Chương 1 C ơ SỞ KỸ THUẶT LẠNH 1. MỞ ĐÀU Làm lạnh đã được sử dụng từ lâu trong lịch sử, nước và nước đá được dùng để làm lạnh, nhưng đến tận ngày nay quy trinh làm lạnh cơ học mới được áp dụng trên cơ sở làm tạnh rộng rãi. Cuộc sống hiện đại đòi hỏi thiết bị làm lạnh được sử dụng để bảo quản thực phẩm và bảo đảm tiện nghi cuộc sống. Nhiều quy trinh hiện đại trong công nghiệp và cuộc sống như công nghiệp dệt, in ấn, thực phẩm, hóa chất.
đòi hòi sự ứng dụng hợp lý các trang thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí để có thể vận hành hiệu quả và kinh tế các quy trinh sản xuất. Ngoài ra, nhiều lĩnh vực khoa học cũng đòi hỏi điều hòa không khí và làm lạnh ở mức độ cao, chẳng hạn như vật lý, hóa học. Các kiến thức về cơ và điện là rất quan trọng đối với những người thiết kế, láp đặt, bảo dưỡng các hệ thống lạnh. Từ thời tiền sử loài người đẵ sử dụng vài phương pháp bảo quản thực phẩm.
Ban đầu, thực phẩm được đưa xuống giếng hoặc trong các hang động, nơi có nhiệt độ thấp hơn xung quanh, dần dần nước đá được sử dụng, có thể được cắt ra từ sông hồ đóng băng. Khi thu họach băng tự nhiên trở nên hiệu quả, các hộp băng được sử dụng rộng rai hơn. Tuy nhiên, việc vận chuyển bang tứ nơi có khi hậu lạnh dén nơi có khí hậu nóng hom trờ thành vấn đề lớn. Từ nhiều thế kỷ trước, các nhà khoa học ở châu Âu đã sử dụng áp suất và nhiệt độ thấp để hóa lòng NH3, điều này được thực hiện bàng cách tăng áp suất và giảm nhiệt độ.
Khi áp suất giảm, NH3 lỏng sôi rất nhanh và chuyển sang trạng thái khí, quá trinh này gây ra sự hấp thụ nhiệt từ các vật thể xung quanh NH3. Đây là sự phát hiện rất quan trọng dẫn đến sự phát triển các thiết bị làm lạnh được dùng ngày nay. Thiết bị làm đông nước thành đá (băng) được sử dụng vào năm 1825, nước đá được sản xuất từ thiết bị này có độ tinh khiết cao hơn so với băng tự nhiên, quy trình không phụ thuộc vào các điều kiện khí hậu. Nhu cầu về việc làm lạnh ngày càng tăng, đòi hỏi có các thiết bị lạnh hiệu quả và kinh tế.
Điều này cũng dẫn đến một ngành công nghiệp mới, công nghiệp bảo quản thực phẩm dài ngày. Sự phát triển của vi sinh vật bị hạn chế ở nhiệt độ thấp 5 đã được phát hiện. Ngày nay, khoảng nhiệt độ này được gọi là khoảng an toàn thực phẩm và thường gọi là khoảng lạnh an toàn. Làm lạnh được coi là quy trình giải nhiệt từ không gian hoặc vật liệu và duy trì không gian hoặc vật liệu đó ờ nhiệt độ thấp hơn môi trường.
Hệ thống làm lạnh kín được dùng để lấy nhiệt bên trong không gian hoặc vật liệu cần hạ thấp nhiệt độ để đưa đến nơi khác (môi trường). Khi hệ thống liên tục vận hành, nhiệt được lấy ra càng nhiều, không gian hoặc vật liệu tiếp tục được làm lạnh. Quy trình được dùng để làm lạnh các loại thực phẩm, rau xanh, ưái cây hoặc các loại sản phẩm khác để có thể bảo quản chúng trong thời gian dài. Các quy trinh khác, chẳng hạn như điều hòa không khí và làm lạnh, sử dụng thiết bị làm lạnh để làm giảm độ ẩm cùa không khí và làm lạnh không khí đến nhiệt độ mong muốn.
