CO2R744 không màu, không mùi và có sẵn trong không khí tự nhiên. CO2 được sinh ra thông qua quá trình tự nhiên bao gồm vòng tuần hoàn cacbon thông qua việc hô hấp của động vật và việc lên men các hợp chất hữu cơ. Nó cũng được sinh ra từ các hiện tượng tự nhiên khác như hoạt động của núi lửa và sản phẩm của quá trình cháy. CO2 (Carbon dioxide) được ra đời và ứng dụng vào ngành công nghiệp làm lạnh từ cuộc tìm kiến môi chất lạnh thay thế nhóm HCFC để giảm mức độ phá hủy môi trường của môi chất lạnh. Theo nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới đã chỉ ra rằng: GWP (Global Warming Potential) của khí CO2 tác động trong thời hạn 100 năm được lấy làm mốc để so sánh, GWPCO2 = 1 thì của các HFC cũng đạt tới hàng nghìn như HFC134a là 1.600, HFC410A là 2.340. Và là môi chất không cháy, không có tiềm năng suy giảm Ozon (ODP=0). Áp suất hơi của nó cao hơn và có công suất làm lạnh (22.545 kJm3 ở 0℃) lớn hơn gấp 3 10 lần khi so với các môi chất CFC, HCFC.
Đề tài: TÍNH TỐN DÀN BAY HƠI HỆ THỐNG MÁY LẠNH GHÉP TẦNG CO2/R22 GVHD: TP.HCM, ngày 21 tháng năm 2023 GVHD: BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ STT Họ tên MSSV Nhiệm vụ Ghi Đề tài: Tính tốn dàn bay máy lạnh ghép tầng CO2/R22 MỤC LỤC Phần I :Tổng quan .4 1.1 Giới thiệu sơ lược môi chất CO2 .4 1.2 Thiết bị bay .5 Phần II :Tính tốn lý thuyết R22_CO2 2.1 Tính toán lựa chọn chi tiết dàn bay đối lưu cưỡng bức: 2.2 Chọn dàn bay đối lưu cưỡng giải nhiệt gió 2.3 Tính tốn truyền nhiệt: 11 2.3.1 Cường độ tỏa nhiệt phía khơng khí 11 2.3.2 Cường độ tỏa nhiệt phía ống 11 2.4 Tính tốn chọn quạt cho dàn lạnh: 12 2.5 Công suất xả băng 13 2.6 Kết luận tính tốn lý thuyết: 14 Phần III Hệ thống thực tế R32_CO2 15 3.1 Tính tốn sơ dàn lạnh Hệ thống lạnh ghép tầng CO2 - R32 xưởng nhiệt trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TPHCM 15 3.2 Tính tốn mơ hình thực xưởng nhiệt trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TPHCM: .17 Phần IV So sánh lý thuyết với thực tế 17 Tài Liệu kham khảo: 18 Phần I :Tổng quan 1.1 Giới thiệu sơ lược môi chất CO2: CO2-R744 không màu, khơng mùi có sẵn khơng khí tự nhiên CO2 sinh thơng qua q trình tự nhiên bao gồm vịng tuần hồn cacbon thơng qua việc hơ hấp động vật việc lên men hợp chất hữu Nó sinh từ tượng tự nhiên khác hoạt động núi lửa sản phẩm trình cháy CO2 (Carbon dioxide) đời ứng dụng vào ngành công nghiệp làm lạnh từ tìm kiến mơi chất lạnh thay nhóm HCFC để giảm mức độ phá hủy môi trường môi chất lạnh Theo nghiên cứu nhà khoa học giới rằng: GWP (Global Warming Potential) khí CO tác động thời hạn 100 năm lấy làm mốc để so sánh, GWPCO = HFC đạt tới hàng nghìn HFC134a 1.600, HFC410A 2.340 Và môi chất không cháy, tiềm suy giảm Ozon (ODP=0) Áp suất cao có cơng suất làm lạnh (22.545 [kJ/m 3] 0℃) lớn gấp 3- 10 lần so với môi chất CFC, HCFC Ưu nhược điểm môi chất CO2 Ưu điểm: Khả làm lạnh cao Môi chất tự nhiên nên giá thành sản xuất thấp dễ dàng tìm kiếm Có khả tương thích kết hợp tốt với loại dầu bơi trơn HCFC dần bị thay môi chất lạnh CO2 cách nhanh chóng Nhược điểm: Hệ thống có nguy rị rỉ cao Do thiết kế hệ thống CO2 có cấu tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao Hệ thống rò rỉ CO2 khơng độc trực tiếp đến người gây ngạt Các thiết bị hệ thống cần kiểm định an toàn thường xuyên chúng phải làm việc áp lực cao 1.2 Thiết bị bay hơi: Dàn lạnh hay gọi thiết bị bay phận trao đổi nhiệt trực tiếp với kho lạnh nguyên liệu hệ thống cấp đông nói chung cụ thể thiết bị bay hệ thống lanh ghép tầng R22CO2 Do công suất hệ thống 1.6 kW nên chọn phương thức trao đổi nhiệt dàn lạnh đối lưu cưỡng (dùng quạt) Đối lưu cưỡng truyền dẫn nhiệt có chênh lệch nhiệt độ Lượng nhiệt trình trao đổi gọi nhiệt lượng trình biến thiên Quá trình trao đổi nhiệt diễn theo hướng chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Phần II :Tính tốn lý thuyết R22_CO2 2.1 Tính tốn lựa chọn chi tiết dàn bay đối lưu cưỡng bức: - Nhiệt độ phòng: - ∆t = 10 [oC] = -20 [oC] (sách Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh - Nguyễn Đức Lợi) - Vận tốc 𝜔 = ÷ [m/s]; chọn (sách Cơ sở truyền nhiệt thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt - Hoàng Đình Tín) Tk = 12,56 [oC] => P1 = 47,95 [bar] Tp= -30 [oC] => P2 = 14,28 [bar] Tính tốn điểm nút đồ thị ta có: Hình 3.1 Sơ đồ điểm nút đồ thị lgP-I môi chất R744 [5] Điểm toC -30 p (bar) 14,28 i (KJ/Kg) 437 s (KJ/Kg.K) v (m3/Kg) 0,027 -25 14,28 442 2,02 0,028 62 47,95 499 2,02 0,01 12,56 47,95 231 1,11 0,0012 -30 14,28 231 1,15 0,0093 Bảng 3.1 Thông số điểm nút đồ thị lgP-I môi chất R744 - Công suất lạnh riêng: qo = i1 – i4 = 206 [kJ/kg] - Lưu lượng môi chất ống: G = Qo/qo= 0,0078 [kg/s] - Hệ số dẫn nhiệt khơng khí: λ = 384 [W/moC] [3] - Hệ số dẫn nhiệt cánh nhôm: λn = 203,5 [W/moC] [3] - Hệ số dẫn nhiệt tuyết: λn = 1,2 [W/moC] [3] Mơi chất CO2 Khơng khí Hệ số dẫn nhiệt (w/m2K) 25000 384 Bảng 3.2 Hệ số dẫn nhiệt CO2 khơng khí [3] 2.2 Chọn dàn bay đối lưu cưỡng giải nhiệt gió: Dựa theo sách sở truyền nhiệt thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt thầy Hồng Đình Tín ta chọn: - Ống đồng: ϕ = 10 [mm] = - Độ dày cánh nhôm: ρ = 0,2 [mm] - Bước cánh: Sc = 10 [mm] - Số dãy ống theo chiều dòng: N = => Chọn số ống dãy n = 13 ống bố trí theo tam giác đều, khoảng cách tâm ống S = 0,03 [m] Hình 4.1 Bố trí ống-cánh thiết bị bay [1] Áp suất hệ thống: 2Stmin (Dmax − 0.8tmin) di = mm P= => Chiều dày ống: - Số pass: 13 - Độ cao A dàn bay hơi: A = n1 S = 13.0,03 = 0,39 [m] - Độ dày dàn bay hơi: B = N S cos 300 = 7.0,03 cos 300 = 0,18 [m] - Chiều dài dãy ống: S Sc 0,03.10 L = = = 0,77 [m] 0,39 A => Số cánh dàn bay hơi: 1000 0,77 = 77 [cánh] x = nc L1 10 = Với nc: số cánh [m] ống - Chiều dài ống đồng: L = L1 n N = 0,77.13.7 = 70 [m] Ở thiết bị bay dàn lạnh CO2, ta bố trí ống theo hình tam giác đều: Hình 4.2 Kiểu bố trí ống theo hình tam giác [1] - Diện tích phía lục giác: 𝐵𝑓cánh 𝐵 𝜋 𝑓 𝑓 = [6 ( ) ( cos 60 ) − ] = 600 [𝑚𝑚2] 𝑑 1𝑐 2 - Diện tích cánh truyền nhiệt [m] ống: 𝐹𝑐 1000 = 2𝑓1𝑐 = [2.600 10 𝑛𝑐 −6 ] = 0,12 [𝑚2⁄𝑚] 10 - Diện tích phần ống khơng làm cánh ứng với [m] chiều dài ống: 𝐹𝑜𝑐 = 𝜋 𝑑𝑜(1 − 𝑛𝑐 𝛿𝑐) = 0,0308 [𝑚2⁄𝑚] - Tổng diện tích bề mặt ngồi ứng với [m] ống: Fk = Fc + Foc = 0,12 + 0,0308 = 0,151 [m2/m] =>Tổng diện tích bề mặt ngồi ứng với dãy ống cần tính cho dàn dạnh: Fk = 0,77.0,151 = 0,0116 [m2/m] - Tổng diện tích bề mặt ống: Fkt = Fk.L = 0,151.70 = 10,57 [m2] - Tống diện tích bề mặt ống: 𝐹𝑖 = 𝜋 𝑑𝑖 𝐿 = 1,76 [𝑚2] => Hệ số làm cánh: 𝐹𝑘𝑡 10,57 𝛽 = = 1,76 = 1𝐹𝑖 = (𝑡 + 𝑡 ) = (12,56 − 20) = −3,72 [𝑜𝐶] (1) 𝑡 𝑚 𝑤 𝑠 Vì khơng có thơng số tính chất nhiệt động CO2 nên ta tính R22 - Tra bảng tính chất vật lý R22 trạng thái bão hòa kết hợp nội suy ta có: Bảng 4.1 Các tính chất nhiệt vật lý R22 lỏng trạng thái bão hịa [1] Ta có kết quả: 𝜌 = 1296,648 [𝑘𝑔⁄𝑚3] 𝜆 = 0,0996 [𝑚 𝐾] V = 2,106.10-7 [m2/s] Hệ số tỏa nhiệt ống nằm ngang: 𝛼 = 0,72 √ 𝜌𝑔𝑟𝜆3 𝑣𝑑(𝑡𝑠−𝑡𝑤) 𝑜 = 83,77 [𝑊/𝑚 𝐶] Cánh lục giác nên ta chọn: C = 0,205 n = 0,65 2.3 Tính tốn truyền nhiệt: 2.3.1 Cường độ tỏa nhiệt phía khơng khí: 𝜆 𝑑𝑜 −0,54 ℎ −0,14 𝑛 ( ) 𝑅𝑒𝑓 ) 𝑆 𝑆 ( 𝑆 𝛼𝑜𝑓 = 𝐶 Trong : 𝑐 𝑐 𝑐 h - Chiều cao cánh - tốc độ dịng khí qua chỗ hẹp [m/s] - độ nhớt động học khơng khí [m2/s] 𝜔 𝑑𝑜 𝑅𝑒𝑓𝑛 = 𝑣 0,65 10 −0,54 0,0384 4.0,01 => α −0,14] = [0,205 ( of ) ( 10 ) ( 10 ) 0,01 −6 11,286.10 = 162,06 [W⁄m K] 2.3.2 Cường độ tỏa nhiệt phía ống: 1,4 𝛼𝑖 = 𝐴1𝑣𝑚 [1] 0,45 𝑑𝑖 Trong đó: - Tốc độ khối lượng vm : 𝑣𝑚 = 𝐺 𝜋 𝑘𝑔 0,0078 𝜋 2 = 22,17 [ = 𝑁 𝑑𝑖 Ta có: (0,008) 𝐴1 = 32 𝐶 𝜇 và: 𝑡𝑜 + 273 𝐶 =𝑡𝑏 + 273 Lãnh chất CO2 tra bảng 15.6 tài liệu (1) ta có: tb = -78,52 oC; 𝜇 = 44,01 [𝑔⁄𝑚𝑜𝑙] −30+273 => 𝐶 = −78,52+273 = 1,249 => 𝐴1 32 = 1,2497.44,01 = 0,1533 𝑚𝑠 ] Thay vào (1) ta tính được: 𝑊 𝛼𝑖 = 159,2 [ 𝑚𝐾 ] Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit: 𝑡2 − 𝑡1 = 7,2 [𝑜𝐶] Δ𝑡 = 𝑡𝑘 − 𝑡2 ln ( ) 𝑡𝑘 − 𝑡1 Hệ số truyền nhiệt k theo bề mặt ngoài: k 45,4 w / m2K 1 F ( Ri ) 2 ( u F i i u e )( of F F2 F ) oc c c Trong đó: of - Hệ số tỏa nhiệt phía khơng khí i - Hệ số tỏa nhiệt lãnh chất ống Ri - Hệ số bám cáu bề mặt ống, chọn Ri = 0,09 m2oC/kW F2 , Fc , Foc - tổng diện tích bề mặt ngồi, bề mặt cánh, bề mặt ngồi phần khơng cánh - Hệ số cách ẩm kết băng e - Hệ số hiệu chỉnh , u - hệ số dẫn nhiệt vách ống cánh nhôm tuyết Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F Qo 1800 k 45,4.7,2 5,5m t 2.4 Tính tốn chọn quạt cho dàn lạnh: Chọn độ ẩm khơng khí vào dàn lạnh 95% khỏi dàn lạnh 90% t1 = -30 oC, t2 = -25 oC => Tra bảng phân áp suất khơng khí ẩm bão hịa ta có: pbh1 = 0,03798 [kPa] pbh2 = 0,06324 [kPa] Xem áp suất khí trời: B = 1,01.102 kPa Độ chứa khơng khí: 𝜑 𝑝𝑏ℎ 𝑑 = 0,622 𝐵 − 𝜑 𝑝𝑏ℎ => d1 = 0,22 [g/kgkkk] d2 = 0,35 [g/kgkkk] Entanpi khơng khí ẩm: I = 1,01t + d(2500 + 1,84t) [kJ/kg] => I1 = -29,76 kJ/kg I2 = -24,39 kJ/kg Vì trị số I1 I2 âm nên khơng ảnh hưởng đến tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt tính tốn nhiệt lượng chọn theo độ chênh Entanpi Lưu lượng gió cấp: 𝑉𝑘 𝑣𝑘𝑄𝑜.3600 (𝐼2−𝐼1) = [m3/h] Với vk = 0,705 [m3/kg] - thể tích riêng khơng khí nhiệt độ trung bình gió qua dàn lạnh => Vk = 756,2 [m3/h] Căn vào lưu lượng ta chọn hai quạt hướng trục, quạt có lưu lượng 375 [m3/h] 2.5 Cơng suất xả băng: Tốc độ hứng dịng: 𝑉 𝜔𝑜 = 𝑘 = 0,7 [𝑚⁄𝑠] 𝑆 𝑆𝑐 Khối lượng riêng tuyết: 𝜌𝑢 = 340|𝑡𝑠|−0,455 + 25 𝜔𝑜 = 85,83 [𝑘𝑔⁄𝑚3] 𝑑 −𝑑 Lượng ẩm tách: ) = 1,39 10−4 [𝑘𝑔⁄𝑠] 𝑊 = ( 𝑉𝑘⁄3600 𝑣𝑘 ) ( 1000 Chọn chu kì xả băng: τ = 10 [h] => Độ dày bình quân lớp tuyết ứng với chu kỳ xả băng: 0,8𝑊.𝑐.3600 𝛿𝑢 = 0,5 ( 𝜌𝑢.𝐹𝑘𝑡 )=2,2 [mm] Lượng băng kết đông chu kỳ xả đá: 𝐺𝑏 = 𝑊 3600 𝑟 = 1,39 10−4.3600.10= [kg/chu kỳ] Nhiệt lượng cần để hóa lỏng lượng băng này: Q = cp Gb Δt + Gb rb = 2,15.5.20 + 5.334 = 1885 [J] Trong đó: Cp - Nhiệt dung riêng băng rb - Nhiệt nóng chảy băng Cơng suất xả băng: P= 𝑄 𝑡𝑟 Giả sử chọn thời gian xả băng 15 [phút] ta có: 1885 P= => Chọn P = [kW] 15.60 = 2,09 [𝑘𝑊] 2.6 Kết luận tính tốn lý thuyết: Sau q trình tính tốn, chọn lựa thiết bị bay phù hợp cho hệ thống lạnh ghép tầng CO2/R22 có thơng số sau: Đường kính ngồi ống đồng (d0) 10 [mm] Số dãy ống (N) [mm] Số ống dãy (n) 13 Đường kính ống đồng (di) [mm] Bố trí ống Tam giác Độ dày cánh nhơm ( 𝜌) 0,2 [mm] Khoảng cách tâm ống (S) 0,03 [m] Bước cánh (Sc) 10 [mm] Chiều cao dàn (A) 0,39 [m] Số cánh (x) 77 [cánh] Chiều dày dàn (B) 0,18 [m] Chiều dài ống đồng (L) 70 [m] Chiều dài dãy ống (Li) 0,77 [m] Tổng diện tích bề mặt ngồi ống (Fkt) 10,57 [m2] Tổng diện tích bề mặt ống (Fi) 1,76 [m2] Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit (Δ𝑡) 7,2 [oC] Độ dày ống đồng (𝛿) Hệ số làm cánh (𝛽) Hệ số trao đổi nhiệt (k) 80,29 [W/m.K] Diện tích trao đổi nhiệt (F) 2,7 [m2] Quạt dàn Loại hướng trục Số quạt Lưu lượng quạt 375 [m3/h] Công suất xả băng (P) [kW] Phần III Hệ thống thực tế R32_CO2 Tính tốn sơ dàn lạnh Hệ thống lạnh ghép tầng CO2 - R32 xưởng nhiệt trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TPHCM: 3.1 Hình 8.1 Sơ đồ biểu diễn điểm nút đồ thị I-d mơi chất R744[5] Tính tốn theo lý thuyết: Điểm to C p (bar) i (KJ/Kg) s (KJ/Kg.K) v (m3/Kg) -5 30 432 1,85 0,0125 -3 30 440 1,9 0,0129 11,2 52 420 1,9 0,006 16 52 240 0,0012 -4,5 32 240 1,04 0,00125 Bảng 8.1 Các thông số điểm nút đồ thị I-d môi chất R744 Công suất lạnh riêng: qo i1 i4 432 240 192kJ / kg Lưu lượng môi chất ống: Qo 18 0,094kg / s qo 192 k (1) kk CO L Tra giáo trình “Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh - Nguyễn Đức Lợi” tài liệu (4) ta có thơng số: Mơi chất CO2 Khơng khí Hệ số dẫn nhiệt ( w/m2 K) 25000 384 Chiều dày ống TBTĐN Micro δ (mm) 0,35 Hệ số dẫn nhiệt λ (W/mK) 237 Bảng 8.2 Thông số dàn lạnh micro [1] Từ thông số thay vào (1) ta có: k 3 0,35.10 25000 237 384 378W / m2.K Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit: t t2 t1 o tk t2 5,8 C ln( ) tk t1 Năng suất lạnh: Qo k.F.t Trong đó: F: Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay microchanel, m2 k: Hệ số truyền nhiệt, W/m2K Qo: Năng suất lạnh chu trình Lưu g lượng i ó cấp : => F Qo k.t 378.5,8 0,82m 180 vk Q0 3600 k V (I2 I ) m / h Với vk = 0,705 [m /kg] - thể tích riêng khơng khí nhiệt độ trung bình gió qua dàn lạnh I1 = -29,76 [kJ/kg] I2 = -24,39 [kJ/kg] => Vk = 850,7 [m /h] Tính tốn mơ hình thực xưởng nhiệt trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TPHCM: 3.2 Công suất lạnh: Qo = 1,8 [kW] Diện tích trao đổi nhiệt: F = 2.(h - 0,5).[(a - x) + (b - y)] = 2.0,095.(0,345 + 0,345) = 0,131 [m2] Trong đó: a - chiều ngang TBTĐ nhiệt b - chiều rộng TBTĐ nhiệt x - tổng bề dày lớp vỏ bọc nằm ngang y - tổng bề dày lớp vỏ bọc thẳng đứng h - chiều cao thiết bị trao đổi nhiệt Lưu lượng quạt: Vk v.A 3,5 (D d ) 3,5 (0,28 0,11)2 0,0794m3 Phần IV So sánh lý thuyết với thực tế: Thông số Lý Thuyết Năng suất lạnh Qo 1,8 [kW] Diện tích trao đổi 0,82 [m2] nhiệt Lưu lượng quạt 850,7 [m3/h] / s 286m3 / h Thực tế 1,8 [kW] 0,131 [m2] 286 [m3/h]