Kỹ thuật nhiệt lạnh tài liệu giảng dạy

Tài liệu được thiết kế với các nội dung thiết yếu như: các định luật nhiệt động, môi chất và chất tải lạnh, các phương pháp làm lạnh cơ bản, cách phân tích thiết bị sử dụng trong hệ thốn

KỸ THUẬT NHI T L NH

ThS PHAN UYÊN NGUYÊN

AN GIANG, 03-2017

Tài liệu giảng dạy “Kỹ thuật nhiệt lạnh”, do tác giả Phan Uyên Nguyên, công tác tại Khoa Nông Nghiệp và Tài Nguyên Thiên Nhiên thực hiện Tác giả đã báo cáo nội dung và được Hội đồng Khoa học và Đào tạo Khoa thông qua ngày ………

Tác giả biên soạn

ThS Phan Uyên Nguyên

GIỚI THIỆU

Tài liệu giảng dạy môn “Kỹ thuật nhiệt lạnh” được biên soạn nhằm phục vụ cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm Tuy nhiên, nó cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho các sinh viên chuyên ngành khác

Tài liệu đã được biên soạn từ căn bản đến nâng cao tùy từng đối tượng sinh viên cũng như nhu cầu học tập của các em Tài liệu được thiết kế với các nội dung thiết yếu như: các định luật nhiệt động, môi chất và chất tải lạnh, các phương pháp làm lạnh cơ bản, cách phân tích thiết bị sử dụng trong hệ thống lạnh, đặc biệt là cách tính toán các thông số quan trọng trong hệ thống lạnh Tài liệu được trang bị đầy đủ kiến thức nhằm giúp cho sinh viên tiếp cận với thực tế sản xuất của nhà máy, nắm rõ các quy trình vận hành hay có thể sửa chữa các hỏng hóc nhỏ của máy, xa hơn là tư vấn thiết kế hệ thống lạnh cho nhà máy

Với các đối tượng khác (không phải chuyên ngành) thì đây là tài liệu tham khảo bổ ích Nó giúp cho người đọc hiểu rõ hệ thống lạnh vận hành như thế nào, lắp đặt sao cho hiệu quả, làm sao để kéo dài tuổi thọ của thiết bị? Từ đó, giúp cho người

sử dụng có thể lựa chọn và đầu tư hệ thống phù hợp với yêu cầu và mục đích sử dụng

Tài liệu chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả mong nhận được

ý kiến đóng góp của bạn đọc để ngày càng hoàn thiện hơn

Tác giả biên soạn Phan Uyên Nguyên

LỜI CẢM TẠ

Xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu trường Đại học An Giang, lãnh đạo khoa Nông nghiệp & Tài nguyên Thiên nhiên, ban lãnh đạo bộ môn Công nghệ Thực phẩm, cùng nhiều tác giả đã xuất bản tài liệu cho tôi tham khảo Nhờ sự giúp đỡ tận tình của lãnh đạo, quý đồng nghiệp và nguồn tài liệu tham khảo quý báu mà tôi có thể biên soạn được tài liệu giảng dạy này Do khả năng còn hạn chế, chắc chắn tài liệu còn nhiều thiếu sót, mong nhận được ý kiến đóng góp của quý đồng nghiệp và bạn đọc cho tài liệu được hoàn thiện tốt hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Long Xuyên, ngày 22 tháng 03 năm 2017

Người thực hiện

Phan Uyên Nguyên

LỜI CAM KẾT

Tôi xin cam đoan đây là tài liệu giảng dạy của riêng tôi Nội dung tài liệu giảng dạy có xuất xứ rõ ràng

Long Xuyên, ngày 20 tháng 03 năm 2017

Người biên soạn

Phan Uyên Nguyên

MỤC LỤC

Trang

Chương 1 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1

1.1 Các Khái Niệm Về Nhiệt Động Học 1

1.1.1 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật 1

1.1.2 Hệ nhiệt động 1

1.1.2.1 Hệ thống thiết bị nhiệt 1

1.1.2.2 Định nghĩa và phân loại hệ nhiệt động 1

1.1.3 Thông số trạng thái của một hệ nhiệt động 2

1.1.3.1 Trạng thái và thông số trạng thái 2

1.1.3.2 Tính chất của thông số trạng thái 6

1.1.4 Quá trình và chu trình nhiệt động 6

1.1.4.1 Quá trình 6

1.1.4.2 Chu trình 7

1.1.5 Nhiệt và công 7

1.1.5.1 Nhiệt lượng 7

1.1.5.2 Công 7

1.2 Phát Biểu Định Luật Nhiệt Động I 10

1.3 Định Luật Nhiệt Động II 11

1.4 Định Luật Nhiệt Động III 13

1.5 Các Loại Chu Trình Nhiệt Động Và Hiệu Quả Của Nó 15

1.5.1 Khái niệm chung 15

1.5.2 Chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch 16

1.5.3 Chu trình thuận chiều 16

1.5.4 Chu trình ngược chiều 17

1.6 Chu Trình Carnot Thuận Nghịch 17

1.6.1 Chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều 17

1.6.2 Chu trình Carnot thuận nghịch ngược chiều 18

Chương 2 MÔI CHẤT LẠNH, CHẤT TẢI LẠNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH 20

2.1 Những Yêu Cầu Đối Với Môi Chất Lạnh 20

2.1.1 Yêu cầu về nhiệt động 20

2.1.2 Yêu cầu về hoá lý 20

2.1.3 Yêu cầu về sinh lý 21

2.1.4 Yêu cầu về kinh tế 21

2.2 Tác Nhân Lạnh Ở Dạng Lỏng 21

2.2.1 NH3 21

2.2.2 Freon 22

2.2.2.1 Các tính chất của R 12 (CF 2 Cl 2 Diclodiflometan) 24

2.2.2.2 Các tính chất của R 22 (CHF2Cl Monoclodiflometan) 25

2.2.2.3 Các tính chất của R 134a (CH 2 F-CF 3 Tetrafloetan) 26

2.3 Chất Tải Lạnh 28

2.3.1 Không khí trong điều hòa 29

2.3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 29

2.3.1.2 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối 33

2.3.1.3 Ảnh hưởng của tốc độ không khí 34

2.3.1.4 Ảnh hưởng của khí CO 2 và tính toán lượng gió tươi cung cấp 35

2.3.2 Chất tải lạnh dạng lỏng 36

2.3.2.1 Môi Chất Tải Lạnh Là Nước Muối NaCl-H 2 O 37

2.3.2.2 Môi Chất Tải Lạnh Là Hỗn Hợp Nước-Etylenglycol (C 2 H 2 (OH) 2 ) 38 2.4 Quan Hệ Giữa Môi Chất Và Dầu Máy Lạnh 40

2.4.1 Độ nhớt và độ hoà tan của dầu trong các môi chất lạnh 40

2.4.2 Môi chất lạnh và các loại dầu thường dùng 41

2.4.3 Tiêu chuẩn quốc tế về dầu máy lạnh 42

2.5 Các Phương Pháp Làm Lạnh 44

2.5.1 Phương pháp bay hơi khuyếch tán 44

2.5.2 Phương pháp biến đổi pha vật chất 44

2.5.2.1 Ðồ thị pha 45

2.5.2.2 Điểm ba 46

2.5.3 Phương pháp dãn nở khí sinh công 48

2.5.4 Phương pháp tiết lưu không sinh công 50

2.5.5 Phương pháp dùng hiệu ứng xoáy 52

2.5.6 Phương pháp dùng hiệu ứng Piltier 52

Chương 3 CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN CỦA MÁY LẠNH NÉN HƠI 57

