Giáo trình Kỹ thuật lạnh (Nghề: Điện công nghiệp) - CĐ Công nghiệp và Thương mại

Chia sẻ: Ermintrudetran Ermintrudetran | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:140

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật lạnh cung cấp cho người học những kiến thức như: Cơ sở kỹ thuật lạnh; Các chu trình máy lạnh nén hơi; Máy nén lạnh và các thiết bị trong hệ thống lạnh; Các thiết bị lạnh gia dụng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật lạnh (Nghề: Điện công nghiệp) - CĐ Công nghiệp và Thương mại

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. - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, 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 tra luận, bài tập 1 Bài 1: Cơ sở kỹ thuật lạnh 6 6 0 1.1. Khái quát chung về kỹ thuật lạnh 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 18 12 5 1 nén hơi 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 3 Bài 3: Máy nén lạnh và các 18 6 12 thiết bị trong hệ thống lạnh 3.1. Khái quát chung 3.2. Các loại máy nén lạnh thừng gặp 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 4 Bài 4: Các thiết bị lạnh gia 18 6 10 2 dụng. 4.1. Tủ lạnh và máy lạnh gia dụng 4.2. Điều hòa không khí Cộng 60 30 27 3
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 Lĩnh 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 có thời tiết nóng 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 có hiệu quả và kinh tế nhất là bảo quản lạnh. Giả sử sữa 35 0C có một mầm vi khuẩn thì chỉ 6 giờ sau số mầm vi khuẩn đã tăng lên 600 lần, sữa đó chỉ có thể bảo quản trong vòng một ngày. Ở nhiệt độ 150C ta có thể bảo quản sữa được khoảng 3 ngày và nếu ở 50C thời gian bảo quản có thể được hơn 4 ngày và đến ngày thứ 4 cũng chỉ có khoảng 4,5 mầm vi khuẩn. Quá trình ôi thiu các loại thực phẩm khác cũng gần như vậy. Theo kinh nghiệm thì thời gian bảo quản là một hàm mũ của nhiệt độ. Sau đây là thời gian bảo quản của một số thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ bảo quản –300C –200C –100C 00C 100C 200C Cá 230 110 40 15 7 3 Thịt bò 2300 1000 100 30 16 8 Gia cầm 800 230 70 7 5 2 Thực ra, thời gian bảo quản còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ ẩm, phương pháp bao gói, thành phần không khí nơi bảo quản..., nhưng nhiệt độ đóng vai trò quan trọng nhất. Ngày nay, công nghiệp thực phẩm như chế biến thịt cá rau quả, công nghiệp đánh bắt hải sản dài ngày trên biển không thể phát triển nếu không có sự hỗ 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 lắp 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, kẹo, 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 bằng 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 dễ dàng. Giá thành sấy thăng hoa cao do đó người ta chỉ ứng dụng cho những sản phẩm quý và hiếm như những dược liệu từ hoa, cây, quả,... những sản phẩm y dược dễ biến đổi chất lượng do tác động của nhiệt độ như máu, các loại thuốc tiêm, hoóc 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 hóa chất là sự hóa lỏng khí bao gồm hóa lỏng các chất khí là sản phẩm của công nghiệp hóa học như clo, amôniắc, cácbôníc, sunfurơ, clohyđric, các loai khí đốt, các loại khí sinh học... Hóa lỏng và tách khí từ các thành phần của không khí là ngành công nghiệp có ý nghĩa 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 lĩnh vực khác nhau như hàn, cắt 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 hóa chất và sản xuất bóng đèn. Việc sản xuất vải, sợi, tơ, cao su nhân tạo, phim ảnh đòi hỏi sự hỗ 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 dẻo khi hạ nhiệt độ xuống đủ thấp chúng sẽ trở nên giòn và dễ vỡ như thủy tinh. Nhờ đặc tính này người ta có thể bột cao su mịn. Khi hòa trộn với bột sắt để tạo cao su từ tính hoặc hòa trộn với phụ gia nào đó, có thể đạt được độ đồng đều rất cao. Các phản ứng hóa học trong công nghiệp hóa học cũng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Nhờ có kỹ thuật lạnh người ta có thể chủ động điều khiển được tốc độ các phản ứng hóa học. 1.1.3. Ứng dụng lạnh trong điều hòa không khí Một lĩnh 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 móc, thiết bị làm việc bình thường cần có 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 hóa chất độc hại... Kỹ thuật lạnh và đặc biệt là bơm nhiệt có thể giúp chúng ta khống chế các yêu cầu đó. Điều hòa không khí cũng đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp nhẹ nhằm 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 sẽ bị rời và điếu thuốc bị rỗng, ngược lại nếu độ ẩm quá cao thì điếu thuốc sẽ quá chặt, không cháy và dễ bị mốc... Ở các nước tiến tiến, các chuồng trại chăn nuôi của công nghiệp sản xuất thịt sữa được điều hòa không khí để có thể đạt được tốc độ tăng trưởng cao nhất, vì gia súc và gia cầm cần có khoảng nhiệt độ và độ ẩm thích hợp để tăng trọng và phát triển.
6 Ngoài khoảng nhiệt độ và độ ẩm đó, quá trình phát triển và tăng trọng giảm xuống, và nếu vượt qua giới hạn nhất định chúng có 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 đã 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 phù hợp với cơ thể con người. Cũng chính ở điều kiện đó, con người có khả năng lao động sáng tạo cao nhất. 1.1.4. Ứng dụng trong kỹ thuật đo và tự động Áp suất bay hơi của một chất lỏng 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 nói lên sự liên quan giữa nhiệt độ và cường độ dòng điện của hai dây dẫn khác tính. Khi cho một dòng điện chạy qua một dây dẫn gồm hai dây khác tính (cặp nhiệt điện) một đầu nối sẽ nóng lên đầu kia lạnh đi. Ứng dụng những quan hệ trên người ta có thể tạo ra các ứng dụng đo đạc nhiệt độ, áp suất hoặc các dụng cụ tự động điều chỉnh, 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 có kỹ thuật lạnh người ta có 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 có thể sử dụng máy lạnh giải quyết hai nhu cầu đồng thời về nóng và lạnh. Thí dụ năng suất lạnh của máy dùng để duy trì sân trượt băng còn năng suất nhiệt lấy ra từ dàn ngưng có thể dùng để sưởi ấm bể bơi, đun nước nóng tắm rửa trong mùa 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 cũng không tự tạo ra, mà nó chỉ có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác trong các quá trình lý hóa khác nhau mà thôi”. Hay nói cách khác: tổng năng lượng toàn phần trong hệ cô lập là không đổi. Trong phạm vi nhiệt động, một lượng nhiệt năng nào đó bị mất đi tất yếu sẽ 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 nó một nhiệt lượng vô cùng nhỏ dQ thì nó sẽ thay đổi nội năng dU và sinh ra một công tương ứng là dL. Theo định luật bảo toàn: dQ = dU + dL (1-1) Khi tính cho 1 kg: dq = du +dl
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 (l: công thay đổi thể tích) (1-4) Từ (4-5) suy ra: dq = cpdT - vdp Tích phân: q = i +lkt , ( 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 dx dv v Piston có diện tích S v1 v2 Cho 1kg chất môi giới vào trong xilanh với áp suất p, trên đó đặt một piston có diện tích S. Khi ta cung cấp cho chất môi giới một nhiệt lượng vô cùng bé là dp, chất môi giới giãn nở làm piston dịch chuyển một đoạn nhỏ dx. Vậy công sinh ra tương ứng lúc này sẽ là: dl = p.S.dx  dl = p.dv Khi quá trình tiến hành từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 thì: 2 l=  pdv 1 , (J/kg) (1-6) l > 0 khi chất môi giới giãn nở l < 0 khi chất môi giới nén Nếu tính cho G kg thì: 2 L = G.l = G  pdv 1 , (J) (1-7) 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 đó xảy ra sự biến hóa năng lượng dưới dạng nhiệt, công, nội năng,… Ở 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 nghĩa: 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 nghĩa: dq ds = T du  pdv p R Hay : ds = , với pv = RT   T T v dT dv  ds = cv R T v Tích phân 2 vế đi từ trạng thái 1  2, ta được: T2 v s = cv ln  R ln 2 (1-9) T1 v1 1.2.2.4. Quá trình đẳng tích: (v = const) - Quan hệ các thông số: (1)  p1v = RT1 (a) T2 P2  (1-10) T1 P1 (2)  p2v = RT2 (b) - Độ biến thiên entropy: Tổng quát: T2 v s = cv ln  R ln 2 T1 v1 Vì quá trình đẳng tích có :v2 = v1 T2  s = cv ln (1-11) T1 - Công giãn nở: l (J/kg)
9 2 Ta có: l =  pdv , vì : v2 1 = v1  l=0 - Công kỹ thuật: lkt (J/kg) 2 Ta có: lkt = -  vdp 1 Tích phân: p T lkt = v(p1-p2) Hay: lkt = R(T1 – T2) - Nhiệt lượng: q (J/kg) Từ định luật 1: v s q = u + l mà l = 0  q = u = cv(T2 – T1) Hệ số biến hóa năng lượng : là tỉ số giữa độ biến thiên nội năng và nhiệt lượng tham gia quá trình (biết tỉ lệ các dạng năng lượng trong quá trình) u v = =1 (1-12) q Giá trị 1: Nói lên quá trình đẳng tích nhiệt lượng tham gia chỉ 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) T2 v 2 (1-13)  (2)  pv2 = RT2 (b) T1 v1 - Độ biến thiên entropy: Tổng quát: T2 v s = cv ln  R ln 2 T1 v1 T2 v 2 Vì quá trình đẳng áp có:  T1 v1 T2 s = ( cv + R) ln T1 T2  s = c p ln (1-14) T1 - Công giãn 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 , 1 vì : p1 = p2  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 hóa năng lượng : u cv T2  T1  1 Ta có:  =   q c p T2  T1  k 7 Nếu chất môi giới là khí 2 nguyên tử thì : k=1,4  5 5 5  =  : để biến thiên nội năng. 7 7 2  : để sinh công. 7 1.2.2.6. Quá trình đẳng nhiệt: (T = const) Đối với quá trình đẳng nhiệt: u = 0 i = 0 vì : T2 = T1 - Quan hệ các thông số: (1)  p1v1 = RT = const p 2 v1  (1-17) (2)  p2v2 = RT = const p1 v 2 Tổng quát: pv = const (1-18) - Độ biến thiên entropy: Tổng quát:
11 T2 v s = cv ln  R ln 2 T1 v1 T2 Vì quá trình đẳng nhiệt có: cv.ln =0 T1 v2  s = R ln (1-19) v1 p1 Hay : s = R ln p2 - Công giãn nở: l (J/kg) 2 Ta có: l =  pdv 1 RT const pv = RT  p = = v v 2 dv  l = RT  1 v v2 p Tích phân: l = RT ln  RT ln 1 v1 p2 v2 p Hay: l = p1v1 ln  p 2 v 2 ln 1 (1-20) v1 p2 - Công kỹ thuật: lkt (J/kg) 2 Ta có: lkt = -  vdp 1 RT pv = RT  v= p p2 p  lkt = - RT ln  RT ln 1 p1 p2 v2 Hay lkt = RT ln (1-21) v1 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 p  q = l = RT ln  RT ln 1 (1-22) v1 p2 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 (a) Từ phương trình trạng thái: pv = RT Vi phân 2 vế:  pdv + vdp = RdT pdv  vdp  dT = R Thay dT vào (a): cv  (pdv+vdp) + pdv = 0 R c c hay pdv( v +1) + v vdp = 0 R R  cppdv + cvvdp = 0 Chia tất cả cho: cv  k.p.dv + vdp = 0 (b) Tích phân 2 vế: Phương trình của quá trình đoạn nhiệt sẽ là: pvk = const (1-23) (b)  k.pdv = - vdp Tích phân: k  pdv = -  vdp Hay : k.l = lkt (1-24) Điều này cho thấy rằng đối với quá trình đoạn nhiệt công kỹ thuật sẽ bằng k lần công thay đổi thể tích. - Độ biến thiên entropy: (s) dq Định nghĩa  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)  p1v1 = RT1 ; p1 v1k = const (c) (2)  p2v2 = RT2 ;p2 v 2k = const (d) 1 k p 2  v1  v 2  p1  k (c) và (d)    ,   (e) p1  v 2  v1  p 2  1 k 1 T2 p2 v2 p2  p1  p  k k (c)(d) và (e)        2  T1 p1 v1 p1  p2   p1  k k 1 T2 v 2  v1  v       1  T1 v1  v 2   v2  k 1 k 1 T p  k v   2   2    1  (1-25) T1  p1   v2  - Công giãn nở: l (J/kg) 2 Ta có: l =  pdv 1 (f) Từ (2-24) và (c): p1v1k const  p=  k vk v 2 (f)  l = p1v1k  v  k dv 1 Tích phân:  l= p1v1k k 1  k 1 v   2 1  p1v1k  k 1 l= k 1 v1   v 2 k 1   l= 1 k 1  p1v1  p 2 v 2  (1-26) Hay l = R T1  T2  (1-27) k 1 l = cv (T1 – T2) = - u p T v s
14  k 1  p1v1   p 2  k  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 có  = const, quá trình như vậy được gọi là quá trình đa biến, với mỗi giá trị  ta có 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: : nhiệt dung riêng đa biến cn =   dq = cn.dT (a) Từ định luật 1: dq = cvdT + pdv (b) Và: dq = cpdT – vdp (c) Từ (a) và (c)  (cn – cp) dT = - vdp (d) Từ (a) và (b)  (cn – cv) dT = pdv (e) Chia (d) cho (e): cn  c p vdp  c n  cv pdv cn  c p Đặt n = : số mũ đa biến c n  cv  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 cũng có: n 1 n 1 T p  n v   2   2    1  (1-30) T1  p1   v2  - Công giãn nở: l (J/kg) l= 1 n 1  p1v1  p 2 v 2  l= R T1  T2  n 1 (1-31)  n 1  RT1   p 2  n  l= 1   n  1   p1    
15 - Công kỹ thuật: lkt = n.l (1-32) Vậy công kỹ thuật bằng n lần công thay đổi thể tích. - Nhiệt lượng: 2 q =  c n dT 1 q = cn(T2 – T1) cn  c p mà n= c n  cv nk  cn = c v n 1 nk nên : q = cv (T2 – T1) (1-33) n 1 - Độ biến thiên entropy: dq dT ds =  cn T T T s = c n ln 2 (1-34) T1 p n=k T n = ± n=± n=k n=0 n=1 n=0 n=1 v s - Khi n = 0 (1-34) có: p = const quá trình đẳng áp - Khi n =1 (1-34) có: T = const quá trình đẳng nhiệt - Khi n = k (1-34) có: pv = const quá trình đoạn nhiệt k - 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 A trình. Xác định rằng: Mọi quá trình tự nhiên đều là các quá trình tự phát (quá trình không thuận nghịch) biến đổi từ trạng thái không cân bằng đến trạng thái cân bằng. Trong quá trình biến đổi này cho phép ta nhận năng B lượng có ích và khi đã ở trạng thái cân bằng rồi tự nó
16 không thể biến đổi ngược lại. Muốn đổi ngược lại nó phải tiêu tốn một năng lượng từ bên ngoài. A: Trạng thái không cân bằng B: Trạng thái cân bằng 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 có thể phát biểu bằng các cách như sau: + Nhiệt lượng luôn đi từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. (Muốn làm ngược điều này ta phải tiêu hao một năng lượng) + Không thể có máy nhiệt chạy tuần hoàn có 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 nghĩa về chu trình. Trong các máy nhiệt để sinh công một cách liên tục, chất môi gới sau khi giãn nở cần phải tạo ra quá trình để đưa chất môi giới về trạng thái ban đầu. Nó có nghĩa là chất môi giới phải tạo các quá trình kín, hay nói cách khác là nó thực hiện một chu trình. a) Chu trình thuận chiều. Chu trình thuận chiều là chu trình bao gồm các quá trình có chiều tiến hành theo chiều kim đồng hồ. (Hình 1. a). q1 p 1 a p 1 a q1 l>0 2 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 có chiều tiến hành ngược chiều kim đồng hồ. (Hình 1. b). Chu trình này có đường cong giãn nở nằm dưới đường cong nén nên công của chu trình này có giá trị âm (l < 0). Các loại máy lạnh, bơm nhiệt làm việc theo kiểu này. c) Công của chu trình. (lct: J/kg) Có thể tính công chu trình bằng các cách sau: * Cách 1: Ta có: d(pv) = pdv + vdp   d ( pv)   pdv   vdp Trong đó tích số pv là hàm trạng thái nên:
17  d ( pv) = 0  0 =  pdv   vdp Với n quá trình: n n 0=  li   l KTi i 1 i 1 n n lCT =  li = i 1 l i 1 KTi (1-35) Công của chu trình bằng tổng công các quá trình.Có 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 i 1 i (1-36) - 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 lCT q1  q 2 t =  q1 q1 q2 t = 1  ,  (1-37) q1
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 có hệ số bơm nhiệt . q2 q2  =  (1-38) lCT q1  q 2 (: Có 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 kẽ nhau. (có chiều theo chiều kim đồng hồ). - Quá trình đầu tiên là quá trình giãn nở đẳng nhiệt, chất môi giới hoàn toàn tiếp xúc với nguồn nóng nên chất môi giới nhận nhiệt q1 từ nguồn nóng. (T1 = const) - Quá trình thứ hai sẽ là quá trình giãn nở đoạn nhiệt, chất môi giới đi từ nguồn nóng T1 đến nguồn lạnh có 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 sẽ là quá trình nén đoạn nhiệt chất môi giới đi từ nguồn lạnh để trở về nguồn nóng ứng với trạng thái ban đầu. p T1=c T q1 a q1 a b Y1 T b dq=0 T2 c d T2 =c d q2 q2 c v  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 = T2s T2 Vậy: t = 1  (1-39) T1 Nhận xét: - Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của 2 nguồn nóng 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 nóng và lạnh càng cao.
19 - Hiệu suất nhiệt  1 khi hoặc T2  0 hoặc T1   (điều này không thể xảy ra). - Hiệu suất nhiệt = 0 khi T2 = T1 hay nói cách khác khi chỉ có một nguồn nhiệt duy nhất. b/ Chu trình Carnot thuận nghịch ngược chiều: Tương tự chu trình carnot thuận, chu trình này cũng bao gồm 2 quá trình đẳng nhiệt và đoạn nhiệt xen kẽ nhau. (có chiều ngược chiều kim đồng hồ) p T1=c T q1 a q1 a b Y1 T b dq=0 T2 c d T2 =c d q2 q2 c v  s s Hình 1.3: Đồ thị p-v và T-s chu trình Carnot ngược. Hệ số làm lạnh: q2 Ta có:  = q1  q 2 Tương tự:  q1 = T1s q2 = T2 s T2 Vậy:  = (1-40) T1  T2 Nhận xét:  của chu trình Carnot ngược cũng chỉ 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 đã biết lợi dụng thiên nhiên để thỏa mãn một phần nhu cầu về lạnh của mình. Ở các nước ôn đới, người ta trữ nước đá trong các hầm cách nhiệt để sử dụng cho mùa hè. Ở các nước nhiệt đới, người cổ đại sử dụng các hang động có mạch nước ngầm nhiệt độ thấp để bảo quản thực phẩm và lương thực. Tuy nhiên những phương pháp này vẫn 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 có cùng nhiệt độ, nước sẽ bay hơi khuếch tán vào không khí và trạng thái không khí sẽ biến đổi theo đường đẳng entanpy h = const. Hình 2-1 biểu diễn quá trình làm lạnh bằng bay hơi khuếch tán nước vào không khí khô trên đồ thị entanpy h – độ chứa hơi x của không khí ẩm.