Xác định môi chất lạnh sử dụng và chu trình lạnh

3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA

3.3.1. Xác định môi chất lạnh sử dụng và chu trình lạnh

3.3.1.1. Môi chất lạnh sử dụng ga R-134a.

Hệ thống điều hòa không khí mà ta đang nghiên cứu thiết kế là hệ thống lạnh cỡ

nhỏ, và để tránh gây ảnh hưởng xấu đến môi trường ta sử dụng môi chất lạnh trong hệ thống là loại môi chất R-134a, môi chất này là hợp chất hydrofluorocarbon, dễ bốc hơi và có điểm sôi thấp, điểm sôi của nó là (-260C), nhờ vậy nó bốc hơi nhanh trong giàn lạnh và hấp thụ nhiều nhiệt, trong hợp chất này không có clo nên không

chất bôi trơn tổng hợp PAG hay POE, hai chất bôi trơn này không thể hòa lẫn với môi chất R-12. Đặc biệt chú ý không đươc dùng dầu bôi trơn máy nén của hệ thống R-12 cho vào hệ thống lạnh của loại môi chất R-134a, nếu không sẽ gây nhiều hỏng hóc cho hệ thống lạnh. Ngoài ra vấn đề an toàn và đề phòng tai nạn đối với môi chất lạnh cũng đươc quan tâm để tránh xẩy ra nguy hiểm và cho hiệu quả làm việc cao nhất

Nước sôi ở 100oC dưới áp suất khí quyển nhưng R-134a sôi ở (-26oC) dưới áp suất này. Nước sôi ở 121oC dưới áp suất 1kgf/cm2 nhưng R-134a sôi ở (-10,6oC) dưới áp suất 1kgf/cm2.

Nếu R-134a bị hở và bay vào không khí ở nhiệt độ bình thường và áp suất khí quyển, nó sẽ hấp thụ nhiệt của không khí xung quanh và sôi ngay lập tức, rồi biến thành khí. R-134a rất dễ ngưng tụ thành chất lỏng dưới điều kiện bị nén và lấy nhiệt.

Ở đồ thị dưới là đường đặc tính của R-134a, nó mô tả mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ. Độ thị chỉ ra “điểm sôi” của R-134a ở mỗi nhiệt độ và áp suất. Trên đồ thị phần phía trên đường cong là vùng trạng thái khí và phần phía dưới đường cong là vùng trạng thái lỏng. Ga lạnh thể khí có thể biến sang thể lỏng chỉ bằng cách tăng áp suất mà không cần thay đổi nhiệt độ hay bằng cách giảm nhiệt độ mà không cần thay đổi áp suất như ở vùng 1 và 2. Ngược lại ga lỏng có thể biến thành ga khí bằng cách giảm áp suất mà không cần thay đổi nhiệt độ hay tăng nhiệt độ mà không cần thay đổi áp suất như ở vùng 3 và 4.

100 80 60 40 20 0 -20 -30 0 1 2 3 4 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -30 MPa 40 30 20 10 10 loíng 4 3 2 1 C 0 0 F [kgf/cm ]2 Khê

3.3.1.2. Sơ đồ nhiệt của chu trình lạnh sử dụng ga điều hòa R-134a.

Hình 3-15. Chu trình máy lạnh

1- Giàn lạnh, 2- Van giãn nở, 3- Giàn nóng, 4- Máy nén

a).Các quá trình của chu trình

1-2: Nén đoạn nhiệt từ áp suất bay hơi đến áp suất ngưng tụ

2-3: Quá trình ngưng tụ môi chất đẳng áp thải nhiệt cho môi thường không khí 3-4: Quá trình tiết lưu đẳng Entanpi áp suất ngưng tụ PK xuống áp suất bay hơi P0

