a/ Khái niệm
Chu trình được gọi là quá lạnh khi nhiệt độ của môi chất lỏng trước khi đi vào van tiết lưu nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ (tk) và gọi là chu trình quá nhiệt khi nhiệt độ hơi hút về máy nén lớn hơn nhiệt độ bay hơi( to ). Trạng thái của hơi hút nằm trong vùng hơi quá nhiệt.
Để khắc phục các mặt hạn chế của chu trình khô (mất đi phần công giãn nở do việc thay xylanh giãn nở bằng van tiết lưu) và tăng nhiệt độ của môi chất cuối quá trình nén ở tỉ số nén đã cho, người ta tiến hành làm lạnh môi chất trước khi vào van tiết lưu(quá lạnh) và quá nhiệt cho môi chất trước khi được hút vào máy nén.
* Quá trình quá lạnh môi chất
Nguyên nhân quá lạnh có thể do:
- Có bố trí thiết bị quá lạnh lỏng sau thiết bị ngưng tụ.
- Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng nên môi chất lạnh được quá lạnh ngay ở thiết bị ngưng tụ.
- Do môi chất toả nhiệt ra môi trường trên đoạn đường ống từ thiết bị ngưng tụ đến van tiết lưu.
Trên đồ thị quá trình quá lạnh đẳng áp (pk = const) được biểu diễn bằng đoạn 3’-3 (do quá trình đẳng áp trên đồ thị T-s vùng chưa sôi trùng với đường giới hạn dưới x = 0). Rõ ràng thấy rằng việc quá lạnh cho môi chất trước van tiết lưu tăng năng suất lạnh của chu trình lên một lượng biểu diễn bằng diện tích(544’6) còn công tiêu tốn không thay đổi.
*Quá trình quá nhiệt môi chất:
Việc quá nhiệt cho môi chất trước khi được hút vào máy nén được tiến hành do:
- Sử dụng van tiết lưu nhiệt, hơi ra khỏi thiết bị bay hơi bao giờ cũng có một độ quá nhiệt nhất định.
- Do tải nhiệt quá lớn và thiếu lỏng cấp cho thiết bị bay hơi.
- Do tổn thất lạnh trên đường ống từ thiết bị bay hơi đến máy nén.
TL: van tiết lưu; QL: thiết bị quá lạnh môi chất; BH: bình bốc hơi;
Qk
Qo
TL BH
QL
NT
MN
4 1'
1 2'
3'
3
lgp
i 2
1 3' 2'
3
4 4' ∆tql
1' ∆tqn
∆tqn
∆tql
s 1 2 2'
4 4' 1' ∆qo
T
3’
3
5 6
Hình 7-9. Chu trình làm lạnh quá lạnh – quá nhiệt
MN: máy nén
Quá trình 1 - 1' độ quá nhiệt hơi hút
3 - 3' độ quá lạnh lỏng trước khi vào van tiết lưu Độ quá nhiệt hơi hút :
∆tqn = t1 - t1' = t1 - to (7-20a) Độ quá lạnh lỏng:
∆tql = t3' - t3 = tk- t3 (7-20b) So sánh với chu trình khô ta thấy:
- Do có độ quá nhiệt hơi hút nên công nén riêng lớn hơn chút
ít ,năng suất hút cũng giảm chút ít do có thể tích riêng v tăng. Công nén riêng l = i2- i1 - Do có độ quá lạnh lỏng nên năng suất lạnh riêng tăng một khoảng ∆qo. Năng suất lạnh riêng:
qo = i1' - i4
Nếu nhiệt độ buồng lạnh cao hơn t1 hoặc thiết bị bay hơi là ngược dòng có thể tính:
qo = i1 - i4
b/ Tính toán Đồ thị: T-s và lgp-i
- Đồ thị: T -s
+ Quá trình 1-2: nén đoạn nhiệt môi chất lạnh (môi chất ở trạng thái hơi quá nhiệt ).
+ Quá trình 2-3: nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường trong bình ngưng (2-2’: làm lạnh hơi quá nhiệt, 2’-3’: ngưng hơi, 3’-3: quá trình quá lạnh môi chất lỏng)
+ Quá trình 3-4: tiết lưu môi chất lỏng (entanpi không đổi)
+ Quá trình 4-1: nhận nhiệt của môi chất và hoá hơi(4-1’) sau đó quá nhiệt môi chất (1-1’).
Trên đồ thị T-s ta thấy: năng suất lạnh q0 được biểu diễn bằng diện tích (c41a), nhiệt môi chất nhả trong bình ngưng qk biểu diễn bằng diện tích (a23b), công tiêu tốn để thực hiện chu trình lo được biểu diễn bằng diện tích (c4123b).
Bằng các diện tích trên đồ thị T-s ta thiết lập được các cân bằng sau:
qo + lo = qk
- Đồ thị lgp-i:
Nhiệt môi chất nhả ra (ngưng hơi đẳng áp), nhận vào (hoá hơi), công được xác định theo các hiệu số của entanpi tại các điểm đặc trưng cho từng chu trình:
qo = i1 - i4 ; qk = i2 - i3 ; lo = i2 - i1
lgp
i 2
1 3' 2'
3
4 4' ∆tql
1' ∆tqn
∆tqn
∆tql
s 1 2 2'
4 4' 1' ∆qo
T
3’
3
b c c’ a
Trên đồ thị lgp - i : qo, qk , lo được biểu diễn bằng các đoạn thẳng trên trục hoành Thực tế, quá trình quá nhiệt hoá hơi (1’-1) thường được thực hiện trong bình bốc hơi, trên đoạn ống dẫn từ bình bốc hơi tới máy nén. Như vậy, hiệu quả làm lạnh được thực hiện chỉ bởi quá trình hoá hơi 4-1’. Do đó, năng suất lạnh thực tế qo = i1’ - i4 . Hơn nữa với môi chất amoniac hiệu quả quá nhiệt là không đáng kể cho nên có thể bỏ qua. Tức là, ta thừa nhận hơi đi ra khỏi bình bốc hơi là hơi bão hoà khô. Với các máy dùng môi chất là Freon nhất thiết phải tính đến độ quá nhiệt hơi vì với các máy loại này người ta đưa vào một thiết bị trao đổi nhiệt giữa hơi ra khỏi bình bốc hơi và môi chất lỏng đi vào van tiết lưu. Vì vậy, độ quá nhiệt có thể đạt tới 300C. Như vậy, một cách gần đúng năng suất lạnh trong trường hợp này qo = i1 - i4 và lượng nhiệt môi chất nhả ra trong bình ngưng chỉ là: qk = i2 - i3, còn công nén vẫn là lo = i2 - i1
Thông thường chu trình máy lạnh nén hơi được xác định bởi 4 nhiệt độ:
- Nhiệt độ sôi to của ,môi chất trong bình bốc hơi - Nhiệt độ ngưng tụ tk của môi chất trong bình ngưng - Độ quá lạnh của môi chất lỏng trước van tiết lưu tql
- Độ quá nhiệt của hơi được hút vào máy nén tqn
Ví dụ 3:
Cho chu trình làm lạnh nén hơi một cấp môi chất là freon R12 nhiệt độ t0 = -200C, tk = 350C, tql = 300C, tqn = -50C. Biểu diễn chu trình trên đồ thị T-s và lgp-i. Xác định các thông số của môi chất lạnh tại các điểm nút của chu trình.
Bài giải
* Đồ thị:
Để thuận lợi ta bắt đầu từ việc kẻ đường t0 = -200C. Đường này trong vùng bão hoà trùng với đường p0 = 0,151MPa ( tra bảng hơi freon bão hoà). Trong vùng hơi bão hoà đường t0 = -20oC cắt đường giới hạn trên x = 1 tại điểm 1’(hơi bão hoà khô ). Hơi bão hoà khô được quá nhiệt theo đường po =const ( đường thẳng song song với trục i trên đồ thị lgp-i). Trạng thái hơi quá nhiệt đi vào máy nén được biểu diễn bằng điểm 1 (là giao điểm của đường p = 0,155MPa và đường tqn = -5oC). Trạng thái hơi cuối quá trình nén được biểu diễn bằng điểm 2 (là giao điểm của đường s = 4,6 (Kj/kg.độ) qua điểm 1 với đường đẳng áp pk = 0,846 MPa (tra bảng hơi freon bão hoà tương ứng với tk = 35oC) trùng với đường đẳng nhiệt trong vùng hơi bão hoà. Điểm 2’ là giao điểm của đường x = 1 và đường pk = const ( biểu diễn trạng thái hơi bão hoà khô ). Điểm 3’ nằm trên đường x = 0( biểu diễn trạng thái môi chất lỏng sôi).
Điểm 3 ( trạng thái môi chất lỏng quá lạnh ) là giao điểm của đường đẳng nhiệt tql = 300C và lgp
i 2
1 2' 3 3'
4 4' ∆tql
1' ∆tqn
∆tqn
∆tql
s 1 2 2'
4 4' 1' ∆qo
T
3’
3
b c c’ a
đường pk = const. Điểm 4 ( trạng thái môi chất sau tiết lưu) là giao điểm của đường i = 429 (kJ/kg) qua điểm 3 và đường po = 0,151MPa.
Sau khi đã xác định được các điểm 122’3’34 trên đồ thị lgp-i và T-s ta có thể xác định 5 thông số trừ thể tích riêng của môi chất lỏng ở các điểm 3 và 3’( ta có thể tìm chúng bằng cách tra bảng hơi freon bão hoà).
Tuy vậy, đơn giản và chính xác hơn ta nên dùng bảng hơi quá nhiệt và hơi bão hoà để xác định các thông số. Theo bảng hơi bão hoà ta xác định được p0 , pk và các thông số khác tại các điểm 1’ 2’ 3’ dựa vào to = -20oC, tk = 35oC. Cũng theo bảng này ta xác định được các thông số của môi chất lỏng ở trạng thái 3 theo t = 30oC nhưng lưu ý là áp suất ở điểm 3:
pk = p3 chứ không phải là trị số tra theo t = 30oC. Theo bảng hơi quá nhiệt ta tra ra các thông số tại điểm 1 và 2.
Điểm 1 được xác định bởi 2 thông số: po = 0,151MPa và tqn = -5oC. Điểm 2 được xác định bởi 2 thông số pk = 0,846MPa và s = 4,6 (kj/kg.độ).
Trị số các thông số tại các điểm nút của chu trình được biểu diễn trong bảng dưới đây Các thông số
Các điểm
p( MPa) t(oC) v(m3/kg) i(kj/kg) s(kj/kg.độ) 1’
1 2 2’
3’
3 4
0,151 0,151 0,846 0,846 0,846 0,846 0,151
-20 -5 60 35 35 30 20
0,109 0,117 0,024 0,021 0,00079 0,00077
0,03
542,96 551,96 584,81 556,64 434,09 429,08 429,08
4,57 4,60 4,60 4,55 4,12 4,09 4,10 Từ các thông số trong bảng trên ta có thể tính được các đại lượng sau:
- Năng suất lạnh: qo = i1 - i4 = 551,96 - 429,08 = 122,88(kj/kg) - Lượng nhiệt môi chất nhả ra trong bình ngưng:
qk = i2 - i3 = 584,81 - 429,08 = 155,73(kj/kg) - Công nén 1(kg) môi chất của chu trình:
lo = i2 - i1 = 584,81 - 551,96 = 32,85 (kj/kg)
Chương 8
NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC