Giáo trình kỹ thuật lạnh p1

Chng 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH BỘ MÔN KTL ĐHKK GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT LẠNH (Lưu hành nội bộ) Tp Hồ Chí Minh 2015 1 MỤC LỤC Chương 1 CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH 1 1 Khái niệm về nóng và lạnh 1 2 Phương pháp tạo ra nhiệt độ thấp 1 2 1 Làm lạnh khi các chất biến đổi pha 1 2 2 Sự nóng chảy 1 2 3 Sự sôi 1 2 4 Thăng hoa 1 2 5 Làm lạnh bằng cách giãn nở khí 1 2 6 Làm lạnh bằng tiết lưu (hiệu ứng Joule Thomson) 1 2 7 Làm lạnh bằng hiệu ứng xoáy 1 2 8 Làm lạnh bằng hiệu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH BỘ MƠN KTL - ĐHKK GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT LẠNH (Lưu hành nội bộ) Tp Hồ Chí Minh 2015 MỤC LỤC Chương 1: CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH 1.1 Khái niệm nóng lạnh 1.2 Phương pháp tạo nhiệt độ thấp 1.2.1 Làm lạnh chất biến đổi pha 1.2.2 Sự nóng chảy 1.2.3 Sự sôi 1.2.4 Thăng hoa 1.2.5 Làm lạnh cách giãn nở khí 1.2.6 Làm lạnh tiết lưu (hiệu ứng Joule-Thomson) 1.2.7 Làm lạnh hiệu ứng xoáy 1.2.8 Làm lạnh hiệu ứng nhiệt điện 1.3 Các giản đồ 1.3.1 Giản đồ T-S 1.3.2 Giản đồ i-P 1.4 Q trình nghịch khép kín 1.4.1 Chu trình lạnh 1.4.2 Năng suất lạnh suất lạnh riêng 1.4.3 Sự phụ thuộc suất lạnh vào nhiệt độ sôi t o nhiệt độ ngưng tụ tk 1.4.4 Chu trình bơm nhiệt 1.4.5 Chu trình hỗn hợp Chương 2: VẬT LIỆU LẠNH 2.1 Môi chất lạnh 2.1.1 Yêu cầu môi chất lạnh a Yêu cầu nhiệt động : b Yêu cầu hoá lý : c Yêu cầu sinh lý d Yêu cầu kinh tế 2.1.2 Một số môi chất lạnh thông dụng a Môi chất NH3 ( Amoniac) b Môi chất Freon 12 c Môi chất Freon 22 d Môi chất Freon 134a 2.2 Chất tải lạnh 2.2.1 Định nghĩa 2.2.2 Các yêu cầu chất tải lạnh a Tính chất hố học b Tính chất vật lý c Tính chất sinh lý d Tính kinh tế e Tính an tồn cháy nổ 2.2.3 Các chất tải lạnh thường dùng a Nước b Dung dịch nước muối NaCl c Dung dịch nước muối CaCl2 2.3 Dầu bôi trơn 2.3.1 Đại cương a.Nhiệm vụ dầu bôi trơn b Yêu cầu dầu bôi trơn c Phân loại 2.3.2 Một số tính chất dầu bơi trơn a Độ nhớt b Khối lượng riêng c Nhiệt độ đông đặc nhiệt độ lưu động d Nhiệt độ bốc cháy e Độ acid f Hàm lượng nước tính hút ẩm dầu g Sức căng bề mặt h Điểm anilin i Hàm lượng asfat j Tính ổn định nhiệt k Hình dạng mầu sắc l Sự sủi bọt m Độ dẫn điện n Độ dẫn nhiệt o Tính bơi trơn tính chất mài mịn 2.3.3 Các đặc tính riêng biệt dầu lạnh a Tính ổn định với môi chất lạnh b Nhiệt độ vẩn đục c Sự hồ tan dầu với mơi chất lạnh d Độ nhớt hỗn hợp e Độ lưu động hỗn hợp 2.3.4 Sử dụng dầu lạnh a Đại cương b Sử dụng dầu máy lạnh NH3 c Sử dụng dầu máy lạnh freon 2.3.5 Ảnh hưởng tính hịa tan dầu mơi chất lạnh đến làm việc hệ thống lạnh a Làm giảm suất lạnh b Đặc tính khởi động máy nén c Sự trao đổi nhiệt thiết bị d Sự tuần hoàn dầu hệ thống 2.4 Vật liệu cách nhiệt 2.4.1 Đại cương 2.4.2 Một số phương pháp cách nhiệt lạnh a Cách nhiệt bọt xốp: b Cách nhiệt phương pháp điền đầy c Phương pháp cách nhiệt chân khơng 2.4.3 Các tính chất vật liệu cách nhiệt lạnh a Yêu cầu vật liệu cách nhiệt lạnh b Hệ số dẫn nhiệt c Sự phụ thụôc vào khối lượng riêng d Phụ thuộc vào độ lớn lỗ xốp f Ảnh hưởng cấu trúc phân tử rắn g Ảnh hưởng độ ẩm h Ảnh hưởng áp suất khơng khí i Ảnh hưởng độ ẩm độ khuyếch tán ẩm đến tính chất vật liệu cách nhiệt j Độ ẩm cân vật liệu k Độ hút ẩm mao dẫn l Độ khuyếch tán ẩm qua vật liệu cách nhiệt m Một số tính chất khác Chương 3: CHU TRÌNH LẠNH MỘT CẤP NÉN 3.1 Chu trình Carnot ngược chiều 3.1.1 Định nghĩa 