Chu trình Carnot và ứng dụng trong kỹ thuật lạnh

Chu trình Carnot là một chu trình nhiệt động lực thuận nghịch được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa nhiệt độ, công và hiệu suất nhiệt của một động cơ nhiệt. Chu trình này được đặt tên theo nhà vật lý người Pháp Sadi Carnot, người đã phát triển nó vào năm 1824.

Nguyên lý hoạt động của chu trình Carnot

Chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều

Năm 1824 ông Carnot (người Pháp) đã xây dựng chu trình nhiệt lý tưởng gồm bốn quá trình (như hình bên dưới)

• 1 – 2 là quá trình giãn nở đẳng nhiệt. Trong quá trình này môi chất tiếp xúc với nguồn nóng có nhiệt độ t1 và nhận một lượng nhiệt Q₁. 
• 2 – 3 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt, quá trình này môi chất tách khỏi nguồn nóng cách nhiệt tuyệt đối với môi trường bên ngoài, khi môi chất giãn nở thì nhiệt độ của nó giảm từ t₁ xuống t₂ (t₂ < t₁).
• 3 – 4 là quá trình nén đẳng nhiệt, quá trình này môi chất tiếp xúc với nguồn lạnh có nhiệt độ t₂ và truyền cho nguồn lạnh này một lượng nhiệt Q₂.
• 4 – 1 là quá trình nén đoạn nhiệt, trong quá trình này môi chất tách khỏi nguồn lạnh và cách nhiệt tuyệt đối với môi trường bên ngoài và nhiệt độ môi chất tăng lên từ t₁ đến t₂ .

Chu trình Carnot thuận nghịch ngược chiều

Chu trình Carnot thuận nghịch ngược chiều dược làm việc theo quá trình trên đồ thị hình dưới đây:

• 1- 2 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt, môi chất được cách nhiệt với môi trường ngoài và nhiệt độ môi chất giám từ nhiệt độ t₁ xuống t₂ (t₁ > t₂ ).
• 2 – 3 là quá trình giãn nở đẳng nhiệt, môi chất nhận nhiệt độ từ môi trường có nhiệt độ thấp (môi trường lạnh) có nhiệt độ t₂ một lượng nhiệt là Q₂.
• 3 – 4 là quá trình nén đoạn nhiệt, môi chất được cách nhiệt với môi trường bên ngoài do vậy nhiệt độ môi chất tăng lên từ t₂ lên t₁ .
• 4 – 1 là quá trình nén đẳng nhiệt, môi chất nhả nhiệt cho nguồn năng lượng nhiệt là Q₁.

Ứng dụng chu trình Carnot trong kỹ thuật lạnh

Để hạ nhiệt độ của một vật thể nào xuống thấp hơn nhiệt độ môi trường và giữ nó ở nhiệt độ 1 thấp dó người ta dùng máy lạnh. Chu trình làm việc của máy lạnh hoạt động theo chu trình Carnot thuận nghịch ngược chiều. Trong đó nhiệt của vật thể cần làm lạnh được truyền cho môi chất (vì vậy nhiệt độ của nó giảm đi) nhờ sự hoạt động của máy lạnh (sinh công khí nén) nhiệt độ môi chất tăng lên và nhả nhiệt cho môi trường xung quanh.

Như sậy sự khác nhau giữa động cơ nhiệt và máy lạnh là động cơ nhiệt làm việc theo chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều còn máy lạnh làm việc theo chu trình ngược chiều.

Quá trình làm việc của máy lạnh được thể hiện theo hình dưới đây.

• 1- 2 là quá trình nén đoạn nhiệt
• 2 – 3 là quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt.
• 3 – 4 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt.
• 4 -1 là quá trình bay hơi đẳng nhiệt

Trong quá trình này môi chất nhận của nguồn lạnh một nhiệt lượng Q₂(trong quá trình bay hơi) và nhả cho nguồn nóng nhiệt lượng Q₁, (trong quá trình ngưng tụ) và trong chu trình đã tiêu tốn một công là L = Q₁ – Q₂.

Để đánh giá mức độ hoàn thiện của chu trình ta dựa vào hệ số làm lạnh.

Nhiệt lượng của vật cần làm lạnh truyền cho môi chất trong một đơn vị thời gian gọi là năng suất lạnh của máy.

Nhiệt lượng của vật cần làm lạnh truyền cho 1 kg môi chất trong máy gọi là năng suất lạnh riêng.

Trong hệ thống máy lạnh môi chất thường là những chất lỏng dễ bay hơi như NH₃; R₁₂; R₂₂… Trong chu trình làm việc của máy lạnh, môi chất tồn tại ở hai pha: pha lỏng và pha hơi nên chu trình làm việc đạt gần với chu trình Carnot (chu trình lý tưởng) hơn.

Quá trình làm việc của hệ thống máy lạnh nén hơi một cấp được thể hiện ở sơ đồ trong hình.

a) Sơ đồ nguyên lý làm việc
b) Chu trình làm việc biểu diễn trên đồ thị P – V
c) Chu trình làm việc có và không có van tiết lưu trên đồ thị T – S

Máy nén 2 hút hơi môi chất ở buồng lạnh 1 với áp suất P₁ và nhiệt độ T₁ không đổi, rồi nén đoạn nhiệt từ P₁. T₁ lên áp suất P2 và nhiệt độ T₂ trong máy nén 2 (trên đó thị là đường 1 – 2). Hơi nén được nén đến hơi quá nhiệt (như trên đồ thị) hoặc ờ trạng thái bão hoà âm được đẩy vào thiết bị ngưng tụ 3. Trong thiết bị ngưng tụ môi chất truyền cho môi trường, làm mát một nhiệt lượng Q₁ (tính cho 1kg môi chất) và ngưng tụ thành lỏng ở áp suất không đổi. Trong suốt quá trình ngưng tụ nhiệt độ và áp suất môi chất không đổi là P₂ , T₁ (trên đồ thị là quá trình 2 – 3).

Môi chất lỏng sau khi ngưng tụ được đưa vào xylanh giãn nở 4. Ở đây môi chất nhận của môi trường cần làm lạnh một nhiệt lượng Q₂ và môi chất bay hơi đẳng nhiệt đẳng áp ở P₁ và T₁ (trên đồ thị là quá trình 4 – 1), Sau đó hơi môi chất lại được hút về máy nén 2 và chu trình được lập lại. Trong hệ thống lạnh có xylanh giãn nở, thiết bị sẽ cồng kềnh. Vì vậy trong thực tế’ người ta thay xylanh giãn nở bằng van tiết lưu (trên đồ thị là thay quá trình 3 – 4 bằng quá trình 3 – 4′).

Đặc điểm của van tiết lưu là trong quá trình làm việc của van tiết lưu áp suất của môi chất giảm nhưng hàm nhiệt không đổi (đi theo đường 3-4′ và ta có T₁ =T₁’.

Như vậy khi thay xylanh giãn nở bằng van tiết lưu năng suất lạnh bị giảm đi 1 lượng bằng diện tích 4 – 4 ‘- 5 – 6, lúc đó năng suất làm lạnh riêng Q₂ chỉ còn lai là diện tích 4′ – 5 – 7 – 1.