D) CÂU HỎI, BÀI TẬP, NỘI DUNG ÔN TẬP VÀ THẢO LUẬN CHƯƠNG
A) MỤC TIÊU:
Học xong chương này sinh viên hiểu được một số chu trình máy lạnh nén nén hơi 1 cấp: chu trình Carnot ngược chiều, chu trình khô, chu trình quá lạnh quá nhiệt, chu trình hồi nhiệt; Sự phụ thuộc của năng suất lạnh Q0 vào nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ.
4.1. Chu trình Carnot ngược chiều
Chu trình Carnot là chu trình gồm hai quá trình đoạn nhiệt và hai quá trình đẳng nhiệt xen kẽ. Trên đồ thị T - s nó đơn giản là một hình chữ nhật nhưng đứng về mặt thiết bị nó lại phức tạp hơn các chu trình khác do có thêm máy dãn nở.
- Quá trình 1 - 2 là quá trình nén đoạn nhiệt hơi hút. Để điểm 2 nằm đúng trên đường hơi bão hòa khô, điểm 1 phải nằm trong vùng hơi ẩm. Đặc điểm của quá trình nén đoạn nhiệt là s1 = s2.
- Qúa trình 2 - 3 là quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt T2 = T3 và đẳng áp p2 = p3 = pk. Điểm 3 nằm trên đường bão hòa lỏng.
- Quá trình 3 - 4 là quá trình dãn nở đoạn nhiệt có sinh ngoại công. Đặc điểm quá trình là s4 = s3. - Quá trình 4 - 1 là quá trình
bay hơi đẳng nhiệt T4 = T1 để sinh lạnh ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Quá trình này cũng là quá trình đẳng áp.
Điểm quan trọng nhất của chu trình Carnot ngược chiều là hệ số lạnh đạt cực đại, không một chu trình nào khác có thể đạt được nên chu trình Carnot ngược chiều được coi là chu trình lý tưởng và hệ số lạnh của chu trình được sử dụng để so sánh, đánh giá độ hoàn thiện của các chu trình khác.
Hệ số lạnh của chu trình Carnot ký hiệu là εC và xác định như sau:
0 0 1 4 0 0 2 3 0 C k k q T (s s ) T l (T T )(s s ) T T − ε = = = − − − (do S1 - S4 = S2 - S3) (4.1) Hệ số lạnh của chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ của chu trình, không phụ thuộc vào tính chất của môi chất lạnh.
Ưu nhược điểm của chu trình Carnot:
- Công nén nhỏ do nhiệt độ cuối tầm nén thấp (T2 = Tk).
- Quá trình dãn nở trong máy trong máy dãn nở sinh công hữu ích.
- Hệ số lạnh là lớn nhất so với các chu trình khác ở cùng điều kiện làm việc.
- Trạng thái 1 của hơi hút nằm trong vùng hơi ẩm cần phải điều chỉnh sao cho điểm 2 cuối tầm nén phải rơi đúng vào đường hơi bão hòa khô. Điều này không thể thực hiện được trong thực tế,
Hình 4.1. Chu trình Carnot ngược chiều
a) Sơ đồ thiết bị; b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị T - s (nhiệt độ - entropy) MN - máy nén; DN - máy dãn nơ; NT - bình ngưng tụ; BH - Bình bay hơi.
hơn nữa lỏng và hơi phân bố không đều nên máy nén rất dễ bị va đập thủy lực (hút phải lỏng), gây hư hỏng máy nén.
- Máy dãn nở có ưu điểm là sinh ngoại công có ích nhưng khi vận hành thực tế, máy dãn nở rất cồng kềnh, làm tăng đáng kể chi phí đầu tư ban đầu mà công thu được không đáng kể. Đó cũng là 2 nhược điểm về vận hành chủ yếu của chu trình Carnot. Chính vì vậy, chu trình Carnot không được sử dụng trong thực tế.
4.2. Chu trình khô
Chu trình khô là chu trình cải tiến để loại trừ các nhược điểm của chu trình Carnot. Để đề phòng va đập thủy lực, hơi hút về máy nén là hơi bão hòa khô và để đơn giản, máy dãn nở được thay thế bằng van tiết lưu.
Định nghĩa: Chu trình khô là chu trình có hơi hút về máy nén là hơi bão hòa khô.
Hình 4.2 biểu diễn chu trình khô trong đó hình 4.2a là sơ đồ thiết bị và hình 4.2b là chu trình khô biểu diễn trên đồ thị lgp - h.
Các quá trình của chu trình khô là:
1 - 2: Quá trình nén hơi đoạn nhiệt (s1 = s2, hoặc
∆s = 0) từ áp suất bay hơi và nhiệt độ bay hơi lên áp suất ngưng tụ và nhiệt độ T2 > Tk. Quá trình này tiến hành trong vùng hơi quá nhiệt.
2 - 3: Quá trình làm mát và ngưng tụ hơi môi chất đẳng áp, thải nhiệt cho nước hoặc không khí làm mát.
3 - 4: Quá trình tiết lưu đẳng entanpy từ áp suất ngưng tụ và nhiệt độ ngưng tụ xuống áp suất bay hơi và nhiệt độ bay hơi.
4 - 1: Quá trình bay hơi đẳng áp và đẳng nhiệt để thu nhiệt của môi trường lạnh.
Chu trình khô chủ yếu sử dụng cho môi chất amoniắc vì nhiệt độ cuối tầm nén của amoniắc rất cao. Để hạn chế bớt nhiệt độ này, cần phải cho máy nén hút hơi bão hòa. Để đảm bảo cho máy nén không hút phải lỏng, phải bố trí bình tách lỏng trên đường hơi hút về máy nén. Lỏng cuốn theo sẽ bị tách ra và đưa trở lại dàn bay hơi.
4.3. Quá trình quá lạnh, quá nhiệt
Chu trình quá lạnh, quá nhiệt có sơ đồ thiết bị giống như chu trình khô nhưng có thêm bộ quá lạnh lỏng trước khi vào van tiết lưu nên nhiệt độ lỏng trước van tiết lưu thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ và có độ quá nhiệt hơi hút (hoặc do sử dụng van tiết lưu nhiệt) nên hơi hút trước khi vào máy nén có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bay hơi.
Định nghĩa: Chu trình quá lạnh và quá nhiệt là chu trình có nhiệt độ lỏng vào van tiết lưu nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ (nằm trong vùng lỏng quá lạnh) và hơi hút về máy nén lớn hơn nhiệt độ bay hơi (nằm trong vùng quá nhiệt).
Nguyên nhân quá lạnh có thể do:
- Có bố trí thêm thiết bị quá lỏng sau thiết bị ngưng tụ.
Hình 4.2.Chu trình khô
a) Sơ đồ thiết bị; b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp - h TL - van tiết lưu (các chú thich còn lại xem hình 4.1)
- Được quá lạnh lỏng ngay trong thiết bị ngưng tụ vì thiết bị ngưng tụ thuộc kiểu trao đổi nhiệt ngược dòng.
- Do tỏa nhiệt ra môi trường trên đường từ bình ngưng đến van tiết lưu.
Nguyên nhân quá nhiệt có thể do:
- Sử dụng van tiết lưu để điều chỉnh sự quá nhiệt hơi hút. - Do tải nhiệt lớn và thiếu lỏng cấp cho dàn bay hơi.
- Do tổn thất lạnh trên đường từ bình bay hơi về máy nén. Hình 4.3 giới thiệu 1 chu trình quá lạnh và quá nhiệt. Độ quá nhiệt hơi hút:
1 1 1 0
'qn qn
t t t t t
∆ = − = − (4.2)
Độ quá nhiệt lỏng: ∆ = − = −tql t3' t3 tk t3 (4.3)
Các hệ thống lạnh amoniắc thường vận hành theo chu trình khô nhưng trong thực tế để đảm bảo không bị cuốn lỏng vào máy nén và do tổn thất lạnh trên đường hút nên nhiệt độ hút thường cao hơn nhiệt độ sôi từ 5 đến 80C. Nhiệt độ lỏng vào van tiết lưu do tỏa nhiệt ra môi trường nên cũng thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ 2 - 50C. Như vậy chu trình khô đã lệch sang chu trình quá lạnh và quá nhiệt. Chu trình này cũng chủ yếu sử dụng cho môi chất NH3.
4.4. Chu trình hồi nhiệt
Chu trình hồi nhiệt (hình 4.4) là chu trình có thiết bị trao đổi nhiệt trong giữa môi chất lỏng nóng (trước khi vào van tiết lưu) và hơi lạnh trước khi hút về máy nén.
Chu trình hồi nhiệt biểu diễn trên đồ thị lgp - h giống như chu trình quá lạnh, quá nhiệt.
2 chu trình có khác biệt cơ bản như sau:
- Ở chu trình quá lạnh, quá nhiệt độ quá lạnh và quá nhiệt không phụ thuộc vào nhau và có các giá trị bất kỳ.
- Ở chu trình hồi nhiệt, lượng nhiệt do hơi lạnh thu vào đúng bằng lượng nhiệt do lỏng nóng thải ra, do đó ∆h3'3 = ∆h11', trong đó ∆h3'3 = h3' - h3 và ∆h11' = h1 - h1'.
Các quá trình cơ bản của chu trình hồi nhiệt:
1 - 2: Quá trình nén đoạn nhiệt s = const hay s1 = s2. 2 - 3': Ngưng tụ trong dàn ngưng tụ, đẳng áp, đẳng nhiệt.
Hình 4.3. Chu trình quá lạnh và quá nhiệt
QL - Thiết bị quá lạnh lỏng; TLN - Van tiết lưu tự động nhờ nhiệt độ quá nhiệt hơi hút goi tắt là van tiết lưu nhiệt a) Sơ đồ thiết bị; b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị
Hình 4.4. Chu trình hồi nhiệt
a) Sơ đồ thiết bị; b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị lgp-h HN - Thiết bị hồi nhiệt (thiết bị trao đổi nhiệt trong)
3' - 3: Quá lạnh lỏng trong thiết bị hồi nhiệt. 3 - 4: Tiết lưu đẳng entanpy h = const hay h3 = h4.
4 - 1': Bay hơi đẳng áp, đẳng nhiệt thu nhiệt môi trường lạnh trong dàn bay hơi. 1' - 1: Quá trình hơi hút trong thiết bị hồi nhiệt.
Các thiết bị hồi nhiệt thường được thiết kế với ∆tmin = 5K nghĩa là nhiệt độ của hơi ra t1
thấp hơn nhiệt độ lỏng vào t3 là 50C. Ví dụ, nhiệt độ lỏng vào là 300C thì nhiệt độ hơi ra hồi nhiệt vào máy nén là 250C. Sau đó đo khoảng ∆h11' và lấy ∆h3'3 = ∆h11'. Như vậy có thể xác định được điểm 3 và điểm 4. Tuy nhiên nhiệt độ hơi hút về máy nén trong mọi trường hợp không được vượt quá 250C. Ví dụ, nếu tk = 500C thì t1 vẫn chỉ là 250C là tối đa.
Các máy lạnh tự lắp đặt không có hồi nhiệt chính thức mà bố trí hồi nhiệt bằng cách quấn đường lỏng quanh đường hút hoặc bố trí một số vòng ống dẫn lỏng trong bình bẫy lỏng thì hiệu quả kém hơn nhiều và nhiệt độ hơi hút ra khỏi hồi nhiệt thấp hơn nhiệt độ lỏng vào có khi đến 20 hoặc 300C. Khi đó phải đo đạc trực tiếp các giá trị nhiệt độ mới có thể xây dựng được chu trình trên đồ thị lgp - h.
Chu trình hồi nhiệt chỉ sử dụng cho môi chất freôn như R12, R22, R502, R134a. Với các môi chất này chu trình hồi nhiệt có hiệu suất lạnh cao hơn các chu trình khô và quá lạnh quá nhiệt. Chu trình hồi nhiệt không sử dụng cho môi chất amoniắc vì qua tính toán và thực tế chu trình hồi nhiệt NH3 cho hiệu suất lạnh kém hơn, hệ số lạnh kém hơn chu trình khô.
