Hệ thống điều hòa không khí
Khái niệm về hệ thống điều hòa không khí
Điều hòa không khí (Air conditioning, viết tắt là AC hoặc A/C) là quá trình loại bỏ nhiệt và độ ẩm trong không gian nội thất để nâng cao sự thoải mái cho người sử dụng Thiết bị này được sử dụng cả trong gia đình và thương mại, có khả năng kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và áp lực không khí trong không gian kín Điều hòa không khí không chỉ điều tiết không khí xung quanh mà còn là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu các phương pháp, công nghệ và thiết bị nhằm tạo ra và duy trì môi trường không khí lý tưởng cho con người.
Hình 1.1: Mô phỏng hệ thống điều hòa không khí trong tòa nhà
Nguyên nhân chính dẫn đến sự phát triển của điều hòa không khí là sự khắc nghiệt ngày càng tăng của thời tiết và khí hậu, cùng với hiện tượng nóng lên toàn cầu Điều này đã gây ra nhiều hệ lụy ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường.
Thiết bị điều hòa không khí đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện sức khỏe và chất lượng cuộc sống hàng ngày của con người Chúng được chế tạo để kiểm soát nhiệt độ theo ý thích của người sử dụng, đồng thời bao gồm các tính năng như điều hòa nhiệt độ, kiểm soát độ ẩm, lưu thông không khí, lọc bụi và các thành phần gây hại cho sức khỏe.
Nguyên lý hoạt động của điều hòa không khí
Dàn nóng thường hoạt động theo chu kỳ, trong khi dàn lạnh chạy liên tục để duy trì nhiệt độ tối ưu, mang lại hiệu quả sử dụng tốt nhất cho người dùng.
Quạt dàn lạnh hoạt động liên tục để hút và phân tán không khí đều khắp phòng, với sự hỗ trợ của bộ cảm biến nhiệt và board xử lý tín hiệu bên trong Cảm biến sẽ theo dõi nhiệt độ không khí và gửi thông tin về dàn lạnh Khi nhiệt độ phòng cao hơn mức cài đặt từ 1 – 2 oC, board sẽ kích hoạt dàn nóng để cung cấp môi chất lỏng cho dàn lạnh Gas lỏng sẽ bốc hơi trong dàn lạnh, thu nhiệt từ không khí, làm giảm nhiệt độ không khí trong phòng Khi đạt được nhiệt độ đã cài đặt, board sẽ ngưng hoạt động của dàn nóng.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho máy điều hòa, người dùng nên duy trì nhiệt độ trong phòng từ 26 – 28 o C Khi nhiệt độ đạt yêu cầu, dàn lạnh sẽ ngưng hoạt động, nhưng nếu nhiệt độ chênh lệch hơn 1,2 o C so với cài đặt, cơ chế sẽ tiếp tục hoạt động Việc vận hành máy ở mức nhiệt độ này không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn tốt cho sức khỏe người dùng.
Chi tiết FCU
FCU là gì?
FCU (Fan-Coil Unit) là thiết bị xử lý không khí quan trọng trong hệ thống HVAC (sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí), hoạt động hiệu quả với ống gió mềm cách nhiệt.
FCU (Fan Coil Unit) là thiết bị xử lý không khí có cấu tạo đơn giản và kích thước nhỏ hơn AHU (Air Handling Unit), thường được sử dụng trong các tòa nhà dân cư, thương mại và công trình công nghiệp để cung cấp nhiệt độ thoải mái cho không gian sống và làm việc.
FCU, hay còn gọi là thiết bị xử lý không khí, có công suất khiêm tốn từ 2kW đến 20kW Hiện nay, các loại FCU phổ biến bao gồm kiểu Cassette thổi tròn, 4 hướng, 1 hướng thổi, áp trần, giấu tường, giấu trần, kiểu treo tường và ấm trần nối ống gió.
Hình 1.2: 2 chiếc FCU tại xưởng Nhiệt
Cấu tạo của FCU
Thiết bị FCU bao gồm các thành phần chính như quạt, dàn ống, bộ lọc bụi, động cơ, dàn ống trao đổi nhiệt và màn hứng nước ngưng Một số mẫu FCU còn được trang bị thêm bộ sấy điện, mặc dù không phổ biến.
Nguyên lý hoạt động của FCU
Cuộn cảm trong FCU nhận nước nóng hoặc lạnh từ điều hòa trung tâm và điều chỉnh nhiệt độ không khí bằng cách truyền nhiệt Nó có thể tích hợp bộ ổn nhiệt hoặc kết nối với bộ điều khiển nhiệt từ xa Tốc độ động cơ quạt trong FCU được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu làm mát và sưởi ấm.
Một số modul của thiết bị FCU có khả năng điều khiển tốc độ bằng cách điều chỉnh các vòi trên máy biến áp AC, cung cấp nguồn cho động cơ quạt Tuy nhiên, việc điều chỉnh này chỉ cho phép một tốc độ cố định và thường được thực hiện trong quá trình lắp đặt hoặc xây dựng Thêm vào đó, một số modul của FCU còn được trang bị động cơ tụ tách vĩnh viễn.
Ứng dụng của thiết bị FCU
Hiện nay, FCU được sử dụng phổ biến trong các khu chung cư, nhà cao tầng và công trình thương mại Đối với các tòa nhà cao tầng, FCU thường được xếp chồng theo chiều dọc và kết nối với nhau qua một đường ống Ngoài ra, trong một số công trình cao tầng, FCU thường được lắp đặt âm trần phòng tắm hoặc cung cấp không khí lạnh cho những không gian nhỏ.
Một vài ưu và nhược điểm của thiết bị FCU
- Thiết bị FCU cấu tạo thiết kế nhỏ gọn mà vẫn đảm bảo chắc chắn Đáp ứng được việc cung cấp lưu lượng gió cao
Các đường ống phục vụ cho thiết bị FCU được cách nhiệt bằng xốp cách nhiệt và ống gió mềm có lớp bảo ôn, nhằm ngăn chặn sự hình thành ngưng tụ.
Ống đồng được sản xuất từ vật liệu chất lượng cao, kết hợp với cánh tản nhiệt bằng nhôm, mang lại hiệu quả tối ưu trong quá trình trao đổi nhiệt Thiết kế ống nối linh hoạt giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.
5 nước được phủ kim loại Nên giảm thiểu được sự biến dạng khi vận chuyển và lắp đặt
Thiết bị FCU có thể phát ra tiếng ồn trong quá trình hoạt động do thiết kế của các thành phần cấu tạo Tuy nhiên, mức độ tiếng ồn này được kiểm soát rất thấp, đảm bảo không gây ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh.
Vì thiết bị kiểm tra cân bằng tĩnh và động của moto quạt kết hợp với cách nhiệt và cách âm đạt chất lượng cao
FCU là thiết bị sử dụng động cơ điện chất lượng cao, đi kèm với ổ trục có độ ồn thấp, giúp loại bỏ nhu cầu bôi trơn Tính năng này không chỉ giảm thiểu thời gian bảo trì mà còn nâng cao hiệu quả hoạt động của thiết bị.
- Không rò rỉ nhờ khay hứng nước ngưng tụ bên trên dàn trao đổi nhiệt vừa cách nhiệt với môi trường bên ngoài lại hứng được nước ngưng tụ
- Bộ điều nhiệt để sử dụng van điều khiển hoặc tốc độ quay của quạt
- Hệ thống hoạt động cần một không gian riêng
- Tính tự động không cao, đòi hỏi phải có sự giám sát của người có chuyên môn
- Bảo trình khó không linh hoạt và khi sửa chữa đòi hỏi người có chuyên môn phải cao
THÀNH LẬP SƠ ĐỒ, TÍNH TOÁN CHU TRÌNH LẠNH
Chọn các thông số của chế độ làm việc
Chế độ làm việc của hệ thống lạnh được xác định bằng các nhiệt độ cho trước như sau:
- Nhiệt độ không khí vào FCU: tkkv = 26 o C
- Nhiệt độ nước vào FCU: tnv = 7 o C
- Nhiệt độ nước ra FCU: tnr = 13 o C
2.1.1 Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh
Theo yêu cầu của nhiệm vụ thiết kế thì nhiệt độ sôi của môi chất lạnh dùng để tính toán thiết kế là: t0 = tnv – ∆t0 , o C
Do thiết bị bay được chọn thiết kế trong hệ thống điều hòa không khí là thiết bị bay hơi kiểu bình bay hơi
∆t0 – hiệu nhiệt độ bay hơi yêu cầu (độ chênh nhiệt độ yêu cầu, đối với môi trường cần làm lạnh là bình bay hơi), o C
Thay vào ta có được: t0 = tnv - ∆t0 = 7 – 5 = 2 o C
Nhiệt độ môi trường làm mát của thiết bị ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, được tính theo công thức tk = tmt + ∆tk, với tmt là nhiệt độ môi trường trung bình cao nhất tại TP Hồ Chí Minh, đạt 37°C.
Thiết bị ngưng tụ được lựa chọn cho hệ thống điều hòa không khí là loại dàn ngưng không khí, sử dụng không khí làm phương tiện giải nhiệt.
∆tk – hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu (độ chênh nhiệt độ yêu cầu, đối với môi trường giải nhiệt là không khí), o C
Thay vào ta có được:
2.1.3 Nhiệt độ hơi quá lạnh t ql
Nhiệt độ hơi quá là nhiệt nhiệt độ của hơi trước khi vào van tiết lưu Nhiệt độ hơi quá lạnh rất nhỏ
2.1.4 Nhiệt độ hơi quá nhiệt (hơi hút) t qn
Chọn độ chênh nhiệt độ quá nhiệt Chọn Δtqn
Để xác định Δtqn theo phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị hồi nhiệt, ta có h1 - h6 = h3 - h4 Tại điểm 6, với t6 = 20°C, ta tính được h6 = 398,36 kJ/kg Tại điểm 3, với t3 = 48°C, tra bảng bão hòa cho h3 = 268,32 kJ/kg Cuối cùng, tại điểm 4, với t4 = 44°C, tra bảng bão hòa cho h4 = 262,19 kJ/kg.
Thay các thông số trên vào phương trình ta được h1 = h3 – h4 + h6 = 268,32 – 262,19 + 398,36 = 404,49 kJ/kg
Tra bảng hơi quá nhiệt ở áp suất p0 = 3,146 bar ta có t1 = 8,8 0 C
Vậy Δtqn = 6,8 0 C Ta chọn Δtqn= 7 0 C
2.1.5 Thành lập sơ đồ và tính toán chu trình lạnh
Do chúng ta sử dụng môi chất R134a là Freon nên ta thấy được:
Ta có tỷ số nén: π = 𝑝 𝑘
Vì vậy, để tăng thêm năng suất lạnh cho hệ thống, ta chọn chu trình lạnh máy nén 1 cấp có sử dụng hồi nhiệt với ∆tqn = 7 o C
Thành lập sơ đồ nguyên lí, đồ thị lgp – h và T – s
2.2.1 Thành lập sơ đồ và đồ thị của chu trình máy lạnh 1 cấp thực hiện hành trình khô dùng thiết bị hồi nhiệt
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của chu trình máy lạnh 1 cấp thực hiện hành trình khô dùng thiết bị hồi nhiệt
1 – 2: quá trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy ở máy nén I;
2 – 3: quá trình ngưng tụ đẳng áp ở thiết bị ngưng tụ II;
3 – 4: quá trình quá lạnh ở thiết bị hồi nhiệt III;
4 – 5: quá trình tiết lưu đẳng enthalpy ở van tiết lưu IV;
5 – 6: quá trình bay hơi đẳng áp ở thiết bị bay hơi V;
6 – 1: quá trình quá nhiệt ở thiết bị hồi nhiệt III
Hình 2.2: Đồ thị lgp – h và T – s của chu trình máy lạnh 1 cấp thực hiện hành trình khô dùng thiết bị hồi nhiệt
Nguyên lý làm việc của máy lạnh 1 cấp thực hiện chu trình khô dùng thiết bị hồi nhiệt như sau:
Hơi bão hòa khô sau khi rời khỏi thiết bị bay hơi sẽ đi vào thiết bị hồi nhiệt, nơi nó nhận nhiệt từ lỏng có áp suất và nhiệt độ cao trong quá trình đẳng áp Nhiệt độ của hơi tăng lên, trở thành hơi quá nhiệt và được máy nén hút vào, thực hiện quá trình đoạn nhiệt đẳng entropy.
Quá trình làm lạnh bắt đầu khi hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao rời khỏi đầu đẩy máy nén (trạng thái số 2) và đi vào thiết bị ngưng tụ, nơi nó nhả nhiệt cho môi trường xung quanh (𝑞 𝑘) và thực hiện quá trình ngưng tụ đẳng áp thành lỏng hoàn toàn (trạng thái số 3) Sau khi rời khỏi thiết bị ngưng tụ, chất lỏng có áp suất cao và nhiệt độ cao vào thiết bị hồi nhiệt, nhả nhiệt cho hơi có áp suất thấp và nhiệt độ thấp, biến thành lỏng quá lạnh (trạng thái số 4) Chất lỏng này sau đó đi qua van tiết lưu, thực hiện quá trình tiết lưu đẳng enthalpy và trở thành hơi bão hòa ẩm (trạng thái số 5) Cuối cùng, hơi bão hòa ẩm với áp suất thấp và nhiệt độ thấp vào thiết bị bay hơi, nhận nhiệt (𝑞 0) từ môi trường cần làm lạnh, và thực hiện quá trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt, trở thành hơi bão hòa khô hoàn toàn.
(6) đi qua thiết bị hồi nhiệt lại được máy nén hút về, chu trình cứ thế tiếp diễn
• Tính toán các thông số của chu trình:
1) Công cấp cho chu trình: l = h2 - h1
2) Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = h2 - h3
3) Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h6 - h5
2.2.3 Xác định chu trình 1 cấp có thiết bị hồi nhiệt a) Tính toán các thông số trạng thái của các điểm nút của chu trình:
Bảng 2.1 trình bày thông số các chu trình điểm nút của máy lạnh một cấp trong quá trình khô, sử dụng thiết bị hồi nhiệt với môi chất R134a.
Nhiệt độ (t 0 ) Áp suất (bar)
5 2 3,146 1,237 265,27 N/A Hơi bão hòa ẩm b) Tính toán các thông số của chu trình:
• Công nén riêng l: l = h2 – h1 = 434,46 – 404,92 = 29,54 kJ/kg
• Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi qo: qo = h6 – h5 = 398,36 – 265,27= 133,09 kJ/kg
• Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ qk qk = h2 – h3 = 434,46 – 268,32= 166,14 kJ/kg
• Hệ số làm lạnh của chu trình 𝜀
• Năng suất lạnh riêng thể tích qv = 𝑞 𝑜
• Hệ số exegi của chu trình 𝜐
Nhiệt độ môi trường tại TP Hồ Chí Minh vào mùa hè có thể đạt tới 37 độ C, dẫn đến sự giảm sút rõ rệt trong hệ số hiệu suất năng lượng (COP).
Tính toán cho máy nén theo chu trình và chọn máy nén
• Lưu lượng hơi (năng suất khối lượng) thực tế đi qua máy nén
Ta có: Năng suất lạnh của máy nén Qo = 35 kW như đề bài cho
➔ Lưu lượng hơi thực tế đi qua máy nén: mtt = 𝑄 𝑜
• Năng suất thể tích thực tế của máy nén:
• Hệ số cấp của máy nén 𝜆
Dựa vào đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hệ số cấp máy nén và tỉ số nén của môi chất R134a
Ta thấy tỉ số nén π = 𝑝 𝑘
❖ Chọn máy nén từ catalogue phù hợp:
• Công nén đoạn nhiệt Ns
Công nén đoạn nhiệt của chu trình được tính theo biểu thức sau:
Ns = mtt l = 0,263 29,54 = 7,769 (kW) Trong đó: Ns còn được gọi là công nén lý thuyết; mtt – lưu lượng khối lượng qua máy nén, kg/s l – công nén riêng, kJ/kg
• Công nén chỉ thị Ni
Công nén chỉ thị là công nén thực do quá trình nén lệch khỏi quá trình nén đoạn nhiệt lý thuyết:
Trong đó: 𝜂 𝑖 – hiệu suất chỉ thị 𝜂 𝑖 có thể được xác định theo đồ thị cho trước của nhà chế tạo nhưng cũng có thể tính theo biểu thức:
• Công nén hiệu dụng Ne
Công nén hiệu dụng Ne là giá trị công nén được xác định bằng cách tính đến tổn thất ma sát của các bộ phận trong máy nén như pittong – xilanh, tay biên – trục khuỷu – ắc pittong Giá trị này được đo trực tiếp trên trục khuỷu của máy nén, phản ánh hiệu suất hoạt động thực tế của thiết bị.
Ne = Ni + Nms = 9,044 + 0,00085= 9,04485 kW Trong đó: Ni = 9,044 kW
Vtt – thể tích hút thực tế = 0,017 m 3 /s pms – áp suất ma sát riêng Đối với máy nén Freon thẳng dòng: pms = 0,039 ÷ 0,059 MPa
Công suất điện được xác định trên bảng đấu điện, bao gồm cả tổn thất truyền như khớp và đai Đối với máy nén kín hoặc nửa kín, tổn thất này sẽ bằng 0 Hiệu suất chính của động cơ điện cũng được tính đến trong quá trình đo lường công suất.
𝜂 𝑡đ – hiệu suất truyền động khớp, đai … 𝜂 𝑡đ = 0,95;
𝜂 𝑒𝑙 – hiệu suất động cơ = 0,80 ÷ 0,96 ➔ Chọn 𝜂 𝑒𝑙 = 0,85
• Công suất động cơ lắp đặt Nđc Để đảm bảo an toàn cho hệ thống lạnh, động cơ lắp đặt phải có công suất lớn hơn
Ngoài ra, nếu hiệu suất tương đối của máy nén theo kinh nghiệm thì chúng ta chọn
Sử dụng phần mềm Bitzer để chọn máy nén cho hệ thống
Thao tác sử dụng phần mềm: chạy phần mềm Bitzer
Hình 2.4: Giao diện phần mềm chọn máy
Trong giao diện phần mềm chọn “máy nén pit tông kiểu hở”
Trong “máy nén pit tông kiểu hở” nhập các thông số vào các mục tương ứng ứng sau đó chọn “tính toán” (Calculate)
Các thông số nhập vào phần mềm:
Dòng máy (Standard): Máy nén hở
Tất cả môi chất lạnh (Refrigerant): R134a
Công suất lạnh (Cooling capacity): 35 kW
Nhiệt độ bay hơi bão hòa đầu hút (Evaproration temp): 2 o C
Nhiệt độ ngưng tụ bão hòa đầu đẩy: 48 o C
Nhiệt độ gas quá lạnh lỏng: 44 o C
Nhiệt độ gas quá nhiệt đầu hút: 9 o C
Hình 2.5 : Kết quả sau khi chọn bằng phần mềm
Ta chọn máy nén dựa vào điều kiện :
Chọn Q0 lý thuyết < Q0 phần mềm tính chọn để đảm bảo hiệu suất 𝑄 0
19 Hình 2.6: Kích thước và thông số kỹ thuật máy nén
Dựa trên kết quả có được từ phần mềm ta có kiểu máy 4H.2Y với một số thông số cần chú ý như sau:
Motor kéo cần thiết: 15 kW
Kết quả phần mềm cho thấy có sự chênh lệch không đáng kể so với kết quả tính toán, nguyên nhân chủ yếu là do sai số trong quá trình tính toán.
Bảng 2.1: So sánh thiết kế máy nén
Thông số Đơn vị Thông số thiết kế
Công suất motor kéo kW 12,301 15 2,7%
Tính toán chọn thiết bị ngưng tụ kiểu dàn ngưng không khí
• Nhiệt độ ngưng tụ tk = 48 o C;
• Năng suất nhiệt riêng (Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ) qk = 166,14 kJ/kg
• Lưu lượng lỏng cao áp của môi chất khi ngưng tụ mtt = 0,263 kg/s
• Nhiệt độ không khí vào dàn ngưng tmt = tw1 = 37 o C
• Độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ không khí: 10 ÷ 20 o C
➔ Chọn độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ không khí là 10 o C
• Nhiệt độ của không khí ra khỏi dàn ngưng là tw2 = tw1 + 10 = 47 o C
21 a) Hiệu nhiệt độ trung bình logarit Δttb
Hiệu nhiệt độ trung bình logarit: Δttb = Δt 𝑚𝑎𝑥 − Δt 𝑚𝑖𝑛
= ሺ48−37ሻ−ሺ48−47ሻ ln ሺ 48−37 48−47 ሻ = 4,17 K b) Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Qk
Mà Qk = mtt qk = 0,263 166,14 = 43,695 kW c) Hệ số truyền nhiệt của dàn ngưng không khí k
Theo bảng 8 – 6 / 263 trong sách HDTKHTL của thầy Nguyễn Đức Lợi, giá trị kinh nghiệm của hệ số truyền nhiệt k được xác định là k = 30 W/m².K Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của dàn ngưng giải nhiệt gió cũng cần được tính toán chính xác để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Dựa trên bảng 8 – 5 / 260 trong sách HDTKHTL của thầy Nguyễn Đức Lợi, dàn ngưng quạt kiểu nằm ngang ABM được lựa chọn có diện tích trao đổi nhiệt là 440 m² Dàn này bao gồm 8 dãy ống với tổng cộng 188 ống dài 3 m Năng suất quạt đạt 11 m³/s và sử dụng 2 quạt.
Bảng 2.4: So sánh thiết kế dàn ngưng không khí
Thông số Đơn vị Thông số thiết kế Thông số catalog Sai số
Diện tích trao đổi nhiệt m 2 349,279 440 20,61 %
Tính toán thiết bị bay hơi
Ta chọn là bình bay hơi ống vỏ R134a:
- Nhiệt độ nước vào bình bay hơi tnv = 13 o C;
- Nhiệt độ nước ra khỏi bình bay hơi tnr = 7 o C; a Hiệu nhiệt độ trung bình logarit Δttb Δttb = Δt 𝑚𝑎𝑥 − Δt 𝑚𝑖𝑛
= ሺ13−2ሻ−ሺ7−2ሻ ln ሺ 13−2 7−2 ሻ =7,6 K b Hệ số truyền nhiệt của bình bay hơi ống vỏ R134a (k):
Theo bảng 8 – 7 / 282, giá trị kinh nghiệm của hệ số truyền nhiệt k trong sách HDTKHTL của thầy Nguyễn Đức Lợi được xác định là k = 350 ÷ 400 W/m².K Do đó, chúng ta chọn k = 375 W/m².K cho diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của bình bay hơi ống vỏ R134a.
375 7,6 = 12,28 m 2 Dựa vào bảng 8 – 9 / 283 Bình bay hơi trong sách HDTKHTL của thầy Nguyễn Đức Lợi, chọn được Bình bay hơi ống vỏ R134a sôi trong ống HTBP – 12,5 có:
• Diện tích trao đổi nhiệt : 12,5 m 2 ;
Bảng 2.5: So sánh thiết kế bình bay hơi
Thông số Đơn vị Thông số thiết kế Thông sốcatalog Sai số
Diện tích trao đổi nhiệt m 2 12,5 12,5 0%
Tính toán chọn van tiết lưu
• Công suất sau van tiết lưu:
Ta chọn van tiết lưu của hãng Danfoss loại TGE 20 – 16 với catalog bên dưới Tham khảo qua [4]
Bảng 2.6: So sánh thiết kế van tiết lưu:
Thông số Đơn vị Thông số thiết kế Thông số catalog Sai số
• Sơ đồ nguyên lí hoạt động
THIẾT KẾ CHI TIẾT FCU
Tính toán diện tích truyền nhiệt
Hình 3.1: Sơ đồ mặt bằng xưởng Nhiệt Sau khi khảo sát mặt bằng phòng thí nghiệm kỹ thuật Sấy, ta có:
Phòng thí nghiệm KT Sấy
Hình 3.2: Diện tích phòng thí nghiệm kỹ thuật Sấy 3d
3.1.1 Tính toán mật độ truyền nhiệt từ vách vào phòng
Hệ số dẫn nhiệt của tường gạch λ = 0,6 W/m.K t1 = 37 o C – Nhiệt độ bên ngoài phòng; t2 = 17 o C – Nhiệt độ bên trong phòng;
Công thức tính mật độ truyền nhiệt qua vách trụ một lớp được trình bày trong sách "Cơ sở truyền nhiệt và Thiết kế Thiết bị trao đổi nhiệt" của Thầy Hoàng Đình Tín là: q = 𝜆 Công thức này giúp xác định lượng nhiệt truyền qua vật liệu, đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và tối ưu hóa thiết bị trao đổi nhiệt.
3.1.2 Tính toán diện tích truyền nhiệt tmt = 37 o C – Nhiệt độ môi trường trung bình của TP Hồ Chí Minh tT = 26 o C – Nhiệt độ không khí vào FCU tTƯ = 19,5 o C – Nhiệt độ bầu ướt
Hiệu nhiệt độ trung bình logarit ∆𝑡 𝑡𝑏
= ൫t mt −t T ൯−൫t mt −t TƯ ൯ ln tmt−tT tmt−tTƯ
Phòng có kích thước 8m chiều dài, 6m chiều rộng và 2,5m chiều cao, được xây dựng bằng tường gạch dày 110 mm, không tiếp xúc trực tiếp với không khí bên ngoài Hệ số truyền nhiệt được chọn là k = 2,32 W/m².K, với năng suất làm lạnh đạt 35kW.
Chọn FCU
Trong mặt bằng trong phòng được bố trí 4 FCU
Năng suất lạnh yêu cầu cho mỗi FCU trong phòng : Q0TCyc = 35/4 = 8,75 kW
FCU là thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng ống đồng và cánh nhôm, kết hợp với quạt gió Nước lưu thông trong ống trong khi không khí di chuyển ngang qua cụm ống, nơi diễn ra quá trình trao đổi nhiệt ẩm Sau đó, không khí được thổi trực tiếp qua hệ thống kênh gió vào phòng Để chọn FCU phù hợp, cần dựa vào bảng kết quả tính toán năng suất lạnh cho từng phòng.
Mã hiệu FCU Đặc tính đơn vị 006 008
Lưu lượng gió(tốc độ gió trung bình) m 3 /h 744 1153
Quạt dạng Quạt ly tâm lồng sóc
Vật liệu Thép tráng kẽm Điện nguồn quạt 220V/1Ph/50Hz
Công suất quạt W 63 94 Ống nước vào/ra Inch 3/4'' Ống nước ngưng
A Đường kính trong của ống
A Ống mềm đường kính ngoài
Dàn trao đổi nhiệt ống đồng cánh nhôm gợn sóng
Cỡ ống Inch Áp suất làm việc kG/cm
Với năng suất lạnh tổng QT đạt 8,942 kW, lớn hơn Q0TCyc là 8,75 kW, chúng ta có thể lựa chọn FCU giấu trần kiểu 42CLA – 006 của Hãng Carrier, theo hướng dẫn trên trang 95 trong sách thiết kế hệ thống điều hòa không khí của thầy Nguyễn Đức Lợi.
Tính toán số ống, số cánh
Thiết kế dàn làm lạnh không khí FCU trong hệ thống điều hòa không khí có năng suất lạnh Q0 là 8,942 kW, sử dụng ống đồng cánh tấm bằng nhôm với các thông số kỹ thuật cụ thể.
+ Đường kính ngoài của ống: do=0,01 m
+ Đường kính trong của ống: di=0,0096 m
Nhiệt độ không khí vào: t1& o C φ1= 55%
Nhiệt độ không khí ra: t2= 18 o C φ2= 85%
Chùm ống sắp xếp so le dạng tam giác đều, khoảng cách giữa các tâm ống là 40mm
Hình 3.2.1: Sơ đồ nguyên lí chiều chuyển động của FCU
*Thiết kế và lựa chọn:
- Nhiệt độ trung bình của dòng không khí qua dàn lạnh: tk=0,5(t1 + t2) =0,5.(26 + 18) = 22 o C với tk" o C tìm được thông số vật lý của không khí như sau: ρk= 1,197 kg/m 3 λk= 0,02606W/mK νk= 15,248 x 10 -6 m 2 /s
Sơ đồ bố trí kết cấu thiết bị thể hiện trên hình vẽ say đây:
Hình 3.3.2: Sơ đồ bố trí kết cấu và chiều chuyển động của FCU
Tốc độ dòng không khí 𝜔 0 tại tiết diện ngang ABCD trước dàn ống được xác định là tốc độ hứng gió của thiết bị Trong thiết kế hệ thống lạnh, việc chọn tốc độ này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Tốc độ dòng không khí qua chỗ hẹp nhất trong hệ thống điều hòa không khí thường được xác định là 𝜔 0 = 3-4 m/s, với tốc độ tối đa 𝜔 𝑚𝑎𝑥 khoảng 7,5 m/s Các dàn lạnh thường có cánh dày đặc, dẫn đến tiết diện qua chỗ hẹp nhất chỉ đạt khoảng 0,58-0,6 tiết diện hứng gió của thiết bị Trong thiết kế này, tốc độ hứng gió được chọn là 𝜔 0 = 4 m/s, từ đó xác định tốc độ không khí qua chỗ hẹp nhất là δc.
Hệ số tỏa nhiệt của cánh
Trong bài viết này, các thông số kỹ thuật quan trọng bao gồm bước cánh (Sc), đường kính ngoài của ống (do), chiều cao cánh (h), tốc độ dòng qua chỗ hẹp nhất (ω), độ nhớt động học của không khí (ν) và hệ số dẫn nhiệt của không khí (λ) Các giá trị cụ thể được trình bày như sau: Sc là 0,003 m, do là 0,14 m, h là 1318,206 m, ω là 0,65 m/s, ν là 0,94 m²/s và λ là 0,65 W/m.K.
[Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt- Hoàng Đình Tín]
Hình 3.3.3: Bố trí chi tiết thông số ống Hiệu suất cánh:
Hình 3.3.4: Thông số chi tiết của ống
Hệ số dẫn nhiệt của nhôm λ = 203.5 W/m.K
Và ta có hiệu suất cánh
Cường độ toả nhiệt trên bề mặt cánh thường không đồng đều, vì vậy hệ số không đồng đều thường được chọn là = 0,85 Do đó, cường độ toả nhiệt của cánh được tính toán dựa trên hệ số này.
Diện tích cánh của 1 m ống
0,003 = 1.014 ሺ𝑚 2 /𝑚ሻ Diện tích bề mặt ngoài của ống nằm giữa các cánh ứng với 1m ống:
0,003 ൰ = 0,028 𝑚 2 /𝑚 Tổng diện tích bề mặt ngoài ứng với 1 m ống:
Diện tích bề mặt trong ứng với 1 m ống:
26−18 = 1,155 Các thông số vật lý như sau:
Khi nhiệt độ bề mặt thấp hơn nhiệt độ đọng sương của không khí, hiện tượng ngưng tụ ẩm xảy ra trên bề mặt Điều này dẫn đến cường độ tỏa nhiệt tăng lên, được tính theo công thức α'kk = ξα2 = 1,155 61,54 = 71.0787 W/m².K.
Trong tính toán thiết kế, nhiệt độ nước vào FCU: 5 - 7 o C, nhiệt độ nước ra FCU:
Nhiệt độ sơ bộ trong bình nước lạnh được chọn là 10°C, và sẽ được kiểm tra lại sau Với nhiệt độ này, ta có thể xác định các thông số vật lý của nước tương ứng.
𝜌 n = 999,7 kg/m 3 cpn = 4,192 kJ/kg.K λn = 0,5745 W/m K vn = 1,306.10 -6 m 2 /s
Nước lạnh chuyển động trong dàn ống, khi thiết kế thường chọn khoảng 𝜔n 0,8-1,8 m/s, ở đây ta chọn ωn = 1,1 m/s
1,306.10 −6 = 8001,53 > 10 4 Đây là chế độ chảy rối nên:
Hệ số toả nhiệt về phía nước:
Hệ số truyền nhiệt được tính qui về 1 đơn vị diện tích bề mặt ngoài sẽ là:
❖ Rb: Nhiệt trở lớp bụi chọn khoảng Rb= 0.0003 m 2 K/W
❖ Rcn: Nhiệt trở lớp cáu nước, tuỳ theo điều kiện chất lượng nước, khoảng 0.0002- 0.0005 m 2 K/W, ở đây chọn Rcn = 0.0004 m 2 K/W
Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai dòng chất lỏng được tính bằng công thức: 4436,95 ൰ 35,93] −1 = 27,145 W/𝑚² Việc tính toán này có thể thực hiện bằng cách sử dụng trung bình số học, do biến đổi nhiệt độ của mỗi loại chất lỏng không lớn.
Nhiệt lượng truyền qua 1 m chiều dài ống tính qui về bề mặt ngoài (bề mặt có cánh) qkk = kF∆t = 27,145.1,042 13 = 367,706 W/m
Lưu lượng không khí qua dàn lạnh:
I1 và I2 tra từ đồ thị t-d từ nhiêt độ không khí vào và nhiệt độ không khí ra
56 − 46 = 0,8942 kg/s = 3219,12 kg/h Lưu lượng quạt:
1,197 = 2689,323 𝑚 3 /h = 44,822 𝑚 3 /phút Diện tích tiết diện ngang chỗ hẹp nhất tương ứng:
Từ kết quả tính toán truyền nhiệt chúng ta sơ bộ bố trí kích thước dàn lạnh như sau:
Hình 3.3.5: Sơ đồ bố trí dàn lạnh
Số dãy ống theo chiều dòng: n2 = 4
Chiều dài mỗi đoạn ống: b = 1 m
Chiều dài một dãy ống L1 (một đường uốn khúc trên tiết diện ngang):
Tổn thất áp suất nước trong đoạn ống không nên vượt quá 3mm H2O, điều này thường được áp dụng trong thực tế Nếu chiều dài ống quá lớn cho một hệ thống ống, cần phải phân đoạn để đảm bảo cung cấp nước lạnh hiệu quả.
Chúng ta phải kiểm tra lại tốc độ k:
Số đoạn ống trên một dãy là:
1= 7 ሺđ𝑜ạ𝑛ሻ Vậy ta chọn n1=7 đoạn ống trên mỗi dãy
Diện tích tiết diện hẹp nhất của thiết bị mà dòng khí lưu động qua Fmin:
Như vậy kết cấu thiết bị có kích thướt chính như sau:
Hình 3.3.6: Bố trí kích thướt dàn lạnh FCU
Đánh giá kết quả thiết kế
Từ các tính toán trên ta có thể so sánh với máy FCU giấu trần kiểu 42CLA – 006 của Hãng Carrier
Bảng 3.1 Catalog thiết bị FCU
Ta so sánh với thông số thiết kế với catalog ta thấy số không khác nhiều nên thỏa điều kiên
Bảng 3.2: Thông số so sánh Đơn vị Thông số thiết kế
Sai số Đường kính ngoài mm 9,5 9,5 5,26%
Công suất làm lạnh kW 8,75 8,942 20%
3.5 Bản vẽ chi tiết FCU
Hình 3.5.1 Mặt bằng và mặt đứng FCU
42 Hình 3.4.2 Mặt A và mặt B FCU
43 Hình 3.4.4 Chi tiết bố trí treo FCU
Hình 3.4.5 Bố trí đường gió vào, ra
Hình 3.4.6 Chi tiết lắp đặt FCU