Bài giảng Kỹ thuật nhiệt lạnh

LỜI NĨI ĐẦU Mơn kỹ thuật nhiệt lạnh mơn học sở chuyên ngành ngành kỹ thuật nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức kỹ thuật nhiệt, kỹ thuật lạnh đặc biệt ứng dụng thực tế kỹ thuật lạnh dân dụng công nghiệp để hỗ trợ thêm sinh viên việc vận dụng chuyên ngành vào ngành cơng nghệ có liên quan đến kỹ thuật nhiệt lạnh xã hội công nghiệp Vói mục đích chúng tơi biên soạn tập giảng kỹ thuật nhiệt lạnh Tập giảng biên soạn phù hợp với nội dung chương trình mơn học kỹ thuật nhiệt lạnh xây dựng theo chế độ tín nhằm đáp ứng nhu cầu tài liệu tham khảo cho giảng dạy học tập hệ Đại học cao đẳng ngành công nghệ Điện- Điện tử, công nghệ tự động công nghệ kỹ thuật điện trường Phân công biên soa ̣n: ThS Trinh ̣ Cơng Chính: Chương 3- Kỹ thuật lạnh ứng dụng Ks Hoàng Mai Hồng: Chương 2- Kỹ thuật lạnh sở Ks Nguyễn Thi ̣Hoa: Chương 1- Kỹ thuật nhiệt Các tác giả cố gắng nghiên cứu, kế thừa kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm thân, đồng nghiệp, tham khảo nhiều tài liệu q trình biên soạn, khó tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp để hồn thiện tập giảng Mọi ý kiến đóng góp xin gửi địa chỉ: Bộ môn kỹ thuật nhiệt lạnh, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Xin chân thành cảm ơn! Chủ biên: ThS Trịnh Cơng Chính Kỹ sư Hồng Mai Hờng Kỹ sư Nguyễn Thị Hoa MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………….1 MỤC LỤC CHƯƠNG I: KỸ THUẬT NHIỆT 1.1 Nhiệt động kỹ thuật 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Sự chuyển pha đơn chất 25 Đồ thị chuyển pha 25 Q trình hóa chất lỏng 26 1.1.3 Chu trình nhiệt động 31 Khái niệm phân loại chu trình nhiệt động 31 Tính tốn loại chu trình 33 Một số chu trình nhiệt động 35 1.2 Truyền nhiệt 40 1.2.1 Dẫn nhiệt 40 Các khái niệm 40 Phương trình vi phân 43 Dẫn nhiệt ổn định khơng có ng̀n nhiệt bên 46 1.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 52 Khái niệm nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu 52 Công thức Newton phương pháp xác định hệ số tỏa nhiệt 54 1.2.3 Trao đổi nhiệt xạ 57 Đặc điểm trao đổi nhiệt xạ 57 2.Các hệ số trao đổi nhiệt xạ 58 Các đại lượng đặc trưng cho xạ 60 Bài toán truyền nhiệt 61 Bài toán 1: Truyền nhiệt ổn định qua vách phẳng 62 Bài toán 2: Truyền nhiệt ổn định qua vách trụ 64 Bài tốn 3: Truyền nhiệt qua vách có cánh 66 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I 69 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT LẠNH CƠ SỞ 72 2.1 Môi chất làm lạnh 74 2.1.1 Khái niệm 74 2.1.2 Các yêu cầu với môi chầt lạnh 74 2.1.3 Ký hiệu môi chất lạnh 75 2.1.4 Các môi chất lạnh thông dụng 77 Môi chất lạnh Amôniăc (NH3 - R717) 77 Môi chất lạnhR12 (CF2Cl2 Diclodiflometan) 80 Môi chất lạnh R22 (CHF2Cl Monoclodiflometan) 81 Môi chất lạnh R134a (CH2F-CF3 Tetrafloetan) 83 Môi chất lạnh R502 500 84 2.2 Chất tải lạnh 85 2.2.1 Khái niệm 85 2.2.2 Yêu cầu phạm vi ứng dụng chất tải lạnh 85 Yêu cầu 85 Ứng dụng 86 2.2.3 Các chất tải lạnh thường dùng 86 2.3 Dầu lạnh 91 2.3.1 Ký hiệu dầu lạnh 91 2.3.2 Tính chất dầu làm lạnh 92 2.3.3 Lựa chọn dầu để sử dụng 93 2.4 Chu trình máy lạnh nén 95 2.4.1 Chu trình máy lạnh nén cấp 95 Chu trình khơ 95 Chu trình hời nhiệt 97 2.4.2 Chu trình máy lạnh nén hai cấp 99 Chu trình hai cấp nén làm mát trung gian khơng hồn tồn, tiết lưu 99 Chu trình hai cấp, hai tiết lưu, bình trung gian có ống xoắn 101 Bài tập tính tốn chu trình .103 2.5 Thiết bị hệ thống lạnh 105 2.5.1 Thiết bị hệ thống lạnh 105 Máy nén lạnh 105 Thiết bị ngưng tụ 115 Thiết bị bay 127 Thiết bị tiết lưu 133 2.5.2 Thiết bị phụ hệ thống lạnh 137 Phin sấy, lọc 137 Mắt gas 139 Bình tách lỏng 140 Bình chứa cao áp 147 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 149 CHƯƠNG III: KỸ THUẬT LẠNH ỨNG DỤNG 151 3.1 Hệ thống lạnh dân dụng 151 3.1.1 Tủ lạnh 151 Đặc điểm phân loại 151 Tủ la ̣nh làm la ̣nh trực tiế p 155 Tủ la ̣nh làm la ̣nh gián tiế p 156 3.1.2 Máy điề u hòa không khí 161 Đă ̣c điể m và phân loa ̣i 161 Máy điều hòa hai khối chiều 161 Máy điều hịa khơng khí khối chiều 171 3.2 Hê ̣ thố ng la ̣nh thương ma ̣i và công nghiê ̣p 173 3.2.1 Kho lạnh thương mại .173 Đặc điểm công nghệ 173 Cấ u ta ̣o 174 Nguyên lý hoa ̣t đô ṇ g 227 3.2.2 Hệ thống lạnh nhà máy bia .236 Đặc điểm công nghệ 236 Cấu tạo 237 Nguyên lý hoạt động 237 3.2.3 Hệ thống lạnh trung tâm sử dụng máy làm lạnh nước Water chiller 238 Đặc điểm công nghệ 238 Hệ thống cấp nước hai đường ống 239 Hê ̣ thố ng cấ p nước đường ố ng có hồ i ngươ ̣c 241 PHỤ LỤC 242 TÀI LIỆU THAM KHẢO 259 CHƯƠNG I: KỸ THUẬT NHIỆT 1.1 Nhiệt động kỹ thuật Mục đích nghiên cứu quy luật biến đổi lượng có liên quan tới lượng nhiệt q trình lý hóa khác nhau, có trình biến đổi nhiệt thành ứng dụng kỹ thuật sở hai định luật thực nghiệm định luật nhiệt động I định luật nhiệt động II 1.1.1 Khái niệm Máy nhiệt Máy nhiệt thiết bị thực q trình chuyển hóa nhiệt thành ngược lại hai ng̀n có nhiệt độ khác Giả sử có hai ng̀n có nhiệt độ T1 T2 (T1>T2) T1 T1 Q1 Q1 Máy nhiệt Máy nhiệt Sinh công Tiêu tốn lượng Q2 Q2 T2 T2 Máy nhiệt ngược chiều Máy nhiệt thuận chiều Hình 1-1: Phân loại máy nhiệt Đặc điểm máy nhiệt thuận chiều (động nhiệt) nhận nhiệt từ ng̀n nóng (quá trình cháy, phản ứng hạt nhân,…) giãn nở để biến phần thành cơng cịn phần thải cho ng̀n lạnh (khơng khí, nước làm mát, …) Ví dụ máy nước, tuabin khí, tuabin hơi, động đốt trong, động phản lực Đặc điểm máy nhiệt ngược chiều tiêu tốn lượng dạng nhiệt công để thu nhiệt từ nguồn lạnh thải nhiệt với lượng tiêu hao ng̀n nóng Máy nhiệt ngược chiều gờm máy lạnh (dùng để làm lạnh) bơm nhiệt (dùng để sấy, sưởi) Môi chất hệ nhiệt động a Môi chất Môi chất chất trung gian để thực q trình biến đổi nhiệt thành cơng ngược lại máy nhiệt Trong máy nhiệt, môi chất thường dùng thể lỏng, hơi, khí chúng có khả co, giãn lớn thuận tiện cho việc sinh cơng Ví dụ: mơi chất máy lạnh khí ga (tác nhân lạnh, mơi chất lạnh), mơi chất động đốt hỗn hợp xăng với khơng khí, mơi chất động đốt ngồi nước b Hệ nhiệt động Hệ nhiệt động nhiều đối tượng tách riêng để nghiên cứu tính chất nhiệt động chúng Các đối tượng cịn lại ngồi hệ gọi mơi