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

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống làm lạnh đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống hiện đại, đặc biệt trong các lĩnh vực như điều hòa không khí, bảo quản thực phẩm và y tế Sự phát triển nhanh chóng của xã hội và tốc độ đô thị hóa gia tăng đã dẫn đến việc phát thải khí CO2 và các khí độc hại, gây ra hiệu ứng nhà kính và làm suy giảm tầng ozone.

Việc sử dụng môi chất có chỉ số GWP và ODP thấp đang trở thành chủ đề nghiên cứu phổ biến, đặc biệt là môi chất CO2 với ODP = 0 và GWP = 1, cùng với R134a cũng có ODP = 0, thường được sử dụng trong các ứng dụng làm lạnh trung bình và thấp.

Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt với kênh nhỏ, như thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro, mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt vượt trội so với các thiết bị truyền thống.

Nhóm chúng em đã kế thừa đề tài nghiên cứu hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 với bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống và chọn thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 sử dụng các bộ trao đổi nhiệt compact Mục tiêu là để hiểu rõ hơn về hiệu quả của môi chất R134a và CO2, cùng với việc áp dụng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm micro và dàn bay hơi mini Qua đó, chúng em sẽ đưa ra tổng quan và đánh giá về việc sử dụng các bộ trao đổi nhiệt compact trong máy lạnh ghép tầng.

Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Nghiên cứu của Bansal về môi chất lạnh CO2 đã làm rõ các nguyên tắc cơ bản và ứng dụng của nó trong hệ thống làm lạnh sâu Bài viết cũng thảo luận về tính an toàn, phân tích nhiệt động lực học và những thách thức trong việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống mới Đặc biệt, CO2 được đánh giá cao trong ngành công nghiệp thực phẩm nhờ tính thân thiện với môi trường.

Trang 2 trường và cạnh tranh về chi phí Hệ thống tăng cường tới hạn trong điều kiện khí hậu lạnh hơn và những tiềm năng của CO2 hệ thống lạnh phân tầng với một hydrocarbon hoặc một HFC điều kiện khí hậu ấm hơn, dường như là sự lựa chọn phổ biến Gần đây các nghiên cứu trên hệ thống phân tầng cho thấy rằng những hệ thống sử dụng CO2 làm môi chất, cho thấy CO2 là môi chất lạnh có hiệu suất tốt hơn 60% so với hệ thống lạnh một cấp thông thường sử dụng R404A tại nhiệt độ thấp Lorentzen và Petterson [2] đã đánh giá khả năng sử dụng bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống trên tới hạn CO2 Hwang và cộng sự [3] cho thấy các kết quả thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng bao gồm các giai đoạn mở rộng và chu kỳ giai đoạn kép Groll và cộng sự [4] thực hiện phân tích số của chu trình kép thay đổi tỷ số nén của mỗi giai đoạn nén Bhattacharyya và cộng sự[5] cho thấy một nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống ghép tầng CO2 / C3H8 để làm mát và sưởi ấm [6] Kim và cộng sự đã tổng kết những cải tiến về hiệu suất của các hệ thống dựa trên CO2 và các ứng dụng của chúng Họ đã cung cấp một đánh giá quan trọng về tài liệu và thảo luận về các xu hướng và đặc điểm quan trọng trong sự phát triển của công nghệ CO2 trong các ứng dụng làm lạnh

Gần đây, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra khả năng sử dụng CO2 làm chất làm lạnh, trong đó Deng và cộng sự đã phân tích lý thuyết về chu trình làm lạnh giãn nở của vòi phun CO2 trên tới hạn, sử dụng vòi phun thay vì van giãn nở Youngming và nhóm nghiên cứu đã phát triển hệ thống làm lạnh carbon dioxide hấp thụ nén ướt, trong khi Fernández-Seara và cộng sự phân tích hệ thống lạnh ghép tầng nén - hấp thụ với CO2 và NH3 là chất làm lạnh trong giai đoạn nén, và NH3 – H2O trong giai đoạn hấp thụ Lee và cộng sự đã thực hiện phân tích nhiệt động lực học về nhiệt độ ngưng tụ tối ưu trong hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3, nhưng chưa xem xét ảnh hưởng của hiệu suất máy nén đẳng entropy và giới hạn thực tế của nhiệt độ xả máy nén Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phân tích các thông số thiết kế cho hệ thống lạnh.

Trang 3 kế và vận hành của hệ thống làm mát ghép tầng CO2 / NH3 và ảnh hưởng của nó đối với COP của hệ thống và hiệu suất sử dụng Ý nghĩa thống kê của từng tham số được đánh giá đã được phân tích Hơn nữa, nghiên cứu tối ưu hóa các thông số này đã được đưa vào để cho thấy COP cao nhất Cuối cùng, một cuộc thảo luận về ảnh hưởng của hiệu suất đẳng entropy của máy nén đối với hệ thống tối ưu COP được trình bày

Nghiên cứu của Oh và Son [11] cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ của R-410A cao hơn R-22 và R-134A trong điều kiện lưu lượng dòng chất từ 450 – 1050 kg/m²s và nhiệt độ bão hòa 40°C Hệ số truyền nhiệt ngưng tụ của R-22 tương tự như R-134A Trong khi đó, On và cộng sự [12] đã khảo sát đặc tính truyền nhiệt ngưng tụ của R-134A trong ống tròn và 3 ống đồng dẹt, với đường kính trong 3,51 mm, cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ tăng khi mật độ khối lượng, mật độ dòng nhiệt, và lượng hơi gia tăng Azizi và cộng sự [13] nghiên cứu hệ số truyền nhiệt đối lưu và hệ số ma sát của môi chất nano đồng trong thiết bị giải nhiệt micro, cho thấy khi tỷ lượng nano đồng tăng từ 0.05% đến 0.3%, nhiệt trở giảm 21% và số Nusselt tăng 43%, trong khi hệ số ma sát tăng 45.5% so với nước nguyên chất.

Nghiên cứu về các hình dạng và kích thước khác nhau của kênh micro đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học Lee và cộng sự [14] đã thực nghiệm ảnh hưởng của vận tốc lưu chất khi thay đổi hướng đặt kênh, cho thấy sự tồn tại ngưỡng vận tốc mà quá trình truyền nhiệt không thay đổi Tương tự, Wang và cộng sự [15] đã nghiên cứu quá trình truyền nhiệt ngưng tụ của hơi nước trên các ống micro dọc với các đường kính khác nhau, phát hiện rằng hệ số truyền nhiệt giảm khi độ chênh nhiệt độ tăng Sakanova và cộng sự [16] đã cải tiến công suất truyền nhiệt trong thiết bị tản nhiệt kênh micro bằng cách sử dụng kênh gợn sóng và các loại mụi chất nano, với kích thước kênh rộng 85 µm, cao 700 µm và dài 10 mm, cùng ba loại biên độ sóng 25 µm, 50 µm và 75 µm.

Nghiên cứu đã khảo sát hiệu suất truyền nhiệt của các kênh micro gợn sóng với kích thước 250 àm và 500 àm, lưu lượng thể tích từ 0.152 lớt/phỳt đến 0.354 lớt/phỳt, sử dụng ba loại môi chất nano: đồng-nước, oxit silic-nước và kim cương với nồng độ thể tích từ 1% đến 5% Kết quả cho thấy rằng kênh micro gợn sóng có năng suất truyền nhiệt cao hơn đáng kể so với kênh phẳng truyền thống khi sử dụng nước, nhưng khi thay thế bằng các môi chất nano, ưu thế này giảm đi Nghiên cứu của Liu và các cộng sự cũng chỉ ra rằng trong quá trình ngưng tụ của R-152A trong kênh micro tròn và vuông, hệ số truyền nhiệt và độ chênh áp tăng khi lưu lượng chất và chất lượng dòng hơi tăng, trong khi giảm khi nhiệt độ bão hòa tăng.

Sánchez và các cộng sự đã nghiên cứu tác động của năng lượng đến hệ thống lạnh ghép tầng gián tiếp HFC134a/CO2 trong các ứng dụng thương mại Nghiên cứu này liên quan đến hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2, nhằm cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho các ứng dụng công nghiệp.

Trang 5 lạnh được thử nghiệm ở điều kiện phòng thí nghiệm với nhiệt độ ngưng tụ lần lượt là (25, 35 và 45ºC), dùng để bảo quản sản phẩm tươi (2ºC) và một sản phẩm đông lạnh (-20ºC) Đánh giá năng lượng được thử nghiệm trong 24 giờ hoạt động ổn định ở điều kiện thử nghiệm Nhiệt độ bay hơi giảm từ 1,9 đến 3,5 0 K của tầng trên đã được đo khi sử dụng một hệ thống gián tiếp Nó dẫn đến sự thay đổi mức tiêu thụ năng lượng của toàn hệ thống trong khoảng từ 7.6 đến 14.0% khi sử dụng propylene- glycol/nước là chất tải lạnh

Kock và cộng sự đã tiến hành đánh giá thử nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng R134a/CO2, sử dụng hai chu trình nén hơi với máy nén nửa kín kết nối qua bộ trao đổi nhiệt dạng tấm Thử nghiệm được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ bay hơi từ -40 đến -30 độ C và nhiệt độ ngưng tụ từ 30 đến 50 độ C Kết quả cho thấy hiệu suất năng lượng của hệ thống làm mát tỷ lệ thuận với nhiệt độ ngưng tụ của chu trình nhiệt độ thấp, trong khi ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ ở chu trình nhiệt độ cao là không đáng kể Hệ số làm lạnh COP tăng khi nhiệt độ ngưng tụ giảm, với giá trị COP dao động từ 1,05 ở -40 độ C và 40 độ C đến 1,65 tại -30 độ C.

30 0 C Hệ số làm lạnh COP giảm 18% khi nhiệt độ ngưng tụ tầng cao tăng 10 0 C và giảm 12% khi nhiệt độ bay hơi giảm 5 0 C

Gần đây, nhiều nghiên cứu tối ưu hóa đã được thực hiện trên hệ thống bơm nhiệt-ghép tầng, bao gồm các hệ thống lạnh nén hơi một cấp và nhiều cấp với các mô hình thuận nghịch và không thuận nghịch (Bejan, 1996; Chen cùng các cộng sự, 1999; Durmayaz cùng các cộng sự, 2004) Bejan (1989) nhấn mạnh tầm quan trọng của nhiệt độ giữa các giai đoạn và độ dẫn bên trong trong thiết kế tối ưu hệ thống điện và làm lạnh Trong khi đó, Chen và Wu (1996) đã ứng dụng phương trình Lagrange để tối ưu hóa hệ thống lạnh hai giai đoạn có thể đảo ngược Đến năm 2004, Chen và các cộng sự đã phát triển phân tích biểu thức nhằm tối ưu hóa việc phân bổ kho thiết bị.

