Giáo trình Kỹ thuật lạnh (Nghề Điện công nghiệp Trình độ Cao đẳng)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI VÀ THỦY LỢI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT LẠNH TRÌNH ĐỢ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo định số 546 ngày 11 tháng năm 2020) NĂM 2020 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên 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 LỜI GIỚI THIỆU Kỹ thuật lạnh mơ đun chun mơn mang tính đặc trưng cao thuộc nghề điện công nghiệp Mô đun có ý nghĩa định đến kỹ kiến thức người học Sau học tập mô đun này, học viên có đủ kiến thức để học tập tiếp mô đun nâng cao Mô đun học sau học viên học xong mô đun Điện kỹ thuật, Vẽ điện, Đo lường điện mô đun Máy điện Mô đun bao gồm học sau: Bài 1: Cơ sở nhiệt động kỹ thuật truyền nhiệt Bài 2: Cơ sở kỹ thuật lạnh Bài 3: Cơ sở kỹ thuật điều hịa khơng khí MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT VÀ TRUYỀN NHIỆT 1.1 NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT 1.1.1 Chất môi giới thông số trạng thái chất môi giới b) Các thông số trạng thái chất môi giới 1.1.2 Hơi thông số trạng thái 13 1.1.3 Các trình nhiệt động 17 1.1.4 Chu trình nhiệt động máy ạnh bơm nhiệt 20  Phát biểu Clausius .23  Phát biểu Kenvil Planck 24 1.2 TRUYỀN NHIỆT 27 1.2.1 Dẫn nhiệt .27 a) Trường nhiệt độ 27 b) Gradient nhiệt độ 28 c) Mật độ dòng nhiệt 28 d) Định uật Fourier dẫn nhiệt 28 e) Hệ số dẫn nhiệt 29 f) Phương trình vi phân dẫn nhiệt 29 g) Các điều kiện đơn trị 30  Vách phẳng lớp .31  Vách phẳng nhiều lớp 32  Vách trụ lớp 34  Vách trụ nhiều lớp 35 1.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 36 1.2.3 Trao đổi nhiệt xạ 46 1.2.4 Truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt 53 b) Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt 57 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH 59 2.1 KHÁI NIỆM CHUNG 59 2.1.1 LÝ nghĩa kỹ thuật ạnh đời sống kỹ thuật 59 2.1.2 Các phương pháp làm ạnh nhân tạo 60 2.2 MÔI CHẤT LẠNH VÀ CHẤT TẢI LẠNH 63 2.2.1 Các môi chất ạnh thường dùng kỹ thuật ạnh .63 2.2.2 Chất tải ạnh 68 2.2.3 Bài tập môi chất ạnh chất tải ạnh .68 2.3 CÁC HỆ THỐNG LẠNH THÔNG DỤNG 69 2.3.1 Hệ thống ạnh với cấp nén 69 2.3.2 Sơ đồ cấp nén có làm mát trung gian 72 2.3.3 Các sơ đồ khác .79 2.3.4 Bài tập 81 2.4 MÁY NÉN LẠNH .81 2.4.1 Khái niệm 81 2.4.2 Máy nén pittông 85 2.4.3 Giới thiệu số chủng loại máy nén khác 91 2.5 CÁC THIẾT BỊ KHÁC CỦA HỆ THỐNG LẠNH .95 2.5.1 Các thiết bị trao đổi nhiệt chủ yếu .95 2.5.2 Thiết bị tiết lưu (giảm áp) 106 2.5.3 Thiết bị phụ, dụng cụ đường ống hệ thống ạnh 109 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ .117 3.1 KHƠNG KHÍ ẨM 117 3.1.1 Các thông số trạng thái khơng khí ẩm 117 3.1.2 Đồ thị I - d d - t khơng khí ẩm 120 Trên đồ thị trục t d hợp với thành góc vng 122 3.1.3 Một số trình khơng khí ẩm ĐHKK 122 Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn trình làm lạnh 123 3.1.4 Bài tập sử dụng đồ thị .126 3.2 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ 127 3.2.1 Khái niệm thơng gió ĐHKK 127 3.2.2 Bài tập tính tốn tải ạnh đơn giản 129 3.2.3 Các hệ thống ĐHKK 130 3.2.4 Các phương pháp thiết bị xử lý không khí 131 3.3 HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN VÀ PHÂN PHỐI KHƠNG KHÍ 137 3.3.1 Trao đổi khơng khí phịng 137 3.3.2 Đường ống gió .146 3.3.3 Quạt gió .149 3.4 CÁC PHẦN TỬ KHÁC CỦA HỆ THỐNG ĐHKK 152 3.4.1 Khâu tự động điều chỉnh nhiệt độ độ ẩm phòng 152 3.4.2 Lọc bụi tiêu âm ĐHKK 154 3.4.3 Cung cấp nước cho ĐHKK 157 TÀI LIỆU THAM KHẢO 162 HỤ LỤC 163 CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN ĐÀO TẠO KỸ THUẬT LẠNH Mã số mơ đun: MĐ 31 Thời gian mô đun: 120 giờ; (Lý thuyết: 45 giờ; Thực hành: 75 giờ) I VỊ TRÍ TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN: - Vị trí: Mơ đun mô đun sở kỹ thuật chuyên ngành, chuẩn bị kiến thức cần thiết cho phần học kỹ thuật chuyên môn Mô đun học sau mơn học: An tồn lao động; Vật liệu điện; Đo lường điện; Mạch điện - Tính chất: Là mô đun thuộc mô đun đào tạo nghề tự chọn II MỤC TIÊU MƠ ĐUN: Sau hồn tất Mơ đun này, học sinh có lực: - Trang bị cho học sinh kiến thức kỹ thuật Nhiệt- Lạnh điều hịa khơng khí, cụ thể là: Các hiểu biết chất môi giới hệ thống lạnh điều hịa khơng khí, cấu tạo nguyên lý hoạt động máy lạnh, cấu trúc hệ thống lạnh điều hòa khơng khí - Học sinh cần đạt kỹ 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 tính cẩn thận, tỉ mỉ, xác, tư khoa học, an tồn tiết kiệm III NỘI DUNG MÔ ĐUN: Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Số TT Tên mô đun Tổng số Cơ sở nhiệt động kỹ thuật truyền 35 nhiệt Cơ sở kỹ thuật lạnh 45 Cơ sở kỹ thuật điều hòa khơng khí 40 Cộng: 120 * Ghi chú: Thời gian kiểm tra tích hợp lý thực hành Thời gian Lý Thực thuyết hành 15 19 15 15 45 thuyết với Kiểm tra* 27 23 69 thực hành tính Bài 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT (Điền tên chương/bài): Cơ sở kỹ thuật nhiệt động truyền nhiệt Mã chương/ bài: Giới thiệu: Chương cung cấp cho sinh viên học sinh kiến thức ban đầu sở nhiệt động truyền nhiệt: khái niệm nhiệt động bản, thông số hơi, chu trình nhiệt động quy uật 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 thơng số trạng thái - Các q trình nhiệt động - Các chu trình nhiệt động - Trình bày dẫn nhiệt truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt - Phân tích đựoc trình, nguyên llý 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: 1.1 NHIỆT ĐỢNG KỸ THUẬT 1.1.1 Chất môi giới thông số trạng thái chất môi giới 1.1.1.1 Các khái niệm định nghĩa a) Thiết bị nhiệt : lloại 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 ạnh đến nguồn nóng Hình 1.1: Nguyên llý 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 gọi môi trường xung quanh Vật thực tưởng tlượng 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 mơi trường xung quanh • Hệ nhiệt động lập - HNĐ cách ly hồn tồn với mơi trường xung quanh 1.1.1.2 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 Thông số trạng thái CMG đại lượng 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 m .  kT Trong đó: m - khối llượng phân tử μ ω - vận tốc trung bình phân tử k - số Bonzman , k = 1,3805.10 J/độ T - nhiệt độ tuyệt đối [1-1] • Nhiệt kế : Nhiệt kế hoạt động dựa thay đổi số tính chất vật llý 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 Ce sius ( C) 2) Thang nhiệt độ Fahrenheit ( F) 3) Thang nhiệt độ Ke vin (K) 4) Thang nhiệt độ Rankine ( R) Mối quan hệ đơn vị đo nhiệt độ: o o o C= (oF – 32) C = K – 273 C= Hình 1.3: Nhiệt kế oR – 273 Áp suất • Khái niệm Áp suất llưu chất (p) - lực tác dụng phân tử theo phương pháp tuyến lên đơn vị diện tích thành chứa p= F [1-2] A Theo thuyết động học phân tử : p = .n m [1-3]  : p - áp suất ; F - ực 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 H O 3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch) 4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot) Mối quan hệ đơn0vị 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 10  Phân loại áp suất 11 k, kk mậ t độ củ a ch ất khí kh ơn g khí tín hở 0oC Bo = 76 0m m Hg - Nếu quạt tải bụi vật rắn khác (bơng, vải, sợi ) chọn Hq = 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 lượng khơng khí sạch, kg/kg e) Căn vào Vq Hq tiến hành chọn quạt thích hợp cho đường đặc tính H-V có hiệu suất cao (gần max) f) Định điểmlàm 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 thước ớn 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 m /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 Bảng 3.5: Bảng hệ số dự trữ quạt theo công suất trục Nq, kW Quạt ly tâm Quạt dọc 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 lý độ ồn Độ ồn quạt thường nhà chế tạo đưa cata ogue Nếu khơng có cata ogue ta kiểm tốc độ dài đỉnh quạt Tốc độ khơng q ớn  = .D1.n < 40  45 m/s [3-39] Khoa Điện – Điện tử - Điện ạnh Trang 151 3.4 CÁC HẦN TỬ KHÁC CỦA HỆ THỐNG ĐHKK 3.4.1 Khâu tự động điều chỉnh nhiệt độ độ ẩm phòng Chức hệ thống điều chỉnh tự độnglà nhằm trì giữ ổn định thông 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 trìl :  Nhiệt độ  Độ ẩm  Áp suất  Llưu lượng Trong thông số nhiệt độ thông số quan trọng Ngoài 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 thốnglàm việc hiệu kinh tế nhất; giảm chi phí vận hành cơng nhân 3.4.1.1 Tự động điều chỉnh nhiệt độ a) Bộ cảm biến nhiệt độ Tất cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa nguyên tắclà tính chất nhiệt vật lý chất thay đổi theo nhiệt độ Cụ thểlà giãn nhiệt, thay đổi điện trở theo nhiệt độ Ta thường gặp cảm biến sau: Hình 3.25: Các kiểu cảm biến - Thanh lưỡng kim (bimetal strip) Trên hình 3.25a1là cấu ưỡng kim, ghép từ kim loại mlỏng có hệ số giãn nở nhiệt khác Một đầu giữ cố định đầu tự Thanh 1làm từ vật iệu 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 nàylà ưỡng kim uốn cong dạng xoắc trơn ốc, đầu ngồi cố định đầu di chuyển Lloại 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 ớn đặt bên 01 ống trụ kim loại giản nở nhiệt Một đầu kim loại hàn chặt vào đáy Khoa Điện – Điện tử - Điện ạnh Trang 152 ống Khoa Điện – Điện tử - Điện ạnh Trang 153 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 mlỏng có khả co giãn ớn, bên chứa đầy chất lỏng chất khí Khi nhiệt độ thay đổi mơi chất co giãnlàm hộp xếp màng mlỏng căng ênlàm di chuyển gắn Hình 3.26: Bộ cảm biến kiểu hộp xếp có ống mao bầu cảm biến - Cảm biến điện trở 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 3.27là sơ đồ điều khiển nhiệt độ AHU AHU có 02 dàn trao đổi nhiệt: dàn nóng dàn ạnh dàn hoạt động độc ập không đồng thời Mùa h dàn ạnh 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 Khoa Điện – Điện tử - Điện ạnh Trang 154 Nước nóng, nước ạnh nước phun cấp vào nhờ van điện từ thường đóng (NC-Norma C ose) thường mở (NO- Normal Open) 3.4.1.2 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 mơi chất độ ẩm thay đổi Có 02 loại cảm biến độ ẩm: - Lloại dùng chất hữu (organic e ement) - Lloại điện trở (Resistance e ement) Hình 3.28 : Bộ cảm biến độ ẩm Trên hình 3.28là cảm biến độ ẩm, có chứa sợi hấp thụ ẩm Sự thay đổi độ ẩm m thay đổi chiều dài sợi hấp thụ Sợi hấp thụ l tóc người vật iệu chất dẻo axêtat 3.4.2 Lọc bụi tiêu âm ĐHKK 3.4.2.1 Tác dụng ọc bụi Bụilà chất độc hại Nồng độ bụi khơng khí z b (mg/m3 ) không vượt giới hạn cho phép Muốn cần tiến hành ọc bụi Việc chọn phương pháp ọc 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 : - Bụi hữu có nguồn gớc động thực vật, phát sinh trình chế biến, gai công sản phẩm bông, gỗ, giấy, da, thực phẩm, nông sản… - Bụi vô (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 phânl m: - Cỡ hạt mịn, hạt bụi có kích thước từ 0,1  1m (bụi có hạt nhỏ 0,001m tác nhân gây mùi) Khoa Điện – Điện tử - Điện ạnh Trang 155 - Cỡ mịn, hạt bụi có kích thước từ  10m - Cỡ hạt thô kích thước hạt bụi ớn 10m Bụi mịn nguy hiểm dễ sâu vào đường thở khó ọc sach thiết bị thông dụng Chúng thường tồn âu không khí mà khơng ắng đọng Bụi cỡ mịn có rơi khơng khí tốc độ khơng đổi nên ắng động chậm Các hạt bụi thô rơi tự khơng khí nên ắng động nhanh Nồng độ bụi cho phép khơng khí thường cho theo mức độ độc hại hàm lượng si ic 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 llượng SO2 bụi % Khơng khí vùng làm việc Khơng khí tuần hồn >10 Zb < mg/m3 Zb < 0.6 mg/m3 2–4 – 10