Chương 4: Quá trình lạnh | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Chương 4 Quá trình lạnh
4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
4.1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Các phương pháp làm lạnh thâm độ:
- Tiết lưu khí nén (giãn khí qua van tiết lưu không bù công bên ngoài)
- Giãn khí trong Detander hoàn toàn bù công bên ngoài
- Tổng hợp vừa tiết lưu vừa bù công bên ngoài Tiết lưu khí:
Cho khí nén đi qua đĩa có lỗ nhỏ, dòng khí bị bó hẹp lại, khĩ bị giãn đoạn nhiệt (Entanpi không đổi) -
Với khí lý tưởng, khi giãn thì nhiệt độ khí không thay đổi -
Khi tiết lưu khí thực, nhiệt độ khí thay đổi entanpi là hàm số của nhiệt độ và áp suất
i = u + pv = C T + u + pv v T Năng lượng thể tích Nội năng khí Nhiệt dung thực riêng đẳng Động nội năng Thế nội năng tích khí thực QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2
4.2. LẠNH THÂM ĐỘ
4.2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN
C T + u + p v = C T + u + p v v 1 T 1 1 v 2 T 2 2 1 2
Cv(T −T = u − u − p v − p v 1 2 ) ( 1T 2 T ) ( 1 1 2 2 ) Nếu
p v > p v ⇒T −T > 0 2 2 1 1 1 2 Hiệu ứng tiết lưu dương p v < p v Nếu 2 2 1 1 T −T > 0
u −u < p v − p v 1 2 T 2 T1 1 1 2 2
u −u > p v − p v T 2 T1 1 1 2 2 T −T < 0 1 2
Sự biến đổi khi tiết lưu gọi là hiệu ứng tiết lưu Hiệu ứng QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân tiết lư 3 u âm 4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
Làm lạnh bằng giãn khí trong detander
- Giãn sơ bộ khí nén trong máy phát và hoàn toàn bù công bên ngoài
- Công sinh ra của máy phát có thể dùng vận
chuyển chất lỏng hoặc đẩy khí
- Không diễn ra quá trình trao đổi nhiệt với môi trường
- Lượng nhiệt và nhiệt độ của khí có thể xác
định bằng đồ thị T-S
- GIãn khí trong Detander nhận được hiệu ứng
lạnh lớn hơn giãn tiết lưu, trong khi thêm công
giãn nên tiêu hao năng lượng cho cả chu kỳ sẽ nhỏ hơn
- Khí giãn trong Detander có một phần hóa lỏng,
thay đổi tính chất so với khí lý tưởng
- Hiệu suất lạnh bị giảm do va đập thủy học và
tạo sự xoáy trộn gây tỏa nhiệt và mất lạnh do
cách nhiệt không tuyệt đối
- Muốn tăng hiệu suất lạnh thường kết hợp giữa detQ a TnTdB e Ir I 0 và 1 t iết lưu TS. Nguyễn Minh Tân 4 4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
4.2.2. Các chu trình tiết lưu khí
Chu trình áp suất cao tiết lưu một bậc (Chu trình Linde)
1-2: Không khí được hút vào máy nén,
được nén tới áp suấy P2 sau đó qua thiết
bị làm lạnh bằng nước về nhiệt độ T1
2–3: Khí nén được tiếp tục làm lạnh trong
thiết bị hoàn nguyên theo phương thức
ngược chiều, áp suất không đổi p2
3–4: Khí nén đi qua van tiết lưu, áp suất giảm
xuống p1, được làm lạnh đẳng entanpi, một phần
khí hóa lỏng được chứa trong bình V. Phần khí
không hóa lỏng được đưa về thiết bị truyền
nhiệt để thu nhiệt của khí nén.
5-1 Khí đi ngược chiều sẽ được đun nóng đến T1 và p1 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
4.2.2. Các chu trình tiết lưu khí
Chu trình áp suất cao tiết lưu một bậc (Chu trình Linde) Phần khí i − i 1 2 hóa lỏng
x = i −i 1 0 Hiệu ứng tiết lưu i −i đẳng nhiệt 1 2
i −i = x i −i = i Δ q 1 2 (1 0) T = 0
Hệ số hóa lỏng thực Hệ số lạnh i − i − q i − i 1 2 1 2 x m ∑ = ε = p i − i 2 69 , 1 RT ln 1 0 1 p1 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6 4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
4.2.2. Các chu trình tiết lưu khí Chu trình tiết lưu một bậc và
làm lạnh sơ bộ bằng Amoniac
1-2: Không khí được hút vào máy nén,
được nén tới áp suất P1 =200 at , qua thiết
- Tăng hiệu ứng tiết lưu đẳng nhiệt
bị làm lạnh sơ bộ bằng không khí/nước về nhiệt độ T0
- Giảm tiêu hao năng lượng nén khí
2–3: Khí nén được tiếp tục làm lạnh trong
thiết bị hoàn nguyên sơ bộ
3’–3: Khí nén được tiếp tục làm lạnh trong
thiết bị làm lạnh bằng Amoniac
3–4: Khí nén được tiếp tục làm lạnh trong
thiết bị hoàn nguyên chính
Khí nén sau truyền nhiệt cho qua van tiết lưu.
Một phần khí hóa lỏng đi vào bình chứa, phần
khí còn lại cho quay lại làm lạnh khí nén và được hut vào vao máy nén QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7
4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
Chu trình tiết lưu một bậc và
Năng suất lạnh lý thuyết của 1kg không khí
làm lạnh sơ bộ bằng Amoniac
q = i −i + i −i 0 (1 2) ( 3 2 )
Hoặc q = i −i 0 ( 6 3)
Năng suất lạnh thực tế Tổng mất mát lạnh
q0 = i6 −i3 − ∑qm
Phần lỏng được tạo thành i − i − q 1 3' x m ∑ = i − i 1 0 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
4.2.2. Các chu trình tiết lưu khí Chu trình tiết lưu hai bậc và
tuần hoàn khí áp suất cao
Khí được nén 2 lần
Nén 1 kg khí, sau khi tiết lưu
- Lượng lạnh thu được khi tiết lưu
lần 1 có m kg lỏng, sau tiết
tỉ lệ thuận với p2-p1
lưu lần 2 có x kg khí hóa lỏng
- Công tiêu hao khi nén đẳng nhiệt tỉ lệ với lg(p2/p1)
Sau khi tiết lưu lần 1 có 1-m kg khí quay về bộ phần
truyền nhiệt , sau tiết lưu lần
2 có m-x kg khí quay về thiết bị truyền nhiệt
Năng suất lạnh lý thuyết
q = i −i + m i −i 0 ( 8 2) (1 8) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
4.2.2. Các chu trình tiết lưu khí Chu trình tiết lưu hai bậc và
tuần hoàn khí áp suất cao
Năng suất lạnh lý thuyết
- Lượng lạnh thu được khi tiết lưu
tỉ lệ thuận với p2-p1
q = i −i + m i −i 0 ( 8 2) (1 8)
- Công tiêu hao khi nén đẳng nhiệt tỉ lệ với lg(p2/p1)
Phần lỏng tạo thành (tính đến mất mát lạnh)
(i − i + m i − i − q 8 2 ) ( 1 8 ) x m ∑ = i − i 1 0
Năng suất lạnh lý thuyết
q = i −i + m i −i 0 ( 8 2) (1 8) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
4.2.3. Các chu trình kết hơp tiết lưu và giãn khí trong detander
- Để hạ nhiệt độ của khí có thể tiết lưu từ 200 at về 1 at
- Để hạ nhiệt độ xuống thấp hơn, có thể giãn khí
trong detander + bù công tiêu tốn bên ngoài
- Để nhận được nhiệt độ rất thấp ( khí bị hóa lỏng),
không thể giãn khí trong detander vì thể tích khí
giảm nhiều, va đập thủy học làm tăng mất mát lạnh,
hiệu suấy giãn khí thấp
- Để nhận được nhiệt độ rất thấp phải kết hợp phải
kết hợp giãn khí trong detander để hoàn lại công và tiết lưu khí QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11
4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
Chu trình áp suất trung bình (chu trình Clog)
1-2: khí nén đến 25-40 at rồi
được làm lạnh đến nhiệt độ ban đầu
2-3: khí được làm lạnh trong
thiết bị hoàn nguyên
3-3’và 3’ - 4: một phàn được tiêp tục làm lạnh
3-5: khí vào detander và giãn hoàn
5-1: khí lạnh có áp suất thấp đi qua
thiết bị truyền nhiệt và dược đun nóng
đến nhiệt độ đầu
4-6: từ thiết bị làm lạnh, khí nén được
đưa vào van tiết lưu
7- 5’: phần khí không hóa lỏng cho
quay lại làm lạnh khí nén rồi trộn lẫn
với khí giãn từ detander, qua tbị truyền QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12
nhiệt rồi bị hút trở lại máy nén
4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
Chu trình áp suất trung bình (chu trình Clog)
Năng suất lạnh tiết lưu
Năng suất lạnh chung ' q 0 = ( m i −i 1 2 ) q = q' 1 0 + q ' 0 0 −
q = i1 −i2 + − m i3 −i5 − q m ∑ ( ) ( )( ) Δ m
Năng suất lạnh detander '
q 0 = (1− m) ([i − i + i − i 1 2 ) ( 3 5 )]
Lượng lỏng được tạo thành q (i ∑
− i + 1− m i − i m 1 2 ) (
)( 3 5)− (i −i 1 0 ) x = (i −i 1 0 )
Công hoàn lại khi giãn khí trong detander
l = 1− m i −i đ ( )( 3 5)ηch QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13
4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
Chu trình áp suất cao (chu trình Halandt)
- Khí sau khi nén, hướng
1-2: khí nén rồi được làm lạnh
đến detander trước thiết sơ bộ bị hoàn nguyên
- Để có hiệu ứng lạnh lớn,
2-4: một phần khí sau nén được
khi tiết lưu khí cần nén
làm lạnh ở thiết bị hoàn nguyên đến 200at
4-5: tiêp tục làm lạnh
2-3: khí còn lại qua detander giãn hoàn công
5-6: khí nén và lạnh cho qua van tiết
lưu để giãn đến gần áp suất khí quyển ( đẳng entanpi)
7-1: phần khí hóa lỏng đua vào bình
chứa, phần không hóa lỏng quay lại
làm khí nén tỏng các thiết bị truyền
nhiệt, sau đó được hút vào máy nén QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14
4.1. LẠNH THÂM ĐỘ
Chu trình áp suất thấp (chu trình Copisa) - Dùng detander tuabin (6 at) thay detander pittong để tăng hiệu suất
1-2: khí nén đến 6at rồi được làm lạnh sơ bộ
- Để có hiệu ứng lạnh lớn,
khi tiết lưu khí cần nén đến 200at
3-3’-5: khí được chia làm hai
phần, phần nhỏ tiếp tục cho làm
lạnh đến nhiệt độ thấp
3-4: đưa qua detander tuabin hoàn lại công
4-1 Ra khỏi Detander, khí lạnh trộn với
không khí còn lại sau tiết lưu, làm lạnh
cho khí nén trong thiết bị truyền nhiệt
và đưa về máy nén tuabin QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15