Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết giới thiệu kết quả tính toán chu trình lạnh một cấp cho máy điều hòa nhiệt độ có bổ sung quá trình cấp nhiệt nhằm giảm công suất nén bằng tận dụng nguồn năng lượng có chất lượng thấp như năng lượng mặt trời.
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY TÍNH TỐN CHU TRÌNH LẠNH ĐIỀU HỊA NHIỆT ĐỘ TẬN DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG CÓ NHIỆT ĐỘ THẤP CALCULATIONS OF HYBRID REFRIGERATION CYCLE FOR AIR CONDITIONING UTILIZING LOW TEMPERATURE SOURCE LÊ VĂN ĐIỂM*, NGUYỄN MẠNH CHIỀU Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: diemlv.mtb@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo giới thiệu kết tính tốn chu trình lạnh cấp cho máy điều hịa nhiệt độ có bổ sung q trình cấp nhiệt nhằm giảm công suất nén tận dụng nguồn lượng có chất lượng thấp lượng mặt trời Chu trình lạnh ngun thủy tính tốn phần mềm Coolpack Sau đó, thơng số chu trình sử dụng để tính tốn chu trình hốn cải với mức độ tận dụng nhiệt khác phần mềm EES (Engineering Equation Solver) Từ khóa: Chu trình lạnh nén hơi, điều hòa lượng mặt trời, Hệ số làm lạnh (COP) Abstract The paper introduces modelling of hybrid singlestage vapor-compression refrigeration cycle for air-conditioning with a heat addition process to reduce compression work by utilizing low quality heat source such as solar energy Traditional cycle was formulated by using Coolpack Then, outputs of the cycle were used for modelling of the hybrid cycle on Engineering Equation Solver (EES) Keywords: Vapor-compression refrigeration cycle, Hybrid solar vapor-compression refrigeration cycle, Coefficient of Performance (COP) Vấn đề lớn việc trang bị điều hịa nhiệt độ chi phí lượng Ví dụ, Việt Nam, mà giá thành máy điều hòa gia dụng khoảng từ 610 triệu đồng hầu hết hộ dân có khả đầu tư Việc sử dụng điều hòa nhiệt độ với chi phí điện hàng tháng tăng thêm triệu đồng vấn đề mà nhiều gia đình phải cân nhắc Nhiệt độ môi trường (hay cường độ xạ mặt trời) tỷ lệ thuận với chi phí lượng cho điều hịa nhiệt độ Vì vậy, việc nghiên cứu tận dụng phần lượng mặt trời cho điều hịa nhiệt độ có ý nghĩa to lớn nhiều nhà khoa học quan tâm Hiện có nhiều nghiên cứu vấn đề hệ thống điều hòa theo nguyên lý hấp thụ hay sử dụng pin mặt trời phát điện Tuy nhiên, kết nghiên cứu hạn chế chưa ứng dụng rộng rãi chi phí đầu tư hiệu suất tận dụng lượng thấp Việt Nam nằm vùng khí hậu nhiệt đới, nên nhu cầu sử dụng điều hịa nhiệt độ lớn Vì vậy, giải pháp tận dụng nguồn lượng chất lượng thấp lượng mặt trời nghiên cứu thành cơng mang lại lợi ích to lớn Mơ hình hệ thống điều hịa hybrid với q trình cấp nhiệt đẳng tích 2.1 Chu trình lạnh nén truyền thống Chu trình lạnh nén truyền thống biểu diễn đồ thị log(P-h) đồ thị T-s Hình 1, với trình sau: 1-2: Quá trình nén thực tế (1-2s trình nén đoạn nhiệt); Đặt vấn đề 2-3: Q trình ngưng tụ dàn ngưng; Điều hịa nhiệt độ ngày ứng dụng rộng rãi với phát triển công nghệ nhu cầu ngày tăng tiện nghi cho người Tùy theo phạm vi ứng dụng, hệ thống điều hòa nhiệt độ thiết kế khác Những ứng dụng lớn nhà máy, trung tâm thương mại thường áp dụng hệ thống điều hòa trung tâm hay hệ thống điều hòa gián tiếp (chiller) Những tòa nhà nhỏ hay hộ gia đình thường sử dụng máy điều hòa độc lập Phổ biến hệ thống gồm dàn nóng dàn lạnh độc lập (split-type) 3-4: Quá trình tiết lưu van tiết lưu; 10 4-1: Quá trình nhận nhiệt dàn bay Các thơng số chu trình xác định theo công thức sau [4] Công suất làm lạnh đơn vị: qL h1 h4 [kJ/kg] (1) Công suất tiêu thụ đơn vị máy nén: w c h2 h1 [kJ/kg] (2) SỐ 64 (11-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Công suất thải nhiệt đơn vị dàn ngưng tụ: qH h2 h3 [kJ/kg] (3) Hệ số làm lạnh: COP QL (4) Wc Trong h1 h2 enthalpy mơi chất lạnh đầu vào đầu máy nén, h3 enthalpy môi chất lạnh đầu dàn ngưng h4 enthalpy đầu vào dàn bay Hiệu suất đoạn nhiệt máy nén [5]: c h2 s h1 h2 h1 (5) Trong h2s entanpy đầu máy nén với trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch Hình Chu trình lạnh nén truyền thống Áp dụng tính tốn chu trình lạnh phần mềm Coolpack với thông số đầu vào lấy từ mẫu máy điều hòa nhiệt độ Hãng Daikin Bảng Giả thiết nhiệt độ môi trường 350C Kết tính tốn chu trình mơ tả Bảng Hình Bảng Thơng số đầu vào tính tốn chu trình máy lạnh gia dụng Thơng số Tên máy Công suất lạnh Môi chất lạnh Hiệu suất thể tích Hiệu suất đoạn nhiệt Giá trị FTC25NV1V/RC25NV1V 2,637kW (9000Btu/h) R22 0,8 0,85 Thông số Nhiệt độ bay Nhiệt độ ngưng tụ Độ nhiệt dàn lạnh Độ lạnh dàn ngưng Tổng sụt áp Giá trị 30C 440C độ độ 0,25 bar Bảng Kết tính chu trình lạnh nén máy điều hịa nhiệt độ Điểm t [ C] 3,85 69,43 69,35 42,87 4,00 P [bar] 5,43 16,94 16,88 16,84 5,53 5,48 v [m3/kg] 0,043576 0,016064 0,016117 0,043154 h [kJ/kg] 407,184 440,778 440,778 253,515 253,515 407,184 s [kJ/kg.K] 1,7510 1,7658 1,7660 1,7502 2.2 Chu trình lạnh hốn cải Hình Chu trình lạnh máy điều hịa truyền thống Coolpack SỐ 64 (11-2020) Nhằm tận dụng lượng từ nguồn chất lượng thấp, thực hoán cải chu trình truyền thống cách bổ sung trao đổi nhiệt mơi chất nước nóng két đặt trước sau máy nén Hệ thống hoán cải với két nước nóng đặt sau máy nén Hình 11 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Kết tính chu trình lạnh điều hịa hốn cải STT Nhiệt độ trước dàn ngưng T2a[oC] 75 80 85 90 95 Nhiệt độ sau máy nén Ta[oC] 64,67 63,01 61,44 59,94 58,50 Áp suất sau máy nén Pa[bar] 15,81 15,39 14,99 14,63 14,28 Enthanpy sau máy nén ha[kJ/kg] 438,3 437,4 436,6 435,9 435,2 Công suất nén riêng chu trình gốc wc[kJ/kg] 33,99 33,99 33,99 33,99 33,99 Cơng suất nén riêng chu trình hốn cải wca[kJ/kg] 31,42 30,59 29,79 29,04 28,31 COPa 4,88 5,01 5,15 5,28 5,42 Năng lượng tiết kiệm ηa [%] 7,56 10,01 12,34 14,57 16,70 Thực tính tốn mơ với điều kiện nhiệt độ cuối trình cấp nhiệt thay đổi từ 75-950C, áp suất ngưng tụ không thay đổi so với với chu trình ngun thủy Thơng số trạng thái chu trình hốn cải xác định Các thông số trạng thái điểm 2a, ký hiệu chung 2a xác định theo quan hệ sau: 2a = f(p2a = p2; T2a = 750C…950C) (6) Tương tự với điểm a: a f c ; sas ; va v2 a (7) Công suất tiêu thụ riêng máy nén, kJ/kg: Hình Sơ đồ chu trình lạnh hốn cải Chu trình hốn cải biểu diễn đồ thị log(P-h) Hình w ca h1 (8) Chỉ số sử dụng lượng hiệu quả: COPa h6 h5 h1 (9) Năng lượng tiết kiệm máy nén, %: a 1 w ca 100% wc (10) Kết thảo luận Hình Chu trình hốn cải với q trình cấp nhiệt sau máy nén Ngồi q trình nén thơng thường, mơi chất cịn thực q trình nhận nhiệt đẳng tích để tăng nhiệt độ áp suất trước đưa đến dàn ngưng tụ Nước nóng két lấy từ hâm lượng mặt trời Với điều kiện xạ mặt trời cao vào ngày trời nắng, hâm lượng mặt trời dân dụng thị trường cung cấp nhiệt độ khoảng 95-980C Trạng thái điểm a chu trình xác định thơng qua q trình: trình nén thực máy nén 1-a q trình cấp nhiệt đẳng tích a-2a 12 Nhằm đánh giá mức độ cải thiện lượng, tiến hành tính tốn so sánh chu trình hốn cải chu trình truyền thống Thực việc tính tốn với áp suất bình ngưng giống chu trình nguyên thủy (17bar) nhiệt độ trước bình ngưng thay đổi từ 75950C phần mềm EES theo công thức từ (6) đến (10) Kết tính tốn Bảng 3: Dễ thấy, tăng nhiệt độ nước két nước nóng cơng nén giảm dần, hệ số làm lạnh (COP) tăng dần đạt đến giá trị 5,42 nhiệt độ 950C, hệ số tiết kiệm lượng so với chu trình nguyên thủy tăng dần Mức độ tiết kiệm lượng đạt tối đa 16,7% nhiệt độ 950C Hiệu tận dụng nhiệt tăng nhiệt độ nguồn nhiệt tăng SỐ 64 (11-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Rõ ràng, việc cung cấp thêm trình cấp nhiệt làm tăng nhiệt độ áp suất môi chất so với trước khỏi máy nén Nhờ mà công suất tiêu thụ cho máy nén giảm Tuy nhiên, để đạt áp suất ngưng tụ khơng đổi, q trình cấp nhiệt đẳng tích làm nhiệt độ môi chất trước dàn ngưng tụ tăng cao so với chu trình nguyên thủy Điều có nghĩa cần phải thực q trình ngưng tụ hiệu để đảm bảo thông số môi chất sau dàn ngưng trở lại giống chu trình ngun thủy phương để đánh giá tổng thể tiêu kỹ thuật, kinh tế phương án Dễ thấy, giải pháp tận dụng lượng mặt trời phù hợp cho ứng dụng điều hịa nhiệt độ cho cơng sở, trường học - nơi mà nhu cầu sử dụng lượng điều hịa chủ yếu vào thời gian có xạ mặt trời cao Giải pháp hiệu với vùng có cường độ xạ mặt trời ổn định năm miền Trung miền Nam Việt Nam Kết luận Bài báo sản phẩm đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường năm học 2019-2020, tên đề tài: “Nghiên cứu tính tốn hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng kết hợp nguồn lượng có chất lượng thấp”, hỗ trợ kinh phí Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Việc nghiên cứu tận dụng nguồn lượng có chất lượng thấp, có khả tái tạo lượng mặt trời xu hướng tất yếu Nhiều nghiên cứu hướng đến sử dụng lượng mặt trời cho điều hịa nhiệt độ chu trình lạnh hấp thụ hay sử dụng pin mặt trời kết hợp ắc quy để vận hành máy nén Hướng tận dụng trực tiếp lượng nhiệt từ mặt trời chưa có nhiều nghiên cứu, nước giới Kết tính tốn lý thuyết cho thấy khả tiết kiệm 15% với nhiệt tạo hâm lượng mặt trời dân dụng Trước tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, cần tiếp tục giải nhiệm vụ sau: - Nghiên cứu tính tốn trao đổi nhiệt dạng ống cho trình cấp nhiệt két nước nóng; - Tính chọn dàn ngưng tụ phù hợp nhiệt độ môi chất sau trình nén cao so với chu trình nguyên thủy nhằm đảm bảo nhiệt độ môi chất sau dàn ngưng tụ tương đương chu trình nguyên thủy; - Nghiên cứu hệ thống tự động điều chỉnh máy nén nhằm trì áp suất mơi chất trước dàn ngưng tụ không đổi nhiệt độ nguồn nhiệt lượng mặt trời thay đổi Ngồi ra, để áp dụng vào thực tiễn, cần nghiên cứu mức độ xạ mặt trời theo địa SỐ 64 (11-2020) Lời cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Xuân Hịa, Giáo trình Kỹ thuật lạnh, NXB Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM, 2007 [2] M Khalaji Assadi, S I Gilani and T C Jun Yen, Design a solar hybrid air conditioning compressor system, MATEC Web of Conferences, 2016 [3] Kaidir, Mulyanef and Burmawi, Performance study on a solar hybrid air-conditioning system for residential water heating, International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET) Volume 8, Issue 10, October 2017 [4] Shan K Wang, Handbook of Air-Conditioning and Refrigeration, second edition, McGraw-Hill, 2001 [5] Yunus A Cengel, Michael A Boles, Thermodynamisc: An engineering approach, Eighth Edition, McGraw Hill, 2015 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 21/04/2020 18/05/2020 25/05/2020 13 ... 1,7660 1,7502 2.2 Chu trình lạnh hốn cải Hình Chu trình lạnh máy điều hịa truyền thống Coolpack SỐ 64 (11-2020) Nhằm tận dụng lượng từ nguồn chất lượng thấp, thực hoán cải chu trình truyền thống... khơng khí sử dụng kết hợp nguồn lượng có chất lượng thấp? ??, hỗ trợ kinh phí Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Việc nghiên cứu tận dụng nguồn lượng có chất lượng thấp, có khả tái tạo lượng mặt trời... lấy từ mẫu máy điều hòa nhiệt độ Hãng Daikin Bảng Giả thiết nhiệt độ mơi trường 350C Kết tính tốn chu trình mơ tả Bảng Hình Bảng Thơng số đầu vào tính tốn chu trình máy lạnh gia dụng Thơng số