Giáo trình Thiết bị cơ điện lạnh: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Thiết bị cơ điện lạnh: Phần 1 được biên soạn gồm các nội dung chính sau: cơ sở kỹ thuật lạnh; cơ sở kỹ thuật nhiệt; nhiệt độ và áp suất; các hệ thống làm lạnh kiểu nén khí; môi chất lạnh và chất tải lạnh; máy nén lạnh;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Thiết bị cơ điện lạnh: Phần 1

CK.0000069535 HĂNG THIẾT BỊ - ■: —r■ NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG V
ĐINH VĂN THẮNG THIẾT BỊ Cơ DIỆN LẠNH NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ NỘI-2015
LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ của thế giới, kỹ thuật lạnh ở nước ta hiện nay đang phát triên mạnh mẽ. Các thiết bị lạnh thông dụng như: tủ lạnh, điều hoà không khí, máy làm kem, máy sản xuất nước đá trở nên quen thuộc trong đời song hàng ngày đoi với mọi người dân Việt Nam. Các loại máy thiết bị lạnh công nghiệp phục vụ cho nhiều ngành kinh tế quốc dân bao gồm các ngành chế biến thực phẩm, sàn xuất rượu bia, dệt may, y tế, thể thao, du lịch, v.v... cũng đang phát huy tác dụng, thúc đay nền kinh tế trên đà đi lên của đất nước. Song hành với sự phát triển khoa học - kỹ thuật, việc phát triển đội ngũ cán bộ khoa học - kỹ thuật và công nhân lành nghề đã được Đảng và Nhà nước ta đặc biệt quan tâm và chi rõ: "Phát triền giáo dục, đào tạo và khoa học công nghệ là quốc sách hàng đầu nhằm nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực, bồi dưỡng nhân tài, phát huy nguồn lực con người, là khâu đột phá để tiến vào thời kỳ mới. Đây là sự nghiệp của Đảng, của Nhà nước và cùa toàn dân, của từng gia đình và moi công dân Đe đáp ứng nhu cầu cấp bách trên và phù hợp với chương trình đào tạo kỹ SƯ chuyên ngành Điện-Điện từ của Trường Đại học Mỏ - Địa chất, chúng tôi biên soạn giáo trình "Thiết bị cơ - điện lạnh " nhằm cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật lạnh và thiết bị lạnh nhằm đáp ứng yêu cầu bo cập kiến thức chuyên môn. Giáo trình "Thiết bị cơ - điện lạ n h " dùng đế giảng dạy và học tập trong Trường Đại học Mó Địa chất, chuyên ngành Điện - Điện tử và cho các trường đại học, cao đắng khối kỹ thuật, làm tài liệu tham khảo để giảng dạy và học tập. Với đặc thù hau hết các thiết bị lạnh phó biến hiện nay là dạng máy lạnh nén hơi nên trong nội dung của giáo trình này tác giả chù yếu tập trung hướng vào máy lạnh nén hơi, các máy lạnh khác như: máy lạnh hấp thụ, máy lạnh ejectơ, máy lạnh bán dẫn chi được giới thiệu sơ lược mà không đi sâu chi tiết cụ thể. Trong quá trình biên tập lần đầu, giáo trình "Thiết bị cơ - điện lạnh " sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các chuyên gia, các nlià khoa học để giáo trình này trở nên hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả 3
Chương 1 C ơ SỞ KỸ THUẶT LẠNH 1.1. MỞ ĐÀU Làm lạnh đã được sử dụng từ lâu trong lịch sử, nước và nước đá được dùng để làm lạnh, nhưng đến tận ngày nay quy trinh làm lạnh cơ học mới được áp dụng trên cơ sở làm tạnh rộng rãi. Cuộc sống hiện đại đòi hỏi thiết bị làm lạnh được sử dụng để bảo quản thực phẩm và bảo đảm tiện nghi cuộc sống. Nhiều quy trinh hiện đại trong công nghiệp và cuộc sống như công nghiệp dệt, in ấn, thực phẩm, hóa chất... đòi hòi sự ứng dụng hợp lý các trang thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí để có thể vận hành hiệu quả và kinh tế các quy trinh sản xuất. Ngoài ra, nhiều lĩnh vực khoa học cũng đòi hỏi điều hòa không khí và làm lạnh ở mức độ cao, chẳng hạn như vật lý, hóa học... Các kiến thức về cơ và điện là rất quan trọng đối với những người thiết kế, láp đặt, bảo dưỡng các hệ thống lạnh. Từ thời tiền sử loài người đẵ sử dụng vài phương pháp bảo quản thực phẩm. Ban đầu, thực phẩm được đưa xuống giếng hoặc trong các hang động, nơi có nhiệt độ thấp hơn xung quanh, dần dần nước đá được sử dụng, có thể được cắt ra từ sông hồ đóng băng. Khi thu họach băng tự nhiên trở nên hiệu quả, các hộp băng được sử dụng rộng rai hơn. Tuy nhiên, việc vận chuyển bang tứ nơi có khi hậu lạnh dén nơi có khí hậu nóng hom trờ thành vấn đề lớn. Từ nhiều thế kỷ trước, các nhà khoa học ở châu Âu đã sử dụng áp suất và nhiệt độ thấp để hóa lòng NH3, điều này được thực hiện bàng cách tăng áp suất và giảm nhiệt độ. Khi áp suất giảm, NH3 lỏng sôi rất nhanh và chuyển sang trạng thái khí, quá trinh này gây ra sự hấp thụ nhiệt từ các vật thể xung quanh NH3. Đây là sự phát hiện rất quan trọng dẫn đến sự phát triển các thiết bị làm lạnh được dùng ngày nay. Thiết bị làm đông nước thành đá (băng) được sử dụng vào năm 1825, nước đá được sản xuất từ thiết bị này có độ tinh khiết cao hơn so với băng tự nhiên, quy trình không phụ thuộc vào các điều kiện khí hậu. Nhu cầu về việc làm lạnh ngày càng tăng, đòi hỏi có các thiết bị lạnh hiệu quả và kinh tế. Điều này cũng dẫn đến một ngành công nghiệp mới, công nghiệp bảo quản thực phẩm dài ngày. Sự phát triển của vi sinh vật bị hạn chế ở nhiệt độ thấp 5
đã được phát hiện. Ngày nay, khoảng nhiệt độ này được gọi là khoảng an toàn thực phẩm và thường gọi là khoảng lạnh an toàn. Làm lạnh được coi là quy trình giải nhiệt từ không gian hoặc vật liệu và duy trì không gian hoặc vật liệu đó ờ nhiệt độ thấp hơn môi trường. Hệ thống làm lạnh kín được dùng để lấy nhiệt bên trong không gian hoặc vật liệu cần hạ thấp nhiệt độ để đưa đến nơi khác (môi trường). Khi hệ thống liên tục vận hành, nhiệt được lấy ra càng nhiều, không gian hoặc vật liệu tiếp tục được làm lạnh. Quy trình được dùng để làm lạnh các loại thực phẩm, rau xanh, ưái cây hoặc các loại sản phẩm khác để có thể bảo quản chúng trong thời gian dài. Các quy trinh khác, chẳng hạn như điều hòa không khí và làm lạnh, sử dụng thiết bị làm lạnh để làm giảm độ ẩm cùa không khí và làm lạnh không khí đến nhiệt độ mong muốn. Làm lạnh được thực hiện bằng phương pháp tuần hoàn lưu chất (được gọi là môi chất làm lạnh hay chất tải lạnh) qua các ống dẫn và thiết bị, tạo nên hệ thống lạnh. Trong khi tuần hoàn, môi chất lạnh bị nén, bị làm nguội và hóa hơi (chuyển trạng thái). Máy nén làm cho môi chất lạnh tuần hoàn qua hệ thống bằng cách tăng áp suất ở một phía và giảm áp suất ờ phía kia (hình 1.1). Thiốt bị điếu khiển lưu lượng Hình 1.1. Sơ đồ mạch tuẩn hoàn chất làm lạnh Trong chu kỳ vận hành, máy nén cung cấp môi chất lạnh đã nén vào bộ ngưng tụ. Tại đây, môi chất lạnh sẽ ngưng tụ và chuyển sang trạng thái lỏng. Môi chất lỏng đi qua hệ thống đến thiết bị kiểm soát lưu lirợng, tại đó chất lỏng được định lượng và 6
làm giảm áp suất. Môi chất lạnh với áp suất thấp sẽ đi qua bộ hóa hơi, ở đó môi chất lạnh sẽ hóa hơi, hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh. Trong quá trinh này, môi chất lạnh hấp thụ nhiệt và chuyển thành hơi ờ áp suất thấp. Máy nén bơm hơi môi chất lạnh từ bộ hóa hơi qua ống hút đến máy nén, tại đó chu kỳ sẽ lặp lại. 1.2. TRẠNG THÁI RẮN, LỎNG, KHÍ VÀ s ự THAY ĐỎI TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHÁT Các trạng thái của vật chất rất quan trọng để giúp cho nắm bắt được tốt hơn các cơ sờ kỹ thuật lạnh, gồm: Trạng thải rắn: Vật chất ở trạng thái rắn có thể tích và hình dạng ổn định nếu không có tác dụng lực từ bên ngoài. Mọi phân tử trong chất rắn đều đồng nhất về kích cỡ và hình dạng, luôn luôn duy trì vị trí tương đối của chúng bên trong chất đó. Cũng như mọi trạng thái khác, các phân tử trong chất rắn luôn luôn dao động. Tần số và biên độ dao động của phân tử phụ thuộc vào loại chất rắn và nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì sự dao động của các phân từ càng lớn. Sức hút của trái đất đối với chất rắn lớn hon so với chất lỏng hoặc chất khí, do mật độ cùa chất rắn thường lớn hơn. Chất rắn phải được đỡ để chịu được sức hút của trái đất, lực này ngược chiều với lực hút của trái đất (hình 1.3). Khi chất rắn không chuyển động hoặc chuyển động thẳng đều, tổng các lực tác dụng lên chất ran này là bằng không, chất rắn đó ở trạng thái cân bằng. Hình 1.2. Chất rắn Hình 1.3. Lục đỡ chất rắn với lực hút trái đất Trạng thái lỏng: Khi vật chất ờ trạng thái lỏng, nó sẽ có hình dạng của vật chứa, nghĩa là chất lỏng có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định (hình 1.4). Lực của chất lỏng tác dụng lên bình chứa theo cả hai chiều vào trong và ra ngoài. Trọng lực cùa chất lỏng và lực từ tính của trái đất tạo ra lực hướng về đáy bình chứa. Cũng như các chất khác, mọi phân tử trong chất lỏng đều dao động. Sự dao động này lớn 7
hơn so với trạng thái rắn bởi khoảng cách giữa các phân tử ở trạng thái lỏng lớn hơn ờ trạng thái rắn, do đó lực hút giữa chúng thấp hơn. Mức độ dao động tỳ lệ thuận với nhiệt độ, nhiệt độ của chất lỏng càng cao sự dao động càng lcm. Khi nhiệt độ tăng, các chất lỏng chuyển động hướng lên trên, chuyển động đối lưu, khi đó một số phân tử có thể tách khỏi bề mặt chất lỏng và đi vào khí quyển, hiện tượng này gọi là bay hơi. Hình 1.4. Lực của chất lỏng Hình 1.5. Chất khí bên trong bình chứa bén trong bình chứa Trạng thái khí: Vật chất ở trạng thái khí có khả năng thoát ra khí quyển nếu không được chứa trong bình kín. Khấc với trạng thái rán và lỏng, vật chất ở trạng thái khí không có hình dạng và thể tích xác định. Các phân tử khí có lực hút tương tác rất nhỏ giữa chúng với nhau hoặc với các chất khác, do đó chúng có thể chuyển động tự do. Khi chuyển động tự do, chúng có thể va đập với nhau hoặc va đập vào thành bình chứa. S ự th a y đ ổ i trọ n g thái: Khi cung cấp hoặc giải phóng đủ nhiệt đối với vật chất, chất đó có thể thay đổi trạng thái. Ví dụ: ba trạng thái của nước là băng, lỏng và hơi. Ở nhiệt độ thường, băng tan chảy thành nước lỏng, nếu cấp đủ nhiệt nước sẽ hóa hơi. Quá trình này là thuận nghịch. Hơi nước có thể hóa lỏng được gọi là quá trinh ngưng tụ và nước có thể đóng băng nếu giải phóng đủ lượng nhiệt cần thiết.
