Giáo trình hệ thống điều hòa không khí trên ô tô trường đh công nghiệp quảng ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU HĨA KHƠNG KHÍ TRÊN Ơ TÔ DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH - 2020 Giáo trình Hệ thống điều hịa khơng khí Ơ tơ LỜI NĨI ĐẦU Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên mùa hè tương đối nóng nực có độ ẩm cao Cùng với phát triển đất nước, đời sống người ngày cải thiện nâng cao, nhu cầu việc tạo điều kiện vi khí hậu thích hợp cho người cơng sở, văn phịng, xí nghiệp, nhà phương tiện trở nên cấp thiết Ngày với phát triển kinh tế, ôtô sử dụng rộng rãi phương tiện giao thông thông dụng ngày cải tiến, nâng cấp tối ưu mặt tiện nghi tính an toàn cho người sử dụng Các tiện nghi sử dụng ôtô đại ngày phát triển, hồn thiện giữ vai trị quan trọng việc đảm bảo nhu cầu khách hàng, tiện nghi phổ biến hệ thống điều hồ khơng khí ơtơ Giáo trình giới thiệu kiến thức lý thuyết, cấu tạo, nguyên lý hoạt động kỹ thuật kiểm tra bảo dưỡng sửa chữa hệ thống điều hịa khơng khí xe tơ Giáo trình dùng làm tài liệu giảng dạy học tập cho sinh viên chun ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Ơ tơ nhà trường làm tài liệu tham khảo cho người làm công tác kĩ thuật ngành ô tơ, kỹ thuật viên thiết kế Khoa Cơ Khí Động Lực - QUI - 1- Giáo trình Hệ thống điều hịa khơng khí Ơ tơ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU HÕA KHƠNG KHÍ TRÊN Ơ TƠ 1.1 Khái qt hệ thống điều hịa khơng khí tô Willis H.Carrier (1876 – 1950) người đưa định nghĩa điều hồ khơng khí kết hợp sưởi ấm, làm lạnh, gia ẩm, hút ẩm, lọc rửa khơng khí, tự động trì khống chế trạng thái khơng khí khơng đổi phục vụ cho u cầu tiện nghi công nghệ Năm 1902, Tiến Sĩ Willis Carrier phát minh máy điều hịa khơng khí kiểu ly tâm giới, có khả kiểm soát nhiệt độ độ ẩm Phát minh tạo môi trường làm việc tiện nghi lĩnh vực thương mại công nghiệp Năm 1911 Carrier lần xây dựng Ẩm đồ khơng khí ẩm cắt nghĩa tính chất nhiệt khơng khí ẩm phương pháp xử lý để đạt trạng thái khơng khí yêu cầu (Trans Amer Soc mech Engineers Bd 33 (1911)) Ông người đầu việc xây dựng sở lý thuyết phát minh, sáng chế, thiết kế chế tạo thiết bị hệ thống điều hồ khơng khí Năm 1915, Ơng thành lập Công Ty Carrier không ngừng phát triển để trở thành nhà cung cấp máy điều hịa khơng khí hàng đầu tiếng giới Ơng cống hiến trọn đời cho ngành điều hồ khơng khí trở thành ơng tổ vĩ đại ngành Năm 1939 Packard (một công ty chế tạo ô tô Mỹ) ứng dụng hệ thống điều hòa dân dụng để phát minh xe chạy máy lạnh giới, sau lắp đặt hàng loạt cho xe hãng Đến năm 1942 Packard trang bị máy lạnh cho 1.500 xe Vào năm 1954 có khoảng 36.000 xe có hệ thống điều hịa khơng khí lắp đặt nhà máy Trong