tiểu luận máy lạnh đề tài van tiết lưu

tiểu luận máy lạnh đề tài van tiết lưu

2010

TIỂU LUẬN MÁY LẠNH

ĐỀ TÀI: VAN TIẾT LƯU

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trung Kiên 20704253 Bùi Trần Trung Hậu 20704158 Lớp CK07NH

MỤC LỤC

I Tổng quan về kỹ thuật lạnh và hệ thống lạnh 3

1 Tổng quan về kỹ thuật lạnh

2 Tổng quan về hệ thống lạnh

3 Các phương pháp làm lạnh nhân tạo

II Cơ sở lý thuyết của quá trình tiết lưu 9

1 Quá trình tiết lưu của khí

2 Phương trình của quá trình tiết lưu

3 Định luật Joule – Thomson

III Các loại van tiết lưu thường gặp 15

1 Van tiết lưu tay

2 Van tiết lưu nhiệt

3 Van tiết lưu điện tử

Tài liệu tham khảo 30

I Tổng quan về kĩ thuật lạnh và hệ thống lạnh

1 Tổng quan về kỹ thuật lạnh

Kỹ thuật lạnh là kỹ thuật tạo ra môi trường có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bình thường của môi trường Giới hạn giữa nhiệt độ lạnh và nhiệt độ bình thường còn có nhiều quan điểm khác nhau Nhưng nhìn chung thì giới hạn môi trường lạnh là môi trường có nhiệt độ nhỏ hơn 20o

C

Trong môi trường lạnh được chia làm 2 vùng nhiệt độ Đó là khoảng nhiệt

độ dương thấp, khoảng này từ 0 - 20o

C còn khoảng nhiệt độ còn lại là nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm Bởi vì khoảng nhiệt độ này là khoảng nhiệt độ đóng băng của nước tuỳ theo từng sản phẩm mà nhiệt độ đóng băng khác nhau

Hình 1: Tổng quan hệ thống thuật lạnh

1.1 Lịch sử phát triển ngành lạnh

Từ trước công nguyên con người tuy chưa biết làm lạnh, nhưng đã biết đến tác dụng của lạnh và ứng dụng chúng phục vụ cuộc sống Họ đã biết dùng mạch nước ngầm có nhiệt độ thấp chảy qua để chứa thực phẩm, giữ cho thực phẩm được lâu hơn

Người ai cập cổ đại đã biết dùng quạt cho nước bay hơi ở các hộp xốp đế làm mát không khí cách đây 2500 năm

Người ấn độ và người trung quốc cách đây 2000 năm đã biết trộn muối với nước hoặc với nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn

Kỹ thuật lạnh hiện đại phát triển khi giáo sư Black tìm ra ẩn nhiệt hoá hơi và

ẩn nhiệt nóng chẩy vào năn 1761-1764 Con người đã biết làm lạnh bằng cách cho bay hơi chất lỏng ở áp suất thấp

Sau đó là sự hoá lỏng khí 2 CO vào năm 1780 do Clouet và Monge tiến

hành Sang thế kỷ thứ 19 thì Faraday đã hoá lỏng được hàng loạt các chất khí như: H2S ; CO2 ; C2H2 ; NH3 ; O2 ; N2 ; HCL

Năm 1834 Jacob Perkins (Anh) đã phát minh ra máy lạnh nén hơi đầu tiên với đầy đủ các thiết bị hiện đại gồm có máy nén, dàn ngưng, dàn bay hơi, và van tiết lưu

Hình 2: Sơ đồ máy lạnh của Jacob Perkins

Sau đó có hàng loạt các phát minh của kỹ sư Carres (pháp) về máy lạnh hấp thụ chu kỳ và liên tục với các môi chất khác nhau

Máy lạnh hấp thụ khuếch tán hoàn toàn không có chi tiết chuyển động được Gerppt (Đức) đăng ký phát minh 1899 và được Platen cùng Munter (Thụy điển) hoàn thiện năm 1922 Máy lạnh Ejector hơi nươc đầu tiên do Leiblane chế tạo năm 1910 Nó cấu tạo sất đơn giản, năng lượng tiêu tốn

là nhiệt năng do đó có thể tận dụng các nguồn phế thải

Một sự kiện quan trọng của lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh là việc sản xuất và ứng dụng Freon ở Mỹ vào năm 1930 Freon là các khí Hidrocarbon được thay thế một phần hay toàn bộ các nguyên tử hidro bằng các nguyen tử Halogen như : Cl ; F ; Br

