Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh (Nghề Vận hành, sửa chữa thiết bị lạnh Trình độ Trung cấp, Cao đẳng)

UBND TỈNH BÌNH ĐỊNH TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ QUY NHƠN GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH NGÀNH/NGHỀ: VẬN HÀNH SỬA CHỮA THIẾT BỊ LẠNH TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP / CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: 99 /QĐ-KTCNQN ngày 14 tháng năm2018 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cơng nghệ Quy Nhơn Bình Định TUN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin 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 LỜI GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, phát triển ngành kinh tế ngày nhanh, đặc biệt ngành kỹ thuật Trên xu hướng mục tiêu nâng cao chất lượng đào tạo nghề, nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường lao động kỹ thuật gian đoạn hội nhập cần thiết Để đáp ứng yêu cầu trên, công tác đào tạo nghề cần trọng quan tâm nhiều Trong đó, việc đổi nội dung phương pháp giảng dạy trường Cao đẳng, dạy nghề vô cần thiết Qua đó, vấn đề đặt cần biên soạn tài liệu chuyên môn dành cho sinh viên đội ngũ công nhân kỹ thuật Để đáp ứng nhu cầu chúng tơi biên soạn tài liệu “ Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh“ hướng dẫn cho sinh viên học nghề Vận hành, sửa chữa thiết bị lạnh Đồng thời tài liệu tham khảo bổ ích cho đội ngũ cơng nhân kỹ thuật Trong q trình biên soạn giáo trình, chúng tơi tham khảo giáo trình trường Đại học, Cao đẳng Nhóm biên soạn cố gắng để giáo trình đạt chất lượng tốt Tuy nhiên, q trình biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý từ đồng nghiệp, bạn đọc để giáo trình hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn! Lê Đình Chấn MỤC LỤC Trang Lời giới thiệu Chương 1: Các khái niệm mở đầu nhiệt động 1.1 Các khái niệm 1.1.1.Đối tượng phương pháp nghiên cứu nhiệt động 1.1.2.Hệ nhiệt động, chất môi giới, trạng thái thông số trạng thái .5 1.2 Phương trình trạng thái chất khí 1.2.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng .8 1.2.2.Phương trình trạng thái khí thực .8 Chương 2: Định luật nhiệt động I trình nhiệt động khí lý tưởng 10 2.1 Nhiệt, nhiệt dung riêng công 10 2.1.1 Nhiệt dung riêng 10 2.1.2.Nhiệt lượng 11 2.1.3 Công 12 2.2 Định luật nhiệt động I .12 2.2.1 Năng lượng toàn phần hệ .12 2.2.2.Nội dung ý nghĩa định luật nhiệt động I 13 2.3 Các trình nhiệt động khí lý tưởng 13 2.3.1 Q trình đẳng tích 13 2.3.2 Quá trình đẳng áp 14 2.3.3 Quá trình đẳng nhiệt 15 2.3.4 Quá trình đoạn nhiệt 17 2.3.5 Quá trình đa biến 18 Chương 3: Dẫn nhiệt ổn định 21 3.1 Định luật Fourier dẫn nhiệt 21 3.2.Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng 22 3.2.1.Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng lớp 22 3.2.2 Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng nhiều lớp .24 3.3 Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ .26 3.3.1 Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ lớp .26 3.3.2 Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ nhiều lớp 27 Chương 4:Truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt .29 4.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng vách trụ .29 4.1.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng lớp nhiều lớp .29 4.1.2 Truyền nhiệt qua vách trụ lớp nhiều lớp 30 4.2 Truyền nhiệt qua vách có cánh .31 4.3 Thiết bị trao đổi nhiệt .32 Chương 5: Các nguyên lý làm lạnh ứng dụng 34 5.