Giáo trình cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh và điều hòa không khí (nghề kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí trung cấp)

SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT – LẠNH VÀ ĐHKK NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP NGHỀ Ban hành kèm theo Quyết định số: 234 /QĐ – CĐN ngày tháng năm 2020 Trường Cao Đẳng Nghề Hà Nam Hà Nam, năm 2020 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Dựa theo giáo trình này, giảng dạy cho trình độ ngành/nghề khác nhà trường LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Cơ Sở Kỹ Thuật Nhiệt – Lạnh Và Điều Hịa Khơng Khí giáo trình biên soạn dạng tổng quát cho học sinh, sinh viên ngành lạnh từ kiến thức kiến thức chuyên sâu Do có số nội dung mang tính chung khơng vào cụ thể Giáo trình giúp học sinh, sinh viên có đƣợc kiến thức chung hữu ích cần phải nghiên cứu chuyên ngành sâu Mặc khác giáo trình đƣa vào nội dung mang tính thực tế giúp học sinh, sinh viên gần gũi, dễ nắm bắt vấn đề va chạm thực tế Ngồi giáo trình sử dụng cho khối khơng chun muốn tìm hiểu thêm ngành nhiệt lạnh điều hịa khơng khí Xin trân cảm ơn Quý thầy cô Khoa Điện Trường Cao đẳng nghề Hà Nam hổ trợ để hồn thành giáo trình Giáo trình lần biên soạn nên không tránh khỏi sai sót, mong nhận ý kiến đóng góp quý bạn đọc Hà nam, ngày tháng năm 2020 Tham gia biên soạn Trần Nhữ Mạnh MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH VÀ ĐHKK Mã môn học: MH 10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học Mục tiêu môn học Nội dung môn học CHƯƠNG I: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT Mã chương: MH10- 01 NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT: TRUYỀN NHIỆT: 24 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH 59 Mã chương: MH 10 - 02 59 KHÁI NIỆM CHUNG: 59 MÔI CHẤT LẠNH VÀ CHẤT TẢI LẠNH 63 CÁC HỆ THỐNG LẠNH THÔNG DỤNG: 68 MÁY NÉN LẠNH 76 CÁC THIẾT BỊ KHÁC CỦA HỆ THỐNG LẠNH: 90 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ 112 Mã chương: MH 10- 03 112 KHƠNG KHÍ ẨM 112 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ 122 HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN VÀ PHÂN PHỐI KHÔNG KHÍ 133 CÁC PHẦN TỬ KHÁC CỦA HỆ THỐNG ĐHKK: 148 TÀI LIỆU THAM KHẢO 159 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH VÀ ĐHKK Mã mơn học: MH 10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học - Vị trí: Là mơn học sở ngành, chuẩn bị kiến thức cần thiết cho môn học, mơ đun kỹ thuật chun ngành - Tính chất: Là môn học kỹ thuật sở - Ý nghĩa vai trị mơn học: Cung cấp tổng quát cho học sinh, sinh viên ngành lạnh từ kiến thức kiến thức chuyên sâu hệ thống máy lạnh ĐHKK Mục tiêu môn học - Về kiến thức: + Trình bày kiến thức kỹ thuật Nhiệt - Lạnh điều hịa khơng khí, cụ thể là: Các hiểu biết chất môi giới hệ thống máy lạnh ĐHKK, cấu tạo nguyên lý hoạt động máy lạnh, cấu trúc hệ thống máy lạnh ĐHKK; - Về kỹ năng: + Tra bảng thông số trạng thái môi chất, sử dụng đồ thị, biết chuyển đổi số đơn vị đo giải số tập đơn giản; - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện khả tư logic sinh viên; ứng dụng thực tế vận dụng để tiếp thu kiến thức chuyên ngành Nội dung môn học CHƯƠNG I: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT Mã chương: MH10- 01 Giới thiệu: Chương cung cấp cho sinh viên học sinh kiến thức ban đầu sở nhiệt động truyền nhiệt: khái niệm nhiệt động bản, thơng số hơi, chu trình nhiệt động quy luật hình thức truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt Mục tiêu: - Hiểu đuợc kiến thức chung kỹ thuật Nhiệt-Lạnh - Nắm rõ khái niệm nhiệt động lực học - Hơi thông số trạng thái - Các trình nhiệt động - Các chu trình nhiệt động - Trình bày dẫn nhiệt truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt - Phân tích đựoc trình, nguyên 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 môn học cho HSSV Nội dung chính: NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT: 1.1 Chất môi giới thông số trạng thái chất môi giới: 1.1.1.Các khái niệm định nghĩa: a.Thiết bị nhiệt : loại thiết bị có chức chuyển đổi nhiệt Thiết bị nhiệt đƣợc chia thành nhóm: động nhiệt máy lạnh Động nhiệt: Có chức chuyển đổi nhiệt thành nhƣ động nƣớc, turbine khí, động xăng, động phản lực, v.v Máy lạnh: có chức chuyển nhiệt từ nguồn lạnh đến nguồn nóng Hình 1.1: Ngun lý làm việc động nhiệt máy lạnh, bơm nhiệt b Hệ nhiệt động: (HNĐ) hệ gồm nhiều vật tách riêng khỏi vật khác để nghiên cứu tính chất nhiệt động chúng Tất vật HNĐ đƣợc gọi môi 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 1.2: Hệ nhiệt động a.HNĐ kín với thể tích khơng đổi b.HNĐ kín với thể tích thay đổi 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 môi trường xung quanh Chất môi giới thông số trạng thái chất môi giới: a Khái niệm chất môi giới (CMG): Chất môi giới hay môi chất công tác sử dụng thiết bị nhiệt chất có vai trị trung gian q trình biến đổi nhiệt Thơng số trạng thái CMG đại lƣợng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động CMG b 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 Trong đó: mµ - khối lượng phân tử ω - vận tốc trung bình phân tử k - số Bonzman , k = 1,3805.105 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 Hình 1.3: Nhiệt kế Thang nhiệt độ Thang nhiệt độ Celsius (0C) 1) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) 2) Thang nhiệt độ Kelvin (0K) 3) Thang nhiệt độ Rankine (0R) Mối quan hệ đơn vị đo nhiệt độ: Áp suất Khái niệm: Áp suất lưu chất (p) - lực tác dụng phân tử theo phương pháp tuyến lên đơn vị diện tích thành chứa Theo thuyết động học phân tử : Trong : 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 N/m ; mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647) Pa (Pascal) ; mm H2O at (Technical Atmosphere) ; psi (Pound per Square Inch) atm (Physical Atmosphere); 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 (p0) - áp suất khơng khí tác dụng lên bề mặt vật trái đất Áp suất dư (pd) – phần áp suất tuyệt đối lớn áp suất khí pd=p-p0 [1-4] Áp suất tuyệt đối (p) - áp suất lƣu chất so với chân không tuyệt đối p=pd+p0 [1-5] 4.Áp suất chân không (pck) - phần áp suất tuyệt đối nhỏ áp suất khí pck = p0 - p Hình 1.4: Các loại áp suất Áp kế [1-6] Hình 1.5: Dụng cụ đo áp suất a) Barometer , b) Áp kế Ghi : Khi đo áp suất áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần hiệu chỉnh nhiệt độ C h = h(1 - 0,000172 t) [1-7] Trong : t - nhiệt độ cột thủy ngân, 0C h - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh nhiệt độ 0C h - chiều cao cột thủy ngân nhiệt độ t0C Thể tích riêng khối lượng riêng : Thể tích riêng (v) - Thể tích riêng chất thể tích ứng với đơn vị khối lượng chất : Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng - gọi mật độ - chất khối lượng ứng với đơn vị thể tích chất : Nội : Nội nhiệt (u) - gọi tắt nội - lượng chuyển động phân tử bên vật lực tương tác chúng Nội gồm thành phần : nội động (ud ) nội (up ) - Nội động liên quan đến chuyển động phân tử nên phụ thuộc vào nhiệt độ vật - Nội liên quan đến lực tương tác phân tử nên phụ thuộc vào khoảng cách phân tử Như vậy, nội hàm nhiệt độ thể tích riêng : u = u (T, v) Đối với khí lý tưởng, lực tương tác phân tử nên nội phụ thuộc vào nhiệt độ Lượng thay đổi nội khí lý tưởng xác định biểu thức: du = CvdT Δu = Cv(T2 - T1) [1-10] Bảng 3.4: R/ 0, 0, 1, 1, 2, 2,5 D 75 0, 0, 0, 0, 0, 0,1  71 33 22 15 13 *Qui đổi chiều dài tương đương: Tổn thất cục coi tổn thất ma sát với chiều dài tương đương đó: pcb = 2/2 = .(ltđ/d)2/2 [3-34] Thông thường người ta xác định chiều dài tương đương thơng qua đường kính tƣơng đương tiết diện ống Trị số a tra theo bảng tài liệu: ltđ = a.D Gộp lại ta có p = pms + pcb [3-35] 3.3 Quạt gió: Quạt thiết bị dùng để vận chuyển phân phối khơng khí thiết bị khơng thể thiếu hệ thống điều hịa khơng khí đời sống Hai thơng số quạt gió là: Lƣu lƣợng khơng khí quạt: V, m3/s, m3/hr Cột áp Hq (áp suất thừa mà quạt tạo ra): Pa mmH2O 3.3.1.Phân loại quạt gió:  Theo đặc tính khí động + Hƣớng trục: Khơng khí vào dọc theo trục Gọn nhẹ có tể cho lưu lượng lớn với áp suất bé Thường dùng hệ thống khơng có ơng gió ống ngắn + Ly tâm: Đi vào theo hướng trục quay vuông góc trục quay, cột áp tạo ly tâm Vì cần có ống dẫn gió tạo áp suất lớn Nó tạo nên luồng gió có áp suất lớn Trong số máy ĐHKK dạng Package thường sử dụng quạt ly tâm  Theo cột áp: + Quạt hạ áp: Hq < 1000 Pa + Quạt trung áp: 1000 pa < Hq < 300 Pa + Quạt cao áp Hq > 3000 Pa  Theo công dụng + Quạt gió + Quạt khói + Quạt bụi 145 + Quạt thơng 3.3.2 Đường đặc tính quạt điểm làm việc mạng đường ống: * Đồ thị đặc tính: Đồ thị biểu diễn quan hệ cột áp H lƣu lượng V ứng với số vòng quay n guồng cánh quạt gọi đồ thị đặc tính quạt Trên đồ thị đặc tính người ta cịn biểu thị đường tham số khác nhƣ đƣờng hiệu suất quạt q, đƣờng công suất quạt Nq Hình 3.24: Đồ thị đường đặc tính quạt * Đặc tính mạng đường ống: Mỗi quạt tốc độ quay tạo cột áp Hq lƣu lƣợng Hq khác ứng với tổng trở lực p dịng khí qua Quan hệ p – V gọi đặc tính mạng đường ống Trên đồ thị đặc tính điểm A đƣợc xác định tốc độ làm việc quạt tổng trở lực mạng đường ống gọi điểm làm việc quạt Như tốc độ quay quạt có nhiều chế độ làm việc khác tùy thuộc đặc tính mạng đường ồng Do hiệu suất quạt khác cơng suất kéo địi hỏi khác Nhiệm vụ người thiết kế hệ thống đường ống phải với lƣu lƣợng V cho trước phải thiết kế đường ống cho đạt hiệu suất cao chí gần max tốt * Tính chọn quạt gió: Muốn chọn quạt định điểm làm việc quạt cần phải tiến hành xác định - Lưu lượng tính tốn Vtt - Cột áp tính tốn Htt 146 - Sau cần lưu ý số yếu tố như: độ ồn cho phép, độ rung nơi đặt máy, nhiệt độ chất khí, khả gây ăn mịn kim loại, nồng độ bụi khí a) Lưu lượng tính tốn Vtt hệ thống điều hịa khơng khí lƣu lượng thể tích Lv b) Cột áp tính tóan Htt = p c) Lƣu lượng cần thiết quạt chọn nhƣ sau: - Với môi trường sạch: Vq = Vtt Với quạt hút hay tải liệu: Vq = 1,1 Vtt d) Cột áp cần tiết quạt Hq chọn theo áp suất khí và nhiệt độ - chất khí Hq = Htt [(273+t)/293] [760/B].[k/kk] [3-36] k, kk mật độ chất khí khơng khí tính 0oC Bo = 760mmHg - Nếu quạt tải bụi vật rắn khác (bơng, vải, sợi ) chọn H q = 1,1.(1 + K.N).Htt K hệ số tùy thuộc vào tính chất bụi N – Nồng độ hổn hợp vận chuyển = Khối lượng vật chất tải / khối lƣợng khơng khí sạch, kg/kg e) Căn vào Vq Hq tiến hành chọn quạt thích hợp cho đƣờng đặc tính H- V có hiệu suất cao (gần max) f) Định điểm làm việc quạt xác định số vòng quay n hiệu suất Từ tính cơng suất động kéo quạt Khi chọn quạt cần định tốc độ tiếp tuyến cho phép nằm khoảng u < 40 – 45 m/s để tránh gây ồn mức Riêng quạt có kích thƣớc lớn Do > 1000mm cho phép chọn u < 60m/s g) Công suất yêu cầu trục Nq = Vq.Hq.10-3/q, kW [3-37] Trong Vq m3/s Hq, Pa Với quạt hút bụi quạt tải: Nq = 1,2.Vq.Hq.10-3/q, kW h) Công suất đặt động cơ: Nđc = Nq.Kdt/ tđ [3-38] tđ – Hiệu suất truyền động + Trực tiếp tđ = + Khớp mềm: tđ = 0,98 + Đai: tđ = 0,95 Kdt – Hệ số dự trữ phụ thuộc công suất yêu cầu trục quạt 147 Bảng 3.5: Bảng hệ số dự trữ quạt theo công suất trục Nq, Quạt ly Quạt dọc tâm trục kW < 0,5 1,5 1,20 0,51 1,3 1,15 – 1,0 1,2 1,10 1,1 – 1,15 1,05 2,0 1,10 1,05 2,1 – 5,0 >5 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 lớn  = D1.n < 40  45 m/s [3-39] CÁC PHẦN TỬ KHÁC CỦA HỆ THỐNG ĐHKK: 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 - Lƣu lƣợng Trong thông số nhiệt độ thông số quan trọng Ngồi chức đảm bảo thơng số khí hậu phịng, hệ thống điều khiển cịn có tác dụng bảo vệ an toàn cho hệ thống, ngăn ngừa cố xảy ra, đảm bảo hệ thống làm việc hiệu kinh tế nhất; giảm chi phí vận hành cơng nhân 4.1.1.Tự động điều chỉnh nhiệt độ: a 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 giãn nhiệt, thay đổi điện trở theo nhiệt độ Ta thường gặp cảm biến sau: 148 Hình 3.25: Các kiểu cảm biến - Thanh lưỡng kim (bimetal strip) 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 3.25a2 - Bộ cảm biến ống 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 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 mơi chất co giãn làm hộp xếp màng mỏng căng lên làm di chuyển gắn Hình 3.26: Bộ cảm biến kiểu hộp xếp có ống mao bầu cảm biến - Cảm biến điện trở 149 Cảm biến điện trở có loại sau đây: + Cuộn dây điện trở + Điện trở bán dẫn + Cặp nhiệt b Sơ đồ điều khiển nhiệt độ: Hình 3.27: Sơ đồ điều khiển nhiệt độ Trên hình 3.27 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 Nƣớc nóng, nƣớc lạnh nƣớc phun đƣợc cấp vào nhờ van điện từ thƣờng đóng (NC-Normal Close) thƣờng mở (NO- Normal Open) 4.1.2 Tự động điều chỉnh độ ẩm số hệ thống ĐHKK công nghệ a) Bộ cảm biến độ ẩm Bộ cảm biến độ hoạt động dựa nguyên lý thay đổi tính chất nhiệt vật lý môi chất độ ẩm thay đổi Có 02 loại cảm biến độ ẩm: - Loại dùng chất hữu (organic element) - Loại điện trở (Resistance element) 150 Hình 3.28 : 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 ngƣời vật liệu chất dẻo axêtat 4.2 Lọc bụi tiêu âm ĐHKK: 4.2.1 Tác dụng lọc bụi: Bụi chất độc hại Nồng độ bụi khơng khí z b (mg/m3) khơng vượt giới hạn cho phép Muốn cần tiến hành lọc bụi Việc chọn phương pháp lọc bụi thông 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 : - Bụi hữu có nguồn gớc động thực vật, phát sinh q trình chế biến, gai cơng sản phẩm bông, gỗ, giấy, da, thực phẩm, nông sản… - Bụi vơ (bụi khống, bụi kim loại…) mang từ ngồi vào theo gió, theo bao bì,…và cò 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 thƣớc từ 0,1 1m (bụi có hạt nhỏ 0,001m tác nhân gây mùi) - Cỡ mịn, hạt bụi có kích thƣớc từ 10m - Cỡ hạt thơ kích thƣớc hạt bụi lớn 10m Bụi mịn nguy hiểm dễ sâu vào đường thở khó lọc sach thiết bị thông 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 thô rơi tự khơng khí nên 151 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 không 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 Khơng khí tuần làm việc hoàn % >10 Zb < mg/m3 Zb < 0.6 mg/m3 – 10 2–4