Nghiên cứu giám sát và điều khiển hệ thống lạnh cấp đông trong chế biến thủy sản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HỒI NAM

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG LẠNH CẤP ĐÔNG TRONG
CHẾ BIẾN THỦY SẢN
LUẬN VĂN CAO HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

NĂM 2001


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1
1-

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN – ý nghóa kinh tế

1.1

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

1.2

Ý NGHĨA KINH TẾ

1.2.1

Bảo quản thực phẩm

1.2.2

Công nghiệp hóa chất

1.2.3

Điều hòa không khí

2-

ý nghóa và mục đích của đề tài

3-

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

4-

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

5-

GIỚI HẠN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 2
1

Quan hệ tính toán exergi

1.1

Exergi và anergi của môi chất:

1.2

Exergi và anergi của dòng nhiệt

1.3

Phân tích exergi các thiết bị trao đổi nhiệt

2

Thiết Lập Các Quan Hệ Tính Toán Hiệu Suất Exergi Của Chu Trình

Máy Lạnh
3

tính toán Tổn thất Exregi trong hệ thống lạnh 2 cấp nén bằng pp

exergi
3.1

tính toán thông số các điểm nút

3.1.1

Các quá trình cơ bản

3.1.2

Các tính toán chu trình

3.1.3

tính toán tổn thất

CHƯƠNG 3
1

Thiết kế bộ giao tiếp

1.1

Yêu cầu

1.2

Phương án thiết kế


1.3

Thiết kế mạch

1.3.1

Sơ đồ nguyên lý của mạch.

1.3.2

vi điều khiển

1.3.3

Quá trình chuyển đổi dữ liệu

1.3.4

Giải thuật

2

thiết kế chương trình quản lý vận hành hệ thống lạnh

2.1

yêu cầu của chương trình và việc kết hợp các ngôn ngữ

2.2

chương trình chính

2.3

Chương trình Thiết lập các thông số.

2.4

Chương trình Tính dữ liệu các điểm nút của chu trình.

2.5

Kiểm soát hoạt động của hệ thoáng.


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

Chương I

TỔNG QUAN
1- LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN – Ý NGHĨA KINH TẾ
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Từ lâu con người đã biết làm lạnh và sử dụng lạnh. Cách đây 5000
năm con người đã biết bảo quản thực phẩm trong các hang động có nhiệt độ
thấp do có các mạch nước ngầm nhiệt độ thấp chảy qua .
Các tranh vẽ trong Kim Tự Tháp Ai Cập cách đây 2500 – 3000 năm đã
mô tả cảnh nô lệ quạt, các bình gốm xốp cho nước bay hơi làm mát không
khí.
Cách đây 2000 năm người ấn độ và người Trung Quốc đã biết trộn
muối vào nước hoặc nước đá để có nhiệt độ thấp hơn. Tuy nhiên, kỹ thuật
lạnh hiện đại chỉ mới bắt đầu từ thế kỷ 18 và 19 với các sự kiện nổi bật .
1750 – 1755 : Giáo sư W.Cullen đã làm cho nước trong cốc đặt trong
một quả chuông thủy tinh hóa đá nhờ hút chân không trong quả chuông.
1761 – 1764 : J.Black phát hiện nhiệt ẩn ngưng tụ & nhiệt ẩn hóa hơi
1834 : Perkins đăng ký bằng phát minh về máy lạnh nén hơi đầu tiên.
1845 : Gosrie chế tạo máy nén khí đầu tiên .

1858 : Tàu hỏa lạnh chở thực phẩm đầu tiên hoạt động ở Mỹ.
1861 : Mort & Nicolle chế tạo máy kết đông thịt đầu tiên tại Sydney.
1865 : Xây dựng kho lạnh đầu tiên tại Mỹ.
1869 : Hammod chuyên chở thịt tươi trong toa tàu hỏa.
1876 : Tellier tổ chức tàu thủy lạnh đầu tiên chở thịt đông lạnh xuyên lục địa.
Trang 1


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

1878 – 1882 : Xây dựng các kho lạnh cỡ lớn đầu tiên ở Mỹ, Anh,
Achentina.
1884 : Tàu hỏa điều hòa không khí đầu tiên khánh thành chạy tuyến
đường Baltimore – Ohio .
1904 : Mollier xây dựng đồ thị h – s và lgp – h
1911 : Carrier đặt nền móng đầu tiên cho kỹ thuật điều hòa không khí
1930 : Sản xuất Freôn công nghiệp.
1944 : Điều hòa không khí toàn máy bay của Mỹ
1960 : Máy nén trục vít được sử dụng trong kỹ thuật lạnh.
1987 : Nghị định Montreal cấm các Freôn làm suy giảm tầng ozon :
R11, R12, R13B1, R113, R114, R115.
Ngày nay, kỹ thuật lạnh hiện đại đã tiến những bước rất xa . Phạm vi
nhiệt độ ngày càng được mở rộng. Con người đang dần dần tiến đến nhiệt
không tuyệt đối. Phía nhiệt độ cao của thiết bị ngưng tụ, có thể đạt đến 100oC
phục vụ cho các mục đích sấy, sưởi, thanh trùng, triệt khuẩn, chuẩn bị nước
nóng . Công suất máy được mở rộng từ các máy lạnh nhỏ trong phòng thí
nghiệm đến các tổ hợp hàng triệu watt ở các trung tâm điều tiết không khí.
1.2

Ý NGHĨA KINH TẾ

1.2.1 Bảo quản thực phẩm
Lónh vực ứng dụng quan trọng trong kỹ thuật lạnh là dùng để bảo quản
thực phẩm . Theo thống kê thì khoảng 80% công suất lạnh được sử dụng trong
công nghiệp bảo quản thực phẩm .
Thực phẩm hầu hết là các sản phẩm dễ bị ôi thiu hư hỏng do vi khuẩn
gây ra. Nước ta có khí hậu nhiệt đới nóng và ẩm nên quá trình ôi thiu thực
phẩm xảy ra càng nhanh chóng.
Trang 2


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

Để bảo quản thực phẩm, ngòai các phương pháp : sấy khô, phóng xạ,
bao bì, … Phương pháp làm lạnh tỏ ra có rất nhiều ưu điểm như: ít làm giảm
chất lượng, màu sắc, mùi vị thực phẩm trong nhiều tháng thậm chí nhiều năm
bảo quản.
Bảng sau là thời gian bảo quản của 1 số lọai thực phẩm theo nhiệt độ
toc

Cá

Thịt bò

Gia cầm

20oC

3

8

2

10oC

7

16

5

30

7

0oC

15

-10oC

40

100

70

-20oC

110

1000

230

-30oC

230

2300

800

Thật ra, thời gian bảo quản phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ ẩm,
phương pháp bao gói, thực phẩm không khí nơi bảo quản, … , nhưng nhiệt độ
đóng vai trò quan trọng nhất.

1.2.2 Công nghiệp hóa chất
ng dụng quan trọng nhất trong công nghiệp hóa chất là việc tách khí
và hóa lỏng như công nghiệp sản xuất khí Clo, Carbonic, Sunfure, …
Hóa lỏng và tách khí từ không khí là ngành công nghiệp có ý nghóa rất
to lớn đối với ngành luyện kim, chế tạo máy và các ngành kinh tế khác.

1.2.3 Điều hòa không khí
Điều hòa không khí công nghiệp và tiêu thụ ngày nay là không thể
thiếu và thực sự đang phát triển rất mạnh mẽ. Các yêu cầu nghiêm ngặt về
nhiệt độ, độ ẩm thực phẩm không khí trong các quá trình công nghiệp sản

Trang 3

Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

xuất vải sợi, in ấn, thuốc lá điện tử , vi điện tử, máy tính có khí chính xác …
nhất thiết phải có điều hòa không khí.
Các dịch vụ du lịch khách sạn các ngành y tế, thể dục thể thao, giao
thông vận tải vui chơi giải trí cũng không thể thiếu được điều hòa không khí .

2- Ý NGHĨA VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Hiệu quả của các quá trình máy lạnh sẽ được giải thích chính xác hơn
khi so sánh các số lượng năng lượng có cùng khả năng biến đổi. Khi đó hiệu
quả kỹ thuật của quá trình được đánh giá bằng trị số hiệu suất Exergi ηe :
ηe =

Er
∏
= 1−
E va
E va

(1-2)

Với Eva – Exergi cung cấp cho hệ thống (đầu vào)
Er – Exergi hữu ích (đầu ra)
Π - Tổn thất Exergi Π = Eva – Er .
Khác với hệ số lạnh, hiệu suất Exergi đạt giá trị lớn nhất cũng chỉ là 1

hay 100% tương ứng với các quá trình lý tưởng; khi môi chất biến đổi trạng
thái hoàn toàn thuận nghịch. Các quá trình thực đều có ηe < 100%. Hiệu suất

Exergi biểu thị mức độ thực của việc sử dụng năng lượng hữu ích. Phần năng
lượng hữu ích hay Exergi này sẽ không đổi trong các quá trình thuận nghịch

Trang 4


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

lý tưởng, còn trong các quá trình thực luôn có tổn thất Exergi. Tức là trong
các quá trình thực như quá trình nén môi chất, quá trình truyền nhiệt ở thiết bị
ngưng tụ, bay hơi, quá trình tiết lưu,… thì năng lượng luôn bị “xuống cấp”,
giảm phần Exergi trong tổng số năng lượng tham gia quá trình.
Tổn thất Exergi có thể giảm đến trị số càng nhỏ, hiệu suất Exergi càng
lớn, khi các điều kiện thực hiện quá trình càng gần với điều kiện lý tưởng.
Muốn như vậy ta phải đầu tư hoàn thiện thiết bị nhằm giảm độ không thuận
nghịch của các quá trình và do đó giảm được tổn thất, nhưng khi đó vốn đầu
tư lại tăng. Mặt khác thì do kết quả của cải tiến kỹ thuật mà chi phí vận hành
giảm đặc biệt là giảm tiêu hao năng lượng sơ cấp. Lời giải tối ưu cho hiệu
quả kinh tế lớn nhất là lời giải trong đó tổng chi phí đầu tư và chi phí vận
hành là nhỏ nhất. Từ đó cũng có thể xác định được giá trị hiệu suất Exergi
tương ứng.

