Tính chất nhiệt động của môi chất lạnh có ảnh hưởng đến độ hoàn thiện chu trình lạnh. Nhiệt độ bay hơi càng thấp, tỷ số nén càng tăng, nhiệt độ cuối tầm nén cao, tổn thất execgi càng tăng và chu trình lạnh càng lệch chuẩn so với chu trình Cácnô.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 46 SỰ ẢNH HƯỞNG MÔI CHẤT LẠNH ĐẾN ĐỘ HỒN THIỆN CHU TRÌNH LẠNH MỘT CẤP Lê Thành Nhân* Tóm tắt Tính chất nhiệt động mơi chất lạnh có ảnh hưởng đến độ hồn thiện chu trình lạnh Nhiệt độ bay thấp, tỷ số nén tăng, nhiệt độ cuối tầm nén cao, tổn thất execgi tăng chu trình lạnh lệch chuẩn so với chu trình Cácnơ Kết tính tốn cho thấy tổn thất execgi lớn trình ngưng tụ đến trình nén, trình tiết lưu, trình bay hơi, sau trình hồi nhiệt Tổn thất execgi trình hồi nhiệt thấp làm tăng độ hồn thiện chu trình nên chu trình nhiệt độ thấp cần có thiết bị hồi nhiệt Độ hồn thiện chu trình cấp sử dụng môi chất R134a, R22, R404A, R410A bỏ qua tổn thất kỹ thuật đạt lớn khoảng 0,42 so với chu trình Cácnơ Từ khóa: độ hồn thiện chu trình, tổn thất execgi, mơi chất lạnh Cơ sở lý thuyết Để phân tích, đánh giá chất lượng chu trình lạnh, phương pháp cân lượng, phương pháp entrôpi phương pháp execgi sử dụng Phương pháp cân lượng dựa vào nguyên lý I nhiệt động học có ưu điểm đơn giản có nhược điểm lấy hệ số lạnh làm tiêu đánh giá, xét số lượng, không xét đến chất lượng xuống cấp lượng mối quan hệ trình biến đổi lượng với môi trường xung quanh Phương pháp entrơpi dựa ngun lí II nhiệt động học, đánh giá xác mặt chất lượng q trình có nhược điểm khó sử dụng phức tạp thân khái niệm entrơpi trừu tượng Phương pháp execgi phân tích làm việc hệ _ * Ks, Trường CĐCN Tuy Hịa thống lạnh có kể đến khác nguồn lượng độ khơng thuận nghịch q trình thực sở sử dụng đồng thời nguyên lý I II nhiệt động học.Việc thay hệ số lạnh, độ hoàn thiện chu trình theo phương pháp đánh giá hiệu suất execgi Nó biểu thị mức độ thực việc sử dụng lượng hữu ích thông qua việc phân tích tổn thất execgi mà phương hướng tầm quan trọng biện pháp cần đạt để cải thiện điều kiện thực nâng cao hiệu trình Vì vậy, phạm vi báo này, phương pháp execgi sử dụng để phân tích tổn thất execgi đề xuất giải pháp cần thiết nhằm nâng cao hiệu trình nhiệt động độ hồn thiện chu trình lạnh cấp nhiệt độ bay - 65 oC Chu trình lạnh cấp hồi nhiệt biểu diễn hình sau: 47 TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 13 * 2016 Hình Chu trình máy lạnh cấp hồi nhiệt a) Sơ đồ thiết bị: MN - Máy nén; NT - Dàn ngưng tụ; TL - Van tiết lưu; BH – Dàn bay hơi; HN- Thiết bị hồi nhiệt b) Chu trình biểu diễn đồ thị lgp-h 1-1’ - nhiệt thiết bị hồi nhiệt; 1-2 - nén đoạn nhiệt từ áp suất thấp po lên áp suất cao pk, s1 = s2; 2-3’ - ngưng tụ môi chất đẳng áp; 3’-3 - lạnh thiết bị hồi nhiệt; 3-4 - trình tiết lưu đẳng entanpi van tiết lưu h3=h4; 4-1 - trình bay bình bay đẳng áp po = const đẳng nhiệt to=const Tổn thất execgi chu trình cấp hồi nhiệt gồm tổn thất kỹ thuật tổn thất độ không thuận nghịch q trình Độ hồn thiện chu trình máy lạnh hay hiệu suất execgi eđược xác định [1], [2], [3]: NT HN TL BH , % (1) e MN c l Trong đó: Tổn thất execgi q trình nén: MN Tmt ( s2 s1 ) ,kJ/kg(2) Tổn thất execgi trình ngưng tụ: NT h2 h3 Tmt (s s3 ) ,kJ/kg(3) Tổn thất execgi trình hồi nhiệt: HN (h3' h3 h1 h1' ) Tmt (s3' s3 s1 s1' ) kJ/kg(4) Tổn thất execgi trình tiết lưu: Tổn thất execgi thiết bị bay hơi: TL h3 h4 Tmt ( s3 s ) ,kJ/kg(5) BN Tmt [(h4 h3 ) Tkk ( s4 s3 )] ,kJ/kg(6) Tkk vớiTmt, Tkk – nhiệt độ môi trường giải nhiệt nhiệt độ khơng khí buồng lạnh, K h-entanpi, kJ/kg; s- entrơpi, kJ/kgK; l - cơng chu trình, kJ/kg; qo - Năng suất lạnh, kJ/kg q o - hệ số lạnh chu trình thực; l TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 48 c Tkk Tmt Tkk c - hệ số lạnh chu trình Cácnơ; - kiện nhiệt độ Cácnơ Nhằm đánh giá độ bền hệ thống máy thiết bị lạnh, xét tỷ số nén chu trình xác định: pk po Phương pháp khảo sát Chọn chế độ làm việc chu trình lạnh cấp hồi nhiệt sau: - Nhiệt độ ngưng tụ tk = 35 oC - (7) Độ hoàn thiện chu trình phụ thuộc vào nhiệt độ bay biểu diễn hình 2: Nhiệt độ bay to = - 65 - 10oC Nhiệt độ hút th = 10 oC Chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ bay nhiệt độ khơng khí buồng bay ∆tkk = 10oC - Chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ ngưng tụ nhiệt độ môi trường giải nhiệt ∆tmt = 8oC - Hiệu suất thị máy nén tất chế độ làm việc ηi = 0,8 Môi chất lạnh sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng tính chất nhiệt động đến độ hồn thiện chu trình mơi chất lạnh thông dụng R134a, R22, R404A R410A Các thông số trạng thái môi chất - điểm nút chu trình xác định phần mềm REFPROP Viện Công nghệ Tiêu chuẩn Mỹ (NIST) Việc tính tốn xây dựng đồ thị độ hồn thiện chu trình, tổn thất execgi trình, tỷ số nén nhiệt độ cuối tầm nén phần mềm Mathcad R14 Kết khảo sát thảo luận Hình Độ hồn thiện chu trình Phân tích đồ thị, ta thấy độ hồn thiện chu trình ηe đường cong đạt đỉnh cao rơi vào khoảng nhiệt độ40- 35 oC Độ hoàn thiện chu trình ln tồn giá trị tối đa độ hồn thiện chu trình tích hệ số lạnh kiện nhiệt độ Cácnô, nhiệt độ bay giảm, hệ số lạnh giảm kiện nhiệt độ Cácnô lại tăng ngược lại Với môi chất khác độ hồn thiện chu trình khác nhau, chu trình sử dụng R134a có độ hồn thiện chu trình tốt đạt 42%, tiếp đến R22, R404A R410A Khi nhiệt độ giảm thấp giá trị nhiệt độ tối ưu độ hồn thiện chu trình giảm nghĩa tổn thất execgi tăng Độ lớn tổn thất execgi trình thể hình 3: 49 TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 13 * 2016 a) b) c) d) e) Hình Tổn thất execgi trình a- Quá trình nén; b- Quá trình ngưng tụ; c- Quá trình hồi nhiệt; d- Quá trình tiết lưu; e- Quá trình bay Phân tích đồ thị hình ta thấy tính chất mơi chất lạnh có ảnh hưởng đến tổn thất execgi q trình khơng thuận nghịch Ở tổn thất execgi tăng