Trang 6 bị trao đổi nhiệt cho các chu trình Carnot có thể thuận nghịch và không thuận nghịch đối với thiết bị trao đổi nhiệt nhiệt độ không đổi và nhiệt độ thay đổi Goktun (1999) đã nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở nhiệt và tính không thuận nghịch bên trong đối với hiệu suất của một máy lạnh 2 cấp không thuận nghịch bên trong Chen (1999) đã kiểm tra thêm ảnh hưởng của sự rò rỉ nhiệt giữa các bể chứa nhiệt và sự tản nhiệt bên trong giữa các chất lỏng làm việc đối với hiệu suất của hệ thống lạnh hai cấp không thuận nghịch Một nghiên cứu tương tự đã được báo cáo bởi Sahin cùng các cộng sự (2001) đối với tải làm lạnh tối đa trên mỗi đơn vị tổng chi phí Hầu hết các nghiên cứu này đều tập trung vào hệ thống làm lạnh nhiều cấp để tối đa hóa tải làm mát hoặc sưởi ấm, và như vậy giữ lại các chu trình ghép tầng có tổng hàng tồn kho tối thiểu chưa được tính

Nghiên cứu của Bhattacharyya và các cộng sự (2007) đã phân tích một chu trình ghép tầng hai cấp nhằm tối ưu hóa nhiệt độ trung gian, từ đó nâng cao hiệu quả làm lạnh và exergy Họ cũng tối ưu hóa nhiệt độ bình chứa nhiệt một cách độc lập Kết quả phân tích này được xác nhận qua mô hình số toàn diện của hệ thống ghép tầng CO2 trên tới hạn – C3H8, cho thấy sự phù hợp tốt với nhiệt độ tối ưu được dự đoán.

Nghiên cứu của Getu và Bansal [20] về tối ưu hóa máy lạnh ghép tầng R744/R717 đã phân tích nhiệt động của hệ thống lạnh này nhằm cải thiện các thông số thiết kế và vận hành Các yếu tố được xem xét bao gồm nhiệt độ ngưng tụ, quá lạnh, nhiệt độ bay hơi, quá nhiệt của chu trình R717, cùng với độ chênh nhiệt độ trong thiết bị trao đổi nhiệt và các thông số tương tự của tầng dưới R744 Kết quả cho thấy khi độ quá nhiệt tăng, tỷ lệ lưu lượng khối lượng gia tăng nhưng hệ số hiệu suất (COP) lại giảm Ngược lại, khi nhiệt độ bay hơi tăng, cả tỷ lệ lưu lượng khối lượng và COP đều tăng Tuy nhiên, khi nhiệt độ ngưng tụ tăng, COP giảm trong khi tỷ lệ lưu lượng môi chất lạnh tăng Cuối cùng, độ chênh nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ ghép tầng tăng dẫn đến giảm tỷ lệ lưu lượng khối lượng và COP của hệ thống.

Ma và hai cộng sự đã trình bày một hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3, sử dụng thiết bị ngưng tụ bay hơi dạng màn làm bộ trao đổi nhiệt ghép tầng Phân tích nhiệt động cho thấy hệ số hiệu suất (COP) được cải thiện nhờ chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn trong quá trình trao đổi nhiệt Một mô hình dựa trên phương pháp NTU đã được phát triển, xem xét các ràng buộc của tổng độ dẫn nhiệt Mô hình này giúp kiểm tra ảnh hưởng của các thông số chính đến cấu hình hệ thống nhằm đạt điều kiện COP tối đa Kết quả cho thấy, khi COP đạt tối đa, tỷ lệ phân bố độ dẫn nhiệt chủ yếu bị chi phối bởi chênh lệch nhiệt độ của ba bộ trao đổi nhiệt cùng với hệ số hiệu suất của thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi Nghiên cứu này có thể góp phần vào việc phát triển và tối ưu hóa thiết kế các hệ thống lạnh ghép tầng.

Gholamian cùng với cộng sự [22] phân tích nâng cao exergy của hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3 Trong nghiên cứu hiện tại, một hệ thống lạnh ghép tầng

Mục tiêu đề tài

- Đưa ra được các kết quả tính toán và thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 dùng các bộ trao đổi nhiệt compact

- Xác định được COP cho hệ thống ghép tầng này

- Đánh giá hiệu quả của mô hình hệ thống lạnh ghép tầng so với tính toán lý thuyết

Đối tượng và giới hạn đề tài

- Hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất lạnh R134a/R744 (CO 2 )

- Các thông số nhiệt động của chu trình

Hệ thống có năng suất lạnh 2000W tại nhiệt độ phòng lạnh -20°C, sử dụng môi chất CO2 cho tầng thấp và R134a cho tầng cao Thí nghiệm được thực hiện tại TP.Hồ Chí Minh với các thiết bị trao đổi nhiệt compact, bao gồm dàn lạnh ống mini và bộ trao đổi nhiệt ghép tầng kênh micro.

Các thông số quan trọng cần nghiên cứu trong hệ thống bao gồm áp suất và nhiệt độ tại các điểm nút, công suất nhiệt, năng suất lạnh, công suất của máy nén, hệ số làm lạnh, và chỉ số hiệu quả năng lượng (COP) giữa các tính toán lý thuyết và thực nghiệm.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Tổng quan các nghiên cứu liên quan

- Tính toán lý thuyết chu chình

- Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Phương pháp tổng quan là việc tổng hợp các bài báo nghiên cứu khoa học có liên quan để xác định mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Phương pháp tính toán bao gồm việc sử dụng các dữ liệu ban đầu và có sẵn để thực hiện tính toán lý thuyết cho các chu trình lạnh, cũng như lựa chọn thiết bị phù hợp Điều này tạo nền tảng cho việc phát triển mô hình thực nghiệm và tiến hành tính toán dựa trên các kết quả thực nghiệm thu được.