4-1: Quá trình bay hơi đẳng áp thu nhiệt của môi trường lạnh

b).Các thông số trạng thái tại các điểm nút cơ bản

Bảng 3-1. Thông số trạng thái tại các điểm nút cơ bản

Điểm nút t (0C) p (bar) i (kj/kg) v (l/kg) Trạng thái

1 160 0,5042 706 40,529 Nén đoạn nhiệt

2 640 1,8462 727 Hơi quá nhiệt

3 400 1,0164 556,2 Ngưng tụ

4 160 0,57 553,2 Bay hơi đẳng áp

+Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh R-134a:

Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh t0 phụ thuộc vào nhiệt độ trong buồng lạnh và được xác định bởi công thức:

t0= tb - t0 = tb - (813) Trong đó:

t0: Hiệu nhiệt độ yêu cầu. Chọn t0 = 9 Suy ra t0 = 25 - 9 = 160C

Tra đồ thị (lgP_i) của môi chất lạnh R-134a ta có áp P0 = 0,5042 bar + Nhiệt độ ngưng tụ (tk) phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường làm mát

Tra đồ thị (lgP_i) của môi chất lạnh R134a ta có áp Pk = 1,0185 bar

3.3.2. Tính chọn máy nén.

+ Tính năng suất lạnh riêng khối lượng q0 = i1- i4 (kj/kg)

= 706 – 553,2 = 152,8 (kj/kg) + Năng suất lạnh riêng thể tích

qv = q0/v1 = 152,8 /0,04 = 3770(kj/m3) v1: Thể tích hơi hút về máy nén

+ Năng suất nhiệt riêng ngưng tụ

qk = i2 - i3 = 727 - 556,2 = 170,8 (kj/kg) + Công nén riêng

l = i2 - i1 = 727 - 706 = 21 (kj/kg) + Hệ số lạnh của chu trình

 = q0/l = 152,8/21= 7,27 + Hiệu suất exergy

0 0 . T T Tk ex    Trong đó:

Tk: Nhiệt độ của môi trường làm giàn ngưng. Tk = tk + 273 = 41,7 + 273 = 314,70K T0: Nhiệt độ của môi chất được làm lạnh. T0 = t0 + 273 = 16 + 273 = 2890K

 0,65 289 289 7 , 314 . 27 , 7 . 0 0      T T Tk ex  

Thể tích hút lý thuyết của máy nén ta có: Vlt= d .S.Z.n

4 . 2 

Trong công thức trên ta có:

d là đường kính xi lanh của máy nén S là hành trình piston

Khi thiết kế ta dựa vào kết cấu, nguyên lý làm việc cũng như công suất của máy nén hệ thống điều hòa xe tham khảo. Máy nén sử dụng trên xe Toyota Hilux là loại đĩa chéo, kiểu piston đặt nằm, còn gọi là máy nén piston đặt doc trục, có kích thước nhỏ gọn, đây củng là loại máy nén được trang bị phổ biến trên xe ôtô thế hệ mới, với 10 piston ( Z=10) tác dụng kép, mỗi cặp piston (trong máy nén chia ra 5 cặp piston) có tác dụng kép trên bố trí cách đều nhau 720 trong thân máy nén

Bảng 3-2 Thông số kỹ thuật của máy nén xe thiết kế

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Dung tích - cm3 178

Đường kính x hành trình

piston D x S mm 31,5 x 20,5

Số xi lanh - cái 10

Đường kính x chiều dài máy

nén Dmn x Lmn mm 105 x 230

Tốc độ tối đa cho phép - vòng/ phút 8300

Trọng lượng (cả ly hợp) - Kg 6,5

Ly hợp- tiêu chuẩn - - 12V/ 46Wmax

Môi chất - - R-134a

Lượng môi chất - g 600±25

Loại dầu

- - PAG hoặc POE

Lượng dầu - g 150±10 Số vòng quay cho phép n = 8300 (vòng/phút) = 138 (vòng/s) Vlt= .0,0205.10.138 4 0,0315) ( ,14. 3 2 = 0,022 (m3/s) Vậy thể tích hút thực tế của máy nén là:

Vtt = Vlt.

Trong đó:

 là hệ số cấp của máy nén. Chọn =0,1

Vtt = Vlt. = 0,022.0,1 = 0,0022 m3/s = (7,92 m3/h)

Khối lượng môi chất máy nén hút được trong một đơn vị thời gian là: m = 198 04 , 0 92 , 7 1   v Vtt (kg/h)=0,055 (kg/s) v1 = 40,529 l/kg = 0,04 (m3/kg) + Năng suất lạnh: Q0 = m.q0 = 0,055.152,8 = 8,404(kW)=8404 (W) + Công nén lý thuyết: Nlt = m.l = 0,055.21 = 1,155 (kW)



lt el

N

N  ( hiệu suất máy nén chọn  0,9)

1,285 9 , 0 155 , 1     lt el N N (kW)

Vậy máy nén thiết kế có năng suất lạnh đạt: Q0 = 8404 (W) và động cơ phải mất 1285 (W) cho hệ thống điều hoà không khí là đảm bảo điều kiện làm lạnh cho xe .

4. KẾT CẤU MỘT SỐ CỤM CHI TIẾT CHÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA THIẾT KẾ. HÒA THIẾT KẾ.

4.1. KHỚP ĐIỆN TỪ. 4.1.1. Chức năng.

Khớp điện từ (ly hợp điện từ) dùng để điều khiển dẫn động máy nén. Trong quá trình làm việc của hệ thống làm mát, máy nén không hoạt động liên tục. Tương ứng với chế độ làm lạnh đặt ban đầu, khi nhiệt độ trong khoang hành khách đã đạt yêu cầu, máy nén cần phải ngừng hoạt động. Khi nhiệt độ trong khoang hành khách bắt đầu thay đổi tăng lên so với chế độ đặt thì yêu cầu thì máy nén phải hoạt động trở lại. Ly hợp điện từ làm nhiệm vụ ngắt, nối dẫn động máy nén.

Hình 4-1. Chi tiết tháo rời bộ ly hợp điện từ trang bị bên trong puli máy nén

1-Máy nén, 2-Cuộn dây bộ ly hợp, 3- Vòng giữ cuộn dây, 4-puli, 5- Ốc siết đĩa bị động, 6-Đĩa bị động, 7- Khoen giữ puli, 8-Che bụi, 9-Vòng bi, 10-Shims điều chỉnh khe hở bộ ly hợp

4.1.2. Nguyên lý làm việc.

Stato của ly hợp điện từ được đặt lồng vào trong buly của máy nén. Trong stato có cuộn dây điện từ (7). Rôto đặt lồng vào puli (6) của ly hợp.

Trục dẫn động của máy nén được dẫn động từ trục khuỷu thông qua khớp nối điện từ. 6 2 1 7 3 4 5 Hình 4-2. Khớp điện từ

1-Vòng phốt; 2-Vòng bi kép; 3- Trục máy nén; 4- Khe hở cho phép khi bộ ly hợp cắt khớp, 5-Đĩa bị động; 6- Puli; 7- Cuộn dây nam châm điện

Khi động cơ bắt đầu hoạt động, buli quay tự do trên trục. Khi mở công tắc điều hòa không khí, sẽ có dòng điện chạy qua cuộn dây (7) của bộ ly hợp tạo ra một từ trường đủ mạnh để hút đĩa bị động (5), đĩa này thường xuyên dính cứng vào puli (6) đang quay, như vậy trục máy nén (3) sẽ quay cùng với puli. Bình thường khi chưa bật công tắc điều hòa tuy puli quay trên vòng bi kép (5) nhưng trục máy nén đứng yên. Khe hở bộ ly hợp cắt nằm trong khoảng 0,56 - 1,45 mm. Với loại ly hợp cuộn dây đứng yên, bề mặt nối và cắt ít bị mài mòn.

4.2. KÉT NGƯNG TỤ. 4.2.1. Chức năng.

Từ máy nén đi ra, môi chất công tác ở thể khí, có nhiệt độ và áp suất cao. Két ngưng tụ là nơi trao đổi nhiệt của khí ga với môi trường ngoài để giảm nhiệt độ và chuyển trạng thái của môi chất lạnh của khí sang lỏng. Két ngưng tụ có kết cấu các

cưỡng bức nhờ không khí hút bởi quạt gió của két nước làm mát động cơ và dòng không khí sinh ra khi xe chuyển động, ngoài ra trên xe còn được trang bị thêm một quạt điện phía trước dành riêng cho giàn nóng

Trong chu trình làm lạnh thì két ngưng tụ được bố trí bên phía cao áp, giữa máy nén và van tiết lưu.

4.2.2. Kết cấu và hoạt động.

Két ngưng tụ được cấu tạo bằng một ống đồng dài uốn cong thành nhiều hình U nối tiếp nhau xuyên qua vô số cánh tản nhiệt mỏng, các cánh tản nhiệt bằng nhôm này bám chắc và sát quanh ống đồng. Kiểu thiết kế này làm cho bộ ngưng tụ có tiết diện tỏa nhiệt tối đa đồng thời chiếm một khoảng không gian tối thiểu

Công dụng của bộ ngưng tụ là làm cho môi chất lạnh thể hơi dưới áp suất và nhiệt độ cao, từ máy nén bơm đến, ngưng tụ thành thể lỏng, Để làm được việc ngưng tụ này, bộ ngưng tụ phải nhả ra một lượng nhiệt lớn vào trong không khí

Máy nén bơm môi chất làm lạnh dạng khí nóng ở nhiệt độ khoảng 700C đến 1000C, áp suất cao vào lối vào nằm phía trên của két ngưng tụ.

Hình 4-3. Két ngưng tụ

1- Dãy ống của bình ngưng tụ; 2- Các cánh tản nhiệt

Khí gas nóng đi xuyên qua ống gấp khúc và được làm lạnh để ngưng tụ. Lượng nhiệt lấy khỏi khí gas được truyền cho không khí bên ngoài.

Trong hệ thống lạnh trên ôtô có hai loại ống chính và cũng được phân thành hai nhánh riêng:

+ Nhánh có áp suất thấp được giới hạn bởi phần môi chất sau van tiết lưu và cửa vào (van nạp) của máy nén. Đường ống này có đường kính lớn và trở nên lạnh khi hệ thống hoạt động.

+ Nhánh có áp suất cao được giới hạn bởi phần môi chất ngay trước van tiết lưu và cửa ra (van xả) của máy nén. Đường kính đường ống của nhánh này nhỏ hơn nhánh trên và nhiệt độ cao hơn

Ở trong khoảng nhiệt độ 25-30oC, áp suất trong hai nhánh có giá trị trong khoảng:

- Nhánh áp suất thấp: 147.1-294.2 kPa (21.3-42.7 psi) - Nhánh áp suất cao: 1372.9-1863.3 kPa (199.1-270.2 psi)

(2)Cửa sổ kính(Mắt gas)

Cửa sổ kính hay còn gọi là mắt gas cho phép quan sát dòng chảy của môi chất lạnh trong hệ thống lạnh. Nó dùng để kiểm tra mức độ điền đầy của môi chất lạnh. Cửa sổ kính đặt ở ngõ ra của bình lọc gas

Hình 4-4: Cửa sổ kính được lắp đặt trên bình lọc môi chất

(3)Bộ tiêu âm

Bộ tiêu âm có tác dụng giảm tiếng ồn phát sinh do máy nén. Thông thường bộ tiêu âm được lắp tại van xả của máy nén. Một vài kiểu kết cấu có bọc cao su bên

dầu bôi trơn ứ đọng trong bộ tiêu âm, cửa vào của nó bố trí bên trên, cửa ra được bố trí dưới đáy.

