Giáo trình nghề Điện công nghiệp - Kỹ thuật lạnh
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ THƯƠNG MẠI
GIÁO TRÌNH
KỸ THUẬT LẠNH
NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP
Ban hành kèm theo Quyết định số:
/QĐ-CĐCN&TM, ngày tháng năm 2018
của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Công nghiệp và Thương mại
Vĩnh Phúc, năm 2018
1
MỤC LỤC
Bài 1: Cơ sở kỹ thuật lạnh……………………………………………………….4
1.1. Khái quát chung về kỹ thuật lạnh……………………………………………..4
1.2. Các định luật nhiệt động lực học……………………………………………...6
1.3. Các phương pháp làm lạnh nhân tạo………………………………………...19
1.4. Môi chất lạnh và chất tải lạnh………………………………………………24
Bài 2: Các chu trình máy lạnh nén hơi………………………………………...32
2.1. Chu trình máy lạnh nén hơi 1 cấp…………………………………………...32
2.2. Chu trình máy lạnh nén hơi hai hay nhiều cấp………………………………35
2.3. Khảo sát hoạt động của các chu trình máy lạnh nén………………………...35
Bài 3: Máy nén lạnh và các thiết bị trong hệ thống lạnh…………………….37
3.1. Khái quát chung……………………………………………………………..37
3.2. Các loại máy nén lạnh thường gặp………………………………………….37
3.3. Thiết bị ngưng tụ…………………………………………………………….44
3.4. Thiết bị bay hơi ……………………………………………………………..46
3.4. Thiết bị tiết lưu ……………………………………………………………...47
3.5. Các thiết bị phụ khác ………………………………………………………..50
Bài 4: Các thiết bị lạnh gia dụng……………………………………………….55
4.1. Tủ lạnh và máy lạnh gia dụng……………………………………………….55
4.2. Điều hòa không khí………………………………………………………….77
2
TÊN MÔ ĐUN: KỸ THUẬT LẠNH
Mã môn học: MĐTC16030020
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:
- Mô đun này là mô đun cơ sở kỹ thuật chuyên ngành, chuẩn bị các kiến thức
cần thiết cho các phần học chuyên môn tiếp theo. Mô đun này học sau các môn học:
An toàn lao động; Vật liệu điện; Đo lường điện; Mạch điện; máy điện.
- Là mô đun thuộc mô đun đào tạo nghề Điện công nghiệp.
- Trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật nhiệt - lạnh
và điều hòa không khí.
Mục tiêu của môn học:
- Hiểu biết về chất môi giới trong hệ thống lạnh và điều hòa không khí, cấu tạo và
nguyên lý hoạt động của máy lạnh, cấu trúc cơ bản của hệ thống lạnh và điều hòa
không khí.
- Tra được bảng các thông số trạng thái của môi chất, sử dụng được đồ thị, biết
chuyển đổi một số đơn vị đo và giải được một số bài tập đơn giản.
- Rꢀn luyện tính cẩn thận, tꢁ mꢁ, chính xác, tư duy khoa học, an toàn và tiết kiệm.
Nội dung của mô đun:
Thời gian (giờ)
Thực
hành, thí
STT
Tên chương, mục
Lý
nghiệm, Kiểm
Tổng số
thuyết
thảo
luận, bài
tập
tra
1
Bài 1: Cơ sở kỹ thuật lạnh
1.1. Khái quát chung về kỹ thuật
lạnh
6
6
0
1.2. Các định luật nhiệt động lực
học
1.3. Các phương pháp làm lạnh
nhân tạo
1.4. Môi chất lạnh và chất tải
lạnh
2
Bài 2: Các chu trình máy lạnh
nén hơi
18
12
5
1
2.1. Chu trình máy lạnh nén hơi 1
cấp
2.2. Chu trình máy lạnh nén hơi
hai hay nhiều cấp
3
2.3. Khảo sát hoạt động của các
chu trình máy lạnh nén
Bài 3: Máy nén lạnh và các
thiết bị trong hệ thống lạnh
3.1. Khái quát chung
3.2. Các loại máy nén lạnh thừng
gặp
3
18
6
12
3.3. Thiết bị ngưng tụ
3.4. Thiết bị bay hơi
3.4. Thiết bị tiết lưu
3.5. Các thiết bị phụ khác
Bài 4: Các thiết bị lạnh gia
dụng.
4
18
60
6
10
27
2
3
4.1. Tủ lạnh và máy lạnh gia
dụng
4.2. Điều hòa không khí
Cộng
30
4
Bài 1: Cơ sở kỹ thuật lạnh
1.1. Khái quát chung về kỹ thuật lạnh
Mục tiêu: - Giới thiệu ý nghĩa của kỹ thuật lạnh trong đời sống và kỹ thuật
- Ứng dụng lạnh trong bảo quản thực phẩm
Lꢂnh vực ứng dụng quan trọng nhất của kỹ thuật lạnh là bảo quản thực phẩm.
Theo một số thống kê thì khoảng 80% năng suất lạnh được sử dụng trong công nghiệp
bảo quản thực phẩm ôi thiu do vi khuẩn gây ra. Nước ta là một nước nhiệt đới cꢃ thời
tiết nꢃng và ấm nên quá trình ôi thiu thực phẩm xảy ra càng nhanh.
Muốn làm ngừng trệ hoặc làm chậm quá trình ôi thiu, phương pháp cꢃ hiệu
quả và kinh tế nhất là bảo quản lạnh. Giả sử sữa 350C cꢃ một mầm vi khuẩn thì chꢁ 6
giờ sau số mầm vi khuẩn đꢄ tăng lên 600 lần, sữa đꢃ chꢁ cꢃ thể bảo quản trong vòng
một ngày. ꢅ nhiệt độ 150C ta cꢃ thể bảo quản sữa được khoảng 3 ngày và nếu ở 50C
thời gian bảo quản cꢃ thể được hơn 4 ngày và đến ngày thứ 4 cꢆng chꢁ cꢃ khoảng 4,5
mầm vi khuẩn.
Quá trình ôi thiu các loại thực phẩm khác cꢆng gần như vậy. Theo kinh
nghiệm thì thời gian bảo quản là một hàm mꢆ của nhiệt độ. Sau đây là thời gian bảo
quản của một số thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ.
Nhiệt độ bảo quản
Cá
–300C –200C
–100C
00C
15
30
7
100C
200C
230
2300
800
110
1000
230
40
7
3
8
2
Thịt bò
100
70
16
5
Gia cầm
Thực ra, thời gian bảo quản còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ ẩm,
phương pháp bao gꢃi, thành phần không khí nơi bảo quản..., nhưng nhiệt độ đꢃng vai
trò quan trọng nhất.
Ngày nay, công nghiệp thực phẩm như chế biến thịt cá rau quả, công nghiệp đánh bꢇt
hải sản dài ngày trên biển không thể phát triển nếu không cꢃ sự hꢈ trợ tích cực của kỹ
thuật lạnh. Các kho lạnh bảo quản, các kho lạnh chế biến, phân phối các máy lạnh
thương nghiệp đến các tủ lạnh gia đình, các nhà máy sản xuất nước đá, máy lạnh lꢇp
đặt trên tàu thủy và các phương tiện vận tải, các máy lạnh đông nhanh thực phẩm
không còn xa lạ với chúng ta, kể cả các ngành công nghiệp rượu bia, bánh, kꢉo, kem,
nước uống, công nghiệp sữa, nước hoa quả…
1.1.1. Ứng dụng lạnh trong sấy thăng hoa
Vật sấy được làm lạnh đông xuống –200C và được sấy bꢊng cách hút chân không nên
sấy thăng hoa là một phương pháp sấy hiện đại hầu như không làm giảm chất lượng
của vật sấy. Nước được rút ra gần như hoàn toàn và sản phẩm trở thành dạng bột, bảo
quản và vận chuyển dꢋ dàng. Giá thành sấy thăng hoa cao do đꢃ người ta chꢁ ứng dụng
cho những sản phẩm quý và hiếm như những dược liệu từ hoa, cây, quả,... những sản
phẩm y dược dꢋ biến đổi chất lượng do tác động của nhiệt độ như máu, các loại thuốc
tiêm, hoꢃc môn hoặc trong công nghệ nuôi cấy vi khuẩn....
5
1.1.2. Ứng dụng lạnh trong công nghiệp hóa chất
Những ứng dụng quan trọng trong công nghiệp hꢃa chất là sự hꢃa lꢌng khí
bao gồm hꢃa lꢌng các chất khí là sản phẩm của công nghiệp hꢃa học như clo, amôniꢇc,
cácbôníc, sunfurơ, clohyđric, các loai khí đốt, các loại khí sinh học...
Hꢃa lꢌng và tách khí từ các thành phần của không khí là ngành công nghiệp
cꢃ ý nghꢂa rất to lớn đối với ngành luyện kim, chế tạo máy và các ngành kinh tế khác
kể cả y học và sinh học. Ôxy và nitơ được sử dụng ở nhiều lꢂnh vực khác nhau như
hàn, cꢇt kim loại, sản xuất phân đạm, làm chất tải lạnh... Các loại khí trơ như hêli và
agôn... được sử dụng trong nghiên cứu vật lý, trong công nghiệp hꢃa chất và sản xuất
bꢃng đꢀn.
Việc sản xuất vải, sợi, tơ, cao su nhân tạo, phim ảnh đòi hꢌi sự hꢈ trợ tích cực
của kỹ thuật lạnh trong quy trình công nghệ. Thí dụ, trong quy trình sản xuất tơ nhân
tạo, người ta phải làm lạnh bể quay tơ xuống nhiệt độ thấp đúng yêu cầu công nghệ thì
chất lượng tơ mới đảm bảo.
Cao su và các loại chất dꢍo khi hạ nhiệt độ xuống đủ thấp chúng sꢎ trở nên
giòn và dꢋ vꢏ như thủy tinh. Nhờ đặc tính này người ta cꢃ thể bột cao su mịn. Khi hòa
trộn với bột sꢇt để tạo cao su từ tính hoặc hòa trộn với phụ gia nào đꢃ, cꢃ thể đạt được
độ đồng đều rất cao.
Các phản ứng hꢃa học trong công nghiệp hꢃa học cꢆng phụ thuộc rất nhiều
vào nhiệt độ. Nhờ cꢃ kỹ thuật lạnh người ta cꢃ thể chủ động điều khiển được tốc độ
các phản ứng hꢃa học.
1.1.3. Ứng dụng lạnh trong điều hòa không khí
Một lꢂnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật lạnh là điều hòa không khí.
Ngày nay, người ta không thể tách rời kỹ thuật điều hòa không khí với các ngành như
cơ khí chính xác, kỹ thuật điện tử và vi điện tử, kỹ thuật phim ảnh, máy tính, máy in
ấn, sợi dệt, dược phẩm, kỹ thuật quang học...
Để đảm bảo chất lượng cao của các sản phẩm, để đảm bảo các máy mꢃc, thiết
bị làm việc bình thường cần cꢃ những yêu cầu nghiêm ngặt về các điều kiện và thông
số của không khí như: thành phần, độ ẩm, nhiệt độ, độ chứa bụi và các loại hꢃa chất
độc hại... Kỹ thuật lạnh và đặc biệt là bơm nhiệt cꢃ thể giúp chúng ta khống chế các
yêu cầu đꢃ.
Điều hòa không khí cꢆng đꢃng vai trò quan trọng trong các ngành công
nghiệp nhꢉ nhꢊm đảm bảo chất lượng sản phẩm như công nghiệp dệt, vải, sợi, thuốc
lá. Ví dụ, ở một nhà máy thuốc lá, nếu độ ẩm quá thấp khi quấn, sợi thuốc sꢎ bị rời và
điếu thuốc bị rꢈng, ngược lại nếu độ ẩm quá cao thì điếu thuốc sꢎ quá chặt, không
cháy và dꢋ bị mốc...
ꢅ các nước tiến tiến, các chuồng trại chăn nuôi của công nghiệp sản xuất thịt
sữa được điều hòa không khí để cꢃ thể đạt được tốc độ tăng trưởng cao nhất, vì gia súc
và gia cầm cần cꢃ khoảng nhiệt độ và độ ẩm thích hợp để tăng trọng và phát triển.
6
Ngoài khoảng nhiệt độ và độ ẩm đꢃ, quá trình phát triển và tăng trọng giảm xuống, và
nếu vượt qua giới hạn nhất định chúng cꢃ thể bị sút cân hoặc bệnh tật.
Một trong những nội dung nâng cao đời sống con người là tạo cho con người điều kiện
khí hậu thích hợp để sống và lao động. Điều hòa không khí công nghiệp và dân dụng
đꢄ trở nên quen thuộc với những người dân các nước phát triển. Nhiệt độ, độ ẩm và
các thông số không khí quanh năm trong phòng hoàn toàn phꢐ hợp với cơ thể con
người. Cꢆng chính ở điều kiện đꢃ, con người cꢃ khả năng lao động sáng tạo cao nhất.
1.1.4. Ứng dụng trong kỹ thuật đo và tự động
ꢑp suất bay hơi của một chất lꢌng luôn luôn phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi áp
suất tăng, nhiệt độ tăng và khi áp suất giảm nhiệt độ giảm.
Hiệu ứng nhiệt điện nꢃi lên sự liên quan giữa nhiệt độ và cường độ dòng điện của hai
dây dꢒn khác tính. Khi cho một dòng điện chạy qua một dây dꢒn gồm hai dây khác
tính (cặp nhiệt điện) một đầu nối sꢎ nꢃng lên đầu kia lạnh đi. ꢓng dụng những quan hệ
trên người ta cꢃ thể tạo ra các ứng dụng đo đạc nhiệt độ, áp suất hoặc các dụng cụ tự
động điều chꢁnh, bảo vệ trong kỹ thuật đo và tự động.
1.1.5. Ứng dụng trong thể dục thể thao
Trong thể dục, thể thao hiện đại, nhờ cꢃ kỹ thuật lạnh người ta cꢃ thể tạo ra
các sân trượt băng, các đường đua trượt băng và trượt tuyết nhân tạo cho các vận động
viên luyện tập hoặc cho các đại hội thể thao ngay cả khi nhiệt độ không khí còn rất
cao. Trong một cung thể thao, người ta cꢃ thể sử dụng máy lạnh giải quyết hai nhu cầu
đồng thời về nꢃng và lạnh. Thí dụ năng suất lạnh của máy dꢐng để duy trì sân trượt
băng còn năng suất nhiệt lấy ra từ dàn ngưng cꢃ thể dꢐng để sưởi ấm bể bơi, đun nước
nꢃng tꢇm rửa trong mꢐa đông....
1.2. Các định luật nhiệt động lực học
1.2.1. Định luật nhiệt động thứ nhất.
1.2.1.1. Nội dung định luật:
Thực chất của định luật nhiệt động thứ nhất là định luật bảo toàn và biến hoá năng
lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt, định luật được phát biểu:
“ Năng lượng không tự mất đi cꢆng không tự tạo ra, mà nꢃ chꢁ cꢃ thể biến đổi từ
dạng này sang dạng khác trong các quá trình lý hꢃa khác nhau mà thôi”. Hay nꢃi cách
khác: tổng năng lượng toàn phần trong hệ cô lập là không đổi.
Trong phạm vi nhiệt động, một lượng nhiệt năng nào đꢃ bị mất đi tất yếu sꢎ sinh ra
một lượng cơ năng xác định và ngược lại.
1.2.1.2. Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất
Xét 1 khối khí bất kỳ khi ta cung cấp cho nꢃ một nhiệt lượng vô cꢐng nhꢌ dQ thì nꢃ
sꢎ thay đổi nội năng dU và sinh ra một công tương ứng là dL.
Theo định luật bảo toàn:
dQ = dU + dL
Khi tính cho 1 kg:
dq = du +dl
(1-1)
7
dq = du + pdv
(1-2)
dq = du + d(pv) – vdp
Hay
dq = d(u + pv) - vdp
với
i = u + pv :enthalpy
dq = di – vdp
(1-3)
Từ (4-4) suy ra:
dq = cvdT + pdv
Tích phân:
q = u + l
Từ (4-5) suy ra:
dq = cpdT - vdp
Tích phân:
q = i +lkt
(l: công thay đổi thể tích)
(1-4)
( lkt :công kỹ thuật)
(1-5)
,
Công thức là phương trình của định luật nhiệt động thứ nhất cho hệ kín và hệ hở.
1.2.1.3. Công thay đổi thể tích:
Là công sinh ra khi thể tích chất môi giới thay đổi. Ký hiệu l (J/kg)
xilanh
p
1 kg
p
p
dv
v2
dx
v
Piston có diện tích S
v1
Cho 1kg chất môi giới vào trong xilanh với áp suất p, trên đꢃ đặt một piston cꢃ
diện tích S. Khi ta cung cấp cho chất môi giới một nhiệt lượng vô cꢐng bé là dp, chất
môi giới giꢄn nở làm piston dịch chuyển một đoạn nhꢌ dx. Vậy công sinh ra tương ứng
lúc này sꢎ là:
dl = p.S.dx
dl = p.dv
Khi quá trình tiến hành từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 thì:
2
pdv
, (J/kg)
(1-6)
l =
1
l > 0 khi chất môi giới giꢄn nở
l < 0 khi chất môi giới nén
Nếu tính cho G kg thì:
2
pdv , (J)
(1-7)
L = G.l = G
1
1.2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản cũa khí ly tưởng:
8
1.2.2.1: Khái niệm: Trong thực tế kỹ thuật xảy ra rất nhiều các quá trình nhiệt động
khác nhau, những quá trình nhiệt động cơ bản thường gặp là: quá trình đẳng tích, quá
trình đẳng áp, quá trình đẳng nhiệt, quá trình đoạn nhiệt, quá trình đa biến. Các quá
trình đꢃ xảy ra sự biến hꢃa năng lượng dưới dạng nhiệt, công, nội năng,…
ꢅ đây ta nghiên cứu đặc tính các quá trình, xác lập biểu thức quan hệ các thông số,
tính toán các dạng năng lượng cho từng quá trình.
1.2.2.2: Độ biến thiên enthalpy: i (J/kg)
Định nghꢂa: i = u + pv
Hay: i = u + RT
Vi phân: di = du + RdT
di = cvdT + RdT
di = cpdT
Tích phân 2 vế từ trạng thái 1 2, ta được:
i = cp(T2 – T1)
(1-8)
1.2.2.3. Độ biến thiên entropy: s (J/kg.độ)
Định nghꢂa:
dq
ds =
T
du pdv
p
R
v
Hay : ds =
, với pv = RT
T
T
dT
T
dv
v
ds = cv
R
Tích phân 2 vế đi từ trạng thái 1 2, ta được:
T2
s = cv ln Rln
T1
v2
v1
(1-9)
1.2.2.4. Quá trình đẳng tích: (v = const)
- Quan hệ các thông số:
(1) p1v = RT1 (a)
(2) p2v = RT2 (b)
- Độ biến thiên entropy:
Tổng quát:
T2
T1
P
2
(1-10)
P
1
T2
s = cv ln Rln
T1
v2
v1
Vì quá trình đẳng tích cꢃ :v2 = v1
T2
s = cv ln
T1
(1-11)
- Công giꢄn nở: l (J/kg)
9
2
Ta có: l = pdv , vì : v2 = v1
1
l = 0
- Công kỹ thuật: lkt (J/kg)
2
Ta có: lkt = - vdp
1
Tích phân:
lkt = v(p1-p2)
p
T
Hay:
lkt = R(T1 – T2)
- Nhiệt lượng: q (J/kg)
Từ định luật 1:
s
v
q = u + l mà l = 0
q = u = cv(T2 – T1)
Hệ số biến hꢃa năng lượng : là tꢁ số giữa độ biến thiên nội năng và nhiệt lượng
tham gia quá trình (biết tꢁ lệ các dạng năng lượng trong quá trình)
u
q
v =
= 1
(1-12)
Giá trị 1: Nꢃi lên quá trình đẳng tích nhiệt lượng tham gia chꢁ để biến thiên nội
năng, hoàn toàn không sinh công.
1.2.2.5. Quá trình đẳng áp: (p = const)
- Quan hệ các thông số:
(1) pv1 = RT1 (a)
(2) pv2 = RT2 (b)
- Độ biến thiên entropy:
Tổng quát:
(1-13)
T2 v2
T1 v1
T2
s = cv ln Rln
T1
v2
v1
T2 v2
Vì quá trình đẳng áp cꢃ:
T1 v1
T2
s = ( cv + R) ln
T
1
T2
s = cp ln
(1-14)
T
1
- Công giꢄn nở: l (J/kg)
2
Ta có: l = pdv
1
l = p(v2 - v1)
10
hay
l = R(T2 – T1)
(1-15)
- Công kỹ thuật: lkt (J/kg)
2
Ta có: lkt = - vdp , vì : p1 = p2
1
lkt = 0
- Nhiệt lượng: q (J/kg)
Từ định luật 1:
q = u + l
q = cv(T2 – T1) + R(T2 – T1)
q = cp(T2 – T1)
(1-16)
p
T
2v
v
s
- Hệ số biến hꢃa năng lượng :
cv
T2 T1
u
q
1
Ta có: =
cp
T2 T1
k
7
5
Nếu chất môi giới là khí 2 nguyên tử thì : k=1,4
5
7
5
7
=
: để biến thiên nội năng.
2
7
: để sinh công.
1.2.2.6. Quá trình đẳng nhiệt: (T = const)
Đối với quá trình đẳng nhiệt:
u = 0
i = 0
vì : T2 = T1
p2 v1
- Quan hệ các thông số:
(1) p1v1 = RT = const
(2) p2v2 = RT = const
(1-17)
p1 v2
Tổng quát:
pv = const
(1-18)
- Độ biến thiên entropy:
Tổng quát:
11
T2
s = cv ln Rln
T1
v2
v1
T2
Vì quá trình đẳng nhiệt cꢃ: cv.ln = 0
T1
v2
s = Rln
v1
(1-19)
p1
Hay :
s = Rln
p2
- Công giꢄn nở: l (J/kg)
2
Ta có: l = pdv
1
RT const
pv = RT p =
=
v
v
2 dv
l = RT
v
1
v2
p1
p2
Tích phân: l = RT ln RT ln
v1
v2
p1
p2
Hay:
l = p1v1 ln p2v2 ln
(1-20)
v1
- Công kỹ thuật: lkt (J/kg)
2
Ta có: lkt = - vdp
1
RT
p
pv = RT
lkt = - RT ln
v =
p2
p1
p2
RT ln
p1
v2
v1
Hay lkt = RT ln
(1-21)
(1-22)
Vậy đối với quá trình đẳng nhiệt ta có: lkt = l.
- Nhiệt lượng: q (J/kg)
Từ định luật 1:
q = u + l
mà: (u = 0)
v2
p1
p2
q = l = RT ln RT ln
v1
p
T
v
s
12
1.2.2.7. Quá trình đoạn nhiệt: là quá trình chất môi giới tiến hành hoàn toàn không trao
đổi nhiệt với môi trường bên ngoài.
Tổng quát :
q = 0 và dq = 0
- Phương trình của quá trình:
Từ định luật 1:
dq = cvdT + pdv = 0
Từ phương trình trạng thái:
pv = RT
Vi phân 2 vế:
(a)
pdv + vdp = RdT
pdv vdp
dT =
R
Thay dT vào (a):
cv
(pdv+vdp) + pdv = 0
R
cv
cv
hay
pdv( +1) + vdp = 0
R
R
cppdv + cvvdp = 0
Chia tất cả cho: cv
k.p.dv + vdp = 0
Tích phân 2 vế:
(b)
Phương trình của quá trình đoạn nhiệt sꢎ là:
pvk = const
(1-23)
(b)
k.pdv = - vdp
Tích phân:
vdp
k = -
pdv
Hay :
k.l = lkt
(1-24)
Điều này cho thấy rꢊng đối với quá trình đoạn nhiệt công kỹ thuật sꢎ bꢊng k lần
công thay đổi thể tích.
- Độ biến thiên entropy: (s)
dq
Định nghꢂa
ds =
(mà dq = 0)
T
ds = 0
s = const
s = 0
Quá trình đoạn nhiệt còn gọi là quá trình đẳng entropy.
13
-Độ biến thiên nội năng: (u)
u = cv (T2 - T1)
-Độ biến thiên enthanpy: (i)
i = cp (T2 - T1)
- Quan hệ các thông số:
(1)
(2)
p1v1 = RT1 ; p1 v1k = const
p2v2 = RT2 ;p2 v2k = const
(c)
(d)
1
k
k
p2
p1
v1
v2
v2
v1
p1
p2
(c) và (d)
,
(e)
1
k 1
k
k
T2 p2 v2
p
p
p
2 1
2
(c)(d) và (e)
T
p1 v1
p1 p2
p1
1
k
k1
T2 v2 v1
v1
v2
T1 v1 v2
k1
k
k1
T2
T1
p
v1
v2
2
(1-25)
(f)
p1
- Công giꢄn nở: l (J/kg)
2
Ta có: l = pdv
1
Từ (2-24) và (c):
p1v1k const
p =
vk
vk
2
(f) l = p1v1k vk dv
1
Tích phân:
p1v1k
2
1
l =
vk1
k 1
p1v1k
v1k1 v2k1
l =
l =
k 1
1
p1v1 p2v2
(1-26)
k 1
R
Hay l =
T1 T2
(1-27)
k 1
l = cv (T1 – T2) = - u
p
T
v
s
14
k1
k
p1v1
p
2
Từ (4-27) l =
1
(1-28)
k 1
p1
1.2.2.8. Quá trình đa biến:
Trong trường hợp tổng quát ta nghiên cứu quá trình cꢃ = const, quá trình như vậy
được gọi là quá trình đa biến, với mꢈi giá trị ta cꢃ một quá trình đa biến tương ứng.
- Phương trình của quá trình:
u
Ta có: =
= const
q
u
q =
cv
Vi phân: dq = dT
cv
Đặt:
cn =
: nhiệt dung riêng đa biến
dq = cn.dT
dq = cvdT + pdv
dq = cpdT – vdp
(a)
Từ định luật 1:
(b)
Và:
(c)
(d)
(e)
Từ (a) và (c) (cn – cp) dT = - vdp
Từ (a) và (b) (cn – cv) dT = pdv
Chia (d) cho (e):
cn cp
cn cv
vdp
pdv
cn cp
cn cv
Đặt n =
: số mꢆ đa biến
n.pdv + vdp = 0
(g)
Tích phân:
pvn = const
(1-29)
(1-29) là phương trình của quá trình đa biến
- Quan hệ các thông số: Tương tự quá trình đoạn nhiệt ta cꢆng cꢃ:
n1
n
n1
T2
T1
p
v1
v2
2
(1-30)
p1
- Công giꢄn nở: l (J/kg)
1
p1v1 p2v2
l =
l =
n 1
R
T1 T2
n 1
(1-31)
n1
n
RT
p
1
2
l =
1
n 1
p1
15
- Công kỹ thuật:
lkt = n.l
(1-32)
Vậy công kỹ thuật bꢊng n lần công thay đổi thể tích.
- Nhiệt lượng:
2
q =
cn dT
1
q = cn(T2 – T1)
cn cp
mà
n =
cn cv
n k
n 1
cn = cv
n k
n 1
nên :
q = cv
(T2 – T1)
(1-33)
- Độ biến thiên entropy:
dq
T
dT
T
ds =
cn
T2
s = cn ln
(1-34)
n = ±
T1
p
n=k
T
n=±
n = k
n=0
n=1
n=0
n=1
s
v
- Khi n = 0
- Khi n =1
- Khi n = k
(1-34) cꢃ: p = const
(1-34) có: T = const
(1-34) có: pvk = const quá trình đoạn nhiệt
quá trình đẳng áp
quá trình đẳng nhiệt
- Khi n (1-34) có: v = const
quá trình đẳng tích
1.2.3. Định luật nhiệt động thứ hai:
Định luật nhiệt động thứ hai là định luật xác định khả
năng (điều kiện) và chiều hướng xảy ra của các quá
trình.
A
Xác định rꢊng: Mọi quá trình tự nhiên đều là các quá
trình tự phát (quá trình không thuận nghịch) biến đổi từ
trạng thái không cân bꢊng đến trạng thái cân bꢊng.
Trong quá trình biến đổi này cho phép ta nhận năng
lượng cꢃ ích và khi đꢄ ở trạng thái cân bꢊng rồi tự nꢃ
B
16
không thể biến đổi ngược lại. Muốn đổi ngược lại nꢃ phải tiêu tốn một năng lượng từ
bên ngoài.
A: Trạng thái không cân bꢊng
B: Trạng thái cân bꢊng
Đi từ A đến B: tự nhiên
Đi từ B đến A: cần năng lượng từ ngoài.
Định luật được rút ra từ thực nghiệm và cꢃ thể phát biểu bꢊng các cách như sau:
+ Nhiệt lượng luôn đi từ nơi cꢃ nhiệt độ cao đến nơi cꢃ nhiệt độ thấp. (Muốn làm
ngược điều này ta phải tiêu hao một năng lượng)
+ Không thể cꢃ máy nhiệt chạy tuần hoàn cꢃ khả năng biến đổi toàn bộ nhiệt cấp
cho máy thành công mà không mất một phần nhiệt truyền cho vật khác. (l < q1)
1.2.3.1. Định nghꢂa về chu trình.
Trong các máy nhiệt để sinh công một cách liên tục, chất môi gới sau khi giꢄn nở
cần phải tạo ra quá trình để đưa chất môi giới về trạng thái ban đầu. Nꢃ cꢃ nghꢂa là
chất môi giới phải tạo các quá trình kín, hay nꢃi cách khác là nꢃ thực hiện một chu
trình.
a) Chu trình thuận chiều.
Chu trình thuận chiều là chu trình bao gồm các quá trình cꢃ chiều tiến hành theo
chiều kim đồng hồ. (Hình 1. a).
q1
p
p
a
a
1
1
q1
2
l>0
q2
l<0
2
b
q2
b
v
v
v1
v2
v1
v2
a)
b)
Hình 1.1: Chu trình thuận chiều và nghịch chiều
Chu trình này cꢃ đường cong giꢄn nở nꢊm trên đường cong nén nên công nhận
được cꢃ giá trị dương (l > 0). Các động cơ nhiệt đều làm việc theo kiểu này.
b) Chu trình nghịch chiều.
Chu trình nghịch chiều là chu trình bao gồm các quá trình cꢃ chiều tiến hành
ngược chiều kim đồng hồ. (Hình 1. b). Chu trình này cꢃ đường cong giꢄn nở nꢊm dưới
đường cong nén nên công của chu trình này cꢃ giá trị âm (l < 0). Các loại máy lạnh,
bơm nhiệt làm việc theo kiểu này.
c) Công của chu trình. (lct: J/kg)
Cꢃ thể tính công chu trình bꢊng các cách sau:
* Cách 1:
Ta có: d(pv) = pdv + vdp
d( pv) pdv vdp
Trong đꢃ tích số pv là hàm trạng thái nên:
17
d( pv) = 0
0 = pdv vdp
Với n quá trình:
n
n
0 =
l
l
i
KTi
n
i1
i1
n
lCT =
l
=
l
(1-35)
i
KTi
i1
i1
Công của chu trình bꢊng tổng công các quá trình.Cꢃ thể xác định theo tổng
công thay đổi thể tích hoặc tổng công kỹ thuật
Công của chu trình thuận chiều ở hình 1 a
lCT = l1a2 – l2b1
hay: lCT = dt(1.a.2.v2,v1) – dt(1.b.2.v2.v1)
lCT = dt(1a2b1) > 0
Công của chu trình nghịch chiều ở hình 1 b
lCT = l1b2 – l2a1
hay: lCT = dt(1.b.2.v2,v1) – dt(2.a.1v1.v2)
mà: dt(2.a.1.v1.v2) > dt(1.b.v2.v1)
lCT = dt(1b2a) < 0
* Cách 2:
Công chu trình tính theo nhiệt lượng:
Ta có: dq = du + pdv
dq du pdv
Với chu trình du 0
n
lCT =
q
(1-36)
i
i1
- Đối với chu trình thuận:
lCT = q1 - q2
- Đối với chu trình nghịch:
lCT = q1 - q2
c) Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh, hệ số bơm nhiệt.
* Hiệu suất nhiệt: Để đánh giá mức độ hoàn thiện của chu trình thuận chiều,
người ta đưa ra đại lượng gọi là hiệu suất nhiệt, kí hiệu: t
q1 q2
lCT
q1
t =
q1
q2
q1
t = 1
,
(1-37)
18
(0 ≤ t ≤ 1)
* Hệ số làm lạnh: Đối với chu trình ngược chiều, chu trình máy lạnh để đánh giá
mức độ hoàn thiện người ta đưa ra đại lượng gọi là hệ số làm lạnh. Còn đối với chu
trình bơm nhiệt ta cꢃ hệ số bơm nhiệt .
q2
q2
=
(1-38)
lCT
q1 q2
(: Cꢃ thể lớn hơn 1)
1.2.3.2. Chu trình Carnot.
a) Chu trình carnot thuận nghịch thuận chiều:
Là chu trình bao gồm 2 quá trình đẳng nhiệt và đoạn nhiệt xen kꢎ nhau. (cꢃ
chiều theo chiều kim đồng hồ).
- Quá trình đầu tiên là quá trình giꢄn nở đẳng nhiệt, chất môi giới hoàn toàn tiếp
xúc với nguồn nꢃng nên chất môi giới nhận nhiệt q1 từ nguồn nꢃng. (T1 = const)
- Quá trình thứ hai sꢎ là quá trình giꢄn nở đoạn nhiệt, chất môi giới đi từ nguồn
nóng T1 đến nguồn lạnh cꢃ nhiệt độ T2.
- Quá trình tiếp theo là quá trình nén đẳng nhiệt chất môi giới tiếp xúc hoàn toàn
với nguồn lạnh (T2 = const) đồng thời nhả nhiệt lượng q2 cho nguồn lạnh.
- Quá trình cuối sꢎ là quá trình nén đoạn nhiệt chất môi giới đi từ nguồn lạnh để
trở về nguồn nꢃng ứng với trạng thái ban đầu.
q1
T1=c
T
p
a
b
q1
a
T1
b
c
dq=0
T2
c
T2 =c
v
d
d
q2
q2
s
s
Hình 1.2: Đồ thị p-v và T-s chu trình Carnot thuận.
Hiệu suất nhiệt:
q2
Ta có: t = 1
q1
q1 = T1 (sb – sa) = T1(s)
q2= T2 sd -sc = T2s
T2
Vậy: t = 1
(1-39)
T1
Nhận xét:
- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot chꢁ phụ thuộc vào nhiệt độ của 2 nguồn
nꢃng và lạnh, không phụ thuộc vào tính chất của chất môi giới.
- Hiệu suất nhiệt càng lớn khi độ chênh nhiệt độ giữa hai nguồn nꢃng và lạnh
càng cao.
19
- Hiệu suất nhiệt 1 khi hoặc T2 0 hoặc T1 (điều này không thể xảy
- Hiệu suất nhiệt = 0 khi T2 = T1 hay nói cách khác khi chꢁ cꢃ một nguồn nhiệt
ra).
duy nhất.
b/ Chu trình Carnot thuận nghịch ngược chiều:
Tương tự chu trình carnot thuận, chu trình này cꢆng bao gồm 2 quá trình đẳng
nhiệt và đoạn nhiệt xen kꢎ nhau. (cꢃ chiều ngược chiều kim đồng hồ)
q1
T1=c
T
T1
p
a
b
q1
a
b
dq=0
T2
c
T2 =c
v
d
d
q2
q2
c
s
s
Hình 1.3: Đồ thị p-v và T-s chu trình Carnot ngược.
Hệ số làm lạnh:
q2
=
Ta có:
q1 q2
Tương tự:
q1 = T1s
q2 = T2 s
T2
Vậy: =
(1-40)
T1 T2
Nhận xét: của chu trình Carnot ngược cꢆng chꢁ phụ thuộc vào nhiệt độ T1, T2
không phụ thuộc vào tính chất của chất môi giới.
1.3. Các phương pháp làm lạnh nhân tạo
Từ lâu, con người đꢄ biết lợi dụng thiên nhiên để thꢌa mꢄn một phần nhu cầu
về lạnh của mình. ꢅ các nước ôn đới, người ta trữ nước đá trong các hầm cách nhiệt để
sử dụng cho mꢐa hꢀ. ꢅ các nước nhiệt đới, người cổ đại sử dụng các hang động cꢃ
mạch nước ngầm nhiệt độ thấp để bảo quản thực phẩm và lương thực. Tuy nhiên
những phương pháp này vꢒn được coi là làm lạnh tự nhiên, chưa phải là làm lạnh nhân
tạo.
Làm lạnh nhân tạo là các quá trình làm lạnh nhờ một phương tiện hoặc thiết bị
do con người tạo ra như một số phương pháp được trình bày sau đây:
1.3.1. Phương pháp bay hơi khuếch tán
Một thí dụ điển hình của bay hơi khuếch tán là nước bay hơi vào không khí.
Khi phun nước liên tục vào không khí khô cꢃ cꢐng nhiệt độ, nước sꢎ bay hơi khuếch
tán vào không khí và trạng thái không khí sꢎ biến đổi theo đường đẳng entanpy h =
const. Hình 2-1 biểu diꢋn quá trình làm lạnh bꢊng bay hơi khuếch tán nước vào không
khí khô trên đồ thị entanpy h – độ chứa hơi x của không khí ẩm.
Tải về để xem bản đầy đủ
140 trang
18740
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình nghề Điện công nghiệp - Kỹ thuật lạnh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_nghe_dien_cong_nghiep_ky_thuat_lanh.pdf
