Giáo trình kỹ thuật lạnh p3

Chng 1 36 Chương 3 CHU TRÌNH MÁY LẠNH MỘT CẤP 3 1 Chu trình Carnot ngược chiều 3 1 1 Định nghĩa Chu trình thuận chiều là chu trình tiến hành thuận theo chiều kim đồng hồ và là chu trình của các máy sinh công, biến đổi nhiệt năng thành cơ năng như các động cơ nhiệt, động cơ nổ, đầu máy hơi nước Chu trình ngược chiều tiến hành ngược theo chiều kim đồng hồ là chu trình của máy lạnh và bơm nhiệt, tiêu tốn năng lượng hoặc công để bơm một dòng nhiệt từ nhiệt độ thấp thải ra môi trường có nhiệt độ cao.

Chương CHU TRÌNH MÁY LẠNH MỘT CẤP 3.1 Chu trình Carnot ngược chiều 3.1.1 Định nghĩa - Chu trình thuận chiều chu trình tiến hành thuận theo chiều kim đồng hồ chu trình máy sinh công, biến đổi nhiệt thành động nhiệt, động nổ, đầu máy nước - Chu trình ngược chiều tiến hành ngược theo chiều kim đồng hồ chu trình máy lạnh bơm nhiệt, tiêu tốn lượng công để bơm dòng nhiệt từ nhiệt độ thấp thải mơi trường có nhiệt độ cao Tất chu trình nghiên cứu chu trình ngược chiều - Chu trình Carnot ngược chiều thực máy lạnh nén khí với thiết bị dãn nở, tác nhân lạnh khơng phải khí mà chất lỏng dễ bay 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động Chu trình Carnot ngược chiều chu lạnh đơn giản Chu trình gồm trình đoạn nhiệt trình đẳng nhiệt xen kẽ Trên đồ thị T– s hình chữ nhật đứng mặt thiết bị phức tạp chu trình khác có thêm thiết bị giản nở Hình 3.1: Chu trình Carnot ngược chiều Sơ đồ nguyên lý Đồ thị T - S 36 Trong đó: MN: Máy nén NT: Thiết bị ngưng tụ DN: Máy giãn nở BH: Thiết bị bốc Trên sơ đồ đồ thị biểu diển trình chu trình Carnot ngược chiều sau: - Quá trình 1-2: Đây trình nén đoạn nhiệt hút xảy máy nén Để điểm nằm đường bảo hịa khơ, điểm phải nằm vùng ẩm Ở q trình có đặc điểm S1=S2 ('S = ) Nhiệt độ tăng từ T1 oT2; áp suất tăng từ p1 op2 - Quá trình 2-3: Đây trình ngưng tụ đẳng nhiệt xảy thiết bị ngưng tụ Đặc điểm trình : T2 = T3 p2 = p3 = pk điểm nằm đường bảo hòa lỏng ( x= 0) - Quá trình 3-4: Là trình giãn nở đoạn nhiệt có sinh ngoại cơng xảy máy giãn nở Đặc điểm trình S3 = S4 - Quá trình 4-1: Là trình bốc đẳng nhiệt T4 = T1 để sinh lạnh nhiệt độ thấp áp suất thấp trình trình đẳng áp * Nhận xét: - Chu trình Carnot có hệ số lạnh đạt cực đại mà chu trình khác khơng chu trình đạt Hệ số lạnh chu trình : H q0 l T0 TK T0 Hệ số lạnh chu trình Carnot phụ thuộc vào nhiệt độ bay nhiệt độ ngưng tụ môi trường, không phụ thuộc tính chất mơi chất lạnh - Ưu điểm nhược điểm : + Ưu điểm: x Công nén nhỏ nhiệt độ cuối tầm nén thấp x Quá trình giãn nở máy dãn nở có sinh cơng hữu ích x Hệ số lạnh chu trình lớn so với chu trình khác điều kiện làm việc x Máy giãn nở sinh ngoại cơng có ích vận hành 37 + Nhược điểm: x Máy dãn nở kồng kềnh làm tăng chi phí đầu tư ban đầu vận hành khó khăn máy dãn nở sử dụng thực tế x Chu trình Carnot có trạng thái hút máy nén điểm nằm vùng ẩm cần phải điều chỉnh cho điểm nằm cuối trình nén phải rơi vào đường bảo hịa khơ Điều khó thực thực tế 3.1.3 Nguyên lý làm việc Hơi bão hòa ẩm trạng thái hút máy nén, nén đoạn nhiệt, đẳng entropy Hơi khỏi máy nén có trạng thái bão hịa khơ vào TBNT thải nhiệt cho môi trường làm mát nước khơng khí Q trình 2-3 q trình ngưng tụ đẳng nhiệt, đẳng áp Lỏng bão hịa với thơng số trạng thái vào máy dãn nở, dãn nở đoạn nhiệt, đẳng entropy theo q trình 3-4 có sinh ngoại công Với thông số trạng thái môi chất vào TBBH, nhận nhiệt lượng q0 đẳng nhiệt, đẳng áp theo trình 4-1 vào máy nén Chu trình tiếp diễn 3.1.4 Tính tốn chu trình Điểm quan trọng chu trình Carnot ngược chiều hệ số lạnh đạt cực đại nên chu trình Carnot ngược chiều coi chu trình lý tưởng - Hệ số lạnh chu trình Carnot ( H c ) xác định sau : Hc q0 l DT (6 5) DT (1 4) T0 ( s1 s ) (Tk T0 )( s s3 ) 38 T0 Tk T0 (s1 - s4 = s2 – s3) 3.2 Chu trình khơ 3.2.1 Định nghĩa Chu trình khơ chu trình có hút máy nén bảo hịa khơ Nhận xét: Chu trình khơ cải tiến để loại trừ nhược điểm chu trình Carnot để đề phòng va đập thủy lực, hút máy bảo hịa khơ máy dãn nở thay van tiết lưu 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động Hình 3.2: Chu trình khơ Sơ đồ ngun lý Đồ thị lgp-h Trong đó: MN: Máy nén NT: Thiết bị ngưng tụ TL: Van tiết lưu BH: Thiết bị bốc tk nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường làm mát (nước khơng khí) thiết bị ngưng tụ t0: Nhiệt độ bay phụ thuộc vào nhiệt độ môi chất hay vật cần làm lạnh (khơng khí, nước, dung dịch…) thiết bị bốc Trên sơ đồ đồ thị biểu diển trình chu trình khơ sau: - Q trình 1-2: Là q trình nén đoạn nhiệt mơi chất (ở dạng hơi) Hơi môi chất trạng thái điểm máy nén hút nén lên đến trạng thái điểm 2, trình nén tiêu tốn cơng l Ở q trình có đặc điểm: S1= S2 ( 'S = 0); nhiệt độ môi chất lạnh tăng từ T0 đến TK ; áp suất tăng từ p0 đến pK Điểm nằm vùng nhiệt 39 - Quá trình 2-3: Quá trình làm mát ngưng tụ đẳng áp mơi chất, xảy thiết bị ngưng tụ Môi chất trao đổi nhiệt với môi trường làm mát nước khơng khí Khi mơi chất đưa đến thiết bị ngưng tụ, môi chất làm mát hạ nhiệt độ xuống tới đường bảo hịa khơ (x=1), q trình này, nhiệt độ giảm cịn áp suất khơng đổi Trong vùng ẩm mơi chất chuyển đổi pha từ dạng bảo hịa khơ sang dạng lỏng nhờ có nước làm mát (hoặc khơng khí) Trong q trình này, áp suất khơng đổi p2 = p3 = pK - Quá trình - 4: Đây trình tiết lưu đẳng Enthalpy mơi chất lạnh điểm tiết lưu đến điểm , trình tiết lưu mơi chất có nhiệt độ áp suất từ tK, pK giảm xuống đến nhiệt độ áp suất t0, p0 - Quá trình - 1: Đây q trình sơi bốc đẳng áp đẳng nhiệt Trong q tình mơi chất nhận nhiệt môi trường cần làm lạnh sôi bốc đẳng áp đồng thời sinh lạnh ( trình mà ta cần thực ) Sau mơi chất lạnh máy nén hút khép kín vịng tuần hồn bắt đầu chu trình Trong đó: Điểm : Giao điểm Po x=1 Điểm : Giao điểm đường S1{S2 đường Pk Điểm : Giao điểm đường x= đường Pk Điểm : Giao điểm h3{ h4 đường Po 3.2.3 Nguyên lý làm việc Hơi bão hịa khơ từ TBBH đến máy nén, nén đoạn nhiệt, đẳng entropy theo trình 1-2 Hơi nhiệt cao áp với thông số trạng thái