Hình

biểu diễn sự thay đổi của chi phí đầu tư Cv, chi phí vốn,

và chi phí vận hành Cvh phụ thuộc vào tổn thất Exergi.
Một hệ thống lạnh được thiết kế, trang bị và vận hành sao cho tổng chi
phí vốn và chi phí vận hành là nhỏ nhất Cmin. Đây rõ ràng là một chi tiêu tổng
hợp, tối ưu hoá kinh tế-kỹ thuật.

Mặt kỹ thuật của bài toán tối ưu ở đây được biểu hiện qua giá trị của
hiệu suất Exergi ηe, giá trị này càng lớn càng tốt, nhưng nếu chi phí vốn và
chi phí vận hành quá lớn thì đó cũng chưa phải là phương án tối ưu. Tổn thất
Πt cho Cmin chưa phải là tương ứng với ηemax. Tuy nhiên nếu ta tách bài toán
tối ưu thành hai lời giải tối ưu kinh tế và tối ưu kỹ thuật thì các hệ thống cho
ηemax sẽ được ưu tiên khảo sát để tìm lời giải tối ưu và xác định các giá trị Πt
và ηe.t tương ứng.
Đặc tính kinh tế - kỹ thuật tổng hợp của hệ thống có thể được xác định
thông qua hệ số kinh tế - kỹ thuật β định nghóa như sau:

Trang 5


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

β=

C1
C∑

(1-2)

Trong đó : - C1 là giá của một đơn vị Exergi đưa vào hệ thống.
CΣ là giá 1 đơn vị Exergi nhận được từ hệ thống (đầu ra).
Mặt khác nếu ký hiệu Er và Eva là Exergi tương ứng ở đầu ra và đầu
vào, ta có thể viết phương trình cân bằng sau :
E r C ∑ = E va C 1 + ∑ (C v + C vh )

(1- 3)

Từ (1-1), (1-2), (1-3) ta nhận được :

β=
1+

Er
E va
∑ (C v + C vh )
E va C 1

ηe

→β =
1+

∑ (C

v

+ C vh )

E va C 1

Như vậy khi hiệu suất Exergi ηe tăng (do tổn thất Exergi giảm) và tổng
chi phí vận hành

∑ (C

v

+ C vh ) giảm thì β sẽ tăng, hệ thống đạt hiệu quả kinh

tế – kỹ thuật lớn. β có giá trị nhỏ hơn 1.
Lời giải hợp lý của bài toán kinh tế – kỹ thuật sẽ xuất hiện với giá trị β
lớn nhất, trong đó đã xét tới cả mặt kỹ thuật (ηe càng lớn càng tốt) và mặt
kinh tế :tổng chi phí đầu tư và đặc biệt là chi phí vận hành nhỏ nhất.

3- NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Đề tài bao gồm các chương sau :
Chương một : Giới thiệu tổng quan về đề tài.
Chương II : Phân tích chất lượng hệ thống lạnh.
Xây dựng phương trình cơ bản về tổn thất nhiệt của hệ thống lạnh.
Xây dựng giải thuật để giải bài toán tổn thất nhiệt bằng máy tính.

Trang 6


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

Chương III : Chương trình quản lý – vận hành hệ thống lạnh.
Hệ thống lạnh công nghiệp dùng môi chất lạnh là amoniac khi hoạt
động đòi hỏi những yêu cầu khắt khe về an toàn và để hệ thống hoạt động
một cách hiệu quả nhất cần phát triển các hệ thống kiểm tra giám sát hoạt
động của hệ thống. Chương này đề cập chủ yếu đến khả năng quản lý hệ
thống lạnh bằng máy tính. Để giám sát hệ thống theo chế độ thời gian thực,
người thực hiện đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo về thiết bị giao tiếp giữa
hệ thống lạnh và máy tính. Các thông số này sẽ được chương trình quản lý –
và vận hành hệ thống lạnh xử lý.
Phần phụ lục : chương trình viết bằng ngôn ngữ delphi.

4- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Kết hợp các tài liệu để xây dựng một mô hình tính toán gần với mô hình
một hệ thống lạnh công nghiệp.
Kết hợp giữa việc xây dựng và thực nghiệm để hoàn thiện chương trình
phân tích hệ thống lạnh.

5- GIỚI HẠN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Đây là một đề tài nghiên cứu có liên quan đến nhiều lónh vực khác
nhau. Do điều kiện thời gian có hạn, nên người thực hiện đề tài đã tập trung
vào phần phân tích chất lượng hệ thống lạnh và viết chương trình quản lý và
vận hành hệ thống lạnh.

Trang 7


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

1-

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN – ý nghóa kinh tế

1.1

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

1.2

Ý NGHĨA KINH TẾ
1.2.1

Bảo quản thực phẩm

1.2.2

Công nghiệp hóa chất

1.2.3

Điều hòa không khí

2-

ý nghóa và mục đích của đề tài

3-

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

4-

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

5-

GIỚI HẠN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Trang 8


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

Chương 2

PHÂN TÍCH CHẤT LƯNG HỆ
THỐNG LẠNH
Hiện nay , trong hầu hết các tính toán đang dùng chỉ tiêu hiệu suất
nhiệt và hệ số lạnh được xác định trên cơ sở phân tích cân bằng năng lượng
của hệ thống. Đây là phương pháp phổ biến dựa trên cơ sở nguyên lí thứ nhất
nhiệt động học. Nó xác định quan hệ về mặt số lượng các thành phần năng
lượng tham gia vào quá trình. Phương pháp này giúp ta giải quyết nhanh
những bài toán thực tế, đặc biệt là những bài toán thiết kế, nhưng trong các
bài toán xác định hiệu quả, tính toán tối ưu và phân tích chất lượng các quá
trình và thiết bị thì nó bộc lộ những nhược điểm rất cơ bản, vì phương pháp
này lấy số lượng năng lượng và hiệu suất nhiệt làm chỉ tiêu khảo sát. Quá
trình biến đổi năng lượng ở đây không được xét trong mối liên quan của nó
với môi trường xung quanh.
Trong lónh vực nhiệt độ thấp, chúng ta gặp khó khăn khi tính tổng năng
suất lạnh và hệ số lạnh của hệ thống có các thiết bị dùng lạnh ở những nhiệt
độ khác nhau. Ở đây phép tính tổng đại số năng suất lạnh không thể dùng
được vì chất lượng của số năng lượng này rất khác nhau . Phương pháp cân
bằng năng lượng mới chỉ là phương pháp chung phản ánh mặt số lượng của
quá trình biến đổi chứ chưa nói lên mặt chất lượng của nó.
Năng lượng nhiệt khác với nhiều năng lượng khác ở khả năng biến đổi hạn
chế của nó. So với những lý thuyết chung về quá trình biến đổi của năng
lượng thì sự sai khác của quá trình thực thì rất lớn và biến đổi theo mức độ
Trang 8

Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

biến đổi entropi trong quá trình. Đặc tính này làm cho quá trình thực luôn là
những quá trình không thuận nghịch.
Phương pháp nghiên cứu các quá trình truyền và biến đổi năng lượng
dựa trên cơ sở mức độ thay đổi entropi có kể đến sự khác nhau của các nguồn
năng lượng và độ không thuận nghịch của các quá trình làm việc thực gọi là
phương pháp Exergi. Phương pháp này dành riêng cho bài toán phân tích chất
lượng và đánh gía hiệu quả của quá trình. Cơ sở của phương pháp dựa trên
nguyên lý I và II nhiệt động học.
1

QUAN HỆ TÍNH TOÁN EXERGI
Trong các máy nhiệt nói chung và máy lạnh nói riêng, xảy ra các quá

trình hở, quá trình dòng chảy liên tục, nó thực hiện trao đổi công, trao đổi
chất và trao đổi nhiệt giữa môi trường chất và môi trường ngoài. Để có thể
nghiên cứu quá trình này ta cần xây dựng biểu thức Exergi và anergi của môi
trường và của dòng nhiệt.

1.1 Exergi và anergi của môi chất:
Để xác định biểu thức tính toán của Exergi của môi chất, ta sử dụng các
khái niệm entanpi tự do ϕ biểu thị baèng:
ϕ = h − Ts

hay Tds − dh = −dϕ − sdT

(2.2)
(2.3)

Mặt khác, theo nguyên lý I và II nhiệt động:
dq = dh + dlt ⎫
⎬
dq ≤ Tds
⎭

(2.4)

trong đó dlt = −vdp . Dấu < đối với quá trình thuận nghịch – thực, dấu bằng đối
với quá trình thuận nghịch. Từ 2.3 và 2.4 ta có:
Trang 9


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

dlt ≤ − dϕ − SdT

Công cơ học lớn nhất sinh ra trong quá trình thuận nghịch nhận được từ quan
hệ (2.5) với dT = 0 tức là:
dt = −dϕ

hay giữa trạng thái 1 và 2 bất kì:
lt (1− 2) = ϕ1 − ϕ 2

(2.7)

Quan hệ này nói lên rằng, trong một quá trình thuận nghịch của một hệ
thống nhiệt động, chỉ biến thiên entanpi tự do sinh ra công cơ học, vì vậy,
giữa những trạng thái bất kì 1 và 2, công cơ học sinh ra biểu thị qua :
lt (1− 2) = (h1 − h2 ) − (T1s1 − T2 s2 )

(2.8)

Đối với quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch, lt2 là lớn nhất còn T1 = T2 = T nên
:
lt max = (h1 − h2 ) − (T1s1 − T2 s2 )

(2.9)

Nếu quá trình xảy ra đến trạng thái môi trường xung quanh, khi đó các
thông số h2, s2, T trở nên ha, sa, Ta (chỉ số a – đối với môi trường) và (2.9) biểu
thức Exergi của môi chất của hệ thống, tức là:
e = (h − ha ) − Ta ( s − s2 )

(2.10)

Rút ra cả biểu thức của anergi của hệ thống ở mức độ năng lượng đặc
trưng so với môi trường xung quanh, qua Δh = h – ha, ở dạng a = h – e
a= ha + Ta(s - sa)

(2.11)

Từ (2.10) ta thấy rằng năng lượng của môi chất có giá trị 0 chỉ khi nó
cân bằng nhiệt động với môi trường xung quanh (i= Ia và s= sa). trong các
trạng thái mà thế nhiệt động của môi chất cao hơn thế nhiệt của môi trường

Trang 10


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

xung quanh thì môi chất có Exergi dương, còn ở những trạng thái mà thế
nhiệt động của môi chất thấp hơn của môi trường thì môi chất có Exergi âm.
Như vậy, trạng thái của môi trường xung quanh luôn ảnh hưởng tới các đại
lượng, biểu thị qua nhiệt độ Ta.

1.2 Exergi và anergi của dòng nhiệt
Exergi tương ứng với một nhiệt lượng là phần nhiệt lớn nhất có thể biến
thành công cơ học ở trạng thái đã cho của môi trường xung quanh .
Nếu giả thiết có nhiệt lượng q1 ở nhiệt độ T1, nhiệt độ môi trường xung
quanh là Ta thì công cơ học lớn nhất có thể thực hiện là công tương ứng với
chu trình carnot trong phạm vi nhiệt độ T1 và Ta. Nhiệt độ biến thành công cơ
học trong điều kiện này chíng xác là Exergi nhiệt, có nghóa là đối với một
đơng vị khối lượng môi chất, Exergi e(q) của lượng nhiệt q là:
e( q ) = (1 −

Ta
)q1 = ηc .q1 , kJ/kg
T1

(2.12)

với toàn bộ khối lượng khảo sát:

Trang 11


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

E( q ) = (1 −

CHƯƠNG

Ta
)Q1 = ηc .Q1 ,kJ
T

2

(2.13)

Anergi tương ứng với một lượng nhiệt là phần nhiệt mà đối với một
trạng thái đã cho của môi trường xung quanh không thể biến thành công cơ
học ngay cả trong những điều kiện của quá trình hoàn toàn thuận nghịch.
Anergi chính là phần nhiệt không biến thành công cơ học và toả ra môi
trường xung quanh đó cũng là tổn thất Exergi nghóa là:

a( q ) = (1 − ηc )q1 =

Ta
.q1 , kJ/kg
T

tương ứng A( q ) = (1 − ηc )Q1 =

(2.14)

Ta
.Q1 , kJ (2.15)
T

Trong đồ thị T-S, Exergi là phần diện tích nằm trên đường đẳng nhiệt Ta, còn
anergi là phần nằm dưới.(hình 2-1)
Nếu quá trình cấp đẳng nhiệt được thực hiện ở nhiệt độ thay đổi từ T1 và T2
(hình 2.2) thì:
2

2

1

1

Q = ∫ dQ = ∫ TdS

Anergi tương ứng với nhiệt toả ra môi trường xung quanh:
A(Q) = Ta ΔS , kJ

(2.16)

2

(2.17)

dQ
T
1

Q = Ta ∫

coøn Exergi:
2

2

dQ
T
1

E (Q) = Q − A(Q) = ∫ dQ − TO ∫
1

2

E (Q) = ∫ (1 −
1

Ta
)dQ
T

(2.18)

Trang 12


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

Như vậy, Exergi nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ thực hiện cấp nhiệt trong
quá trình và nhiệt độ môi trường xung quanh. Sự phụ thuộc này được biểu thị
qua thông số (1 −

Ta
) như ta biết, nó tương ứng với hiệu suất chu trình Carnot
T

và mang tên gọi là dữ kiện nhiệt độ Exergi hay còn gọi là hệ số chất lượng:
θ e = (1 −

Ta
)
T

(2.19)

và khi đó
2

E (Q) = ∫ θ e dQ

(2.20)

1

θ e có thể có giá trị dương hay âm tuỳ thuộc vào mối quan hệ giữa nhiệt độ

xảy ra quá trình với nhiệt độ của mối trường xung quanh. Khi quá trình xảy ra
ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ môi trường thì θ e và E(Q) dương, nhiệt cung cấp
được biến một phần thành công cơ học trong chu trình thuận của các động cơ
nhiệt. Khi sự cấp nhiệt xảy ra ở nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ môi trường, θ e và
E(Q) có dấu âm và công cơ
học tiêu thụ bằng Exergi âm
tương ứng với nhiệt nhận vào
ở nhiệt độ thấp. Đó là trường
hợp chu trình ngược của thiết
bị lạnh, nó nhận nhiệt ở nhiệt
độ T0 < Ta và thải nhiệt ở dạng
anergi vào môi trường xung
quanh ở nhiệt độ Ta (hình 2.3).

Trang 13

Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

Sự truyền nhiệt từ một nhiệt độ thấp hơn cho môi trường có nhiệt độ Ta cần
tiêu thụ một lượng Exergi mà trong trường hợp của chu trình thuận nghịch nó

là Exergi (âm) của nhiệt tương ứng . Vì vậy :
Α(Q) = Q + E (Q)

(2.21)

Khi thực hiện quá mtrình cấp nhiệt ngay ở nhiệt độ môi trường xung quanh (T
= Ta) thì θ e và Exergi nhiệt bằng 0.
Trên hình 2.4 biểu thị quan hệ hàm số θ e = f (T ) .
Trong khoảng T > Ta , θ e tăng. Khi T → ∞ thì θ e → 1 . Điều này chứng tỏ
Exergi nhiệt luôn luôn nhỏ hơn nhiệt tương ứng. Trị số θ e giảm rất nhanh
tới − ∞ . Khi T → 0o K , tức là trong các trường hợp chu trình ngược, công cơ học

Trang 14


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

tiêu thụ để thực hiện chu trình tăng rất nhanh khi giảm nhiệt độ T. Trong lónh
vực T < Ta Exergi có thể lớn hơn nhiều trị số nhiệt tương ứng. Các quan hệ
E(Q) và Α(Q) = ϕ (T ) được biểu thị trên hình 2.5.
Kết quả là đối với 2 đại lượng này, trị số nhiệt độ môi trường xung
quanh được xem như một chuẩn nhiệt độ chọn trước. Khi T > Ta cả A(Q) và
E(Q) đều dương, tổng của nó bằng giá trị nhiệt tương ứng, tức chỉ một phần
nhiệt biến thành công cơ học.

1.3 Phân tích exergi các thiết bị trao đổi nhiệt
Để xây dựng và khảo sát hiệu quả của hệ thống lạnh, ta chú ý đặc biệt
tới đặc tính không thuận nghịch của quá trình thực xẩy ra trong hệ thống, điển
hình là các quá trình truyền nhiệt không thuận nghịch do có độ chênh nhiệt
độ ở các thiết bị trao đổi nhiệt như thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi.
Đặc tính của quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt :
Quá trình truyền nhiệt: là hiện tượng xẩy ra tự phát (không có tiêu thụ năng
lượng) chỉ từ những vật có nhiệt độ
cao tới những vật có nhiệt độ thấp
hơn. Độ giảm mức độ nhiệt độ (của
nhiệt) làm cho quá trình truyền có
đặc tính không thuận nghịch. Trong
phạm vi nhiệt độ thấp (có quá trình
nhận nhiệt từ vật cần làm lạnh
trong thiết bị bay hơi), quá trình
truyền nhiệt theo chiều từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao
hơn thực hiện được lại cần có năng lượng cấp từ bên ngoài. Như vậy, bất kì

Trang 15


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

một thiết bị trao đổi nhiệt nào cũng là một thiết bị không hoàn thiện theo
quan điểm nhiệt động.
Quan sát hai vật ở nhiệt độ T1 và T2 giữ không đổi trong quá trình truyền
nhiệt, entropi của vật có nhiệt độ cao hơn giảm một lượng Δs1 còn vật có
nhiệt độ thấp hơn tăng một lượng Δs2 (hình 2.7). Giả thiết rằng hai vật tạo
thành một hệ cô lập với môi trường bên ngoài, biến đổi entropi trong quá
trình là tổng của Δ s 1 và Δs 2 .

Δs = Δs1 + Δs 2

(2.26)

Gọi Q là nhiệt lượng trao đổi trong quá trình, ta có
Δ s

1

=

−

Q
T 1

vaø

Δs2 = −

Q
T2

⎛ 1
1 ⎞
⎟⎟ Q , kJ/k
−
vaø Δ s = ⎜⎜
⎝ T1 T 2 ⎠

(2.27)

kí hiệu Δ T = T1 − T 2 là độ chênh nhiệt độ giữa hai vật trao đổi nhiệt thì:
ΔS =

ΔT
Q
T1T2

(2.28)

Như vậy, độ không thuận nghịch của quá trình truyền nhiệt tỉ lệ thuận
với ΔT . Theo phương ΔT giảm, độ không thuận nghịch của quá trình giảm.
Trường hợp tới hạn khi ΔT → 0 , sự truyền nhiệt thực hiện theo quá trình
thuận nghịch entropi của hệ tạo thành từ 2 vật không thay đổi.
Exergi nhiệt Q truyền từ vật có nhiệt độ T1 là :
⎛ T ⎞

EQ1 = ⎜⎜1 − a ⎟⎟Q , kJ
⎝ T1 ⎠

(2.29)

và Exergi nhiệt Q do vật có nhiệt độ T2 nhận được là :

Trang 16


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

⎛ T ⎞
EQ 2 = ⎜⎜1 − a ⎟⎟Q , kJ (2.30)
⎝ T2 ⎠

Vì T2 < T1 nên EQ 2 < EQ1 , tức có tổn thất Exergi π ΔT do quá trình truyền nhiệt có
độ chênh nhiệt độ ΔT :
⎛1 1⎞
ΔT
Q
Π ΔT = EQ1 − EQ 2 = Ta ⎜⎜ − ⎟⎟Q = Ta
T1T2
⎝ T2 T1 ⎠

(2.31)

So sánh (2.28) và (2.31) ta suy ra tổn thất Exergi trong quá trình truyền nhiệt:
Π ΔT = Ta .Δs , kJ

Biểu thức này chỉ rõ rằng, tổn thất Exergi là hậu quả do không thuận
nghịch của quá trình truyền nhiệt do có độ chênh nhiệt độ.
Cũng như trong vùng T > Ta , trong vùng nhiệt độ thấp hơn môi trường
xung quanh T < Ta , Exergi giảm khi giảm nhiệt độ T. Để nâng cao nhiệt thế
từ mức nhiệt độ T < Ta đến mức Ta, cần tiêu thụ một lượng công cơ học nhất
định. Công này tăng khi nhiệt độ T giảm. giới hạn, khi T → 0o K thì
EQ → −∞ tức là tiêu thụ công cơ học là vô cùng lớn mới giảm được nhiệt độ

tới 0oK.
Vì trị số Exergi nhiệt giảm theo T, nên đối với vùng T < Ta , trị số EQ
được khảo sát theo giá trị tuyệt đối. Vì vậy, theo hướng mức độ nhiệt độ

Trang 17


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

giảm, trị số tuyệt đối của Exergi nhiệt tăng. Điều này cũng nói lên được công
cơ học tiêu thụ để nâng cao nhiệt thế từ T đến To tăng.
Do vậy, trong lónh nhiệt độ thấp, sự truyền nhiệt từ mức độ T1 tới mức
độ T2 thấp hơn dẫn tới tổn thất Exergi bằng công cơ học nhỏ nhất tiêu thụ để
nâng cao nhiệt thế từ T2 đến T1.

Để xác định tổn thất Exergi trong quá trình truyền nhiệt ở độ chênh
nhiệt độ thay đổi, ta khảo sát một thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt. Để đánh giá
độ hoàn thiện của quá trình truyền thực hiện trong điều kiện độ chênh nhiệt
độ thay đổi, cần phải áp dụng khái niệm hiệu suất Exergi. Với mục đích đó,
ta cân bằng Exergi của thiết bị trao đổi nhiệt (hình 2.8). Exergi ΔEva đưa vào
hệ thống khảo sát bằng tổng Exergi đầu ra (sử dụng hữu ích) ΔEr , và độ tổn
thất Exergi do độ không thuận nghịch bên trong Π tr ,nghóa là:
ΔEva = ΔEr + Π tr

(2.33)

Trong trường hợp thiết bị trao đổi nhiệt thì:
và

ΔEva = E1' + E2' ⎫
⎬
ΔE = E1" + E2" ⎭

(2.34)

Do đó:

E1' + E 2 ' = E1" + E 2" + Π tr

(2.35)

Khi tính tới tổn thất do trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh Π mt thì tổn
thất toàn bộ ở thiết bị trao đổi nhiệt sẽ là:
Π = Π tr + Π mt

(2.36)

Trang 18


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

Tổn thất trong Π tr sẽ gồm tổn thất Exergi do độ không thuận nghịch của quá
trình truyền nhiệt bởi độ chênh nhiệt độ ΔT (Π ΔT ) và tổn thất Exergi do tổn
thất áp suất của môi chất nóng và môi chất lạnh ( Π Δp ):
(3.37)

Π tr = Π ΔT + Π Δp

Trong đó, tổn thất do áp suất giảm Π Δp gồm hai thành phần tổn thất tương
ứng ở môi chất nóng Π Δp và ở môi chất lạnh Π Δp , biểu thức (2.36) có dạng:
1

2

(2.38)

Π = ΔΠ ΔT + Π Δp1 + Π Δp2 + Π mt

trong đó

Π Δp = Π Δp1 + Π Δp2 = Ta m1 ΔS Δp1 + Ta mΔS Δp2

(2.39)

m1 và m2 là lưu lượng của môi chất nóng và lạnh ΔS Δp , ΔS Δp là biến đổi
1

2

entropi của chất lỏng nóng và lạnh gây ra bởi tổn thất áp suất Δp1 và Δp 2
Tổn thất Exergi Π mt tương ứng với tổn thất nhiệt ΔQ được tính theo:
⎛ T
Π mt = ΔQ⎜⎜1 − a
⎝ T1

⎛ T
⎞
⎟⎟ = Q1 (1 − η r )⎜⎜1 − a
⎝ T1
⎠

⎞
⎟⎟
⎠

(2.40)

Ở đây η r là hiệu quả truyền nhiệt (còn gọi là hệ số giữ nhiệt) được tính theo
quan hệ:
ηr =

Q1
ΔQ
= 1−
Q2
Q1

(2.41)

Q1 và Q2 là lượng nhiệt do môi chất nóng toả ra và tương ứng do môi chất
lạnh nhận được:
Để biểu thị rõ biến đổi Exergi của từng môi chất, từ phương trình (2.34) và
(2.35) ta có:
E1' − E1" = E 2 ' − E 2" + Π

(2.42)

Trang 19


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

ΔE va = E1' − E1" chính là lượng Exergi đưa vào trong hệ thống bằng độ giảm

Exergi của chất lỏng nóng, và ΔE r = E 2" − E 2 ' , chính là Exergi được sử dụng
hữu ích – truyền cho chất lỏng lạnh.

Biến đổi Exergi của hai chất lỏng khi đó được biểu thị qua quan hệ:
ΔE va = ΔE r + Π

(2.43)

Như vậy trong vùng T > Ta , hiệu suất Exergi của thiết bị trao đổi nhiệt được
xác định như là tỉ số giữa độ tăng Exergi của chất lỏng lạnh ΔE r và độ giảm
Exergi của chất lỏng nóng ΔEva , tức là:
ηe =

ΔE r
Π
= 1−
ΔE va
ΔE va

(2.44)

Độ lớn của hiệu suất Exergi η e của thiết bị trao đổi nhiệt phụ thuộc vào tổn
thất Exergi η , đại lượng này phụ thuộc đáng kể vào giá trị của tỉ số giữa
nhiệt dung của hai chất lỏng:
Kc =

m2 Cp 2
m1Cp1

(2.45)

Trong đó Cp1 , Cp 2 (kJ/kgK) và m1,m2 (kg/s) là nhiệt dung riêng đẳng áp
và lưu lượng cửa hai chất lỏng. Từ phương trình cân bằng nhiệt :

dQ = m1 Cp1 dT = m2 Cp 2 dT2
ta coù

dT1 = K c dT2

(2.46)

Trong lónh vực nhiệt độ thấp, hai thiết bị trao đổi nhiệt quan trọng nhất
là thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi đều có một trong số các môi chất thay
đổi trạng thái, tức dT1 ≠ dT2 và K c ≠ 1 tức là độ chênh nhiệt độ giữa hai môi
chất ΔT thay đổi dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt. Do vậy trong phương trình
truyền nhiệt Q = kFΔT việc tăng bề mặt truyền nhiệt F hay hệ số truyền nhiệt
Trang 20


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG

2

K, trong trường hợp giới hạn cũng chỉ có thể làm giảm hiệu số nhiệt độ ΔT
tới một trong các đầu mút của thiết bị trao đổi nhiệt. Nói khác đi, các biện
pháp kỹ thuật để tăng cường truyền nhiệt trong trường hợp này cũng chỉ có
giới hạn. Khác với trường hợp K c = 1 thì ΔT có thể giảm tới 0 còn η e → 1
trong điều kiện lý tưởng.
2

THIẾT LẬP CÁC QUAN HỆ TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT EXERGI
CỦA CHU TRÌNH MÁY LẠNH

Sơ đồ cân bằng Exergi cho toàn bộ quá trình được minh họa trên hình 2.9 và
được giải thích như sau :
Qua công cơ học L tiêu thụ cho máy nén dùng Exesgi E(L) được đưa vào và
được sử dụng trong hai thành phần :
+ Dòng Exergi E(QO) được dùng hữu ích trong không gian cách nhiệt .
+ Tổn thất nhiệt Exergi Π từ

QO = A(QO ) − E (QO )
máy lạnh là Anergi A , từ
buồng lạnh có cách nhiệt thải
ra một dòng nhiệt Qo dưới
dạng :
Lượng nhiệt Q0 từ máy lạnh được truyền cho nước làm mát trong bình ngưng
ở nhiệt độ môi trường. Từ đó ta có mối quan hệ cân bằng Exergi – anergi:
ml = E (Q0 ) + ∏
E (L ) > E (Q0 )
Hiệu suất Exergi :

ηe =

E (Q0 )
Π
= 1−
E ( L)
E xa

Trang 21