Bài giảng - Kỹ Thuật Lạnh ( combo full slides )

- Cơ sở nhiệt động học của các phương pháp này.- Các hệ thống thiết bị kỹ thuật dùng để hiện thực hóa các các phương pháp nêu trên.. -2000 năm trước đã biết trộn muối vào nước đá để đạt

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

KỸ THUẬT LẠNH

NỘI DUNG CHÍNH

1 Chương 1 Lịch sử phát triển và ý nghĩa kinh tế

2 Chương 2 Phương pháp làm lạnh nhân tạo

3 Chương 3 Môi chất lạnh và chất tải lạnh

4 Chương 4 Các chu trình cơ bản của máy lạnh nén hơi

5 Chương 5 Máy nén lạnh

6 Chương 6 Thiết bị trao đổi nhiệt

7 Chương 7 Thiết bị phụ của hệ thống lạnh

8 Bài tập lớn

GIỚI THIỆU CHUNG

Nhiệt, Lạnh và Kỹ thuật lạnh

Nhiệt: Khái niệm thuộc về cảm giác của con người khi ở trước nguồn nhiệt có nhiệt độ cao như lò nung, bóng đèn, ánh sáng mặt trời

GIỚI THIỆU CHUNG

GIỚI THIỆU CHUNG Nhiệt và Lạnh: Cùng bản chất khoa học, chỉ khác về phạm vi nhiệt độ.

Nhiệt và Lạnh: Tương tự như khái niệm về ánh sáng và bóng tối

GIỚI THIỆU CHUNG

Kỹ thuật lạnh: Là kỹ thuật lấy nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh để hạ nhiệt độ của nó xuống dưới nhiệt độ môi trường

5

GIỚI THIỆU CHUNG Công nghệ lạnh: Vận dụng kỹ thuật lạnh trong trường hợp cụ thể.

- Cơ sở nhiệt động học của các phương pháp này.

- Các hệ thống thiết bị kỹ thuật dùng để hiện thực hóa các các phương pháp nêu trên

- Ứng dụng của HT lạnh

- Cơ sở phương pháp tính toán, chọn và thiết kế hệ thống lạnh

2.Lịch sử phát triển: Ngành lạnh xuất hiện từ rất lâu, cùng với lịch

sử phát triển của con người hiện đại

-5000 năm trước con người đã biết dùng băng, tuyết và hang động có nhiệt độ thấp để dự trữ thực phẩm

-2000 năm trước đã biết trộn muối vào nước đá để đạt nhiệt độ < 00C;-Thế kỷ 18 ngành lạnh thực sự phát triển khi con người đã biết làm lạnh bằng cách cho các chất lỏng bay hơi ở áp suất thấp

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

2.Lịch sử phát triển: Ngành lạnh xuất hiện từ rất lâu, cùng với lịch

sử phát triển của con người hiện đại

-1834 máy lạnh pitton đầu tiên của J Perkin ra đời với cấu trúc tương

tự máy lạnh hiện đại, 1810 máy lạnh hấp thụ đầu tiên ra đời, 1845 máy lạnh nén khí ra đời, 1910 máy lạnh ejectơ đầu tiên ra đời

-TK 20 với sự xuất hiện của các môi chất lạnh như NH3, freon và sự hoàn thiện về kỹ thuật dẫn tới sự phát triển như vũ bão của ngành lạnh

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

TÓM TẮT LỊCH SỬ NGÀNH LẠNH THẾ GIỚI:

Từ trước công nguyên con người đã biết bảo quản thực phẩm trong các hang động có mạch nước nước ngầm

• 1761 : Black phát hiện ra nhiệt hóa hơi (r)

• 1810 : Leslie (Pháp) chế tạo máy lạnh hấp thụ môi chất H2O/H2SO4

• 1834 : Perkins (Mỹ) chế tạo máy lạnh nén hơi đầu tiên

• 1895 : Linde (Đức) chế tạo máy hóa lỏng khí

• 1911 : Carrier phát minh điều hòa không khí

• 1930 : Tim ra môi chất lạnh (MCL) frêon

• Viện Lạnh Quốc tế đặt tại Paris thành lập từ hơn100 năm nay

VIỆT NAM:

