Giáo trình cơ sở kỹ thuật nhiệt và điều hòa không khí - ĐH Cơ điện Hà Nội

Dưới đây là thông tin meta tags cho bài viết "Giáo trình cơ sở kỹ thuật nhiệt và điều hòa không khí" trong định dạng JSON: { "ai_description": "Giáo trình

• Tác giả: Vương Toàn Tân
• Trường học: Trường Cao Đẳng Cơ Điện Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt và điều hòa không khí
• Đề tài: Cơ sở kỹ thuật nhiệt và điều hòa không khí
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình cơ sở kỹ thuật nhiệt và điều hòa không khí

Giáo trình cơ sở kỹ thuật nhiệt và điều hòa không khí là tài liệu đào tạo quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh và nhiệt. Tài liệu này cung cấp nền tảng lý thuyết về nhiệt động học, truyền nhiệt và nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh. Giáo trình được biên soạn bởi Th.S Vương Toàn Tân và K.S Nguyễn Tiến Huy, thuộc trường Cao đẳng Cơ điện Hà Nội. Nội dung bao gồm các chương trình học từ cơ bản đến nâng cao. Người học tiếp cận được kiến thức về chu trình nhiệt động, môi chất lạnh và thiết bị trao đổi nhiệt. Giáo trình cũng trình bày nguyên lý làm việc của máy nén, bình ngưng và thiết bị bay hơi. Kiến thức này phục vụ cho việc thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống điều hòa không khí. Đây là tài liệu tham khảo không thể thiếu cho sinh viên và kỹ sư ngành cơ điện lạnh.

1.1. Cấu trúc và phạm vi nội dung giáo trình

Giáo trình được chia thành hai phần chính rõ ràng. Phần đầu tiên trình bày cơ sở kỹ thuật nhiệt động và truyền nhiệt. Nội dung bao gồm các khái niệm về chất môi giới, thông số trạng thái và chu trình nhiệt động. Phần thứ hai tập trung vào cơ sở kỹ thuật lạnh. Người học tìm hiểu về môi chất lạnh, chất tải lạnh và các hệ thống lạnh thông dụng. Giáo trình cũng giới thiệu về máy nén lạnh và các thiết bị trao đổi nhiệt. Cấu trúc này đảm bảo tính hệ thống và logic trong quá trình học tập.

1.2. Vai trò của giáo trình trong đào tạo kỹ thuật lạnh

Giáo trình đóng vai trò nền tảng cho việc đào tạo nhân lực kỹ thuật lạnh. Sinh viên nắm vững nguyên lý nhiệt động học trước khi tiếp cận thiết bị thực tế. Kiến thức về truyền nhiệt giúp hiểu rõ quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống. Giáo trình cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tính toán và thiết kế hệ thống lạnh. Học viên được trang bị kỹ năng phân tích chu trình nhiệt động của máy lạnh. Đây là bước đệm quan trọng để tiếp cận các môn học chuyên ngành nâng cao hơn.

II. Phân tích nội dung cơ sở kỹ thuật nhiệt động và truyền nhiệt

Chương đầu tiên của giáo trình tập trung vào cơ sở kỹ thuật nhiệt động. Nội dung bao gồm các khái niệm về chất môi giới và các thông số trạng thái. Người học tìm hiểu về nhiệt dung riêng và cách tính nhiệt lượng. Giáo trình trình bày chi tiết về hơi nước và các thể pha của vật chất. Quá trình hóa hơi đẳng áp được giải thích rõ ràng với đồ thị minh họa. Các đường giới hạn và miền trạng thái của nước cũng được phân tích kỹ lưỡng. Phần truyền nhiệt giới thiệu ba phương thức truyền nhiệt chính. Dòng nhiệt dẫn được trình bày qua vách phẳng và vách trụ. Trao đổi nhiệt đối lưu được phân tích với các nhân tố ảnh hưởng. Giáo trình cũng đề cập đến trao đổi nhiệt bức xạ và ảnh hưởng của mặt trời. Thiết bị trao đổi nhiệt là phần quan trọng giúp liên kết lý thuyết với thực hành. Nội dung này tạo nền tảng vững chắc cho việc hiểu hệ thống lạnh.

2.1. Nhiệt động học và chu trình nhiệt động cơ bản

Nhiệt động học kỹ thuật là nền tảng của ngành kỹ thuật lạnh. Giáo trình trình bày các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi nước. Quá trình lưu động và tiết lưu được giải thích chi tiết. Chu trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt là nội dung trọng tâm. Hệ số làm lạnh của chu trình Carno ngược chiều được phân tích. Công thức tính hệ số làm lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng và lạnh. Định luật nhiệt động thứ hai được trình bày qua phát biểu Clausius và Kenvil Planck.

2.2. Nguyên lý truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt

Truyền nhiệt tổng hợp là quá trình kết hợp nhiều phương thức truyền nhiệt. Giáo trình phân tích truyền nhiệt qua vách phẳng và vách có cánh tản nhiệt. Tỏa nhiệt khi sôi và ngưng hơi được trình bày chi tiết. Hệ số trao đổi nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố vật lý. Ảnh hưởng của khí không ngưng lẫn trong hơi làm giảm hiệu suất ngưng tụ. Bề mặt vật liệu cũng tác động đến quá trình trao đổi nhiệt. Thiết bị trao đổi nhiệt bao gồm bình ngưng và thiết bị bay hơi.

III. Phương pháp và nguyên lý hoạt động hệ thống lạnh

Phần cơ sở kỹ thuật lạnh trình bày các phương pháp làm lạnh nhân tạo. Hệ thống lạnh với một cấp nén là sơ đồ đơn giản và phổ biến nhất. Giáo trình mô tả sơ đồ có quá nhiệt hơi hút và quá lạnh lỏng. Hệ thống hai cấp nén được sử dụng cho nhiệt độ bay hơi thấp. Máy nén lạnh đóng vai trò quan trọng trong hệ thống. Máy nén piston được phân tích chi tiết về cấu tạo và chuyển động. Đồ thị P-V minh họa các hành trình nén của máy. Không gian thừa ảnh hưởng đến năng suất nén thực tế. Máy nén nhiều cấp có làm mát trung gian mang lại nhiều lợi ích. Tỉ số nén ở mỗi cấp được tối ưu hóa để tăng hiệu suất. Giáo trình cũng giới thiệu máy nén rô to và các chủng loại khác. Bình ngưng và thiết bị bay hơi là thiết bị trao đổi nhiệt chủ yếu. Van tiết lưu điều khiển lưu lượng môi chất vào thiết bị bay hơi. Hệ thống điều hòa không khí ứng dụng nguyên lý làm lạnh để kiểm soát nhiệt độ.

3.1. Môi chất lạnh và chất tải lạnh trong kỹ thuật lạnh

Môi chất lạnh là chất mang nhiệt trong chu trình lạnh. Các môi chất lạnh thường dùng bao gồm R-22, R-134a và R-410A. Mỗi loại môi chất có tính chất nhiệt động riêng biệt. Giáo trình trình bày bảng và đồ thị lgp-h để xác định thông số. Chất tải lạnh vận chuyển nhiệt từ nơi cần làm lạnh đến hệ thống. Nước muối và glycol là chất tải lạnh phổ biến. Việc chọn môi chất và chất tải phù hợp ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống.

3.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc máy nén lạnh

Máy nén lạnh là trái tim của hệ thống lạnh nén hơi. Máy nén piston hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Quá trình hút, nén, xả và dãn nở tạo thành chu trình làm việc. Đồ thị P-V thể hiện công nén và lưu lượng thực tế. Không gian thừa làm giảm năng suất nén do khí còn lại giãn nở. Máy nén nhiều cấp giảm tỉ số nén ở mỗi cấp. Làm mát trung gian giữa các cấp nâng cao hiệu quả nén.

IV. Ứng dụng thực tiễn và tầm quan trọng của kỹ thuật nhiệt lạnh

Kỹ thuật nhiệt lạnh có vai trò quan trọng trong đời sống hiện đại. Ứng dụng phổ biến nhất là hệ thống điều hòa không khí trong tòa nhà. Công nghiệp thực phẩm sử dụng kỹ thuật lạnh để bảo quản và chế biến. Ngành y tế cần hệ thống lạnh để lưu trữ vaccine và dược phẩm. Giáo trình cung cấp kiến thức nền tảng để thiết kế hệ thống hiệu quả. Việc hiểu chu trình nhiệt động giúp tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ. Bảo trì hệ thống lạnh đòi hỏi kiến thức về nguyên lý hoạt động. Kỹ sư cần nắm vững về môi chất lạnh và ảnh hưởng môi trường. Công nghệ mới hướng đến sử dụng môi chất thân thiện với môi trường. Hệ thống bơm nhiệt ứng dụng nguyên lý ngược chiều để sưởi ấm. Giáo trình là cầu nối giữa lý thuyết và ứng dụng thực tế. Nền tảng kiến thức này giúp đáp ứng nhu cầu nhân lực kỹ thuật ngày càng tăng.

4.1. Vai trò của kỹ thuật lạnh trong đời sống và công nghiệp

Kỹ thuật lạnh phục vụ đa dạng lĩnh vực trong xã hội hiện đại. Hệ thống điều hòa không khí tạo môi trường thoải mái trong sinh hoạt. Ngành công nghiệp chế biến thực phẩm phụ thuộc vào hệ thống lạnh. Bảo quản vaccine và dược phẩm yêu cầu nhiệt độ chính xác. Kỹ thuật lạnh còn ứng dụng trong sản xuất công nghiệp và nông nghiệp. Hiểu biết về cơ sở kỹ thuật giúp vận hành hệ thống an toàn và hiệu quả. Đào tạo nhân lực kỹ thuật lạnh là nhu cầu cấp thiết hiện nay.

4.2. Xu hướng phát triển và tối ưu hóa hệ thống lạnh

Xu hướng hiện nay tập trung vào tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Môi chất lạnh thế hệ mới có chỉ số ODP và GWP thấp hơn. Hệ thống biến tần giúp điều chỉnh công suất theo nhu cầu thực tế. Bơm nhiệt là giải pháp hiệu quả cho sưởi ấm và làm nóng nước. Thiết bị trao đổi nhiệt cải tiến nâng cao hiệu suất truyền nhiệt. Công nghệ điều khiển thông minh tối ưu hóa vận hành hệ thống. Giáo trình cung cấp nền tảng để tiếp cận các công nghệ mới này.

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: 5 o 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.