CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH

Định nghĩa: chu trình ngược Carnot là chu trình ngược được thực hiện bởi 2 quá trình đẳng nhiệt và 2 quá trình đẳng entropy. Chu trình ngược Carnot là chu trình ngược lý tưởng, mọi quá trình là thuận nghịch, nhiệt lượng qo được lấy ở nguồn lạnh có nhiệt độ to, nhiệt lượng qk nhả ra cho nguồn nóng có nhiệt độ tk, để thực hiện chu trình ta tốn 1 công l 12: quá trình nén đẳng entropy ở máy nén; 23: quá trình nhả nhiệt đẳngĐịnh nghĩa: chu trình ngược Carnot là chu trình ngược được thực hiện bởi 2 quá trình đẳng nhiệt và 2 quá trình đẳng entropy. Chu trình ngược Carnot là chu trình ngược lý tưởng, mọi quá trình là thuận nghịch, nhiệt lượng qo được lấy ở nguồn lạnh có nhiệt độ to, nhiệt lượng qk nhả ra cho nguồn nóng có nhiệt độ tk, để thực hiện chu trình ta tốn 1 công l 12: quá trình nén đẳng entropy ở máy nén; 23: quá trình nhả nhiệt đẳng

Trang 1

CƠ SỞ

NHIỆT

ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH

Trang 2

CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH

• CHU TRÌNH NGƯỢC CARNOT (1796- 1832)

Định nghĩa: chu trình ngược Carnot là

chu trình ngược được thực hiện bởi 2 quá

trình đẳng nhiệt và 2 quá trình đẳng

entropy.

Chu trình ngược Carnot là chu trình

ngược lý tưởng, mọi quá trình là thuận

nghịch, nhiệt lượng qo được lấy ở nguồn

lạnh có nhiệt độ to, nhiệt lượng qk nhả ra

cho nguồn nóng có nhiệt độ tk, để thực

hiện chu trình ta tốn 1 công l

1-2: quá trình nén đẳng entropy ở máy nén;

2-3: quá trình nhả nhiệt đẳng nhiệt ở nguồn nóng;

3-4: quá trình dãn nở đẳng entropy ở máy dãn nở;

4-1: quá trình nhận nhiệt đẳng nhiệt ở nguồn

lạnh.

Máy lạnh 1 cấp dùng môi chất là không khí

Trang 3

CHU TRÌNH NGƯỢC CARNOT (1796- 1832)

• Tính toán chu trình.

1) Công cấp cho máy nén: lmn = h2 – h1;

2) Công cấp cho máy dãn nở: ldn = h3 – h4;

3) Công cấp cho chu trình: lct = lmn – ldn = dt(12341) = (s1 - s4).(Tk - To);

Trang 4

PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM

LẠNH NHÂN TẠO.

• Phân chia dải nhiệt độ:

- Lạnh đông: To > 120 K;

- Lạnh cryo: To < 120 K;

• Các phương pháp làm lạnh nhân tạo:

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

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

3) Làm lạnh bằng hiệu ứng hấp thụ.

4) Làm lạnh bằng hiệu ứng dòng lưu động qua ống (ejector, ống xoáy).

5) Làm lạnh bằng hiệu ứng nhiệt điện.

Trang 5

LÀM LẠNH NHỜ HIỆU ỨNG TIẾT LƯU.

• Định nghĩa: quá trình tiết lưu là quá trình giảm áp

suất do ma sát mà không sinh ngoại công khi môi

chất chuyển động qua những chỗ có trở lực cục bộ đột ngột Ví dụ: môi chất chuyển động qua nghẽn van tiết lưu.

Thông thường môi chất đi qua các nghẽn với vận tốc rất lớn

(15 ~ 20 m/s); chiều dài của nghẽn không lớn (chừng 20mm)

Do đó nhiệt lượng do ma sát sinh ra coi như không kịp truyền

ra môi trường xung quanh Thực tế nhiệt do ma sát sinh ra không đáng kể Do đó quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất

và môi trường xung quanh được bỏ qua.Vậy quá trình tiết lưu được xem là quá trình dãn nở đoạn nhiệt không sinh ngoại công

Trang 6

LÀM LẠNH NHỜ HIỆU ỨNG TIẾT LƯU.

Trang 7

Hiệu ứng Joule-Thompson

• Đối với các chất lỏng và khí thực khi đi qua tiết lưu nhiệt độ môi chất sau tiết lưu có thể giảm, không đổi hoặc tăng Đánh giá sự biến đổi nhiệt độ nhờ hiệu ứng Joule-Thompson.

• hiệu ứng vi phân Joule-Thompson là tỷ số giữa độ

biến thiên nhiệt độ với độ biến thiên áp suất trong

quá trình tiết lưu Chỉ số h có nghĩa quá trình có h = const

h

dT dp

 

Trang 8

Hiệu ứng Joule-Thompson

Trang 9

Trạng thái khí thực khi tiết lưu có αh = 0 được gọi là trạng thái chuyển biến, nhiệt

độ tương ứng được gọi là nhiệt độ chuyển biến Các điểm trạng thái chuyển biến tạo thành đường chuyển

biến.

Thông thường các khí thực có nhiệt độ chuyển biến Tcb

ở áp suất môi trường khá cao Tcb > 800K,

Do đó đối với các máy lạnh thực tế ở giải nhiệt độ và áp suất công tác -100 ~ 310oC; 0,1 ~ 20 kgf/cm2 thì nhiệt

độ sau tiết lưu luôn luôn giảm.

Trang 10

LÀM LẠNH NHỜ HIỆU ỨNG DÃN NỞ ĐOẠN NHIỆT SINH NGOẠI CÔNG.

Quá trình dãn nở đoạn nhiệt sinh

ngoại công là quá trình dãn nở

thuận nghịch đẳng entropy của

các chất từ áp suất cao xuống áp

suất thấp Phương trình: ds = 0.

• Hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt

đẳng entropy:

hiệu ứng dãn nở đoạn nhiệt đẳng

entropy vi phân là tỷ số giữa độ

biến thiên nhiệt độ với độ biến

thiên áp suất.

Trang 11

LÀM LẠNH NHỜ HIỆU ỨNG DÃN NỞ ĐOẠN NHIỆT SINH NGOẠI CÔNG.

Do đó khi dãn nở đoạn nhiệt nhiệt độ luôn luôn giảm

So sánh với hiệu ứng vi phân tiết lưu:

khi có cùng dải áp suất Δp = p1 - p2 và cùng các thông số trạng thái ban đầu thì nhiệt độ của môi chất sau khi dãn nở đẳng

entropy nhỏ hơn nhiệt độ cuối của tiết lưu: T2s≤T2h Dấu bằng xảy ra khi cp = ∞ ở vùng 2 pha

Trang 12

Ưu nhược điểm của tiết lưu và dãn nở

sinh ngoại công.

* Tiết lưu:

• Ưu: thiết bị là van tiết lưu gọn nhẹ, dễ chế tạo, rẻ tiền, dễ vận hành, dễ sửa chữa, dễ thay thế,độ tin cậy làm việc cao.

thường

Trang 13

Ưu nhược điểm của tiết lưu và dãn nở

sinh ngoại công.

• các quá trình dãn nở thực đều không thuận nghịch:

Δs = s2t - s1 > 0 Đánh giá hiệu suất máy dãn nở bằng

tỷ số:

Ngày nay các máy dãn nở không khí đạt tới η → 82% Ở lạnh đông chỉ dùng van tiết lưu, ở lạnh cryo dùng máy dãn nở để khởi động hệ thống và bù tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh hoặc lấy sản phẩm dạng lỏng, khi làm việc ổn định thì phần lớn môi chất lưu chuyển trong hệ thống đi qua van tiết lưu

Trang 15

PHÂN LOẠI MÁY LẠNH

Phân loại máy lạnh theo quá trình biến đổi vật lý của môi chất.

1) Máy lạnh sử dụng môi chất có biến đổi pha trong chu trình làm việc: môi chất từ pha hơi chuyển sang pha lỏng và ngược lại như máy lạnh nén hơi, máy lạnh ejector, máy lạnh hấp thụ.2) Máy lạnh sử dụng môi chất là không khí, không khí khi dãn nở

sinh ngoại công có ích như các máy lạnh cryo

3) Máy lạnh sử dụng môi chất là không khí, không khí khi dãn nở không sinh ngoại công có ích như các ống xoáy

4) Máy lạnh sử dụng hiệu ứng Pentier: không có môi chất

Trang 16

Phân loại máy lạnh theo dạng năng lượng cấp cho chu trình.

1) Máy lạnh sử dụng cơ năng như các máy nén lạnh (máy nén piston, máy nén ly tâm, máy nén roto, máy nén trục vít)

2) Máy lạnh sử dụng nhiệt năng như máy lạnh ejector, máy lạnh hấp thụ, máy lạnh có máy nén hoạt động nhờ turbine hơi nước hoặc động cơ đốt trong.

3) Máy lạnh sử dụng trực tiếp điện năng như máy lạnh

sử dụng hiệu ứng Pentier, máy lạnh dùng từ trường.

Trang 17

Phân loại máy lạnh theo năng suất lạnh.

1) Máy lạnh công suất nhỏ: năng suất lạnh Qo < 15kW 2) Máy lạnh công suất vừa: năng suất lạnh 15kW < Qo

< 120kW.

3) Máy lạnh công suất lớn: năng suất lạnh Qo >120kW.

Phân loại máy lạnh theo nhiệt độ làm lạnh.

1) Máy lạnh cryo: T < 120K.

2) Máy lạnh thông thường: T >120K.

 Máy lạnh nhiệt độ thấp: to < -30oC;

 Máy lạnh nhiệt độ trung bình: to = -30 ~ -10oC;

 Máy lạnh nhiệt độ cao: to = -10 ~ +20oC;

Trang 18

Phân loại máy lạnh theo chu trình nhiệt động.

Trang 19

Phân loại máy lạnh theo môi chất lạnh sử dụng.

6) Máy lạnh hơi nước.

7) Máy lạnh hấp thụ nước - amôniăc.

8) Máy lạnh hấp thụ nước - bromua liti.

Trang 20

Ngày nay đa số các máy lạnh sử dụng máy nén hơi, dựa theo dạng máy nén người ta chia ra: 1) May nén píttông - Piston Compressor.

2) Máy nén rôto - Rotor Compressor.

3) Máy nén trục vít - Screw Compressor.

4) Máy nén ly tâm - Centrifugal Compressor.

5) Máy nén cánh xoắn - Scroll Compressor

Trang 21

MÁY LẠNH 1 CẤP DÙNG MÔI CHẤT LÀ

KHÔNG KHÍ.

Máy lạnh không khí là máy lạnh được sử dụng lâu đời nhất, ngày nay do có các môi chất lạnh hoàn thiện hơn không khí nên trong các máy lạnh thông thường người ta

ít dùng máy lạnh không khí nữa.

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy

2-3: quá trình nhả nhiệt đẳng áp

3-4: quá trình dãn nở đoạn nhiệt, đẳng entropy 4-1: quá trình nhận nhiệt đẳng

Trang 22

KHÔNG KHÍ.

Trang 23

KHÔNG KHÍ.

1) Do nhiệt dung riêng của không khí nhỏ (cp = 1,007kJ/kg.K so với nhiệt ẩn hóa hơi môi chất lạnh như R22, R717) nên thể tích không khí tuần hoàn lớn, do đó kích thước các thiết bị máy lạnh không khí lớn

2) Do nhiệt tỏa của không khí nhỏ (chừng 23W/(m2.độ) so với nhiệt tỏa của các môi chất lạnh khi ngưng tụ hoặc khi sôi – nhiều ngàn W/m2) nên kích thước các thiết bị trao đổi nhiệt lớn: thiết bị làm mát, thiết bị làm lạnh

3) Hệ số làm lạnh nhỏ hơn nhiều các môi chất lạnh thông dụng (Chu trình lý thuyết: máy lạnh không khí có ε ≈ 1.6; máy lạnh

thông thường ε ≈ 4) Các máy lạnh thông thường ngày nay rất

ít dùng không khí Chỉ còn máy lạnh hiệu ứng ống xoáy

Trong lạnh cryo thì môi chất nhất định là không khí do lạnh cryo chính là lạnh hóa lỏng không khí.

Trang 24

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy; 2-3: quá trình ngưng tụ đẳng áp; 3-4: quá trình

dãn nở đẳng entropy; 4-1: quá trình bay hơi đẳng áp;

Trang 26

MÁY LẠNH 1 CẤP LÀM VIỆC VÙNG 2

PHA DÙNG MÁY DÃN NỞ.

• So sánh với chu trình Carnot.

• Chu trình được thực hiện bởi 2 đường đẳng nhiệt

và 2 đường đẳng entropy

• Thực tế các chu trình nhả nhiệt, nhận nhiệt đều có

độ chênh nhiệt độ (nhiệt độ nguồn nóng nhỏ hơn

Tk; nhiệt độ nguồn lạnh lớn hơn To) Các quá trình

là không thuận nghịch: s2>s1; s3> s4)

Do đó chu trình thực vẫn có hệ số làm lạnh nhỏ hơn

hệ số làm lạnh của chu trình Carnot.

Trang 27

MÁY LẠNH 1 CẤP THỰC HIỆN HÀNH TRÌNH

KHÔ DÙNG VAN TIẾT LƯU.

I-Máy nén; II-Thiết bị ngưng tụ; III-Van tiết lưu; IV-Thiết bị bay hơi.

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy ở máy nén I;

2-3: quá trình ngưng tụ đẳng áp ở thiết bị ngưng tụ II;

3-4: quá trình tiết lưu đẳng enthalpy ở van tiết lưu III; 4-1: quá trình bay hơi đẳng

áp ở thiết bị bay hơi IV;

Máy lạnh 1 cấp dùng van tiết lưu.

Trang 29

So sánh với chu trình Carnot

Hệ số làm lạnh ε nhỏ hơn chu trình Carnot song máy nén chạy

có nhiệt độ cao trong buồng nén của xy lanh máy nén

4) Có 2 phương pháp chính chạy hành trình khô là dùng bình

tách lỏng và dùng thiết bị hồi nhiệt

Trang 31

DÙNG BÌNH TÁCH LỎNG.

1) Công nén: l = h2 - h1

2) Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = h2 - h3

3) Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h1 - h4

Trang 32

DÙNG THIẾT BỊ HỒI NHIỆT.

Máy lạnh 1 cấp thực hiện hành trình khô dùng thiết bị hồi nhiệt.

I-Máy nén; II-Thiết bị ngưng tụ; III- Thiết bị hồi nhiệt; IV-Van tiết lưu; V-Thiết bị bay hơi 1-2: quá trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy ở máy nén I; 2-3: quá trình ngưng tụ đẳng

áp ở thiết bị ngưng tụ II;

3-4: quá trình quá lạnh ở thiết bị hồi nhiệt III;

4-5: quá trình tiết lưu đẳng

enthalpy ở van tiết lưu IV;

5-6: quá trình bay hơi đẳng áp ở thiết bị bay hơi V;

6-1; quá trình quá nhiệt ở thiết bị hồi nhiệt III.

Trang 33

DÙNG THIẾT BỊ HỒI NHIỆT.

1) Công cấp cho chu trình: l = h2 - h1

2) Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = h2 - h3

3) Nhiệt lượng trao đổi ở thiết bị hồi nhiệt: qhn = h3 - h4 = h1 - h64) Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h6 - h5

Trang 34

Trang 35

BƠM NHIỆT.

Van 1-8: van chuyển chế

độ cấp nhiệt và điều hòa không khí (cấp nhiệt 1-4 đóng, 5-8 mở);

B1,B2: bơm nước 1 và 2; MN: máy nén;

TBNT: thiết bị ngưng tụ; TBBH: thiết bị bay hơi; TBHN: thiết bị hồi nhiệt; TBTDN: thiết bị trao đổi nhiệt

Bơm nhiệt công suất lớn.

Trang 36

BƠM NHIỆT.

Trang 37

Bơm nhiệt công suất nhỏ (máy điều hòa

không khí đảo chiều).

Máy điều hòa không khí đảo chiều.

MN: máy nén;

BTL: bình tách lỏng;

DTN: dàn trong nhà;

DNN: dàn ngoài nhà; VDC: van đảo chiều 4 ngả;

V1C: van 1 chiều;

OM1 và OM2: ống mao

1 và ống mao 2.

Trang 38

TÍNH TOÁN CHU TRÌNH MÁY LẠNH 1 CẤP.

Các đại lượng cho trước.

• Nhiệt độ của môi trường giải nhiệt (nước hoặc không khí): tw.

• Nhiệt độ của sản phẩm cần làm lạnh, hoặc

môi trường cần làm lạnh (lỏng hoặc khí): tf.

quy đổi ra kJ/h.

Trang 39

Trình tự tính toán.

1) Tính nhiệt độ ngưng tụ tk:

 Nếu môi trường giải nhiệt là không khí: tk = tw+(10 ~ 20)oC;

 Nếu môi trường giải nhiệt là nước: tk = tw+(5 ~ 8)oC;

2) Tính nhiệt độ bay hơi to:

 Môi trường làm lạnh là không khí: to = tf - (7 ~ 10)oC;

 Môi trường làm lạnh là không khí cho điều hòa nhiệt độ: to = tf - (12 ~

20)oC;

 Môi trường làm lạnh là chất lỏng: to = tf - (4 ~ 6)oC;

3) Chọn độ qúa nhiệt:

 Máy lạnh amôniăc: Δtqn = 3 ~ 5oC;

 Máy lạnh freon: Δtqn = 10 ~ 45 o C tùy theo mức độ hồi nhiệt;

4) Chọn độ quá lạnh:

 Máy lạnh amôniăc: Δtql = 2 ~ 3oC tại thiết bị ngưng tụ;

 Máy lạnh freon: Δtql xác định theo phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị

hồi nhiệt: h1-h6 = h3 - h4, kJ/h;

5) Xây dựng đồ thị, xác định giá trị t, p, v, h, s ở các điểm nút của chu trình.

Trang 40

Trang 41

MÁY LẠNH NHIỀU CẤP, NHIỀU TẦNG

Vì lý do kỹ thuật: các vật khi nóng lên thì thể tích tăng lên, nên khi piston lên đến điểm cao nhất (Hình 4.1, điểm 3 - gọi là điểm chết trên - hoặc tử điểm thượng) vẫn không chạm vào bề mặt nắp quy lát (cụm van đẩy) máy nén, do đó trong xy lanh vẫn còn một khoảng không gian cho môi chất; khoảng không gian này được gọi là không gian chết Vc Khi pit tông thực hiện hành trình hút thì phần thể tích Vc dãn nở ra đến V4 Sau khi pit tông đi qua điểm 4 thì hơi môi chất mới được nạp vào xy lanh Quá trình nạp môi chất dừng khi pit tông đi đến điểm chết dưới (điểm 1) Lượng hơi môi chất thực tế hút được bằng:

Vh=V1-V4 Thể tích pit tông quét được là Vq.

Khi p2 tăng thì V4 tăng, Vh giảm, tác hại không gian chết tăng lên.

Ngoài ra khi p2 tăng thì nhiệt độ cuối tầm nén t2 tăng, làm giảm hoặc thậm chí phá hủy khả năng bôi trơn của dầu bôi trơn máy nén.

Để tăng thể tích hút và giảm nhiệt độ cuối tầm nén người ta khống chế tỷ số nén

Π =p2/p1 < 10 ~12

Hình 4.1: Máy nén 1 cấp có không gian chết.

Trang 42

• Quá trình nén khí máy nén piston nhiều cấp:

Quá trình nén nhiều cấp còn có ưu điểm là tiết kiệm công nén hơn do có thể sử dụng làm mát trung gian giữa các cấp nén Trong thực tế kỹ thuật quá trình nén không vượt quá 3 cấp, phổ

biến nhất là 2 cấp Do làm mát trung gian nên đỡ tốn công

nén

Máy nén nhiều cấp.

MTG1: thiết bị làm mát trung gian 1,

MTG2: thiết bị làm mát trung gian 2;

MN1: máy nén 1;

MN2: máy nén 2;

MN3: máy nén 3.

Trang 43

Công nén: l = l1 + l2 + l3 = dt (12345678910)

 Công nén cho máy nén 1 cấp l1cấp = dt(1278910)

 Do làm mát trung gian nên đỡ tốn 1 công nén:

Δl = l – l1cấp = dt(27865432)

 Tỷ số nén cho các cấp và nhiệt độ đầu tầm hút mỗi cấp được tính trên cơ sở công nén là nhỏ nhất (l = min; Δl = max) Khi tính toán sơ bộ cho m cấp chọn tỷ số nén b bằng:

Trang 45

Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết:

M áy lạnh 2 cấp có trích hơi trung gian, làm mát trung gian không hoàn

toàn, có 2 tiết lưu.

MNTA: máy nén thấp áp; MNCA: máy nén cao áp; TBLM: thiết bị làm mát; TBNT: thiết bị

ngưng tụ; VTL1: van tiết lưu 1; VTL2: van tiết lưu 2; TBBH: thiết bị bay hơi.

Trang 46

Tính toán chu trình:

Chu trình được tính toán cho 1kg môi chất đi qua thiết bị bay hơi

• 1) Công tiêu thụ máy nén thấp áp: lNAT = h2 – h1.

• 2) Công tiêu thụ máy nén cao áp: lNAC = h4 – h3.

• 3) Công nén: l = lNAT - lNAC.

• 4) Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị làm mát trung gian: qMTG = h3 – h2.

• 5) Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = h4 – h5.

• 6) Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h1 – h6.

• 7) Hệ số làm lạnh: ε = qo/l.

• 8) Lượng môi chất tuần hoàn qua máy nén thấp áp: GNAT = Qo/qo.

• 9) Lượng môi chất tuần hoàn qua máy nén áp cao: GNAC = GNAT.

• 10) Thể tích hút máy nén thấp áp: Vh

• NAT = GNAT.v1.

• 11) Thể tích hút máy nén áp cao: Vh

• NAC = GNAC.v3.

Trang 47

2

MÁY LẠNH 2 CẤP CÓ TRÍCH HƠI TRUNG GIAN, LÀM MÁT TRUNG GIAN HOÀN TOÀN, CÓ 2 TIẾT LƯU.

Trang 48

Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết:

M áy lạnh 2 cấp có trích hơi trung gian, làm mát trung gian không hoàn

toàn, có 2 tiết lưu.

MNTA: máy nén thấp áp; MNCA: máy nén cao áp; TBLM: thiết bị làm mát; TBNT: thiết bị

ngưng tụ; VTL1: van tiết lưu 1; VTL2: van tiết lưu 2; TBBH: thiết bị bay hơi.

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	2,71 MB