Giáo trình Cơ sở Kỹ thuật nhiệt và Điều hòa không khí Phần 1 (Vương Toàn Tân)

Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt và Điều hòa không khí phần 1, trình bày các kiến thức nền tảng về nhiệt động, truyền nhiệt và kỹ thuật lạnh.

• Tác giả: Th.S Vương Toàn Tân
• Trường học: Trường Cao Đẳng Cơ Điện Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ sở Kỹ thuật Nhiệt & Điều hòa Không khí
• Đề tài: Cơ sở Kỹ thuật Nhiệt Động và Truyền Nhiệt
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Giáo Trình Cơ Sở Kỹ Thuật Nhiệt Điều Hòa

Giáo trình Cơ sở Kỹ thuật nhiệt & Điều hòa không khí là một tài liệu môn học cơ sở ngành nhiệt quan trọng, đặt nền móng kiến thức cho sinh viên các ngành kỹ thuật. Môn học này không chỉ cung cấp các nguyên lý lý thuyết mà còn kết hợp với việc tra cứu bảng biểu và giải quyết các bài toán thực tiễn. Mục tiêu chính là trang bị cho người học những hiểu biết sâu sắc về các quá trình biến đổi năng lượng, đặc biệt là sự chuyển hóa giữa nhiệt năng và cơ năng. Nội dung cốt lõi của môn học bao gồm ba phần chính: nhiệt động lực học kỹ thuật, cơ sở kỹ thuật lạnh, và kỹ thuật điều hòa không khí. Thông qua môn học, sinh viên sẽ được rèn luyện khả năng tư duy logic, phân tích các hệ thống nhiệt lạnh và áp dụng kiến thức vào thực tế sản xuất. Các khái niệm như chất môi giới, thông số trạng thái, chu trình nhiệt động, và các phương thức truyền nhiệt là những viên gạch đầu tiên xây dựng nên tòa nhà tri thức chuyên ngành. Việc nắm vững các nguyên tắc này là điều kiện tiên quyết để tiếp thu các kiến thức chuyên sâu hơn về thiết kế, vận hành và bảo trì các hệ thống HVAC và công nghệ lạnh. Giáo trình cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị chính trong hệ thống, từ máy nén khí đến các thiết bị trao đổi nhiệt, giúp sinh viên có cái nhìn toàn diện và hệ thống.

1.1. Vai trò của tài liệu môn học cơ sở ngành nhiệt

Đây là môn học cơ sở kỹ thuật chuyên ngành, có vai trò chuẩn bị các kiến thức cần thiết cho các phần học kỹ thuật chuyên môn tiếp theo. Môn học mang tính bắt buộc, tập trung vào lý thuyết kết hợp với kỹ năng tra cứu bảng biểu. Việc nghiên cứu tài liệu môn học cơ sở ngành nhiệt giúp sinh viên trình bày được kiến thức cơ bản nhất về Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh và điều hòa không khí. Cụ thể, sinh viên sẽ hiểu về chất môi giới, cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy lạnh, cũng như cấu trúc của một hệ thống lạnh và HVAC điển hình. Hơn nữa, môn học còn rèn luyện kỹ năng tra bảng thông số trạng thái của môi chất, sử dụng đồ thị, và giải quyết các bài tập kỹ thuật nhiệt đơn giản. Những kỹ năng này không chỉ củng cố tư duy logic mà còn là nền tảng để ứng dụng vào thực tiễn, giúp tiếp thu các kiến thức chuyên ngành một cách hiệu quả hơn.

1.2. Các khái niệm nền tảng về nhiệt động lực học kỹ thuật

Nền tảng của nhiệt động lực học kỹ thuật xoay quanh các khái niệm cốt lõi. Hệ nhiệt động (HNĐ) là một hoặc nhiều vật được tách ra để nghiên cứu, trong khi môi trường xung quanh là tất cả những gì bên ngoài hệ. Chất môi giới (CMG) là chất trung gian trong quá trình biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. Trạng thái của CMG được xác định bởi các thông số trạng thái như nhiệt độ (T), áp suất (p), thể tích riêng (v), nội năng (u) và enthalpy (i). Nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử, trong khi áp suất là lực tác dụng trên một đơn vị diện tích. Nội năng là tổng năng lượng chuyển động và tương tác của các phân tử, phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích. Enthalpy là một hàm trạng thái được định nghĩa bởi biểu thức i = u + p.v, rất hữu ích trong việc phân tích các quá trình của dòng chảy.

1.3. Mục tiêu và nội dung chính của slide bài giảng kỹ thuật nhiệt

Mục tiêu của môn học, thường được tóm tắt trong các slide bài giảng kỹ thuật nhiệt, là cung cấp kiến thức toàn diện về ba lĩnh vực chính. Phần một, Cơ sở nhiệt động kỹ thuật và truyền nhiệt, giới thiệu các khái niệm, thông số của hơi, các chu trình nhiệt động, và quy luật của các hình thức truyền nhiệt. Phần hai, Cơ sở kỹ thuật lạnh, đi sâu vào các phương pháp làm lạnh, môi chất lạnh, và các hệ thống lạnh thông dụng. Phần ba, Cơ sở kỹ thuật điều hòa không khí, tập trung vào không khí ẩm, các khái niệm về thông gió, và hệ thống vận chuyển, phân phối không khí. Việc học tập qua các slide bài giảng giúp sinh viên hệ thống hóa kiến thức, dễ dàng theo dõi và nắm bắt các công thức, định luật và nguyên lý hoạt động của các thiết bị một cách trực quan và hiệu quả, chuẩn bị cho việc giải các bài tập kỹ thuật nhiệt.

II. Bí Quyết Nắm Vững Nguyên Lý Truyền Nhiệt và Chu Trình Nhiệt Động

Để làm chủ lĩnh vực cơ sở kỹ thuật nhiệt, việc hiểu sâu sắc các nguyên lý về truyền nhiệt và các chu trình nhiệt động là tối quan trọng. Truyền nhiệt là quá trình năng lượng được trao đổi do sự chênh lệch nhiệt độ, diễn ra qua ba hình thức cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Dẫn nhiệt xảy ra trong vật rắn hoặc chất lỏng đứng yên, tuân theo định luật Fourier. Đối lưu là quá trình truyền nhiệt giữa bề mặt rắn và một chất lưu chuyển động. Bức xạ là sự truyền năng lượng thông qua sóng điện từ. Bên cạnh đó, chu trình nhiệt động là một chuỗi các quá trình mà sau khi hoàn thành, chất môi giới trở về trạng thái ban đầu. Các chu trình này là nền tảng hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh. Chu trình thuận chiều, như chu trình Carnot, biến nhiệt thành công. Ngược lại, chu trình ngược chiều tiêu thụ công để di chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao, ứng dụng trong các hệ thống lạnh và bơm nhiệt. Việc phân tích hiệu quả của các chu trình này, thông qua hiệu suất nhiệt hoặc hệ số làm lạnh, là kỹ năng cốt lõi giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của thiết bị. Nắm vững những kiến thức này giúp giải quyết các thách thức trong thiết kế và vận hành hệ thống công nghệ nhiệt lạnh.

2.1. Phân tích các thông số trạng thái của môi chất lạnh

Chất môi giới, đặc biệt là môi chất lạnh (refrigerant), là tác nhân chính trong các chu trình nhiệt động. Trạng thái của chúng được mô tả qua các thông số như áp suất, nhiệt độ, và độ khô (x). Quá trình hóa hơi đẳng áp là một ví dụ điển hình để khảo sát sự thay đổi trạng thái. Khi cấp nhiệt, nước chưa sôi sẽ tăng nhiệt độ cho đến khi đạt nhiệt độ sôi (trạng thái lỏng sôi, x=0). Trong quá trình sôi, nhiệt độ không đổi và chất lỏng chuyển dần thành hơi. Hỗn hợp lỏng và hơi được gọi là hơi bão hòa ẩm (0 < x < 1). Khi toàn bộ chất lỏng đã hóa hơi, ta có hơi bão hòa khô (x=1). Nếu tiếp tục cấp nhiệt, hơi sẽ trở thành hơi quá nhiệt. Việc xác định chính xác các thông số này bằng bảng hoặc đồ thị lgp-h là bước cơ bản để tính toán và phân tích hiệu quả của một chu trình nhiệt động.

2.2. Khảo sát các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi nước

Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi nước, một chất môi giới phổ biến, bao gồm quá trình đẳng tích (v=const), đẳng áp (p=const), đẳng nhiệt (T=const), và đoạn nhiệt (q=0). Mỗi quá trình có đặc điểm riêng về sự trao đổi công và nhiệt. Ví dụ, trong quá trình nén đoạn nhiệt của máy nén khí, không có sự trao đổi nhiệt với môi trường, và công nén làm tăng nội năng và enthalpy của hơi. Ngược lại, quá trình tiết lưu là quá trình giảm áp suất đột ngột, không sinh công và có enthalpy không đổi (h=const). Quá trình này rất quan trọng trong các hệ thống lạnh. Việc biểu diễn các quá trình này trên đồ thị T-s hoặc lgp-h giúp trực quan hóa sự thay đổi trạng thái và là công cụ không thể thiếu để phân tích các chu trình nhiệt động.

2.3. Tìm hiểu các phương thức truyền nhiệt và chất lỏng

Quá trình truyền nhiệt và chất lỏng (đối lưu) là hiện tượng trao đổi nhiệt giữa một bề mặt rắn và một chất lỏng hoặc khí đang chuyển động. Quá trình này phức tạp hơn dẫn nhiệt vì nó bao gồm cả sự khuếch tán phân tử và sự chuyển động của toàn bộ khối chất lỏng. Có hai dạng đối lưu chính: đối lưu tự nhiên, gây ra bởi sự chênh lệch khối lượng riêng do nhiệt độ; và đối lưu cưỡng bức, gây ra bởi các tác nhân bên ngoài như quạt hoặc bơm. Định luật Newton mô tả mật độ dòng nhiệt đối lưu tỉ lệ với độ chênh nhiệt độ và hệ số tỏa nhiệt đối lưu (α). Việc xác định hệ số α là một bài toán phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ chảy (tầng hoặc rối), tính chất vật lý của chất lỏng, và hình dạng bề mặt trao đổi nhiệt. Hiểu rõ cơ chế này là chìa khóa để thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt hiệu quả như dàn ngưng và dàn bay hơi.

III. Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống Lạnh Máy Nén Khí

Các hệ thống lạnh đóng vai trò trung tâm trong công nghệ nhiệt lạnh, với nhiệm vụ di chuyển nhiệt từ một không gian cần làm lạnh đến môi trường bên ngoài. Nguyên lý hoạt động máy lạnh phổ biến nhất dựa trên chu trình nén hơi ngược chiều. Chu trình này bao gồm bốn quá trình chính: bay hơi, nén, ngưng tụ và tiết lưu. Tại thiết bị bay hơi, môi chất lạnh lỏng ở áp suất thấp hấp thụ nhiệt từ môi trường cần làm lạnh và hóa hơi. Sau đó, hơi môi chất được máy nén khí hút về và nén lên áp suất cao, đồng thời nhiệt độ cũng tăng lên đáng kể. Hơi áp suất cao này đi vào thiết bị ngưng tụ, nơi nó nhả nhiệt cho môi trường xung quanh (không khí hoặc nước) và ngưng tụ thành dạng lỏng. Cuối cùng, môi chất lỏng áp suất cao đi qua thiết bị tiết lưu (van tiết lưu hoặc ống mao), áp suất và nhiệt độ giảm đột ngột, và chu trình lặp lại. Hiệu quả của hệ thống được đo bằng hệ số làm lạnh (COP), là tỷ số giữa nhiệt lượng lấy đi được ở dàn bay hơi và công tiêu thụ bởi máy nén. Việc hiểu rõ từng thành phần và quá trình giúp tối ưu hóa hoạt động và hiệu suất năng lượng của hệ thống.

3.1. Phân tích chu trình nhiệt động của máy lạnh nén hơi

Chu trình nhiệt động của máy lạnh nén hơi là một chu trình ngược chiều, được biểu diễn rõ nét trên đồ thị T-s hoặc lgp-h. Quá trình 4-1 là quá trình bay hơi đẳng áp, đẳng nhiệt tại dàn bay hơi, nơi môi chất nhận nhiệt lượng (q₀). Quá trình 1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén khí, tiêu tốn công (l) và làm tăng enthalpy từ h₁ lên h₂. Quá trình 2-3 là quá trình ngưng tụ đẳng áp, đẳng nhiệt tại dàn ngưng, môi chất nhả nhiệt lượng (qₖ) cho môi trường. Quá trình 3-4 là quá trình tiết lưu đẳng enthalpy (h₃ = h₄), áp suất môi chất giảm mạnh. Hiệu quả của chu trình được đánh giá qua hệ số làm lạnh ε = q₀ / l = (h₁ - h₄) / (h₂ - h₁). Phân tích chu trình này giúp xác định các thông số vận hành tối ưu cho hệ thống lạnh.

3.2. Phân loại thiết bị chính dàn ngưng và dàn bay hơi

Dàn ngưng và dàn bay hơi là hai thiết bị trao đổi nhiệt chủ chốt trong mọi hệ thống lạnh. Thiết bị bay hơi (dàn lạnh) có vai trò hấp thụ nhiệt từ không gian cần làm lạnh để làm bay hơi môi chất. Có nhiều kiểu thiết bị bay hơi khác nhau, tùy thuộc vào ứng dụng. Thiết bị ngưng tụ (dàn nóng) có nhiệm vụ thải nhiệt lượng mà môi chất đã hấp thụ ở dàn bay hơi cộng với công nén ra môi trường bên ngoài. Thiết bị ngưng tụ thường được làm mát bằng không khí hoặc nước. Hiệu quả của quá trình truyền nhiệt ở hai thiết bị này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất năng lượng của toàn bộ hệ thống. Thiết kế và lựa chọn đúng loại dàn trao đổi nhiệt là yếu tố then chốt trong công nghệ nhiệt lạnh.

3.3. Vai trò và các thông số đặc trưng của máy nén khí

Máy nén khí được coi là trái tim của hệ thống lạnh nén hơi. Vai trò của nó là hút hơi môi chất có áp suất thấp, nhiệt độ thấp từ dàn bay hơi và nén nó thành hơi có áp suất cao, nhiệt độ cao để đẩy vào dàn ngưng. Quá trình này duy trì sự chênh lệch áp suất cần thiết để chu trình có thể diễn ra liên tục. Các thông số đặc trưng của máy nén bao gồm năng suất nén (lưu lượng thể tích), tỉ số nén (tỉ lệ giữa áp suất đầu ra và đầu vào), và công suất tiêu thụ. Có nhiều loại máy nén khác nhau như máy nén piston, máy nén trục vít, máy nén xoắn ốc, mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các quy mô và ứng dụng khác nhau của hệ thống lạnh.

IV. Kỹ Thuật Điều Hòa Không Khí Xử Lý Không Khí Ẩm

Lĩnh vực kỹ thuật điều hòa không khí (HVAC) tập trung vào việc kiểm soát và duy trì các thông số của không khí trong một không gian nhất định, nhằm tạo ra môi trường tiện nghi cho con người hoặc đáp ứng yêu cầu công nghệ. Các thông số này bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, độ trong sạch và sự lưu thông của không khí. Nền tảng của HVAC là kiến thức về không khí ẩm – một hỗn hợp gồm không khí khô và hơi nước. Để phân tích các quá trình xử lý không khí, các kỹ sư sử dụng biểu đồ không khí ẩm (Psychrometric Chart). Biểu đồ này thể hiện mối quan hệ giữa các thông số trạng thái của không khí ẩm như nhiệt độ khô, nhiệt độ ướt, độ ẩm tương đối, độ chứa hơi và enthalpy. Các quá trình xử lý không khí cơ bản như làm lạnh, gia nhiệt, làm ẩm, và khử ẩm đều có thể được biểu diễn và tính toán trên biểu đồ này. Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất là tính toán tải nhiệt, tức là xác định lượng nhiệt cần lấy đi (tải lạnh) hoặc cung cấp (tải nhiệt) để duy trì điều kiện mong muốn. Tải nhiệt này bao gồm nhiệt truyền qua kết cấu bao che, nhiệt do bức xạ mặt trời, nhiệt tỏa ra từ người, thiết bị và đèn chiếu sáng, cùng với nhiệt từ không khí thông gió và sưởi ấm.

4.1. Sử dụng biểu đồ không khí ẩm Psychrometric Chart

Biểu đồ không khí ẩm (Psychrometric Chart), hay đồ thị I-d, là công cụ không thể thiếu trong kỹ thuật điều hòa không khí. Nó cho phép xác định nhanh chóng tất cả các thông số trạng thái của không khí ẩm khi biết hai thông số bất kỳ. Các quá trình xử lý không khí như làm lạnh và khử ẩm (điểm trạng thái di chuyển sang trái và xuống dưới), gia nhiệt (sang phải), hay làm ẩm đoạn nhiệt (dọc theo đường enthalpy không đổi) đều được minh họa một cách trực quan. Việc sử dụng thành thạo biểu đồ này giúp đơn giản hóa quá trình tính toán tải nhiệt và thiết kế các khâu xử lý không khí, đảm bảo hệ thống HVAC hoạt động đúng với yêu cầu kỹ thuật đề ra.

4.2. Các phương pháp cơ bản để tính toán tải nhiệt

Tính toán tải nhiệt là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong việc thiết kế một hệ thống điều hòa không khí. Mục đích là xác định tổng lượng nhiệt xâm nhập vào không gian cần điều hòa (tải lạnh) vào mùa hè và tổng lượng nhiệt thất thoát ra ngoài (tải sưởi) vào mùa đông. Các nguồn nhiệt chính bao gồm: nhiệt truyền qua tường, mái, cửa sổ; nhiệt bức xạ mặt trời qua kính; nhiệt tỏa ra từ người sử dụng, đèn chiếu sáng, và các thiết bị điện; và nhiệt do không khí thâm nhập hoặc thông gió. Quá trình tính toán đòi hỏi phải xem xét các yếu tố về vị trí địa lý, hướng công trình, vật liệu xây dựng và chế độ sử dụng. Kết quả tính toán tải nhiệt chính xác sẽ quyết định công suất của thiết bị, đảm bảo hiệu suất năng lượng và tránh lãng phí.

4.3. Hệ thống thông gió và sưởi ấm trong công nghệ HVAC

Bên cạnh việc kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm, thông gió và sưởi ấm là hai chức năng cốt lõi của công nghệ HVAC. Thông gió là quá trình thay thế không khí đã ô nhiễm trong phòng bằng không khí tươi từ bên ngoài, nhằm đảm bảo chất lượng không khí, cung cấp oxy và loại bỏ các chất độc hại. Hệ thống vận chuyển và phân phối không khí, bao gồm quạt gió và đường ống gió, đóng vai trò đưa không khí đã được xử lý đến các khu vực cần thiết. Sưởi ấm, thường cần thiết ở các vùng khí hậu lạnh, là quá trình cung cấp nhiệt để bù lại lượng nhiệt mất đi, duy trì nhiệt độ tiện nghi. Việc tích hợp hiệu quả cả ba chức năng – sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí – tạo nên một hệ thống HVAC hoàn chỉnh, đáp ứng toàn diện nhu cầu về môi trường vi khí hậu.

V. Tối Ưu Hiệu Suất Năng Lượng Cho Công Nghệ Nhiệt Lạnh

Trong bối cảnh chi phí năng lượng ngày càng tăng và các yêu cầu về bảo vệ môi trường ngày càng nghiêm ngặt, việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng cho các hệ thống thuộc công nghệ nhiệt lạnh đã trở thành một ưu tiên hàng đầu. Hiệu suất của một hệ thống lạnh hay HVAC không chỉ phụ thuộc vào thiết kế ban đầu mà còn liên quan đến quá trình vận hành và bảo trì. Một trong những giải pháp cơ bản là tăng cường hiệu quả truyền nhiệt. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các bề mặt trao đổi nhiệt có cánh, giữ cho dàn ngưng và dàn bay hơi luôn sạch sẽ, và đảm bảo lưu lượng chất lỏng hoặc không khí đi qua dàn là tối ưu. Lựa chọn môi chất lạnh thế hệ mới với các đặc tính nhiệt động tốt hơn và ít tác động đến môi trường cũng là một yếu tố quan trọng. Hơn nữa, việc áp dụng các công nghệ điều khiển thông minh, biến tần cho máy nén khí và quạt, cho phép hệ thống điều chỉnh công suất hoạt động theo tải nhiệt thực tế, giúp giảm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ. Việc phân tích và so sánh hiệu quả giữa các công nghệ khác nhau, như máy lạnh nén hơi và máy lạnh hấp thụ, cũng mở ra các hướng đi tiềm năng cho việc tiết kiệm năng lượng, đặc biệt khi có nguồn nhiệt thừa.

5.1. Các giải pháp tăng cường truyền nhiệt và cách nhiệt

Tăng cường truyền nhiệt và cách nhiệt hiệu quả là hai mặt của cùng một vấn đề nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng. Để tăng cường truyền nhiệt trong các thiết bị như dàn ngưng và dàn bay hơi, người ta thường sử dụng các bề mặt có gân, cánh hoặc các cấu trúc đặc biệt để tăng diện tích tiếp xúc và gây rối dòng chảy. Ngược lại, cách nhiệt là biện pháp ngăn chặn sự thất thoát nhiệt không mong muốn. Trong các hệ thống lạnh và điều hòa không khí, việc bọc cách nhiệt cho đường ống dẫn môi chất lạnh, ống gió và kết cấu bao che của không gian điều hòa là cực kỳ quan trọng. Sử dụng các vật liệu cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt thấp giúp giảm tải nhiệt cho hệ thống, từ đó giảm thời gian hoạt động của máy nén khí và tiết kiệm điện năng.

5.2. So sánh hiệu quả giữa máy lạnh nén hơi và hấp thụ

Máy lạnh nén hơi là loại phổ biến nhất trong công nghệ nhiệt lạnh, sử dụng cơ năng (điện) để chạy máy nén khí. Trong khi đó, máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt năng (từ hơi nước, khí nóng hoặc đốt cháy nhiên liệu) để thực hiện chu trình làm lạnh. Ưu điểm lớn nhất của máy lạnh hấp thụ là khả năng tận dụng các nguồn nhiệt thải, giúp tiết kiệm chi phí vận hành ở những nơi có sẵn nguồn nhiệt này. Tuy nhiên, chúng thường có kích thước cồng kềnh và hệ số làm lạnh (COP) thấp hơn so với máy lạnh nén hơi. Việc lựa chọn giữa hai công nghệ này phụ thuộc vào việc phân tích bài toán kinh tế - kỹ thuật cụ thể, bao gồm chi phí đầu tư ban đầu, giá năng lượng (điện và nhiệt), và khả năng tận dụng nguồn nhiệt thừa để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng tổng thể.

5.3. Các phương pháp nâng cao hiệu suất năng lượng trong HVAC

Nâng cao hiệu suất năng lượng trong hệ thống HVAC là một quá trình liên tục, bao gồm nhiều giải pháp từ thiết kế đến vận hành. Về thiết kế, việc lựa chọn thiết bị có chỉ số hiệu suất cao (EER, SEER, COP), tối ưu hóa hệ thống đường ống gió để giảm tổn thất áp suất, và áp dụng các hệ thống thu hồi nhiệt từ khí thải là rất cần thiết. Trong vận hành, việc sử dụng các hệ thống điều khiển tự động (BMS) để điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm và lịch trình hoạt động theo nhu cầu thực tế giúp tránh lãng phí. Công nghệ biến tần (VFD) cho phép máy nén, bơm và quạt thay đổi tốc độ để đáp ứng chính xác tải, thay vì chạy ở chế độ bật/tắt, giúp tiết kiệm đáng kể điện năng. Bảo trì định kỳ, bao gồm làm sạch bộ lọc, kiểm tra mức môi chất lạnh và làm sạch các bề mặt trao đổi nhiệt, cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT Mã chương: MH10 - 01 Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản ban đầu về cơ sở nhiệt động và truyền nhiệt: các khái niệm nhiệt động cơ bản, thông số của hơi, các chu trình nhiệt động cũng như quy luật của các hình thức truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt Mục tiêu: - Trình bày được các kiến thức chung nhất về kỹ thuật Nhiệt - Lạnh. - Phân tích được các khái niệm về nhiệt động lực học. - Trình bày được các kiến thức về hơi và thông số trạng thái hơi. - Trình bày được các quá trình nhiệt động của hơi.

- Trình bày được các chu trình nhiệt động. - Trình bày được các quá trình dẫn nhiệt và truyền nhiệt và các thiết bị trao đổi nhiệt. - Phân tích được các quá trình, nguyên lý làm việc của máy lạnh và các quy luật truyền nhiệt nói chung; - Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư duy logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất áp dụng vào môn học cho HSSV. Nội dung chính: 1.

NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT: Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm về nhiệt động lực học. - Hơi và thông số trạng thái hơi, Các quá trình nhiệt động của hơi. - Các chu trình nhiệt động. Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới: 1.

Các khái niệm và định nghĩa: a) Thiết bị nhiệt: Là loại thiết bị có chức năng chuyển đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. Thiết bị nhiệt được chia thành 2 nhóm: động cơ nhiệt và máy lạnh. * Động cơ nhiệt: Có chức năng chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng như động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ phản lực, v. * Máy lạnh: Có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh đến nguồn nóng.

b) Hệ nhiệt động (HNĐ): Là hệ gồm một hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu các tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả những vật ngoài HNĐ được gọi là môi trường xung quanh.1: Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt và máy lạnh, bơm nhiệt Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động với môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của HNĐ. Hệ nhiệt động được phân loại như sau : Hình 1.2: Hệ nhiệt động a) HNĐ kín với thể tích không đổi b) HNĐ kín với thể tích thay đổi c) HNĐ hở * Hệ nhiệt động kín: HNĐ trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh. * Hệ nhiệt động hở: HNĐ trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh.

* Hệ nhiệt động cô lập: HNĐ được cách ly hoàn toàn với môi trường xung quanh. Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới: a) Khái niệm chất môi giới (CMG): 9 * Chất môi giới hay môi chất công tác: Được sử dụng trong thiết bị nhiệt là chất có vai trò trung gian trong quá trình biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. * Thông số trạng thái của CMG: Là các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của CMG. b) Các thông số trạng thái của chất môi giới: * Nhiệt độ: Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật.

Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử . 2 = kT [1-1] 3 Trong đó: mμ - khối lượng phân tử ω - vận tốc trung bình của các phân tử 5 k - hằng số Bonzman , k = 1,3805.10 J/độ T - nhiệt độ tuyệt đối. Nhiệt kế: Nhiệt kế hoạt động dựa trên sự thay đổi một số tính chất vật lý của vật thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ: chiều dài, thể tích, màu sắc, điện trở , v. Thang nhiệt độ: 0 1) Thang nhiệt độ Celsius ( C) 0 2) Thang nhiệt độ Fahrenheit ( F) 3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) 0 4) Thang nhiệt độ Rankine ( R) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ: o C= 5 o ( F – 32) Hình 1. R – 273 9 * Áp suất: + Khái niệm: Áp suất của lưu chất (p) - lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành chứa.

F p= [1-2] A Theo thuyết động học phân tử : m 2 p = . [1-3] 3 10 trong đó : p - áp suất ; F - lực tác dụng của các phân tử ; A - diện tích thành bình chứa ; n - số phân tử trong một đơn vị thể tích ; α - hệ số phụ thuộc vào kích thước và lực tương tác của các phân tử. + Đơn vị áp suất: 2 1) N/m ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647) 2) Pa (Pascal) ; 6) mm H2O 3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch) 4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất: 0 4 2 1 atm = 760 mm Hg (at 0 C) = 10,13. 10 Pa = 2116 psf (lbf/ft ) 1 at = 2049 psf 1at = 0,981 bar = 9,81.104 Pa = 10 mH20 = 735,5 mmHg = 14,7 psi + Phân loại áp suất: Áp suất khí quyển (p 0): Áp suất của không khí tác dụng lên bề mặt các vật trên trái đất.

Áp suất dư (pd): Là phần áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển p d= p - p 0 [1-4] Áp suất tuyệt đối (p): Áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối. p = p d+ p 0 [1-5] Áp suất chân không (pck): Phần áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển.4: Các loại áp suất + Áp kế: 11 Hình 1.5: Dụng cụ đo áp suất a) Barometer , b) Áp kế * Ghi chú: Khi đo áp suất bằng áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân 0 cần được hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 C. Nội năng: Nội nhiệt năng (u) - gọi tắt là nội năng - là năng lượng do chuyển động của các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng. Nội năng gồm 2 thành phần: nội động năng (ud) và nội thế năng (up).

- Nội động năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. - Nội thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử nên nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. Như vậy, nội năng là một hàm của nhiệt độ và thể tích riêng: u = u (T, v) Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng 0 nên nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Lượng thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định bằng các biểu thức: du = CvdT và Δu = Cv(T2 - T1) [1-10] 12 Đối với 1kg môi chất, nội năng kí hiệu là u, đơn vị là J/kg; Đối với Gkg môi chất, nội năng kí hiệu là U, đơn vị là J.

Ngoài ra nội năng còn có một số đơn vị khác như: kCal; kWh; Btu… 1kJ = 0,239 kCal = 277,78. Enthanpy: Enthalpy (i hoặc h) - là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức : i = h = u + p.v [1-11] Như vậy, cũng tương tự như nội năng, enthalpy của khí thực là hàm của các thông số trạng thái. Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt dung riêng và tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng: a) Các khái niệm chung: + Nhiệt năng (nhiệt lượng): là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ.

Đơn vị đo nhiệt năng: Calorie (Cal) - 1 Cal là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 gam nước 0 0 tăng từ 14. British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 0 0 1 pound nước tăng từ 59.187 J 1 Btu = 252 Cal = 1055 J Hình 1.6: Các hình thức truyền nhiệt + Nhiệt dung và nhiệt dung riêng: Nhiệt dung của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vật tỏa 0 ra để nhiệt độ của nó thay đổi 1. dQ C= [J/độ] [1-13] dt Nhiệt dung riêng (NDR) - còn gọi là Tỷ nhiệt - là lượng nhiệt cần cung cấp 0 hoặc tỏa ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi 1. 13 Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất: C Nhiệt dung riêng khối lượng c = , [J/kg.độ] [1-14] m C 3 Nhiệt dung riêng thể tích c’ = , [J/m t c.độ ] [1-15] Vtc C Nhiệt dung riêng mol c  = [J/kmol.độ] [1-18] μp μv Chỉ số đoạn nhiệt: cp k= [1-19] cv Trị số k của khí thực phụ thuộc vào loại chất khí và nhiệt độ.

Đối với khí lý tưởng, k chỉ phụ thuộc vào loại chất khí. Quan hệ giữa c, k và R: 1 k cv =. Trong phạm vi áp suất thông dụng, áp suất có ảnh hưởng rất ít đến NDR. Bởi vậy có thể biểu diễn NDR dưới dạng một hàm của nhiệt độ như sau : 2 n c = a0 + a1.

t [1-21] + Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng: NDR của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào loại chất khí mà không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.1: Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng Loại khí k cμv [kJ/kmol.độ] Khí 1 nguyên tử 1,6 12,6 20,9 Khí 2 nguyên tử 1,4 20,9 29,3 Khí nhiều nguyên tử 1,3 29,3 37,4 14 + Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí: n n c =  g i .ci n , [1-22] i =1 i =1 i =1 b) Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng trung bình: * Tính NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ t1 ÷ t2 khi biết NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t : • NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t: t c 0 = a0 + a1. t • Theo định nghĩa NDR: c = dq/dt t2 q t =  c. (t2 – t1) t2 t2 • Nhiệt trao đổi trong quá trình 1 - 2: 1 1 t1 • Mặt khác có thể viết: t q t2 = q t0 - q t0 = c t .(t2 – t1) [1-23] 1 t 2 − t1 * Tính nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ t1 ÷ t2 khi biết NDR thực c = a0 + a1. 2 1 [1-24] 1 2 * Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng trung bình: t2 t2 q =  c.

Công: Công - còn gọi là cơ năng - là dạng năng lượng hình thành trong quá trình biến đổi năng lượng trong đó có sự dịch chuyển của lực tác dụng.