Báo cáo thí nghiệm nhiệt Động kỹ thuật bài 1 tìm hiểu, phân tích các quá trình nhiệt Động của chu trình bơm nhiệt máy lạnh

- Tìm hiểu, giải thích sơ đồ thiết bị, nguyên lý hoạt động của chu trình bơm nhiệt, máy lạnh từ thiết bị HE.RE011 nói riêng và các thiết bị máy lạnh, bơm nhiệt sử dụng chu trình nén hơi

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Trọng Tú

MSSV : 20204448

Mã lớp TN : 716815

Lớp : Kỹ thuật Nhiệt 02- k65

Giảng viên hướng dẫn : TS Phạm Thái Sơn

Hà Nội, 2022

Các buổi thí nghiệm :

Buổi 1: 705 TV Tạ Quang Bửu – 28/4 Buổi 2: Nhà xe C10 – 26/5

Buổi 3: 705 TV Tạ Quang Bửu – 23/6

BÀI 1 TÌM HIỂU, PHÂN TÍCH CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA CHU TRÌNH BƠM NHIỆT MÁY LẠNH

1.1 Mục đích thí nghiệm

- Tìm hiểu, giải thích sơ đồ thiết bị, nguyên lý hoạt động của chu trình bơm nhiệt, máy lạnh từ thiết bị HE.RE011 nói riêng và các thiết bị máy lạnh, bơm nhiệt sử dụng chu trình nén hơi nói chung

- Nắm vững cách xác định các thông số đặc trưng của chu trình:

Các thông số chính:

t1 – nhiệt độ môi chất (MCL) ra khỏi máy nén (vào bình ngưng)

t2 – nhiệt độ môi chất (MCL) ra khỏi bình ngưng (vào tiết lưu)

t3 – nhiệt độ môi chất (MCL) ra khỏi tiết lưu (vào dàn bay hơi)

t4 – nhiệt độ môi chất (MCL) ra khỏi dàn bay hơi (vào máy nén)

Po – áp suất bay hơi

Pk – áp suất ngưng tụ

Một số thông số khác

t5 – nhiệt độ nước làm mát vào bình ngưng

t6 – nhiệt độ nước làm mát ra khỏi bình ngưng

t7 – nhiệt độ không khí vào dàn bay hơi

t8 – nhiệt độ không khí ra khỏi dàn bay hơi

- Tính toán cân bằng nhiệt, xác định hệ số làm lạnh ε, và hệ số bơm nhiệt

φ theo chu trình và so sánh với giá trị được tính thông qua phép đo trực tiếp, giải thích lí do khác biệt

- Đánh giá hiệu quả năng lượng của từng quá trình tương ứng

1.2 Mô tả thiết bị, chu trình

- Thiết bị được sử dụng trong bài thí nghiệm này là bộ thiết bị HE.RE011 tại phòng 705 TV Tạ Quang Bửu, Đại học Bách Khoa Hà Nội

- Một số hình ảnh thực tế của thiết bị:

Hình 1.1 Bộ thiết bị HE.RE011

Hình 1.2 Thiết bị đo nhiệt độ, điện năng tiêu thụ, lưu lượng nước

Hình 1.3 Bơm (dùng để bơm nước giải nhiệt cho bình ngưng)

Hình 1.4 Sơ đồ các thiết bị của chu trình Bơm nhiệt, Máy lạnh

Giải thích:

[1] Máy nén hút MCL có trạng thái hơi bão hòa khô ở dàn bay hơi, nén hơi này lên áp suất cao, nhiệt độ cao (gọi là áp suất, nhiệt độ ngưng tụ Pk, tk) Trạng thái hơi ở điểm 1

là hơi quá nhiệt

[2] Hơi quá nhiệt ở trạng thái 1 đi vào bình ngưng, gia nhiệt cho nước làm mát MCL giảm nhiệt độ và ngưng thành trạng thái lỏng bão hòa

[3] MCL lỏng khi ra khỏi bình ngưng sẽ đi qua van tiết lưu, ở van tiết lưu xảy ra quá trình tiết lưu đẳng entanpy, sau đó MCL sẽ có trạng thái hơi bão hòa ẩm có áp suất Po

(áp suất bay hơi)

[4] Hơi ẩm tiếp tục được đưa vào dàn bay hơi để trao đổi nhiệt với không khí Sau khi

ra khỏi dàn bay hơi, MCL có trạng thái hơi bão hòa khô và tiếp tục được hút về máy nén để thực hiện vòng lặp tiếp theo của chu trình

1.3 Trình tự thí nghiệm

- Tìm hiểu sơ đồ thiết bị thí nghiệm, chức năng và nguyên lý làm việc của các thiết bị chính và thiết bị phụ trợ

- Khởi động thiết bị theo trình tự sau: Bật 2 thiết bị phụ bơm và quạt trước

để ổn định nhiệt độ cho toàn bộ hệ thống thiết bị chính Đợi khoảng 5 phút, sau

đó chúng ta thực hiện bật máy nén

- Trước khi bật máy nén, ghi lại một lần các thông số từ các thang đo để tiện cho việc so sánh trạng thái trước và sau khi bật máy nén của bộ thiết bị

- Sau khi bật máy nén, đợi khoảng 15 phút cho máy đạt chế độ ổn định rồi ghi lại các số liệu, mỗi lần lấy số liệu cách nhau 5 phút Lấy số liệu cho đến khi các thông số ổn định

- Trình tự tắt thiết bị: khi hoàn thành việc lấy số liệu, tắt máy nén trước nhưng vẫn tiếp tục duy trì 2 thiết bị bơm và quạt để điều tiết nước, không khí tiếp tục làm mát cho hệ thống Hệ thống được giải nhiệt cho đến khi nhiệt độ cuối tầm nén đạt khoảng 30 – 35 oC thì ta tắt bơm và quạt

1.4 Kết quả thí nghiệm và xử lí số liệu

1.4.1 Kết quả thí nghiệm

- Lưu lượng thể tích nước đi qua bình ngưng V = 84 l/h = 0.000023 m3/s

- Ta lấy khối lượng riêng của nước tại 25 oC là: ρ = 998.7 kg/m3

Suy ra lưu lượng khối lượng của nước làm mát là

𝐺𝑛ướ𝑐 = 𝑉 × 𝜌 = 0.000023 × 998.7 = 0.023 (𝑘𝑔/𝑠)

Thời điểm

đo

L (kWh)

∆L (kWh)

Po

(bar)

Pk

(bar)

t1

(oC)

t2

(oC)

t3

(oC)

t4

(oC)

t5

(oC)

t6

(oC)

t7 (oC)

t8

(oC)

Gnước

(kg/s) Máy nén OFF

15h00

135.92 0.00 - - 35.8 34.6 33.8 33.4 38.0 33.6 33.8 32.8 0.012

15h05 135.94 0.02 0.9 8.0 45.6 35.7 -10 32.8 37.6 35.5 33.5 28.7 0.023 15h10 135.97 0.03 1.0 8.2 63.0 37.0 -5.9 31.9 37.8 36.7 33.2 28.4 0.024 15h15 136.01 0.03 1.2 8.4 70.7 37.7 -4.8 32.0 38.0 37.2 33.1 27.5 0.023 15h20 136.02 0.01 1.2 9.0 76.3 38.0 -4.2 31.8 38.1 37.6 32.6 27.5 0.023 15h25 136.05 0.03 1.2 9.0 80.8 38.2 -3.8 31.7 38.1 37.8 32.6 27.6 0.023 15h30 136.09 0.04 1.2 8.4 83.9 38.5 -3.5 31.7 38.1 37.9 32.7 28.1 0.023 15h35 136.10 0.01 1.2 8.6 86.5 38.6 -3.1 31.8 38.3 38.2 32.8 28.3 0.023 15h40 136.14 0.04 1.2 8.8 88.7 38.7 -2.9 31.6 38.3 38.3 32.4 28.0 0.023 15h45 136.16 0.02 1.2 8.8 90.6 38.9 -2.7 31.5 38.4 38.4 32.6 28.0 0.023 15h50 136.18 0.02 1.4 8.8 91.3 38.8 -2.6 31.4 38.3 38.3 32.4 27.9 0.023 15h55 136.21 0.03 1.3 8.8 92.4 39.0 -2.5 31.3 38.3 38.3 32.4 27.7 0.023 16h00 136.23 0.02 1.4 8.8 93.1 39.0 -2.4 31.6 38.4 38.4 32.5 28.1 0.023 16h05 136.26 0.03 1.4 8.8 93.7 39.0 -2.3 31.4 38.4 38.4 32.2 27.8 0.023 16h10 136.30 0.04 1.4 9.0 94.0 38.9 -2.3 31.3 38.3 38.4 32.2 28.8 0.023 16h15 136.32 0.02 1.4 9.0 94.3 39.0 -2.3 31.5 38.3 38.4 32.3 28.0 0.023 16h20 136.35 0.03 1.4 8.8 94.4 39.0 -2.3 31.5 38.3 38.4 32.5 28.2 0.023

16h25 136.37 0.02 1.4 8.8 94.7 38.9 -2.2 31.8 38.4 38.6 32.7 28.7 0.023 16h30 136.40 0.03 1.4 8.8 94.8 39.0 -2.3 31.6 38.4 38.6 32.6 28.4 0.023 16h35 136.44 0.04 1.4 8.8 95.1 39.0 -2.3 31.7 38.4 38.6 32.5 28.5 0.023 16h40 136.46 0.02 1.4 8.8 95.2 39.1 -2.2 31.7 38.4 38.5 32.4 28.4 0.023 Giá trị TB ở

chế độ ổn định

(5 lần đo cuối)

-

0.028 1.4 8.8 94.84 39.0 -2.26 31.66 28.38 38.54 32.54 28.44 0.023

Bảng 1.1 Kết quả thí nghiệm

Nhận xét:

- Có thể dễ dàng nhận ra rằng, khi máy nén chưa được bật, trong lần đo đầu tiên cho kết quả nhiệt độ các điểm nút, các vị trí trong bộ thiết bị tương đối bằng nhau, khoảng 33-34oC

- Theo trình tự thí nghiệm đã trình bày ở trên, ta đợi máy nén ổn định khoảng

15 phút thì bắt đầu ghi số liệu sẽ cho số liệu chính xác nhất Nhưng thực tế, ở các lần đo đầu, có thể thấy rằng chênh lệch các thông số giữa các lần đo còn khá lớn Điều này chứng tỏ rằng hệ thống vẫn chưa thực sự ổn định

- Ở các lần đo tiếp theo, độ chênh lệch đã giảm và dần dần ổn định Chính vì vậy, để việc tính toán có thể đạt độ chính xác cao nhất, ta sẽ chỉ lấy giá trị trung bình của 5 lần đo cuối cùng để phục vụ việc tính toán

1.4.2 Xử lí số liệu

Từ bảng số liệu ta lấy giá trị trung bình ở chế độ ổn định, từ đó xác định được thông số trạng thái các điểm nút của chu trình như sau

Do áp suất đo được trên đồng hồ là áp suất dư nên khi tính toán cần cộng thêm áp suất không khí, pkk = 1bar

- Điểm 1: t1 = 94.84 oC; P1 = Pk = 9.8 bar

- Điểm 2: t2 = 39.0 oC; P2 = Pk = 9.8 bar

- Điểm 3: t3 = - 2.26 oC; P3 = Po = 2.4 bar

- Điểm 4: t4 = 31.66 oC; P4 = Po = 2.4 bar

Từ đó ta xây dựng được đồ thị lgP-h của chu trình thực như sau:

Hình 1.5 Các điểm nút của chu trình thực trên đồ thị lgP – h

Nhận xét: - Có sự sai số trong quá trình đo

- Có thể thấy rằng, quá trình nén 4-1 trong thực tế không phải quá trình đẳng entropy

- Điểm 4 trong chu trình thực có trạng thái hơi quá nhiệt

- Chu trình thực có sự xuất hiện của độ quá nhiệt và quá lạnh

Từ đồ thị trên, ta xác định được thông số entanpy các điểm nút như sau

Điểm 1: h1 = 408 kJ/kg

Điểm 2: h2 = 238 kJ/kg

Điểm 3: h3 = 352 kJ/kg

Điểm 4: h4 = 373 kJ/kg

Từ đó ta tính được:

- Hệ số làm lạnh của chu trình là:

𝜀 = ℎ4 − ℎ3

ℎ1− ℎ4 =

373 − 352

408 − 373 = 0,6

- Hệ số bơm nhiệt của chu trình là:

𝜑 = 𝜀 + 1 = 0,6 + 1 = 1,6

- Công suất trao đổi nhiệt ở thiết bị ngưng tụ là:

𝑞𝑘 = 𝐺 × 𝐶𝑝 × (𝑡6 − 𝑡5) = 0.023 × 4.18 × (38,54 − 28,38) = 0,98 (𝑘𝑊) Mặt khác ta có, nhiệt lượng nước nhận được bằng nhiệt lượng MCL thải ra

𝑞𝑘 = 𝑞12 = 𝐺𝑅12(ℎ1 − ℎ2) Suy ra ta tính được lưu lượng MCL R12 theo công thức:

𝐺𝑅12 = 𝑞𝑘

(ℎ1 − ℎ2) =

0,98

408 − 238 = 0,0058 (𝑘𝑔/𝑠)

- Công suất nhiệt trao đổi ở dàn bay hơi là:

𝑞34 = 𝐺𝑅12(ℎ4 − ℎ3) = 0,0058 × (373 − 352) = 0,122 (𝑘𝑊)

- Công suất tiêu thụ điện năng của máy nén

𝑁 =∆𝐿

∆𝜏 =

0,028 5/60 = 0.336(𝑘𝑊)

- Hệ số làm lạnh hiệu dụng là:

𝜀ℎ =𝑞34

0,122 0,336 = 0,36

- Hệ số bơm nhiệt hiệu dụng là:

𝜑ℎ =𝑞12

0,98 0,336 = 2,92

BÀI 2 TÌM HIỂU CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT – SẤY LẠNH

2.1 Mục đích thí nghiệm

- Tìm hiểu cấu tạo các bộ phận chính của hệ thống sấy bơm nhiệt

- Vận hành hệ thống sấy bơm nhiệt

2.2 Cơ sở lí thuyết

Phương pháp sấy ở đây là tạo độ chênh áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy nhờ giảm độ chứa ẩm d, khi

đó ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt vào môi trường có thể trên dưới nhiệt độ môi trường

Nước ta có khí hẩu nóng ẩm, vì thế máy sấy lạnh là công nghệ đặc biệt phù hợp với các loại nông sản, thực phẩm, đảm bảo chất lượng cũng như hành phần dinh dưỡng, màu sắc, mùi vị cho sản phẩm Ngoài ra công nghệ này có nhiều ưu điểm khác như: hút ẩm không làm tang nhiệt độ môi trường, sấy khô các sản phẩm không cho phép làm khô trong nhiệt độ cao…

2.3 Nguyên lí hoạt động

Nguyên lý hoạt động của máy sấy lạnh cơ bản giống máy lạnh thông thường Nó chỉ khác nhau ở mục đích sử dụng bơm nhiệt và máy lạnh Máy lạnh chỉ dung nguồn lạnh

ở thiết bị bay hơi để giảm nhiệt độ môi trường, còn bơm nhiệt lại sử dụng nhiệt ở dàn ngưng

tụ Nhưng cơ bản hai loại đều có thiết bị giống nhau

Máy sấy lạnh có tác nhân sấy xử lý tách ẩm trước khi vào buồng sấy Nguyên tắc tách ẩm tác nhân sấy sử dụng dàn lạnh của máy lạnh đển làm giảm nhiệt độ của tác nhân sấy dưới nhiệt độ điểm sương để bốc hơi nước trong không khí ẩm ngưng tụ thành nước

và lấy ra ngoài Phần tác nhân sấy sau khi tách ẩm được gia nhiệt lại bởi dàn nóng của máy lạnh rồi tiếp tục

Tóm lại, cơ sở của phương pháp này được thực hiện bằng cách giảm độ ẩm tương đối trong không khí để tạo ra chênh lệch áp suất giữa hơi nước trong không khí và trong

tác nhân sấy Bằng cách náy độ ẩm sẽ tách ra khỏi tác nhân sấy ra ngoài không khí Khi làm lạnh không khí trong thiết bị trao đổi nhiệt xuống thấp hơn nhiệt độ đọng sương, hơi bão hòa ẩm sẽ ngưng tụ và tách ra ngoài không khí Không khí sau đó sẽ đi qua dàn nóng sấy khô vật liệu

2.4 Các chu trình trong máy sấy bơm nhiệt

Hình 2.1 Sơ đồ máy sấy bơm nhiệt

Có thể dễ dàng nhận ra rằng, trong máy sấy bơm nhiệt có 3 loại môi chất công tác: Môi chất lạnh trong chu trình bơm nhiệt, nước làm mát giải nhiệt cho bình ngưng số 2, không khí ẩm làm tác nhân sấy Sau đây chúng ta sẽ đi phân tích kĩ hơn các chu trình của

3 môi chất này

Hình ảnh thực tế các thiết bị :

Máy nén Van tiết lưu 1

Bình ngưng Van tiết lưu 2

Dàn ngưng tụ và dàn bay hơi Bảng điều khiển

Quạt hút Tấm liếc Màng lọc

Máy bơm Ống xả đáy

Tháp giải nhiệt Bồn nước

2.4.1 Chu trình môi chất lạnh

Được thể hiện bằng đường màu đỏ trên sơ đồ công nghệ, về cơ bản chu trình này giống với chu trình bơm nhiệt, máy lạnh đã tìm hiểu ở bài thí nghiệm số 1 Trong chu trình này, ta vẫn có những thiết bị cơ bản là dàn bay hơi, máy nén, dàn ngưng, bình ngưng và van tiết lưu Điểm khác biệt là ở chu trình này chúng ta sẽ có 2 thiết bị ngưng tụ là dàn ngưng và bình ngưng

Môi chất lạnh (MCL( đi trong chu trình như sau:

- Máy nén hút MCL từ giàn bay hơi, nén MCL lên áp suất cao, nhiệt độ cao

- Hơi sau máy nén là hơi quá nhiệt, từ đây, hơi sẽ đi vào 2 thiết bị ngưng tụ là bình ngưng và dàn ngưng Ở bình ngưng, MCL giải nhiệt bằng hệ thống nước làm mát Còn ở dàn ngưng, MCL gia nhiệt cho không khí đi vào buồng sấy, do đó sẽ giảm nhiệt độ và chuyển pha

- MCL sau khi ra khỏi 2 thiết bị ngưng tụ sẽ đi vào van tiết lưu để làm giảm áp suất

và nhiệt độ

- MCL được đưa vào dàn bay hơi, tại đây không khí được tuần hoàn khi đi qua dàn lạnh có nhiệt độ thấp nên hơi nước trong không khí bị ngưng tụ lại nên làm giảm độ ẩm

của không khí , môi chất nhận nhiệt từ không khí nên bay hơi và tiếp tục đi vào máy nén

để tiếp tục chu trình

2.4.2 Chu trình của nước làm mát

So với chu trình của MCL, chu trình của nước trong máy sấy bơm nhiệt đơn giản hơn rất nhiều, trong chu trình này có 3 thiết bị chính là: bơm, tháp giải nhiệt và bình ngưng Trên hình 2.1, chu trình của nước được thể hiện bằng đường màu xanh

Nước làm mát được bơm bơm vào bình ngưng để làm nhiệm vụ giải nhiệt cho môi chất rồi đi ra tháp giải nhiệt để làm nguội nước rồi cứ tiếp tục lặp lại chu trình tuần hoàn như vậy

2.4.3 Chu trình của tác nhân sấy

Được thể hiện bằng các đường vẽ màu vàng trên hình 2.1, khác với chu trình của MCL, chu trình của tác nhân sấy là 1 chu trình hở do chúng ta có thể tận dụng tác nhân sấy

là không khí ẩm có sẵn

- Không khí được đưa vào giàn lạnh tại đây nhiệt độ giàn lạnh thấp hơn nhiệt động đọng sương nên hơi nước trong không khí bị ngưng tụ, khiến độ chưa hơi và nhiệt độ không khí giảm xuống nhưng độ ẩm tương đối cao Qua giàn lạnh thì độ chứa hơi đạt yêu cầu kỹ thuật

- Không khí đi ra giàn lạnh 2 thì đi vào giàn ngưng tụ 1, tại đây không khí có nhiệt độ thấp làm nhiệm vụ giải nhiệt một phần cho môi chất Không khí được cấp nhiệt tới nhiệt độ sấy, độ ẩm tương đối giảm xuống, không khí đạt yêu cầu kỹ thuật

- Không khí sau khi qua dàn ngưng thì giảm độ ẩm và tăng nhiệt độ lên nhiệt

độ yêu cầu Sau đó được hệ thống quạt hút vào buồng sấy