Bài giảng kỹ thuật nhiệt

Trịnh Văn Quang Bài Giảng KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình dành cho lớp Cơ khí - 75 tiết Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà nội Bộ môn Kỹ thuật nhiệt Hà nội – 2004 Mục lục Trang Lời nói đầu Phần I NHIỆT ĐỘNG HỌC Chương KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Hệ thống nhiệt động đặc trưng hệ Hệ thống nhiệt động 2.Trạng thái hệ , trạng thái cân Thông số trạng thái hệ Phương trình trạng thái 1.2 Năng lượng hệ Năng lượng tổng Nội U Entanpy 8 9 11 12 12 13 13 Chương QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC 2.1 Quá trình nhiệt động Định nghĩa Phân loại Phương trình trình 2.2 Các dạng trao đổi lượng trình Công Nhiệt Đặc điểm công nhiệt 2.3 Định luật nhiệt động học Định luật Bảo toàn biến hoá lượng Động vĩnh cửu loại Định luật Nhiệt động học 2.4 Định luật viết cho hệ kín 2.5 Định luật áp dụng cho dòng chảy 2.6 Nhiệt dung Khái niệm Tính U,  I công thức May-e Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung 16 16 16 17 17 17 19 20 20 20 20 21 21 22 24 24 26 27 Chương CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN 3.1 Quá trình đẳng tích Phương trình Liên hệ thông số trạng thái Tính u ,  i,  s Tính công l , nhiệt q Đồ thị 3.2 Quá trình đẳng áp Phương trình 28 28 28 28 29 29 29 29 Liên hệ thông số trạng thái 3.Tính u,  i,  s 4.Tính công l , nhiệt q Đồ thị 3.3 Quá trình đẳng nhiệt Phương trình Liên hệ thông số trạng thái Tính u, i,  s Tính công l , nhiệt q Đồ thị 3.4 Quá trình đoạn nhiệt Phương trình Liên hệ thông số Tính u, i, s Tính công l , nhiệt q Đồ thị 3.5 Quá trình đa biến Phương trình Tính u, i,  s Liên hệ thông số Công nhiệt Đồ thị 29 30 30 30 30 30 30 31 31 31 32 32 32 33 33 34 34 34 35 35 36 36 Chương CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC 4.1 Chu trình nhiệt động Định nghĩa Phân loại Nguồn nhiệt 4.2 Đặc tính thuận nghịch không thuận nghịch Quá trình thuận nghịch Thí dụ Một số yếu tố không thuận nghịch nhiệt động Mức độ biến hoá công nhiệt 4.3 Định luật Nhiệt động học Phát biểu theo Clodiúyt Phát biểu theo Kenvanh - Plăng: 4 Chu trình Các nô Đặc tính Định lý Các nô Biểu thức tính hiệu suất nhiệt chu trình Các nô 4.5 En-trô-py Định lý Clodiúyt Entrôpy Biến thiên entrôpy trình không thuận nghịch Nguyên lý tăng entrôpy hệ cô lập đoạn nhiệt 38 38 38 40 40 40 41 41 42 42 42 42 42 42 43 44 46 46 49 49 50 Chương CHU TRÌNH TIÊU HAO CÔNG 5.1 Chu trình máy nén pít tông cấp Sơ đồ & nguyên lý làm việc Công tiêu hao máy nén Chu trình thực tế Ảnh hưởng không gian chết 5.2 Máy nén pit tông nhiều cấp Sơ đồ Nguyên lý làm việc Tính công tiêu hao Thể tích xy lanh cấp Lượng nhiệt toả khí nén 5.3 Máy lạnh dùng không khí Sơ đồ nguyên lý làm việc Tính hệ số lạnh 5.4 Máy lạnh nén Đặc điểm chất Máy lạnh dùng nén 52 52 52 54 55 55 55 56 56 57 57 57 57 58 58 58 59 Chương CHU TRÌNH SINH CÔNG 6.1 Chu trình động đốt cấp nhiệt đẳng tích Sơ đồ nguyên lý làm việc 2.Tính hiêu suất nhiệt 6.2 Chu trình động đốt cấp nhiệt đẳng áp Sơ đồ nguyên lý làm việc Tính hiệu suất nhiệt 6.3 Chu trình động đốt cấp nhiệt hỗn hợp Sơ đồ nguyên lý làm việc Tính hiệu suất nhiệt 6.4 So sánh hiệu suất nhiệt loại chu trình Khi tỷ số nén  q1 Khi q2 nhiệt độ & áp suất cực đại 60 60 60 61 61 62 62 62 63 64 64 65 Chương DÒNG CHẢY CỦA CHẤT KHÍ VÀ HƠI 7.1 Khái niệm Các giả thiết Phương trình 7.2 Các đại lượng đặc trưng dòng chảy Công phân bố Tốc độ dòng cửa Lưu lượng 7.3 Lưu lượng cực đại, áp suất tới hạn, tốc độ tới hạn Lưu lượng cực đại Áp suất tới hạn Tốc độ tới hạn 7.4 Quy luật thay đổi tốc độ ống La van 66 66 66 67 67 67 68 68 68 69 69 70 Quy luật thay đổi tốc độ Ống La -van 7.5 Ma sát tổn thất dòng chảy 7.6 Quá trình tiết lưu - Hiệu ứng Jun -Tômsơn Quá trình tiết lưu Hiệu ứng Jun-Tôm sơn 70 71 72 73 73 74 Phần TRUYỀN NHIỆT Chương DẪN NHIỆT 1.1 Khái niệm Đặc điểm Trường nhiệt độ Mặt đẳng nhiệt Gradient nhiệt độ : grad t  Véc tơ mật độ dòng nhiệt q Định luật Furiê Hệ số dẫn nhiệt  1.2 Phương trình vi phân dẫn nhiệt điều kiện đơn trị Phương trình vi phân dẫn nhiệt Điều kiện đơn trị 1.3 Dẫn nhiệt ổn định điều kiện biên loại qua vách phẳng Vách phẳng lớp Vách phẳng nhiều lớp 1.4 Dẫn nhiệt ổn định điều kiện biên loại qua vách trụ Vách trụ lớp Vách trụ nhiều lớp 1.5 Dẫn nhiệt ổn định điều kiện biên loại qua vách phẳng Vách phẳng lớp Vách phẳng nhiều lớp 1.6 Dẫn nhiệt ổn định điều kiện biên loại qua vách trụ Vách trụ lớp Vách trụ nhiều lớp 1.7 Tăng cường hạn chế truyền nhiệt Tăng cường truyền nhiệt Hạn chế truyền nhiệt - đường kính tới hạn lớp cách nhiệt 75 75 75 75 75 76 77 77 78 78 80 81 81 82 84 84 86 87 87 88 89 89 90 91 91 92 Chương TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU 2.1 Khái niệm Đặc điểm Các loại đối lưu Phương trình toả nhiệt bản, hệ số toả nhiệt Các nhân tố ảnh hưởng 2.2 Hệ phương trình vi phân trao đổi nhiệt đối lưu, điều kiện đơn trị Phương trình vi phân toả nhiệt Phương trình lượng 95 95 95 95 96 98 98 99 Phương trình chuyển động Phương trình liên tục Điều kiện đơn trị Phương hướng giải toán toả nhiệt đối lưu 2.3 Khái quát lý thuyết đồng dạng Xuất phát điểm Các khái niệm Ba định lý đồng dạng Các tiêu chuẩn đồng dạng quan trọng Phương trình tiêu chuẩn Nhiệt độ kích thước xác định 2.4 Phương trình tiêu chuẩn toả nhiệt đối lưu Khi đối lưu cưỡng Toả nhiệt đối lưu tự nhiên 99 100 100 100 101 101 102 103 104 108 108 109 109 111 Chương BỨC XẠ NHIỆT 3.1 Những khái niệm Đặc điểm Các đại lượng đặc trưng 3.2 Các định luật xạ Định luật Plăng Định luật Viên Định luật Stêphan -Bônzơman Định luật Kiếc-Sốp 3.3 Trao đổi nhiệt xạ hai phẳng song song Hai phẳng rộng vô hạn chắn Bức xạ hai phẳng song song có chắn 113 113 113 114 116 116 116 117 118 119 119 120 Chương THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 4.1 Khái niệm 4.2 Các phương trình tính nhiệt Phương trình cân nhiệt Phương trình truyền nhiệt 4.3 Độ chênh trung bình nhiệt độ hai chất lỏng 122 122 122 122 123 124 Phần THIẾT BỊ LẠNH Chương KHÁI NIỆM 1.1 Giới thiệu Mục đích phân loại thiết bị lạnh Các chu trình làm lạnh 1.2 Môi chất lạnh chất tải lạnh Tính chất nhiệt động chất Môi chất lạnh Môi chất lạnh theo quan điểm Chất tải lạnh 126 126 126 126 127 127 128 131 134 1.3 Chu trình làm lạnh dùng máy nén Chu trình khô Chu trình lạnh, nhiệt Chu trình hồi nhiệt Ảnh hưởng nhân tố tới suất lạnh 134 134 136 137 138 Chương HỆ THỐNG LẠNH 2.1 Các hệ thống lạnh tĩnh điển hình Khái niệm chung Tủ lạnh gia đình Hệ thống lạnh cỡ trung bình 2.2 Hệ thống lạnh vận tải Khái niệm chung Xe tải lạnh Côngtennơ lạnh Toa xe lạnh 140 140 141 143 144 144 145 147 148 Chương ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ 3.1 Khái niệm Điều kiện tiện nghi vi khí hậu Các đại lượng đặc trưng đồ thị i-d không khí ẩm 3.2 Chu trình điều hoà không khí Quá trình làm lạnh không khí phòng đồ thị id Chu trình điều hoà không khí Xác định điểm đặc trưng chu trình điều hoà không khí Xác định công suất thiết bị 3.3 Các hệ thống điều hoà không khí điển hình Điều hoà không khí phòng kiểu cửa sổ chiều Điều hoà không khí hai chiều Điều hoà không khí ô tô 150 150 151 153 153 154 154 157 158 158 159 160 Tài liệu tham khảo 162 Lời nói đầu Nội dung môn học Kỹ thuật nhiệt dành cho sinh viên ngành Cơ khí gồm hai phần Nhiệt động học Truyền nhiệt Tài liệu giảng dạy môn học giảng viên môn Kỹ thuật nhiệt biên soạn thành sách Kỹ thuật nhiệt sử dụng làm giáo trình giảng dạy môn qua nhiều năm Trước thâm nhập mạnh mẽ công nghệ lạnh lĩnh vực kỹ thuật, đời sống phương tiện giao thông vận tải ô tô, toa xe có trang bị điều hòa không khí, máy làm lạnh… Bởi môn chuyên ngành Cơ khí ô tô, Đầu máy toa xe, Máy Xây dựng… yêu cầu Bộ môn Kỹ thuật nhiệt biên soạn thêm phần Thiết bị lạnh để giảng dạy cho sinh viên ngành Cơ khí Được phân công Bộ môn, tác giả biên soạn Bài giảng có phần Thiết bị lạnh nhằm đáp ứng phần yêu cầu Do biên soạn lần đầu nên chắn có khiếm khuyết Người viết mong nhận đóng góp xây dựng đồng nghiệp bạn đọc TS Trịnh Văn Quang Phần I NHIỆT ĐỘNG HỌC Chương KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Hệ thống nhiệt động đặc trưng hệ Hệ thống nhiệt động Nhiệt động học khảo sát trình biến đổi lượng xảy vật thể, gọi chúng hệ thống nhiệt động Hệ thống nhiệt động đối tượng cần khảo sát a Định nghĩa Hệ thống nhiệt động tập hợp vật thể vĩ mô, xảy biến đổi lượng lượng khối lượng * Phần bên Hệ thống nhiệt động gọi môi trường hệ * Hệ ngăn cách với môi trường biên giới Biên giới thay đổi đuợc chọn tuỳ ý, biểu thị đường nét đứt, hình 1.1 Biên giới Hệ thống nhiệt động Môi trường Hình 1.1 b Phân loại - Hệ đóng : không trao đỏi khối lượng với môi trường - Hệ mở : có trao đổi khối lượng với môi trường Tuỳ theo đặc tính trao đổi lượng mà hệ đóng : - Hệ cô lập : không trao đổi lượng khối lượng với môi trường - Hệ cô lập đoạn nhiệt : không trao đổi nhiệt với môi trường c Chất công tác Chất công tác môi chất trung gian dùng thiết bị nhiệt để thực trình trao đổi lượng với bên Để thoả mãn yêu cầu làm chất công tác , môi chất phải có khả biến đổi đặc tính vật lý dễ dàng trao đổi lượng Chất công tác thường chất khí Khi khảo sát đặc tính nhiệt động hệ thống nhiệt động khảo sát tính chất chất công tác Vậy chất công tác hệ thống nhiệt động Mọi vật chất tuỳ theo điều kiện vật lý (nhiệt độ áp suất) mà tồn trạng thái pha: pha rắn, pha lỏng, pha Các chất có áp suất nhỏ nhiệt độ cao coi chất khí Trạng thái hệ , trạng thái cân a Trạng thái hệ Trạng thái hệ thuộc tính biểu thị tồn hệ, đặc trưng đại lượng vật lý định b Trạng thái cân Trạng thái cân trạng thái mà hệ không xảy biến đổi nào, tức đại lượng vật lý đặc trưng cho hệ đồng điểm không thay đổi theo thời gian vật thể hệ hệ môi trường tương tác Thông số trạng thái hệ : a Định nghiã Thông số trạng thái đại lượng vật lý đặc trưng cho hệ mối quan hệ hệ với môi trường thời điểm b Phân loại Thông số trạng thái phân làm loại : - Thông số dung độ : Thông số dung độ đại lượng vật lý có giá trị phụ thuộc vào khối lượng - Thông số cường độ: Thông số cường độ đại lượng vật lý có giá trị không phụ thuộc vào khối lượng trạng thái, hệ có nhiều đại lượng đặc trưng Để phân biệt hai loại thông số trên, chia hệ làm nhiều phần, đại lượng thay đổi thông số dung độ phụ thuộc vào khối lượng Các đại lượng không thay đổi sau chia thông số cường độ Thí dụ hệ có đại lượng nhiệt lượng Q, thể tích V, thể tích riêng v, áp suất p, nhiệt độ T… Khi chia Q V v đôi , hệ có Q' = , V' = , v' = , p = p , T = T Vậy Q, V, v thông số dung độ; 2 p, T thông số cường độ c Các thông số trạng thái hệ khí Để xác định trạng thái nhiệt động, hệ khí cần có thông số sau : + Nhiệt độ : Côngtennơ lạnh côngtennơ chuyên dụng, kích thước theo tiêu chuẩn quốc tế: 2,44  2,44  6,06 m dài 12,09 m Trên côngtennơ lạnh có bố trí sẵn chỗ để lắp đặt tổ máy nén dàn ngưng Bên côngtennơ lạnh đặt dàn lạnh Như coi côngtennơ kho lạnh di động Có thể xếp côngtennơ xe tải, tàu hoả, tàu thuỷ máy bay thuận lợi Côngtennơ lạnh dùng cần vận chuyển hàng lạnh xa Chúng trang bị hệ thống lạnh hoàn chỉnh, nguồn động lực động điện Nhiệt độ bên côngtennơ từ + 120C đến - 250C bên lên tới + 450C Hệ thống lạnh dùng cho côngtennơ có kích thước theo quy định để phù hợp với vị trí có sẵn côngtennơ Hình 1.17 Công ten nơ Toa xe lạnh Hệ thống lạnh máy nén đặt toa xe lạnh hoạt động theo nguyên tắc chung phương tiện vận tải ôtô Khác chỗ nguồn động lực độc lập dùng động diesel, động xăng truyền động trực tiếp cho máy nén kiểu hở, dùng động điện chiều, xoay chiều Khi đoàn tàu phải có máy phát điện cấp cho động kéo máy nén Việc chọn lựa phương thức cho nguồn động lực tuỳ thuộc vào nước sản xuất Thí dụ: hệ thống lạnh toa xe cua Mỹ dùng động lực nguồn động diesel 34 mã lực (hãng Frigidaire), kéo máy phát điện công suất 20 kW điện áp xoay chiều 220V để cấp điện cho hai động kéo hai máy nén lạnh kiểu nửa kín, có hai bình chứa 5, hai bình ngưng 6, hai dàn bay Công suất lạnh hệ thống đạt 8,7 kW, nhiệt độ khoang toa xe đạt - 180C nhiệt độ bên + 380C Hai dàn ngưng làm mát không khí có quạt gió công suất mã lực Bố trí hệ thống lạnh sau: động diesel, máy phát điện tổ máy nén bình ngưng chứa dàn ngưng đầu toa xe Phòng lạnh có dàn lạnh, quạt gió phần Quạt gió ly tâm hút không khí sau qua dàn lạnh đẩy vào lớp trống cách nhiệt trần giả phân phối gió lạnh vào toa xe Không khí qua sản phẩm cần bảo quản khoang xuống phía vách ngăn trở lại dàn lạnh 148 Hình 1.18 Bố trí buồng đặt máy lạnh Hình 1.19 Đường gió lạnh Một loại hệ thống lạnh toa xe Liên xô cũ dùng nguồn động lực động điện chiều 50 V, công suất 520 W, tốc độ 1450 v/ph kéo máy nén pittông cấp xylanh, tốc độ vòng 570 v/ph để cấp lạnh cho buồng nhỏ khoang toa xe, tuỳ thuộc trọng tải hàng bảo quản mà trang bị nhiều khoang Điện chiều cấp từ máy phát chiều nạp vào ắcquy dự trữ cho động máy nén Thiết bị lạnh cho toa xe phân loại có suất lạnh từ 480 đến 650 kcal/h 149 Chương ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ 3.1 Khái niệm Điều kiện tiện nghi vi khí hậu Mục đích điều hoà không khí (ĐHKK) tạo môi trường vi khí hậu có điều kiện thoải mái cho người sinh vật sống Môi trường vi khí hậu điều hoà không khí không gian nhỏ, phòng ở, phòng làm việc nhà, công trình xây dựng Môi trường chịu tác động yếu tố bên xạ mặt trời, nhiệt độ không khí, độ ẩm lớn, bụi bặm, tiếng ồn … gây ảnh hưởng xấu tới người hoạt động đó, cần phải xử lý ảnh hưởng Các yếu tố nhiệt ẩm cần xử lý môi trường vi khí hậu bao gồm: nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, xạ, tốc độ gió Các yếu tố tác động có tính kết hợp lên cảm giác người, người ta đưa số đặc trưng để đánh giá điều kiện vi khí hậu tốt gọi điều kiện tiện nghi vi khí hậu - Đánh giá theo nhiệt độ hiệu tương đương: t hq  0,5(t k  t u )  1,94  (3.1) đó: tk - nhiệt độ khô không khí; tư - nhiệt độ ướt, phụ thuộc vào độ ẩm không khí  - tốc độ gió, m/s ; Nếu thq < 17 : người có cảm giác lạnh; 20 < thq < 26,5 : cảm giác dễ chịu; thq > 28,5 : cảm giác nóng Nhược điểm không kể tới ảnh hưởng xạ - Theo số điều kiện H:  H  0,24(t k  t u )  0,1d  0,9(37,8  t u )  d - độ chứa ẩm không khí Nếu H < (7,1  10) : lạnh H = 11,1  14,9 : tiện nghi H > 15 : nóng - Theo cường độ nhiệt B: 150 (3.2) B q mh q mh max  M  q bx  q dl 100% q mh max (3.3) đó: qbx = 2,156.(35 - tR) - xạ thể người; tR - nhiệt độ trung bình bề mặt vật phòng; qmh - lượng nhiệt mồ hôi thoát mang đi; M - lượng nhiệt hoạt động sinh học sinh ra, tuỳ thuộc vào trạng thái hoạt động, cho theo bảng; qmh.max = 29,1.w0,8.( 42 - ph/kk) , kcal/h; ph/kk - áp suất riêng nước không khí; (42 - ph/kk) : áp suất mặt thoáng da thể; qđl = 8,87 w (35 - tkk) - nhiệt đối lưu thể người Nếu: B = dễ chịu B < lạnh B > nóng thq 28 H < 7,1  10 11,1  14,9 > 15 B 0 Cảm giác Lạnh Dễ chịu Nóng - Điều kiện vệ sinh: trung bình phòng người cần 30 m3 không khí để bảo đảm không thiếu ôxy cho hô hấp Tuy nhiều tài liệu nước tính sẵn nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió thành bảng tuỳ theo điều kiện làm việc nguời để tra cho tiện Thí dụ tài liệu Đức: Nhiệt độ trời (0C) 200C 250C 300C 350C Nhiệt độ phòng (0C) 20 23 25 28 Độ ẩm  (%) Tốc độ không khí (m/s) 35  65 35  65 35  55 35  50 0,04  0,12 0,07  0,21 0,12  0,32 0,18  0,45 - Bội số tuần hoàn: số lần tuần hoàn không khí qua phòng giờ, văn phòng:  8, cửa hàng ăn uống: 8, bệnh viện:  10, bếp: 10  20 Đó số m3 không khí lưu thông qua phòng/thể tích phòng Các đại lượng đặc trưng đồ thị i-d không khí ẩm Không khí ẩm bao gồm không khí khô lượng ẩm nước Để đánh giá độ ẩm không khí dùng đại lượng: 151 - Độ ẩm tuyệt đối h Độ ẩm tuyệt đối h lượng nước chứa đơn vị thể tích không khí : h  Gh V (kg/m3kk) (3.4 ) Như không khí khô có  = , không khí bão hoà có S = max - Độ chứa ẩm d : Độ chứa ẩm d lượng nước chứa đơn vị khối lượng không khí khô: d Gh (kg/kgkkk) G kkk (3.5 ) chia tử mẫu vế phải cho V có : d h  kkk Như không khí khô có d = , không khí bão hoà có dS = dmax - Độ ẩm tương đối  : Độ ẩm tương đối  tỷ số độ ẩm tuyệt đối không khí ẩm độ ẩm tuyệt đối tối đa trạng thái bão hoà :  h (%) S (3.6) Như không khí khô có  = % , không khí bão hoà có  = 100% Entanpi không khí gồm entanpi không khí khô, nhiệt hoá entanpi nước không khí kg không khí ẩm, ký hiệu i ( h) : i  1,005.t  ( 2500  1,8.t ) d , kJ / kg 1000 (3.7) đó: 1,005 - nhiệt dung riêng không khí khô, kJ/kg.K; 2500 - nhiệt hoá nước, J/kg; 1,8 - nhiệt dung riêng nước, kJ/kg; d - độ chứa ẩm không khí, g/kg 152 Để biểu thị trạng thái không khí ẩm, dùng đồ thị i-d Trục tung: i (entanpi- kJ/kg), trục d biểu thị lượng ẩm kg không khí ẩm, mở góc 1350 so với trục tung Hình 1.20 - Các đường Hình 1.21 Hình 1.22 i = const , đường thẳng song song với trục d d = const , đường thẳng song song với trục i t = const , đường thẳng chếch lên phía trên; hình 1.20 - Các đường độ ẩm tương đối:  = 100% ,  = const, hình 1.21 Tại nhiệt độ có giá trị độ chứa ẩm cực đại , trạng thái bão hoà: t1 = const, có Gs1 = d1; t2 = const, có Gs2 = d2 Dựng đường d1 t1 , đường d2 t2 … cắt 1, 2, Đường cong qua 1,2,3 đường có  = 100% Các đường  = const khác nằm khoảng vùng  = 100% trục tung ( = 0%) - Khả tải ẩm, đường tia , hình 1.22 : Khi entanpi không khí ẩm thay đổi, làm lượng ẩm d thay đổi theo gọi khả tải ẩm i không khí Tỷ số i/d biểu thị khả Đặt =  gọi tỷ số nhiệt ẩm, hay đường tia d trình Thấy rằng: AB = + ; AC = 0; AD = -  AB có d = const, AC có i = const Vậy giá trị  trình i d trình định Thường đặt điểm A trục tung có i = Sau d đặt  (lượng ẩm riêng thay đổi) 3.2 Chu trình điều hoà không khí Quá trình làm lạnh không khí phòng đồ thị id + Về lý thuyết, không khí phòng hút qua dàn lạnh máy điều hoà không khí, nhiệt độ giảm tới trạng thái bão hoà, độ ẩm không đổi theo thời trình T2' Sau phần nước ngưng tách khỏi không khí ẩm theo trình 2'3, khỏi dàn lạnh không khí có độ ẩm 95% điểm 153 Hình 1.23 Quá trình làm lạnh không khí Hình 1.24 Chu trình điều hòa không khí Thực tế cho thấy không khí qua dàn lạnh nhanh, nên đạt trạng thái bão hoà mà độ ẩm tối đa 95%, trình làm lạnh không khí qua dàn lạnh đường T2 Quá trình nhận nhiệt thừa phòng ngược lại trình bổ sung không khí mới, tức T2 Chu trình điều hoà không khí Do có bổ sung không khí nên trạng thái vào dàn lạnh bị dịch chuyển sang phải: điểm Gọi trạng thái không khí bên N nằm đường TN Vậy chu trình điều hoà không khí 12T1 Trong T1 N1 trình hoà trộn không khí phòng không khí bên : trạng thái sau hoà trộn 12 : làm lạnh không khí qua dàn lạnh 2T : thổi không khí lạnh vào phòng nhận nhiệt thừa ẩm thừa T : trạng thái không khí phòng sau nhận nhiệt thừa ẩm thừa Xác định điểm đặc trưng chu trình điều hoà không khí Để tính toán thiết bị điều hoà không khí cần xác định điểm T, 1, chu trình đồ thị id + Điểm T: Điểm Tcó nhiệt độ tT, độ ẩm T thông số đặt ban đầu điều kiện tiện nghi theo bảng (thí dụ tT = 250C, T = 50%) + Điểm N: Điểm N có nhiệt độ tN, độ ẩm tN không khí bên biết + Điểm 1: Điểm nằm doạn TN Điểm điểm hỗn hợp hai dòng không khí nên thông số phải thoả mãn phương trình hỗn hợp hai dòng khí sau: 154 - Lưu lượng tổng lưu lượng T N : m1 = m = mT + mN - Entanpy tổng entanpy T N: I1 = IT + IN (3.5) mà: IT = iT.mT IN= iN.mN Vậy: i1.m = iT.mT + iN.mN, (3.6) với mT = m - mN, được: i1.m = iT.(m - mN) + iN.mN (i1 - iT).m = (iN - iT).mN i1  i T m = N iN  iT m Từ tam giác TAN TB1 rút ra: i1  i T m x T1 = = = N TN xy iN  iT m tương tự rút ra: mT x = xy m mN x = y mT Để xác định điểm cần phải thoả mãn bội sối tuần hoàn (theo bảng) điều kiện vệ sinh, tức vào số người phòng thể tích phòng Từ điều kiện cho biết tỷ lệ hoà trộn 1/10 m tức N  0,1; đoạn T1 cần thiết : m TN T1  (3.8) 10 + Điểm 2: Để xác định điểm cần phải biết  : 155  Qth Wth Qth lượng nhiệt thừa cần lấy đi, Wth lượng ẩm thừa cần lấy + Lượng nhiệt thừa Qth : Qth = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 Trong : Q1 - nhiệt truyền từ qua bao che: Q1 = tN  tT F i 1   N i T (3.9) tN, tT - nhiệt độ không khí bên phòng; N, T - hệ số toả nhiệt mặt phòng: N = 23,3 W/m2.độ, có phòng đệm N = 11,6 W/m2độ T = 11,6 W/m2.độ, có chống ẩm T = 8,1 W/m2độ; i, i - bề dầy hệ số dẫn nhiệt lớp tường F - diện tích bao che, với trần lấy T =  W/m2độ Q2 - nhiệt người toả ra: Q2 = n.qng (3.10) n - số người; qng - nhiệt toả người theo bảng tuỳ trạng thái hoạt động Q3 - nhiệt máy, đèn, thiết bị sinh ra: Q3 = q3i (3.11) q3i - nhiệt thiết bị sinh nhiệt Q4 - nhiệt xạ mặt trời qua cửa kính: Q4 = BMT.k.F (3.12) BMT - cường độ xạ mặt trời mặt đứng, W/m2; F - diện tích cửa sổ; k - hệ số suy giảm qua kính: kính lớp k = 0,9; lớp k = 0,81; bám bẩn 0,8; khúc xạ 0,75 156 Lượng ẩm thừa : Wth = W1 + W2 + W3 Trong : W1 - ẩm người toả ra: W1 = n.wng (3.13) n - số người; wng - lượng ẩm người toả ra, tra bảng W2 - ẩm nguồn phòng: nước bay hơi, sản phẩm: thực phẩm, nước uống, chè, hoa quả, nấu cơm, nấu nước… W3 - ẩm thấm qua kết cấu bao che, thường nhỏ không đáng kể Lượng nhiệt ẩm người sinh ra: qng, W/ng Nhiệt độ phòng, C Trạng thái - Tĩnh - Hoạt động nhẹ - Hoạt động trung bình - Hoạt động nặng wng, g/ng 20 25 20 25 314 355 376 460 209 230 251 334 50 75 140 240 50 115 185 295 Sau tính Qth, Wth xác định trị số  Xác định điểm : Từ điểm T, kẻ tia  cắt đường  = 0,95% điểm Xác định công suất thiết bị + Lưu lượng không khí tuần hoàn Để đạt trạng thái yêu cầu điểm T phòng hệ thống điều hoà không khí phải lấy lượng nhiệt thừa Qth lượng ẩm Wth, lưu lượng không khí cần thiết là: m= Q th Wth = , kg/s iT  i2 iT  i2 (3.14) + Thể tích gió tuần hoàn V= m m = , m3/s  1,2 (3.15) 157 (với  - mật độ không khí,  = 1,2 kg/m3) + Năng suất lạnh hệ thống điều hoà không khí Để giảm nhiệt độ độ ẩm từ trạng thái điểm đến 2, suất lạnh cần là: Q0 = m.(i1 - i2) , W (3.16) i1  i iT  i2 + Lượng ẩm lấy khỏi phòng Q0 = Qth (3.17) W = m.(d1 - d2) (3.18) hoặc: W = Wth d1  d dT  d2 (3.19) 3.3 Các hệ thống điều hoà không khí điển hình Điều hoà không khí phòng kiểu cửa sổ chiều a Sơ đồ nguyên lý Máy nén + động Dàn nóng (ngưng tụ) Lọc khử ẩm ống mao tiết lưu Dàn lạnh (bay hơi) Bình tách lỏng, tiêu âm hút Động quạt Cánh quạt hướng trục Cánh quạt ly tâm 10 Lọc bụi đường hút 11 Cửa lấy gió Hình 1.25 Sơ đồ điện điều hòa không khí b Đặc điểm - Hệ thống kín, máy nén liền động đặt vỏ sắt kín, môi chất lạnh R22 - Động điện pha hai cuộn dây, cuộn dây chính, cuộn phụ làm lệch từ trường khởi động 158 - Máy nén liền trục động điện, dùng loại máy nén pittông rôto rãnh xoắn - Động quạt có trục dài, đầu lắp cánh kiểu hướng trục để hút gió từ cửa hai phía thổi vào dàn nóng thải nhiệt Đầu lại lắp cánh quạt kiểu ly tâm để hút gió phòng qua dàn lạnh, thổi vào phòng không khí lạnh xa Giữa hai cánh quạt ngăn cách vách cách nhiệt, có cửa lấy gió Quạt có hai cấp tốc độ ứng với hai chế độ lạnh thấp cao + Sơ đồ điện: Hình 1.26 Bộ điều khiển: Rơle khởi động điện áp Số : 0: tắt; 1: mức nhẹ ; 2: mức mạnh Rơle bảo vệ Khóa K: mở-chạy quạt; đóng-chạy điều hoà Thermostat khống chế nhiệt độ phòng: Động quạt: C1: tụ lệch cuộn phụ C3: tụ khởi động; C2: tụ làm lệch Động máy nén: C: đầu chung, R: đầu chạy, S: đầu khởi động Rơle điện áp: khởi động điện áp tụt thấp, tiếp điểm đóng Khi động chạy, điện áp đủ, rơle hút làm mở tiếp điểm Điều hoà không khí hai chiều a Sơ đồ nguyên lý Hình 1.27 a) Chế độ làm lạnh b) Chế độ sưởi ấm 159 Máy nén Van đổi chiều Dàn ngưng Lọc ẩm ống mao tiết lưu Dàn bay Tách lỏng b Hoạt động Khi làm lạnh phòng, môi chất lạnh qua điểm 1, 2, 3, 4, 5, 6, trở 1, hình 1.27 a Khi sưởi ấm phòng, xoay van đổi chiều, môi chất lạnh sau:        Dàn đốt nóng không khí qua làm ấm phòng, hình 1.27 b Điều hoà không khí ô tô a Đặc điểm - Truyền động nhận từ trục động ô tô thay đổi làm máy nén thay đổi suất lạnh mạnh nên phải có suất lớn để đủ làm mát ngày nóng với tốc độ động trung bình Có khả điều chỉnh suất lạnh tiết lưu, điều chỉnh áp suất hút không thấp tránh đóng băng dàn lạnh nhờ đường phụ cân áp suất Tốc độ máy nén nhỏ động ô tô; 600  5000 v/ph Hệ thống hở, truyền động qua đai truyền khớp từ b Sơ đồ nguyên lý Khoang người ngồi Hình 1.28 Sơ đồ điều hòa không khí ô tô Máy nén Dàn nóng Phin lọc ẩm, mắt ga Tiết lưu Thermostat Dàn lạnh Thermostat Quạt Khớp từ 10 Động ôtô c Hoạt động: Khi mở máy dòng điện khép mạch qua khớp từ, làm máy nén quay theo động ôtô Môi chất lạnh nén tới dàn nóng 2, ngưng tụ qua lọc ẩm tới van tiết lưu vào dàn lạnh Không khí quạt 160 thổi qua dàn lạnh luân chuyển buồng xe ôtô Môi chất lạnh từ dàn lạnh hút máy nén Khi nhiệt độ xe giảm, thermostat điều chỉnh van tiết lưu thay đổi suất lạnh dàn bay Nếu nhiệt độ thấp thermostat mở tiếp điểm ngắt mạch điện vào khớp từ làm máy nén dừng lại d Đặc điểm cấu tạo phận - Máy nén kiểu hở, công suất từ 4,5 đến mã lực Trong có 2, 5, pittông tuỳ loại Các pittông di chuyển xylanh nhờ khớp cầu pittông tì đĩa đảo hướng Khi trục máy nén quay, nhờ bi côn đặc biệt làm đĩa đảo đảo lại đẩy pittông di chuyển lên xuống, hình 1.29 - Dàn ngưng lắp trước mũi xe có gió thổi qua nhờ quạt mát két nước động ôtô - Bình chứa vừa lọc khử ẩm có mắt kính quan sát ga, chứa 450  680 g R12, có lưới, thuỷ tinh zeolit, có mũi tiên chiều môi chất lạnh, hình 1.30 - Mắt ga: - Không bọt: ga thừa - Ít bọt : ga đủ - Sủi bọt nhiều: thiếu ga - Mờ: ẩm bám - Có lọai có màu : lơ mạ: ga khô , nâu, vàng, đỏ: ga ẩm Dàn bay đặt khoang xe, làm nhôm, hộp gió riêng, có quạt động chiều cấp tốc độ Hình 1.29 Nguyên tắc hoạt động máy nén Bộ lọc ẩm, mắt ga, hình 1.30 Mắt ga Lưới thép Bông thủy tinh Zêôlit Hình 1.30 Sơ đồ lọc ẩm, mắt ga 161 Tài liệu tham khảo Vũ Duy Trường, Nguyễn Đức Huy, Trịnh Văn Quang, Vũ Hồng Vân, Cơ sở kỹ thuật nhiệt, NXB ĐHGTVT- 1969 Trịnh Văn Quang Nhiệt kỹ thuật, NXB ĐHGTVT, 2001 Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy Kỹ thuật lạnh sở, NXB KH&KT R K Rajput Engineering Thermodynamics Laxmi publications (p) ltd Nguyễn Hà Thanh, Hoàng Đình Tín Cơ sở Truyền nhiệt NXB ĐH & THCN,1971 Frank DeWit Fundamentals of Heat Transpher and Mass John Wiley & Sons, 1996 Michael J Moran and Fundamentals of Engineering Thermodynamics John Wiley & Sons, Inc Hашокин.Техническая Tермодинамика и Tеплопередача Mockba,1959 162 [...].. .Nhiệt độ đặc trưng cho mức độ nóng lạnh của vật thể Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là số đo động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử tạo thành vật thể Nhiệt độ là một đại lượng thống kê - Các đơn vị đo nhiệt độ nhiệt độ bách phân 0C (nhiệt độ Celsius), nhiệt độ tuyệt đối K (nhiệt độ Kelvin), nhiệt độ 0F ( nhiệt độ Fahrenheit ), nhiệt độ 0R (nhiệt độ Rankine... dấu âm : ( -) Hình 2.4 2 Nhiệt a Định nghĩa : Nhiệt là một dạng năng lượng trao đổi giữa hai hệ thống, thực hiện bởi sự có mặt của độ chênh nhiệt độ Quá trình truyền nhiệt không gắn liền với sự dịch chuyển vật thể vĩ mô mà là quá trình phân tử, bởi vậy truyền nhiệt là dạng trao đổi năng lượng vi mô Nhiệt có thể truyền bằng 3 phương thức : dẫn nhiệt, toả nhiệt đối lưu, bức xạ Nhiệt động học không quan... đồ thị Ts : 19 Lượng nhiệt trong quá trình cân bằng được biểu thị bằng diện tích nằm dưới đường cong quá trình trên đồ thị Ts - Có thể tính nhiệt theo nhiệt dung C : dQ = C.dT (2.3) vậy: 2 Q   C.dT Hình 2.5 1 nếu C = const, thì Q = C.T d Quy ước dấu : Lượng nhiệt hệ nhận được mang dấu dương ( + ), Lượng nhiệt hệ thải ra mang dấu âm (-) 3 Đặc điểm của công và nhiệt + Công và nhiệt là dạng năng lượng...  dT (2.19) c- Phân loại : + Theo quá trình : - Nhiệt dung đẳng tích: - Nhiệt dung đẳng áp: Cv  ( U )v T Cp  ( I )p T (J/độ) (2.20) (J/độ) (2.21) + Theo đơn vị vật chất : - Nhiệt dung riêng khối lượng: (J/ kgđộ) Nhiệt dung riêng đẳng tích :  u  cv     T  v Nhiệt dung riêng đẳng áp :  i  cp     T  p - Nhiệt dung riêng thể tích - Nhiệt dung kilomol : (2.22) (2.23) c' [J/ m3TCđộ]... phần tử chất lỏng không kịp trao đổi nhiệt với bên ngoài , thì được coi là dòng chảy đoạn nhiệt : i  w2 0 2 di  ; dw2 0 2 (2.15) nghĩa là độ tăng động năng trong dòng chảy bằng độ giảm Entanpy và ngược lại 2.6 Nhiệt dung 1 Khái niệm a- Định nghĩa :trao đổi với bên ngoài để nhiệt độ của vật tăng lên 1 độ + Nhiệt dung trung bình : tính cho trung bình 1 khoảng nhiệt độ : Q T2  T1 (2.16) Q dQ dQ... với sự thay đổi tích số ( p.v ) tức là tương tác giữa dòng chảy với môi trường Khi hệ trao đổi cơ năng với bên ngoài thông qua các tác động kỹ thuật như bơm , quạt thì còn có thể có công kỹ thuật TD: vật nặng hạ xuống làm quay cánh quạt khuấy hệ cấp công kỹ thuật Lkt cho hệ c Biểu thức tính công thể tích L : 17 Công thể tích là công thường gặp hơn cả Xét G kg khí trong xy lanh có pít tông di chuyển... May-e, cho biết liên hệ giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích của các khí lý tưởng 3 Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung từ C  dQ , suy ra dT 2 Q =  CdT , nếu C = const 1 Vậy : Q = C.T Đối với khí lý tưởng, các nhiệt dung là hằng số nên: - trong quá trình đẳng tích : Q = CVT - trong quá trình đẳng áp : Q = CPT 27 thì Chương 3 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN Quá trình nhiệt động cơ bản là quá trình... s   2 (3.11) 4 Tính công l , nhiệt q : 2 Công : l= 2  pdv   1 = RT ln 1 2 pv.dv dv   RT  v v 1 v2 v1 (3.12) Nhiệt: q = u + l = l 5 đồ thị Trên đồ thị pv, đường đẳng nhiệt là đường hypecbôl vì : pv = const , hay: p = const , hình 3.3a v Hình 3.3a Trên đồ thị Ts, đường đẳng nhiệt là đường nằm ngang, hình 3.3b Hình 3.3b 31 3.4 Quá trình đoạn nhiệt Quá trình đoạn nhiệt là quá trình thực hiện trong... thể mà chỉ quan tâm đến lượng nhiệt được truyền giữa các hệ thống hoặc hệ với môi trường b Biểu thức tính nhiệt trong quá trình cân bằng : - Trong vật lý, lượng nhiệt vi phân hệ trao đổi trong quá trình cân bằng được xác định bởi : dQ = TdS trong đó : (J) (2.2) T - nhiệt độ tuyệt đối của hệ (oK) S - entrôpy là hàm trạng thái của hệ (J/độ ) viết cho 1kg: dq = Tds Vậy lượng nhiệt trao đổi trong quá trình... Chương 2 QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ĐỊNH LUẬT 1 NHIỆT ĐỘNG HỌC 2.1 Quá trình nhiệt động 1 Định nghĩa Quá trình nhiệt động là tập hợp những trạng thái thay đổi liên tục của hệ Thí dụ : ở trạng thái đầu hệ có các thông số : p1, v1, T1 khi thay dổi liên tục đến trạng thái cuối hệ có thông số p2, v2 , T2 Tập hợp toàn bộ các trạng thái trên tạo thành quá trình 2 Phân loại Theo tính chất quá trình nhiệt động được