lên nhiệt độ bay giảm, tổn thất execgi lớn trình nén, ngưng tụ va bay chu trình sử dụng môi chất R410A nhỏ R404A Riêng trình tiết lưu hồi nhiệt chu trình sử dụng mơi chất lạnh R22 có tổn thất execgi nhỏ Q trình ngưng tụ có tổn thất execgi lớn nhất, nhiệt đô - 65oC tổn thất execgi khoảng 55 kJ/kg, đến trình nén 25 kJ/kg, trình tiết lưu 18 kJ/kg, trình bay 13 kJ/kg Tổn thất execgi nhỏ trình hồi nhiệt khoảng 12 kJ/kg Tổn thất execgi trình ngưng tụ, TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 50 trình bay hồi nhiêt tồn chênh lệch nhiệt độ T trình truyền nhiệt Cịn tổn thất execgi q trình nén nén khơng đẳng entrơpi, tổn thất execgi q trình tiết lưu gây nên độ tăng entrôpi trình tiết lưu đẳng entanpi Để giảm tổn thất execgi trình nén cần sử dụng loại máy nén công nghệ cao máy nén ly tâm, máy nén dòng để nâng cao hiệu suất máy nén Việc giảm tổn thất execgi trình bay hơi, ngưng tụ cần phải giảm độ chênh lệch nhiệt độ môi chất môi trường cách tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt, tăng hệ số truyền nhiệt… Hình Biểu đồ tỷ số nén Phân tích đồ thị hình ta thấy tỷ số nén chu trình tăng nhiệt độ bay giảm, độ tăng tỷ số nén theo độ giảm nhiệt độ bay môi chất khác có khác biệt lớn mơi chất R134a so với mơi chất cịn lại Với mơi chất R134a chu trình có tỷ số nén lớn mơi chất cịn lại điều kiện độ lớn rõ ràng nhiệt độ bay giảm Khi nhiệt độ bay thấp, tỷ số nén cao ảnh hưởng đến độ bền thiết bị, khả bôi trơn dầu nhớt dễ bị lọt khơng khí vào hệ thống lạnh áp suất hút thấp áp suất khí Nếu giới hạn tỷ số nén khơng q nhiệt độ bay mơi chất lạnh Đối với q trình hồi nhiệt dùng biện pháp kỹ thuật chênh lệch nhiệt độ dịng mơi chất đầu nóng đầu lạnh ln khác nhiệt dung riêng dịng mơi chất cao áp ln cao dịng thấp áp Như vậy, để giảm chênh lệch nhiệt độ dịng mơi chất theo bề mặt trao đổi nhiệt cần nghiên cứu, pha chế hỗn hợp mơi chất lạnh có tính chất chuyển pha cho nhiệt dung riêng dịng mơi chất gần Tỷ số nén nhiệt độ cuối tầm nén chu trình phụ thuộc vào nhiệt độ bay mơ tả hình 5: Hình Nhiệt độ cuối tầm nén R134a khơng thấp -20 oC, R22, R404A R410A -25 oC Theo hình nhiệt độ bay giảm nhiệt độ cuối tầm nén tăng Nhiệt độ cuối tầm nén R22 cao đến R410A, R134a R404A Nhiệt độ cuối tầm nén đạt 250oC làm việc nhiệt độ bay -65oC Tuy nhiên, để đảm bảo điều kiện bôi trơn máy nén tốt, không cháy dầu với nhiệt độ sau đầu đẩy máy nén khuyên dùng 100oC, giới hạn nhiệt độ bay thấp môi chất không thấp -35oC Đây nhược điểm lớn loại môi chất lạnh làm việc nhiệt độ bay thấp 51 TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 13 * 2016 Kết luận - Tính chất mơi chất lạnh ảnh hưởng đến độ khơng thuận nghịch q trình nhiệt động khả sử dụng lượng chu trình lạnh Nhiệt độ bay thấp, chu trình lạnh lệch chuẩn so với chu trình Cácnơ - Tổn thất execgi lớn nằm trình ngưng tụ đến trình nén, trình tiết lưu, trình bay hơi, sau trình hồi nhiệt Do vậy, với chu trình lạnh cấp nhiệt độ sơi - 65oC cần thiết phải có thiết bị hồi nhiệt nhằm giảm chênh lệch nhiệt độ trước sau van tiết lưu, giảm tổn thất execgi nâng cao chất lượng độ hồn thiện chu trình - Tổn thất execgi chu trình gồm tổn thất kỹ thuật tổn thất thân trình Các tổn thất execgi máy nén, thiết bị ngưng tụ, van tiết lưu thiết bị bay khắc phục biện pháp kỹ thuật ứng dụng cơng nghệ mới, hồn thiện máy móc thiết bị Tuy nhiên, thiết bị hồi nhiệt dùng biện pháp kỹ thuật khơng chưa đủ mà phải sử dụng hỗn hợp mơi chất lạnh có tính chất nhiệt động cần thiết để cân nhiệt dung riêng dịng mơi chất, giảm tổn thất execgi tăng độ hồn thiện chu trình - Việc hồn thiện chu trình lạnh cấp nhiệt độ sôi - 65oC phải đảm bảo áp suất thấp cao áp suất khí quyển, tỷ số nén không 9, nhiệt độ cuối tầm nén không 100oC Với điều kiện mơi chất lạnh thoả mãn, việc hồn thiện chu trình pha chế hỗn hợp mơi chất lạnh có tính chất phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] Nguyễn Đức Lợi (2014), Giáo trình kỹ thuật lạnh, Nxb Bách Khoa Hà Nội Phạm Văn Tùy (2005), Phương pháp tính tốn phân tích hiệu hệ thống lạnh, Nxb KH KT Hà Nội Bùi Hải (2008), Exergivà Phương pháp phân tích exergi, Nxb Bách Khoa - Hà Nội Abstract Influence of refrigerant on a perfect refrigeration cycle Thermodynamic properties of refrigerant really influence on a perfect refrigeration cycle The lower the evaporation temperature is, the higher the compression ratio becomes, the higher the compressor's discharge temperature and more exergy loss, the differences between actual refrigeration cycle and Carnot cycle are more and more The calculated results show that largest exergy loss occurs in the process of condensation and then to the compression process, the throttle process, the evaporation and finally, the process of heat recovery Exergy loss of the heat recovery process is lower but the heat recovery process increases the perfect of the cycle Therefore, the low temperature refrigeration cycles need to have some heat recovery equipment Without technical losses, the maximum level of perfection of refrigeration cycle using refrigerant R134a, R22, R404A, R410A is about 0,42 Key words: perfect refrigeration cycle, exergy loss, refrigerant ... 0,8 Môi chất lạnh sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng tính chất nhiệt động đến độ hồn thiện chu trình mơi chất lạnh thơng dụng R134a, R22, R404A R410A Các thông số trạng thái môi chất - điểm nút chu. .. trình nhiệt động khả sử dụng lượng chu trình lạnh Nhiệt độ bay thấp, chu trình lạnh lệch chu? ??n so với chu trình Cácnơ - Tổn thất execgi lớn nằm trình ngưng tụ đến trình nén, trình tiết lưu, trình. .. hồn thiện chu trình tích hệ số lạnh kiện nhiệt độ Cácnô, nhiệt độ bay giảm, hệ số lạnh giảm kiện nhiệt độ Cácnô lại tăng ngược lại Với môi chất khác độ hồn thiện chu trình khác nhau, chu trình sử