Thông qua phần mềm EES nhóm đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ chênh nhiệt độ tại bộ trao đổi nhiệt ghép tầng đến hệ số làm lạnh của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 dựa trên việc so sán
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Hiện nay các vấn đề hiệu ứng nhà kính ảnh hưởng tiêu cực đến tầng Ozone đã và đang được cả giới khoa học và kĩ thuật quan tâm Nguyên nhân chính dẫn đến vấn đề trên là do quá trình phát triển kinh tế, xã hội của con người đã trực tiếp gây ô nhiễm môi trường, tạo ra khí thải công nghiệp Và một trong những nguyên nhân đó chính là khí thải do rò rỉ môi chất lạnh của các hệ thống lạnh điều hòa không khí dân dụng cũng như hệ thống lạnh công nghiệp, lạnh thương mại
Vì thế, việc nghiên cứu để tìm ra những loại môi chất lạnh thân thiện với môi trường đang là mục tiêu của các chuyên gia Các chuyên gia đã tìm ra và xem CO2 như một môi chất lạnh có tiềm năng thay thế các loại môi chất lạnh truyền thống Nổi bật trong thế hệ môi chất lạnh mới vì CO2 có rất nhiều những ưu điểm như có chỉ số GWP = 1 và ODP = 0 thấp nhất trong những môi chất lạnh hiện nay và không có khả năng gây ra cháy nổ khi xảy ra rò rỉ Nhờ những ưu điểm trên mà trên thế giới đang đẩy mạnh các công trình nghiên cứu những hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2
Nhiều nghiên cứu trước đó đã được thực hiện để đánh giá thực nghiệm các hệ thống hoạt động trên tới hạn, dưới tới hạn và chuyển tới hạn của các hệ thống lạnh CO2,… ngoài ra, các ứng dụng của hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh là CO2 và sự tối ưu hóa về các đặc tính nhiệt động, về mặt năng lượng và kinh tế cũng đã được nghiên cứu Các kết quả trước đây đã cho thấy những hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2 cho chu trình nhiệt độ thấp được các nhà nghiên cứu đánh giá cao Và trong các phần mềm có thể sử dụng để tra các thông số nhiệt động, tính toán và thiết kế hệ thống lạnh, nhóm nghiên cứu nhận thấy phần mềm EES có đầy đủ thư viện thông số nhiệt động, thông số vật lý, được tích hợp các phương pháp tra cứu và nội suy các thông số rất phù hợp cho việc tính toán chu trình lạnh Từ đó tối ưu hóa được việc tính toán và đưa ra được những thông số thiết kế một cách chính xác và nhanh nhất Nhận thấy tính hữu ích của những nghiên cứu về hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2, nhóm đã chọn đề tài : “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ chênh nhiệt độ tại bộ trao đổi nhiệt ghép tầng đến hệ số làm lạnh của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 dựa trên phần mềm EES” Đây là hướng nghiên cứu khá mới nhằm tìm hiểu các đặc tính nhiệt động liên quan đến hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 và
2 nghiên cứu ảnh hưởng của độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ tầng thấp và nhiệt độ bay hơi tầng cao đến hệ số làm lạnh 𝜀 ở nhiều trường hợp khác nhau.
Tình hình nghiên cứu
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Thanhtrung Dang và Baoha T Le [1] đã khảo sát thực nghiệm đối với hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất lạnh R134a/CO2 Môi chất lạnh sử dụng cho chu trình tầng cao là R134a và môi chất lạnh sử dụng cho chu trình tầng thấp là CO2 Quá trình thực nghiệm được tiến hành trong cùng một điều kiện nhiệt độ môi trường là 33 o C Với chu trình tầng thấp có lưu lượng khối lượng của CO2 là 27 kg/h, nhiệt độ bay hơi là -30 o C, nhiệt độ ngưng tụ là 7,9 o C, công suất lạnh của cả hệ thống là 1,62 kW và COP của cả hệ thống là 1,9 thì nhiệt độ buồng lạnh giảm từ 33 o C xuống -20 o C
Thanhtrung Dang cùng cộng sự [2] đã nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt của dàn bay hơi micro sử dụng môi chất lạnh R134a Trong thực nghiệm này, dòng nhiệt tăng khi tăng lưu lượng không khí đi qua thiết bị bay hơi ở nhiệt độ là 30 o C COP và năng suất lạnh của thiết bị bay hơi tăng khi tăng lương lượng môi chất Công suất làm lạnh đạt được tối đa và COP của thiết bị bay hơi lần lượt là 840W và 4,58 Ở lưu lượng thể tích của R134a là 47,5 l/s và nhiệt độ không khí vào thiết bị bay hơi là 30 o C thì COP của thiết bị bay hơi micro lớn hơn 1,4 lần so với COP của thiết bị bay hơi micro mẫu FNA-0,25/1,3
Thanhtrung Dang cùng cộng sự [3] đã thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm về quá trình làm lạnh của chu trình CO2 chuyển tới hạn sử dụng thiết bị bay hơi micro Chu trình này gồm có hai bộ làm mát phụ khác nhau là S1 (gồm có 2 pass và diện tích truyền nhiệt là 0,034 m 2 ) và S2 (gồm có 4 pass và diện tích truyền nhiệt là 0,068 m 2 ); hai dàn trao đổi nhiệt này được lắp đặt bên trong buồng lạnh Qua thực nghiệm cho thấy, chu trình có bộ làm mát phụ S2 có COP tốt hơn sơ với chu trình có bộ làm mát S1
Bảng 1.1 Bảng tóm tắt các nghiên cứu trong nước liên quan đến đề tài
Nghiên cứu liên quan đến hệ thống lạnh ghép tầng
- Đánh giá thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất lạnh R134a/CO2 ứng với nhiệt độ bay hơi của CO2 là -30 o C [1]
Nghiên cứu liên quan đến hệ thống lạnh sử dụng môi chất R134a
- Nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt của hệ thống lạnh sử dụng môi chất R134a dùng thiết bị trao đổi nhiệt bay hơi microtube [2]
Nghiên cứu liên quan đến hệ thống lạnh chuyển tới hạn sử dụng môi chất CO 2
- Nghiên cứu thực nghiệm quá trình làm lạnh của chu trình chuyển tới hạn dùng môi chất CO2 sử dụng thiết bị bay hơi microchanel [3]
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
San-Kock cùng cộng sự [4] đã đánh giá thực nghiệm về hệ thống lạnh ghép tầng của môi chất R134a/CO 2 được thiết kế cho ứng dụng hệ thống lạnh thương mại có nhiệt độ bay hơi thấp Những quá trình thực nghiệm kết hợp hai chu trình nén một cấp được điều khiển bởi máy nén nửa kín Hai chu trình hoạt động song song được kết nối và trao đổi nhiệt thông qua bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn được điều khiển bằng van tiết lưu điện từ Thực nghiệm (45 trạng thái) gồm nhiệt độ ngưng tụ từ 30℃ đến 50℃ và bay hơi từ -40℃ đến -30℃ Trong mỗi trạng thái, chúng tôi tiến hành xem xét nhiệt độ ngưng tụ của chu trình tầng thấp với sự biến đổi tốc độ của máy nén tầng cao Tại đây, hiệu suất năng lượng của hệ thống được phân tích, tập trung vào hiệu suất của máy nén, độ chênh nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng, năng suất lạnh, COP và nhiệt độ đầu đẩy của máy nén Nó đã được quan sát thấy hiệu suất của máy nén là khác nhau khi chịu sự thay đổi của tốc độ Trong khi máy nén R134a thể hiện một cải tiến nhỏ khi tốc độ tăng lên, máy nén CO2 thể hiện hiệu suất thấp ở tốc độ dưới điểm định mức Tuy nhiên, ở các điều kiện ổn định, hiệu suất của máy nén CO2 tương tự như của R134a Nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy hiệu suất của máy nén CO2 giảm nhanh chóng ở tỷ số nén cao Khi tốc độ này tăng lên, độ chênh nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng cũng tăng lên và sự gia tăng này có ý nghĩa hơn ở nhiệt độ bay hơi thấp Độ chênh nhiệt độ đo được trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng trong
4 các thử nghiệm nằm trong khoảng từ 3,3℃ đến 5,3℃ Về hiệu suất năng lượng, người ta thấy rằng công suất làm lạnh phụ thuộc tuyến tính nghịch với nhiệt độ ngưng tụ của chu trình tầng thấp và nó ít bị ảnh hưởng tới sự thay đổi của nhiệt độ ngưng tụ cao, nhưng những thay đổi của nó là rất đáng kể khi chịu sự điều chỉnh của nhiệt độ bay hơi thấp
H.M Getu cùng cộng sự [5] đã phân tích một hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất R744/R717 nhằm tối ưu hóa các thông số thiết kế cũng như vận hành của hệ thống Các thông số thiết kế được xem xét gồm: nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, độ quá nhiệt và độ quá lạnh trong chu trình R717 (chu trình tầng cao); độ quá nhiệt, độ quá lạnh, nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ và độ chênh nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng trong chu trình R744 (chu trình tầng thấp) Một phân tích hồi quy đa tuyến tính được sử dụng cho nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, độ quá lạnh, quá độ nhiệt và độ chênh nhiệt độ của bộ trao đổi nhiệt ghép tầng để phát triển các biểu thức cho nhiệt độ bay hơi tối ưu của môi chất R717, COP tối đa và tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu của môi chất R717 và R744 trong hệ thống ghép tầng Nhóm nghiên cứu đã phân tích các thông số nhiệt động học của một hệ thống lạnh ghép tầng, hoạt động ở nhiệt độ bay hơi là -50℃ và nhiệt độ ngưng tụ là 40℃ Người ta đã chứng minh rằng COPMAX cao nhất đối với ethanol, tiếp theo là R717 và thấp nhất đối với R404A trong cùng điều kiện Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng lưu lượng khối lượng được yêu cầu lớn nhất là của R404A so với R717 trong chu trình tầng của hệ thống ghép tầng
Alok Manas Dubey cùng cộng sự [6] đã phân tích các thông số nhiệt động lực học của hệ thống ghép tầng chuyển tới hạn CO2/C3H6 bằng cách sử dụng phần mềm EES phiên bản 6.883 Môi chất C3H6 được sử dụng cho chu trình tầng thấp và CO2 được sử dụng cho chu trình tầng cao của hệ thống làm lạnh ghép tầng chuyển tới hạn Chu trình ghép tầng chuyển tới hạn trên có thể được sử dụng cho các ứng dụng sưởi ấm và làm mát đồng thời Các thông số hiệu suất tối ưu như 𝑇 𝑜𝑝𝑡 , 𝐶𝑂𝑃 𝑚𝑎𝑥 , lưu lượng khối lượng của C3H6 và CO 2 đã được dự đoán Các thông số thiết kế bao gồm độ chênh nhiệt độ dàn trao đổi nhiệt ghép tầng (DT), nhiệt độ dàn bay hơi của chu trình LT (𝑇 𝐸 ) và nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát (𝑇 𝐶 ) Từ các kết quả đã phân tích nhận thấy hiệu suất nhiệt của chu trình chuyển tới hạn
CO2/C3H6 tốt hơn so với chu trình dưới tới hạn và cũng tốt hơn chu trình chuyển tới hạn
NO2/CO2 Một phương pháp để thu được các biểu đồ hiệu suất có liên quan và các tương
5 quan hồi quy để phục vụ cho việc tính toán thiết kế và tối ưu hóa hệ thống ghép tầng chuyển tới hạn sử dụng môi chất CO2/C3H6 đã được phát triển Trong nghiên cứu về sự biến đổi của ba thông số thiết kế quan trọng là: nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát 𝑇 𝐶 , nhiệt độ bay hơi
𝑇 𝐸 trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng được xem xét để xác định COP của hệ thống, nhiệt độ tối ưu trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng và tỷ lệ khối lượng tối ưu của chu kỳ LT và HT
Alok Manas Dubey và cộng sự [7] đã cùng nghiên cứu một hệ thống lạnh ghép tầng chuyển tới hạn dựa trên môi chất lạnh tự nhiên được sử dụng để sưởi ấm và làm mát đồng thời bằng cách sử dụng phần EES Môi chất lạnh C3H6 được dùng trong chu trình tầng thấp và CO2 trong chu trình tầng cao Chu trình tầng cao của hệ thống sử dụng thiết bị điều hòa
2 khối và chu trình tầng thấp là một chu trình dưới tới hạn Cải thiện được EUF là 8 % bằng cách sử dụng thiết bị điều hòa 2 khối Hệ thống bơm nhiệt-làm lạnh ghép tầng được tối ưu hóa về cho EUF tổng thể Mô hình đã được phát triển và được sử dụng để kiểm tra sự ảnh hưởng của các tham số chính đối với cấu hình của hệ thống trong điều kiện EUF tối đa Ảnh hưởng của các biến vận hành khác nhau đến số lượng thiết kế tối ưu đã được thảo luận Các kết quả đã được phân tích về hiệu suất nhiệt đối với chu trình ghép tầng CO2/C3H6 được so sánh với các môi chất lạnh thông thường Trong nghiên cứu này, sự thay đổi của ba thông số thiết kế quan trọng đó là nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát khí TC, nhiệt độ bay hơi TE , nhiệt độ tối ưu trong bình ngưng ghép và tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu của chu kỳ LT và HT
Tzong-Shing Lee cùng cộng sự [8] đã phân tích các thông số nhiệt động lực học một hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất lạnh R744/R717 để xác định nhiệt độ ngưng tụ tối ưu ở thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng với các thông số thiết kế khác nhau, nhằm tối đa hóa COP và giảm thiểu sự phá hủy hệ thống Các thông số bao gồm: nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi và độ chênh nhiệt độ trong dàn ngưng tụ ở thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng Công trình này nghiên cứu nhiệt độ ngưng tụ tối ưu TMC,OPT và hệ số hiệu suất cực đại tương ứng COPmax cho hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất R744/R717 dựa trên ba thông số thiết kế là nhiệt độ ngưng tụ TC, nhiệt độ bay hơi TE và độ chênh nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ ghép tầng DT
Yulong Song cùng cộng sự [9] đã so sánh về hiệu suất của hệ thống kết hợp sử dụng cặp môi chất R134a/CO2 và hệ thống ghép tầng sử dụng cặp môi chất R134a/CO2 để sưởi
6 ấm trong các điều kiện vận hành cụ thể Ảnh hưởng của các thông số chính như nhiệt độ nước cấp, nhiệt độ nước cấp cho tải và nhiệt độ môi trường đến hiệu suất của hai hệ thống đã được nghiên cứu thêm Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng hệ thống kết hợp sử dụng cặp môi chất lạnh R134a/CO2 hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ môi trường xung quanh cao và độ chênh nhiệt độ cao giữa nước cấp vào và nước cấp cho tải Nhưng hệ thống ghép tầng lại hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ xung quanh thấp và độ chênh nhiệt độ nhỏ giữa nước cấp vào và nước cấp cho tải Một mối tương quan thực nghiệm đã được đề xuất để xác định vùng hiệu suất tốt nhất cho hai hệ thống sử dụng hệ số điều kiện hoạt động Qua đó cung cấp cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư một hướng đi để chọn hệ thống phù hợp nhất cho bất kỳ điều kiện vận hành cụ thể nào
Rodrigo Llopis cùng cộng sự [10] đã đánh giá thử nghiệm một bộ trao đổi nhiệt bên trong hoặc bộ trao đổi nhiệt 1 phía lỏng và 1 phía hơi trong một hệ thống lạnh dưới tới hạn
Mục tiêu nghiên cứu
Thiết lập phần mềm tính toán chu trình lạnh cho hệ thống lạnh ghép tầng bằng phần mềm EES
Nghiên cứu về ảnh hưởng của độ chênh nhiệt độ trong thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng đối với hệ số làm lạnh (𝜀)
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nhóm sẽ nghiên cứu về thông số độ chênh nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng, hệ số làm lạnh 𝜀 của hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất lạnh R134a/CO2 sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro với năng suất lạnh là 1kW, môi chất CO2, môi chất R134a
Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm truyền nhiệt trường Đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, nghiên cứu thực nghiệm với hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất lạnh R134a/CO2 sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro với năng suất lạnh Q0=1kW và nhiệt độ bay hơi là -25℃.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tổng quan: thu thập các bài báo khoa học về các nghiên cứu về hệ thống lạnh CO2 nói chung và hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng CO2 nói riêng để xác định được đối tượng, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Phương pháp tính toán: thiết lập phần mềm tính toán chu trình lạnh dựa trên phần mềm EES
Phương pháp thực nghiệm: vận hành và thu thập dữ liệu từ mô hình thực nghiệm Phương pháp so sánh: so sánh giá trị tính toán của phần mềm so với thông số vận hành của hệ thống thực tế
Phương pháp phân tích: phân tích dữ liệu từ dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu từ phần mềm, từ đo đưa ra nhận xét về kết quả và phương án thiết kế tối ưu nhất
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về môi chất lạnh R744
Môi chất làm lạnh Carbon Dioxide (CO2 ) hay R744 là môi chất lạnh tự nhiên, có thể sản xuất dễ dàng Được đánh giá là môi chất có tiềm năng thay thế các môi chất lạnh truyền thống và hoàn toàn thân thiện với môi trường vì nó không có khả năng làm suy giảm tầng Ozone (ODP=0) và nếu sử dụng trong chu trình kín thì khả năng gây ra hiệu ứng nhà kín cũng không đáng kể (GWP=1) CO2 là khí không màu, không mùi và nặng hơn không khí CO2 hóa rắn khi bị làm lạnh đột ngột ở nhiệt độ dưới -78℃ tạo thành tinh thể màu trắng được gọi là đá khô và phân hủy ở nhiệt độ 2000℃ để tạo thành CO và O2 Môi chất
CO2 có điểm tới hạn là 31℃ và nhiệt độ bay hơi tại áp suất khí quyển thấp hơn khá nhiều so với các môi chất lạnh truyền thống Những hệ thống lạnh CO2 yêu cầu các thiết bị trong hệ thống phải chịu được áp lực cao Những ưu điểm của những hệ thống lạnh CO2 là năng suất lạnh lớn, môi chất CO2 cũng là môi chất rẻ tiền, dễ sản xuất, có thể sử dụng được với nhiều loại dầu lạnh khác nhau cũng như có nhiều ưu điểm có thể ứng dụng trong các hệ thống lạnh nhiệt độ thấp và trung bình
Hình 2.1 Sơ đồ biến đổi pha của môi chất lạnh R744 theo nhiệt độ và áp suất
Hình 2.2 Đồ thị P-h cho môi chất R744.
