Giáo Trình Cơ Sở Kỹ Thuật Nhiệt Lạnh Nghề Vận Hành Sửa Chữa Thiết Bị Lạnh

Giáo trình cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh cung cấp kiến thức cần thiết cho nghề vận hành và sửa chữa thiết bị lạnh trình độ trung cấp, cao đẳng.

• Người hướng dẫn: Lê Đình Chấn
• Trường học: Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh
• Đề tài: Giáo Trình Kỹ Thuật Nhiệt Lạnh: Vận Hành và Sửa Chữa Thiết Bị Lạnh
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU VỀ NHIỆT ĐỘNG
• 1.1. Các khái niệm cơ bản
• 1.2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của nhiệt động
• 1.3. Hệ nhiệt động, chất môi giới, trạng thái và thông số trạng thái
• 1.4. Phương trình trạng thái của chất khí
• 1.4.1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
• 1.4.2. Phương trình trạng thái của khí thực
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
• 2.1. Nhiệt, nhiệt dung riêng và công
• 2.2. Định luật nhiệt động I
• 2.2.1. Năng lượng toàn phần của hệ
• 2.2.2. Nội dung và ý nghĩa của định luật nhiệt động I
• 2.3. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
• 2.3.1. Quá trình đẳng tích
• 3. CHƯƠNG 3: DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH
• 3.1. Định luật Fourier về dẫn nhiệt
• 3.2. Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng
• 3.3. Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng một lớp
• 3.4. Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng nhiều lớp
• 3.5. Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ
• 3.6. Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ một lớp
• 3.7. Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ nhiều lớp
• 4. CHƯƠNG 4: TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
• 4.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng và vách trụ
• 4.2. Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp và nhiều lớp
• 4.3. Truyền nhiệt qua vách trụ một lớp và nhiều lớp
• 4.4. Truyền nhiệt qua vách có cánh
• 4.5. Thiết bị trao đổi nhiệt
• 5. CHƯƠNG 5: CÁC NGUYÊN LÝ LÀM LẠNH VÀ ỨNG DỤNG
• 5.1. Lịch sử phát triển của kỹ thuật lạnh
• 5.2. Các phương pháp làm lạnh
• 5.3. Vai trò của kỹ thuật lạnh trong đời sống và kỹ thuật
• 6. CHƯƠNG 6: MÔI CHẤT LẠNH – CHẤT TẢI LẠNH
• 6.1. Môi chất lạnh
• 6.2. Chất tải lạnh
• 6.3. Bảng và đồ thị của môi chất lạnh
• 7. CHƯƠNG 7: CHU TRÌNH MÁY LẠNH MỘT CẤP
• 7.1. Chu trình Carnot ngược chiều
• 7.2. Chu trình khô
• 7.3. Chu trình quá lạnh và quá nhiệt
• 7.4. Chu trình hồi nhiệt
• 7.5. Sự phụ thuộc của năng suất lạnh vào nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ
• 8. CHƯƠNG 8: CHU TRÌNH MÁY LẠNH HAI CẤP
• 8.1. Sự cần thiết phải dùng máy nén nhiều cấp
• 8.2. Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian không hoàn toàn
• 8.3. Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian một phần có hồi nhiệt
• 8.4. Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu làm mát trung gian không hoàn toàn
• 8.5. Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu làm mát trung gian hoàn toàn
• 8.6. Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu bình trung gian có ống trao đổi nhiệt
• 8.7. Bảng tính chất vật lý của amôniắc (NH3) trên đường bão hòa
• 8.8. Bảng hơi bão hòa của amôniắc (NH3)
• 8.9. Bảng tính chất vật lý của R12 trên đường bão hòa
• 8.10. Bảng tính chất vật lý của R22 trên đường bão hòa

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Kỹ Thuật Nhiệt Lạnh

Giáo trình Kỹ thuật Nhiệt lạnh là tài liệu quan trọng cho sinh viên ngành Vận hành và Sửa chữa thiết bị lạnh. Tài liệu này cung cấp kiến thức cơ bản về nguyên lý hoạt động của các thiết bị lạnh, từ đó giúp sinh viên nắm vững các khái niệm và quy trình cần thiết trong lĩnh vực này. Việc hiểu rõ về kỹ thuật lạnh không chỉ giúp sinh viên có nền tảng vững chắc mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng vào thực tiễn.

1.1. Mục tiêu của giáo trình Kỹ thuật Nhiệt lạnh

Giáo trình nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cần thiết về vận hành thiết bị lạnh và sửa chữa thiết bị lạnh. Nội dung giáo trình bao gồm các khái niệm cơ bản, quy trình làm việc và các ứng dụng thực tiễn trong ngành.

1.2. Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình này được thiết kế dành cho sinh viên các trường Cao đẳng và Trung cấp kỹ thuật, cũng như cho đội ngũ công nhân kỹ thuật đang làm việc trong lĩnh vực công nghệ lạnh.

II. Các thách thức trong Vận hành và Sửa chữa Thiết bị Lạnh

Trong quá trình vận hành thiết bị lạnh, nhiều thách thức có thể phát sinh, từ việc bảo trì định kỳ đến xử lý sự cố. Những vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị mà còn có thể gây ra thiệt hại lớn nếu không được xử lý kịp thời. Việc nắm vững các nguyên lý hoạt động và quy trình sửa chữa là rất quan trọng.

2.1. Các vấn đề thường gặp trong thiết bị lạnh

Các vấn đề như rò rỉ môi chất lạnh, hỏng hóc linh kiện và hiệu suất làm lạnh kém là những thách thức phổ biến. Việc phát hiện và khắc phục kịp thời sẽ giúp duy trì hiệu suất hoạt động của thiết bị.

2.2. Tầm quan trọng của bảo trì thiết bị lạnh

Bảo trì định kỳ giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí sửa chữa. Việc này cũng đảm bảo thiết bị hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

III. Phương pháp Vận hành Thiết bị Lạnh Hiệu Quả

Để đạt được hiệu quả tối ưu trong vận hành thiết bị lạnh, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động của thiết bị sẽ giúp người vận hành thực hiện các thao tác một cách chính xác và hiệu quả.

3.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị lạnh

Thiết bị lạnh hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi nhiệt năng từ môi trường này sang môi trường khác. Việc nắm vững nguyên lý này giúp người vận hành có thể điều chỉnh và tối ưu hóa hiệu suất làm việc.

3.2. Các kỹ thuật vận hành an toàn

An toàn trong vận hành thiết bị lạnh là rất quan trọng. Cần tuân thủ các quy định và hướng dẫn an toàn để đảm bảo không xảy ra sự cố trong quá trình làm việc.

IV. Giải pháp Sửa chữa Thiết bị Lạnh Hiệu Quả

Sửa chữa thiết bị lạnh đòi hỏi kiến thức chuyên môn và kỹ năng thực hành. Việc áp dụng các giải pháp sửa chữa hiệu quả không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí cho doanh nghiệp.

4.1. Quy trình sửa chữa thiết bị lạnh

Quy trình sửa chữa bao gồm các bước như kiểm tra, xác định nguyên nhân hỏng hóc, thay thế linh kiện và kiểm tra lại hiệu suất. Việc thực hiện đúng quy trình sẽ giúp đảm bảo thiết bị hoạt động trở lại bình thường.

4.2. Công nghệ sửa chữa hiện đại

Sử dụng công nghệ hiện đại trong sửa chữa thiết bị lạnh giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác. Các thiết bị chẩn đoán lỗi tự động và phần mềm hỗ trợ sửa chữa là những công cụ hữu ích.

V. Ứng dụng Thực tiễn của Kỹ Thuật Nhiệt Lạnh

Kỹ thuật Nhiệt lạnh có nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất. Từ việc bảo quản thực phẩm đến điều hòa không khí, kỹ thuật này đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực.

5.1. Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Kỹ thuật lạnh được sử dụng để bảo quản thực phẩm, giúp kéo dài thời gian sử dụng và duy trì chất lượng sản phẩm. Việc này rất quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm.

5.2. Ứng dụng trong điều hòa không khí

Hệ thống điều hòa không khí sử dụng nguyên lý làm lạnh để tạo ra môi trường thoải mái cho con người. Việc hiểu rõ về kỹ thuật lạnh giúp cải thiện hiệu suất của các hệ thống này.

VI. Kết luận và Tương lai của Kỹ Thuật Nhiệt Lạnh

Kỹ thuật Nhiệt lạnh đang ngày càng phát triển và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Tương lai của ngành này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến và ứng dụng mới, đặc biệt là trong bối cảnh công nghệ ngày càng tiên tiến.

6.1. Xu hướng phát triển của ngành

Ngành kỹ thuật lạnh đang chuyển mình với sự phát triển của công nghệ mới, từ việc sử dụng môi chất lạnh thân thiện với môi trường đến các hệ thống tự động hóa.

6.2. Cơ hội nghề nghiệp trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh

Với sự phát triển không ngừng của ngành, cơ hội nghề nghiệp trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh ngày càng mở rộng. Sinh viên có thể tìm thấy nhiều vị trí việc làm hấp dẫn trong các công ty và tổ chức liên quan.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh (Mã môn học: MH 09) được biên soạn bởi tác giả Lê Đình Chấn cùng nhóm chuyên môn, ban hành chính thức theo Quyết định số 99/QĐ-KTCNQN ngày 14 tháng 3 năm 2018 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Quy Nhơn (tỉnh Bình Định). Tài liệu được thiết kế làm giáo trình giảng dạy chuyên môn cho nghề Vận hành, sửa chữa thiết bị lạnh ở cả hai trình độ đào tạo: Trung cấp và Cao đẳng.