- Phương pháp thiết kế: Chọn thiết bị phù hợp, lắp đặt chế tạo dựa trên các thông số tính toán lý thuyết và vận hành

- Phương pháp thực nghiệm: sau khi lắp đặt, cho hệ thống này vận hành, tiến hành lấy dữ liệu và tính toán

- Phương pháp phân tích dữ liệu: Tính toán và đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống dựa vào các giá trị thực nghiệm thu được

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở truyền nhiệt

Theo định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng không thể tự sinh ra hay mất đi, mà chỉ chuyển đổi giữa các dạng khác nhau Nhiệt động lực học nghiên cứu sự biến đổi năng lượng từ nhiệt năng sang các dạng năng lượng khác Nghiên cứu truyền nhiệt tập trung vào việc phân tích sự trao đổi nhiệt năng giữa các vật có nhiệt độ khác nhau, nhằm tìm hiểu nguyên nhân của quá trình truyền nhiệt và dự đoán mức độ trao đổi nhiệt.

Dòng nhiệt di chuyển từ khu vực có nhiệt độ cao đến khu vực có nhiệt độ thấp, xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ Việc xác định phân bố nhiệt độ là cần thiết để tính toán năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.

Có 3 dạng truyền nhiệt cơ bản là dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ

Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp, thông qua sự va chạm giữa các nguyên tử và phân tử hoặc bằng cách truyền động năng.

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình diễn ra khi chất lỏng chảy qua bề mặt của vật rắn, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên Quá trình này xảy ra nhờ vào sự dịch chuyển tương đối giữa chất lỏng và bề mặt vật rắn, cùng với sự khác biệt về nhiệt độ.

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình truyền nhiệt năng giữa hai vật có nhiệt độ khác nhau mà không cần tiếp xúc, xảy ra khi chúng được đặt cách xa nhau trong môi trường chân không Quá trình này diễn ra một phần và là một hình thức quan trọng của sự trao đổi nhiệt.

Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm

Trong cuộc sống hiện đại, nhu cầu làm nóng hoặc làm mát các chất rắn, lỏng và khí ngày càng trở nên phổ biến Để đáp ứng nhu cầu này, thiết bị trao đổi nhiệt đã được nghiên cứu và phát triển, giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt.

Trong hệ thống điều hòa không khí, môi chất lạnh bao gồm các chất lỏng và khí, đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi nhiệt Số lượng môi chất tham gia có thể là hai hoặc nhiều hơn, tùy thuộc vào thiết kế của hệ thống.

Ngày nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu và phát triển các thiết bị trao đổi nhiệt hiệu suất cao cho hệ thống điều hòa không khí Trong số đó, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm nổi bật với hiệu quả tốt, đang được cải tiến để trở nên nhỏ gọn hơn và đáp ứng nhiều mục đích sử dụng khác nhau.

2.2.1 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm được cấu tạo từ nhiều tấm kim loại gia công, có các đường chuyển động cho lưu chất, sau đó được ghép lại để tạo thành thiết bị Mỗi tấm có bốn lỗ lớn cho dòng lưu chất đi vào và ra, cùng với các gân và rãnh để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt Cấu tạo cơ bản của thiết bị này được minh họa trong hình 2.1.

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm sử dụng gioăng cao su để cố định các tấm trao đổi nhiệt, như thể hiện trong Hình 2.1 Bên cạnh đó, còn tồn tại loại tấm hàn, được minh họa trong Hình 2.2 Trong thiết bị này, dòng lưu chất nóng và lạnh di chuyển vào và ra, tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt.

Hình 2 1: Cấu trúc thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm [45]

Các lưu chất lỏng nóng và lạnh chảy qua các rãnh của tấm, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt hiệu quả Các tấm được sắp xếp xen kẽ, với một tấm chứa dòng môi chất có nhiệt độ cao và một tấm chứa dòng môi chất có nhiệt độ thấp.

2.2.2.1 Ưu điểm Đối với thiết bị trao đổi nhiệt loại gioăng cao su, có thể dễ dàng tháo lắp và chùi rửa

Hiệu quả năng lượng và khả năng truyền nhiệt cao

Có thể điều chỉnh công suất

Tiết kiệm chi phí đầu tư

Các rãnh giữa các tấm có thể bị tắc nghẽn bởi cáu cặn bẩn, gây khó khăn trong việc vệ sinh Đặc biệt, đối với loại tấm hàn, việc làm sạch sẽ trở nên phức tạp hơn do không thể tháo rời chúng.

Phải sử dụng nguồn nhiệt lạnh khác mà không phải gió.

Máy lạnh ghép tầng

Máy lạnh ghép tầng hoạt động với hai chu trình độc lập, bao gồm chu trình tầng nhiệt độ cao và chu trình tầng nhiệt độ thấp Mỗi chu trình có thể sử dụng loại môi chất riêng biệt, trong đó chu trình tầng cao sử dụng môi chất R134a.

Hình 2 2: Dòng chuyển động của lưu chất nóng (đỏ) và lạnh (xanh)

Trang 15 tầng thấp sử dụng môi chất CO2 Cả hai chu trình được kết nối với nhau bằng thiết bị trao đổi nhiệt và trong bài nghiên cứu này nhóm chúng em sử dụng bộ trao đổi nhiệt kênh micro Thiết bị này vừa là thiết bị bay hơi của chu trình tầng cao R134a, vừa là thiết bị ngưng tụ của chu trình tầng thấp CO2 Hình 2.3 mô tả chu trình máy lạnh ghép tầng dùng 2 chu trình máy lạnh 1 cấp

Hệ thống máy lạnh ghép tầng R134a/CO2 hoạt động theo chu trình tuần hoàn, trong đó ở tầng cao, hơi R134a được máy nén hút vào và nén thành hơi áp suất cao, nhiệt độ cao Sau đó, hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ, nhả nhiệt cho môi trường và chuyển đổi thành lỏng cao áp Lỏng này tiếp tục qua van tiết lưu, giảm áp suất và nhiệt độ, trở thành hơi áp suất thấp trước khi vào bộ trao đổi nhiệt với CO2 Tại tầng thấp, hơi CO2 được nén tương tự, nhả nhiệt cho R134a và ngưng tụ thành lỏng cao áp, rồi tiếp tục qua van tiết lưu để hoàn thành chu trình.

Trang 16 nhiệt độ thấp đi vào thiết bị bay hơi và hơi môi chất tiếp tục được máy nén hút về và chu trình lặp lại

2.3.2 Đặc điểm chu trình máy lạnh ghép tầng

Do các chu trình máy lạnh ở các tầng vận hành độc lập với nhau nên có thể sử dụng nhiều loại môi chất cho mỗi tầng khác nhau

Mỗi chu trình ở các tầng đều sử dụng đầy đủ các thiết bị như máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và van tiết lưu

Máy lạnh 1 cấp có quy trình tính toán tương tự như các hệ thống khác Để máy lạnh ghép tầng hoạt động ổn định, công suất lạnh của tầng trên phải bằng nhiệt lượng ngưng tụ của tầng dưới, khi không tính đến tổn thất nhiệt Mỗi tầng có thể sử dụng nhiều máy lạnh khác nhau để nâng cao hiệu suất làm lạnh.

Nếu 2 hệ thống lạnh gồm một hệ có nhiều cấp và 1 hệ có nhiều tầng (mỗi tầng là 1 máy lạnh 1 cấp) thì máy lạnh ghép tầng đạt độ lạnh sâu hơn

2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm

Có thể đạt được nhiệt độ bay hơi xuống từ -40 tới -55 o C

Hệ thống ghép tầng sử dụng hai chu trình độc lập, cho phép lựa chọn môi chất với các đặc tính phù hợp cho từng tầng.

Các thông số giữa các tầng có sự liên kết chặt chẽ; do đó, nếu có sự sai lệch ở một tầng nào đó, sẽ tác động đến các tầng còn lại, ảnh hưởng đến toàn bộ chu trình.

Thiết bị phức tạp hơn so với chu trình máy lạnh 1 cấp và 2 cấp

Chi phí đầu tư cao

Môi chất lạnh CO 2 (R744) và R134a

Bảng 2 1: Bảng các đặc tính của môi chất CO2 và môi chất R134a

Nhóm Môi chất tự nhiên HFCs

Tên gọi khác Cacbon điôxít Tetrafluoroethane

Tính dễ cháy Không Không

Tính độc hại Không Không Áp suất tới hạn (bar) 73,8 40,7

Hình 2 4: Sơ đồ chuyển pha theo áp suất nhiệt độ của CO 2 [46]

Theo Bảng 2.1 và Hình 2.4, nhiệt độ và áp suất tới hạn của CO2 lần lượt là 73.8 bar và 31.1 °C, trong khi nhiệt độ và áp suất điểm dưới tới hạn là -56 °C và 5.2 bar (Hình 2.5) CO2 là một môi chất lạnh thuộc nhóm môi chất tự nhiên, với mức độ độc hại thấp và tính không dễ cháy, đồng thời có chỉ số nóng lên toàn cầu.

Trang 18 toàn cầu thấp (GWP = 1) và gần như không gây tổn hại tới tầng ozone (ODP = 0)

Máy lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2 ở tầng thấp đang trở nên phổ biến nhờ vào những lợi ích vượt trội như độ dẫn nhiệt cao, khối lượng riêng thấp, nhiệt ẩn hóa hơi lớn, nhiệt dung riêng cao và độ nhớt động học thấp Hệ thống CO2 thường được áp dụng ở tầng thấp để tránh việc chu trình CO2 vượt quá giới hạn ở tầng cao Việc hiểu rõ ưu nhược điểm của môi chất CO2 là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống lạnh.

+ Năng suất làm lạnh cao

+ Giá thành thấp và dễ dàng tìm kiếm

+ Hệ thống CO2 có giá thành cao

+ Các thiết bị trong hệ thống CO2 làm việc ở áp suất cao nên cần được kiểm định thường xuyên

Hình 2 5: Biểu đồ áp suất – enthalpy của môi chất CO 2 (R744) [47]

Môi chất R134a hay còn gọi là Tetrafluoroethane, công thức hóa học là CF2F-

CF3, hay còn gọi là R134a, là một môi chất thuộc nhóm HFC với nhiệt độ và áp suất tới hạn lần lượt là 101,1 °C và 40,7 bar Môi chất này có chỉ số ODP bằng 0 và GWP là 1300, cho thấy nó không gây hại cho tầng ozone và đang được sử dụng phổ biến thay thế cho R12 Tuy nhiên, R134a không có nhiều đặc điểm thuận lợi và hiệu quả năng lượng không cao.

+ Không gây phá hủy tầng ozone, không dễ cháy nổ, không độc hại

+ Phù hợp với hầu hết các loại kim loại và hợp kim chế tạo máy

+ Gây ra sự nóng lên toàn cầu

+ Môi chất này có hệ số làm lạnh không cao

Hình 2 6: Biểu đồ áp suất – enthalpy của môi chất R134a [47]

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

3.1 Tính toán số liệu sơ bộ Địa điểm lắp đặt: Xưởng Nhiệt, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, số 1, Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam

Thể tích không gian cần làm lạnh V = 0,6 × 0,5 × 0,5 (m 3 )

Nhiệt độ môi trường, có mái che: tmt = 29 o C Độ ẩm: 74%

Với tầng trên, dùng môi chất lạnh R134a, hệ thống dùng dàn ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí

Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tầng trên được xác định theo công thức trong tài liệu [51] Cụ thể, tk = tw + Δtk, trong đó tw là nhiệt độ của môi trường giải nhiệt, được lấy là tmt = 29 oC Đối với môi chất R134a, công thức trở thành tk(R134a) = tmt + Δtk Khi sử dụng gió làm phương tiện giải nhiệt, hiệu nhiệt độ trung bình giữa môi chất lạnh ngưng tụ và không khí là △tk = (10 ÷ 15) oC.

Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tầng trên tk(R134a) = tmt + tk = 29 + 10 = 39 o C Nhiệt độ yêu cầu: tyc = -20 o C

Với tầng dưới, dùng môi chất lạnh CO2 và nhiệt độ yêu cầu: tyc = -20 o C

Nhiệt độ bay hơi của môi chất tầng dưới xác định theo công thức trang 204 tài liệu [50]: t0(CO2) = tyc – t0 [50]

Với dàn bay hơi trực tiếp thì hiệu nhiệt độ tối ưu t0 = 8 – 13 o C

Nhiệt độ bay hơi của môi chất tầng dưới CO2 được tính bằng công thức t0 = tyc – Δt0, với giá trị là -30°C Đồng thời, nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh tầng dưới (CO2) cũng cần được xem xét, cùng với nhiệt độ bay hơi của môi chất tầng trên (R134a).

Do không có phụ tải lạnh trung gian, nên tk (CO2) và t0(R134a) xác định theo công thức trang 49 tài liệu [51]: tk(R134a) – t0(R134a) = tk (CO2) – t0(CO2)

Độ chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ của CO2 tại tầng thấp và nhiệt độ bay hơi của R134a tại tầng cao trong thiết bị trao đổi nhiệt được xác định là khoảng 5 đến 6 độ C, với giá trị được chọn là 5 độ C.

Từ (1) và (2) ta suy ra: tk (CO2) = 7 o C, t0(R134a) = 2 o C

Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh tầng dưới (CO2) là 7°C, trong khi nhiệt độ bay hơi của môi chất tầng trên (R134a) là 2°C Để nghiên cứu các thông số nhiệt động của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2, cần thực hiện các phép tính riêng cho từng tầng dựa trên các công thức của hệ thống lạnh một cấp.

3.2 Tầng dưới môi chất lạnh CO 2

Tầng dưới sử dụng môi chất lạnh CO2 làm việc theo các thông số sau:

- Môi chất làm việc: CO2

- Năng suất lạnh yêu cầu: Q0 = 2 kW

- Nhiệt độ ngưng tụ: tk (CO2) = 7 o C

- Nhiệt độ bay hơi: t0 (CO2) = -30 o C

Nhiệt độ quá nhiệt (nhiệt độ hơi hút) tqn là nhiệt độ của hơi trước khi vào máy nén, được tính theo công thức trong tài liệu [50] Cụ thể, tqn được xác định bằng công thức tqn = t0 + ∆tqn, trong đó ∆tqn nằm trong khoảng từ 5 đến 15.

 Nhiệt độ quá nhiệt : tqn = -30 + 10 = -20 o C

Với nhiệt độ ngưng tụ: tk (CO2) = 7 o C

Tra bảng tính chất vật lý của hơi và lỏng bão hòa của CO2: [47]

Áp suất ngưng tụ pk (CO2) = 4,17 MPa = 41,7 bar

Với nhiệt độ bay hơi: t0(CO2) = -30 o C

Tra bảng tính chất vật lý của hơi và lỏng bão hòa của CO2: [47]

 Áp suất bay hơi p0(CO2) = 1,43 MPa = 14,3 bar

3.2.1 Tính cấp nén của chu trình

Ta có tỉ số nén của chu trình:

Do tỷ số nén π= 2,9 9 nên ta chọn chu trình nén 1 cấp

3.2.2 Tính toán, thiết lập thông số các điểm nút

Ta có: Bảng 3.1 lả thông số điểm nút rút ra từ Hình 3.1

Bảng 3 1: Thông số trạng thái của chu trình tầng dưới môi chất CO 2 Điểm nút t ( o C) p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kg.K) v (m 3 /kg) Trạng thái

Hình 3 1: Đồ thị lgp-h của chu trình tầng dưới CO 2

- Năng suất lạnh riêng: q0 = h1 – h4 = 439 – 218 = 220 kJ/kg

- Công máy nén riêng: l = h2 – h1’ = 491 – 449 = 42 kJ/kg

- Công suất nhiệt riêng: qk = h2 – h3 = 491 – 218 = 273 kJ/kg

- Lưu lượng môi chất qua máy nén: m = 𝑄 0

- Thể tích hút thực tế Vtt (CO2) :

- Hệ số lạnh của chu trình: ε1 = 𝑄 0

3.2.3 Chọn thiết bị cho hệ thống a Chọn động cơ máy nén

Ta chọn máy nén gián tiếp thông qua mối liên hệ giữa công suất điện của động cơ máy nén và công nén đoạn nhiệt của máy nén

Công suất điện của động cơ máy nén được xác định theo công thức 7-23 và 7–

+ k: hệ số làm việc an toàn k = (1,1 ÷ 2,1)  Chọn k = 1,1 do máy hoạt động ổn định

+ N: Công nén đoạn nhiệt của máy nén

+ η: hiệu suất nén: η = ηi.ηe.η tđ ηel theo công thức 7–18 tài liệu [50]

Hệ số hiệu suất chỉ thị ηi được xác định từ quá trình nén đoạn nhiệt thực tế, không phải là quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch Công thức tính ηi được trình bày trong tài liệu [50] là ηi = 𝑇 0.

7+273 + 0,001 (-30) = 0,84 + ηe: Hệ số hiệu suất cơ học do tổn thất ma sát tại các bề mặt chuyển động (do nhà chế tạo quy định), chọn ηe = 0,95

+ ηtđ: Hệ số hiệu suất truyền động giữa máy nén và động cơ, vì máy nén kín truyền động trực tiếp nên chọn ηtđ = 1

+ ηel: Hệ số hiệu suất của động cơ điện, chọn ηel = 0,95

Thay các hệ số hiệu suất vào ta được: η = 0,84.0,95.1.0,95 =0,76

Vậy công suất điện của động cơ máy nén CO2:

Kết luận, với công suất điện động cơ Nđc là 547 W và thể tích hút thực tế Vtt (CO2) đạt 2,52×10 -4 m 3/s, máy nén piston CO2 kín model SRCACA của hãng SANDEN với công suất 550W là sự lựa chọn phù hợp cho hệ thống thiết kế.

- Điện áp hoạt động: 220 – 240vAC/50Hz – 1 pha

- Giới hạn áp suất làm việc: 12MPa

Với máy nén piston CO2 kín có công suất 550W, qua tính toán xác định lại các giá trị như sau:

- Năng suất lạnh Q0 (CO2) = 1,98 kW

- Công suất nhiệt Qk (CO2) = 2,467 kW

- Công máy nén lạnh: N(CO2) = 0,38 kW

- Lưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống: m1 = 0,00904 kg/s

Trang 25 b Tính chọn thiết bị bay hơi

Thiết bị bay hơi thực hiện nhiệm vụ trao đổi nhiệt giữa môi trường cần làm lạnh với hơi môi chất có áp suất thấp và nhiệt độ thấp

Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi đối lưu cưỡng bức được xác định theo công thức 8-9 tài liệu [50]:

 F: Diện tích trao đổi nhiệt dàn bay hơi (m 2 )

 Q0: Năng suất lạnh yêu cầu, Q0 = 1,98 kW

 Δt: Độ chêch lệch nhiệt độ trung bình lgarit

Hệ số truyền nhiệt k xác định theo công thức 13.9 tài liệu [42]: k = 1 1

 αkk: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu về phía không khí, W/m 2 K

 λ: Hệ số dẫn nhiệt dàn bay hơi, W/m.K

 αCO2: Hệ số tỏa nhiệt về phía môi chất lạnh CO2, W/m 2 K

 δ: Chiều dày ống của dàn bay hơi (m)

Hệ số tỏa nhiệt về phía môi chất lạnh CO2:

Dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức, ta xét môi chất toả nhiệt khi sôi bọt (trang 218)

Áp suất sôi của môi chất CO2 14,3 bar; suy ra nhiệt độ sôi là: ts = -30 o C

Chọn nhiệt độ vách ngoài: tw = -24 o C

Từ nhiệt độ sôi ts = -30 o C, tra bảng thông số vật lý của CO2 [47] ta có:

 Khối lượng riêng của hơi 𝜌ℎ = 𝜌′′ = 37,1 kg/m 3

 Khối lượng riêng của lỏng 𝜌𝑓 = 𝜌′ = 1075,7 kg/m 3

Hệ số tỏa nhiệt αCO2 khi sôi bọt xác định theo công thức 10.10’ tài liệu [42]:

2 𝑣.𝜎.𝑇 𝑠 ) ∆𝑡 2 Với b là hệ số và được xác định: b = 0,075.[1 + 10.( ⍴ ℎ

1075,7− 37,1) 2 3 ] = 0,156 Thay hệ số b vào hệ số toả nhiệt αCO2:

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của không khí về phía môi chất CO2 được xác định theo công thức tài liệu [42] trang 136:

Le Giả sử: Le = d = 0,008mm là đường kính ống

Mức độ giảm nhiệt của không khí trong dàn bay hơi là ∆𝑡 = 5 ÷ 10℃ chọn độ chênh lệch là 5 0 C tài liệu [50] trang 298

Nhiệt độ ra khỏi quạt: tkk,ra = tkk,vào -5 = -20 - 5 = -25℃

Nhiệt độ trung bình của không khí trong dàn khi nhiệt độ phòng đạt yêu cầu: tf = 0,5.(-30 + -25) = -27,5 o C

Từ tf = -27,5 o C, tra bảng thông số vật lý của không khí khô [42] ta có:

 Nhiệt dung riêng đẳng áp: Cpf = 1,013 kJ/kgK

 Độ nhớt động học vf = 11,04.10 -6 m 2 /s

Ta chọn vận tốc gió ra khỏi dàn là ω=4m/s

Theo tiêu chuẩn Reynolds tài liệu [42] trang 134:

11,04.10 −6 = 2898,55 > 1000 Tiêu chuẩn Nusselt xác định theo công thức 8.36 tài liệu [42]:

Với góc va chạm: ψp, suy ra: εψ=0,98

Tra bảng thông số vật lý của không khí khô [42] ta có:

Hệ số tỏa nhiệt không khí qua 1 hàng ống là:

Hệ số tỏa nhiệt trung bình của không khí qua chùm ống so le:

Hệ số tỏa nhiệt CO2 (αCO2) và không khí (KK) như Bảng 3.2

Bảng 3 2: Hệ số tỏa nhiệt CO 2 (  CO2 ) và không khí (  KK )

Môi chất CO2 Không khí

Giả sử dàn bay hơi mini có các thông số như Bảng 3.3:

Bảng 3 3: Thông số dàn bay hơi

Chiều dày ống của dàn bay hơi δ (mm) 0,7 Đường kính ống (mm) 8

Hệ số dẫn nhiệt λ của đồng (W/m.K) 80,2

Từ các giá trị như Bảng 3.2 và Bảng 3.3, hệ số truyền nhiệt k:

Vậy hệ số truyền nhiệt của dàn bay hơi là: k = 1 1

t: Độ chênh nhiệt độ trung bình lgarit, được xác định theo công thức trang 282 tài liệu [50]:

Nhiệt độ môi chất sôi và hoá hơi trong dàn bay hơi -30 o C

Để đạt yêu cầu, hệ thống cần được vận hành từ nhiệt độ không khí ban đầu là 29°C cho đến khi ổn định ở mức -20°C.

Quá trình trao đổi nhiệt giữa dàn bay hơi của môi chất CO2 và không khí được thể hiện trong Hình 3.2 Từ đó, ta có thể tính toán các thông số nhiệt độ như sau: chênh lệch nhiệt độ tối đa (Δtmax) là 59°C, được tính từ nhiệt độ vào của không khí (tkk, vào) là 29°C và nhiệt độ ra của CO2 (tCO2, ra) là -30°C Chênh lệch nhiệt độ tối thiểu (Δtmin) là 10°C, với nhiệt độ vào của CO2 (tCO2, vào) là -20°C và nhiệt độ vào của không khí (tKK, vào) là -30°C.

Khi đó, độ chênh nhiệt độ trung bình lgarit:

 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi đối lưu cưỡng bức:

Ta có: Đường kính ống: d = 8mm

Hình 3 2: Đồ thị chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa CO 2 và không khí

Chọn: bước ống ngang s1 = 20 mm, bước ống dọc s2 = 15mm, chiều dài ống 320mm

Suy ra: Số cụm ống: N = 𝑛

Chọn số cụm ống là 6

Vậy, chọn vỏ thiết bị có H = 0,3m; b = 0,15m

Hình 3.3 là mô hình sơ bộ của dàn bay hơi ống mini sau khi tính toán dựng bằng phần mềm AutoCAD 3D

Hình 3 3: Kích thước sơ bộ của dàn bay hơi ống mini (đơn vị: mm)

3.3 Tầng trên môi chất lạnh R134a

Tầng trên sử dụng môi chất lạnh R134a làm việc theo các thông số sau:

- Điều kiện để máy lạnh ghép tầng hoạt động ổn định:

 Năng suất lạnh yêu cầu: Q0(R134a) = Qk(CO2) = 2,467 kW

- Nhiệt độ ngưng tụ: tk (R134a) = 39 o C

- Nhiệt độ bay hơi: t0 (R134a) = 2 o C Độ quá nhiệt hơi hút về máy nén:

Nhiệt độ quá nhiệt (nhiệt độ hơi hút) tqn là nhiệt độ của hơi trước khi vào máy nén, được xác định theo công thức trong tài liệu [50]: tqn = t0 + ∆tqn, với ∆tqn nằm trong khoảng 10 đến 15 độ.

Chọn độ chênh lệch nhiệt độ ∆tqn o C

 Nhiệt độ quá nhiệt : tqn = 2 + 10 = 12 o C

Với nhiệt độ ngưng tụ: tk (R134a) = 39 o C

Tra bảng tính chất vật lý của hơi và lỏng bão hòa của R134 theo bảng [47]:

 Áp suất ngưng tụ pk (R134a) = 0,989 MPa = 9,89 bar

Với nhiệt độ bay hơi: t0(R134a) = 2 o C

Tra bảng tính chất vật lý của hơi và lỏng bão hòa của R134a theo bảng [47]:

 Áp suất bay hơi p0(R134a) = 0,314 MPa = 3,14 bar

3.3.1 Tính cấp nén của chu trình

Ta có tỉ số nén của chu trình:

Do tỷ số nén π= 3,14 9 nên ta chọn chu trình nén 1 cấp

Bài viết này tập trung vào việc tính toán chu trình R134a trong hai trường hợp: chu trình một cấp có hồi nhiệt và chu trình không hồi nhiệt Mục tiêu là đánh giá và so sánh hiệu quả của hai chu trình này để lựa chọn phương án tối ưu hơn cho hệ thống làm lạnh.

Nhiệt độ quá lạnh (nhiệt độ trước tiết lưu) xác định theo công thức trang 130 tài liệu [52], từ đó suy ra: tql = tk - ∆tql Với: ∆tql = 8 ÷15 [50]

Chọn độ quá lạnh phù hợp ∆tql o C

 Nhiệt độ quá lạnh : t ql = 39 - 10 = 29 o C

3.3.2 Tính toán, thiết lập thông số các điểm nút

Ta có: Bảng 3.4 là thông số điểm nút rút ra từ Hình 3.4

Bảng 3 4: Thông số trạng thái của chu trình tầng dưới môi chất R134a Điểm nút t ( o C) p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kg.K) v (m 3 /kg) Trạng thái

TH1: Tính toán có sử dụng hồi nhiệt:

- Năng suất lạnh riêng: q0(R134a) = h1 – h4 = 400 – 240 = 160kJ/kg

- Công máy nén riêng: l2 = h2 – h1’ = 434 – 410 = 24 kJ/kg

- Công suất nhiệt riêng: qk(R134a) = h2 – h3 = 434 – 256= 178 kJ/kg

- Lưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống: m2 = 𝑄 0(𝑅134𝑎)

Hình 3 4: Đồ thị lgp-h của chu trình R134a

- Thể tích hút thực tế Vtt (R134a):

- Hệ số lạnh của chu trình: ε2 = 𝑄 0(𝑅134𝑎)

TH2: Trường hợp không sử dụng hồi nhiệt:

Ta có: qo’ = h1 – h5 = 400 – 256 = 144 (kJ/kg) l’ = h2 – h1’ = 434 - 410 = 24 (kJ/kg)

 Vậy sử dụng hồi nhiệt sẽ có hệ số làm lạnh cao hơn

3.3.3 Chọn thiết bị cho hệ thống a Chọn động cơ máy nén

Ta chọn máy nén gián tiếp thông qua mối liên hệ giữa công suất điện của động cơ máy nén và công nén đoạn nhiệt của máy nén

Công suất điện của động cơ máy nén được xác định theo công thức 7–25 tài liệu [50]:

+ k: hệ số làm việc an toàn k = (1,1 ÷ 2,1), chọn k = 1,1 do máy hoạt động ổn định