vào TBNT, ngưng tụ đẳng áp theo q trình 2-3, nhả nhiệt qk thành lỏng hồn tồn Lỏng cao áp với thông số trạng thái đến van tiết lưu tiết lưu đẳng enthalpy thành bão hịa ẩm hạ áp với thơng số trạng thái Môi chất với thông số trạng thái vào TBBH nhận nhiệt q0 đẳng nhiệt, đẳng áp đến thông số trạng thái quay máy nén Chu trình tiếp diễn 3.2.4 Tính tốn chu trình 1) Tính tốn suất lạnh riêng: q0 = h1 – h2 ; [Kj/kg] 40 2) Năng suất lạnh riêng thể tích: QV = q0/v1 ; [Kj/m3] 3) Năng suất nhiệt riêng thải thiết bị ngưng tụ: qk = h2 – h3 ; [Kj/kg] 4) Công nén riêng: l = h2 – h1 ; [Kj/kg] 5) Tỷ số nén: pk [Kj/kg];[ kcal/kg] p0 6) Hệ số lạnh chu trình: H q0 l0 7) Độ hồn thiện chu trình: J H H0 H >TK T0 @ T0 41 3.3 Chu trình lạnh, nhiệt ™ Quá lạnh, nhiệt: * Quá lạnh: Là q trình tiếp tục hạ nhiệt độ mơi chất sau ngưng tụ, mục đích làm giảm tổn thất không thuận nghịch van tiết lưu * Quá nhiệt: Là trình xảy nhiệt độ hút máy nén lớn nhiệt độ bốc hơi, trình xảy nằm vùng nhiệt đồ thị lgP-h ™ Nguyên nhân gây lạnh, nhiệt: * Nguyên nhân gây q lạnh: - Có bố trí thêm thiết bị q lạnh lỏng sau thiết bị ngưng tụ - Thiết bị ngưng tụ thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng nên lỏng môi chất lạnh thiết bị ngưng tụ - Do lỏng môi chất tỏa nhiệt môi trường đoạn đường ống từ thiết bị ngưng tụ đến thiết bị tiết lưu * Nguyên nhân nhiệt: - Sử dụng van tiết lưu nhiệt, khỏi thiết bị bốc có độ nhiệt định - Do tải nhiệt lớn thiếu lỏng cấp cho thiết bị bốc - Do tổn thất lạnh đường ống từ thiết bị bốc máy nén 3.3.1 Định nghĩa Chu trình lạnh, nhiệt chu trình có nhiệt độ lỏng vào van tiết lưu nhỏ nhiệt độ ngưng tụ (nằm vùng lỏng lạnh) môi chất hút máy nén lớn nhiệt độ bốc (nằm vùng nhiệt) 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động 42 Hình 3.3: Chu trình lạnh, nhiệt a) Sơ đồ nguyên lý b) Đồ thị lgp-h Trong đó: MN: Máy nén NT: Thiết bị ngưng tụ QL: Bình lạnh TLN: Van tiết lưu nhiệt BH: Thiết bị bốc Trên sơ đồ đồ thị biểu diển trình chu trình lạnh, nhiệt sau: - Quá trình 1-2: Là trình nén đoạn nhiệt môi chất (ở dạng hơi) Hơi môi chất từ điểm máy nén hút nén lên đến trạng thái điểm 2, trình nén tiêu tốn cơng l Ở q trình có đặc điểm: S1 = S2 (hoặc 'S = 0); nhiệt độ môi chất lạnh tăng từ T0 đến TK ; áp suất tăng từ p0 đến pK trình xảy vùng nhiệt - Quá trình 2-3: Quá trình làm mát ngưng tụ đẳng áp môi chất, xảy thiết bị ngưng tụ Quá trình chia thành giai đoạn + Giai đoạn 1, môi chất sau đưa đến thiết bị ngưng tụ, môi chất trao đổi nhiệt với mơi trường làm mát nước khơng khí môi chất làm mát hạ nhiệt độ xuống tới đường bảo hịa khơ (x =1), q trình này, nhiệt độ giảm cịn áp suất khơng đổi 43 + Giai đoạn 2, trình ngưng tụ đẳng áp môi chất chuyển đổi pha từ dạng bảo hịa khơ sang dạng lỏng nhờ có nước làm mát (hoặc khơng khí) Trong q trình này, áp suất không đổi p3’ = pK = cost + Giai đoạn 3, q trình q lạnh mơi chất, môi chất trạng thái điểm (điểm nằm đường x = 0) đưa vào bình lạnh làm lạnh hạ nhiệt độ từ t3’ xuống nhiệt độ t3 - Quá trình - 4: Đây q trình tiết lưu đẳng Enthalpy mơi chất lạnh điểm tiết lưu đến điểm 4, q trình tiết lưu mơi chất có nhiệt độ áp suất từ tK, pK giảm.Trong chu trình h = const - Quá trình - 1’: Đây trình bốc đẳng áp, đẳng nhiệt môi chất t = const; p = const, môi chất trao đổi nhiệt với môi trường cần làm lạnh sôi bốc - Quá trình 1’ – 1: Là q trình q nhiệt mơi chất sử dụng van tiết lưu nhiệt Sau mơi chất máy nén hút khép kín vịng tuần hồn Nhận xét: Chu trình có q lạnh, q nhiệt nên: - Độ nhiệt hút nên: tQN = t1 – t1’ = t1- t0 - Độ lạnh hút nên: tQL = t3’ – t3 = tK- t3 - Nếu ta so sánh với chu trình khơ thì: + Do có độ q nhiệt nên cơng nén riêng lớn hơn, suất hút giảm lý thể tích riêng ( v) tăng lên: lo = h2 – h1 + Do có độ lạnh lỏng nên suất lạnh riêng tăng: h3’-h3 = h3’-h4 q0 = + Năng suất lạnh riêng: q0 = h1’-h4 - Nếu nhiệt độ buồng lạnh cao t1 trường hợp dùng van tiết lưu nhiệt trường hợp thiết bị bốc dàn trao đổi nhiệt ngược dòng, đó: qo = h1-h4 - Đối với hệ thống lạnh dùng NH3 sử dụng chu trình khơ để tránh lỏng vào máy nén tổn thất lạnh đường ống hút nên nhiệt độ hút thường cao nhiệt độ sơi từ ÷ 80C Nhiệt độ lỏng vào van tiết lưu tỏa nhiệt môi trường nên thấp nhiệt độ ngưng tụ từ ÷ 50C Chu trình chủ yếu sử dụng cho môi chất NH3 44 Chú ý: + Quá lạnh làm tăng hệ số làm lạnh H hay tăng hiệu suất exergi Ken + Quá nhiệt làm tăng cơng nén chut (giảm H ) đảm bảo cho máy nén hút khơng có chứa lỏng gây va đập thuỷ lực + Chu trình lạnh nhiệt thường sử dụng cho môi chất lạnh NH3 3.3.3 Nguyên lý làm việc Hơi nhiệt với thông số trạng thái hút máy nén, nén đoạn nhiệt, đẳng entropy theo trình 1-2 Hơi nhiệt cao áp với thông số trạng thái vào TBNT, ngưng tụ đẳng áp theo q trình 2-3’, nhả nhiệt qk thành lỏng hồn tồn Lỏng cao áp với thông số trạng thái 3’ đến TBQL làm mát hạ nhiệt độ xuống thành lỏng lạnh với thông số trạng thái Sau lỏng với thơng số trạng thái qua van tiết lưu tiết lưu đẳng enthalpy thành bão hịa ẩm hạ áp với thơng số trạng thái Môi chất với thông số trạng thái vào TBBH nhận nhiệt q0 đẳng nhiệt, đẳng áp đến thông số trạng thái 1’ bị nhiệt thành nhiệt với thông số trạng thái máy nén hút Chu trình tiếp diễn 3.3.4 Tính tốn chu trình a Năng suất lạnh riêng: q0 h 1' h1 b Độ nhiệt: 't qn t1 t 1' t1 t0 tk t3 c Độ lạnh lỏng: 't ql t 3' t3 45 3.4 Chu trình hồi nhiệt 3.4.1 Định nghĩa Chu trình hồi nhiệt chu trình có thiết bị trao đổi nhiệt mơi chất lỏng nóng (trước vào van tiết lưu) & lạnh trước máy nén 3.4.2 Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động Hình 3.4: Chu trình hồi nhiệt a) Sơ đồ nguyên lý b) Đồ thị lgp-h Trong đó: MN: Máy nén NT: Thiết bị ngưng tụ HN: Thiết bị hồi nhiệt BH: Thiết bị bốc TLN: Van tiết lưu nhiệt Trên sơ đồ đồ thị biểu diển trình chu trình hồi nhiệt sau: - Quá trình 1-2: (xảy tương tự chu trình lạnh nhiệt)nhưng chu trình môi chất hút từ thiết bị hồi nhiệt thiết bị bốc Hơi hút máy nén nhiệt - Quá trình 2-3: Quá trình làm mát ngưng tụ đẳng áp môi chất, xảy thiết bị ngưng tụ Quá trình chia thành giai đoạn: 46 + Giai đoạn giai đoạn tương tự chu trình lạnh nhiệt + Giai đoạn trình lạnh lỏng môi chất thiết bị hồi nhiệt, môi chất điểm 3’ (điểm nằm đường x = 0) đưa vào hồi nhiệt hạ nhiệt độ từ t3’ xuống nhiệt độ t3 trao đổi nhiệt với mơi chất có nhiệt độ thấp từ thiết bị bốc - Quá trình - 4: Đây q trình tiết lưu đẳng Enthalpy mơi chất lạnh điểm tiết lưu đến điểm 4, q trình tiết lưu mơi chất có nhiệt độ áp suất từ tK, pK giảm, trình h = const - Quá trình - 1’: Đây trình bốc đẳng áp đẳng nhiệt mơi chất, q trình mơi chất trao đổi nhiệt với môi trường cần làm lạnh môi chất lấy nhiệt môi trường sôi bốc - Q trình 1’- 1: Q trình hút mơi chất thiết bị hồi nhiệt Nhận xét: Chu trình q lạnh, q nhiệt chu trình hồi nhiệt có khác số điểm: + Ở chu trình lạnh, nhiệt độ lạnh, nhiệt khơng phụ thuộc vào có giá trị khác + Ở chu trình hồi nhiệt lượng nhiệt môi chất lạnh thu vào lượng nhiệt lỏng nóng thải Do đó:  h3’3 =  h11’ ; với  h3’3 = h3 – h3 ;  h11’ = h1 – h1’ Qh = m.Cph  th Nhiệt thu vào: Nhiệt môi chất lỏng thải ra: Ql = m.Cpl  tl Mà: Qh = Ql Do đó: m Cph  th = m.Cpl  tl Vì nhiệt dung riêng lỏng nhiệt dung riêng : Cpl = Cph nên :  tl =  th + Năng suất lạnh riêng : qo = h1 – h4 + Công nén riêng: lo = h2 – h1 + Chu trình hồi nhiệt sử dụng cho mơi chất Freon12, Freon22, Freon502 Không sử dụng cho môi chất NH3 47 3.4.3 Nguyên lý làm việc Hơi nhiệt với thông số trạng thái hút máy nén, nén đoạn nhiệt, đẳng entropy theo trình 1-2 Hơi nhiệt cao áp với thông số trạng thái vào TBNT, ngưng tụ đẳng áp theo trình 2-3’, nhả nhiệt qk thành lỏng hồn tồn Lỏng cao áp với thông số trạng thái 3’ đến TBHN nhả nhiệt cho từ TBBH đến thành lỏng q lạnh Sau lỏng với thơng số trạng thái qua van tiết lưu tiết lưu đẳng enthalpy thành bão hịa ẩm hạ áp với thơng số trạng thái Môi chất với thông số trạng thái vào TBBH nhận nhiệt q0 đẳng nhiệt, đẳng áp đến thông số trạng thái 1’ đến TBHN, nhận nhiệt đẳng áp từ lỏng sau TBNT trở thành nhiệt Chu trình tiếp diễn 3.4.4 Tính tốn chu trình 1) Năng suất lạnh: G (h 1' Q0 h 3' ) ; [KW] 2) Công suất nén đoạn nhiệt: NS G h2 h ; [ KW] 3) Hệ số làm lạnh lý thuyết; H Q0 Ns q0 l 4) Nhiệt tỏa thiết bị ngưng tụ : Qk m(h h ) ; [KW] 5) Nhiệt tỏa thiết bị hồi nhiệt Q hn Vì xét: 'i ql Ÿ Q hn m( h h 3' ) ; [KW] 'i qn m( h h 1' ) ; [KW] 48 ... điểm trình S3 = S4 - Quá trình 4-1: Là trình bốc đẳng nhiệt T4 = T1 để sinh lạnh nhiệt độ thấp áp suất thấp trình trình đẳng áp * Nhận xét: - Chu trình Carnot có hệ số lạnh đạt cực đại mà chu trình. .. [Kj/kg];[ kcal/kg] p0 6) Hệ số lạnh chu trình: H q0 l0 7) Độ hồn thiện chu trình: J H H0 H >TK T0 @ T0 41 3.3 Chu trình lạnh, nhiệt ™ Quá lạnh, nhiệt: * Quá lạnh: Là trình tiếp tục hạ nhiệt độ môi... trình chu trình hồi nhiệt sau: - Quá trình 1-2: (xảy tương tự chu trình lạnh nhiệt)nhưng chu trình mơi chất hút từ thiết bị hồi nhiệt thiết bị bốc Hơi hút máy nén nhiệt - Quá trình 2-3: Quá trình