- Sự đối lưu: Là sự truyền nhiệt thông qua sự di chuyển của dòng chất khí (chất lỏng) được làm nóng hay đó là sự truyền nhiệt từ vật thể này sang vật thể khác nhờ khối không khí t[r]
Trang 1TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BÀI GIẢNG DÙNG CHUNG
HỌC PHẦN: ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ ÔTÔ
SỐ TÍN CHỈ: 02 LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ & XE CHUYÊN DỤNG
Trang 2HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRÊN Ô TÔ
1.1 CHỨC NĂNG CỦA ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRÊN Ô TÔ
Hình 1.1: Sơ đồ bố trí hệ thống điều hòa trên ô tô
2 Giàn nóng
3 Phin lọc
4 Van tiết lưu
5 Giàn lạnh
6 Bình tích lũy
7 Két sưởi
8 Quạt gió
Điều hòa không khí là một trang bị tiện nghi thông dụng trên ô tô Nó có các chức năng sau:
+ Điều khiển nhiệt độ không khí trong xe
+ Duy trì độ ẩm và lọc gió
+ Loại bỏ các chất cản trở tầm nhìn như: hơi nước, băng đọng trên mặt kính
Trang 31.1.1 Chức năng điều khiển nhiệt độ và tuần hoàn không khí trong xe
a Chức năng sưởi ấm
Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của két sưởi
Người ta dùng két sưởi như một bộ trao đổi nhiệt để làm nóng không khí trong xe Két sưởi lấy nước làm mát đã được hâm nóng bởi động cơ này để làm nóng không khí trong xe nhờ quạt gió Nhiệt độ của két sưởi vẫn còn thấp cho đến khi nước làm mát nóng lên Do đó ngay sau khi động cơ khởi động két sưởi không làm việc như một bộ sưởi ấm
b Chức năng làm mát
Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động của giàn lạnh
Giàn lạnh là một bộ phận trao đổi nhiệt để làm mát không khí trước khi đưa vào khoang xe Khi bật công tắc điều hòa không khí, máy nén bắt đầu làm
Trang 4môi chất lạnh Khi đó không khí thổi qua giàn lạnh bởi quạt gió sẽ được làm mát
để đưa vào trong xe
Như vậy, việc làm nóng không khí phụ thuộc vào nhiệt độ của nước làm mát động cơ còn việc làm mát không khí lại phụ thuộc vào môi chất lạnh Hai chức năng này hoàn toàn độc lập với nhau
1.1.2 Chức năng hút ẩm và lọc gió
a Chức năng hút ẩm
Nếu độ ẩm trong không khí lớn khi đi qua giàn lạnh, hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ lại và bám vào các cánh tản nhiệt của giàn lạnh Kết quả là không khí sẽ được làm khô trước khi đi vào trong khoang xe Nước đọng lại thành sương trên các cánh tản nhiệt và chảy xuống khay xả nước sau đó được đưa ra ngoài xe thông qua vòi dẫn
b Chức năng lọc gió
Một bộ lọc được đặt ở cửa hút của hệ thống điều hòa không khí để làm sạch không khí trước khi đưa vào trong xe
Gồm hai loại:
Bộ lọc chỉ lọc bụi
Bộ lọc lọc bụi kết hợp khử mùi bằng than hoạt tính
Hình 1.4 : Bộ lọc không khí
Trang 5
Hình 1.5: Bộ lọc gió kết hợp khử mùi
1.1.3 Chức năng loại bỏ các chất cản chở tầm nhìn
Khi nhiệt độ ngoài trời thấp, nhiệt độ và độ ẩm trong xe cao Hơi nước sẽ đọng lại trên mặt kính xe, gây cản trở tầm nhìn cho người lái Để khắc phục hiện tượng này hệ thống xông kính trên xe sẽ dẫn một đường khí thổi lên phía mặt kính để làm tan hơi nước
1.2 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRÊN Ô TÔ
Hệ thống điều hòa không khí trên ô tô được phân loại theo vị trí lắp đặt và theo phương thức điều khiển
1.2.1 Phân loại theo vị trí lắp đặt
a Kiểu giàn lạnh đặt phía trước
Ở loại này, giàn lạnh được gắn sau bảng đồng hồ Gió từ bên ngoài hoặc không khí tuần hoàn bên trong được quạt giàn lạnh thổi qua giàn lạnh rồi đẩy vào trong khoang xe
Kiểu này được dùng phổ biến trên các xe con 4 chỗ, xe tải
Trang 6Hình 1.6: Kiểu giàn lạnh đặt phía trước
b Kiểu giàn lạnh đặt phía trước và sau xe (Kiểu kép)
Kiểu giàn lạnh này là sự kết hợp của kiểu phía trước với giàn lạnh phía sau được đặt trong khoang hành lý Cấu trúc này cho không khí thổi ra từ phía trước hoặc từ phía sau Kiểu kép cho năng suất lạnh cao hơn và nhiệt độ đồng đều ở mọi nơi trong xe
Loại này được dùng phổ biến trên các loại xe 7 chỗ
Hình 1.7 : Kiểu giàn lạnh kép
c Kiểu kép treo trần
Kiểu kép treo trần bố trí hệ thống điều hòa có giàn lạnh phía trước kết hợp với giàn lạnh treo trên trần xe Kiểu thiết kế này giúp tăng được không gian khoang xe nên thích hợp với các loại xe khách
Trang 7Hình 1.8: Kiểu kép treo trần
1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều khiển
a Phương pháp điều khiển bằng tay
Phương pháp này cho phép điều khiển bằng cách dùng tay để tác động vào các công tắc hay cần gạt để điều chỉnh nhiệt độ trong xe Ví dụ: công tắc điều khiển tốc độ quạt, hướng gió, lấy gió trong xe hay ngoài trời
Hình 1.9: Ví dụ bảng điều khiển điều hòa cơ trên xe Ford
b.Phương pháp điều khiển tự động
Điều hòa tự động điều khiển nhiệt độ mong muốn thông qua bộ điều khiển điều hòa ( ECU A/C) Nhiệt độ không khí được điều khiển một cách tự động dựa vào tín hiệu từ các cảm biến gửi tới ECU VD: cảm biến nhiệt độ trong
xe, cảm biến nhiệt độ môi trường, cảm biến bức xạ mặt trời…
Trang 8Hình 1.10: Ví dụ bảng điều khiển điều hòa tự động trên ô tô Toyota Camry
1.3 LÝ THUYẾT LÀM LẠNH
1.3.1 Cơ sở lý thuyết căn bản của hệ thống điều hòa không khí
Quy trình làm lạnh được mô tả như một quá trình tách nhiệt ra khỏi vật thể Đây cũng là mục đích chính của hệ thống làm lạnh
Vì vậy, hệ thống điều hòa không khí hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản sau đây:
+ Dòng nhiệt luôn truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp + Khi chất khí bị nén nhiệt độ của nó sẽ tăng
+ Sự giãn nở thể tích của chất khí sẽ làm phân bố nhiệt ra vùng xung quanh và nhiệt độ của chất khí sẽ bị giảm xuống
+ Để làm lạnh bất cứ một vật nào thì phải lấy nhiệt ra khỏi vật thể đó + Một lượng nhiệt sẽ được hấp thụ khi chất lỏng thay đổi trạng thái biến thành hơi
Tất cả các hệ thống điều hòa không khí ô tô đều được thiết kế dựa trên cơ
sở lý thuyết của ba đặc tính căn bản: Dòng nhiệt, sự hấp thụ nhiệt, áp suất và điểm sôi
+ Dòng nhiệt: Nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến những nơi có nhiệt độ thấp hơn
Ví dụ: Một vật nóng 300 F được đặt cạnh một vật nóng có nhiệt độ 800F thì vật nóng 800F sẽ truyền nhiệt cho vật 300F Sự chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì dòng nhiệt lưu thông càng mạnh
Sự truyền nhiệt có thể được truyền bằng: Dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hay kết hợp giữa ba cách trên
Trang 9- Dẫn nhiệt: Là sự truyền nhiệt có hướng trong một vật hay giữa hai vật thể khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau Ví dụ khi ta nung nóng một đầu thanh thép thì đầu kia dần dần ấm lên do sự dẫn nhiệt
- Sự đối lưu: Là sự truyền nhiệt thông qua sự di chuyển của dòng chất khí (chất lỏng) được làm nóng hay đó là sự truyền nhiệt từ vật thể này sang vật thể khác nhờ khối không khí trung gian bao quanh nó (Khi khối không khí được nung nóng bởi một nguồn nhiệt, không khí nóng sẽ bốc lên phía trên tiếp xúc với vật thể nguội hơn và làm nóng vật thể này) Khí nóng luôn di chuyển lên trên và khí lạnh chìm xuống dưới tạo thành vòng luân chuyển khép kín Quy trình này được gọi là đối lưu tự nhiên Đối lưu nhiệt cũng có thể bị tác động cưỡng bức bởi gió hoặc dùng quạt
- Sự bức xạ: Là sự phát và truyền nhiệt dưới dạng các tia hồng ngoại, mặc
dù giữa các vật không có không khí hoặc không tiếp xúc với nhau Ta cảm thấy
ấm khi đứng dưới ánh sáng mặt trời hay cả dưới ánh sáng đèn sợi đốt khi ta đứng gần nó Đó là bởi nhiệt của mặt trời hay của đèn sợi đốt được biến thành các tia hồng ngoại và khi các tia này chạm vào một vật nó sẽ làm cho các phần tử của vật đó chuyển động, gây cho ta cảm giác nóng Tác dụng truyền nhiệt này gọi là
sự bức xạ
+ Sự hấp thụ nhiệt: Vật chất có thể tồn tại ở một trong ba trạng thái: Thể lỏng, thể rắn, thể khí Muốn thay đổi trạng thái của một vật thể, cần phải truyền cho nó một lượng nhiệt nhất định Ví dụ: Khi ta hạ nhiệt độ của nước xuống 320
F (00C) thì nước đóng băng thành đá Nó đã thay đổi trạng thái từ thể lỏng sang thể rắn Nếu nước được đun tới 2120
F (1000C), nước sẽ sôi và bốc hơi chuyển từ thể lỏng sang thể khí
Ví dụ: Khối nước đá đang ở nhiệt độ 320F ta đun nóng cho nó tan ra, nhưng nước đá đang tan vẫn giữ nhiệt độ là 320F Đun nước nóng đến 2120F thì nước sôi, nhưng khi ta tiếp tục đun nữa nước sẽ bốc hơi và nhiệt độ đo được vẫn
là 2120F (1000C) chứ không nóng hơn nữa Lượng nhiệt được hấp thu trong nước sôi, trong nước đá để làm thay đổi trạng thái của nước được gọi là nhiệt ẩn
+ Áp suất và điểm sôi: Áp suất giữ vai trò quan trọng trong hệ thống điều hòa không khí Khi tác động áp suất lên mặt chất lỏng thì sẽ làm thay đổi điểm sôi của chất lỏng này Áp suất càng lớn điểm sôi càng cao có nghĩa là nhiệt độ lúc chất lỏng sôi cao hơn so với mức bình thường Ngược lại nếu giảm áp suất tác động lên một vật chất thì điểm sôi của vật chất đó sẽ bị giảm xuống Ví dụ điểm sôi của nước ở nhiệt độ bình thường là 1000C Điểm sôi này có thể tăng cao
Trang 10bằng cách giảm bớt áp suất trên chất lỏng hay đặt chất lỏng trong chân không Đối với điểm ngưng tụ của hơi nước, áp suất cũng có tác dụng như thế
1.3.2 Đơn vị đo nhiệt lượng, môi chất lạnh và dầu bôi trơn
a Đơn vị đo nhiệt lượng
Để đo nhiệt lượng truyền từ vật này sang vật kia người ta dùng đơn vị BTU Nếu cần đun nóng một Pound nước (0,454 kg) nóng đến 10F (0,550C) thì phải truyền cho nước 1 BTU nhiệt Năng suất của một hệ thống lạnh ô tô được định rõ bằng BTU/giờ, vào khoảng 12000 đến 24000 BTU/giờ (1 BTU = 0,252 kcal = 252 cal), (1kcal =4,187 kJ)
b Môi chất lạnh
Môi chất lạnh hay còn gọi là ga lạnh Trong hệ thống điều hòa không khí
nó phải đạt được những yêu cầu sau đây:
+ Môi chất lạnh phải có điểm sôi thấp dưới 320 F (00C) để có thể bốc hơi
và hấp thụ ẩn nhiệt tại những nhiệt độ thấp
+ Môi chất lạnh phải hòa trộn được với dầu bôi trơn để tạo thành một hóa chất bền vững có khả năng di chuyển thông suốt trong hệ thống và không gây ăn mòn kim loại hoặc các vật liệu khác như cao su, nhựa được sử dụng để chế tạo
+ Môi chất lạnh phải đảm bảo không gây độc hại, không cháy nổ và không gây ô nhiễm môi trường khi nó xả vào khí quyển
* Môi chất lạnh R-12 Môi chất lạnh R-12 là hợp chất của cacbon, clo và flo có công thức hóa học là CCl2F2(CFC) Nó là một chất khí không màu, nặng hơn không khí bốn lần ở
300C, có mùi thơm rất nhẹ, có điểm sôi là -21,64 0F (-29,80C), áp suất hơi trong
bộ bốc hơi là 30 (PSI) và trong bộ ngưng tụ là 150 ÷ 300 (PSI), có nhiệt lượng ẩn
để bốc hơi là 70 BTU/ 1Pound
R-12 rất dễ hòa tan trong dầu khoáng chất, và không tham gia phản ứng với các kim loại, các ống mềm và đệm kín sử dụng trong hệ thống Cùng với đặc tính có khả năng lưu thông xuyên suốt trong hệ thống ống dẫn nhưng không bị giảm thiểu hiệu suất Chính những đặc điểm này đã làm cho R-12 được xem là chất làm lạnh lý tưởng để sử dụng trong hệ thống điều hòa ô tô
Tuy nhiên, khi người ta nghiên cứu đã phát hiện ra rằng R-12 có đặc tính phá hủy tầng ôzon và gây nên hiệu ứng nhà kính, do các phân tử R-12 có thể bay lên khí quyển trước khi phân giải Tại đây, nguyên tử clo tham gia phản ứng hóa học với nguyên tử 03 trong tầng ôzon khí quyển Chính điều này đã làm phá hủy
Trang 11tầng ozon của khí quyển Do đó ngày nay môi chất lạnh R-12 đã bị cấm sử dụng
và lưu hành trên thị trường
Hình 1.11: Sự phá hủy tầng ozon của R-12
* Môi chất lạnh R- 134a
Môi chất lạnh R-134a có công thức hóa học là CF3-CH2F (HFC) Do trong thành phần hợp chất không có chứa clo nên đây chính là lý do cốt yếu mà ngành công nghiệp ô tô chuyển từ việc sử dụng môi chất lạnh R-12 sang sử dụng môi chất lạnh R-134a
Môi chất R-134a có điểm sôi là -15,20F (-26,90C), và có lượng nhiệt ẩn để bốc hơi là 77,74 BTU/Pound Điểm sôi này cao hơn so với môi chất R-12 nên hiệu suất của R-134a không bằng R-12 Vì vậy hệ thống điều hòa không khí ô tô dùng môi chất lạnh R-134a phải được thiết kế với áp suất bơm cao hơn, đồng thời phải tăng lượng không khí giải nhiệt qua giàn nóng Ngoài ra R-134a còn có nhược điểm nữa đó là không kết hợp được với dầu bôi trơn ở hệ thống R-12
Trang 12Đồ thị đường cong áp suất hơi của môi chất lạnh R-134a mô tả mối quan
hệ giữa áp suất và nhiệt độ của môi chất lạnh R-134a Đồ thị chỉ ra điểm sôi của R-134a ở mỗi cặp giá trị nhiệt độ và áp suất Phần diện tích trên đường cong áp suất biểu diễn R-134a ở trạng thái khí và phần diện tích dưới đường cong áp suất biểu diễn R-134a ở trạng thái lỏng Ga lạnh ở thể khí có thể chuyển sang thể lỏng bằng cách tăng áp suất mà không cần thay đổi nhiệt độ hoặc giảm nhiệt độ mà không cần thay đổi áp suất Ngược lại ga lỏng có thể chuyển sang ga khí bằng cách giảm áp suất mà không cần thay đổi nhiệt độ hoặc tăng nhiệt độ mà không cần thay đổi áp suất
Như vậy, khi thay thế môi chất lạnh R-12 của hệ thống điều hòa không khí bằng môi chất lạnh R-134a thì phải thay đổi các bộ phận của hệ thống điều hòa nếu nó không phù hợp với R-134a, cũng như phải thay đổi dầu bôi trơn, chất khử ẩm của hệ thống Dầu bôi trơn chuyên dùng với môi chất lạnh R-134a là các chất bôi trơn tổng hợp polyalkalineglycol (PAG) hay polyolester (POE) Ta có thể phân biệt được giữa hai môi chất lạnh R-12 và R-134a vì thông thường nó được ghi rõ và dán trên các bộ phận chính của hệ thống
Hình1.13: Ga lạnh R134a của hệ thống điều hòa
c Dầu bôi trơn
Chức năng: Dầu bôi trơn trong hệ thống điều hòa được hòa trộn với môi chất lạnh sẽ lưu thông khắp nơi trong hệ thống nhằm bôi trơn, tránh mài mòn và két cứng các chi tiết
Yêu cầu: Dầu bôi trơn phải tinh khiết không được sủi bọt, không lẫn lưu huỳnh, không mùi, trong suốt màu vàng nhạt Khi bị lẫn tạp chất nó có màu nâu đen Vì vậy nếu phát hiện dầu bôi trơn trong hệ thống đổi sang màu nâu đen thì
Trang 13dầu đã bị nhiễm bẩn Cần phải xả sạch và thay dầu mới theo đúng chủng loại và dung lượng quy định VD: Dầu Clavus (32, 46, 68, 100), Dầu Emkarate…
Hình1.14: Dầu bôi trơn máy nén
1.4 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN LẠNH TRÊN Ô TÔ
1.4.1 Chu trình làm lạnh cơ bản
Trang 14Hệ thống điện lạnh ô tô hoạt động theo các bước cơ bản sau đây:
Môi chất lạnh ở thể hơi được bơm từ máy nén (Compressor) dưới áp suất
và nhiệt độ bốc hơi cao đến giàn nóng (condenser)
Tại giàn nóng, nhờ quạt giàn nóng thổi mát, môi chất thể hơi ngưng tụ thành thể lỏng dưới áp suất cao, nhiệt độ cao
Môi chất lạnh thể lỏng tiếp tục lưu thông đến phin lọc (Receiver - driver), tại đây môi chất lạnh được lọc sạch nhờ được hút hết hơi ẩm và tạp chất
Môi chất lạnh từ phin lọc được đưa tới van bốc hơi (Expansion Valve) Tại đây một lượng môi chất dạng sương có nhiệt độ thấp và áp suất thấp được điều tiết để đưa vào giàn lạnh
Tại giàn lạnh (Evaporator), quá trình bốc hơi của môi chất đã hấp thụ nhiệt của giàn lạnh để làm lạnh giàn lạnh Vì vậy, khi gió được thổi qua giàn lạnh nó sẽ được làm mát trước khi đi vào trong xe
Sau khi qua giàn lạnh, môi chất ở thể hơi có áp suất và nhiệt độ thấp được chuyển về máy nén kết thúc một chu trình làm lạnh
1.4.2 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của các chu trình làm lạnh
a Chu trình làm lạnh kiểu 1
Hình 1.16: Sơ đồ minh họa hệ thống điện lạnh có một giàn lạnh