• 1890 Nhà máy nước đá Hà nội và Sài gòn

• 1896 Nhà máy bia Hà nội và Sài gòn

• 1968 Nhà máy cơ khí Long Biên (Hà nội) và nhà máy cơ khí

Duyên Hải (Hải phòng) có sản xuất máy nén lạnh tới 8 xylanh, Công suất lạnh 130.000 kcal/h Tất cả hiện nay đã giải thể

• Xuất hiện nhiều liên doanh lắp ráp máy lạnh và DHKK trong nước

: LG electronics, Hòa Phát, Reetech, Sanyo Biên Hòa, Sam sung, Daewoo Hanel, Misushta, Nagakawa, Gree, Funiki, Panasonics,…

TÓM TẮT LỊCH SỬ NGÀNH LẠNH

Tiêu thụ năng lượng ở hộ gia đình

Lạnh + ĐHKK chiếm 40% NL tiêu thụ trong hộ gia đình

Xu hướng phát triển hiện nay:

• Nâng cao hiệu suất năng lượng

• Chi phí vật tư chế tạo máy lạnh trên một đơn vị lạnh;

• Tăng tuổi thọ và độ tin cậy

• Sử dụng các môi chất tự nhiên (NH3, CO2, SO2…) và các môi chất mới thân thiện với môi trường hơn

• Sử dụng các hệ thống hỗn hợp máy lạnh + bơm nhiệt

• Nghiên cứu hoàn thiện ứng dụng các công nghệ làm lạnh mới

• Sử dụng công nghệ nano trong KT lạnh

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

3.Ý nghĩa kinh tế:

3.1 Chế biến và bảo quản thực phẩm sau thu hoạch & giết mổ:

-Ở nhiệt độ ngoài trời các vi sinh vật và các quá trình phân rã sinh hóa phát triển nhanh chóng Ở nhiệt độ thấp các quá trình này được làm chậm lại Vì vậy sử dụng công nghệ lạnh để chế biến và bảo quản thực phẩm là biện pháp rất hữu hiệu để nâng cao chất lượng và thời gian bảo quản mà không dùng hóa chất

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

Thời gian bảo quản một số loại thực phẩm (ngày) phụ thuộc nhiệt độ

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

3.2 Ứng dụng trong công nghiệp

3.2.1 CN Hóa chất

- Sử dụng lạnh sâu (cryo) để hóa lỏng khí : N2,O2,Ar,…

- Dùng để chưng cất, tách, sản xuất các loại khí

3.2.2 CN nhẹ: sản xuất vải, sợi, may mặc giầy dép

3.2.3 CN sản xuất : cao su

3.2.4 CN điện tử và công nghệ cao

3.2.5 CN hóa học : điều khiển tốc độ phản ứng

3.2.6 CN thực phẩm: sản xuất rượu, bia, nước giải khát

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

3.3.Ứng dụng trong đời sống

• Các hệ thống điều không khí dùng để duy trì

các điều kiện vi khí hậu thích hợp với yêu cầu

cuộc sống hoặc sản xuất

• Các tủ lạnh, tủ đông, máy hút ẩm gia dụng

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

3.4 Ứng dụng trong y tế

• Tạo điều kiện vi khí hậu thích

hợp và sạch sinh học trong chữa

và điều trị bệnh nhân

• Phòng sạch trong nhà máy dược

• Kỹ thuật lạnh sâu (cryo) dùng để

gây mê cục bộ để mổ và chữa

bệnh; lưu trữ tế bào gốc, gen

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

3.5 Ứng dụng trong công nghệ sinh học: dùng để lưu giữ nghiên cứu các giống, nghiên cứu các quá trình sinh học, lai tạo , tạo đột biến

về giống

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

3.9 Ứng dụng trong các thiêt bị đo kiểm chính xác

3.10 Trong nghiên cứu vũ trụ

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

1.1.Nguyên lý chung: để làm lạnh,

cần thiết phải tạo ra nguồn có nhiệt

độ thấp hơn nhiệt độ môi trường

Nguồn này sẽ nhận nhiệt từ đối

tượng cần làm lạnh, sau đó lượng

nhiệt này sẽ được các hệ thống

máy móc chuyền tải đi và thải ra

môi trường

Các phương pháp làm lạnh

1 Bay hơi khuyếch tán: Bản chất là quá trình bay hơi nước đẳng entanpy vào không khí ẩm chưa bão hòa Kết quả độ ẩm không khí tăng lên, nhiệt độ giảm đi PP này chỉ hiệu quả khi không khí có độ ẩm thấp

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

2 Phương pháp hòa trộn lạnh: Phương pháp này hiện nay chỉ dùng trong sơ chế hải sản, sử dụng muối ăn thường trộn với nước đá, vì các loại muối khác có giá thành cao.

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

3 Phương pháp giãn nở khí

có sinh công: Phương pháp

này hiện nay chỉ còn dùng

chủ yếu cho lạnh cryo sản

xuất khí hóa lỏng và sử dụng

cho điều hòa dùng trên máy

bay Nhược điểm chính là

thiết bị cồng kềnh năng suất

lạnh không cao

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

Boeing 767–300ER Pack Schematic

4 Phương pháp bay hơi chất lỏng: Đây là phương pháp hiện nay dùng rộng rãi trong các hệ thống lạnh và điều hòa Phương pháp này

có giá thành cao

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

Nhiệt độ sôi của một số môi chất ở áp

suất khí quyển

4 Phương pháp tiết lưu: Đây là phương pháp hiện nay dùng rộng rãi trong các hệ thống lạnh và điều hòa

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

5 Giãn nở trong ống xoáy : phương pháp này ít sử dụng vì hiệu suất thấp.

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

8.Khử từ đoạn nhiêt: Phương pháp này chủ yếu dùng trong các PTN,

để tạo ra nhiệt độ gần không tuyệt đối

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

Hiệu ứng từ nhiệt (Magnetocaloric effect – MCE) là một hiệu ứng vật

lý cơ bản xảy ra ở bất kỳ vật liệu từ nào, được hiểu là sự thay đổi nhiệt

độ đoạn nhiệt của mẫu vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài (từ hóa hay đảo từ) Ta nhớ rằng, với một vật thể rắn bình thường, thành phần tạo nên tính chất nhiệt của vật là sự dao động mạng tinh thể (entropy mạng), nhưng ở vật liệu từ, ta có thêm một thành phần khác là các mômen từ (entronpy từ) Với một vật thể cách ly nhiệt,

8.Khử từ đoạn nhiêt: Phương pháp này chủ yếu dùng trong các PTN,

để tạo ra nhiệt độ gần không tuyệt đối

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

Khi đặt vật sắt từ vào từ trường ngoài, các mômen từ có xu hướng sắp xếp theo từ trường dẫn đến sự giảm entropy từ, do vậy nếu quá trình này là đoạn nhiệt (tổng entropy hệ không đổi) thì entropy mạng tăng lên, tức là vật bị nóng lên Ngược lại, nếu ta thực hiện quá trình khử từ một cách đoạn nhiệt, entropy từ tăng lên dẫn đến sự giảm của entropy mạng làm vật từ bị lạnh đi Như vậy, nếu ta càng làm biến đổi entropy

từ lớn, sẽ dẫn đến khả năng làm lạnh lớn Đây chính là nguyên lý làm lạnh từ nhiệt

8.Khử từ đoạn nhiêt: Phương pháp này chủ yếu dùng trong các PTN,

để tạo ra nhiệt độ gần không tuyệt đối

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

1.3 Các loại máy lạnh thông dụng

1.3.1 Định nghĩa: Máy lạnh là hệ thống thiết bị dùng để lấy nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường sau đó chuyển lên nguồn có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường để thải nhiệt ra Trong quá trình này máy lạnh nhận công từ ngoài vào

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

1.3.2 Các loại máy lạnh cơ bản trong thực tế:

• Máy lạnh nén hơi

• Máy lạnh hấp thụ

• Máy lạnh ejectơ

• Máy lạnh nén khí

Ba loại máy lạnh đầu sử dụng van tiết lưu (hiệu ứng Joule-Thomson)

để tạo ra nguồn nhiệt độ thấp; môi chất có chuyển pha

Loại cuối cùng dùng máy giãn nở sinh ngoại công; môi chất không chuyển pha

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

1.3.2.1 Máy lạnh nén hơi

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

1.3.2.2 Máy lạnh hấp thụ

Nguyên lý hoạt động: vai trò máy nén được thay bằng vòng tuần hoàn của các bình hấp thụ (HT) Sinh hơi (SH) và bơm dung dịch (BDD), van tiết lưu dung dịch (TL2) Môi chất sau khi sôi đi qua bình hấp thụ, tại đây nồng độ dung dịch tang lên tỏa nhiệt, dung dịch này qua bơm bằng BDD lên SH có áp suất Pk và bình này được gia nhiệt, tại đây môi chất sinh hơi, phân li và đi vào GN, sau đó qua TL1 về DBH Còn phần dung dịch còn lại có nồng độ thấp sau SH đi qua TL2 về bình HT ở áp suất P0 Quá trình được ghép kín thành chu trình tuần hoàn

Được sử dụng trong các nhà máy xí nghiệp tận dụng nhiệt thừa

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

1.3.2.3 Máy lạnh ejector

Nguyên lý hoạt động: Vai trò máy nén được thay thế bằng ejector, sử dụng động năng của dòng hơi để nén hơi môi chất lạnh lên áp suất cao Hơi có áp suất cao sinh ra ở lò hơi (LH) được dẫn vào ejector Trong ống ejector thế năng chuyển thành động năng cuốn theo hơi lạnh sinh ra ở bình bay hơi, ở đây áp suất hơi tăng tốc độ Hơi ngưng tụ tại GN Sau đó nước ngưng được chia làm 2 nhánh Phần lớn đi về LH còn phần nhỏ đươc tiết lưu trở lại GBH

Ứng dụng: thường sử dụng nơi có nguồn nhiệt dư để làm lạnh không khí

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

3.1 Định nghĩa: môi chất lạnh (tác nhân lạnh, ga lạnh, lãnh chất) là

chất trung gian được sử dụng trong các hệ thống máy lạnh Nhờ chất

này mà nhiệt được truyền từ nguồn có nhiệt độ thấp ra môi trường

3.2 Yêu cầu chung đối với môi chất lạnh:

a Hóa học:

• Phải bền vững không bị phân hủy, không polyme hóa trong dải

nhiệt độ, áp suất làm việc;

• Không ăn mòn các vật liệu trong hệ thống lạnh, không phản

ứng dầu máy, oxi,

• Áp suất bay hơi không quá thấp.

• Nhiệt độ điểm đông phải thấp hơn dải nhiệt độ làm việc

• Năng suất riêng thể tích lớn

CHƯƠNG 2: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

Yêu cầu chung đối với môi chất lạnh:

c Tính chất vật lý & nhiệt vật lý

• Độ nhớt nhỏ, tổn thất áp suất ít;

• Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn;

• Khả năng hòa tan dầu tốt;

• Khả năng hòa tan nước tốt;

• Không dẫn điện;

• Có tính chất nhiệt động tốt

d Tính an toàn sinh lý

e Khả năng ảnh hưởng môi trường Tính kinh tế

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

3.2.1 Các loại môi chất lạnh (MCL)

•Phổ biến: Freon, NH3, CO2, H2O, một số rượu, không khí,

cacbuahydro (propan, izobutan,…)

• Vô cơ: NH3, H2O, CO2, K Khí

• Hữu cơ: CmHn, Rượu

• Theo các chất thành phần:

