Nội dung của giáo trình “ Cơ sở kỹ thuật nhiệt _ lạnh và điều hòa không khí được tổ chức thành 6 bài như sau: Bài 1: Tổng quan về kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí, Bài 2: Cơ sở nhiệt động kỹ thuật, Bài 3: Cơ sở truyền nhiệt, Bài 4: Cơ sở kỹ thuật lạnh, Bài 5: Các thiết bị chính trong hệ thống lạnh, Bài 6: Cơ sở kỹ thuật điều hòa không khí.
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ
Khái quát chung
Kỹ thuật lạnh, ra đời hàng trăm năm trước, hiện nay đã phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật khác nhau Với sự mở rộng về mục đích sử dụng, kỹ thuật lạnh trở thành một ngành quan trọng, không thể thiếu trong đời sống và kỹ thuật toàn cầu.
Nghề Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí chuyên về lắp đặt, vận hành, bảo trì, bảo dưỡng và sửa chữa các hệ thống máy lạnh và điều hòa không khí.
Hệ thống máy lạnh trong kho lạnh, máy lạnh thương mại, máy kem, máy đá và tủ lạnh, cùng với hệ thống điều hòa không khí trung tâm và cục bộ, cần phải tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo năng suất cao và an toàn.
Người làm nghề "Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí" thường được làm việc tại các công ty dịch vụ chuyên ngành, siêu thị, nhà máy bia, chế biến sữa, và bảo quản thủy hải sản Họ cũng có thể làm việc tại các nhà máy chế tạo thiết bị lạnh, các công ty thi công lắp đặt, bảo trì và sửa chữa máy lạnh Ngoài ra, nhiều kỹ thuật viên còn tự mở cửa hàng hoặc doanh nghiệp riêng để cung cấp dịch vụ sửa chữa, bảo trì và lắp đặt thiết bị lạnh.
Kiến thức về kỹ thuật điện – lạnh là rất quan trọng, bao gồm việc nắm vững các khái niệm cơ bản và quy trình kỹ thuật trong ngành này Việc tiếp thu những kiến thức này giúp người học hiểu rõ hơn về các ứng dụng và công nghệ trong lĩnh vực điện – lạnh.
- Kĩ năng: Thao tác nhanh, chắc chắn và chính xác, có kỹ năng đo lường, sử dụng, bảo dưỡng, sữa chữa, lắp đặt những thiết bị điện lạnh
- Thái độ: Yêu thích công việc, có ý thức bảo vệ môi trường và an toàn lao động Làm việc khoa học, kiên trì, thận trọng và chính xác
- Sức khỏe: Có sức khỏe trung bình, không độ cao không.
Ý nghĩa của kỹ thuật lạnh trong đời sống và kỹ thuật
Kỹ thuật lạnh, đã tồn tại hàng trăm năm, hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như chế biến và bảo quản thực phẩm, hóa chất, sản xuất rượu bia, sinh học, kỹ thuật sấy nhiệt độ thấp, chế tạo, xử lý hạt giống và y học Sự phát triển của kỹ thuật lạnh không chỉ mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp mà còn ảnh hưởng sâu sắc đến đời sống hàng ngày của con người.
2.1 Ứng dụng lạnh trong bảo quản thực phẩm
Kỹ thuật lạnh đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản thực phẩm, giúp ngăn chặn sự phân hủy do vi khuẩn gây ra, đặc biệt đối với các loại thực phẩm như rau, quả, thịt, cá và sữa Ở những quốc gia có khí hậu nóng ẩm như Việt Nam, quá trình thối rữa diễn ra nhanh chóng hơn, vì vậy việc áp dụng công nghệ lạnh trong bảo quản thực phẩm trở nên cần thiết hơn bao giờ hết.
Hình 1.1b: Ứng dụng lạnh trong bảo quản thực phẩm
Các kho lạnh bảo quản và chế biến phân phối, cùng với các thiết bị lạnh thương mại như tủ lạnh gia đình, đã trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực Chúng bao gồm cả các nhà máy sản xuất nước đá, máy lạnh lắp đặt trên tàu thủy và phương tiện vận tải Ngành công nghiệp rượu bia, bánh kẹo, nước uống và sữa cũng không thể thiếu các giải pháp làm lạnh hiệu quả này.
2.2 Ứng dụng lạnh trong công nghiệp
Trong ngành công nghiệp hóa chất, việc sử dụng lạnh là rất quan trọng để đạt được nhiệt độ tối ưu cho từng loại hóa chất trong quy trình sản xuất Ngành công nghiệp hóa lỏng và tách khí từ không khí đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như luyện kim, chế tạo máy, y học, sản xuất cơ khí, phân đạm và chất tải lạnh Các khí trơ như neon và argon được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất và sản xuất bóng đèn Ngoài ra, kỹ thuật lạnh cũng hỗ trợ quan trọng trong việc sản xuất vải sợi, tơ, cao su nhân tạo và phim ảnh; ví dụ, trong quy trình sản xuất tơ nhân tạo, việc làm lạnh bể quay tơ đến nhiệt độ yêu cầu là cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Khi nhiệt độ giảm, cao su và các chất dẻo trở nên giòn và dễ vỡ như thủy tinh Từ đặc tính này, cao su bột được chế tạo, và khi hóa trộn với bột sắt, có thể tạo ra cao su từ tính Việc kết hợp với các phụ gia khác giúp đạt được độ đồng đều cao trong sản phẩm.
Hình 1.2: Ứng dụng lạnh trong công nghiệp hóa chất
2.3 Ứng dụng lạnh trong nông nghiệp
Nhằm bảo quản giống, lai tạo giống, điều hoà khí hậu cho các trại chăn nuôi trồng trọt, bảo quản và chế biến cá, nông sản thực phẩm
Hình 1.3: Ứng dụng lạnh trong nông nghiệp
Nhờ có kho lạnh bảo quản hạt giống mà hạt giống có thể đảm bảo và không bị hỏng và thối
2.4 Ứng dụng lạnh trong điều tiết không khí
Ngày nay người ta không thể tách rời kỹ thuật điều tiết không khí với các
Để đảm bảo chất lượng sản phẩm cao, cần tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu về điều kiện không khí, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm và mức độ bụi Ứng dụng lạnh trong điều tiết không khí đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì các thông số này.
2.5 Ứng dụng lạnh trong y tế
Trong lĩnh vực y tế, kỹ thuật lạnh ngày càng được ứng dụng rộng rãi để bảo quản thuốc và các sản phẩm y tế, mang lại hiệu quả cao Nhiều loại thuốc quý và hiếm, như vacxine, kháng sinh và thuốc gây mê, cần được bảo quản ở nhiệt độ thích hợp để đảm bảo chất lượng và hiệu quả sử dụng.
Hình 1.5: Ứng dụng lạnh trong y tế
2.6 Ứng dụng lạnh trong thể dục thể thao
Kỹ thuật lạnh cho phép tạo ra sân trượt băng, đường đua trượt băng và trượt tuyết nhân tạo, phục vụ cho các vận động viên luyện tập và các đại hội thể thao, ngay cả trong điều kiện nhiệt độ cao Ngoài ra, công nghệ này còn được sử dụng để sưởi ấm bể bơi.
Hình 1.6: Ứng dụng lạnh trong thể dục thể thao
2.7 Ứng dụng lạnh trong đời sống
Sản xuất nước đá đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản nông sản và thực phẩm, cũng như trong chế biến thủy sản Nước đá được sử dụng rộng rãi để giữ lạnh trong quá trình vận chuyển và bảo quản, đặc biệt là ở các vùng nhiệt đới, nơi nó giúp làm mát và giải khát cho con người.
Hình 1.7: Ứng dụng lạnh trong bảo quản thực phẩm 2.8 Một số ứng dụng khác
Trong ngành hàng không, vũ trụ và quốc phòng, máy bay và tàu vũ trụ hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt, với nhiệt độ có thể đạt đến hàng ngàn độ hoặc giảm xuống dưới -1000C Oxy và hydro lỏng được sử dụng làm nhiên liệu cho tàu vũ trụ, đảm bảo hiệu suất hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt này.
1.1 Nêu vai trò, vị trí và yêu cầu của nghề kỹ thuật lạnh?
CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT
Các môi chất và thông số trạng thái của môi chất
1.1 Khái niệm môi chất (chất môi giới)
Môi chất, hay còn gọi là chất môi giới (CMG), là thành phần quan trọng trong thiết bị nhiệt, đóng vai trò trung gian trong việc chuyển đổi giữa nhiệt năng và cơ năng.
Thông số trạng thái của môi là các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của môi chât
1.2 Các thông số trạng thái của môi chất
Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử m kT
Trong đó: m μ - khối lượng phân tử ω - vận tốc trung bình của các phân tử k - hằng số Bonzman, k = 1,3805.10 5 J/độ
Nhiệt kế là thiết bị dùng để đo nhiệt độ, hoạt động dựa trên sự thay đổi của các tính chất vật lý như chiều dài, thể tích, màu sắc và điện trở theo nhiệt độ.