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh 34 5.2 Các phương pháp làm lạnh 35 5.3 Vai trò kỹ thuật lạnh đời sống kỹ thuật 37 Chương 6: Môi chất lạnh – chất tải lạnh 39 6.1 Môi chất lạnh .39 6.2 Chất tải lạnh .43 6.3 Bảng đồ thị môi chất lạnh .44 Chương 7: Chu trình máy lạnh cấp 47 7.1 Chu trình Carnot ngược chiều 47 7.2 Chu trình khô .48 7.3 Chu trình lạnh nhiệt 50 7.4 Chu trình hồi nhiệt .54 7.5 Sự phụ thuộc suất lạnh vào nhiệt độ bay ngưng tụ 57 Chương 8: Chu trình máy lạnh hai cấp .58 8.1 Sự cần thiết phải dùng máy nén nhiều cấp 58 8.2 Chu trình cấp, tiết lưu làm mát trung gian không hồn tồn 58 8.3 Chu trình cấp, tiết lưu làm mát trung gian phần có hồi nhiệt .61 8.4 Chu trình cấp, tiết lưu làm mát trung gian khơng hồn tồn 63 8.5 Chu trình cấp, tiết lưu làm mát trung gian hoàn toàn 67 8.6 Chu trình cấp, tiết lưu bình trung gian có ống trao đổi nhiệt 70 CÁC PHỤ LỤC: Bảng tính chất vật lý amơniắc(NH3) đường bão hòa .75 Bảng bão hịa amơniắc (NH3) 75 Bảng tính chất vật lý R12 đường bão hòa 80 Bảng bão hòa R12 .80 Bảng tính chất vật lý R22 đường bão hịa 85 Bảng bão hòa R22 .85 Bảng bão hòa R134a 90 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh Mã môn học: MH 09 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: -Vị trí: Mơn học sở kỹ thuật nhiệt lạnhđược bố trí học sau mơn học chung học trước mơn học, mơ đunchun mơn -Tính chất: Là mơn họccơ sởtrong chương trình đào tạo nghề vận hành, sửa chữa thiết bị lạnh.Môn học cung cấp kiến thức nhiệt động, truyền nhiệt chu trình máy lạnh cấp, hai cấp -Ý nghĩa vai trị mơn học: Mơn học cung cấp kiến thức nhiệt động, truyền nhiệt, đặc tính, tính chất số loại mơi chất lạnh chất tải lạnh thường gặp,các chu trình máy lạnh cấp, hai cấp Mục tiêu môn học: -Về kiến thức: +Trình bày khái niệm, định luật, trình nhiệt động, quy luật dẫn nhiệt truyền nhiệt + Xác định thơng số trạng thái chu trình nhiệt + Xác định trình chu trình nhiệt + Trình bày tính chất mơi chất lạnh, chất tải lạnh; + Trình bày chu trình máy lạnh cấp, hai cấp nguyên lý làm việc; + Biểu diễn chu trình lạnh đồ thị lgp – h -Về kỹ năng: +Vận dụng lý thuyết để tính tốn tổn thất nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt +Tính tốn thơng số chu trình nhiệt động + Giải tập chu trình máy lạnh cấp cấp -Về lực tự chủ trách nhiệm: +Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư sáng tạo Nội dung môn học: Thời gian (giờ) Số Tên chương mục TT TS LT TH KT Chương 1: Các khái niệm mở đầu nhiệt 06 03 03 động Chương 2: Định luật nhiệt động I 12 06 06 trình nhiệt động khí lý tưởng Chương 3: Dẫn nhiệt ổn định 12 05 06 01 Chương 4: Truyền nhiệt thiết bị trao đổi 09 03 06 nhiệt Chương 5: Các nguyên lý làm lạnh ứng 06 03 03 dụng Chương 6: Môi chất lạnh – chất tải lạnh 06 03 03 Chương 7: Chu trình máy lạnh cấp 18 09 09 Chương 8: Chu trình máy lạnh hai cấp 21 12 08 01 Tổng cộng 90 44 44 02 CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU VỀ NHIỆT ĐỘNG Mã chương: MH09 – 01 Thời gian: 06 (LT: 01;TH: 02;Tự học: 03) Giới thiệu: Chương cung cấp cho sinh viên học sinh kiến thức ban đầu sở nhiệt động: khái niệm nhiệt động bản, thông số hơi, chu trình nhiệt động quy luật chuyển động nhiệt động Mục tiêu: Sau học xong người học có khả năng: - Trình bày khái niệm, thông số trạng thái nhiệt động lực học - Phân tích 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 học sinh sinh viên 1.1 Các khái niệm 1.1.1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu nhiệt động: Nhiệt động nghiên cứu qui luật biến đổi nhiệt thành Nhiệt động học nghiên cứu hướng xảy q trình vật lý hóa học - 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 1.1.2 Hệ nhiệt động, chất mơi giới, trạng thái thông số trạng thái: a) Hệ nhiệt động:là hệ gồm nhiều vật tách riêng khỏi vật khác để nghiên cứu tính chất nhiệt động chúng Tất vật hệ nhiệt động gọi môi trường xung quanh Vật thực tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động với môi trường xung quanh gọi ranh giới hệ nhiệt động Hệ nhiệt động phân loại sau :  Hệ nhiệt động kín– Hệ nhiệt động khơng có trao đổi vật chất hệ môi trường xung quanh  Hệ nhiệt động hở- Hệ nhiệt động có trao đổi vật chất hệ môi trường xung quanh  Hệ nhiệt động cô lập– Hệ nhiệt động không trao đổi lượng vật chất với môi trường xung quanh  Hệ nhiệt động không cô lập – Hệ nhiệt động có khả trao đổi lượng vật chất với môi trường xung quanh  Hệ đoạn nhiệt – Hệ nhiệt động hệ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh b) Chất môi giới: Chất môi giới hay môi chất công tácđược sử dụng thiết bị nhiệt chất có vai trị trung gian trình biến đổi nhiệt Thông số trạng thái chất môi giớilà đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động chất môi giới c) 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 mμ ω =kT [1-1] 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 • Thang nhiệt độ 1) Thang nhiệt độ Celsius (0C) 2) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) 3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) 4) Thang nhiệt độ Rankine (0R) Mối quan hệ đơn vị đo nhiệt độ: C= ( o F−32 ) o C=K−273 o C= o R−273 o Hình 1.1 Nhiệt kế - 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 p= F A [1-2] Theo thuyết động học phân tử : mω α n μ p= [1-3] 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 1) N/m2 ; 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 0C) = 10,13 10 Pa = 2116 psf (lbf/ft2) 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 1) Áp suất khí (p0)– áp suất khơng khí tác dụng lên bề mặt vật trái đất 2) Áp suất dư (pd) – phần áp suất tuyệt đối lớn áp suất khí pd=p–p0 [1-4] 3) Áp suất tuyệt đối (p)– áp suất lưu chất so với chân không tuyệt đối p=pd+p [1-5] 4) Áp suất chân không (pck)– phần áp suất tuyệt đối nhỏ áp suất khí pck = p0 – p [1-6] Hình 1.2 Các loại áp suất - Thể tích riêng khối lượng riêng • Thể tích riêng (v)– Thể tích riêng chất thể tích ứng với đơn vị khối lượng chất : ν= V m [m3/kg] [1-7] • Khối lượng riêng (ρ)– Khối lượng riêng – gọi )– Khối lượng riêng – gọi mật độ - chất khối lượng ứng với đơn vị thể tích chất : ρ)– Khối lượng riêng – gọi = m V [kg/m3] [1-8] - 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: Δu = Cu = Cv(T2– T1) Đối với (kg) mơi chất, nội kí hiệu u, đơn vị J/kg; Đối với G (kg) môi chất, nội kí hiệu U, đơn vị J Ngồi nội cịn có số đơn vị khác như: kCal; kWh; Btu… 1kJ = 0,239 kcal = 277,78.10-6 kwh = 0,948 Btu - Entanpy :(i) – đại lượng định nghĩa biểu thức : i = u + p.v [1-9] Như vậy, tương tự nội năng, enthalpy khí thực hàm thơng số trạng thái Đối với khí lý tưởng, entanpy phụ thuộc vào nhiệt độ - Entropy : (s) hàm trạng thái chất môi giới 1.2 Phương trình trạng thái chất khí : 1.2.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng : - Phương trình trạng thái viết cho 1kg khí có dạng : p.v=R.T [1-10] Trong đó: p : áp suất tuyệt đối (N/m ) v: thể tích riêng ( m3/kg) R: số chất khí (J/kg.độ) T : nhiệt độ tuyệt đối ( K) - Phương trình trạng thái G kg khí : p.v.G=G.R.T→ p.V=G.R.T [1-11] Rμ Trong đó: R = μ Với Rμ = 8314 (J/kmol.độ) μ :là khối lượng kmol phân tử (μkk = 29, μoxi = 16,…) 1.2.2 Phương trình trạng thái khí thực: - Trong thực tế sử dụng khí thực việc tính tốn phức tạp.Để thiết lập phương trình cho khí thực người ta dựa vào phương trình khí lý tưởng thêm vào hệ số điều chỉnh rút từ thực nghiệm - Theo Vander Waals phương trình có dạng: (p + a ).( v– b) = R.T v2 [1-12] a/v2: Hệ số điều chỉnh áp suất nội b: Hệ số điều chỉnh thể tích thân phân tử a,b: gọi số cá biệt biến thiên theo loại chất khí Bài tập: Cho khơng khí có thơng số trạng thái sau: áp suất p = bar, nhiệt độ t = 27 oC Hãy xác định thể tích khối khí * Để giải tập cần thực bước sau Bước 1: Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có: p.v = R.T Với p = 1bar = 105 Pa, t = 27 oC = 300K Trong đó: