TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Vấn đề về sử dụng năng lượng hiệu quả đang được hơn tâm hơn bao giờ hết, lý do là khi sử dụng hiệu quả sẽ tiết kiệm được năng lượng dẫn đến giảm đi lượng tiêu hao nhiên liệu đáng kể và đồng thời cũng giúp giảm những tác động xấu đến môi trường Với riêng lĩnh vực này không thể không kể đến các hệ thống lò hơi, mạng nhiệt, các động cơ đốt trong… đặc biệt là các hệ thống lạnh công nghiệp và dân dụng – một trong những hệ thống có tiềm năng tiết kiệm và cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng rất cao Hiện nay, đối với các hệ thống điều hòa không khí hầu như đều sử dụng các loại môi chất CFC, HFC hoặc HCFC, những loại môi chất này đã gây ra việc suy giảm tầng ozone và sự biến đổi khí hậu trên toàn cầu Với nhu cầu giảm thiểu những tác động xấu đến môi trường và hành tinh xanh thì môi chất CO 2 hay R744 là một trong những ứng cử viên hàng đầu cho việc thay thế những môi chất đang được sử dụng rộng rãi hiện nay Cùng với chỉ số GWP
= 1 và ODP = 0 đã cho thấy sử dụng môi chất CO 2 làm môi chất lạnh là một trong những xu hướng thay thế các môi chất cũ trong tương lai.
Mặc dù khi sử dụng môi chất CO 2 làm môi chất lạnh cho hệ thống lạnh sẽ đem lại nhiều sự tích cực cho môi trường nhưng bên cạnh đó phải có thiết bị phù hợp để sử dụng cho loại môi chất này và một trong những thiết bị chính của hệ thống lạnh đó là thiết bị ngưng tụ Nhận thấy được điều này nên nhóm đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất CO 2 cho hệ thống điều hòa không khí” nhằm mục đích chế tạo thiết bị ngưng tụ sử dụng cho môi chất CO 2 Sản phẩm là giải pháp cho việc đưa môi chất CO 2 hoạt động ở trạng thái dưới tới hạn giống như các môi chất thông thường.
Với đề tài này, nhóm báo cáo về phương pháp nghiên cứu, tính toán, quy trình chế tạo thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống dùng môi chất CO 2 với các vật liệu và dụng cụ đảm bảo an toàn cho cả con người và môi trường.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu
K.M Tsamos cùng những công sự đã nghiên cứu bộ làm mát cho CO 2 bằng không khí với hai thiết kế khác nhau (2 hàng ống và 3 hàng ống) khi được lắp đặt riêng biệt và tích vào hệ thống lạnh Nghiên cứu đã chỉ ra mô hình thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt đã dự đoán chính xác thông số tính toán lý thuyết với sai số chỉ khoàng 7% và điều kiện vận hành ở áp suất đẩy là 76 bar, lưu lượng môi chất là 0.004 kg/s, nhiệt độ không khí vào là 27℃, công suất quạt đạt 60% tương ứng với 2400 l/s của tổng công suất Kết quả chỉ ra rằng thiết kế bộ làm mát 3 hàng ống đạt hiệu suất cao hơn thiết kế 2 hàng ống ở điều kiện vận hành và giá trị COP cao nhất là xấp xỉ 2.6 Trong một nghiên cứu khác về hiệu quả năng lượng của hệ thống điều hòa CO 2 hoạt động ở điều kiện siêu tới hạn, R. Cabello và cộng sự đã thực nghiệm và đưa ra áp suất giải nhiệt bằng khí tối ưu phụ thuộc vào nhiệt độ đầu ra của môi chất lạnh giải nhiệt gió cũng như nhiệt độ bay hơi.
Bên cạnh đó thì cũng có nhiều nghiên cứu về hệ thống lạnh ghép tầng với thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống với môi chất CO 2 ở tầng thấp và một môi chất khác ở tầng cao hoặc ngược laị Đơn cử như Lee và cộng sự đã nghiên cứu phân tích về nhiệt động lực học của thiết bị ngưng tụ ở nhiệt độ ngưng tụ được tối ưu trong hệ thống lạnh ghép tầng CO 2 /NH 3 Với các thông số thiết kế thì kết quả cho thấy nhiệt độ ngưng tụ và COP sẽ phụ thuộc vào T C , T E và △T Nhiệt độ ngưng tụ tăng theo T C , T E và △T còn COP sẽ tăng theo T E ngược lại sẽ giảm khi △T và T C tăng lên.
Ngoài ra, Ma và công sự cũng đã nghiên cứu về hệ thống lạnh ghép tầng CO 2 /
NH 3 nhưng sử dụng thiết bị ngưng tụ dạng màng Kết quả nghiên cứu các thông số nhiệt động cho thấy hệ số COP đạt tối đa thì tỷ lệ phân bố của độ dẫn nhiệt sẽ bị chi phối bởi hệ số hiệu suất của thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi Tiếp đó, khi Shao và Zhang đã nghiên cứu về quá trình biến đổi nhiệt động của chu trình CO 2 ở dưới tới hạn và siêu tới hạn Kết quả cho thấy chu trình CO 2 dưới tới hạn chuyển đổi đặc tính tốt hơn chu trình CO 2 trên tới hạn.
Trong những năm qua, khi nhận thấy được tiềm năng CO 2 sẽ trở thành xu hướng của môi chất lạnh trong tương lai, ở Việt Nam đã bắt đầu có khá nhiều những công trình nghiên cứu về môi chất lạnh CO 2 cũng như những thiết bị liên quan trong hệ thống điều hòa không khí.
Trong một nghiên cứu về hệ thống điều hòa không khí CO 2 với bộ trao đổi nhiệt bằng đồng, PGS TS Đặng Thành Trung và những đồng nghiệp đã thực nghiệm hệ thống ra chỉ ra rằng máy nén truyền thống không phù hợp để sử dụng ở áp suất cao do COP rất thấp khoảng 0.5 và chỉ có máy nén khí CO 2 mới đáp ứng được vì có COP cao khoảng 3.07 tương đương với hệ thống điều hòa không khí hiện tại.
Ngoài ra, Giang cũng những cộng sự của mình đã nghiên cứu thực nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO 2 ở tầng thấp và R32 ở tầng cao với thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống đã chỉ ra rằng với thông số thiết kế thì ở áp suất nén của
41 bar thì nhiệt độ phòng là -28℃ tốt hơn nhiệt độ yêu cầu đặt ra là -26℃.Cũng trong một nghiên cứu tương tự nhưng môi chất lạnh ở tầng cao là R134a,Đôn cùng những cộng sự cũng đã nghiên cứu và thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng và chỉ ra được những ưu và nhược điểm của hệ thống.
Tính cấp thiết của đề tài
Với việc đã cấm cũng như ban hành lộ trình hạn chế sử dụng các loại môi chất truyền thống cho hệ thống lạnh như R12, R22, R410a…đã thôi thúc phải tìm kiếm một môi chất lạnh có thể thay thế được cho các loại môi chất trên và còn phải bảo vệ môi trường Với các chỉ số GWP và ODP ở mức rất thấp thì môi chất CO 2 hay R744 là một trong những ứng cử viên tiềm năng, hứa hẹn trở thành một môi chất lạnh trong tương lai thân thiện và bảo vệ môi trường Mặc dù với những lợi thế và ưu điểm vượt trội so với những loại môi chất truyền thống nhưng CO 2 cũng có nhược điểm nhất định đó là hoạt động ở dãy áp suất cao trên tới hạn ở nhiệt độ môi trường, điều này dẫn đến việc những thiết bị hiện tại dùng
11 cho môi chất cũ đã không còn phù hợp đối với môi chất CO 2 đặc biệt là thiết bị ngưng tụ
- một trong những thiết bị chính của hệ thống lạnh.
Mặc dù là một môi chất tiềm năng, nhưng môi chất lạnh CO 2 vẫn còn chưa phổ biến nên việc nghiên cứu chế tạo thiết bị ngưng tụ phù hợp sử dụng cho loại môi chất này vẫn còn hạn chế Các thiết bị ngưng tụ công suất nhỏ sử dụng trong hệ thống lạnh dân dụng và công nghiệp hiện nay đa phần đều sử dụng phương pháp giải nhiệt ngưng tụ bằng không khí, tuy nhiên ở nhiệt độ môi trường môi chất CO 2 sẽ hoạt động ở áp suất cao trên điểm tới hạn và để đưa môi chất này về hoạt động ở dãy áp suất dưới điểm tới hạn thì phải tăng hiệu quả trao đổi nhiệt bằng cách sử dụng chất lỏng để giải nhiệt ngưng tụ cho
CO 2 , chất lỏng đó cụ thể là nước Để nước có thể giải nhiệt ngưng tụ cho môi chất CO 2 thì CO 2 sẽ phải lưu động bên trong ống và nước sẽ đi bên ngoài ống.
Nắm bắt được hướng phát triển và nhu cầu thực tế về thiết bị ngưng tụ sử dụng cho môi chất
CO 2 đề tài mà nhóm đang hướng đến đó là: Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất CO 2 cho hệ thống điều hòa không khí.
Chính vì vậy nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài này với mục tiêu là giải quyết được phần nào những vẫn đề còn tồn đọng Và sản phẩm trở thành tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng cho môi chất CO 2 với những cải tiến về công nghệ, quy trình chế tạo để đạt được những hiệu quả tốt hơn, tiết kiệm chi phí và năng lượng hơn trong tương lai.
Mục tiêu đề tài
Từ kích thước cuộn ống đồng của thiết bị ngưng tụ truyền thống, đưa ra kích thước phù hợp cho thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống.
Bố trí các thiết bị chính: máy nén, cuộn ống đồng, bơm nước giải nhiệt, van tiết lưu một cách gọn gàng, phù hợp.
Tính toán, chế tạo được thiết bị ngưng tụ giải nhiệt cho môi chất CO 2 khi vận hành ở áp suất dưới điểm tới hạn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Một trong bốn thiết bị chính, quan trọng nhất của một hệ thống lạnh dân dụng đó là thiết bị ngưng tụ Vì thế nhóm đã chế tạo và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất lạnh CO 2 cho hệ thống lạnh dân dụng đặt tại thành phố Hồ Chí Minh.
Phương pháp thực hiện
Phương pháp tổng quan: tìm hiểu và tổng hợp các công trình nghiên cứu có liên quan trước đó, nắm bắt nhu cầu và lộ trình thay thế các môi chất lạnh cũ gây hại cho môi trường để đưa ra hướng nghiên cứu của đề tài và xác định mục tiêu đạt được sau nghiên cứu Đồng thời từ cơ sở đó xác định được đối tượng cũng như phạm vi nghiên cứu.
Từ phương pháp tổng quan triển khai cụ thể thành cơ sở sở lý thuyết và từ lý thuyết xây dựng các bản vẽ thiết kê, quy trình chế tạo và mô hình thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: sử dụng các kiến thức chuyên môn, các dữ liệu về công thức để tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống.
Phương pháp thực nghiệm: chế tạo mô hình thực nghiệm, vận hành thu thập số liệu,kiểm tra khắc phục các sự cố và đánh giá tính khả thi của sản phẩm.
Nội dung nghiên cứu
Từ việc tìm hiểu và phân tích các nghiên cứu có liên quan nhóm đã đánh giá những khó khăn còn tồn đọng ở các nghiên cứu trước, phân tích các ưu và nhược điểm của các loại thiết bị ngưng tụ hiện có để từ đó xác định được kiểu thiết bị ngưng tụ phù hợp.
Vận dụng các kiến thức lý thuyết chuyên ngành để tính toán và thiết kế cho thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống phù hợp cho môi chất lạnh CO 2
Chọn vật liệu chế tạo phù hợp với kết quả tính toán với ưu tiên tiết kiệm, thân thiện và bảo vệ môi trường. Đề xuất bản thiết kế. Đưa ra quy trình chế tạo và thông số kỹ thuật.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về môi chất lạnh CO 2
2.1.1 Giới thiệu môi chất CO 2
CO 2 (Cacbon điôxít) là một hợp chất hóa học ở dạng khí có tính axit, không màu và ở nồng độ cao có thể gây ngạt thở Nó tồn tại nhiều ở trong bầu khí quyển Trái Đất
(0,035%) dưới dạng vi lượng (khí nồng độ thấp), nó còn tồn tại ở thể rắn với tên gọi là đá khô.
CO 2 thu được từ nhiều cách khác nhau như:
- Tạo ra trong quá trình hô hấp của con người, động vật, sinh vật thiếu khí.
- Quá trình lên men vi sinh vật cũng tạo ra 1 lượng khí CO 2
- Khí CO 2 thoát ra từ núi lửa và các đám cháy.
- Một lượng khí CO 2 lớn được sinh ra bởi các lò nung, đốt đá vôi, sản xuất megie, amoniac, hay hydro từ khí tự nhiên…
- Các nhà máy sản xuất bia từ ngũ cốc cũng sản sinh ra một lượng CO 2 cho không khí.
- Các hồ, suối chứa khí tự nhiên giàu CO 2 như ở Tây Hoa Kỳ, Canada,
Tính chất vật lý của CO 2 :
- Trong điều kiện thường CO 2 là khí không màu, không mùi và có vị chua nhẹ Nếu hít thở phải CO 2 ở nồng độ cao sẽ tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng.
- CO 2 hòa tan tốt trong nước và nặng gấp 1,624 lần không khí.
Khí CO 2 không tham gia phản ứng cháy và hóa lỏng ở nhiệt độ - 78℃.
- CO 2 ở dạng rắn sẽ không nóng chảy mà thăng hoa thành dạng khí ở -78,5℃.
- Ngoài ra nó có thể bị phân hủy tại nhiệt độ cao 2000℃ thành CO và CO 2
Dựa vào sơ đồ vùng chuyển pha như hình 2.1, chúng ta có thể xác định nhiệt độ tới hạn của môi chất CO 2 là 31,1℃ Sơ đồ vùng chuyển pha không bị giới hạn bởi nhiệt độ tới hạn bởi vì nhiệt lượng tỏa ra thông qua sự trượt nhiệt độ Thiết bị ngưng tụ trong chu trình chuyển pha được thay thế bằng thiết bị làm mát khí vì không có quá trình ngưng tụ diễn ra mà thay vào đó là quá trình làm mát khí.
Hình 2 1 Giản đồ pha của CO 2 Trong đó:
- Vùng 3: CO 2 ở trạng thái siêu tới hạn (khi nhiệt độ và áp suất bằng hoặc lớn hơn điểm tới hạn 31,1℃ và 73,9 bar Trong trạng thái này CO 2 có cả hai tính chất của khí và lỏng. Ưu điểm của CO 2
- Có sẵn ở khắp mọi nơi, không phụ thuộc vào nguồn cung cấp đặc quyền nào, giá thành sản xuất thấp, không yêu cầu tái chế.
- CO 2 được đánh giá cao thuận lợi cho việc làm mát, có năng suất lạnh riêng cao.
- Có khả năng tương thích và kết hợp tốt với các loại dầu bôi trơn.
- Có độ chênh áp thấp trong đường ống làm việc và trên thiết bị trao đổi nhiệt.
- Ít độc và không bắt lửa.
- Không gây ăn mòn với tất cả các loại vật liệu.
- Hệ thống có nguy cơ rò rỉ cao Do đó thiết kế của các hệ thống R744 có cấu tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao.
- Các thiết bị trong hệ thống cần được kiểm định an toàn thường xuyên do chúng phải làm việc ở áp lực cao.
2.1.2 Quy trình chế tạo CO 2 rắn
CO 2 rắn là trạng thái rắn của Carbon Dioxide, theo người Việt Nam đặt cho còn có nhiều tên gọi khác như đá khô, đá khói, đá khí, Ở áp suất khí quyển bình thường, CO 2 rắn có nhiệt độ -78,5℃ và có đặc tính kỳ lạ là trực tiếp bay hơi mà mà không chuyển sang trạng thái lỏng.
Quy trình sản xuất đá khô được mô tả thông qua sự chuyển đổi trạng thái của
CO 2 khí CO 2 lỏng CO 2 rắn
- Bước 1: thu gom khí CO 2 , quá trình này được thực hiện chủ yếu tại các nhà máy sản xuất bia, rượu, hóa chất,…Trong đó nguồn thu gom tại nhà máy hóa chất và phân đạm được đánh giá cao bởi đá khô sản xuất từ nguồn này ít bị nhiễm tạp chất gây mùi và màu đục.
- Bước 2: khí CO 2 sau khi được thu gom sẽ được đưa qua hệ thống lọc tạp chất cho đến khi lượng tạp chất trong khí CO 2 đạt tỉ lệ < 0,1% Sau đó khí CO 2 được hóa lỏng bằng
16 cách nén và làm lạnh, việc hóa lỏng được thực hiện ở áp suất 395 kg/cm 2 ở nhiệt độ bình thường trong phòng CO 2 sau khi hóa lỏng được chứa trong các bể.
- Bước 3: CO 2 lỏng được vận chuyển qua các ống từ bể chứa đến các khuôn sản xuất đá khô Khi chất lỏng được vận chuyển từ nơi có áp suất cao đến môi trường có áp suất tương đương áp suất khí quyển, nó sẽ bay hơi ở tốc độ cao và các chất lỏng này sẽ chuyển sang thể rắn ở nhiệt độ -78,3℃ Phần rắn này chính là CO 2 bị đóng băng Để thuận tiện cho quá trình đóng gói, vận chuyển và sử dụng đá khô CO 2 được đưa qua khuôn ép thành dạng viên hoặc khối tùy theo nhu cầu sử dụng.
2.1.3 Quá trình bay hơi của CO 2 rắn Ở nhiệt độ -78.3℃ CO 2 sẽ ở trạng thái rắn và khi tiếp xúc với nhiệt độ môi trường bình thường thì CO 2 rắn sẽ không tan để chuyển thành thể lỏng như nước đá thông thường mà sẽ trực tiếp bay hơi (thăng hoa) thành thể khí Đặc biệt khi tiếp xúc với các chất xúc tác như nước, rượu… thì CO 2 rắn sẽ thăng hoa nhanh hơn khi tiếp xúc với môi trường bình thường và đồng nghĩa khi được đặt trong một không gian kín thì áp suất của CO 2 cũng sẽ tăng nhanh hơn.
Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống
Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống là dạng thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước, có kích thước gọn gàng và hiệu suất trao đổi nhiệt tương đối cao Thiết bị có cấu tạo gồm 2 ống lồng vào nhau.
Hình 2 2 Cấu tạo thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống
1 Đường hơi môi chất vào.
2 Đường nước giải nhiệt ra.
5 Đường nước giải nhiệt vào.
6 Đưởng lỏng môi chất ra.
Hơi môi chất theo đường số (1) đi vào không gian bên trong ống đồng Tại đây hơi môi chất chất trao đổi nhiệt với nước chuyển động cưỡng bức trong ống nhỏ, ngưng tụ lại thành lỏng cao áp, sau đó chảy xuống dưới theo đường số (6) đi ra ngoài. Ưu điểm của thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống
- Mật độ dòng nhiệt lớn, nên tiêu hao ít kim loại.
- Phù hợp với các hệ thống lạnh có công suất trung bình và lớn.
- Thuận lợi trong quá trình tháo lắp, sửa chửa, thay thế.
- Khó vệ sinh thiết bị về phía môi trường nước làm mát.
- Chế tạo phức tạp, đắt tiền.
- Thiết bị cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích lắp đặt.
- Cần có thêm hệ thống giải nhiệt nước cấp cho thiết bị
Tính toán lý thuyết chu trình
2.3.1 Thông số tính toán đầu vào
Thông số môi trường làm việc:
- Địa điểm lắp đặt: Xưởng Nhiệt trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành Phố Hồ
- Nhiệt độ môi trường: t mt = 36.8℃.
- Nhiệt độ nhiệt kế ướt: t ư = 28.8℃.
2.3.2 Các thông số làm việc của hệ thống điều hòa không khí
2.3.2.1 Nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh, t 0
Nhiệt độ sôi của môi chất (nhiệt độ bay hơi) phụ thuộc vào nhiệt độ phòng và ta có thể tính như sau:
Trong đó: t b – nhiệt độ phòng, ℃ t b = 24℃
△t 0 – hiệu nhiệt độ yêu cầu, ℃ Vì CO 2 hoạt động ở áp suất cao nên đảm bảo an toàn cho hệ thống nên hiệu nhiệt độ yêu cầu thích hợp
2.3.2.2 Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh, t k
Vì dãy áp suất hoạt động của CO 2 khá cao nên để đảm bảo an toàn cho hệ thống khi vận hành, nhóm sẽ giới hạn áp suất ngưng tụ của môi chất CO 2 và đồng thời chọn áp suất p k = 72 kgf/cm 2 ứng với nhiệt độ ngưng tụ t k = 29℃.
Chọn độ quá lạnh, △t ql = 1℃
Do có sự tổn thất nhiệt trên đường ống hút về máy nén đồng thời để tránh máy nén hút phải lỏng sau khi môi chất ra khỏi thiết bị bay hơi nên ta có độ quá nhiệt, △t qn = 12℃.
2.3.3 Tính toán các thông số điểm nút.
Với nhiệt độ bay hơi t 0 = 4℃ có áp suất p 0 = 38.7 bar và nhiệt độ ngưng tụ t k = 29℃ ở áp suất p k = 70.5 bar Tỷ số nén được xác định như sau:
= 1.8 Vì tỷ số nén = 1.8 < 13 nên ta chọn sử dụng chu trình lạnh
Hình 2 3 Đồ thị p – h của chu trình lạnh CO 2 Bảng 2.1 Thông số điểm nút của chu trình lạnh CO 2 Áp suất Nhiệt độ Enthalpy Entropy Thể tích riêng
MPa ℃ kJ/kg kJ/kg.K m 3 /kg nút
Từ thông số các điểm nút của chu trình, với Q 0 = 1.1 kW
Lưu lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống:
Công suất nhiệt của thiết bị ngưng tụ:
Từ các dữ liệu thực nghiệm ta có hiệu suất nén hữu ích Η = 0.5 ÷ 0.65
Vậy công nén hữu ích của máy nén:
Công nén tiêu thụ của máy nén:
Trong đó: η td – Hiệu suất truyền động của khớp, đai η td = 0,95 η el – Hiệu suất động cơ η el = 0,8 ÷ 0,95 Đối với công suất động cơ, ta lấy thêm 25% dự trữ so với công suất tiêu thụ nén Vậy công suất của máy nén là: 393.61
Hệ số làm lạnh của hệ thống là:
Vậy chọn máy nén với các thông số như sau:
2.3.4 Tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ
*Lưu lượng nước giải nhiệt:
Với ướ à = 26℃ và ướ = 37℃, tra bảng nước và hơi nước bão hòa theo nhiệt độ, ta được:
Lưu lượng nước giải nhiệt là: × (ℎ − ℎ ) = × (ℎ − ℎ )
Nên có thể dùng công thức tính hệ số truyền nhiệt k cho vách phẳng để tính cho vách trụ k 1
2 : Hệ số tỏa nhiệt của môi chất 2
2 : Hệ số tỏa nhiệt của nước
: Độ dày của vật liệu, = 0.41( ) λ: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (Đồng), λ = 394( / )
Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của CO 2
Theo công thức 9.5, trang 197, tài liệu sách Cơ sở Truyền nhiệt và Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, có:
Từ bảng Thermophysical Properties of Refrigerants R744 (CO 2 ) với = 27.5℃, tra được:
= 665.85 / 3 : Khối lượng riêng của màng chất lỏng. λ = 81.3 × 10 −3 / : Hệ số dẫn nhiệt của màng chất lỏng.
= 51.55 × 10 −6 : Độ nhớt động lực học của màng chất lỏng.
= = 51.55×10 665.85 −6 = 7.74 × 10 −8 2 / : Độ nhớt động học của màng chất lỏng.
Từ bảng Thermophysical Properties of Refrigerants R744 (CO 2 ) với = 29℃, tra được:
= ′′ − ′ = 374.61 − 296.07 = 78.54 / là nhiệt ẩn hóa hơi
= 2 = 0.00394 : Đường kính trong ống Suy ra
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu ỏ ệ ( ) Áp dụng tiêu chuẩn đồng dạng Nusselt, trang 134, Chương 6 Cơ sở lý luận đồng dạng, sách Cơ sở Truyền nhiệt và Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt:
: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu ( / 2 )
: Đường kính (m) λ: Hệ số dẫn nhiệt ( / )
Từ bảng Thermophysical Properties of Refrigerants R744 (CO 2 ) với được:
= 629.4 / 3 : Khối lượng riêng của màng chất lỏng.
25 λ = 85.2 × 10 −3 / : Hệ số dẫn nhiệt của màng chất lỏng.
= 47.5 × 10 −6 : Độ nhớt động lực học của màng chất lỏng.
= = 47.5×10 629.4 −6 = 7.55 × 10 −8 2 / : Độ nhớt động học của màng chất lỏng.
Từ bảng Thermophysical Properties of Refrigerants R744 (CO 2 ) với = 26 o C, tra được:
= 694.5 / 3 : Khối lượng riêng của màng chất lỏng λ = 80.5 × 10 −3 / : Hệ số dẫn nhiệt của màng chất lỏng
= 55 × 10 −6 : Độ nhớt động lực học của màng chất lỏng
: Hệ số ảnh hưởng của ống cong
R: Bán kính cong của ống xoắn (m) d: Đường kính trong ống (m)
0.00394 Áp dụng công thức (8-99), sách Heat Trasfer, Gregory Nellis, Sanford Klein
ℎ = 0.2: Tỉ lệ dự đoán của thiết bị trao đổi nhiệt cho quá nhiệt.
ℎ = ℎ : Chiều dài yêu cầu cho quá nhiệt.
: Chiều dài ống. Áp dụng công thức (8-112), sách Heat Trasfer, Gregory Nellis, Sanford Klein
Với:= 0.7: Tỉ lệ dự đoán của thiết bị trao đổi nhiệt cho bão hòa.
= : Chiều dài yêu cầu cho bão hòa.
Phần diện tích trao đổi nhiệt của ống lồng ống từ hơi quá nhiệt xuống hơi bão khô của CO 2 là: = × × ℎ = × × 0.2
Phần diện tích trao đổi nhiệt của ống lồng ống từ hơi bão hòa khô thành lỏng bão hòa của CO 2 là: ỏ ℎ ệ = × × = × × 0.7
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu ỏ ệ ( ) Áp dụng tiêu chuẩn đồng dạng Nusselt, sách Cơ sở Truyền nhiệt và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt:
: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu ( / 2 )
: Đường kính (m) λ: Hệ số dẫn nhiệt ( / )
Từ bảng phụ lục thông số vật lý của nước trên đường bão hòa, sách Cơ sở truyền nhiệt và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, với = 31.5 o C, tra được:
= 995.175 / 3 : Khối lượng riêng của màng chất lỏng. λ = 62.055 × 10 −2 / : Hệ số dẫn nhiệt của màng chất lỏng.
= 0.7831 × 10 −6 2 / : Độ nhớt ộng học của màng chất lỏng.động học của màng chất lỏng.
Tốc độ nước giải nhiệt là:
Hệ số ảnh hưởng của ống cong: ướ
: Hệ số ảnh hưởng của ống cong.
R: Bán kính cong của ống xoắn (m). d nước : đường kính trong ống nhựa (m).
2 : Đường kính ngoài ống đồng (m).
Vì α của nước rất lớn nên độ chênh nhiệt độ giữa nước và thành ống nhỏ nên
2 : Hệ số tỏa nhiệt của môi chất 2
2 : Hệ số tỏa nhiệt của nước
: Độ dày của vật liệu, = 0.41( ) λ: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (Đồng), λ = 394( / ) Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit – △t:
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt - F:
2.3.5 Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống:
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống nên ta chọn kích thước ống đồng trong và ống đồng ngoài cụ thể:
Với bán kính 1 vòng xoắn là 8 cm, độ dài một vòng xoắn là: l = °
R: bán kính cong của vòng xoắn, m n ° : góc của cung tròn, °
Tổng số vòng xoắn của TBNT ống lồng ống:
Với n: số vòng xoắn (chọn n = 1) l: độ dài một vòng xoắn, m
Vậy tổng số vòng xoắn cho TBNT ống lồng ống là 22 vòng.
Tổng chiều dài ống xoắn là:
Chiều cao cuộn ống lồng ống là:
Với t: bước ống xoắn, m Vì ống được uốn sát nhau nên chọn bước ống xoắn bằng đường kính ngoài ống nhựa.
CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Thiết kế bình nạp môi chất CO 2 rắn
Bình chứa CO 2 rắn được tận dụng từ vỏ phin lọc có thể chịu được áp suất cao và được đặt trên khung sắt để thuận tiện cho việc đưa đá khô vào trong bình Trên khung được bố trí một van 3 ngã để nạp môi chất cho hệ thống và một đồng hồ áp suất có dải áp suất từ 0÷100kgf/cm 2 để theo dõi áp suất trong bình, áp suất trong bình được duy trì ở mức
40÷50kgf/cm 2 vì thế dưới nắp bình có van xả nhanh đảm bảo áp suất an toàn cho quá trình nạp môi chất.
Hình 3 18 Bố trí bình nạp môi chất trên khung giá đỡ
Bảng 3 1 Vật liệu cho bình nạp CO 2 rắn
STT Tên vật liệu Chi tiết Kích thước Số lượng
1 Vỏ phin lọc Loại Vss type 487 Áp suất thiết kế: 3450Kpa / 500 PSI 1
2 Đồng hồ áp suất Dải áp suất từ 0 – 100kgf/cm 2 1
3 Van 3 ngã Nạp môi chất 1
Quy trình chế tạo thiết bị ngưng tụ
3.3.1 Lưu đồ quy trình chế tạo Để bắt đầu chế tạo TBNT ống lồng, đầu tiên cần chuẩn bị các loại nguyên vật liệu cần thiết như sắt, ống đồng, ống nhựa, đinh, vít…Sau khi chuẩn bị đầy đủ sẽ tiến hành cắt ống đồng và hàn theo kích thước đã chọn Khi đã hoàn thành việc cắt và hàn ống đồng thì tiếp theo sẽ kiểm tra kích thước cũng như thử kín, nếu chưa đạt ta sẽ quay lại cắt và hàn ống khác và nếu đã đạt thì sẽ luồn ống đồng vào trong ống nhựa có đường kính lớn hơn Sau khi luồn toàn bộ ống đồng vào ống nhựa thì sẽ tiến hành uốn cụm ống này theo hình tròn với đường kính đã chọn và kiểm tra cuộn ống sau khi uốn Nếu không đạt yêu cầu về kích thước sẽ tiến hành uốn lại và nếu đã đạt thì sẽ cố định cuộn ống vào 4 thanh ti Sau khi hoàn thành gia công cuộn ống lồng ống tiếp theo sẽ đến khung của TBNT Tiến hành đo, cắt và hàn khung sắt và kiểm tra kích thước, khi kiểm tra không đạt yêu cầu sẽ đo cắt và hàn lại khung, còn nếu đạt thì sẽ sơn khung Đặt máy nén, và cuộn ống đã cố định vào 4 thanh ti vô khung và kết nối với nhau Sau khi kết cuộn ống với máy nén sẽ tiến hành đo, cắt và ốp tôn cho các mặt của khung Tiếp đó sẽ kết nối với dàn lạnh, đấu nối day điện và nạp môi chất CO 2 cho hệ thống Khi đã nạp đủ lượng môi chất yêu cầu sẽ vận hành hệ
43 thống và hiệu chỉnh thông số áp suất hút ở 34 kg/cm 2 và áp suất đẩy là 72 kg/cm 2 Nếu hệ thống làm việc chưa đúng với thông số yêu cầu thì sẽ tiến hành hiệu chỉnh và nếu đã đúng thông số thì sẽ kết thúc việc chế tạo TBNT và tiến hành thu thập số liệu thực nghiệm.
Hình 3 19 Lưu đồ quy trình chế tạo TBNT
Bảng 3 2 Các dụng cụ cần chuẩn bị
STT Tên dụng cụ Số lượng Đơn vị
7 Bộ hàn gió đá 1 Bộ
8 Bộ nong loe ống đồng 1 Bộ
Bảng 3 3 Vật liệu cho TBNT
STT Tên vật liệu Chi tiết Kích thước Số lượng
1 Ống đồng Đường kính trong: 0.00394m
2 Ống nhựa Đường kính trong: 0.008m
5 Khớp nối nhanh Kớch thước 2 đầu ỉ12- ỉ12 2
6 Giảm nhanh Kớch thước 2 đầu ỉ12- ỉ8 2
10 Đồng hồ áp suất Dải áp suất từ 0 – 1400kgf/cm 2 4
14 Sắt vuông Sắt vuông 4x4 cm 16m 1
15 Sơn chống gỉ Sơn màu đỏ 1
16 Sơn xịt Sơn màu bạc 1
20 Sắt vuông Sắt vuông 2x2 cm 8m 1
Bảng 3 4 Vật liệu cho Quạt giải nhiệt
STT Tên vật liệu Chi tiết Kích thước Số lượng
Bảng 3 5 Vật liệu cho hệ thống điện
STT Tên vật liệu Chi tiết Kích thước Số lượng
2 Dây điện Dây có kích thước 1.5 50m 1
Hình 3 20 Bản vẽ chú thích gia công khung sắt TBNT
Từ thanh sắt vuông 2cm 2 với kích thước như trên bảng vật liệu, sử dụng máy cắt để cắt ra thành từng đoạn có kích thước nhỏ hơn theo bảng bên dưới.
Bảng 3 6 Chi tiết kích thước thanh sắt vuông cần cắt
STT Vị trí thanh sắt Hình Số lượng
Hình 3 21 Bản vẽ chú thích gia công khung sắt TBNT (thanh V lỗ)
Từ thanh V lỗ với kích thước như trên bảng vật liệu, sử dụng máy cắt để cắt ra thành từng đoạn có kích thước nhỏ hơn theo bảng bên dưới.
Bảng 3 7 Chi tiết kích thước thanh V lỗ cần cắt
STT Vị trí thanh sắt
Hình 3 22 Bản vẽ chú thích gia công khung sắt TBNT (thanh ti ren)
Từ thanh ty ren với kích thước như trên bảng vật liệu, sử dụng máy cắt để cắt ra thành từng đoạn có kích thước nhỏ hơn theo bảng bên dưới.
Bảng 3 8 Chi tiết kích thước thanh ty ren cần cắt
STT Vị trí thanh ty ren Hình Số lượng
Hình 3 23 Bản vẽ chú thích gia công tấm ốp của khung sắt TBNT
Từ tấm tôn dầu lớn với kích thước như trên bảng vật liệu, sử dụng máy cắt để cắt ra thành các tấm tôn dầu có kích thước nhỏ hơn theo bảng bên dưới
Bảng 3 9 Chi tiết kích thước tấm tôn cần cắt
STT Vị trí lắp đặt Hình Số lượng
Dùng khoan bắn vít và vít bắn tôn để bắn bản lề theo kích thước trong hình cho nắp ở mặt trên và cửa ở măt trước.
Hình 3 24 Vị trí bắn bản lề
Dùng khoan với mũi khoan nhiều tầng để khoan lỗ theo kích thước trong hình cho mặt sau.
Hình 3 25 Các vị trí cần khoan lỗ trên tấm tôn dầu
Với kích thước ban đầu của tấm tôn dầu tiến hành cắt những chỗ được đánh dấu x và theo kích thước như hình bên dưới
Hình 3 26 Các vị trí cần cắt trên tấm tôn dầu
Sau khi cắt những vị trí trên thì tiếp tục gò tấm tôn theo các vị trí đã được đánh dấu như hình bên dưới
Hình 3 27 Các vị trí cần gò trên tấm tôn dầu
Sau khi hoàn thành việc cắt sắt thì các thanh sắt sẽ được hàn lại thành một khối hộp. Các bước hàn sẽ được tiến hành như sau:
- Dùng khăn lau sạch bề mặt ngoài của thanh sắt.
- Dựa vào bản vẽ đã có sẵn để hàn.
- Thiết lập dòng điện phù hợp.
- Điều chỉnh độ dài hồ quang phù hợp.
- Chỉnh góc que hàn, góc que hàn nên để từ 5 đến 15 độ theo hướng chuyển động và vị trí đứng nên để góc que hàn từ 0 ÷ 15° (ngược chiều với que hàn).
- Tập trung thao tác que hàn trong lúc thực hiện.
- Sau khi mối hàn hoàn tất thì tiến hành rút mỏ hàn và đưa sang vị trí cần hàn tiếp theo Cứ thế lặp lại toàn bộ quy trình cho đến khi hàn xong.
Bảng 3 10 Chi tiết các bước hàn khung của thiết bị ngưng tụ
STT Bước hàn Chi tiết Số lượng
2; 4; 5; 7 xung quanh lại 4 với nhau theo hình chi tiết
Hàn thanh sắt vuông 1; 2 với thanh sắt vuông 3; 4
2 đã hàn trước đó xung 1 quanh lại với nhau theo chi tiết
Hàn thanh sắt vuông 5; 6 với thanh sắt vuông 7; 8
3 đã hàn trước đó xung 1 quanh lại với nhau theo chi tiết
4 vuông 1; 2; 3; 4 đã hàn 1 trước đó xung quanh lại với nhau theo chi tiết
5 vuông vừa hàn trước đó 1 xung quanh lại với nhau theo chi tiết
Hàn thanh V lỗ với khối
6 thanh sắt vuông vừa hàn trước đó xung quanh lại 1 với nhau theo chi tiết
Với mục đích tăng diện tích trao đổi nhiệt nên chiều dài phần ống đồng luồn vào ống nhựa được chọn là 20 m Vì thiết bị ngưng tụ có chiều dài khá lớn nên đầu tiên sẽ hàn 2 ống đồng có cùng đường kính lại với nhau để đúng kích thước cần thiết đã chọn sau đó mới tiến hành luồn vào bên trong ống nhựa.
Sau khi lắp máy nén vào vị trí ta sẽ tiến hành uốn bẫy và hàn vào phía đầu đẩy của máy nén Tiếp đó sẽ hàn ống đồng phía đầu ra của thiết bị ngưng tụ vào trước van tiết lưu Ở vị trí sau van tiết lưu, ống đồng sẽ được hàn với van 3 ngã để kết nối với dàn lạnh và từ đầu hút của máy nén, ống đồng cũng sẽ được hàn vào van 3 ngã để kết nối với dàn lạnh Để có được thông số áp suất của 4 điểm nút trên chu trình ta tiếp tục khoan lỗ tại vị trí ống đồng ở đầu hút máy nén, ở đầu đẩy mán nén, ở trước và sau van tiết lưu Sau khi xác định và khoan lỗ thì ta sẽ hàn những sợi cáp vào các lỗ đã khoan để lấy tín hiệu áp suất
Hình 3 28 Hàn cáp lấy tín hiệu đầu hút
Hình 3 29 Hàn cáp lấy tín hiệu đầu đẩy
Hình 3 30 Hàn cáp lấy tín hiệu trước van tiết lưu
Hình 3 31 Hàn cáp lấy tín hiệu sau van tiết lưu (đã bọc cách nhiệt)
3.3.3.5 Lắp đặt thiết bị cho thiết bị ngưng tụ Để bắt đầu lắp đặt các thiết bị cho thiết bị ngưng tụ thì đầu tiên cần cố định máy nén trên khung trước Sử dụng 4 nút cao su để đỡ 4 chân của máy nén giúp giảm rung khi máy nén hoạt động, dùng 4 con ốc vít và 4 con long đền gắn vào 4 chân của máy nén, sau đó dùng tay siết vừa 4 con bulong vào ốc vít Sau khi đã siết vừa thì dùng 2 cờ lê 11 để siết chặt cố định chắc chắn máy nén Khi máy nén đã được đặt cố định trên khung tiến hành đặt bơm và cố định tương tự như máy nén.
Hình 3 32 Máy nén đặt trên khung
Sau khi bơm đã được cố định, gắn 4 thanh ty dài tạo thành hình vuông xung quanh máy nén Cố định các thanh ty bằng cách sử dụng 8 long đền và 8 bulong, cứ 1 thanh ren sẽ dùng 2 long đền ở trên và dưới lỗ của thanh sắt, và dùng tay siết vừa bulong trên và dưới lại Sau khi đã siết vừa thì dùng 2 cờ lê 11 để siết chặt cố định thanh ren.
Hình 3 33 Cố định các thanh ty dài
Khi đã cố định được 4 thanh ren để làm khung cuốn cuộn ống đồng thành vòng tròn. Tiến hành luồn ống đồng vào ống nhựa Sau khi luồn xong ống đồng vào ống nhựa, sử dụng thùng hình trụ tròn có kích thước gần bằng với vị trí của 4 thanh ty để cuốn cuộn ống đồng quanh thùng Uốn từ từ từng vòng tròn một xếp chồng lên nhau.
Hình 3 34 Uốn cuộn ống lồng ống quanh hình trụ tròn
Khi đó uốn xong ống thỡ tiến hành gắn 2 tee nhựa ỉ12 vào 2 điểm đầu và cuối của ống nhựa để dẫn nước vào và nước ra Khi gắn xong 2 ống nhựa chữ T vào 2 điểm đầu và cuối ta sẽ gắn thêm 1 đoạn ống nhựa ngắn và gắn ống nhựa giảm xuống ống nhựa nhỏ hơn ỉ8 với mục đớch cho ống nhựa ỏp sỏt ống đồng Tiếp đến ta sẽ quấn cao su non quanh ống đồng nơi tiếp xỳc với ống nhựa nhỏ ỉ8 với ống đồng và sử dụng cổ dờ để siết chặt lại ngăn không cho nước chảy ra ngoài.
Hình 3 35 Gắn tee và ống giảm
Sau hoàn thành các công việc trên thì tiến hành gắn các vòng tròn đã uốn trước đó vào
4 thanh ty Dùng dây rút cột từng vòng tại 4 thanh ty để cố định cuộn ống lồng ống vào 4 thanh ty.
Từ đầu ống đồng ra của cuộn ống lồng ống kết nối với van tiết lưu, đầu ra của van tiết lưu sẽ được đưa ra phía sau của khối hộp gắn với van 3 ngã và đồng thời đầu hút của máy nén được đưa ra phía sau gắn với van 3 ngã để thuận tiện cho việc kết nối với thiết bị bay hơi
Hình 3 36 Kết nối van 3 ngã phía sau thiết bị
Từ bơm số 2 đặt trong thiết bị ngưng tụ, nhúm sử dụng ống nhựa giảm ỉ21ữỉ12 để kết nối đầu đẩy của bơm vào cuộn ống lồng ống.
Hình 3 37 Kết nối bơm 2 vào đường nước vào của thiết bị
Nạp môi chất CO 2 rắn cho hệ thống
Hình 3 46 Lưu đồ quá trình nạp CO 2 rắn cho hệ thống
Trước khi tiến hành nạp cần lau sạch bên trong vỏ bình và kiểm tra các vị trí kết nối dây với van và đồng hồ có bị đứt hay không Sau đó sử dụng cân để cân đủ 1,5kg đá khô, tiến hành đập nhỏ đá khô và đưa vào bên trong bình.
Hình 3 47 Đưa CO 2 rắn vào bình.
Vặn tay 8 bulong để cố định nắp bình vào bình sau đó sử dụng 2 cờ lê 16 để siết vừa tất cả bulong Sau khi đã siết vừa tiến hành siết chặt lại tất cả bulong, khi siết tiến hành siết theo thứ tự cùng (hoặc ngược) chiều kim đồng hồ và siết lần lượt từng con bulong để tránh bỏ sót.
Hình 3 48 Siết bulong nắp vỏ
Sau khi đã siết chặt bulong đợi cho đá khô trong bình bay hơi, khi áp trong bình đã tăng kiểm tra xem có tiếng xì không, nếu có thì siết chặt thêm bulong và chờ cho đá khô bay hơi tới áp yêu cầu.
Khi áp suất trong bình đạt tới mức từ 40kgf/cm 2 đến 50kgf/cm 2 , tiến hành đuổi khí trong đoạn dây nạp sau đó kết nối dây cáp đồng nạp môi chất vào hệ thống Mở van dịch vụ của bình và hệ thống, cho môi chất từ từ đi vào hệ thống Khi áp suất trong vỏ cao hơn 50kgf/cm 2 thì xả môi chất trong bình qua van xả nhanh để giữ an toàn, luôn duy trì áp suất trong vỏ từ
40kgf/cm 2 đến 50kgf/cm 2 Sau khi nạp đủ áp tĩnh yêu cầu là 45kgf/cm 2 thì tiến hành khóa van dịch vụ của bình và hệ thống Sau đó tiến hành xả hết toàn bộ áp suất trong bình qua van xả nhanh và giữ van mở phòng khi lượng đá khô chưa bay hơi hết trong bình.
Hình 3 49 Tiến hành nạp CO 2 rắn cho hệ thống
Quy trình vận hành và kiểm tra hệ thống
Khi đã thực hiện các công việc chế tạo và lắp đặt, trước khi khởi động hệ thống thì các vấn đề liên quan cần phải được kiểm tra chính xác, đầy đủ
Các đề mục cần chuẩn bị và kiểm tra trước khi hệ thống hoạt động:
- Kiểm tra áp lực máy nén, nếu máy nén đang ở áp suất cao cần xả bớt gas giảm áp.
- Kiểm tra thử xì phải được thực hiện cho các mặt bích và mối nối.
- Siết tất cả các bulong, vít và đai ốc Kiểm tra nếu lỏng thì cần siết chặt lại nếu xét thấy có sự hư hỏng cần thay thế.
- Kiểm tra hệ thống nước giải nhiệt, sự thông thoáng của dàn ngưng theo qui định.
- Kiểm tra tất cả đường đi dây điện, mối nối, công tắc cũng như các CB.
- Kiểm tra nguồn điện cấp đến bảng điện.
- Kiểm tra tất cả các van có ở đúng vị trí đóng hoặc mở.
- Kiểm tra các đồng hồ hiển thị áp suất, nhiệt độ xem xét đang được điều chỉnh đúng chế độ đo hay không.
Lần khởi động đầu tiên rất quan trọng, vì đây là lần đầu tiên các chi tiết trong máy nén tiếp xúc với nhau, phải để cho máy nén quen dần với hoạt động có tải thực tế sau này Vì vậy phải thật cẩn thận cho việc khởi động lần đầu để tránh các va chạm cũng như hư hỏng bất thường xảy ra cho các chi tiết của máy nén.
Bước 1: Kiểm tra mực nước trong quạt sau đó mở van cấp nước cho van phao tự động.
Bước 2: Gạt công tắc của CB tổng cấp nguồn cho toàn bảng điện Sau đó bật CB của quạt, bơm và dàn lạnh Khi đã bật CB tiến hành kiểm tra quạt và bơm nước của quạt giải nhiệt đã hoạt động chưa, kiểm tra nước trong cuộn ống lồng ống đã chảy ổn định và kiểm tra dàn lạnh đang hoạt động hay không Xác nhận rằng không có 1 bất thường nào trên hệ thống thì tiến hành bước tiếp theo, nếu phát hiện ra điều bất thường ngay lập tức dừng sự hoạt động của hệ thống và tiến hành tìm lỗi phát sinh.
Bước 3: Khi tất cả các bước đều tốt, tiến hành bật CB máy nén cho máy nén hoạt động Chú ý quan sát tất cả các thông số đo áp suất, mức nhiệt độ, tiếng ồn, rung của máy nén và
81 động cơ Nếu có bất kỳ chỉ số bất thường nào vượt quá mức cho phép, báo động dừng máy nén ngay lập tức.
Bước 4: Các hiệu chỉnh cần thiết trong quá trình vận hành đầu tiên phải được thực hiện, tiến hành điều chỉnh van tiết lưu để cân chỉnh lượng áp suất hút, áp suất đẩy, áp suất trước van tiết lưu, áp suất sau van tiết lưu phù hợp.
Bước 5: Sau khi máy nén khởi động cần kiểm tra các thông số liên quan Yêu cầu về thông số ban đầu của áp suất đầu hút, áp suất đầu đẩy, áp suất sau van tiết lưu, áp suất trước van tiết lưu Nhiệt độ đầu đẩy không tăng cao nhanh sau khi khởi động, mà tăng từ từ Lắng nghe tiếng ồn và sự bất thường khi máy nén hoạt động Kiểm tra độ rung của máy nén, máy nén không phát ra độ rung quá mức nếu các bộ phận và độ đồng trục bình thường, vậy sự mất cân bằng thường là nguyên nhân gây ra sự rung.
Bước 6: Khi hệ thống chạy bình thường cần quan sát thường xuyên để đảm bảo hệ thống luôn chạy ổn định và khắc phục khi có sự cố đột xuất Tiến hành ghi chép lại tất cả các số liệu hệ thống
- Áp suất hút máy nén.
- Nhiệt độ hút máy nén.
- Áp suất đẩy máy nén.
- Nhiệt độ đẩy máy nén.
- Áp suất trước van tiết lưu.
- Nhiệt độ trước van tiết lưu.
- Áp suất sau van tiết lưu.
- Nhiệt độ sau van tiết lưu.
- Nhiệt độ nước vào và nước ra của quạt.
Bước 7: Sau khi đã thu thập số liệu tiến hành dừng hệ thống, lần lượt tắt CB của máy nén, sau một khoảng thời gian tắt CB của dàn lạnh, bơm và quạt Tiến hành dọn vệ sinh khu vực mô hình.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Phương pháp thực nghiệm
Quá trình thực hiện thu thập số liệu thực nghiệm:
- Đo nhiệt độ phòng khi chưa bật hệ thống, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ bầu ướt và độ ẩm.
- Khởi động quạt giải nhiệt, dàn lạnh và bơm nước để lượng nước chảy ổn định trong cuộn ống lồng ống sau đó bật máy nén.
- Ghi lại tất cả các giá trị nhiệt độ và áp suất trong quá trình vận hành hệ thống.
- Các giá trị nhiệt độ, áp suất được ghi lại 10 phút một lần.
- Số liệu được thu thập trong vòng 8 ngày, mỗi ngày lấy đủ 12 lần thì tiến hành dừng hệ thống Kết thúc quá trình lấy số liệu.
Kết quả thực nghiệm
4.2.1 Thông số điểm nút thực nghiệm
Hình 4 1 Đồ thị p-h của chu trình
Bảng 4 1 Thông số trạng thái các điểm nút thực nghiệm của hệ thống Điểm nút t (℃) P (MPa) v (m 3 /kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg.K)
Từ thông số các điểm nút của chu trình, ta có:
= ℎ 2 − ℎ 4 = 505.32 − 296.93 = 208.39 kJ/kg Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ, ta có:
Mà = × (ℎ − ℎ ) (4.5) ướ ướ ướ à ướ
Với ướ à = 26℃ và ướ = 37℃, từ bảng nước và hơi nước bão hòa theo nhiệt độ, tra được:
Với lưu lượng nước giải nhiệt thực nghiệm là 0.0263kg/s, có: ướ = ướ × (ℎ ướ − ℎ ướ à )
Công suất lạnh của thiết bị bay hơi:
Công suất nhiệt của thiết bị ngưng tụ:
Từ các dữ liệu thực nghiệm ta có hiệu suất nén hữu ích η = 0.5 ÷ 0.65
Vậy công nén hữu ích của máy nén:
Công nén tiêu thụ của máy nén:
Trong đó: η td – Hiệu suất truyền động của khớp, đai. η td = 0,95 η el – Hiệu suất động cơ. η el = 0,8 ÷ 0,95 Đối với công suất động cơ sẽ được lấy thêm 25% dự trữ so với công suất tiêu thụ của máy nén.
Vậy công suất của máy nén là: 450
Hệ số làm lạnh của hệ thống:
4.2.3 Đồ thị kết quả vận hành
Hình 4 2 Sự thay đổi nhiệt độ nước vào và nhiệt độ môi chất ra TBNT theo thời gian
Từ đồ thị trên có thể thấy nhiệt độ nước đạt giá trị cao nhất là 26.3℃ thì nhiệt độ môi chất là 29.8℃, nhiệt độ nước đạt giá trị thấp nhất là 25.5℃ thì nhiệt độ môi chất từ 29 ÷ 29.1℃ Như vậy, khi nhiệt độ nước tăng thì nhiệt độ môi chất tăng và khi nhiệt độ nước giảm thì nhiệt độ môi chất cũng giảm Tuy nhiên giá trị nhiệt độ của môi chất khi đạt cực đại và đạt cực tiểu trong thời gian thực nghiệm chỉ chênh lệch khoảng 0.7 ÷ 0.8℃ (chưa đến 1℃), điều này cho thấy nước vào TBNT đã giải nhiệt tốt cho môi chất CO 2
Hình 4 3 Sự thay đổi của nhiệt độ môi trường theo thời gian
Với sự thể hiện ở đồ thị trên cho thấy nhiệt độ môi trường sẽ thay đổi khi thời gian dần về cuối ngày Cụ thể thời gian bắt đầu lấy số liệu ở 13g nhiệt độ môi trường là 29.7℃ cũng là thời điểm nhiệt độ đạt cao nhất và sau 2 giờ đồng hồ vào lúc 14g50 thì nhiệt độ xuống còn 28.7℃ và là thời điểm nhiệt độ đạt thấp nhất trong khoảng thời gian thực nghiệm, giảm khoảng 1℃ so với lúc 13g và việc nhiệt độ môi trường giảm cũng sẽ có tác động đến các thông số vận hành của hệ thống.
Hình 4 4 Độ chênh nhiệt độ giữa nước vào và môi chất ra khỏi TBNT theo thời gian
Từ đồ thị trên cho thấy nhiệt độ giữa nước giải nhiệt đi vào TBNT và môi chất ra khỏi TBNT chênh lệch trong khoảng từ 3.4 ÷ 3.7℃ Tại thời điểm nhiệt độ môi trường đạt giá trị cao nhất là 29.7℃ thì độ chênh nhiệt độ này cũng đạt giá trị cao nhất là 3.7℃ vào lúc 13g và khi nhiệt độ môi trường đạt giá trị thấp nhất là 28.7℃ (thấp hơn 1℃ so với lúc 13g) thì độ chêch nhiệt độ này cũng đạt giá trị thấp nhất là 3.4℃ vào lúc 14g50 Còn trong khoảng thời gian từ 13g10 đến 14g40 thì độ chênh nhiệt độ ổn định trong khoảng 3.5 ÷ 3.6℃ Như vậy, hiệu độ chênh nhiệt độ giữa giá trị cực tiểu và giá trị cực đại trong thời gian thực nghiệm này chỉ khoảng 0.3℃, giá trị chênh lệch rất ít Điều đó cho thấy TBNT làm tốt nhiệm vụ giải nhiệt cho môi chất CO 2 và hệ thống cũng vận hành khá ổn định ở áp suất hút là 34 kgf/cm 2 và áp suất đẩy là 72 kgf/cm 2
Trong một nghiên cứu về “Kiểm tra hiệu suất đối với thiết kế của thiết bị làm mát môi chất CO 2 và sự tích hợp của nó vào hệ thống lạnh” tên tiếng anh “Performance investigation
90 of the CO2 gas cooler designs and its integration with the refrigeration system”, nhóm tác giả K.M Tsamos cùng cộng sự đã thực nghiệm hai bộ làm mát CO 2 bằng không khí với hai thiết kế khác nhau (2 hàng ống và 3 hàng ống) Ở nghiên cứu này, hệ thống hoạt động với chu trình CO 2 trên tới hạn với áp suất đẩy là 76 bar tương đương 77.5 kgf/cm 2 , lưu lượng môi chất là 0.004 kg/s, nhiệt độ không khí vào là 27℃, công suất đạt 60% tương ứng 2400 l/s tổng công suất quạt Kết quả cho thấy bộ làm mát với thiết kế 3 hàng ống có hệ số COP cao hơn và đạt giá trị cao nhất xấp xỉ 2.6.
Hình 4 5 Sự biến thiên COP với nhiệt độ không khí vào khác nhau (3 hàng ống)
Khi so với đề tài “Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất CO 2 cho hệ thống điều hòa không khí” mà nhóm đã thực hiện khi hệ thống vận hành với chu trình CO 2 dưới tới hạn ở áp suất hút là
34 kgf/cm 2 và áp suất đẩy là 72 kgf/cm 2 , lưu lượng môi chất là 0.006 kg/s, nhiệt độ nước vào là 26℃ thì COP đạt được là 3 Điều đó cho thấy TBNT ống lồng ống sử dụng môi chất CO 2 cho chu trình dưới tới hạn giải nhiệt nước đạt hiệu quả cao hơn so với thiết bị làm mát CO 2 giải nhiệt bằng không khí với chu trình trên tới hạn.