Freon là những chất lạnh có nhiều tính quý báu như không cháy không

nổ, không độc hại, phù hợp với chu trình làm việc của máy lạnh nén hơi

Nó đã góp phần tích cực vào việc thúc đẩy kỹ thuật lạnh phát triển Nhất

là kỹ thuật điều hòa không khí

Ngày nay kỹ thuật lạnh hiện đại đã phát triển sất mạnh mẽ, cùng với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật lạnh đã có những bước tiến vượt bậc Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày càng được mở rộng Người ta đang tiến dần nhiệt độ không tuyệt đối

Công suất lạnh của máy cũng được mở rộng, từ máy lạnh vài mW sử dụng trong phòng thí nghiệm đến cac stoor hợp có công suất hàng triệu

W ở các trung tâm điều tiết không khí

Hệ thống lạnh ngày nay thay vì lắp ráp các chi tiết, thiết bị lại với nhau thì tổ hợp ngày càng hoàn thiện, do đó quá trình lắp ráp, sử dụng thuận tiện và chế độ làm việc hiệu quả hơn

Hiệu suất máy tăng lên đáng kể, chi phí vật tư và chi phí cho một đơn vị lạnh giam xuống Tuổi thọ và độ tin cậy tăng lên Mức độ tự đông hóa của các hệ thống lạnh và các máy lạnh tăng lên rõ rệt Những thiết bị tự động hóa hoàn bằng điện tử và vi điện tử thay thế cho các thiết bị thoa tác bằng tay

Hình 3: Showroom máy điều hòa không khí

1.2 Ứng dụng của kỹ thuật lạnh

Kỹ thuật lạnh ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân cũng như trong khoa học kỹ thuật Kỹ thuật lạnh đã thâm nhập vào hơn 70 ngành kinh tế quan trọng như: Công nghệ thực phẩm, chế biến thủy sản rau quả, rượu bia và nước giải khát, sinh học, hóa lỏng hóa chất và tách khí, điện tử, cơ khí chính xác, y tế, điều hòa không khí…

Kỹ thuật lạnh đã ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực Một trong những ngành ứng dụng quan trọng đó là ngành công nghệ thực phẩm, theo thống kê thì khoảng 80% công nghệ lạnh được sử dụng trong công nghệ thực phẩm

Các sản phẩm được bảo quản như thịt cá sữa…là những thực phẩm dễ bị hư hỏng do tác dụng của vi sinh vật và các enzyme nội tạng có trong thực phẩm, vì vậy mà nó cần được bảo quản lạnh

Vi sinh vật và các enzyme nội tạng là nguyên nhân chính gây nên những hư hỏng của thực phẩm Nhưng dưới tác dụng của nhiệt độ thấp thì chúng bị bất hoạt hoặc bị ức chế hoạt động, do đó sản phẩm của chúng ta ít bị biến đổi về chất lượng cũng như hương vị mầu sắc, chất dinh dưỡng…nhờ thế thời gian giữ sản phẩm lâu hơn tao điều kiện tốt cho quá trình chế biến, tiêu thụ sản phẩm

Bộ phận chính quan trọng nhất trong hệ thống lạnh là máy nén vì nó tạo ra lưu lượng môi chất lạnh Chức năng của nó đơn giản là nhận áp suất thấp, làm lạnh hơi từ thiết bị bay hơi và nén nó lên áp suất cao Các hơi áp suất cao sau đó biến đổi thành chất lỏng trong bình ngưng Các bình ngưng thực hiện chức năng này bằng cách loại bỏ nhiệt từ hơi và thải vào không khí, hoặc nước trong trường hợp bình ngưng làm mát bằng nước Chất lỏng còn ở áp suất cao sau khi

