Giáo Trình Cơ Sở Nhiệt Lạnh và Điều Hòa Không Khí cho Sinh Viên Kỹ Thuật

Giáo trình cơ sở nhiệt lạnh và điều hòa không khí cung cấp kiến thức chuyên sâu cho nghề kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí trình độ cao đẳng.

• Tác giả: Nguyễn Chí Trung
• Trường học: Trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy lạnh và Điều hòa không khí
• Đề tài: Giáo Trình Cơ Sở Nhiệt Lạnh và Điều Hòa Không Khí
• Loại tài liệu: giáo trình
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thủ Đức

Mục lục chi tiết

• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT
• 1.1. Nhiệt động kỹ thuật
• 1.2. Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới
• 1.3. Hơi và các thông số trạng thái của hơi
• 1.4. Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi
• 1.5. Các chu trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt
• 1.6. Trao đổi nhiệt đối lưu
• 1.7. Trao đổi nhiệt bức xạ
• 1.8. Thiết bị trao đổi nhiệt
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT LẠNH
• 2.1. Khái niệm chung
• 2.2. Ý nghĩa của kỹ thuật lạnh trong đời sống và kỹ thuật
• 2.3. Các phương pháp làm lạnh nhân tạo
• 2.4. Môi chất lạnh và chất tải lạnh
• 2.5. Các môi chất lạnh thường dùng trong kỹ thuật lạnh
• 2.6. Chất tải lạnh
• 2.7. Các chu trình lạnh cơ bản
• 2.8. Hệ thống lạnh với một cấp nén
• 2.9. Sơ đồ 2 cấp nén có làm mát trung gian
• 2.10. Một số loại máy nén khác
• 2.11. Các thiết bị phụ hệ thống lạnh
• 2.12. Thiết bị phụ
• 2.13. Đường ống hệ thống lạnh
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ
• 3.1. Không khí ẩm
• 3.2. Khái niệm về trạng thái của không khí ẩm
• 3.3. Đồ thị I-d và t-d của không khí ẩm
• 3.4. Một số quá trình của không khí ẩm khi điều hòa không khí
• 3.5. Khái niệm về thông gió và điều hòa không khí
• 3.6. Các hệ thống điều hòa không khí
• 3.7. Các phương pháp và thiết bị xử lý không khí
• 3.8. Hệ thống vận chuyển và phân phối không khí
• 3.9. Trao đổi không khí trong phòng
• 3.10. Đường ống gió
• 3.11. Các phần tử khác của hệ thống điều hòa không khí
• 3.12. Khâu tự động điều chỉnh nhiệt động và độ ẩm trong phòng
• 3.13. Lọc bụi và tiêu âm trong điều hòa không khí
• 3.14. Các hệ thống điều hòa không khí cục bộ
• 3.15. Hệ thống điều hòa không khí kiểu phân tán
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Cơ Sở Nhiệt Lạnh và Điều Hòa Không Khí

Giáo trình Cơ sở Nhiệt lạnh và Điều hòa không khí là tài liệu quan trọng cho sinh viên ngành Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí. Tài liệu này cung cấp kiến thức từ cơ bản đến chuyên sâu, giúp sinh viên nắm vững các khái niệm và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực này. Nội dung giáo trình được biên soạn một cách hệ thống, dễ hiểu, phù hợp với nhu cầu học tập và nghiên cứu của sinh viên.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của giáo trình

Giáo trình nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức nền tảng về cơ sở nhiệt lạnh và điều hòa không khí. Nó giúp sinh viên hiểu rõ các nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh và các thiết bị liên quan.

1.2. Cấu trúc và nội dung chính của giáo trình

Nội dung giáo trình được chia thành nhiều chương, mỗi chương tập trung vào một khía cạnh cụ thể của kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí, từ lý thuyết đến thực hành.