Trong chương trình đào tạo nghề, môn học Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh giữ vị trí môn học kỹ thuật cơ sở cốt lõi. Môn học được bố trí giảng dạy sau các môn học chung (khoa học cơ bản) và được xếp trước toàn bộ các mô đun chuyên môn nghề nghiệp thực hành. Về mặt phân bổ thời lượng, môn học có tổng khối lượng 90 giờ, được phân bổ cân bằng gồm 44 giờ lý thuyết (LT), 44 giờ thực hành và bài tập (TH), cùng 02 giờ kiểm tra định kỳ (KT).

   [Các môn học chung: Toán, Vật lý]
   [Các mô đun chuyên môn: Vận hành, Sửa chữa TB Lạnh]

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định cụ thể trên ba phương diện chuẩn đầu ra:

• Về kiến thức: Cung cấp hệ thống lý thuyết về nhiệt động lực học kỹ thuật, các phương trình trạng thái khí lý tưởng và khí thực; quy luật truyền nhiệt (dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ, truyền nhiệt hỗn hợp); đặc tính hóa - lý - nhiệt động của các môi chất lạnh ($NH_3, R12, R22, R134a$) và chất tải lạnh ($H_2O, NaCl, CaCl_2$); nguyên lý vận hành của chu trình máy lạnh nén hơi một cấp và hai cấp.
• Về kỹ năng: Người học có khả năng xác định các thông số trạng thái trong chu trình nhiệt; tính toán tổn thất nhiệt và diện tích bề mặt truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt; giải các bài toán chu trình nhiệt động; biểu diễn và tra cứu thông số chu trình trên đồ thị logarit áp suất - entanpy ($\lg p - h$) và nhiệt độ - entropy ($T - s$).
• Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện phương pháp làm việc chính xác, tư duy tính toán logic và khả năng áp dụng cơ sở lý thuyết vào điều kiện vận hành sản xuất thực tế.

Cấu trúc giáo trình được tiếp cận theo phương pháp kỹ thuật ứng dụng, kết hợp giữa việc thiết lập các phương trình cân bằng nhiệt động lý thuyết và quy trình giải toán kỹ thuật từng bước, phục vụ trực tiếp cho công việc tính toán, thiết kế và sửa chữa hệ thống lạnh.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình được cấu trúc thành 8 chương với tiến trình phát triển kiến thức logic chặt chẽ từ nhiệt động học cơ bản, lý thuyết truyền nhiệt đến các hệ thống lạnh chuyên sâu:

 (Khái       (Định luật    (Dẫn         (Truyền      (Nguyên      (Môi chất    (Chu trình   (Chu trình
  niệm        Nhiệt        nhiệt        nhiệt &      lý làm       & Chất        máy lạnh     máy lạnh
  mở đầu)     động I)      ổn định)     TBTĐN)       lạnh)        tải lạnh)     1 cấp)       2 cấp)

1. Chương 1: Các khái niệm mở đầu về nhiệt động (06 giờ): Khái quát đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật; phân loại thiết bị nhiệt thành động cơ nhiệt và máy lạnh; định nghĩa hệ nhiệt động (hệ kín, hệ hở, hệ cô lập, hệ không cô lập, hệ đoạn nhiệt); chất môi giới; 6 thông số trạng thái cơ bản gồm nhiệt độ ($T$), áp suất ($p$), thể tích riêng ($v$), khối lượng riêng ($\rho$), nội năng ($u$), entanpy ($i$), entropy ($s$); phương trình trạng thái khí lý tưởng $p \cdot v = R \cdot T$ và phương trình trạng thái khí thực Van der Waals $(p + a/v^2)(v - b) = R \cdot T$.
2. Chương 2: Định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng (12 giờ): Khái niệm nhiệt năng, công thay đổi thể tích ($l$), công kỹ thuật ($l_{kt}$), nhiệt dung riêng ($c_p, c_v, c', c_\mu$); nội dung và biểu thức giải tích của Định luật nhiệt động thứ nhất ($q = \Delta u + l$); phân tích 5 quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng gồm quá trình đẳng tích ($v = \text{const}$), đẳng áp ($p = \text{const}$), đẳng nhiệt ($T = \text{const}$), đoạn nhiệt ($s = \text{const}$) và đa biến ($p \cdot v^n = \text{const}$).
3. Chương 3: Dẫn nhiệt ổn định (12 giờ): Khái niệm trường nhiệt độ, mặt đẳng nhiệt, gradient nhiệt độ, mật độ dòng nhiệt ($q$); Định luật Fourier về dẫn nhiệt ($q = -\lambda \cdot \text{grad}(t)$); hệ số dẫn nhiệt ($\lambda$); tính toán dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng một lớp, vách phẳng nhiều lớp, vách trụ một lớp và vách trụ nhiều lớp; công thức xác định nhiệt trở ($R = \delta / \lambda$).
4. Chương 4: Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt (09 giờ): Hiện tượng truyền nhiệt tổng hợp qua vách phẳng và vách trụ (một lớp và nhiều lớp); truyền nhiệt qua vách có làm cánh; phân loại thiết bị trao đổi nhiệt (loại vách ngăn, loại hồi nhiệt, loại hỗn hợp; kiểu dòng chảy song song cùng chiều, ngược chiều, giao nhau); phương trình truyền nhiệt cơ bản $Q = k \cdot F \cdot \Delta t$; phương pháp xác định độ chênh nhiệt độ trung bình logarit ($\Delta t_{ln}$) và trung bình số học.
5. Chương 5: Các nguyên lý làm lạnh và ứng dụng (06 giờ): Khái quát lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh thế giới; trình bày 7 phương pháp làm lạnh nhân tạo gồm bay hơi khuếch tán, hòa trộn lạnh, dãn nở khí có sinh ngoại công, tiết lưu không sinh ngoại công, hiệu ứng nhiệt điện (Peltier), tan chảy/thăng hoa vật rắn, bay hơi chất lỏng; phân tích vai trò của kỹ thuật lạnh trong các lĩnh vực bảo quản thực phẩm (chiếm khoảng 80% công suất lạnh toàn cầu), công nghiệp hóa chất, nông nghiệp, điều hòa không khí, y tế, thể thao và đời sống.
6. Chương 6: Môi chất lạnh – chất tải lạnh (06 giờ): Định nghĩa, yêu cầu kỹ thuật đối với môi chất lạnh (nhiệt động, hóa học, sinh lý, kinh tế, môi trường); quy tắc gọi tên và xác định công thức hóa học của nhóm Frêon ($Rxyz$) và chất vô cơ ($R7xx$); phân tích tính chất của $NH_3$ (R717), R12, R22, R134a; phân tích tính chất của các chất tải lạnh thường gặp ($H_2O$, dung dịch muối $NaCl$, dung dịch muối $CaCl_2$); hướng dẫn cấu tạo và phương pháp tra cứu trạng thái trên đồ thị Mollier $\lg p - h$ và đồ thị $T - s$.
7. Chương 7: Chu trình máy lạnh một cấp (18 giờ): Phân tích chu trình nhiệt động Carnot ngược chiều; chu trình khô; chu trình quá lạnh và quá nhiệt; chu trình hồi nhiệt; khảo sát sự phụ thuộc của năng suất lạnh riêng, công nén và hệ số làm lạnh vào nhiệt độ bay hơi ($t_0$) và nhiệt độ ngưng tụ ($t_k$).
8. Chương 8: Chu trình máy lạnh hai cấp (21 giờ): Phân tích sự cần thiết phải sử dụng máy nén nhiều cấp khi tỷ số nén vượt quá giới hạn cho phép; khảo sát sơ đồ nguyên lý và biểu diễn trên đồ thị $\lg p - h$ của 5 dạng chu trình 2 cấp:
   • Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian không hoàn toàn.
   • Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian một phần có hồi nhiệt.
   • Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu làm mát trung gian không hoàn toàn.
   • Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu làm mát trung gian hoàn toàn.
   • Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu bình trung gian có ống trao đổi nhiệt.

Chương	Tên chương mục	Tổng số giờ	Lý thuyết	Thực hành / Bài tập	Kiểm tra
Chương 1	Các khái niệm mở đầu về nhiệt động	06	03	03	0
Chương 2	Định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động	12	06	06	0
Chương 3	Dẫn nhiệt ổn định	12	05	06	01
Chương 4	Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt	09	03	06	0
Chương 5	Các nguyên lý làm lạnh và ứng dụng	06	03	03	0
Chương 6	Môi chất lạnh – chất tải lạnh	06	03	03	0
Chương 7	Chu trình máy lạnh một cấp	18	09	09	0
Chương 8	Chu trình máy lạnh hai cấp	21	12	08	01
Tổng cộng	8 Chương	90	44	44	02

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập nền tảng khoa học kỹ thuật dựa trên các nguyên lý nhiệt động và truyền nhiệt:

• Định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng trong nhiệt động học: Thiết lập mối quan hệ giữa nhiệt lượng ($q$), công cơ học ($l$), và biến thiên nội năng ($\Delta u$), áp dụng tính toán năng lượng toàn phần của dòng môi chất chuyển động: $$w = u + p \cdot v + g \cdot h + \frac{\omega^2}{2}$$
• Phương trình trạng thái và quy luật biến đổi trạng thái: Khảo sát các biến đổi thông số trạng thái trong hệ tọa độ $p-v$ và $T-s$ thông qua chỉ số đoạn nhiệt $k = c_p / c_v$ và số mũ đa biến $n = (c_n - c_p) / (c_n - c_v)$.
• Lý thuyết dẫn nhiệt và truyền nhiệt: Ứng dụng định luật Fourier và định luật truyền nhiệt thực nghiệm để thiết lập công thức tính hệ số truyền nhiệt tổng quát $k$ qua vách phẳng: $$\frac{1}{k} = \frac{1}{\alpha_1} + \sum_{i=1}^{n} \frac{\delta_i}{\lambda_i} + \frac{1}{\alpha_2}$$ và vách trụ: $$\frac{1}{k_l} = \frac{1}{\alpha_1 \pi d_1} + \sum_{i=1}^{n} \frac{1}{2\pi \lambda_i} \ln\left(\frac{d_{i+1}}{d_i}\right) + \frac{1}{\alpha_2 \pi d_{n+1}}$$

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Kỹ năng giải mã ký hiệu hóa học của môi chất Frêon; kỹ năng tra cứu bảng thông số hơi bão hòa của $NH_3, R12, R22, R134a$; kỹ năng xác định các điểm trạng thái trên đồ thị $\lg p - h$ (đường lỏng sôi $x=0$, đường hơi bão hòa khô $x=1$, các đường đẳng nhiệt $T$, đẳng áp $p$, đẳng entanpy $h$, đẳng entropy $s$, đẳng tích $v$).
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích biến thiên năng lượng và hiệu quả chu trình nhiệt động; tính toán phân bố nhiệt độ tại các bề mặt tiếp xúc của kết cấu vách nhiều lớp (kho lạnh, ống dẫn hơi); so sánh mức độ tổn thất áp suất và tổn thất nhiệt giữa các sơ đồ bố trí thiết bị trao đổi nhiệt.
• Năng lực thực hành chuyên môn (Practical competencies): Tính toán tổn thất nhiệt qua kết cấu cách nhiệt; tính chọn diện tích truyền nhiệt $F$ cho dàn ngưng và dàn bay hơi; tính toán các thông số làm việc của máy nén lạnh 1 cấp và 2 cấp (năng suất lạnh riêng khối lượng $q_0$, công nén riêng $l$, hệ số làm lạnh $\varepsilon$).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được biên soạn với cấu trúc chuẩn hóa cho mô hình đào tạo nghề chất lượng cao, tích hợp chặt chẽ giữa giờ học lý thuyết và giờ giải bài tập thực hành.

Phương pháp sư phạm và quy trình giải toán

Tài liệu thiết lập quy trình giải bài tập kỹ thuật chuẩn hóa gồm 3 bước áp dụng thống nhất cho các chương tính toán:

1. Bước 1: Xác định các thông số trạng thái và điều kiện biên đã biết của quá trình (áp suất $p$, nhiệt độ $t$, thể tích $v$, hệ số trao đổi nhiệt $\alpha$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda$, chiều dày vách $\delta$).
2. Bước 2: Lựa chọn phương trình trạng thái, định luật nhiệt động hoặc công thức dẫn nhiệt tương ứng với điều kiện bài toán.
3. Bước 3: Tiến hành tính toán đại lượng cần tìm (độ biến thiên nội năng $\Delta u$, biến thiên entropy $\Delta s$, công giãn nở $l$, nhiệt lượng $q$, mật độ dòng nhiệt qua vách, nhiệt độ bề mặt tiếp xúc) và nhận xét kết quả.

Hệ thống bài tập và phương thức đánh giá

Mỗi chương đều có hệ thống bài tập mẫu đi kèm hướng dẫn giải chi tiết và các bài tập tham khảo tự giải:

• Bài tập nhiệt động: Tính toán các quá trình nén, giãn nở của không khí, khí $NH_3, O_2, N_2$ trong bình chứa hoặc xi lanh.
• Bài tập truyền nhiệt thực tế: Tính toán tổn thất nhiệt qua tường kho lạnh đa lớp (kết cấu gồm tôn, gạch, lớp cách nhiệt polyurethane); tính toán tổn thất nhiệt trên 1 mét chiều dài ống dẫn hơi bọc cách nhiệt nhiều lớp.
• Phương thức đánh giá: Kết hợp giữa kiểm tra lý thuyết (định nghĩa, phát biểu định luật, nêu yêu cầu môi chất) và kiểm tra thực hành tính toán (02 bài kiểm tra định kỳ được bố trí tại Chương 3 và Chương 8, cùng các bài tập thực hành 30 phút trên lớp).

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Giáo trình tích hợp các nội dung kỹ thuật nhiệt lạnh bám sát thực tiễn sản xuất và sự chuyển dịch công nghệ trong ngành:

1. Cập nhật quy chuẩn môi chất lạnh thân thiện với môi trường: Giáo trình phân tích rõ nguyên nhân môi chất R12 ($CCl_2F_2$) bị cấm sử dụng tại các nước công nghiệp từ ngày 01/01/1996 và tại các nước đang phát triển từ ngày 01/01/2006 do tác động phá hủy tầng ôzôn. Trên cơ sở đó, tài liệu cập nhật chi tiết tính chất của môi chất thế hệ mới R134a (đồng phân của $C_2H_2F_4$) – môi chất không chứa nguyên tử Clo ($Cl$), không gây suy giảm tầng ôzôn, có độ an toàn cao và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều hòa không khí và máy lạnh một cấp dân dụng.

2. Hệ thống hóa lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh: Tài liệu tổng hợp các mốc lịch sử kỹ thuật lạnh: phát hiện nhiệt ẩn hóa hơi và nóng chảy của Joseph Black (1761–1764); công trình hóa lỏng các chất khí của Faraday (1823); sáng chế máy lạnh nén khí của bác sĩ John Gorrie (1845); phát minh máy lạnh hấp thụ chu kỳ và liên tục của Ferdinand Carré; ứng dụng $NH_3$ trong máy nén hơi của Carl von Linde (cuối thế kỷ XIX); máy lạnh ejector hơi nước của Maurice Leblanc (1910); và sự ra đời của dòng môi chất Frêon tại DuPont (1930).

3. Phân tích kỹ thuật các chu trình máy lạnh công nghiệp 2 cấp: Thay vì chỉ dừng lại ở các chu trình cơ bản, giáo trình cung cấp mô hình tính toán cho 5 cấu hình máy lạnh hai cấp phức hợp dùng cho hệ thống công nghiệp nhiệt độ âm sâu, bao gồm các phương án làm mát trung gian một phần, toàn phần, có hồi nhiệt và bình trung gian có ống trao đổi nhiệt.

4. Hệ thống bảng tra cứu và đồ thị nhiệt động Mollier: Giáo trình cung cấp các bảng tra cứu tính chất vật lý của amôniắc ($NH_3$), R12, R22 trên đường bão hòa ở phần phụ lục, phục vụ trực tiếp cho việc tra cứu thông số $p, t, v', v'', h', h'', s', s''$ khi tính toán chu trình máy lạnh mà không cần tra cứu tài liệu rời.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Học sinh, sinh viên: Sinh viên theo học hệ Trung cấp và Cao đẳng ngành nghề Vận hành sửa chữa thiết bị lạnh, Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí, Công nghệ nhiệt - điện lạnh. Giáo trình là tài liệu học tập bắt buộc cho môn học kỹ thuật cơ sở MH 09.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học chung trong chương trình đào tạo nghề, bao gồm Toán học ứng dụng (đại số, tích phân, hàm logarit) và Vật lý đại cương (nhiệt học, cơ học).
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng giáo trình làm tài liệu giảng dạy chuẩn mực, làm căn cứ xây dựng đề cương chi tiết, bài giảng lý thuyết, giáo án bài tập và ngân hàng đề thi kết thúc môn học 90 giờ.
• Kỹ thuật viên và công nhân kỹ thuật: Tài liệu tham khảo cho đội ngũ công nhân, kỹ thuật viên đang trực tiếp vận hành, bảo trì các nhà máy đá, kho lạnh bảo quản thủy hải sản, trạm nạp khí hóa lỏng và các hệ thống điều hòa không khí trung tâm.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Giáo trình này được biên soạn cho đối tượng nào và trình độ nào?

Giáo trình được biên soạn cho học sinh, sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng thuộc ngành nghề Vận hành sửa chữa thiết bị lạnh, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên và công nhân vận hành thiết bị nhiệt lạnh.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng gì trước khi bắt đầu môn học?

Người học cần nắm vững kiến thức toán học cơ bản (phép tính giải tích, logarit tự nhiên, đạo hàm) và các định luật vật lý đại cương về cơ học và nhiệt học để tiếp thu các nội dung về phương trình trạng thái, định luật Fourier và định luật nhiệt động I.

3. Điểm đặc trưng về mặt phương pháp của giáo trình này là gì?

