1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tp HCM Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh ∞ BÁO CÁO TIỂU LUẬN ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ Chủ đề VAN TIẾT LƯU GVHD GS Lê Chí Hiệp SVTH 1 Nguyễn Văn Dóng MSSV 21000429 2 V[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tp HCM Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh -∞ - BÁO CÁO TIỂU LUẬN ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ Chủ đề: VAN TIẾT LƯU GVHD: GS Lê Chí Hiệp SVTH: Nguyễn Văn Dóng MSSV: 21000429 Vũ Lê Quốc MSSV: 21002651 Tp HCM, ngày tháng 11 năm 2013 Mục lục trang Tổng quang kĩ thuật lạnh ……………………………… ………… 1.1 Lịch sử phát triển ………………………………………………… 1.2 Các trình làm lạnh nhân tạo …………………………………… Cơ sở lý thuyết trình tiết lưu ………………………………… 2.1 Quá trình tiết lưu khí lỏng ………………………………… 2.2 Phương trình trình tiết lưu ………………………………… 2.3 Hiệu ứng Joule – Thomson ………………………………………… Các loại van tiết lưu thường gặp đặc điểm loại …… ……… 11 3.1 Ống tiết lưu ………………………………………………… …… 11 3.2 Van tiết lưu điều khiển tay ………………………… ……… 11 3.3 Van tiết lưu nhiệt ………………………………………… ……… 14 3.4 Van tiết lưu điện tử ………………………………………… …… 19 Tài liệu tham khảo ………………………………………… ……… 27 Tổng quang kỹ thuật làm lạnh 1.1 Lịch sử phát triển Từ xa xưa loài người biết sử dụng lạnh đời sống: để làm nguội vật nóng người ta đưa tiếp xúc với vật lạnh Ở nơi mùa đơng có băng tuyết vào mùa đơng người ta sản xuất nước đá trời, sau đưa nước đá vào hầm tích trữ lại, vào mùa hè người ta sử dụng lượng lạnh nước đá nhả để bảo quản rau quả, thịt cá thu hoạch để dành cho mùa đông Ở kỷ 17 nhà vật lý người Anh Bôi nhà vật lý người Đức Gerike phát hiện: áp suất chân không nhiệt độ bay nước thấp áp suất khí Trên sở năm 1810 nhà bác học người Anh chế tạo máy lạnh sản xuất nước đá Năm 1834 bác sỹ Perkin người Anh đưa máy lạnh dùng môi chất êtylen C2H2vào ứng dụng Khi nhà bác học viện hàn lâm Pháp trình bày phương pháp bảo quản thịt làm lạnh công nghệ lạnh thực phát triển Các môi chất lạnh ban đầu sử dụng khơng khí, êtylen C2H2, ơxit cacbon CO2, ơxít sulfuric SO2, pxit nitơ NO2 Về sau mơi chất lạnh tìm amoniac NH3 Những năm 30 - 40 kỷ 20 người ta tìm freon, dẫn xuất từ dãy hydro cacbon no Năm 1862 máy lạnh hấp thụ đời Năm 1874 kỹ sư Linde người Đức chế tạo máy nén lạnh tương đối hoàn chỉnh Sang kỷ 20 sở nhiệt động máy lạnh tương đối hoàn thiện Máy lạnh hiệu ứng Peltie, hiệu ứng từ trường đời Công chạy đua làm lạnh K tiếp diễn Kỹ thuật lạnh ứng dụng nhiều ngành: công nghiệp thực phẩm, công nghiệp, nông nghiệp, y tế, quốc phịng, điều hịa khơng khí cho nhà ở, nhà cơng cộng, xí nghiệp cơng nghiệp, phương tiện giao thông Nước ta nằm khu vực có khí hậu nóng ẩm, phía nam khơng có mùa đơng, đường bờ biển dài 3400 km Đó điều kiện cho việc phát triển ngành lạnh Thật vậy, kỹ thuật lạnh ngày đóng vai trò quan trọng việc phát triển kinh tế đất nước Kỹ thuật lạnh xâm nhập vào 60 ngành kinh tế, đặc biệt vào ngành chế biến thực phẩm, hải sản xuất khẩu, công nghiệp nhẹ, điều hịa khơng khí… Những đặc điểm chủ yếu ngành lạnh nước ta phát triển tương đối mạnh Nhưng cịn quy mơ sản xuất máy lạnh có cơng suất vừa nhỏ chủ yếu Vì nghiên cứu tổ chức phát triển ngành lạnh nước ta thực cấp thiết mang lại hiệu to lớn Để hiểu rõ chức nguyên lý làm việc van tiết lưu ta cần tìm hiểu hệ thống lạnh nói chung Ta cần xét phạm vi hệ thống lạnh thông dụng cơng nghiệp, ví dụ như: hệ thống điều hịa khơng khí, kho lạnh, xưởng đơng lạnh… Một hệ thống lạnh xem hệ thống kín, có q trình nhiệt động hấp thụ thải nhiệt nhờ chuyển động đổi pha môi chất hệ thống nhờ hai thiết bị máy nén van tiết lưu Ở dạng đơn giản hệ thống lạnh gồm có thiết bị máy nén nén môi chất lạnh từ áp suất thấp lên áp suất cao, thiết bị ngưng tụ dung để giải nhiệt môi chất lạnh nhờ khơng khí nước, van tiết lưu dung để giảm áp tự áp suất cao xuống áp suất bay hơi, thiết bị bay dùng để gia nhiệt cho môi chất lạnh nhờ lấy nhiệt môi trường cần làm lạnh Việc lựa chọn van tiết lưu quan trọng ảnh hưởng đến lưu lượng môi chất lạnh vào thiết bị bay 1.2 Các trình làm lạnh nhân tạo 1) Làm lạnh hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt, sinh ngoại công 2) Làm lạnh hiệu ứng tiết lưu (Làm lạnh hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt không sinh ngoại công) 3) Làm lạnh hiệu ứng hấp thụ 4) Làm lạnh hiệu ứng dòng lưu động qua ống (ejector, ống xoáy) 5) Làm lạnh hiệu ứng nhiệt điện 6) Làm lạnh hiệu ứng từ trường Trong phương pháp làm lạnh nhân tạo kể phương pháp thông dụng Đối với lạnh đơng dùng phương pháp 1; với lạnh cryo sử dụng Cơ sở lý thuyết trình tiết lưu 2.1Quá trình tiết lưu khí lỏng Tiết lưu q trình dịng chất mơi giới qua tiết diện bị co hẹp đột ngột Trong thực tế, dịng mơi chất qua đường ống, cửa nghẽn lưu lượng kế, ống mao dẫn van tiết lưu thống lạnh… xem thực trình tiết lưu Đây q trình khơng thuận nghịch điển hình Có thể xem q trình tiết lưu trình đoạn nhiệt qua trình tiến hành nhanh, nhiệt lượng trao đổi chất môi giới môi trường bé, nhiên trường hợp entropy tăng Khi qua tiết lưu ta thấy áp suất chất môi giới giảm xuống không sinh công Áp suất giảm xuống tiết lưu xuất dòng xốy ma sát mạnh Q trình tiết lưu thường kèm với giảm hiệu suất dịng mơi chất, điều có hại Nhưng thực tế, người ta cần phải làm giảm tiết lưu để điều chỉnh hiệu suất thiết bị sử dụng nước, điều chỉnh lưu lượng, giảm áp hệ thống lạnh Bởi chuyển động qua tiết diện co hẹp đột ngột, trở lực tăng lên, điều làm cho động vận tốc dòng tăng lên, làm cho nhiệt độ áp