THỊ MOLLIER CỦA MÔI CHẤT LẠNH

1. Giới thiệu đồ thị Mollier

Đồ thi Mollier là đồ thị biểu diễn trạng thái gas lạnh theo áp suất (thang Logarit trục tung) và Enthalpy ( thang tuyến tính trục hồnh) nên cịn gọi là đồ thị logp-h. Đồ thị do nhà bác học người Đức Mollier xây dựng năm 1912.

25 Trên đồ thị Mollier biểu diễn các thông số trạng thái là:

- Áp suất, đơn vị bar, hoặc MPa, ký hiệu P. - Nhiệt độ, đơn vị oC , ký hiệu t.

- Entalpy, đơn vị kJ/kg, ký hiệu h. - Entropy, đơn vị kJ/kgK, ký hiệu s - Thể tích riêng, đơn vị m3/kg, ký hiệu v.

Ngồi ra cịn đường x=const là thành phần hơi không đổi trong hỗn hợp hơi ẩm.

* Ưu điểm của đồ thị Mollier

- Căn cứ vào các sai lệch giữa áp suất và nhiệt độ thiết kế lý thuyết trên đồ thị Mollier, và áp suất, nhiệt độ đo được trong thực tế vận hành, ta có thể dễ dàng chuẩn đoán được sự cốcủa hệ thống và đề ra biện pháp sửa chữa hữu hiệu. Chính vì vậy đồ thị Mollier không những cần thiết đối với các kỹ sư thiết kế mà cũng rất cần thiết đối với người vận hành, sửa chữa hệ thống lạnh.

2. Cấu tạo đồ thị Mollier

a. Các đường ápsuất và entanpy không đổi

Được biểu diễn trên trục tung theo thang chia logarit và enthalpy trên trục hồnh theo thang tuyến tính.

Hình 2.4 Các đường áp suất khơng đổi

b. Đường lỏng bão hòa và đường hơi bão hòa

Đường lỏng bão hòa và đường hơi bão hòa chia đồ thị làm 3 khu vực khác nhau. Và hai đường này gặp nhau tại một điểm, điểm đó là điểm tới hạn. Nhiệt độ tới hạn là nhiệt độ cao nhất mà một chất khí có thể hóa lỏng khi được nén lên áp suất cao. Mỗi chất khí có nhiệt độ tới hạn riêng. Áp suất tới hạn là áp suất bão hịa của điểm tới hạn.

26

Hình 2.5 Đường lỏng bão hòa và hơi bão hòa

c. Các đường thành phần hơi khơng đổi

Các đường có thành phần hơi khơng đổi xuất phát từ điểm tới hạn và tỏa đều xuống phía dưới trong vùng hơi ẩm như hình biểu diễn. Ngồi ra x cịn được gọi là độ khô của hơi ẩm. Ví dụ x=0,1 có nghĩa là trạng thái hơi ẩm đó gồm 10% hơi và 90% lỏng.

Hình 2.6 Các đường x=const d. Các đường nhiệt độ không đổi

Các đường nhiệt độ khơng đổi đi từ phía trên bên trái đi xuống phía dưới bên phải của đồ thị. Nếu gặp vùng hơi ẩm nó nằm ngang. Như vậy khi đi qua vùng hơi ẩm, các đường này chia làm 3 đoạn rõ rệt với một đoạn nằm ngang trong vùng hơi ẩm. Đoạn nằm ngang biểu diễn q trình sơi đẳng áp và đẳng nhiệt của môi chất khi biến lỏng thành hơi. Đoạn đầu và cuối có độ dốc rất lớn gần như thẳng đứng.

27

Hình 2.7 Các đường t=const

e. Các đường thể tích riêng khơng đổi

Các đường thể tích riêng khơng đổi v=const là các đường cong lồi xuất phát từ phía dưới, bên trái đi lên phía trên bên phải. Các đường này hơi bị gãy (đổi hướng) khi đi qua đường bão hịa khơ x=1.

Hình 2.8 Các đường v=const

f. Các đường entropy không đổi

Các đường entropy khơng đổi nằm giống như các đường thể tích riêng khơng đổi nhưng có độ dốc lớn hơn nhiều. Do entropy trong vùng hơi ẩm khơng có ý nghĩa thực tế nên người ta chỉ vẽ các đường s=const ở vùng hơi quá nhiệt, bên phải đường x=const.

28

Hình 2.9 Các đường s=const

* Như vậy khi cho trước 2 thơng số bất kỳ, ta có thể xác định được một điểm duy nhất trên đồ thị Mollier và từ đó có thể xác định được các thơng số cịn lại. Cần lưu ý là ở vùng hơi ẩm, vì p và t trùng lên nhau nên chỉ được coi là 1 thông số.

Bài tập:

1. Hãy tính nhiệt lượng cần lấy ra để cho 25 lít nước từ 26oC xuống nhiệt độ -18oC?

2. Hãy tính nhiệt lượng cần cung cấp để 15kg nước đá ở nhiệt độ -10oC tăng lên 120oC?

Câu hỏi ôn tập:

1. Hãy vẽ đồ thị pha và chú thích các trạng thái pha trên sơ đồ đó? 2. Hãy vẽ hình và trình bày các q trình chuyển pha của mơi chất 3. Hãy vẽ và trình bày cấu tạo đồ thị Mollier của mơi chất?

29

§3. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH Mục tiêu:

- Trình bày được nguyên lý hoạt động của chu trình Cacno;

- Trình bày được nguyên lý hoạt động của chu trình máy lạnh,bơm nhiệt; - Vẽ và trình bày được nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ NH3/H20; - Vẽ và trình bày được nguyên lý làm việc của máy lạnh nhiệt điện;

- Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình vẽ hình.

I. CHU TRÌNH CỦA MÁY LẠNH SỬ DỤNG MÁY NÉN 1. Chu trình Carnot thuận chiều và hiệu suất của chu trình

Hình 3.1 Chu trình Carnot thuận chiều

Chu trình Carnot thuận gồm 4 quá trình: quá trình a-b: nhận nhiệt đẳng nhiệt thuận nghịch ở nhiệt độ T1 từ nguồn nóng; q trình b-c: giãn nở đoạn nhiệt thuận nghịch từ nhiệt độ T1 đến nhiệt độ T2; quá trình c-d: nhả nhiệt đẳng nhiệt thuận nghịch cho nguồn lạnh có nhiệt độ T2. Cuối cùng q trình d-a: nén đoạn nhiệt thuận nghịch. Theo định nghĩa hiệu suất của chu trình Carnot Cbằng:

1 2 1 2 C T T 1 q q 1    

Hiệu suất của chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng T1 và nhiệt độ của nguồn lạnh T2 mà không phụ thuộc vào bản chất vậy lý của mơi chất

Mặc dù chu trình Carnot là chu trình thuận nghịch nhưng hiệu suất của nó bao giờ cũng nhỏ hơn 1. Nói cách khác khơng thể biến tồn bộ nhiệt năng mà môi chất nhận thành cơ năng.

30

Hình 3.2 Chu trình Carnot nghịch chiều

Tương tự như chu trình Carnot thuận chiều, chu trình Carnot ngược chiều cũng gồm 4 quá trình, hai quá trình đoạn nhiệt và hai quá trình đẳng nhiệt nhưng làm việc ngược chiều kim đồng hồ. Theo định nghĩa hệ số làm lạnh cvà hệ số bơm nhiệt

c  tương ứng bằng: 2 1 2 2 1 2 0 2 c T T T q q q l q       2 1 1 c 0 2 0 0 1 c T T T 1 l q l l q          Như vậy:

- Hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt của chu trình Carnot ngược chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng T1, nguồn lạnh T2 mà khơng phụ thuộc vào bản chất vật lý của môi chất.

- Trong khoảng nhiệt độ T1 và T2 như nhau thì hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt của chu trình Carnot ngược là cực đại

Trong các máy lạnh và bơm nhiệt dùng hơi, người ta sử dụng kết hợp hiệu ứng tiết lưu và bay hơi ở nhiệt độ thấp để làm lạnh. Tùy theo phương pháp tăng áp suất trước tiết lưu mà ta có hai loại: máy lạnh và bơm nhiệt dùng hơi có máy nén và máy lạnh và bơm nhiệt hấp thụ

Môi chất dùng trong các máy lạnh và bơm nhiệt có máy nén thường là amoniac, các loại Freon…hoặc CO2. Trong đó amoniac thường dùng trong các loại máy lạnh cơng nghiệp để sản xuất nước đá, cấp đơng, trữ đơng vì có ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên cơng suất lớn. Freon thường được sử dụng trong các máy lạnh cỡ nhỏ và tủ lạnh, và một số loại Freon cũng được sử dụng trong lạnh công nghiệp và điều hịa trung tâm.

Máy lạnh và bơm nhiệt có máy nén gồm các thiết bị sau: Máy nén, dàn ngưng, van tiết lưu, dàn lạnh. Sơ đồ và nguyên lý làm việc như sau:

31 MN: Máy nén; NT: TB.Ngưng tụ; DN: Dãn nở; BH: TB.Bay hơi

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy lạnh và bơm nhiệt

II. CHU TRÌNH MÁY LẠNH HẤP THỤ

Trong máy lạnh hấp thụ, đi kèm với một môi chất bao giờ cũng có một chất hấp thụ nên người ta thường gọi là một cặp môi chất. Các cặp môi chất dùng cho máy lạnh hấp thụ là các chất có liên kết hố học với nhau, thơng thường là: H2O/CaCl2, NH3/H2O, vv... Sau đây ta xét một hệ thống lạnh hấp thụ dùng cặp môi chất NH3/H2O.

1. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ

TLDD: Tiết lưu dung dịch; BDD: Bơm dung dịch; TL: Tiết lưu; HT: Bình hấp thụ; SH: Bình sinh hơi; NT: TB.Ngưng tụ; BH: TB.Bay hơi

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ

2. Nguyên lý làm việc

Bao gồm 2 vịng tuần hịa: Vịng tuần hồn của chất tải lạnh và vòng tuần hòa của chất hấp thụ.

+ Vịng tuần hồn của chất tải lạnh: Tại bình sinh hơi (SH), dung dịch nước có nồng độ NH3 cao được cung cấp nhiệt làm hơi NH3 tách ra khỏi dung dịch nước ( vì nhiệt độ sơi của NH3 thấp hơn nhiều so với nhiệt độ sôi của nước khi ở cùng điều kiện áp suất), sau đó hơi NH3 tiếp tục đi đến thiết bị ngưng tụ(NT), tại đây hơi NH3 được

32 làm mát ngưng tụ thành lỏng sau đó mơi chất lỏng tiếp tục đến van tiết lưu(VTL) thực hiện quá trình tiết lưu giảm áp suất, giảm nhiệt độ. Môi chất lỏng sau khi ra khỏi van tiết lưu được dẫn đến thiết bị bay hơi(BH), tại đây mơi chất thực hiện q trình nhận nhiệt từ dàn lạnh chuyển pha từ lỏng sang hơi, hơi môi chất sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi được dẫn về bình hấp thụ(HT), tại đây nước có nồng độ NH3 thấp sẽ hấp thụ hơi NH3 từ dàn bay hơi về chuyển thành nước có nồng độ NH3 cao. Dung dịch nước có nồng độ NH3 cao được bơm dung dịch(BDD) bơm lên bình sinh hơi tiếp tục chu trình.

+ Vịng tuần hồn của chất hấp thụ: Tại bình sinh hơi (SH), dung dịch nước có nồng độ NH3 cao được cung cấp nhiệt làm hơi NH3 tách ra khỏi dung dịch nước, do đó nồng độ NH3 trong nước giảm, nước có nồng độ NH3 thấp được tiết lưu dung dịch(TLDD) tiết lưu xuống bình hấp thụ(HT) tại đây nước có nồng độ NH3 thấp hấp thụ NH3 về từ thiết bị bay hơi(BH) làm cho nồng độ NH3 trong nước tăng. Dung dịch nước có nồng độ NH3 cao được bơm dung dịch(BDD) bơm lên bình sinh hơi tiếp tục chu trình.

III. CHU TRÌNH MÁY LẠNH BÁN DẪN

Cảm biến nhiệt dùng để đo hay hay cảm biến nhiệt độ và biến đổi nhiệt độ thành đại lượng điện, nguyên lý làm việc dựa vào hiệu ứng Seebeck tìm ra năm 1820. Khi ta nối hai dây kim loại khác nhau thành một vịng, đem nung nóng mối nối này và làm lạnh mối nối kia thì suất hiện một dịng điện trong dây dẫn. Nếu hai dây dẫn chỉ nối nhau một đầu thì khi nung nóng mối nối, hai đầu còn lại sẽ sinh ra một sức điện động tỷ lệ với nhiệt độ mối nối. Điện áp này được khuếch đại để chỉ thị nhiệt độ hoặc sử dụng như tín hiệu để điều chỉnh nhiệt độ.

Ngược lại với hiệu ứng trên là khi ta cho dòng điện một chiều đi qua một vòng dây được tạo bởi hai kim loại khác nhau thì sẽ có một mối nối nóng lên và một mối nối lạnh đi. Ứng dụng hiệu ứng này, người ta chế tạo ra loại máy lạnh bán dẫn, có nguyên lý hoạt động như sau: Nhiệt được chuyển từ trong tủ lạnh ra ngoài nhờ các điện tử ( electron), ở đây các electron có vai trị như mơi chất lạnh. Để tăng hệ số làm lạnh, người ta thay mối nối kim loại bằng mối ghép bán dẫn, khi cho dòng điện đi từ bán dẫn N sang P thì mối nối P – N thu nhiệt, nếu đổi chiều dịng điện thì mối nối tỏa nhiệt. Để tăng cơng suất, ta có thể ghép song song hay nối tiếp nhiều cụm bán dẫn với nhau. Nguồn điện dùng cho tủ có thể lấy từ Acqui hoặc chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều.