Giáo trình phân bổ thời lượng cân bằng 1:1 giữa lý thuyết (44 giờ) và thực hành/bài tập (44 giờ). Mọi dạng bài toán (quá trình nhiệt động, vách dẫn nhiệt, thiết bị truyền nhiệt) đều được chuẩn hóa theo quy trình giải 3 bước rõ ràng, giúp người học dễ dàng áp dụng vào tính toán kỹ thuật.

4. Giáo trình hướng dẫn sử dụng đồ thị nhiệt động nào để tính toán chu trình lạnh?

Giáo trình hướng dẫn chi tiết phương pháp tra cứu và biểu diễn chu trình trên đồ thị logarit áp suất - entanpy ($\lg p - h$, đồ thị Mollier) dùng để tính toán năng suất lạnh và công nén, cùng đồ thị nhiệt độ - entropy ($T - s$) dùng để so sánh hiệu quả chu trình nhiệt động với chu trình Carnot ngược chiều.

5. Giáo trình có cung cấp các bảng số liệu nhiệt động để tra cứu không?

Có. Giáo trình tích hợp phần phụ lục tra cứu bao gồm: Bảng tính chất vật lý của amôniắc ($NH_3$) trên đường bão hòa, Bảng hơi bão hòa của $NH_3$, Bảng tính chất vật lý của môi chất R12 và R22 trên đường bão hòa, cùng các bảng tra cứu nhiệt dung riêng, chỉ số đoạn nhiệt của các loại khí lý tưởng.

---

Kết luận

Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh (Mã môn học: MH 09) của Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Quy Nhơn cung cấp hệ thống kiến thức nền tảng hoàn chỉnh về nhiệt động lực học kỹ thuật, lý thuyết truyền nhiệt và nguyên lý làm việc của các chu trình máy lạnh một cấp và hai cấp.

Lộ trình học tập được thiết kế khoa học qua 8 chương mục (90 giờ), dẫn dắt người học từ việc nắm vững các thông số trạng thái cơ bản, phân tích 5 quá trình biến đổi của khí lý tưởng, tính toán dẫn nhiệt - truyền nhiệt qua các kết cấu vách phẳng/vách trụ, cho đến việc làm chủ phương pháp tính chọn môi chất và thiết kế chu trình nhiệt động trên đồ thị Mollier.

Hệ thống bảng số liệu vật lý phụ lục ($NH_3, R12, R22, R134a$) biến giáo trình thành tài liệu học tập và tra cứu kỹ thuật tiêu chuẩn cho học sinh, sinh viên và kỹ thuật viên ngành Vận hành, sửa chữa thiết bị lạnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU VỀ NHIỆT ĐỘNG Mã chương: MH09 – 01 Thời gian: 06 giờ (LT: 01;TH: 02;Tự học: 03) Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản ban đầu về cơ sở nhiệt động: các khái niệm nhiệt động cơ bản, thông số của hơi, các chu trình nhiệt động cũng như quy luật chuyển động của nhiệt động. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: - Trình bày được các khái niệm, các thông số trạng thái của nhiệt động lực học. - 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 học sinh sinh viên. Các khái niệm cơ bản 1.

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của nhiệt động: Nhiệt động nghiên cứu các qui luật biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Nhiệt động học nghiên cứu các hướng có thể xảy ra được của các quá trình vật lý và hóa học. - 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. Hệ nhiệt động, chất môi giới, trạng thái và thông số trạng thái: a) Hệ nhiệt động: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 hệ nhiệt động được gọi là môi trường xung quanh.

Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động với môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của hệ nhiệt động. Hệ nhiệt động được phân loại như sau :  Hệ nhiệt động kín– Hệ nhiệt động trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh.  Hệ nhiệt động hở- Hệ nhiệt động trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh.  Hệ nhiệt động cô lập– Hệ nhiệt động không trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường xung quanh.

 Hệ nhiệt động không cô lập – Hệ nhiệt động có khả năng trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường xung quanh.  Hệ đoạn nhiệt – Hệ nhiệt động là hệ không trao đổi nhiệt năng với môi trường xung quanh. b) Chất môi giới: Chất môi giới hay môi chất công tácđược 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 chất môi giớilà các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của chất môi giới c) Các thông số trạng thái của chất môi giới: 6 - 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. ω2 =kT 3 [1-1] 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 1) Thang nhiệt độ Celsius (0C) 2) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) 3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) 4) Thang nhiệt độ Rankine (0R) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ: 5 o C= ( o F−32 ) 9 o C=K −273 o 5 C= .1 Nhiệt kế - 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 A p= [1-2] Theo thuyết động học phân tử : m μ ω2 α. 3 p= [1-3] Trong đó : p – áp suất ; F – lực tác dụng của các phân tử ; A – diện tích thành bình chứa ; 7 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 ; 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: 1 atm = 760 mm Hg (at 0 0C) = 10,13. 10 4 Pa = 2116 psf (lbf/ft2) 1 at = 2049 psf 1at = 0,981 bar = 9,81.104 Pa = 10 mH20 = 735,5 mmHg = 14,7 psi  Phân loại áp suất 1) Áp suất khí quyển (p0)– áp suất của không khí tác dụng lên bề mặt các vật trên trái đất.

