Thiết kế trung tâm tự động giám sát điều khiển nhiệt độ các phòng thí nghiệm khoa điện-Điện tử

rì cho chúng họat động được liên tục. Nếu chẳng may một trong các khâu ngưng họat động có thể gây đến việc trì trệ của tòan bộ hệ thống, giây chuyền và việc thiệt hại cho doanh ngiệp là không thể tránh khỏi. Còn trong cuộc sống, yếu tố nhiệt độ đối với con người cũng không kém phần quan trọng. Nếu nhiệt độ tăng cao hay giảm thấp gây cho cơ thể chúng ta sự khó chịu, chưa kể kèm theo đó còn nhiều bệnh tật phát sinh do sự biến động không mong muốn của thời tiết nói chung và nhiệt độ nói riêng. Với từng lĩnh vực khác nhau, việc đo và khống chế nhiệt độ một cách chính xác đóng vai trò then chốt đối với sự thành bại của một quy trình. Chính vì lí do đó mà ngày nay nhiều hệ thống làm lạnh hay chính xác hơn là hệ thống điều hòa nhiệt độ xuất hiện dưới nhiều hình thức, nhiều dạng khác nhau. Tổ chức quản lí, kĩ thuật của hệ thống làm lạnh : Việc triển khai và ứng dụng các hệ thống điều hòa nhiệt độ vào đời sống hằng ngày đã được nhiều cơ quan, tổ chức và thậm chí cả các cá nhân, gia đình thực hiện một cách rộng rãi. Tuy nhiên, trong môi trường cơ quan, doanh nghiệp thì việc sử dụng và quản lí hệ thống điều hòa nhiệt độ vẫn còn gặp phải một số vấn đề như: Việc sử dụng bừa bãi của các cá nhân trong tổ chức dẫn đến lãng phí tiền của cho cơ quan, doanh nghiệp. Không kịp thời giải quyết được các vấn đề về kĩ thuật phát sinh trong quá trình sử dụng hệ thống điều hòa nhiệt độ. Chưa kiểm sóat được các khỏan chi phí phát sinh trong quá trình sử dụng hệ thống làm lạnh… Nhiệm vụ đồ án : Chính vì những bất cập trong quá trình khai thác và sử dụng hệ thống làm lạnh cũng như điều hòa nhiệt độ nên việc triển khai song song giữa hai khâu sử dụng và quản lí hệ thống trên là một việc làm quan trọng và cần thiết. Không ngòai yêu cầu đó nên khi thực hiện đồ án tốt nghiệp em đã chọn đề tài cho mình là thiết kế “ Hệ thống giám sát nhiệt độ các phòng thí nghiệm của Khoa điện – điện tử “. Hệ thống mà em định thiết kế ở đây phải đảm bảo một số yêu cầu như sau: Tự động nhận biết thiết bị nào khi thiết bị đó được kết nối với trung tâm. Phải liên tục truyền thông với từng thiết bị được kết nối với trung tâm để đảm bảo việc thu thập dữ liệu về nhiệt độ một cách nhanh chóng và liên tục cập nhật các biến động về nhiệt độ do lỗi của thiết bị điều khiển, hay do sự tác động không mong muốn của môi trường bên ngòai. Trực tiếp cho phép Board điều khiển tự động điều khiển thiết bị điều hòa nhiệt độ từ trung tâm và tránh sự can thiệp không cho phép của người sử dụng máy lạnh. Lưu giữ giá trị nhiệt độ thu nhận được để tiện cho việc quản lí sử dụng thiết bị điều hòa nhiệt độ và các vấn đề phát sinh sau này như tài chính… Lời cám ơn: Với mong muốn vận dụng những điều mình đã học được trong suốt 4 năm ngồi trên ghế nhà trường vào thực tiễn cuộc sống, trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em đã cố gắng vận dụng một cách có hiệu quả những lí thuyết mà thầy cô đã truyền dạy sao cho sản phẩm cuối cùng của mình phải chứa đựng được những thành quả mà em đã đạt được trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại nhà trường. Tuy nhiên, do vẫn còn nhiều giới hạn về trình độ kiến thức lẫn kinh nghiệm thực tế của em nên tất yếu không thể tránh khỏi những sai sót trong suốt quá trình thực hiện đến khi hòan thành đồ án. Em mong được sự góp ý thẳng thắn và sự chỉ dạy tận tình của các thầy cô để em có thể hòan thiện mình hơn nữa. Em xin ghi tạc những lời chỉ dạy của thầy cô vì đó là những thứ cần thiết trong hành trang ra trường của mình, trước khi em gia nhập vào đội ngũ những người làm kĩ thuật mà xã hội đang cần đáp ứng. Nhân dịp này, em xin nói lời cảm ơn chân thành đến thầy Hồ Ngọc Bá, người đã nhiệt tình hướng dẫn và cho em những lời khuyên quý báu để giúp em hòan thành đồ án kịp tiến độ cũng như tránh được nhiều sai sót. Ngòai ra, em cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô trong và ngòai trường đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu, để em có được những viên gạch tốt xây dựng thành công đồ án này. Sau cùng, em muốn cám ơn cha mẹ, người thân, bạn bè, những người đã ít nhiều đóng góp về mặt vật chất lẫn tinh thần cho sự thành công đồ án tốt nghiệp này. Em xin cám ơn tất cả mọi người. Tp Hồ Chí Minh, ngày 18, tháng 10, năm 2007 SVTH Nguyễn Đức Hải Chương I : Tổng quan hệ thống làm lạnh Một số khái niệm liên quan đến hệ thống lạnh: Nhiệt độ: Để đặc trưng cho độ nóng lạnh của một vật, người ta đưa ra khái niệm nhiệt độ. Thông thường, ta vẫn hiểu rằng vật nóng hơn thì có nhiệt độ cao hơn, còn vật lạnh thì có nhiệt độ thấp hơn. Theo quan điểm động học phân tử, nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho tính chất của vật, thể hiện chuyển động hỗn lọan của các phần tử cấu tạo nên vật đó nhanh hay chậm. Để đặc trưng cho giá trị của nhiệt độ người ta dùng các thang đo hay còn gọi là nhiệt giai gồm có: nhiệt giai bách phân - Celcius(0C), nhiệt giai Kelvin (0K), nhiệt giai Fahrenheit (0F) và nhiệt giai Rankin (0R). Mối quan hệ giữa các nhiệt giai được mô tả như sau: T(0C) = T(0K) – 273.16 T(0F) = T(0R) - 460 T(0C) = [ T(0F) –32 ]*5/9 T(0F) = T(0C)*9/5 +32 Đo nhiệt độ : Khái niệm về cảm biến : Cảm biến là một bộ phận hết sức quan trọng trong hầu hết các hệ thống đo lường vì nó quyết định đến độ nhạy cũng như sự chính xác của tòan bộ hệ thống. Tuỳ theo từng đại lượng vật lí muốn đo mà cảm biến cũng có nhiều lọai khác nhau. Cảm biến họat động dựa trên những đặc tính vật lí của vật liệu cấu tạo nên chúng. Nhiệm cụ chính và cơ bản nhất của cảm biến là thực hiện việc biến đổi các đại lượng vật lí có thể là điện hay không điện thành tín hiệu điện. Khi sử dụng cảm biến thì các đặc tính quan trọng nhất của cảm biến đó là: Độ nhạy Độ ổn định Độ tuyến tính của cảm biến Cảm biến nhiệt : Đây là lọai cảm biến thực hiện biến đổi đại lượng nhiệt độ sang tín hiệu điện, nó có độ nhạy và độ tuyến tính tương đối cao. Nhiệt độ cần đo có thể rất thấp (một vài độ Kelvin), cũng có thể rất cao (vài ngàn, vài chục ngàn độ Kelvin). Độ chính xác của nhiệt độ có khi cần tới một vài phần ngàn độ, nhưng có khi vài chục độ cũng có thể chấp nhận được. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode và transistor, IC cảm biến nhiệt độ, cảm biến thạch anh … Tùy theo khoảng nhiệt độ cần đo và sai số cho phép mà người ta lựa chọn các loại cảm biến và phương pháp đo cho phù hợp: - Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện là từ 2000C đến 10000C,độ chính xác có thể đạt tới +/-1% đến 0.1%. - Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện (cặp nhiệt ngẫu) là từ –2700C đến 25000C với độ chính xác có thể đạt tới +/-1% đến 0.1%. - Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng các cảm biến tiếp giáp P-N (diode, transistor, IC) là từ –2000C đến 2000C,sai số đến +/- 1%. - Các phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ, quang phổ… có khoảng đo từ 10000C đến vài chục ngàn độ C với sai số +/-1% đến 10%. Các phương pháp đo nhiệt độ : Trong việc đo nhiệt độ thì tùy theo từng yêu cầu một về độ chính xác, tầm nhiệt độ đo mà có những phương pháp đo khác nhau. Cụ thể ở đây điểm qua một vài phương pháp xác định nhiệt độ thường gặp: Phương pháp cơ học: dựa trên sự giãn nở cơ học vì nhiệt của các vật chất và trong điều kiện áp suất không đổi. Thường gặp nhất trong thực tế là nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế lưỡng kim. Tầm đo từ -20°C à 650°C. Phương pháp quang: dựa trên sự phân bố bức xạ nhiệt do dao động thường dùng trong nghành công nghiệp luyện kim dưới dạng hỏa kế bức xạ hay quang hỏa kế. Tầm đo từ vài trăm độ đến vài ngàn độ C. Phương pháp điện: dựa trên sự phụ thuộc điện trở của vật liệu vào nhiệt độ hay dựa trên sự thay đổi của tần số thạch anh… thường gặp dưới dạng cảm biến: nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện… Tầm đo tương đối rộng, từ -200°C đến khỏang 2500°C. Do giới hạn của đề tài chỉ xác định nhiệt độ ở tầm dân dụng và bằng phương pháp điện nên có hai phương pháp thông dụng nhất: Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện: Việc sử dụng cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ có một số ưu điểm hơn hẳn khi so sánh với một số đầu đo khác. Các cặp nhiệt điện có dải nhiệt độ sử dụng lớn hơn, thời gian đáp ứng nhanh hơn cùng với giá thành cũng phải chăng hơn. Tùy theo từng lọai cặp nhiệt mà dải nhiệt độ sử dụng có thể bao trùm từ -200°C đến 1700°C. Ngòai ra, đường đặc trưng nhiệt của nó có thể xem như là tuyến tính trong từng dải nhiệt độ xác định. Về mặt cấu tạo, cặp nhiệt bao gồm hai dây dẫn khác nhau được hàn chung lại tại một điểm. Khi ta chế tạo một tiếp xúc giữa hai kim lọai để ở cùng một nhiệt độ thì cũng sẽ xuất hiện ở hai đầu một điện áp nhỏ. Độ lớn của điện áp này phụ thuộc vào nhiệt độ và vào kim lọai được dùng làm cặp nhiệt. Do đó trong các mạch điện tử do khi lắp ráp đã hàn các linh kiện khác nhau vào mạch nên cũng xuất hiện những cặp nhiệt điện, cho dù ta hòan tòan không mong muốn. Chẳng hạn như do tiếp xúc khi hàn giữa thiếc và đồng cũng xuất hiện một cặp nhiệt điện với sức điện động cỡ 3µV/°C. Với một cặp nhiệt điện ta luôn luôn có thể đo được sự khác nhau về nhiệt độ giữa điểm hàn và đầu kẹp, và vì thế luôn cần có một nhiệt độ để so sánh. Nhiệt độ so sánh – mà thường chọn là nhiệt độ của đầu kẹp có thể sử dụng luôn giá trị nhiệt độ 0°C. Một cách khác là ta dùng một cặp nhiệt thứ hai và nhúng vào một cốc nước đá đang tan. Cả hai cặp nhiệt này được đấu nối tiếp với nhau còn kết quả đo được đọc trực tiếp ra nhiệt độ thực. Một khả năng khác nữa là dùng nhiệt độ môi trường và xem như nhiệt độ này là không đổi. Khi sự thăng giáng của nhiệt độ môi trường nhỏ hơn độ phân giải của nhiệt độ muốn đo thì đây là khả năng đơn giản nhất để đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt. Mạch điện tử để đấu nối cũng đơn giản. Cặp nhiệt được đấu trực tiếp vào một vi mạch khuyếch đại thuật tóan có độ trôi theo nhiệt độ và độ lệch điểm không (offset) nhỏ, còn hệ số khuyếch đại mon muốn được đặt bằng một điện trở thích hợp. Bảng thống kê sức điện động nhiệt điện và dải nhiệt độ sử dụng của những cặp nhiệt điện thường gặp nhất: Lọai Cặp nhiệt Điện áp lối ra (V/°C) trong dải 0 - 100°C Dải nhiệt độ (°C) E J K R S T Nikel (10%)/ Chrom - Constantan Sắt – Constantan Nickel (10%)/Chrom - Nickel Platin/(13%) Rhodium – Platin Platin/(10%) Rhodium – Platin Đồng – Constantan 67,5 54,4 40,4 7,5 7,3 46,8 -200 đến + 1000 -200 đến + 1200 -200 đến +1300 -200 đến + 1700 -200 đến +1700 -200 đến + 400 Đo nhiệt độ bằng đầu đo vi mạch tích hợp: IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện dưới dạng dòng hoặc áp. Nguyên lý hoạt động của IC đo nhiệt độ dựa vào đặc tính nhạy nhiệt của bán dẫn với nhiệt độ. Sự tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn, bằng sự phá vỡ các phần tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện các lỗ trống, làm cho tỉ lệ điện tử tự do và lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ. Sự thay đổi này sinh ra điện áp hay dòng điện tỉ lệ thuận với nhiệt độ. Đo tín hiệu điện ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo. . Đặc tính của một số IC đo nhiệt độ thông dụng: AD590: Ngõ ra là dòng điện. Độ nhạy 1A/°K. Độ chính xác +4°C. Nguồn cung cấp VCC = 4à30V. Phạm vi sử dụng -55°C à 150°C. LX5700: Ngõ ra là điện áp. Độ nhạy -10mV/°K. Phạm vi sử dụng -55°C à150°C. LM 135, LM335: Ngõ ra là điện áp. Độ nhạy 10mV/°C. Sai số cực đại 1,5°C khi nhiệt độ >100°C. Phạm vi sử dụng -55°C à 150°C. Nguyên lý máy nhiệt, máy lạnh: Khái niệm về chu trình: Quá trình mà cuối cùng hệ lại trở về trạng thái ban đầu thì được gọi là quá trình kín hay chu trình. Hệ thực hiện trình được gọi là các tác nhân. Để tính công thực hiện, ta xét chu trình có dạng như hình: Quá trình dãn nở biểu thị bằng đường ABC, Công L cấp cho bên ngòai được biểu diễn bằng diện tích EABCF, công này > 0. Quá trình nén được biểu diễn bằng đườnd CDA, công l nhận từ bên ngòai biểu diễn bằng diện tích EADCF, công này 0 vì công giãn nở lớn hơn công nén. Một cách tổng quát công thực hiện trong chu trình được viết: L = = Trong đó: - tích phân lấy theo đường cong kín biểu diễn chu trình. Giá trị của công L bằng diện tích của hình giới hạn bởi đường cong khép kín biểu diễn chu trình trên đồ thị (p-v). Từ các khảo sát trên ta thấy, nếu chu trình được tiến hành theo chiều kim đồng hồ (đường dãn nở nằm cao hơn đường nén) thì công của chu trình > 0 nghĩa là tác nhân đã sinh ra công cho ngọai vật. Nếu tiến hành chu trình ngược chiều kim đồng hồ, thì công của chu trình < 0, nghĩa là tác nhân nhận công từ ngọai vật. Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học: Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học chính là định luật bảo tòan và chuyển hóa năng lượng. Để sinh công trong chu trình, tác nhân phải nhận nhiệt, tuy nhiên, nguyên lý thứ nhất không trả lời được là liệu tác nhân có thể biến thành công tòan bộ nhiệt lượng mà nó nhận được hay không ? Một thời gian dài, người ta tìm cách chế tạo động cơ vĩnh cửu làm việc chỉ với một nguồn nhiệt đều không thành công. Các động cơ chế tạo trên thực tế chỉ dùng một phần nhiệt lượng Q nhận được để biến thành công L và phần nhiệt lượng còn lại (Q= Q- L) phải truyền cho nguồn nhiệt thứ hai (nguồn lạnh). Từ thực nghiệm, nguyên lý thứ hai của nhiệt động học ra đời, có nội dung định tính như sau: không thể thực hiện được chu trình sao cho kết quả duy nhất của nó là tác nhân sinh công do nhiệt lấy từ một nguồn nhiệt. Hiệu suất chu trình: Ứng dụng nguyên lý thứ hai của nhiệt động học, động cơ nhiệt phải làm việc giữa hai nguồn nhiệt: tác nhân nhận từ nguồn nóng (nhiệt độ T) nhiệt lượng Q; một phần Q biến thành công L, phần còn lại Q= Q- L phải truyền cho nguồn lạnh (nhiệt độ T). Vậy vấn đề đặt ra là chế tạo, cải tiến động cơ nhihệt sao cho công L càng gần Q càng tốt. Để đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng, nguời ta đưa ra khái niệm hiệu suất η = = Chu trình Carnot đóng vai trò rất quan trọng đối với lý thuyết về máy nhiệt: đó là chu trình gồm hai quá trình đọan nhiệt và đẳng nhiệt nối tiếp nhau (hình 3.3.3.1). Trong trường hợp này, người ta chứng minh được η chỉ tùy thuộc nhiệt độ nguồn nóng T và nhiệt độ nguồn lạnh T η = = Hệ số làm lạnh theo chu trình Carnot: Khi tiến hành chu trình Carnot ngược chiều kim đồng hồ, chu trình máy lạnh cũng giống như chu trình động cơ nhiệt nhưng quá trình xảy ra ngược lại. Tác nhân nhận công L từ bên ngòai (động cơ kéo) và nhận nhiệt lượng Q từ nguồn lạnh (làm lạnh sản phẩm), sau đó truyền cho nguồn nóng nhiệt lượng Q= Q+ L Đi sâu vào bản chất của hiện tượng thì điều đó có nghĩa là tác nhân đã nhận năng lượng từ bân ngòai dưới hình thức công Lvà đồng thời cũng nhận năng lượng Qcủa nguồn lạnh dưới hình thức nhiệt. Các dạng năng lượng mà tác nhân nhận vào được biến đổi sang dạng nội năng làm tăng nội năng của tác nhân. Để trở lại trạng thái đầu (tức thực hiện một chu trình), tác nhân phải truyền phần nội năng này cho nguồn nóng dưới hình thức nhiệt Q= Q+ L Tóm lại đối với máy lạnh làm việc tốt hay xấu, ta cần chú ý đến tỉ số: ε = = với ε – hệ số làm lạnh. Trên các nhãn máy thường ghi: COP – coefficient of performance hoặc EER – energy efficiency ratio. Tương tự, hệ số làm lạnh theo chu trình Carnot: ε = = Cần lưu ý là ε càng lớn khi chênh lệch giữa T và T càng thấp. Đối với máy lạnh thực tế, thường ε > 1. Truyền nhiệt: Khái niệm chung: Nhiệt độ có thể truyền từ vật này sang vật khác bởi ba phương pháp: dẫn nhiệt, đối lưu hoặc bức xạ. Thiết bị truyền nhiệt có thể sử dụng cả ba phương pháp trên. Sự truyền nhiệt rất quan trọng đối với kĩ thuật lạnh. Trong các thiết bị trao đổi nhiệt, sự trao đổi nhiệt giữa môi chất nóng và môi chất lạnh càng hòan hảo càng tốt. Để thực hiện điều đó, hệ số truyền nhiệt bởi dẫn nhiệt và đối lưu của vách phân cách hai môi chất phải lớn. Để bảo vệ phòng lạnh chống nhiệt lượng từ bên ngòai xâm nhập vào, sự trao đổi nhiệt qua vách phòng phải càng nhỏ càng tốt. Muốn vậy, ta phải dùng vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ (vật liệu cách nhiệt). Dẫn nhiệt (Conduction): Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt từ phần này sang phần kia của vật bởi sự chuyển động của các phân tử hoặc truyền nhiệt từ vật này sang vật kia khi có sự tiếp xúc trực tiếp. Theo định luật Wiedmann – Frank thì vật liệu dẫn điện tốt thì cũng dẫn nhiệt tốt. Dẫn nhiệt qua vách phẳng: Nhiệt lượng dẫn qua vách phẳng được tính theo công thức: Q = k.F.Δt Với Q – nhiệt lượng dẫn trong 1 đơn vị thời gian (W) k – hệ số truyền nhiệt (W/mºK) F – diện tích (m) Δt – độ chênh lệch nhiệt độ (ºC) Công thức trên có thể được viết: Q = q.F Với q = k.Δt – mật độ dòng nhiệt (W/m) Dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp: Trường hợp vách phẳng nhiều lớp, hệ số truyền nhiệt k được tính: k = trong đó: k – hệ số truyền nhiệt của vách phẳng nhiều lớp (W/mºK) δ - bề dày lớp thứ i (m) λ - hệ số dẫn nhiệt lớp thứ i (W/m.ºK) Dẫn nhiệt qua vách trụ nhiều lớp: k = Với k – hệ số truyền nhiệt của vách trụ nhiều lớp của 1 m dài (W/mºK) d - đường kính lớp thứ i (m) λ - hệ số dẫn nhiệt lớp thứ i (W/m.ºK) Đối lưu (Convection): Nhiệt lượng trao đổi từ nơi này đến nơi khác do sự chuyển động của hóa chất. Lưu chất có thể tự chuyển động do sự sai biệt khối lượng riêng (đối lưu tự nhiên) hoặc cưỡng bức (đối lưu cưỡng bức như trường hợp dùng quạt). Tính tóan nhiệt lượng trao đổi do đối lưu, ta sử dụng công thức Newton: Q = αF(t – t) Với Q – nhiệt lượng trao đổi trong 1 đơn vị thời gian (W) α – hệ số tỏa nhiệt (W/mºK) t- nhiệt dộ trung bình bề mặt của một chất rắn (°C) t - nhiệt độ trung bình của môi trường (lỏng hoặc khí) (°C) Hệ số tỏa nhiệt α được xác định trong các sổ tay kỹ thuật hoặc tính từ các phương trình tiêu chuẩn. Các phương trình này được xác định từ thực nghiệm: Nu = f(R, P, G…) Trong đó: Nu = - tiêu chuẩn Nusselt; R = - tiêu chuẩn Reynold. P = - tiêu chuẩn Prandt; G= - tiêu chuẩn Grashof. α – hệ số tỏa nhiệt (W/mºK); λ – hệ số dẫn nhiệt (W/mºK) ω – tốc độ chuyển động (m/s); v – độ nhớt động học (m/s) a – hệ số dẫn nhiệt độ (m/s); g – gia tốc trọng trường (9,81 m/s) Δt = (t- t) – độ chênh lệch nhiệt (°C); β – hệ số dãn nở thể tích. Bức xạ (Radiation): Tia nhiệt rời khỏi mặt vật thể nóng bị hấp thụ bởi vật thể lạnh. Những mặt phẳng bong, sang thì phát sinh nhiều tia nhiệt hơn mặt phẳng tối, gồ ghề. Ngược lại, mặt phẳng hấp thụ nhiệt bức xạ càng lớn khi màu càng tối và gồ ghề. Nhiệt lượng truyền bởi bức xạ của vật thể được tính theo định luật Stephan-Boltzmann. Q = CF Với Q – nhiệt lượng bức xạ (W); C – hệ số bức xạ (W/m°K) F – diện tích bức xạ (m); T- nhiệt độ vật nóng (°K) T- nhiệt độ vật lạnh (°K) Với các thiết bị trao đổi nhiệt thông thường, người ta thường không tính nhiệt lượng do bức xạ. Tuy nhiên nhiệt lượng bức xạ mà các công trình kiến trúc nhận từ mặt trời đóng vai trò quan trọng trong tính tóan cân bằng nhiệt cho điều hòa không khí. Các phương pháp làm lạnh: Từ xa xưa con người đã biết sử dụng lạnh như trữ băng tuyết trong các hang động để bảo quản thực phẩm vào mùa hè. Người Ai Cập cũng biết điều hòa không khí bằng cách quạt các bình gốm xốp để cho nước bay hơi và thậm chí cách nay 2000 năm, người Ấn Độ và người Trung Quốc đã biết trộn muối vào băng tuyết để tạo nhiệt độ thấp. Đến khi con người biết vận dụng khoa học kĩ thuật vào công tác phục vụ đời sống thì việc làm lạnh nhân tạo mới thực sự được ứng dụng rộng rãi. Làm lạnh nhân tạo bắt đầu vào cuối thế kỷ 18 và phát triển mạnh mẽ ở thế kỉ 19. Năm 1824, Micheal Faraday khám phá ra nguyên lý làm lạnh hấp thụ. Năm 1834, Jacob Perkin, kĩ sư người Mỹ, đăng ký phát minh đầu tiên về làm lạnh dùng máy nén hơi. Năm 1910, tụ lạnh gia dụng họat động bằng tay xuất hiện. Tủ lạnh gia dụng tự động xuất hiện đầu tiên năm 1918 (hãng Kelvinator). Một sự kiện có ý nghĩa lịch sử cho sự phát triển nghành công nghiệp làm lạnh là năm 1930, hãng Dupont sản xuất các môi chất “ họ Freon “ có các tính chất quý báu như không cháy, không gây nổ, không độc hại và phù hợp với chu trình nhiệt động của máy lạnh. Có rất nhiều phương pháp làm lạnh nhân tạo, tuy nhiên ở đây chỉ điểm qua một vài phương pháp làm lạnh thông dụng: Phương pháp hòa trộn: Đây là phương pháp làm lạnh đơn giản, có thể tạo môi trường nhiệt độ thấp từ những vật chất nhiệt độ còn cao. Ví dụ: khi trộn muối ăn (NaCl) vào nước đá xay nhuyễn (0C) với tỉ lệ thích hợp, ta sẽ có dung dịch nước muối ở -21C. Do tính chất đơn giản nên phương pháp này cũng được sử dụng nhiều trong thực tế: bảo quản kem ở xe nhỏ bán kem lưu động, bảo quản cá… Các dung dịch với nồng độ khác nhau sẽ cho nhiệt độ khác nhau. Dung dịch thường gặp là muối ăn NaCl, CaCl, MgCl… Máy lạnh hấp thụ: Với chặng đường phát triển gần 200 năm, ngày nay máy lạnh hấp thụ đã hòan chỉnh và được sử dụng có hiệu quả ở nhiều quốc gia như Mỹ, Nga, Nhật… Ưu điểm lớn nhất của máy lạnh hấp thụ là sử dụng trực tiếp nhiệt năng. Chính vì thế, máy lạnh hấp thụ góp phần sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng: sử dụng nhiệt thừa, thứ cấp, mặt trời, nhiệt thải công nghiệp… Một ưu điểm khác của máy lạnh hấp thụ là kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Phần lớn thiết bị trong máy lạnh hấp thụ là thiết bị trao đổi nhiệt và trao đổi chất. Bộ phận chuyển động duy nhất là các bơm dung dịch, giải nhiệt. Khuyết điểm lớn nhất của hệ thống lạnh hấp thụ là hệ số làm lạnh nhỏ nên tổn hao năng lượng lớn. Ngày nay, máy làm lạnh nước (water chiller) hiệu ứng kép (double effect) đã làm tăng đáng kể hệ số làm lạnh. Nếu tính từ năng lượng sơ cấp, các hệ thống này có thể so sánh được với máy lạnh kiểu nén hơi về chỉ tiêu năng lượng. Một khuyết điểm khác là máy lạnh hấp thụ chiếm diện tích lớn khi lắp đặt và tiêu thụ nước giải nhiệt nhiều hơn. Nguyên lý họat động của máy lạnh hấp thụ liên tục dùng cặp chất NH/HO như sau: Dung dịch nước – ammoniac ở bình sinh hơi được nung nóng nên cùng bốc hơi. Hơi nước và NH chạy qua bộ phân tích. Ở bộ phân tích, nước biến thành lỏng và theo đường ống về bộ hấp thụ, trong khi NH tiếp tục chạy qua bộ ngưng tụ. Ở bộ ngưng tụ, hơi NH được giải nhiệt (bằng nước hoặc không khí) nên ngưng tụ và tiếp tục băng qua van tiết lưu để giảm áp suất. Ở bộ bốc hơi, NH bốc hơi để làm lạnh. Hơi NH được nước trong bộ hấp thụ hấp thụ để trở thành dung dịch no và được bơm trở lại bình sinh hơi để tiếp tục chu trình mới. Trong hầu hết các máy lạnh hấp thụ, các cặp chất (lỏng và rắn) có liên kết “hóa học” với nhau như HO/ CaCl, NH/HO… Nếu cặp môi chất có liên kết “cơ học” như HO/zeolite, methanol/than họat tính… thì máy lạnh sử dụng các các cặp chất này được gọi là máy lạnh hấp thụ. Cảm biến nhiệt và hiệu ứng nhiệt điện: Cảm