Giáo trình Hệ thống điều hòa không khí và thiết bị tiện nghi trên ô tô

Chia sẻ: Mucnang555 Mucnang555 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:110

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Hệ thống điều hòa không khí và thiết bị tiện nghi trên ô tô cung cấp cho người học những kiến thức như tổng quan về hệ thống điều hòa không khí ô tô; hệ thống điều hòa không khí trên ô tô; thiết bị kiểm tra – sửa chữa hệ thống điều hòa không khí ô tô;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hệ thống điều hòa không khí và thiết bị tiện nghi trên ô tô

2015 GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ VÀ THIẾT BỊ TIỆN NGHI TRÊN Ô TÔ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT VĨNH LONG KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
MỤC LỤC Trang tựa Trang Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ Ô TÔ 1 1.1. Giới thiệu tổng quan 1 1.1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống điều hòa không khí 1 1.1.2. Ứng dụng hệ thống điều hòa không khí trên ô tô 2 1.2. Những vần đề cơ bản về nhiệt 3 1.2.1. Nhiệt năng 3 1.2.2. Sự trao đổi nhiệt 6 1.2.3. Các trạng thái của môi chất 8 1.2.5. Các quá trình nhiệt động 12 1.2.6. Mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ, áp suất và điểm sôi 17 1.2.6. Quá trình làm lạnh 19 1.2.7. Chu trình làm lạnh cơ bản 20 1.2.7.1. Nhánh áp suất cao 21 1.2.7.2. Nhánh áp suất thấp 22 1.3. Môi chất lạnh và dầu bôi trơn máy nén 23 1.3.1. Môi chất lạnh 23 1.3.1.1 Khái niệm 23 1.3.1.2. Đặc tính của môi chất lạnh 23 1.3.2. Dầu bôi trơn máy nén 29 1.3.2.1. Khái quát dầu bôi trơn 29 1.3.2.2. Lựa chọn và sử dụng dầu bôi trơn thích hợp 30 Chương 2: HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRÊN Ô TÔ 31 2.1. Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại hệ thống điều hòa không khí trên ô tô 31 2.1.1. Nhiệm vụ 31 2.1.2. Yêu cầu 31 2.1.3. Phân loại 32 2.1.3.1. Phân loại theo phương pháp điều khiển 32 2.1.3.2. Phân loại theo vị trí của hệ thống trên xe 33 2.2. Hệ thống thông gió và sưởi ấm trên ô tô 35 2.2.1. Các chức năng chính của hệ thống thông gió và sưởi ấm 35 2.2.1.1. Điều khiển nhiệt độ 35 i
2.2.1.2 Điều khiển tuần hoàn không khí 37 2.2.1.3. Lọc và làm sạch không khí 38 2.2.2. Các bộ phận chính 39 2.2.2.1. Bảng điều khiển 39 2.2.2.2. Các cánh điều tiết không khí 40 2.2.2.3. Chức năng điều tiết dẫn khí vào 40 2.2.2.4. Chức năng điều khiển nhiệt độ ngõ ra 41 2.2.3. Các loại bộ sưởi 44 2.2.3.1. Hệ thống sưởi PTC (hệ số nhiệt dương) 44 2.2.3.2. Bộ sưởi ấm bằng điện 44 2.2.3.3. Bộ sưởi loại đốt nóng bên trong 45 2.2.3.4. Bộ sưởi ấm loại khớp chất lỏng 45 2.3. Hệ thống làm lạnh 46 2.3.1. Cấu tạo hệ thống làm lạnh 46 2.3.1.1. Máy nén 47 2.3.1.2. Van giảm áp và phớt làm kín trục 51 2.3.1.3. Công tắc nhiệt độ 52 2.3.1.4. Ly hợp từ 53 2.3.1.5. Giàn nóng 54 2.3.1.6. Bộ lọc 55 2.3.1.7. Van giãn nở 56 2.3.1.8. Giàn lạnh 57 2.3.2. Chu trình làm lạnh của hệ thống điều hòa không khí trên ô tô 57 2.4. Điều hòa không khí trên ô tô 60 2.4.1. Chọn chế độ làm việc cho hệ thống điều hòa không khí 60 2.4.2. Các mạch điều khiển hệ thống 61 2.4.2.1. Điều khiển bảo vệ máy nén qua công tắc áp suất 61 2.4.2.2. Điều khiển nhiệt độ 62 2.4.2.3. Điều khiển tốc độ quạt giàn lạnh 65 2.4.2.4. Điều khiển quạt giàn nóng 66 2.4.2.5. Điều khiển tan băng 67 2.4.2.6. Điều khiển bảo vệ đai dẫn động 69 2.4.2.7. Điều khiển máy nén 2 giai đoạn 69 ii
