Nghiên cứu Ứng dụng thiết bị hồi nhiệt trong chu trình lạnh ghép tầng sử dụng môi chất r134a r744

Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 07 năm 2024 KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Bộ môn Công nghệ Nhiệt - Điện lạnh PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Dành cho giảng viên hướng dẫn Tên đề tài: Nghiên Cứu Ứ

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Trong đời sống hiện nay, hệ thống lạnh có vai trò vô cùng quan trọng, đặc biệt là trong rất nhiều lĩnh vực Xã hội đương thời đang phát triển với tốc độ cực nhanh, và đô thị hóa ngày càng gia tăng Việc tiết kiệm điện năng và giảm thiểu lượng khí CO2 và các hóa chất độc hại thải ra môi trường là rất cấp thiết, nhằm để hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự tàn phá tầng ozone Các môi chất như CO2, có chỉ số ODP = 0 và GWP = 1, cùng với môi chất R134a, có ODP = 0, được sử dụng phổ biến trong hệ thống làm lạnh với nhiệt độ từ trung bình đến thấp

Từ đề tài thí nghiệm về hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất R134a/R744 sử dụng bộ hồi nhiệt dùng tấm hàn Nhóm chúng em đã tiến hành thực hiện tính toán, thiết kế và lắp đặt thêm một bộ hồi nhiệt dạng ống lồng ống cho phía tầng thấp CO2 của hệ thống

Từ đó đưa ra được đánh giá và tổng quan về hệ số hiệu quả năng lượng khi sử dụng thiết bị hồi nhiệt trong hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2.

Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

ThanhTrung Dang và các cộng sự [1] đã nghiên cứu thực hiện thí nghiệm về quá trình quá lạnh trong hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất R744, với mục đích tối ưu hệ thống bằng việc sử dụng thiết bị hồi nhiệt Mẫu thí nghiệm nghiên cứu của họ bao gồm một máy nén CO2, một bộ quá lạnh, một van tiết lưu nhiệt và một thiết bị hồi nhiệt

Bộ quá lạnh có hai phiên bản là S1 và S2, trong đó S2 có diện tích bề mặt truyền nhiệt gấp đôi so với S1 Kết quả cho thấy, với bộ quá lạnh S1, hệ số hiệu suất COP đạt được là 6,6 với điều kiện áp suất bay hơi 44 bar, áp suất bộ quá lạnh là 75 bar và nhiệt độ quá lạnh là 28,6°C Ngược lại, với bộ quá lạnh S2, COP đạt 7,2 với các mức áp suất bay hơi 44 bar, áp suất bộ quá lạnh 75 bar và nhiệt độ quá lạnh 26°C

Ngoài ra, ThanhTrung Dang và cộng sự [2] đã thí nghiệm về sự ngưng tụ trong các kênh micro nằm ngang, sử dụng hai thiết bị ngưng tụ kênh micro tên là M1 và M2, có các thông số kỹ thuật khác nhau giữa nền và kênh Cụ thể, họ sử dụng 10 kênh micro ở phía trên và phía dưới, được ngưng tụ bởi một ống góp hình nón có chiều rộng 2,5 mm và độ sâu 500μm Khi tốc độ dòng hơi nước của hai thiết bị ngưng tụ kênh micro tăng lên thì độ

2 giảm áp suất cũng tăng lên Ở thiết bị ngưng tụ M1, tốc độ khối lượng dòng hơi tăng từ 0,0264 g/s lên 0,0721 g/s khi độ giảm áp suất tăng từ 1,257 Pa lên 11,181 Pa Đồng thời, ở thiết bị ngưng tụ M2, tốc độ khối lượng dòng hơi tăng từ 0,0264 g/s lên 0,0572 g/s khi độ giảm áp suất tăng từ 6,105 Pa lên 45,216 Pa Kết quả cho thấy hiệu suất ngưng tụ của kênh micro giảm khi tăng độ dài kênh và cũng giảm khi tăng tốc độ khối lượng dòng hơi

Từ tổng thể các công trình nghiên cứu trong nước, các thí nghiệm và nghiên cứu đối với hệ thống lạnh ghép tầng R134a/R744 và các thiết bị hồi nhiệt nhỏ gọn đã được công bố Tuy nhiên, dữ liệu nghiên cứu liên quan đến hệ thống các thiết bị thu hồi nhiệt có sử dụng điểm nút nhiệt động và lưu lượng môi chất lạnh tuần hoàn trong hệ thống vẫn còn khá ít thông tin

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Martínez cùng các cộng sự [3] đã đánh giá thực nghiệm mô phỏng và cho kết quả bơm nhiệt R744 (CO2) xuyên tới hạn là giải pháp làm giảm tiềm năng nóng lên toàn cầu và có hiệu quả cao

Zhang cùng các cộng sự [4] đã trình bày một đánh giá toàn diện về bộ trao đổi nhiệt IHX, tiếp theo là thảo luận về kết quả thí nghiệm về vai trò của bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí R744 Ảnh hưởng của lượng diện tích môi chất lạnh ( diện tích trao đổi nhiệt đến hiệu suất của cả hệ thống trong hai trường hợp bao gồm hệ thống trao đổi nhiệt cơ bản và hệ thống sử dụng bộ hồi nhiệt đã được nghiên cứu) Ngoài ra, các phương trình điều khiển nhằm tối ưu hóa COP đã được phát triển và sử dụng cho cả hai hệ thống trên Dữ liệu thí nghiệm cho thấy cải thiện tới 13,8% hiệu quả năng lượng bằng cách thêm vào bộ hồi nhiệt

Chang-Hyo Son cùng cộng sự [5] đã xem xét ảnh hưởng của bộ hồi nhiệt đến hiệu quả của hệ thống lạnh Trong một số trường hợp, mang lại hiệu suất hệ thống được cải thiện trong khi trong các trường hợp khác, chúng làm giảm hiệu suất hệ thống Một mô hình toán học trạng thái ổn định được sử dụng để phân tích các đặc tính hiệu suất của hệ thống lạnh với bộ hồi nhiệt Ảnh hưởng của các điều kiện hoạt động, chẳng hạn như áp suất làm mát ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi và hơi quá nhiệt trong thiết bị bay hơi và nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát ngưng tụ, đến kích thước tối ưu của bộ trao đổi nhiệt cũng được phân tích Các kết quả chính được tóm tắt như sau: lưu lượng khối lượng của R744, đường kính ống trong và chiều dài của bộ hồi nhiệt, và hiệu quả có ảnh hưởng đến công suất làm

3 mát Với sự nắm bắt kỹ lưỡng về những hiệu ứng này, cần thiết kế chu trình làm lạnh nén R744 bằng cách sử dụng bộ hồi nhiệt

Llopis cùng các cộng sự [6] đã phân tích và định lượng các tác động gây ra bởi việc sử dụng bộ hồi nhiệt tại chu trình tới hạn CO2 trong nhà máy làm lạnh ghép tầng HFC134a/CO2 kết hợp bộ làm mát khí ở lối ra của máy nén nhiệt độ thấp Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trước đây cho thấy bộ hồi nhiệt làm giảm khả năng làm lạnh và COP của chu trình dưới tới hạn, tuy nhiên, người ta thấy rằng nó cũng làm giảm đi nhiệt thải ra từ thiết bị ngưng tụ Việc làm giảm này, khi chu trình là một phần của hệ thống ghép tầng, cho phép giảm tải nhiệt của chu trình nhiệt độ cao, sửa đổi điều kiện làm việc của nhà máy tầng

Goodarzi và các cộng sự [7] đã nghiên cứu hiệu suất của chu trình làm lạnh CO2, bao gồm thiết bị hồi nhiệt, bộ làm mát trung gian, ejector và bộ tách Chu trình ban đầu được điều chỉnh bằng cách trích xuất hơi bão hòa từ bộ tách đến bộ làm mát trung gian Kết quả cho thấy chu trình được điều chỉnh đã cải thiện COP lên đến 26,89% so với chu trình ban đầu trong cùng điều kiện hoạt động Đồng thời, tỷ lệ phá hủy exergy trung bình giảm 18,6% so với chu trình ban đầu

Manjili cùng cộng sự [8] đã nghiên cứu mô tả một chu trình làm lạnh CO2 hai giai đoạn với hai ejector Ở chu trình nghiên cứu này, hơi được nén theo hai giai đoạn và mỗi dây chuyền nén hơi bao gồm một ejector riêng biệt Họ sử dụng phần mềm Engineering Equation Solver (EES) để phân tích nhiệt động lực học và exergetic của chu trình Kết quả cho thấy sự cải thiện COP từ 20% đến 80% so với chu trình phổ thông

Nebot - Andres và các cộng sự [9] đã tiến hành thí nghiệm để xác định các điều kiện hoạt động tối ưu của hệ thống làm lạnh CO2 tích hợp cơ chế quá lạnh Họ đã thực hiện các thí nghiệm ở nhiều áp suất và mức độ quá lạnh khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất COP trong điều kiện nhiệt độ môi trường là 25 o C; 30,4 o C và 35,1 o C, cùng với nhiệt độ bay hơi từ -15,6 o C đến -4,1 o C Kết quả tối ưu về hệ số COP và công suất làm lạnh được thể hiện trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Tối ưu COP và công suất lạnh [9]

Chen cùng các cộng sự [10] đã thí nghiệm với hệ thống làm lạnh xuyên tới hạn CO2 sử dụng rôto kép và máy nén làm mát trung gian cho ô tô Họ đã phân tích hiệu suất của hệ thống dựa trên các điều kiện hoạt động điển hình, so sánh với chu kỳ cơ bản Họ kết luận rằng hiệu suất của hệ thống gần như bằng với chu trình cơ bản ở nhiệt độ môi trường là 35°C, trong khi hệ thống này có ưu thế vượt trội rõ rệt hơn ở nhiệt độ 45°C, với việc tăng 19,8% trong công suất làm mát tối đa và 12,8% trong COP tối đa

Bingming và cộng sự [11] đã nghiên cứu so sánh hiệu suất của hệ thống làm lạnh ghép tầng bằng amoniac và carbon dioxide (NH3/CO2) với máy nén trục vít hai cấp Nghiên cứu này so sánh hiệu suất của hệ thống trên với hệ thống hai cấp sử dùng amoniac (NH3) và hệ thống amoniac một cấp có hoặc không có bộ tiết kiệm năng lượng Kết quả chỉ ra rằng hệ thống làm lạnh ghép tầng NH3/CO2 có hiệu suất COP cao nhất khi nhiệt độ bay hơi dưới -40°C Hơn nữa, hiệu suất của hệ thống làm lạnh ghép tầng bị tác động mạnh mẽ bởi nhiệt độ bay hơi, sự gia tăng nhiệt độ ngưng tụ của chu trình nhiệt độ thấp, độ chênh lệch nhiệt độ của bộ trao đổi nhiệt tầng và mức độ quá nhiệt

Song và các cộng sự [12] đã nghiên cứu so sánh hiệu suất giữa hai hệ thống sưởi ấm không gian: kết hợp R134a/R744 và ghép tầng R134a/R744, dưới cùng một điều kiện vận hành Kết quả nghiên cứu cho thấy, hệ thống ghép tầng có hiệu suất cao hơn khi nhiệt độ môi trường thấp, trong khi hệ thống kết hợp lại hoạt động hiệu quả hơn ở điều kiện nhiệt độ môi trường cao và sự chênh lệch nhiệt độ đầu vào và đầu ra của nước nóng lớn Kết quả này mang đến cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu một hướng dẫn hữu ích trong việc lựa chọn hệ thống phù hợp nhất cho từng điều kiện hoạt động cụ thể

Mục tiêu đề tài

- Đúc kết ra được các kết quả tính toán thiết kế và thực nghiệm trong hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất R134a/R744 có sử dụng thiết bị hồi nhiệt

- So sánh hiệu quả về hệ số COP của hệ thống lạnh ghép tầng trước và sau khi lắp đặt thiết bị hồi nhiệt

- Xem xét tính ứng dụng của mô hình hệ thống lạnh ghép tầng đã lắp đặt thiết bị hồi nhiệt so với khi chưa lắp đặt.

Đối tượng và giới hạn đề tài

Hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất R134a/R744 (CO2) sử dụng thiết bị hồi nhiệt Các thông số độ quá lạnh, độ quá nhiệt, hệ số hiệu quả năng lượng được nghiên cứu

Hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất R134a/R744 (CO2) với tầng cao dùng môi chất R134a, tầng thấp dùng môi chất CO2 Điều kiện thực nghiệm tại TP.Hồ Chí Minh

Các thiết bị trao đổi nhiệt gồm dàn lạnh ống mini và bộ hồi nhiệt ống xoắn Các số liệu cần nghiên cứu gồm: áp suất và nhiệt độ tại các điểm nút của hệ thống, độ quá lạnh, độ quá nhiệt và chỉ số hiệu quả năng lượng (COP) khi đã lắp đặt thiết bị hồi nhiệt và khi

Nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Tổng hợp các thí nghiệm có liên quan đến đề tài

- Tính toán thiết kế lý thuyết

- Thiết kế thực nghiệm mà kết quả có được

- Thực nghiệm và xem xét kết quả

- Phương pháp tổng quan: tổng hợp các tư liệu nghiên cứu khoa học liên quan nhằm xác định mục đích, đối tượng và phạm vi của chủ đề nghiên cứu

- Phương pháp tính toán: Tổng hợp các số liệu đã đo đạc ban đầu Từ đó làm căn cứ để xây dựng mô hình thực nghiệm và tính toán dựa trên các kết quả thực nghiệm thu được

- Phương pháp thiết kế: Chọn thiết bị phù hợp, lắp đặt chế tạo dựa trên các thông số tính toán lý thuyết và vận hành

- Phương pháp thực nghiệm: sau khi lắp đặt thiết bị xong, đảm bảo hệ thống vận hành tốt, tiến hành thu thập số liệu và tính toán

- Phương pháp phân tích số liệu: Tính toán và đánh giá khả năng vận hành của hệ thống căn cứ trên các số liệu thực nghiệm thu được

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu về môi chất lạnh R744

Môi chất R744 hay còn được gọi là khí Carbon Dioxide ( CO2 ) là một môi chất lạnh tự nhiên, có thể sản xuất và thìm thấy dễ dàng

Các đặc điểm của môi chất lạnh R744:

- Là môi chất được đánh giá là có tiềm năng cao 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)

- Là khí không màu, không mùi và nặng hơn không khí Nó không độc, không cháy

- Môi chất CO2 có nhiệt độ sôi là -78℃ ở áp suất tiêu chuẩn 1 atm

- 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

- Môi chất CO2 yêu cầu nhiệt độ hoạt động phải duy trì ở mức thấp, với phần lớn các ứng dụng có nhiệt độ vận hành dưới 0 o C, vì vậy 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 Đồ thị chuyển đổi pha của R744 theo nhiệt độ và áp suất Ứng dụng:

- Hệ thống làm lạnh thương mại: R744 được ứng dụng trong các hệ thống làm lạnh sâu trong hệ thống lạnh siêu thị, kho bảo quản nhà hàng,

- Hệ thống làm lạnh công nghiệp: Trong ngành công nghiệp thực phẩm và đóng chai, R744 được dùng để làm lạnh và bảo quản hàng hóa

- Hệ thống điều hòa không khí: được sử dụng ở các tòa nhà thương mại và dân dụng

Hình 2.2 Đồ thị P-h cho môi chất R744.

Giới thiệu về môi chất lạnh R134a

Môi chất lạnh R134a là một hydrofluorocarbon (HFC) tinh khiết chứa các nguyên tố gồm cacbon, fluor, và hydrogen, và không chứa Clo

Các đặc điểm của môi chất R134a:

- Rất thân thiện với môi trường, không gây phá hủy tầng Ozone (ODP=0) và độc tính thấp, vì vậy cho dù có xảy ra rò rỉ thì cũng không làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường

- Môi chất R134a rất an toàn, không gây ra cháy nổ, độc tính không cao và không gây ăn mòn các thiết bị của hệ thống lạnh

- Môi chất R134a có nhiệt độ sôi là -26.3 °C ở áp suất tiêu chuẩn 1 atm

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 Nó có một số ưu điểm, bao gồm khả năng làm lạnh hiệu quả ở nhiệt độ phòng và áp suất tương đối thấp, cũng như tính ổn định và không gây hại cho môi trường

Mặc dù môi chất R134a được coi là một lựa chọn tốt cho hệ thống lạnh, nhưng nó vẫn có nhược điểm là góp phần làm gia tăng hiện tượng nóng lên toàn cầu Điều này đã

10 được đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển các môi chất lạnh khác để khắc phục được những khuyết điểm trên

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 bằng cách kết hợp hai chu trình lạnh, sử dụng thiết bị bay hơi của chu trình tầng cao để làm mát cho thiết bị ngưng tụ của chu trình tầng thấp thông qua một thiết bị trao đổi nhiệt đặc biệt được gọi là thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng Thiết bị này đóng vai trò làm bay hơi cho chu trình tầng cao (HTC) và cũng làm ngưng tụ cho chu trình tầng thấp (LTC) Kết quả là môi chất lạnh ở tầng thấp được làm mát hiệu quả hơn so với các hệ thống lạnh thông thường sử dụng gió hoặc nước để làm mát thiết bị ngưng tụ Hệ thống lạnh ghép tầng cho phép sử dụng nhiều loại môi chất lạnh và thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau cho chu trình tầng cao và tầng thấp Điều này mang lại lợi thế về việc điều chỉnh nhiệt độ bay hơi xuống mức rất thấp khi cần thiết

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.

Giới thiệu về thiết bị hồi nhiệt

Thiết bị hồi nhiệt là một thiết bị "ống lồng ống" đơn giản giúp chuyển đổi nhiệt độ giữa hai chất lỏng hoặc giữa chất lỏng và không khí Nó không có bộ phận chuyển động

Nó chỉ đơn giản hoạt động bằng sự chuyển động của môi chất nóng từ phía cao của hệ thống chảy qua ống bên ngoài, đồng thời chất làm lạnh bốc hơi từ phía thấp của hệ thống chảy qua ống bên trong Quá trình này gây ra sự truyền nhiệt trong đó chất làm lạnh lỏng nhiệt độ cao từ phía cao được làm lạnh trước khi đi vào van tiết lưu và chất làm lạnh hơi lạnh từ phía thấp được quá nhiệt trước khi đi đến máy nén

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thiết bị hồi nhiệt

Hình 2.6 Thiết bị hồi nhiệt thực tế

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Công thức tính toán chu trình

Hình 3.1 Đồ thị logp-h của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/R744

Năng suất lạnh riêng: qo(LT) = h1 – h6 (kJ/kg) (3.1.1a)

Năng suất nhiệt riêng: qk(LT) = h3 – h4 (kJ/kg) (3.1.1b)

Lưu lượng khối lượng môi chất tầng thấp tuần hoàn trong hệ thống: m R744 = Q o q o(LT) (kg/s) (3.1.1c)

Với: Qo – Năng suất lạnh của hệ thống, kW

Công nén riêng chu trình tầng thấp: lLTC = h3 – h2 (kJ/kg) (3.1.1d)

Công suất máy nén tầng thấp:

Công suất động cơ máy nén tầng thấp:

N LTC = k × L LTC η i × η e × η td × η el (kW) (3.1.1f) Trong đó: ηi - Hiệu suất chỉ thị của quá trình nén khi kể đến ma sát của hơi môi chất lạnh ηe - Hệ số tổn thất ma sát giữa các chi tiết chuyển động của máy nén ηtd - Hệ số kể đến tổn thất do chuyển động: khớp nối, đai truyền,… Của máy nén kín và nữa kín, ηtd = 1 ηel - Hiệu suất động cơ điện, ηel = 0,8 ÷0,95 k = 1,1 ÷ 2,1 − Hệ số an toàn

Lưu lượng khối lượng môi chất tầng cao tuần hoàn trong hệ thống: m R134a = Q o q o(HT) (kg/s) (3.1.1c)

Với: Qo – Năng suất lạnh của hệ thống, kW

Công nén riêng chu trình tầng cao: lHTC = h8 – h9 (kJ/kg) (3.1.1d)

Công suất máy nén tầng cao:

Công suất động cơ máy nén tầng cao:

N HTC = k × L HTC η i × η e × η td × η el (kW) (3.1.1f) Trong đó: ηi - Hiệu suất chỉ thị của quá trình nén khi kể đến ma sát của hơi môi chất lạnh ηe - Hệ số tổn thất ma sát giữa các chi tiết chuyển động của máy nén ηtd - Hệ số kể đến tổn thất do chuyển động: khớp nối, đai truyền,… Của máy nén kín và nữa kín, ηtd = 1 ηel - Hiệu suất động cơ điện, ηel = 0,8 ÷0,95 k = 1,1 ÷ 2,1 − Hệ số an toàn

Hệ số hiệu quả năng lượng :

Công thức tính toán thiết kế thiết bị hồi nhiệt

Trong đó: o α1 - hệ số tỏa nhiệt của dòng môi chất chảy bên trong ống nhỏ được tính theo (2-17) và (2-18) theo tài liệu [19] trang 31 o α2 - hệ số tỏa nhiệt của dòng môi chất chảy giữa ống nhỏ và ống lớn bọc ngoài Khi dòng chảy rối và thiết gồm một ống nhỏ không có cánh, α2 được tính theo:

Phương trình cân bằng nhiệt: h2 − h1 = h4 − h5 (3.2c)

Trong đó: o h1: Enthalpy điểm nút số 1 o h2: Enthalpy điểm nút số 2 o h4: Enthalpy điểm nút số 4 o h5: Enthalpy điểm nút số 5 Nhiệt lượng

Trong đó: o K - hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2.K o A - là diện tích bề mặt, m 2

16 o ∆tlm - là chệnh lệch nhiệt độ trung bình logarit giữa 2 lưu chất, công thức 11.15 trang 714 tài liệu [18]

Trường hợp 1: 2 lưu chất chuyển động cùng chiều Hình 3.2 thì ∆t1 = th,i – tc,i và ∆t2

Hình 3.2 Phân bố nhiệt độ trao đổi nhiệt dòng cùng chiều

Trường hợp 2: 2 lưu chất chuyển động ngược chiều Hình 3.3 thì ∆t1 = th,i – tc,o và ∆t2

Hình 3.3 Phân bố nhiệt độ trao đổi nhiệt dòng ngược chiều

Tính toán hệ thống lạnh

Địa điểm lắp đặt: Xưởng Nhiệt, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, số 1, Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam

Thể tích không gian cần làm lạnh V = 0,6 × 0,5 × 0,5 (m3) Nhiệt độ môi trường, có mái che: tmt = 30oC Độ ẩm: 74%

Với tầng cao, dùng môi chất lạnh R134a, tầng thấp sử dụng môi chất R744(CO2) Nhóm nghiên cứu sâu ở tầng thấp sử dụng môi chất R744

Nhóm thu thập các số liệu đầu vào trước khi lắp thiết bị hồi nhiệt từ các thực nghiệm cho ra bảng thông số điểm nút như sau :

Bảng 3.1 Thông số trạng thái của chu trình tầng thấp môi chất CO 2 trước khi lắp thiết bị hồi nhiệt Điểm nút Trạng thái t ( o C) h (kJ /kg)

Năng suất lạnh riêng: qo(LT) = h1 – h6 = 437 – 223 = 214 (kJ/kg) Lưu lượng khối lượng môi chất tầng thấp tuần hoàn trong hệ thống: m R744 = Q o q o(LT) = 1,5

214 = 0,007 (kg/s) Công nén riêng chu trình tầng thấp: lLTC = h3 – h2 = 491 – 445 = 46 (kJ/kg) Công suất máy nén tầng thấp:

Thiết kế mô hình thiết bị hồi nhiệt

Phương trình cân bằng nhiệt khi đã lắp thiết bị hồi nhiệt ở tầng thấp: h2’ – h1’ = h3’ – h4’

Từ đó ta tính được các thông số trạng thái điểm nút khi đã lắp thiết bị hồi nhiệt:

Bảng 3.2 Thông số trạng thái của chu trình tầng thấp môi chất CO2 sau khi lắp thiết bị hồi nhiệt Điểm nút Trạng thái t ( o C) h (kJ/kg)

Thiết bị hồi nhiệt bằng ống đồng ngoài có đường kính d2= 0,019m Ống đồng nhỏ bên trong có đường kính trong d1 = 0,004m, λCO2 = 380 W/m.K, δ 0,0007m Độ khô x = 0,5 (giá trị trung bình 0,1 - 0,9), lưu lượng CO2 mR744= 0,007 kg/s

Từ nhiệt độ sôi của CO2 là -29 o C tra bảng tính chất hơi và lỏng bão hòa của CO2 trang 30.45 [58], ta được: o ρl = 1076 kg/m 3 o μl = 164x10 -6 Pa.s o ρg = 37 kg/m 3 o μg = 12x10 -6 Pa.s o Cpl = 2073 J/kg.K o λ = 147x10 -3 W/m.K Lưu lượng khối lượng trên một đơn vị diện tích m = 4m πd i 2 = 4 ×0,007 π × 0,004 2 = 875 (kg/s.m 2 ) Tiêu chuẩn Reynolds

164.10 −6 = 10671 > 1 10 4 => Chảy rối Tiêu chuẩn Prandtl

Hệ số tỏa nhiệt của dòng môi chất chảy bên trong ống nhỏ α 1 = Nu × λ d 1 = 54 ×147 10 −3

Hệ số tỏa nhiệt của dòng môi chất chảy giữa ống nhỏ và ống lớn bọc ngoài α 2 = Nu × λ d 2 = 54 ×147 10 −3

Do lưu động ngược chiều nên

Diện tích trao đổi nhiệt

Kết luận: Bộ trao đổi nhiệt ống lống ống có tổng diện tích F = 0,011 m 2 gồm 1 ống đồng lớn có đường kính 19mm dài 0,3m, bên trong gồm 3 ống nhỏ bên trong có chiều dài 0,4 m, đường kính 4 mm Được uốn với nhau theo hình lò xo

Hình 3.4 Mô hình thiết bị hồi nhiệt

Hình 3.5 Thiết bị hồi nhiệt hoàn chỉnh

Hình 3.6 Vị trí lắp đặt thiết bị hồi nhiệt

Hơi cao áp đi vào

Hơi cao áp đi ra

Lỏng cao áp đi ra Lỏng cao áp đi vào

THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM

Các thiết bị trong hệ thống

Một số cải tiến mô hình:

So với mô hình cũ, hiện tại mô hình Hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm micro đã được cải tiến ở một số mục sau:

1 Sử dụng bộ thu thập dữ liệu MX-100 để thay cho các cảm biến nhiệt độ gắn rời để tăng độ chính xác của dữ liệu thực nghiệm

2 Điều chỉnh lại đường ống đồng trở nên gọn hơn

3 Lắp thêm một thiết bị hồi nhiệt ở tầng thấp

4 Lắp thêm một bộ chuyển đổi cách ly tín hiệu điện áp và dòng điện để chuyển tín hiệu áp suất về bộ thu dữ liệu MX-100

Hình 4.1 Sơ đồ lý thuyết hệ thống lạnh ghép tầng có sử dụng thiết bị hồi nhiệt

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý và các thiết bị sử dụng trong hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất lạnh R134a/CO2 có gắn thiết bị hồi nhiệt

4.1.1 Thiết bị hồi nhiệt dạng ống lồng ống

Thiết bị hồi nhiệt ghép tầng dạng ống lồng ống có ống ngoài có đường kính d = 19 mm, 3 ống xoắn đi bên trong có đường kính d = 4 mm, 2 ống bố trí ở đầu vào và ra của ống 19 có đường kính d = 6 mm (Hình 4.6)

Hình 4.3 Thiết bị hồi nhiệt dạng ống lồng ống

Hơi cao áp đi vào

Hơi cao áp đi ra

Lỏng cao áp đi ra Lỏng cao áp đi vào

4.1.2 Các thiết bị đo lường a) Bộ thu tính hiệu nhiệt MX-100

Hình 4.4 Bộ xử lý và thu tính hiệu MX-100

MX-100 là một thiết bị linh hoạt và đa năng có khả năng kết nối, xử lý và thu thập đồng thời nhiều loại tín hiệu khác nhau như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, Dữ liệu của hệ thống được thu thập qua các dây cảm biến tương ứng với từng loại tín hiệu Nhờ tính linh hoạt trong việc thu thập các thông số dữ liệu, MX-100 có thể được ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực Tín hiệu từ các cảm biến được xử lý và hiển thị trên phần mềm MX-100 hoặc thông qua API, cung cấp cho người dùng cái nhìn trực quan về trạng thái và hiệu suất của hệ thống Khả năng hiển thị và giám sát dữ liệu một cách linh hoạt giúp người dùng dễ dàng điều chỉnh và kiểm soát các thông số quan trọng

Thiết bị MX-100 sử dụng nguồn điện AC 220V Trong nghiên cứu của nhóm, hai loại cảm biến được sử dụng bao gồm:

- Cảm biến cặp nhiệt loại T, thường được sử dụng để đo nhiệt độ và phù hợp với nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau

- Cảm biến áp suất được dùng để thu thập dữ liệu về áp suất trong các hệ thống và chất lỏng Cảm biến này chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện, sau đó tín hiệu này được điều chỉnh và xử lý thông qua bo mạch điều chỉnh tín hiệu dòng áp

Khi kết hợp hai loại cảm biến này trong MX-100, có thể thu thập dữ liệu về cả nhiệt độ và áp suất, giúp cung cấp thông tin quan trọng trong quá trình nghiên cứu và giám sát

Hình 4.5 Cảm biến áp suất

Hình 4.6 Dây cảm biến nhiệt độ

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 b) Đồng hồ đo lưu lượng (Flow Meter) chu trình tầng thấp

Hình 4.7 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

- Nhiệt độ làm việc: -40oC ÷ 45oC

- Nguồn cấp: nguồn một chiều DC 24V

- Thiết bị này được sử dụng để đo lưu lượng thể tích của môi chất CO2 được hút về

STT VỊ TRI ĐẶT CẢM BIẾN

2 Trước đầu hút máy nén

3 Sau thiết bị trao đổi nhiệt

5 Sau thiết bị bay hơi

26 máy nén c) 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 là thiết bị

Hình 4.8 Lưu lượng kế Turbine Flow Meter Đây là bộ cảm biến lưu lượng của môi chất và gửi tín hiệu về bộ điều khiển lưu lượng Flow Control Indicator

Thông số kỹ thuật bộ cảm biến lưu lượng Turbine Flow Meter:

- Nhiệt độ môi chất và môi trường: -40 đến 80 ℃

- Áp suất làm việc: max 500bar

- Nguyên lý hoạt động: dạng Turbine d) Ampe kìm

Dụng cụ dùng để đo dòng điện 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 điện AC: có 3 thang đo từ 0 đến 1000A 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 42MΩ e) Bộ cách ly tín hiệu

Hình 4.10 Bộ chuyển đổi cách ly tín hiệu điện áp và dòng điện

Bộ chuyển đổi cách ly tín hiệu 4-20mA/0-5V/0-10V 2 ngõ ra (Isolate) tích hợp tính đa năng tính hiệu ngõ vào và tính hiệu ngõ ra

Chuyển đổi đa năng tín hiệu dòng điện và điện áp tích hợp 2 ngõ ra 4 - 20mA, 0 - 5V, 0 – 10V

Ngoài chuyển đổi tín hiệu thì thiết bị này còn có khả năng cách ly chống nhiễu giữa tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu ra và nguồn giúp cho tín hiệu sau khi chuyển đổi ổn định hơn

Chống nhiễu và chống cháy nổ cho các thiết bị điều khiển, PLC, DSC,

Có cấu tạo để lắp đặt vào thanh DIN RAIL trong tủ điện cách dễ dàng với ngàm bằng thép có lò xo giúp tháo lắp dễ dàng

Mô tả quá trình thu thập dữ liệu thực nghiệm

Nhóm nghiên cứu đã vận hành mô hình thực tế để lấy số liệu ban đầu và bắt đầu ở chế độ vận hành đã được tính toán ở Phần 4.1

Khi đã thiết lập mô hình thực nghiệm cũng như đã lắp đặt đầy đủ các thiết bị vào hệ thống nhóm bắt đầu chạy máy và lấy số liệu

- 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 bay hơi ở tầng thấp đạt -20 o C khi đó sẽ tiến hành 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 bay hơi (sau mỗi lần thực nghiệm sẽ tăng độ chênh nhiệt độ bay hơi lên 1 o C) tương ứng thay đổi độ chênh nhiệt độ giảm từ -20 o C đến - 29 o C

Sau khi đã vận hành thực nghiệm nhóm cho ra các kết quả thông số sau:

Bảng 4.2 Số liệu nhiệt độ ban đầu khi chưa lắp thiết bị hồi nhiệt

Khi đã thu thập số liệu nhiệt độ nhóm bắt đầu tính toán các số liệu

Bảng 4.3 Bảng các thông số trước khi lắp thiết bị hồi nhiệt

TRƯỚC KHI LẮP THIẾT BỊ HỒI NHIỆT

Nhiệt độ trước tiết lưu ( o C) 3,4 4,5 5,5 4,7 4 2,3 4 4,9 3,6 2,8

Nhiệt độ ngưng tụ tầng thấp ( o C) 5,85 6,95 7,83 7,9 6,92 6,1 7,76 8,17 6,3 5,95

Nhiệt độ sau thiết bị bay hơi ( o C) -15 -16 -17 -17 -18 -20 -21 -21 -22 -24

Nhiệt độ bay hơi tầng thấp ( o C) -20 -21 -22 -23 -24 -25 -26 -27 -28 -29 Độ quá lạnh ( o C) 2,4 2,4 2,3 3,2 2,9 3,8 3,7 3,2 2,7 3,1 Độ quá nhiệt ( o C) 5 5 5 6 6 5 5 6 6 5

TRƯỚC KHI LẮP THIẾT BỊ HỒI NHIỆT

Lưu lượng tầng thấp (kg/s) 0,0045 0,0050 0,0058 0,0046 0,0052 0,0059 0,0047 0,0054 0,0060 0,0050

Lưu lượng tầng cao (kg/s) 0,0065 0,0077 0,0080 0,0067 0,0072 0,0082 0,0068 0,0072 0,0084 0,0076

Với mỗi lần thay đổi, nhóm sẽ tính toán lại độ quá lạnh và quá nhiệt 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

Nhóm sử sụng phần mềm MX100 để thu thập số liệu:

Hình 4.11 Đo số liệu trên phần mềm MX100

Trong đó các số liệu được kí hiệu :

- 00006: Nhiệt độ cao áp sau khi ra khỏi thiết bị hồi nhiệt

- 00016: Nhiệt độ cao áp trước khi vào thiết bị hồi nhiệt

- 00007: Nhiệt độ thấp áp trước khi vào thiết bị hồi nhiệt

- 00019: Nhiệt độ thấp áp sau khi ra khỏi thiết bị hồi nhiệt

Ngoài những thông số nhiệt độ các điểm nút nhóm còn thu thập them các thông số quan trọng khác :

- Lưu lượng môi chất chu trình tầng cao R134a (L/s)

- Nhiệt độ lưu lượng kế chu trình tầng cao

- Nhiệt độ lưu lượng kế chu trình tầng thấp

- Công suất điện của cả hai động cơ máy nén R134a và R744

Sau khi đã đo được các thông số trên, nhóm sẽ tiến hành ghi chép và xử lý số liệu Các số liệu này sẽ được đối chiếu với các kết quả tính toán lý thuyết ban đầu

Sau khi lắp thiết bị hồi nhiệt và vận hành lại hệ thống nhóm đã thu thập được kết quả mới

Bảng 4.4 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ khi đã lắp thiết bị hồi nhiệt

Quan sát Bảng 4.2 và Bảng 4.4 cho biết khi lắp thiết bị hồi nhiệt đã có sự hiệu quả vì độ quá lạnh tăng lên so với ban đầu từ 0,2 o C đến 1,6 o C.Và có sự thay đổi về độ quá nhiệt, nó tăng lên so với ban đầu từ 2,2 o C đến 3,3 o C t ở các trường hợp đã đặt ra ở nhiệt độ bay hơi từ -20 o C đến -29 o C tương ứng từ trường hợp 1 đến 10 Từ đó cho ta thấy nhiệt độ bay hơi càng giảm thì độ quá lạnh và quá nhiệt càng dẫn đến có sự chênh lệch nhiệt độ trước và sau khi lắp đặt thiết bị hồi nhiệt

Khi đã thu thập số liệu nhiệt độ nhóm bắt đầu tính toán lại các số liệu khi đã lắp đặt thiết bị hồi nhiệt

Bảng 4.5 Bảng số liệu thực nghiệm các thông số khi đã lắp thiết bị hồi nhiệt

SAU KHI LẮP ĐẶT THIẾT BỊ HỒI NHIỆT

Nhiệt độ bay hơi tầng thấp ( o C) -20 -21 -22 -23 -24 -25 -26 -27 -28 -29

Trước hồi nhiệt thấp áp

Sau hồi nhiệt thấp áp

Trước hồi nhiệt cao áp

Sau hồi nhiệt cao áp

( o C) 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5,1 5,1 Độ quá lạnh ( o C) 4 3,8 3,5 3,3 3,1 2,9 2,6 2,4 2,1 1,9 Độ quá nhiệt ( o C)

SAU KHI LẮP THIẾT BỊ HỒI NHIỆT

Lưu lượng tầng thấp (kg/s) 0,007 0,006 0,007 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,005 0,005

Lưu lượng tầng cao (kg/s) 0,0065 0,0077 0,0080 0,0067 0,0072 0,0082 0,0068 0,0072 0,0084 0,0076

Từ Bảng 4.3 và Bảng 4.5 ta thấy được có sự chênh lệch các thông số như công nén, năng suất lạnh và hệ số COP trước và sau khi lắp đặt thiết bị hồi nhiệt Điều này cho ta biết được khi có thiết bị hồi nhiệt thì độ hiệu quả năng lượng sẽ thay đổi và do có quá nhiệt, quá lạnh nên công nén và năng suất lạnh cũng có sự thay đổi

Hình 4.12 Đồ thị so sánh nhiệt độ trước và sau khi có thiết bị hồi nhiệt

- Xu hướng chung: Cả hai đường đều có xu hướng giảm dần khi nhiệt độ bay hơi tăng, nhưng mức độ giảm khác nhau giữa hai trường hợp

- Trường hợp không sử dụng thiết bị hồi nhiệt: Đường màu xanh thể hiện nhiệt độ hút về máy nén thấp hơn nhiều so với trường hợp có sử dụng thiết bị hồi nhiệt Nhiệt độ hút về máy nén dao động từ -24°C đến -16.5°C khi nhiệt độ bay hơi thay đổi từ -29°C đến -20°C.Điều này cho thấy khi không có thiết bị hồi nhiệt, nhiệt độ của hơi môi chất trở về máy nén thấp hơn, có thể do không có sự trao đổi nhiệt với môi chất nóng hơn

- Trường hợp có sử dụng thiết bị hồi nhiệt : Đường màu đỏ cho thấy nhiệt độ hút về máy nén cao hơn so với trường hợp không hồi nhiệt, dao động từ -1.6°C đến-

3.6°C Sự chênh lệch này cho thấy việc hồi nhiệt đã làm tăng nhiệt độ của môi chất trước khi nó trở về máy nén

Biểu đồ này rõ ràng minh họa sự khác biệt đáng kể trong hiệu suất hệ thống giữa hai trường hợp có và không có hồi nhiệt, cho thấy tầm quan trọng của việc sử dụng hồi nhiệt trong các hệ thống làm lạnh CO2 để cải thiện hiệu suất năng lượng

Hình 4.13 Đồ thị độ quá lạnh khi đã lắp đặt thiết bị hồi nhiệt

- Xu hướng chung : Đường màu đỏ biểu diễn độ quá lạnh tại thiết bị hồi nhiệt tăng dần khi nhiệt độ bay hơi tăng Nhiệt độ bay hơi dao động từ -29°C đến - 20°C, trong khi độ quá lạnh tăng từ 1,9°C lên 4°C

- Sự gia tăng độ quá lạnh : Ở nhiệt độ bay hơi thấp (khoảng -29°C đến -26°C), độ quá lạnh tăng từ 1,9°C lên khoảng 2,6°C Khi nhiệt độ bay hơi tiếp tục tăng (từ -26°C đến -20°C), độ quá lạnh tăng nhanh hơn, từ 2,6°C lên đến 4°C

- Ý nghĩa của độ quá lạnh : Độ quá lạnh cao hơn cho thấy môi chất làm lạnh rời khỏi thiết bị hồi nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn, điều này có thể cải thiện hiệu suất của

36 hệ thống làm lạnh Việc tăng độ quá lạnh cũng có thể giúp giảm tải nhiệt trên máy nén, cải thiện hiệu quả năng lượng của hệ thống

Biểu đồ này minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa nhiệt độ bay hơi và độ quá lạnh tại thiết bị hồi nhiệt, cho thấy việc điều chỉnh nhiệt độ bay hơi có thể ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất hệ thống làm lạnh CO2

Hình 4.14 Đồ thị so sánh công của máy nén

- Xu hướng chung: Công suất nén của máy nén có sử dụng thiết bị hồi nhiệt luôn cao hơn so với trường hợp không sử dụng thiết bị hồi nhiệt Trong cả hai trường hợp, công suất nén dao động khi nhiệt độ bay hơi thay đổi từ -29°C đến

Tiêu đề	Nghiên cứu ứng dụng thiết bị hồi nhiệt trong chu trình lạnh ghép tầng sử dụng môi chất R134a/R744
Tác giả	Nguyễn Hoài Bảo, Võ Đình Vỹ
Người hướng dẫn	ThS. Võ Kim Hằng
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	66
Dung lượng	10,02 MB