Thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng r134a CO2 dùng các bộ trao đổi nhiệt compact đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG v CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu đề tài 10 1.4 Đối tượng giới hạn đề tài 11 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 11 1.4.2 Giới hạn đề tài 11 Năng suất lạnh hệ thống 2000W, nhiệt độ phòng lạnh – 20oC T 11 1.5 Nội dung phương pháp nghiên cứu 11 1.5.1 Nội dung nghiên cứu 11 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Cơ sở truyền nhiệt 12 2.2 Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt dạng 12 2.2.1 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng 13 2.2.2 Ưu nhược điểm 14 2.3 Máy lạnh ghép tầng 14 2.3.1 Nguyên lí hoạt động 14 2.3.2 Đặc điểm chu trình máy lạnh ghép tầng 16 2.3.3 Ưu điểm nhược điểm 16 2.4 Môi chất lạnh CO2 (R744) R134a 17 2.4.1 Môi chất lạnh CO2 17 2.4.2 Môi chất lạnh R134a 19 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 20 3.1 Tính toán số liệu sơ 20 3.2 Tầng môi chất lạnh CO2 21 3.2.1 Tính cấp nén chu trình 22 3.2.2 Tính tốn, thiết lập thơng số điểm nút 22 3.2.3 Chọn thiết bị cho hệ thống 23 3.3 Tầng môi chất lạnh R134a 29 3.3.1 Tính cấp nén chu trình 30 3.3.2 Tính tốn, thiết lập thơng số điểm nút 30 3.3.3 Chọn thiết bị cho hệ thống 32 3.4 Hệ số COP hệ thống 35 3.5 Tính tốn sơ bộ trao đổi nhiệt micro 35 CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 43 4.1 Thiết lập mơ hình hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 43 4.1.1 Thiết lập mơ hình thực nghiệm 43 4.1.2 Quy trình vận hành hệ thống thực nghiệm 44 4.2 Các thiết bị hệ thống 45 4.2.1 Máy nén tầng thấp CO2 45 4.2.2 Bộ trao đổi nhiệt kênh micro 45 4.2.3 Thiết bị tiết lưu tầng thấp CO2 47 4.2.4 Thiết bị bay tầng thấp CO2 47 4.2.5 Máy nén tầng cao R134a 47 4.2.6 Thiết bị ngưng tụ tầng cao R134a 48 4.2.7 Thiết bị tiết lưu tầng cao R134a 49 4.3 Các thiết bị đo 49 4.3.1 Đồng hồ đo áp suất 50 4.3.2 Đồng hồ đo nhiệt độ 51 4.3.3 Thiết bị đo lưu lượng 53 4.3.4 Ampe kìm 55 4.3.5 VOM 55 CHƯƠNG 5: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 58 5.1 Tính tốn kết thực nghiệm cho trường hợp 58 5.1.1 Thông số điểm nút tầng thấp CO2 58 5.1.2 Thông số điểm nút tầng cao R134a 60 5.2 Tính tốn kết thực nghiệm cho trường hợp 61 5.2.1 Thông số điểm nút tầng thấp CO2 61 5.2.2 Thông số điểm nút tầng cao R134a 63 5.3 Nhận xét đánh giá 64 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .68 6.1 Kết luận 68 6.2 Kiến nghị 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT GWP: số nóng lên toàn cầu ODP: tiềm phá hủy tầng ozone NTU: số đơn vị truyền nhiệt COP: hệ số hiệu lượng HFC: hydrofluorocarbons - chất làm lạnh sử dụng rộng rãi máy điều hịa khơng khí tủ lạnh π: tỉ số nén λ: hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) d: chiều rộng (m) ε: hệ số làm lạnh F: diện tích (m2) δ: chiều dày (m) h: entalpy (kJ/kg) k: hệ số truyền nhiệt l: công nén riêng (kJ/kg) L: chiều dài (m) m: lưu lượng môi chất (kg/s) N: công nén (kW) η: hiệu suất, (%) p: áp suất (bar) ρ: khối lượng riêng, (kg/m3) Qo: suất lạnh (kW) qo: suất lạnh riêng (kJ/kg) Qk: công suất nhiệt (kW) qk: công suất nhiệt riêng (kJ/kg) T: nhiệt độ Kelvin (K) t: nhiệt độ (oC) Δt: độ chêch lệch nhiệt độ (K) V: thể tích hút (m3/s) DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cấu trúc thiết bị trao đổi nhiệt dạng 13 Hình 2: Dịng chuyển động lưu chất nóng (đỏ) lạnh (xanh) 14 Hình 3: Sơ đồ ngun lí chu trình máy lạnh ghép tầng R134a-CO2 15 Hình 4: Sơ đồ chuyển pha theo áp suất nhiệt độ CO2 17 Hình 5: Biểu đồ áp suất – enthalpy mơi chất CO2 (R744) 18 Hình 6: Biểu đồ áp suất – enthalpy môi chất R134a 19 Hình 1: Đồ thị lgp-h chu trình tầng CO2 22 Hình 2: Đồ thị chênh lệch nhiệt độ trung bình CO2 khơng khí 28 Hình 3: Kích thước sơ dàn bay ống mini (đơn vị: mm) 29 Hình 4: Đồ thị lgp-h chu trình R134a 31 Hình 5: Đồ thị chênh lệch nhiệt độ trung bình R134a khơng khí 34 Hình 6: Sơ đồ trình trao đổi nhiệt trao đổi nhiệt micro 41 Hình 7: Mơ hình sơ bộ trao đổi nhiệt micro 42 Hình 1: Hệ thống thí nghiệm lý thuyết hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 43 Hình 2: Mơ hình hệ thống dựng phần mềm AutoCAD 3D 44 Hình 3: Máy nén CO2 tầng thấp 45 Hình 4: Bộ trao đổi nhiệt kênh micro [53] 46 Hình 5: Van tiết lưu tay tầng thấp CO2 47 Hình 6: Thiết bị bay tầng thấp CO2 47 Hình 7: Máy nén tầng cao R134a 48 Hình 8: Thiết bị ngưng tụ tầng R134a 48 Hình 9: Van tiết lưu tay tầng cao R134a 49 Hình 10: Hệ thống thí nghiệm thực tế hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 49 Hình 11: Bộ số hóa tín hiệu áp suất 50 Hình 12: Đồng hồ đo áp suất chân sau 50 Hình 13: Đồng hồ đo nhiệt độ 51 Hình 14: Máy đo nhiệt độ tiếp xúc kiểu K, J Extech 421509 52 Hình 15: Đồng hồ đo nhiệt độ có đầu dị DS-1 53 Hình 16: Thiết bị đo lưu lượng CO2 54 Hình 17: Thiết bị đo lưu lượng môi chất R134a 55 Hình 18: Ampe kìm 55 Hình 19: VOM 56 Hình 1: Đồ thị lgp-h chu trình tầng thấp CO2 58 Hình 2: Đồ thị lgp-h chu trình tầng cao R134a 60 Hình 3: Đồ thị lgp-h chu trình tầng thấp CO2 61 Hình 4: Đồ thị lgp-h chu trình tầng thấp R134a 63 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Bảng đặc tính mơi chất CO2 mơi chất R134a 17 Bảng 1: Thông số trạng thái chu trình tầng mơi chất CO2 22 Bảng 2: Hệ số tỏa nhiệt CO2 (CO2) khơng khí (KK) 27 Bảng 3: Thông số dàn bay 27 Bảng 4: Thông số trạng thái chu trình tầng mơi chất R134a 31 Bảng 5: Thông số trao đổi nhiệt kênh micro 35 Bảng 6: Hệ số tỏa nhiệt CO2 hệ số tỏa nhiệt R134a 40 Bảng 1: Tổng hợp dụng cụ đo sai số 56 Bảng 1: Thông số điểm nút tầng thấp CO2 59 Bảng 2: Thông số điểm nút tầng cao R134a 60 Bảng 3: Thông số điểm nút tầng thấp CO2 62 Bảng 4: Thông số điểm nút tầng cao R134a 63 Bảng 5: Bảng nhiệt độ áp suất ngưng tụ bay 65 Bảng 6: Bảng so sánh thông số tính tốn lý thuyết thực tế 66 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài Hệ thống làm lạnh đóng vai trị quan trọng thiếu đời sống nay, đặc biệt lĩnh vực điều hịa khơng khí, bảo quản thực phẩm, y tế,… Hơn nữa, xã hội phát triển cách nhanh chóng, tốc độ thị hóa ngày cao, khí CO2 khí độc hại thải mơi trường thải mơi trường nhiều mức bình thường, gây hiệu ứng nhà kính phá hủy tầng ozone Vì việc sử dụng loại mơi chất có số GWP (Global Warming Potential) ODP (Ozone Depletion Potential) thấp xem đề tài phổ biến nhiều nghiên cứu sinh Trong đó, mơi chất CO2 khí có sẵn tự nhiên với số ODP = GWP = môi chất R134a với số ODP = 0, sử dụng phổ biến ứng dụng làm lạnh trung bình thấp Việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt có kênh trao đổi nhiệt nhỏ thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro giúp mang lại hiệu trao đổi nhiệt cao so với thiết bị trao đổi nhiệt truyền thống Kế thừa đề tài nghiên cứu hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 thống sử dụng trao đổi nhiệt ống lồng ống, nhóm chúng em chọn đề tài thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 dùng trao đổi nhiệt compact nhằm để hiểu hiệu môi chất R134a CO2, trao đổi nhiệt dạng micro dàn bay mini Từ đưa tổng quan đánh giá việc sử dụng trao đổi nhiệt compact máy lạnh ghép tầng 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Nghiên cứu mơi chất lạnh CO2, Bansal [1] tiến hành nghiên cứu nguyên tắc ứng dụng môi chất lạnh CO2 hệ thống làm lạnh sâu, với số thảo luận tính chất an tồn nó, phân tích nhiệt động lực học, thách thức, nhu cầu nghiên cứu thiết kế hệ thống theo ưu có ngành cơng nghiệp điện lạnh Đặc biệt ngành cơng nghiệp thực phẩm tính chất an tồn thân thiện với mơi Trang Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung trường cạnh tranh chi phí Hệ thống tăng cường tới hạn điều kiện khí hậu lạnh tiềm CO2 hệ thống lạnh phân tầng với hydrocarbon HFC điều kiện khí hậu ấm hơn, dường lựa chọn phổ biến Gần nghiên cứu hệ thống phân tầng cho thấy hệ thống sử dụng CO2 làm môi chất, cho thấy CO2 môi chất lạnh có hiệu suất tốt 60% so với hệ thống lạnh cấp thông thường sử dụng R404A nhiệt độ thấp Lorentzen Petterson [2] đánh giá khả sử dụng trao đổi nhiệt hệ thống tới hạn CO2 Hwang cộng [3] cho thấy kết thực nghiệm nghiên cứu mô bao gồm giai đoạn mở rộng chu kỳ giai đoạn kép Groll cộng [4] thực phân tích số chu trình kép thay đổi tỷ số nén giai đoạn nén Bhattacharyya cộng sự[5] cho thấy nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống ghép tầng CO2 / C3H8 để làm mát sưởi ấm [6] Kim cộng tổng kết cải tiến hiệu suất hệ thống dựa CO2 ứng dụng chúng Họ cung cấp đánh giá quan trọng tài liệu thảo luận xu hướng đặc điểm quan trọng phát triển công nghệ CO2 ứng dụng làm lạnh Gần đây, nghiên cứu bao gồm loạt khả sử dụng CO2 làm chất làm lạnh công bố Deng cộng [7] mô tả phân tích lý thuyết chu trình làm lạnh giãn nở vòi phun CO2 tới hạn, sử dụng vịi phun làm thiết bị giãn nở thay van giãn nở Youngming cộng [8] xây dựng thử nghiệm hệ thống làm lạnh carbon dioxide hấp thụ nén ướt Fernández-Seara cộng [9] phân tích hệ thống lạnh ghép tầng nén - hấp thụ coi CO2 NH3 chất làm lạnh giai đoạn nén cặp NH3 – H2O giai đoạn hấp thụ đánh giá khả cấp nguồn cho hệ thống lạnh ghép tầng hệ thống đồng phát Lee cộng [10] thực phân tích nhiệt động lực học nhiệt độ ngưng tụ tối ưu bình ngưng – ghép tầng hệ thống lạnh ghép tầng CO2 / NH3 Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng hiệu suất máy nén đẳng entropy giới hạn thực tế nhiệt độ xả máy nén khơng tính đến hiệu sử dụng không đánh giá Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc phân tích thơng số thiết Trang Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung kế vận hành hệ thống làm mát ghép tầng CO2 / NH3 ảnh hưởng COP hệ thống hiệu suất sử dụng Ý nghĩa thống kê tham số đánh giá phân tích Hơn nữa, nghiên cứu tối ưu hóa thơng số đưa vào thấy COP cao Cuối cùng, thảo luận ảnh hưởng hiệu suất đẳng entropy máy nén hệ thống tối ưu COP trình bày Liên quan đến mơi chất R134a, Oh Son [11] nghiên cứu thực nghiệm đặc tính trao đổi nhiệt ngưng R-22, R-134A R-410A với mẫu ống đồng trịn đường kính 1,77 mm, dài 160 mm Thực nghiệm thực với điều kiện lưu lượng dòng chất 450 – 1050 kg/m2s, nhiệt độ bão hòa 40oC Kết thực nghiệm cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ R-410a cao so với R-22 R134a dịng chất xác định Trong đó, hệ sộ truyền nhiệt ngưng tụ R-22 có giá trị tương tự R-134a Cũng phương pháp thực nghiệm On cộng [12] khảo sát đặc tính truyền nhiệt ngưng tụ R134a chảy ống trịn ống đồng dẹt Ống trịn có đường kính 3,51 mm, ống dẹt làm từ ống trịn với đường kính 3,51 mm Các phạm vi thực nghiệm bao gồm mật độ khối lượng 350-900 kg /m2s, mật độ dòng nhiệt 10- 50 kW/m2, áp suất bão hòa 8-12 bar Biểu đồ mơ hình dịng chảy khảo sát cách so sánh với đồ mơ hình dịng chảy Kết cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ tăng gia tăng mật độ khối lượng, mật độ dòng nhiệt, lượng Azizi cộng [13] nghiên cứu hệ số truyền nhiệt đối lưu hệ số ma sát môi chất nano đồng thiết bị giải nhiệt kênh micro hình chữ nhật có đường kính thủy lực 526 µm chiều dài 50 mm Nghiên cứu thực cho mơi chất nano đồng có tỷ lượng theo khối lượng 0.05%, 0.1 % 0.3 %, mật độ dịng nhiệt có giá trị 35 50 kW/m2, lưu lượng điều chỉnh khoảng 0.5-2 lít/phút Kết thực nghiệm cho thấy tỷ lượng theo khối lượng phân tử nano tăng từ 0.05% đến 0.3% nhiệt trở giảm đến 21% Sự có mặt phân tử nano làm tăng số Nusselt đến 43% hệ số ma sát tăng đến 45.5% so với nước nguyên chất Trang Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung 5.1.2 Thông số điểm nút tầng cao R134a Hình 2: Đồ thị lgp-h chu trình tầng cao R134a Các thơng số thực nghiệm điểm nút hình 5.2 cho tầng cao R134a thể bảng 5.2 Bảng 2: Thông số điểm nút tầng cao R134a Điểm nút t (0C) p (bar) h (kJ/kg) Trạng thái 3,3 402 Hơi bão hịa khơ 1’ 24 3,3 417 Hơi nhiệt 62 9,0 445 Hơi nhiệt 36 9,0 251 Lỏng bão hòa 3’ 32 9,0 246 Lỏng chưa sôi 3,0 246 Hơi bão hòa ẩm - Năng suất lạnh riêng: q0(R134a) = h1 – h4 = 402 – 246 = 156 (kJ/kg) - Công nén riêng: l2 = h2 – h1’ = 445 – 417 = 28 (kJ/kg) - Công suất nhiệt riêng: qk(R134a) = h2 – h3 = 445 – 251 = 194 (kJ/kg) - Năng suất lạnh hệ thống: Trang 60 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Q0(R134a) = Qk(CO2) = 3,36 (kJ/kg) - Lưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống: m2 = 𝑄0(𝑅134𝑎) = 𝑞0 3,36 156 = 0,022 kg/s - Công suất nhiệt: Qk(R134a) = m2 qk = 0,022 194 = 4,27 (kW) - Công nén máy nén: N(R134a) = m2 l2 = 0,022 28 = 0,616 (kW) - Hệ số lạnh chu trình: ɛ= 𝑄0(𝑅134𝑎) 𝑁(𝑅134𝑎) = 3,36 0,616 = 5,5 Vậy hệ số làm lạnh tầng cao R134a đạt giá trị 5,5 5.2 Tính tốn kết thực nghiệm cho trường hợp Vận hành máy trường hợp chế độ van tiết lưu 6, thời gian phòng đạt nhiệt độ yêu cầu -20oC 55 phút Lưu lượng môi chất qua máy nén CO2 đo đạt trường hợp 0,013 kg/s = 46,8 kg/h Hệ thống vận hành liên tục đạt nhiệt độ yêu cầu 5.2.1 Thông số điểm nút tầng thấp CO2 Các thơng số thực nghiệm hình 5.3 cho tầng thấp CO2 thể bảng 5.3 Hình 3: Đồ thị lgp-h chu trình tầng thấp CO2 Trang 61 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Bảng 3: Thông số điểm nút tầng thấp CO2 Điểm nút t (0C) p (bar) h (kJ/kg) Trạng thái -25 17 437 Hơi bão hòa khô 1’ -12 17 450 Hơi nhiệt 46 40 487 Hơi nhiệt 5,5 40 217 Lỏng bão hòa -28 15 217 Hơi bão hòa ẩm - Năng suất lạnh riêng: q0 = h1 – h4 = 437 - 217 = 220 (kJ/kg) - Công nén riêng: l = h2 – h1’ = 487 – 450 = 37 (kJ/kg) - Công suất nhiệt riêng: qk = h2 – h3 = 487 – 217 = 270 (kJ/kg) - Năng suất lạnh hệ thống: Q0 (CO2) = m1 q0 = 0,013 220 = 2,86 (kW) - Công nén máy nén: N(CO2) = m1 l = 0,013 37 = 0,481 (kW) - Công suất nhiệt: Qk(CO2) = m1 qk = 0,013 270 = 3,51 (kW) - Hệ số lạnh chu trình: ε= 𝑄0(𝐶𝑂2) 𝑁(𝐶𝑂2) = 2,86 0,481 = 5,9 Vậy hệ số làm lạnh tầng thấp CO2 đạt giá trị 5,9 Trang 62 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung 5.2.2 Thông số điểm nút tầng cao R134a Hình 4: Đồ thị lgp-h chu trình tầng thấp R134a Các thông số thực nghiệm điểm nút hình 5.4 cho tầng cao R134a thể bảng 5.4 Bảng 4: Thông số điểm nút tầng cao R134a Điểm nút t (0C) p (bar) h (kJ/kg) Trạng thái -2 2,9 398 Hơi bão hịa khơ 1’ 17 2,9 414 Hơi q nhiệt 57 8,6 439 Hơi nhiệt 35 8,6 251 Lỏng bão hịa 3’ 31 8,6 244 Lỏng chưa sơi -5 2,5 244 Hơi bão hòa ẩm - Năng suất lạnh riêng: q0(R134a) = h1 – h4 = 398 - 244= 154 (kJ/kg) - Công nén riêng: l2 = h2 – h1’ = 439 – 414 = 25 (kJ/kg) - Công suất nhiệt riêng: qk(R134a) = h2 – h3 = 439 – 251 = 188 (kJ/kg) Trang 63 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung - Năng suất lạnh hệ thống: Q0(R134a) = Qk(CO2) = 3,51 (kJ/kg) - Lưu lượng mơi chất tuần hồn qua hệ thống: m2 = 𝑄0(𝑅134𝑎) 𝑞0 = 3,51 154 = 0,022 kg/s - Công suất nhiệt: Qk(R134a) = m2 qk = 0,022 188 = 4,13 (kW) - Công nén máy nén: N(R134a) = m2 l2 = 0,022 25 = 0,55 (kW) - Hệ số lạnh chu trình: ɛ= 𝑄0(𝑅134𝑎) 𝑁(𝑅134𝑎) = 3,51 0,55 = 6,3 Vậy hệ số làm lạnh tầng cao R134a đạt giá trị 6,3 5.3 Nhận xét đánh giá Hiệu suất làm lạnh (COP) hệ thống trường hợp sử dụng van tiết lưu 10 là: COP = 𝑄0(𝐶𝑂2) 𝑁𝑅134𝑎 + 𝑁𝐶𝑂2 = 2,64 0,616+0,516 = 2,3 Hiệu suất làm lạnh (COP) hệ thống trường hợp sử dụng van tiết lưu là: COP = 𝑄0(𝐶𝑂2) 𝑁𝑅134𝑎 + 𝑁𝐶𝑂2 = 2,86 0,55+0,56 = 2,5 Qua giá trị tính tốn được, kết hợp với chương 3, lập bảng so sánh giá trị nhiệt động so với lý thuyết so với trường hợp bảng 5.5 bảng 5.6 Nhận xét: - Trong hai trường hợp, hệ thống vận hành đạt nhiệt độ phòng yêu cầu -20oC Tuy nhiên, trường hợp 2, hệ thống vận hành chế độ van tiết lưu 6, phòng đạt nhiệt độ yêu cầu 55 phút, nhanh 40 phút so với trường hợp dùng chế độ van tiết lưu 10 Trang 64 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Bảng 5: Bảng nhiệt độ, áp suất ngưng tụ bay Lý thuyết to (oC) tk (oC) CO2 -30 R134a Sai số po (bar) pk (bar) 14,3 41,7 39 3,14 9,89 CO2 -28 10C 15 43 ±1,5% R134a 36 ±2℃ 0,05% CO2 -28 5,5 10C 15 40 ±1,5% R134a -5 35 ±2℃ 2,5 8,6 0,05% Trường hợp Trường hợp Sai số Từ Bảng 5.5, rút nhận xét: + Nhiệt độ bay môi chất CO2 thực tế cao so với nhiệt độ bay lý thuyết 2oC Với môi chất R134a, nhiệt độ bay môi chất thấp so với tính tốn lý thuyết Trường hợp thấp 1oC, trường hợp thấp 7oC + Nhiệt độ ngưng tụ chu trình CO2 trường hợp cao lý thuyết 1oC, trường hợp thấp 1,5oC Nhiệt độ ngưng tụ môi chất R134a thực tế thấp lý thuyết 2oC trường hợp 3oC trường hợp + Áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ môi chất R134a trường hợp nhỏ so với tính tốn lý thuyết + Độ chênh lệch nhiệt độ môi chất vào trao đổi nhiệt:  Trường hợp 1: mơi chất R134a có độ chênh lệch 2oC, môi chất CO2 có độ chênh lệch 47oC  Trường hợp 2: mơi chất R134a có độ chênh lệch 3oC, mơi chất CO2 có độ chênh lệch 40,5oC + So sánh bảng thông số điểm nút trường hợp (Bảng 5.2 Bảng 5.4), độ nhiệt trường hợp 21K, lớn trường hợp với độ nhiệt 19K Độ nhiệt trường hợp lớn so với lý thuyết + Thiết bị có sai số dẫn đến có chênh lệch lưu lượng, nhiệt độ áp suất - Qua q trình tính tốn thực tế, lập bảng so sánh với kết tính toán lý thuyết (Bảng 5.6), ta nhận thấy rằng: Trang 65 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Bảng 6: Bảng so sánh thơng số tính tốn lý thuyết thực tế Chu trình Thơng số Lý thuyết Trường hợp Trường hợp CO2 R134a CO2 R134a CO2 R134a Lưu lượng (kg/s) 0,00904 0,015 0,012 0,022 0,013 0,022 Công nén (kW) 0,378 0,36 0,516 0,616 0,481 0,55 Năng suất lạnh (kW) 2,467 2,64 3,36 2,86 3,51 Hệ số làm lạnh 5,3 6,8 5,1 5,5 5,9 6,3 COP 2,7 2,3 2,5 + Đối với chu trình CO2, cơng nén cao so với tính toán lý thuyết, trường hợp cao 36,5%, trường hợp cao 27,2% Đối với chu trình R134a, công nén trường hợp cao 71,1%, trường hợp cao 52,7% + Hệ số làm lạnh hệ thống trường hợp thấp 3,7%, nhiên trường hợp cao 11,3% + Năng suất lạnh thu so với lý thuyết cao hơn, trường hợp 1,3 lần trường hợp 1,4 lần + Chỉ số COP trường hợp thấp 15% trường hợp thấp hơn 7,4% Đánh giá: + Với vị trí lắp đặt thiết bị đo lưu lượng sau dàn bay trước máy nén Lượng môi chất khỏi van tiết lưu có vận tốc dịng chảy lớn so với lý thuyết Tuy nhiên, lượng môi chất qua thiết bị đo lưu lượng có chênh lệch khơng đáng kể phần sai số thiết bị đo lưu lượng thời điểm phòng đạt nhiệt độ yêu cầu + Do lưu lượng môi chất từ dàn bay máy nén lớn lưu lượng mơi chất qua máy nén máy nén tốn công để nén lượng môi chất, dẫn đến tốn thêm thời gian, làm ảnh hưởng đến số COP hệ thống + Năng suất lạnh trường hợp lớn trường hợp Do nhiệt độ bay tầng R134a giảm nên nhiệt độ ngưng tụ môi chất CO2 cao nên suất lạnh cao Trang 66 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung + Độ nhiệt lớn làm gia tăng công nén máy nén R134a làm ảnh hưởng tới tuổi thọ máy nén, ảnh hưởng tới suất lạnh hệ thống, đồng thời làm COP hệ thống giảm + Bộ trao đổi nhiệt làm việc tốt, môi chất R134a vào trao đổi nhiệt giải nhiệt tốt cho môi chất CO2 đạt giá trị ngưng tụ thấp tính tốn lý thuyết + Ở trường hợp, nhiệt độ phòng giảm từ nhiệt độ 29oC xuống -20oC Tuy nhiên chế độ van tiết lưu trường hợp 2, nhiệt độ phòng giảm xuống nhanh chế độ van tiết lưu 10 trường hợp 40 phút số COP cao trường hợp 1,09 lần vận hành hệ thống dùng van tiết lưu giúp hệ thống hoạt động tốt Trang 67 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Qua trình thực đề tài, kết mà nhóm chúng em đạt gần mục tiêu đề bao gồm: đưa kết tính tốn thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 dùng trao đổi nhiệt compact, xác định COP cho hệ thống ghép tầng đánh giá hiệu mơ hình hệ thống lạnh ghép tầng so với tính tốn lý thuyết Kết thực nghiệm thu trình vận hành thực tế trường hợp thu đạt giá trị tốt trường hợp Năng suất lạnh đạt được: Qo = 2,86kW COP đạt được: 2,5 Thời gian đạt nhiệt độ yêu cầu: 55 phút Các thông số thực nghiệm gần phù hợp với kết tính tốn lý thuyết Các kết thực nghiệm liệu có giá trị thực tiễn, góp phần giúp ích cho nghiên cứu máy lạnh ghép tầng với cặp môi chất R134a/CO2 sau 6.2 Kiến nghị Từ kết thu qua trình tính tốn cho thấy hệ thống đạt yêu cầu mà kết lý thuyết đề Tuy nhiên, nghiên cứu sau tương tự, nên chọn lại máy nén CO2 hệ thống hoạt động hiệu Hơn môi chất R134a xem mơi chất lạnh có hiệu lượng khơng cao nên lựa chọn môi chất lạnh khác cho tầng cao để đạt hiệu cao Trong trình thực đề tài, nhóm chúng em cịn gặp số hạn chế mặt thời gian, độ xác thiết bị đo, kĩ lắp ráp xây dựng hệ thống kiến thức chuyên sâu nên tránh khỏi sai sót Nhóm thực đề tài chúng em hy vọng q thầy/cơ đánh giá góp ý để giúp đề tài hồn thiện Trang 68 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pradeep Bansal, A review e Status of CO2 as a low temperature refrigerant: Fundamentals and R&D opportunities Department of Mechanical Engineering, The University of Auckland, Private Bag, 92019 Auckland, New Zealand Applied Thermal Engineering 41 (2012) 18-29 [2] G Lorentzen, J Petterson, A new efficient and environmentally beign system for car air-conditioning, International Journal of Refrigeration 16 (1) (1993) 4– 12 [3] Y Hwang, H Huff, R Preissner, R Radermacher, CO2transcritical cycles for high temperature application, in: Proceedings of 2001 ASME International Mechanical Engineering Congress in New York, 2001 ỴMECE2001/AES23630 [4] E Groll, J Baek, P Lawless, Effect of pressure ratios across compressors on the performance of the transcritical CO2 cycle with two-stage compression and intercooling, in: Compressor Engineering Conference at Purdue, 2000, pp 43– 50 [5] S Bhattacharyya, S Mukhopadhyay, A Kumar, R Khurana, J Sarkar, Optimization of a CO2–C3H8 cascade system for refrigeration and heating, International Journal of Refrigeration 28 (2005) 1284–1292 [6] M Kim, J Petterson, C Bullard, Fundamental process and system design issues in CO2vapor compression systems, Progress in Energy and Combustion Science 30 (2004) 119–174 [7] J Deng, P Jiang, T Lu, W Lu, Particular characteristics of transcritical CO2 refrigeration cycle with an ejector, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 381– 388 [8] N Youngming, C Jiangping, C Zhijiu, C Huanxin, Construction and testing of a wet-compression absorption carbon dioxide refrigeration system for vehicle air conditioner, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 31–36 [9] J Fernández-Seara, J Sieres, M Vázquez, Compression–absorption cascade refrigeration system, Applied Thermal Engineering 26 (2006) 502–512 Trang 69 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung [10] T Lee, C Liu, T Chen, Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade–condenser in CO2/NH3 cascade refrigeration systems, International Journal of Refrigeration 29 (2006) 1100–110 [11]Hoo-Kyu Oh, Chang-Hyo Son, “Condensation heat transfer characteristics of R22, R- 134a and R-410A in a single circular Microtube”, Experimental Thermal and Fluid Science 35 (2011) 706 – 716 [12] Jatuporn Kaew-On et al, “Condensation heat transfer characteristics of R134a flowing inside minicircular and flattened tubes”, International Journal of Heat and Mass Transfer 102 (2016) 86–97 [13] Z Azizi, A Alamdari, M.R Malayeri, Thermal performance and friction factor of a cylindrical microchannel heat sink cooled by cu-water nanofluid, Applied Thermal Engineering 2016 (accepted manuscript) [14] Hyoungsoon Lee, IIchung Park, Issam Mudawar, Mohammad M.Hasan Experimental pressure drop and heat transfer results for different orientations in earth gravity - International Journal of Heat and Mass Transfer,Volume 77, October 2014, Pages 1213-1230 [15] Jinshi Wang, Yong Li, Junjie Yan, Ronghai Huang, Xiping Chen, Jiping Liu Condensation heat transfer of steam on vertical micro-tubes – Applied Thermal Engineering, Volume 88, September 2015, Pages185-191 [16] A Sakanova, C C Keian, J Zhao, Performance improvements of microchannel heat sink using wavy channel and nanofluids, International Journal of Heat and Mass Transfer 89 (2015) 59–74 [17] Na Liu , Jun Ming Li, Jie Sun, Hua Sheng Wang, “Heat transfer and pressure drop during condensation of R-152A in circular and square Microchannels”, Experimental Thermal and Fluid Science 47 (2013) 60–67 [18] Daniel Sánchez, Rodrigo Llopis, Ramón Cabello, Jesús Catalán-Gil, Laura Nebot-Andrés, Conversion of a direct to an indirect commercial (HFC134a/CO2) cascade refrigeration system Energy impact analysis, International Journal of Refrigeration (2016) Trang 70 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung [19] Carlos Sanz-Kock, Rodrigo Llopis, Daniel Sanchez, Ramon Cabello, Enrique Torrella, Experimental evaluation of a R134a/CO2 cascade refrigeration plant, Applied Thermal Engineering 73 (2014) 39e48 [20] Ezaz Ahammed Md, Souvik Bhattacharyya, M Ramgopal, Analysis of CO2 based refrigeration systems with and without ejector for simultaneous pasteurization and chilling of milk, International Journal of Refrigeration (2018) [21] Antonio Messineo, R744-R717 Cascade Refrigeration System: Performance Evaluation compared with a HFC Two-Stage System, Energy Procedia 14 (2012) 56 – 65 [22] E Gholamian, P Hanafizadeh, P Ahmadi, Advanced Exergy Analysis of a Carbon Dioxide Ammonia Cascade Refrigeration System, Applied Thermal Engineering (2018) [23] Ming Ma, Jianlin Yu, Xiao Wang, Performance evaluation and optimal configuration analysis of a CO2/NH3 cascade refrigeration system with falling film evaporator–condenser, Energy Conversion and Management 79 (2014) 224–231 [24] J Alberto Dopazo, José Fernández-Seara, Jaime Sieres, Francisco J Uhía, Theoretical analysis of a CO2–NH3 cascade refrigeration system for cooling applications at low temperatures, Applied Thermal Engineering 29 (2009) 1577– 1583 [25] Lee T.S., Liu C.H., Chen T.W “Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO2/NH3 cascade refrigeration systems.” International Journal of Refrigeration 29 (2006): 1100-1108 [26] Bingming W., Huagen W., Jianfeng L., Ziwen X “Experimental investigation on the performance of NH3/CO2 cascade refrigeration system with twin-screw compressor.” International Journal of Refrigeration 32 (2009): 1358-1365 [27] Dopazo J.A., Fernández-Seara J., Sieres J., Uhía F.J “Theoretical analysis of a CO2– NH3 cascade refrigeration system for cooling applications at low temperatures.” Applied Thermal Engineering 29 (2009): 1577-1583 Trang 71 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung [28] Rezayan A., Behbahaninia A “Thermoeconomic optimization and exergy analysis of CO2/NH3 cascade refrigeration systems.” Energy 36 (2011): 885-895 [29] Messineo A “R744-R717 Cascade Refrigeration System: Performance Evaluation compared with a HFC Two-Stage System.” Energy Procedia 14 (2012): 56-65 [30] Sawalha S “Theoretical evaluation of trans-critical CO2 systems in supermarket refrigeration Part I: Modelling, simulation and optimization of two system solutions.” International Journal of Refrigeration 31 (2008): 516-524 [31] B Agnew, S.M Ameli, A finite time analysis of a cascade refrigeration system using alternative refrigerants, Appl Therm Eng 24 (2004) 2557–2565 [32] W Bingming, W Huagen, L Jianfeng, X Ziwen, Experimental investigation on the performance of NH3/CO2 cascade refrigeration system with twin-screw compressor, Int J Refrig 32 (2009) 1358–1365 [33] G.D Nicola, G Giuliani, F Polonara, R Stryjek, A Arteconi, Performance of cascade cycles working with blends of CO2 + natural refrigerants, Int J Refrig 34 (2011) 1436–1445 [34] M Gong, Z Sun, J Wu, Y Zhang, C Meng, Y Zhou, Performance of R170 mixtures as refrigerants for refrigeration at 80 C temperature range, Int J Refrig 32 (2009) 892–900 [35] J.A Dopazo, J Fernández-Seara, J Sieres, F.J Uhía, Theoretical analysis of a CO2–NH3 cascade refrigeration system for cooling applications at low temperatures, Appl Therm Eng 29 (2009) 1577–1583 [36] S Bhattacharyya, S Mukhopadhyay, A Kumar, R.K Khurana, J Sarkar, Optimization of a CO2–C3H8 cascade system for refrigeration and heating, Int J Refrig 28 (2005) 1284–1292 [37] T.S Lee, C.H Liu, T.W Chen, Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO2/NH3 cascade refrigeration systems, Int J Refrig 29 (2006) 1100–1108 Trang 72 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung [38] R Rezayan, A Behbahaninia, Thermoeconomic optimization and exergy analysis of CO2/NH3 cascade refrigeration systems, Energy 36 (2011) 888–895 [39] T Dang, K Vo1, C.Le, T Nguyen, an experimental study on subcooling process of a transcritical CO2 air conditioning cycle working with microchannel evaporator [40] Minhhung Doan, Thanhtrung Dang, An Experimental Investigation on Condensation in Horizontal Microchannels [41] Hồng Ngọc Đồng*, Nguyễn Thành Văn, Lê Minh Trí, nghiên cứu ứng dụng máy lạnh ghép tầng kỹ thuật bảo quản máu chế phẩm từ máu [42] Hồng Đình Tín Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt NXB Khoa [43] Thiết bị trao đổi nhiệt – PGS.TS Bùi Hải – TS Dương Đức Hồng - TS Hà Mạnh Thư – NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội - 2001 [44] A review of development of micro-channel heat exchanger applied in airconditioning system - Yanhui Han, Yan Liu, Ming Lia,Jin Huang [45] Modeling and Design of Plate Heat Exchanger - Fábio Antônio da Silva Mota, Esdras P Carvalho, Mauro A.S.S Ravagnani [46] Experimental investigation of heat recovery from R744 based refrigeration system - Zahid Anwar [47] ASHRAE Handbook - Fundamentals 2017 [48] A Theoretical Comparative Study of CO2 Cascade Refrigeration Systems [49] Recent Advances in Transcritical CO2 (R744) Heat Pump System: A Review [50] Nguyễn Đức Lợi - Giáo trình hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2005 [51] Lê Xuân Hòa - Giáo trình Kỹ Thuật Lạnh - Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, 2007 [52] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy – Máy thiết bị lạnh – NXB Giáo dục 1997 [53] Data Sheet Micro Plate Heat Exchanger Save you time and money D22 https://store.danfoss.com/en/Climate-Solutions-for-cooling/Heat-Exchangers/Plate- Trang 73 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Heat-Exchangers/Micro-Plate-Heat-Exchangers/Micro-Plate-heat-exchanger%2CMPHE-D22/p/021H1297 [54] Heat Trasfer Gregory Nellis, Sanford Klein Cambridge University Press 2009 [55] Type 316 and 316L Stainless Steels - https://www.thoughtco.com/type-316and-316l-stainless-steel-2340262 Trang 74 ... nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng R134a/ CO2 dùng trao đổi nhiệt compact cần thiết 1.3 Mục tiêu đề tài - Đưa kết tính tốn thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng R134a/ CO2 dùng trao đổi nhiệt compact. .. dụng trao đổi nhiệt ống lồng ống, nhóm chúng em chọn đề tài thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng R134a/ CO2 dùng trao đổi nhiệt compact nhằm để hiểu hiệu môi chất R134a CO2, trao đổi nhiệt dạng micro... đánh giá khả cấp nguồn cho hệ thống lạnh ghép tầng hệ thống đồng phát Lee cộng [10] thực phân tích nhiệt động lực học nhiệt độ ngưng tụ tối ưu bình ngưng – ghép tầng hệ thống lạnh ghép tầng CO2