đi qua van tiết lưu sẽ bị hạ áp suất và ơ trong trạng thái hỗn hợp vừa lỏng vừa sôi Môi chất lạnh hỗn hợp này trở lại thành hơi trong thiết bị bay hơi bằng cách hấp thụ nhiệt từ môi trường

Hình 5: Sở đồ hệ thống lạnh

Việc lựa chọn van tiết lưu trong hệ thống lạnh là đặc biệt quan trọng vì nó điều chỉnh lưu lượng môi chất lạnh vào thiết bị bay hơi

3 Các phương pháp làm lạnh nhân tạo

Làm lạnh bằng hiệu ứng tiết lưu (Làm lạnh bằng hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt không sinh ngoại công)

Làm lạnh bằng hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt, sinh ngoại công

II Cơ sở lý thuyết của quá trình tiết lưu

1 Quá trình tiết lưu của khí

Tiết lưu là tên được đặt cho một quá trình không thuận nghịch, trong đó dòng lưu chất chuyển động qua một lỗ bị thu hẹp đột ngột Có thể xem quá trình tiết lưu là đoạn nhiệt vì được tiến hành rất nhanh, nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường rất bé, tuy nhiên vẫn có sự gia tăng của entropy Quá trình này không sinh ra công

Trong thực tế khi dòng môi chất đi qua các van trên đường ống, các cửa nghẽn trong các lưu lượng kế, các ống mao dẫn hoặc van tiết lưu trong hệ thống lạnh … thì có thể xem như nó đã thực hiện quá trình tiết lưu Khi đó áp suất chất môi giới sẽ bị giảm xuống do những dòng xoáy và ma sát mạnh được sinh

ra Độ giảm áp suất này phụ thuộc vào bản chất, trạng thái của chất môi giới, độ

co hẹp của ống và tốc độ của dòng khí

Quá trình tiết lưu thường đi kèm với sự giảm hiệu suất của chất môi giới và điều này là có hại Tuy nhiên, đôi khi người ta cũng cần tạo ra các quá trình tiết lưu để điều chỉnh công suất của các thiết bị sự dụng hơi nước, đo lưu lượng, giảm áp trong các hệ thống làm lạnh …

Bởi vì khí chuyển động qua lỗ bị thu hẹp, trở lực tăng lên, điều này dẫn đến động năng và tốc độ dòng khí cũng tăng lên làm cho nhiệt độ và áp suất giảm Khí chuyển động qua ống sẽ dành ra một phần nhỏ động năng của nó để thực hiện công chống lại lực ma sát, và công này được chuyển hóa thành nhiệt Điều này sẽ dẫn đến việc tăng hoặc giảm nhiệt độ

Tốc độ dòng khí sẽ tẳng lên trong lỗ Sau khi đi qua hết lỗ, tốc độ khí lại giảm xuống, và áp suất tăng nhưng không bằng ban đầu.Vận tốc thay đổi sẽ dẫn đến khối lượng riêng của khí tăng vì áp suất giảm

2 Phương trình của quá trình tiết lưu

Xét một quá trình tiết lưu qua ống bị thu hẹp như hình Mặt cắt I-I và II-II và ống được giới hạn bởi 2 piston không trọng lượng có thể di chuyển không ma sát Áp suất p1 tác động vào piston 1 dịch chuyển qua khoảng diện tích F1, áp suất p1 tác động vào piston 1 dịch chuyển qua khoảng diện tích F2, với p1 > p2 Không có nhiệt trao đổi giữa ống và môi trường xung quanh

Hình 6a,b: Sơ đồ của quá trình tiết lưu

Giả sử 1kg khí chuyển động qua lỗ piston 1 sẽ di chuyển đến vị trí 1’ (đi được quãng đường s1) và piston 2 đến vị trí 2’ (đi được quãng đường s2) Để thay thế 1kg khí cần thiết phải tiêu tốn một công p1s1F1 hay p1v1 Một phần của công này, p2s2F2 hay p2v2 sẽ được bỏ ra để thắng áp suất p2, và độ chênh giữa công p1v1 – p2v2 sẽ gây ra sự biến đổi năng lượng của chất môi giới

Nếu w1 và w2 vận tốc khí trước và sau tiết lưu, và u1 và u2 là nội năng tương ứng thì ta có:

Trong điều kiện mà vận tốc w1 và w2 không khác nhau lắm, sự thay đổi động năng ngoài có thể và xem như

Đẳng thức (14-1) chỉ ra rằng enthanpy không thay đổi trong quá trình tiết lưu Kết luận này không đúng cho các trạng thái trung gian của quá trình tiết lưu khí Trong mặt cắt của lỗ, enphalpy không được duy trì là hằng số, tức là, quá trình tiết lưu không phải là quá trình đẳng entanpy Đẳng thức (14-1) chỉ đúng cho mặt cắt có 1 khoảng cách đủ tính từ lỗ

Như đã biết, enthalpy của khí lý tưởng là một hàm đơn trị của nhiệt độ Từ

đó có thể thấy nhiệt độ của khí lý tưởng không thay đổi qua tiết lưu

Khi một khí thực trải qua quá trình tiết lưu, enthalpy được giữ không đổi giữa trạng thái đầu và cuối, entropy và thể tích tăng, áp suất giảm, nhiệt độ có thể tăng, giảm hoặc giữ không đổi

3 Định luật Joule-Thomson

Trong bất kì khí thực nào cũng luôn tồn tại lực hút phân tử và nếu khí nở ra thì sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử hay sự thay đổi thế nội năng của toàn khối sẽ liên quan đến sự tiêu tốn công cùng với sự thay đổi của nhiệt độ

Tỷ lệ độ thay đổi của nhiệt độ của khí thực qua tiết lưu mà không có sự thêm bớt nhiệt và không sinh công ngoài, để chống lại áp suất của quá trình được gọi

là định luật Joule-Thomson Định luật này được tìm ra bởi Joule và Thomson vào năm 1852

Đối với khí lý tưởng thì hiệu ứng Joule-Thomson bằng 0, bởi vì nhiệt độ của khí không thay đổi qua quá trình tiết lưu Kết quả là có sự thay đổi nhiệt độ của khí qua tiết lưu do sự khác biệt về tính chất của khí thực so với khí lý tưởng, bởi

vì tác động của lực nội phân tử

bằng p2v1 – p1v2 Bởi vì trong tiết lưu, áp suất cuối p2 luôn nhỏ hơn áp suất ban đầu p1, và khối lượng riêng v2 luôn lớn hơn v1, và độ chênh p2v2 – p1v1 có thể dương, âm hay bằng 0 trong một số trường hợp đặc biệt

Hình 7: Ông Thomson

Bởi vì đẳng thức i1 = i2 chỉ có tác dụng cho quá trình tiết lưu đoạn nhiệt, tức

là chỉ ra rằng công ngoài (công thay thế) được thực hiện trong suốt quá trình tiết lưu tại sự tiêu tốn nội năng của toàn thể

Bởi vì sự hiện diện của lực nội phân tử, nội năng của khí thực bao gồm 2 thành phần: thành phần động năng mà là hàm đơn trị của nhiệt độ, và thành thế năng được xác định bởi vị trí của phân tử và phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích Trong suốt quá trình tiết lưu, thành phần thế năng của nội năng luôn tăng vì

sự tăng khối lượng

Nếu p2v2 – p1v1 bằng 0, tức là, u1 – u2 = 0 và thành phần thế năng của nội năng tăng, thành phần động năng phải giảm.Khi đó tiết lưu sẽ đi kèm với việc làm lạnh khí ( T2 < T1)

Khí thực sẽ được làm lạnh hơn nữa trong trường hợp công ngoài dương, tức

là, khi p2v2 > p1v1 hay u2 < u1 Khi đó, độ giảm nhiệt độ sẽ do thành phần thế năng của nội năng và công sinh ra của khí

Trong các ứng dụng thực tế, công ngoài thường âm, tức là p2v2 < p1v1 hoặc

là nói cách khác quá trình tiết lưu đi kèm với sự nhận công để làm gia tăng nội năng của khí (u2 > u1) Nếu giá trị tuyệt đối của công ngoài, p2v2 – p1v1 vượt quá

độ tăng của thành phần thế năng của nội năng, thì công thừa sẽ được dùng để tăng thành phần động năng của nó và khí qua tiết lưu sẽ được làm nóng (T2 >