suất dịng khì giảm, khí chuyển động qua ống dành phần nhỏ động để thực công chống lại lực ma sát, công chuyển hóa thành nhiệt, điều dẫn tới nhiệt độ tăng hay giảm 2.2 Phương trình trình tiết lưu Xét trình tiết lưu qua ống bị thu hẹp hình Mặt cắt I-I II-II ống giới hạn piston không trọng lượng di chuyển khơng ma sát Áp suất p1 tác động vào piston di chuyển dịch chuyển qua khoảng diện tích F2, với p1 > p2 Khơng có nhiệt trao đổi ống với mơi trường xung quanh Độ chênh lệch áp suất Δp = p1 – p2 tất nhiên phụ thuộc vào tính chất chất mơi giới, ngồi cịn phụ thuộc nhiều vào mức độ co hẹp tiết diện vị trí tiết lưu tốc độ chuyển động chất mơi giới Do đó, giữ ngun tính chất chất mơi giới kích thước cấu tiết lưu rõ ràng độ chênh áp Δp phụ thuộc vào lưu lượng, người ta sử dụng đặc điểm để đo lưu lượng phương pháp tiết lưu Quan hệ áp suất, enthanpy tốc độ chất mơi giới vị trí trước sau tiết lưu trình bày hình Kí hiệu số cho thông số vị trí trước tiết lưu cho vị trí sau tiết lưu Giả sử 1kg khí chuyển động qua lỗ piston di chuyển đến vị trí 1’ (đi quãng đường s1) piston đến vị trí 2’ (đi quãng đường s2) Để thay 1kg khí cần thiết phải tiêu tốn cơng p1s1F1 hay p1v1 Một phần công này, p 2s2F2 hay p2v2 bỏ để thắng áp suất p2, độ chênh công p1v1 – p2v2 gây biến đổi lượng chất môi giới Xét mặt cắt I-I II-II, phương trình lượng dịng ổn định có dạng (Steady Flow Energy Equation – SFEE): Wkt Qks ( − 22 ) = + (i1 − i2 ) + + g ( z1 − z2 ) G G Thông thường môi chất qua nghẽn với vận tốc lớn (15 - 20 m/s); chiều dài nghẽn không lớn (chừng 20mm) Do nhiệt lượng ma sát sinh coi không kịp truyền môi trường xung quanh Thực tế nhiệt ma sát sinh khơng đáng kể Do q trình trao đổi nhiệt môi chất môi trường xung quanh bỏ qua.Vậy trình tiết lưu xem trình dãn nở đoạn nhiệt khơng sinh ngoại cơng Ta có: i1 − i2 = 22 − 12 Bởi p2 < p1 nên v2 > v1, xem tiết diện F1 F2 ta phải có 1 , nhiên thực tế giá trị tốc độ thay đổi không nhiều từ phương trình ta có: i1 = i2 Như vậy, entanpy chất môi giới trước sau tiết lưu có giá trị Tuy nhiên thực tế kết luận khơng cho trạng thái trung gian trình tiết lưu Tại vị trí tiết lưu tiết diện co hẹp đột ngột nên tốc độ tăng lên, entanpy giảm sau vị trí tiết lưu tốc độ giảm nên entanpy lại tăng lên giá trị ban đầu Ta kết luận i = const khảo sát tiết diện đặt xa nghẽn, cịn gần nghẽn 2 i+ = const ` Khi chất môi giới trải qua q trình tiết lưu, entanpy giữ khơng đổi trạng thái đầu trạng thái cuối, entropy thể tích tăng, áp suất giảm Tuy nhiên biến đổi nhiệt độ mơi chất vị trí sau tiết lưu vấn đề cần phải khảo sát kỹ Trong trường hợp chất mơi giới khí lý tưởng, di = c p t kết luận nhiệt đổi không đổi sau tiết lưu Nếu mơi chất khí thực vấn đề phức tạp Mối quan hệ biến đổi nhiệt độ áp suất qua trình tiết