II. Các thách thức trong lĩnh vực Cơ Sở Nhiệt Lạnh và Điều Hòa Không Khí

Ngành cơ sở nhiệt lạnh và điều hòa không khí đang đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và giảm thiểu tác động môi trường. Các vấn đề như hiệu suất của thiết bị, chi phí vận hành và bảo trì cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Vấn đề hiệu suất năng lượng

Hiệu suất năng lượng của các hệ thống lạnh và điều hòa không khí là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Việc cải thiện hiệu suất không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

2.2. Tác động môi trường của hệ thống lạnh

Các hệ thống lạnh có thể gây ra tác động tiêu cực đến môi trường nếu không được thiết kế và vận hành đúng cách. Việc sử dụng các chất làm lạnh thân thiện với môi trường là một trong những giải pháp cần thiết.

III. Phương pháp và giải pháp trong Cơ Sở Nhiệt Lạnh và Điều Hòa Không Khí

Để giải quyết các thách thức trong lĩnh vực cơ sở nhiệt lạnh và điều hòa không khí, nhiều phương pháp và giải pháp đã được đề xuất. Các công nghệ mới và cải tiến trong thiết kế hệ thống là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí.

3.1. Công nghệ làm lạnh tiên tiến

Công nghệ làm lạnh tiên tiến như máy nén biến tần và hệ thống lạnh hấp thụ đang được áp dụng rộng rãi. Những công nghệ này giúp cải thiện hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng.

3.2. Thiết kế hệ thống điều hòa không khí hiệu quả

Thiết kế hệ thống điều hòa không khí cần phải chú trọng đến việc tối ưu hóa luồng không khí và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Việc sử dụng các thiết bị hiện đại và vật liệu cách nhiệt tốt cũng là một giải pháp hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Cơ Sở Nhiệt Lạnh và Điều Hòa Không Khí

Các ứng dụng của cơ sở nhiệt lạnh và điều hòa không khí rất đa dạng, từ các hệ thống điều hòa không khí trong các tòa nhà đến các thiết bị làm lạnh trong công nghiệp. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống mà còn nâng cao hiệu suất sản xuất.

4.1. Hệ thống điều hòa không khí trong tòa nhà

Hệ thống điều hòa không khí trong các tòa nhà thương mại và dân dụng cần được thiết kế để đảm bảo hiệu suất tối ưu và tiết kiệm năng lượng. Việc sử dụng công nghệ mới giúp cải thiện chất lượng không khí trong nhà.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Trong ngành công nghiệp, công nghệ lạnh được sử dụng để bảo quản thực phẩm, sản xuất hóa chất và nhiều lĩnh vực khác. Việc áp dụng các giải pháp lạnh hiệu quả giúp giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

V. Kết luận và tương lai của Cơ Sở Nhiệt Lạnh và Điều Hòa Không Khí

Tương lai của cơ sở nhiệt lạnh và điều hòa không khí hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ. Các giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường sẽ trở thành xu hướng chính trong ngành này.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ lạnh

Công nghệ lạnh sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các thiết bị thông minh và tự động hóa. Những tiến bộ này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.2. Tầm quan trọng của giáo dục và đào tạo

Giáo dục và đào tạo trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí là rất quan trọng. Việc trang bị kiến thức và kỹ năng cho sinh viên sẽ giúp họ đáp ứng được nhu cầu của thị trường lao động trong tương lai.

Nội dung chính

TỔNG QUAN VÀ PHÂN TÍCH HỌC THUẬT: GIÁO TRÌNH CƠ SỞ NHIỆT LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

---

Tổng quan về giáo trình (250-300 từ)

Giáo trình Cơ sở nhiệt lạnh và Điều hòa không khí (Mã học phần: CSC111190) do tác giả Nguyễn Chí Trung biên soạn, được Khoa Điện – Điện tử thuộc Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức ban hành năm 2024 theo Quyết định của Hiệu trưởng. Trong khung chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật máy lạnh và Điều hòa không khí trình độ Cao đẳng, học phần này giữ vị trí môn học cơ sở cốt lõi, được tổ chức giảng dạy ngay trong học kỳ 1 nhằm cung cấp kiến thức nền tảng trước khi sinh viên tiếp cận các mô-đun chuyên ngành sâu.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định rõ trên ba phương diện:

• Về kiến thức: Sinh viên trình bày được các khái niệm nhiệt động lực học, nguyên lý chuyển pha của môi chất, các chu trình nhiệt động, phương pháp làm lạnh nhân tạo, cấu tạo – nguyên lý của máy nén, thiết bị phụ và các phương pháp xử lý không khí.
• Về kỹ năng: Tra cứu chính xác thông số trạng thái của môi chất trên bảng số liệu và đồ thị nhiệt động ($l!gp-h$, $T-s$, $I-d$, $t-d$), giải thích sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh và tính toán các thông số tải nhiệt cơ bản.
• Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện năng lực làm việc độc lập, phối hợp nhóm, giám sát kỹ thuật và tuân thủ đạo đức nghề nghiệp.