Loại máy lạnh này có ưu điểm là khơng gây tiếng ồn, khơng có phần tử chuyển động, khơng có mơi chất, chỉ cần acquy một chiều và biến trực tiếp từ “điện sang lạnh”. Tuy nhiên nó có nhược điểm là hệ số làm lạnh thấp, tiêu tốn điện năng lớn, giá thành cao và khơng trữ lạnh và nóng được vì các cap kim loại là các cầu nhiệt lớn, cân bằng nhanh nhiệt độ bên trong và bên ngoài.

33 1: Đồng thanh có cánh tản nhiệt phía nóng; 2,3: Cặp kim loại bán dẫn khác tính 4: Đồng thanh có cánh tản nhiệt phía lạnh; 5,6: Cánh tản nhiệt

Hình 3.5 Cặp nhiệt điện

Câu hỏi ơn tập:

1. Hãy vẽ và lập biểu thức tính tốn nhiệt lượng của chu trình cacno ? 2. Hãy vẽ và lập biểu thức tính tốn nhiệt lượng của chu trình máy lạnh và

bơm nhiệt?

3. Hãy vẽ sơ đồ hệ thống và trình bày nguyên lý làm việc của hệ thống máy lạnh hấp thụ?

34

Chương II TRUYỀN NHIỆT

§1. DẪN NHIỆT

Mục tiêu:

- Trình bày được định luật về dẫn nhiệt;

- Trình bày và lập được biểu thức tính tốn nhiệt lượng dẫn qua vách phẳng và vách trụ;

- Tính tốn được nhiệt lượng dẫn qua vách phẳng và qua vách trụ; - Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong q trình tính tốn.

I. HỆ SỐ DẪN NHIỆT

1. Dòng nhiệt và mật độ dòng nhiệt

Dòng nhiệt dQ(W) là nhiệt lượng truyền qua một bề mặt đẳng nhiệt dF(m2) nào đó trong một đơn vị thời gian. Mật độ dịng nhiệt q(W/m2) là dòng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt.

Q=q.F (W)

2. Định luật Fourier về dẫn nhiệt

Theo Fourier thì mật độ dịng nhiệt là một vectơ có modul tỷ lệ thuận với gradt nhưng có chiều ngược với chiều gradt. Do đó:

q=-gradt

- Hệ số dẫn nhiệt  là nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi gradt bằng 1. Hệ số dẫn nhiệt của hầu hết các chất đều phụ thuộc vào nhiệt độ

) t 1 ( 0    

Trong đó 0là hệ số dẫn nhiệt của vật ở 0oC vàlà hệ số thực nghiệm. Hệ số này có thể dương hoặc âm. Chẳng hạn đối với kim loại nguyên chất hoặc các chất lỏng(trừ nước và glyxerin) hệ số <0. Hay nói cách khác, kim loại và phần lớn chất lỏng có hệ số dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng. Ngược lại, với hầu hết các chất khí và các chất cách nhiệt có hệ số >0 hay hệ số dẫn nhiệt của chúng tăng khi nhiệt độ tăng.

35

II. DẪN NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG

Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt ở trong nội bộ của vật chất từ phân tử này cho phân tử khác khơng có sự chuyển động của các phân tử.

Dẫn nhiệt có thể xảy ra đối với chất rắn, chất lỏng đứng im hoặc chất khí đứng im, nhưng dẫn nhiệt thuần túy chỉ xảy ra trong chất rắn.

Trong kỹ thuật lạnh, sự truyền nhiệt dọc theo thanh kim loại giống như sự truyền nhiệt của cánh tản nhiệt. Nhưng đối với các thiết bị trao đổi nhiệt, sự dẫn nhiệt qua vách 1 lớp hoặc nhiều lớp là phổ biến nhất.

1. Dẫn nhiệt qua vách phẳng 1 lớp

Giả sử ta có vách phẳng 1 lớp có hệ số dẫn nhiệt  và chiều dày, nhiệt độ tw1 trên bề mặt trái của vách lớn hơn nhiệt độ tw2 trên bề mặt phải của vách, thì dịng nhiệt sẽ hướng từ trái sang phải. Giả thiết nhiệt độ tw1 và tw2 luôn luôn không đổi, dịng nhiệt q cũng ổn định, nghĩa là q trình này là quá trình truyền nhiệt ổn định thì nhiệt lượng truyền qua vách ổn định theo thời gian tỉ lệ thuận với hiệu nhiệt độ (tw1 – tw2) và bề mặt truyền nhiệt F, tỉ lệ nghịch với chiều dày vách và phụ thuộc vào tính chất vật liệu đặc trưng bằng hệ số dẫn nhiệt 

Hình 1.1 Dẫn nhiệt qua vách phẳng 1 lớp - Mật độ dòng nhiệt dẫn qua vách phẳng: ) tw tw ( q 1 2