C hương 2 C ơ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT Trong đời sống thường ngày, có hai khái niệm được sử dụng phổ biến được quen dùng là nóng và lạnh. Nước sôi được coi là nóng, nước đá là lạnh, đây chi là nhũng khái niệm mang tính tương đối. Thuật ngữ "lạnh" chi có ý nghĩa tương đối và một vật thể được coi là lạnh có nghĩa là nó có nhiệt độ thấp. Ví dụ, về mùa đông ta cảm thấy lạnh do có sự thoát nhiệt ra xung quanh, điều mà ta cảm nhận được chính là nhiệt độ thấp của môi trường quanh ta. Do đó, muốn làm lạnh ta cần phải giải phóng nhiệt. Đây cũng chính là mục đích và nguyên lý làm việc của hệ thống lạnh và điều hòa không khí. 2.1. CHUYÊN ĐỘNG NHIỆT Trong thực nghiệm, nhiệt được đo bằng ảnh hưởng của nhiệt độ đối với một số chất cho trước và so sánh nó với điều kiện chuẩn. Nếu đặt ấm nước trên bếp lửa, nhiệt sẽ truyền từ ngọn lửa đến nước trong ấm, nước ở đáy ấm sẽ nóng nhanh hơn, nước ở phía trên sẽ dần dần đạt nhiệt độ tương đương bên dưới. Điều này cũng đúng cho mọi vật chất khác. Chất rắn sẽ truyền nhiệt theo cách tương tự song cần phải xét đến hệ số truyền nhiệt đặc trưng của vật liệu trong quá trình nhiệt. Neu tiếp tục cấp nhiệt, nhiệt độ của vật chất sẽ tăng và có thể làm thay đổi trạng thái của nó. Chất rắn sẽ nóng chảy thành chất lòng, chất lỏng sẽ hóa hơi. c ầ n phân biệt sự khác biệt của hai đại lượng nhiệt lượng và nhiệt độ. Hai vật khác nhau có thể có cùng nhiệt độ nhưng nhiệt lượng của chúng hoàn toàn khác nhau. 2.2. DÒNG NHIỆT v ề nguyên tắc, nhiệt chỉ có thể đirợc truyền một cách tự nhiên từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn. Lượng nhiệt được truyền phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ. Tốc độ truyền nhiệt càng nhanh khi chênh lệch nhiệt độ càng cao. Ví dụ, nếu hai vật cùng loại đặt sát nhau và được cách nhiệt với xung quanh, một vật nặng lkg và có nhiệt độ 400°c còn vật kia nặng lOOOkg và có nhiệt độ 300°c. Nhiệt lượng trong vật nặng hơn sẽ lớn hcm vật nhẹ, nhưng do có chênh lệch 9
về nhiệt độ giữa hai vật đó, nhiệt sẽ truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp hơn, cho đến khi nhiệt độ của chúng bằng nhau. 212°F Hình 2.1. Nhiệt lượng khác nhau giữa hai bình nước có cùng nhiệt độ Tại thời điểm đầu, dòng nhiệt là lớn nhất. Khi độ chênh nhiệt độ của chúng giảm dần, dòng nhiệt cũng giảm theo và bằng không khi nhiệt độ của chúng bằng nhau. Việc truyền nhiệt được thực hiện bằng ba cách hoặc là kết hợp của các cách đó gồm: dan nhiệt, truyền nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt. Không có dòng nhiột 100°F 100°F Hình 2.2. Dòng nhiệt và chênh lệch nhiệt độ 2.3. N H IỆ T D U N G R IÊ N G Nhiệt dung riêng được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết để tâng nhiệt độ của một đơn vị vật chất bất kỳ lên 1°. Ví dụ, 1 pound vật chất lên 1°F, lkg lên r c hay lm3 lên l°c. Mỗi vật liệu khác nhau đều có giá trị nhiệt dung riêng đặc trưng khác nhau. Nhiệt đung riêng có thể coi là tỳ số cùa nhiệt lượng cần thiết để thay đồi nhiệt độ cùa vật chất lên 1° so với nhiệt lượng cần thiết để thay đổi nhiệt độ của nước có cùng khối lượng lên 1°. 10
Khi sử dụng đơn vị nhiệt lượng Anh Btu, có thể sừ dụng đơn vị Btu/lb cho nhiệt dung riêng. Các giá trị nhiệt dung của một số thực phẩm được nêu trên bảng 2.1 sử dụng đơn vị Btu/lb. Sau khi thực phẩm được làm lạnh, nhiệt dung của chúng nhỏ hon nhiều so với trước khi làm lạnh, trong hầu hết các trường hợp, nhiệt dung của chúng có thể giảm đến một nửa. Bảng 2.1. Nhiệt dung của một số thực phẩm Nhiệt dung (chưa làm lạnh) Nhiệt dung (sau làm lạnh) Thực phẩm Btu Btù Lúa mach 0,70 0,39 Thịt bò 0,68 0,38 Thịt lợn 0,57 0,30 Cá 0,82 0,43 Gà 0,80 0,42 Trứng 0,76 0,40 Bơ 0,55 0,33 Pho mai 0,64 0,37 Sữa 0,92 0,47 2.4. NHIỆT NHẠY Là phần nhiệt có thể bổ sung hoặc giải phóng đối với vật thể, làm thay đổi nhiệt độ nhưng không thay đổi trạng thái của nó và có thể đo được bằng nhiệt kế. Ví dụ, cấp nhiệt cho nước để thay đồi nhiệt độ từ 70 lên 212°F, nhiệt độ tăng thêm 142°F. Nhiệt lượng này có thể được tính từ hiệu số nhiệt độ 142°F, nhiệt dung của nước và khối lượng cùa nước, do đó được gọi là nhiệt nhạy. 142°F 212°F Hình 2.3. Ví dụ vê nhiệt nhạy 11
2.5. NHIỆT ÁN N hiệt ẩn là nhiệt không thể đo được bằng nhiệt kế, là lượng nhiệt cần bồ sung hoặc giải phóng đối với vật thể trong khi thay đồi trạng thái nhưng không thay đổi nhiệt độ. v ề cơ bản, có bốn loại nhiệt ẩn: (I) nhiệt nóng chảy, (2) nhiệt ngưng tụ, (3) nhiệt hoá hơi và (4) nhiệt thăng hoa. Nhiệt nóng chảy là nhiệt lượng cần thiết để vật thể ở trạng thái rắn chuyển sang trạng thái lỏng hoặc ngược lại ở nhiệt độ không đổi. Nhìn chung giá trị này là như nhau, vì đây là quá trình thuận nghịch. Nhiệt ngưng tụ là nhiệt lượng cần thiết phải giải phóng đề vật thể ở trạng thái hơi (khí) chuyên thành trạng thái lỏng (ngưng tụ) ở nhiệt độ không đồi. Nhiệt hoá hoi là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho vật thể ở trạng thái lỏng chuyển thành trạng thái hơi (hoá hơi) ở nhiệt độ không đổi. Nhiệt thăng hoa là nhiệt lượng cần thiết để vật thể ờ trạng thái rắn chuyển thành trạng thái khí không cần qua trạng thái lỏng. Quá trình thăng hoa chi xảy ra đối với một số chất xác định. Ví dụ tuyết carbonic sẽ chuyển thành trạng thái khí không qua trạng thái lỏng. Nhiệt thăng hoa bằng tổng nhiệt nóng chảy và nhiệt hoá hơi cùa chất đó. 2.6. QUAN HỆ GIỬA NHIỆT VÀ NHIỆT ĐỘ Khi nung nóng hoặc làm lạnh một chất, có các đặc tính xác định cho từng chất ờ những điểm cho trước trong từng quá trình đó. Để hiểu rõ điều này, ta khảo sát quá trìn h n u n g n ó n g h o ặ c làm lạn h 1 p o u n đ n ư ớ c đ ể m in h h ọ a n h ữ n g đ iề u x à y ra. H ìn h 2.4 là đồ thị biểu diễn quan hệ nhiệt lượng - nhiệt độ khi thực hiện nung nóng và làm lạnh 1 pound nước. Ta nhận thấy rằng, quá trình nung nóng và làm lạnh là hai quá trình thuận nghịch. Trên đồ thị biểu diễn mối qụan hệ giữa nhiệt và nhiệt độ (hình 2.4) ta thấy quá trình nung nóng và làm lạnh như sau: Giai đoạn 1. Quá trinh cấp nhiệt với lượng nhiệt 16Btu cho nước đá từ 0°F đến 32°F. Đây là nhiệt nhạy, do đó có thể đo được bằng nhiệt kế nhưng không làm thay đổi trạng thái của nước đá. Giai đoạn 2. Khi cấp thêm 144Btu nhiệt cho nước đá, nhiệt độ cùa nước đá vẫn giữ nguyên giá trị 32°F, nhưng nước đá tan chảy thành nước lỏng, đây là quá trinh thay đổi trạng thái từ rắn sang lỏng, do đó đây là nhiệt ẩn nóng chảy của nước đá. 12
Nhiệt độ ' k Hình 2.4. Đồ thị quan hệ giữa nhiệt và nhiệt độ Giai đoạn 3. Neu cấp thêm 138Btu cho nước, nhiệt độ của nước sẽ tăng đến 212°F. Đây là nhiệt nhạy và đo được bằng nhiệt kế. Nhiệt độ 212°F ứng với 100°c là điểm sôi của nước ờ điều kiện áp suất khí quyển bình thường (so với mực nước biến trung bình). Giai đoạn 4. Khi cấp thêm 970Btu cho 1 pound nước, quá trình hoá hơi sẽ xảy ra ờ nhiệt độ 212°F. Nhiệt lượng này là nhiệt ẩn hoá hơi, do đó không có sự thay đổi nhiệt độ mà chi có sự thay đổi trạng thái của nước từ lỏng thành hơi. Giai đoạn 5. Cung cấp nhiệt lượng lớn hơn 4Btu cho hơi nước ở nhiệt độ 212”F, nhiệt độ của hơi nước sẽ tăng đến hơn 214°F. Đây là nhiệt nhạy có thể đo được bàng nhiệt kế. Ở trường hợp này, nhiệt độ của hơi nước thay đổi nhưng không thay đổi trạng thái. Neu ta quan sát các mũi tên theo chiều ngược lại, ta sẽ thấy quá trình hoàn toàn ngược với ban đầu, các giá trị nhiệt trên từng giai đoạn là không đổi. 2.7. N H IỆT VÀ QUÁ TRÌN H NÉN Nhiệt cùa quá trình nén được thực hiện đối với chất khí (hơi) được nén cơ học trong máy nén của hệ thống lạnh. Nhiệt nén làm tăng thêm nhiệt độ cùa môi chất lạnh ở trạng thái hoi đến nhiệt độ đù cao để có thể ngưng tụ trong bộ ngưng tụ. Phần nhiệt cung cấp cho hơi là do công cơ học sinh ra khi thực hiện quá trinh nén hơi (nén khí). Cơ năng cùa máy nén được chuyển hoá thành nhiệt năng của hơi nén. 13