2.4.2.8. Điều khiển điều hoà kép (xe có hai giàn lạnh) 70 2.4.2.9. Điều khiển bù không tải 70 2.4.2.10. Điều khiển ngắt A/C khi nhiệt độ nước làm mát cao 71 2.5. Hệ thống điều hòa không khí tự động trên ôtô 71 2.5.1. Khái quát 71 2.5.2. Các tín hiệu đầu vào 73 2.5.2.1. Cảm biến nhiệt độ trong xe 74 2.5.2.2. Cảm biến nhiệt độ môi trường 75 2.5.2.3. Cảm biến bức xạ mặt trời 75 2.5.2.4. Cảm biến nhiệt độ giàn lạnh 75 2.5.2.5. Cảm biến nhiệt độ nước 76 2.5.2.6. Một số cảm biến khác 76 2.5.3. Các kiểu điều khiển ngõ ra 77 2.5.3.1. Motor trợ động trộn khí 77 2.5.3.2. Motor trợ động dẫn khí vào 78 2.5.3.3. Motor trợ động thổi khí 79 2.5.4. Hoạt động điều khiển 80 2.5.4.1. Nhiệt độ không khí cửa ra (TAO) 80 2.5.4.2. Điều khiển nhiệt độ dòng khí 81 2.5.4.3. Điều khiển dòng khí (thổi khí ra) 82 2.5.4.4. Điều khiển tốc độ quạt giàn lạnh 82 2.5.4.5. Điều khiển việc sưởi ấm 83 2.5.4.6. Điều khiển dòng khí trong thời gian quá độ 83 2.5.4.7. Điều khiển dẫn khí vào 84 Chương 3. THIẾT BỊ KIỂM TRA – SỬA CHỮA HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ Ô TÔ ---oOo--- 3.1 Những vấn đề cần lưu ý 86 3.2. Các loại đồng hồ đo áp suất chuyên dùng 88 3.2.1. Đồng hồ đo áp suất loại cơ khí 88 3.2.1.1. Cấu tạo 88 3.2.1.2. Hoạt động 89 3.2.2. Đồng hồ đo áp suất loại kỹ thuật số 90 iii
3.2.2.1. Cấu tạo 90 3.2.2.2. Hoạt động 90 3.3. Thiết bị kiểm tra rò hơi môi chất lạnh 92 3.3.1. Cấu tạo 93 3.3.2. Hoạt động 93 3.4. Máy nạp và thu hồi ga tự động 94 3.4.1. Chức năng máy nạp và thu hồi gas tự động 94 3.4.2. Đặc điểm kỹ thuật 94 3.4.3. Thiết bị nạp và thu hồi ga tự động COOLIOS – 2700BT 95 3.4.4. Mô tả thiết bị 96 3.4.5. Hoạt động 98 3.4.6. Ý nghĩa các biểu tượng 100 3.4.7. Nạp mối chất vào thiết bị 104 3.5. Nhiệt kế 105 iv
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ Ô TÔ ---oOo--- 1.1. Giới thiệu tổng quan 1.1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống điều hòa không khí Hệ thống điều hòa không khí có mặt khắp mọi nơi như văn phòng làm việc, siêu thị … và đóng vai trò quan trọng không thể thiếu trên ô tô hiện nay. Đặc biệt là tại các nước nhiệt đới trong đó có Việt Nam, được sinh hoạt và làm việc trong môi trường mát mẻ do hệ thống điều hòa không khí tạo ra là nhu cầu của tất cả mọi người. Mặt khác hệ thống còn có chức năng sưởi ấm, kiểm soát độ ẩm và lọc sạch không khí trong khoang xe vào mùa đông lạnh giá. Như vậy, hệ thống điều hòa không khí có thể chia thành hai phần chính: hệ thống làm lạnh và hệ thống sưởi. Hệ thống sưởi được sử dụng và điều tiết lượng nhiệt từ nguồn nhiệt trong hệ thống làm mát của động cơ hoặc sấy nóng các điện trở nhờ nguồn điện do máy phát điện ngay trên ô tô tạo ra. Hệ thống làm lạnh là một quá trình phức tạp có lịch sử phát triển lâu dài và hầu hết các xe ô tô đều sử dụng hệ thống điều hòa không khí như một hệ thống tiêu chuẩn bắt buộc kể từ năm 2010. Nhiều người không thể nhớ hệ thống điều hòa không khí được sử dụng trên ô tô từ khi nào mà chỉ biết rằng trong lịch sử phát triển của ô tô, hệ thống điều hòa không khí là một hệ thống tương đối mới và nó chỉ được trang bị trên những xe đời mới sang trọng. Qua nhiều giai đoạn phát triển, đến năm 1939 công ty ô tô Packard đã ứng dụng hệ thống điều hòa không khí đầu tiên trên ô tô. Đó là khởi đầu cho việc ứng dụng các công nghệ mới cho ô tô, lúc này hệ thống chưa có các công tắc để điều chỉnh nhiệt độ và luồng không khí trong khoang xe được thổi từ sau ra trước. Qua thời kỳ đầu hệ thống còn nhiều sai xót và tiếp tục được nghiên cứu cải thiện, đến 1969 hơn phân nữa xe bán ra ở Mỹ đều được trang bị hệ thống điều hòa không khí. Và đến năm 2003, Susanna Robbins đã thống kê được khoảng 98 đến 99 phần trăm xe ô tô ở Mỹ đều có lắp hệ thống điều hòa. Không chỉ trên xe du lịch mà nó còn được trang bị cả trên các cabin xe tải và container. Một dấu hiệu cho thấy sự phổ biến và vai trò quan trọng của hệ thống điều hòa không khí, trên hầu hết các xe có trang bị hệ thống này đều được thiết kế mui kín là tiền đề cho sự thay đổi lớn trong thiết kế mang tính khí động học phù hợp và tốc độ được tăng cao hơn. 1
Tuy nhiên, trước khi được ứng dụng trên ô tô. Hệ thống điêu hòa không khí đã trải qua quá trình phát triển lâu dài và chủ yếu xuất phát từ nhu cầu làm mát trong sinh hoạt dân dụng. Dưới đây là tóm tắt những cột mốc quan trọng trong quá trình phát triển của hệ thống điều hòa không khí dân dụng trước khi được ứng dụng rộng rãi trên ô tô. -1758: John Hadly và Franklin phát hiện quá trình làm lạnh từ sự bay hơi. - 1820: Michel Faraday nén và hóa lỏng được khí Amoniac - 1830: John Gorrie thổi không khí lạnh để làm mát bệnh nhân, ý tưởng khởi đầu cho nghiên cứu và chế tạo ra hệ thống làm lạnh - 1851: James Harrision đã chế tạo ra máy tạo băng - 1881: Hải quân Hoa kỳ đã chế tạo ra hệ thống dùng nước đá để làm mát cho tổng thống James Garfield - 1902: Willis Carrier đã chế tạo máy làm lạnh đầu tiên trên thế giới - 1902: Trung tâm giao dịch chứng khoáng New York cho lắp đặt hệ thống làm lạnh - 1906: Stuart Cramer đặt tên cho quá trình là “điều hòa không khí” - 1914 Charles Gates là người đầu tiên sở hữu máy điều hòa tại nhà riêng. - 1928: Thomas Midgley, Jr chế tạo thành công chất sinh hàn Freon (CFC) - 1931: H.H Schultz và J.Q Sherman chế tạo máy điều hòa đầu tiên có kích thước nhỏ gọn - 1939 đến 1945: Ứng dụng công nghệ làm lạnh phục vụ chiến tranh thế giới lần thứ II - 1953: Hơn 1 triệu máy điều hòa được sử dụng trên toàn nước Mỹ - 1957: Heirich Krigar chế tạo thành công máy nén kiểu ly tâm - 1969 Neil Armstrong và Buzz Aldrin đi bộ trên mặt trăng với bộ quần áo có trang bị máy điều hòa. - 1987: Liên hợp Quốc ban hành nghị định thư Montreal nhằm cắt giảm sử dụng CFC, bảo vệ và hồi phục tầng ozone. - Đến nay, hầu hết các ô tô du lịch đều được trng bị hệ thống điều hòa không khí với chất làm lạnh bắt buộc là R134a. 1.1.2. Ứng dụng hệ thống điều hòa không khí trên ô tô Hệ thống điều hòa không khí trên ô tô là một thiết bị được sử dụng để tạo không gian vi khí hậu thoải mái cho người lái xe và khách ngồi trên ô tô. Hệ thống điều hòa không khí là thuật ngữ chung dùng để chỉ những thiết bị đảm bảo không khí trong khoang xe ở nhiệt độ và độ ẩm thích hợp. Khi nhiệt độ trong khoang xe cao, lượng nhiệt được lấy đi để giảm nhiệt độ gọi là “sự làm lạnh” và ngược lại khi nhiệt độ 2
trong khoang xe bị hạ thấp, nhiệt sẽ được cung cấp thêm để tăng nhiệt độ gọi là “sưởi ấm”. Mặt khác, hơi nước được thêm vào hay lấy đi khỏi không khí để đảm bảo độ ẩm trong khoang xe ở mức độ phù hợp. Vì lý do này, thiết bị thực hiện việc điều hòa không khí sẽ gồm các cụm hệ thống làm lạnh, hệ thống sưởi, hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm, hệ thống thông gió... và hệ thống này phải đảm bảo được các chức năng chính sau: + Điều khiển nhiệt độ trong khoang xe. + Điều khiển lưu lượng không khí. + Điều khiển độ ẩm không khí. + Lọc sạch và khử độc không khí. 1.2. Những vần đề cơ bản về nhiệt 1.2.1. Nhiệt năng Để định nghĩa một cách đơn giản, chúng ta xem “nhiệt” là năng lượng. Sự ăn khớp của các bánh răng, sự quay của các bánh xe sẽ tạo ra ma sát và kết quả là sinh ra “nhiệt”. Sự đốt cháy (lửa) phát ra nhiệt. Sự nung nóng của mặt trời phát nhiệt đến bề mặt trái đất... Lượng nhiệt phù hợp sẽ tạo ra sự sống và sự thoải mái. Nhưng nếu lượng nhiệt quá cao hoặc quá thấp sẽ gây ra sự khó chịu. Điều khiển nhiệt độ có nghĩa là kiểm soát sự thoải mái, và hệ thống điều hòa không khí là một phương pháp điều khiển nhiệt. Tất cả các chất đều có chứa nhiệt. Một vài chất ta cảm thấy nóng khi chất đó ấm hơn thân nhiệt của chúng ta. Khi một chất nào đó có nhiệt thấp hơn cơ thể chúng ta, ta nói rằng chất đó lạnh. Lạnh đơn thuần là sự mất nhiệt. Các nhà khoa học nói rằng một phép đo được gọi là “0 tuyệt đối” là điểm mà tại đó tất cả nhiệt được loại bỏ hoàn toàn ra khỏi đối tượng (sắp xỉ -273oC). Bất kỳ chất nào cao hơn nhiệt độ “0 tuyệt đối” đều vẫn còn tồn tại một lượng nhiệt nhất định. Điều hòa không khí là điều khiển nhiệt. Nhiệt là một dạng năng lượng không thể bị phá hủy, nhưng có thể biến đổi sang dạng năng lượng khác. Hệ thống điều hòa không khí sử dụng nhiệt và năng lượng từ động cơ trên xe để lấy đi sức nóng không mong muốn bên trong khoang xe. Một ví dụ về sự hoán đổi năng lượng là nung nóng chậu nước dưới ngọn lửa. Sức nóng từ ngọn lửa sẽ làm tăng nhiệt độ của nước gây ra hiện tượng sôi nước. Khí hay hơi nước bay ra từ nước sôi có thể tạo ra chuyển động cơ khí, đó là một dạng khác của năng lượng. Song song với khái niệm về sức nóng và năng lượng nhiệt cũng xuất hiện khái niệm độ lạnh. 3
Hình 1.1. Sự nung nóng của mặt trời tỏa nhiệt đến bề mặt trái đất Nhiệt độ hoặc cường độ nhiệt được đo bằng nhiệt kế. Cường độ nhiệt quan trọng vì vùng nhiệt độ mà con người cảm thầy thoải mái từ 21 - 270C (60 - 850F). Nếu nhiệt độ rơi vào khoảng trên hoặc dưới vùng nhiệt độ này thì hành khách ngồi trong xe cảm thấy khó chịu. Hình 1.2. Nhiệt kế và các vùng nhiệt quan trọng 1. Vùng nhiệt thoải mái của con người 2. Điểm đóng băng của nước 3. Điểm sôi của nước Nhiệt lượng được đo bằng đơn vị J hoặc BTU. Một khúc gỗ tiêu chuẩn có thể tạo ra lượng nhiệt 1051 J. Để làm tăng nhiệt độ của 1g nước lên 10C phải tiêu tốn số năng lượng bằng 4,2 J . Một lít xăng tạo ra lượng nhiệt năng sắp xỉ 117 MJ(Million Jun). Nhiệt năng có thể chuyển thành cơ năng như động cơ làm xe chuyển động. 4
Hình 1.3. Nhiệt năng 1 gram = 0.0022 pound; 251 cal = 1 BTU; 1055 J = 1 BTU 170C = 62.60F 180C = 64.40F Nhiệt truyền trong xe như thế nào? Hình 1.3. Các nuồn nhiệt truyền vào bên trong ô tô Khi lái xe hoặc đậu xe dưới ánh nắng mặt trời, Nhiệt sẽ được truyền vào trong khoang xe từ nhiều nguồn khác nhau. Những nguồn nhiệt gồm: + Không khí môi trường xung quanh; + Tia nắng mặt trời; + Nhiệt động cơ; 5
+ Nhiệt mặt đường; + Nhiệt từ hộp số; + Nhiệt ống xã…. Tất cả chúng và những nguồn nhiệt đa dạng khác làm tăng nhiệt độ không khí trong khoang xe. Lúc nhiệt độ môi trường cao (ví dụ 37oC vào ban ngày), nhiệt độ trong khoang xe khi đỗ dưới ánh nắng mặt trời và cửa sổ đóng kính có thể lên tới 65 – 70oC. Độ ẩm là lượng nước hoặc hơi nước có trong không khí. Độ ẩm không khí có thể thay đổi từ dạng không khí khô 0% cho đến rất ẩm ướt 100%. Không khí lạnh ẩm làm cho chúng ta có cảm giác lạnh hơn so với không khí khô ở cùng nhiệt độ. Không khí ẩm nóng làm chậm khả năng tự làm mát cơ thể của con người qua cơ chế bốc hơi và chảy mồ hôi. Cùng với nhiệt độ, độ ẩm quá mức làm cho con người cảm thấy khó chịu. Độ ẩm quá mức cũng làm tăng vi khuẩn trong hệ thống điều hòa không khí. Hệ thống điều hòa không khí trên ô tô không chỉ làm lạnh trong khoang xe mà còn lấy đi lượng hơi nước từ luồng không khí đi vào khoang xe khi hệ thống điều hòa không khí hoạt động. 1.2.2. Sự trao đổi nhiệt Trao đổi nhiệt là sự truyền dẫn nhiệt năng khi có sự chênh lệch nhiệt độ. Lượng nhiệt năng trong quá trình trao đổi được gọi là nhiệt lượng và là một quá trình biến thiên. Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra theo hướng chuyển nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. Để làm mát khoang xe có nhiệt độ cao, giàn bay hơi (giàn lạnh) tạo ra khu vực có không khí lạnh bên trong xe để truyền đến vùng không khí có nhiệt độ cao hơn. Khi không khí nóng được truyền đến vùng lạnh này, nhiệt sẽ được lấy đi và truyền ra không khí bên ngoài xe. Cần phân biệt trao đổi nhiệt với cân bằng nhiệt, là quá trình trao đổi nhiệt giữa hai hoặc nhiều vật chất tới khi đạt được một nhiệt độ chung. Trao đổi nhiệt được tồn tại dưới ba hình thức: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt. + Dẫn nhiệt (hay tán xạ nhiệt) là sự truyền động năng giữa các nguyên tử hay phân tử lân cận mà không kèm theo sự trao đổi phần tử vật chất. Hình thức trao đổi nhiệt luôn diễn ra từ vùng có mức năng lượng cao hơn (có nhiệt độ cao) đến vùng có mức năng lượng thấp hơn (có nhiệt độ thấp). Sự truyền nhiệt trong kim loại thông qua sự chuyển động của các electron cũng là sự dẫn nhiệt. Dẫn nhiệt là cách truyền nhiệt đơn giãn nhất. Ví dụ về sự dẫn nhiệt là nung nóng một đầu thanh kim loại. Nhiệt được cung cấp ở một đầu thanh kim loại sẽ di chuyển dọc thanh kim loại đến đầu đối diện cho đến khi cả hai đầu có độ nóng 6
bằng nhau. Một số vật liệu như thép, đồng và nhôm có tính dẫn nhiệt tốt, một số vật liệu như gỗ hoặc nhựa là chất dẫn nhiệt kém được dùng làm chất cách nhiệt. Hình 1.4. Sự dẫn nhiệt 1. Nhiệt truyền từ đoạn giữa ra hai đầu mút 2. Thanh kim loại 3. Nuồn nhiệt 4. Đầu thanh kim loại còn nguội + Đối lưu nhiệt là một dạng khác của sự dẫn nhiệt, được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự truyền nhiệt từ một hệ rắn sang một hệ lỏng (hoặc khí) và ngược lại. Người ta phân biệt giữa đối lưu tự nhiên (dòng vật chất chuyển động nhờ nội năng trong chất lỏng, khí) và đối lưu cưỡng bức (dòng chuyển động do ngoại lực tác dụng, ví dụ như quạt, bơm v.v...). Đối lưu xảy ra khi nguồn nhiệt như động cơ truyền đến hệ thống làm lạnh. Khi năng lượng tiềm ẩn của nhiên liệu được biến thành cơ năng và nhiệt năng do quá trình cháy trong động cơ sẽ tỏa nhiệt ra môi trường. Chất lỏng trong hệ thống làm mát được bơm xuyên qua động cơ và quá trình đối lưu sẽ truyền nhiệt của động cơ đến chất lỏng và đưa đến bộ làm mát (két nước). Các lá tản nhiệt sẽ lấy nhiệt của chất lỏng bên trong bộ làm mát truyền đến và nó sẽ được làm mát nhờ luồng không khí mát hơn thổi qua. Hình 1.5. Sự đối lưu 7
+ Bức xạ nhiệt là một ví dụ khác của sự truyền nhiệt. Bức xạ nhiệt có thể truyền qua mọi loại vật chất cũng như qua chân không. Tất cả các vật thể có nhiệt độ lớn hơn độ “0” tuyệt đối (0K - độ Kelvin) đều đang bị bức xạ nhiệt. Trong bức xạ nhiệt, dòng nhiệt không chỉ truyền từ nơi nóng sang nơi lạnh mà còn theo chiều ngược lại. Tuy nhiên, vì dòng nhiệt từ nóng sang lạnh luôn luôn lớn hơn dòng nhiệt truyền từ lạnh sang nóng nên dòng nhiệt tổng hợp luôn theo chiều từ nóng sang lạnh. Hiểu theo một cách khác, sự chênh lệch nhiệt độ luôn nhỏ đi. Hình 1.6. Điểm phát nhiệt Bức xạ nhiệt xảy ra khi các tia nhiệt truyền từ vị trí nào đó đến một nơi khác mà không làm nóng không khí hoặc kim loại khi tia nhiệt xuyên qua. Một chiếc ô tô trong một ngày nắng dịu lạnh. Nếu đóng kính cửa sổ cách ly nội thất trong xe với không khí bên ngoài, nội thất bên trong sẽ ấm hơn không khí bên ngoài. Điều này xảy ra vì ánh nắng mặt trời xuyên qua không khí và tia sáng sẽ truyền tới nội thất và ngoại thất của xe. Khi tia sáng này truyền tới bề nặt các chi tiết bên trong và bên ngoài xe, quang năng sẽ được chuyển thành nhiệt năng làm ấm xe. Không khí lạnh bên ngoài vẫn bị tia sáng xuyên qua nhưng chúng không bị nung nóng. Trong thực tế, một hệ có thể bao gồm nhiều hình thức trao đổi nhiệt khác nhau. Ví dụ trong vật rắn hình thức chủ yếu là dẫn nhiệt, tuy nhiên cũng có thêm bức xạ nhiệt, trong chất lỏng hay khí có thêm đối lưu nhiệt. Dòng nhiệt còn phụ thuộc vào hình dạng của vật thể. Sự bức xạ nhiệt có thể xảy ra giữa các mặt tiếp xúc, nhưng chủ yếu trong chân không. Chất khí cũng có thể cho bức xạ nhiệt truyền qua. 1.2.3. Các trạng thái của môi chất Các trạng thái của vật chất thường tồn tại ở thể rắn, lỏng và thể khí. Một chất rắn có thể là một khối nước đóng băng, khi cấp nhiệt vào khối băng nó sẽ chuyển sang trạng thái 8
lỏng. Nếu ta tiếp tục thêm nhiệt vào nước lỏng đến 1000C, nước thể lỏng sẽ chuyển thành thể hơi. Hình 1.7. Sự thay đổi trạng thái của vật chất 1. Khối băng- thể rắn 2. Thể lỏng 3. Thể hơi hoặc khí 4. Nguồn nhiệt Hệ thống điều hòa không khí hoạt động nhờ môi chất thể lỏng gọi là chất làm lạnh. Chất làm lạnh trong hệ thống điều hòa không khí có chức năng luôn thay đổi trạng thái từ lỏng sang khí và trở về thể lỏng qua các trạng thái biến đổi ẩn nhiệt. Ẩn nhiệt là lượng nhiệt thêm vào hoặc lấy đi khỏi chất lỏng để làm nó thay đổi trạng thái gọi là ẩn nhiệt vì ta có thể đo được lượng nhiệt đó bằng nhiệt kế. Ví dụ nếu ta nung nóng 453 gam nước ở áp suất mực nước biển đến 1000C, ta phải cấp duy trì cho nó nhiệt năng ít nhất 993030J để chuyển chúng thành hơi nước. Khi ta duy trì năng lượng này cho nước, nhiệt độ nước cũng được duy trì. Nhiệt lượng thêm vào gọi là ẩn nhiệt, là nhiệt lượng cần thiết để thay đổi trạng thái của một chất từ thể lỏng sang thể hơi. Hình 1.8. Sự thay đổi ẩn nhiệt 1. Cấp nhiệt 2. Thể hơi 3. Thể lỏng 4. Lấy nhiệt 5. Thể rắn 9