năm 1966 có khoảng 3.560.000 điều hịa lắp đặt ô tô Mỹ Những xe trang bị máy lạnh lúc bán chạy Năm 1987 số lượng xe lắp điều hòa khơng khí 19.571.000 Và ước tính 80% số xe ô tô xe tải nhẹ hoạt động có điều hịa khơng khí Ngày nay, với tiến khoa học kỹ thuật, công nghiệp ôtô phát triển Những xe đời sau cải tiến tiện nghi, an toàn đại xe đời cũ Trên ôtô đại trang bị hệ thống điều hịa khơng khí, hệ thống góp phần đáng kể vào việc tạo thoải mái, dễ chịu khỏe khoắn cho hành khách xe     Chức hệ thống điều hòa khơng khí để: Điều khiển nhiệt độ xe phù hợp với thể (mát mẻ ấm áp) Điều khiển lưu thơng phân phối khơng khí Tách ẩm khơng khí Làm bụi, khử mùi Khơng khí ơtơ thích hợp trao đổi nhiệt người xe với môi trường xung quanh tiến hành điều kiện cường độ cực tiểu hệ thống tự điều chỉnh thân nhiệt người Để tạo thích hợp trên, biện pháp tự nhiên thiết bị Biện pháp đầu gắn liền với mơi trường khơng khí bên ngồi, nên khơng khí bên ơtơ bị thay đổi theo vùng xe chạy, tốc độ xe, điều kiện thời tiết chạy xe điều kiện phát nhiệt máy móc hấp thụ nhiệt vỏ xe Biện pháp sau tạo Khoa Cơ Khí Động Lực - QUI - 2- Giáo trình Hệ thống điều hịa khơng khí Ơ tơ vùng tiểu khí hậu xe thích hợp với người xe Do vậy, hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng rộng rãi ngày hồn chỉnh ơtơ đại Hình 1.1 Biện pháp làm mát tự nhiên Hình 1.2 Biện pháp làm mát sử dụng thiết bị 1.1.1 Cơ sở lý thuyết điều hịa khơng khí Để biết hiểu hết nguyên lý làm việc, đặc điểm cấu tạo hệ thống điều hòa khơng khí ơtơ, ta cần phải tìm hiểu kỹ sở lý thuyết hệ thống điều hịa khơng khí Qui trình làm lạnh mô tả hoạt động tách nhiệt khỏi vật thể - mục đích hệ thống làm lạnh điều hịa khơng khí Vậy nên, hệ thống điều hịa khơng khí hoạt động dựa nguyên lý sau:     Dịng nhiệt ln truyền từ nơi nóng đến nơi lạnh Khi bị nén chất khí làm tăng nhiệt độ Để làm lạnh người hay vật thể, phải lấy nhiệt khỏi người hay vật thể Một số lượng lớn nhiệt lượng hấp thụ chất lỏng thay đổi trạng thái biến thành 1.1.2 Các khái niệm Tất hệ thống điều hịa khơng khí ơtơ thiết kế dựa Cơ sở lý thuyết ba đặc tính bản: Dịng nhiệt, hấp thụ nhiệt, áp suất điểm sơi a, Dịng nhiệt “Nhiệt” truyền từ vùng có nhiệt độ cao (các phần tử có chuyển động Khoa Cơ Khí Động Lực - QUI - 3- Giáo trình Hệ thống điều hịa khơng khí Ơ tơ mạnh hơn) đến vùng có nhiệt độ thấp (các phần tử có chuyển động yếu hơn) Ví dụ vật nóng 30o C đặt kề bên vật nóng 80o C, nhiệt truyền từ vật nóng 80oC sang vật nóng 30oC – chênh lệch nhiệt độ hai vật lớn dịng nhiệt lưu thơng mạnh b, Đơn vị đo nhiệt độ Gồm có đơn vị đo nhiệt độ thường hay sử dụng để đo giá trị nhiệt độ là: oK, oC, oF Thang chia oK = oC + 273,15 Mối quan hệ oC oF: oC = 5/9 x (oF – 32); oF = 9/5 xoC + 32 Hình 1.3 Các loại nhiệt kế đo nhiệt c, Sự hấp thụ nhiệt Ta có ví dụ: Khi cấp lượng nhiệt lên viên đá tan thành thể lỏng nước, nước đun nóng đến 212oF (100oC), nước sơi bốc (thể khí) Hình 1.4 Q trình biến đổi trạng thái hấp thụ nhiệt Chúng ta thấy muốn thay đổi trạng thái vật thể (rắn, lỏng, khí), cần phải truyền dẫn nhiệt lượng cho hay nói cách khác vật thể cần thêm lượng nhiệt để thay đổi trạng thái, hấp thụ từ xung quanh, gọi hấp thụ nhiệt Có trạng thái hấp thụ nhiệt tiêu biểu mà xét tới đây, là: hóa ngưng tụ Sự hóa hơi: chuyển từ thể lỏng sang thể hơi, xảy hình thức: tự bay sôi Đầu tiên ta nói sở khoa học để hình thành bay hơi, điều giải thích lý khái niệm "sự bay hơi" có chất lỏng mà khơng có vật thể rắn:  Ở chất rắn: nguyên tử di chuyển, vị trí nguyên tử Khoa Cơ Khí Động Lực - QUI - 4- Giáo trình Hệ thống điều hịa khơng khí Ơ tơ cố định (tức hai nguyên tử nằm kề hốn đổi vị trí cho nhau) Lưu ý ngun tử khơng thể di chuyển dao động nhỏ xung quanh vị trí cân nó, điều dẫn đến số tính chất chất rắn cứng, đặc, v.v  Ở chất lỏng: vị trí ngun tử khơng cố định, chúng di chuyển vơ định hướng hốn đổi vị trí cho nhau, làm cho chất lỏng có số tính chất mềm, lỏng, dễ xi theo trọng lực, v.v Bình thường, phân tử chất lỏng khơng có đủ động để thoát khỏi chất lỏng Nhưng phân tử va chạm với nhau, chúng chuyển hóa lượng cho nhiều mức độ đa dạng, phụ thuộc vào cách phân tử va chạm vào Đôi khi, chuyển hóa chiều phân tử gần bề mặt, cuối tích tụ đủ lượng để bay gọi tự bay Hình 1.5 Sự tự bay Ngồi bay phụ thuộc vào động mà hấp thụ, động phân tử tỷ lệ thuận với nhiệt độ nó, bay diễn nhanh nhiệt độ cao Sự bay diễn nhanh chất lỏng hấp thụ đủ động (nhiệt độ) để vượt qua lực liên kết phân tử, chất lỏng bay bên bề mặt, gọi sơi Tuy nhiên chất lỏng có lực liên kết khác nên cần động (nhiệt độ) khác để hóa người ta gọi điểm sơi chất lỏng (nước sôi 100oC) Khi phân tử chuyển động nhanh ra, phân tử cịn lại có động trung bình thấp hơn, nhiệt độ chất lỏng giảm xuống Hiện tượng gọi bay để làm mát nguyên lý làm lạnh Đây lý việc làm bay mồ hôi làm mát thể người Tương tự cảm thấy lạnh bôi cồn vào tay: Cồn lấy nhiệt tay bay Hay nước thường đọng lại ly nước đá nước đá bay lấy nhiệt bề mặt ly Chúng ta làm cho vật lạnh cách sử dụng tượng tự nhiên này: chất lỏng bay lấy nhiệt từ chất Hình 1.6 Nguyên lý làm lạnh Những yếu tố ảnh hưởng đến trình bay hơi:  Nhiệt độ (Với chất có nhiệt độ cao hơn, phân tử có động trung Khoa Cơ Khí Động Lực - QUI - 5- Giáo trình Hệ thống điều hịa khơng khí Ơ tơ bình cao hơn, bay nhanh)  Áp suất (càng cao điểm sơi cao)  Diện tích bề mặt (Một chất có diện tích bề mặt lớn bay nhanh hơn, có nhiều phân tử bề mặt có khả đi)  