Mối quan hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ: oC = 9
• Khái niệm Áp suất của lưu chất (p) - lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành chứa p = A F
Trong đó: F - lực tác dụng của các phân tử;
A - diện tích thành bình chứa;
0 ): Lá áp suất của không khí tác dụng lên bề mặt các vật trên trái đất
- Áp suất dư (p d ): Là phần áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển p d = p - p
- Áp suất tuyệt đối (p): Lá áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối p = p d + p
Hình 2.2: Các loại áp suất
• Đơn vị áp suất và bảng chuyển đổi giữa các đơn vị
• Áp kế: Là thiết bị dùng để đo áp suất
Hình 2.3: Dụng cụ đo áp suất a) Barometer, b) Áp kế
Ghi chú: Khi đo áp suất bằng áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần được hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 0 C
1.2.3 Thể tích riêng và khối lượng riêng
• Thể tích riêng (v) Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng chất đó: m
• Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng còn gọi là mật độ của một chất là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó: ρ = V m [kg/m 3 ]
Nội nhiệt năng (u): gọi tắt là nội năng là năng lượng do chuyển động của các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng
Nội năng gồm 2 thành phần: nội động năng (u d) và nội thế năng (u p)
- Nội động năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ của vật
- Nội thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử nên nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử
Như vậy, nội năng là một hàm của nhiệt độ và thể tích riêng: u = u (T, v)
Kí hiệu là u, Đơn vị là J/kg hoặc J; kCal; kWh; Btu…
1.2.5 Nhiệt năng và nhiệt dung riêng
- Nhiệt năng (nhiệt lượng): là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ Đơn vị đo nhiệt năng:
+ Calorie (Ca) - 1 Ca là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 gam nước tăng từ 14.5 0 C đến 15.5 0 C
+ British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 pound nước tăng từ 59.5 0 F lên 60.5 0 F
Hình 2.4: Các hình thức truyền nhiệt
- Nhiệt dung và nhiệt dung riêng
+ Nhiệt dung của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vật tỏa ra để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0
Nhiệt dung riêng (NDR), hay còn gọi là Tỷ nhiệt, là lượng nhiệt cần thiết để làm thay đổi nhiệt độ của một đơn vị vật chất lên 1 độ C.
Công, hay còn gọi là cơ năng, là dạng năng lượng được hình thành trong quá trình chuyển đổi năng lượng khi có sự dịch chuyển của lực tác dụng Về mặt trị số, công được tính bằng tích của thành phần lực cùng phương chuyển động và quãng đường dịch chuyển.
Công là một dạng năng lượng, vì vậy đơn vị đo công cũng chính là đơn vị đo năng lượng, với Joule (J) là đơn vị phổ biến nhất Cụ thể, 1 Joule được định nghĩa là công được thực hiện khi một lực 1 Newton tác động lên một vật di chuyển quãng đường 1 mét.
- Công thay đổi thể tích (l): còn gọi là công cơ học - là công do CMG sinh ra khi dãn nở hoặc nhận được khi bị nén
- Công kỹ thuật (l kt ): là công của dòng khí chuyển động được thực hiện khi áp suất của chất khí thay đổi.
Hơi và các thông số trạng thái của hơi
2.1 Các thể (pha) của vật chất
Chất môi giới (CMG) đóng vai trò quan trọng trong việc trung gian các quá trình biến đổi năng lượng trong thiết bị nhiệt CMG có thể tồn tại ở nhiều dạng vật lý khác nhau, được gọi là pha, như nước có thể ở pha lỏng, pha rắn và pha hơi (khí).
Hình 2.6: Đồ thị biểu diễn pha của chất thuần khiết
Thiết bị nhiệt phổ biến thường áp dụng công nghệ CMG trong pha khí, do khả năng thay đổi thể tích lớn của khí, cho phép thực hiện công suất lớn hiệu quả.
Hóa hơi là quá trình chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi, trong khi ngưng tụ là quá trình chuyển đổi ngược lại, từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng.
- Để hóa hơi, phải cấp nhiệt cho CMG
- Ngược lại, khi ngưng tụ CMG sẽ nhả nhiệt
- Nhiệt lượng cấp cho 1kg CMG lỏng hóa hơi hoàn toàn gọi là nhiệt hóa hơi
- Nhiệt lượng tỏa ra khi 1kg CMG ngưng tụ gọi là nhiệt ngưng tụ
- Nhiệt hóa hơi và nhiệt ngưng tụ có trị số bằng nhau Ở áp suất khí quyển
Sự nóng chảy và đông đặc: Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, quá trình ngược lại được gọi là đông đặc
- Cần cung cấp nhiệt để làm nóng chảy CMG
- Ngược lại, khi đông đặc CMG sẽ nhả nhiệt
- Nhiệt lượng cần cung cấp để 1 kg CMG nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy
- Nhiệt nóng chảy và nhiệt đông đặc có trị số bằng nhau Ở áp suất khí quyển
Hình 2.7: Các quá trình chuyển pha của nước
Thăng hoa là quá trình chuyển đổi trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi, trong khi ngưng kết là quá trình ngược lại, chuyển từ hơi sang rắn.
CMG nhận nhiệt khi thăng hoa và nhả nhiệt khi ngưng kết
Nhiệt thăng hoa (rth) và nhiệt ngưng kết (rnk) có trị số bằng nhau
2.2 Quá trình hóa hơi đẳng áp
Khi có 1 kg nước trong xylanh với một piston không đổi, áp suất tác động lên nước sẽ giữ nguyên trong quá trình hóa hơi Nếu nhiệt độ ban đầu của nước là t0 và chúng ta cung cấp nhiệt, quá trình hóa hơi đẳng áp sẽ diễn ra Nhiệt độ sẽ phụ thuộc vào lượng nhiệt được cấp, được thể hiện qua mối quan hệ t = f(q).
Hình 2.8: Quá trình hóa hơi đẳng áp của nước
Đoạn OA mô tả quá trình đun nóng nước từ nhiệt độ ban đầu t0 đến nhiệt độ sôi ts Trong giai đoạn này, nước có nhiệt độ t < ts được coi là nước chưa sôi Khi nước chưa sôi, nhiệt độ của nó sẽ tăng lên khi lượng nhiệt cung cấp gia tăng.
Đoạn AC mô tả quá trình sôi, trong đó nhiệt độ của nước giữ nguyên (ts = const) trong suốt quá trình Nhiệt lượng được cung cấp sử dụng để chuyển đổi pha mà không làm tăng nhiệt độ của chất lỏng Hơi tại điểm C được gọi là hơi bão hòa khô, trong khi hơi ở trạng thái giữa A và C được gọi là hơi bão hòa ẩm.
Sau khi nước đã hoàn toàn hóa hơi, việc tiếp tục cung cấp nhiệt sẽ làm tăng nhiệt độ của hơi (đoạn CD) Hơi có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bão hòa (t > ts) được gọi là hơi quá nhiệt Hơi bão hòa ẩm là sự kết hợp giữa nước sôi và hơi bão hòa khô.
Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi
Các quá trình cơ bản của chất thuần khiết được nghiên cứu thông qua nước và hơi nước Để khảo sát một quá trình cụ thể, cần thực hiện các bước cần thiết.
- Xác định điểm biểu diễn trạng thái đầu của quá trình trên đồ thị tương ứng
- Từ đặc điểm của quá trình và một thông số trạng thái đã biết của điểm cuối ta xác định được điểm biểu diễn trạng thái cuối
Kết hợp bảng và đồ thị giúp xác định các thông số trạng thái cần thiết, từ đó tính toán lượng nhiệt và công trao đổi giữa chất môi giới và môi trường.
Quá trình đẳng tích (v = const)
Hình 2.9: Đồ thị biểu diễn quá trình đẳng tích
- Công của trong quá trình: l = 2
- Nhiệt lượng tham gia trong quá trình: Δq = Δu + l = Δu Quá trình đẳng áp (p = const)
Hình 2.10: Đồ thị biểu diễn quá trình đẳng áp
- Công của trong quá trình: l = 2
- Nhiệt lượng tham gia trong quá trình: Δq = Δu + l = i2 – i1
Quá trình đẳng nhiệt (t = const)
Hình 2.11: Đồ thị biểu diễn quá trình đẳng nhiệt
- Nhiệt lượng tham gia trong quá trình: q = T(s2 – s1)
- Công của trong quá trình: l = q – Δu
Quá trình đoạn nhiệt (s = const)
Hình 2.12: Đồ thị biểu diễn quá trình đoạn nhiệt
- Nhiệt lượng tham gia trong quá trình: q = 0
- Công của trong quá trình: l = q – Δu = - Δu
- Công kỹ thuật của quá trình : lkt = - Δi = i1 – i2
3.5 Quá trình lưu động và tiết lưu
Trong lĩnh vực kỹ thuật, tùy thuộc vào mục tiêu cụ thể, chúng ta sẽ gặp nhiều quá trình lưu động đa dạng trong các thiết bị khác nhau.
Trong các động cơ hiện đại, khi cần đạt tốc độ cao, động cơ piston thường gặp phải những hạn chế như sức bền không đủ và công suất thừa Để khắc phục những vấn đề này, người ta đã chuyển sang sử dụng động cơ tuabin, thường được áp dụng trong máy phát điện và động cơ phản lực.
Trong trường hợp này, khi dòng khí hoặc hơi có chuyển động tương đối lớn, động năng của chúng không thể bị xem nhẹ Chuyển động của dòng khí hoặc hơi này được gọi là quá trình lưu động.
Giả thiết khi nghiên cứu quá trình lưu động Để thuận tiện cho việc nghiên cứu quá trình lưu động, ta dựa trên một số các giả thiết sau:
- Chuyển động của dòng trong kênh dẫn là đoạn nhiệt
- Tất cả các thông số đặc trưng cho trạng thái của CMG ở mỗi tiết diện đều là hằng số
- Tốc độ dòng ở mỗi tiết diện ngang đều là hằng số
- Điều kiện chuyển động trong kênh dẫn không thay đổi theo thời gian, lưu lượng qua tiết diện là hằng số
Khi dòng lưu chất di chuyển trong ống và gặp phải trở lực đột ngột như van, ống mao hay van tiết lưu, áp suất phía sau tiết diện bị thu hẹp sẽ giảm so với áp suất phía trước Quá trình này được gọi là quá trình tiết lưu.
Quá trình tiết lưu là một quá trình không thuận nghịch, đồng thời diễn ra dưới dạng đoạn nhiệt, do đó không phải là quá trình đẳng entropy Trong quá trình này, sự trao đổi nhiệt giữa chất môi trường và môi trường xung quanh rất nhỏ.
- Khi qua tiết lưu áp suất giảm nhưng không sinh công ngoài mà để thắng sức cản do ma sát và xoáy
Vậy quá trình tiết lưu là quá trình có enthanpy của chất môi giới không bị thay đổi.
Chu trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt
4.1 Khái niệm và định nghĩa chu trình nhiệt động
4.1.1 Định nghĩa về chu trình
Trong các máy nhiệt, để duy trì quá trình sinh công liên tục, CMG cần thực hiện các quá trình kín sau khi giãn nở để trở về trạng thái ban đầu, tức là CMG phải thực hiện một chu trình.
Chu trình thuận chiều là quá trình mà môi chất hấp thụ nhiệt từ nguồn nóng, sau đó truyền nhiệt cho nguồn lạnh và chuyển đổi một phần nhiệt thành công Chu trình này, còn được gọi là chu trình sinh công, có quy ước rằng công thực hiện trong chu trình thuận chiều luôn lớn hơn 0 (l > 0) Các chu trình này thường được áp dụng trong việc chế tạo động cơ nhiệt.
Hay nói cách khác: chu trình thuận chiều là chu trình có các quá trình tiến hành theo cùng chiều kim đồng hồ
Để đánh giá hiệu quả của quá trình biến đổi nhiệt trong chu trình thuận chiều, người ta sử dụng hệ số ηct, hay còn 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
Chu trình ngược chiều là một quá trình trong đó môi chất nhận công từ bên ngoài để thu nhiệt từ nguồn lạnh và chuyển giao nhiệt cho nguồn nóng, với công tiêu tốn được quy ước là công âm Nói một cách khác, chu trình này thực hiện các quá trình theo hướng ngược chiều kim đồng hồ.
Hệ số làm lạnh, ký hiệu là ε, được sử dụng để đánh giá hiệu quả chuyển đổi năng lượng trong chu trình ngược chiều.
Hệ số làm lạnh của chu trình là tỷ số giữa nhiệt lượng mà môi chất nhận được từ
Chu trình carno thuận nghịch thuận chiều Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno thuận chiều được biểu diễn trên hình 2.13
- 4-1 là quá trình nén đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất tăng từ T2 đến T1
- 1-2 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(s2 – s1)
- 2-3 là quá trình dãn nở đoạn nhiệt, sinh công l, nhiệt độ môi chất giảm từ T1 đến
- 3-4 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(s3 – s4)
Hình 2.13: Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno thuận chiều
Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng T1 và nguồn lạnh T2, mà không bị ảnh hưởng bởi bản chất của môi chất sử dụng.
- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carno 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 1, do nhiệt độ của nguồn nóng không thể đạt giá trị vô cùng, trong khi nhiệt độ của nguồn lạnh không thể giảm xuống 0 độ Kelvin.
Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận nghịch luôn vượt trội hơn so với các chu trình khác khi so sánh trong cùng một điều kiện nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh.
Chu trình carno thuận nghịch ngược chiều Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno ngược chiều được biểu diễn trên hình 2.14
Hình 2.14: Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno ngược chiều
- 4-3 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(s3 – s4)
- 3-2 là quá trình nén đoạn nhiệt, tiêu tốn công nến là l, nhiệt độ môi chất tăng từ
- 2-1 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(s2 – s1)
- 1-4 là quá trình dãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất giảm từ T1 đến T2
Hệ số làm lạnh trong chu trình Carnot ngược chiều chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng T1 và nguồn lạnh T2, không bị ảnh hưởng bởi bản chất của môi chất.
- Hệ số làm lạnh của chu trình Carno càng lớn khi nhiệt độ nguồn nóng càng thấp và nhiệt độ nguồn lạnh càng cao
- Hệ số làm lạnh của chu trình Carno có thể lớn hơn 1
4.1.5 Định luật nhiệt động II
Phát biểu Clausius khẳng định rằng nhiệt lượng không thể tự động truyền từ vật có nhiệt độ thấp sang vật có nhiệt độ cao hơn Để thực hiện quá trình này, cần phải sử dụng một phần năng lượng từ bên ngoài, điều này tương ứng với chu trình ngược chiều.
Hay nói cách khác: hệ số làm lạnh của máy lạnh, hay hệ số làm nóng của bơm nhiệt không thể nào tiến đến vô cùng
Theo phát biểu của Kenvil Planck, không thể tồn tại động cơ nhiệt nào có khả năng chuyển đổi toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành công, tức là không có động cơ nhiệt nào đạt hiệu suất 100%.
Khi nhiệt độ T1 = T2 = T, hiệu suất ηct = 0, không thể chuyển hóa năng lượng nhiệt thành công Để biến nhiệt thành công, động cơ nhiệt cần hoạt động theo chu trình với hai nguồn nhiệt khác nhau: một nguồn cung cấp nhiệt và một nguồn nhận nhiệt Điều này cho thấy rằng không thể chuyển đổi toàn bộ nhiệt từ nguồn nóng thành công, mà luôn có một lượng nhiệt thải ra cho nguồn lạnh Vì vậy, việc biến đổi hoàn toàn nhiệt thành công là không khả thi.
Các hệ quả của định luật nhiệt động II
Khi hoạt động trong các giới hạn nhiệt độ giống nhau, không có chu trình nhiệt động nào có thể đạt hiệu suất nhiệt lớn hơn hoặc bằng hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot.
- Tất cả các chu trình Carno thuận chiều đều có hiệu suất nhiệt bằng nhau nếu cùng hoạt động giữa các nguồn nóng và nguồn lạnh như nhau
Vậy: Hiệu suất nhiệt của chu trình không thuận nghịch nhỏ hơn hiệu suất nhiệt của chu trình thuận nghịch
4.2 Chu trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt
Hình 2.15: Nguyên lý hoạt động của máy lạnh và bơm nhiệt dùng tác nhân lạnh là chất lỏng dễ bay hơi
1- Thiết bị bay hơi, 2- Máy nén, 3- Thiết bị ngưng tụ, 4- Thiết bị tiết lưu
Hình 2.16: Đồ thị T-s và lgp-h
1-2 : quá trình nén đoạn nhiệt đẳng entropy ở máy nén
2-3 : quá trình nhả nhiệt đẳng áp ở thiết bị ngưng tụ
3-4 : quá trình tiết lưu đẳng enthanpy ở thiết bị tiết lưu
4-1 : quá trình nhận nhiệt đẳng áp ở thiết bị bay hơi
4.2.3 Hệ số làm lạnh và bơm nhiệt
- Nhiệt lượng nhận được ở THBH : qo = h1- h4
- Nhiệt lượng thải ra ở TBNT : q1 = qk = h2 - h3 hay qk= l + qo
- Tương tự hệ số bơm nhiệt của chu trình:
Chỉ số COP (Coefficient Of Performance) (đọc thêm):
Hệ số hiệu quả năng lượng (COP) được sử dụng để đo lường hiệu suất của hệ thống làm lạnh và bơm nhiệt Khi tính toán COP, người ta sử dụng các ký hiệu "cooling" cho mục đích làm lạnh và "heating" cho mục đích gia nhiệt hoặc sưởi ấm.
COP cooling = Q 0 /N Trong đó: Q 0 – Năng suất lạnh hữu ích thu được ở dàn bay hơi Q 0 (kW)
N – Điện năng tiêu tốn (kW)
COP heating = COP cooling + 1 = Q k /N Trong đó: Q k – Năng suất nhiệt hữu ích thu được ở dàn ngưng tụ Q k (kW)
N – Điện năng tiêu tốn (kW)
Thông thường, khi bạn nhin thấy trên catalogue của các hãng sản xuất máy lạnh thì hệ số hiệu quả của máy lạnh luôn nằm ở mức tải 100%
Hệ số COP của máy càng cao thì mức độ tiết kiệm điện của máy càng nhiều
4.2.4 Chu trình máy lạnh hấp thụ Để dễ hiểu chúng ta quan sát nguyên lý làm việc của máy lạnh nén hơi và máy lạnh hấp thụ biểu diễn trên hình 2.17a Hình 2.17b là máy lạnh nén hơi đơn giản, trong đó quá trình 1-2 là quá trình nén hơi từ áp suất po lên pk; 2-3 là quá trình ngưng tụ từ hơi thành lỏng; 3-4 là quá trình tiết lưu từ áp suất pk xuống áp suất po và 4-1 là quá trình bay hơi thu nhiệt của môi trường lạnh tạo hiệu ứng lạnh a) b)
Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý của máy lạnh
MN – máy nén; NT – thiết bị ngưng tụ; TL – van tiết lưu; BH – thiết bị bay hơi;
SH – bình sinh hơi; TLDD – van tiết lưu dung dịch;
HT – bình hấp thụ; BDD – bơm dung dịch
CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT
Dẫn nhiệt
1.1 Các khái niệm và định nghĩa
Nhiệt độ là thông số quan trọng thể hiện mức độ nóng lạnh của một vật thể Trong trường hợp tổng quát, nhiệt độ (t) được xem là hàm số của tọa độ không gian (x, y, z) và thời gian (τ), được biểu diễn qua công thức t = f(x, y, z) Đây là biểu thức toán học mô tả trường nhiệt độ một cách tổng quát nhất.
Tập hợp giá trị nhiệt độ của tất cả các điểm khác nhau trong không gian tại một thời điểm nào đó gọi là trường nhiệt độ
Trường nhiệt độ được chia thành hai loại: trường nhiệt độ ổn định, không thay đổi theo thời gian, và trường nhiệt độ không ổn định, có sự biến thiên theo thời gian.
Mặt đẳng nhiệt là tập hợp tất cả các điểm trong vật có nhiệt độ giống nhau tại một thời điểm nhất định Điều này có nghĩa là mặt đẳng nhiệt chính là quỹ tích của các điểm có cùng nhiệt độ Vì một điểm trong vật không thể có hai nhiệt độ khác nhau, nên các mặt nhiệt độ không cắt nhau; chúng chỉ cắt bề mặt của vật hoặc tạo thành các hình khép kín bên trong vật.
Nhiệt độ trong vật thể thay đổi theo phương cắt các mặt đẳng nhiệt, với sự biến thiên nhiệt độ trên một đơn vị độ dài theo phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt là lớn nhất Độ tăng nhiệt độ theo phương tiếp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt được mô tả bởi Gradient nhiệt độ, là một vecto có phương trùng với phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt Chiều dài của gradient nhiệt độ tương ứng với sự tăng nhiệt độ, và giá trị của nó được tính bằng đạo hàm của nhiệt độ theo phương đó.
Mật độ dòng nhiệt là đại lượng thể hiện lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt, vuông góc với hướng truyền nhiệt trong một khoảng thời gian nhất định, được đo bằng watt trên mét vuông (W/m²).
- Dòng nhiệt : là lượng nhiệt truyền qua toàn bộ diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian – Q (W)
1.1.4 Định luật Fourier về dẫn nhiệt Định luật: mật độ dòng nhiệt tỉ lệ thuận với gradient nhiệt độ
Véc tơ mật độ dòng nhiệt có phương trùng với phương của grad(t), chiều dương là chiều giảm nhiệt độ (ngược chiều với grad(t))
Là nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi grad(t) = 1
Hệ số dẫn nhiệt đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Phụ thuộc vào bản chất của các chất
- Phụ thuộc vào nhiệt độ: = o(1 + bt)
o - hệ số dẫn nhiệt ở 0 o C b - hệ số thực nghiệm
* Tính chất của hệ số dẫn nhiệt:
- Hệ số dẫn nhiệt của kim loại nguyên chất và hầu hết chất lỏng (trừ nước và Glyxerin) giảm khi t tăng
- Chất cách nhiệt và chất khí có hệ số dẫn nhiệt tăng khi nhiệt độ tăng
- Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xây dựng còn phụ thuộc vào độ xốp và độ ẩm
- Hệ số dẫn nhiệt ≤ 0,2 W/mK có thể làm chất cách nhiệt
1.2 Dòng nhiệt ổn định dẫn qua vách phẳng và vách trụ
Dẫn nhiệt qua vách phẳng không có nguồn nhiệt bên trong
Xét một vách phẳng đồng chất và đẳng hướng với chiều dày và hệ số dẫn nhiệt , trong đó chiều rống rất lớn so với chiều dày Nhiệt độ ở hai bên vách được giữ không đổi là tw1 và tw2, do đó nhiệt độ chỉ thay đổi theo phương vuông góc với bề mặt.
Nhiệt lượng truyền qua vách trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với hệ số dẫn nhiệt và độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt, đồng thời tỉ lệ nghịch với chiều dày của vách.
Dẫn nhiệt qua vách trụ không có nguồn nhiệt bên trong
Hình 3.2: Dẫn nhiệt qua vách phẳng một lớp
Dẫn nhiệt trong hệ tọa độ trụ cho vách trụ một lớp:
Để tính toán mật độ dòng nhiệt qua mặt trụ F trong một đơn vị thời gian, chúng ta áp dụng định luật Fourier, như minh họa trong Hình 3.3 về dẫn nhiệt qua vách trụ một lớp.
1.3 Nhiệt trở của vách phẳng và vách trụ mỏng
Ta có nhiệt trở của vách phẳng được xác định:
Trong trường hợp tính toán nhiệt trở của vách trụ mỏng với tỷ lệ d2/d1 nhỏ hơn 2, có thể áp dụng công thức tính cho vách phẳng Phương pháp này cho kết quả sai số rất nhỏ, có thể được bỏ qua.
Trao đổi nhiệt đối lưu
Là quá trình trao đổi nhiệt nhờ sự chuyển động (vĩ mô) của chất lỏng hoặc chất khí giữa những vùng có nhiệt độ khác nhau
Trao đổi nhiệt đối lưu luôn kèm theo dẫn nhiệt (nhưng không đáng kể) vì luôn có sự tiếp xúc giữa các phần tử có nhiệt độ khác nhau
Toả nhiệt đối lưu: là quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng hoặc chất khí chuyển động
2.2 Các nhân tố ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu
Những nhân tố ảnh hưởng đến chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí đều
* Nguyên nhân gây ra chuyển động:
- Chuyển động tự nhiên do chênh lệch mật độ Lực nâng P = g∆
- Chuyển động cưỡng bức do tác dụng của ngoại lực (bơm, quạt…) Trong chuyển động cưỡng bức luôn kèm theo chuyển động tự nhiên
* Chế độ chuyển động (phụ thuộc vào Re = l/ - [m/s]; l [m]; độ nhớt động học [m 2 /s])
- Chảy tầng (Re < 2300): quỹ đạo chuyển động của các phần tử song song với nhau
Chảy rối (Re > 2300) là hiện tượng mà quỹ đạo chuyển động của các phần tử chất lỏng không tuân theo quy luật nào Trong dòng chảy rối, luôn có một lớp đệm chảy tầng gần bề mặt của vách rắn, do sự ma sát giữa các phần tử chất lỏng và bề mặt rắn Độ dày của lớp đệm này phụ thuộc vào tốc độ chuyển động cũng như độ nhớt của chất lỏng.
* Tính chất vật lý của chất lỏng hay chất khí: , C, , a, độ nhớt động học
[m 2 /s], độ nhớt động lực học [Ns/m 2 ], hệ số giãn nở thể tích [1/K] Ta có quan hệ =
* Hình dạng, kích thước, vị trí bề mặt trao đổi nhiệt
2.3 Một số hình thức trao đổi nhiệt đối lưu thường gặp
Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên:
Là quá trình trao đổi nhiệt thực hiện khi chất lỏng hay chất khí chuyển động tự nhiên
Chuyển động tự nhiên được gây ra bởi sự chênh lệch mật độ giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau, và nó phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng hoặc khí cùng với độ chênh lệch nhiệt độ Hiện tượng đối lưu tự nhiên có thể xảy ra trong cả không gian vô hạn và hữu hạn.
- Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn:
Không gian vô hạn: đủ lớn để trong đó quá trình đốt nóng hoặc làm nguội chất lỏng hay chất khí xảy ra độc lập
- Đối lưu tự nhiên trong không gian hữa hạn:
Không gian hữu hạn: quá trình đốt nóng hoặc làm nguội chất lỏng hay chất khí có ảnh hưởng lẫn nhau
Các dạng không gian hữu hạn:
Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức:
Là quá trình trao đổi nhiệt thực hiện nhờ sự chuyển động cưỡng bức của chất lỏng hay khí
Các trường hợp trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức: Chảy trong ống; Chảy ngoài 1 ống; Chảy ngoài 1 chùm ống
2.4 Tỏa nhiệt khi sôi và khi ngưng hơi
2.4.1 Khái niệm chung Ở trên chúng ta đã nghiên cứu quá trình tỏa nhiệt của chất lỏng trong môi trường một pha, tức là không có sự biến đổi từ pha này sang pha khác trong quá trình trao đổi nhiệt
Trong kỹ thuật, quá trình trao đổi nhiệt thường đi kèm với biến đổi pha, như trong thiết bị ngưng tụ của hệ thống lạnh, nơi xảy ra sự chuyển từ pha hơi sang pha lỏng, và trong thiết bị bay hơi, nơi diễn ra quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi.
Trong thiết bị kỹ thuật ta thường gặp nhất là trao đổi nhiệt khi sôi và ngưng
Sôi là quá trình chuyển đổi từ pha lỏng sang pha hơi diễn ra trong toàn bộ khối chất lỏng Để xảy ra hiện tượng sôi, chất lỏng cần được gia nhiệt đến nhiệt độ tf lớn hơn nhiệt độ sôi ts tương ứng với áp suất sôi nhất định và phải có sự hình thành các tâm hóa hơi.
- Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt khi sôi:
Độ chênh nhiệt độ Δt = tf – ts có ảnh hưởng lớn đến khả năng hình thành bọt hơi; khi tf cao, bọt hơi sẽ hình thành nhiều hơn, làm tăng cường độ khuấy động của chất lỏng và cải thiện hiệu quả trao đổi nhiệt Ngược lại, những chất lỏng không dính ướt bề mặt thường dễ sôi bọt hơn.
+ Ảnh hưởng của áp suất: áp suất bão hòa càng cao thì hệ số trao đổi nhiệt đối lưu càng lớn do bọt hơi sinh nhiều
Sức căng bề mặt và độ nhớt của chất lỏng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình trao đổi nhiệt Cụ thể, khi sức căng bề mặt tăng lên, số tâm hóa hơi và cường độ tỏa nhiệt sẽ giảm Đồng thời, nếu độ nhớt của chất lỏng tăng, hệ số trao đổi nhiệt sẽ bị giảm theo.
+ Ảnh hưởng của trạng thái bề mặt đốt nóng: độ nhám bề mặt càng lớn thì tâm hóa hơi càng nhiều
+ Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động của chất lỏng và cách bố trí bề mặt đốt nóng
Ngưng là quá trình chuyển đổi từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng hoặc tinh thể, liên quan đến sự biến đổi pha Để quá trình ngưng diễn ra, nhiệt độ bề mặt vật rắn cần phải thấp hơn nhiệt độ bão hòa của hơi ở áp suất tương ứng, và trên bề mặt vật rắn phải có tâm ngưng tụ.
- Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt khi ngưng:
+ Ảnh hưởng của tốc độ và phương hướng lưu động của dòng hơi:
Trong trường hợp ngưng hơi trên ống đứng hoặc vách đứng, dòng hơi di chuyển theo phương trọng lực, dẫn đến bề dày màng nước ngưng giảm Điều này làm tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, cải thiện hiệu suất truyền nhiệt.
Khi dòng hơi di chuyển ngược với lực trọng trường, màng nước ngưng bị giữ lại, dẫn đến bề dày nước ngưng tăng và làm giảm hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Tuy nhiên, nếu tốc độ dòng hơi đủ lớn, màng nước sẽ bị bắn ra, giảm nhiệt trở và tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu.
Khí không ngưng lẫn trong hơi có ảnh hưởng lớn đến quá trình ngưng tụ, khi đó chỉ có lỏng ngưng tụ tại màng ngưng, trong khi khí không ngưng tích tụ phía trên ngăn cản sự tiếp xúc giữa hơi và bề mặt vách Điều này dẫn đến việc giảm đáng kể hiệu quả ngưng hơi và làm tăng áp suất nhanh chóng, gây nguy hiểm cho thiết bị Hơn nữa, quá trình ngưng hơi cũng phụ thuộc vào cách bố trí bề mặt ngưng.
Trạng thái và vật liệu bề mặt ngưng hơi có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất trao đổi nhiệt Cụ thể, trên các bề mặt nhám hoặc bề mặt được phủ lớp oxit, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu sẽ giảm khoảng một mức nhất định.
Trao đổi nhiệt bức xạ
3.1 Các khái niệm và định nghĩa
Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ
Tia nhiệt là loại bức xạ mà các vật thể hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng Quá trình phát sinh và truyền tải tia nhiệt được gọi là bức xạ nhiệt.
Quá trình bức xạ nhiệt là sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác, trong đó năng lượng của vật chuyển thành dao động điện từ và lan tỏa trong không gian với tốc độ ánh sáng Khi gặp vật khác, một phần hoặc toàn bộ năng lượng này được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng Phần năng lượng này sau đó có thể được phát lại dưới dạng sóng điện từ, tạo thành một chu trình liên tục Do đó, các vật luôn phát ra và hấp thụ năng lượng bức xạ từ các vật khác xung quanh.
Khi một hệ thống gồm các vật có nhiệt độ đồng nhất, nó sẽ ở trạng thái cân bằng nhiệt động Trong trạng thái này, các vật trong hệ không chỉ bức xạ năng lượng cho nhau mà còn hấp thụ năng lượng bức xạ từ nhau, với năng lượng bức xạ và năng lượng hấp thu luôn bằng nhau.
* Cường độ trao đổi nhiệt bức xạ phụ thuộc vào:
- Độ chênh nhiệt độ giữa các vật
- Nhiệt độ tuyệt đối của các vật
* Trao đổi nhiệt bức xạ giữa các vật còn có thể xảy ra trong chân không
3.2 Các dòng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa các vật
- Bức xạ nhiệt giữa hai mặt phẳng rộng vô hạn, đặt song song nhau:
- Bức xạ nhiệt giữa hai vật bọc nhau
3.3 Bức xạ của mặt trời (nắng)
Hầu hết năng lượng mặt trời bị phân tán vào không gian, chỉ một lượng nhỏ tiếp cận Trái Đất Bức xạ mặt trời thay đổi theo các yếu tố như vĩ độ, mùa, thời gian trong ngày và độ che phủ của mây.
Khi đi vào bầu khí quyển, bức xạ mặt trời sẽ bị:
Tán xạ ánh sáng chủ yếu xảy ra do các phân tử không khí, hơi nước, hạt nước và bụi Kết quả là khoảng 6% tia bức xạ bị phản xạ ra không gian, trong khi 20% tia bức xạ đến được bề mặt trái đất.
- Hấp thụ bởi các phân tử ozone (ở độ cao trên 40km, khoảng 3% các tia bức xạ đến từ Mặt trời, chủ yếu trong vùng tia cực tím)
- Hấp thụ bởi hơi nước (ở độ cao thấp hơn, khoảng 14% các tia bức xạ đến từ Mặt trời, chủ yếu trong vùng lân cận tia hồng ngoại)
- Khả năng hấp thụ các tia bức xạ bởi mây, CO2 và oxygen rất nhỏ.
Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt
Trong các phần trước, chúng ta đã nghiên cứu riêng từng phương thức truyền nhiệt như dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Tuy nhiên, thực tế cho thấy nhiều quá trình là sự kết hợp của hai hoặc cả ba phương thức này, và chúng có sự tác động qua lại lẫn nhau.
Trong tính toán thực tế, người ta thường tập trung vào ảnh hưởng chính đối với quá trình, trong khi các ảnh hưởng phụ khác có thể được điều chỉnh thông qua một hệ số hiệu chỉnh.
Trong quá trình truyền nhiệt trong vật liệu xốp, dẫn nhiệt là yếu tố chính, trong khi bức xạ và đối lưu có thể được cải thiện bằng cách tăng hệ số dẫn nhiệt Đối với quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt rắn và chất lỏng, trao đổi nhiệt đối lưu thường được xem là phương thức chủ yếu, với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu có thể được bổ sung thêm từ bức xạ.
Truyền nhiệt qua vách là quá trình nghiên cứu sự chuyển giao nhiệt lượng giữa hai lưu chất thông qua một bề mặt rắn ngăn cách Quá trình này phụ thuộc vào sự kết hợp của các phương thức truyền nhiệt cơ bản, ảnh hưởng đến hiệu quả trao đổi nhiệt giữa các lưu chất.
4.3 Truyền nhiệt qua vách phẳng và vách trụ
- Truyền nhiệt qua vách phẳng
- Truyền nhiệt qua vách trụ
Hình 3.4: Quá trình tuyền nhiệt qua vách phẳng và vách trụ
Cũng tương tự như truyền nhiệt qua vách phẳng, vách trụ nhiều lớp người làm ra thường không có cánh
4.4 Truyền nhiệt qua vách có cánh
Cánh thường làm cho vách 1 lớp và cánh làm về phía có α bé hơn
Hình 3.5: Vách có làm cánh
Để giảm cường độ truyền nhiệt, người ta thường cách nhiệt mặt vách bằng cách bọc nó bằng nhiều lớp vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp (λ nhỏ) Ngược lại, khi muốn tăng cường độ truyền nhiệt, có thể sử dụng cánh phía có hệ số hấp thụ nhiệt nhỏ (α bé), như ở phía chất khí Hai phương pháp này có tác dụng trái ngược nhau, vì vậy không ai sử dụng cánh trên vách nhiều lớp.
4.5 Tăng cường truyền nhiệt và cách nhiệt
Khi giải quyết các vấn đề thực tế về truyền nhiệt, một số trường hợp cần tăng cường truyền nhiệt và một số trường hợp yêu cầu ngược lại
Để tăng cường sự truyền nhiệt, có thể giảm chiều dày của vách và tăng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu nhằm giảm nhiệt trở Việc tăng cường sự nhiễu loạn và tăng tốc độ chuyển động của lưu chất sẽ giúp nâng cao độ tỏa nhiệt Trong quá trình sôi, cần áp dụng các biện pháp tăng cường nhiễu loạn và làm sạch bề mặt để cải thiện truyền nhiệt Cuối cùng, trên bề mặt bức xạ nhiệt, có thể tìm cách tăng độ đen và nhiệt độ để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ.
Để giảm sự truyền nhiệt, cần tăng cường khả năng cách nhiệt bằng cách bọc thêm một lớp vật liệu cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt thấp Lớp vật liệu này giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh Việc lựa chọn vật liệu cách nhiệt phù hợp cần dựa trên các yếu tố kỹ thuật, kinh tế và an toàn vệ sinh.
4.6 Thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là một thiết bị quan trọng thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa các chất mang nhiệt, chủ yếu là chất lỏng, khí hoặc hơi.
Theo đặc điểm trao đổi nhiệt, Thiết bị Trao đổi nhiêt được chia ra 3 loại: loại vách ngăn, loại hồi nhiệt và loại hỗn hợp
Thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn là hệ thống trong đó chất lỏng nóng (CL1) và chất lỏng lạnh (CL2) hoàn toàn tách biệt nhau bằng bề mặt vách hoặc ống rắn Quá trình trao đổi nhiệt giữa hai chất lỏng này diễn ra thông qua phương pháp truyền nhiệt, đảm bảo hiệu quả trong việc chuyển giao nhiệt năng.
Thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt sử dụng vách quay để tiếp xúc liên tục với các chất lỏng CL1 và CL2 Quá trình này tạo ra sự trao đổi nhiệt không ổn định, khiến nhiệt độ trong vách luôn dao động theo chu kỳ quay.
Thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp cho phép chất lỏng nóng tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng lạnh, tạo điều kiện cho quá trình trao đổi nhiệt diễn ra liên tục và hiệu quả giữa hai chất này.
Việc cách ly hoàn toàn chất cần gia công với chất tải nhiệt là yêu cầu phổ biến trong nhiều quy trình công nghệ, vì vậy thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất.
3.1 Trình bày các khái niệm, định nghĩa, bản chất dẫn nhiệt, truyền nhiệt?
3.2 Trình bày các quá trình trao đổi nhiệt và chức năng của các thiết bị trao đổi nhiệt?
3.3 Nêu khái niệm, phân loại và các dạng trao đổi nhiệt?
3.4 Trình bày định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt?
CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH
Làm lạnh, cách nhiệt, nhiệt tải
Quá trình thải nhiệt từ một vật hoặc không gian ra môi trường bên ngoài là một hiện tượng tự nhiên, trong đó nhiệt chỉ truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp hơn Ví dụ, nhiệt từ cốc nước nóng sẽ truyền ra không khí, trong khi không khí sẽ truyền nhiệt vào cốc nước đá Để hạ nhiệt độ của một vật xuống dưới nhiệt độ môi trường, cần tiêu tốn một lượng năng lượng Các chu trình và thiết bị cho phép thải nhiệt từ vật ra môi trường có nhiệt độ cao hơn được gọi là làm lạnh nhân tạo.
Để duy trì độ lạnh cho một vật hoặc một không gian, việc bọc cách nhiệt là cần thiết, vì có sự truyền nhiệt từ môi trường nóng sang môi trường lạnh Dòng nhiệt này càng lớn, vật sẽ mất lạnh càng nhanh Mức độ dòng nhiệt phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường nóng và lạnh, cũng như vào tính chất của vật liệu cách nhiệt được sử dụng.
Nhiệt tải là tổng lượng nhiệt cần thiết để làm lạnh một vật hoặc buồng bảo quản xuống nhiệt độ mong muốn và duy trì nhiệt độ đó Để đạt được điều này, cần có một máy lạnh với năng suất đủ lớn để loại bỏ toàn bộ nhiệt tổn thất qua cách nhiệt, nhiệt do sản phẩm tỏa ra, ánh sáng từ đèn và các nguyên nhân khác.