biến nhiệt được dùng để đo hay kiểm sóat nhiệt độ. Nguyên lý làm việc dựa vào hiệu ứng do Seebeck tìm ra năm 1820. Khi ta nối xoắn hai dây kim lọai khác nhau (ví dụ sắt và đồng). Nếu ta đun nóng thì điện áp hai đâu dây thay đổi theo nhiệt độ. Điện áp này được khuyếch đại để chỉ thị nhiệt độ hoặc sử dụng như tín hiệu để điều chỉnh nhiệt độ (bộ điều chỉnh nhiệt độ). Năm 1834, Peltier khám phá ra hiệu ứng ngược với hiệu ứng trên, nếu ta cho dòng điện một chiều chạy qua mối nối trên thì nhiệt độ mối nối thay đổi (nóng hoặc lạnh tùy theo dòng điện). Ứng dụng hiệu ứng Peltier, ngày nay người ta chế tạo ra các “máy lạnh bán dẫn”. Ưu điểm của hệ thống này là không có phần tử chuyển động, không có môi chất mà biến trực tiếp từ “điện sang lạnh”. Khuyết điểm lớn nhất còn tồn tại là hệ thống làm lạnh khá thấp. Ngày nay, hệ thống làm lạnh lọai này được dùng trong tủ lạnh xách tay để đi picnic, tủ lạnh gia đình, làm lạnh nước, làm lạnh các thiết bị kĩ thuật trong nghành hàng không và không gian. Để tăng hệ số làm lạnh, ngày nay người ta dùng chất bán dẫn. Khi dòng điện đi từ bán dẫn N sang P thì mối nối P-N sẽ thu nhiệt. Nếu ta đổi chiều dòng điện, thì mối nối P-N sẽ tỏa nhiệt. Như vậy, với cùng một tủ, chúng ta có thể làm lạnh hay làm nóng thực phẩm bằng công tắc đảo chiều nguồn điện. Trong thực tế nguồn điện sử dụng cho tủ có thể lấy từ Ắcqui hoặc điện nguồn (thông qua biến áp và chỉnh lưu). Để tăng công suất, hãng chế tạo có thể nối song song, nối tiếp nhiều cụm (module) với nhau. Một số thiết bị trong hệ thống lạnh: Máy nén lạnh: Trong hệ thống lạnh dùng máy nén hơi, máy nén hơi là bộ phận quan trọng nhất và được ví như con tim của hệ thống lạnh. Máy nén hơi nằm giữa bộ bốc hơi và bộ ngưng tụ nhằm mục đích nén môi chất từ áp suất thấp (nhiệt độ thấp) lên áp suất cao (nhiệt độ cao) duy trì sự tuần hòan của môi chất để lấy nhiệt của sản phẩm (bộ bốc hơi) và thải nhiệt ra môi trường làm mát (bộ ngưng tụ). Máy nén gồm nhiều bộ phận di chuyển, độ tin cậy và chất lựợng của hệ thống lạnh phụ thuộc rất nhiều vào máy nén. Trong kĩ thuật lạnh, người ta sử dụng hầu hết các kiểu, lọai máy nén. Sau đây là một số lọai máy nén trong thực tế. Phân lọai máy nén theo hình dáng gồm có: Máy nén hở Máy nén nửa kín Máy nén kín Phân lọai theo nguyên lý làm việc gồm có: Máy nén píttông thẳng (reciprocating compressor) Máy nén rôto (roto compressor) Máy nén trục vít (screw compressor) Thiết bị trao đổi nhiệt: Dựa theo chức năng, thiết bị trao đổi nhiệt được chia ra làm hai lọai: Thiết bị chính là thiết bị bắt buộc phải có trong hệ thống lạnh. Đó là thiết bị ngưng tụ (dàn nóng) và thiết bị bốc hơi (dàn lạnh). Thiết bị phụ là các thiết bị trao đổi nhiệt còn lại trong hệ thống lạnh. Mặc dù giúp tăng them độ tin cậy, giảm tiêu hao năng lượng nhưng các thiết bị này không phải là bắt buộc cho nên gọi là thiết bị phụ (bình hồi nhiệt, quá lạnh…) Các thiết bị truyền nhiệt giữ vai trò quyết định đối với chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật của hệ thống lạnh. Riêng thiết bị ngưng tụ và thiết bị bốc hơi thường chiếm đến 2/3 trọng lượng và 1/2 giá thành của cụm máy. Sự làm việc của các thiết bị ngưng tụ và bốc hơi ảnh hưởng rất lớn đến năng lượng tiêu hao. Các nghiên cứu cho thấy nếu nhiệt độ bốc hơi giảm 1°C thì năng lượng tổn hao tăng them 3 ÷ 4% và năng suất lạnh giảm 4 ÷ 5%. Vì vậy, tăng cường khả năng trao đổi nhiệt và giữ sạch bề mặt trao đổi có ý nghĩa quan trọng khi vận hành hệ thống lạnh. Thiết bị ngưng tụ (condenser): Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt dùng để biến hơi môi chất lạnh có áp suất cao, nhiệt độ cao sau quá trình nén thành môi chất lỏng do quá trình ngưng tụ. Đôi khi môi chất còn được quá lạnh một phần trong thiết bị ngưng tụ. Các phương pháp giải nhiệt thường gặp nhất trong thiết bị ngưng tụ là: Giải nhiệt bằng nước Giải nhiệt bằng nước kết hợp với không khí Giải nhiệt bằng không khí Giải nhiệt bằng môi chất bốc hơi (chu trình Cascade) Thiết bị bốc hơi (Evaporator): Đây là thiết bị trao đổi nhiệt dùng để nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh bằng quá trình bốc hơi của môi chất. Quá trình sôi xảy ra ở áp suất và nhiệt đô tương ứng, nhiệt lượng lấy ra từ sản phẩm là do sự bốc hơi của môi chất. Thiết bị bốc hơi có thể phân làm nhiều lọai: Theo môi trường cần làm lạnh: làm lạnh không khí (tự nhiên và cưỡng bức), làm lạnh chất tải lạnh lỏng (nước, dung dịch muối, dung dịch Glycol…), làm lạnh trực tiếp (tiếp xúc). Theo độ chóan chỗ của môi chất lỏng trong thiết bị bốc hơi: kiểu ngập (môi chất lỏng bao phủ bề mặt trao đổi nhiệt) và kiểu không ngập (phần cuối của bề mặt trao đổi nhiệt dùng làm quá nhiệt môi chất). Phần lớn các thiết bị bốc hơi có kết cấu gần giống với thiết bị ngưng tụ. Thiết bị tiết lưu: Áp suất bộ bốc hơi thấp ứng với nhiệt độ bốc hơi mong muốn. Áp suất môi chất lỏng ở bộ ngưng tụ lại cao ứng với nhiệt độ ngưng tụ. Muốn tạo được hai vùng áp suất trên, ta phải kiểm sóat, hạn chế lượng môi chất phun vào bộ bốc hơi. Tiết lưu là tiết chế sự di chuyển của môi chất để tạo hai vùng áp suất chênh lệch ứng với chế độ làm việc của hệ thống lạnh. Có sáu lọai chính để điều chỉnh, kiểm sóat dòng môi chất: Van điều áp bộ bốc hơi (AEV) Van tiết lưu nhiệt (TEV) Van tiết lưu điện tử (EXV) Van phao áp suất thấp (LSP) Van phao áp suất cao (HSP) Ống mao dẫn (Cap tube) Các thiết bị tiết lưu trên họat động dựa vào các phương pháp sau: Kiểm sóat dựa trên sự thay đổi áp suất Kiểm sóat dựa trên sự thay đổi nhiệt độ Kiểm sóat dựa trên sự thay đổi thể tích hay khối lượng môi chất Kết hợp giữa các phương pháp trên. Các thiết bị phụ trong hệ thống lạnh: Trong hệ thống lạnh nén hơi, bao giờ cũng phải có máy nén, bộ ngưng tụ, tiết lưu và bộ bốc hơi. Bốn thiết bị này là thiết bị chính. Ngoài bốn thiết bị trên, tùy theo môi chất, theo ứng dụng, độ tin cậy, độ an tòan, sự thuận tiện trong vận hành và sửa chữa… hệ thống lạnh còn có nhiều thiết bị khác như máy nén, bình tách dầu, bộ ngưng tụ, phin lọc… Những thiết bị này gọi là thiết bị phụ vì chúng có thể có hoặc không. Sơ đồ khối hệ thống lạnh (hình 4): mô tả một số thiết bị phụ thường dùng, và vị trí của nó trong hệ thống lạnh (nếu có) Trong đó: 1 – Máy nén 2 – bình tách dầu 3 – Bộ ngưng tụ 4 – Bình chứa cao áp 5 – Phin lọc 6 – Kính lỏng 7 – Van điện từ 8 – Tiết lưu 9 – Bộ bốc hơi 10 – Bầu tách lỏng AB kẹp CD – bộ hồi nhiệt Một số thiết bị điện thường dùng trong hệ thống lạnh: Kỹ thuật điều khiển không thể thiếu trong các hệ thống lạnh. Thực tế cho thấy, hệ thống lạnh càng có nhiều thông số điều khiển thì làm việc càng tin cậy, chính xác. Lịch sử điều khiển học phát triển những bước rất dài từ tự động kiểu cơ khí chuyển sang cơ – điện và ngày nay, cơ – điện tử đã tạo nên những bước nhảy vọt trong lĩnh vực điều khiển. Tự động hóa kiểu cơ - điện có ưu thế là đơn giản, dễ sửa chữa và làm việc tin cậy. Vì vậy, tự động kiểu cơ điện vẫn được sử dụng khá phổ biến trong các máy lạnh. Thiết bị cơ bản của phương pháp điều khiển này là các rơle (relay), rơle nhận tín hiệu trực tiếp từ thiết bị lạnh để điều khiển các cơ cấu chấp hành. Sau đây là một số các thiết bị thường dùng trong hệ thống lạnh: Áptômát (Circuit breaker): Áptômát là thiết bị điện dùng để tự động đóng ngắt điện khi xảy ra sự cố như quá tải, ngắn mạch, chạm đất, sụt áp, công suất ngược… Các thông số cần lưu ý của Áptômát là: Chế độ làm việc của Áptômát phải là chế độ dài hạ, mặt khác tiếp điểm của áptômát phải chịu được dòng điện lớn (dòng ngắn mạch). Áptômát phải ngắt được dòng ngắn mạch quy định, thông số biểu thị là khả năng cắt (br._.