Luận văn Ứng dụng động cơ stirling trong các thiết bị làm lạnh (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Ứng dụng động cơ stirling trong các thiết bị làm lạnh (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUANG THẠCH ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ STIRLING TRONG CÁC THIẾT BỊ LÀM LẠNH NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S K C0 0 3 6 1 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUANG THẠCH ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ STIRLING TRONG CÁC THIẾT BỊ LÀM LẠNH NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUANG THẠCH ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ STIRLING TRONG CÁC THIẾT BỊ LÀM LẠNH NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hƣớng dẫn khoa học: GVC. TS. NGUYỄN TRƢỜNG THỊNH GVC. ThS. HOÀNG TRÍ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: TRẦN QUANG THẠCH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 28 – 7 – 1981 Nơi sinh: Bình Dƣơng Quê quán: Phƣờng Dĩ An, Tx. Dĩ An, T. Bình Dƣơng Dân tộc: Kinh Nơi ở hiện nay: 22/21 Kp. Bình Minh 2, P. Dĩ An, Tx. Dĩ An, T. Bình Dƣơng Điện thoại cơ quan: 06503 878.020 Điện thoại nhà riêng: 06503 730.592 Fax: E-mail: Thachquang06@yahoo.com.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Trung cấp Thời gian đào tạo từ 10/1999 đến 6/ 2001 Nơi học: Trƣờng Kỹ thuật Nghiệp vụ Đƣờng sắt II Ngành học: Gia công cắt gọt kim loại 2. Đại học: Hệ đào tạo: Hệ K Thời gian đào tạo từ 10/2001 đến 4/2005 Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Ngành học: Cơ khí Chế tạo máy Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và Chế tạo mô hình máy ép và đóng nhãn vào gạch. Nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: Khoa cơ khí - Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Hồ Viết Bình III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty Planex (Phòng 2 nhà 5, Công 6/2005 - 12/2007 Thiết kế khuôn mẫu viên Phần mềm Quang Trung) 12/2007-04/2009 Trƣờng Đào tạo Kỹ thuật Bình Dƣơng Giáo viên 04/2009 - 01/2010 Trƣờng Đào tạo Kỹ thuật Bình Dƣơng Nhân viên Phòng Đào tạo 01/2010 đến nay Trƣờng TCN Việt – Hàn Bình Dƣơng Phó Trƣởng Phòng Đào tạo i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2012 Ngƣời nghiên cứu Trần Quang Thạch ii
6. CẢM TẠ Sau thời gian học tập, nghiên cứu và làm luận văn cao học chuyên ngành cơ khí máy, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự giúp đỡ quý báu của: - Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. - Phòng sau Đại học - Khoa Cơ khí – Chế tạo máy - Tiến Sĩ Nguyễn Ngọc Phƣơng - Tiến Sĩ Nguyễn Trƣờng Thịnh - Thạc Sĩ Hoàng Trí - Thầy Lê Kim Dƣỡng - Thầy cô và tập thể lớp cao học 2009 Cơ khí Chế tạo máy Đã tận tình hƣớng dẫn, cung cấp những kiến thức - tài liệu vô cùng quý báu và dìu dắt em trong quá trình thực hiện đề tài. Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2012 Ngƣời nghiên cứu Trần Quang Thạch iii
7. TÓM TẮT Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lƣợng ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ nhƣ than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trƣớc nguy cơ thiếu hụt năng lƣợng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lƣợng mới nhƣ năng lƣợng hạt nhân, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng gió và năng lƣợng mặt trời là một trong những hƣớng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lƣợng, không những đối với những nƣớc phát triển mà ngay cả với những nƣớc đang phát triển. Ngƣời thực hiện sẽ nghiên cứu ứng dụng động cơ Stirling chạy bằng bất kỳ nguồn nhiệt nóng nào, động cơ này có thể thay thế động cơ đốt trong ở một số lĩnh vực của đời sống mà lĩnh vực làm lạnh và điều hoà không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào có khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi hẻo lánh không có lƣới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập của ngƣời dân. Luận văn “Ứng dụng động cơ Stirling trong các thiết bị làm lạnh” sẽ giải quyết đƣợc phần nào vấn đề thiếu hụt năng lƣợng hiện nay khi nhu cầu làm lạnh của xã hội ngày càng tăng cao, hơn thế nữa có thể sữ dụng nguồn năng lƣợng mặt trời đó là nguồn năng lƣợng sạch để góp phần bảo vệ môi trƣờng. Động cơ Stirling hoạt động bằng nguồn nhiệt bên ngoài, thông qua bộ truyền động làm quay máy nén khí của thiết bị lạnh. Luâṇ văn đi tƣ̀ khái quát các thiết bi ̣và tiến hành tính toán trên môṭ mô h ình cụ thể, đi sâu vào tính toán từng chi tiết của thiết bị và tiến hành thí nghiệm để đƣa ra đƣơc̣ dãi nhiệt độ hoạt động của động cơ Stirling dùng làm cơ sở để choṇ nguồn nhiêṭ cung cấp. iv
8. ABSTRACT In the era of science and technology development, the demand for energy is increasing. While which reserve fuel sources such as coal, oil, natural gas, hydroelectric and even the term cause of humanity at risk of energy shortages. The search for and exploitation of new energy sources such as nuclear energy, geothermal energy, wind energy and solar energy is one of the important directions in the energy development plan, not only for the developed countries but also developing countries. The research will make Stirling engine applications run on any heat source, this engine could replace the internal combustion engine in a number of areas of life that the field of refrigeration and air conditioningthe most attractive applications because where the hottest climates, where it has the greatest cooling demand, especially in remote areas without grid and fuel prices are too expensive for collectiontype of people. Thesis "Application of the Stirling engine cooling devices" will solve the current energy shortage problems when cooling needs of the society is increasing, more can use the sourcesolar energy is clean energy sources to contribute to environmental protection. Stirling engine works by external heat source, through the actuator turns the compressor of the refrigeration equipment. Essential thesis away from the device and perform a calculation on a specific model, go deep into account every detail of the equipment and conduct experiments to come up with an operating temperature range of the engine Stirling used as a basis to select the heat source provided. v
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC HÌNH x DANH SÁCH CÁC BẢNG xii Chƣơng 1 5 TỔNG QUAN 5 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: 5 1.2 NHIÊṂ VU ̣ CỦ A ĐỀ TÀ I 6 1.3 GIỚ I HAṆ ĐỀ TÀ I 7 1.4 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 7 1.5 TÍNH THỰC TIỄN 7 Chƣơng 2 8 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8 2.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁ P LÀ M LAṆ H NHÂN TAỌ 8 2.1.1 PHƢƠNG PHÁ P BAY HƠI KHUẾ CH TÁ N 8 2.1.2 PHƢƠNG PHÁ P HÒ A TRÔṆ LAṆ H 9 2.1.3 PHƢƠNG PHÁ P DÃ N NỞ KHÍ CÓ SINH NGOAỊ CÔNG 9 2.1.4 PHƢƠNG PHÁ P TIẾ T LƢU KHÔNG SINH NGOAỊ CÔNG VÀ HIÊỤ Ƣ́ NG JOULE - THOMSON 10 2.1.5 PHƢƠNG PHÁ P DÃ N NỞ KHÍ TRONG Ố NG XOÁY 11 2.1.6 HIÊỤ Ƣ́ NG NHIÊṬ ĐIÊṆ , HIÊỤ Ƣ́ NG PELTIER 11 2.1.7 PHƢƠNG PHÁ P KHƢ̉ TƢ̀ ĐOAṆ NHIÊṬ 12 2.1.8 BAY HƠI CHẤ T LỎ NG 13 2.2 KHÁI QUÁT VỀ THIẾ T BI ̣LAṆ H 13 2.2.1 THIẾ T BI ̣LAṆ H LOAỊ NÉ N HƠI 13 2.2.2 THIẾ T BI ̣LAṆ H LOAỊ HẤ P THỤ 14 2.2.3 THIẾ T BI ̣LAṆ H LOAỊ CĂP̣ NHIÊṬ ĐIÊṆ 14 2.3 ĐỘNG CƠ STIRLING 15 2.3.1 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CHUNG CỦA MỘT ĐỘNG CƠ STIRLING 15 2.3.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦ A MỘT ĐỘNG CƠ STIRLING 16 2.3.3 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG HỌC STIRLING 18 2.3.4 PHÂN LOAỊ ĐÔṆ G CƠ STIRLING 19 2.3.4.1 ĐỘNG CƠ STIRLING KIỂU ALPHA 19 vi
10. 2.3.4.1.1 CẤ U TAỌ ĐÔṆ G CƠ STIRLING KIỂ U ALPHA 19 2.3.4.1.2 NGUYÊN LÝ HOAṬ ĐÔṆ G ĐÔṆ G CƠ STIRLING KIỂ U ALPHA 20 2.3.4.2 ĐỘNG CƠ STIRLING KIỂU BETA 21 2.3.4.2.1 CẤ U TAỌ ĐÔṆ G CƠ STIRLING KIỂ U BETA 21 2.3.4.2.2 NGUYÊN LÝ HOAṬ ĐÔṆ G ĐÔṆ G CƠ STIRLING KIỂ U BETA 22 2.3.4.3 ĐỘNG CƠ STIRLING KIỂU GAMMA 23 2.3.4.3.1 CẤ U TAỌ ĐÔṆ G CƠ STIRLING KIỂ U GAMMA 23 2.3.4.3.2 NGUYÊN LÝ HOAṬ ĐÔṆ G ĐÔṆ G CƠ STIRLING KIỂ U GAMMA 24 Chƣơng 3 27 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LÀM LẠNH 27 3.1 CẤU TẠO TỦ LẠNH NÉN HƠI VÀ NGUYÊN LÝ QUY TRÌNH LẠNH 27 3.1.1 CẤ U TAỌ 27 3.1.2 NGUYÊN LÝ QUI TRÌNH LAṆ H 28 3.1.3 MÔI CHẤT LẠNH 28 3.2 TÍNH TOÁN TỦ LẠNH MÁY NÉN HƠI 29 3.2.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU THIẾT KẾ TỦ LẠNH MÁY NÉN HƠI 29 3.2.2 TÍNH TOÁN CÁCH NHIỆT, CÁCH ẨM 30 3.2.2.1 TÍNH TOÁN CÁCH NHIỆT 30 3.2.2.2 TÍNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT QUA VỎ TỦ 32 3.2.2.3 TÍNH KIỂM TRA ĐỌNG SƢƠNG BÊN NGOÀI VỎ TỦ 32 3.2.2.4 TÍNH KIỂM TRA CÁCH ẨM 33 3.2.3 TÍNH TỔN THẤT 33 3.2.3.1 TỔ NG DÒ NG NHIÊṬ TỔ N THẤ T 33 3.2.3.2 TÍNH DÕNG NHIỆT TỔN THẤT QUA KẾT CẤU BAO CHE Q1 34 3.2.3.3 TÍNH DÕNG NHIỆT TỎA RA DO VẬN HÀNH Q4 35 3.2.4 TÍNH CHỌN MÁY NÉN 37 3.2.4.1 XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ NGƢNG TỤ tk 37 3.2.4.2 NHIÊṬ ĐÔ ̣ SÔI CỦ A MÔI CHẤ T LAṆ H t 0 37 3.2.4.3 NHIÊṬ ĐÔ ̣ QUÁ NHIÊṬ tqn 37 3.2.4.4 NHIÊṬ ĐÔ ̣ QUÁ LAṆ H tql 37 3.2.4.5 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH LẠNH 38 3.2.4.5.1 NĂNG SUẤ T LAṆ H RIÊNG 38 3.2.4.5.2 NĂNG SUẤ T LAṆ H RIÊNG THỂ TÍCH 38 3.2.4.5.3 NĂNG SUẤ T LAṆ H RIÊNG qk 39 3.2.4.5.4 TỈ SỐ NÉN 39 3.2.4.5.5 CÔNG NÉ N RIÊNG l 39 3.2.4.5.6 HÊ ̣ SỐ LAṆ H CỦ A CHU TRÌNH 39 3.2.4.5.7 LƢU LƢƠṆ G QUA MÁY NÉ N m 39 3.2.4.5.8 NĂNG SUẤ T THỂ TÍCH THƢ̣C TẾ QUA MÁY NÉ N Vtt 39 3.2.4.5.9 HIÊỤ SUẤ T THỂ TÍCH CỦ A MÁY NÉ N λ 39 3.2.4.5.10 THỂ TÍCH NÉN LÝ THUYẾT 39 3.2.4.5.11 HIÊỤ SUẤ T NÉ N HƢ̃ U ÍCH 39 3.2.4.5.12 CÔNG NÉ N LÝ THUYẾ T Ns 40 3.2.4.5.13 CÔNG NÉ N HƢ̃ U ÍCH Ne 40 vii
11. 3.2.4.5.14 CÔNG SUẤ T TIÊU THU ̣ THƢ̣C TẾ CHO QUÁ TRÌNH NÉ N Nel 40 3.2.4.5.15 CÔNG SUẤ T ĐÔṆ G CƠ LẮ P ĐĂṬ 40 3.2.4.5.16 NĂNG SUẤ T NHIÊṬ DÀ N NGƢNG Qk 40 3.2.5 THIẾT BỊ NGƢNG TỤ 40 3.2.5.1 CHỌN THIẾ T BI ̣NGƢNG TỤ 40 3.2.5.2 TÍNH DIÊṆ TÍCH TRAO ĐỔ I NHIÊṬ 41 3.2.5.3 XÁC ĐIṆ H HÊ ̣ SỐ TRUYỀ N NHIÊṬ K 41 3.2.5.4 XÁC ĐIṆ H ĐÔ ̣ CHÊNH LÊC̣ H NHIÊṬ ĐÔ ̣ TRUNG BÌNH LOGARIT 41 3.2.5.5 LƢU LƢƠṆ G KHÔNG KHÍ GIẢ I NHIÊṬ m w 42 3.2.6 THIẾT BỊ BỐC HƠI 47 3.2.7 CÁC THIẾT BỊ PHỤ 49 3.2.7.1 PHIN SẤY LỌC 49 3.2.7.2 RƠLE NHIỆT ĐỘ 49 3.2.7.3 MẮT GA 49 3.2.7.4 VAN BA NGÃ 50 3.2.7.5 BÌNH GOM LỎNG 50 Chƣơng 4 51 TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ STIRLING 51 4.1 CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ CƠ BẢN 51 4.2 CẤ U TAỌ ĐỘNG CƠ STIRLING KIỂU GAMMA THIẾT KẾ 51 4.2.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU 51 4.2.1.1 Nhiệt độ Tmin 51 4.2.1.2 Nhiệt độ Tmax 51 4.2.1.3 Áp suất P1: 51 4.2.2 THỂ TÍCH KHÔNG GIAN LÀM VIÊC̣ CỦ A ĐỘNG CƠ 52 4.2.2.1 THỂ TÍCH XYLANH NÉ N Vxln 52 4.2.2.2 THỂ TÍCH XYLANH GIÃN NỞ Vxlgn 52 4.2.2.3 THỂ TÍCH PHẦ N ĐƢỜ NG Ố NG DẪ N MÔI CHẤ T CÔNG TÁC GIƢ̃ A HAI XYLANH Vđd 52 4.2.2.4 THỂ TÍCH CHIẾ M CHỔ CỦ A TRUC̣ Vtr 52 4.2.2.5 THỂ TÍCH CHIẾ M CHỔ CỦ A PISTON GIÃN NỞ Vptgn 52 4.2.2.6 THỂ TÍCH LỚ N NHẤ T (Vmax) TOÀN BỘ KHÔNG GIAN LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ 53 4.2.2.8 TỶ SỐ THỂ TÍCH 53 4.3 NHIÊṬ LƢƠṆ G CẦ N THIẾ T ĐỂ CUNG CẤ P CHO ĐÔṆ G CƠ 53 4.3.1. NHIÊṬ LƢƠṆ G CẦ N THIẾ T ĐỂ NUNG NÓNG MÔI CHẤ T CÔNG TÁC : 53 4.3.2 NHIÊṬ LƢƠṆ G TRUYỀ N QUA XYLANH GIÃN NỞ 54 4.3.3 NHIÊṬ LƢƠṆ G TRUYỀ N QUA NẮ P XYLANH GIÃN NỞ 54 4.3.4 NHIÊṬ LƢƠṆ G TRUYỀ N QUA PISTON GIÃN NỞ 54 4.3.5 NHIÊṬ LƢƠṆ G TRUYỀ N QUA BÔ ̣ TẢ N NHIÊṬ 55 4.3.6 NHIÊṬ LƢƠṆ G TRUYỀ N QUA Ố NG NỐ I GIƢ̃ A HAI XYLANH 55 4.3.7 NHIÊṬ LƢƠṆ G TRUYỀ N QUA XYLANH NÉ N 56 4.3.8 NHIÊṬ LƢƠṆ G TRUYỀ N QUA PISTON NÉ N 56 4.4 TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG HỌC 57 viii
12. 4.4.1 KHỐ I LƢƠṆ G MÔI CHẤ T CÔNG TÁ C 57 4.4.2 QUÁ TRÌNH NUNG NÓNG ĐẲNG TÍCH 1 - 2 57 4.4.3 QUÁ TRÌNH GIÃN NỞ ĐẲNG NHIỆT 2 - 3 58 4.4.4 QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH ĐẲNG TÍCH 3 - 4 58 4.4.5 QUÁ TRÌNH NÉN ĐẲNG NHIỆT 4 - 1 59 4.5 TÍNH TOÁN BÁNH ĐÀ 60 Chƣơng 5 62 XƢ̃ LÝ DÃY SỐ LIỆU NHIỆT ĐỘ THÍ NGHIỆM 62 5.1 THU THÂP̣ SỐ LIÊỤ THÍ NGHIÊṂ 62 5.2 XÁC ĐỊNH DẠNG HÀM ĐẶC TRƢNG 62 5.2.1 LÂP̣ HÊ ̣ TRUC̣ TOẠ ĐÔ ̣ OXY 63 5.2.2 LIÊN TUC̣ HÓ A CÁ C ĐIỂ M 63 5.2.3 SO SÁ NH VỚ I ĐỒ THI ̣CÁ C DAṆ G PHƢƠNG TRÌNH TOÁ N HOC̣ XÁ C ĐIṆ 64H 5.2.4 SAN BẰ NG TUYẾ N TÍNH HÓ A 64 5.3 XÁC ĐỊNH CÁC HỆ SỐ HỒI QUI 65 5.3.1 TÍNH CÁC GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH 65 5.3.2 TÍNH GIÁ TRỊ CỦA HỆ SỐ HỒI QUI 65 5.3.2.1 PHƢƠNG PHÁ P XẤ P XỈ THEO NHƢ̃ NG ĐIỂ M LƢ̣A CHOṆ RIÊNG BIÊṬ 65 5.3.2.2 PHƢƠNG PHÁ P XẤ P XỈ TRUNG BÌNH 66 5.3.2.3 PHƢƠNG PHÁ P BÌNH PHƢƠNG NHỎ NHẤ T 67 Chƣơng 6. KẾ T LUÂṆ 69 6.1 KẾ T LUÂṆ 69 6.2 HƢỚ NG PHÁ T TRIỂ N ĐỀ TÀ I 69 ix
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH 1. Hình 2.1: đồ thi ̣h – x của không khí ẩm Trang 8 2. Hình 2.2: nguyên tắc làm việc của máy lạnh nén khí Trang 10 3. Hình 2.3: Tiết lƣu không sinh ngoaị công của môṭ dòng môi chất Trang 10 4. Hình 2.4: Ống xoáy Trang 11 5. Hình 2.5: Căp̣ nhiêṭ điêṇ Trang 12 6. Hình 2.6: Động cơ Stirling nguyên thủy năm 1816 Trang 15 7. Hình 2.7: Cấu tạo chung động cơ Stirling Trang 15 8. Hình 2.8: Xylanh chƣa cấp nhiệt Trang 17 9. Hình 2.9: Quá trình cấp nhiệt cho Xylanh Trang 17 10. Hình 2.10: không khí có áp suất cao đẩy xylanh đi ra Trang 17 11. Hình 2.11: quá trình làm mát cho xylanh Trang 18 12. Hình 2.12: Piston chuyển động về vị trí ban đầu Trang 18 13. Hình 2.13: Đồ thị P – V của chu trình nhiêṭ đôṇ g hoc̣ Stirling Trang 18 14. Hình 2.14: đôṇ g cơ Stirling kiểu alpha Trang 19 15. Hình 2.15 : quá trình cấp nhiệt động cơ Stirling kiểu alpha Trang 20 16. Hình 2.16 : quá trình dãn nở động cơ Stirling kiểu alpha Trang 20 17. Hình 2.17 : quá trình làm mát động cơ Stirling kiểu alpha Trang 21 18. Hình 2.18 : quá trình nén động cơ Stirling kiểu alpha Trang 21 19. Hình 2.19 : đôṇ g cơ Stirling kiểu beta Trang 21 20. Hình 2.20 : quá trình cấp nhiệt động cơ Stirling kiểu beta Trang 22 21. Hình 2.21 : quá trình dãn nở động cơ Stirling kiểu beta Trang 22 22. Hình 2.22 : quá trình làm mát động cơ Stirling kiểu beta Trang 23 23. Hình 2.23 : quá trình nén động cơ Stirling kiểu beta Trang 23 24. Hình 2.24 : đôṇ g cơ Stirling kiểu Gamma Trang 24 25. Hình 2.25 : quá trình cấp nhiệt động cơ Stirling kiểu Gamma Trang 24 x
14. 26. Hình 2.26 : quá trình dãn nở động cơ Stirling kiểu Gamma Trang 25 27. Hình 2.27 : quá trình làm mát động cơ Stirling kiểu Gamma Trang 25 28. Hình 2.28 : quá trình nén động cơ Stirling kiểu Gamma Trang 26 29. Hình 3.1: Sơ đồ cấu tạo tủ lạnh nén hơi Trang 27 30. Hình 3.2: kích thƣớc tủ lạnh thiết kế Trang 30 31. Hình 3.3: Xây dựng chu trình lạnh trên đồ thị lgp – h của R134a Trang 38 32. Hình 4.1: Xác định công tăng thể tích trên đồ thị P – V của chu trình Stirling Trang 58 33. Hình 4.2 : Xác định công giảm thể tích trên đồ thị P – V của chu trình Stirling Trang 59 34. Hình 5.1: Các kết quả điểm đo trên hệ tọa độ OXY Trang 63 35. Hình 5.2: Liên tuc̣ hóa các điểm đo trên hệ tọa độ OXY Trang 63 36. Hình 5.3: Các điểm biểu diêñ trên hệ trục tọa độ OXY Trang 64 xi
15. DANH SÁCH CÁC BẢNG 1. Bảng 3.1: Bề dày lớp cách nhiệt của thiết bị lạnh Trang 31 2. Bảng 3.2: Hê ̣số truyền nhiêṭ qua tƣ̀ ng vách của vỏ tủ laṇ h Trang 32 3. Bảng 3.3: Hê ̣số truyền nhiêṭ qua tƣ̀ ng vách của vỏ tủ laṇ h Trang 33 4. Bảng 3.4: Dòng nhiêṭ tổn thất qua tƣ̀ ng vách của vỏ tủ laṇ h Trang 35 5. Bảng 3.5: Các điểm nút của chu trình lạnh Trang 38 xii
16. Ngƣời Hƣớng Dẫn: GVC. TS. Nguyêñ Trƣờ ng Thiṇ h GVC. ThS. Hoàng Trí Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: Từ xa xƣa, để chống lại sự khắc nghiệt của thời tiết, con ngƣời đã biết vận dụng và chế ngự các điều kiện tự nhiên nhƣ: làm nhà để che mƣa nắng, đốt lò sƣởi vào mùa đông, thông gió tự nhiên vào mùa hè Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và kinh tế, con ngƣời càng ý thức đƣơc̣ vai trò to lớn của nhiêṭ đô ̣và sƣ ̣ nóng lên của trái đất , nhu cầu của con ngƣời về ổn định nhiệt độ ngày càng tăng cao, trong tiến trình công nghiệp hoá, có nhiều thiết bị làm lạnh đƣợc phát minh và chế tạo, môṭ trong nhƣ̃ng thiết bi ̣đó đa ̃ đi vào cuôc̣ sống là thiết bi ̣làm lạnh dùng máy nén hơi đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật làm lạnh và điều hoà không khí. Hơn thế nƣ̃a , thiết bi ̣ làm lạnh dùng máy nén hơi hoạt động ổn định có năng suất đô ̣tin câỵ và tuổi thọ cao nên hiêṇ nay đang đƣơc̣ sƣ̃ duṇ g rôṇ g raĩ trong hầu hết các thiết bị làm lạnh nhƣ : tủ lạnh thƣơng nghiệp , tủ lạnh gia đình , kho bảo quản đông , nhà máy sản xuất nƣớc đá và dùng năng lƣơṇ g điêṇ để hoạt động máy nén hơi. Các nhà máy thủy điện không gây ô nhiêm̃ môi trƣờng nhƣng laị phá hoaị tài nguyên thiên nhiên và đa daṇ g sinh hoc̣ năṇ g nề , làm biến đổi khí hậu, các khu rừng bị tàn phá ngập chìm dƣới các con đập sẽ làm mất đi lá phổi cung cấp khí CO2 đồng nghiã với viêc̣ tăng phát thải CO2 vào khí quyển. Măṭ khác nguồn nƣớc cung cấp cho các thủy điêṇ không phải vô tâṇ , sau môṭ thời gian dài sƣ̃ duṇ g các lòng hồ se ̃ ch uyêñ thành đầm lầy và thủy điêṇ không còn khả năng tích nƣớc, nhƣ vâỵ nguồn năng lƣơṇ g tƣ̀ thủy điêṇ cơ bản không còn , nguồn cung cấp điều tiết và dƣ ̣ trƣ̃ nƣớc cho sản xuất nông nghiêp̣ ở vùng ha ̣du bị mất đi tƣ̀ đó ảnh hƣởng đến đời sống sản xuất của ngƣời dân. 5 Học Viên: Trần Quang Thac̣ h
17. Ngƣời Hƣớng Dẫn: GVC. TS. Nguyêñ Trƣờ ng Thiṇ h GVC. ThS. Hoàng Trí Trƣớc sƣ ̣ phát triển nhƣ vũ bảo của thời đaị khoa hoc̣ kỹ thuâṭ , các nguồn nhiên liêụ dƣ ̣ trƣ̃ nhƣ : dầu mỏ , than đá , khí thiên nhiê n và thủy điêṇ đều có haṇ , tìm kiếm nguồn năng lƣợng tái tạo để bổ sung vào nguồn năng lƣợng truyền thống đang đƣợc các nhà khoa học thực sự quan tâm , các nguồn năng lƣợng mới nhƣ : năng lƣơṇ g haṭ nhân, năng lƣơṇ g điạ nhiêṭ, năng lƣơṇ g gió và năng lƣơṇ g măṭ trời là hƣớng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lƣợng. Viêṭ Nam là đất nƣớc có khí hâụ nhiêṭ đới nóng và ẩm nên các thiết bi ̣làm laṇ h có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với đời sống con ngƣời . Nhu cầu về laṇ h để điều hòa không khí trong sinh hoaṭ sản xuất và bảo quản thực phẩm ngày càng tăng tiêu thụ một lƣơṇ g điêṇ năng đáng kể. Ngƣời thực hiện sẽ nghiên cứu ứng dụng động cơ Stirling chạy bằng bất kỳ nguồn nhiệt nóng nào nhƣ: than củi, khí đốt, khí thải từ các nhà máy , dầu mỏ, năng lƣơṇ g măṭ trời để cung cấp nguồn năng lƣợng hoạt động máy nén hơi của thiết bị làm lạnh, đây là loại động cơ nhiệt hiêụ suất cao, có thể đạt từ 50% đến 80% hiêụ suất lý tƣởng của chu trình nhiêṭ đôṇ g hoc̣ thuâṇ nghic̣ h nhƣ chu trình Carnot trong việc chuyển hóa nhiêṭ năng thành công năng , chỉ bị mất mát do ma sát và giới hạn của vâṭ liêụ . Ứng dụng này sẽ đi sâu vào đ ời sống, đáp ứng đƣợc sự thi ếu hụt năng lƣợng điện hoạt động các thiết bị làm lạnh và phù hợp với điều kiện phát triển nƣớ c ta hiện nay. 1.2 NHIÊṂ VU ̣ CỦ A ĐỀ TÀ I Nghiên cứu tổng quan các loaị thiết bi ̣làm laṇ h Nghiên cứu và chế tạo thiết bị làm lạnh sử dụng máy nén hơi một cấp Nghiên cứu, tính toán và chế taọ mô hình đôṇ g c ơ Stirling để cung cấp năng lƣợng hoạt động máy nén hơi một cấp 6 Học Viên: Trần Quang Thac̣ h
18. Ngƣời Hƣớng Dẫn: GVC. TS. Nguyêñ Trƣờ ng Thiṇ h GVC. ThS. Hoàng Trí Nghiên cƣ́ u daĩ nhiêṭ đô ̣hoaṭ đôṇ g của đôṇ g cơ Stirling dùng cung cấp năng lƣợng hoạt động máy nén hơi một cấp 1.3 GIỚ I HAṆ ĐỀ TÀ I Do thời gian có haṇ và đề tài liên quan đến nhiều liñ h vƣc̣ chuyên môn nên đề tài chỉ thực hiện các nội dung kể trên , chỉ đi sâu vào nghiên cƣ́ u thiết bi ̣làm laṇ h s ử dụng máy nén hơi một cấp và động cơ Stirling kiểu Gammar với dãi nhiệt độ hoạt động của động cơ. 1.4 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI Lĩnh vực lạnh là một lĩnh vực đầy hấp dẫn đối với nhƣ̃ng nƣớc có khí hâụ nhiêṭ đới nóng và ẩm nhƣ nƣớc ta nên nghiên cƣ́ u ứng dụng này sẽ giúp tạo thêm nhiều sƣ ̣ lƣạ chọn nguồn năng lƣơṇ g cung cấp cho thiết bi ̣làm laṇ h có thể sữ dụng bất kỳ nguồn nhiêṭ hiêṇ có nào và đăc̣ biêṭ là có thể tâṇ duṇ g nguồn năng lƣơṇ g măṭ trời, môṭ nguồn năng lƣơṇ g sac̣ h và vô tâṇ , trƣớc sƣ ̣ thiếu huṭ nguồn năng lƣơṇ g điêṇ nhƣ hiêṇ nay. 1.5 TÍNH THỰC TIỄN Ứng dụng này sẽ đi vào đời sống xã hội ở tất cả các vùng miền , đăc̣ biêṭ là ở nhƣ̃ng vùng sâu, vùng xa, hải đảo của tổ quốc, nơi mà nguồn điêṇ chƣa đến đƣợc. Giúp cho sinh viên có thêm những kiến thức quan trọng về thiết bi ̣laṇ h và đôṇ g cơ Stirling, là loại động cơ còn xa lạ đối với sinh viên. 7 Học Viên: Trần Quang Thac̣ h
19. Ngƣời Hƣớng Dẫn: GVC. TS. Nguyêñ Trƣờ ng Thiṇ h GVC. ThS. Hoàng Trí Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ngày nay nhiều nƣớc trên thế giới đã phát triển rất mạnh về máy lạnh nhƣ: Đức, Nhật, Pháp, Mỹ, Hà Lan kỹ thuật lạnh là nhu cầu thiết yếu cho việc phát triển công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp thực phẩm. Đã có vài chục kiểu máy lạnh khác nhau về nguyên lý làm việc nhƣ: máy nén lạnh, máy lạnh hấp thụ, máy lạnh kiểu Ejectơ, máy lạnh hiệu ứng xoáy, máy lạnh bán dẫn Riêng máy nén lạnh cũng có rất nhiều kiểu: máy nén 1 piston, máy nén 2, 4, 6 piston, máy nén 2 cấp, máy nén trục vít, máy nén ly tâm 2.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP LÀM LẠNH NHÂN TẠO Làm lạnh nhân taọ là các quá trình làm laṇ h nhờ môṭ phƣơng tiêṇ hoăc̣ thiết bi ̣ do con ngƣời taọ ra. 2.1.1 PHƢƠNG PHÁ P BAY HƠI KHUẾ CH TÁ N Môṭ ví dụ điển hình là nƣớc bay hơi khuếch tán vào không khí khi phun nƣớc liên tuc̣ vào không khí khô có cùng nhiệt độ nƣớc se ̃ bay hơi khuếch tán vào không khí và trạng thái không khí sẽ biến đổi theo đƣờng đẳng entanpy. Hình 2.1: đồ thi ̣h – x của không khí ẩm (H 2.1 / 13 / [4]) Điểm 1: trạng thái ban đầu của không khí. t1: nhiêṭ đô ̣khô. t2: nhiêṭ đô ̣ƣớt. ts: nhiêṭ đô ̣đoṇ g sƣơng 8 Học Viên: Trần Quang Thac̣ h