4.5. Sự phụ thuộc của Q0 vào nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ t0 và tk
a) Ảnh hương của nhiệt độ ngưng tụ tk
Hình 4.5 biểu diễn sự phụ thuộc của năng suất lạnh Q0 vào nhiệt độ ngưng tụ tk trên đồ thị lgp - h.
Hình 4.5. Sự phụ thuộc của năng suất lạnh Q0 vào nhiệt độ ngưng tụ tk
Ta thấy rõ ràng tk tăng từ t3 lên t3' thì q0 giảm một khoảng ∆q0 và công nén cũng tăng một khoảng ∆l. Do tk tăng nên pk tăng kéo theo Π tăng và λ giảm theo biểu thức tính Q0:
0 0 1 l .V .t.q Q v λ = (4.4)
Ở đây v1 giữ nguyên, Vlt giữ nguyên, λ và q0 giảm thì Q0 sẽ giảm. Ngược lại nến tk giảm thì Q0 sẽ tăng.
b) Ảnh hương của nhiệt độ bay hơi
Hình 4.6 biểu diễn sự phụ thuộc của năng suất lạnh Q0 vào nhiệt độ bay hơi t0. Khi t0
giảm một khoảng ∆T0 thì q0 giảm một khoảng ∆q0. Hơn nữa t0 giảm, tỷ số nén giảm và λ giảm theo. Thể tích riêng hơi hút v1 tăng do đó Q0 giảm. Ngược lại nếu t0 tăng Q0 tăng. Ảnh hưởng của
nhiệt độ bay hơi tới năng suất lạnh Q0 mạnh hơn ảnh hưởng của tk tới 2 -3 lần do có thêm ảnh hưởng của thể tích riêng v1.
Hình 4.6. Sự phụ thuộc của năng suất lạnh Q0 vào nhiệt độ bay hơi t0
C) TÀI LIỆU HỌC TẬP
1. Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy (2005), Máy và thiết bị lạnh, Nhà xuất bản Giáo dục. 2. Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy (1996), Kỹ thuật lạnh cơ sơ, Nhà xuất bản Giáo Dục.
D) CÂU HỎI, BÀI TẬP, NỘI DUNG ÔN TẬP VÀ THẢO LUẬN CHƯƠNG
1.Thế nào là chu trình thuận chiều và ngược chiều?
2. Hãy vẽ sơ đồ thiết bị, đồ thị T - s và phát biểu các quá trình cơ bản của chu trình Carnot ngược chiều.
3. Hãy vẽ sơ đồ thiết bị, đồ thị lgp - h của chu trình khô. So với chu trình Carnot, chu trình khô có ưu nhược điểm gì?
4. Thế nào là chu trình quá lạnh, quá nhiệt? Nguyên nhân quá lạnh, quá nhiệt có thể là gì? 5. Hãy vẽ sơ đồ thiết bị và đồ thị lgp - h của chu trình quá lạnh quá nhiệt, chu trình hồi nhiệt. 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tk đến năng suất lạnh Q0 như thế nào khi giữ nguyên nhiệt độ bay hơi t0? Hãy giải thích trên đồ thị lgp - h.
CHƯƠNG 5Chu trình 2 và nhiều cấp Chu trình 2 và nhiều cấp
Số tiết: 03 (Lý thuyết: 02 tiết; bài tập, thảo luận: 01 tiết)
A) MỤC TIÊU:
Học xong chương này sinh viên hiểu được một số chu trình 2 và nhiều cấp thường sử dụng trong thiết bị lạnh: Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian một phần; Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian một phần có hồi nhiệt; Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu làm mát trung gian một phần; Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu làm mát trung gian toàn phần; Chu trình 2 cấp, bình trung gian ống xoắn từ đó ứng dụng cho việc tính toán, thiết kế các thiết bị lạnh.