CFC (Clo, Flo, Các bon), HCFC (CHClF2-R22), HFC

(CH2F-CF3-R134a), HC (C3H8-Propan), HFO (HFO-1243zf),

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

3.2.3 Cách gọi tên của MCL theo ASHRAE

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

3.2.3 Cách gọi tên của MCL theo ASHRAE (American Society of

Heating Refrigerating and Air conditioning Engineers)

- Ký tự đầu tiên là chữ R (Refrigerant)

- Tiếp là số chỉ số nguyên tử C -1, nếu = 0 thì không viết

- Tiếp là số chỉ số nguyên tử : H + 1

- Cuối cùng là số chỉ số nguyên tử F

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

3.2.3 Cách gọi tên của MCL theo ASHRAE

Từ ký hiệu tìm lại công thức:

• MCL gốc cacbuahydro no có chứa Br thêm chữ B và số chỉ số nguyên

tử Br ở sau:

CF3Br : R13BLưu ý: Cách gọi tên áp dụng cả cho các CmHn đến propan Từ butan gọi

theo quy ước riêng

• Dẫn xuất của CmHn chưa no (Ôlefin, n = 2m): Thêm số 1 trước các

con số:

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

• Hợp chất có cấu trúc vòng: Thêm chữ C sau R (trước các con số):

C4F8: RC1318 C4H8: RC1390

• Các chất đồng phân: Thêm chữ a hoặc b sau ký hiệu:

Butan C4H10: CH3-CH2-CH2-CH3: R600, Izobutan CH(CH3)3: R600a

R134: C2H2F4, R134a: CH2F-CF3 CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

Thêm số 4 sau chữ R, tiếp là ký hiệu quy ước kiểu số thứ tự: 01, 02,

03,…và các chữ A hoặc B hay C tùy theo tỷ lệ thành phần các chất:

R410A: R32/R125 (50/50%), R407C: R32/R125/R134a (23/25/52%) R402A: R22/R125/R290 (38/60/2) R402B: R22/R125/R290 (60/38/2)

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

Một số loại môi chất thông dụng CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

GAS COLOR CODE CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

59

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

- Tác dụng biến giấy quỳ thành màu đỏ

- Không tác dụng với kim loại đen, tác dụng với kim loại màu: Không

dùng Cu và hợp kim, áp kế thủy ngân,…

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

- Không hòa tan trong dầu bôi trơn, không tác dụng hóa học với dầu

bôi trơn

- Hòa tan trong nước không hạn chế (rất háo nước) Tuy nhiên có

nước lâu ngày sẽ tạo hydroxyt amôn ăn mòn mạnh Nước < 0,1%

- Trạng thái bão hòa: t = 30oC ; p = 12 at

- Khả năng truyền nhiệt tốt, hơn freon 2-3 lần Hệ số tỏa nhiệt khi sôi,

ngưng xấp xỉ của nước Dễ điều chế, rẻ tiền

- Không làm suy giảm tầng ozon, ít gây hiệu ừng nhà kính

- Dùng rộng rãi trong CN lạnh đến -700C

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

Freon 22 (R22): CHClF2

- Là chất hữu cơ không màu, không mùi, không độc hại

- Không cháy, không nổ ở đ/k thường.Ở khoảng 500oC cháy tạo thành

COCl2 rất độc

- Rất dễ rò rỉ

- Không tác dụng với kim loại đen, kim loại màu, hòa tan doăng đệm

cao su, các chất hữu cơ, nhựa, rửa sạch bụi bẩn

- Hòa tan trong dầu bôi trơn, không tác dụng hóa học với dầu bôi trơn

- Không hòa tan trong nước, có nước sẽ gây tắc ẩm ở HT lạnh âm

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH

- Khả năng truyền nhiệt kém hơn NH3

- HS tỏa nhiệt khi sôi, ngưng nhỏ hơn của nước

- Không dễ điều chế, tương đối rẻ tiền

- Làm suy giảm tầng ozon, gây hiệu ứng nhà kính

- Dùng rộng rãi trong ĐHKK và lạnh CN

CHƯƠNG 3: MÔI CHẤT LẠNH & CHẤT TẢI LẠNH