Tiếp đó, chúng em đã tìm tòi, tham khảo các bài báo khoa học trong và ngoài nước về đề tài tản nhiệt bo mạch và rút kết kinh nghiệm để thiết lập, chế tạo một hệ thống thí nghiệm cho bộ t
TỔNG QUAN
Vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh ngày càng tăng về nhu cầu sử dụng hệ thống điều hòa không khí hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, hệ thống lạnh VRF đã trở thành một giải pháp ưa chuộng trên toàn cầu Tuy nhiên một trong số những nhược điểm của hệ thống VRF là vấn đề quá nhiệt bo mạch dàn nóng gây ảnh hưởng đến sự hoạt động của hệ thống lạnh, tìm ẩn nguy cơ hỏng hóc cháy nổ các linh kiện bo mạch dàn nóng, làm tốn nhiều thời gian công sức và chi phí bảo trì sửa chửa, ảnh hưởng lớn đến việc hoạt động kinh doanh của các tòa nhà sử dụng máy lạnh hệ thống trên
Hình 1.1 Tủ điện dàn nóng VRF Samsung Quan sát Hình 1.1 Nguyên nhân sinh nhiệt chính đến từ bo Inverter PCB Inverter PCB là một thành phần quan trọng trong hệ thống bo mạch điều khiển hệ thống điều hòa không khí sử dụng công nghệ Inverter Công nghệ này cho phép điều chỉnh tốc độ quay của máy nén để kiểm soát lưu lượng môi chất lạnh một cách chính xác, từ đó cung cấp khả năng làm lạnh, khả năng sưởi ấm một cách hiệu quả và tiết kiệm năng lượng Tuy có những ưu điểm vượt trội, Inverter PCB cũng đi kèm một nhược điểm không nhỏ cho hệ thống đó là sự sinh nhiệt của bo mạch này Inverter PCB hoạt động bằng cách chuyển đổi
2 dòng diện xoay chiều AC thành dòng điện một chiều DC và sau đó chuyển đổi lại thành
AC với tần số và điện áp có thể điều chỉnh Quá trình chuyển đổi này không hiệu quả hoàn toàn 100% và một phần năng lượng từ đó được chuyển hóa thành nhiệt Có nghĩa khi hệ thống hoạt động ở điều kiện môi trường khắc nghiệt, tức là tải lạnh yêu cầu tăng, công suất tiêu thụ của máy nén tăng lên thì tổn thất qua bo mạch càng lớn và bo mạch sinh nhiệt càng nhiều, ngoài ra môi trường giải nhiệt cho bo mạch (dàn nóng thường đặt trên mái) cũng tăng cao ảnh hưởng lớn đến quá trình tản nhiệt cho bo mạch
Trên thực tế, môi trường hoạt động bình thường của bo Inverter PCB sẽ hoạt động trong dãy nhiệt độ 65105℃ Khi nhiệt độ vượt quá 105℃, hệ thống sẽ ngừng hoạt động và báo lỗi
Hình 1.2 Mã lỗi hiển thị bị quá nhiệt bo dàn nóng VRF Samsung
Chính vì vậy nhu cầu cải tiến hiệu quả trao đổi nhiệt của bộ tản nhiệt được đề ra Để làm được điều đó, trên phạm vi thí nghiệm cải tiến bằng phương pháp thực nghiệm phải có hệ thống thí nghiệm đáp ứng được các yêu cầu thực tế với độ tin cậy cao Trong đề tài này sẽ tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm cho bộ tản nhiệt bo dàn nóng VRF Góp phần giải quyết vấn đề quá nhiệt bo mạch dàn nóng VRF.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Tran và cộng sự [1] đã nghiên cứu về năm hình dạng kênh khác nhau bằng cách sử dụng sơ đồ chia lưới và cấu trúc của tản nhiệt kênh micro, được thực hiện bằng một tấm đồng kích thước 9,8mm x 9,8mm x 0,5mm đã được sử dụng như bộ tản nhiệt kênh micro Nước được sử dụng làm chất tải lạnh Chiều dài kênh từ 0,2 đến 5,6mm và năm hình dạng kênh khác nhau bao gồm hình tròn, hình vuông, hình thang, hai bề mặt lỏm và hai bề mặt lồi đã được nghiên cứu bằng mô phỏng số với đường kính thủy lực không đổi
200 àm với số Reynolds trong khoảng 700 - 2200 Kết quả cho thấy rằng hiệu suất nhiệt
3 tốt nhất đạt được với một kênh hình tròn có thể tiêu tán mật độ dòng nhiệt lên tới 1500 W/cm 2 và nhiệt độ tối đa được giữ ở mức dưới 75℃ ở hệ số Reynolds là 2200 Hình dạng kênh phụ thuộc vào số Reynolds và dòng nhiệt
Karwa và cộng sự [2] đã mô phỏng số và thực nghiệm về việc phát triển bộ tản nhiệt làm mát bằng tia nước có khả năng chịu nhiệt thấp cho Tủ lạnh nhiệt điện nhằm tăng hiệu suất của bộ làm mát nhiệt điện, giảm nhiệt trở của bộ tản nhiệt Kết quả chứng minh việc thiết kế bộ tản nhiệt làm mát bằng nước nhiệt trở thấp cho mặt nóng tủ lạnh nhiệt điện, đạt được nhiệt trở thấp 0,025 K/W với tổn thất áp suất nhỏ 25 kPa Nhiệt trở được thực hiện bằng phương pháp CFD rất phù hợp với các thí nghiệm
Wang và cộng sự [3] đã nghiên cứu ảnh hưởng của số vòng đến hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt sử dụng ống có cánh tản nhiệt Bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh tản nhiệt (FTHX) hoạt động tốt hơn với số vòng nhiều hơn như một thiết bị bay hơi nhưng ít hơn khi dùng làm bình ngưng trong máy bơm nhiệt nguồn không khí (ASHP) Ảnh hưởng của số vòng đến hiệu suất của FTHX được nghiên cứu bằng số bằng cách sử dụng phần mềm EVAP-COND 4.0 Kết quả chỉ ra rằng công suất thiết bị bay hơi đạt mức cao nhất với bốn vòng, nhưng công suất thiết bị ngưng tụ giảm khi số vòng tăng Vì vậy, để phù hợp hơn với các yêu cầu tương ứng của cả hai chế độ Các so sánh thử nghiệm cho thấy rằng trong ASHP, FTHX đảo ngược có công suất làm mát cao hơn 6,1% so với bốn vòng được cố định trong bộ trao đổi nhiệt và công suất nhiệt cao hơn 3,9% so với bộ trao đổi nhiệt cố định 1,5 vòng Do đó, thiết kế mới của FTHX đã nâng cao cả hiệu suất nhiệt và hệ số COP của ASHP
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý của thí nghiệm ASHP
1 - Thiết bị trao đổi nhiệt ống có cánh dàn nóng, 2 - Van bốn chiều, 3 - Máy nén,
4 - Thiết bị trao đổi nhiệt ống có cánh dàn lạnh, 5 - Van tiết lưu điện tử, 6 - Dàn nóng,
Khan và cộng sự [4] đã khảo sát sự truyền nhiệt trên bộ tản nhiệt kênh micro dạng lượn sóng và lượn sóng kép sử dụng hạt nano nhôm bằng mô phỏng ANSYS Fluent
Bộ trao đổi nhiệt kênh micro đã được chứng minh có hiệu quả trong việc tỏa nhiệt từ các hệ thống tái tạo do bề mặt truyền nhiệt cao đến tỷ lệ thể tích Nghiên cứu này tập trung đánh giá hiệu năng làm mát của các bộ trao đổi nhiệt kênh micro thẳng, lượn sóng và lượn sóng kép bằng cách mô hình hóa mô hình truyền nhiệt trong ANSYS Fluent Chất lỏng không nén được được xem xét ở chế độ chảy tầng sử dụng chất lỏng nano nhôm với nồng độ 1%, 3% và 6% Số Nusselt, tổn thất áp suất, nhiệt độ và hệ số hiệu suất nhiệt (TPF) được sử dụng làm thông số hiệu suất để so sánh hiệu suất của chất lỏng nano ở phạm vi số Reynolds là 100 – 900 Đối với truyền nhiệt theo mô hình thẳng, lượn sóng và lượn sóng kép, cũng như tổn thất áp suất, được tăng theo Số Reynolds Kết quả cho thấy rằng các kênh lượn sóng và sóng kép so với kênh thẳng cải thiện khả năng truyền nhiệt đối lưu do sự hình thành các xoáy thứ cấp ở phần cong Đối với việc bổ sung 6% hạt nano trong tất cả các kênh, trung bình cả hai kênh lượn sóng kép đều cho thấy mức cải thiện cao nhất 8% khi so sánh với kênh nồng độ 0% Kênh lượn sóng kép có đế phẳng và đế lượn sóng giúp giảm nhiệt độ của đế nóng xuống 10℃ và 9℃ so với kênh thẳng Hệ
5 số hiệu suất nhiệt tối đa đạt được là 2,2 đối với kênh lượn sóng kép có cấu hình đế lượn sóng với 6% hạt nano
Lun Ma và cộng sự [5] đã nghiên cứu nâng cao truyền nhiệt cho bộ tản nhiệt có cánh dạng tấm với quạt áp điện kép Việc phân tích kết hợp với việc đo lường trở nhiệt, vận tốc và độ xoáy được thực hiện thông qua phép đo vận tốc hình ảnh tốc độ cao và phép đo nhiệt kế hồng ngoại Nâng cao sự truyền nhiệt được suy luận trên thay đổi khoảng cách, chiều cao, pha và hướng của quạt Khi tỷ lệ giữa khoảng cách quạt với chiều rộng của bộ tản nhiệt (D*) và tỷ số giữa chiều cao quạt với chiều cao bộ tản nhiệt (H) giảm thì nhiệt trở giảm Nhiệt trở của quạt dao động lệch pha luôn vượt trội so với các quạt dao động cùng pha Nhiệt trở ở hướng song song thấp hơn 22–27% so với hướng thẳng đứng do sự thông gió không bị cản trở, quạt kép và bộ tản nhiệt Ngược lại, hiệu năng làm mát theo hướng thẳng đứng giảm do dòng lưu chất nóng vào bộ tản nhiệt được cách ly chỉ với một lượng nhỏ dòng lạnh bị cuốn theo Vận tốc gây ra bởi quạt kép giảm 30–50% do hiệu ứng gây ra bởi đối lưu tự nhiên đã triệt tiêu dòng lạnh di chuyển xuống bộ tản nhiệt, dẫn đến hiệu suất làm mát giảm Sự tương tác giữa quạt kép và bộ tản nhiệt dạng tấm cho thấy việc thiết kế tối ưu cho hệ thống làm mát điện tử
Hình 1.4 Sơ đồ thí nghiệm dòng chảy giữa bộ tản nhiệt và quạt điện áp
1 - Cấp nguồn điện xoay chiều, 2 - Quạt áp điện kép, 3 - Bộ tản nhiệt,
4 - Khu vực thí nghiệm, 5 - Phép đo vận tốc, 6 - Nhiệt kế hồng ngoại,
7 - Cảm biến COMS, 8 - Phần mềm PC & Điều khiển
Li và cộng sự [6] đã nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc của bộ tản nhiệt mô-đun IGBT kép trong bộ chuyển đổi DC – DC dựa theo dẫn nhiệt đối lưu tự nhiên bằng phương pháp mô phỏng qua phần mềm Icepark và thực nghiệm Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ tối đa của hai nguồn nhiệt giảm ứng với khoảng cách lắp đặt, nhưng mức giảm tối đa không quá 0,5℃ Dựa vào kết quả, thấy rằng cấu trúc cục bộ của tản nhiệt không có lợi cho sự truyền nhiệt đối lưu tự nhiên Do đó, các biện pháp cải thiện rãnh tấm được đề xuất và hiệu quả của biện pháp này trong việc giảm nhiệt độ nguồn nhiệt được xác minh bằng phân tích mô phỏng và thử nghiệm Ảnh hưởng của kích thước khe đến nhiệt độ tối đa của nguồn nhiệt được phân tích: nhiệt độ tối đa của nguồn nhiệt giảm khi tăng kích thước khe Khi kích thước khe là 16 mm, hiệu quả làm mát rõ rệt và mức nhiệt độ giảm tối đa lên tới 6℃ so với trước khi có rãnh Ngoài ra việc xử lý khe cũng có thể làm giảm vật liệu bộ tản nhiệt và giảm trọng lượng
Mauro và cộng sự [7] đã nghiên cứu mật độ dòng nhiệt tới hạn bão hòa trong bộ tản nhiệt nhiều kênh micro được cung cấp bằng hệ thống phân chia dòng chảy bằng phương pháp thực nghiệm Bộ tản nhiệt được hình thành bởi 29 kênh song song rộng 199àm và sõu 756àm Để tăng mật độ dũng nhiệt tới hạn và giảm dũng nhiệt tổn thất ỏp suất hai pha, hệ thống phân chia dòng chảy được triển khai với một đầu vào ở giữa các kênh và hai đầu ra, mật độ dòng nhiệt tới hạn được đo bằng ba chất làm lạnh HFC (R134a, R236fa và R245fa) cho dãy mật độ lưu lượng từ 250 đến 1500 kg/m 2 s, làm mát đầu vào từ -25 đến -5 K và nhiệt độ bão hòa từ 20 đến 50℃ Phân tích cho thấy rằng CHF cao hơn đáng kể có thể đạt được với hệ thống phân chia dòng chảy (một đầu vào – hai đầu ra) so với hệ thống đơn hệ thống một đầu vào và một đầu ra, giúp tổn thất áp suất thấp hơn nhiều
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của thí nghiệm và hình ảnh bộ tản nhiệt
1 - Bơm, 2 - Cảm biến áp suất, 3 - Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Corioils,
4 - Điện trở gia nhiệt, 5 - Cảm biến nhiệt độ, 6 - Van an toàn, 7 - Van ba ngã,
8 - Mắt ga, 9 - Độ chênh áp suất, 10 - Khu vực thử nghiệm, 11 - Thiết bị an toàn,
12 - Nhiệt độ khu vực thử nghiệm, 13 - Van khử khí, 14 - Thiết bị ngưng tụ,
15 - Bình chứa, 16 - Bể nhiệt, 17 - Van chặn, 18 - Lọc
Gunnasegaran và cộng sự [8] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học đến đặc tính truyền nhiệt của bộ tản nhiệt kênh micro có hình dạng khác nhau Ảnh hưởng của các thông số hình học đến đặc tính truyền nhiệt và lưu lượng nước trong kênh micro được thực hiện trong dãy số Reynolds từ 100 – 1000 Ba hình dạng khác nhau của bộ tản nhiệt kênh micro được nghiên cứu trong nghiên cứu này là hình chữ nhật, hình thang, và hình tam giác Trường lưu lượng nước và hiện tượng truyền nhiệt bên trong mỗi hình dạng bộ tản nhiệt kênh micro được kiểm tra với ba kích thước hình học khác nhau
Sử dụng nhiệt độ chất lỏng trung bình và hệ số truyền nhiệt ở mỗi hình dạng của bộ tản nhiệt để định lượng dòng chảy chất lỏng và sự phân bố nhiệt độ Kết quả cho thấy rằng sự đồng đều về hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ có thể thu được trong các bộ tản nhiệt có đường kính thủy lực nhỏ nhất Kết quả cũng cho thấy bộ tản nhiệt có đường kính thủy lực nhỏ nhất có hiệu suất tốt hơn về mặt tổn thất áp suất và hệ số ma sát trong số các bộ tản nhiệt khác được nghiên cứu
Kim và cộng sự [9] đã nghiên cứu thiết kế nhiệt và giới hạn hoạt động của bộ tản nhiệt kênh micro hai pha Phần lớn các nghiên cứu được công bố về bộ tản nhiệt kênh
8 micro hai pha đều tập trung vào về việc xác định tổn thất áp suất và hệ số truyền nhiệt, rất ít nghiên cứu đề cập đến giới hạn hoạt động của các thiết bị này Nghiên cứu này cung cấp một phương pháp toàn diện để thiết kế nhiệt của bộ tản nhiệt kênh micro với điều kiện đầu vào bão hòa Điều này bao gồm các phương pháp dự đoán tổn thất áp suất và hệ số truyền nhiệt bằng cách sử dụng các mối tương quan dựa trên cơ sở dữ liệu lớn được tích lũy từ nhiều nguồn, bao gồm nhiều chất lỏng làm việc và phạm vi rất rộng về đường kính thủy lực, vận tốc khối lượng, áp suất đầu vào và chất lượng đầu vào Các giá trị của mật độ dòng nhiệt tối đa được sử dụng để đánh giá sự thay đổi tương ứng của tổn thất áp suất và nhiệt độ tối đa của thành đáy của bộ tản nhiệt Nó cho thấy rằng mật độ dòng nhiệt tối đa bị chi phối bởi các giới hạn khác nhau đối với các phạm vi tốc độ dòng chảy khác nhau và có thể tăng lên đáng kể, đồng thời giảm nhiệt độ thành đáy bằng cách sử dụng một số lượng lớn các kênh nhỏ Hơn nữa, việc sử dụng các kênh micro sâu hơn được chứng minh làm tăng mật độ dòng nhiệt tối đa và giảm tổn thất áp suất, đồng thời tạo ra tác động bất lợi tương đối yếu đến nhiệt độ thành đáy.
Jajja và cộng sự [10] đã nghiên cứu những bộ tản nhiệt kênh mini làm mát bằng nước để làm mát bộ vi xử lý: Ảnh hưởng của khoảng cách cánh Để quản lý nhiệt hiệu cho các bộ vi xử lý tạo nhiệt cao, năm bộ tản nhiệt khác nhau với khoảng cách cánh là 0,2 mm, 0,5 mm, 1,0 mm và 1,5 mm cùng với bộ tản nhiệt tấm phẳng đã được nghiên cứu Nhiệt của bộ vi xử lý được mô phỏng bằng một khối đồng với nước làm chất làm mát Tại công suất gia nhiệt 325 W, nhiệt độ đế tản nhiệt thấp nhất 40,5℃ đạt được bằng cách sử dụng bộ tản nhiệt có khoảng cách cánh 0,2 mm, thấp hơn khoảng 9% so với nhiệt độ đế được báo cáo tốt nhất là 44℃ sử dụng chất lỏng nano với bộ tản nhiệt thương mại Nhiệt độ và nhiệt trở của các bộ tản nhiệt đã giảm đi bằng cách giảm khoảng cách giữa các cánh và tăng tốc độ dòng thể tích của nước tuần hoàn qua bộ tản nhiệt Đối với bộ tản nhiệt dạng tấm phẳng, nhiệt trở tối đa là 0,216 K/W đã giảm xuống chỉ còn 0,03 K/W bằng cách sử dụng bộ tản nhiệt có khoảng cách cánh 0,2 mm Hệ số truyền nhiệt tổng được tìm thấy lần lượt là 1297 W/m 2 K và 2156 W/m 2 K tương ứng cho trường hợp tấm phẳng và bộ tản nhiệt có khoảng cách cánh 0,2 mm Điều này cho thấy sự cải thiện gấp hai lần so với nghiên cứu trước
Hình 1.6 Sơ đồ thí nghiệm và hình học bộ tản nhiệt
1 - Bình chứa, 2 - Bơm, 3 - Nguồn cấp điện một chiều, 4 - Bộ giải nhiệt, 5 - Van chặn,
6 - Lưu lượng kế, 7 - Bộ tản nhiệt, 8 - Thiết bị gia nhiệt, 9 - Máy đo lưu lượng nhiệt độ
Bảng 1.1 Tổng hợp các nghiên cứu về tản nhiệt ngoài nước từ nghiên cứu 1 tới 10
Phạm vi Phương pháp và kết quả
Tran cùng các cộng sự [1],
Thực nghiệm Hiệu suất nhiệt tốt nhất đối với kênh hình tròn q 00 W/cm 2 tại t u℃, Re"00
Phạm vi Phương pháp và kết quả
Karwa cùng các cộng sự
Tản nhiệt hình mini chữ nhật 40mm x 40mm x 25 mm Đồng Nước q = 38,58 kW/m 2
R = 0,025 K/W tổn thất đạt được với p = 25 kPa Kết quả nhiệt trở phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm
Wang cùng các cộng sự [3],
Thiết bị trao đổi nhiệt ống có cánh tản nhiệt Cuộn coil dàn lạnh: OD=5mm, Lc0mm, chiều cao cánh:
1,4=mm Cuộn coil dàn nóng:
OD=7mm, Lw0mm, chiều cao cánh:
Chế độ làm lạnh: tD/WB,5/24℃
(nhiệt độ bên ngoài), tD/WB'/19℃
(nhiệt độ bên trong), 1800m 3 /h Chế độ sưởi: tD/WB,=7/6 ℃ tD/WB /15℃
Thực nghiệm bộ trao đổi nhiệt dạng ống có có cánh tản nhiệt hoạt động tốt hơn (số vòng nhiều hơn) như một thiết bị bay hơi Nâng cao hiệu suất nhiệt và COP
Phạm vi Phương pháp và kết quả
Khan cùng các cộng sự [4],
Tản nhiệt kênh micro 10916àm x 280àm x 355,19àm
Mô phỏng Hiệu suất nhiệt tối đa là 2,2 cho kênh sóng kép với cấu hình hạt nano 6%
Ma cùng các cộng sự [5],
Tản nhiệt có cánh dạng tấm 30mm x 30mm x 22mm
Sự tương tác giữa quạt kép và bộ tản nhiệt dạng tấm cho thấy việc thiết kế tối ưu cho hệ thống làm mát điện tử
Nhiệt trở ở hướng song song thấp hơn
22 – 27% so với hướng thẳng đứng Vận tốc gây ra bởi quạt kép giảm 30 –50% do hiệu ứng gây ra
Phạm vi Phương pháp và kết quả
Li cùng các cộng sự [6],
Tản nhiệt kênh micro Kích thước khe:
4mm, 8mm, 16mm Đồng Nhôm
Thực nghiệm Nhiệt độ của nguồn nhiệt giảm khi tăng kích thước khe Giảm 6℃ ứng với kích thước khe 16mm
Mauro cùng các cộng sự
Thực nghiệm Mật độ dòng nhiệt cao hơn đáng kể với hệ thống phân chia dòng chảy, giảm tổn thất áp suất q = 330W/cm 2 ứng với G = 1500 kg/m 2 s của R245fa
Phạm vi Phương pháp và kết quả
Gunnase garan cùng các cộng sự
25 kênh Hình chữ nhật, hình thang, hình tam giác 12mm x 22mm x 1,5mm
Mô phỏng Hiệu năng tốt hơn đối với bộ tản nhiệt có đường kính thủy lực nhỏ nhất
Kim cùng các cộng sự
Tản nhiệt micro Hình chữ nhật
Sử dụng các kênh micro sâu hơn làm tăng mật độ dòng nhiệt tối đa và giảm tổn thất áp suất
Jajja cùng các cộng sự
Tản nhiệt mini 28,7x28,7mm Chiều cao:
Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống thí nghiệm dùng để thực nghiệm bộ tản nhiệt bo dàn nóng VRF.
Mục tiêu nghiên cứu
Tính toán lý thuyết thiết kế bộ trao đổi nhiệt bo dàn nóng VRF Thiết kế chế tạo hệ thống thí nghiệm cho bộ tản nhiệt VRF Vận hành đo đạc các thông số hoạt động của hệ thống đáp ứng được những yêu cầu đặt ra cho các thí nghiệm về sau Từ đó tạo tiền đề cho việc thực nghiệm các thí nghiệm nghiên cứu nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt cho bộ tản nhiệt bo dàn nóng VRF.
Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong nghiên cứu này đó là phương pháp tổng quan, phương pháp phân tích lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và phương pháp xử lý dữ liệu
- Phương pháp tổng quan: Các bài báo khoa học từ các nguồn tài liệu uy tín nhất hiện nay (Sciencedirect, Springer, TaylorFrancis, ) được chúng em tải về đọc, phân tích để tìm ra những vấn đề các nhà khoa học đi trước còn tồn tại, chưa giải quyết
- Phương pháp phân tích lý thuyết: Tìm hiểu đưa ra đối tượng nghiên cứu, thiết kế mô hình để phục vụ các nghiên cứu về sau
- Phương pháp thực nghiệm: Hệ thống thí nghiệm được thực hiện cho bộ tản nhiệt bo dàn nóng VRF Thực hiện thực nghiệm tại Xưởng Nhiệt – Điện lạnh – Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
- Phương pháp xử lý dữ liệu: Từ các kết quả thực nghiệm, chúng em đã phân tích và đánh giá sự hoạt động của hệ thống thí nghiệm và đưa ra những thiếu sót, đồng thời đưa ra các biện pháp cải tiến cho hệ thống thí nghiệm nhằm đảm bảo tính chính xác hơn cho kết quả thí nghiệm từ hệ thống
Ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết của đề tài
Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của bộ tản nhiệt bo dàn nóng VRF, ảnh hưởng của sự quá nhiệt bo dàn nóng VRF lên sự hoạt động của hệ thống máy lạnh VRF
Chế tạo mô hình phục vụ cho các thí nghiệm nghiên cứu nâng cao hiệu quả của bộ tản nhiệt bo dàn nóng VRF sau này Đưa ra những phương án cải tiến cụ thể, ứng dụng vào việc cải tiến hệ thống thí nghiệm nhằm tăng độ tin cậy cho các kết quả thí nghiệm của bộ tản nhiệt trên hệ thống.
Nội dung nghiên cứu
Trong đề tài này nội dung bao gồm việc nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế chế tạo hệ thống thí nghiệm cho bộ tản nhiệt bo dàn nóng VRF Tóm lại, đề tài được chia thành các nội dung chính như sau:
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế mô hình
- Chương 3: Chế tạo hệ thống thí nghiệm
- Chương 4: Kết quả và thảo luận
- Chương 5: Kết luận và kiến nghị
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Tính toán công suất bộ tản nhiệt
Với điều kiện khảo sát, chúng em đã chọn dàn nóng hệ thống VRF Samsung Model AM200FXVAGH làm hệ thống khảo sát thực tế Từ catalogue của hệ thống, ta có:
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật dàn nóng VRF Samsung, model AM200FXVAGH
Công suất máy nén PMáy nén, kW x Số lượng 6,39 x 2
Hiệu suất chuyển đổi Inverter PCB, % 90 ÷ 98
Khảo sát xoay quanh bộ tản nhiệt dàn nóng VRF Samsung, nhận thấy 2 máy nén của hệ thống được điều khiển thông qua 2 bo mạch Inverter PCB, phía sau mỗi bo mạch Inverter PCB được lắp đặt một bộ tản nhiệt Ta có thể kết luận:
- Bo Inverter PCB trong quá trình chuyển đổi có sinh ra nguồn nhiệt lớn
- Bộ tản nhiệt có công dụng giải nhiệt cho bo Inverter PCB của dàn nóng
Hình 2.1 Vị trí kết nối bộ tản nhiệt với bo Inverter PCB
Dàn nóng VRF bao gồm 2 máy nén với công suất 6.39 kW cho mỗi máy, 2 bo mạch Inverter PCB điều khiển 2 máy nén Ta sẽ tiến hành khảo sát trên một bo để tính ra công suất của bộ tản nhiệt đi kèm với bo mạch đấy Thông thường hiệu suất chuyển đổi của một bo mạch Inverter PCB không đạt đến 100%, do quá trình chuyển đổi năng lượng và hoạt động của các linh kiện điện tử trên bo mạch này Đó là lý do tại sao hiệu suất chuyển đổi của bo mạch Inverter dao động trong khoảng 90 ÷ 98% [22] Quá trình chuyển đổi dòng điện có hiệu suất không hoàn hảo, tổn thất của quá trình chuyển đổi sẽ xảy ra dưới dạng nhiệt Hiệu suất bo mạch càng thấp thì tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt càng cao và ngược lại Để giải quyết vấn đề này, phía sau mỗi bo mạch Inverter PCB sẽ được lắp đặt bộ tản nhiệt, công suất tổn hao qua bo mạch Inverter PCB chính là công suất của bộ tản nhiệt
Hình 2.2 Sơ đồ tổn thất áp suất qua bo Inverter PCB dàn nóng VRF
Quá trình sinh nhiệt của bo mạch Inverter được mô tả trong hình trên, trong đó:
Pvào là công suất đầu vào của 1 bo mạch Inverter PCB điều khiển 1 máy nén Pra là công suất điện truyền tải cho máy nén qua quá trình biến đổi dòng điện của bo Inverter PCB
Phao phí là phần công suất tổn hao sinh nhiệt của bo mạch Inverter PCB trong quá trình biến đổi dòng điện Tính toán công suất hao phí của bo mạch sẽ xác định được công suất của bộ tản nhiệt
Chọn hiệu suất chuyển đổi của Inverter PCB là 94% Công suất tổn thất qua một bo mạch Inverter PCB:
Công suất của bộ tản nhiệt chính là công suất tổn hao qua bo Inverter PCB
Hình 2.3 Dàn nóng VRF Samsung Model AM200FXVAGH
Dòng nhiệt trao đổi qua bộ tản nhiệt Theo phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt ta có:
Q - Dòng nhiệt trao đổi qua bộ tản nhiệt, kW
Q 1 - Dòng nhiệt truyền qua môi chất lạnh, kW
Q 2- Dòng nhiệt truyền qua không khí, kW Theo [14], Q1 được thể hiện như sau:
Q =mc t, kW (2.4) m - Lưu lượng khối lượng của môi chất, kg/s c p - Nhiệt dung riêng khối lượng của môi chất, kJ/kgK
t - Độ chênh nhiệt độ môi chất trước và sau bộ tản nhiệt, ℃
Dòng nhiệt truyền qua cho không khí, [15]
- Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí, W/m 2 K
F - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt với không khí, m 2 t w- Nhiệt độ trung bình của bề mặt trao đổi nhiệt, ℃ t f - Nhiệt độ trung bình của không khí, ℃
Hình 2.4 Vị trí bộ tản nhiệt bo dàn nóng VRF Để kiểm tra hiệu quả hoạt động của bộ tản nhiệt VRF, nhóm đã tiến hành đo đạc độ chênh nhiệt độ môi chất qua bộ tản nhiệt Từ đó đánh giá, lấy cơ sở để tiến hành tính toán lý thuyết thành lập mô hình thí nghiệm
Hình 2.5 Đo đạc thông số độ chênh nhiệt độ môi chất qua bộ tản nhiệt bo VRF Bảng 2.2 Thông số kết quả đo đạc:
Vị trí 1 Vị trí 2 Vị trí 3 Vị trí 4
In (℃) Out(℃) In(℃) Out(℃) In(℃) Out(℃) In(℃) Out(℃)
Trong bảng kết quả trên:
- Giá trị In là giá trị nhiệt độ môi trường
- Giá trị Out là giá trị nhiệt độ môi chất tại điểm cần đo
- Giá trị độ chênh nhiệt độ qua 2 bộ tản nhiệt là TOut 4 – TOut 1
- Giá trị độ chênh nhiệt độ qua 1 bộ tản nhiệt là TOut 3 – TOut 2
Từ bảng kết quả cho thấy độ chênh nhiệt độ môi chất qua 2 bộ tản nhiệt tối đa là 1℃ ở lần do số 1 và tối đa 0,7℃ chênh nhiệt độ môi chất qua 1 bộ tản nhiệt ở lần đo số
5 Đánh giá: Độ chênh lệch nhiệt độ môi chất tối đa qua 1 bộ tản nhiệt tương ứng với
1 bo mạch là 0,7℃ Đây là độ chênh nhiệt độ của môi chất xảy ra với điều kiện nhiệt độ môi trường khá thấp, tổn hao công suất sinh ra từ bo mạch chưa đạt đỉnh do tải lạnh yêu cầu giảm, hệ thống cũng như máy nén không hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt nhất Ngoài ra lưu lượng môi chất thực qua bộ tản nhiệt khá lớn, yêu cầu để lắp đặt 1 hệ thống thí nghiệm với lưu lượng tương tự là khó khăn Chính vì vậy trong phần tiếp theo, độ chênh nhiệt độ môi chất qua bộ tản nhiệt được tính chọn lý thuyết tối đa ∆t = 5℃, để đảm bảo khi các điều kiện thí nghiệm vượt ngưỡng hệ thống thí nghiệm vẫn đáp ứng được yêu cầu
24 a Mặt trước bộ tản nhiệt b Mặt sau bộ tản nhiệt c Thông số hình học
Hình 2.6 Bộ tản nhiệt bo VRF, HS1
Bảng 2.3 Thông số hình học bộ tản nhiệt bo dàn nóng VRF
Kích thước bộ tản nhiệt
Kích thước chi tiết (mm)
Tính toán thiết kế mô hình
2.2.1 Thông số chọn ban đầu
Hình 2.7 Đồ thị lgp-h và T-s
Nhiệt độ của môi trường giải nhiệt là không khí: tw = 35℃
Nhiệtđộ ngưng tụ: tk = tw + (5 ÷ 15)℃ [16] (2.6) tk = tw + 10 = 35 + 10 = 45℃
Nhiệt độ bay hơi: to = 5℃ Độ quá nhiệt đối với máy lạnh Freon [16]: ∆tqn = (3 ÷ 8)℃, chọn ∆tqn = 5℃ Độ quá lạnh đối với máy lạnh Freon [16]: ∆tql = (4 ÷ 7)℃, chọn ∆tql = 7℃
2.2.2 Tính thông số đặc trưng
Sử dụng phần mềm Coolpack để tính các thông số điểm nút
Nhập các thông số đầu bài vào phần mềm Coolpack:
Nhiệt độ bay hơi: t o =5℃ Độ quá lạnh: =t ql 7℃ Độ quá nhiệt: =t qn 5℃
Tiến hành các bước để xuất kết quả từ phần mềm, màn hình hiển thị thông số điểm nút R22 được thể hiện bên dưới:
Hình 2.8 Đồ thị lgp-h R22 Bảng 2.4 Thông số điểm nút Điểm nút t(℃) p,bar h,kJ/kg
Công cấp cho chu trình: l = h2 – h1 [17] (2.7)
→ l = 438,64 – 410,86 = 27,78 kJ/kg Công suất nhiệt riêng: q k = h2 – h4’ [17] (2.8)
→ q k C8,64 – 247,03 = 191,61 kJ/kg Công suất lạnh riêng: q 0 = h6 – h5’ [17] (2.9)
2.2.3 Tính chọn công suất máy lạnh Để tính được công suất máy lạnh cho hệ thống thí nghiệm Biết được độ quá lạnh yêu cầu và dự đoán độ chênh nhiệt độ môi chất qua bộ tản nhiệt là điều cần thiết Như đã khảo sát lựa chọn trong Mục 2.1 độ chênh nhiệt độ môi chất qua bộ tản nhiệt là 5℃ Giá trị độ quá lạnh yêu cầu môi chất trước khi vào bộ tản nhiệt được yêu cầu là 7℃ Ảnh hưởng của 2 thông số trên đến hoạt động của máy lạnh sẽ được mô tả hình bên dưới Khảo sát trạng thái môi chất trong dàn nóng là bước quan trọng, biết được trạng thái ga tại từng vị trí trong dàn nóng giúp ta hiểu rõ hơn về hệ thống thí nghiệm
Hình 2.9 Mô tả trạng thái môi chất R22 trong dàn ngưng tụ
Bỏ qua trao đổi nhiệt đối lưu với không khí, do đó ta có dòng nhiệt trao đổi qua bộ tản nhiệt:
Q 1= 0,38 kW, dòng nhiệt trao đổi qua bộ tản nhiệt
t = 5℃, độ chênh lệch nhiệt độ môi chất trước và sau bộ tản nhiệt
28 c p =1,326 kJ/kgK, tra bảng thông số R22 ở điều kiện t = 38℃, thể lỏng [21]
Công suất lạnh yêu cầu:
Chọn cụm máy lạnh có công suất lạnh 35000 Btu/h
Công suất lạnh thực tế: ' 0 35000 10, 25
Lưu lượng môi chất thực qua máy nén: 0
Cơ sở tính toán bộ tản nhiệt
Để tăng tính hiệu quả của bộ tản nhiệt trên thực tế có rất nhiều cách khác nhau để làm được điều này Dưới đây là một số biện pháp được đề xuất:
- Tăng hiệu quả trao đổi nhiệt của bộ tản nhiệt với không khí bằng cách tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của bộ tản nhiệt với không khí
- Tăng hiệu quả trao đổi nhiệt của bộ tản nhiệt với không khí bằng cách tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí
- Tăng hiệu quả trao đổi nhiệt của bộ tản nhiệt bằng cách dùng các môi chất lỏng khác nhau để trao đổi nhiệt
- Tăng hiệu quả trao đổi nhiệt của bộ tản nhiệt với lỏng môi chất bằng cách tăng vận tốc dòng môi chất lỏng, tạo dòng chảy rối
- Thay đổi lưu lượng môi chất
- Tăng hiệu quả trao đổi nhiệt của bộ tản nhiệt với lỏng môi chất bằng cách tăng diện tích trao đổi nhiệt
Như đã trình bày, hiệu quả của bộ tản nhiệt có thể được cải thiện thông qua nhiều cách, dưới đây trình bày các bước tính toán trong trường hợp đường ống trao đổi nhiệt được chia đều thành các ống nhỏ hơn có đường kính thủy lực như nhau nhằm tăng vận tốc môi chất, tạo dòng chảy rối, tăng diện tích trao đổi nhiệt Cụ thể:
- Số lượng ống trao đổi nhiệt qua bộ tản nhiệt: n, số ống
- Chiều dài ống trao đổi nhiệt: h , m
- Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = n dh , m 2 (2.16)
- Diện tích mặt cắt ngang:
- Lưu lượng khối lượng môi chất qua bộ tản nhiệt: m m '
- Khối lượng riêng của môi chất: φ, kg/m 3 (Phụ thuộc vào loại môi chất sử dụng)
- Hệ số dẫn nhiệt của môi chất: , W/mK (Phụ thuộc vào loại môi chất sử dụng)
- Hệ số nhớt động học: v, m 2 /s (Phụ thuộc vào loại môi chất sử dụng)
- Hệ số nhớt động lực học: , Ns/m 2 (Phụ thuộc vào loại môi chất sử dụng)
- Vận tốc môi chất qua bộ tản nhiệt: 4m 2
Theo Nguyễn Đức Lợi [16] tốc độ dòng chảy thích hợp cho từng ứng dụng được trình bày tại bảng 2.5
Bảng 2.5 Tốc động dòng chảy
STT Trường hợp ứng dụng , m/s
1 Đường dẫn lỏng của máy lạnh nén hơi NH3 0,5÷2
2 Đường dẫn lỏng của máy lạnh nén hơi R12,R22,R502 0,4÷1
Khi dòng ở chế độ chảy tầng Re2.10 3
Khi dòng ở chế độ chảy rối Re 1.10 4
Khi dòng chảy ở chế độ quá độ 2.10 3 < Re < 1.10 4
Hệ số A kể đến ảnh hưởng của chiều dòng nhiệt, bỏ qua ảnh hưởng của chiều dòng nhiệt A = 1
Hệ số εh kể đến ảnh hưởng của chiều dài ống h
Hệ số εR kể đến ảnh hưởng của uống cong
Theo [19], Hệ số Ko được tra theo Bảng 2.6
Bảng 2.6 Hệ số Ko phụ thuộc vào hệ số Re
- Hệ số tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức: Nu d
: Trở kháng cục bộ Với dòng chảy bên trong ống, trở kháng ma sát xác định theo công thức:
Trong đó: ξ - hệ số ma sát được xác định theo công thức
Trở kháng cục bộ được xác định theo công thức:
- Hệ số trở kháng cục bộ toàn bộ ξ = ⅀ ξi
i - hệ số trở kháng cục bộ được xác định theo thực nghiệm
Một vài giá trị cụ thể của được cho dưới đây,[20]
- Khi dòng chảy qua van thẳng: i = 5 ÷ 6,3
- Khi dòng chảy qua van cong: i = 3,2 ÷ 5,3
- Khi dòng chảy qua van nghiêng: i = 2,5
- Khi dòng chảy đi vào, đi ra khỏi buồng: i =1,5
- Khi dòng chảy quay 180 0 từ bộ phận này sang bộ phận khác: i = 2,5
- Khi dòng chảy giữa các ống chuyển từ bộ phận này sang bộ phận khác: i = 2,5
- Khi dòng chảy quay 180 0 trong ống chữ U: i = 0,5
- Khi dòng chảy qua đoạn ống uốn cong: i = 0,5 Áp dụng các công thức trên để tính toán lựa chọn bộ tản nhiệt phù hợp đưa vào hệ thống thí nghiệm, ta có:
- Trường hợp 1: Tính toán cho bộ tản nhiệt thực tế HS1 với số ống n = 1 và đường kính thủy lực d = 10,7 mm
- Trường hợp 2 chia đường ống thành nhiều đường ống nhỏ có đường kính thủy lực d = 4,35 mm, số ống n = 2 ÷ 9 ống
- Trường hợp 3 chia đường ống thành nhiều đường ống nhỏ có đường kính thủy lực d = 2,98 mm, số ống n = 2 ÷ 9 ống
Lựa chọn số lượng ống phù hợp cho bộ tản nhiệt trong mỗi trường hợp 2 và 3 theo vận tốc môi chất thích hợp dựa vào Bảng 2.5 để đưa vào mô hình thí nghiệm Với trường hợp 2 đường kính thủy lực d = 4,35 mm và số ống n = 6 ống, gọi tên bộ tản nhiệt này là HS2 Và trường hợp số 3 là HS3 với d = 2,98 mm và số ống n = 9 ống Kết quả tính toán được tổng hợp trong bảng dưới đây:
Bảng 2.7 Kết quả tính toán 3 bộ tản nhiệt HS1, HS2, HS3
Bộ tản nhiệt HS1 HS2 HS3 d, mm 10,7 4,35 2,98
CHẾ TẠO HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
Các điều kiện yêu cầu cho quá trình thực nghiệm
Nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi trong khoảng 32 ÷ 34℃, nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động trong các giới hạn yêu cầu và giá trị độ quá lạnh đạt được như mong muốn
Trạng thái môi chất trước và sau khi rời khỏi bộ tản nhiệt: Trạng thái môi chất qua bộ tản nhiệt là trạng thái lỏng cao áp sau khi ra khỏi dàn ngưng tụ Cùng lúc đó độ quá lạnh của môi chất phải đảm bảo để duy trì trạng thái lỏng hoàn toàn của môi chất khi ra khỏi bộ tản nhiệt trong suốt quá trình nhận nhiệt từ điện trở Độ quá lạnh của hệ thống thí nghiệm phải đạt được giá trị ∆tql = 7℃
Khả năng duy trì công suất của điện trở: Công suất của điện trở được tạo ra và duy trì một nguồn nhiệt xuyên suốt quá trình thực nghiệm nhằm đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cao cho kết quả thực nghiệm
Sự hoạt động của máy lạnh: Hệ thống máy lạnh hoạt động một cách ổn định, lưu lượng môi chất qua bộ tản nhiệt được giữ không đổi trong suốt quá trình thực nghiệm, cường độ dòng điện hoạt động xoay quanh giá trị dòng điện định mức 14,5A của hệ thống Áp suất ngưng tụ dao động trong khoảng 17,29 bar và áp suất bay hơi là 5,84 bar
Bề mặt tiếp xúc giữa điện trở và bộ tản nhiệt: Sự tiếp xúc tốt giữa bề mặt của điện trở và bộ tản nhiệt là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến quá trình truyền nhiệt Yêu cầu đặt ra là bề mặt tiếp xúc phải tốt và kín đảm bảo quá trình truyền nhiệt không bị cản trở
Thiết kế hệ thống thực nghiệm
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm
HS1 - Bộ tản nhiệt 1, HS2 - Bộ tản nhiệt 2, HS3 - Bộ tản nhiệt 3
1 - Máy nén, 2 - Dàn ngưng, 3 - Thiết bị tiết lưu, 4 - Dàn bay hơi a - Mắt ga, b - Lọc, c - Đồng hồ áp suất
V, V1, V2, V3, V4, V5, V6 - Van cổng T7 - Cảm biến nhiệt độ của điện trở, T1 - Cảm biến nhiệt độ môi chất đầu vào,
T2 - Cảm biến nhiệt độ môi chất đầu ra, T3, T4, T5, T6 - Cảm biến nhiệt độ bề mặt sau bộ tản nhiệt, T4’, T9, T10 - Cảm biến nhiệt độ bề mặt trước của bộ tản nhiệt
Chu trình hoạt động: Hệ thống thực nghiệm chia làm 3 chu trình ứng với 3 mẫu tản nhiệt Chu trình thứ nhất thí nghiệm trên bộ tản nhiệt số 1, chu trình thứ hai thí nghiệm trên bộ tản nhiệt số 2, tương tự đối với bộ tản nhiệt số 3 tất cả được thể hiện trong sơ đồ nguyên lý thực nghiệm ở hình trên: Đối với chu trình 1:
Van chặn V, V1, V2, V3, V4 mở Van chặn V5, V6 đóng Hơi quá nhiệt môi chất Freon R22 từ dàn bay hơi đi đến máy nén, được máy nén nén đoạn nhiệt, đẳng entropy theo quá trình 1 - 2 trở thành hơi quá nhiệt cao áp, tiêu tốn ngoại công l
Môi chất với thông số trạng thái hơi quá nhiệt đi vào dàn ngưng tụ, ngưng tụ đẳng áp theo quá trình 2 - 4’, nhả nhiệt qk thành lỏng cao áp Lỏng cao áp với thông số trạng thái 4’ sau đó nhận nhiệt từ bộ tản nhiệt nâng nhiệt độ đến trạng thái 4, tiếp đến lỏng môi chất cao áp ở trạng thái 4 đi đến van tiết lưu và tiết lưu đẳng enthalpy thành hơi bão hòa ẩm thấp áp với thông số trạng thái 5 Hơi bão hòa ẩm trạng thái số 5 vào dàn bay hơi nhận nhiệt qo đẳng áp, đẳng nhiệt đến thông số trạng thái 6, sau đó tiếp tục nhận nhiệt của môi trường cần làm lạnh đến trạng thái hơi quá nhiệt số 1 rồi quay trở về máy nén Cứ thế chu trình tiếp diễn Tại bộ tản nhiệt, các thông số nhiệt độ trên bề mặt bộ tản nhiệt được đo bởi các thiết bị đo nhiệt độ Đối với chu trình 2:
Van chặn V, V1, V2, V3 và V5 mở, van chặn V4, V6 đóng Chu trình tương tự như chu trình 1 Môi chất lạnh sẽ đi qua bộ tản nhiệt số 2 mà không đi qua bộ tản nhiệt số
Van chặn V, V1, V2, V3 và V6 mở, van chặn V4, V5 đóng Chu trình tương tự như chu trình 1 và 2 Môi chất lạnh sẽ đi qua bộ tản nhiệt số 3 mà không đi qua bộ tản nhiệt số 1 - 2
3.2.2 Bố trí thiết bị đo
Trong quá trình thí nghiệm, các thông số yêu cầu đo đạc được đặt ra Xoay quanh bộ tản nhiệt là hai thông số đo đạc bao gồm nhiệt độ và áp suất của môi chất Mỗi đầu vào và đầu ra của bộ tản nhiệt được lắp đặt một cảm biến nhiệt độ và một đồng hồ áp suất để đo các thông số nhiệt độ và áp suất Ngoài ra một số vị trí cũng được yêu cầu đo đạc, cụ thể được trình bày bên dưới
Những cảm biến khác được lắp đặt tại các vị trí thể hiện như Hình 3.2 Trong đó, T7 là cảm biến nhiệt độ của điện trở, T1 là cảm biến nhiệt độ môi chất đầu vào của bộ tản nhiệt, T2 là cảm biến nhiệt độ môi chất đầu ra của bộ tản nhiệt, và T3, T4, T5, T6 là những cảm biến nhiệt độ tại vị trí mặt sau của bộ tản nhiệt tiếp xúc với điện trở T4’, T9, T10 là những cảm biến nhiệt độ bề mặt, mặt trước của bộ tản nhiệt tiếp xúc với không khí
Hình 3.2 Vị trí bầu cảm biến đo nhiệt độ
Cảm biến T8 được sử dụng để đo nhiệt độ môi trường xung quanh Cảm biến nhiệt độ sử dụng loại cặp nhiệt (loại T) với kớch thước cảm biến 200 àm Đồng hồ điện tử đo áp suất p1 và p2 được sử dụng để đo độ giảm áp suất của lỏng môi chất tại đầu vào và lỏng môi chất đầu ra của bộ tản nhiệt Đồng hồ này bao gồm hai đồng hồ kỹ thuật số, hiển thị kết quả đo bằng số trên màn hình hiển thị được lắp đặt tại đầu vào và đầu ra của bộ tản nhiệt Từ đó, độ giảm áp suất được xác định là Δp = p1 – p2, bar
Hình 3.3 Bố trí bộ đồng hồ điện tử đo áp suất
Ngoài ra thông số áp suất cao, áp suất thấp và dòng điện của hệ thống cũng được tiến hành đo đạc
Hình 3.4 Bố trí đồng hồ áp suất cao
Hình 3.5 Bố trí đồng hồ áp suất thấp
Bên cạnh đó, máy camera nhiệt được sử dụng để chụp nhiệt độ bề mặt của các bộ tản nhiệt nhằm khảo sát vùng nhiệt độ
3.2.3 Sơ đồ cung cấp năng lượng cho điện trở
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý cung cấp năng lượng cho điện trở
- Nguyên lý làm việc: Nguồn điện 1 pha 220V qua MCB được cấp vào Dimmer (Thiết bị điều chỉnh công suất) và W3001 (Công tắc cảm biến nhiệt độ) Đầu ra của Dimmer đi qua tiếp điểm thường hở của Role trung gian Cùng lúc đó đầu cảm biến nhiệt độ của W3001 nhận tín hiệu nhiệt độ của bề mặt điện trở và truyền tín hiệu nhiệt độ về W3001 để phân tích, nếu tín hiệu nhiệt độ dưới mức cài đặt W3001 sẽ cấp nguồn cho Role trung gian cho phép đóng tiếp điểm thường hở Lúc này nguồn điện sẽ được cấp cho
2 điện trở mắc song song gia nhiệt cho bộ tản nhiệt Đồng đồ đo công suất được lắp vào mạch điện có công dụng ghi nhận công suất tiêu thụ của điện trở, thuận tiện cho quá trình thu thập dữ liệu và điều chỉnh công suất của điện trở
- Phương pháp điều chỉnh: Điều chỉnh công suất của điện trở thông qua Dimmer, kết hợp với quan sát màn hình hiển thị công suất của đồng hồ đo công suất
Chế tạo hệ thống thí nghiệm
Dựa vào các thông số tính toán lý thuyết ở chương 2 Việc lựa chọn các thiết bị thí nghiệm sẽ được liệt kê bên dưới:
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật máy lạnh
Model Name AC036HC4TED
Dòng điện cao nhất cho phép 25A
Kích thước (RxCxD) 880x970x320 - Dàn nóng
1135x270x740 – Dàn lạnh Đường ống ga kết nối Ống lỏng: 9,52 Ống hơi: 15,88
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của điện trở
Loại điện trở Điện trở thanh
Kích thước( Dài, đường kính) 120mm, Φ6mm
Hình 3.7 Điện trở gia nhiệt Bảng 3.3 Thiết bị điện của tủ điện điều khiển điện trở
Tên thiết bị Chức năng
Dimmer - 4000W - 220VAC Điều chỉnh công suất của điện trở
Công tắc điều khiển nhiệt độ
Nhận tín hiệu cấp nguồn cho Role trung gian và bảo vệ quá nhiệt cho điện trở
MCB - 220VAC Cấp nguồn cho điện trở và mạch điều khiển
Rơ le trung gian - 220VAC - 10A Cho phép dòng điện đi qua cấp điện cho điện trở hoặc không Đồng hồ đo công suất - 220VAC Đo đạc hiển thị công suất tiêu thụ của điện trở hoạt động
Hình 3.8 Tủ điện điều khiển điện trở 3.3.2 Chế tạo bộ tản nhiệt
Phương pháp gia công bộ tản nhiệt: Các bộ tản nhiệt đưa vào thí nghiệm được gia công bằng công nghệ CNC, vật liệu được sử dụng là nhôm Ở đây 2 mảnh nhôm sẽ được gia công tạo lỗ sao cho vừa với đường kính ngoài của các ống trao đổi nhiệt Sau đó 2 mảnh nhôm sẽ được cố định vào lại với nhau bằng vít Dưới đây là một số hình ảnh mẫu bộ tản nhiệt đã được gia công chế tạo
42 a Mặt trên b Mặt bên trong c Thông số hình học
Hình 3.9 Mẫu bộ tản nhiệt HS2
43 a Mặt trên b Mặt bên trong c Thông số hình học
Hình 3.10 Mẫu bộ tản nhiệt HS3
Bảng 3.4 Thông số hình học của bộ tản nhiệt HS2-HS3
Mẫu Kích thước bộ tản nhiệt (mm) Kích thước chi tiết (mm)
Bảng 3.5 Thuộc tính vật lý của bộ tản nhiệt HS2 - HS3
Vật liệu Khối lượng riêng
Hệ số dẫn nhiệt W/(mK)
Nhiệt dung riêng đẳng áp J/(kgK)
3.3.3 Kết nối bộ tản nhiệt vào hệ thống
Sau khi đã gia công được bộ tản nhiệt, ta sẽ tiến hành ghép nối bộ tản nhiệt với đường ống đồng trao đổi nhiệt trong hệ thống Trong quá trình ghép nối, bề mặt tiếp xúc giữa các đường ống đồng và giữa 2 mảnh của bộ tản nhiệt sẽ được thoa đều 1 lớp keo tản nhiệt mỏng có hệ số dẫn nhiệt λ = 1 (W/mK) lên bề mặt trao đổi nhiệt Điều này nhằm đảm bảo quá trình truyền nhiệt được diễn ra 1 cách tốt hơn
Hình 3.11 Bề mặt trao đổi nhiệt HS3 với lớp keo tản nhiệt
Hình 3.12 Kết nối bộ tản nhiệt HS3 vào đường ống đồng
Hình 3.13 Kết nối bộ tản nhiệt HS1 – HS2 - HS3 vào hệ thống
Bảng 3.6 Những thiết bị được sử dụng trong thí nghiệm
Số Thiết bị Model Xuất xứ
1 Thiết bị đo đa kênh MX100 Nhật
2 Đồng hồ áp suất điện tử 94261 Mastercool Mỹ
3 Camera nhiệt UTi220B Trung Quốc
4 Đồng hồ kẹp kỹ thuật số 52240 Mastercool Mỹ
5 Máy đo vận tốc gió 52263 Mastercool Mỹ
3.3.4.1 Thiết bị đo đa kênh MX100
Bộ xử lý và thu thập dữ liệu MX100 Yokogawa là một thiết bị thu thập dữ liệu đa kênh tiên tiến Được thiết kế để thu thập nhiều loại dữ liệu khác nhau như nhiệt độ, điện áp, điện trở,…Bộ xử lý MX100 có độ linh hoạt cao đa kênh, độ chính xác cao, tốc độ lấy mẫu nhanh, khả năng lưu trữ dữ liệu lớn, Tích hợp với phần mềm MX100, bộ xử lý dữ liệu MX100 có thể lưu trữ và xuất dữ liệu một cách nhanh chóng và liên tục MX100 đem lại cho người dùng một cái nhìn toàn diện về hệ thống cần đo đạc thông qua các dữ liệu được xử lý thu thập với độ chính xác cao và đáng tin cậy
Hình 3.14 Bộ xử lý và thu thập dữ liệu MX100
Trong phạm vi đề tài nhóm thực hiện loại tín hiệu đầu vào là nhiệt độ Vì thế loại cảm biến được nhóm sử dụng là đầu dò cảm biến nhiệt độ loại Type T với dãy nhiệt độ đo đạc từ -200 ÷ 400℃
Hình 3.15 Đầu dò nhiệt độ Type-T
3.3.4.2 Đồng hồ áp suất điện tử Để đo đạc thông số hiệu áp suất qua bộ tản nhiệt Bộ đồng hồ đo áp suất kỹ thuật số sẽ được lắp đặt ở đầu vào và đầu ra của bộ tản nhiệt Bộ đồng hồ đo áp suất kỹ thuật số Mastercool là thiết bị đo đạc áp suất và hiển thị kết quả trên màn hình LCD giúp cho việc quan sát và đo đạc các thông số áp suất được thể hiện chính xác hơn
Hình 3.16 Đồng hồ đo áp suất điện tử Mastercool
− Sử dụng đo đạc cho 91 loại môi chất lạnh khác nhau
− Dãy áp suất thấp: -14,5 ÷ 500 psi(-0,1 ÷ 3,4MPa)
− Dãy áp suất cao: -14,5 ÷ 800 psi(-0,1 ÷ 5,5MPa)
− Tốc độ lấy kết quả: 1s
3.3.4.3 Đồng hồ kẹp kỹ thuật số
Thiết bị dùng để đo và kiểm tra dòng điện hoạt động của hệ thống Bằng cách kẹp vào dây cấp nguồn của hệ thống, chuyển đổi sang chế độ đo dòng điện Kết quả đo đạc sẽ hiển thị trên màn hình đồng hồ
Hình 3.17 Đồng hồ kẹp kỹ thuật số
Thông số kỹ thuật Ampe kìm Mastercool
−Dòng điện: (AC) 20MA ÷ 600A với 3 thang đo
−Điện áp: AC 200MV ÷ 750V/DC 1V ÷ 1000V
Camera Nhiệt UniT Uti260B là một thiết bị đo lường tiên tiến, cho phép đo đạc và hiển thị nhiệt độ bề mặt của các đối tượng bằng công nghệ hồng ngoại Camera Nhiệt UniT Uti260B có khả năng đo nhiệt độ chính xác trong phạm vi rộng và cung cấp các hình ảnh trực quan cho người dùng quan sát và phân tích
Hình 3.18 Camera Nhiệt Uni-T Uti260B
−Dãy nhiệt độ đo đạc: -20 ÷ 550℃
−Độ phân giải IR: 256 × 192 pixel
−Khả năng chụp và lưu trữ hình ảnh qua thẻ nhớ
3.3.4.5 Máy đo vận tốc gió
Thiết bị đo vận tốc gió 52263 Mastercool là thiết bị chuyên dụng cho việc đo lường tốc độ dòng không khí, được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Với phạm vi đo lường rộng và độ chính xác cao, cùng với chức năng hiển thị dữ liệu trên màn hình đem lại cho người dùng độ tin cậy lớn
Hình 3.19 Thiết bị đo vận tốc gió 52236 Mastercool
−Độ ẩm tương đối RH: 0 ÷ 100RH, độ chính xác 3%
−Nhiệt độ điểm đọng sương: -68 ÷ 70℃
−Nhiệt độ bầu khô: -20 ÷ 60℃, độ chính xác 0,6℃
−Vận tốc dòng không khí: 0 ÷ 35m/s