20. Ngƣời Hƣớng Dẫn: GVC. TS. Nguyêñ Trƣờ ng Thiṇ h GVC. ThS. Hoàng Trí Tƣ̀ điểm 1 là trạng thái ban đầu của không khí đến điểm 2, đô ̣ẩm tăng tƣ̀ 1 đến max = 100%. Bằng cách này ta đa ̃ thƣc̣ hiêṇ quá trình làm laṇ h không khí , nhiêṭ đô ̣ giảm từ t1 đến t2 . Nhiêṭ đô ̣t1 là nhiệt độ đọc trên nhiệt kế khô và t 2 là nhiệt độ đọc trên nhiêṭ kế ƣớt. Ứng dụng trong kỹ thuật là máy lạnh hấp thụ khuếch tán , ở dàn bay hơi amoniắc lỏng bay hơi khuế ch tán và o khí hyđrô là chất khí dùng cân bằng áp suất cho hê ̣thống laṇ h. 2.1.2 PHƢƠNG PHÁ P HÒ A TRÔṆ LAṆ H Cách đây 2000 năm, ngƣời Trung Quốc và Ấ n đô ̣đa ̃ biết làm lạnh bằng cách hòa trộn muối và nƣớc theo nhƣ̃ng tỉ lê ̣nhất điṇ h. Quá trình hòa tan luôn kèm theo quá trình thu nhiệt , hiêụ ƣ́ ng laṇ h phu ̣thuôc̣ nồng đô ̣và nhiêṭ đô ̣điểm cùng tinh của hổn hơp̣ . Nhƣơc̣ điểm của phƣơng pháp này là giá thành muối cao và phần lớn muối có tính ăn mòn mạnh. 2.1.3 PHƢƠNG PHÁ P DÃN NỞ KHÍ CÓ SINH NGOẠI CÔNG Đây là phƣơng pháp làm laṇ h nhân taọ quan troṇ g , các máy laṇ h làm laṇ h theo nguyên lí dãn nở khí có sinh ngoại công gọi là máy lạnh nén khí có máy dãn nở . Phạm vi ƣ́ ng duṇ g rất rôṇ g lớn tƣ̀ máy điều tiết không khí cho đến các máy sƣ̉ duṇ g trong kỹ thuâṭ Cryô để sản xuất Nitơ , ôxy lỏng, hóa lỏng không khí và tách khí , hóa lỏng khí đốt Máy lạnh nén khí gồm bốn thiết bị chính : máy nén, bình làm mát, máy dãn nở và buồng lạnh. Môi chất laṇ h là không khí hoăc̣ môṭ chất khí bất kì, không biến đổi pha trong chu trình. Không khí đƣơc̣ nén đoaṇ nhiêṭ S1 = const tƣ̀ traṇ g thái 1 đến trạng thái 2. ở bình làm mát không khí thải nhiêṭ ra môi trƣờng ở áp suất không đổi đến traṇ g thái 3, sau đó đƣơc̣ dañ nở đoaṇ nhiêṭ S3 = const xuống traṇ g thái 4 có nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Trong phòng laṇ h không khí thu nhiêṭ của môi trƣờng ở áp suất không đổi và nóng dần lên điểm 1, khép kín vòng tuần hoàn . Nhƣ vâỵ chu trình máy lạnh nén khí 9 Học Viên: Trần Quang Thac̣ h
21. Ngƣời Hƣớng Dẫn: GVC. TS. Nguyêñ Trƣờ ng Thiṇ h GVC. ThS. Hoàng Trí gồm 2 quá trình nén và dãn nở đoaṇ nhiêṭ với 2 quá trình thu và thải nhiêṭ đẳng áp nhƣng không đẳng nhiêṭ. Hình 2.2: nguyên tắc làm viêc̣ của máy laṇ h nén khí (H 2.2 / 14 / [4]) 2.1.4 PHƢƠNG PHÁ P TIẾ T LƢU KHÔNG SINH NGOAỊ CÔNG VÀ HIÊỤ Ƣ́ NG JOULE - THOMSON Có thể dañ nở không khí không sinh ngoaị công bằng cách tiết lƣu khí qua các cơ cấu tiết lƣu tƣ̀ áp suất cao P 1 xuống áp suất thấp hơn P 2 không có trao đổi nhiêṭ với môi trƣờng bên ngoài. Hình 2.3: Tiết lƣu không sinh ngoaị công của môṭ dòng môi chất. (H 2.3 / 15 / [4]) Có thể sƣ̉ duṇ g phƣơng trình cân bằng nhiêṭ của định luật nhiệt động thứ nhất , với điều kiêṇ bỏ qua sƣ ̣ chênh lêc̣ h đô ̣cao của 2 điểm (1) và (2) 2  2 q l h h 2 1 12 12 2 1 2 10 Học Viên: Trần Quang Thac̣ h