Trong quá trình vận hành hệ thống lạnh, môi chất lạnh ở trạng thái hơi với áp suất thấp và nhiệt độ thấp được vận chuyển từ bộ hoá hơi đến máy nén. Tại đây thể tích của hơi giảm xuống và do đó nhiệt độ của hơi môi chất sẽ tăng lên cao hơn so với nhiệt độ môi trường xung quanh (môi trường làm nguội của bộ ngưng tụ). Khi hơi cùa chất làm nguội ờ nhiệt độ và áp suất cao và nhiệt độ cao được làm mát sẽ được chuyển tới bộ phận ngưng tụ để chuyển sang trạng thái lỏng, đây là quá trình ngưng tụ. 2.8. S ự QUÁ NHIỆT Theo định nghĩa trong kỹ thuật lạnh, sự quá nhiệt là nhiệt lượng cung cấp hay giải phóng từ hơi ờ nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi với áp suất không đổi. Trong hệ thống làm lạnh, điều này được thực hiện để trạng thái hơi không tiếp xúc với trạng thái lòng. *• • * V . *' 22Ỏ°F - » hơi nước v • '> •’ - ’• * . * ị Hình 2.5. Ví dụ vê sự quá nhiệt Ví dụ: Khi chất lỏng được cấp nhiệt đủ đề chuyển sang trạng thái hơi bão hoà. nhiệt được bổ sung thêm sẽ ở dạng nhiệt nhạy, được gọi là sự quá nhiệt (hình 2.5). Tính toán nhiệt Khi khảo sát lượng nhiệt cần thiết được truyền khi làm lạnh hoặc cấp nhiệt cho một chất, cần phải tính toán chính xác lượng nhiệt đó. Quá trình tính toán này thường dựa trên cơ sờ nhiệt dung riêng. Các tính toán nhiệt là việc xác định lượng nhiệt của một chất có thể nhận được hay giải phóng đi trong quá trình thay đổi nhiệt độ. Do mỗi chất đều có nhiệt dung riêng đặc trưng, khi thực hiện tính toán, cần sử dụng bảng tra cứu nhiệt dung riêng. Công thức tính toán nhiệt lượng, trong hầu hết tất cả các trường hợp, tương đối đơn giản như sau: Q(Btu) = AT X w X SH, (1) 14
trong đó: AT - độ chênh lệch nhiệt độ của chất đó (°F); w - khối lượng của chất đó (lb); SH - nhiệt dung riêng của chất đó (Btu/lb). Ví dụ: Cần làm lạnh 50 pound nước từ 120°F xuống 60°F, tính lượilg nhiệt phải giải phóng là bao nhiêu Btu? Biết nhiệt dung riêng cùa nước là lBtu/lb. Giải: Q = AT X w X SH = (120 - 60) X 50 X 1 = 3000Btu Khi tải nhiệt, cần tính toán với nhiều chất khác nhau, mỗi chất phải được tính toán riêng rẽ để có được kết quả chính xác. Ngoài ra, khi vật chất ờ trạng thái đông đặc, sự khác biệt giữa trạng thái đông đặc và không đông đặc cũng phải được xem xét đến. Trên thực tế, khó có thể thực hiện điều này do sử dụng các thiết bị làm lạnh khác nhau. Trong nhiều trường hợp, cần thực hiện phép tính gần đúng nhằm để đánh giá, tránh trường hợp quá tải đối với thiết bị điện lạnh. Có thể lấy khối lượng trung bình và trị nhiệt lượng trung bình của các chất để tính toán, nhưng phải thực hiện các hiệu chỉnh cần thiết. Enthalpy Enthalpy, được định nghĩa là nhiệt lượng toàn phần của một chất, là tổng của nhiệt nhạy và nhiệt ẩn của chất đó. Đơn vị của Enthalpy là Btu/lb của chất đó, được dùng trong trong các ứng dụng làm lạnh và điều hoà không khí. v ề mặt lý thuyết, Enthalpy được đo từ 0° tuyệt đối (0°K, -273°c, -460°F). Trong th ự c tiễ n , c ó th ê c h ọ n cá c đ iể m q u y c h iế u k h á c n h a u . V í d ụ , đ iể m q u y c h iế u c ủ a nước là 32°F (0°C), đối với môi chất lạnh là -40°F. Khi tính toán có điểm quy chiếu, giá trị Enthalpy trên điểm quy chiếu được coi có giá trị dương và dưới điểm quy chiếu có giá trị âm. Khi có nhiệt ẩn trong sự truyền nhiệt, cần tính theo công thức: E = AT X w X SH + LH, (2) trong đó: E - enthalpy; LH - ẩn nhiệt, nếu có sự thay đổi trạng thái. Ví dụ: Tính Enthalpy của 1 pound (lb) hơi nước ở 212°F, sử dụng 32°F làm điểm quy chiếu. Sử dụng công thức tính có tính đến ẩn nhiệt. Nhiệt dung riêng của hơi nước là lB tu và nhiệt ẩn hoá hơi là 970Btu/lb. Áp dụng công thức: E = AT X w X SH + LH = 1 x 1 X (212 - 32) + 970 = 1150 Bm/lb 15
