Cơ sở kỹ thuật nhiệt trong kỹ thuật lạnh

Cơ sở kỹ thuật nhiệt đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật lạnh, cung cấp các nguyên tắc và phương pháp để thiết kế, chế tạo và vận hành các hệ thống làm lạnh.

Nhiệt động

Các khái niệm và định nghĩa

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.v. 
• Máy lạnh: Có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh đến nguồn nóng. 

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.

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 :

• 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

Định luật 1 nhiệt động

Trong kỹ thuật nhiệt, định luật tổng quát và bao trùm cho các quá trình là định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng, định luật này được phát biêu là: “Trong các quá trình biến đổi của tự nhiên, năng lượng không tự tạo ra và cũng không tự mất đi, nó chỉ có thế biến đổi từ dạng này sang dạng khác”.

Định luật 2 nhiệt động

Khi nghiên cứu về định luật 1 nhiệt động người ta thấy nếu hai vật thế tiếp xúc nhau thì nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh hay ngược lại thì theo định luật 1 nhiệt động đều đúng.

Nhưng thực tế trong tự nhiên nhiệt chỉ truyền từ vật thể nóng sang vật thể lạnh, còn quá trình ngược lại chi thực hiện được nhờ tiêu tốn một năng lượng bên ngoài. Điều đó có nghĩa là đinh luật 1 không xác định được khả năng xảy ra và chiều hướng xảy ra của quá trình.

Định luật xác định khả năng và chiều hướng xảy ra của quá trình, xác định giới hạn lớn nhất có thể chuyển nhiệt thành công là định luật 2 nhiệt động. Định luật 2 nhiệt động dược phát biểu trên cơ sở tổng kết từ thực nghiệm do vậy định luật 2 có nhiều cách phát biểu khác nhau nhưng đều có nội dung như nhau:

Khi quan sát quá trình truyền nhiệt đơn thuần năm 1850 Clausius phát biểu định luật 2 nhiệt động như sau: “Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn”, Hay nói cách khác muốn lấy năng lượng từ vật có nhiệt độ thấp sang vật có nhiệt độ cao hơn cẩn phái có năng lượng khác bên ngoài tác động vào.

Qua các thực nghiệm về động cơ nhiệt năm 1851 Thomson phát biểu định luật 2 nhiệt động là: “Không thế chế’ tạo được động cơ nhiệt mà có kết quả duy nhất biến đổi nhiệt thành công nhờ làm lạnh một vật mà các vật thể khác xung quanh không hề chịu bất cứ mỗi sự thay đổi nào ca”.

Loại động cơ mà chuyển toàn bộ nhiệt nhận được từ một vật thể mà không truyền một lượng nhiệt nào cho vật thể có nhiệt độ thấp hơn gọi là động cơ vĩnh cửu loại 2. Vì vậy định luật 2 nhiệt động có thế phát biểu cách khác là: “Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại 2”.

Quá trình nhiệt động

Quá trình nhiệt động cơ bản của hơi trên đồ thị lgp-h

Các quá trình cơ bản của chất thuần khiết cũng được khảo sát thông qua nước và hơi nước.

• Để khảo sát một quá trình nào đó, ta thường phải tiến hành các bước sau: 
• Xác định điểm biểu diễn trạng thái đầu của quá trình trên đồ thị tương ứng. 
• Từ đặc điểm của quá trình và một thông số trạng thái đã biết của điểm cuối ta xác định được điểm biểu diễn trạng thái cuối. 
• Kết hợp giữa bảng và đồ thị ta sẽ xác định được các thông số trạng thái cần thiết và qua đó tính được lượng nhiệt và công trao đổi giữa chất môi giới và môi trường. 

Quá trình đẳng tích (v = const)

Quá trình đẳng áp (p = const)

Quá trình đẳng nhiệt (t = const)

Quá trình đoạn nhiệt (s = const) 

Chu trình nhiệt động

Khi môi chất giãn nở trong xilanh đến thời điểm nhiệt độ và áp suất bằng nhiệt độ và áp suất của môi trường xung quanh thì dừng lại (không thể giãn nở nữa) như vậy sinh công một lần, Vậy muốn có quá trình giãn nở sinh công lần 2 (lặp lại lần đầu) cần có quá trình chuyển môi chất về trạng thái ban đầu. Nghĩa là môi chất đã thực hiện một quá trình khép kín hay còn gọi là chu trình.

Đồ thị trên biểu diễn quá trình biến đổi của 1 kg môi chất.

• 1-2 là quá trình giãn nở.
• Công L thực hiện là diện tích hình 1-3-2-4-5.

Trong quá trình này môi chất nhận nhiệt từ nguồn nhiệt có nhiệt độ t = t1. Lượng nhiệt là Q1.

Để tiếp tục sinh công môi chất cần được nén trở lại vị trí 1. Điều đó có thể thực hiện theo một trong ba cách sau:

• Cách 1: Đường cong quá trình nén là 2-3-1 1-2-3. lúc đó công giãn nở bằng công nén và công của chu trình bằng không.
• Cách 2: Đường cong quá trình nén là 2-6-1. Như vậy công tiêu tốn cho quá trình nén lớn hơn còng giãn nở và quá trình tiêu tốn một lượng cống (đúng bàng diện tích 1-3-2-6-1 cho 1 kg môi chất).
• Cách 3: Đường cong quá trình nén là 2-7-1. lúc đó công giãn nở lớn hơn cõng nén và kết quả quá trình ta nhận được công dương (đúng bằng diện tích l-3-2-7-1 cho 1 kg môi chất).

Như vậy ta thấy: để chuyên biến liên tục nhiệt thành công và ngược lại cẩn có ứ nhất hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau và có môi chất thực hiện chu trình giữa hai nguốn nhiệt đó.

Trong ba cách trên thì cách thứ hai có kết quả quá trình tiêu tốn công người ta còn gọi là chu trình ngược. Hệ thống thiết bị lạnh chuyên công thành nhiệt làm việc theo chu trình này.

Truyền nhiệt

Dẫn nhiệt

Các khái niệm cơ bản

Trường nhiệt độ

Nhiệt độ là một thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh của một vật.Trong trường hợp tổng quát nhiệt độ t là hàm số của tọa độ x,y,z và thời gian , tức là: t = f (x,y,z, ) Đây cũng chính là biểu thức toán học diễn tả trường nhiệt độ tổng quát nhất. Tập hợp giá trị nhiệt độ của tất cả các điểm khác nhau trong không gian tại một thời điểm nào đó gọi là trường nhiệt độ. Trường nhiệt độ có thể phân thành trường nhiệt độ ổn định (trường nhiệt độ không biến thiên theo thời gian) và trường nhiệt độ không ổn định (trường nhiệt độ biến thiên theo thời gian).

Gradient nhiệt độ

• • Mặt đẳng nhiệt: Tại một thời điểm nào đó, tập hợp tất cả các điểm của vật có nhiệt độ như nhau ta được những mặt gọi là mặt đẳng nhiệt, hay nói cách khác mặt đẳng nhiệt chính là quỹ tích của các điểm có nhiệt độ như nhau tại một thời điểm nào đó. Bởi vì một điểm trong vật không thể tồn hai nhiệt độ do đó các mặt nhiệt độ không cắt nhau, nó chỉ cắt bề mặt vật hoặc khép kín bên trong vật. 
  • Gradient nhiệt độ: Nhiệt độ trong vật chỉ thay đổi theo phương cắt các mặt đẳng nhiệt, đồng thời sự biến thiên nhiệt độ trên một đơn vị độ dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt là lớn nhất. Độ tăng nhiệt độ theo phương tiếp tuyến bề mặt đẳng nhiệt được đặc trưng bằng Gradient nhiệt độ.

Mật độ dòng nhiệt

• • Mật độ dòng nhiệt (q – W/m2 ): là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt vuông góc với hướng truyền nhiệt trong một đơn vị thời gian. 
  • Dòng nhiệt (Q – W): là lượng nhiệt truyền qua toàn bộ diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian.

Hệ số dẫn nhiệt

Là nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi grad(t) = 1

Dòng nhiệt ổn định dẫn qua vách phẳng và vách trụ

• Vách phẳng một lớp: Xét một vách phẳng đồng chất và đẳng hướng, chiều dày và hệ số dẫn nhiệt , lớp có chiều rộng rất lớn so với chiều dày, nhiệt độ hai bên giữ không đổi là tw1, tw2. Trong trường hợp này nhiệt độ chỉ biến thiên theo phương vuông góc với bề mặt.
• Vách phẳng nhiều lớp: Vách được tổ hợp từ một số các lớp vật liệu gọi là vách nhiều lớp. Ví dụ: Vách lò hơi bên trong là lớp gạch chịu lửa, ngoài là lớp gạch đỏ và ngoài cùng là lớp bảo ôn hay vách kho lạnh được làm từ các tấm panel có ba lớp chính gồm hai lớp ngoài cùng bằng tôn, lớp giữa là polyurethan…

Trao đổi nhiệt đối lưu

Khái niệm

Trao đổi nhiệt đối lưu: là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng hoặc chất khí chuyển động khi có sự chênh lệch nhiệt độ.

Trao đổi nhiệt đối lưu luôn kèm theo dẫn nhiệt (nhưng không đáng kể) vì luôn có sự tiếp xúc giữa các phần tử có nhiệt độ khác nhau.

Nhân tố ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu

Những nhân tố ảnh hưởng đến chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí đều ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu.

Nguyên nhân gây ra chuyển động:

• Chuyển động tự nhiên do chênh lệch mật độ. Lực nâng P = g∆. 
• Chuyển động cưỡng bức do tác dụng của ngoại lực (bơm, quạt…). 

Chế độ chuyển động (phụ thuộc vào Re):

• Chảy tầng (Re < 2300): quỹ đạo chuyển động của các phần tử song song với nhau.
• Chảy rối (Re > 2300): quỹ đạo chuyển động của các phần tử không theo quy luật nào.Trong dòng chảy rối, luôn tồn tại lớp đệm (biên) chảy tầng ở sát bề mặt vách rắn do ma sát giữa chất lỏng với nhau và với vách rắn. Chiều dày lớp đệm tầng phụ thuộc vào tốc độ chuyển động và độ nhớt của chất lỏng. 

Tính chất vật lý của chất lỏng hay chất khí

Hình dạng, kích thước, vị trí bề mặt trao đổi nhiệt

Trao đổi nhiệt bức xạ

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ. Tia nhiệt là tia bức xạ được các vật hấp thụ và biến thành nhiệt. Quá trình phát sinh và truyền những tia nhiệt được gọi là quá trình bức xạ nhiệt.

Đặc điểm của quá trình bức xạ nhiệt là luôn gắn liền với việc chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Khi nhiệt năng của vật biến thành năng lượng của các dao động điện từ truyền đi trong không gian với vận tốc ánh sáng, khi gặp các vật khác thì một phần hoặc toàn bộ năng lượng đó bị hấp thụ và biến thành nhiệt năng. Năng lượng này một phần lại được phát trở lại dưới dạng năng lượng sóng điện từ và quá trình cứ thế tiếp tục mãi. Như vậy các vật luôn đồng thời phát ra và hấp thụ năng lượng bức xạ từ các vật khác chiếu đến.

Nếu hệ gồm các vật có nhiệt độ như nhau thì hệ ấy ở trạng thái cân bằng nhiệt động, trong trường hợp này các vật của hệ đều bức xạ năng lượng cho nhau và đồng thời cũng hấp thụ năng lượng bức xạ của nhau, nhưng năng lượng bức xạ bằng năng lượng hấp thu.

Cường độ trao đổi nhiệt bức xạ phụ thuộc vào: Độ chênh nhiệt độ giữa các vật và nhiệt độ tuyệt đối của các vật.