3.1 Máy Nén Khí 57

3.1.1 Máy nén piston một cấp 62

3.1.2 Quá trình nén lý thuyết 62

3.1.3 Quá trình nén thực 64

3.1.4 Hệ số cấp và tổn thất thể tích của máy nén 65

3.1.5 Tổn thất năng lượng và công suất động cơ máy nén 67

3.2 Thiết Bị Ngƣng Tụ 69

3.2.1 Phân loại thiết bị ngưng tụ 69

3.2.2 Bình ngưng giải nhiệt bằng nước 70

3.2.2.1 Bình ngưng ống chùm nằm ngang 70

3.2.2.2 Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng 74

3.2.2.3 Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống 76

3.2.2.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản 77

3.2.2.5 Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và không khí 78

3.2.2.6 Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí 82

3.3 Thiết Bị Bay Hơi 85

3.3.1 Phân loại thiết bị bay hơi 85

3.3.2 Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng 86

3.3.2.1 Bình bay hơi làm lạnh chất lỏng 86

3.3.2.2 Dàn lạnh panen 89

3.3.2.3 Dàn lạnh xương cá 89

3.3.2.4 Dàn lạnh tấm bản 90

3.3.3 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí 91

3.3.3.1 Dàn lạnh đối lưu tự nhiên 91

3.3.3.2 Dàn lạnh đối lưu cưỡng bức 92

3.4 Thiết Bị Trung Gian 93

3.4.1 Bình trung gian đặt đứng có ống xoắn ruột gà 94

3.4.2 Bình trung gian kiểu nằm ngang 95

3.4.3 Thiết bị trung gian kiểu tấm bản 95

3.4.4 Tính toán bình trung gian 96

3.5 Bình Tách Dầu 98

3.5.1 Bình tách dầu kiểu nón chắn 101

3.5.2 Bình tách dầu có van phao thu hồi dầu 101

3.6 Bình Tách Lỏng 102

3.6.1 Bình tách lỏng kiểu nón chắn 104

3.6.2 Bình tách lỏng hồi nhiệt 105

3.6.3 Bình tách lỏng kiểu khác 106

3.6.4 Bình giữ mức - tách lỏng 106

3.6.5 Bình thu hồi dầu 108

3.6.6 Bình tách khí không ngưng 109

3.6.7 Bình chứa cao áp và hạ áp 111

3.6.7.1 Bình chứa cao áp 111

3.6.7.2 Bình chứa hạ áp 112

3.6.8 Tháp giải nhiệt 113

3.6.9 Van tiết lưu tự động 114

3.6.10 Búp phân phối lỏng 3.6.11 Bộ lọc ẩm và lọc cơ khí 117

Chương 4 HỆ THỐNG LẠNH VÀ TÍNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH HỆ THỐNG LẠNH 118

4.1 Chu Trình Máy Lạnh Nén Hơi Một Cấp 118

4.1.1 Chu trình khô 118

4.1.2 Chu trình quá lạnh, quá nhiệt 121

4.1.2.1 Quá lạnh 121

4.1.2.2 Quá nhiệt 121

4.1.2.3 Quá lạnh quá nhiệt 122

4.1.3 Chu trình máy lạnh có hồi nhiệt 123

4.2 Chu Trình Máy Lạnh Nén Hơi 2 Cấp 124

4.2.1 Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn 125

4.2.2 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn 126

4.2.3 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn 128

4.2.4 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, bình trung gian có ống xoắn 130

4.3 Máy Lạnh Ghép Tầng 130

Bài tập chương 4 136

TÀI LIÊU THAM KHẢO 140

DANH SÁCH BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Thông số khí hậu tiện nghi ứng với trạng thái lao động 31

Bảng 2.2: Tốc độ tính toán của không khí trong phòng 35

Bảng 2.3: Tốc độ không khí trong nhà qui định theo TCVN 5687:1992 35

Bảng 2.4: Ảnh hưởng của nồng độ CO2 trong không khí 35

Bảng 2.5: Lượng CO2 do một người phát thải và lượng khí tươi cần cấp trong một giờ (m3/h.người) 36

Bảng 2.6: Lượng khí tươi cần cung cấp khi có hút thuốc 36

Bảng 2.7: Tính chất vật lý của glycol và glycerin 39

Bảng 2.8: Các loại dầu máy lạnh 41

Bảng 3: So sánh các loại máy nén và phạm vi sử dụng trong kỹ thuật lạnh 61

DANH SÁCH HÌNH

Trang

Hình 1.1: Quan hệ giữa các áp suất 4

Hình 1.2: Công thay đổi thể tích 8

Hình 1.3: Đồ thị xác định công thay đổi thể tích 9

Hình 1.4: Đồ thị xác định công kỹ thuật 9

Hình 1.5: Động cơ nhiệt sinh công 11

Hình 1.6: Bơm nhiệt 12

Hình 1.7: Trạng thái của môi chất ứng với áp suất và nhiệt độ 14

Hình 1.8: Đồ thị p-v chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều 15

Hình 1.9: Đồ thị p-v chu trình Carnot thuận nghịch ngược chiều 15

Hình 1.10: Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carnot thuận chiều 18

Hình 1.11: Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carnot ngược chiều 19

Hình 2.1: Đồ thị lgp-i của NH3 22

Hình 2.2: Đồ thị lgp-i của R12 25

Hình 2.3: Đồ thị lgp-i của R22 26

Hình 2.4: Đồ thị lgp-i của R134a 28

Hình 2.5: Quan hệ giữa nhiệt hiện qh và nhiệt ẩn qâ theo nhiệt độ phòng 30

Hình 2.6: Đồ thị vùng tiện nghi theo tiêu chuẩn ASHRAE (Mỹ) 32

Hình 2.7: Đồ thị vùng tiện nghi theo nhiệt độ tk và tư 33

Hình 2.8: Giới hạn miền mồ hôi trên da 33

Hình 2.9: Giới hạn vùng làm việc 34

Hình 2.10: Nhiệt độ đóng băng của nước muối NaCl theo nồng độ 37

Hình 2.11: Nhiệt độ đóng băng của một số dung dịch các chất hữu cơ với nước theo nồng độ 38