lưu trường hợp Joule – Thomson phát thực nghiệm vào năm 1852 gọi hiệu ứng Joule – Thomson 2.3 Hiệu ứng Joule - Thomson Trong khí thực ln tồn lực hút phân tử khí nở thay đổi khoảng cách nguyên tử hay thay đổi nội toàn khối liên quan đến tiêu tốn công với thay đổi nhiệt độ Hiệu ứng vi phân Joule-Thompson tỷ số độ biến thiên nhiệt độ với độ biến thiên áp suất trình tiết lưu: i = dTi dpi Ở i gọi hệ số hiệu ứng Joule – Thomson giá trị xác định theo phương trình vi phân entanpy sau: v di = c p dT = T − v dp = T p v T −v T = cp Suy ra: i = T p i Phương trình cho loại chất mơi giới Do qua tiết lưu áp suất chất moi giới luôn giảm nhiệt độ tăng hay giảm hoàn toàn phụ v thuộc vào dấu i , có nghĩa phụ thuộc vào dấu biểu thức T − v T p Đường chuyển biến Có thể có trường hợp sau: - Trường hợp thứ nhất: dT v T dT , lúc nhiệt độ chất mơi giới sau − v = dp T p tiết lưu giảm - Trường hợp thứ hai: dT v T = dT = , lúc nhiệt độ chất mơi giới sau − v = = dp T p tiết lưu không đổi - Trường hợp thứ ba: dT v T dT , lúc nhiệt độ chất môi giới sau − v = dp T p tiết lưu tăng Như vậy, tùy theo nhiệt độ ban đầu chất môi giới trước vào van tiết lưu mà nhiệt độ chất môi giới sau tiết lưu tăng lên, giảm xuống khơng đổi Trạng thái khí thực tiết lưu có i = gọi trạng thái chuyển biến, nhiệt độ tương ứng gọi nhiệt độ chuyển biến Nếu gọi nhiệt độ chuyển biến Tcb giá trị nhiệt độ xác định biểu thức sau: Tcb = v v T p Như vậy, hiệu ứng Joule – Thomson xác định theo biểu thức: T2 − T1 = dp ➢ Nếu , hay nhiệt độ chất môi giới trước vào van tiết lưu lớn nhiệt độ chuyển biến sau tiết lưu nhiệt độ chất mơi giới tăng lên ➢ Nếu , hay nhiệt độ chất môi giới trước vào van tiết lưu nhỏ nhiệt độ chuyển biến sau tiết lưu nhiệt độ chất mơi giới giảm xuống Thơng thường khí thực có nhiệt độ chuyển biến Tcb áp suất môi trường cao Tcb 800 K , trừ chất H2 có Tcb = 200 K He có Tcb = 30 K Do máy lạnh thực tế giải nhiệt độ áp suất công tác − 100 310 C ; 0.1 20 kgf / cm nhiệt độ sau tiết lưu ln ln giảm 10 Hình 10: Một van tiết lưu điều khiển tay hãng Sporlan b Nguyên lý hoạt động : quay tay quay , volan hay lulong đầu van làm cho trục vít quay làm cho vị trí cản màng chắn, chốt chặn thay đổi vị trí làm thay đổi tiết diện khe hẹp qua thay đổi lưu lượng thể tích mơi chất lạnh qua van ta điều khiển đến giá trị mong muốn c Ứng dụng: Được sử dụng hệ thống lạnh đơn giản, công suất lớn nhà máy nước đá,… thường hệ thống lạnh cũ Cấu tạo đơn giản dễ lắp đặt, khắc phục cố Yêu cầu tay nghế người công nhân không cao Không tự điều chỉnh đòi hỏi phải theo giỏi trạng thái hệ thống thường xuyên, hệ thống dễ xãy cố Giá thành rẽ, hiệu đầu tư hợp lý 13 3.3 Van tiết lưu nhiệt : Là van tiết lưu dựa vào thay đổi nhiệt độ điểm đo để thay đổi lưu lượng thể tích qua van a Cấu tạo : hình cấu tạo van tiết lưu nhiệt : Hình 11: Sơ đồ cấu tạo van tiết lưu nhiệt 1- Bầu cảm biến nhiệt: Có vỏ thường làm đồng, hợp kim đồng Môi chất bầu không thông với môi chất hệ thống Bầu cảm biến nhiệt độ nối với nắp van tiết lưu qua ơng dẫn có tiết diện nhỏ 2- Nắp van: Được làm hợp kim, có dạng hình nắp hàn cứng hay bắt bulong (đối với van cỡ lớn) với thân van 3- Màn chắn: Là mỏng làm từ vật liệu đàn hồi, kim loại hay phi kim loại - Rãnh thông: có tiết diện tương đối nhỏ, làm nhiệm vụ thơng phần phần van 14 - Bulong chắn đầu hiệu chỉnh: bảo vệ vít diệu chỉnh áp suất cân van chống bụ bẩn gây hư hỏng hay khó hiệu chỉnh sau + Hình sau cho thấy rõ cấu tạo van tiết lưu nhiệt: Hình 14: Chú thích hình vẽ 15 Hình 15: Sơ đồ van tiết lưu nhiệt 16 Hình 16: Cấu tạo van tiết lưu nhiệt có thêm ngõ cân áp suất Một số van tiết lưu khác có thêm đường nối cân áp suất (equalizer tube) ghi hình 3, có cấu tạo phức tạp hình Hình ảnh thực tế van tiết lưu nhiệt: 17 Hình 17: Hình ảnh thật van tiết lưu nhiệt b Nguyên lý hoạt động bản: Nhiệt độ đường ống truyền cho bầu cảm biến nhiệt môi chất bên bầu thay đổi trạng thái tạo áp suất tát động lên màng chắn lực F Lực tương quan so với lực đàn hồi lò xo cộng với áp suất bên dịng mơi chất lạnh cài đặt Nếu F lớn lực đàn hồi lo xo cộng với áp suất bên dịng mơi chất lạnh: màng chắn chốt trụ xuống, chốt trụ làm cho cửa van mở to thêm, môi chất lạnh qua van nhiều Nếu F nhỏ lực đàn hồi lò xo cộng với áp suất bên dịng mơi chất lạnh: lực đàn hồi lo xo làm cho van kép lại dần Tiết diện khe hẹp nhỏ lại mơi chất lạnh qua van Sư thay đổi hay nhiều mơi chất lạnh qua van làm thay đổi trạng thái mơi chất sau môi chất qua dàn bay Qua điều chỉnh lực nén lò xo để đạt trạng thái mong muốn lưu chất 18 c Ứng dụng: Được sử dụng rộng rãi trong hệ thống lạnh công nghiệp, dân dụng, có quy mơ vừa lớn Hình 18: Van tiết lưu nhiệt hệ thống lạnh Có độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, dễ thay thế, sữa chữa, bảo trì Hiệu kinh tế cao 3.4 Van tiết lưu điện tử: Là van tiết lưu dựa vào hay nhiều tín hiệu đo hay nhiều vị trí hệ thống lạnh để điều chỉnh lưu lượng thể tích mơi chất lạnh qua van a Cấu tạo : Có cấu tạo phức tạp nhiều so với van tiết lưu nhiệt tổng quan kiến thức rộng nhiều Cấu tạo hệ thống van tiết lưu điện tử gồm có thành phần là: 19 + Bộ phận cảm biến (sensor): Thường dùng hệ thông cảm biến nhiệt độ, áp suất lưu lượng + Bộ phận xử lý tín hiệu (microprocessor) hay phận điều kiển (controller): hệ thống điện cấu tạo phức tạp Dùng để chuyển đổi tín hiệu đo thành tín hiệu điện, xử lý xuất tín hiệu điều khiển van + Van tiết lưu (SEI): Được cấu tạo gồm cấu van điều chỉnh lưu lượng đơn giản cấu dịch chuyển động điện lực từ trường để thay đổi tiếp diện van 20