Giới thiệu về môi chất lạnh R134a
Môi chất lạnh R134a là môi chất HFC tinh khiết dùng thay thế môi chất CFCS và HCFC R134a rất thân thiện với môi trường, không gây phá hủy tầng Ozone (ODP=0) và độc tính thấp, vì thế nếu xảy ra rò rỉ thì cũng không làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường Hiện nay R134a đang được sử dụng nhiều trong các hệ thống điều hòa không khí như tủ lạnh, ô tô, điều hòa trung tâm và hệ thống lạnh thương mại
R134a có chỉ số làm nóng lên toàn cầu GWP30 và chỉ số tác động phá hủy tầng Ozone OPD=0,2 Môi chất lạnh R134a có rất nhiều ưu điểm khá nổi trội hơn so với các môi chất lạnh truyền thống như: không gây phá hủy tầng ozone, không gây cháy, nổ và không gây ăn mòn các thiết bị của hệ thống lạnh Nhược điểm của R134a là góp phần làm gia tăng hiện tượng nóng lên toàn cầu
Hình 2.3 Đồ thị P-h cho môi chất lạnh R134a.
Giới thiệu về hệ thống lạnh ghép tầng
Hệ thống lạnh ghép tầng hoạt động dựa trên việc ghép hai chu trình lạnh, sử dụng thiết bị bay hơi của chu trình tầng cao để giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ tầng thấp tại một thiết bị trao đổi nhiệt được gọi là thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng Thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng đóng vai trò là thiết bị bay hơi của chu trình tầng cao (HTC) và cũng là thiết bị ngưng tụ của chu trình tầng thấp (LTC) Do đó môi chất lạnh ở tầng thấp sẽ được làm mát hiệu quả hơn so với các chu trình lạnh có thiết bị ngưng tụ thông thường giải nhiệt bằng gió hoặc nước Những hệ thống lạnh ghép tầng có thể sử dụng đa dạng các loại môi chất, sử dụng nhiều thiết bị của nhiều hãng khác nhau cho chu trình tầng cao (HTC) và chu trình tầng thấp (LTC) Đó là ưu điểm khi chúng ta có thể thiết kế nhiệt độ bay hơi theo yêu cầu là rất thấp Nếu so sánh hai hệ thống lạnh gồm một hệ có nhiều tầng (mỗi tầng là một máy lạnh một cấp) và một hệ có nhiều cấp thì máy lạnh ghép tầng đạt được độ lạnh sâu hơn
Ngoài những ưu điểm trên, hệ thống lạnh ghép tầng còn tồn tại những nhược điểm như là: hệ thống lạnh ghép tầng có cấu tạo khá phức tạp so với những hệ thống lạnh thông thường và nhiệt độ độ chênh khá lớn giữa nhiệt độ bay hơi tầng tao và nhiệt động ngưng tụ tầng thấp sẽ dẫn đến năng lượng tiêu thụ cho hệ thống sẽ cao hơn
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh ghép tầng.
Độ chênh nhiệt độ ở thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng
Độ chênh nhiệt độ ở thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng là sự chênh lệch giá trị nhiệt độ của nhiệt độ bay hơi của chu trình tầng cao và nhiệt độ bay ngưng tụ của chu trình tầng thấp được thể hiện qua công thức:
Công thức tính toán chu trình
Đối với việc tính toán chu trình lạnh của hệ thống lạnh ghép tầng, chúng ta sẽ tính riêng từng tầng và tính tương tự như chu trình lạnh một cấp Điều kiện để hệ thống hoạt động ổn định là năng suất lạnh của chu trình tầng cao bằng nhiệt lượng cần cho quá trình ngưng tụ của chu trình tầng thấp khi bỏ qua tổn thất nhiệt
Hình 2.5 Đồ thị logp-h của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/R744
Lưu lượng khối lượng môi chất tầng thấp tuần hoàn trong hệ thống:
𝑄 0 – Năng suất lạnh của hệ thống, kW
Công nén riêng chu trình tầng thấp:
Công suất máy nén của chu trình tầng thấp:
Công suất động cơ máy nén:
Các hệ số ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ:
𝑖 – Hiệu suất chỉ thị của quá trình nén khi kể đến ma sát của hơi môi chất lạnh
𝑒 – Hệ số tổn thất ma sát giữa các chi tiết chuyển động của máy nén
𝑒𝑙 – Hiệu suất động cơ điện, 𝑡𝑑 = 0,8 ÷ 0,95
𝑡𝑑 – Hệ số kể đến tổn thất do chuyền động: khớp nối, đai truyền, các máy nén kín và nữa kín, 𝑡𝑑 = 1
Công suất nén đoạn nhiệt:
Với: m – Lưu lượng khối lượng môi chất tuần hoàn qua máy nén
Công suất động cơ lắp đặt:
Trong đó: 𝑘 = 1,1 ÷ 2,1 – Hệ số an toàn
Công suất động cơ máy nén tầng thấp:
Hệ số làm lạnh của chu trình tầng thấp:
Công suất của thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro:
Lưu lượng khối lượng môi chất tầng cao tuần hoàn trong hệ thống:
Công suất thiết bị ngưng tụ tầng thấp:
𝑄 𝑘(𝐻𝑇𝐶) = 𝑞 𝑘(𝐻𝑇) × 𝑚 𝑅134𝑎 (kW) (2.2e) Công nén riêng chu trình tầng cao:
Công suất máy nén của chu trình tầng cao:
Công suất động cơ máy nén tầng cao:
Hệ số làm lạnh của chu trình tầng cao:
Hệ số hiệu quả năng lượng :
Hệ số làm lạnh của cả hệ thống:
Các công thức truyền nhiệt
2.6.1 Hệ số truyền nhiệt tổng
Hệ số truyền nhiệt tổng của hai môi chất lạnh được xác định theo biểu thức (11.1) trang 673 [19]:
𝛼 𝑐 : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của chất lạnh, (W/m 2 k)
𝛼 ℎ : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của chất nóng, (W/m 2 k)
𝑘 : Nhiệt trở của lớp cách nhiệt, với 𝛿 là chiều dày của lớp cách nhiệt (m); k là hệ số dẫn nhiệt (W/m.k)
2.6.2 Phương trình truyền nhiệt giữa hai lưu chất lạnh và nóng Được xác định theo biểu thức (11.14) trang 678 [19]:
U: Hệ số truyền nhiệt tổng, (W/m 2 k)
∆𝑡 𝑙𝑚 : Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit giữa hai lưu chất nóng và lạnh được xác định theo biểu thức (11.15) trang 678 [19]
- Nếu hai lưu chất chuyển động ngược chiều thì ∆𝑡 1 và ∆𝑡 2 được xác định theo biểu thức (11.16) trang 678 [19]
Hình 2.6 Hai lưu chất nóng và lạnh trao đổi nhiệt thuận chiều
Nếu hai lưu chất chuyển động ngược chiều thì ∆𝑡 1 và ∆𝑡 2 được xác định theo biểu thức (11.17) trang 679 [19]
Hình 2.7 Hai lưu chất nóng và lạnh trao đổi nhiệt ngược chiều
Với: 𝑡 ℎ,𝑖 : Nhiệt độ của lưu chất nóng đi vào, ( o C)
𝑡 ℎ,𝑜 : Nhiệt độ của lưu chất nóng đi ra, ( o C)
𝑡 𝑐,𝑖 : Nhiệt độ của lưu chất lạnh đi vào, ( o C)
𝑡 𝑐,𝑜 : Nhiệt độ của lưu chất lạnh đi ra, ( o C)
2.6.3 Các hệ số tỏa nhiệt của môi chất lạnh trong thiết bị bay hơi tầng thấp và thiết bị ngưng tụ tầng cao
Sự truyền nhiệt xảy ra tại bộ trao đổi nhiệt bao gồm sự đối lưu của không khí bên ngoài, sự dẫn nhiệt của ống và sự đối lưu của môi chất lạnh bên trong ống Môi chất lạnh đối lưu bên trong thiết bị bay hơi và ngưng tụ được coi là dòng hai pha, ở đây cụ thể đối với môi chất R134a đối lưu trong thiết bị ngưng tụ được coi là truyền nhiệt hai pha đang ngưng và môi chất R744 đối lưu trong thiết bị bay hơi được coi là truyền nhiệt hai pha đang sôi
Hệ số tỏa nhiệt đang ngưng của R134a Được xác định theo phương pháp Shah và Kandlika, ở biểu thức (7) trang 98 [10]:
𝛼 𝐻𝑇 : Hệ số tỏa nhiệt đang ngưng của R134a k: Hệ số dẫn nhiệt, (W/m 2 K)
𝑑 𝑖 : Đường kính trong ống đồng, (m)
𝑃 𝑠𝑎𝑡 , 𝑃 𝑐𝑟 : Lần lượt là áp suất ngưng tụ và áp suất tới hạn của môi chất lạnh R134a
Hệ số tỏa nhiệt đang sôi của R744 Được phát triển bởi Chen và Shah, ở biểu thức (6) trang 98 [10]:
𝛼 𝐿𝑇 : Hệ số tỏa nhiệt đang sôi của R744
F: Hệ số của số Reynold được xác định theo biểu thức (6) trang 102 [20]:
2.6.4 Hệ số tỏa nhiệt của môi chất lạnh trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro
Hệ số tỏa nhiệt ngưng tụ của R744 trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro Được xác định theo biểu thức (11) trang 2010 [21]
𝛼 𝐶𝑎𝑙𝑐 : Hệ số tỏa nhiệt ngưng tụ của R744 trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro
𝛼 𝑐 : Được xác định theo biểu thức (9) trang 2009 [21]
𝛼 𝑎 : Được xác định theo biểu thức (10) trang 2009 [21]
𝑡 𝑤𝑎𝑙𝑙 , 𝑡 𝑠𝑎𝑡 : Lần lượt là nhiệt độ vách và nhiệt độ bão hòa, ( 0 C)
𝛼 𝐿𝑂 : Hệ số tỏa nhiệt một pha của chất lạnh
𝛼 𝑁𝑢 : Hệ số tỏa nhiệt trung bình do trọng lực chi phối được xác định theo biểu thức
Hệ số tỏa nhiệt trung bình của R134a trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro Được xác định theo biểu thức (15) trang 147 [23]:
𝛼 𝑎𝑣𝑒 : Hệ số tỏa nhiệt trung bình của R134a trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro
𝛼 𝑏 : Hệ số tỏa nhiệt trung bình đang sôi được xác định theo biểu thức (14) trang 146 [23]
𝑃𝑟 𝑙 : Hệ số Prandtl của chất lỏng được xác định theo biểu thức (7) trang 146 [23]
𝑅𝑒 𝑒𝑞 – Hệ số Reynolds tương đường được xác định theo biểu thức (8) trang 146 [23]
𝛼 𝑐𝑏 : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu trung bình được xác định theo biểu thức (9) trang 146 [23]
𝛼 𝑛𝑏 : Hệ số tỏa nhiệt sôi hạt được xác định theo biểu thức (10) trang 146 [23]
ℎ 0 : Hệ số tham chiếu từ hệ số truyền nhiệt riêng của từng môi chất làm lạnh
𝑅 𝑎 : Độ nhám trung bình, (μm) q : Mật độ dòng nhiệt
THIẾT LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
Giới thiệu phần mềm EES
Phần mềm Engineering Equation Solver (EES) là phần mềm giúp cho người dùng khả năng giải quyết nhanh các bài toán liên quan đến kỹ thuật nói chung và những bài toán kỹ thuật liên quan đến các quá trình Nhiệt nói riêng Với đặc thù của các bài toán Nhiệt thường phải tra bảng, đồ thị, các phương trình thực nghiệm cũng như hệ thống được các đơn vị khá phức tạp Vì vậy phần mềm EES thể hiện được được sự tối ưu trong việc tính toán các bài toán liên quan đến kỹ thuật Nhiệt Nhận thấy sự tiện lợi của phần mềm EES nên nhóm đã lựa chọn phần mềm này để phục vụ trong việc nghiên cứu đề tài Sau đây là những hàm nhóm đã dùng để tính toán các thông số trạng thái và thông số vật lý của môi chất của chu trình lạnh Để phục vụ trong việc tính toán các bài toán nhiệt động của chu trình lạnh, phần mềm Engineering Equation Solver (EES) đã hỗ trợ người dùng có thể tra nhanh các thông số trạng thái và thông số vật lý tại các điểm nút của chu trình lạnh: Nhiệt độ(T), nhiệt độ hơi bão hòa (Tsat), áp suất (P), áp suất hơi bão hòa (Psat) , entalpy (h), entropy (s), nhiệt dung riêng đẳng áp (Cp), khối lượng riêng (𝜌), độ nhớt (𝜇), hệ số dẫn nhiệt (k),… và nhóm đã áp dụng để tính toán được các thông số cần thiết của hệ thống lạnh như công suất lạnh, công suất máy nén, công suất của các thiết bị trao đổi nhiệt, diện tích trao đổi nhiệt của các thiết bị, lưu lượng môi chất lạnh tuần hoàn trong hệ thống, hệ số 𝜀, COP của hệ thống Qua những thông số đầu ra của bài toán, chúng ta có thể dựa vào đó để thiết kế những hệ thống lạnh với nhiều chế độ vận hành khác nhau
Hướng dẫn sử dụng phần mềm EES
Sau khi đã cài đặt phần mềm thành công phần mềm EES (Lưu ý: chỉ nên cài đặt phiên bản EES Professional), click đôi vào biểu tượng của phần mềm sẽ xuất hiện giao diện như Hình 3.1
Hình 3.1 Giao diện chính của phần mềm EES Ở phía trên cùng là phần thanh công cụ và icon như những phần mềm thông thường Phía dưới là cửa sổ “Equation Window” Đây là của sổ chính của phần mềm và người dùng có thể viết lệnh trực tiếp vào cửa sổ này
Hình 3.2 Cửa sổ Equation Window Để chuyển sang dạng phương trình và ký hiệu tự nhiên, ta chọn vào “Window” và chọn tiếp “Formatted Equations” và kết quả cho ra sẽ như Hình 3.3
Hình 3.3 Cửa sổ Formatted window
Khi sử dụng phần mềm, người dùng cần lưu ý:
- Có 2 cách nhập biến vào phần mềm Ví dụ nếu bạn muốn nhập P1 thì bạn có thể gõ P_1 hoặc P[1]
- Phần mềm EES dùng cặp dấu ngoặc vuông để đặt đơn vị cho biến và biến không có đơn vị thì dùng “[-]” EES dùng dấu {} hoặc “” để chú thích và nếu dùng “” thì phần chú thích vẫn sẽ hiển thị trên cửa sổ “Formatted Equations”
- EES không phân biệt chữ hoa hay chữ thường
- Phần mềm EES dùng $ để biểu diễn chuỗi (String)
- EES dùng # để biểu diễn 1 hằng số (Constant)
Bảng 3.1 Định dạng Equations Window và Format Window Định dạng Equations Window Định dạng Formatted Window
T_1=-30[C] “nhiet do bay hoi” T1=-30[C] nhiet do bay hoi
Refrigerant$=’R744’{moi chat lạnh R744} Refrigerant$=’R744’
Chúng ta có thể tìm hiểu về các lệnh và các công cụ của phần mềm bằng cách chọn vào “Help” sau đó chọn “Help index” Màng hình sẽ hiện ra cửa sổ như Hình 3.4
Hình 3.4 Giao diện Help index
Ngoài ra, chúng ta cần làm quen với hệ thống ký hiệu được sử dụng trong phần mềm cũng bằng cách chọn menu “Help Index”, chọn tiếp thẻ “Index” và gõ vào ô tìm kiếm từ khóa “ Greek and Special Symbols” Màng hình sẽ hiện ra phần hệ thống ký hiệu của phần mềm EES như Hình 3.5
Hình 3.5 Hệ thống ký hiệu trong EES
Hướng dẫn sử dụng phần mềm EES để tính toán về chu trình lạnh
Đầu tiên, chúng ta cần đồng bộ hóa hệ thống đơn vị qua việc thiết lập hệ thống đơn vị mặc định cho các thông số trạng thái của môi chất Để thiết lập hệ thống đơn vị, chúng ta cần chọn thẻ “Option”, sau đó chọn “Unit System” Người dùng sẽ thiết lập hệ thống đơn vị mặc định của thông số trạng thái môi chất ở giao diện sau
Hình 3.6 Giao diện thiết lập đơn vị mặc định của phần mềm EES
Sau khi đã chọn được hệ thống đơn vị phù hợp, chọn lệnh “OK” để kết thúc quá trình thiết lập đơn vị
Sau đó chúng ta sẽ làm quen với những hàm được sử dụng để tra các thông số trạng thái và thông số vật lý của một chất lạnh ở các điểm nút của chu trình Người dùng chọn thẻ “Option”, sau đó chọn “Function option” Màng hình sẽ xuất hiện giao diện như Hình 3.7
Hình 3.7 Cửa sổ để chọn các hàm cần dùng để tra các thông số của bài toán Để thực hiện việc tính toán các bài toán liên quan đến chu trình lạnh, chúng ta sẽ chọn vào “Thermophysical properties” và “Real fluids” Ở cửa sổ này, chúng ta cần chọn thông số cần xác định ở ô bên trái và môi chất cần tra ở ô bên phải Để xác định được các thông số trạng thái của môi chất, chúng ta cần dùng 1 hoặc kết hợp 2 thông số nhiệt động đã biết của điểm nút trong chu trình lạnh Sau khi đã chọn đủ các thông tin thì chúng ta click vào “Paste” và dòng lệnh sẽ hiện ở cửa sổ “Equation Window” như Hình 3.8
Hình 3.8 Cửa sổ Equation Window
Bảng 3.2 Ý nghĩa của những hàm để xác định các thông số nhiệt động của điểm nút trong chu trình lạnh
AcentriFactor Hệ số xoay chiều 𝜔
Conductivity Hệ số dẫn nhiệt
Cp Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp
Cv Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích
Entalpy_fusion ∆Entalpy giữa pha lỏng và rắn
Entalpy_vaporization Nhiệt ẩn hóa hơi r
FluidType$ Xác định loại môi chất intEnergy Nội năng
IsentropicExponent Mũ đẳng hướng của chất lỏng
NormalBolingPt Nhiệt độ sôi tại áp suất 1atm (khí quyển)
P_crit Áp suất tới hạn
P_sat Áp suất hơi bão hòa
Phase$ Xác định pha của môi chất
Quality Độ khô của môi chất
SoundSpeed Tốc độ âm qua chất lỏng
SurfaceTension Sức căng bề mặt tại vị trí hơi-lỏng
T_crit Nhiệt độ tới hạn
T_sat Nhiệt độ hơi bão hòa
T_triple Nhiệt độ tại điểm ba thể
34 v_crit Thể tích riêng tới hạn
Viscosity Độ nhớt động học
VolExCoef Độ biến thiên thể tích dãn nở
Cách xác định thông số trạng thái của chu trình lạnh
Đầu tiên, chúng ta cần cài đặt hệ thống đơn vị cho các thông số trạng thái trước khi tiến hành tra và đơn vị của các kết quả tra được trả về theo đơn vị chúng ta đã thiết lập trước đó Để tính toán các bài toán liên quan đến chu trình lạnh, chúng ta cần xác định tra được các thông số trạng thái và thông số vật lý của điểm nút trong chu trình lạnh Trong EES, người dùng muốn tra được các thông số trạng thái và thông số vật lý của điểm nút cần biết được từ 1 đến 2 thông số trạng thái như: Nhiệt độ(T), áp suất (P), độ khô (x), entalpy (h), entropy (s),… Để tra được các thông số, chúng ta cần thực hiện theo công thức sau:
TÊN BIẾN=TÊN HÀM(TÊN MÔI CHẤT, THÔNG SỐ 1,THÔNG SỐ 2)
TÊN BIẾN=TÊN HÀM(TÊN MÔI CHẤT, THÔNG SỐ 1) Bảng 3.3 Bảng liệt kê các lệnh mà nhóm đã dùng để xác định thông số của điểm nút trong chu trình lạnh
Tên hàm Ví dụ Ý nghĩa
Tra thông số trạng thái
Dùng để xác định thông số nhiệt độ ứng với môi chất R tại áp suất 17.3 bar và độ khô bằng 1
Dùng để xác định nhiệt độ hơi bão hòa ứng với môi chất R và áp suất là
Dùng để xác định áp suất ứng với môi chất R tại nhiệt độ -30℃ và độ khô bằng 1
Dùng để xác định áp suất hơi bão hòa ứng với môi chất R và nhiệt độ -30℃
Dùng để xác định Entalpy ứng với môi chất R tại nhiệt độ -30℃ áp suất là 17 bar
Dùng để xác định Entropy ứng với môi chất R tại nhiệt độ 30℃ và Entalpt là 315 kJ/kg
Tra thông số vật lý
Dùng để xác định nhiệt dung riêng đẳng áp ứng với môi chất R tại điểm có độ khô bằng 0 và nhiệt độ bằng T[1]
Dùng để xác định khối lượng riêng áp ứng với môi chất R tại điểm có độ khô bằng 1 và nhiệt độ bằng T[1]
Dùng xác định độ nhớt động học ứng với môi chất R tại điểm có độ khô bằng 1 và nhiệt độ bằng T[1]
Dùng để xác định hệ số dẫn nhiệt học ứng với môi chất R tại điểm có độ khô bằng 0 và nhiệt độ bằng T[1].
Thiết lập chương trình tính toán
Để thuận tiện cho quá trình thiết lập chương trình tính toán trong phần mềm EES do vậy thông số các điểm nút của chu trình sử dụng môi chất R134a (chu trình tầng cao) sẽ được kí hiệu lại để dễ dàng khai báo trong phần mềm EES như Bảng 3.4 và Hình 3.8
Bảng 3.4 Điểm nút thay thế tương ứng cho chu trình R134a trong phần mềm EES Điểm nút ban đầu Điểm nút thay thế Trạng thái
Hình 3.9 Điểm nút thay thế tương ứng cho chu trình R134a trong phần mềm EES
Diễn giải các hàm tra thông số và công thức
$UnitSystem SI C bar kJ s kg
Q_dot_0=Q_dot_E*convert(kW,kJ/s)
“Các trạng thái nhiệt độ”
“Các quá trình đẳng nhiệt”
“Các quá trình đẳng áp”
"Enthalpy và Entropy" h[1]=Enthalpy(RL$,x=1,P=P[1]) h[2]=Enthalpy(RL$,T=T[2],P=P[1]) s[2]=Entropy(RL$,T=T[2],P=P[1]) s[3]=s[2] h[3]=Enthalpy(RL$,s=s[3],P=P[3]) h[4]=Enthalpy(RL$,x=0,P=P[4]) h[5]=Enthalpy(RL$,T=T[5],P=P[4]) h[6]=h[5] h[7]=Enthalpy(RL$,x=1,P=P[7]) h[8]=Enthalpy(RH$,T=T[8],P=P[7]) s[8]=Entropy(RH$,T=T[8],P=P[7])
39 s[9]=s[8] h[9]=Enthalpy(RH$,s=s[9],P=P[9]) h[10]=Enthalpy(RL$,x=0,P=P[10]) h[11]=Enthalpy(RH$,T=T[11],P=P[10]) h[12]=h[11]
“Các trạng thái nhiệt độ”
“Lưu lượng môi chất của chu trình tầng thấp” m_dot_LT=Q_dot_0/(h[1]-h[6])
“Lưu lượng môi chất của chu trình tầng cao” m_dot_HT =Q_dot_MPHE/(h[7]-h[12])
“Công suất máy nén LT”
“Công suất máy nén HT”
“Công suất thiết bị ngưng tụ HT”
Q_dot_C= m_dot_HT h[9]-h[11])*convert(kJ/s,W) Q_C=Q_dot_C*convert(W,kW)
“Công suất động cơ máy nén LT”
“Công suất động cơ máy nén HT”
“Tổng công suất máy nén”
N_dot_tongcongsuatmaynen+(N_dot_LTC+N_dot_HTC)*convert(kJ/s,kW)
“Hệ số hiệu quả năng lượng COP”
COP=(Q_dot_0)/( N_dot_LTC+N_dot_HTC)
“TÍNH TOÁN CHỌN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT”
“TÍNH THIÊT BỊ BAY HƠI CHO CHU TRÌNH TẦNG THẤP” d_1=0.004 [m] lambda_1.2 [W/m-K] delta_1=0.001 [m] x_1=0.5 rho_l1sity(RL$,x=0,T=T[1]) mu_l1=Viscosity(RL$,x =0,T=T[1])*convert(kg/m-s,Pa-s) rho_g1sity(RL$,x =1,T=T[1]) mu_g1=Viscosity(RL$,x =1,T=T[1])*convert(kg/m-s,Pa-s)
Cp_l1=SpecHeat(RL$,x =0,T=T[1])*convert(kJ/kg-K,J/kg-K) k_l1=Conductivity(RL$,x =0,T=T[1])
“Lưu lượng môi chất của chu trình tầng thấp trên một đơn vị diện tích” m_1=(4* m_dot_LT)/(pi*(d_1)^2)
X_tt=((1-x_1)/x_1)^(0.9)*(rho_g1/rho_l1)^(0.5)*(mu_l1/mu_g1)^(0.1) F=2.35*((1/X_tt)+0.213)^(0.736)
“Hệ số tỏa nhiệt đang sôi của môi chất lạnh chu trình tầng thấp”
“Hệ số tỏa nhiệt của không khí” alpha_a9 [W/m^2-K]
“Hệ số truyền nhiệt tổng” k_e=1/((1/ alpha_LT)+(delta_1/lambda_1)+(1/ alpha_a))
T_ri1=T[6] “Nhiệt độ LT vào dàn bay hơi”
T_ro1=T[2] “Nhiệt độ LT ra khỏi dàn bay hơi”
T_ai10 [C] “Nhiệt độ của không khí vào dàn bay hơi (nhiệt độ môi trường)” T_ao1% [C] “Nhiệt độ của không khí ra khỏi dàn bay hơi (nhiệt độ buồng lạnh)”
“Biến thiên nhiệt độ ở dàn bay hơi của chu trình tầng thấp”
“Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit”
DELTAT_t2_tangthap)/ln(DELTAT_t1_tangthap/DELTAT_t2_tangthap)
“Diện tích truyền nhiệt của dàn bay hơi”
“TÍNH THIẾT BỊ NGƯNG TỤ CHO CHU TRÌNH TẦNG CAO” d_2=0.005 [m] lambda_294 [W/m-K] delta_2=0.0007 [m] x_2=0.5 rho_l2sity(RH$,x=0,T=T[10]) mu_l2=Viscosity(RH$,x =0,T=T[10])
Cp_l2=SpecHeat(RH$,x =0,T=T[10]) k_l2=Conductivity(RH$,x =0,T=T[10])
“Lưu lượng môi chất của chu trình tầng cao trên một đơn vị diện tích” m_2=(4* m_dot_HT)/(pi*(d_2)^2)
“Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của môi chất chu trình tầng cao” alpha_HT =Nul_2*(k_l2/d_2)*(((1-x_2)^(0.8)+(3.8*x_2^(0.76)*(1 x_2)^(0.04)))
“Hệ số truyền nhiệt tổng” k_c=1/((1/ alpha_HT)+(delta_2/lambda_2)+(1/alpha_a))
T_ai2=T_mt “Nhiệt độ không khí vào dàn ngưng”
T_ao2=T[10] “Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng”
T_ri2=T[9] “Nhiệt độ môi chất của chu trình tầng cao vào dàn ngưng”
T_ro2=T[11] “Nhiệt độ môi chất của chu trình tầng cao ra khỏi dàn ngưng”
“Biến thiên nhiệt độ tại dàn ngưng của chu trình tầng cao”
“Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit”
DELTAT_t2_tangcao)/ln(DELTAT_t1_tangcao/DELTAT_t2_tangcao)
“Diện tích truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ”
“TÍNH TOÁN THUYẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GHÉP TẦNG DẠNG TẤM MICRO” q_1500 [W/m^2] “Mật độ dòng nhiệt”
43 x_3=0.5 “Độ khô” e=0.00066 [m] “Khoảng cách giữa hai tấm micro” delta_3=0.00119 [m] “Chiều dày tấm micro” lambda_3 [W/m-K] “Độ dẫn nhiệt” d_thuyluc=(4*r*e)/(2*(r+e)) “Đường kính thủy lực”
“Xác định hệ số tỏa nhiệt ngưng tụ trong chu trình tầng thấp” t_w=4 [C] “Chọn nhiệt độ vách trong” t_sat=6 [C] t_f=(T[4]+t_w)/2 rho_l3sity(RL$,x=0,T=t_f) mu_l3=Viscosity(RL$,x=0,T=t_f)*convert(kg/m-s,pa-s) rho_g3sity(RL$,x=1,T=t_f) mu_g3=Viscosity(RL$,x=1,T=t_f)*convert(kg/m-s,Pa-s)
Cp_l3=SpecHeat(RL$,x=0,T=t_f)*convert(kJ/kg-K,J/kg-K) k_l3=Conductivity(RL$,x=0,T= =t_f) h_lg=Enthalpy_vaporization(RL$,T=t_f)*convert(kJ/kg-K,J/kg-K) g=9.81 [m/s^2]
“Tính hệ số tỏa nhiệt trung bình do trọng lực chi phối” h_Nu=0.943*((rho_l3*(rho_l3-rho_g3)*g*h_lg*(k_l3)^3)/(mu_l3*l*(t_sat- t_w)))^0.25
“Nhiệt độ trung bình của giá trị nhiệt độ ngưng tụ trong chu trình tầng thấp và giá trị nhiệt độ trong vùng quá nhiệt” t_tb=(T[3]+t_sat)/2 rho_l4sity(RL$,x=0,T=t_tb) mu_l4=Viscosity(RL$,x=0,T=t_tb)*convert(kg/m-s,Pa-s) rho_g4sity(RL$,x=1,T=t_tb) mu_g4=Viscosity(RL$,x=1,T=t_tb)*convert(kg/m-s,pa-s)
Cp_l4=SpecHeat(RL$,x=0,T=t_tb)*convert(kJ/kg-K,J/kg-K)
Re_LO=(m_1*d_thuyluc)/mu_l4 “Số Reynolds”
Pr_3=(Cp_l4*mu_l4)/k_l4 “Số Prandtl”
Nu_l3=0.023*Re_LO^(0.8)*Pr_3^(0.4) “Số Nusselt”
“Hệ số tỏa nhiệt một pha của chất làm lỏng lạnh” alpha_LO=Nu_l3*k_l4/ d_thuyluc
“Hệ số tỏa nhiệt do sự trượt chi phối” alpha_a1=alpha_LO*(1+1.128*(x_3^0.817)*(rho_l4/rho_g4)^(0.3685)*(mu_l4/mu_g 4)^(0.2363)*(1-(mu_g4/mu_l4))^(2.144)*Pr_3^(-0.1)) alpha_c1=((alpha_a1^2)+(h_Nu^2))^0.5
“Hệ số tỏa nhiệt khi LT ngưng tụ” alpha_C2=alpha_c1*1.074*(t_tb-t_w)^(-0.386)
“TÍNH HỆ SỐ TỎA NHIỆT TRUNG BINH h_ave TRONG CHU TRÌNH HT BAY HƠI” rho_l5sity(RH$,T=T[12],x=0) rho_g5sity(RH$,T=T[12],x=1) mu_l5=Viscosity(RH$,T=T[12],x=0)*convert(kg/m-s,Pa-s) mu_g5=Viscosity(RH$,T=T[12],x=1)*convert(kg/m-s,Pa-s)
