nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy lạnh ejector

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯƠNG CÔNG THÀNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY LẠNH EJECTOR Chuyên ngành: Công nghệ nhiệt Mã số : 60.52.80 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN THANH SƠN Phản biện 1: TS Nguyễn Thành Văn Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Bốn Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại Học Đà Nẵng vào ngày 23 tháng 10 năm 2013 Có thể tìm hiểu Luận văn tại: - Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nhu cầu lượng ngày tăng mà nguồn tài nguyên lượng giới ngày cạn kiệt việc tìm kiếm, phát triển nguồn lượng quan trọng Tận dụng nhiệt khói thải để chạy điều hịa khơng khí, cải thiện đời sống người lao động nhà máy sản xuất mơ hình phù hợp với xu Mục đích nghiên cứu Mục đích mơ hình nghiên cứu tận dụng nhiệt thừa (có thể lượng mặt trời, khói thải từ lị hay nguồn nhiệt thừa đấy…) để chạy điều hịa khơng khí Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài: Máy lạnh ejector sử dụng nguồn nhiệt thừa Phạm vị nghiên cứu đề tài: Do mức độ hạn chế việc đầu tư nghiên cứu, nên đề tài đề xuất nghiên cứu thiết kế chế tạo máy lạnh ejector mà nguồn nhiệt cấp cho hệ thống nhiệt từ lò điện (dùng điện trở để đốt nóng nước lị hơi) Phương pháp nghiên cứu Tiến hành tính tốn lý thuyết để có sở chế tạo mơ hình thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm mơ hình thiết bị thực tế nhằm xác định hiệu làm việc thực tế Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa thực tiễn đề tài tận dụng nguồn nhiệt thừa để chạy điều hịa khơng khí với kết cấu đơn giản Đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo máy lạnh ejector giúp tiết giảm bớt lượng điện tiêu thụ hệ thống điều hịa khơng khí CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG HIỆN NAY 1.1.1 Các nguồn lượng truyền thống Sự cạn kiệt nguồn lượng truyền thống như: than đá, nhiên liệu tổng hợp từ than, dầu khí thiên nhiên Và ảnh hưởng việc khai thác sử dụng chúng môi trường 1.1.2 Các nguồn lượng thay Một thực tế tránh khỏi diễn nhu cầu lượng cho công nghiệp phát triển xã hội tân tiến phát triển liên tục tăng, chuyển hướng sử dụng sang nguồn lượng thay tương lai trở thành tất yếu Giữ gìn nguồn lượng có sử dụng chúng cách hiệu giải pháp kết hợp để giải triệt để vấn đề lượng, vấn đề mang tính cấp thiết thời đại ngày 1.2 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ Hiện hệ thống điều hịa khơng khí đa dạng, bên cạnh hệ thống điều hịa khơng khí như: Hệ thống điều hịa khơng khí cục bộ, hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm làm lạnh nước (Water chiller), hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm kiểu VRV… Cịn có hai hệ thống điều hịa khơng khí phổ biến nay: Máy lạnh hấp thụ máy lạnh sử dụng ejector 1.2.1 Máy lạnh hấp thụ Máy lạnh hấp thụ giữ vai trò quan trọng kỹ thuật lạnh Máy lạnh hấp thụ chu kỳ H2O/H2SO4 Losli phát minh năm 1810 máy lạnh hấp thụ liên tục NH3/H2O Carré phát minh năm 1850 Với chặng đường phát triển gần 200 năm, ngày loại máy lạnh khác hoàn chỉnh sử dụng có hiệu nhiều nước giới Nga, Nhật Mỹ Trung Quốc… a Ưu điểm - Ưu điểm lớn máy lạnh hấp thụ không cần điện năng mà sử dụng nguồn nhiệt có nhiệt độ khơng cao (80÷150oC) để hoạt động - Máy lạnh hấp thụ đơn giản b Nhược điểm Cồng kềnh, diện tích lắp đặt lớn so với máy lạnh nén 1.2.2 Máy lạnh ejector Máy lạnh ejector hoạt đơng theo ngun lý chu trình ngược, trường hợp này, q trình nén mơi chất lạnh thực nhờ ejector Về nguyên lý máy lạnh ejector dùng loại mơi chất nào, người ta thường dùng nước làm môi chất lạnh a Ưu điểm Việc dùng nước làm mơi chất lạnh có ưu điểm đáng kể giá thành hạ, không độc hại gây cháy nổ mà nhiệt hóa lại lớn b Nhược điểm Hiệu lượng thấp CHƯƠNG LÝ THUYẾT EJECTOR 2.1 DÒNG CHẢY SƠ CẤP QUA VÒI PHUN Hơi từ lị giãn nở vịi phun phần chân khơng lối vịi phun Áp dụng định luật nhiệt động cách sử dụng phương trình cân lượng q = l + hg - hm + 2 c g + cm + g (z g - z m ) Với giả thiết trình đoạn nhiệt (q=0), khơng có cơng (l=0) khơng ảnh hưởng thay đổi độ cao (zg=zm), ta có vận tốc dòng lối vòi phun: c g = 2.(hg - hm ) = 2.h N ( hg - hgm ,is ) Pt = Pg 1+ k-1 Pg, Tg Pt = Pt +DPt St = S(Pg, Tg) hgt = h(Sg, Pt) cg = 2.hN.(hg-hgt ) No! vt = v(Pt , ht ) Gt= cg vt Gt = Gtmax Yes! Gtmax, Pt, Vt, ct Hình 2.2 Quá trình tính tốn diện tích cổ họng vịi phun 2.2 DỊNG CHẢY THỨ CẤP Lưu lượng dịng chảy thứ cấp k +1 me = Pe Aey Te k ổ k -1 ỗ ữ h Ne R è k +1 ø (2.10) Pe, Te Py = Pe 1+ k-1 Py =Py+DPy Se = S(Pe, Te) hey = h(Se, Py) cey = 2.hN.(he-hey) vy = v(Py, hy) Gey= cey vy No! Gey = Geymax Yes! Geymax, Py, vy, cey Hình 2.3 Q trình tính tốn diện tích cổ họng dịng thứ cấp 2.3 DIỆN TÍCH MẶT CẮT NGANG TẠI MẶT CẮT Y-Y (A3) Diện tích mặt ngang mặt cắt y-y tổng diện tích dỏng chảy sơ cấp (Agy) dịng chảy theo (Aey) A3 = Agy + Aey 2.4 PHẦN HỊA TRỘN Cân lượng điểm hịa trộn thể sau: (mg + me).hm = me.he + mg.hg,exp Chiều dài phần hòa trộn thường xác định mối quan hệ với đường kính vòi phun Lmix = 7.D3 (ASHRAE, 1983) Lmix = 6.D3 (Chang and Chen, 2000) (2.21) (2.22) 2.5 PHẦN DIỆN TÍCH KHƠNG ĐỔI Chiều dài phần diện tích khơng đổi 5–7 lần đường kính cổ theo ASHRAE, 1983, lần đường kính cổ theo Chang and Chen, 2000 2.6 PHẦN KHUẾCH TÁN Sau hòa trộn, dòng di chuyển qua phần diện tích khơng đổi đến phần khuếch tán Trong phần khuếch tán, dòng nén đến áp suất ngưng tụ vận tốc giảm Phần khuếch tán có hình dạng hình nón Đối với ejector hơi, góc phạm vi từ 5-12o, với chiều dài trục khoảng 4-12 lần đường kính cổ (ASHRAE, 1983) Chang and Chen, 2000, chiều dài trục 2.7 HIỆU SUẤT Hiệu suất ejector thường định nghĩa mối quan hệ tỉ lệ lưu lượng dòng từ thiết bị bay lò hơi, gọi tỉ lệ theo ω w= me mg (2.30) 10 3.4 TÍNH TỐN CÁC KÍCH THƯỚC CỦA EJECTOR 3.4.1 Phần thứ cấp Ta có: Gey = me m → Aey = e Aey Gey = 1,23.10-4 m2 Suy ra: Đường kính cổ họng phần thứ cấp de = 12,5 mm 3.4.2 Phần sơ cấp -5 m m Ta có: Gt = g → At = g = 1,52.10 = 7,07.10-6 