Cấu trúc giáo trình gồm 3 chương với cách tiếp cận đi từ lý thuyết nhiệt động kỹ thuật, hiện tượng truyền nhiệt đến cấu tạo thiết bị hệ thống lạnh và giải pháp điều hòa không khí. Điểm đặc sắc là việc tích hợp chặt chẽ giữa hệ thống công thức giải tích với 58 hình vẽ kỹ thuật, đồ thị nhiệt động và các bảng tra cứu thực nghiệm phục vụ trực tiếp cho tính toán kỹ thuật.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi (500-600 từ)

                       CẤU TRÚC KIẾN THỨC CỐT LÕI
[CHƯƠNG 1]                    [CHƯƠNG 2]                    [CHƯƠNG 3]
Cơ sở Nhiệt động              Cơ sở Kỹ thuật                Cơ sở Kỹ thuật
& Truyền nhiệt                Lạnh                          Điều hòa Không khí

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai qua 3 chương trọng tâm theo logic diễn dịch từ nguyên lý vật lý đến ứng dụng cơ điện lạnh:

1. Chương 1: Cơ sở kỹ thuật nhiệt động và truyền nhiệt
   Khảo sát chất môi giới và các thông số trạng thái cơ bản ($p, v, T, u, i/h, s, C$). Trình bày trạng thái pha của chất thuần khiết, các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi nước (đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt, đoạn nhiệt, lưu động và tiết lưu đoạn nhiệt $h = \text{const}$). Phân tích Định luật II nhiệt động, chu trình Carno thuận/nghịch, chu trình khô của máy lạnh – bơm nhiệt và nguyên lý máy lạnh hấp thụ ($NH_3/H_2O$, $H_2O/LiBr$). Tiếp đó, chương khảo sát quy luật dẫn nhiệt qua vách phẳng một lớp/nhiều lớp, vách trụ, trao đổi nhiệt đối lưu (tự nhiên và cưỡng bức) thông qua các tiêu chuẩn đồng dạng ($Nu, Re, Gr, Pr$), trao đổi nhiệt bức xạ và thiết bị trao đổi nhiệt.

2. Chương 2: Cơ sở kỹ thuật lạnh
   Trình bày ý nghĩa kỹ thuật lạnh, các phương pháp làm lạnh nhân tạo, phân loại môi chất lạnh và chất tải lạnh. Phân tích sâu các chu trình lạnh: chu trình 1 cấp nén (chu trình khô, có quá lạnh – quá nhiệt, có hồi nhiệt), chu trình 2 cấp nén làm mát trung gian hoàn toàn và không hoàn toàn (sử dụng bình trung gian ống xoắn). Khảo sát cấu tạo máy nén piston, hiệu suất thể tích $\lambda$, ảnh hưởng của tỉ số nén $\pi$ và không gian thừa. Giới thiệu chi tiết thiết bị ngưng tụ, tháp giải nhiệt RINKI, cùng các thiết bị phụ: bình tách dầu (nón chắn, phao, xoắn), bình chứa cao áp (BCCA), bình tách lỏng (BTL), thiết bị hồi nhiệt Danfoss, bình tách khí không ngưng, phin sấy lọc, kính xem gas và đầu chia lỏng.

3. Chương 3: Cơ sở kỹ thuật điều hòa không khí
   Xây dựng lý thuyết không khí ẩm, xác định trạng thái và biểu diễn các quá trình nhiệt – ẩm (gia nhiệt, làm lạnh, bốc hơi tăng ẩm bằng nước hoặc hơi bão hòa, hòa trộn khí hồi và khí tươi) trên đồ thị $I-d$ và $t-d$. Trình bày phân loại hệ thống điều hòa không khí (cục bộ, phân tán), phương pháp xử lý không khí, hệ thống phân phối gió (miệng thổi, miệng hút, luồng đối lưu), tiêu chuẩn tính toán kích thước – độ dày tole đường ống gió, khâu tự động điều chỉnh nhiệt ẩm (bộ cảm biến kiểu hộp xếp ống mao) và giải pháp lọc bụi, tiêu âm.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Lý thuyết nhiệt động học: Định luật I và Định luật II nhiệt động học, thuyết động học phân tử, phương trình trạng thái khí và các biểu thức biến đổi năng lượng ($dq = du + pdv$, $dq = dh - vdp$).
• Lý thuyết truyền nhiệt: Định luật Fourier về dẫn nhiệt ($q = -\lambda \nabla t$), công thức làm nguội Newton ($q = \alpha(t_w - t_f)$), lý thuyết đồng dạng nhiệt động.
• Nguyên lý chu trình nhiệt: Động học chu trình ngược chiều Carno, quá trình chuyển pha lỏng – hơi và nguyên lý nén hơi nhiều cấp.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật: Đọc và tra cứu bảng thông số hơi bão hòa, môi chất lạnh; vẽ và xác định các điểm trạng thái nút trên đồ thị $l!gp-h, T-s, I-d, t-d$; tính toán trở lực và lựa chọn độ dày tole ống gió theo vận tốc gió (Bảng 3.2, Bảng 3.3).
• Kỹ năng phân tích: Đánh giá tổn thất năng lượng máy nén, phân tích chu trình làm mát trung gian trong hệ thống lạnh công nghiệp, tính toán cân bằng nhiệt – ẩm trong không gian điều hòa.
• Năng lực thực tiễn: Nhận diện, giải thích cấu tạo và sơ đồ lắp đặt các thiết bị phụ trợ (bình giữ mức tách lỏng, bình tách khí không ngưng, tháp giải nhiệt, van tiết lưu, phin lọc).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập (300-350 từ)

Giáo trình được biên soạn dựa trên phương pháp sư phạm kỹ thuật kết hợp giữa quy nạp lý thuyết và phân tích ứng dụng thực tế. Nội dung bắt đầu từ các định luật vật lý cơ bản, thiết lập mô hình giải tích, sau đó chuyển hóa thành phương pháp giải quyết bài toán kỹ thuật thông qua công cụ đồ thị và bảng số liệu tra cứu.

                  QUY TRÌNH HỌC TẬP VÀ PHÂN TÍCH KỸ THUẬT

Hệ thống bài tập và thực hành được lồng ghép qua việc phân tích chu trình máy lạnh nén hơi 1 cấp và 2 cấp trên đồ thị $l!gp-h$, tính công nén riêng ($l = h_2 - h_1$), năng suất lạnh riêng ($q_o = h_1 - h_4$), hệ số làm lạnh ($\varepsilon$), cũng như bài toán truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp của kho lạnh. Các trường hợp nghiên cứu gắn liền với cấu tạo thiết bị công nghiệp như tháp giải nhiệt RINKI, thiết bị hồi nhiệt Danfoss hay sơ đồ cấp lỏng dàn bay hơi qua đầu chia lỏng.

Phương pháp đánh giá kết quả học tập tập trung vào:

1. Đánh giá kiến thức qua khả năng giải thích hiện tượng chuyển pha, nguyên lý chu trình lạnh và chức năng thiết bị phụ.
2. Đánh giá kỹ năng thông qua bài tập tra cứu đồ thị, tính toán thông số nhiệt động của môi chất và thiết kế sơ bộ hệ thống đường ống gió.

Để tự học hiệu quả, người học cần bám sát danh mục 58 hình vẽ kỹ thuật, tự vẽ lại các chu trình trên đồ thị $l!gp-h$ và $I-d$, đồng thời đối chiếu các thông số bảng tra cứu với các biểu thức toán học tương ứng.

---

Điểm nổi bật và cập nhật (250-300 từ)

Giáo trình Cơ sở nhiệt lạnh và Điều hòa không khí năm 2024 của Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức có các điểm cập nhật và đặc tính kỹ thuật đáng chú ý:

• Tính cập nhật về hệ thống thiết bị: Tài liệu cập nhật các cấu trúc thiết bị phụ trợ hiện đại trong hệ thống lạnh công nghiệp như bình tách dầu kiểu xoắn, bình tách lỏng kiểu nón chắn hồi nhiệt, bình giữ mức tách lỏng và thiết bị hồi nhiệt Danfoss.
• Tích hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật thực tế: Đưa vào các bảng quy chuẩn phục vụ trực tiếp cho thi công như Bảng 3.2 (Phân loại đường ống gió theo tốc độ gió) và Bảng 3.3 (Độ dày của tole theo kích thước đường ống gió), giúp người học nắm bắt quy cách vật liệu chuẩn trong ngành cơ điện lạnh (HVAC).
• Mở rộng chu trình chuyên sâu: Bên cạnh chu trình máy lạnh nén hơi thông thường, giáo trình phân tích chi tiết chu trình máy lạnh hấp thụ sử dụng cặp môi chất $NH_3/H_2O$ và $H_2O/LiBr$, chu trình nén 2 cấp có bình trung gian ống xoắn, đáp ứng nhu cầu tìm hiểu các công nghệ làm lạnh tận dụng nhiệt thải hoặc làm lạnh nhiệt độ thấp.
• Gắn kết công nghiệp: Các sơ đồ nguyên lý được thể hiện theo đúng quy chuẩn ký hiệu kỹ thuật ngành nhiệt lạnh (MN, TBNT, VTL, TBBH, BTG, BTL, BCCA, BCHA), hỗ trợ sinh viên nhanh chóng thích ứng với bản vẽ thiết kế tại doanh nghiệp.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình (200-250 từ)

• Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên năm thứ nhất (học kỳ 1) ngành Kỹ thuật máy lạnh và Điều hòa không khí bậc Cao đẳng tại Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức và các cơ sở giáo dục nghề nghiệp tương đương.
• Sinh viên các khối ngành kỹ thuật liên quan: Sinh viên khối ngành Điện – Điện tử, Cơ khí, Tự động hóa có nhu cầu trang bị kiến thức bổ trợ về kỹ thuật nhiệt động, truyền nhiệt và công nghệ HVAC.
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần nắm vững kiến thức Vật lý đại cương (phần Cơ học, Nhiệt học), Toán học kỹ thuật (giải tích, vi phân, tích phân) và các đơn vị đo lường vật lý cơ bản ($Pa, bar, at, J, W, ^\circ C, K$).
• Giảng viên và kỹ sư thực hành: Giảng viên sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuẩn cho học phần CSC111190; kỹ thuật viên, kỹ sư mới ra trường dùng làm tài liệu tra cứu các công thức truyền nhiệt, thông số không khí ẩm và sơ đồ hệ thống lạnh công nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp (250-300 từ)

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Giáo trình được biên soạn phục vụ chính thức cho sinh viên bậc Cao đẳng ngành Kỹ thuật máy lạnh và Điều hòa không khí, đồng thời phù hợp cho học viên khối không chuyên muốn tìm hiểu nền tảng nhiệt – lạnh.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền nào trước khi học học phần này?

Người học cần có kiến thức cơ bản về Vật lý nhiệt, các phép tính toán giải tích cơ bản và khả năng đọc các đơn vị đo lường áp suất, nhiệt độ, năng lượng.

3. Giáo trình này có điểm gì khác biệt so với các tài liệu thuần lý thuyết?

Giáo trình tích hợp đồng thời ba mảng kiến thức: Nhiệt động lực học – Cơ sở kỹ thuật lạnh – Điều hòa không khí. Bên cạnh lý thuyết, sách cung cấp chi tiết sơ đồ cấu tạo của các thiết bị phụ (bình tách dầu, phin sấy lọc, tháp giải nhiệt) và quy chuẩn gia công ống gió.

4. Phương pháp tự học giáo trình này như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học nên kết hợp đọc lý thuyết với việc thực hành tra cứu các điểm nút trạng thái trên đồ thị $l!gp-h$ (cho chu trình lạnh) và đồ thị $I-d$ / $t-d$ (cho không khí ẩm), giải các bài tập tính toán trao đổi nhiệt đối lưu và dẫn nhiệt vách phẳng.

5. Giáo trình có kèm theo tài liệu và bảng tra cứu bổ trợ không?

Giáo trình cung cấp hệ thống 5 bảng tra thông số (nhiệt dung riêng, bước sóng điện từ, hệ số $k_H$, vận tốc gió, độ dày tole), danh mục chữ viết tắt, danh mục 58 hình vẽ kỹ thuật và danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành tại trang 189.

---

Kết luận (150 từ)

Giáo trình Cơ sở nhiệt lạnh và Điều hòa không khí của tác giả Nguyễn Chí Trung là tài liệu học thuật cơ sở, cung cấp hệ thống lý thuyết chuẩn mực về nhiệt động kỹ thuật, quá trình truyền nhiệt, chu trình lạnh và kỹ thuật xử lý không khí. Với lộ trình đào tạo từ học kỳ 1 (mã học phần CSC111190), giáo trình đóng vai trò là nền tảng điều kiện tiên quyết giúp người học tích lũy đầy đủ kiến thức và kỹ năng tra cứu đồ thị chuyên ngành trước khi bước vào các học phần thực hành, thiết kế và thi công hệ thống cơ điện lạnh chuyên sâu. Người học có thể tham khảo danh mục tài liệu bổ trợ tại trang 189 của giáo trình để mở rộng các nghiên cứu chuyên sâu về thiết bị nhiệt và điều hòa không khí công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên 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 sinh viên. 2 Nội dung chính: 1. Nhiệt động kỹ thuật 1. Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới Chất môi giới là chất có vai trò trung gian trong các quá trình biến đổi năng lượng trong các thiết bị nhiệt.

❖ Các thông số trạng thái của chất môi giới: • 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 .ω 2 = kT [1-1] 3 Trong đó: mμ - khối lượng phân tử ω - vận tốc trung bình của các phân tử k - hằng số Bonzman, k = 1,3805.105 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: + Thang nhiệt độ Celsius (0C) + Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) + Thang nhiệt độ Kelvin (K) + Thang nhiệt độ Rankine (0R) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ: o C = (oF – 32) 3 o C = K – 273 o C = oR – 273 • 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: mµω 2 p = α. [1-3] 3 Trong đó: 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: 1) N/m2 2) Pa (Pascal) 3) at (Technical Atmosphere) 4) atm (Physical Atmosphere) 5) mmHg 6) mm H2O 7) psi (Pound per Square Inch) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất: 1 atm = 760 mm Hg (at 0oC) = 10,13.10 4 Pa = 2116 psf (lbf/ft2) 4 1 at = 2049 psf 1at = 0,981bar = 9,81.104Pa = 10mH20 = 735,5mmHg = 14,7psi Phân loại áp suất: Áp suất khí quyển (po): 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.

pck = po - p [1-6] Hình 1.1 Các loại áp suất 5 Hình 1.2 Áp kế - dụng cụ đo áp suất • Thể tích riêng và khối lượng riêng: Thể tích riêng (v) - Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng chất đó: V ν= [m3/kg] [1-7] m Khối lượng riêng (ρ) - còn gọi là mật độ của một chất là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó: m ρ= [kg/m3] [1-8] V • 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) 6 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) [1-9] 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 = 277,78.10-6 kWh = 0,948 Btu • Enthalpy: Enthalpy (i hoặc h) - là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức: i = h = u + p.v [1-10] 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. • Entropy: Entropy (s) là một hàm trạng thái được định nghĩa bằng biểu thức: dq ds = [1-11] T • Nhiệt dung riêng: 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 tăng lên 1oC Joule (J) 1 Cal = 4.187 J, 1 Btu = 252 Cal 7 Hình 1.3 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 ra để nhiệt độ của nó thay đổi 10. dQ C= [J/độ] [1-12] dt Nhiệt dung riêng là lượng nhiệt cần cung cấp hoặc tỏa ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi 10.

Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất: C Nhiệt dung riêng khối lượng c = , [J/kg.độ] [1-13] m C Nhiệt dung riêng thể tích c’ = , [J/m3t c.độ ] [1-14] Vtc C Nhiệt dung riêng mol c µ = [J/kmol.độ] [1-17] Hệ số đoạn nhiệt: cp k= [1-18] 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 =. Nhiệt dung riêng 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 c [kJ/kmol.độ] μv μp 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 9 • 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.

Về trị số, công bằng tích của thành phần lực cùng phương chuyển động và quãng đường dịch chuyển: L = (F.4 Công cơ học Đơn vị: Công là một dạng năng lượng nên đơn vị của công là đơn vị của năng lượng. Đơn vị thông dụng là Joule (J). 1J là công của lực 1N tác dụng trên quãng đường 1 m. Phân loại: Công thay đổi thể tích (l) - còn gọi là công cơ học - là công do CMG sinh ra khi dãn nở hoặc nhận được khi bị nén.

Công thay đổi thể tích gắn liền với sự dịch chuyển ranh giới của hệ nhiệt động. Công thay đổi thể tích được xác định bằng biểu thức: v2 l= ∫ p. dv v1 [1-20] Công kỹ thuật (lkt) - là công của dòng khí chuyển động được thực hiện khi áp suất của chất khí thay đổi. Công kỹ thuật được xác định bằng biểu thức: p2 ∫ lkt = − v.

Hơi và các thông số trạng thái của hơi ❖ Các thể (pha) của vật chất: Chất môi giới là chất có vai trò trung gian trong các quá trình biến đổi năng lượng trong các thiết bị nhiệt. Dạng đồng nhất về vật lý của chất môi giới được gọi là pha. Ví dụ, nước có thể tồn tại ở pha lỏng, pha rắn và pha hơi (khí). Thiết bị nhiệt thông dụng thường sử dụng chất môi giới ở pha khí vì chất khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn nên có khả năng thực hiện công lớn.5 Đồ thị biểu diễn pha của chất thuần khiết 11 Hình 1.6 Các quá trình chuyển pha của nước ❖ Ví dụ các quá trình chuyển pha của nước: • Sự hóa hơi và ngưng tụ: Hóa hơi là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi.

Ngược lại, quá trình chuyển từ pha hơi sang pha lỏng gọi là ngưng tụ. Để hóa hơi, phải cấp nhiệt cho CMG. Ngược lại, khi ngưng tụ CMG sẽ nhả nhiệt. Nhiệt lượng cấp cho 1kg CMG lỏng hóa hơi hoàn toàn gọi là nhiệt ẩn hóa hơi (rhh), nhiệt lượng tỏa ra khi 1kg CMG ngưng tụ gọi là nhiệt ngưng tụ (rnt).

Nhiệt ẩn hóa hơi và nhiệt ngưng tụ có trị số bằng nhau. Ở áp suất khí quyển, nhiệt ẩn hóa hơi của nước là 2257 kJ/kg. 12 • Sự nóng chảy và đông đặc: Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, quá trình ngược lại được gọi là đông đặc. Cần cung cấp nhiệt để làm nóng chảy CMG.

Ngược lại, khi đông đặc CMG sẽ nhả nhiệt. Nhiệt lượng cần cung cấp để 1 kg CMG nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy (rnc), nhiệt lượng tỏa ra khi 1 kg CMG đông đặc gọi là nhiệt đông đặc (rdd). Nhiệt nóng chảy và nhiệt đông đặc có trị số bằng nhau. Ở áp suất khí quyển, nhiệt nóng chảy của nước bằng 333 kJ/kg.

• Sự thăng hoa và ngưng kết: Thăng hoa là quá trình chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha hơi. Ngược lại với quá trình thăng hoa là ngưng kết. CMG nhận nhiệt khi thăng hoa và nhả nhiệt khi ngưng kết. Nhiệt thăng hoa (rth) và nhiệt ngưng kết (rnk) có trị số bằng nhau.

Ở áp suất p = 0,006 bar, nhiệt thăng hoa của nước bằng 2818 kJ/kg. Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi. ❖ Định luật Nhiệt động học thứ nhất là định luật bảo toàn năng lượng, với các dạng năng lượng của một hệ thống nhiệt động.