Cp_l5=SpecHeat(RH$,T=T[12],x=0)*convert(kJ/kg-K,J/kg-K) k_l5=Conductivity(RH$,x =0,T=T[12])
Re_eq=m_2*((1-x_3)+x_3*(rho_l5/rho_g5)^0.5)*( d_thuyluc /mu_l5)
“Hệ số tỏa nhiệt trung bình”
PHI=2.1 “Tỷ lệ giữa diện tích thực tế với diện tích dự kiến của tấm micro” alpha_cb=0.122*PHI*(k_l5/d_thuyluc)*(Re_eq^0.8)*(Pr_l5^(1/3))
“Hệ số tỏa nhiệt trung bình sôi hạt”
Tisoqq0mun=0.77 alpha_nb=C_nb*PHI*alpha_0*C_Ra* F_p_sao *Tisoqq0mun
“Hệ số tỏa nhiệt trung bình đang sôi” alpha_B2=max(alpha_cb,alpha_nb)
“Hệ số truyền nhiệt tổng” k_MPHE=1/((1/(alpha_B2))+(delta_3/lambda_3)+(1/alpha_C2))
“Tính LMTD của thiết bị bay hơi ở bộ MPHE”
DELTAT_min1)/(ln(DELTAT_max1/DELTAT_min1))
LMTD_3=(Q_dot_MPHE)/((Q_boil/DELTAT_boil))
“Diện tích truyền nhiệt dự kiến”
“Số tấm micro” sotammicro=F_MPHE/(l*r)+2
Sau khi đã hoàn thành bước khai báo biến và các công thức tính toán, chúng ta có nhiều cách để nhập các thông số đầu vào để tính toán Có thể tạo giao diện Diagram Window nếu muốn tính từng trường hợp cụ thể và nếu muốn tính toán nhiều trường hợp cùng lúc thì có thể chọn tính năng Parametric Table
THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM
Tính toán hệ thống lạnh
Dựa trên phần chương trình tính toán đã được thiết lập ở trên, nhóm đã tiến hành tính toán hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất lạnh R134a/CO2
Các thông số cần khai báo vào chương trình tính toán gồm có:
- Nhiệt độ bay hơi của chu trình tầng thấp là: -25℃
- Nhiệt độ bay hơi của chu trình tầng cao là: 2℃
- Nhiệt độ ngưng tụ của chu trình tầng cao: 38℃
- Độ chênh nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng là: 2℃
- Độ quá nhiệt của chu trình tầng cao: 8℃
- Độ quá nhiệt của chu trình tầng thấp: 7℃
- Độ quá lạnh của chu trình tầng cao: 8℃
- Độ quá lạnh của chu trình tầng thấp: 7℃
Sau khi đã khai báo đầy đủ các thông số, chương trình sẽ cho ra các kết quả như sau:
- Công suất dàn ngưng tụ: 1,447 kW
- Công suất thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng: 1.204 kW
- Công nén đoạn nhiệt của chu trình tầng thấp: 0,1643 kW
- Công nén đoạn nhiệt của chu trình tầng cao: 0,1866 kW
Thiết lập mô hình thực nghiệm
Mô hình thực nghiệm của đề tài được kế thừa và cải tiến từ đề tài nghiên cứu hệ thống ghép tầng sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống của Thanhtrung Dang và Baoha T Le [1] Sở dĩ nhóm nghiên cứu chọn hệ thống lạnh có năng suất lạnh là 1kW là vì nhóm đã tính toán các tổn thất nhiệt của mô hình thực nghiệm Các tổn thất nhiệt bao gồm:
- Dòng nhiệt qua kết cấu bao che là 107,8W
- Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra (nhiệt lượng để hạ nhiệt độ của 3 lít nước từ 25℃ xuống 0℃) là 732W
- Dòng nhiệt do vận hành (công suất của quạt dàn lạnh) là 80W
Với kết quả tính toán tổng tổn thất nhiệt là 918W nên nhóm đã quyết định chọn hệ thống lạnh có công suất lạnh là 1kW
Việc kế thừa và cải tiến mô hình giúp tiết kiệm được chi phí và thời gian lắp đặt hệ thống cũng như cải thiện những khuyết điểm của hệ thống cũ Ngoài ra nhóm còn sử dụng thêm các thiết bị đo lường có độ chính xác cao để phục vụ việc thu thập dữ liệu thực nghiệm Hiện tại mô hình đang được đặt ở phòng thí nghiệm truyền nhiệt, xưởng thực hành Nhiệt-Điện lạnh, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sau khi cải tiến được thể hiện trong Hình 4.1
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý và các thiết bị sử dụng trong hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất lạnh R134a/CO2.
Mô tả quá trình thu thập dữ liệu thực nghiệm
Nhóm nghiên cứu đã vận hành mô hình thực tế và bắt đầu ở chế độ vận hành đã được tính toán ở phần 4.1 với phụ tải lạnh là 3 lít nước tương ứng với công suất lạnh là 1kW đã được tính toán ở phần 4.2
Khi đã thiết lập mô hình thực nghiệm cũng như chuẩn bị sẵn phụ tải lạnh, nhóm sẽ bắt đầu lấy bộ số liệu thực nghiệm ở chế độ đầu tiên tương ứng với nhiệt độ bay hơi của chu tình tầng cao là 2 o C, nhiệt độ ngưng tụ của chu trình tầng thấp là 4 o C và độ chênh nhiệt
48 độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng là 2 o C; lưu lượng khối lượng của chu trình tầng cao là 0,007692 kg/s và của chu trình tầng thấp là 0,004403 kg/s thông qua các bước sau:
Bước 1: Khởi động hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất lạnh CO2/R134a bằng cách khởi động chu trình tầng cao trước và khởi động chu trình tầng thấp sau
Bước 2: Điều chỉnh van tiết lưu của chu trình tầng cao và chu trình tầng thấp đồng thời kết hợp quan sát áp kế, lưu lượng kế và tín hiệu nhiệt độ thông qua phần MX100 Standard trên máy tính sao cho các kết quả ứng với chế độ vận hành đầu tiên được đề ra ban đầu
Bước 3: Sau khi điều chỉnh xong, đợi cho nhiệt độ buồng lạnh xuống -18 o C khi đó sẽ tiến hành đặt phụ tải lạnh vào buồng lạnh và bắt đầu lấy tín hiệu nhiệt độ từ phần mềm MX100 Standard, tín hiệu áp suất thông qua áp kế, lưu lượng của môi chất ở các tầng và công suất điện của cả hệ thống lạnh
Sau khi đã lấy được số liệu thực nghiệm của chế độ ban đầu, nhóm bắt đầu tăng dần độ chênh nhiệt độ ở thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng (sau mỗi lần thực nghiệm sẽ tăng độ chệnh nhiệt độ ở thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng thêm 1 o C) tương ứng thay đổi độ chênh nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng từ 2 o C đến 7 o C bằng 2 trường hợp:
Trường hợp 1: Thay đổi nhiệt độ bay hơi tầng cao từ 2 o C xuống -3 o C và duy trì nhiệt độ ngưng tụ tầng thấp ở 4 o C
Trường hợp 2: Thay đổi nhiệt độ ngưng tụ tầng thấp từ 4 o C đến 9 o C và duy trì nhiệt độ bay hơi tầng cao ở 2 o C
Với mỗi lần thay đổi, nhóm sẽ tính toán lại lưu lượng khối lượng môi chất của cả hai chu trình thông qua phần mềm EES và điều chỉnh chế độ vận hành bằng cách điều chỉnh van tiết lưu tay kết hợp điều chỉnh lượng môi chất lạnh cả hai tầng Sau khi hệ thống đã chạy đúng thông số vận hành thì bắt đầu ghi lại dữ liệu.