2.9. ĐƯƠNG LƯỢNG c ơ HỌC CỦA NHIỆT Đương lượng cơ học của nhiệt được xác định bằng phương pháp thực nghiệm qua các thí nghiệm khoa học để tìm nhiệt lượng được tạo ra do tiêu thụ cơ năng tương úng. v ề lý thuyết, nếu năng lượng nhiệt được tạo ra do tiêu thụ 1 Btu sẽ đồi thành năng lượng cơ học, không có sự tổn hao là 778 ft-lb. Do đó 1 Btu nhiệt năng, về lý thuyết; sẽ tương đương với 778 ft-lb và 1 ft-lb cơ năng tuơng đương với 1/778 Btu = 0,00128 Btu. Để xác định đương lượng nhiệt tính theo Btu và ft-lb, có thể sử dụng công thức chuyển đổi sau: 1 Btu = l(ft-lb)/778 2.10. LÀM LẠNH Làm lạnh được định nghĩa là sự giải phóng nhiệt năng ra khỏi một chất, điều này được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau. Dưới đây sẽ mô tả một số phưong pháp cụ thể: Phương pháp hoá hơi Hoá hơi là quá trinh làm cho chất lỏng chuyển sang trạng thái hơi. Trong tự nhiên, hiện tượng hoá hơi chủ yếu xảy ra đối với nước khi tiếp xúc với không khí. Tốc độ bay hơi của nước tuỳ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm của không khí. Nhiệt độ càng cao, độ ẳm càng thấp, tốc độ bay hơi càng cao. Khi nhiệt độ giảm, độ ẩm tăng, quá trinh bay hơi chậm lại. Trong vùng khí hậu lạnh và độ ẩm cao có thể tồn tại những ngày có nhiều sương và sương mù. Nhìn chung, sự bay hơi là quá trình chuyển trạng thái từ lỏng sang trạng thái hơi ở bề mặt chất lóng, có thể xây ra ở mọi nhiệt độ và với tốc độ tương đối thấp. Quá trình hoá hơi xảy ra trong toàn bộ thể tích chất lỏng, với tốc độ tương đối cao, ở nhiệt độ và áp suất không đổi, do đó gọi là quá trinh hoá hơi đẳng nhiệt J đẳng áp. Phương pháp giãn nở Sự giãn nờ xảy ra khi hơi ờ trạng thái nén và áp suất bị giảm đột ngột. Khi hơi bị nén, nhiệt phát sinh bằng về giá trị với công được thực hiện ữong quá trình nén. Nhiệt này được gọi là nhiệt nén. Áp suất nén càng cao thì nhiệt độ của khí nén càng cao. Vào ngày nóng, hơi trong hệ thống lạnh cần công nén cao hơn so với ngày mát. Sự làm lạnh hơi khi hoi nén giãn nở hoàn toàn ngược so với quá trình nén ở trên. Sự giãn nở xảy ra trong hệ thống làm lạnh khi môi chất lạnh đi qua thiết bị điều khiển lưu lượng, hoặc thiết bị giãn nở. 16
Ba giai đoạn trong chu kỳ làm lạnh như sau: 1. Hơi bị nén đến áp suất cao trong máy nén; 2. Nhiệt phát sinh trong quá trình nén cùng với nhiệt thu được trong bộ hoá hơi sẽ được loại bỏ trong bộ ngưng tụ của hệ thống, tại đây chất làm lạnh ngưng tụ và chuyển sang trạng thái lỏng; 3. Môi chất lạnh giãn nở, làm nhiệt độ giảm, sự giảm nhiệt độ này chính là tác dụng làm lạnh. 2.11. LÀM LẠNH SÂU Làm lạnh sâu là quá trình hạ nhiệt độ của môi chất lạnh lỏng xuống dưới nhiệt độ ngưng tụ. Môi chất lạnh lỏng ở nhiệt độ dưới nhiệt độ bão hoà gọi là làm lạnh sâu. Trong các hệ thống lạnh, sự làm lạnh sâu xảy ra ờ phía dưới bộ ngưng tụ sau khi môi chất lạnh đã ngưng tụ, cũng có thể xảy ra một phần trong thiết bị thu và đường dẫn chất lỏng nếu tiếp xúc với nhiệt độ duới nhiệt dộ ngưng tụ của chất làm lạnh. Làm lạnh sâu được đùng để giảm lượng khí trong các thiết bị điều khiển lưu lượng. Giảm lượng khí này sẽ cho phép tăng hiệu suất và dung lượng làm lạnh của thiết bị. Trong các hệ thống lạnh hiệu suất cao, sự làm lạnh sâu là rất quan trọng để hệ thống vận hành có hiệu quả. Đôi khi một bộ phận làm lạnh sâu riêng rẽ được lắp vào đường dẫn chất lỏng để tăng cường quá trình làm lạnh. Điều này cho phép môi chất lạnh ở trạng thái lỏng dễ dàng đi vào bộ hoá hơi. Các bộ làm lạnh sâu có thể làm mát bằng nước hoặc không khí, tuỳ theo bản chất của hệ thống và nguồn nước khả dụng. Trong hầu hết các hệ thống, bô làm lanh sâu cho phép làm tăng hiệu suất và dung lượng làm lanh của thiết bị. 2.12. KHỬ ÁM VÀ CÁC CHÁT NGƯNG TỤ Độ ẩm Theo định nghĩa, độ ẩm là lượng hoi nước có trong không khí. Độ ẩm là thuật ngữ chung được dùng đối với lượng hơi nước chứa trong một đom vị không khí cho trước, và thường được biểu thị theo đại lượng độ ấm tương đối và tuyệt đối. Lượng hơi nước thực mà không khí có thể chứa, tuỳ thuộc vào áp suất và nhiệt độ của khí quyển. Khi nhiệt độ khí quyển giảm, không khí sẽ hấp thụ ít hơi nước hơn, khi nhiệt độ tăng không khí có thể chứa nhiều hơi nước hơn. Độ ẩm được tính theo phương pháp này, được gọi là độ ẩm tương đối và được biểu thị theo phần trăm hơi nước không khí có thể chứa ở nhiệt độ và áp suất tương ứng. 17
Độ ẩm tuyệt đối là lượng hơi nước thực được chứa trong đơn vị không khí xác định. Nhiệt độ và áp suất không ảnh hưởng đến độ ẩm tuyệt đối. Giá trị này được tính theo đơn vị khối lượng của không khí khô. Ví dụ, mẫu 1kg khòng khí chứa 30g hơi nước, độ ẩm tuyệt đối là 30/1000. Độ ẳm tương đổi là lượng hơi nước mà không khí khô có thể chứa được ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cho trước, được biểu thị theo phần trăm so với lượng hơi ẩm không khí bão hoà ở cùng điều kiện. Khi không khí không thể chứa thêm hơi ẩm, không khí đạt trạng thái bão hoà và độ ẩm tương đối đạt 100%. Khi không khí ờ trạng thái bão hoà (độ ẩm tương đối 100%), nếu giảm nhiệt độ, một phần hơi nước sẽ ngưng tụ và tạo thành các giọt nước ở các bề mặt nhiệt độ thấp, hoặc ở dạng sương mù trong khí quyển. Trong các máy lạnh gia dụng, các giọt nước xuất hiện ờ dạng băng hoặc tuyết bám trên bề mặt bộ hoá hơi. Trong các hệ thống đic-u hoà không khí, các giọt nước ở phần ngoài cuộn ống hoá hơi, có thể nhỏ giọt ra bên ngoài. K hử ấm và các chất không ngưng tụ Khử ẩm là quá trình loại bỏ hơi ẩm, không khí và các chất không ngưng tụ ra khỏi hệ thống lạnh. Đã có nhiều nghiên cứu ảnh hưởng tới chế độ làm việc cùa hệ thống, của độ ẩm và các chất không ngung tụ trong các hệ thống lạnh, tuy nhiên, còn một số ảnh hưởng của hơi ẩm và các chất không ngưng tụ chưa được lý giải hoàn toàn. Hơi ẩm trong hệ thống lạnh có thể gây ra những hư hỏng bên trong hệ thống, như ăn mòn các ống đồng, giảm chất lượng dầu, hình thành cặn carbon... Những điều này có thể làm hỏng máy nén, hệ thống ống dẫn và các bộ phận khác tro n g h ệ ỉh ố n g . Khử ẩm cho hệ thống là bảo vệ cho hệ thống lạnh để vận hành ờ chế độ kinh tế và hiệu quả trong thời gian dài. Hai biện pháp khử ẩm chính là tăng nhiệt độ hoặc giảm áp suất. Trong các hệ thống lớn, việc tăng nhiệt độ là không thể, do vậy tốt nhất là giảm áp suất làm cho nước hoá hơi. Trong các hệ thống lạnh và điều hoà không khí, các nhà sản xuất đều đảm bảo độ chân không xác định cho hệ thống, giá trị này trong khoảng 500 - 1000 micron. Để hiểu được tầm quan trọng khừ ẩm, càn lưu ý rằng khi nhiệt độ cuối tầm nén tăng 200°F, các chất ô nhiễm còn lại trong hệ thống sẽ gây ảnh hưởng nhiều nhất. Tăng nhiệt độ lên trên 200°F với mỗi khoảng 18°F, phản ứng hoá học của các chất này sẽ tăng gấp đôi đối với các bộ phận của hệ thống. Trong hầu hết các máy nén của hệ thống lạnh, nhiệt độ vận hành bình thường là trên 200°F, do đó cần chú ý đến khử ẩm cho hệ thống khi bảo tri hoặc sửa chữa. 18
2.13. NÃNG LƯỢNG, CÔNG VÀ CÔNG SUÁT N ăng lượng Năng lượng là khả năng thực hiện công. Năng lượng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác nhưng luôn được bảo toàn. Ví dụ, động cơ làm nhiệm vụ biến điện năng thành cơ năng và một phần năng lượng bị tổn hao ở dạng nhiệt nhung tồng năng lượng vẫn được bảo toàn. Nhiệt được giải phóng từ các sản phẩm trong hệ thống lạnh sẽ tác dụng lên hệ thống này. Nhiệt năng được loại bỏ thông qua việc sử dụng các dạng năng lượng. Thứ nhất, điện năng được chuyển thành cơ năng trong máy nén, cơ năng dùng để giải phóng nhiệt năng từ sản phẩm bên trong hệ thống lạnh. Năng lượng bị tổn thất trong quá trình chuyển đổi năng lượng, nhưng tổng năng lượng của hệ không thay đổi mà chi chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Công và công suất: Công được xác định là tích của lực và khoảng cách tác dụng của lực đó. Đơn vị đo cùa công là N.m hoặc ft.lb ,... Ví dụ, nếu muốn dịch chuyển 50 pound trên khoảng cách 10 ft, công tối thiểu cần thực hiện là: w = F X D = 50 lb X 10 ft = 500 ft-lb Công suất được xác định là tốc độ thực hiện công trên một đom vị thời gian. p = W/T = (F X D)/T, (3) Mà ỉự r Trong hầu hết các tính toán công và năng lượng, đơn vị N.m hay ft.lb thường quá nhỏ, do đó người ta đưa ra đon vị công suất là mã lực Hp hoặc kW. Một mã lực tương đương với 33000ft.lb/min. Công thức tính công suất lúc đó sẽ là: p -_ G ^ _