Làm lạnh được thực hiện bằng phương pháp tuần hoàn lưu chất (được gọi là môi chất làm lạnh hay chất tải lạnh) qua các ống dẫn và thiết bị, tạo nên hệ thống lạnh. Trong khi tuần hoàn, môi chất lạnh bị nén, bị làm nguội và hóa hơi (chuyển trạng thái). Máy nén làm cho môi chất lạnh tuần hoàn qua hệ thống bằng cách tăng áp suất ở một phía và giảm áp suất ờ phía kia (hình 1. Thiốt bị điếu khiển lưu lượng Hình 1.
Sơ đồ mạch tuẩn hoàn chất làm lạnh Trong chu kỳ vận hành, máy nén cung cấp môi chất lạnh đã nén vào bộ ngưng tụ. Tại đây, môi chất lạnh sẽ ngưng tụ và chuyển sang trạng thái lỏng. Môi chất lỏng đi qua hệ thống đến thiết bị kiểm soát lưu lirợng, tại đó chất lỏng được định lượng và 6 làm giảm áp suất. Môi chất lạnh với áp suất thấp sẽ đi qua bộ hóa hơi, ở đó môi chất lạnh sẽ hóa hơi, hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh.
Trong quá trinh này, môi chất lạnh hấp thụ nhiệt và chuyển thành hơi ờ áp suất thấp. Máy nén bơm hơi môi chất lạnh từ bộ hóa hơi qua ống hút đến máy nén, tại đó chu kỳ sẽ lặp lại. TRẠNG THÁI RẮN, LỎNG, KHÍ VÀ s ự THAY ĐỎI TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHÁT Các trạng thái của vật chất rất quan trọng để giúp cho nắm bắt được tốt hơn các cơ sờ kỹ thuật lạnh, gồm: Trạng thải rắn: Vật chất ở trạng thái rắn có thể tích và hình dạng ổn định nếu không có tác dụng lực từ bên ngoài. Mọi phân tử trong chất rắn đều đồng nhất về kích cỡ và hình dạng, luôn luôn duy trì vị trí tương đối của chúng bên trong chất đó.
Cũng như mọi trạng thái khác, các phân tử trong chất rắn luôn luôn dao động. Tần số và biên độ dao động của phân tử phụ thuộc vào loại chất rắn và nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì sự dao động của các phân từ càng lớn. Sức hút của trái đất đối với chất rắn lớn hon so với chất lỏng hoặc chất khí, do mật độ cùa chất rắn thường lớn hơn. Chất rắn phải được đỡ để chịu được sức hút của trái đất, lực này ngược chiều với lực hút của trái đất (hình 1.
Khi chất rắn không chuyển động hoặc chuyển động thẳng đều, tổng các lực tác dụng lên chất ran này là bằng không, chất rắn đó ở trạng thái cân bằng. Chất rắn Hình 1. Lục đỡ chất rắn với lực hút trái đất Trạng thái lỏng: Khi vật chất ờ trạng thái lỏng, nó sẽ có hình dạng của vật chứa, nghĩa là chất lỏng có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định (hình 1. Lực của chất lỏng tác dụng lên bình chứa theo cả hai chiều vào trong và ra ngoài.
Trọng lực cùa chất lỏng và lực từ tính của trái đất tạo ra lực hướng về đáy bình chứa. Cũng như các chất khác, mọi phân tử trong chất lỏng đều dao động. Sự dao động này lớn 7 hơn so với trạng thái rắn bởi khoảng cách giữa các phân tử ở trạng thái lỏng lớn hơn ờ trạng thái rắn, do đó lực hút giữa chúng thấp hơn. Mức độ dao động tỳ lệ thuận với nhiệt độ, nhiệt độ của chất lỏng càng cao sự dao động càng lcm.
Khi nhiệt độ tăng, các chất lỏng chuyển động hướng lên trên, chuyển động đối lưu, khi đó một số phân tử có thể tách khỏi bề mặt chất lỏng và đi vào khí quyển, hiện tượng này gọi là bay hơi. Lực của chất lỏng Hình 1. Chất khí bên trong bình chứa bén trong bình chứa Trạng thái khí: Vật chất ở trạng thái khí có khả năng thoát ra khí quyển nếu không được chứa trong bình kín. Khấc với trạng thái rán và lỏng, vật chất ở trạng thái khí không có hình dạng và thể tích xác định.