trường Ranh giới hệ nhiệt động với môi trường bề mặt hình học Dựa vào trao đổi dạng lượng với môi trường người ta chia hệ nhiệt động thành loại sau: - Hệ kín hệ khơng trao đổi khối lượng với mơi trường.Ví dụ: khối khí chứa bình kín đốt nóng hay làm lạnh hệ kín - Hệ hở hệ có trao đổi khối lượng với mơi trường Ví dụ: máy nén khí hệ hở lượng khí xy lanh thay đổi vào, khỏi xy lanh - Hệ cô lập hệ không trao đổi khối lượng, nhiệt công với mơi trường Ví dụ: khối khí nằm bình kín có vỏ cách nhiệt - Hệ đoạn nhiệt hệ không trao đổi nhiệt với môi trường (q= 0) trao đổi dạng lượng khác Ví dụ: nén, giãn khối khí bình kín có vỏ cách nhiệt Trong thực tế tồn hệ kín hệ hở Các thơng số trạng thái môi chất a Định nghĩa Thông số trạng thái đại lượng vật lý có giá trị xác định trạng thái định khơng phụ thuộc vào q trình biến đổi Thơng số trạng thái gồm thông số trạng thái hàm trạng thái Thông số trạng thái thông số trạng thái đo trực tiếp dụng cụ đo Hàm trạng thái thông số không đo trực tiếp mà xác định gián tiếp thông qua thông số trạng thái b Thông số trạng thái *Nhiệt độ Nhiệt độ mức đo trạng thái nhiệt vật Nó thể mức độ chuyển động phân tử Tốc độ chuyển động phân tử lớn nhiệt độ vật lớn Để đo nhiệt độ vật thường dùng thang đo sau: (hình1-2) Thang độ nhiệt độ bách phân nhiệt độ gọi nhiệt độ bách phân ký hiệu t(0C) gọi nhiệt độ Celcius p=760mmHg nhiệt độ nước đá tan 00C, nhiệt độ nước sôi 1000C Thang nhiệt độ Kelvin nhiệt độ gọi nhiệt độ tuyệt đối ký hiệu T(K) Hình 1-2: Các thang đo nhiệt độ p=760mmHg nhiệt độ nước đá tan 273,15K, nhiệt độ T=0K ứng với trạng phân tử ngừng chuyền động Quan hệ hai thang nhiệt độ biểu thị biểu thức: T= 273,15 + t Độ lớn 10C = 1K = 1/100 khoảng cách hai mốc 0K= -273,15, nhiệt độ thang Kelvin dương Ngoài hai thang nhiệt độ trên, người ta dùng thang nhiệt độ Farenheit đơn vị đo t (0F) thang nhiệt độ Rankine đơn vị đo T(0R) Quan hệ thang là: t(0C) = T[K] -273,15 = 5/9(t0F -32) =5/9 T0R-273 (1-1) Ví dụ: t = 300C = 303K = 800F = 545,40R * Áp suất tuyệt đối Áp suất tuyệt đối lực tác dụng mơi chất thẳng góc lên đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc p= F (N/m2) S (1-2) F - Lực tác dụng phân tử mơi chất (N); S - Diện tích bề mặt tiếp xúc (m2) Đơn vị chuẩn đo áp suất N/m2 gọi Pascal N/m2 = 1Pa, 1KPa = 103 Pa , 1Mpa =106 Pa Ngồi đơn vị chuẩn, kỹ thuật nhiệt cịn dùng đơn vị khác : bar, atmôtphe, KG/cm , mmHg, mH20, psi bar = 105 N/m2 = 750 mmHg at = 9,81.104 N/m2 mmHg =1,332 N/m2 at = 0,981 bar = 1KG/cm =735,5 mmHg =10 m H2O psi = 0,06895 bar Áp suất mơi chất bình áp suất tuyệt đối p (tức so với gốc 0at) áp suất tuyệt đối lại không đo trực tiếp mà phải xác định thơng qua áp suất khí trời (tức so với gốc p0= 1at) Nếu trường hợp lớn áp suất khí trời, ta đo pdư đồng hồ manômét p = p0+pdư Nếu trường hợp nhỏ áp suất khí trời, ta đo pchân khơng đờng hờ chân không kế (vacumet) p = p0 - pck p Pd P P0 Pck P0 Hình 1-3: Mối quan hệ loại áp suất Hình 1-4: Các loại đồng hồ đo áp suất a, Áp kế (Manomet) b, Chân không kế (vacumet) c, Áp chân không kế (Manovacumet) * Thể tích riêng Thể tích riêng thể tích đơn vị khối lượng mơi chất v V G (m3/kg ) (1-3) V- thể tích mơi chất (m3) G - khối lượng môi chất (kg) Đại lượng nghịch đảo thể tích riêng khối lượng riêng (mật độ)    G / V (kg / m3 ) v (1-4) c Hàm trạng thái * Nội Nội ký hiệu u(J/kg) nội kg môi chất U (J) nội G kg môi chất U = u.G Nội mơi chất tồn lượng bên mơi chất, nội nhiệt Nội nhiệt gồm hai thành phần nội động nội u = uđ+ ut uđ = f (T) chuyển động phân tử gây ra, phụ thuộc nhiệt độ hệ ut = f (v) lực tác động tương hỗ phân tử gây ra, phụ thuộc khoảng cách hay thể tích riêng phân tử Với khí thực u = uđ + ut = f (T) + f (v) = f (T,v) Với khí lý tưởng u = uđ = f (T) khơng có lực tác dụng tương hỗ Trong kỹ thuật nhiệt cần tính lượng biến thiên nội u q trình khơng cần tính giá trị tuyệt đối nội trạng thái Vì ta chọn trạng thái tuỳ ý thường trạng thái điểm ba thể làm gốc coi nội trạng thái gốc khơng rời tính nội trạng thái khác theo gốc * Entanpi Entanpi ký hiệu i (J/kg) entanpi kg môi chất I (J) en tanpi G kg môi chất I = iG Trong kỹ thuật nhiệt entanpi định nghĩa biểu thức: i = u +pv (1-5) Đối với hệ hở tích pv gọi lượng đẩy tạo lưu động để đẩy dịng mơi chất dịch chuyển Đối với hệ kín tích pv khơng mang ý nghĩa lượng đẩy Entanpi khí thực i = u+pv = f(T,v) + f(p,v) = f(p,T,v), thông thường biểu diễn theo T, p : i = f (T,p) 10 1: 245 Phụ lục 2: Bảng nước chưa sôi nhiệt 2: 246 2: 247 2: 248 2: 249 2: 250 2: 251 Phụ lục 3: Đồ thị i-s nước 252 Phụ lục 4: Đồ thị lgp-h môi chất lạnh R717 253 Phụ lục 5: Đồ thị lgp-h môi chất lạnh R12 254 Phụ lục 6: Đồ thị lgp-h môi chất lạnh R22 255 Phụ lục 7: Đồ thị lgp-h môi chất lạnh R134a 256 Phụ lục 8: Đồ thị lgp-h môi chất lạnh R410A 257 Phụ lục 9: Đồ thị lgp-h môi chất lạnh R407C 258 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Hải - Trần Thế Sơn; Kỹ thuật nhiệt; NXB KHKT năm 2005 [2] Bùi Hải - Bài tập kỹ thuật nhiệt; NXB KHKT năm 2006 [3] Nguyễn Đức Lợi - Phạm Văn Tùy; Kỹ thuật lạnh sở; NXB Giáo dục năm 2007 [4] Nguyễn Đức Lợi - Phạm Văn Tùy-Đinh Văn Thuận; Kỹ thuật lạnh ứng dụng; NXB Giáo dục năm 2003 [5] Nguyễn Đức Lợi; Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh; NXB KHKT năm 2005 [6] Đinh Văn Thuận - Võ chí Chính; Hệ thống máy thiết bị lạnh; NXB KHKT năm 2007 [7] Hà Đăng Trung - Nguyễn Quân; Cơ sở kỹ thuật điều hịa khơng khí; NXB KHKT năm 2005 [8] Nguyễn Đức Lợi; Ga, dầu chất tải lạnh bảng đồ thị; NXB Giáo dục 2007 259 ... CHƯƠNG I: KỸ THUẬT NHIỆT 1.1 Nhiệt động kỹ thuật Mục đích nghiên cứu quy luật biến đổi lượng có liên quan tới lượng nhiệt trình lý hóa khác nhau, có q trình biến đổi nhiệt thành ứng dụng kỹ thuật. .. Thang độ nhiệt độ bách phân nhiệt độ gọi nhiệt độ bách phân ký hiệu t(0C) gọi nhiệt độ Celcius p=760mmHg nhiệt độ nước đá tan 00C, nhiệt độ nước sôi 1000C Thang nhiệt độ Kelvin nhiệt độ gọi nhiệt. .. máy nhiệt tiêu hao cơng, tức mơi chất nhận cơng từ bên ngồi để truyền nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao, chu trình máy lạnh bơm nhiệt Máy lạnh sử dụng nhiệt lấy từ ng̀n lạnh