Hình 2.12: Đồ thị h – d của không khí ẩm 44

Hình 2.13: Đồ thị áp suất (p) và nhiệt độ (T) 45

Hình 2.14: Trạng thái của môi chất ứng với áp suất và nhiệt độ 46

Hình 2.15: Máy lạnh nén khí 49

Hình 2.16: Giản đồ T-s của chu trình lạnh 49

Hình 2.17: Tiết lưu không sinh công của dòng môi chất 50

Hình 2.18: Ống xoáy 52

Hình 2.19: Cấu tạo tấm làm lạnh bằng hiệu ứng Peltier 53

Hình 2.20: Làm lạnh bằng hiệu ứng nhiệt điện 54

Hình 3.1: Phân loại máy nén theo nguyên lý hoạt động 57

Hình 3.2: Bơm ly tâm 58

Hình 3.3: Máy nén trục vít 58

Hình 3.4: Máy nén bánh răng 59

Hình 3.5: Máy nén 2 bánh răng 59

Hình 3.6:: Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu cánh gạt 60

Hình 3.7: Máy nén pittông 60

Hình 3.8: Đồ thị p-v của quá trình nén lý thuyết (nén pittong) 63

Hình 3.9: Quá trình nén lý thuyết (nén pittong) 63

Hình 3.10: Quá trình nén thực của máy nén pittong 65

Hình 3.11: Đồ thị p-v quá trình nén thực của máy nén pittong 65

Hình 3.12: Bình ngưng ống chùm nằm ngang 71

Hình 3.13: Bố trí đường nước tuần hoàn 71

Hình 3.14a: Bình ngưng freon 72

Hình 3.14b: Bình ngưng freon 73

Hình 3.14c: Bình ngưng freon 73

Hình 3.15: Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng 76

Hình 3.16: Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống 77

Hình 3.17: Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản 77

Hình 3.18: Thiết bị ngưng tụ bay hơi 79

Hình 3.19: Dàn ngưng kiểu tưới 81

Hình 3.20: Dàn ngưng không khí đối lưu tự nhiên 83

Hình 3.21: Dàn ngưng không khí đối lưu cưỡng bức 84

Hình 3.22: Bình bay hơi NH3 87

Hình 3.23: Bình bay hơi freon 88

Hình 3.24: Thiết bị bay hơi kiểu panen 89

Hình 3.25: Dàn lạnh xương cá 90

Hình 3.26: Dàn lạnh kiểu tấm bản 91

Hình 3.27: Dàn lạnh đối lưu tự nhiên có cánh 92

Hình 3.28: Dàn lạnh đối lưu cưỡng bức 93

Hình 3.29: Dàn lạnh trong các kho lạnh 93

Hình 3.30: Bình trung gian đặt đứng 94

Hình 3.31: Bình trung gian nằm ngang 95

Hình 3.32: Sơ đồ nguyên lý tủ đông 500 kg/mẻ sử dụng thiết bị trung gian

kiểu tấm bản 97

Hình 3.33: Bình tách dầu kiểu nón chắn 101

Hình 3.34: Bình tách dầu kiểu van phao 102

Hình 3.35: Bình tách lỏng kiểu nón chắn 104

Hình 3.36: Bình tách lỏng kiểu nón chắn 105

Hình 3.37: Bình tách lỏng loại nhỏ 106

Hình 3.38: Bình giữ mức - tách lỏng 107

Hình 3.39: Lắp đặt bình giữ mức tách lỏng 108

Hình 3.40: Bình thu hồi dầu 108

Hình 3.41: Bình tách khí không ngưng 110

Hình 3.42: Sơ đồ lắp đặt bình tách khí không ngưng 110

Hình 3.43: Bình chứa cao áp 111

Hình 3.44: Bình chứa hạ áp 112

Hình 3.45: Tháp giải nhiệt RINKI 114

Hình 3.46: Van tiết lưu tự động 114

Hình 3.47: Sơ đồ van tiết lưu tự động 116

Hình 3.48: Búp phân phối lỏng 116

Hình 3.49: Sơ đồ cấp dịch dàn bay hơi qua búp phân phối gas 117

Hình 3.50: Bộ lọc 117

Hình 4.1: Sơ đồ bố trí thiết bị và chu trình khô 119

Hình 4.2: Bố trí thiết bị quá lạnh 121

Hình 4.3: Bố trí thiết bị quá nhiệt 122

Hình 4.4: Chu trình quá lạnh quá nhiệt 122

Hình 4.5: Chu trình hồi nhiệt 123

Hình 4.6: Chu trình 2 cấp nén, 1 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn 125

Hình 4.7: Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian không hoàn toàn 126

Hình 4.8: Bình trung gian 127

Hình 4.9: Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn 129

Hình 4.10: Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, bình trung gian có ống xoắn 130

Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý máy lạnh ghép tầng 131

Hình 4.12: Máy lạnh hấp thụ 132

Hình 4.13: Máy lạnh hấp thụ liên tục phức tạp 133

Hình 4.14: Máy lạnh Ejector 134

Chương 1 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

1.1 Các Khái Niệm Về Nhiệt Động Học

1.1.1 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật

+ Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật: nhiệt động học kỹ thuật

là môn học khoa học tự nhiên, nghiên cứu những qui luật về biến đổi năng lượng mà chủ yếu là nhiệt năng và cơ năng nhằm tìm ra các biện pháp biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt năng và cơ năng

+ Phương pháp nghiên cứu: Nhiệt động học được nghiên cứu bằng phương pháp giải tích, thực nghiệm hoặc kết hợp cả hai

- Nghiên cứu bằng phương pháp giải tích: ứng dụng các định luật vật lý kết hợp với các biến đổi toán học để tìm ra công thức thể hiện qui luật của các hiện tượng, các quá trình nhiệt động

- Nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm: tiến hành các thí nghiệm

để xác định giá trị các thông số thực nghiệm, từ đó tìm ra các qui luật và công thức thực nghiệm

1.1.2 Hệ nhiệt động

1.1.2.1 Hệ thống thiết bị nhiệt

Trong thực tế ta gặp nhiều hệ thống thiết bị nhiệt như máy lạnh, máy điều hòa nhiệt độ, các thiết bị sấy, chưng cất, thiết bị nhà máy điện, chúng thực hiện việc chuyển tải nhiệt từ vùng này đến vùng khác hoặc biến đổi nhiệt thành công

* Hệ thống thiết bị

Máy lạnh, máy điều hòa nhiệt độ tiêu tốn công để chuyển tải nhiệt từ vùng có nhiệt độ thấp (buồng lạnh) đến vùng có nhiệt độ cao hơn (không khí bên ngoài) Tua bin hơi của nhà máy nhiệt điện nhận nhiệt từ nguồn nóng (có nhiệt độ cao), nhả nhiệt cho nguồn lạnh để biến đổi nhiệt thành cơ năng Để thực hiện được việc đó thì cần có các hệ thống thiết bị nhiệt và môi chất

* Môi chất

Muốn thực hiện việc truyền tải nhiệt và chuyển hoá nhiệt năng thành cơ năng hoặc ngược lại trong các thiết bị nhiệt, phải dùng chất trung gian gọi là môi chất hay chất công tác Trong thực tế, môi chất thường ở thể lỏng, thể hơi hoặc thể khí vì chúng dễ dàng nén, ép và có khả năng thay đổi thể tích lớn, thuận lợi cho việc trao đổi công

1.1.2.2 Định nghĩa và phân loại hệ nhiệt động

Tập hợp tất cả các vật thể liên quan với nhau về mặt cơ và nhiệt được tách ra

để nghiên cứu gọi là hệ nhiệt động, còn những vật khác không nằm trong hệ nhiệt động gọi là môi trường xung quanh Ranh giới giữa hệ nhiệt động và môi trường có thể là một bề mặt cụ thể, cũng có thể là bề mặt tưởng tượng do ta qui ước Ví dụ khi nghiên cứu quá trình đun nước trong một bình kín thì có thể coi hệ nhiệt động là nước và hơi trong bình, còn môi trường xung quanh là bình và không khí xung quanh Các vật thể nằm trong hệ có thể trao đổi nhiệt với nhau và với môi trường

xung quanh Có thể phân hệ nhiệt động thành hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt, hệ kín và hệ

hở

* Hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt

Hệ cô lập là hệ không trao đổi chất, không trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh

Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường

Trong thực tế, không có hệ hoàn toàn cô lập hoặc đoạn nhiệt, mà chỉ gần đúng với sai số có thể cho phép được

Hệ kín và hệ hở:

Hệ kín là hệ không trao đổi chất với môi trường xung quanh

Hệ hở là hệ có trao đổi chất với môi trường xung quanh

Ví dụ: ở tủ lạnh, máy điều hòa nhiệt độ thì lượng môi chất (ga làm lạnh) không thay đổi, do đó nó là một hệ kín; ở trong động cơ xe máy, môi chất chính là lượng khí thay đổi liên tục, do đó nó là hệ hở

1.1.3 Thông số trạng thái của một hệ nhiệt động

1.1.3.1 Trạng thái và thông số trạng thái

Trạng thái là một tập hợp các thông số xác định tính chất vật lí của môi chất hay của hệ ở một thời điểm nào đó Các đại lượng vật lí đó được gọi là thông số trạng thái

Thông số trạng thái là một hàm đơn trị của trạng thái, có vi phân toàn phần,

do đó khi vật hoặc hệ ở một trạng thái xác định thì các thông số trạng thái cũng có giá trị xác định Nghĩa là độ biến thiên các thông số trạng thái trong quá trình chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của quá trình mà không phụ thuộc vào đường đi của quá trình

Trong nhiệt động, thường dùng 3 thông số trạng thái có thể đo được trực tiếp

là nhiệt độ T, áp suất p và thể tích riêng v (hoặc khối lượng riêng ρ), còn gọi là các thông số trạng thái cơ bản Ngoài ra, trong tính toán người ta còn dùng các thông số trạng thái khác như: nội năng U, entanpi E và entropi S, các thông số này không đo được trực tiếp mà được tính toán qua các thông số trạng thái cơ bản

Trạng thái cân bằng của hệ đơn chất , một pha được xác định khi biết hai thông số trạng thái độc lập Trên đồ thị trạng thái, trạng thái được biểu diễn bằng một điểm

Khi thông số trạng thái tại mọi điểm trong toàn bộ thể tích của hệ có trị số đồng nhất và không thay đổi theo thời gian, ta nói hệ ở trạng thái cân bằng Ngược lại khi không có sự đồng nhất này nghĩa là hệ ở trạng thái không cân bằng Chỉ có trạng thái cân bằng mới biểu diễn được trên đồ thị bằng một điểm nào đó, còn trạng thái không cân bằng thì thông số trạng thái tại các điểm khác nhau sẽ khác nhau, do

đó không biểu diễn được trên đồ thị

* Nhiệt độ tuyệt đối

Nhiệt độ là một thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh của vật, nó thể hiện mức độ chuyển động của các phân tử và nguyên tử Theo thuyết động học phân

tử thì nhiệt độ của chất khí là đại lượng thống kê, tỉ lệ thuận với động năng trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử

3

m T k



Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối của vật

m là khối lượng phân tử

ϖ là vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử

k là hằng số Bonzman, bằng 1.3805x10 j/K - 23 j/K

Như vậy tốc độ trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử càng lớn thì nhiệt độ của vật càng cao

Trong hệ thống SI thường dùng hai thang đo nhiệt độ:

- Thang nhiệt độ bách phân: nhiệt độ kí hiệu bằng chữ t, đơn vị đo là độ Censius (oC)

- Thang nhiệt độ tuyệt đối: nhiệt độ kí hiệu bằng chữ T, đơn vị đo là độ Kenvin (oK)

Hai thang đo này có quan hệ với nhau bằng biểu thức sau:

T = t + 273.15 Nghĩa là 0 (o

C) tương ứng với 273.15 oK Giá trị mỗi độ chia trong hai thang này bằng nhau: dT = dt

Ngoài ra, một số nước như Anh, Mỹ còn dùng thang nhiệt độ Farenhet, đơn

vị đo là oF và thang nhiệt độ Renkin, đơn vị đo là oR Giữa độ C, độ F và độ R có mối quan hệ như sau:

* Áp suất tuyệt đối

Lực tác dụng của môi chất vuông góc lên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc gọi là áp suất tuyệt đối của môi chất

Theo thuyết động học phân tử, áp suất tỉ lệ với động năng trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử và với số phân tử khí trong một đơn vị thể tích:

2 3

m

Trong đó: n là số phân tử khí trong một đơnvị thể tích

α là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào kích thước bản thân phân tử và lực tương tác giữa các phân tử áp suất càng nhỏ, nhiệt độ càng cao thì α càng gần tới 1

m là khối lượng phân tử

ϖ là vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử

Đơn vị tiêu chuẩn đo áp suất là Pascal, kí hiệu là Pa

1 Pa = 1 N/m2, 1 Kpa = 103 Pa, 1 Mpa = 106 Pa Ngoài đơn vị tiêu chuẩn trên, hiện nay trong các thiết bị kỹ thuật người ta còn dùng đơn vị đo khác như: Atmosphere kỹ thuật at hay kg/cm2

(1at = 1kg/cm2); bar; milimet cột nước (mmH2O); milimet thuỷ ngân (mmHg), quan hệ giữa chúng như sau:

2 2

Hình 1.1: Quan hệ giữa các áp suất

* Thể tích riêng và khối lượng riêng

Một vật có khối lượng G kg và thể tích V m3 thì thể tích riêng của nó là:

3

V m v

G kg

 

  

 Khối lượng riêng:

là thay đổi nội nhiệt năng Vậy trong nhiệt động học ta nói nội năng nghĩa là nội nhiệt năng

Nội năng bao gồm hai thành phần: nội động năng và nội thế năng Nội động năng là động năng của chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay, dao động của các phân tử, nguyên tử; còn nội thế năng là thế năng tương tác giữa các phân tử:

U = Uđ + Uth

Chuyển động của các phân tử phụ thuộc vào nhiệt độ của vật, do đó nội động năng là hàm của nhiệt độ: Uđ = f(t), còn lực tương tác giữa các phân tử phụ thuộc vào khoảng các giữa chúng tức là phụ thuộc vào thể tích riêng v của các phân tử, do đó nội thế năng là hàm của thể tích: Uth = f(v) Như vậy nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ

du = CvdT và Δu = Cv(T2 - T1) Đối với 1kg môi chất, nội năng ký hiệu là u, đơn vị đo là j/kg; Đối với G kg

ký hiệu là U, đơn vị đo là j Ngoài ra có thể dùng các đơn vị đo khác như: Kcal; KWh; Btu, quan hệ giữa các dơn vị đó là:

1kj = 0.239 kcal = 277.78.10-6 kwh = 0.948 Btu Trong các quá trình nhiệt động, ta chỉ cần biết biến thiên nội năng mà không cần biết giá trị tuyệt đối của nội năng, do đó có thể chọn điểm gốc tuỳ ý mà tại đó nội năng bằng không Theo qui ước, đối với nước ta chọn u = 0 tại điểm có nhiệt độ t = 0.01 oC và áp suất p = 0.0062 at (điểm 3 thể của nước)

để đẩy dòng môi chất dịch chuyển, còn trong hệ kín tích số pv không mang ý nghĩa năng lượng đẩy

Tương tự như nội năng, entanpi của khí thực phụ thuộc vào nhiệt độ T và thể tích v, nói cách khác nó là một hàm trạng thái: i = f(T,v)

Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng không, do đó entanpi chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T, nghĩa là i = f(T) Trong mọi quá trình, entanpi được xác định bằng:

di = CpdT và Δi = Cp(T2 - T1)

Tương tự như nội năng, trong các quá trình nhiệt động ta chỉ cần tính toán độ biến thiên entanpi mà không cần biết giá trị tuyệt đối của entanpi, do đó có thể chọn điểm gốc tuỳ ý mà tại đó entanpi bằng không Theo qui ước, đối với nước ta chọn i =

0 tại điểm có nhiệt độ T = 0 oK hoặc ở điểm 3 thể của nước

* Entropi

Entropi là một thông số trạng thái, được ký hiệu bằng s và có vi phân toàn phần bằng:

0

Entropi được ký hiệu bằng s đối với 1 kg và S đối với G kg

Entropi không đo được trực tiếp mà phải tính toán và thường chỉ cần tính toán

độ biến thiên Δs của nó như đôí với nội năng và entanpi

Q = e + a Trong đó:

e là execgi,

a là anecgi

1.1.3.2 Tính chất của thông số trạng thái

- Thông số trạng thái có vi phân toàn phần

- Thông số trạng thái là hàm đơn trị của trạng thái, lượng biến thiên thông số trạng thái chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của quá trình mà không phụ thuộc vào đường đi của quá trình

Nhiệt lượng và công trao đổi trong một quá trình phụ thuộc vào đường đi của quá trình nên không phải là thông số trạng thái, chúng là hàm của quá trình

1.1.4 Quá trình và chu trình nhiệt động

1.1.4.1 Quá trình

Bất kỳ sự thay đổi trạng thái nào của vật hoặc của hệ gắn liền với những hiện tượng nhiệt gọi là quá trình nhiệt động Nói cách khác, trong quá trình nhiệt động phải có ít nhất một thông số trạng thái thay đổi kèm theo sự trao đổi nhiệt hoặc công

Khi môi chất hoặc hệ thực hiện một quá trình, nghĩa là chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác thì trạng thái cân bằng trước bị phá huỷ

Nếu quá trình tiến hành vô cùng chậm để có đủ thời gian xác lập trạng thái cân bằng mới thì thực tế vẫn coi hệ đã thực hiện quá trình cân bằng Do đó, muốn thực hiện một quá trình cân bằng thì phải tiến hành vô cùng chậm, nghĩa là các điều kiện bên ngoài phải thay đổi vô cùng chậm

Trên đồ thị, đường biểu diễn sự thay đổi trạng thái của môi chất hay của hệ trong quá trình nào đó gọi là đường của quá trình Lượng thay đổi các thông số trạng thái chỉ được xác định bằng trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình nên chúng không phụ thuộc vào đường đi của quá trình

1.1.5 Nhiệt và công

Nhiệt và công là các đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất và môi trường khi thực hiện một quá trình Khi môi chất trao đổi công với môi trường thì kèm theo các chuyển động vĩ mô, còn khi trao đổi nhiệt thì luôn tồn tại sự chênh lệch nhiệt độ

