Chu trình Carnot được thực hiện bởi 2 đường đẳng nhiệt T2 và T3. Do đó hệ số làm lạnh c
cho chu trình Carnot bằng:
. T T T T T T 1 2 1 1 3 1 c 3.2.4 Các nhận xét.
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 1.6; máy lạnh thông thường 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.
3.3 MÁY LẠNH 1 CẤP LÀM VIỆC VÙNG 2 PHA DÙNG MÁY DÃN NỞ. 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết. 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết.
Chu trình lý thuyết (Hình 3.2): hơi bão hòa ẩm hạ áp với thông số trạng thái 1 (To, po) được hút vào máy nén I, nén đoạn nhiệt, đẳng entropy, đưa áp suất và nhiệt độ môi chất lên pk, Tk ứng với thông số trạng thái 2, tiêu tốn ngoại công lmn. Với thông số trạng thái 2 môi chất đi vào thiết bị ngưng tụ II, và được ngưng tụ đẳng nhiệt, đẳng áp theo quá trình 2-3, nhả nhiệt lượng qk. Với thông số trạng thái 3 môi chất đi vào máy dãn nở III, dãn nở đoạn nhiệt, đẳng entropy theo quá trình 3-4, sinh ngoại công lmdn. Với thông số trạng thái 4 môi chất đi vào thiết bị bay hơi, nhận nhiệt lượng qo đẳng áp, đẳng nhiệt theo quá trình 4-1. Môi chất với thông số trạng thái 1 đi vào máy nén. Chu trình cứ thế tiếp diễn.
Hình 3.2: Máy lạnh làm việc vùng 2 pha.
I - Máy nén; II - Thiết bị ngưng tụ; III - Máy dãn nở.; IV - Thiết bị bay hơi..
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;
3.3.2 Tính toán các thông số của chu trình.
1) Công nén: lmn = h2 - h1.
2) Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = h2 - h3 = dt(s11234s4s1) trên đồ thị T-s. 3) Công dãn nở: lmdn = h3 - h4.
4) Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h1 - h4 = dt(s114s4s1) trên đồ thị T-s. 5) Công cấp cho chu trình: l = lmn - lmdn = qk - qo = dt(12341) trên đồ thị T-s.
6) Hệ số làm lạnh: 2 3 1 4 4 1 o h h h h h h l q
3.3.3 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.
3.3.4 Các nhận xét:
Chu trình máy lạnh này là lý tưởng song hiện nay không thực hiện được do các trở ngại kỹ thuật:
1) Đối với máy nén khi làm việc ở vùng 2 pha khi nén lên áp suất cao, nhiệt độ lớn, các hạt lỏng môi chất nhận nhiệt hóa hơi đột ngột, làm áp suất tăng dạng xung gây thủy kích máy nén, phá hỏng máy nén nhanh chóng. Do đó các máy nén thực làm việc ở vùng hơi bão hòa khô và quá nhiệt.
2) Các chất lỏng thực tế coi như không chịu nén. Do dó công dãn nở thu được không đáng kể. Mặt khác máy dãn nở làm việc vùng 2 pha có độ ẩm cao cũng bị hỏng nhanh chóng. Chế tạo máy dãn nở làm việc vùng 2 pha rất tốn kém. Do đó các máy lạnh thông thường không dùng máy dãn nở mà chỉ dùng van tiết lưu. Các máy lạnh cryo hóa lỏng không khí bắt buộc phải sử dụng máy dãn nở để khởi động hệ thống và bù tổn thất nhiệt, song cũng chỉ làm việc ở vùng có độ khô tương đối lớn (x 0,5 0,7).
3.4 MÁY LẠNH 1 CẤP THỰC HIỆN HÀNH TRÌNH KHÔ DÙNG VAN TIẾT LƯU.
Hành trình ẩm là hành trình nén của máy nén hút hơi bão hòa ẩm.
Hành trình khô là hành trình nén của máy nén hút hơi bão hòa khô hay hơi quá nhiệt. Để tránh cho máy nén làm việc vùng 2 pha ta cho máy nén cháy hành trình khô.
3.4.1 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết.
Hình 3.3: Máy lạnh 1 cấp 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;
Chu trình lý thuyết (Hình 3.3): hơi bão hòa khô từ thiết bị bay hơi IV đi đến máy nén, nén đoạn nhiệt, đẳng entropy theo quá trình 1-2 trở thành hơi quá nhiệt cao áp, tiêu tốn ngoại công l. Môi chất với thông số trạng thái 2 đi vào thiết bị ngưng tụ II, ngưng tụ đẳng áp theo quá trình 2- 3, nhả nhiệt qk thành lỏng hoàn toàn (lỏng bão hòa khô với thông số trạng thái 3). Lỏng cao áp với thông số trạng thái 3 đi đến van tiết lưu III và tiết lưu đẳng enthalpy thành hơi bão hòa ẩm hạ áp với thông số trạng thái 4. Với thông số trạng thái 4 môi chất đi vào cụm thiết bị bay hơi IV và bình tách lỏng V nhận nhiệt qo đẳng áp, đẳng nhiệt đến thông số trạng thái 1 rồi quay trở về máy nén I. Cứ thế chu trình tiếp diễn.
3.4.2 Tính toán các thông số của chu trình.
1) Công nén: l = h2 - h1.
2) Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = h2 - h3 = dt(1’12533’1’) trên đồ thị T-s. 3) Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h1 - h4 = dt(1’144’1’) trên đồ thị T-s.
4) Hệ số làm lạnh: 1 2 4 1 o h h h h l q
3.4.3 So sánh với chu trình Carnot.
Hệ số làm lạnh nhỏ hơn chu trình Carnot song máy nén chạy hành trình khô.
3.4.4 Các nhận xét.
1) Máy lạnh chạy hành trình khô nên năng suất lạnh riêng qo đạt giá trị cực đại do điểm 1 nằm trên đường có độ khô x=1.
2) Biểu diễn công trên đồ thị T-s:
l = qk - qo = dt(1233’4’41) = dt(123541) Chứng minh: ta phải chứng minh dt(365) = dt(644’3’).
Các chất lỏng thực tế xem như không chịu nén. Do đó có thể coi mọi đường đẳng áp ở phần lỏng là trùng nhau và trùng với đường độ ẩm y=1. Từ đó ta có thể xem quá trình 35 là quá trình đẳng áp với pk=const, nhiệt lượng nhả ra ở quá trình 35 là:
h3 - h5 = dt(33’753) = dt(365) + dt(563’7).
Quá trình 45 là quá trình đẳng áp po = const, nhiệt lượng nhả ra ở quá trình 45 là: h4 - h5 = dt(544’7) = dt(644’3’) + dt(563’7).
Quá trình 3-4 là quá trình tiết lưu nên:
h3 = h4. Do đó:
h3 – h5 = dt(365) + dt(563’7) = h4 – h5 = dt(644’3’) + dt(563’7). Ta có: dt(365) = dt(644’3’) là điều phải chứng minh.
3) Các máy lạnh thực tế khi làm việc theo chế độ tính toán thiết kế thông số trạng thái điểm bắt đầu nén đều là hơi quá nhiệt do môi chất trao đổi nhiệt trên đường ống từ thiết bị bay hơi về máy nén với môi trường xung quanh, do môi chất tiếp xúc với các chi tiết 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.
3.5 MÁY LẠNH 1 CẤP THỰC HIỆN HÀNH TRÌNH KHÔ DÙNG BÌNH TÁCH LỎNG. 3.5.1 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết. 3.5.1 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết.
Hình 3.4: Máy lạnh 1 cấp dùng thiết bình tách lỏng.
I-Máy nén; II-Thiết bị ngưng tụ; III-Van tiết lưu; IV-Thiết bị bay hơi; V-Bình tách lỏng. 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;
Chu trình lý thuyết (Hình 3.4): hơi bão hòa ẩm từ thiết bị bay hơi IV đi vào bình tách lỏng V, ở bình tách lỏng các giọt lỏng bão hòa với thông số trạng thái 6 được tách ra khỏi môi chất rồi quay trở về thiết bị bay hơi. Hơi môi chất ra khỏi bình tách lỏng là hơi bão hòa khô với thông số trạng thái 1 được đưa đến máy nén, nén đoạn nhiệt, đẳng entropy theo quá trình 1-2 trở thành hơi quá nhiệt cao áp, tiêu tốn ngoại công l. Môi chất với thông số trạng thái 2 môi chất đi vào thiết bị ngưng tụ II, ngưng tụ đẳng áp theo quá trình 2-3, nhả nhiệt qk thành lỏng hoàn toàn (lỏng bão hòa khô với thông số trạng thái 3’, lỏng quá lạnh với thông số trạng thái 3). Lỏng cao áp với thông số trạng thái 3 đi đến van tiết lưu III và tiết lưu đẳng enthalpy thành hơi bão hòa ẩm hạ áp với thông số trạng thái 4. Với thông số trạng thái 4 môi chất đi vào cụm thiết bị bay hơi IV và bình tách lỏng V nhận nhiệt qo đẳng áp, đẳng nhiệt đến thông số trạng thái 1 rồi quay trở về máy nén I. Cứ thế chu trình tiếp diễn.
3.5.2 Tính toán các thông số của chu trình.
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.
4) Hệ số làm lạnh: 1 2 4 1 o h h h h l q 3.5.3 Các nhận xét.
1) Chu trình máy lạnh có quá lạnh: T3<T3’ (Tql= T3-T3’; nếu Tk = const mà ta có thể quá lạnh thì công nén không thay đổi mà năng suất lạnh qo tăng lên so với chu trình không có quá lạnh một lượng qql= h3’-h3. Tuy nhiên phải thêm thiết bị quá lạnh.
2) Máy lạnh amôniăc 1 cấp làm việc theo chu trình này. Máy lạnh freon do trở lực dàn bay hơi cao nên nếu có bình tách lỏng thì không có đường xả lỏng về dàn bay hơi, lỏng gom lại bình tách lỏng sẽ bay hơi do nhận nhiệt từ môi trường xung quanh.
3.6 MÁY LẠNH 1 CẤP THỰC HIỆN HÀNH TRÌNH KHÔ DÙNG THIẾT BỊ HỒI NHIỆT. NHIỆT.
3.6.1 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết.
Hình 3.5: 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.
3.6.2 Tính toán các thông số của chu trình.
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 - h6
4) Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h6 - h5.
5) Hệ số làm lạnh: 1 2 5 6 o h h h h l q 3.6.3 Các nhận xét.
1) Khi nào dùng thiết bị hồi nhiệt? So sánh chu trình máy lạnh sử dụng thiết bị hồi nhiệt với chu trình sử dụng bình tách lỏng ta thấy chu trình sử dụng thiết bị hồi nhiệt được thêm một lượng lạnh: q qhn qo h6 h5 h6 h9 h9 h5 dt 5 9 10 11 5 o hn o
Tốn thêm một lượng công:
h h h h h h h h dt12861
l l
lhn hn 2 1 8 6 2 8 1 6
.
Về mặt thiết bị tốn thêm thiết bị hồi nhiệt.
Chu trình hồi nhiệt chỉ được sử dụng nếu hệ số làm lạnh hn cao hơn hệ số làm lạnh khi không có hồi nhiệt:
hn > l l q q l q l l q q hn o hn o o hn hn o o
2) Đối với các môi chất lạnh thực tế thông dụng là NH3, freon thì khi sử dụng chu trình hồi nhiệt đối với NH3 ta có: 3 NH3
khn NH hn
; do đó chu trình máy lạnh NH3 không dùng thiết bị hồi nhiệt. Đối với freon R12 và R134a ta có: freonhn freonkhn . Do đó chu trình máy lạnh freon R12 và R134a nên sử dụng thiết bị hồi nhiệt.
3.7 BƠM NHIỆT.
3.7.1 Bơm nhiệt công suất lớn.
3.7.1.1 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết.
Hình 3.6: Bơm nhiệt công suất lớn.
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.
Hình 3.7: Đồ thị lgp-h và T-s
Chu trình lý thuyết: Hệ thống lạnh (Hình 3.6 và 3.7) làm việc như chu trình máy lạnh 1 cấp có hồi nhiệt. Hơi môi chất từ thiết bị bay hơi TBBH với thông số trạng thái VI đi vào thiết bị hồi nhiệt TBHN, tại đây hơi môi chất nhận nhiệt của môi chất lỏng cao áp, biến đổi theo quá trình VI-I thành hơi quá nhiệt và đi vào máy nén MN. Tại máy nén môi chất được nén đoạn nhiệt đảng entropy theo quá trình I-II trở thành hơi qúa nhiệt cao áp. Tiếp theo môi chất đi vào thiết bị ngưng tụ TBNT, nhả nhiệt qk cho môi chất giải nhiệt và ngưng tụ đẳng áp theo quá trình II-III thành lỏng cao áp. Lỏng cao áp đi tới thiết bị hồi nhiệt TBHN, nhả nhiệt cho hơi môi chất hạ áp và được quá lạnh theo quá trình III-IV. Tiếp theo lỏng quá lạnh đi đến van tiết lưu, tiết lưu đoạn nhiệt đẳng enthalpy theo quá trình IV-V thành hơi bão hòa ẩm rồi đi vào thiết bị bay hơi TBBH. Tại thiết bị bay hơi môi chất nhận nhiệt qo của môi chất tải lạnh, bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt theo quá trình V-VI. Môi chất với thông số trạng thái VI đi đến thiết bị hồi nhiệt TBHN. Chu trình cứ thế tiếp diễn.
Hệ thống cấp lạnh, cấp nhiệt cho phụ tải thiết bị trao đổi nhiệt TBTĐN:
Mùa hè: về mùa hè phụ tải cần làm lạnh, chế độ điều hòa không khí. Các van 1, 2, 3, 4 mở; các van 5, 6, 7, 8 đóng. Bơm B2 bơm nước lạnh qua thiết bị trao đổi nhiệt TBTĐN, cấp lạnh cho phụ tải. Tiếp theo nước đi qua van 1, tới điểm A, qua thiết bị bay hơi TBBH nhả nhiệt qo cho môi chất lạnh. Sau đó đi qua điểm B, van 2 rồi quay về bơm B2. Bơm B1 hút nước từ