Môi chất lạnh và chất tải lạnh
2.1 Các môi chất lạnh thường dùng trong kỹ thuật lạnh
Môi chất lạnh, hay còn gọi là tác nhân lạnh, là chất môi giới trong chu trình nhiệt động ngược chiều, giúp thu nhiệt từ môi trường có nhiệt độ thấp và thải nhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao hơn Trong hệ thống lạnh, môi chất tuần hoàn thông qua quá trình nén Ở máy lạnh nén khí, môi chất lạnh luôn ở thể khí, trong khi ở máy lạnh nén hơi, quá trình thu nhiệt diễn ra qua bay hơi ở áp suất và nhiệt độ thấp, còn quá trình thải nhiệt diễn ra qua ngưng tụ ở áp suất và nhiệt độ cao Quá trình nén tăng áp suất, trong khi quá trình tiết lưu hoặc giãn nở lỏng giúp giảm áp suất.
2.1.2 Yêu cầu đối với môi chất lạnh
Chu trình ngược của hệ thống thiết bị yêu cầu môi chất phải có những tính chất hóa học, vật lý và nhiệt động phù hợp với điều kiện vận hành.
- Môi chất cần bền vững về mặt hoá học trong phạm vi áp suất và nhiệt độ làm việc, không được phân huỷ, không được polyme hoá
- Môi chất phải trơ, không ăn mòn các vật liệu chể tạo máy, dầu bôi trơn, oxi hoá trong không khí và hơi ẩm
- An toàn, không dễ cháy và dễ nổ
Áp suất ngưng tụ cần được duy trì ở mức hợp lý, vì nếu quá cao sẽ dẫn đến yêu cầu về độ bền của chi tiết tăng lên, làm cho vách thiết bị dày hơn và dễ gây ra rò rỉ môi chất.
Áp suất bay hơi cần phải được duy trì ở mức cao hơn áp suất khí quyển để đảm bảo rằng hệ thống không bị chân không, từ đó ngăn chặn tình trạng rò rỉ không khí vào bên trong.
- Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi nhiều, và nhiệt độ tới hạn phải cao hơn nhiệt độ ngưng tụ nhiều
Nhiệt ẩn hoá hơi và nhiệt dung riêng của môi chất lỏng nên có giá trị lớn, nhưng không phải là yếu tố chính để đánh giá chất lượng của môi chất Khi nhiệt ẩm hoá hơi cao, lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống sẽ giảm, dẫn đến năng suất lạnh riêng khối lượng tăng lên.
- Năng suất lạnh riêng thể tích càng lớn càng tốt, máy nén và các thiết bị sẽ gọn nhẹ
- Độ nhớt động càng nhỏ càng tốt để giảm tổn thất áp suất trên đường ống và cửa van
- Hệ số dẫn nhiệt , toả nhiệt càng lớn càng tốt, vì thiết bị trao đổi nhiệt gọn hơn
Môi chất hòa tan dầu hoàn toàn mang lại nhiều ưu điểm so với môi chất không hòa tan hoặc hòa tan dầu hạn chế, nhờ vào khả năng bôi trơn tốt hơn Điều này giúp thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động hiệu quả hơn mà không bị lớp dầu bao phủ làm cản trở quá trình trao đổi nhiệt Tuy nhiên, một nhược điểm của loại môi chất này là nó có thể làm tăng nhiệt độ bay hơi và giảm độ nhớt của dầu.
- Khả năng hoà tan nước của môi chất càng lớn càng tốt để tránh tắc ẩm cho bộ phận tiết lưu
- Không được dẫn điện để có thể sử đụng cho máy nén kín và nửa kín
Sản phẩm phải đảm bảo không độc hại, không gây ra phản ứng có hại cho hệ hô hấp, và không sinh ra khí độc khi tiếp xúc với lửa hàn cũng như các vật liệu chế tạo máy.
Để dễ dàng phát hiện rò rỉ, môi chất lạnh cần có mùi đặc biệt Nếu môi chất lạnh không có mùi, có thể pha thêm chất tạo mùi mà không ảnh hưởng đến chu trình hoạt động của máy lạnh.
- Môi chất không được ảnh hưởng xấu đến chất lượng các sản phẩm bảo quản
- Giá thành phải hạ tuy độ tinh khiết phải đạt yêu cầu
- Dễ kiếm, nghĩa là môi chất được sản xuất công nghiệp, vận chuyển, bảo quản dễ dàng
Lưu ý: Không có môi chất lạnh lí tưởng đáp ứng đầy đủ yêu cầu đã nêu
2.1.3 Ký hiệu các môi chất lạnh
Ký hiệu của các môi chất lạnh thường được ký hiệu bằng chữ R (Tiếng Anh:
Refrigerant là môi chất lạnh), sau đó là 3 chữ số
Các frêon là các chất hữu cơ no hoặc chưa no mà các Hydro (H2) được thay thế một phần hay toàn bộ bằng các nguyên tử Cl, Br hay F
- Nếu có thêm thành phần Brôm thì sau các chữ số có thêm ký hiệu B (Brôm) và số lượng nguyên tử brôm như B2, B3
- Nếu chữ số đầu tiên (Nguyên tử cacbon -1) = 0 thì không cần viết Đó là trường hợp dẫn xuất của Mêtan (R11, R12, R13, R14)
Ví dụ 1: môi chất có công thức hoá học CCl2F2 Tìm ký hiệu
Số thứ nhất: số nguyên tử C –1 = 1-1 = 0
Số thứ 2 : số nguyên tử H +1 = 0+1 = 1
Số thứ 3 : số nguyên tử F =2
Vậy môi chất có ký hiệu : R012 hoặc R12
Ví dụ 2: môi chất có công thức hoá học CHClF2 Tìm ký hiệu
Số thứ nhất: số nguyên tử C –1 = 1-1 = 0
Số thứ 2 : số nguyên tử H +1 = 1+1 = 2
Số thứ 3 : số nguyên tử F =2
Vậy môi chất có ký hiệu: R022 hoặc R22
Ví dụ 3 : môi chất có kí hiệu R114 tìm công thức hoá học của môi chất đó
Số thứ nhất: số nguyên tử C –1 = 1 C =2
Số thứ 2 : số nguyên tử H + 1 = 1 H = 0
Số thứ 3 : số nguyên tử F = 4
Vậy môi chất có công thức hoá học: C2Cl2F4
Số lượng nguyên tử Cl xác định được nhờ hoá trị còn lại của nguyên tử từ Cacbon:
Các môi chất vô cơ
Công thức hoá học của môi chất vô cơ thường đơn giản, do đó ít khi sử dụng ký hiệu Tuy nhiên, một số quốc gia quy định ký hiệu cho các môi chất vô cơ, bắt đầu bằng chữ R, tiếp theo là số 7 để chỉ loại môi chất này Sau số 7, hai chữ số sẽ được ghi để thể hiện phân tử lượng làm tròn của chất.
Ví dụ: R717 là NH3 và R718 là H2O, R729 là không khí Các chất có cùng phân tử lượng phải có dấu hiệu phân biệt như R744 là CO2 còn R744A là N20
2.1.4 Các môi chất lạnh thường dùng
Các môi chất lạnh như C4H10O và C2H6O, mặc dù được ứng dụng trong thời kỳ đầu, nhưng tính dễ nổ và dễ cháy của chúng đã cản trở sự phát triển của công nghệ lạnh trong một thời gian dài.
Năm 1874, Pictet ở Pháp đã áp dụng SO2, trong khi Linde ở Đức sử dụng NH3 cho máy lạnh nén hơi, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong sự phát triển của kỹ thuật lạnh.
Từ năm 1920, các môi chất như Etylen, Prôpan, Izobutan và clomêtan đã được nghiên cứu ứng dụng, tiếp theo là các hydrocarbon gốc halogen, trong đó nguyên tử hydro được thay thế một phần hoặc hoàn toàn bằng flo, clo và brom Khí freôn R12 (CCl2F2) đã trở thành một thành phần quan trọng trong kỹ thuật lạnh từ những năm 1930, trong khi các nước dần cấm sử dụng các môi chất dễ cháy như cloruamêtan (CH3Cl) và sunfua đioxit (SO2) Việc ứng dụng R12 và R22 đã đánh dấu một bước phát triển quan trọng trong các loại máy lạnh nhỏ như tủ lạnh gia đình và máy điều hòa nhiệt độ, với tính chất không độc, không cháy và không gây nổ, khiến chúng được gọi là môi chất lạnh an toàn.
Hình 4.1 : Hình ảnh bình Gas R12
R12 là chất khí không màu, có mùi nhẹ, nặng hơn không khí, nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển là -29.8 o C
Năng suất lạnh riêng thể tích nhỏ của amôniăc, khoảng 60% so với R12, dẫn đến lưu lượng tuần hoàn lớn hơn, làm cho amôniăc chỉ phù hợp với hệ thống có công suất nhỏ như tủ lạnh gia đình Mặc dù R12 có khả năng rửa sạch cặn bẩn, cát bụi và gỉ sắt trên thành máy nén, việc bố trí phin lọc cẩn thận là cần thiết để ngăn ngừa tắc nghẽn do bụi bẩn, ẩm ướt và dầu Do đó, quy trình làm sạch, sấy và hút chân không trong hệ thống lạnh kín R12 rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
R12 không ăn mòn kim loại, không làm biến chất sản phẩm bảo quản
R12 bắt đầu phân huỷ ở nhiệt độ 540 - 565 0 C, khi tiếp xúc với sắt nung đỏ mờ
(550 0 C), khi có tia lửa điện hoặc ngọn lửa hở phân huỷ thành clo và phosgen rất độc
R12 không độc đối với cơ thể sống, không gây cháy và gây nổ nên được coi là một môi chất lạnh an toàn
Do tác động tiêu cực đến tầng ozôn, R12 đã bị cấm sử dụng từ năm 1996 cho các hệ thống lạnh có dung tích trên 5Kg và ngừng sản xuất từ năm 1999 Tuy nhiên, do nhiều thiết bị vẫn còn hoạt động với R12, thời hạn sử dụng đã được gia hạn thêm 10 năm cho các nước đang phát triển Hiện nay, lượng R12 trên thị trường ngày càng giảm, chủ yếu chỉ còn được sử dụng trong các tủ lạnh gia dụng cũ.
Hình 4.2: Hình ảnh bình Gas R134a
R134a là môi chất lạnh không chứa Clo, dùng thay thế cho R12 nhưng vẫn gây hiệu ứng lồng kính, vì vậy R134a cũng chỉ là môi chất lạnh quá độ
R134a có nhiều đặc điểm tương tự như R12, nhưng nổi bật với tính năng không cháy nổ và không độc hại, không gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Ngoài ra, R134a cũng bền vững về mặt hóa học và nhiệt, không gây ăn mòn cho kim loại và phi kim loại, đồng thời có tính chất nhiệt lạnh phù hợp.
R134a dùng để thay thế R12 ở dải nhiệt độ cao còn ở dải nhiệt độ thấp (dưới -23 0 C) thì không nên dùng vì hiệu suất giảm đến 20 - 30% so với R12
Các phương pháp làm lạnh và bảo quản lạnh
3.1 Các phương pháp làm lạnh
3.1.1 Làm lạnh bằng quá trình biến đổi pha (bay hơi chất lỏng):
Trong quá trình biến đổi pha của vật chất, hiện tượng tỏa nhiệt và thu nhiệt diễn ra, và trong kỹ thuật lạnh, các hiện tượng này được ứng dụng để làm lạnh Cụ thể, tỏa nhiệt xảy ra ở dàn nóng qua quá trình ngưng tụ, trong khi bay hơi tại dàn lạnh giúp tạo ra hiệu ứng làm lạnh.
Khi tắm xong và đứng trước quạt, cảm giác mát lạnh xuất hiện do nước bay hơi trên bề mặt da, giúp thu nhiệt từ cơ thể và mang lại sự thoải mái.
Hoá lỏng hoặc thăng hoa vật rắn để làm lạnh là phương pháp chuyển pha của các chất như nước đá và đá khô
Nước đá tan ở 0 0 C thu một nhiệt lượng 333 kJ/kg Đá khô là CO2 ở thể rắn khi chuyển từ dạng rắn qua dạng hơi thu 1 nhiệt lượng 572,2 kJ/kg (-78,5 0 C)
3.1.2 Làm lạnh bằng quá trình giản nở đoạn nhiệt:
Khi 1 chất lỏng hay 1 chất khí thực hiện 1 quá trình giản nở thì áp suất sẽ bị giảm kèm theo hiện tượng giảm nhiệt độ (trong điều kiện không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh) Ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển ngành lạnh, người ta dùng xylanh giãn nở thay vì dùng van tiết lưu
3.1.3 Làm lạnh bằng hiệu ứng tiết lưu:
Khi 1 chất khí hoặc lỏng thực hiện quá trình tiết lưu bằng cách bị dẫn qua 1 cửa nghẽn hoặc 1 khe hở nhỏ thì áp suất và nhiệt độ sẽ bị giảm và có khả năng sinh lạnh, người ta áp dụng hiệu ứng này để làm van tiết lưu hay cáp phục vụ cho kỹ thuật lạnh
Hình 4.8: Tiết lưu không sinh ngoại công của một dòng môi chất
Quá trình tiết lưu diễn ra khi áp suất giảm do ma sát, không sinh ra công ngoại, khi môi chất di chuyển qua các khu vực có trở lực cục bộ đột ngột.
3.1.4 Làm lạnh bằng hiệu ứng xoáy
Dẫn 1 dòng khí được nén lên áp suất cao đi vào 1 ống hình trụ theo phương tiếp tuyến Dòng khí chuyển động tạo thành dòng xoáy Do có chuyển động xoáy bên trong, ống sẽ phân làm 2 dòng, dòng phía ngoài chuyển động nhanh có nhiệt độ cao, dòng phía trong chuyển động chậm có nhiệt độ thấp, điều này được giải thích là do vận tốc ra cân bằng nên có xu hướng truyền năng lượng từ dòng trong ra dòng ngoài
3.1.5 Làm lạnh bằng hiệu ứng nhiệt điện
Hiệu ứng Peltier, hay còn gọi là hiệu ứng nhiệt điện, xảy ra khi dòng điện đi qua một mạch kín gồm hai kim loại khác nhau Trong quá trình này, một đầu nối sẽ tỏa nhiệt trong khi đầu còn lại hấp thụ nhiệt.
Hoặc cho dòng điện 1 chiều đi qua 2 miếng kim loại đặt tiếp giáp nhau thì tại
2 bề mặt tiếp giáp đó: 1 bề nóng lên và 1 bề lạnh đi
Trong công nghiệp ngày nay, người ta dùng những tấm kim loại có hệ số dẫn nhiệt lớn và các chất bán dẫn thích hợp
Ví dụ: được sử dụng để làm trong máy nước nóng lạnh công suất nhỏ
3.1.6 Làm lạnh bằng hiệu ứng từ
Khi cho 1 vật đặt trong 1 từ trường được cắt nạp theo 1 chu kỳ nhất định thì vật đó sẽ sinh lạnh
3.1.7 Phương pháp hòa trộn lạnh
Cách đây 2000 năm, người Trung Quốc và Ấn Độ đã biết làm lạnh bằng cách hòa trộn muối và nước
Khi hòa trộn 31g NaNO3 và 31g NH4Cl với 100g nước ở nhiệt độ 10°C, nhiệt độ hỗn hợp sẽ giảm xuống còn -12°C Tương tự, nếu hòa trộn 200g CaCl2 với 100g nước đá vụn, nhiệt độ sẽ giảm từ 0°C xuống -42°C.
Ngày nay người ta vẫn sử dụng nước đá muối để ướp cá mới đánh bắt khi cần bảo quản cá ở nhiệt độ dưới 0 0 C
3.2 Các phương pháp bảo quản lạnh
3.2.1 Bảo quản lạnh bằng nước đá:
Bằng cách sử dụng một vỏ cách nhiệt đơn giản và đặt nó vào trong một cục nước đá, chúng ta có thể tạo ra một buồng lạnh cơ bản với nhiệt độ thấp hơn so với môi trường xung quanh.
Hình 4.9 Tủ lạnh làm bằng nước đá
1- cục nước đá; 2- vỏ cách nhiệt; 3- ống dẫn nước thải; 4- tủ lạnh
Nước đá tan ở nhiệt độ 0°C, trong khi mỗi kg nước đá thu lượng nhiệt lên đến 80 kcal Đá khô (CO2 ở thể rắn) có nhiệt độ thăng hoa đạt -78,9°C, cho phép hạ nhiệt độ trong tủ bảo quản gần đến mức này Năng suất lạnh của 1 kg đá khô khi thăng hoa là 572 kJ (136 kcal), và khi nhiệt độ tăng đến 0°C, nó thu thêm 55 kJ (14 kcal).
3.2.2 Bảo quản lạnh bằng bay hơi chất lỏng
Chất lỏng bay hơi luôn luôn gắn liền với sự thu nhiệt Một kg nước ở 100 0 C chuyển từ dạng lỏng sang dạng hơi thu một nhiệt lượng là 539 kcal
Dưới áp suất khí quyền freôn R12 có nhiệt độ sôi là - 29,8 0 C, freôn R22 có nhiệt độ sôi là - 40,9 0 C và amôniắc có nhiệt độ sôi là - 33,4 0 C, nitơ lỏng có nhiệt
2 độ sôi - 196 0 C Những chất lỏng trên bắn vào người, có thể gây bỏng lạnh Butan (C4H10) có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển là - 0,4 0 C
Hình 4.10 Tủ lạnh làm bằng môi chất lỏng freôn R12
1- Lỏng R12 sôi ở áp suất khí quyển; 2- bình bay hơi; 3- ống thông hơi Thay thế cục nước đá ở hình 1 bằng một bình chứa đầy chất lỏng R12, và cho bay hơi vào khí quyển ta sẽ có một tủ làm lạnh bằng môi chất lỏng R12 bay hơi Nhiệt độ sôi đạt - 29,8 0 C (hình 1.10)
Lắp đặt một van trên đường thông hơi cho phép kiểm soát áp suất trong bình bay hơi, từ đó tạo ra nhiệt độ lạnh theo ý muốn Chẳng hạn, duy trì áp suất P = 0,3086MPa sẽ tương ứng với nhiệt độ bay hơi 0°C, trong khi sử dụng máy hút chân không để duy trì áp suất ở 0,0087MPa sẽ đạt được nhiệt độ -75°C.
Hình 4.11 Tủ lạnh làm bằng môi chất R12 bay hơi ở áp suất cao
0,3086MPa (3,1at) và nhiệt độ cao 0 0 C
1- van khống chế áp suất; 2- hơi môi chất; 3- lỏng môi chất;
Hình 4.12 Tủ lạnh làm bằng R12 bay hơi ở áp suất chân không cao 8,79KPa (0,085at) và nhiệt độ thấp -75 0 C
3.2.3 Giải pháp giữ mức chất lỏng không đổi trong bình bay hơi: Để giữ nhiệt độ không đổi trong tủ, cần phải duy trì mức chất lỏng không đổi trong bình bay hơi Hình 1.13 biểu diễn một phương pháp giữ mức chất lỏng không đổi bằng van phao Cấp lỏng cho dàn bay hơi từ một bình chứa môi chất lỏng
Hình 4.13 Giữ mức chất lỏng không đổi trong bình bay hơi
1- phao; 2- bình chứa môi chất lỏng có áp suất cao;
3- van phao; 4- bình bay hơi; 5 bơm hơi (bơm chân không)
Máy hút chân không 6 (hình 1.12) dùng để duy trì áp suất không đổi trong bình bay hơi
Van tiết lưu nhiệt lắp ở dàn bay hơi hoạt động tương tự như van phao trong bình bay hơi Nó được trang bị bộ phận cảm nhiệt ở cuối dàn, kết hợp với bộ phận điều chỉnh tự động, giúp duy trì hiệu suất hoạt động ổn định và hiệu quả.
Áp suất 8,79 KPa và nhiệt độ -75 °C là điều kiện lý tưởng để môi chất lỏng phun vào các ống xoắn, đảm bảo rằng trong các ống này có sự hiện diện của cả hơi và lỏng Đặc biệt, đoạn ống cuối cùng chỉ chứa hơi.
Hình 4.14 Dàn bay hơi ống xoắn với phương pháp cấp lỏng nhờ van tiết lưu nhiệt
1- van tiết lưu nhiệt; 2- bình chứa môi chất lỏng có áp suất cao; 3- hỗn hợp hơi và lỏng có áp suất thấp; 4- bơm hơi; 5- hơi có áp suất thấp.
Các hệ thống lạnh thông dụng
4.1 Hệ thống lạnh với một cấp nén đơn giản
Sơ đồ 1 cấp nén đơn giản, hay còn gọi là chu trình khô, là quá trình trong đó hơi hút vào máy nén là hơi bảo hoà khô.
TBBH: Thiết bị bay hơi TBNT: Thiết bị ngưng tụ MN: Máy nén
Hơi bão hòa khô sau TBBH được máy nén hút và nén thành hơi quá nhiệt cao áp, sau đó đẩy vào TBNT Tại đây, hơi quá nhiệt thải nhiệt cho môi trường làm mát và ngưng tụ thành lỏng cao áp Lỏng này qua van tiết lưu chuyển đổi thành hơi bão hòa ẩm hạ áp, rồi vào TBBH Tại TBBH, hơi hạ áp nhận nhiệt từ môi trường cần làm lạnh, sôi và hóa hơi Hơi sau TBBH lại được máy nén hút về, tiếp tục chu trình.
4.2 Hệ thống lạnh với hai cấp nén 1 tiết lưu làm mát trung gian không hoàn toàn
Chu trình 2 cấp với 1 tiết lưu và làm mát trung gian không hoàn toàn sử dụng hơi bão hòa khô hút vào máy nén Quá trình nén trong chu trình này được chia thành 2 cấp, trong đó hơi sinh ra từ máy nén hạ áp sẽ được làm mát trung gian.
Hình 4.16 : Sơ đồ nguyên lý
Sau khi ra khỏi máy nén hạ áp, hơi bão hòa khô có thông số trạng thái tại 1 được nén thành hơi quá nhiệt trung gian Hơi quá nhiệt này sau đó được đưa vào thiết bị làm mát trung gian, nơi môi chất nhả nhiệt cho môi trường làm mát không hoàn toàn Tiếp theo, hơi quá nhiệt trung áp được máy nén cao áp hút về nén thành hơi quá nhiệt cao áp, và được đẩy vào thiết bị bay hơi nhiệt (TBNT) Tại TBNT, hơi quá nhiệt cao áp thải nhiệt cho môi trường làm mát và ngưng tụ đẳng áp thành lỏng cao áp Cuối cùng, lỏng cao áp đi qua van tiết lưu, chuyển đổi thành hơi bão hòa ẩm.
TBBH: Thiết bị bay hơi TBNT: Thiết bị ngưng tụ MN: Máy nén
NCA (nén cao áp) và NHA (nén hạ áp) là hai quá trình quan trọng trong hệ thống làm lạnh Van tiết lưu (VTL) hạ áp dẫn hơi vào thiết bị bay hơi (TBBH), nơi hơi hạ áp nhận nhiệt từ môi trường để diễn ra quá trình sôi và hóa hơi đẳng áp Sau khi qua TBBH, hơi tiếp tục được máy nén hút về, tạo thành chu trình liên tục trong hệ thống làm lạnh.
4.3 Một số hệ thống lạnh khác
4.3.1 Hệ thống lạnh với một cấp nén có hồi nhiệt
Chu trình hồi nhiệt là quá trình sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt để làm nóng môi chất lỏng trước khi vào van tiết lưu, đồng thời làm lạnh hơi trước khi trở về máy nén.
Hình 4.17: Chu trình hồi nhiệt
Máy nén hút khí trong quá trình 1-2 diễn ra theo đường đẳng entropy, dẫn đến việc nén đoạn nhiệt và tạo ra hơi quá nhiệt cao áp với thông số trạng thái 1.
Trong quá trình hoạt động của TBNT, hơi cao áp nhả nhiệt cho môi trường, làm mát và chuyển đổi thành lỏng cao áp Lỏng cao áp sau đó đi đến thiết bị hồi nhiệt (HN), nơi nó nhả nhiệt cho hơi từ TBBH để trở thành lỏng quá lạnh Lỏng này tiếp tục đi qua van tiết lưu, biến đổi thành hơi bão hòa ẩm hạ áp trước khi vào TBBH Tại TBBH, môi chất nhận nhiệt từ môi trường làm lạnh, sôi và hóa hơi thành hơi với thông số trạng thái mới Hơi này sau đó trở lại thiết bị HN, nơi nó nhận nhiệt từ lỏng sau TBNT, trở thành hơi quá nhiệt và được máy nén hút vào, tiếp tục chu trình.
4.3.2 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu làm mát trung gian không hoàn toàn
Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý
Sau khi máy nén hạ áp hút hơi tại trạng thái 1, quá trình nén diễn ra theo nhiệt – đẳng entropy, tạo ra hơi quá nhiệt trung gian ở trạng thái 2 Hơi này được đưa vào thiết bị làm mát trung gian, nơi nhả nhiệt cho môi trường làm mát trong quá trình 2-3 Khi ra khỏi thiết bị, hơi quá nhiệt trung gian tại trạng thái 3 hòa trộn với hơi từ bình trung gian, tạo thành hỗn hợp hơi ở trạng thái 4 Hơi tại trạng thái 4 được máy nén cao áp hút vào, nén thành hơi quá nhiệt cao áp và đẩy vào TBNT Tại TBNT, hơi quá nhiệt cao áp nhả nhiệt cho môi trường làm mát, ngưng tụ thành lỏng cao áp ở trạng thái 6 Lỏng này qua VTL 1 tiết lưu đến trạng thái 7, phần hơi sinh ra sau VTL 1 với trạng thái 8 được đưa trở lại đầu hút máy nén cao áp Phần lỏng với trạng thái 9 qua VTL 2 tiết lưu thành hơi bão hòa ẩm với nhiệt độ áp suất thấp, đưa vào TBBH Tại TBBH, môi chất nhận nhiệt từ môi trường cần làm lạnh, sôi và hóa hơi thành hơi ở trạng thái 1, tiếp tục chu trình.
4.3.3 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn
Nhược điểm lớn nhất của chu trình 2 cấp làm mát trung gian là hơi hút vào máy nén chưa đạt trạng thái bão hòa khô, dẫn đến công nén không giảm tối đa và nhiệt độ cuối tầm nén vẫn cao Để khắc phục vấn đề này, người ta đã áp dụng phương pháp sục thẳng hơi quá nhiệt trung gian vào bình trung gian, nhằm hoàn thiện quá trình làm mát hơi nén hạ áp sau khi đi qua thiết bị làm mát trung gian.
Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý
Sau khi máy nén hạ áp hút hơi tại trạng thái 1, quá trình nén diễn ra theo nhiệt đẳng entropy, tạo ra hơi quá nhiệt trung gian ở trạng thái 2 Hơi này được đưa vào thiết bị làm mát trung gian, nơi nó nhả nhiệt cho môi trường làm mát trong quá trình 2-3 Hơi sau thiết bị làm mát ở trạng thái 3 được dẫn vào bình trung gian, tại đây một phần hơi sẽ chuyển thành lỏng sau khi thu nhiệt bay hơi, đạt trạng thái bão hòa khô tương ứng với thông số trạng thái 8 Tiếp theo, hơi từ bình trung gian được máy nén cao áp hút vào, nén thành hơi quá nhiệt cao áp và đẩy vào TBNT Tại TBNT, hơi quá nhiệt cao áp nhả nhiệt cho môi trường làm mát, ngưng tụ thành lỏng cao áp ở trạng thái 6 Lỏng này qua VTL 1 tiết lưu đến trạng thái 7 và đổ vào bình trung gian Phần hơi sinh ra sau VTL 1 với thông số trạng thái 8 cùng với phần lỏng bay hơi được đưa trở lại đầu hút của máy nén cao áp Cuối cùng, phần lỏng ở trạng thái 9 đi qua VTL 2 tiết lưu thành hơi bão hòa ẩm, tiếp tục quá trình làm lạnh và hóa hơi trở lại trạng thái 1, chu trình lặp lại liên tục.
4.3.4 Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn, bình trung gian ống xoắn
Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý
Chu trình cơ bản giống chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu làm mát trung gian hoàn toàn
Sự khác biệt cơ bản là dòng môi chất từ TBNT đi ra chia làm 2 nhánh:
Nhánh 1: qua VTL 1 tiết lưu thành hơi bão hòa ẩm trung gian đổ vào bình trung gian ống xoắn Hơi sinh ra sau VTL 1 cùng với lượng lỏng bay hơi để làm mát hơi từ máy nén hạ áp đến và lượng lỏng bay hơi để quá lạnh lỏng cao áp với thông số trạng thái 8 được đưa trở lại đầu hút máy nén cao áp
Nhánh 2: phần lớn lượng môi chất qua nhánh này đi qua ống xoắn trong bình trung gian và được làm quá lạnh trước khi qua VTL2 tiết lưu thành hơi bão hòa ẩm có nhiệt độ áp suất thấp đưa vào TBBH
4.1 Nêu tính chất của các môi chất lạnh R22, R32, R134a, R410a, R600a và NH4? 4.2 Nêu các phương pháp làm lạnh nhân tạo?
4.3 Trình bày được nguyên lý làm việc của các hệ thống lạnh thông dụng?