Q nếu tính cho G kg, đơn vị đo là j

q nếu tính cho 1 kg, đơn vị đo là j/kg Qui ước: Nếu q > 0 ta nói vật nhận nhiệt

Nếu q < 0 ta nói vật nhả nhiệt Trong trường hợp cân bằng (khi nhiệt độ các vật bằng nhau), vẫn có thể xảy

ra khả năng truyền nội năng từ vật này sang vật khác (xem là vô cùng chậm) ở trạng thái cân bằng động Điều này có ý nghĩa quan trọng khi khảo sát các quá trình và chu trình lí tưởng

1.1.5.2 Công

Công là đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất với môi trường khi có chuyển động vĩ mô Khi thực hiện một quá trình, nếu có sự thay đổi áp suất, thay đổi thể tích hoặc dich chuyển trọng tâm khối môi chất thì một phần năng lượng nhiệt sẽ được chuyển hoá thành cơ năng Lượng chuyển biến đó chính là công của quá trình

Ký hiệu là

l nếu tính cho 1 kg, đơn vị đo là j/kg,

L nếu tính cho G kg, đơn vị đo là j, Qui ước

Nếu l > 0 ta nói vật sinh công, Nếu l < 0 ta nói vật nhận công, Công không thể chứa trong một vật bất kỳ nào, mà nó chỉ xuất hiện khi có quá trình thay đổi trạng thái kèm theo chuyển động của vật

Về mặt cơ học, công có trị số bằng tích giữa lực tác dụng với độ dời theo hướng của lực Trong nhiệt kỹ thuật thường gặp các loại công sau: công thay đổi thể tích; công lưu động (công thay đổi vị trí); công kỹ thuật (công thay đổi áp suất) và công ngoài

* Công thay đổi thể tích

Công thay đổi thể tích là công do môi chất thực hiện khi có sự thay đổi thể tích Công thay đổi thể tích được trình bày hình sau:

Hình 1.2: Công thay đổi thể tích

Với 1kg môi chất, khi tiến hành một quá trình ở áp suất p, thể tích thay đổi một lượng dv, thì môi chất thực hiện một công thay đổi thể tích là:

dl = p.dv Khi tiến hành quá trình, thể tích thay đổi từ v1 đến v2 thì công thay đổi thể tích được tính là:

Khi dv > 0 thì dl > 0, nghĩa là khi xảy ra quá trình mà thể tích tăng thì công

có giá dương, ta nói môi chất sinh công (công do môi chất thực hiện)

Khi dv < 0 thì dl < 0, nghĩa là khi xảy ra quá trình mà thể tích giảm thì công

có giá âm, ta nói môi chất nhận công (công do môi trương thực hiện) Công thay đổi thể tích không phải là thông số trạng thái

Hình 1.3: Đồ thị xác định công thay đổi thể tích

2 d

dln = dl = pdv Đối với hệ hở, môi chất cần tiêu hao công để thay đổi vị trí gọi là công lưu động hay lực đẩy (dln = d(pv)), khi đó công ngoài bằng:

1.2 Phát Biểu Định Luật Nhiệt Động I

Định luật nhiệt động I là định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng viết cho các quá trình nhiệt động Theo định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng thì năng lượng toàn phần của một vật hay một hệ ở cuối quá trình luôn luôn bằng tổng đại số năng lượng toàn phần ở đầu quá trình và toàn bộ năng lượng nhận vào hay thải ra trong quá trình đó

Trong các quá trình nhiệt động, khi không xảy ra các phản ứng hoá học và phản ứng hạt nhân, nghĩa là năng lượng hoá học và năng lượng hạt nhân không thay đổi, khi đó năng lượng toàn phần của vật chất thay đổi chính là do thay đổi nội năng

U, trao đổi nhiệt và công với môi trường

Xét 1kg môi chất, khi cấp vào một lượng nhiệt dq thì nhiệt độ thay đổi một lượng dT và thể tích riêng thay đổi một lượng dv Khi nhiệt độ T thay đổi chứng tỏ nội động năng thay đổi; khi thế tích v thay đổi chứng tỏ nội thế năng thay đổi và môi chất thực hiện một công thay đổi thể tích, như vậy khi cấp vào một lượng nhiệt dq thì nội năng thay đổi một lượng là du và trao đổi một công là dl

- Định luật nhiệt động I phát biểu: nhiệt lượng cấp vào cho hệ một phần dùng

để thay đổi nội năng, một phần dùng để sinh công

dq = du + dl

- ý nghĩa của định luật nhiệt động: định luật nhiệt động I cho phép ta viết phương trình cân bằng năng lượng cho một quá trình nhiệt động

Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động I

Định luật nhiệt động I có thể được viết dưới nhiều dạng khác nhau như sau: Trong trường hợp tổng quát

dq = du + dl Đối với 1 kg môi chất

Δq = Δu + l Đối với G kg môi chất

ΔQ = ΔU + L

Mặt khác theo định nghĩa entanpi, ta có:

i = u + pv Lấy đạo hàm ta được

di = du + d(pv) hay du = di - pdv - vdp

chú ý dl = pdv ta có dạng khác của biểu thức định luật nhiệt động I như sau:

dq = di - pdv - vdp + pdv

dq = di - vdp Hay: dq = di + dlkt Đối với khí lý tưởng ta luôn có:

có thể biến đổi thành công và liệu toàn bộ nhiệt có thể biến đổi hoàn toàn thành công không

Định luật nhiệt động II cho phép ta xác định trong điều kiện nào thì quá trình

sẽ xảy ra, chiều hướng xảy ra và mức độ chuyển hoá năng lượng của quá trình Định luật nhiệt động II là tiền đề để xây dựng lý thuyết động cơ nhiệt và thiết bị nhiệt

Theo định luật nhiệt động II thì mọi quá trình tự phát trong tự nhiên đều xảy

ra theo một hướng nhất định Ví dụ nhiệt năng chỉ có thể truyền từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp hơn nếu muốn quá trình xảy ra ngược lại thì phải tiêu tốn năng lượng, ví dụ muốn tăng áp suất thì phải tiêu tốn công nén hoặc phải cấp nhiệt vào, muốn lấy nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp hơn thải ra môi trường xung quanh

có nhiệt độ cao hơn (như ở máy lạnh) thì phải tiêu tốn một năng lượng nhất định (tiêu tốn một điện năng chạy động cơ kéo máy nén)

Hình 1.5: Động cơ nhiệt sinh công

Nguồn nhiệt cao T1

Nguồn nhiệt thấp T2

Hệ thống

Công

Qc

Qt

A

- Nguồn nóng có nhiệt độ T1 được hệ thống truyền cho nguồn nhiệt có nhiệt

độ thấp hơn

- Nguồn lạnh có nhiệt độ T2 nhận nhiệt từ hệ thống có nhiệt độ cao hơn Quá trình này được thực hiện liên tục và sinh công được gọi là chu trình nhiệt động học

có nhiệt độ cao ta cần phải cung cấp cho hệ thống bơm nhiệt công

* Các phát biểu của định luật nhiệt động II

- Nhiệt lượng không thể tự truyền từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao hơn Muốn thực hiện quá trình này thì phải tiêu tốn một phần năng lượng bên ngoài (chu trình ngược chiều)

- Khi nhiệt độ T1 = T2 = T thì hiệu suất ηct = 0, nghĩa là không thể nhận công

từ một nguồn nhiệt

Muốn biến nhiệt thành công thì động cơ nhiệt phải làm việc theo chu trình với hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau Trong đó một nguồn cấp nhiệt cho môi chất và một nguồn nhận nhiệt môi chất nhả ra Điều đó có nghĩa là không thể biến đổi toàn bộ nhiệt nhận được từ nguồn nóng thành công hoàn toàn, mà luôn phải mất

đi một lượng nhiệt thải cho nguồn lạnh Có thể thấy được điều đó vì: T1 < ∞ và T2 >

0, do đó ηct < ηctCarnot < 1, nghĩa là không thể biến hoàn toàn nhiệt thành công

- Chu trình Carnot là chu trình có hiệu suất cao nhất

2 1

max ct ctCarno 1 T

T

Qt Nguồn nhiệt cao T1

- Hiệu suất nhiệt của chu trình không thuận nghịch nhỏ hơn hiệu suất nhiệt của chu trình thuận nghịch

kTN TN

1.4 Định Luật Nhiệt Động III

Định luật thứ ba của nhiệt động lực học nói về tình trạng giới hạn của các hệ khi nhiệt độ tiến tới độ không tuyệt đối Đa số các phép tính nhiệt động lực học chỉ

sử dụng hiệu entropi, vì điểm không của thang entropi thường là không quan trọng Tuy nhiên, chúng ta nói về định luật thứ ba với mục đích hoàn thiện vì nó mô tả điều kiện entropi bằng không

Định luật thứ ba phát biểu “Entropi của một tinh thể hoàn hảo là bằng không khi nhiệt độ của tinh thể bằng không độ tuyệt đối (oK).” Theo trường Đại học Purdue, “Tinh thể phải hoàn hảo, nếu không sẽ có một mất trật tự cố hữu nào đó Nó cũng phải ở oK; nếu không sẽ có chuyển động nhiệt bên trong tinh thể, dẫn tới mất trật tự.”

Siabal Mitra, giáo sư vật lí tại Đại học Missouri, nêu thêm một hàm ý khác của định luật này “Một phiên bản của định luật thứ ba phát biểu rằng sẽ cần một số vô hạn bước để đạt tới không độ tuyệt đối, nghĩa là bạn sẽ không bao giờ đạt tới nó Nếu bạn có thể thu được độ không tuyệt đối, thì điều đó sẽ vi phạm định luật thứ hai, vì nếu bạn có một nguồn lạnh tại không độ tuyệt đối, thì bạn có thể chế tạo một động cơ hiệu suất 100%.”

Trên lí thuyết người ta có thể nuôi cấy một tinh thể hoàn hảo trong đó toàn bộ không gian mạng bị chiếm giữ bởi các nguyên tử y hệt nhau Tuy nhiên, đa số người

ta tin rằng không thể nào đạt tới nhiệt độ không độ tuyệt đối (mặc dù các nhà khoa học đã tiến tới rất sát) Do đó, toàn bộ vật chất có chứa ít nhất một entropi nào đó do

sự có mặt của một năng lượng nhiệt nào đó

Khi một chất lỏng bốc hơi nó sẽ thải ra một nhiệt lượng và nhiệt lượng này thoát ra ngoài cùng với chất hơi đó

Nói một cách khác, bất cứ chất lỏng nào biến đổi từ thể lỏng sang thể hơi thì một số nhiệt lượng còn lại sẽ rút đi cùng với chất hơi

Đây là định luật bất di bất dịch: Bất cứ chất lỏng nào có đủ điều kiện bốc hơi sẽ bốc hơi và chất hơi đó sẽ mang theo số nhiệt cần thiết làm cho nó bốc hơi

Loài người đã biết dùng cả ba định luật trên làm căn bản cho những phát minh tối tân về sự làm lạnh bằng cơ khí Trước tiên họ biết là phải giải quyết vấn đề liên quan đến nhiệt Nghĩa là họ phải tìm cách loại bỏ nhiệt của vật cần làm lạnh chứ không phải đặt lạnh vào đó Sau đó họ lại biết rằng nhiệt có tính chất di động và luôn luôn di chuyển đến vật nào có nhiệt độ thấp hơn Cuối cùng họ biết được sự thay đổi trạng thái của chất lỏng Với những định luật nói trên sự làm lạnh bằng cơ khí được phát minh

Hình 1.7: Trạng thái của môi chất ứng với áp suất và nhiệt độ

Chúng ta biết rằng nếu một chất lỏng sôi lên theo độ sôi của nó thì chất đó phải tạo ra một áp lực cao hơn, ngoại trừ hơi thoát được ra ngoài Nước sôi ở nhiệt

độ sôi 212 o

F (100 oC) và bắt đầu bốc hơi Nếu được đựng trong bình kín và đun thêm để nước có nhiệt độ là 213 oF (100.556 oC) thì nhiệt độ sẽ làm tăng áp lực của chất hơi một ít

Tất nhiên chúng ta sẽ khó hình dung một chất lỏng lại có thể sôi ở 20 oF 6.667 oC) Như thế chất này bao giờ mới gọi là lạnh? Câu trả lời là chất đó sẽ không bao giờ lạnh cho đến khi nào chất đó sôi lên hoặc để cho hơi thoát ra ngoài Cũng sẽ không bao giờ thấy chất này lỏng dưới điều kiện bình thường, trừ khi nó được chứa trong những bình kín Khi môi chất lạnh được chứa trong bình nó có áp lực tuỳ nơi tồn trữ nó, hoặc tuỳ thuộc nhiệt độ bình chứa Nói một cách khác, không bao giờ có một bình đầy môi chất lạnh mà không có áp lực nào bên trong

(-Nếu có một bình môi chất lạnh thường chúng ta sẽ không biết áp lực trong bình là bao nhiêu nhưng biết nhiệt độ của ngày ấy ta có thể xem ở biểu đồ nhiệt độ

và áp suất và nói được áp suất của bình gas Bây giờ chúng ta mở nhẹ khoá hơi bình

để cho một ít hơi trong bình thoát ra ngoài Chất lỏng trong bình sẽ lập tức sôi lên ngay và bình chứa sẽ bắt đầu trở nên lạnh (sức nóng thoát ra ngoài với chất hơi) Ngay khi bình chứa nóng trở lại, áp suất trong bình đồng thời trở lại như lúc đầu Như vậy khi có một sự thay đổi áp lực trên mặt chất lỏng sinh hàn thì nhiệt độ của nó

và bình chứa nó cũng thay đổi

Trạng thái rắn

Trạng thái lỏng

Trạng thái hơi

Điểm tới hạn

P

T

1.5 Các Loại Chu Trình Nhiệt Động Và Hiệu Quả Của Nó

1.5.1 Khái niệm chung

Trong các chu trình nhiệt, muốn biến nhiệt thành công thì cần có môi chất để làm chất tải nhiệt và cho môi chất dãn nở để sinh công Môi chất dãn nở mãi được vì kích thước thiết bị có hạn Vì vậy, cho môi chất dãn nở đến một trạng thái nào đó, người ta lại nén môi chất để nó trở lại trạng thái ban đầu rồi tiếp tục cho dãn nở và nén lặp lại như lần đầu, quá trình được lặp đi lặp lại như vậy, Khi môi chất thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi lại trở về trạng thái ban đầu, ta nói môi chất thực hiện một chu trình hay một quá trình kín

Hình 1.8: Đồ thị p-v chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều

Hình 1.9: Đồ thị p-v chu trình Carnot thuận nghịch ngược chiều

Trên đồ thị trạng thái, nếu chu trình tiến hành theo chiều kim đồng hồ thì gọi

là chu trình thuận chiều, ở chu trình này môi chất nhận nhiệt sinh công, nên công có dấu dương (1 >0) Các thiết bị nhiệt làm việc theo chu trình này được gọi là động cơ nhiệt

Nếu chu trình tiến hành theo chiều ngược chiều kim đồng hồ thì gọi là chu trình ngược chiều Ở chu trình này môi chất tiêu hao công hoặc nhận năng lượng

khác, do đó công có dấu âm (1 < 0) Các thiết bị nhiệt làm việc theo chu trình này được gọi là máy lạnh hoặc bơm nhiệt

1.5.2 Chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch

Công của chu trình là công mà môi chất sinh ra hoặc nhận vào khi thực hiện một chu trình

Công của chu trình được ký hiệu là L khi tính cho G kg môi chất hoặc l khi tính cho 1kg môi chất

* Hiệu quả chu trình

Để đánh giá hiệu quả biến đổi nhiệt thành công của chu trình thuận chiều, người ta dùng hệ số ηct, gọi là hiệu suất nhiệt của chu trình

Hiệu suất nhiệt của chu trình bằng tỷ số giữa công chu trình sinh ra với nhiệt lượng mà môi chất nhận được từ nguồn nóng

q1 là nhiệt lượng mà môi chất nhận được từ nguồn nóng

q2 là nhiệt lượng mà môi chất nhả ra cho nguồn lạnh

l là công chu trình sinh ra, hiệu nhiệt lượng mà môi chất trao đổi với nguồn nóng và nguồn lạnh

1.5.4 Chu trình ngược chiều

Hệ số làm lạnh của chu trình là tỷ số giữa nhiệt lượng mà môi chất nhận được

từ nguồn lạnh với công tiêu tốn cho chu trình

trong đó: q1 là nhiệt lượng mà môi chất nhả cho nguồn nóng

q2 là nhiệt lượng mà môi chất nhận được từ nguồn lạnh

l là công chu trình tiêu tốn

l  q  q , vì  u 0

1.6 Chu Trình Carnot Thuận Nghịch

Chu trình Carnot thuận nghịch là chu trình ly tưởng, có khả năng biển đổi nhiệt lượng với hiệu quả cao nhất Tuy nhiên, nếu áp dụng vào thực tế thì nó có những nhược điểm khác về giá thành và hiệu suất thiết bị, do đó xét về tổng thể thì hiệu quả kinh tế không cao Chính vì vậy nó không được áp dụng trong thực tế mà nó chỉ làm mục tiêu để hoàn thiện các chu trình khác về mặt hiệu quả nhiệt, nghĩa là người ta phấn đấu thực hiện các chu trình càng gần với chu trình Carnot thì hiệu quả chuyển hoá nhiệt năng càng cao

Chu trình Carnot thuận nghịch làm việc với hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau T1 và T2, nhiệt độ các nguồn nhiệt không thay đổi trong suốt quá trình trao đổi nhiệt Môi chất thực hiện 4 quá trình thuận nghịch liên tiếp nhau: hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt tiến hành xen kẽ nhau Sau đây ta xét hai chu trình Carnot thuận nghịch gọi tắt là chu trình Carnot thuận chiều và chu trình Carnot ngược chiều

1.6.1 Chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều

Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carnot thuận chiều được biểu diễn trên hình 1.10 ab là quá trình nén đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất tăng từ T2 đến T1; bc là quá trình dãn nở đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn nóng có nhiệt độ T1 không đổi

và nhận từ nguồn nóng một nhiệt lượng là q1 = T1(sc - sb); cd là quá trình dãn nở đoạn nhiệt, sinh công l, nhiệt độ môi chất giảm từ T đến T ; da là quá trình nén đẳng

nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn lạnh có nhiệt độ T1 không đổi và nhả cho nguồn lạnh một nhiệt lượng là q2 = T2(sa - sd)

Hình 1.10: Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carnot thuận chiều

Với hiệu suất:

- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot càng lớn khi nhiệt độ nguồn nóng càng cao và nhiệt độ nguồn lạnh càng thấp

- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot luôn nhỏ hơn một vì nhiệt độ nguồn nóng không thể đạt vô cùng và nhiệt độ nguồn lạnh không thể đạt đến không

- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận nghịch lớn hơn hiệu suất nhiệt của chu trình khác khi có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nhiệt độ nguồn lạnh

1.6.2 Chu trình Carnot thuận nghịch ngược chiều

Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carnot ngược chiều được biểu diễn trên hình 1.11 ab là quá trình dãn nở đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn lạnh có nhiệt độ

T2 không đổi và nhận từ nguồn lạnh một nhiệt lượng là q2 = T2(sb - sa); bc là quá trình nén đoạn nhiệt, tiêu tốn công nếu là l, nhiệt độ môi chất tăng từ T2 đến T1; cd là quá trình nén đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn nóng có nhiệt độ T1 không đổi

và nhả cho nguồn nóng một nhiệt lượng là q1 = T1(sd - sc); da là quá trình dãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất giảm từ T1 đến T2

Hình 1.11: Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carnot ngược chiều

Với hiệu suất của chu trình ngược chiều:

- Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot càng lớn khi nhiệt độ nguồn nóng càng thấp và nhiệt độ nguồn lạnh càng cao

- Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot có thể lớn hơn một

Chương 2 MÔI CHẤT LẠNH, CHẤT TẢI LẠNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

2.1 Những Yêu Cầu Đối Với Môi Chất Lạnh

Những yêu cầu đối với môi chất lạnh có thể chia làm 4 nhóm chính

 Yêu cầu về nhiệt động

 Yêu cầu về hoá lý

 Yêu cầu về sinh lý

 Yêu cầu về kinh tế

2.1.1 Yêu cầu về nhiệt động

 Áp suất cuối tầm nén không được quá cao vì sẽ làm cho hệ thống thiết

bị thêm nặng nề, phức tạp và không an toàn

 Hệ số nén  = Pk/P0 không được quá cao để tăng hệ số cấp và hiệu suất máy nén

 Nhiệt độ đông đặc phải rất nhỏ và nhiệt độ tới hạn phải cao để tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động của máy lạnh

 Năng suất lạnh riêng thể tích qv phải lớn vì sẽ làm giảm đáng kể kích thước và trọng lượng của máy nén

 Nhiệt ẩn hoá hơi phải lớn để giảm lượng tác nhân lạnh lưu thông trong hệ thống

 Trọng lượng riêng và độ nhớt phải nhỏ để giảm tổn thất thuỷ lực trong đường ống và tăng hệ số toả nhiệt, từ đó tăng cường quá trình trao đổi nhiệt

và giảm diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

 Môi chất phải có nhiệt độ sôi thấp hoặc rất thấp ở điều kiện áp suất môi trường để ngăn ngừa sự rò rỉ, thâm nhập của không khí vào hệ thống lạnh trong quá trình hoạt động của máy

2.1.2 Yêu cầu về hoá lý

 Môi chất lạnh phải bền ở áp suất và nhiệt độ cao, không bị phân huỷ

và polyme hoá

 Môi chất lạnh phải có tính trơ, không ăn mòn kim loại và các vật liệu khác của hệ thống lạnh

 Có thể hoà tan trong nước để tránh hiện tượng đóng băng, gây tắc nghẽn tại các van tiết lưu, thiết bị tự động hay đường ống của hệ thống máy lạnh

 Hoà tan được trong dầu để tránh hiện tượng dầu bám trên bề mặt toả nhiệt làm cho sự truyền nhiệt ở các thiết bị trao đổi nhiệt tốt hơn

 Không dẫn điện và không cháy nổ

 Môi chất lạnh phải có màu hoặc mùi để dễ nhận biết khi bị rò rỉ 2.1.3 Yêu cầu về sinh lý

 Môi chất lạnh phải không gây độc hại, không gây khó thở, tắt thở và

2.1.4 Yêu cầu về kinh tế

Môi chất lạnh phải có giá rẻ, dễ tìm, có thể vận chuyển và bảo quản dễ dàng

Vì có rất nhiều yêu cầu đối với môi chất lạnh nên rất khó có một môi chất nào thoả mãn hầu hết các yêu cầu trên Vì vậy khi chọn một môi chất nào đó phải dựa vào điều kiện cụ thể của đặc điểm cấu tạo máy lạnh, điều kiện làm việc cũng như nhu cầu và mục đích của hệ thống máy lạnh đó

- Không gây tác hại phá huỷ tầng ozon như các chất freon

Nhưng NH3 cũng có những nhược điểm sau:

- Độc hại với con người, nồng độ NH3 trong không khí lớn hơn hoặc bằng 5% thể tích trong thời gian 30 phút có thể làm cho người bị chết ngạt

- Nguy hiểm vì dễ gây nổ (thành phần hỗn hợp nổ trong không khí là

16 đến 25% NH3 theo thể tích) tác dụng với đồng và các kim loại màu khác nên hệ thống lạnh NH3 không được dùng đồng và các kim loại màu khác

- Nếu bị rò rỉ NH3 dễ hấp thụ vào sản phẩm gây mùi khó chịu và làm tăng pH của bề mặt sản phẩm, làm tăng khả năng phát triển của VSV ở những sản phẩm này

- Thiết bị cồng kềnh (vì thể tích riêng của hơi lớn) chiếm nhiều diện tích nhà xưởng và tốn vật liệu chế tạo

Hình 2.1: Đồ thị lgp-i của NH3

2.2.2 Freon

Các freon có các ưu điểm sau:

- Ít độc

- Không mùi hoặc có mùi thơm thoảng nhẹ

- Không hoặc ít gây nổ

- Thể tích riêng bé nên máy nén gọn và nhẹ

- Nhiệt độ cuối của giai đoạn nén của freon thấp nên có thể dùng thiết

bị hoàn nhiệt (làm quá nhiệt hơi hút về máy và quá lạnh tác nhân lỏng trước khi vào van tiết lưu) do đó không cần thiết bị tách lỏng

Nhưng freon có những nhược điểm sau:

- Ẩn nhiệt hoá hơi bé

- Freon không hoà tan trong nước nên dễ xảy ra hiện tượng „‟nút đá‟‟ làm tắt đường ống dẫn do sự đóng băng của nước không hoà tan trong tác nhân lạnh khi nhiệt độ tác nhân thấp hơn 0 o

C

- Các freon hoà tan trong dầu máy do đó làm tăng nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ của freon, khi lượng dầu trong tác nhân lạnh tăng thì làm tăng độ nhớt và giảm hệ số cấp nhiệt của nó Dầu hoà tan trong freon nên khó tách dầu

- Hỗn hợp của các freon với không khí thì không độc, không gây nguy hiểm cho con người (trừ khi nồng độ quá cao thì gây ngạc vì thiếu oxy) khi các sản phẩm phân huỷ của chúng khi có ngọn lửathì rất nguy hiểm vì nó tạo khí độc fosgen (OCCl2)

- Hỗn hợp freon dễ bị rò rỉ (những lỗ nhỏ chui qua nhưng freon vẫn chui qua)

- Khó phát hiện rò rỉ (vì không màu, không vị)

- Tham gia phá huỷ tầng ozon

- Các freon được tạo thành từ các hydrocacbon no với flo và clo có công thức chung là:

Trong đó thông dụng hơn cả là freon 12 (R12) và freon 22 (R22)

Cách quy ước ký hiệu thứ 2 :

R abc

Với : a Số lượng phân tử Cacbon trừ 1

b: Số lượng phân tử hydro cộng 1

c : Số lượng phân tử Flo trong môi chất

+ Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển thấp: p = 1 kg.f/cm2; t = -29.8 oC

+ Ở nhiệt độ môi trường áp suất ngưng tụ vừa phải: t = 40 oC; p = 9,5 at + Nhiệt độ tới hạn tương đối cao: tth = 112.04 oC; pth = 41.96 at

+ Nhiệt độ đông đặc điểm 3 pha thấp: tđđ = -155 oC

+ Nhiệt ẩn hóa hơi tương đối lớn, ví dụ tại -15 oC thì r = 159.55 kJ/kg

+ Nhiệt dung riêng đẳng áp vừa phải

+ Độ nhớt rất nhỏ, nhỏ hơn không khí nên R12 có thể rò rỉ qua các khe hở mà không khí không đi qua được, độ nhớt R12 lớn hơn nitơ một chút nên thử kín phải dùng nitơ khô

* Các tính chất về hóa học

+ Không gây cháy

+ Không gây nổ; tuy nhiên ở nhiệt độ t > 450 oC R12 phân hủy thành các chất cực kỳ độc hại như HCl, HF Do đó nghiêm cấm các vật có nhiệt độ bề mặt trên 400

o

C trong phòng máy

+ Dầu bôi trơn chuyên dụng; khối lượng riêng  của dầu nhỏ hơn khối lượng riêng của lỏng R12 (Ví dụ tại -15 oC lỏng R12 có khối lượng riêng là 1443.83 kg/m3),

độ hòa tan dầu bôi trơn phụ thuộc vào nhiệt độ bão hòa của môi chất R12: ở nhiệt độ t

< 45 oC hỗn hợp lỏng chia làm 2 lớp, lớp trên là dầu, lớp dưới là hỗn hợp dầu và R12

+ Không ăn mòn kim loại; R12 là môi chất bền vững về mặt hóa học

+ Không hòa tan được nước, lượng nước hòa tan tối đa là 0.0006% khối lượng, cho phép làm việc là 0.0004%; do đó có thể tách nước ra khỏi R12 bằng các chất hút ẩm thông dụng

+ Khi rò rỉ khó phát hiện: R12 không màu, có mùi thơm nhẹ, không vị

+ Khi rò rỉ không làm hỏng các sản phẩm cần bảo quản lạnh

* Các tính chất về môi trường

- Gây ô nhiễm môi trường: khi rò rỉ R12 bay dần lên tầng thượng lưu khí quyển, gây hiệu ứng lồng kính, do có thành phần Cl nên R12 phá hoại, làm thủng tầng ozon

Hình 2.2: Đồ thị lgp-i của R12

2.2.2.2 Các tính chất của R 22 (CHF 2 Cl Monoclodiflometan)

R22 là môi chất có độ hoàn thiện nhiệt động cao, chỉ xếp sau NH3, từng dùng rộng rãi cho máy lạnh 1 và 2 cấp, nay bị hạn chế và tiến tới cấm sử dụng do trong thành phần hóa học có Cl phá hủy tầng ozon khi rò rỉ

* Các tính chất về nhiệt động

+ Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển thấp: p = 1 kg.f/cm2; t = -40,8 oC

+ Ở nhiệt độ môi trường áp suất ngưng tụ vừa phải: t = 40 oC; p = 15 at + Nhiệt độ tới hạn tương đối cao: tth = 96 oC; pth = 50,33 at

+ Nhiệt độ đông đặc điểm 3 pha thấp: tđđ = -160 oC

+ Nhiệt ẩn hóa hơi tương đối lớn, ví dụ tại -15 oC thì r = 217 kJ/kg

+ Nhiệt dung riêng đẳng áp vừa phải

+ Độ nhớt rất nhỏ, nhỏ hơn không khí nên R22 có thể rò rỉ qua các khe hở mà không khí không đi qua được, độ nhớt R22 lớn hơn nitơ một chút nên thử kín phải dùng nitơ khô

* Các tính chất về hóa học

+ Không gây cháy

+ Không gây nổ; tuy nhiên ở nhiệt độ t > 450 oC R22 phân hủy thành các chất cực kỳ độc hại như HCl, HF Do đó nghiêm cấm các vật có nhiệt độ bề mặt trên 400

o

C trong phòng máy

+ Dầu bôi trơn chuyên dụng; khối lượng riêng  của dầu nhỏ hơn khối lượng riêng của lỏng R22 (Ví dụ tại -15 oC lỏng R22 có khối lượng riêng là 1335 kg/m3), độ hòa tan dầu bôi trơn phụ thuộc vào nhiệt độ bão hòa của môi chất R22: ở nhiệt độ t < -

45 oC hỗn hợp lỏng chia làm 2 lớp, lớp trên là dầu, lớp dưới là hỗn hợp dầu và R22

+ Không ăn mòn kim loại: R22 là môi chất bền vững về mặt hóa học

+ Không hòa tan được nước, lượng nước hòa tan tối đa là 0.0006% khối lượng, cho phép làm việc là 0.0004%; do đó có thể tách nước ra khỏi R22 bằng các chất hút ẩm thông dụng

+ Khi rò rỉ khó phát hiện: R22 không màu, không mùi, không vị

+ Khi rò rỉ không làm hỏng các sản phẩm cần bảo quản lạnh

2.2.2.3 Các tính chất của R 134a (CH 2 F-CF 3 Tetrafloetan)

R134a là môi chất có độ hoàn thiện nhiệt động tương đối cao, thua R12 và R22,

là môi chất lạnh mới, được dùng rộng rãi cho máy lạnh 1 cấp trong điều hòa không khí, là môi chất thân thiện với môi trường do trong thành phần hóa học không có Cl