Tính toán bộ gia nhiệt chu trình lạnh điều hòa nhiệt độ hoán cải tận dụng nguồn năng lượng có nhiệt độ thấp

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2021 Tính tốn gia nhiệt chu trình lạnh điều hịa nhiệt độ hốn cải tận dụng nguồn lượng có nhiệt độ thấp ■ PGS TS LÊ VĂN ĐIỂM; ThS NGUYỄN MẠNH CHIỂU; TS DƯƠNG XUÂN QUANG Trường Đại học Hàng hải Việt Nam TĨM TĂT: Bài báo giới thiệu kết tính tốn q trình cấp nhiệt chu trình lạnh máy điều hịa nhiệt độ hoán cải nhờ tận dụng nguồn lượng có chất lượng thấp lượng mặt trời Bộ nhận nhiệt I-2Ệ tính tốn dựa u cầu tải lạnh, có tính đến mức độ tận dụng lượng lấy từ nước nóng tạo nhờ hâm lượng mặt trời dân dụng TỪ KHÓA: Chu trình lạnh nén hơi, điều hịa lượng mặt trời, hệ số hiệu (COP) ABSTRACT: The paper introduces modelling of hybrid single-stage vapor-compression airconditioning refrigeration cycle with an introduction of a heat addition to reduce compression work by utilizing low quality heat source such as solar energy Calculations of heat addition based of cooling load requirement, taking into account power reduction thanks to energy added from hot water produced by home solar water heater KEYWORDS: Vapor-compression refrigeration cycle, hybrid solar refrigeration cycle, coefficient of performance (COP) ĐẶTVẤNĐỂ Sự phát triển kinh tế Việt Nam năm gần kéo theo nhu cấu ngày tăng tiện nghi cho người, có nhu cầu vể điểu hịa khơng khí Những tịa nhà nhỏ hay hộ gia đình thường sử dụng máy điều hịa độc lập dạng dàn nóng dàn lạnh độc lập (split-type) Chi phí lượng vấn đề lớn sử dụng điều hịa khơng khí Việc nghiên cứu tận dụng lượng mặt trời cho điều hòa nhiệt độ thu hút quan tâm nghiên cứu Các hệ thống điều hòa theo nguyên lý hấp thụ hay sử dụng pin mặt trời bước đấu ứng dụng Mặc dù vậy, hiệu mang lại cịn chưa tương xứng với chi phí đầu tứ [2,3,4], Nhằm tận dụng lượng từ nguồn chất lượng thấp, đề xuất hốn cải chu trình lạnh truyền thống với bổ sung tận dụng nhiệt đặt sau máy nén Hình 1.1 Din nrurự • Ixi OM bìnỊ-ÀontUn v«n đúntt Hình 1.1: Sơ đồ chu trình lạnh hốn cải Ngun lý hoạt động chu trình sau: Môi chất sau khỏi máy nén đưa tới gia nhiệt Tại đây, môi chất nhận nhiệt từ nước nóng, nhiệt độ áp suất tăng lên, trước đưa đến dàn ngưng tụ Tại dàn ngưng tụ, van tiết lưu dàn bay hơi, mơi chất thực q trình giống chu trình ngun thủy Nước nóng két lấy từ hâm lượng mật trời tạo nguồn nhiệt thải khác TÍNH TỐN CHU TRÌNH HỐN CÀI Với chu trình có bổ sung gia nhiệt, hiệu tiết kiệm lượng phụ thuộc vào điểm trung gian giao điểm trình nén thực máy nén trình cấp nhiệt Với mục tiêu giữ suất lạnh không đổi, tính tốn chu trình hốn cải với thông số môi chất sau dàn bay trước dàn ngưng tụ không thay đổi so với chu trình ngun thủy Để tiện so sánh, thực tính tốn chu trình ngun thủy với hệ thống điểu hịa nhiệt độ 9000 BTU/h FTC25NV1V/RC25NV1V Hãng Daikin cho kết Hình 2.1 Báng 2.1 Việc tính tốn chu trình lạnh mơ q trình trao đổi nhiệt thực phần mém EES (Engineering Equation Solver) Bảng 2.1 Thông số trạng thái chu trình sở Nút h[kJ/kg] 411,3 550 1,765 10,0 451,8 1700 1,797 82,0 s[kJ/kgl P[kPal T[°C] 147 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2021 416,9 1700 1,693 44,3 255,5 1700 1,185 44,3 249,8 1700 1,166 40,0 249,8 550 1,180 3,08 406,1 550 1,746 3,08 Hình 2.1: Đồ thị P-h chu trình sở Để có sở đánh giá mức độ hiệu việc gia nhiệt tính chọn chiều dài ống gia nhiệt, giả thiết chọn máy nén cho áp suất sau máy nén đạt 1.150 kPa (khoảng 550 1.700 kPa) Tính tốn chu trình hốn cải cho kết Hình 2.2 Bảng 2.2 Bảng 2.2 Thõng sơ chu trình hốn cải với áp suất trung gian 1.150 kPa Nút h[kJ/kg] s[kJ/kg] P[kPaJ So sánh số thông số chu trình hốn cải chu trình ngun thủy Bảng 2.3 Bảng 2.3 So sánh chu trình nguyên thủy hốn cải với áp suất trung gian 1150kPa Thơng số QH[kW] Chu trinh ngun thủy 3,668 Chu trình hốn cải 3,635 Qhx[kW] W.n[kW] COP 2.932 - 0.735 3,99 2,932 0,24 0,463 6,34 QJkW] TÍNH TỐN BỘ GIA NHIỆT Để có sở lựa chọn điểm trung gian q trình gia nhiệt, thực tính tốn mơ chu trình với trình trao đổi nhiệt giá trị áp suất trung gian khác Để tính toán gia nhiệt, lựa chọn ống dạng ruột gà chữ u đặt két nước nóng Để đơn giản cho việc tính tốn, áp dụng số giả thuyết sau: - Chọn ống đồng có đường kính ống đẩy máy nén để đảm bảo dòng chảy ổn định - Nhiệt độ nước két 85°c không đổi - Nhiệt độ áp suất mơi chất cuối q trình nhận nhiệt giống chu trình ngun thủy Việc tính tốn trao đổi nhiệt nước nóng mơi chất áp dụng công thức sau: Công suất trao đổi nhiêt [5]: ộhx = /i.A.âTLM7.D(fcW) (1) Trong đó: - A - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: A = n.d.Lhx - bTLMTD - Độ chênh nhiệt độ trung bình lơgarít: LỵẬmax ^Tlmtd ln T[°C] L-Ằlmin AT _ LAlmax - h - Hệ SỐ truyền nhiệt đối lưu: h = 411,3 550 1,765 10 435,2 1150 1,784 52,73 450,0 1700 1,792 80 416,9 1700 1,693 44,27 255,5 1700 1,185 44,27 249,8 1700 1,167 40 249,8 550 1,180 3,08 406,1 550 1,746 3,08 Với Re > 10000,' 0.7 < Pr < 160, trị: số Nusselt xác định theo công thức sau [5]: Nu = 0,023 Re°'B.Pr0,4 (2) Chiểu dài ốnq gia nhiệt xác định theo công thức: , Qhx (3) h-x h.&T LMTD.n.d Hệ số tiết kiệm lượng máy nén: h2N-hi '-save h2-h1 (4) Trong đó: h2N h2 - Lần lượt enthalpy cuối trình nén chu trình hốn cải chu trình ngun thủy KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Kết tính tốn số thơng số chu trình hốn cải, cơng suất trao đổi nhiệt chiểu dài ống gia nhiệt Bảng 4.1 Bang 4.1 Sự thay đổi thông số theo áp suất trung gian p2 [kPa] [kW] COP T2 [°C] [kW] Lta[m] E save [%]J 650 0,1017 28,84 20,03 0,6012 0,9506 86,16 750 0,1903 15,41 28,76 0,5126 0,8648 74,1 850 0,2688 10,9 36,49 0,4341 0,7882 63,41 950 0,3395 8,635 43,44 0,3634 0,7172 53,79 1050 0,4037 7,261 49,77 0,2992 0,6491 45,04 0,2403 0,5817 37,03 1150 148 0,4626 6,337 55,57 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2021 P2 [kPa] [kw] COP T2 [°C] [kW] Lh« [ml E„„ Ío/°1 1250 0,517 5,67 60,93 0,1859 0,5124 29,62 1350 0,5676 5,165 65,92 0,1353 0,4377 22,75 1450 0,6148 4,769 70,6 0,08813 0,3514 16,32 Việc hoán cải chu trình lạnh cách điều chỉnh tỷ số nén máy nén bổ sung trình gia nhiệt cho phép giảm đáng kể cơng tiêu thụ, nhờ cải thiện hệ số làm lạnh, giữ ngun cơng suất lạnh Việc trì áp suất sau q trình gia nhiệt khơng thay đổi so với chu trình nguyên thủy cho phép giữ nguyên kết câu dàn ngưng tụ Hình 4.1: Thay đổi thõng số theo áp suất trung gian 4| , , E O-d = mm □-d = 10 mm ■ d= 12 mm - A d= 16 mm ''A ;«■ JZ c Hình 4.3: Hiệu q tiết kiệm luợng Hình 4.3 mơ tả mức độ tiết kiệm lượng phụ thuộc vào áp suất trung gian Khi tăng mức độ trao đổi nhiệt mức độ tiết kiệm lượng tăng theo, mặt lý thuyết, hệ số tiết kiệm lượng tăng đến 100%, nghĩa thay hoàn toàn trình nén trình trao đổi nhiệt.Tuy nhiên, thực tế khơng thể, máy nén cịn có chức ngăn cách chu trình thành phẩn thấp áp cao áp cung cấp lượng tạo dòng lưu động mơi chất Ngồi ra, việc tăng hệ số tiết kiệm lượng đóng nghĩa với tăng mức độ cồng kểnh hệ thống Việc chọn áp suất trung gian khoảng 1.000 1.200 kPa hợp lý đảm bảo hệ sổ tiết kiệm lượng khoảng 30 - 45% Nhằm đánh giá khả tận dụng lượng, tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ loại môi trường mà gia nhiệt làm việc, ví dụ thay nước dầu tận dụng khí thải từ máy nhiệt '''O ọ> "O C -o 'n 'O- 40 T3 □ 'O 'tk "D? Lởi cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Đề tài mã số DT20-21.25 'A, A ''O- 1_k '-O ■Lk "04 o 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 p2(kPa) Hình 4.2: Chiều dài ống gia nhiệt theo áp suất trung gian Quan hệ công suất tiêu thụ cho máy nén, hệ số hiệu (COP) công suất truyền nhiệt phụ thuộc vào áp suất trung gian Hình 4.1 Dẻ thấy, cơng suất tiêu thụ giảm dần, mà công suất nhận nhiệt môi chất tăng lên Điểu đạt tăng diện tích trao đổi nhiệt ống gia nhiệt Hình 4.2 mị tả thay đổi chiểu dài ống gia nhiệt theo áp suất trung gian với số ống có đường kính khác Kết cho thấy, áp suất trung gian, sử dụng ống có đường kính lớn cần ống có chiều dài lớn Điểu hệ số trao đổi nhiệt đối lưu công chất lạnh giảm xuống lưu lượng công chất làm lạnh không đổi ống lớn Như vậy, việc lựa chọn trình gia nhiệt tối ưu cần hài hòa việc chọn tỷ số nén máy nén chiều dài ống gia nhiệt Có thể lựa chọn máy nén có tỷ số nén cho áp suất sau máy nén khoảng P2 = 1.000 - 1.200 kPa Ngoài ra, cường độ trao đổi nhiệt phụ thuộc vào trữ lượng cùa nguồn nhiệt tạo nước nóng Tài liệu tham khảo [1] s K Wang (2001), Handbook of Air Conditioning and Refrigeration, McGraw-Hill Education [2] , Kaidir, Mulyanef and Burmawi (Dec 2018), Performance Study on Solar Hybrid Air-Conditioning System for Residential Water Heating, MATEC Web Conf., vol.248, no.10, p.01003 [3] , M Khalaji Assadi, s I Gilani and T c Jun Yen (Jan 2016), Design a solar hybrid air conditioning compressor system, MATEC Web Conf., vol.38, p.02001 [4] Lê Văn Điểm, Nguyễn Mạnh Chiều (2020), Tính tốn chu trình lạnh điều hòa nhiệt độ tận dụng nguồn lượng có nhiệt độ thấp, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, số 64, tr.10-13 [5] A J Ghajar and D Yunus A Cengel (2014), Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications, McGraw-Hill Education Ngày nhận bài: 21/6/2021 Ngày chấp nhận đăng: 18/7/2021 Người phản biện: TS.Thẩm Bội Châu TS Cao Ngọc Vi 149