Chương 3 NHIỆT Đ ộ VÀ ÁP SUÁT 3.1. CÁC ĐƠN VỊ ĐO NHIỆT ĐỘ Cường độ nhiệt được đo qua nhiệt kế và được biểu thị trên thang đo của các nhiệt kế. Thang đo này có thể là Fahrenheit (F), Celsius (C) hoặc Kenvil (K). Các thang đo nhiệt độ theo độ c hoặc độ F được dùng rộng rãi trong kỹ thuật lạnh và điều hoà không khí. Trên thang đo độ F, độ không tuyệt đối là - 460°F, và ở thang đo độ c là -273°c. Khoảng cách giữa hai độ liên tiếp trên thang độ c gấp 1,8 lần trên thang đo độ F. Khi chuyển đổi thang đo từ độ c sang độ F, cần tính theo công thức: ĐỘF = (ĐỘ Cx 1,8)+ 32 Trong kỹ thuật lạnh và điều hoà không khí, thường quan tâm đến 5 dạng nhiệt độ: (1) nhiệt độ tới hạn, (2) nhiệt độ bão hoà, (3) nhiệt độ bầu khô, (4) nhiệt độ bầu ướt, (5) nhiệt độ điểm sương. Ngoài ra, cần chú ý đến độ giảm nhiệt độ bầu ướt của không khí. 3.2. N H IỆ T Đ ộ T Ớ I HẠN Nhiệt độ tới hạn của một chất bất kỳ là nhiệt độ cao nhất, tại đó trạng thái hơi có thể được chuyển sang trạng thái lỏng bất kể ở áp suất tác dụng nào. Đối với kỹ thuật lạnh và điều hoà không khí, nhiệt độ ngưng tụ phải được duy trì thấp hơn nhiệt độ tới hạn. Nếu trạng thái hơi đạt tới nhiệt độ tới hạn, sẽ không chịu nén và không chuyển sang trạng thái lỏng. Nhiệt độ ngưng tụ càng cao thì sự quá tải đối với máy nén càng lớn, năng lượng tiêu thụ càng cao và hạn chế quá trình làm lạnh. 3.3. NHIỆT Đ ộ BÃO HOÀ Trong kỹ thuật lạnh và điều hoà không khí, nhiệt độ bão hoà được sừ dụng khi cần kiểm tra áp suất môi chất lạnh và nhiệt độ bên trong hệ thống. Đây là điều kiện cả nhiệt độ và áp suất, mà tại đó trạng thái lỏng và trạng thái hơi có thể cùng tồn 20
tại. Khi có điều kiện này, trạng thái lỏng và trạng thái hơi tồn tại ờ nhiệt độ và áp suat hoá hơi (sụ- hoá hơi và ngung tụ ở điều kiện đẳng áp - đằng nhiệt). Nhiệt độ bão hoà tăng khi tăng áp suất, và giảm khi giảm áp suất. N hiệt độ điểm sương Nhiệt độ, tại đó hơi ẩm từ không khí bắt đầu ngưng tụ, được gọi là nhiệt độ điểm sương. Lượng hơi nước có trong không khí luôn không đổi ở từng nhiệt độ điểm sương, do đó có thể xác định lượng ẩm với lượng không khí cho truớc bàng cách đo nhiệt độ điểm suơng và vẽ đồ thị tương ứng. Tại nhiệt độ điểm sương, không khí có độ ẩm tương đối là 100%, không khí được coi là ở nhiệt độ bão hoà. Khi nhiệt độ điểm sương không đổi, lượng ẩm trong không khí cũng không đồi. 3.4. ÁP SUÁT VÀ ĐO ÁP SUÁT Áp suất tác dụng lên môi chất lạnh trong hệ thống lạnh xác định nhiệt độ hoá hơi và nhiệt độ ngưng tụ của chất đó. Nhiệt độ tại đó chất lỏng sẽ sôi với áp suất tương ứng. Khi thay đồi áp suất, nhiệt độ sôi của chất lỏng cũng thay đổi. Áp suất tăng, nhiệt độ hoá hơi (sôi) cũng tăng, và ngược lại, áp suất giảm nhiệt độ sôi cũng giảm. Đây là cơ sờ trong các hệ thống lạnh kiểu nén. Có ba dạng áp suất cần quan tâm trong hệ thống lạnh là: áp suất khí quyền', áp suất tương đổi và áp suất tuyệt đối. Á p suất k h í quyển Áp suất khí quyển là áp suất do khí quyển tác dụng lên mọi vật thể trên mặt đất. áp suất này chỉ thay đổi khi thay đổi thời tiết hoặc bề dày của lớp khí quyển cho trước bất kỳ. Nói chung, áp suất trung bình của khí quyển là 14,7 Psi (103 kPa) ở mực nước biển. Khi độ cao thay đồi, áp suất khí quyển cũng thay đổi. Trong áp kế thông dụng, áp suất khí quyển đuợc xác định theo chiều cao của cột thuỷ ngân, có thể đo theo inch (in) hoặc milimét (mm). Khi lên núi, chiều dày của lớp khí quyển giảm bớt, do đó áp suất tác dụng lên cột thuỷ ngân sẽ giảm. Sự giảm áp suất làm cho nước hoá hơi ở nhiệt độ thấp hơn. Á p suất áp kế Áp suất áp kế là áp suất đo được khi không nối với nguồn áp suất nào, sổ đo này thường được ghi là 0 (Zero), Psig (mức chuẩn áp kế). Áp suất dưới mức chuẩn áp kế có thể được đo theo in hoặc mm được gọi là áp suất chân không (áp suất thấp). 21