Một số cải tiến của mô hình
So với mô hình cũ, hiện tại mô hình Hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO 2 sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm micro đã được cải tiến ở một số mục sau:
1 Thay mới van tiết lưu tay ở chu trình tầng thấp bằng van tiết lưu tay có hành trình dài hơn để dễ điều chỉnh lưu lượng của môi chất tiết lưu vào dàn lạnh
2 Sử dụng bộ lấy tín hiệu nhiệt độ MX-100 để thay cho bộ số hóa tính hiệu nhiệt độ để tăng độ chính xác của dữ liệu thực nghiệm
3 Điều chỉnh lại đường ống đồng trở nên gọn hơn
Hình 4.2 Mô hình hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất lạnh R134a/CO2 dùng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm micro.
Các thiết bị chính của hệ thống
4.5.1 Dàn ngưng tụ của chu trình R134a (chu trình tầng cao)
Dàn ngưng tụ của chu trình R134a (HTC) được sử dụng trong mô hình của hãng Samsung có mã là AR10MVFHGWKNSV (Hình 4.3) bao gồm dàn nóng và máy nén Có kích thước lần lượt là: Dài 66 cm – Cao 47,5 cm - Dày 24,2 cm – Nặng 18,6 kg
Hình 4.3 Dàn ngưng tụ cho chu trình tầng cao
4.5.2 Dàn bay hơi của chu trình R744 (chu trình tầng thấp)
Dàn bay hơi của chu trình R744 (LTC) là những cụm ống có đường kính nhỏ 4mm, sử dụng cánh dạng trụ với bước cánh 1cm (Hình 4.4)
Hình 4.4 Dàn bay hơi cho chu trình tầng thấp
4.5.3 Máy nén của cho trình R744
Máy nén dùng trong mô hình cho chu trình tầng thấp là loại máy nén piston CO2 kín của hãng SANDEN model SRCACA (Hình 4.5) có công suất 500W
Hình 4.5 Máy nén cho chu trình tầng thấp
4.5.4 Bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro
Bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro được sử dụng trong mô hình của hãng Danfoss model D22/16, mã 021H1297 Bộ trao đổi nhiệt ghép tầng có trọng lượng 1,3 kg; áp suất làm việc là 45 bar và áp suất làm việc tối đa là 435 psi; bao gồm 16 tấm micro được làm bằng thép không ghỉ AISI 316L, chiều dài và rộng mỗi tấm lần lượt là 31,2 cm và 7,6 cm, khoảng cách giữa các tấm là 0,066 cm
Bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro vừa là dàn bay hơi của chu trình R134a vừa là dàn ngưng tụ của chu trình CO2
Hình 4.6 Bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro
Van tiết lưu được sử dụng trong hệ thống là van tiết lưu điều chỉnh bằng tay như Hình 4.7
Hình 4.7 Van tiết lưu tay cho chu trình tầng cao và van tiết lưu tay chu trình tầng thấp
Các thiết bị đo lường
4.6.1 Bộ thu tính hiệu nhiệt độ MX-100
Hình 4.8 Bộ xử lý và thu tính hiệu MX-100
MX-100 là thiết bị có thể kết nối, thu thập và xử lý được nhiều loại tín hiệu như: nhiệt độ, áp suất, tín hiệu điện,… Thiết bị lấy tín hiệu từ dây cảm biến tùy thuộc vào loại tín hiệu cần lấy Các tín hiệu sẽ được thể hiện và ghi lại trên phần mềm chuyên dùng cho thiết bị Thiết bị sử dụng nguồn AC 220 Trong nghiên cứu của nhóm, dây cảm biến được sử dụng là dây cảm biến cặp nhiệt loại T (Hình 4.9)
Hình 4.9 Dây cảm biến cặp nhiệt loại T
Bảng 4.1 Cách bố trí dây cảm biến nhiệt độ khi vận hành hệ thống để thu thập dữ liệu trong quá trình thực nghiệm
STT VỊ TRÍ ĐẶT CẢM BIẾN GHI CHÚ
1 Đầu ra của dàn bay hơi
2 Đầu hút máy nén chu trình tầng thấp
3 Đầu đẩy máy nén chu trình tầng thấp
4 Đầu ra thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng phía môi chất chu trình tầng thấp
5 Trước van tiết lưu chu trình tầng thấp
6 Đầu vào của dàn bay hơi
7 Đầu ra thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng phía chu trình nhiệt độ cao
8 Đầu hút máy nén chu trình tầng cao
9 Đầu đẩy máy nén chu trình tầng cao
10 Đầu ra dàn ngưng tụ
11 Trước van tiết lưu chu trình tầng cao
12 Đầu vào của thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng phía chu trình tầng cao
15 Trước bộ đo lưu lượng kết của chu trình tầng thấp
Lấy giá trị nhiệt độ môi chất CO2 và áp suất để xác định khối lượng riêng
16 Trước bộ đo lưu lượng kết của chu trình tầng cao
Lấy giá trị nhiệt độ môi chất R134a để xác định khối lượng riêng
4.6.2 Đồng hồ đo lưu lượng (Flow Meter) chu trình tầng thấp
Hình 4.10 Đồng hồ đo lưu lượng môi chất chu trình tầng thấp
Một số đặc tính của thiết bị:
- Áp suất làm việc tối đa: 63 MPa
- Áp suất làm việc tối đa: 63 MPa
- Nguồn cấp: nguồn 1 chiều DC 24V
Thiết bị này được sử dụng để đo lưu lượng thể tích của môi chất CO2 được hút về máy nén
4.6.3 Thiết bị đo lưu lượng môi chất chu trình tầng cao
Thiết bị được dùng để đo lưu lượng môi chất của chu trình tầng cao gồm 2 thiết bị là Turbine Flow Meter và bộ điều khiển lưu lượng Digital Control Indicator
Hình 4.11 Lưu lượng kế Turbine Flow Meter
55 Đây là thiết bị cảm biến lưu lượng môi chất và gửi tính hiệu về bộ điều khiển lưu lượng Digital Control Indicator Sau đây là những đặc tính của thiết bị:
- Tên sản phẩm: Cảm biến lưu lượng Digital Flow DGTT-015S-PK
- Áp suất tối đa: 500bar
- Nhiệt độ môi chất: -40 o C đến 80 o C
- Nguyên lý hoạt động: Turbine
- Hãng sản xuất: Digital Flow
Bộ điều khiển lưu lượng Digital Control Indicator
Hình 4.12 Bộ điều khiển lưu lượng Digital Control Indicator
Thiết bị này dùng để nhận tín hiệu từ Turbine Flow Meter và hiện thị giá trị lưu lượng lên màng hình
Các đặc tính của thiết bị:
- Tên sản phẩm: Bộ điều khiển lưu lượng Digital Flow DG-100
- Hiển thị: màn hình số hiển thị 2 dòng và tối đa mỗi dòng 9 số
- Nguồn đầu vào: AC 100 đến 240V/DC12V
- Hãng sản xuất: Digital Flow
Hệ thống sử dụng áp kế loại chân sau, hiển thị áp suất dư và đặt cảm biến ở 4 vị trí ở cả 2 chu trình Cảm biến áp suất sẽ được đặt ở : đầu hút máy nén, đầu đẩy máy nén, trước van tiết lưu và sau van tiết lưu
Hình 4.13 Áp kế của chu trình tầng cao và áp kế chu trình tầng thấp
Dụng cụ này dùng để đo dòng diện của máy nén khi vận hành và điều chỉnh điện áp của quạt dàn lạnh Các thông số về thang đo của thiết bị:
- Thang đo dòng điệnAC: có 3 thang đo từ 0 đến 1000 A Có thể đo lên tới 4200A khi dùng với vòng mở rộng Hioki CT6280
- Thang đo điện áp dòng 1 chiều DC: có 5 thang đo từ 0 đến 600V
- Thang đo điện áp dòng xoay chiều AC: có 4 thang đo từ 0 đến 600V
- Thang đo điện trở: có 6 thang đo từ 0Ω đến 42 MΩ