m2 Gt 2,157 At Suy ra: Đường kính cổ họng vịi phun dt = mm 3.4.3 Phần hịa trộn Diện tích mặt ngang mặt cắt y-y tổng diện tích dỏng chảy sơ cấp (Agy) dòng chảy theo (Aey) A3 = Agy + Aey = 4,95.10-4 + 1,23.10-4 = 6,18.10-4 m2 Suy ra: d3 = 28 mm Chiều dài phần hòa trộn thường xác định mối quan hệ với đường kính vịi phun Lmix = 4.d3 (Chang and Chen, 2000) = 112 mm Góc phần hịa trộn quan trọng, hiệu suất ejector bị giảm góc lớn, ngược lại góc nhỏ ejector khơng thể nén dịng đến áp suất ngưng tụ thiết kế Góc phần hịa trộn khoảng 7-10 o cho phần đầu 3o cho phần sau (ASHRAE, 1983) 3.4.4 Phần diện tích khơng đổi Theo Chang and Chen, 2000, chiều dài phần diện tích khơng đổi lần đường kính vịi phun L3 = 5.D3 = 140 mm 3.4.5 Phần khuếch tán Phần khuếch tán có hình dạng hình nón Đối với ejector hơi, 11 góc phạm vi từ 5-12o, với chiều dài trục khoảng 4-12 lần đường kính cổ (ASHRAE, 1983) Chang and Chen, 2000, chiều dài trục lần đường kính cổ 3.5 HIỆU SUẤT Hiệu suất ejector định nghĩa mối quan hệ tỉ lệ lưu lượng dòng từ thiết bị bay lò hơi, gọi tỉ lệ theo ω w= me 6,6.10 -6 = = 0,43 m g 1,52.10 -5 Bảng 3.1 Kết tính tốn ejector Thơng số Kết Công suất lạnh Qo (kW) 0,7457 Nhiệt độ từ Lò Tg (oC) 80 o Nhiệt độ từ Dàn bay Te ( C) o Nhiệt độ Dàn nóng Tc ( C) Lưu lượng mg (kg/s) Đường kính cổ vịi phun dt (mm) 32 1,52.10-5 Phần sơ cấp Đường kính đầu vào dg1 (mm 25,1 Đường kính đầu dgy (mm) 24,2 Lưu lượng me (kg/s) 6,6.10-6 Đường kính dey (mm) 12,5 Chiều dài Lmix (mm) 112 Phần thứ cấp Phần hịa trộn 12 khơng đổi Phần khuếch tán Đường kính d3 (mm) 28 Chiều dài L3 (mm) 140 Đường kính đầu vào d3 (mm) Phần diện tích 28 Đường kính đầu d4 (mm) 57,4 Chiều dài LD 168 13 CHƯƠNG CHẾ TẠO MƠ HÌNH 4.1 GIA CƠNG CHẾ TẠO VÀ LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG 4.1.1 Ejector Ejector chia thành phần nhỏ, chế tạo phương pháp tiện phơi thành phẩm sau ghép với mối hàn điện Ejector kết nối với thiết bị ngưng tụ lị bích Do mơi chất làm việc nhiệt cao (80oC) nên mối liên kết bích dùng keo silicon Ultra Grey làm gioăng Hình 4.5 Cấu tạo Ejector 4.1.2 Lị a Tính cơng suất lị Ql = mg(hg - hc) Trong đó: hg = h (t=tg=80oC, x=1) = 2642,76 kJ/kg hc = h (t=tc=32oC, x=0) = 133,4786 kJ/kg 14 mg = 1,52.10-5 kg/s Suy ra: Ql = 1,65.10-4 (2642,76 – 133,4786) = 1.65 kW Hình 4.9 Hình ảnh thực cấu tạo Lị 15 b Điện trở đốt Thiết bị điện trở thực tế khơng có cơng suất theo u cầu tính tốn mơ hình, chọn cơng suất điện trở kW tạo thêm biến trở để điều chỉnh cơng suất theo u cầu Hình 4.6 Cấu tạo điện trở c Phần thân lò Vật liệu chế tạo: thép đen dạng ống, Chiều dài thân lò: 400 mm, chiều dài khoang nước 200 mm khoang 200 mm, Đường kính thân lị: 125 mm d Phần chân lò Vật liệu chế tạo: thép đen dạng ống, Chiều dài chân lò: 80 mm, Đường kính chân lị: 250 mm e Các thiết bị kèm theo Lò Áp kế, ống thủy sáng, cọc báo mức… f Phương pháp chế tạo Lò chế tạo phần, liên kết với mối hàn điện 16 4.1.3 Thiết bị bay Để đơn giản việc chế tạo giảm trở lực dịng mơi chất làm việc, nên mơ hình nghiên cứu dùng ống đồng Φ9,5x0,71mm làm thiết bị bay 4.1.4 Thiết bị ngưng tụ Trong hệ thống chọn thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang, giải nhiệt nước Để đơn giản việc tính tốn thiết bị ngưng tụ, chọn phụ tải nhiệt thiết bị ngưng tụ 1,5 lần cơng suất lị a Cấu tạo Bình ngưng có thân hình trụ nằm ngang, làm từ vật liệu thép CT3, bên ống trao đổi nhiệt đồng Các ống trao đổi nhiệt hàn kín vào hai mặt sàng, mặt sàng có độ dày mm Hai đầu thân bình nắp bình Hình 4.9 Cấu tạo Bình ngưng Hình 4.10 Cấu tạo dàn ống trao đổi nhiệt bình ngưng 17 b Nguyên lý làm việc Gas từ Ejector đưa vào bình bao phủ lên khơng gian ống trao đổi nhiệt thân bình Bên bình gas trao đổi nhiệt với nước làm mát chuyển động bên ống trao đổi nhiệt ngưng tụ thành lỏng Lỏng ngưng tụ chảy bình chứa đặt phía bình ngưng c Phương pháp chế tạo Các phận gia công hàn kín mối hàn điện 4.1.5 Bình chứa cao áp Bình chứa cao áp bố trí sau bình ngưng tụ 4.1.6 Bơm 4.1.7 Van chặn, van khóa Cấu tạo van chặn, van khóa phụ thuộc vào chức năng, cơng dụng van, kích cỡ van dòng chảy qua van 4.1.8 Van tiết lưu điều chỉnh tay 4.1.9 Van chiều Van chiều lắp đặt đường đẩy bơm, có nhiệm vụ ngăn khơng cho dịng mơi chất từ lị chảy ngược 4.1.10 Áp kế 4.1.11 Đường ống Yêu cầu việc tính tốn lựa chọn đường ống đủ độ bền cần thiết, tiết diện ống đảm bảo yêu cầu kỹ thuật kinh tế Các đường ống sử dụng hệ thống lạnh thường ống thép, ống đồng ống nhôm Trong hệ thống này, để đơn giản việc lắp đặt ta chọn ống đồng 18 4.2 LỰA CHỌN NGUỒN NHIỆT, MÔI CHẤT CHO HỆ THỐNG 4.2.1 Lựa chọn nguồn nhiệt cấp cho ejector Trong đề tài này, để đơn giản việc nghiên cứu, chọn nguồn nhiệt cấp cho ejector nhiệt từ lị điện 4.2.2 Lựa chọn mơi chất làm việc Trong hệ thống này, ta chọn môi chất làm việc nước Nước có cơng thức hóa học H2O, kí hiệu R718 coi môi chất đại 4.3 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN CHO HỆ THỐNG L FL3 R MAN AUTO P T FL1 FL2 Pr T R P N Hình 4.14 Sơ đồ mạch điện cho hệ thống 4.4 XÂY DỰNG MƠ HÌNH 4.4.1 Yêu cầu kỹ thuật - Nhiệt độ dàn lạnh đạt từ 18oC đến 25oC - Nhiệt độ lị đạt từ 80oC đến 90oC - Bình ngưng giải nhiệt nước, nhiệt độ nước làm mát o 25 C - Hệ thống đặt Quảng Nam, nhiệt độ trung bình mùa hè o 37 C 19 4.4.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Hơi từ lò dẫn tới vòi phun ejector Trong ống phun, biến thành động tốc độ chuyển động tăng, theo lạnh tạo thành từ thiết bị bay Hỗn hợp làm việc (hơi nóng) lạnh vào ống tăng áp ejector, áp suất hỗn hợp tăng lên giảm tốc độ Như vậy, nhờ động dòng làm việc phun vào mà trình nén hỗn hợp thực từ áp suất thiết bị bay po đến áp suất thiết bị ngưng tụ pk Trong thiết bị ngưng tụ, nhiệt ngưng tụ thải cho nước làm mát, nước ngưng chia thành dòng: dòng làm việc bơm vào lò hơi, phần lại qua van tiết lưu vào thiết bị bay Do có bay phần nước thiết bị bay nhờ độ chân không cao mà xảy 20 q trình làm lạnh Nhiệt độ sơi nước phụ thuộc vào áp lực thiết bị bay Hơi tạo thành từ thiết bị bay ejector hút liên tục, mà thiết bị bay ln ln trì áp suất khơng đổi q trình bay xảy liên tục 4.4.3 Lắp đặt hệ thống Ejector liên kết với lò thiết bị ngưng tụ bích, siết chặt bulơng, keo silincon Các thiết bị van, đồng hồ áp suất, bơm, đường ống liên kết rắc co 4.4.5 Thử kín hệ thống Sau lắp đặt thiết bị thành mơ hình hồn chỉnh, tiến hành thử kín hệ thống 4.4.6 Nạp môi chất hút chân không hệ thống Sau thử kín hệ thống, chạy bơm để nạp môi chất vào hệ thống tiến hành hút chân khơng hệ thống 21 Hình 4.18 Mơ hình máy lạnh ejector 4.5 ĐO ĐẠT CÁC THƠNG SỐ VẬN HÀNH - Mơ hình lắp đặt Quảng Nam - Nhiệt độ môi trường: 37oC - Áp suất chân không hệ thống: -700 mmHg - Vận hành hệ thống lúc 15 giờ, ngày 23 tháng 06 năm 2013 22 Bảng 4.1 Đo đạt thông số vận hành Thời điểm đo 15g00 15g02 15g04 15g06 15g08 tkkl (oC) 29,5 27,0 25,2 22,7 21,0 Thời điểm đo (giờ) 15g10 15g12 15g14 15g16 tkkl (oC) 20,3 19,8 19,5 19,5 (giờ) 4.6 NHẬN XÉT - Thời gian đầu vận hành, nhiệt độ khơng khí lạnh xuống nhanh - Trong thời gian 10 phút tiếp theo, nhiệt độ xuống chậm đạt nhiệt độ ổn định 19,5oC hệ thống hoạt động 15 phút 23 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN a Kết đạt - Phân tích lý thuyết ejector Xây dựng, tính tốn thiết kế ejector - Tính tốn thiết kế chế tạo mơ hình máy lạnh ejector, nguồn nhiệt sử dụng nhiệt từ lị điện - Thực nghiệm mơ hình thiết bị Nhiệt độ bay đạt o 19,5 C sau 16 phút hoạt động b Các tồn - Hệ thống hoạt động vào mùa hè, nhiệt độ mơi trường cao, mặt khác kinh phí cịn hạn chế nên hệ thống chưa đảm bảo độ kín, độ chân khơng hệ thống chưa đạt yêu cầu - Hệ thống chưa đạt độ chân không theo u cầu, chưa đạt cơng suất lạnh mong muốn - Kinh nghiệm chế tạo ejector kinh đầu tư cịn hạn chế, hiệu suất ejector chưa đạt mong muốn KIẾN NGHỊ - Việc chế tạo thành cơng mơ hình máy lạnh ejector cho thấy triển vọng để phát triển hồn thiện mơ hình - Trong mơ hình này, nguồn nhiệt cấp cho ejector nhiệt từ lò Mục đích đề tài tận dụng nguồn nhiệt thừa nơi có nguồn lượng thứ cấp lớn xí nghiệp cơng nghiệp nhẹ thực phẩm tàu thủy… Do đó, để phát triển mơ hình cần kinh phí thời gian nghiên cứu nhiều 24 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI - Tìm kiếm nguồn nhiệt thừa nơi có nguồn lượng thứ cấp lớn - Tiếp tục hồn thiện mơ hình để đạt độ chân không theo yêu cầu - Nghiên cứu mô hình có qui mơ lớn nhằm phục vụ nhu cầu đời sống người lao động, ví dụ nhà máy xí nghiệp … ... tượng nghiên cứu đề tài: Máy lạnh ejector sử dụng nguồn nhiệt thừa Phạm vị nghiên cứu đề tài: Do mức độ hạn chế việc đầu tư nghiên cứu, nên đề tài đề xuất nghiên cứu thiết kế chế tạo máy lạnh ejector. .. lạnh nén 1.2.2 Máy lạnh ejector Máy lạnh ejector hoạt đông theo nguyên lý chu trình ngược, trường hợp này, trình nén môi chất lạnh thực nhờ ejector Về nguyên lý máy lạnh ejector dùng loại môi chất... xu Mục đích nghiên cứu Mục đích mơ hình nghiên cứu tận dụng nhiệt thừa (có thể lượng mặt trời, khói thải từ lị hay nguồn nhiệt thừa đấy…) để chạy điều hịa khơng khí Đối tượng phạm vi nghiên cứu