2) Áp suất dư (pd) – là phần áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển pd=p–p0 [1-4] 3) Áp suất tuyệt đối (p)– áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối. p=pd+p [1-5] 4) Áp suất chân không (pck)– phần áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển.2 Các loại 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 V ν= m lượng chất đó : [m3/kg] [1-7] • Khối lượng riêng (ρ)– Khối lượng riêng – còn gọi là mật độ - của một chất là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó : m ρ= V [kg/m3] [1-8] - 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. 8 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: Δu = Cv(T2– T1) Đối với 1 (kg) môi chất, nội năng kí hiệu là u, đơn vị là J/kg; Đối với G (kg) 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 - Entanpy :(i) – là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức : i = u + p.v [1-9] 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, entanpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. - Entropy : (s) là một hàm trạng thái của chất môi giới 1. Phương trình trạng thái của chất khí : 1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng : - Phương trình trạng thái khi viết cho 1kg khí có dạng : p.T [1-10] 2 Trong đó: p : áp suất tuyệt đối (N/m ) v: thể tích riêng ( m3/kg) R: hằng số chất khí (J/kg.độ) T : nhiệt độ tuyệt đối ( K) - Phương trình trạng thái đối với G kg khí : p.T [1-11] Rμ Trong đó: R = μ Với Rμ = 8314 (J/kmol.độ) μ :là khối lượng 1 kmol phân tử (μkk = 29, μoxi = 16,…) 1.

Phương trình trạng thái của khí thực: - Trong thực tế các khi sử dụng đều là khí thực và việc tính toán của nó rất phức tạp.Để thiết lập phương trình cho khí thực người ta dựa vào phương trình của khí lý tưởng rồi thêm vào các hệ số điều chỉnh được rút ra từ thực nghiệm. - Theo Vander Waals phương trình có dạng: a (p + 2 ).T [1-12] v Trong đó: a/v2: Hệ số điều chỉnh về áp suất nội bộ. b: Hệ số điều chỉnh về thể tích bản thân phân tử. a,b: còn gọi là các hằng số cá biệt biến thiên theo các loại chất khí.

Bài tập: Cho không khí có các thông số trạng thái như sau: áp suất p = 1 bar, nhiệt độ t = 27 oC. Hãy xác định thể tích của khối khí. * Để giải bài tập này cần thực hiện các bước sau Bước 1: Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng ta có: p.T Với p = 1bar = 105 Pa, t = 27 oC = 300K 9 R μ 8314 = =287 μ 29 R= Bước 2: Tính thể tích của khối không khí : R .T 287×300 v= = 5 =0 ,861(m3 /kg) p 10 Bước 3: Kết luận * Thực hành : Mỗi học sinh làm một bài tập tren giấy trong khoảng thời gian 30 phút Câu hỏi ôn tập: 1) Hệ nhiệt động là gì? Phân loại hệ nhiệt động. 2) Chất môi giới là gì ? Nêu các thông số trạng thái của chất môi giới.

3) Trình bày phương trình trạng thái của khí lý tưởng. 10 CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG Mã chương: MH09 – 02 Thời gian: 12 giờ (LT: 02;TH: 04;Tự học: 06) Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức về định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng: các khái niệm nhiệt động cơ bản, thông số trạng thái , các quá trình nhiệt động cũng như quy luật của các hình thức dẫn nhiệt. Mục tiêu của bài: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: - Trình bày được các khái niệm về nhiệt, công, nhiệt dung riêng - Phát biểu được định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản khí lý tưởng - Giải được các bài toán về nhiệt động của khí lý tưởng - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong tính toán 2. Nhiệt, nhiệt dung riêng và công: Nhiệt và công là 2 phương tiện mà môi chất dung để trao đổi năng lượng khi thực hiện một quá trình.Khi trao đổi năng lượng bằng công thì bao giờ cũng kèm theo một sự chuyển động vĩ mô, còn khi trao đổi năng lượng bằng nhiệt thì bao giờ cũng tồn tại sự chênh lệch về nhiệt độ.

Nhiệt dung riêng: - Nhiệt năng (nhiệt lượng):là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ.