Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh và điều hòa không khí (Nghề Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí Cao đẳng)

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI LÊ THỊ THU HẰNG (Chủ biên) NGUYỄN THỊ NGUYỆT – TRẦN QUANG ĐẠT GIÁO TRÌNH CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH VÀ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ Nghề: Kỹ thuật máy lạnh điều hịa khơng khí Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2021 LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh ĐHKK biên soạn thông qua Hội đồng sư phạm Nhà trường Nội dung biện soạn ngắn gọn, dễ hiểu, súc tích Các kiến thức tồn giáo trình có mối liên hệ logic, chặt chẽ Khi biên soạn giáo trình chúng tơi cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến môn học phù hợp với đối tượng sử dụng gắn nội dung lý thuyết với vấn đề công việc thực tế Nội dung giáo trình biên soạn gồm: Chương 1: Mở đầu Chương 2: Cơ sở nhiệt động kỹ thuật truyền nhiệt Chương 3: Cơ sở kỹ thuật lạnh Chương 4: Cơ sở kỹ thuật điều hồ khơng khí Cuốn giáo trình biên soạn dựa theo nội dung tài liệu tham khảo Mặc dù có nhiều cố gắng giáo trình chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp để giáo trình chỉnh sửa ngày hồn thiện Mọi góp ý xin gửi Khoa điện Trường CĐN Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội Xin trân trọng cám ơn! Hà Nội, ngày tháng năm Chủ biên: Lê Thị Thu Hằng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC Chương Mở đầu 1.1 Tầm quan trọng kiến thức, kỹ tra bảng chuyên nghành kỹ thuật máy lạnh điều hịa khơng khí 1.2 Các tài liệu phục vụ cho việc học tập môn học Chương Cơ sở kỹ thuật nhiệt động truyền nhiệt 2.1 Nhiệt động kỹ thuật 2.2 Truyền nhiệt 31 Chương Cơ sở kỹ thuật lạnh 70 3.1 Khái niệm chung 70 3.2 Môi chất lạnh chất tải lạnh 74 3.3 Các hệ thống lạnh thông dụng 81 3.4 Máy nén lạnh 95 3.5 Các thiết bị khác hệ thống lạnh 110 Chương Cơ sở kỹ thuật điều hịa khơng khí 136 4.1 Khơng khí ẩm 136 4.2 Khái niệm điều hịa khơng khí 147 4.3 Hệ thống vận chuyển phân phối khơng khí 159 4.4 Các phần tử khác hệ thống ĐHKK 177 TÀI LIỆU THAM KHẢO 190 CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh điều hịa khơng khí Mã môn học: MH 12 Thời gian thực môn học: 90 (Lý thuyết: 60 giờ; Thực hành: 24 giờ; Kiểm tra: giờ) I Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Là mơn học sở kỹ thuật chun ngành, chuẩn bị kiến thức cần thiết cho phần - Tính chất: Mơn học thiên lý thuyết có kết hợp với tra bảng biểu Mục tiêu môn học: - Trình bày kiến thức kỹ thuật Nhiệt - Lạnh điều hịa khơng khí, cụ thể là: Các hiểu biết chất mơi giới hệ thống máy lạnh ĐHKK, cấu tạo nguyên lý hoạt động máy lạnh, cấu trúc hệ thống máy lạnh ĐHKK; - Tra bảng thông số trạng thái môi chất, sử dụng đồ thị, biết chuyển đổi số đơn vị đo giải số tập đơn giản; - Rèn luyện khả tư logic sinh viên; ứng dụng thực tế vận dụng để tiếp thu kiến thức chuyên ngành Nội dung môn học: Thời gian TT Tên chương, mục Tổng Lý số thuyết Thi/ Thực hành, thí nghiện, thảo luận, tập Kiểm tra Chương 1: Mở đầu 1 Chương 2: Cơ sở nhiệt động kỹ thuật truyền nhiệt 29 20 2.1 Nhiệt động kỹ thuật 15 10 2.2 Truyền nhiệt 14 10 Chương 3: Cơ sở kỹ thuật lạnh: 30 22 3.1 Khái niệm chung 2 3 3.2 Môi chất lạnh chất tải lạnh 3.5 Các thiết bị khác hệ thống lạnh 10 7 Chương 4: Cơ sở kỹ thuật điều hồ khơng khí 30 17 2 4.2 Khái niệm điều hòa khơng khí 4 4.3 Hệ thống vận chuyển phân phối khơng khí 12 4.4 Các phần tử khác hệ thống điều hịa khơng khí Cộng 3.3 Các hệ thống lạnh dân dụng 3.4 Máy nén lạnh 10 12 5 90 60 24 4.1 Khơng khí ẩm Chương Mở đầu Mục tiêu: - Trình bày tầm quan trọng kiến thức, kỹ tra bảng chuyên nghành kỹ thuật máy lạnh điều hịa khơng khí - Thống kê tài liệu phục vụ cho việc học tập môn học Nội dung chính: 1.1 Tầm quan trọng kiến thức, kỹ tra bảng chuyên nghành kỹ thuật máy lạnh điều hịa khơng khí Những kiến thức kỹ tra bảng môn học kiến thức chuyên sâu ngành kỹ thuật máy lạnh điều hịa khơng khí, tìm thơng số để tính tốn so sánh nhằm đưa hệ thống lạnh hoàn hảo 1.2 Các tài liệu phục vụ cho việc học tập môn học - Nhiệt động lực học kỹ thuật, Hồng Đình Tín – Lê Chí Hiệp, NXB Đại học quốc gia TPHCM, 2003 - Bài tập Nhiệt động lực học kỹ thuật truyền nhiệt, Hoàng Đình Tín Bùi Hải, NXB Đại học quốc gia TPHCM, 2003 - Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, Hồng Đình Tín, NXB Đại học quốc gia TPHCM, 2003 - Nhiệt kỹ thuật, Nguyễn Bốn – Hoàng Ngọc Đồng - NXB Giáo Dục - Kỹ thuật lạnh Cơ sở, Nguyễn Đức Lợi – NXB Giáo Dục, 2006 - Máy lạnh, Trần Thanh Kỳ – NXB Giáo Dục, 2006 - Máy thiết bị lạnh, Võ Chí Chính – NXB khoa học kỹ thuật - Thơng gió Điều hịa khơng khí, Võ Chí Chính – NXB khoa học kỹ thuật - Cơ sở kỹ thuật điều tiết khơng khí, TS Hà Đăng Trung – ThS Nguyễn Quân – NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1997 - Hướng dẫn thiết kế hệ thống điều hịa khơng khí, Nguyễn Đức Lợi – NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2007 Chương Cơ sở kỹ thuật nhiệt động truyền nhiệt Mục tiêu: - Trình bày kiến thức chung kỹ thuật Nhiệt - Lạnh - Phân tích khái niệm nhiệt động lực học - Trình bày kiến thức thông số trạng thái - Trình bày trình nhiệt động - Trình bày chu trình nhiệt động - Trình bày trình dẫn nhiệt truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt - Phân tích q trình, ngun lý làm việc máy lạnh quy luật truyền nhiệt nói chung; - Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất áp dụng vào mơn học cho HSSV Nội dung chính: 2.1 Nhiệt động kỹ thuật 2.1.1 Chất môi giới thông số trạng thái chất môi giới a Các khái niệm định nghĩa: Hình 2.1 Nguyên lý làm việc động nhiệt máy lạnh, bơm nhiệt + Thiết bị nhiệt loại thiết bị có chức chuyển đổi nhiệt Thiết bị nhiệt chia thành nhóm: động nhiệt máy lạnh + Động nhiệt có chức chuyển đổi nhiệt thành động nước, turbine khí, động xăng, động phản lực, v.v + Máy lạnh có chức chuyển nhiệt từ nguồn lạnh đến nguồn nóng + Hệ nhiệt động (HNĐ) hệ gồm nhiều vật tách riêng khỏi vật khác để nghiên cứu tính chất nhiệt động chúng Tất vật ngồi HNĐ gọi mơi trường xung quanh Vật thực tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động với môi trường xung quanh gọi ranh giới HNĐ Hệ nhiệt động phân loại sau : Hình 2.2 Hệ nhiệt động a) HNĐ kín với thể tích khơng đổi b) HNĐ kín với thể tích thay đổi HNĐ hở * Hệ nhiệt động kín: HNĐ khơng có trao đổi vật chất hệ môi trường xung quanh * Hệ nhiệt động hở: HNĐ có trao đổi vật chất hệ môi trường xung quanh * Hệ nhiệt động lập: HNĐ cách ly hồn tồn với mơi trường xung quanh b Chất mơi giới thông số trạng thái chất môi giới * Chất môi giới hay môi chất công tác: Được sử dụng thiết bị nhiệt chất có vai trị trung gian q trình biến đổi nhiệt * Thông số trạng thái CMG: Là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động CMG + Các thông số trạng thái chất môi giới Nhiệt độ: Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt vật Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ số đo động trung bình phân tử m   kT Trong đó: [1-1] mμ - khối lượng phân tử ω - vận tốc trung bình phân tử k - số Bonzman , k = 1,3805.10 J/độ T - nhiệt độ tuyệt đối Nhiệt kế: Nhiệt kế hoạt động dựa thay đổi số tính chất vật lý vật thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ: chiều dài, thể tích, màu sắc, điện trở , v.v Thang nhiệt độ: 1) Thang nhiệt độ Celsius ( C) 2) Thang nhiệt độ Fahrenheit ( F) 3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) 4) Thang nhiệt độ Rankine ( R) Hình 2.3 Nhiệt kế Mối quan hệ đơn vị đo nhiệt độ: o ( F – 32) o C= o C = K – 273 o C= o R – 273 Áp suất: Áp suất lưu chất (p) - lực tác dụng phân tử theo phương pháp tuyến lên đơn vị diện tích thành chứa p= F A [1-2] Theo thuyết động học phân tử : p =  n m  [1-3] : p - áp suất ; F - lực tác dụng phân tử ; A - diện tích thành bình chứa ; n - số phân tử đơn vị thể tích ; α - hệ số phụ thuộc vào kích thước lực tương tác phân tử * Đơn vị áp suất: 1) N/m ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647) 2) Pa (Pascal) ; 6) mm H2O 3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch) 4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot) Mối quan hệ đơn vị đo áp suất: atm = 760 mm Hg (at C) = 10,13 10 Pa = 2116 psf (lbf/ft ) at = 2049 psf 1at = 0,981 bar = 9,81.104 N/m2 = 9,81.104 Pa = 10 mH20 = 735,5 mmHg = 14,7 psi + Phân loại áp suất: Áp suất khí (p 0): Áp suất khơng khí tác dụng lên bề mặt vật trái đất Áp suất dư (pd): Là phần áp suất tuyệt đối lớn áp suất khí p d= p - p [1-4] Áp suất tuyệt đối (p): Áp suất lưu chất so với chân không tuyệt đối p = p d+ p [1-5] Áp suất chân không (pck): Phần áp suất tuyệt đối nhỏ áp suất khí pck = p0 - p [1-6] Bảng 3.5 Bảng hệ số dự trữ quạt theo công suất trục Quạt ly tâm Nq, kW Quạt hướng trục < 0,5 1,5 1,20 0,51 – 1,0 1,3 1,15 1,1 – 2,0 1,2 1,10 2,1 – 5,0 1,15 1,05 >5 1,10 1,05 Khi chọn quạt phải lưu ý độ ồn Độ ồn quạt thường nhà chế tạo đưa catalogue Nếu khơng có catalogue ta kiểm tốc độ dài đỉnh quạt Tốc độ khơng q lớn  = .D1.n < 40  45 m/s [3-39] 4.3.4 Bài tập quạt gió trở kháng đường ống Ví dụ 1: Xác định tổn thất áp suất đoạn ống dẫn thẳng có tiết diện hình trịn Cho biết d = 200 mm, lưu lượng 904,7 m3/h, chiều dài ống l = 10 m λ = 0,045 Giải: Tốc độ khơng khí ống: = 904,7.4 8 3600. (0,2) m2/s Tổn thất áp suất đoạn ống dẫn: l d pms =   2 = 0,045 82 10 1,2  86,4 mmH2O 0,2 Ví dụ 2: Xác định cơng suất động quạt biết thông số quạt V tt = 32000 m3/h Htt = 60 mmH20 Biết quạt làm việc điều kiện áp suất khí quyển, hiệu suất quạt 75% khơng khí đầu vào quạt có nhiệt độ 1150C Giải: Giả sử quạt làm việc môi trường khơng khí sạch: Lưu lượng cần thiết quạt: Vq = Vtt = 32000 m3/h Do quạt làm việc với khơng khí áp suất khí quyến B = 760 mmHg nên k = kk Cột áp cần thiết quạt Hq: Hq = Htt [(273+t)/293] [760/B].[k/kk] = 60.[388/293] = 79,45 mmH2O Công suất yêu cầu trục 176 32000 79,45.9,81.10 3 Nq = (Vq.Hq.10-3)/q = 3600  9,24 kW 0,75 Công suất đặt động cơ: Nđc = Nq.Kdt/ tđ Giả sử động kéo trực tiếp trục quạt: tđ = + Nếu quạt li tâm Kdt = 1,1  Công suất đặt động cơ: Nđc = (9,24.1,1)/1 = 10,16 kW + Nếu quạt hướng trục Kdt = 1,05  Công suất đặt động cơ: Nđc = (9,24.1,05)/1 = 9,7 kW 4.4 Các phần tử khác hệ thống ĐHKK 4.4.1 Khâu tự động điều chỉnh nhiệt độ độ ẩm phòng Chức hệ thống điều chỉnh tự động nhằm trì giữ ổn định thơng số vận hành hệ thống điều hịa khơng khí khơng phụ thuộc vào điều kiện khí hậu bên ngồi phụ tải bên Các thơng số cần trì là: - Nhiệt độ - Độ ẩm - Áp suất - Lưu lượng Trong thông số nhiệt độ thơng số quan trọng Ngồi chức đảm bảo thơng số khí hậu phịng, hệ thống điều khiển cịn có tác dụng bảo vệ an tồn cho hệ thống, ngăn ngừa cố xảy ra, đảm bảo hệ thống làm việc hiệu kinh tế nhất; giảm chi phí vận hành công nhân a Tự động điều chỉnh nhiệt độ + Bộ cảm biến nhiệt độ: Tất cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa nguyên tắc tính chất nhiệt vật lý chất thay đổi theo nhiệt độ Cụ thể dãn nhiệt, thay đổi điện trở theo nhiệt độ Ta thường gặp cảm biến sau: 177 Hình 4.25 Các kiểu cảm biến a1: lưỡng kim thẳng; a2: lưỡng kim uốn cong; b: cảm biến kiểu ống thanh; c: cảm biến kiểu hộp xếp Trên hình 3.25a1 cấu lưỡng kim, ghép từ kim loại mỏng có hệ số giãn nở nhiệt khác Một đầu giữ cố định đầu tự Thanh làm từ vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt Khi nhiệt độ tăng giãn nở nhiều uốn cong toàn sang trái Khi nhiệt độ giảm xuống giá trị định mức, bị uốn cong sang phải Một dạng khác cảm biến dạng lưỡng kim uốn cong dạng xoắc trơn ốc, đầu ngồi cố định đầu di chuyển Loại thường sử dụng để làm đồng hồ đo nhiệt độ có cấu tạo hình 3.25a - Bộ cảm biến ống thanh: Cấu tạo gồm 01 kim loại có hệ số giãn nở nhiệt lớn đặt bên 01 ống trụ kim loại giản nở nhiệt Một đầu kim loại hàn chặt vào đáy ống đầu tự Khi nhiệt độ tăng giảm so với nhiệt độ định mức đầu tự chuyển động sang phải sang trái - Bộ cảm biến kiểu hộp xếp: Hình 4.26 Bộ cảm biến kiểu hộp xếp có ống mao bầu cảm biến 178 Cấu tạo gồm hộp xếp có nếp nhăn màng mỏng có khả co giãn lớn, bên chứa đầy chất lỏng chất khí Khi nhiệt độ thay đổi môi chất co giãn làm hộp xếp màng mỏng căng lên làm di chuyển gắn - Cảm biến điện trở: Cảm biến điện trở có loại sau đây: - Cuộn dây điện trở - Điện trở bán dẫn - Cặp nhiệt + Sơ đồ điều khiển nhiệt độ: Hình 4.27 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ Trên hình 4.27 sơ đồ điều khiển nhiệt độ AHU AHU có 02 dàn trao đổi nhiệt: dàn nóng dàn lạnh dàn hoạt động độc lập không đồng thời Mùa hè dàn lạnh làm việc, mùa đơng dàn nóng làm việc Đầu khơng khí có bố trí hệ thống phun nước bổ sung để bổ sung ẩm cho khơng khí Nước nóng, nước lạnh nước phun cấp vào nhờ van điện từ thường đóng (NC-Normal Close) thường mở (NO- Normal Open) b Tự động điều chỉnh độ ẩm số hệ thống ĐHKK công nghệ + Bộ cảm biến độ ẩm: Bộ cảm biến độ hoạt động dựa nguyên lý thay đổi tính chất nhiệt vật lý mơi chất độ ẩm thay đổi Có 02 loại cảm biến độ ẩm: - Loại dùng chất hữu (organic element) 179 - Loại điện trở (Resistance element) Hình 4.28 Bộ cảm biến độ ẩm Trên hình 3.28 cảm biến độ ẩm, có chứa sợi hấp thụ ẩm Sự thay đổi độ ẩm làm thay đổi chiều dài sợi hấp thụ Sợi hấp thụ tóc người vật liệu chất dẻo axêtat 4.4.2 Lọc bụi tiêu âm ĐHKK a Tác dụng lọc bụi Bụi chất độc hại Nồng độ bụi khơng khí z b (mg/m3) không vượt giới hạn cho phép Muốn cần tiến hành lọc bụi Việc chọn phương pháp lọc bụi thơng gió ĐTKK trước tiên phải vào nguồn gốc bụi, cỡ hạt mức độ độc (từ định nồng độ bụi khơng khí) Bụi khơng khí có hai nguồn gốc chính: - Bụi hữu có nguồn gớc động thực vật, phát sinh trình chế biến, gai công sản phẩm bông, gỗ, giấy, da, thực phẩm, nơng sản… - Bụi vơ (bụi khống, bụi kim loại…) mang từ ngồi vào theo gió, theo bao bì,…và cị thể phát sinh chế biến ( bụi đá ximăng, bụi amiăng, bụi kim loại mài, đánh bóng…) Cỡ hạt bụi phân làm: - Cỡ hạt mịn, hạt bụi có kích thước từ 0,1  1m (bụi có hạt nhỏ 0,001m tác nhân gây mùi) - Cỡ mịn, hạt bụi có kích thước từ  10m - Cỡ hạt thơ kích thước hạt bụi lớn 10m 180 Bụi mịn nguy hiểm dễ sâu vào đường thở khó lọc sach thiết bị thơng dụng Chúng thường tồn lâu khơng khí mà khơng lắng đọng Bụi cỡ mịn có rơi khơng khí tốc độ khơng đổi nên lắng động chậm Các hạt bụi thơ rơi tự khơng khí nên lắng động nhanh Nồng độ bụi cho phép khơng khí thường cho theo mức độ độc hại hàm lượng silic oxyt Bảng 3.6 cho biết nồng độ bụi khơng khí có điều hịa (bụi trung tính) Bảng 3.6 Nồng độ bụi trung tính khơng khí có điều hịa: Hàm lượng SO2 bụi % Khơng khí vùng làm việc Khơng khí tuần hồn >10 Zb < mg/m3 Zb < 0.6 mg/m3 – 10 2–4