a. Sự bay hơi (Ẩn nhiệt hóa hơi) Sự bay hơi là thuật ngữ được sử dụng khi có đủ nhiệt thêm vào chất lỏng để chuyển nó thành thể hơi. Ví dụ khi nước được đun sôi. Trong hệ thống điều hòa không khí, ẩn nhiệt hóa hơi xảy ra bên trong bộ bay hơi (giàn lạnh). Khi môi chất lạnh di chuyển qua giàn lạnh, nó sẽ hấp thụ nhiệt từ bên trong xe và bắt đầu sôi. Khi nhiệt tiếp tục được hấp thụ, môi chất lạnh thay đổi từ thể lỏng áp suất thấp sang thể hơi áp suất thấp. Sự chuyển trạng thái từ thể lỏng sang thể hơi được gọi là sự làm lạnh. Trạng thái này xảy ra ngay tại van giãn nỡ trong hệ thống điều hòa không khí ô tô. Hình 1.9. Sự ẩn nhiệt hóa hơi 1. Hấp thu nhiệt tạo ra 1gram hơi nước 2. Tách nhiệt tao ra 1 gram nước nóng Các dạng hóa hơi gồm:bay hơi là quá trình hóa hơi xảy ra trên bề mặt thoáng của chất lỏng (xảy ra ở mọi áp suất và nhiệt độ); sôi là quá trình hóa hơi xảy ra trên bề mặt thoáng và trong thể tích của chất lỏng tại các bọt hơi (chỉ xảy ra ở nhiệt độ xác định ứng với áp suất đã cho). b. Sự ngưng tụ (Ẩn nhiệt ngưng tụ) Thuật ngữ này được dùng để mô tả ngược lại quá trình bay hơi. Nếu lấy đủ một lượng nhiệt của một chất ở thể hơi ra khỏi chất đó, thì sự thay đổi trạng thái xảy ra. Môi chất ở thể hơi sẽ chuyển sang thể lỏng. Trong hệ thống điều hòa không khí, ẩn nhiệt ngưng tụ xảy ra bên trong bộ ngưng tụ (giàn nóng). Giàn nóng bị môi chất lạnh lấy nhiệt đưa vào không khí môi trường. Vì môi chất lạnh được làm nguội (mất nhiệt), nó sẽ ngưng tụ từ thể hơi áp suất cao sang thể lỏng áp suất cao. Sự chuyển trạng thái từ thể hơi sang thể lỏng được gọi là sự ngưng tụ. Trạng thái này xảy ra ngay tại giàn nóng trong hệ thống điều hòa không khí ô tô. 10
Hình 1.10. Sự ẩn nhiệt hóa hơi 1. Hấp thu nhiệt tạo ra 1gram hơi nước 2. Tách nhiệt tao ra 1 gram nước nóng c. Sự đóng băng Hình 1.11. Sự đóng băng của môi chất Sự đóng băng là một dạng thay đổi trạng thái khác. Sự đóng băng là kết quả khi nhiệt bị lấy đi khỏi chất lỏng cho đến khi nó trở thành thể rắn. Bất kỳ chất nào có nhiệt độ cao hơn -273oC vẫn tồn tại một lượng nhiệt. Hình 1.12. Sự chuyển pha của một đơn chất Khí lý tưởng không có sự chuyển pha. Khí thực có sự chuyển pha (rắn, lỏng, khí) 11
Trong hệ thống điều hòa không khí phải tránh trạng thái đóng băng. Vì nếu điều này xảy ra, các chi tiết trong hệ thống làm lạnh sẽ bị hư hỏng. 1.2.5. Các quá trình nhiệt động Các quá trình nhiệt động trong phạm vi giáo trình này không nghiên cứu tính toán xác định các thông số mà chỉ nghiên cứu phân tích tổng quát sự thay đổi các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống điều hòa không khí. Cần phân biệt hai dạng thiết bị nhiệt hay (còn gọi là máy nhiệt): máy nhiệt thuận chiều và máy nhiệt ngược chiều. Máy nhiệt thuận chiều là các động cơ đốt trong, tua-bin khí…, chúng biến đổi nhiệt năng thành cơ năng; và máy nhiệt ngược chiều là các hệ thống điều hòa không khí, chúng biến đổi cơ năng thành nhiệt năng. Các thông số trạng thái cơ bản của quá trình nhiệt động gồm: các đại lượng vật lý có giá trị xác định ở một trạng thái nhất định mà không phụ thuộc vào quá trình; các thông số trạng thái cơ bản như nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng đo được trực tiếp; các hàm trạng thái được tính toán qua các thông số trạng thái cơ bản. Một số khái niệm và thông số cơ bản: + Nhiệt là dạng năng lượng trao đổi do chênh lệch nhiệt độ, ký hiệu Q[J, cal] hoặc q [J/kg, cal/kg] và là hàm quá trình. Nhiệt chỉ xuất hiện ở ranh giới giữa hệ nhiệt động đang xét và môi trường khi nó truyền qua. Hệ nhiệt không chứa nhiệt mà chỉ chứa năng lượng. Nhiệt do hệ nhận mang dấu (+) và ngược lại. + Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần để tăng nhiệt độ của một đơn vị đo lường vật chất môi chất lên 1 độ. Nó phụ thuộc vào bản chất của môi chất, nhiệt độ và áp suất (có thể bỏ qua ảnh hưởng của áp suất khi giá trị của nó không quá lớn), ký hiệu nhiệt dung riêng đẳng áp: Cp, nhiệt dung riêng đẳng tích: Cv. + Công là dạng năng lượng thực hiện bởi hệ nhiệt động nếu tác động duy nhất của nó lên môi trường có thể nâng được một vật có khối lượng nhất định, đơn vị đo [J, Nm]. Quá trình nhiệt động là quá trình biến đổi một chuỗi liên tiếp các trạng thái của hệ. Điều kiện để có quá trình là có trao đổi nhiệt hoặc công với môi trường và có ít nhất một thông số trạng thái thay đổi. Các loại quá trình nhiệt động: + Quá trình cân bằng: môi chất biến đổi qua các trạng thái cân bằng (thực tế không tồn tại quá trình cân bằng). 12
+ Quá trình thuận nghịch: là quá trình cân bằng và luôn có thể biến đổi ngược lại qua các trạng thái cân bằng theo chiều thuận để trở về trạng thái ban đầu mà hệ và môi trường không có sự thay đổi nào. Theo định luật nhiệt động 1, ta có phương trình: dq = du + pdv ; dq = di – vdp Trong đó: q - nhiệt lượng; u - nội năng phụ thuộc áp suất; i - nội năng phụ thuộc thể tích; p - áp suất v - thể tích Phương trình trạng thái khí lý tưởng: pv = RT Trong đó: R - hằng số khí lý tưởng; T - nhiệt độ. Công thức xác định biến thiên u, i: du = CvdT di = CpdT Phương trình của các quá trình đa biến: dq = CvdT + pdv dq = CpdT – vdp dq = CndT (Cn - Cp)dT = - vdp  (Cn – Cp)/(Cn – Cv) = -vdp/pdv = n dl kt  n Đặt là số mũ đa biến  npdv + vdp = 0 dl  n.dv/v + dp/p = 0 ln(vn) + ln(p) = const pvn= const p1v1n = p2v2n Quá trình đa biến (Cn = const): + Quan hệ giữa các thông số trạng thái: Từ pvn = const 13
n p v   2  1  ; p   1  v2  1/ n p   v  2 1 v  p1    2 Từ P1v1 = RT1 và p2v2 = RT2 n 1 n 1 n v   p2  T 2   1    T   p  1  v2   1 + Công thay đổi thể tích: C C n p  n; C p  k C n  Cv nk C C n v C v n 1 q= Δu + l12  l12 = q – Δu = (Cn – Cv)(T2 – T1)   C v  R k 1  l 12  R n 1 T 1  T 2   nRT1 1  T 2    T1    + Công kỹ thuật: lkt12 = n.l12 + Nhiệt trao đổi với môi trường: q= Cn(T2 – T1) ; Q = Gq = GCn(T2 – T1) + Biến thiên entropi:    s  C n ln  T 2  dq dT ds   Cn   T T T1  Quá trình đoạn nhiệt (Cn = 0): + Phương trình của quá trình đoạn nhiệt: dq = 0  dq  0 n  C n  C p  k pvk = const C n  T Cn  Cv + Quan hệ giữa các thông số trạng thái: pvk = const k p v   2  1  ; p   1  v2  14
1/ k p   v  2 1 v  p1    2 Từ P1v1 = RT1 và p2v2 = RT2 k 1 k 1 k v   p2  T 2   1    T   p  1  v2   1 + Công thay đổi thể tích: q= Δu + l12  l12 = q – Δu = – Cv(T2 – T1)   Cv  R k 1  l12  R k 1 T 1  T 2   kRT1 1  T 2    T1    + Công kỹ thuật: lkt12 = k.l12 + Nhiệt trao đổi với môi trường: Q = 0; Q = 0 + Biến thiên entropi: dq ds   0  s  0 T Quá trình đẳng nhiệt (Cn = +/- ∞): + Phương trình của quá trình đẳng nhiệt: dT = 0 dq  C n    dT  n C C n p 1 C C n v pv = const + Quan hệ giữa các thông số trạng thái: pv = const p v   2 1 p v 1 2 T = const  T2 = T1 15