Khối lượng riêng (Chất lỏng có khối lượng riêng lớn bay chậm)  Nhiệt hóa riêng ( nhiệt lượng cần truyền cho đơn vị khối lượng chất lỏng để chuyển thành nhiệt độ xác định)  Nồng độ chất bay khơng khí (nếu khơng khí bão hịa với chất khác, khả tiếp nhận chất bay thấp hơn) Sự ngưng tụ: q trình ngược với hóa tức thay đổi trạng thái chuyển từ thể khí sang thể lỏng Bản thân chất khí lúc bị hấp thụ nhiệt ngưng tụ Sự ngưng tụ bắt đầu hình thành cụm nguyên tử chất thể khí (hiện tượng nước ngưng tụ thành mây) tiếp xúc pha khí với bề mặt lỏng rắn (hiện tượng đọng giọt nước nắp ấm nước đun sôi nước) Ngưng tụ thường xảy chất khí làm lạnh nén đến giới hạn bão hịa mật độ phân tử pha khí đạt đến ngưỡng tối đa Vùng xảy q trình ngưng thể tích khối nhiệt độ nhỏ nhiệt độ bão hịa áp suất tương ứng xảy bề mặt vật làm lạnh Khi bay ngưng tụ, thân môi chất hấp thụ bị hấp thụ lượng nhiệt (động năng) để chuyển đổi trạng thái Lượng nhiệt người ta gọi ẩn nhiệt (ẩn nhiệt hóa ẩn nhiệt ngưng tụ) Hình 1.7 Ẩn nhiệt hóa ẩn nhiệt ngưng tụ d, Áp suất ảnh hưởng tới điểm sôi Áp suất giữ vai trò quan trọng hoạt động hệ thống điều hịa khơng khí Khi tác động áp suất mặt chất lỏng làm thay đổi điểm sơi chất lỏng Áp suất lớn, điểm sôi cao có nghĩa nhiệt độ lúc chất lỏng sơi cao so với áp suất bình thường Ngược lại giảm áp suất tác động lên vật chất điểm sơi vật chất hạ xuống Ví dụ điểm sơi nước áp suất bình thường 100 oC Điểm sơi tăng cao cách tăng áp suất chất lỏng đồng thời hạ thấp điểm sôi cách giảm bớt áp suất chất lỏng đặt chất lỏng chân không Đối với điểm ngưng tụ nước, áp suất có tác dụng tương đương Trong hệ thống điều hịa khơng khí, hệ thống điện lạnh ơtơ ứng dụng tượng áp suất bốc ngưng tụ số loại chất lỏng đặc biệt để tham gia vào trình sinh lạnh điều hịa hệ thống Những chất lỏng Khoa Cơ Khí Động Lực - QUI - 6- Giáo trình Hệ thống điều hịa khơng khí Ơ tơ gọi mơi chất lạnh hay gọi tác nhân lạnh, gas lạnh, chất sinh hàn Hình 1.8 Biểu đồ áp xuất điểm sơi 1.1.3 Các phƣơng pháp truyền nhiệt Sự truyền nhiệt truyền bằng: Dẫn nhiệt, đối lưu, xạ hay kết hợp ba cách a, Dẫn nhiệt b, Đối lưu c, Bức xạ Hình 1.9 Các phương pháp truyền nhiệt a, Dẫn nhiệt: Là truyền có hướng nhiệt vật hay dẫn nhiệt xảy hai vật thể chúng tiếp xúc trực tiếp với Ví dụ, nung nóng đầu thép đầu ấm lên dẫn nhiệt b, Đối lưu: Là di chuyển nhóm phân tử chất lỏng chất khí Sự đối lưu nhiệt: truyền nhiệt sinh chuyển động dòng chất khí (hoặc lỏng) làm nóng Khí nóng ln di chuyển lên khí lạnh chìm xuống (gọi đối lưu tự nhiên) di chuyển theo tác động cưỡng gió hay quạt, (gọi đối lưu cưỡng bức) Lấy ví dụ đối lưu nhiệt đun sôi ấm nước: nhiệt cấp phần đáy ấm nước, phần tử nước làm nóng lên chuyển động lên phía trên, phần nước lạnh từ vùng xung quanh chìm xuống tiếp tục quy trình tồn phần nước ấm sơi hết c, Bức xạ: Là phát truyền nhiệt dạng tia hồng ngoại, vật khơng có khơng khí khơng tiếp xúc Ta cảm thấy ấm đứng ánh sáng mặt trời hay ánh đèn pha ôtô ta đứng gần Đó nhiệt mặt trời hay đèn pha biến thành tia hồng ngoại tia chạm vào vật làm Khoa Cơ Khí Động Lực - QUI - 7- Giáo trình Hệ thống điều hịa khơng khí Ơ tơ cho phần tử vật chuyển động, gây cho ta cảm giác nóng Tác dụng truyền nhiệt gọi xạ 1.1.4 Môi chất lạnh sử dụng an tồn mơi chất lạnh Mơi chất lạnh cịn gọi gas lạnh: chất tuần hồn hệ thống điều hịa có tác dụng làm lạnh cách hấp thụ nhiệt từ việc giãn nở bay Gas lạnh phải đảm bảo: Không cháy, nổ; khơng độc, khơng ăn mịn, khơng mùi Trên tơ sử dụng hai loại môi chất lạnh R-12 R-134a  R-12 có tên khoa học Dichlorodifluoromethane, tên thương mại Freon-12, thường biết đến CFC Cơng thức phân tử CCl2F2, nhiệt độ sơi −29.80C (243.3K)  Mơi chất R-134a có tên khoa học 1,1,1,2-Tetrafluoroethane hay gọi Genetron 134a hay HFC-134a, có tính chất nhiệt động học tương tự R-12 (dichlorodifluoromethane) không gây phá hủy tầng ozone Cơng thức CH2FCF3 nhiệt độ sơi −26.30C (−15.340F) a, phân tử R-12 b, phân tử R-134a Hình 1.10 Cấu tạo phân tử R-12 R-134a Môi chất R12 chủ yếu sử dụng ô tô sản xuất trước năm 1994 Từ năm 1994, việc sản xuất R-12 bị cấm Mỹ nhiều nước quan ngại môi trường Để hệ thống điều hịa khơng khí R-12 sử dụng R-134a, cần phải thay ống mềm, gioăng chữ O dầu máy nén Hình 1.11 Bảng đặc tính Mơi chất R-12 R-134a Khoa Cơ Khí Động Lực - QUI - 8- Giáo trình Hệ thống điều hịa khơng khí Ơ tơ 1.2 Hệ thống điều hịa khơng khí tơ 1.2.1 Nhiệm vụ hệ thống điều hịa khơng khí tơ Điều hồ khơng khí tơ phận điều khiển nhiệt độ xe, hoạt động máy hút ẩm có chức điều khiển nhiệt độ thay đổi từ cao đến thấp Nó có nhiệm vụ điều hịa, làm mát giảm độ ẩm khơng khí giúp gia tăng kéo dài thời gian sử dụng cho động hoạt động Đồng thời, hệ thống điều hòa cịn giúp lưu thơng đảm bảo mang tới luồng khơng khí xe thoải mái, tránh ngột ngạt ngày oi ả Máy nén Dàn nóng Bộ lọc khơ Van tiết lưu Dàn lạnh Bình tích lũy Két sưởi Quạt gió Hình 1.12: Sơ đồ bố trí hệ thống điều hịa tơ Điều hịa khơng khí trang bị tiện nghi thơng dụng tơ Nó có chức sau:  Điều khiển nhiệt độ tuần hồn khơng khí xe  Duy trì độ ẩm lọc gió  Loại bỏ chất cản trở tầm nhìn như: nước, băng đọng mặt kính a, Chức điều khiển nhiệt độ tuần hồn khơng khí xe  Chức sưởi ấm Nước làm mát động Đầu vào Quạt Két sưởi Đầu Hình 1.13: Nguyên lý hoạt động két sưởi Người ta dùng két sưởi trao đổi nhiệt để làm nóng khơng khí xe Két sưởi lấy nước làm mát hâm nóng động để làm nóng khơng khí Khoa Cơ Khí Động Lực - QUI - 9-