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động 3.1.3 Nguyên lý làm việc 3.1.4 Tính tốn chu trình 3.2 Chu trình khơ 3.2.1 Định nghĩa 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động 3.2.3 Ngun lý làm việc 3.2.4 Tính tốn chu trình 3.3 Chu trình lạnh, nhiệt ™ Quá lạnh, nhiệt: ™ Nguyên nhân gây lạnh, nhiệt: 3.3.1 Định nghĩa 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động 3.3.3 Nguyên lý làm việc 3.3.4 Tính tốn chu trình 3.4 Chu trình hồi nhiệt 3.4.1 Định nghĩa 3.4.2 Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động 3.4.3 Nguyên lý làm việc 3.4.4 Tính tốn chu trình Chương 4: CHU TRÌNH MÁY LẠNH NHIỀU CẤP 4.1 Chu trình cấp, tiết lưu, làm mát trung gian phần 4.1.1 Định nghĩa 4.1.2 Sơ đồ nguyên lý 4.1.3 Đồ thị 4.1.4 Chu trình lý thuyết 4.1.5 Tính tốn chu trình 4.2 Chu trình cấp, tiết lưu, làm mát trung gian phần 4.2.1 Sơ đồ nguyên lý 4.2.2 Đồ thị 4.2.3 Chu trình lý thuyết 4.2.4 Tính tốn chu trình 4.3 Chu trình cấp, tiết lưu, làm mát trung gian tồn phần 4.3.1 Cơ sở hình thành 4.3.2 Sơ đồ nguyên lý 4.3.3 Đồ thị 4.3.4 Chu trình lý thuyết 4.3.5 Tính tốn chu trình 4.4 Chu trình cấp, tiết lưu, bình trung gian có ống xoắn 4.4.1 Cơ sở hình thành 4.4.2 Sơ đồ nguyên lý 4.4.3 Đồ thị 4.4.4 Chu trình lý thuyết 4.4.5 Tính tốn chu trình 4.5 Chu trình hồi nhiệt hai cấp nén 4.5.1 Định nghĩa 4.5.2 Sơ đồ nguyên lý 4.5.3 Đồ thị 4.5.4 Chu trình lý thuyết Chương 5: MÁY NÉN LẠNH 5.1 Công dụng phân loại máy nén 5.2 Máy nén pittơng 5.2.1 Q trình nén lý thuyết 5.2.2 Quá trình nén thực 5.2.3 Máy tầm nén 5.2.4 Máy nén hai tầm (Một máy tầm nén) 5.2.5 Các phận chi tiết máy nén pittơng a Đầu Van an tồn (Safety valve) cấu van b Bộ tải giảm tải (Unloader mechanism) c Van xoay tay d Cơ cấu bôi trơn (Lubrication mechanism) e Kính xem dầu (oil sight glass) f Bộ tản nhiệt dầu (Oil cooler) g Cơ cấu đệm kín (Shaft seal mechanism) h Thân máy ( cịn gọi cacter ) i Pistong sơ mi xylanh j Trục khuỷu l Tay biên m Cụm van hút, van đẩy 5.2.6 Tính tốn máy nén pittơng a Thể tích hút lý thuyết b Thể tích hút thực tế c Năng suất khối lượng máy nén d Hiệu suất nén công suất động yêu cầu e Năng suất lạnh máy nén 5.3 Máy nén roto 5.3.1 Máy nén roto lăn 5.3.2 Máy nén roto trượt 5.4 Máy nén xoắn ốc 5.5 Máy nén trục vít 5.5.1 Mở đầu 5.5.2 Cấu tạo máy nén trục vít 5.5.3 Nhiệt độ cuối tầm nén, tỉ số nén, hệ số cấp 5.5.4 Điều chỉnh suất lạnh máy nén 5.6 Máy nén ly tâm 5.7 Máy nén turbin 5.7.1 Định nghĩa 5.7.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc a Cấp nén b Tốc độ vòng quay c Ưu nhược điểm Chương 6: THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 6.1 Đặc điểm thiết bị ngưng tụ hệ thống lạnh 6.1.1 Vai trị, vị trí thiết bị ngưng tụ 6.1.2 Đặc điểm thiết bị ngưng tụ 6.2 Khái niệm Phân loại thiết bị ngưng tụ 6.2.1 Khái niệm thiết bị ngưng tụ 6.2.2 Phân loại thiết bị ngưng tụ a Theo môi trường làm mát, chia thiết bị ngưng tụ thành nhóm b Theo đặc điểm q trình ngưng tụ mơi chất, chia thiết bị ngưng tụ thành nhóm lớn c Theo đặc điểm q trình lưu động mơi trường làm mát qua bề mặt trao đổi nhiệt chia thiết bị ngưng tụ thành nhóm 6.3 Thiết bị ngưng tụ làm mát nước 6.3.1 Bình ngưng tụ kiểu ống vỏ nằm ngang a Cấu tạo chung bình ngưng NH3 Freon b Nguyên lý họat động c Sự khác biệt bình ngưng ống vỏ nằm ngang NH3 bình ngưng ống vỏ nằm ngang Freon 6.3.2 Bình ngưng tụ ống vỏ thẳng đứng a Cấu tạo b Nguyên lý hoạt động c Năng suất làm việc d Ưu, nhược điểm bình ngưng tụ ống vỏ NH3 Freon 6.3.3 Thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử kiểu ống lồng a Thiết bị ngưng tụ kiểu phần tử ƒ Cấu tạo ƒ Nguyên lý hoạt động b Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ƒ Cấu tạo ƒ Năng suất làm việc ƒ Nguyên lý hoạt động ƒ Ưu nhược điểm thiết bị kiểu phần tử kiểu ống lồng 6.3.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu panen a Cấu tạo b Nguyên lý hoạt động c Ưu nhược điểm thiết bị 6.4 Thiết bị ngưng tụ làm mát khơng khí 6.4.1 Dàn ngưng đối lưu tự nhiên 6.4.2 Dàn ngưng đối lưu cưỡng a Cấu tạo b Nguyên lý hoạt động c Năng suất làm việc d Ưu nhược điểm thiết bị 6.5 Thiết bị ngưng tụ làm mát nước không khí 6.5.1 Thiết bị ngưng tụ kiểu tưới a Cấu tạo b Nguyên lý hoạt động c Năng suất làm việc d Ưu nhược điểm thiết bị 6.5.2 Thiết bị ngưng tụ kiểu bay a Cấu tạo b Nguyên lý hoạt động c Năng suất làm việc d Ưu nhược điểm thiết bị e Sự khác biệt thiết bị ngưng tụ kiểu bay kiểu tưới 6.6 Tính chọn thiết bị ngưng tụ * Tính chọn thiết bị ngưng tụ thường phải qua bước sau: 6.6.1 Chọn kiểu thiết bị thiết kế dự kiến chế độ làm việc dựa vào 6.6.2 Xác định phụ tải nhiệt thiết bị ngưng tụ Qk q trình tính tốn nhiệt chu trình máy lạnh 6.6.3 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình mơi chất lạnh mơi trường 'ttb 6.6.4 Xác định hệ số truyền nhiệt k 6.6.5 Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F, m2 6.6.6 Xác định chiều dài tổng cộng ống thiết bị ngưng tụ 6.6.7 Bố trí kết cấu thiết bị ngưng tụ a Xác định số ống đường nước theo vận tốc nước chọn b Xác định tổng số ống c Xác định thông số m d Xác định đường kính mặt sàng D (đường kính vỏ) e Xác định số đường nước z f Xác định tiết diện ống để môi chất lưu động Chương 7: THIẾT BỊ BAY HƠI 7.1 Khái niệm phân loại thiết bị bay 7.1.1 Khái niệm thiết bị bay 7.1.2 Phân loại thiết bị bay a Theo môi trường làm lạnh b Theo mức độ chốn chỗ mơi chất lạnh lỏng thiết bị c Theo điều kiện tuần hoàn chất tải lạnh 7.2 Thiết bị bay làm lạnh chất lỏng 7.2.1 Thiết bị bay ống vỏ kiểu ngập a Cấu tạo Sự khác cấu tạo bình bay ống vỏ kiểu ngập amơniăc bình bay ống vỏ frêơn b Ngun lý làm việc c Ưu nhược điểm 7.2.2 Thiết bị bay ống vỏ môi chất sôi ống kênh a Bình bay ống vỏ chùm ống thẳng, chum ống chữ U ƒ Cấu tạo ƒ Ưu nhược điểm ƒ Nguyên lí làm việc b Thiết bị bay kiểu panen ƒ Cấu tạo ƒ Nguyên lí làm việc c Dàn lạnh xương cá d Dàn lạnh 7.3 Thiết bị bay làm lạnh không khí 7.4 Thiết bị bay làm lạnh khơng khí nước nước muối 7.4.1 Thiết bị bay làm lạnh khơng khí nước nước muối a Cấu tạo b Nguyên lý làm việc 7.4.2 Thiết bị làm lạnh khơng khí kiểu hỗn hợp a Cấu tạo b Nguyên lý làm việc c Ưu nhược điểm 7.5 Tính chọn thiết bị bay Các bước tính toán dàn lạnh 7.5.1 Chọn loại thiết bị bay 7.5.2 Tính diện tích trao đổi nhiệt 7.5.3 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình 'ttb 7.5.4 Xác định hệ số truyền nhiệt k 7.5.5 Xác định lưu lượng chất tải lạnh lỏng khơng khí làm lạnh 7.5.6 Xác định tổng chiều dài truyền nhiệt L 7.5.7 Xác định số ống hàng thiết bị tổn số ống thiết bị a Số ống hàng thiết bị, n1 b Tổng số ống thiết bị, n 7.5.8 Cách bố trí ống thiết bị bay a Xác định bước ống b Xác định số ống bố trí đường chéo lớn lục giác mặt sàng m 7.5.9 Xác định đường kính mặt sàng đường kính bình bay a Đường kính mặt sàng b Đường kính bình bay Chương 8: THIẾT BỊ TIẾT LƯU Lý thuyết chung tiết lưu 8.1 Van tiết lưu tay Van tiết lưu nhiệt 8.2.1 Nhiệm vụ 8.2.2 Cấu tạo 8.2.3 Nguyên lý làm việc 8.3 Van tiết lưu điện tử Chương 9: CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRONG HỆ THỐNG LẠNH 9.1 Thiết bị tách lọc 9.1.1 Thiết bị tách dầu a Lý cần phải tách dầu b Vị trí lắp đặt bình tách dầu c Cấu tạo nguyên lý hoạt động, phạm vi sử dụng bình tách dầu d Các lưu ý lắp đặt sử dụng bình tách dầu e Tính tốn chọn bình tách dầu 9.1.2 Thiết bị tách lỏng a Lý cần phải tách lỏng b Vị trí lắp đặt bình tách lỏng c Cấu tạo nguyên lý hoạt động, phạm vi sử dụng bình tách lỏng d Tính tốn chọn bình tách lỏng 9.1.3 Thiết bị tách khí khơng ngưng a Lý cần phải tách khí khơng ngưng b Ngun nhân khí khơng ngưng lọt vào bên hệ thống lạnh c Cấu tạo nguyên lý hoạt động bình tách khí khơng ngưng 9.1.4 Thiết bị lọc a Lý cần phải lắp đặt thiết bị tách lọc b Các loại thiết bị lọc ƒ Thiết bị lọc ƒ Thiết bị lọc lỏng ƒ Thiết bị khử ẩm (hút ẩm) 9.2 Thiết bị chứa đựng 9.2.1 Bình chứa cao áp a Nhiệm vụ bình chứa cao áp b Cấu tạo, vị trí lắp đặt bình chứa cao áp c Xác định thể tích bình chứa cao áp 9.2.2 Bình chứa hạ áp a Nhiệm vụ bình chứa hạ áp b Cấu tạo vị trí lắp đặt bình chứa hạ áp c Xác định thể tích bình chứa hạ áp 9.2.3 Bình chứa tuần hồn a Nhiệm vụ bình chứa tuần hồn b Cấu tạo vị trí lắp đặt bình chứa tuần hồn c Xác định thể tích bình chứa tuần hồn 9.2.4 Bình chứa bảo vệ 9.2.5 Bình chứa dầu (Bình tập trung dầu) a Nhiệm vụ bình chứa dầu b Cấu tạo bình chứa dầu nguyên lý hoạt động c Chọn dung tích bình chứa dầu 9.2.6 Bình giữ mức lỏng – tách lỏng a Nhiệm vụ bình chứa dầu: b Cấu tạo bình bình giữ mức-tách lỏng 9.2.7 Bình trung gian a Nhiệm vụ bình trung gian: b Cấu tạo bình trung gian c Tính tốn bình trung gian 9.3 Thiết bị đường ống 9.3.1 Đường ống 9.3.2 Ống tiêu âm 9.3.3 Các loại van a Van chặn b Van chiều c Van an toàn 9.4 Một số thiết bị phụ khác 9.4.1 Thiết bị hồi nhiệt a Nhiệm vụ thiết bị hồi nhiệt: b Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị hồi nhiệt 10 9.4.2 Thiết bị lạnh a Nhiệm vụ thiết bị lạnh lỏng b Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị lạnh 9.4.3 Thiết bị tháp giải nhiệt a Nhiệm vụ tháp giải nhiệt nước b Cấu tạo nguyên lý làm việc tháp giải nhiệt 11 Chương CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH 1.1 Khái niệm nóng lạnh Khái niệm nóng: Nếu cung cấp nhiệt, chuyển động phân tử vật thể nhanh lên vật thể nóng lên Khái niệm lạnh: Khi bị nhiệt chuyển động phân tử chậm lại vật thể bi lạnh Như chuyển động phân tử nguyên nhân làm cho vật thể nóng lên hay lạnh Sự làm lạnh vật thể đến nhiệt độ môi trường xung quanh diễn cách tự nhiên cách nhiệt cho mơi trường (khơng khí, nước) khơng cần đến kỹ thuật lạnh Muốn làm lanh vật thề đến nhiệt độ tháp nhiệt độ mơi trường xung quanh thực máy lạnh nguồn lạnh khác (ví dụ nước đá) Trạng thái nhiệt cùa vật thể đặc trưng nhiệt độ Trong hệ thống đơn vị quốc tế người ta sử dụng hai thang đo nhiệt độ: nhiệt độ Kelvin T,K (còn gọi nhiệt độ tuyệt đối) nhiệt độ Celcius t, oC Quan hệ hai nhiệt độ sau: t = T – 273oC Đơn vị đo nhiệt lượng: [J] Trong hệ thống đơn vị quốc tế, đơn vị đo nhiệt lượng sử dụng Joule (J), tức cơng sinh có lực Newton thực quãng đường dài 1m Để thuận lợi người ta sử dụng KiloJoule (KJ) 1000J Ngồi cón có đơn vị nhiệt lượng khác Kilocalo (Kcal), tức nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ 1kg nước từ 19,5 oC đến 20,5oC áp suất khí Kcal = 4186,8J = 4,1868 KJ Để nung nóng khối lượng vật thể khác đến số nhiệt độ cần có nhiệt lượng khác Điều có nghĩa nhiệt dung vật thể phụ thuộc vào tính chất vật lý chúng Nhiệt dung riêng nhiệt lượng cần thiết để nung nóng làm lạnh 1Kg vật chất lên xuống độ Kcal/Kg độ = 4186,8J/Kg.K = 4,1868 KJ/Kg.K Nhiệt dung chất lỏng chất rắn phụ thuộc vào nhiệt độ chúng Khi nhiệt độ giảm, nhiệt dung đa số chất giảm 1.2 Phương pháp tạo nhiệt độ thấp 1.2.1 Làm lạnh chất biến đổi pha Trạng thái chất (thể rắn, thể lỏng, thể khí) phụ thuộc vào điều kiện bên ngồi: nhiệt độ t áp suất P Khi cị thay đỗi điều kiện mối liên kết phân tử vật thể thay đổi vật thể chuyển sang trạng thái khác Sự biến đổi từ trạng thái sang trạng thái khác vật thể đồng gọi biến đổi pha Sự biến đổi pha chất đồng diễn nhiệt độ không đổi, phụ thuộc vào điều kiện biến đổi tính chất vật lí chất, có kèm theo tỏa nhiệt thu nhiệt lượng cần thiết để thay đổi mối liên kết phân tử Quá trình biến đổi trang thái chất hình 1.1 biểu đồ biến đổi pha cacbonic Đường AB biểu đồ phân chia vùng chất rắn chất khí, đường AC phân chia vùng chất rắn chất lỏng, đường AD phân chia vùng chất lỏng chất khí Ở điểm đặc biệt đường AB, AC, AD vật thể đồng thời hai pha: rắn khí, rắn lỏng, lỏng khí Trạng thái gọi trạng thái ba thể Các thông số điểm ba thể phụ thuộc vào tính chất vật lý vật thể Khi t > tth (ở điểm tới hạn D) cịn thể khí Sự biến đổi pha q trình vật lý khơng kèm theo biến đổi hóa học Có số chất khí biến đối pha (nóng chảy, sơi, thăng hoa) thu nhiệt lượng lớn nhiệt độ thấp, chúng sử dụng để làm lạnh 1.2.2 Sự nóng chảy Sự nóng chảy nước đá sử dụng nhiều để lám lạnh nhiệt độ t>0oC Muốn đạt nhiệt độ thấp người ta trộn thêm vào nước đá (hoặc tuyết) lượng loại muối Các loại muối hòa tan hỗn hợp với nước đá thu nhiệt làm lạnh hỗn hợp đến nhiệt độ tương đối thấp Ví dụ hỗn hợp nước đá với muối NaCl làm lạnh đến nhiệt độ -21,2oC với muối CaCl2 có thẻ đến -55oC Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy 1Kg nước đá 1Kg hỗn hợp gọi nhiệt nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy thành phần dung dịch giảm thành phần dung dịch giảm Trong thực tế người ta thường sử dụng nước đá làm từ dung dịch thể có nhiệt độ nóng chảy thấp xác định điểm thể Ví dụ, dung dịch Na2S2O3 NaNO3 có nhiệt độ đơng đặc -11oC -18,5oC Nhiệt độ thấp nhận hỗn hợp nước đá với loại axit loãng Ví dụ, hỗn hợp với số lượng H2SO4 nồng độ 66% tuyết đá nghiền vụn sẻ có nhiệt độ đơng đặc -37oC 1.2.3 Sự sơi Q trình sơi diễn cung cấp nhiệt cho chất lòng Nhiệt lượng cần thiết để làm 1Kg chất lỏng biến thành bão hịa khơ gọi nhiệt ẩn hóa qh Để làm lạnh người ta sử dụng chất lỏng có nhiệt độ sơi to thấp áp suất Po bình thường có nhiệt ẩn hóa lớn; to phụ thuộc vào Po Po tăng to tăng, cịn qh giảm Q trình sơi chất lỏng áp dụng rộng rãi chu trình lạnh 1.2.4 Thăng hoa Quá trình biến đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí khơng qua trạng thái lỏng trung gian gọi thăng hoa Để làm lạnh người ta sử dụng cacbonic rắn thăng hoa hay cịn gọi la “đá khơ” Nhiệt độ thăn hoa đá khơ áp suất khí la -78,9oC, nhiệt ẩn thăng hoa 574 KJ/Kg (137 Kcal/Kg); áp suất giảm, giảm nhiệt độ thăng hoa đá khô đến -100oC 1.2.5 Làm lạnh cách giãn nở khí Trong q trình dãn nở đoạn nhiệt chất khí, nhiệt độ giảm xuống, ngoại cơng lúc sinh nội chất khí Mối liên hệ t P trình dãn nở đoạn nhiệt chất khí lý tưởng sau: , với K số mũ đoạn nhiệt Nếu khơng khí nén đến áp suất 90 bar t = 25oC cho dãn nở đến bar với K = 1,4; nhiệt độ cuối T2 : t2 = 82,4 – 273 = - 190,6oC (1bar = 105Pa = 1.02 at) Hình 1.2 Nguyên lý làm việc máy lạnh nén khí (a) Sơ đồ thiết bị ; (b) Chu trình lạnh biểu diễn đồ thị T-s - Cấu tạo: + Bao gồm máy nén, bình làm mát trung gian, máy giãn nở buồng lạnh + Mơi chất lạnh: Khơng khí hay chất khí khơng biến đổi pha chu trình - Nguyên lý hoạt động: + Quá trình – 2: Xảy máy nén, khơng khí nén đoạn nhiệt S = const + Quá trình – 3: Xảy bình làm mát, khơng khí thải nhiệt cho mơi trường, P = const + Quá trình – 4: Xảy máy giãn nở, khơng khí giãn nở đoạn nhiệt S2 = const, nhiệt độ thấp, áp suất thấp + Quá trình – 1: Xảy buồng lạnh (phịng lạnh), khơng khí thu nhiệt mơi trường po = const nóng dần lên đến điểm khép kín vịng tuần hồn - Nhận xét : + Q trình máy lạnh nén khí gồm hai q trình nén giãn nở đoạn nhiệt với hai trình trình thu thải nhiệt đẳng áp khơng đẳng nhiệt + Cơng chu trình diện tích (1 - - - 4) biểu diễn đồ thị T-s + Nhiệt độ to (nhiệt độ phòng lạnh) đạt phụ thuộc vào t3, áp suất P1 P2 - Đặc điểm: Đây phương pháp tạo nhiệt độ thấp quan trọng Máy làm việc theo ngun lý giãn nở khí có sinh ngoại cơng gọi máy lạnh nén khí - Phạm vi ứng dụng: Phương pháp tạo nhiệt độ thấp áp dụng ứng dụng rộng rãi từ máy điều tiết không khí kỹ thuật siêu lạnh (kỹ thuật Cryo) máy lạnh khơng khí để sản xuất Nitơ, oxy hóa lỏng, hóa lỏng khơng khí tách khí, hóa lỏng khí đốt 1.2.6 Làm lạnh tiết lưu (hiệu ứng Joule-Thomson) Hình 1.3 Tiết lưu khơng sinh ngoại cơng dịng mơi chất Tiết lưu trình giảm áp suất chất lỏng chất khí chuyển động qua cửa nghẽn (van) Trong q trình khơng có sinh cơng entanpi khơng đổi Nội chất khí dùng để thắng ma sát bên chuyển động qua cửa nghẽn Sự thay đổi nhiệt độ khí lý tưởng bị tiết lưu gọi hiệu ứng JouleThomson Hiệu ứng sử dụng kỹ thuật siêu lạnh Sự giảm nhiệt độ q trình tiết lưu nhiều so với trình dãn nở đoạn nhiệt 1.2.7 Làm lạnh hiệu ứng xoáy Năm 1931 kỹ sư người Pháp tên Rank đề nghị phương án làm lạnh hiệu ứng xoáy Thiết bị gồm có “ống xốy” đặc biệt: Hình 1.4 Ống xốy Khơng khí nén làm lạnh đến nhiệt độ môi trường vào ống phun Sau dãn nỡ dịng khí có vận tốc lớn tạo thành dịng xốy Tốc độ góc ngồi nhỏ, cịn gần tâm trục lớn Khi chuyển động đến van tiết lưu ma sát lớp khí, dịng có tốc độ góc không đổi, tức lớp bên tốc độ giảm cịn bên ngồi tăng Cho nên có truyền động từ lớp cho lớp làm tăng nhiệt độ lớp ngồi, cịn lớp khí bên lạnh Kết lớp khí bên ngồi (đi qua van tiết lưu) nóng, cịn lớp khí bên (đi qua cửa nghẽn) lạnh p nhiệt độ mơi trường Thí nghiệm cho thấy khơng khí có áp suất vừa phải chấp nhận dịng khí lạnh (-10 -50oC) dịng khí nóng (100 130)oC Q trình làm lạnh ống xốy địi hỏi nhiều điện Ưu điểm ống xoáy cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy khởi động nhanh Việc áp dụng ống xoáy để làm lạnh mang tính chất tạm thời với cơng suất nhỏ, đặc biệt có lợi nơi có sẵn nguồn khí nén 1.2.8 Làm lạnh hiệu ứng nhiệt điện Phương pháp lám lạnh dựa vào nuyên lý có dịng điện chuyển động mạch điện gồm hai dây dẫn khác nhau, đầu nóng lên đầu lạnh Nhiệt lượng Qp tỏa tỉ lệ với cường độ dòng điện I thời gian τ Qp = P.I.W với P hệ số Peltier (Peltier người phát minh nguyên lý vào năm 1834), phụ thuộc vào tính chất vật lý vật liệu Hình 1.5: Hiệu ứng nhiệt điện Khi kỹ thuật bán dẫn đời nguyên lý áp dụng vào thực tế Người ta sử dụng pin nhiệt điện làm hai chất bàn dẫn nối tiếp đồng Các pin nhiệt điện nối tiếp thành nhiều Nếu cho dòng điện chiều qua pin nhiệt điện, đầu nhiệt Qn nóng lên đến tn Làm lạnh kỹ thuật nhiệt điện hướng kỹ thuật lạnh + Ưu điểm: khơng có tiếng ồn, khơng có môi chất làm việc áp suất tin cậy + Khuyết điểm: tiêu hao nhiều điện giá thành cao Phương pháp bước đầu có hiệu thiết bị lạnh nhỏ Muốn phát triển rộng viêc sử dụng cấn tăng hiệu suất pin nhiệt điện giảm giá thành chúng 1.3 Các giãn đồ nhiệt Để xác định thông số môi chất làm việc tính chu trình máy lạnh người ta sử dụng bão hịa khơ tác nhân lạnh (xem phụ lục) đồng thời sử dụng giãn đồ nhiệt Thường dùng giản đổ T-S i-S 1.3.1 Giản đồ T-S Hình 1.6: Giãn đồ T-s Trên giản đồ T-S trục nằm ngang giá trị entropi S, trục đứng nhiệt độ tuyệt đối T Các đường thẳng đứng song song S = const tạo thành đường đoạn nhiệt Trên giản đồ có đường biên đặc trưng cho trạng thái lỏng bão hịa (độ khơ x = 0), có đường biên đặc trưng cho trạng thái bão hịa khơ (x = 1) Vùng nằm hai đường biên bão hòa ẩm Đường biên x = ngăn cách vùng ẩm với vùng lạnh, đường biên x = ngăn cách giữ vùng ẩm với vùng q nhiệt Ngồi giản đồ cịn có đườn đẳng áp P = const, đường đẳng tích v = const đường đẳng entanpi h = const (xem hình 1.6) Các đường đẳng áp vùng ẩm trùng với đường đẳng nhiệt, vùng nhiệt chúng uốn cong lên phía Nhiệt lượng cấp vào đi, cơng tiêu hao công nhận biểu thị diện tích giản đồ 1.3.2 Giản đồ i-P Hình 1.7: Giãn đồ lgp-h Giản đồ có đường nằm ngang đườn đẳng áp P = const đường thẳng đứng đương thẳng entanpi h = const Để cho dễ dàng sử dụng, thường trục đứng người ta dùng giá trị lgP (h.1.7) Trên giản đồ cịn có thêm đường t, s, v không đổi Ưu điểm giản đồ lgp-p giá trị nhiệt lượng công trình đạon nhiệt biểu thị đoạn thẳng khơng phải diện tích Trong tính tốn thiết kế thiết bị lạnh để đảm bảo độ xác người ta sử dụng giản đồ có nhiệt độ đủ lớn để xác định thông số nhiệt sử dụng bảng với nội suy cần thiết Phần phụ lục sau sách có đầy đủ bảng để xác định thơng số q nhiệt Ví dụ 1.1: Hãy xác định thông số điểm nhiệt lượng cung cấp cho 20Kg NH3 trình sơi nhiệt độ -20oC (H.1.6; H.1.7) Giải: Thơng số điểm xác định theo bảng theo giản đồ viết vào bảng đây: Các t P V h s x điểm (oC) (at) -20 1,94 0,0015 78,17 0,917 -20 1,94 0,6236 395,46 2,17 (m3/Kg) (Kcal/Kg) (Kcal/Kg.độ) Nhiệt lượng cung cấp cho 1Kg NH3: q h2 h1 395,46 78,17 317 ,29 kcal/kg Nhiệt lượng cung cấp cho 20Kg NH3: Thông số điểm nằm hai đường biên xác định theo bảng bão hịa khơ cần theo thơng số t P Ví dụ: Hơi bão hịa NH3 với t = -10oC ta có: P = 2,966 at; v = 0,4184 m3/Kg; h = 398,67 Kcal/Kg; S = 2,136 Kcal/Kg.độ 1.4 Q trình nghịch khép kín Theo định luật nhiệt động, làm lạnh nhân tạo liên tục thực không tiêu hao lượng Tập hợp trình gọi q trình nghịch khép kín hay gọi chu trình nghịch nhiệt động Trong trình thuận nhịch khép kín (hay gọi chu trình thuận nhiệt động) nhiệt từ nguồn nóng truyền lại cho nguồn lạnh (mơi trường xung quanh) sinh cơng Trong chu trình nghịch, nhiệt từ nguồn lạnh truyền lại cho nguồn nóng (mơi trường xung quanh) tất nhiên phải tiêu hao cơng Chu trình nghịch, nhiệt từ mơi trường cần làm lạnh truyền lại cho môi trường xung quanh (nước khơng khí) gọi chu trình lạnh Sau khảo sát chu trình lạnh hồn hảo nhất, chu trình Carnot với tiêu hao cơng nhỏ 1.4.1 Chu trình lạnh Trên hình 1.8 chu trình Carnot biểu thị giản đồ T-S Chu trình gồm có hai q trình đẳng nhiệt hai trình đoạn nhiệt Trong trình đẳng nhiệt 4-1 môi chất làm việc cung cấp nhiệt lượng qo (diện tích 4-1-6-5) lấy từ nguồng nhiệt có nhiệt độ thấp To Trong q trình đoạn nhiệt 1-2 môi chất nén từ áp suất ban đầu Po đến áp suất cuối Pk nhiệt độ môi chất cung tăng lên từ To đến nhiệt độ môi trường xung quanh nhiệt độ nguồn có nhiêt độ cao Tk Để nén mơi chất máy nén phải tốn cơng ln Hình 1.8: Chu trình nghịch Carnot 10 Trong trình đẳng nhiệt 2-3 mơi chất truyền lại cho nguồn nóng nhiệt lượng qk (diện tích 2-3-5-6) Để tiếp tục nhiệt nguồn lạnh môi chất phải dãn nở đoạn nhiệt xylanh tuabin (quá trình 3-4) từ áp suất Pk đến áp suất Po nhiệt độ giảm từ Tk đến To Trong trình giãn nở môi chất sinh công lg Như trình thực chu trình nghịch, nhiệt lượng qo lấy từ nguồn lạnh To truyền cho nguồn nóng Tk Để làm việc phải tốn cơng lc bằng: Theo định luật nhiệt động, cân nhiệt máy lạnh sẻ có giá trị sau: Vậy diện tích 1-2-3-4 tức hiệu số hai diện tích 2-3-5-6 4-1-6-5 Hiệu chu trính lạnh đánh giá hệ số lạnh ε xác định cơng thức biến đổi : Biểu thức cho ta thấy hệ số lạnh chu trình Carnot khơng phụ thuộc vào tính chất vật lý mơi chất làm việc mà phụ thuộc vào nhiệt độ To TK ε lớn To lớn TK nhỏ Trong thực tế nguồn lạnh vật thể cần làm lạnh như: khơng khí, nước, nước muối, sản phẩm, đất ,cịn nguồn nóng mơi trường xung quanh như: nước khơng khí Theo cơng thức ε lớn tốn cơng để làm lạnh, tức hiệu máy lạnh cao Từ ta thấy thiết kế máy lạnh cần cố gắng (trong điều kiên cho phép) đạt tới giá trị lớn To nhỏ TK Môi chất làm việc chu trình lạnh người ta gọi tác nhân lạnh 1.4.2 Năng suất lạnh suất lạnh riêng Nhiệt lượng lấy từ nguồn lạnh đơn vị thời gian gọi suất lạnh Qo, KW (Kcal/h) Nhiệt lượng cần thiết để làm bay 1Kg tác nhân lạnh gọi suất lạnh riêng qo, KJ/Kg (Kcal/Kg) 11 Nhiệt lượng tác nhân lạnh thu để tạo thành 1m3 bão hịa khơ, gọi suất lạnh riêng thể tích qv, KJ/m3 (Kcal/m3) với thể tích riêng bão hịa khơ, m3/Kg 1.4.3 Sự phụ thuộc suất lạnh vào nhiệt độ sôi t o nhiệt độ ngưng tụ tk Nếu tk entanpi chất lỏng giảm Nếu to tăng entanpi bão hịa khơ tăng thể tích riêng giảm Cho nên tk giảm to tăng suất lạnh riêng tăng tiêu hao công giảm Khi thay đổi nhiệt độ, suất lạnh riêng thể tích thay đổi nhanh 1.4.4 Chu trình bơm nhiệt Hình 1.9: Máy lạnh hấp thụ Bất máy lạnh trở thành bơm nhiệt, thiết bị dùng để truyền tải nhiệt từ nguồn lạnh đến nguồn nóng Nhưng chu trình lanh thơng thường nguồn nóng mơi trường xung quanh nhiệm vụ máy lạnh phải làm lạnh vật thể đến t < t m (tm nhiệt độ môi trường) Ngược lại môi trường xung quanh nguồn lạnh nhiệm vụ phải cung cấp nhiệt có t > tm chu trình gọi chu trình bơm nhiệt Chu trình lý tưởng Carnot bơm nhiệt giống máy lạnh, biểu thị giãn đổ T-S (H.1.9.a) Hiệu chu trình tính hệ số nhiệt μ 12 Thay biến đổi ta được: Cơng thức nói rằn TK cao Tm thấp thi công tiêu hao để nhận đơn vị nhiệt lớn thấp Từ công thức dể dàng thấy mối quan hệ hệ số nhiệt hệ số lạnh ε sau: 1.4.5 Chu trình hỗn hợp Một chu trình nghịch vừa làm lạnh vừa sấy nóng gọi chu trình hỗn hợp (H.1.9b) Nó gồm có hai chu trình: Chu trình lạnh 1-2-3-4 chu trình bơm nhiệt 2-5-6-3 Chu trình hỗn hợp có hiệu nhiều so với chu trình riêng lẻ, chu trình sử dung nhiệt hai nấc nhiệt độ Trong chu trình Carnot hỗn hợp, trình 4-1 nhiệt độ To cung cấp nhiệt lượng qo tương đương diện tích 4-1-a-b cịn q trinh 5-6 nhiệt độ TK nhiệt lượng qK tương đương với diện tích 5-6-b-a Cơng tiêu hao chu trình tương đương với diện tích 1-5-6-4 Từ hình 1.9b, ta thấy tỉ số 13 ... nhiệt hệ số lạnh ε sau: 1.4.5 Chu trình hỗn hợp Một chu trình nghịch vừa làm lạnh vừa sấy nóng gọi chu trình hỗn hợp (H.1.9b) Nó gồm có hai chu trình: Chu trình lạnh 1-2-3-4 chu trình bơm nhiệt... sử dụng kỹ thuật siêu lạnh Sự giảm nhiệt độ q trình tiết lưu nhiều so với trình dãn nở đoạn nhiệt 1.2.7 Làm lạnh hiệu ứng xoáy Năm 1931 kỹ sư người Pháp tên Rank đề nghị phương án làm lạnh hiệu... 1.2.7 Làm lạnh hiệu ứng xoáy 1.2.8 Làm lạnh hiệu ứng nhiệt điện 1.3 Các giản đồ 1.3.1 Giản đồ T-S 1.3.2 Giản đồ i-P 1.4 Q trình nghịch khép kín 1.4.1 Chu trình lạnh 1.4.2 Năng suất lạnh suất lạnh