy móc, đường ống hệ thống lạnh.
- Hòa tan được nước: để tránh gây tắc van tiết lưu khi môi chất có lẫn nước.
- Khi rò rỉ dễ phát hiện (bằng mùi, màu, các chỉ thị, độ dẫn điện).
- Khi rò rỉ không làm hỏng các sản phẩm cần bảo quản lạnh. c) Các yêu cầu về sinh lý.
- Không độc hại. d) Các yêu cầu về kinh tế.
- Rẻ tiền, dễ kiếm, dễ chế tạo e) Các yêu cầu về môi trường.
- Không gây ô nhiễm môi trường.
Trong thực tế, không có môi chất nào có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết Do đó, khi lựa chọn môi chất, cần dựa vào các yêu cầu quan trọng nhất và có thể bỏ qua những yêu cầu khác Hiện nay, amôniăc (NH3) và các freon là những môi chất phổ biến nhất.
6.1.3 Kí hiệu của môi chất lạnh: a) Các frêon
Các frêon là các chất hữu cơ no hoặc chưa no mà các Hydro(H2) được thay thế một phần hay toàn bộ bằng các nguyên tử Cl, Br hay F
Các frêon thường được ký hiệu chữ đầu tiên là R.
Xét: R 1 2 3Số lượng nguyên tử F
Số lượng nguyên tử Hydrô +1
Ví dụ 1: môi chất có công thức hoá học CCl2F2 Tìm ký hiệu
Số thứ nhất: số nguyên tử C –1 = 1-1 = 0
Số thứ 2 : số nguyên tử H +1 = 0+1 = 1
Số thứ 3 : số nguyên tử F =2 Vậy môi chất có ký hiệu : R012 hoặc R12.
Ví dụ 2: môi chất có công thức hoá học CHClF2 Tìm ký hiệu
Số thứ nhất: số nguyên tử C –1 = 1-1 = 0
Số thứ 2 : số nguyên tử H +1 = 1+1 = 2
Số thứ 3 : số nguyên tử F =2 Vậy môi chất có ký hiệu: R022 hoặc R22
Ví dụ 3 : môi chất có kí hiệu R114 tìm công thức hoá học của môi chất đó
Số thứ nhất: số nguyên tử C –1 = 1 C =2
Số thứ 2 : số nguyên tử H + 1 = 1 H = 0
Số thứ 3 : số nguyên tử F = 4 Vậy môi chất có công thức hoá học: C2Cl2F4
Số lượng nguyên tử Cl xác định được nhờ hoá trị còn lại của nguyên tử từ Cacbon: 2 Cacbon C2H6 , có 4 F có 2 Cl. b) Các chất vô cơ
Các chất vô cơ được ký hiệu bằng chữ R theo sau là ba chữ số, trong đó chữ số đầu tiên là 7, và hai chữ số còn lại thể hiện phân tử lượng của chất đó.
Ví dụ: môi chất NH3: R717
6.1.4 Một số loại môi chất lạnh thường dùng:
6.1.4.1 Môi chất lạnh Amôniắc: (NH 3 )
Amôniắc, với công thức hóa học NH3 và ký hiệu môi chất R717, là một chất khí không màu có mùi hắc đặc trưng Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi của nó là -33,4 °C Amôniắc có tính chất nhiệt động tốt, rất phù hợp cho các hệ thống máy lạnh nén hơi sử dụng máy nén piston.
- NH3 bền vững ở khoảng nhiệt độ và áp suất làm việc NH3 chỉ phân huỷ thành N2 và
- Khi có nước và thép làm chất xúc tác thì NH3 phân huỷ ngay ở nhiệt độ 110
120 o C Vì vậy cần làm mát tốt ở đầu xilanh và hạn chế nhiệt độ cuối tầm nén càng thấp càng tốt.
NH3 không gây ăn mòn các kim loại được sử dụng trong chế tạo máy, nhưng lại ăn mòn đồng và các hợp kim của đồng, trừ đồng thau phốt phát Vì vậy, không nên sử dụng đồng và các hợp kim của đồng trong máy lạnh NH3.
- Ở điều kiện ngưng tụ làm mát bằng nước nếu tnước = 25 o C nhiệt độ nước ra khỏi ngưng tụ t = 37 o C thì tk = 42 o C và Pk = 16,5 bar.
- Nhiệt độ cuối tầm nén rất cao nên phải làm mát bằng nước.
Áp suất bay hơi vượt quá 1 bar (áp suất khí quyển) giúp máy lạnh hoạt động hiệu quả hơn mà không bị chân không Tuy nhiên, hiện tượng chân không chỉ xảy ra khi nhiệt độ bay hơi giảm xuống dưới -33,4 °C.
Năng suất lạnh riêng thể tích lớn giúp máy nén và thiết bị trở nên gọn nhẹ, với năng suất lạnh riêng thể tích được định nghĩa là năng suất lạnh của một đơn vị thể tích môi chất.
- Độ nhớt nhỏ, tính lưu động cao nên tổn thất áp suất trên đường ống nhỏ.
- Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn nên thuận lợi cho việc tính toán chế tạo thiết bị bay hơi và ngưng tụ.
- Hoà tan nước không hạn chế nên van tiết lưu không bị tắc ẩm.
- Không hoà tan dầu nên khó bôi trơn các chi tiết chuyển động cơ của máy nén và hệ thống máy lạnh phải bố trí bình tách dầu.
- Dẫn điện nên không sử dụng cho máy nén kín c) Tính chất sinh lý
- Nhược điểm cơ bản nhất của NH3 là gây độc hại đối với con người và cơ thể sống Ở nồng độ 1% trong không khí gây ngất sau 1 phút.
- Có mùi đặc trưng khó chịu nên dễ phòng tránh.
- Làm giảm chất lượng sản phẩm cần bảo quản. d) Tính kinh tế
- Là môi chất lạnh dễ tìm, rẻ tiền, dễ vận chuyển và bảo quản e) Tính an toàn cháy nổ
Ammoniac (NH3) có thể gây cháy nổ trong không khí khi nồng độ từ 13,5% đến 16% và có nhiệt độ cháy là 651 °C Do đó, các gian máy sử dụng NH3 không được phép sử dụng ngọn lửa trần và cần đảm bảo thông thoáng để giảm nguy cơ cháy nổ.
Môi chất lạnh R12, với công thức hoá học CCl2F2, là một khí không màu và có mùi thơm nhẹ Nó nặng gấp khoảng 4 lần không khí ở nhiệt độ 30 °C và có nhiệt độ sôi -28,9 °C ở áp suất khí quyển.
- Bền vững trong phạm vi nhiệt độ và áp suất làm việc.
- Không phản ứng hoá học với dầu bôi trơn và vật liệu phụ trong hệ thống lạnh.
- Không ăn mòn kim loại đen, màu và phi kim loại nhưng làm trương phòng một số chất hữu cơ như cao su và một số chất dẻo.
- Bắt đầu phân huỷ ở nhiệt độ 540 565 o C khi có chất xúc tác, đến 760 o C thì phân huỷ hoàn toàn. b) Tính chất vật lý
- Áp suất ngưng tụ thuộc loại trung bình, ở nhiệt độ ngưng tụ 42 o C thì áp suất ngưng tụ
- Nhiệt độ cuối tầm nén thấp.
- Áp suất bay hơi lớn hơn 1 bar (áp suất khí quyển).
- Năng suất lạnh riêng khối lượng nhỏ, chỉ bằng 1/8 đến 1/10 NH3 nên lưu lượng tuần hoàn trong hệ thống lớn
- Năng suất lạnh riêng thể tích bằng khoảng 60% của NH3 nên hệ thống cồng kềnh hơn.
- Độ lưu động kém nên đường ống cửa van phải làm to.
- Không dẫn điện nên sử dụng được cho máy nén kín và nửa kín.
- Hoà tan dầu hoàn toàn nên rất thuận lợi cho việc bôi trơn.
- Không hoà tan nước nên nhược điểm rất lớn là gây tắc ẩm ở bộ phận tiết lưu.
- Có đặc tính rửa sạch cặn bẩn, cát bụi, gỉ sắt trên thành máy nén và thiết bị nên phải bố trí phin lọc cẩn thận.
- Có khả năng rò rỉ rất cao, có thể rò rỉ qua cả gang có cấu trúc tinh thể thô. c) Tính chất sinh lý
- Không độc hại đối với con người và cơ thể sống.
- Với nồng độ 30% gây ngạt vì thiếu dưỡng khí.
- Không ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm bảo quản. d) Tính kinh tế
- Giá thành đắt tuy dễ kiếm, dễ bảo quản và vận chuyển.
- Do phá huỷ tầng ôzôn nên cấm sử dụng ở các nước công nghiệp từ 1/1/1996 và các nước đang phát triển từ 1/1/2006 e) Tính an toàn cháy nổ
- Không gây cháy nổ nên được được gọi là môi chất lạnh an toàn.
Chất lạnh CHClF2, còn được biết đến với tên gọi là HFC-134a, là một khí không màu với mùi thơm nhẹ Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi của nó là -40,8 °C.
- Bền vững ở phạm vi nhiệt độ và áp suất làm việc.
- Khi có chất xúc tác là thép, phân huỷ ở 550 o C.
Không tác dụng với kim loại và phi kim loại dùng trong chế tạo máy, nhưng có khả năng hòa tan và làm trương phồng một số chất hữu cơ như cao su và chất dẻo.
- Ở điều kiện ngưng tụ làm mát bằng nước, nhiệt độ ngưng tụ tk = 42 o C, Pk= 16,1 bar là môi chất có Pk khá cao Nhiệt độ cuối tầm nén trung bình.
- Ở áp suất khí quyển có ts = -40,8 o C nên áp suất bay hơi thường lớn hơn áp suất khí quyển.
- Năng suất lạnh riêng thể tích lớn gần NH3 nên máy gọn nhẹ.
- Độ nhớt nhỏ, tính lưu động lớn.
- Hoà tan hạn chế dầu nên gây khó khăn cho quá trình bôi trơn.
- Không hoà tan nước nhưng mức độ hòa tan lớn gấp 5 lần của R12 nên nguy cơ tắc ẩm giảm đi.
- Không dẫn điện nên có thể dùng cho máy nén kín và nửa kín. c) Tính chất sinh lý
- Không độc hại đối với cơ thể sống, khi nồng độ quá cao sẽ gây ngạt do thiếu dưỡng khí.
- Không ảnh hưởng xấu đến sản phẩm bảo quản. d) Tính kinh tế
- Đắt tiền tuy dễ kiếm, dễ bảo quản và dễ vận chuyển. e) Tính an toàn cháy nổ
- Không cháy và không nổ tuy tính an toàn thấp hơn R12.
R134a là một môi chất lạnh mới với độ hoàn thiện nhiệt động cao, được sử dụng phổ biến trong máy lạnh một cấp của hệ thống điều hòa không khí Đây là một lựa chọn thân thiện với môi trường, vì trong thành phần hóa học của nó không chứa Cl, do đó không gây hại cho tầng ozon khi xảy ra rò rỉ Ký hiệu "a" trong R134a đại diện cho đồng phân của C2H2F4.
R134a không gây nổ, nhưng khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, nó có thể phân hủy thành các chất độc hại như HF và HCL Vì vậy, cần nghiêm cấm sử dụng các vật liệu có nhiệt độ bề mặt cao trong phòng máy.
- Dầu bôi trơn chuyên dụng.
- Không ăn mòn kim loại; R134a là môi chất bền vững về mặt hóa học.
- Không hòa tan được nước; do đó có thể tách nước ra khỏi R134a bằng các chất hút ẩm thông dụng.
- Khi rò rỉ khó phát hiện: R134a không màu, không mùi, không vị.
- Khi rò rỉ không làm hỏng các sản phẩm cần bảo quản lạnh. b) Tính chất vật lý
-Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển thấp t=-26,2 o C.
- Ở nhiệt độ môi trường áp suất ngưng tụ vừa phải: t = 40 o C; p = 10,1761 bar.
- Nhiệt độ tới hạn tương đối cao: tth = 101,15 o C; pth= 40,46 bar.
- Nhiệt độ đông đặc điểm 3 pha thấp.
- Nhiệt ẩn hóa hơi tương đối lớn
- Nhiệt dung riêng đẳng áp vừa phải.
R134a có độ nhớt rất nhỏ, nhỏ hơn không khí, cho phép nó rò rỉ qua các khe hở mà không khí không thể đi qua Độ nhớt của R134a lớn hơn một chút so với nitơ, vì vậy khi thử kín, cần sử dụng nitơ khô.
- Không độc hại đối với cơ thể sống, khi nồng độ quá cao sẽ gây ngạt do thiếu dưỡng khí. d) Các tính chất về kinh tế.
- Hiện tại còn đắt tiền, dễ kiếm e) Các tính chất về môi trường.
- Là môi chất thân thiện với môi trường
Chất tải lạnh
Chất tải lạnh, hay còn gọi là môi chất lạnh thứ cấp, đóng vai trò là môi chất trung gian trong quá trình làm lạnh Nó nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh và chuyển giao nhiệt này tới thiết bị bay hơi, nơi chất lạnh sôi được cấp.
6.2.2 Yêu cầu đối với chất tải lạnh: a) Tính chất hoá học
- Không ăn mòn thiết bị
- Bền vững, không phân hủy trong phạm vi làm việc. b) Tính chất vật lý
- Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh là 5 o C
Nhiệt độ sôi của chất tải lạnh cần phải cao ở áp suất khí quyển, nhằm đảm bảo khi dừng máy, nhiệt độ của chất tải lạnh sẽ nâng lên bằng nhiệt độ môi trường, từ đó ngăn chặn hiện tượng bay hơi của chất tải lạnh.
- Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt phải lớn.
- Nhiệt dung riêng càng lớn càng tốt
- Độ nhớt và khối lượng càng nhỏ càng tốt vì giảm được tổn thất thủy lực. c) Tính chất sinh lý
-Không độc hại với con người và cơ thể sống.
- Không tác động xấu đến thực phẩm. d) Tính kinh tế
- Phải rẻ tiền, dể kiếm, dễ vận chuyển và bảo quản. e) Tính an toàn cháy nổ
- Không làm ô nhiểm môi trường.
6.2.3 Các chất tải lạnh thường dùng:
Là chất tải lạnh lý tưởng, nó đáp ứng hầu hết các yêu cầu đã nêu Nhược điểm duy nhất là đông đặc ở 0 o C.
Dung dịch nước muối NaCl đáp ứng tốt các yêu cầu cần thiết, tuy nhiên, nhược điểm chính của nó là gây ăn mòn kim loại trong hệ thống lưu chuyển môi chất tải lạnh.
Dung dịch nước muối CaCl2
Có các tính chất gần giống NaCl tuy khó tìm.
Bảng và đồ thị của môi chất lạnh
a) Bảng hơi bão hòa của môi chất lạnh:(Xem phần phụ lục)
- Bảng hơi bão hòa của amôniắc (NH3)
- Bảng hơi bão hòa của R12
- Bảng hơi bão hòa của R22
- Bảng hơi bão hòa của R134a b) Đồ thị lgp – h và T –s:
Năm đại lượng cơ bản là
Thể tích riêng v, m³/kg được thể hiện rõ ràng cho mọi trạng thái của môi chất trong vùng làm việc Đồ thị lgp-h, được xây dựng bởi Mollier vào năm 1912 tại trường đại học kỹ thuật TU Dresden (Đức), thường được gọi là đồ thị Mollier Đồ thị lgp-h chủ yếu được sử dụng để tính toán chu trình lạnh, trong khi đồ thị T-s chủ yếu dùng để so sánh ưu nhược điểm của các chu trình.
Đồ thị được cấu tạo với các đường cong chính, chia thành ba vùng trạng thái: lỏng, hơi ẩm và hơi quá nhiệt Đường bão hòa lỏng (x=0) phân cách vùng lỏng và hơi ẩm, trong khi đường bão hòa khô (x=1) phân tách vùng ẩm và hơi quá nhiệt Các đại lượng trên đường x = 0 được ký hiệu với một dấu phẩy, biểu thị trạng thái lỏng sôi (v’, h’, s’), trong khi các đại lượng trên đường x = 1 được ký hiệu với hai dấu phẩy, biểu thị trạng thái hơi bão hòa (v”, h”, s”).
Các đại lượng p, T, h, s, v được biểu diễn qua các chùm đường cong với giá trị không đổi Trên đồ thị T – s, các đường T = const song song với trục hoành, trong khi s = const song song với trục tung Đường h = const tạo thành các đường cong từ phía trên bên trái xuống phía dưới bên phải Đường p = const có hình dạng gẫy ba khúc, với khúc 1 gần như trùng lên đường x = 0, khúc 2 song song với trục hoành, và khúc 3 đi lên Cuối cùng, các đường v = const là các đường thoải đi lên, hơi gẫy ở đường x = 1.
Trên đồ thị lg p – h, các đường p song song với trục hoành và các đường h song song với trục tung Các đường T = const được chia thành ba khúc: khúc 1 là đường thẳng song song với trục tung, khúc 2 là đường thẳng song song với trục hoành, và khúc 3 là đường cong dốc xuống Các đường s = const nghiêng từ góc dưới bên trái lên góc trên bên phải, trong khi các đường v = const có độ dốc nhẹ và hơi gẫy tại đường x = 1.
Tùy thuộc vào nhu cầu thực tế của từng môi chất, các vùng đồ thị cần thiết sẽ được xây dựng, trong khi các vùng không cần thiết sẽ bị bỏ qua Đối với hầu hết các môi chất lạnh, vùng trên điểm tới hạn và vùng dưới điểm bội ba thường không được xây dựng.
CO2 bao gồm cả vùng trên, nơi điểm tới hạn gần với nhiệt độ môi trường, và cả vùng dưới, nơi cần thiết cho kỹ thuật sản xuất đá khô.
Để xác định các thông số trạng thái của môi chất lạnh NH3 ở nhiệt độ t = -40 °C trên đường bão hòa khô, cần thực hiện các phép tính liên quan đến nhiệt độ và áp suất Tương tự, đối với môi chất lạnh R12 ở nhiệt độ t = 10 °C trên đường bão hòa ẩm, cũng cần xác định các thông số trạng thái tương ứng.
Dựa vào bảng hơi bão hòa của môi chất lạnh, các thông số trạng thái của môi chất được xác định như sau: Tại nhiệt độ t = -40 °C, áp suất p = 0,71934 bar, thể tích riêng v = 1,5491 m³/kg, và enthalpy h = 1706,7 kJ/kg Tại nhiệt độ t = 10 °C, áp suất p = 4,2326 bar, thể tích riêng v = 0,7338 m³/kg, và enthalpy h = 509,33 kJ/kg.
1) Trình bày định nghĩa của môi chất lạnh Nêu các yêu cầu đối với môi chất lạnh.
2) Trình bày định nghĩa cuả chất tải lạnh Nêu các yêu cầu đối với chất tải lạnh.
3) Nêu các yêu cầu đối với môi chất lạnh amôniắc (NH3)
4) Nêu các yêu cầu đối với môi chất lạnh R12,R22,R134a
