NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH ÔN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ẨM ĐỘ, ÁNH SÁNG TỰ ĐỘNG BẰNG PLC 4m3.

™ Ảnh hưởng của các khoảng nhiệt độ khác nhau đến đời sống côn trùng: • Ảnh hưởng của khoảng nhiệt độ thấp côn trùng không hoạt động: Khi nhiệt độ môi trường hạ thấp quá ngưỡng sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

W X

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH ÔN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ẨM ĐỘ, ÁNH SÁNG TỰ ĐỘNG BẰNG PLC 4m3

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN NGỌC SANG

NGUYỄN ĐĂNG TỐ Ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH Niên khóa: 2005-2009

Tháng 06/2009

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH ÔN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ,

Tác giả

NGUYỄN NGỌC SANG NGUYỄN ĐĂNG TỐ

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu

cấp bằng Kỹ sư ngành Công Nghệ Nhiệt Lạnh

Giáo viên hướng dẫn:

Tiến sĩ Nguyễn Văn Hùng

Kỹ sư Đào Duy Vinh

Tháng 6 năm 2009

MỤC LỤC

Chương 1 1

MỞ ĐẦU 1

1 Giới thiệu 1

2 Mục đích đề tài: 2

Chương 2 3

TỔNG QUAN 3

2.1 Ảnh hưởng của các yếu tố vi sinh vật đến đời sống côn trùng: 3

2.1.1 Yếu tố nhiệt độ: 3

2.1.2 Yếu tố độ ẩm: 5

2.1.3 Yếu tố ánh sáng: 6

2.1.4 Yếu tố gió: 7

2.2 Tổng quan về hệ thống định ôn: 7

2.2.1 Vai trò của hệ thống định ôn: 7

2.2.2 Cấu tạo của hệ thống định ôn: 7

2.2.3 Nguyên lý hoạt động: 8

2.2.4 Một số hệ thống định ôn: 8

2.3 Tổng quan về hệ thống lạnh: 10

2.3.1 Vai trò của kỹ thuật lạnh: 10

2.3.2 Cấu tạo cơ bản của máy lạnh: 10

2.3.3 Tìm hiểu về các bộ phận chính trong hệ thống lạnh: 11

2.4 Tổng quan về không khí ẩm: 29

2.4.1 Tính chất không khí ẩm: 29

2.4.2 Các thông số của không khí ẩm: 30

2.4.3 Giới thiệu giản đồ trắc ẩm: 33

2.4.4 Quá trình làm lạnh giảm ẩm không khí: 34

2.4.5 Quá trình gia nhiệt và gia ẩm không khí: 35

2.5 Tổng quan về PLC (Programmable Logic Controller): 36

2.5.1 Đặc điểm bộ điều khiển logic khả trình (PLC): 36

2.5.2 Thành phần bộ điều khiển logic khả trình PLC: 36

2.5.3 Cấu trúc phần cứng bộ điều khiển logic khả trình PLC: 37

2.5.4 Hoạt động của bộ điều khiển logic khả trình PLC: 40

2.5.5 Trạng thái của bộ điều khiển logic khả trình PLC: 40

2.5.6 Phân loại PLC: 40

2.6 Chọn các chế độ làm việc: 41

2.6.1 Chọn phương pháp làm lạnh: 41

2.6.2 Chọn môi chất lạnh: 41

2.6.3 Chọn chu trình lạnh: 42

2.6.4 Chọn các thông số làm việc: 44

Chương 3 45

PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN 45

3.1 Phương pháp nghiên cứu: 45

3.2 Phương tiện: 45

Chương 4 46

THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 46

4.1 Nghiên cứu và khảo nghiệm tủ định ôn: 46

4.1.1 Khảo sát thiết bị định ôn tại khoa Nông Học được chế tạo bởi trung tâm Công Nghệ Nhiệt Lạnh trường ĐHNL TPHCM: 46

4.1.2 Cấu tạo: 48

4.1.3 Nguyên lý hoạt động: 50

4.2 Tính toán, thiết kế hệ thống định ôn: 51

4.2.1 Các yêu cầu thiết kế: 51

4.2.2 Lựa chọn mô hình hệ thống định ôn: 51

4.2.3 Tính toán các thông số hình học của hệ thống: 51

4.2.4 Tính toán hệ thống lạnh của hệ thống định ôn: 52

4.2.5 Tính toán hệ thống phun ẩm: 62

4.3 Hệ thống điều khiển nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng bằng PLC: 64

4.3.1 Chọn thiết bị cảm biến: 65

4.3.2 Giải thuật các sơ đồ nguyên lý hoạt động của PLC: 67

4.3.3 Sơ đồ mạch động lực của cơ cấu chấp hành: 72

Chương 5 74

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 74

5.1 Kết luận: 74

5.1.1 Khảo nghiệm: 74

5.1.2 Thiết kế: 75

5.2 Đề nghị: 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 77

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của hệ thống định ôn 8 

Hình 2.2: Tủ định ôn SanYo model MRL – 351H 9 

Hình 2.3: Tủ định ôn Bioclim 1100 Vario .9 

Hình 2.4: Sơ đồ cấu tạo máy lạnh nén hơi .11 

Hình 2.5: Sơ đồ phân loại tổng quát máy nén lạnh dùng trong máy lạnh nén hơi 12 

Hình 2.6: Hệ số cấp λ phụ thuộc vào tỉ số nén o k p p = ∏ /TL6/ 13 

Hình 2.7: Sự phụ thuộc của η vào tỷ số áp suất e o k p p /TL6/ .14 

Hình 2.8: Quá trình làm lạnh giảm ẩm không khí 35 

Hình 2.9: Quá trình gia nhiệt đẳng ẩm không khí .36 

Hình 2.10: Mô hình tổng quát của một PLC .37 

Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc phần cứng PLC 37 

Hình 2.12: Chu trình hồi nhiệt 42 

Hình 4.1: Mô hình cấu tạo của thiết bị định ôn tại khoa Nông Học .48 

Hình 4.2: Các hình chiếu của thiết bị định ôn tại khoa Nông Học 50 

Hình 4.3: Kích thước sơ bộ của hệ thống định ôn 51 

Hình 4.4: Giản đồ trắc ẩm thể hiện quá trình gia ẩm .63 

Hình 4.5: PLC LOGO loại 12/24RC .64 

Hình 4.6: Cảm biến nhiệt PT100 65 

Hình 4.7: Cảm biến ẩm 66 

Hình 4.8: Sơ đồ các thiết bị cơ bản trong hệ thống PLC 66 

Hình 4.9: Mạch điều khiển bằng PLC LOGO! .67 

Hình 4.10: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng tự động 68 

Hình 4.11: Sơ đồ giải thuật điều khiển nhiệt độ 68 

Hình 4.12: Giải thuật điều khiển nhiệt độ .70 

Hình 4.13: Sơ đồ giải thuật điều khiển ẩm độ 71 

Hình 4.14: Giải thuật ẩm độ .72 

Hình 4.15: Giải thuật ánh sáng theo chu kỳ 5 phút .72

Hình 4.16: Sơ đồ mạch điện điểu khiển máy nén, đèn, bơm, quạt 72  Hình 4.17: Sơ đồ mạch điện điều khiển các van bướm 73 

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các vùng nhiệt độ và độ ẩm có hiệu quả khác nhau đối với loài Carpocapsa

pomonella L ( C Manolache, 1965 ) 5 

Bảng 2.2: Hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu /TL6/ .15 

Bảng 2.3: Hệ số tỏa nhiệt α bên ngoài và bên trong vách tủ /TL7/ 16 

Bảng 2.4: Nhiệt dung riêng của một số chất rắn /TL6/ .17 

Bảng 2.5: Các giá trị k và qF kinh nghiệm .23 

Bảng 2.6: Hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi /TL6/ .24 

Bảng 2.7: Độ chênh nhiệt độ trung bình giữa môi chất và chất tải lạnh /TL6/ 25 

Bảng 2.8: Hiệu nhiệt độ yêu cầu của một số dàn bay hơi .25 

Bảng 2.9: Hệ số truyền nhiệt kinh nghiệm k, W/m2.K 26 

Bảng 2.10: Kích thước của các dàn cánh /TL3/ .27 

Bảng 4.1: Các thông số điểm nút của chu trình hồi nhiệt .57 

đã tạo ra nhiều loại máy móc hiện đại phục vụ cho nhiều mục đích nghiên cứu…

Trong kỹ thuật sinh học lai tạo giống phục vụ ngành nông, lâm nghiệp, yêu cầu thực tế đặt ra là cần lai tạo ra những giống cây có khả năng chịu đựng điều kiện khí hậu khắc nghiệt để có thể gieo trồng ở những vùng khí hậu nhất định Có những giống đòi hỏi chịu đựng nhiệt độ cao, không khí khô hạn, có giống đòi hỏi phải chịu đựng khí hậu lạnh, ẩm ướt do đó, các kỹ sư đã chế tạo ra một thiết bị đáp ứng được những yêu cầu trên, đó là “thiết bị định ôn” Thiết bị định ôn có thể điều chỉnh được những thông số: nhiệt độ, độ ẩm, cường độ chiếu sáng…

Được sự hướng dẫn của thầy TS Nguyễn Văn Hùng, chúng tôi xin thực hiện đề tài: “Khảo nghiệm, thiết kế thiết bị định ôn điều khiển nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng tự động bằng PLC”

Vì phạm vi đề tài rộng và mới, cộng với kiến thức của chúng tôi còn hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong sự góp ý của các thầy, cô và các bạn

2 Mục đích đề tài:

Ở nước ta, trong lĩnh vực Nông - Lâm Nghiệp việc nuôi các loài côn trùng để phục vụ phòng trừ sinh học, đánh giá mức độ gây hại nhằm giảm thiểu mối đe dọa thường trực đến năng suất và phẩm chất của mùa màng cả trước và sau thu hoạch Khi môi trường tự nhiên ngày càng thu hẹp, việc nuôi thành công côn trùng trong môi trường nhân tạo với mong muốn hình thành một công nghiệp sản xuất chúng phục vụ nghiên cứu, bảo tồn gen là một vấn đề cần quan tâm

¾ Nghiên cứu, kháo sát sơ bộ tủ định ôn sử dụng trong phòng thí nghiệm của khoa Nông Học trường ĐH Nông Lâm

¾ “Nghiên cứu , Thiết kế hệ thống định ôn thể tích 4m3” để phục vụ trong thí nghiệm nuôi côn trùng, giống…

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Ảnh hưởng của các yếu tố vi sinh vật đến đời sống côn trùng:

Đây là nhóm yếu tố vật lý môi trường tác động một chiều lên cơ thể côn trùng

và hầu như không chịu tác động ngược trở lại từ côn trùng Do đó chúng được xếp vào nhóm yếu tố không phụ thuộc mật độ của đối tượng chịu tác động

2.1.1 Yếu tố nhiệt độ:

™ Phản ứng của côn trùng đối với yếu tố nhiệt độ:

Côn trùng là động vật biến nhiệt nên nhiệt độ cơ thể chúng phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện nhiệt độ môi trường Điều này có nghĩa là nhiệt độ môi trường quyết định chiều hướng và mức độ mọi hoạt động sống của côn trùng

Tuy nhiên không nên hiểu rằng nhiệt độ cơ thể côn trùng hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Chúng vẫn có khả năng điều tiết nhiệt độ cơ thể trong một phạm vi nhất định đó là:

• Sự điều hòa thân nhiệt chủ yếu thông qua sự điều tiết cường độ hô hấp

• Sự điều hòa thân nhiệt còn được thực hiện thông qua sự hoạt động của hệ

cơ

• Khả năng thích ứng nhiệt độ của côn trùng là khác nhau tùy theo loài, nhưng nói chung phạm vi nhiệt độ chúng có thể hoạt động thường được giới hạn trong khoảng từ 5 đến 450C

™ Ảnh hưởng của các khoảng nhiệt độ khác nhau đến đời sống côn trùng:

• Ảnh hưởng của khoảng nhiệt độ thấp côn trùng không hoạt động:

Khi nhiệt độ môi trường hạ thấp quá ngưỡng sinh học của một loại côn trùng nào đó, sẽ làm cho quá trình trao đổi chất trong cơ thể chúng bị ngừng trệ, côn trùng sẽ rơi vào trạng thái ngất lịm Nếu nhiệt độ môi trường tiếp tục hạ thấp hơn nữa kéo dài thì côn trùng sẽ bị chết

• Ảnh hưởng của khoảng nhiệt độ cao côn trùng không hoạt động:

Khi nhiệt độ môi trường vượt quá ngưỡng trên, thần kinh côn trùng bị hưng phấn rất mạnh sau đó nhanh chóng rơi vào trạng thái bị ức chế mãnh liệt( côn trùng bị ngất lịm) vì hệ thống men bị rối loạn Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng cao tác động kéo dài, protein trong tế bào bị kết tủa toàn bộ côn trùng sẽ bị chết ngay

• Ảnh hưởng của khoảng nhiệt độ côn trùng hoạt động:

Trong khoảng nhiệt độ này (được giới hạn bởi hai ngưỡng t0 và T) tùy theo các giá trị nhiệt độ khác nhau Giữa hai ngưỡng này người ta khoảng nhiệt độ hoạt động của côn trùng thành 3 vùng sau đây: vùng hơi lạnh(t0-0, dưới cực thuận), vùng cực thuận(0-01) và vùng hơi nóng(01-T, trên cực thuận)

Ở vùng hơi lạnh( t0-0) côn trùng vẫn có khả năng sinh trưởng nhưng không sinh sản được Ở vùng nhiệt độ này côn trùng có kích thước cơ thể đạt giá trị lớn nhất

Ở vùng cực thuận(0-01) theo chiều tăng của nhiệt độ, tốc độ phát dục và sức sinh sản của côn trùng cũng tăng lên và đạt giá trị lón nhất Ở đây kích thước côn trùng đạt giá trị chuẩn

Ở vùng hơi nóng(01-T) theo chiều tăng của nhiệt độ, tốc độ phát dục, sức sinh sản và cả kích thước cơ thể côn trùng đều giảm xuống

™ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đời sống côn trùng:

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phát dục của côn trùng

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quy luật phát sinh phát triển của côn trùng

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quy luật phân bố của côn trùng

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sức sinh sản của côn trùng

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính của côn trùng

2.1.2 Yếu tố độ ẩm:

Mỗi loài côn trùng đều có một giới hạn độ ẩm thích hợp Yêu cầu này được

hình thành trong quá trình phát triển lịch sử của mỗi loài

Căn cứ vào yêu cầu ẩm độ, người ta chia côn trùng làm 3 nhóm chính:

™ Nhóm ưa ẩm: thích độ ẩm 85 ÷ 100%

™ Nhóm trung tính: thích độ ẩm 55 ÷ 85%

™ Nhóm ưa khô: thích độ ẩm dưới 45%

Nhìn chung phần lớn côn trùng thích độ ẩm tương đối của không khí từ 80% trở

lên

Sự tác động của độ ẩm đến côn trùng có liên quan chặt chẽ với các yếu tố khác,

đặc biệt là đối với nhiệt độ Nói chung sự thiếu hay thừa độ ẩm thường gây tác hại rõ

rệt cho sự sống của côn trùng khi nhiệt độ dao động trong phạm vị cực thuận

Độ ẩm còn ảnh hưởng đến tốc độ phát dục, sức sinh sản , ảnh hưởng đến hoạt

tính và sự phân bố của côn trùng

Nhiệt độ và ẩm độ là hai yếu tố chủ yếu luôn luôn cùng tồn tại và cùng tác động

lên cơ thể côn trùng và giữa chúng có mối quan hệ qua lại hết sức chặt chẽ

Bảng 2.1: Các vùng nhiệt độ và độ ẩm có hiệu quả khác nhau đối với loài

Carpocapsa pomonella L ( C Manolache, 1965 )

Khoảng cách giới hạn Vùng hoạt động

I Ngừng hoạt động

II Không thuận lợi

III Thuận lợi

ra hiện tượng quá sáng hay quá tối gây chết đối với chúng Thực ra yếu tố này có những ảnh hưởng rất quan trọng và sâu xa đối với đời sống Côn trùng Sự hấp thụ năng lượng tia sáng có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ cơ thể Côn trùng, đến quá trình điều hòa nhiệt độ và trao đổi nước Ánh sáng còn là nhân tố quyết định đến sự sinh trưởng và phát triển của thực vật, là mắt xích đầu tiên của các chuỗi thức ăn nên có ảnh hưởng gián tiếp đến côn trùng , nhất là nhóm Côn trùng ăn thực vật Thông qua các tác động trực tiếp và gián tiếp, ánh sáng quan hệ đến sự hiện diện thành phần loài.Tính cảm thụ thị giác cũng như nhiều tập tính và hoạt động sống của Côn trùng có quan hệ chặt chẽ với cường độ chiếu sáng và tính chất của các tia sáng Tuy vậy xu thế của chúng đối với ánh sáng còn khác nhau rất nhiều tùy theo loài Như chúng ta đã biết

có một số loài côn trùng chỉ hoạt động vào ban ngày ( pha trưởng thành của chuồn chuồn, bướm phượng, bướm trắng,v.v…), một số khác lại hoạt động mạnh vào ban đêm ( gián, họ Dế mèn, v.v…) Ở những loài Côn trùng có xu tính chặt chẽ với ánh sáng, chúng chỉ phân bố ở những sinh cảnh có điều kiện ánh sáng thích hợp

Tương tự như ở thực vật, côn trùng cũng có những phản ứng quang chu kỳ sau đây:

™ Phản ứng dài ngày: Phát triển bình thường trong điều kiện dài ngày, số giờ chiếu sáng từ 17 giờ trở lên

™ Phản ứng ngắn ngày: Phát triển bình thường trong điều kiện ngắn ngày, số giờ chiếu sáng dưới 16 giờ

™ Phản ứng trung tính: Phát triển bình thường trong điều kiện ngày dài, số giờ chiếu sáng từ 16 đến 20 giờ

Bên cạnh yếu tố nhiệt độ , phản ứng quang chu kỳ ở côn trùng còn phụ thuộc vào chất lượng thức ăn và độ ẩm môi trường

2.1.4 Yếu tố gió:

Gió có tác động không nhỏ đến đời sống Côn trùng, do nó làm thay đổi nhiệt độ

và ẩm độ môt trường, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống Côn trùng

2.2 Tổng quan về hệ thống định ôn:

2.2.1 Vai trò của hệ thống định ôn:

Trong kỹ thuật sinh học lai tạo giống phục vụ ngành nông, lâm nghiệp, yêu cầu thực tế đặt ra là cần lai tạo ra những giống cây có khả năng chịu đựng điều kiện khí hậu khắc nghiệt để có thể gieo trồng ở những vùng khí hậu nhất định Có những giống đòi hỏi chịu đựng nhiệt độ cao, không khí khô hạn, có giống đòi hỏi phải chịu đựng khí hậu lạnh, ẩm ướt

Ở một số viện nghiên cứu và lai tạo giống thực vật người ta đã xây dựng các phòng thử nghiệm, đó là các nhà kính ở trong đó người ta trồng các loài thực vật thử nghiệm, nhiệt độ không khí có thể điều chỉnh được Những phòng thí nghiệm đó người

ta gọi là phytotron Các thông số khí hậu có thể điều chỉnh được trong các phòng này

là nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO2, cường độ chiếu sáng Điều kiện chiếu sáng được mô phỏng như ngày và đêm

2.2.2 Cấu tạo của hệ thống định ôn:

Cấu tạo cơ bản của một hệ thống định ôn điều khiển nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng

2.2.4 Một số hệ thống định ôn:

a Mô hình Sanyo model MRL – 351H:

• Dung lượng thực tế: 294 L

• Công suất tiêu hao: 1340 W

• Công suất đèn huỳnh quang: 800 W

• Công suất điện trở: 340 W

• Cường độ ánh sáng: 0 – 20000 lux

• Ẩm độ giới hạn: 55 – 90%

• Nhiệt độ giới hạn: 0 – 50oC với sai số ±0,3oC

• Môi chất lạnh: R – 404A

Hình 2.2: Tủ định ôn SanYo model MRL – 351H

b Mô hình Bioclim 1100 Vario:

• Dung lượng thực tế: 1100 L

• Cường độ ánh sáng: 620 μmol/m2.s

• Ẩm độ tối đa: 80%

• Nhiệt độ giới hạn: -4 – 30oC

Hình 2.3: Tủ định ôn Bioclim 1100 Vario

2.3 Tổng quan về hệ thống lạnh:

2.3.1 Vai trò của kỹ thuật lạnh:

Kỹ thuật lạnh đã ra đời hàng trăm năm nay và được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật rất khác nhau: trong công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm, công nghiệp hoá chất, công nghiệp rượu, bia, sinh học, đo lường tự động, kỹ thuật sấy nhiệt độ thấp, xây dựng, công nghiệp dầu mỏ, chế tạo vật liệu, dụng cụ, thiết

kế chế tạo máy, xử lý hạt giống, y học, thể thao, trong đời sống…

Ngày nay ngành kỹ thuật lạnh đã phát triển rất mạnh mẽ, được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, phạm vi ngày càng mở rộng và trở thành ngành kỹ thuật vô cùng quan trọng, không thể thiếu được trong đời sống và kỹ thuật của tất cả các nước

2.3.2 Cấu tạo cơ bản của máy lạnh:

Có nhiều phương pháp làm lạnh khác nhau, mỗi phương pháp làm lạnh có nguyên lý làm việc và sơ đồ thiết bị riêng Nhiều phương pháp làm lạnh chỉ có ý nghĩa

về mặt lý thuyết, nhiều máy lạnh chỉ ứng dụng trong phạm vi phòng thí nghiệm, chỉ có một số ít phương pháp làm lạnh có ý nghĩa thực tế và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống, trong đó có máy lạnh nén hơi, máy lạnh hấp thụ, máy lạnh ejector, máy lạnh nén khí và máy lạnh nhiệt điện Máy lạnh nén hơi là loại được sử dụng nhiều nhất cho nên luận văn này chỉ nói về máy lạnh nén hơi

Cấu tạo máy lạnh nén hơi bao gồm 4 bộ phận cơ bản là:

• Máy nén

• Thiết bị ngưng tụ (dàn nóng)

• Van tiết lưu hoặc ống mao dẫn

• Thiết bị bay hơi (dàn lạnh)

Chúng được nối với nhau bằng đường ống theo thứ tự như biểu diễn trên hình vẽ

Hình 2.4: Sơ đồ cấu tạo máy lạnh nén hơi

2.3.3 Tìm hiểu về các bộ phận chính trong hệ thống lạnh:

a Máy nén:

Máy nén lạnh là loại máy nén đặt biệt dùng trong kỹ thuật lạnh để hút hơi ở áp suất nhiệt độ thấp sinh ra ở dàn bay hơi nén lên áp suất cao để đẩy vào dàn ngưng tụ, đảm bảo sự tuần hoàn môi chất một cách hợp lý trong hệ thống lạnh

Máy nén là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống lạnh Công suất, chất lượng, tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống lạnh chủ yếu đều do máy nén lạnh quyết định Có thể so sánh máy nén lạnh có chức năng và có tầm quan trọng giống như trái tim của cơ thể sống

™ Phân loại máy nén lạnh:

Trong kỹ thuật lạnh, người ta sử dụng hầu như tất cả các nguyên lý và kiểu loại máy nén khác nhau nhưng các máy nén thông dụng nhất hiện nay là: máy nén piston, trục vít, rotor, xoắn ốc làm việc theo nguyên lý nén thể tích và máy nén turbine lam việc theo nguyên lý động học sau đây là sơ đồ phân loại máy nén lạnh

Hình 2.5: Sơ đồ phân loại tổng quát máy nén lạnh dùng trong máy lạnh nén hơi

™ Tính chọn máy nén:

Lưu lượng môi chất qua máy nén:

o tt o

Q m q

Trong đó:

Qo: năng suất lạnh của hệ thống

qo: năng suất lạnh riêng khối lượng

Năng suất thực tế của máy nén:

V V

Máy nén turbine Máy nén piston

dao động

Máy nén:

Piston trượt Con lắc Kiểu màng

Máy nén:

Trục vít Rotor lăn Rotor tấm trượt Rotor xoắn ốc

Máy nén turbine:

Li tâm (hướng trục)

Hình 2.6: Hệ số cấp λ phụ thuộc vào tỉ số nén

o

k p

N N

Hình 2.7: Sự phụ thuộc của η vào tỷ số áp suất e

o

k p

p /TL6/

Công nén tiêu thụ điện của máy nén:

e d

td dc

N

=

™ Năng suất lạnh của hệ thống:

Năng suất lạnh của hệ thống cần xác định chính là tổng tổn thất nhiệt

Năng suất lạnh của hệ thống:

,

6 5 4 3 2 1 1

Q Q Q Q Q Q Q

Q3: dòng nhiệt do sản phẩm và bao bì tỏa ra trong quá trình điều hòa, W

Q4: dòng nhiệt do không khí bên ngoài mang vào khi thông gió không gian điều

hòa, W

Q5: dòng nhiệt cần thiết để chuyển tổng khối lượng không khí trong không gian

điều hòa từ nhiệt độ cao nhất xuống nhiệt độ yêu cầu, W

Q6: dòng nhiệt do bức xạ mặt trời, W

• Tính dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che Q 1 :

Trong đó:

k: hệ số truyền nhiệt của vách tủ, W/m2.K

t t t

Δ = − : nhiệt độ chênh lệch giữa không khí bên ngoài và nhiệt độ bên trong

tủ bảo ôn, oC

Fxq: diện tích xung quanh tủ bảo ôn, m2

ƒ Xác định hệ số truyền nhiệt k và chiều dày lớp cách nhiệt tủ:

Từ công thức tính hệ số truyền nhiệt k:

λ : hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu thứ i, m

Bảng 2.2: Hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu /TL6/

Vật liệu λ, W/m.K

Kim loại Nhôm

Đồng Hợp kim đồng Thép cacbon

200 – 230

360

100

45 – 55

Thép hợp kim Gang

Tường gạch

Đá sỏi

1,3 0,8 – 1,7 0,35 – 0,70 0,14 – 0,20 0,75 0,70 – 0,75 1,6 – 2,09

Vật liệu cách nhiệt Bấc

Amiang Mùn cưa Bông thủy tinh Bọt xốp polystyrol Bọt polyurethan Không khí đứng im

0,05 – 0,10 0,15 – 0,20 0,07 0,04 0,033 0,026 0,023

Bảng 2.3: Hệ số tỏa nhiệt α bên ngoài và bên trong vách tủ /TL7/

Bề mặt ngoài của vách ngoài

Bề mặt trong của buồng đối lưu tự nhiên: tường

Bề mặt trong của buồng đối lưu tự nhiên: nền, trần

Bề mặt trong buồng đối lưu không khí cưỡng bức vừa

Bề mặt trong buồng đối lưu không khí cưỡng bức mạnh

23,3

8

6 – 7

9 10,5

• Tính dòng nhiệt do vận hành Q 2 :

Khoảng 25% năng lượng đầu vào biến thành quang năng, 25% được phát ra dưới dạng bức xạ nhiệt, 50% dưới dạng đối lưu và dẫn nhiệt tuy nhiên đối với đèn huỳnh quang thì phải trang bị thêm bộ chỉnh lưu, công suất bộ chỉnh lưu cỡ 25% công suất đèn Vì vậy, tổn thất nhiệt khi mà bộ chỉnh lưu nằm trong không gian cần điều hòa là:

1000 1 2

h : entanpi của sản phẩm sau khi vào kho, kJ/kg

M: công suất của hệ thống định ôn, t/24h

ƒ Dòng nhiệt do bao bì:

3600 24

1000

t : nhiệt độ sau khi làm lạnh của bao bì, oC

Bảng 2.4: Nhiệt dung riêng của một số chất rắn /TL6/

C kg kcal/ o kJ/kg.K

0,909 0,477 0,389 0,385 0,134 0,879 2,14 – 2,72 0,816

Dòng nhiệt do sản phẩm và do bao bì tỏa ra trong quá trình điều hòa:

,

32 31

• Tính dòng nhiệt do thông thoáng Q 4 :

Dòng nhiệt do không khí bên ngoài mang vào khi thông gió không gian điều hòa:

kk kk

V a

Với:

V : thể tích không gian cần điều hòa, m3

a: bội số tuần hoàn hay số lần thay đổi không khí trong một ngày đêm, lần/24h

Dòng nhiệt cần thiết để chuyển tổng khối lượng không khí trong không gian

điều hòa từ nhiệt độ cao nhất xuống nhiệt độ yêu cầu được tính bởi công thức:

h : entanpi của không khí ở trạng thái sau khi làm lạnh, kJ/kg

T : thời gian yêu cầu để chuyển tổng khối lượng không khí trong không gian cần điều hòa xuống nhiệt độ yêu cầu 5oC

• Tính dòng nhiệt do bức xạ mặt trời Q 6 :

Dòng nhiệt do bức xạ nhiệt của mặt trời vào vách của hệ thống định ôn Do hệ thống định ôn nằm trong phòng thí nghiệm được hệ thống tường bao che chắn nên không chịu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời Do đó có thể coi Q6 =0W

™ Tính năng suất lạnh của máy nén:

Năng suất lạnh cho máy nén được tính theo công thức:

,

b

Q k

Trong đó:

k: hệ số tính đến tổn thất đường ống và thiết bị của hệ thống lạnh

(Chọn k = 1,07)

b: hệ số thời gian làm việc (chọn b = 0,9)

b Thiết bị ngưng tụ:

Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt dùng để biến hơi môi chất lạnh có áp suất và nhiệt độ cao sau quá trình nén thành trạng thái lỏng Trong thiết bị ngưng tụ có thể xảy ra quá trình quá lạnh lỏng tức là hạ nhiệt độ lỏng ngưng tụ thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ môi trường nhận nhiệt trong thiết bị ngưng tụ gọi là môi trường làm mát (thường là nước hoặc không khí)

™ Vai trò của thiết bị ngưng tụ:

Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ ngưng tụ gas quá nhiệt sau máy nén thành môi chất lạnh trạng thái lỏng Quá trình làm việc của thiết bị ngưng tụ có ảnh hưởng quyết định đến áp suất và nhiệt độ ngưng tụ và do đó ảnh hưởng đến hiệu quả và độ an toàn làm việc của toàn hệ thống lạnh Khi thiết bị ngưng tụ làm việc kém hiệu quả, các thông số của hệ thống sẽ thay đổi theo chiều hướng không tốt, cụ thể là:

• Năng suất lạnh của hệ thống giảm, tổn thất tiết lưu tăng

• Nhiệt độ cuối quá trình nén tăng

• Công nén tăng, mô tơ có thể quá tải

• Độ an toàn giảm do áp suất phía cao áp tăng, rơ le HP có thể tác động ngừng máy nén, van an toàn có thể hoạt động

• Nhiệt độ cao ảnh hưởng đến dầu bôi trơn như cháy dầu

™ Phân loại thiết bị ngưng tụ:

Thiết bị ngưng tụ có rất nhiều loại và nguyên lý làm việc cũng rất khác nhau

Người ta phân loại thiết bị ngưng tự căn cứ vào nhiều đặc tính khác nhau:

• Theo môi trường làm mát

ƒ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước Để làm mát bằng nước cấu tạo của thiết bị thường có dạng bình hoặc dạng dàn nhúng trong các bể

ƒ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước và không khí Một số thiết bị ngưng tụ trong đó kết hợp cả nước và không khí để giải nhiệt, trong thiết

bị kiểu đó vai trò của nước và không khí có khác nhau: nước sử dụng để

giải nhiệt cho môi chất lạnh và không khí giải nhiệt cho nước Ví dụ như dàn ngưng tụ bay hơi, dàn ngưng kiểu tưới…

ƒ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí Không khí đối lưu cưỡng bức hoặc tự nhiên qua thiết bị và trao đổi nhiệt với môi chất

ƒ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng chất khác Có thể thấy thiết bị kiểu này trong các hệ thống máy lạnh ghép tầng, ở đó dàn ngưng chu trình dưới được làm lạnh bằng môi chất lạnh bay hơi của chu trình trên

• Theo đặc điểm cấu tạo:

ƒ Bình ngưng tụ giải nhiệt bằng nước

ƒ Dàn ngưng tụ bay hơi

ƒ Dàn ngưng kiểu tưới

ƒ Dàn ngưng tụ làm mát bằng không khí

ƒ Dàn ngưng kiểu ống lồng ống

ƒ Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản

• Theo đặc điểm đối lưu của không khí:

ƒ Thiết bị ngưng tụ làm mát nhờ đối lưu tự nhiên

ƒ Thiết bị ngưng tụ làm mát nhờ đối lưu cưỡng bức

Ngoài ra có thể có rất nhiều cách phân chia theo các đặc điểm khác như: theo chiều chuyển động của môi chất lạnh và môi trường giải nhiệt Về cấu tạo cũng có nhiệt kiểu khác nhau như kiểu ngưng tụ bên ngoài bề mặt ống trao đổi nhiệt, bên trong ống trao đổi nhiệt hoặc trên các bề mặt phẳng

t : nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ, oC

Đối với thiết bị ngưng tụ kiểu ống vỏ nằm ngang:

.5

™ Tính toán thiết bị ngưng tụ:

Có hai bài toán tính toán thiết bị ngưng tụ : Tính kiểm tra và tính thiết kế

Tính toán thiết bị ngưng tụ là xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết để đáp ứng phụ tải nhiệt đã cho

Thông số ban đầu:

• Điều kiện khí hậu nơi lắp đặt công trình

• Loại thiết bị ngưng tụ

• Phụ tải nhiệt yêu cầu Qk

Thông số cần xác định: Diện tích trao đổi nhiệt, bố trí và kết cấu thiết bị

ngưng tụ Đối với bình ngưng cần thiết phải xác định cả độ dày của bình Ngoài ra còn phải xác định lưu lượng môi chất giải nhiệt, chọn hoặc kiểm tra bơm quạt

Từ công thức:

,

.F t q F k

Có thể tính được diện tích trao đổi nhiệt cần thiết:

, F

k k q

Q t k

min max

min max

t t

t t

t tb

Δ Δ

Δ

− Δ

t = −

2 min t k t w

t : nhiệt độ nước hoặc không khí làm mát vào và ra

Nếu tính gần đúng, có thể sử dụng hiệu nhiệt độ trung bình số học:

2

2

w k

t t t

c Thiết bị bay hơi:

Thiết bị bay hơi là thiết bị trao đổi nhiệt trong đó môi chất lạnh lỏng hấp thụ

nhiệt từ môi trường lạnh, sôi và hóa hơi Trong thiết bị bay hơi xảy ra sự chuyển pha

từ lỏng sang hơi, đây là quá trình sôi ở áp suất và nhiệt độ không đổi nhiệt lấy đi từ từ

môi trường lạnh chính là nhiệt làm hóa hơi ở môi chất

Sự truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi được thực hiện qua vách ngăn cách

Cường độ trao đổi nhiệt phụ thuộc vào cường độ tỏa nhiệt về phía môi trường lạnh và

từ phía môi chất sôi, cũng như phụ thuộc vào nhiệt trở của vách thiết bị sự tỏa nhiệt từ

phía không khí hay chất tải lạnh chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của nó

Bảng 2.6: Hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi /TL6/

Thiết bị làm lạnh không khí Hệ số truyền nhiệt, W/m 2 K

Trong quá trình làm việc, khả năng truyền nhiệt của thiết bị bay hơi giảm dần

do có dầu, bẩn đọng về phía môi chất và ẩm ở dạng nước, tuyết hay băng về phía

không khí hoặc cặn bẩn khi dùng thiết bị tải lạnh lỏng

Kiểu thiết bị ngưng tụ k, W/m 2 K q F , W/m 2

Bảng 2.7: Độ chênh nhiệt độ trung bình giữa môi chất và chất tải lạnh /TL6/

Chất tải lạnh Độ chênh nhiệt độ, K

™ Phân loại thiết bị bay bay hơi:

• Phân loại theo trạng thái môi trường làm lạnh:

ƒ Thiết bị bay hơi làm lạnh chất tải lạnh lỏng (nước, nước muối…)

ƒ Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí: thiết bị bay hơi tĩnh, thiết bị bay hơi

dùng quạt

• Phân loại dựa vào mức độ choán chỗ của môi chất lỏng trong thiết bị:

ƒ Thiết bị bay hơi ngập: môi chất lỏng (NH3, freon…) bao phủ toàn bộ bề

mặt trao đổi nhiệt

ƒ Thiết bị bay hơi không ngập: dung môi chất lỏng không bao phủ toàn bộ

bề mặt trao đổi nhiệt, một phần bề mặt trao đổi nhiệt dùng để quá nhiệt hơi hút về máy nén

™ Chọn nhiệt độ sôi của môi chất lạnh t o :

Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh to được chọn theo nhiệt độ buồng lạnh, có thể

chọn như sau:

,

o b

Δ : hiệu nhiệt độ yêu cầu, oC

Bảng 2.8: Hiệu nhiệt độ yêu cầu của một số dàn bay hơi

Dàn bay hơi Hiệu nhiệt độ yêu cầu, o C

Trong thương nghiệp, đời sống 8 – 13

™ Tính toán thiết bị bay hơi:

Tính toán thiết bị bay hơi chủ yếu để thiết kế và kiểm tra diện tích trao đổi nhiệt

cần thiết theo các thông số cho trước như tải lạnh, nhiệt độ và lưu lượng chất tải lạnh

vào và ra, nhiệt độ bay hơi…

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt được xác định theo biểu thức:

2 1

2 1

min max

min max

o b

o b

o b o b

t t

t t

t t t t t

t t

t t

Δ

Δ−Δ

Δ

= Δ

(34)

2

1, b

b t

t : nhiệt độ chất tải lạnh vào và ra, oC

Hệ số truyền nhiệt k phụ thuộc vào kiểu loại thiết bị bay hơi, môi chất lạnh,

chất tải lạnh (nước, nước muối, glycol, cồn, bia, nước ngọt, sữa, không khí…) tính

chất vật lý và nhiệt độ của chất tải lạnh… việc tính hệ số truyền nhiệt k là rất phức tạp

sau đây là một số giá trị kinh nghiệm, tuy không chính xác nhưng có thể giúp chúng ta

ước lượng sơ bộ diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi

Bảng 2.9: Hệ số truyền nhiệt kinh nghiệm k, W/m 2 K

Kiểu thiết bị bay hơi Môi chất lạnh/chất tảilạnh k, W/m 2 K Ghi chú

Bình bay hơi ống vỏ

Bình bay hơi ống vỏ

Bình bay hơi ống vỏ

Bình bay hơi ống xoắn

Dàn bay hơi panen

NH 3 +freon / nước muối

NH 3 +freon / nước muối

NH 3 / không khí (nước muối / không khí)

NH 3 / không khí (nước muối / không khí)

NH 3 / không khí (nước muối / không khí)

NH 3 / không khí (nước muối / không khí) R22 / không khí

7 9,8 – 14

7 – 9,9 5,1 – 5,9 4,2 – 4,7 4,8 – 5,6 4,0 – 4,4 11,6 12,8 14,0 17,5

Với ∆t = 5K

K tính theo bề mặt có cánh

K tính theo bề mặt có cánh

K tính theo bề mặt nhẵn phía trong ống

=ε

F

F c f

c c s

δ

3,18 07,85 07,96 0,873 09,91 20,8 2,54 09,68 09,68 0,896 12,07 16,7 2,12 11,54 11,40 0,913 14,21 13,9 1,18 15,92 13,17 0,925 16,37 11,9

Tổng diện tích bên ngoài của bề mặt có cánh:

F f

A : tiết diện vào của dàn, m2

Khi tính chọn dàn ta xác định các thông số hình học quan trọng của cánh sau:

• Diện tích cánh:

2

1 0 , 785

2

ng c

o

s d

1 , m2

• Diện tích tiếp diện cho không khí đi qua:

c

ng kh

s s

a d s f f

Không khí ẩm : là hỗn hợp gồm không khí khô và hơi nước Trong tự nhiên

không có không khí khô tuyệt đối mà toàn là không khí ẩm Không khí ẩm được chia ra:

™ Không khí ẩm chưa bão hòa: Là trạng thái mà hơi nước còn có thể bay hơi

thêm vào được trong không khí

™ Không khí ẩm bão hòa: Là trạng thái mà hơi nước trong không khí đã đạt tối

đa và không thể bay hơi thêm vào đó được Nếu bay hơi thêm vào bao nhiêu thì

có bấy nhiêu hơi ẩm ngưng tụ lại

™ Không khí ẩm quá bão hòa: Là không khí ẩm bão hòa và còn chứa thêm một

lượng hơi nước nhất định Tuy nhiên trạng thái quá bão hoà là trạng thái không

ổn định mà có xu hướng biến đổi đến trạng thái bão hoà do lượng hơi nước dư

bị tách dần ra khỏi không khí Ví dụ như sương mù là không khí quá bão hòa Tính chất vật lý và ảnh hưởng của không khí đến cảm giác con người phụ thuộc nhiều vào lượng hơi nước tồn tại trong không khí

Áp suất của không khí ẩm p (áp suất khí quyển): là tổng của phân áp suất không khí khô pk và hơi nước ph:

Thể tích không khí ẩm V: bằng thể tích của không khí khô Vk, bằng thể tích hơi nước Vh:

Là khối lượng hơi ẩm trong 1m3 không khí ẩm Giả sử trong V (m3) không khí

ẩm có chứa Gh (kg) hơi nước thì độ ẩm tuyệt đối kí hiệu là ρh được tính như sau :

,

h h

G V

ρ = kg/m3

Vì hơi nuớc trong không khí có thể coi là khí lý tuởng nên:

1

,

h h

R : hằng số của hơi nuớc, Rh = 462 J/kg.oK

T : nhiệt độ tuyệt đối của không khí ẩm, tức cũng là nhiệt độ của hơi nuớc, oK

= %

Hoặc:

Ẩm độ tương đối biểu thị mức độ chứa hơi nước trong không khí ẩm so với

không khí ẩm bão hòa ở cùng nhiệt độ

max

,

h p Rh p

= %

d Nhiệt độ:

™ Nhiệt độ bầu khô t k ( o C):

Là nhiệt độ không khí ẩm trên nhiệt kế thông thường

™ Nhiệt độ bầu ướt t ư ( o C):

Là nhiệt độ của không khí ẩm được chỉ bởi nhiệt kế mà bầu cảm ứng nhiệt của

nó được phủ sợi bông ướt

™ Nhiệt độ đọng sương t đs ( o C):

Là nhiệt độ ứng với trạng thái bão hòa và có dung ẩm bằng dung ẩm của trạng thái đã cho Hay nói cách khác nhiệt độ đọng sương là nhiệt độ bão hòa của hơi nước ứng với phân áp suất phđã cho

e Entanpi I (kJ/kgkkk):

Là lượng nhiệt của không khí ẩm trong mỗi đơn vị không khí khô với một nhiệt

độ nhất định Entanpi của không khí ẩm bằng entanpi của không khí khô và của hơi nuớc chứa trong nó

Entanpi của không khí ẩm đuợc tính cho 1 kg không khí khô Ta có công thức:

I C t d r= + +C t kJ/kg kkk

Là thể tích của mỗi đơn vị khối lượng không khí khô

h Độ chứa hơi (dung ẩm) d (kg/kgkkk):

Là lượng hơi ẩm chứa trong 1kg không khí khô:

,

h k

G d G

= kg/kgkkk