NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH NĂNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG BƠM NHIỆT QUÁ LẠNH/ QUÁ NHIỆT TỰ DÙNG NGUỒN NHIỆT

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 35 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH NĂNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG BƠM NHIỆT QUÁ LẠNH/ QUÁ NHIỆT TỰ DÙNG NGUỒN NHIỆT EXPERIMENTAL RESEARCH ON INFLUENCE ON THE PERFORMANCE OF SUB-COOLED/ SUPERHEAT HEAT PUMP SYSTEM Hồ Trần Anh Ngọc, Hoàng Thành Đạt Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng; anhngoctr@yahoo.com, hoangthanhdat1976@gmail.com Tóm tắt - Nâng cao hiệu suất sử dụng lượng hệ thống điều hòa khơng khí nhằm tiết kiệm lượng, giảm khí phát thải góp phần bảo vệ mơi trường đảm bảo phát triển bền vững mục tiêu quan trọng Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả xây dựng hệ thống để nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng đến hệ thống bơm nhiệt có lạnh/ nhiệt cách sử dụng nguồn nhiệt hệ thống cung cấp; nghiên cứu ảnh hưởng đến COP hệ thống bơm nhiệt cấp sử dụng môi chất lạnh R32; kiểm chứng ảnh hưởng trình lạnh, nhiệt, điều kiện, nhiệt độ môi chất đến thiết bị ngưng tụ, công suất máy lạnh ; hệ số làm nóng COP tăng, giảm theo nhiệt độ bay hơi; đồng thời tính tốn lý thuyết kiểm nghiệm thực nghiệm hệ số làm lạnh COP hệ số làm nóng COP heat trình lạnh nhiệt Abstract - Improving energy efficiency of air conditioning systems to save energy, reduce emissions to contribute to environmental protection and ensure sustainable development is an important goal In this study, we set up a system for empirical investigation of the influence of overheating overheating system using the heat source system of the supply system, study the effect of COP on a single-stage heat pump using R32 refrigerant and verify the effects of too cold, overheating, conditions, temperature of the media on the condenser, the capacity of air conditioners ; the COP heating coefficient decreases with the evaporating temperature At the same time theoretical calculations are tested experimentally with the COP and COP heat heating coefficients of both super-cooling and superheating Từ khóa - bơm nhiệt; lạnh; nhiệt; COP; lượng Key words - heat pump; sub-cooling; superheat; COP; energy Đặt vấn đề Năng lượng động lực phát triển kinh tế Đời sống vật chất xã hội ngày phát triển dẫn đến chất lượng sống ngày tăng cao Ngày nay, điều hịa khơng khí trở thành nhu cầu tất yếu sống môi trường làm việc [1] Nhiều tài liệu thống kê rằng, lượng toàn cầu tiêu thụ cho mục đích điều hịa khơng khí khoảng 37%, Trung Quốc tiêu thụ 40% [2] có xu hướng tăng nhanh [3] Trong tổng tiêu thụ lượng cơng trình điều hịa khơng khí tiêu thụ lượng chiếm phần lớn Các số liệu không thống kê xác số tiêu thụ, Trung Quốc, điều hịa khơng khí thơng gió tiêu thụ lượng 55% [4] Việt Nam có lượng bình qn đầu người thấp, thật khơng hợp lý sử dụng lượng cách bừa bãi, không tiết kiệm dẫn đến mức độ ảnh hưởng xấu đến mơi trường ngày nghiêm trọng Chính vậy, tiết kiệm lượng giảm khí phát thải trở thành sách nhiều quốc gia, có Việt Nam, với phát triển kinh tế cách vững bền Những năm gần đây, ngồi nước có nhiều nghiên cứu hệ thống lạnh, có cải tiến hiệu làm lạnh Trong hệ thống lạnh, kỹ thuật lạnh dùng phổ biến phạm vi nhiệt độ trung bình thấp để tiết kiệm lượng Thực kỹ thuật lạnh có phương pháp sau [5]: Dùng môi trường xung quanh để làm q lạnh, đường ống hút có bố trí cánh trao đổi nhiệt để lạnh, tăng thêm trao đổi nhiệt để đạt lạnh, dùng thiết bị chuyên dụng lạnh [6] Một số kết kết luận đưa tính hệ số hiệu suất chu trình nâng cao, đạt kết việc tiết kiệm lượng Điều hịa khơng khí giúp nâng cao chất lượng môi trường sống môi trường làm việc người Tuy nhiên, lại tiêu hao lượng lớn, gây hiệu ứng nhà kính tác hại khác Đối với môi chất lạnh truyền thống, q trình sử dụng bị loại trừ thay môi chất lạnh thân thiện với môi trường hơn, R32 môi chất lạnh nhiều quốc gia nghiên cứu để thay Để giải vấn đề kỹ thuật gặp phải dùng môi chất R32, nghiên cứu dùng máy nén xoắn ốc khoang nén cho hệ thống bơm nhiệt có lạnh/ nhiệt Ở nội dung này, nghiên cứu ảnh hưởng hệ số làm việc hệ thống dùng môi chất R32 để làm môi chất lạnh hệ thống bơm nhiệt có lạnh/ nhiệt Tiến hành phân tích lý thuyết thực nghiệm trình lạnh/ nhiệt hệ thống bơm nhiệt Tiến hành so sánh tính hiệu hệ thống, kiểm tra độ lạnh, độ nhiệt, nhiệt độ môi chất khỏi máy nén thông số làm ảnh hưởng đến hệ thống Sơ đồ hệ thống thí nghiệm Hình ngun lý hoạt động hệ thống bơm nhiệt có lạnh/ nhiệt tự dùng nguồn nhiệt lạnh Hệ thống bao gồm: 1- Máy nén xoắn ốc, 2- Bình tách dầu, 3- Đồng hồ hiển thị áp suất nhiệt độ, 4-7- Thiết bị lạnh nhiệt, 5- Thiết bị bay hơi, 6- Van tiết lưu, 8- Phin lọc hút ẩm, 9- Kính quan sát lỏng mơi chất, 10- Thiết bị ngưng tụ, 11- Đồng hồ áp suất nước ngưng, 12- Thiết bị đo lưu lượng nước ngưng, 13- Bơm nước ngưng, 14- Bình chứa nước ngưng, 15- Thiết bị cấp nhiệt điện, 16- Bình chứa nước lạnh, 17- Bơm nước lạnh, 18- Đồng hồ áp suất nước lạnh, 19- Thiết bị đo lưu lượng nước lạnh Hồ Trần Anh Ngọc, Hoàng Thành Đạt 36 T p T p T p 10 T p 16 14 12 19 11 13 17 18 15 15 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm bơm nhiệt có nhiệt/quá lạnh Nghiên cứu thực nghiệm tính ảnh hưởng trình lạnh nhiệt hệ thống bơm nhiệt, Hình ngun lý tuần hồn bao gồm: I- Máy nén, II- Thiết bị ngưng tụ, III- Thiết bị lạnh, IV- Thiết bị bay hơi, VThiết bị nhiệt Đồ thị log p-h biểu thị: 1→1’ trình nhiệt thiết bị nhiệt, 4→4’ trình lạnh thiết bị lạnh, 1’→2’ trình nhiệt nén đoạn nhiệt máy nén, 1→2 q trình khơng q nhiệt nén đoạn nhiệt máy nén, 2’→4 trình ngưng tụ thiết bị ngưng tụ, 4→5 q trình khơng q lạnh tiết lưu, 4’→5’ trình lạnh tiết lưu, 5’→1 trình trao đổi nhiệt bay thiết bị bay lgp 4' Pk Tk 2' P0 T0 5' 1' h Hình Đồ thị log p-h hệ thống bơm nhiệt có lạnh/ nhiệt II III I 4' IV V 1' Tính tốn theo mơ hình Hệ thống dùng mơi chất R32 Các giả định tính tốn cho hệ thống điều hịa khơng khí.: - Hệ thống chạy điều kiện ổn định ; - Nhiệt độ ngưng tụ phạm vi 40~55°C, nhiệt độ bay phạm vi -10~5°C; - Khơng tính tổn thất nhiệt tổn thất lưu động môi chất di chuyển đường ống thiết bị trao đổi nhiệt; - Hiệu suất máy nén 0,8; Độ nhiệt hút 5°C 3.1 Hệ thống không lạnh/ nhiệt Năng suất lạnh riêng: q0  h1  h5 =h1  h4 (1) Năng suất lạnh riêng thể tích: Hình Sơ đồ ngun lý hệ thống bơm nhiệt có lạnh/ nhiệt qzv  (h1  h5 )/v1 =q0 / v1 (2) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển Công nén lý thuyết: W0  h2  h1 (3) COPsub  Công nén thị: Wi  W0 / i (4) Nhiệt lượng thải thiết bị ngưng tụ: qk  h2  h4 (5) * Hệ số làm lạnh chu trình Hệ số làm lạnh lý thuyết: COP0  q0 h1  h5  W0 h2  h1 q0 Wi (6) Trong đó: (8) (9) (10) (11) * Hệ số làm lạnh chu trình Hệ số làm lạnh lý thuyết: qzv  (h1'  h5 )/v1' =q0-sup / v1' (21) (22) Công nén lý thuyết: Wsup  h2'  h1' (23) Công nén thị: Wi  Wsup / i (24) (25) Lượng nhiệt nhiệt: q gr  h1'  h1 (26) (13) COPsup  (14) (15) Lượng nhiệt lạnh: qgl   h4  h4’  (20) 3.3 Hệ thống nhiệt Năng suất lạnh riêng: * Hệ số làm lạnh chu trình Hệ số làm lạnh lý thuyết COPsup: Nhiệt lượng thải thiết bị ngưng tụ: qk -sub   h2  h4  +  h4  h4’  Qsubheat W0 (12) Công nén thị: Wi  W0 / i COPsubheat  qk -sup  h2'  h4 Công nén lý thuyết: Wsub  W0  h2  h1 (19) Nhiệt lượng thải thiết bị ngưng tụ: Năng suất lạnh riêng thể tích: qzv  (h1  h5' )/v1 =q0-sub / v1 𝑞0−𝑠𝑢𝑏 𝑊𝑖 Lượng nhiệt làm nóng Qsubheat: 𝐶𝑂𝑃𝑖 = Năng suất lạnh riêng thể tích: 3.2 Hệ thống lạnh Năng suất lạnh riêng: q0-sub  h1  h5' =h1  h4' h5  h5' h2  h1 =  h1  h5    h1'  h1  tm-in - Nhiệt độ trung bình nước làm mát vào; tm-out - Nhiệt độ trung bình nước làm mát Hệ số làm nóng COPheat; COPheat =COP0  (17) q0-sup  h1'  h5 Δt - Độ chênh nhiệt độ Q  heat W0 h2  h1 Hệ số làm nóng COPsubheat: (7) c - Nhiệt dung riêng nước，J/(kg.K);  - Mật độ nước，kg/m3; v - Lưu lượng nước，m3/s; t =tmout  tmin  h1  h5  +  h5  h5'  Qsubheat  cmt  c  vt Lượng nhiệt làm nóng Qheat: Qheat  cmt  c  vt q0-sub h1  h5'  W0 h2  h1 Hệ số làm lạnh thị: Hệ số làm lạnh thị: COPi  = 37 (16) q0-sup Wsup  h1’  h5 h2’  h1’ (27) Hệ số làm lạnh thị: COPi  q0-sup / Wi (28) Lượng nhiệt làm nóng Qsupheat: Qsup heat  cmt  c  vt (29) Hệ số làm nóng COPsupheat: COPsup heat  Qsup heat Wsup (30) Hồ Trần Anh Ngọc, Hoàng Thành Đạt 38 Kết thực nghiệm phân tích Hệ thống thí nghiệm dùng mơi chất R32, hệ thống cấp nén, tính chất mơ hình thí nghiệm tiến hành lạnh/ nhiệt Để có phân tích tốt xác tính chất tiến hành nhiệt tiến hành lạnh, thiết bị đo lường phải có độ chuẩn xác cao đạt tiêu chuẩn Khi tiến hành chạy hệ thống lạnh thí nghiệm, phải khởi động tủ điều khiển điện, thông qua tủ điều khiển khởi động điều chỉnh hệ thống nước ngưng, khởi động hệ thống điều khiển nước lạnh, sau tiến hành khởi động máy nén lạnh, đồng thời khởi động hệ thống điều khiển, giám sát để thu thập số liệu độ áp suất lạnh/ nhiệt, công suất máy nén Chúng ta cần đo lưu lượng nước làm mát để tính lượng nhiệt Q, hệ số làm nóng COPheat có độ chênh nhiệt độ Δt vào Hình biểu thị nhiệt độ đầu đẩy máy nén tùy theo thay đổi nhiệt độ bay Từ Hình nhận thấy nhiệt độ bay thấp nhiệt độ đầu đẩy máy cao; nhiệt độ bay -5°C 0°C, lạnh nhiệt độ đầu đẩy giảm 4,5% 5,6%; nhiệt độ bay -5°C, nhiệt độ khỏi máy nén nhiệt giảm -3°C; nhiệt độ bay 0°C nhiệt độ khỏi máy nén nhiệt lại tăng 7°C Nhiệt độ đầu đẩy (℃) 100 Hệ thống đơn Hệ thống nhiệt Hệ thống lạnh 90 80 70 -5.0 0.0 Nhiệt độ bay (℃) Hình Đồ thị biểu thị nhiệt độ đầu đẩy phụ thuộc vào nhiệt độ bay Hình Tủ điều khiển điện Hình biểu thị cơng suất máy nén phụ thuộc vào nhiệt độ bay Từ Hình ta nhận thấy nhiệt độ bay -5°C 0°C, công suất máy nén lạnh so với không lạnh giảm 1,4% 4,1%, q nhiệt cơng suất tăng 2,41% 0,9% Hình Hệ thống điều khiển, giám sát để đo thu thập số liệu Trong q trình thí nghiệm, phải để hệ thống (đơn) chạy ổn định không lạnh/ nhiệt Hệ thống chạy ổn định theo thơng số u cầu thí nghiệm, thu thập số liệu, sau tiến hành lạnh nhiệt Cần thu thập thông số bao gồm: Nhiệt độ hút, áp suất hút, nhiệt độ đầu đẩy, áp suất đẩy, nhiệt độ áp suất môi chất vào khỏi thiết bị ngưng tụ, nhiệt độ nước làm mát vào khỏi thiết bị ngưng tụ, lưu lượng nước làm mát, nhiệt Lượng nhiệt làm nóng (kW) Hình Đồ thị biểu thị cơng suất máy nén phụ thuộc vào nhiệt độ bay 4.0 Hệ thống đơn Hệ thống lạnh Hệ thống nhiệt 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 -5.0 0.0 Nhiệt độ bay (℃) Hình Đồ thị biểu thị lượng nhiệt làm nóng phụ thuộc vào nhiệt độ bay ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển Hình biểu thị lượng nhiệt làm nóng tùy thuộc vào thay đổi nhiệt độ bay Từ Hình ta nhận thấy, lạnh lượng nhiệt làm nóng giảm tương đối lớn, nhiệt độ bay -5°C 0°C, có q lạnh lượng nhiệt làm nóng giảm, có khác biệt phân biệt rõ ràng 32,44% so với 42,36% Nhưng nhiệt độ bay 0°C lượng nhiệt làm nóng q lạnh giảm 8,61%, cịn nhiệt độ bay -5°C lượng nghiệt làm nóng tăng lên 11,31% Hình biểu thị hệ số làm nóng COP tùy thuộc vào thay đổi nhiệt độ bay Từ Hình nhận thấy hệ số làm nóng COP lạnh giảm 31,41%, nhiệt hệ số làm nóng COP nhiệt độ bay -5°C tăng trung bình 9,9%, nhiệt độ bay 0°C ngược lại, COP làm nóng giảm trung bình 9,4% Hệ thống đơn Hệ số làm nóng COP 2.5 Hệ thống lạnh Hệ thống nhiệt 39 nghiệm yếu tố ảnh hưởng hệ thống bơm nhiệt có lạnh/ nhiệt tự dùng nguồn nhiệt lạnh, từ kết thực nghiệm, tác giả rút kết luận sau đây: 1) Quá trình lạnh nhiệt độ đầu đẩy hệ thống giảm tương đối rõ rệt, thích hợp dùng mơi chất lạnh R32 để làm nóng có nhiệt độ đầu đẩy cao 2) Khi lạnh, lượng nhiệt làm nóng giảm xuống, cơng suất máy nén giảm xuống hệ số làm nóng COP giảm, làm tăng thêm độ ảnh hưởng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 冷天玖, 韩雷涛, 马煌非常规能源的开发及利用前景农业工程技 术新能源产业, 一 [2] 谢英柏, 燃气机热泵总能系统的理论分析与试验研究 [D], 保定, 华北电力大学博士论文, 2002 [3] 张志莹, “建筑节能是实现建筑业可持续发展的必由之路 2.0 [J]”, 中国工程咨询, 7, 2006, pp 18-19 [4] 蔡伟光, 中国建筑能耗影响因素分析模型与实证研究 [D], 重庆: 1.5 重庆大学博士学位论文, 2011, 大学, 2012 1.0 -5.0 0.0 Nhiệt độ bay (℃) Hình Đồ thị biểu thị hệ số làm nóng COP phụ thuộc vào nhiệt độ bay Kết luận Nội dung báo, trình bày trình nghiên cứu thực [5] Bilal Ahmed Qureshi, Syed M Zubair, “The effect of refrigerant combinations on performance of a vapor compression refrigeration system with dedicated mechanical sub-cooling”, Internationl Journal of Refrigeration [J], 35, 2012, pp 47-57 [6] Qureshi B A & Zubair S M., “Mechanical sub – Cooling vaporcompression systems - Current status and future directions”, International Journal of Refrigeration [J] 2013 [7] Đinh Văn Thuận, Võ Chí Chính, Hệ thống máy thiết bị lạnh, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004 (BBT nhận bài: 11/09/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 26/09/2017)