T1)

Trong trường hợp đặc biệt, giá trì tuyệt đối của độ chênh p2v2 – p1v1 có thể

sẽ bằng 0, kết quả là nhiệt độ không thay đổi (T1 = T2) Trường hợp này liên quan đến sự chuyển biến và nhiệt độ của khí tại chỗ chuyển biến xảy ra gọi là nhiệt độ chuyển biến Tcb Kết quả là quá trình tiết lưu của khí thực tại nhiệt độ chuyển biến không khác gì so với quá trình tiết lưu của khí lý tưởng

Nếu tại p2v2 < p1v1, giá trị tuyệt đối của công ngoài thấp hơn độ tăng của thành phần thế năng của nội năng trong tiết lưu, và thành phần động năng của nội năng giảm trong một phạm vi, tức là, khí sẽ được làm lạnh Do đó, nếu công

âm, có thể xảy ra trường hợp trong đó nhiệt độ của khí thực tăng, giữa không đổi hay giảm xuống

Hiệu ứng tiết lưu sau đây đã được nhận ra: nhiệt độ tiết lưu vi sai xảy ra trong đó nhiệt độ và áp suất gia tăng bởi một giá trị vô cùng nhỏ, và tiết lưu toàn bộ xảy ra khi sự thay đổi áp suất và nhiệt độ là có hạn

Nếu áp suất khí thay đổi bới một lượng vô cùng nhỏ dp, thì nhiệt độ cũng thay đổi vô cùng nhỏ

Và:

Phương trình tính đúng trong mọi trường hợp

Hình 8: Đồ thị tra hệ số Joule – Thomson đối với một số chất

Đối với khí lý tưởng:

Khi đó phương trình tính tương đương:

Hay dT = 0 hay T1 = T2

Trạng thái của khí thực qua quá trình tiết lưu đoạn nhiệt trong đó nhiệt độ tiết lưu vi sai thay đổi dấu của nó hay là hệ số vi sai Joule-Thomson bằng 0

được gọi là điểm chuyển biến Nếu trước tiết lưu nhiệt độ của khí thực ngược dòng tiết lưu nhỏ hơn điểm chuyển biến, khí sẽ lạnh xuống, nhưng nếu nhiệt độ ban đầu của khí cao hơn điểm chuyển biến, khí sẽ được đốt nóng

Để tìm điểm chuyển biến và điều kiện trong đó xảy ra sự làm lạnh hay làm nóng khí, ta giải phuơng trình trên

Tiết lưu khí luôn làm giảm nhiệt độ; dp âm, nhiệt thể tích cp dương Vì thế, dấu của hiệu ứng tiết lưu vi sai và dấu của dT phụ thuộc vào biểu thức T… và luôn trái dấu với nó

III Các loại van tiết lưu thường gặp:

1 Van tiết lưu đơnn giản, ống tiết lưu, van tiết lưu tay

Cấu tạo chung: tạo ra sự co hẹp độ ngột trên đường đi của đường dẫn môi chất lạnh

1.1 Ống tiết lưu:

a Cấu tạo:

Ống tiết lưu là một đoạn ống có tiết diện nhỏ (khoảng 0,4

5 mm), dài (khoảng 0,4 0,8 mm) được xoắn lại để giảm diện tích

và thường được làm bằng đồng, hợp kim đồng, được bọc bảo vệ

b Nguyên lý hoạt động:

Khi dòng môi chất lạnh chuyển động qua ống tiết lưu, do tiết diện của ống tiết lưu hẹp nên lưu chất bị nén lại và thay đổi một số thông số trạng thái Chiều dài của ống tiết lưu lớn hơn rất nhiều so với đường kính để giảm thiểu khả năng bốc hoi qua lại trạng thái

cũ của môi chất lạnh

c Ứng dụng:

Được sử dụng nhiều trong các hệ thống lạnh nhỏ, hộ gia đình, cá nhân như máy điều hòa không khi gia đình, tủ lạnh gia đình, …

Cầu tạo đơn gian, giá thành rẻ và hiệu quả sử dụng cao

1.2 Van tiết lư điều khiển bằng tay: