Báo cáo thí nghiệm nhiệt Động kỹ thuật

Mục đích thí nghiệm: - Giải thích nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt sử dụng chu trình nén hơi - Nắm vững và xác định một số thông số đặc trưng của chu trình: Các thông số đo áp suất P0,

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT

Tên sinh viên : Nguyễn Trung Nam

Mssv : 20204372

Lớp : HE1-06

Mã lớp thí nghiệm : 740593

Giảng viên hướng dẫn : TS Lê Xuân Tuấn

BÀI 1 : PHÂN TÍCH NHIỆT ĐỘNG CHU TRÌNH

LẠNH VÀ BƠM NHIỆT CỦA THIẾT BỊ

1 Mục đích thí nghiệm:

- Giải thích nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt sử dụng chu trình nén hơi

- Nắm vững và xác định một số thông số đặc trưng của chu trình:

Các thông số đo áp suất P0, Pk nhiệt độ T0, Tk,…

- Xây dựng chu trình trên đồ thị LgP-h

- Tính toán cân bằng nhiệt, xác định hệ số làm lạnh ε, hệ số bơm nhiệt φ theo chu trình và so sánh với giá trị tính được thông qua phép đo trực tiếp, giải thích lí do khác biệt

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

2 Tổng quan về bơm nhiệt:

- Máy bơm nhiệt (Heat pump ) là 1 thiết bị hoạt động theo nguyên

lý Nhiệt động lực học nhằm mục đích vận chuyển nhiệt lượng từ

môi trường này sang môi trường khác

- Một máy bơm nhiệt thông thường cho phép nhiệt lượng di chuyển theo

1 chiều cố định từ “nóng” sang “lạnh” hoặc ngược lại, ví dụ như lò

sưởi, tủ lạnh Loại máy bơm nhiệt cho phép điều chỉnh và lựa chọn

chiều của nhiệt lượng được gọi là Máy bơm nhiệt thuận nghịch

- Ưu điểm của máy bơm nhiệt:

+ Sử dụng năng lượng hiệu quả, tiết kiệm điện lên đến 75% -80% so với các phương pháp sản xuất nước nóng khác

+ Có không khí là có nước nóng, không phụ thuộc vào thời tiết nắng, mưa, gió, tuyết làm nóng nước trong mọi thời tiết

+ An toàn và bảo vệ môi trường, không gây ô nhiễm.

+ Vận hành tự động, tiết kiệm chi phí vận hành

+ Không sử dụng điện đốt trực tiếp

+ Công suất lớn cung cấp trung tâm nước nóng, phục vụ ăn uống cho khách sạn, nhà cao tầng, nhà máy, bệnh viện, chung cư, trung tâm thể thao, bể bơi, sân vườn v.v …

3 Mô tả thiết bị và chu trình:

- Thiết bị gồm 4 bộ phận chính:

+ Máy nén + Dàn ngưng (còn gọi là thiết bị ngưng tụ)

+ Thiết bị tiết lưu + Dàn bay hơi ( thiết bị hóa hơi)

Máy nén hút hơi bão hòa khô sau khi đi ra khỏi thiết bị bay hơi có áp suất P1 và nén lên áp suất cao P2,, hơi ở áp suất cao, nhiệt độ cao được

đi qua thiết bị ngưng tụ nhả nhiệt cho nước và ngưng tự thành tráng thái lỏng, lỏng khi đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ được đưa đến van tiết lưu, khi qua van tiết lưu trở thành hơi ẩm có áp suất P0, hơi ẩm được đưa vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt từ không khí trở thành hơi bão hoà khô sau

đó lại được máy nén hút và bắt đầu thực hiện một chu trình mới

- Các thiết bị phụ gồm có: Bình chứa cao áp, mắt gas, quạt, máy bơm, cảm biến nhiệt, rơ le bảo vệ áp suất cao, đồng hồ đo áp suất và nhiệt

độ của môi chất, màn hình hiển thị lưu lượng, màn hình hiển thị nhiệt

độ, đồng hồ đo công suất điện

4 Trình tự thí nghiệm : (Môi chất R12)

- Tìm hiểu sơ đồ thiết bị thí nghiệm, chức năng và nguyên lí làm

việc của cá thiết bị

- Bật máy

- Bật bơm, chờ 5 phút ổn định rồi ghi số liệu

- Bật quạt, chờ 5 phút ổn định rồi ghi số liệu

- Bật máy nén, chờ 5 phút ổn định rồi ghi số liệu

- Kể từ lần bật máy nén, cứ 5 phút 1 lần ghi số liệu các lần đo vào bảng

- Khi máy chạy đến lúc các thông số ổn định thì dừng đo

- Tắt máy nén, tắt quạt, tắt bơm

5 Thí nghiệm và xử lí số liệu :

- Nhiệt độ của từng giai đoạn được xác định như sau :

+ T1: Nhiệt độ môi chất ra khỏi máy nén ở trạng thái hơi quá nhiệt (℃)

+ T2: Nhiệt độ môi chất ra khỏi bình ngưng ở trạng thái lỏng bh (℃)

+ T3: Nhiệt độ môi chất ra khỏi van tiết lưu ở trạng thái hơi bh ẩm ( )℃

+ T4: Nhiệt độ môi chất ra khỏi dàn bay hơi ở trạng thái hơi bh khô

+ T5: Nhiệt độ nước vào bình ngưng ( )℃

+ T6: Nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng ( )℃

+ T7: Nhiệt độ không khí vào dàn bay hơi ( )℃

+ T8: Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn bay hơi ( )℃

- Áp suất đầu vào máy nén P1 dư (bar)

- Áp suất đầu ra máy nén P2 dư (bar)

- Công suất điện: L (kWh)

- Fw : Lưu lượng thể tích nước (l/h)

 Phân tích nhiệt động chu trình lạnh và bơm nhiệt lý tưởng :

(Buổi 1)

* Bảng số liệu :

Thời

gian

(phút)

P k P0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 L

( KW/h )

F w

5 7,8 0,8 56,2 32,7 -7,1 26,5 33,9 31,8 27,5 26,5 155,63 60

10 8 1,2 65 33,8 -5,5 26,7 34,2 32,7 27,8 26,6 155,67 60

15 8 1,2 70,5 34,4 -4,7 26,5 34,4 33,2 27,8 25,8 155,7 60

20 8 1,3 74,8 34,7 -4,1 26,7 34,6 33,6 27,8 25,5 155,73 60

25 8 1,3 77,9 34,9 -3,8 26,6 34,8 33,8 27,8 25,2 155,75 60

30 8 1,3 80,3 35,2 -3,3 26,9 34,9 34,1 27,4 25,9 155,78 60

35 8 1,3 82,3 35,4 -3,1 26,8 34,9 34,2 27,8 25,7 155,81 60

40 8 1,4 83,8 35,5 -3,1 26,5 35 34,3 27,5 25,3 155,84 60

45 8 1,4 85 35,7 -2,9 27 35 34,5 27,2 26,2 155,86 60

50 8 1,4 85,9 35,7 -2,8 26,8 35,1 34,6 28,1 25,8 155,89 60

55 8 1,4 86,6 35,8 -2,7 26,7 35,2 34,6 27,5 25,8 155,92 60

60 8 1,4 87,2 35,9 -2,7 26,8 32,1 34,7 27,7 26 155,95 60

65 8 1,4 87,5 35,8 -2,7 26,6 35,2 34,7 27,6 26 155,98 60

70 8 1,4 87,8 35,9 -2,7 26,7 35,2 34,8 27,4 26 156,01 60

75 8 1,4 88,1 36 -2,7 26,8 35,2 34,7 27,4 26 156,04 60

- Từ bảng số liệu ta lấy giá trị ổn định tại lần đo thứ 15 từ đó xác định được thông số trạng thái ở các điểm của chu trình :

- Do áp suất đo trên đồng hồ là áp suất dư nên ta cần cộng thêm áp suất không khí Pkk = 1 (bar)

Với PO = PO(dư) + 1 = 2.4 (bar) ; Pk = Pk(dư) + 1 = 9.0 (bar)

T1 = 88 ,10C; P k= 9.0 ( bar )

T2 = 36 0C; P k = 9.0 ( bar )

T3 = −2,70C; P0 = 2.4 ( bar )

T4 =26 , 80C; P0 = 2.4 ( bar )

- Xây dựng đồ thị Log PH cho chu trình lý tưởng và chu trình thực tế tại thời điểm lần đo thứ 15:

* Chú thích : Chu trình thực tế

Chu trình lý tưởng

=>Nhận xét: so với chu trình lý tưởng, chu trình thực tế là chu trình quá nhiệt nhiệt độ T4 thuộc vùng hơi quá nhiệt khác chu trình lý tưởng có T4 ở vùng hơi bão hòa khô Do điều kiện thí nghiệm chưa lý tưởng

Trong đó:

+, Quá trình T4 – T1 là quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén +, Quá trình T1 – T2 là quá trình thải nhiệt đẳng áp trong bình

ngưng

+, Quá trình T2 – T3 là quá trình tiết lưu đẳng entanpy trong van tiết lưu

+, Quá trình T3 – T4 là quá trình nhận nhiệt trong dàn bay hơi

 Phân tích nhiệt động chu trình lạnh và bơm nhiệt, thực tế, tính

hệ số bơm nhiệt φ, tính hệ số làm lạnh ɛ :

(Buổi 2)

Bảng số liệu:

Thời

gian

(phút)

P k P0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 L

( KW/h )

F w

5 8 1 65,5 34,8 -6,8 26 34,5 33,6 26,9 25,5 158,75 1,5

10 8,3 1,2 73,4 35,7 -5,7 26,3 34,8 34,4 27 25,5 158,78 1,5

15 8,5 1,2 78,6 36,2 -5,1 26,6 35 34,9 27,2 25,6 158,82 1,5

20 8,5 1,2 82,2 36,7 -4,8 26,7 35,3 35,3 27,3 25,4 158,86 1,5

25 8,5 1,2 85,2 36,9 -4,5 26,9 35,3 35,6 27,2 25,3 158,89 1,5

30 8,5 1,2 87,2 37,1 -4,1 27 35,5 35,8 27,1 25,3 158,92 1,5

35 8,5 1,2 88,7 37,2 -4,1 27,2 35,6 36 27,4 25,6 158,96 1,5

45 8,6 1,2 90,6 37,5 -3,8 27 35,8 36,2 27,3 25,5 159,03 1,5

50 8,6 1,2 91,3 37,5 -3,8 27,3 35,8 36,4 27,1 25,2 159,06 1,5

55 8,6 1,2 91,7 37,6 -3,8 26,9 36 36,4 27,7 26 159,09 1,5

60 8,8 1,2 92,1 37,6 -3,8 26,7 36 36,2 27,3 25,4 159,13 1,5

65 8,8 1,2 92,4 37,6 -3,7 26,9 35,7 36,2 27,1 25,2 159,15 1,5

70 8,8 1,2 92,6 37,5 -3,6 26,9 35,7 36,2 27,5 28,5 159,19 1,5

Từ bảng số liệu ta lấy giá trị ổn định tại lần đo thứ 14 từ đó xác định được thông số trạng thái ở các điểm của chu trình :

Do áp suất đo trên đồng hồ là áp suất dư nên ta cần cộng thêm áp suất không khí Pkk = 1 (bar)

Với PO = PO(dư) + 1 = 2,2 (bar); Pk = Pk(dư) + 1 = 9,8 bar

T1 = 92 ,60C; P k= 9.8 ( bar )

T2 = 37 ,50C; P k = 9.8 ( bar )

T3 = −3 ,60C; P0 = 2.2 ( bar )

T4 =26 , 90C; P0 = 2.2 ( bar )

Từ đồ thị ta có:

h T 1= 406,41 k J/kg;

h T 2 =235,12 kJ/kg

h T 3 = 240,05 kJ/kg;

h T 4 = 369,74 kJ/kg

Trên đường 3 – 4, tại x=1:

H T 4 ' = 347,1kJ/kg

Suy ra hệ số làm lạnh của chu trình: ε = (h T 4 ' −h T 3)

h T 1 −h T 4 = 2,92 Hệ số bơm nhiệt của chu trình: φ= ε+1= 2,92 + 1 = 3,92

Kết luận :

So với chu trình lý tưởng, chu trình thực tế có thể là chu trình quá nhiệt

hoặc chu trình quá lạnh hoặc là chu trình vừa quá nhiệt vừa quá lạnh dẫn đến các hệ số máy lạnh và hệ số bơm nhiệt có phần sai khác tương đối

BÀI 2 : TÌM HIỂU SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ CHU TRÌNH CỦA BƠM NHIỆT ỨNG DỤNG TRONG SẤY

LẠNH

1. Mục đích thí nghiệm:

- Hiểu được sơ đồ của thiết bị, cấu tạo, nguyên lí hoạt động

- Hiểu rõ các quá trình trong chu trình bơm nhiệt

- So sánh chu trình bơm nhiệt sấy lạnh và đun nước nóng

2. Tổng quan về sấy lạnh:

- Trong đời sống, để có thể bảo quản được các loại lương thực, thực phẩm, để tránh được các tác nhân gây hại như nấm mốc, vi khuẩn ta cần phải sấy nó trước khi đem đi lưu trữ hoặc phân phối ra thị trường Thực chất sấy là quá trình tách nước ra khỏi vật cần sấy đến một độ ẩm nhất định nào đó mà ở độ ẩm đó các tác nhân gây hại như nấm mốc, vi khuẩn không thể phát triển được Qua đó chúng ta có thể bảo quản được lâu dài mà vẫn giữ lại được các đặc tính, mùi vị, hương vị như ban đầu Có hai biện pháp sấy cơ bản là sấy nóng và sấy lạnh Sấy nóng là biện pháp tách nước ra khỏi vật cần sấy ở điều kiện nhiệt độ cao để nước bay hơi hết ra ngoài ví dụ như hệ thống sấy than trước khi đưa vào lò hơi Tuy nhiên đối với các loại lương thực, thực phẩm nếu sấy ở nhiệt độ cao sẽ

làm thay đổi các đặc tính, hương vị của nó Vì thế cần phải sử dụng đến biện pháp sấy lạnh

- Sấy lạnh là một phương pháp sấy sử dụng chu trình ngược chiều để khử ẩm của tác nhân sấy và dung tác nhân sấy đó để tách ẩm ra khỏi vật cần sấy Tác nhân sấy thường là không khí

3. Các thiết bị và chu trình:

- Hệ thống gồm 6 thiết bị chính: Máy nén, bình ngưng, dàn ngưng phụ,

2 van tiết lưu, dàn bay hơi

- Các thiết bị phụ gồm có: Bình chứa cao áp, mắt gas, bơm nước,

quạt hút, đường ống dẫn, màng lọc khí, tấm liếc, ống xả nước ngưng, tháp giải nhiệt, bồn nước, bảng điều khiển

- Nguyên lí hoạt động: Không khí từ ngoài môi trường được đi qua hệ thống bơm nhiệt có 2 thiết bị ngưng tụ ( bình ngưng và dàn ngưng ) và

1 dàn bay hơi để đảm bảo cho không khí sau khi được quạt hút hút vào buồng sấy sẽ là không khí có độ khô cao và nhiệt độ thích hợp

* Sơ đồ chu trình công nghệ:

Chu trình của môi chất lạnh:

+ Quá trình nén: Máy nén hút hơi môi chất lạnh từ dàn bay hơi về nén lên áp suất cao nhiệt độ cao, hơi một phần được đưa tới dàn ngưng tụ phụ, phần còn lại vận chuyển tới bình ngưng

+ Quá trình thải nhiệt: Xảy ra tại bình ngưng và bình ngưng tụ phụ Hơi

có áp suất cao nhiệt độ cao sẽ nhả nhiệt cho nước ngưng tụ lại thành lỏng, lỏng ngưng đi qua phin sấy lọc rồi qua van tiết lưu

+ Quá trình tiết lưu đẳng entanpy: Tại van tiết lưu lỏng ngưng được giảm từ áp suất ngưng tụ xuống áp suất bay hơi, lỏng có áp suất bay hơi được đưa vào dàn bay hơi

+ Quá trình hóa hơi đẳng áp: Tại dàn bay hơi lỏng có áp suất bay hơi sẽ nhận nhiệt của tác nhân sấy trở thành trạng thái hơi bão hoà khô và sau

đó được máy nén hút và bắt đầu thực hiện các vòng tuần hoàn tiếp theo

Chu trình của nước giải nhiệt:

Nước ở tháp chứa nước được đưa vào thiết bị ngưng tụ,nhận nhiệt từ môi chất lỏng thông qua thiết bị trao đổi nhiệt có vách ngăn,sau đó được đưa ra ngoài tháp và được làm mát bằng bơm

Chu trình của tác nhân sấy :

+ Quạt hút tác nhân sấy về qua cửa hút đi qua phin lọc và đi tới dàn bay hơi, trao đổi nhiệt xử lí ẩm với thiết bị bay hơi dẫn đến nhiệt độ giảm xuống Tác nhân sấy sau khi được xử lý nhiệt ẩm có mang theo các giọt nước ngưng tụ lại trên bề mặt dàn bay hơi sẽ được tấm chắn loại bỏ + Tác nhân sấy khi ra khỏi thiết bị bay hơi chưa đạt tới thông số công nghệ cài đặt sẽ được đưa tới giàn ngưng tụ phụ để xử lý tiếp tác nhân sấy sau khi được sấy cấp 1 sẽ có thông số bằng với thông số công nghệ cài đặt và được quạt vận chuyển tới buồng sấy

+ Tại buồng sấy tác nhân sấy sẽ trao đổi nhiệt ẩm với vật cần sấy ( quá trình nhận nhiệt, tăng ẩm), tác nhân sấy sau khi trao đổi nhiệt ẩm với vật cần sấy sẽ được quạt hút về qua cửa hút và thực hiện chu trình mới