4.3. MÁY NÉN.

Như đã tính chọn máy nén cho hệ thống điều hòa không khí tại mục trên, theo xe tham khảo, máy nén đươc chọn cho xe thiết kế là kiểu đĩa chéo

4.3.1. Chức năng.

Máy nén nhận dòng khí ở trạng thái có nhiệt độ và áp suất thấp. Sau đó dòng khí này được nén, chuyển sang trạng thái khí có nhiệt độ và áp suất cao, được đưa tới giàn nóng. Máy nén là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống lạnh, công suất, chất lượng, tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống lạnh chủ yếu đều do máy nén quyết định. Trong quá trình làm việc tỉ số nén vào khoảng 5 ÷ 8,1. Tỉ số này phụ thuộc vào nhiệt độ không khí môi trường xung quanh và loại môi chất lạnh

Hình 4-5.Sơ đồ máy nén trên xe tham khảo

Một số cặp piston được đặt trên đĩa chéo cách nhau một khoảng 720 , máy nén có 10 piston tác dụng kép. Khi một phía của piston ở hành trình nén thì phía kia ở hành trình hút. Máy nén này có đặc điểm là mỗi piston (nén ga lạnh dạng khí) có thêm một cơ cấu thay đổi dung tích. Nó có khả năng chạy cả 10 xylanh, công suất 100% hay chỉ chạy 5 xylanh, một nửa công suất (50%), do đó giảm được mất mát công suất động cơ. Trong chu trình làm lạnh thì nó nằm giữa bộ hóa hơi và két ngưng tụ

4.3.2. Mục đích.

Máy nén tạo sức hút hay tạo ra điều kiện giảm áp tại cửa hút của nó nhằm thu hồi nhiệt của hơi môi chất lạnh ở bộ bốc hơi. Điều kiện giảm áp này giúp cho van giãn nở điều tiết được lượng môi chất lạnh thể lỏng cần phun vào bộ bốc hơi.

Trong quá trình bơm, máy nén làm tăng áp suất, biến môi chất lạnh ở thể thấp áp thành môi chất ở thể cao áp. Áp suất nén càng cao thì nhiệt độ của hơi môi chất lạnh càng tăng lên.

4.3.3. Kết cấu.

Trục dẫn động (3) của máy nén được dẫn động từ động cơ thông qua một dây đai. Có 5 piston kép (1) bố trí xung quanh trục dẫn động trong 10 xy lanh. Pistion di chuyển nhờ đĩa chéo (6) gắn trên trục dẫn động. Khi đĩa quay thì nó sẽ làm cho piston đi tới và lui trong xy lanh. Chất làm lạnh dạng khí vào và ra thông qua van đĩa (5) và (9).

Có cơ cấu thay đổi dung tích được đặt ở phía sau của máy nén và được lắp thành một cụm bao gồm piston và các chi tiết khác như van điện từ, van một chiều và van xả 8 7 3 4 5 6 1 9 2 Hình 4-6. Kết cấu máy nén

1- Piston, 2- Phớt làm kín trục, 3- Đầu nối trục ly hợp, 4- Trục máy nén, 5- Đĩa van, 6- Đĩa chéo, 7- Bi kim, 8- Lò xo, 9- Đĩa van

-Dầu bôi trơn máy nén

Máy nén được bôi trơn bằng một loại dầu đặc biệt. Loại dầu này bôi trơn các chi tiết chuyển động của máy nén. Dầu bôi trơn máy nén dùng loại môi chất R-134a

Một phần dầu bôi trơn sẽ hòa tan vào trong ga và tuần hoàn trong mạch làm mát. Vì vậy nên dùng những loại dầu sau:

Dầu máy nén dùng cho môi chất lạnh R-134a không được dùng lẫn cho môi