Các phân tử khí có lực hút tương tác rất nhỏ giữa chúng với nhau hoặc với các chất khác, do đó chúng có thể chuyển động tự do. Khi chuyển động tự do, chúng có thể va đập với nhau hoặc va đập vào thành bình chứa. S ự th a y đ ổ i trọ n g thái: Khi cung cấp hoặc giải phóng đủ nhiệt đối với vật chất, chất đó có thể thay đổi trạng thái. Ví dụ: ba trạng thái của nước là băng, lỏng và hơi.
Ở nhiệt độ thường, băng tan chảy thành nước lỏng, nếu cấp đủ nhiệt nước sẽ hóa hơi. Quá trình này là thuận nghịch. Hơi nước có thể hóa lỏng được gọi là quá trinh ngưng tụ và nước có thể đóng băng nếu giải phóng đủ lượng nhiệt cần thiết. C hương 2 C ơ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT Trong đời sống thường ngày, có hai khái niệm được sử dụng phổ biến được quen dùng là nóng và lạnh.
Nước sôi được coi là nóng, nước đá là lạnh, đây chi là nhũng khái niệm mang tính tương đối. Thuật ngữ "lạnh" chi có ý nghĩa tương đối và một vật thể được coi là lạnh có nghĩa là nó có nhiệt độ thấp. Ví dụ, về mùa đông ta cảm thấy lạnh do có sự thoát nhiệt ra xung quanh, điều mà ta cảm nhận được chính là nhiệt độ thấp của môi trường quanh ta. Do đó, muốn làm lạnh ta cần phải giải phóng nhiệt.
Đây cũng chính là mục đích và nguyên lý làm việc của hệ thống lạnh và điều hòa không khí. CHUYÊN ĐỘNG NHIỆT Trong thực nghiệm, nhiệt được đo bằng ảnh hưởng của nhiệt độ đối với một số chất cho trước và so sánh nó với điều kiện chuẩn. Nếu đặt ấm nước trên bếp lửa, nhiệt sẽ truyền từ ngọn lửa đến nước trong ấm, nước ở đáy ấm sẽ nóng nhanh hơn, nước ở phía trên sẽ dần dần đạt nhiệt độ tương đương bên dưới. Điều này cũng đúng cho mọi vật chất khác.
Chất rắn sẽ truyền nhiệt theo cách tương tự song cần phải xét đến hệ số truyền nhiệt đặc trưng của vật liệu trong quá trình nhiệt. Neu tiếp tục cấp nhiệt, nhiệt độ của vật chất sẽ tăng và có thể làm thay đổi trạng thái của nó. Chất rắn sẽ nóng chảy thành chất lòng, chất lỏng sẽ hóa hơi. c ầ n phân biệt sự khác biệt của hai đại lượng nhiệt lượng và nhiệt độ.
Hai vật khác nhau có thể có cùng nhiệt độ nhưng nhiệt lượng của chúng hoàn toàn khác nhau. DÒNG NHIỆT v ề nguyên tắc, nhiệt chỉ có thể đirợc truyền một cách tự nhiên từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn. Lượng nhiệt được truyền phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ. Tốc độ truyền nhiệt càng nhanh khi chênh lệch nhiệt độ càng cao.
Ví dụ, nếu hai vật cùng loại đặt sát nhau và được cách nhiệt với xung quanh, một vật nặng lkg và có nhiệt độ 400°c còn vật kia nặng lOOOkg và có nhiệt độ 300°c. Nhiệt lượng trong vật nặng hơn sẽ lớn hcm vật nhẹ, nhưng do có chênh lệch 9 về nhiệt độ giữa hai vật đó, nhiệt sẽ truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp hơn, cho đến khi nhiệt độ của chúng bằng nhau. Nhiệt lượng khác nhau giữa hai bình nước có cùng nhiệt độ Tại thời điểm đầu, dòng nhiệt là lớn nhất.