Bài viết tiến hành nghiên cứu dùng môi chất lạnh R134a cho hệ thống lạnh, dùng thiết bị quá lạnh, tiến hành tính toán phân tích lý thuyết. Đưa ra được kết quả tính toán và các thông số ảnh hưởng đến hệ số làm lạnh của hệ thống lạnh.
Hồng Thành Đạt, Hồ Trần Anh Ngọc 28 TÍNH TỐN PHÂN TÍCH Q TRÌNH Q LẠNH ĐỐI VỚI HỆ THỐNG LẠNH CALCULATING AND ANALYSING SUB-COOLING OF REFRIGERATION SYSTEM Hoàng Thành Đạt, Hồ Trần Anh Ngọc Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng; hoangthanhdat1976@gmail.com, anhngoctr@yahoo.com Tóm tắt - Môi chất trạng thái lỏng cao áp sau khỏi thiết bị ngưng tụ trước vào hệ thống tiết lưu làm lạnh giảm nhiệt độ gọi trình lạnh Độ chênh lệch nhiệt độ bão hòa cao áp với lỏng chưa sôi sau ngưng tụ tiếp tục làm mát gọi độ lạnh Quá lạnh lỏng sau ngưng tụ nhằm làm giảm tổn thất trước van tiết lưu tăng công suất lạnh, dẫn đến hệ số làm lạnh tăng Với nội dung này, ta sử dụng định luật nhiệt động để tính tốn lý thuyết, phân tích cụ thể cho trường hợp mơi chất lạnh R134a với ảnh hưởng độ lạnh đến công suất lạnh hệ thống, hệ số làm lạnh COP, cơng tiêu tốn cho chu trình, ảnh hưởng nhiệt độ bay – nhiệt độ ngưng tụ q lạnh, từ kết tính tốn đưa đồ thị so sánh Abstract - When the liquid is in high-pressure liquid state after exiting the condenser and before entering the cooled condenser, the temperature is reduced to a very cold process The difference between the saturated temperature and the extremely cold temperature of a highpressure liquid is called the degree of cooling Sub cooling after condensation to reduce throttling losses and increase chiller capacity results in increased cooling coefficient With this content, we use the law of thermodynamics for theoretical calculations and specific analysis of the case of refrigerant R134a with influence of sub cooling on the refrigeration capacity and COP cooling coefficient The cost of the cycle, the effects of evaporative temperature - the condensation temperature for the cold from the results of the computation are shown in comparable graphs Từ khóa - độ lạnh; hệ thống lạnh; môi chất lạnh; ngưng tụ; COP Key words - sub-cooling; refrigeration system; refrigerant; condenser; COP Đặt vấn đề Điều hịa khơng khí tiêu hao lượng lớn cơng trình kiến trúc, chiếm gần 60% tổng lượng tiêu thụ [1] Như vậy, điều chỉnh hệ thống tổ hợp máy điều hòa, độ chênh nhiệt độ lớn ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống lạnh Đồng thời, để đáp ứng phụ tải nhiệt máy nén phải thường xuyên hoạt động điều kiện phụ tải nhiệt lớn, tiêu hao lượng lớn，hệ thống làm việc điều kiện nặng nề Vì vậy, việc giảm độ chênh nhiệt độ phần nóng phần lạnh, cụ thể giảm nhiệt độ môi chất cao áp sau khỏi thiết bị ngưng tụ phương pháp lạnh nâng cao hiệu suất hệ thống lạnh [2] Những năm gần đây, ngồi nước có nhiều cơng trình nghiên cứu hệ thống lạnh nén nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống lạnh Kỹ thuật lạnh ứng dụng phổ biến nhiệt độ trung bình thấp nhằm tiết kiệm lượng cho hệ thống lạnh Một số phương pháp thường dùng để lạnh sau: Dùng nhiệt độ môi trường để lạnh, trao đổi nhiệt với đường hút máy nén để tiến hành lạnh, cải tạo hệ thống cách lắp thêm phận trao đổi nhiệt để tạo lạnh, dùng thiết bị trao đổi nhiệt để lạnh [3] Một số kết kết luận quan trọng đưa sau tính toán nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống lạnh, đạt hiệu cao, góp phần tiết kiệm lượng Ở báo này, tác giả chủ yếu nghiên cứu dùng môi chất lạnh R134a cho hệ thống lạnh, dùng thiết bị q lạnh, tiến hành tính tốn phân tích lý thuyết Đưa kết tính tốn thơng số ảnh hưởng đến hệ số làm lạnh hệ thống lạnh Sơ đồ nguyên lý đồ lgp-h hệ thống lạnh Hình thể sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh hệ thống lạnh Biểu diễn chu trình hệ thống lạnh cấp, chu trình ta có sử dụng thiết bị lạnh, hệ thống bao gồm thiết bị sau đây: I - Máy nén lạnh; II - Thiết bị ngưng tụ; III -Thiết bị lạnh; IV - Thiết bị tiết lưu; V - Thiết bị bay lgp II I III 4' V IV Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt có lạnh/ nhiệt lgp Pk Tk 4' P0 T0 5' h Hình Đồ thị lgp–h hệ thống lạnh có q lạnh ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN Hình gồm trình: 1-2 - q trình nén đoạn nhiệt mơi chất lạnh máy nén lạnh, 2-4 - trình ngưng tụ đẳng áp đẳng nhiệt thiết bị ngưng tụ, 4-4’ - trình lạnh thiết bị lạnh, 4’-5 - trình tiết lưu đoạn nhiệt đẳng enthalpy thiết bị tiết lưu, 5-1 - trình bay đẳng áp đẳng nhiệt thiết bị bay Tính tốn phân tích q trình q lạnh Trên đồ thị lgp-h ta có chu trình 1-2-4-5-1 khơng có q lạnh, chu trình 1-2-4’-5’-1 có q lạnh, dựa vào định luật nhiệt động ta tính sau: (1) Chu trình khơng có q lạnh: Đơn vị khối lượng lạnh riêng: q0 h1 h5 =h1 h4 (1) Đơn vị khối lượng lạnh thể tích: qzv (h1 h5 )/v1 =q0 / v1 (2) Công nén lý thuyết: W0 h2 h1 (3) Công nén thị: Wi W0 / i (4) Đơn vị phụ tải nhiệt thiết bị ngưng tụ: qk h2 h4 (5) COP0 COP thị: COPi q0-sub / Wi So với vịng tuần hồn khơng có q lạnh vịng tuần hồn q lạnh có cơng suất lạnh tăng lên: m0 h5 h5' ; COP tăng lên: q0 h1 h5 W0 h2 h1 q0 Tuần hoàn lý thuyết h1 - h5 Tuần hồn có q lạnh h1 - h5’ Ảnh hưởng lạnh Tăng lên qzv (h1 - h5)/v1 (h1 - h5’)/v1 Tăng lên Công thị h2 - h1 h2 - h1 Khơng đổi Tuần hồn Tk=40℃ Tk=50℃ 9.8 (7) Tăng lên Tk=45℃ Tk=55℃ 8.8 7.8 COPsub (2) Chu trình có q lạnh: Đơn vị khối lượng lạnh riêng: q0-sub h1 h5' =h1 h4 ' (8) Đơn vị khối lượng lạnh thể tích: qzv (h1 h5' )/v1 =q0-sub / v1 6.8 5.8 4.8 (9) 3.8 Công lý thuyết: Wsub W0 h2 h1 (10) Công thị: Wi W0 / i (11) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Độ lạnh (℃) Đơn vị phụ tải nhiệt thiết bị ngưng tụ: qk -sub h2 h4 + h4 h4’ (12) Đơn vị phụ tải nhiệt thiết bị lạnh: qgl h4 h4’ (13) Hệ số làm lạnh chu trình COP: COPsub lý thuyết: q h h COPsub 0-sub 5' W0 h2 h1 h2 h1 (h1 - h5)/(h2 - h1) (h1 - h5’)/(h2 - h1) Ảnh hưởng trình lạnh hệ thống Để thuận tiện cho việc tính tốn ta giả định: 1) Hệ thống hoạt động với thông số ổn định 2) Nhiệt độ ngưng tụ chọn khoảng 40~55℃, nhiệt độ bay khoảng -10~5℃ 3) Khơng tính tổn thất nhiệt, tổn thất lưu động tổn thất trao đổi nhiệt với môi trường đường ống 4) Hiệu suất làm việc máy nén 0,8, độ lạnh hút 5℃ 4.1 Độ lạnh ảnh hưởng đến hệ số COPsub Wi h1 h5 + h5 h5' (15) (6) COP thị: COPi q0 = h4 h4' h2 h1 Bảng Tính tuần hồn COP Hệ số làm lạnh chu trình COP: COP lý thuyết: 29 =COP0 h5 h5' h2 h1 (14) Hình T0 = 5℃, mối quan hệ độ lạnh với COPsub Hình thể hệ số làm lạnh COPsub với độ lạnh nhiệt độ bay T0 = 5℃ Tùy theo nhiệt độ ngưng tụ tăng cao, hệ số làm lạnh COPsub giảm xuống, độ lạnh tăng lên COPsub tăng lên Ở nhiệt độ lạnh từ Δt = 0℃ tăng lên Δt = 50℃, nhiệt độ ngưng tụ tương ứng 40℃, 45℃, 50℃, 55℃ COPsub tăng lên tương ứng là: 3,1; 2,8; 2,6; 2,4, tăng lên trung bình 52,78% 4.2 Độ lạnh ảnh hưởng đến qsub với nhiệt độ ngưng tụ thay đổi Hình biểu thị mối quan hệ độ lạnh công suất lạnh hệ thống Kết thể độ q lạnh tăng 1℃ cơng suất lạnh hệ thống tăng trung bình 1,06% Độ lạnh có chênh lệch nhiệt độ từ: Δt = 0℃ đến Δt = 50℃, nhiệt độ ngưng tụ tương ứng 40℃, 45℃, 50℃, 55℃ qsub tăng lên tương ứng là: 69,7kJ/kg, 70,5 Hoàng Thành Đạt, Hồ Trần Anh Ngọc 30 220 Tk=40℃ Tk=45℃ Tk=50℃ Tk=55℃ 210 200 190 qsub kJ/kg) 180 170 160 150 140 130 120 10 15 20 25 30 35 Độ lạnh (℃) 40 45 50 Hình T0 = 5℃, mối quan hệ độ lạnh với công suất lạnh hệ thống 4.3 Độ lạnh ảnh hưởng đến COPsub nhiệt độ bay thay đổi Từ Hình ta nhận thấy rằng, nhiệt độ bay độ lạnh tăng lên, dẫn đến hệ số COPsub tăng cao Ở độ lạnh từ Δt = 0℃ tăng đến Δt = 50℃, nhiệt độ bay từ 5℃,0℃，-5℃,-10℃ hệ số COPsub tăng lên tương ứng 3,1;2,7;2,3;2,1; trung bình tăng lên 49,36% 9.8 Kết Hình biểu diễn ảnh hưởng độ lạnh đến công suất lạnh, 1℃, độ lạnh tăng lên cơng suất lạnh tăng lên trung bình 0,99% 4.4 Ảnh hưởng nhiệt độ bay đến hệ số COPsub 4.4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ bay đến hệ số COPsub với độ lạnh khác Tính cho mơi chất R134a, với thông số không thay đổi, độ lạnh chọn (0~8)℃ Vẫn tính cho nhiệt độ ngưng tụ 40℃, độ lạnh Δt phân biệt 0℃, 2℃, 4℃, 6℃, 8℃, kết tính tốn thể Hình sau: Hình thể mối quan hệ COPsub thay đổi nhiệt độ bay biến đổi độ lạnh Tùy theo tăng lên nhiệt độ bay mà COPsub tăng lên rõ rệt Ở nhiệt độ bay -10℃, -2℃, 6℃, độ lạnh tăng lên 1℃ COPsub tăng lên trung bình tương ứng là: 1,08%, 1,04%, 1,01% Có thể kết luận, nhiệt độ bay thấp ảnh hưởng độ lạnh COPsub có chiều hướng tăng lên nhanh hơn; nhiệt độ bay tăng lên COPsub tăng lên 7.3 6.3 To=5℃ To=-5℃ 5.3 4.3 To=-10℃ 3.8 7.8 COPsub 5.8 4.8 To=0℃ 8.8 △t=0℃ △t=2℃ △t=4℃ △t=6℃ △t=8℃ 6.8 COPsub kJ/kg, 71,6 kJ/kg, 72,7kJ/kg, trung bình 53,24% Cùng với độ lạnh, nhiệt độ ngưng tụ từ 40℃ tăng đến 55℃ lúc qsub liên tục tăng lên: -10 -8 -6 6.8 -4 -2 Nhiệt độ bay (℃) Hình Quan hệ COPsub nhiệt độ T0 độ lạnh thay đổi 5.8 4.8 3.8 10 15 20 25 30 35 Độ lạnh (℃) 40 45 50 Hình Tk=40℃, thể quan hệ độ lạnh COPsub T0 thay đổi * Độ lạnh ảnh hưởng đến qsub nhiệt độ bay thay đổi 4.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ bay đến qsub với độ lạnh khác Từ Hình ta nhận thấy, nhiệt độ bay tăng lên qsub tăng lên, nhiệt độ bay tăng lên 1℃ đơn vị lạnh khối lượng tăng lên trung bình 0,41% Cùng với tăng nhiệt độ bay hơi, độ q lạnh tăng lên cơng suất lạnh hệ thống tăng, nhiên tốc độ tăng không thay đổi 160 △t=0℃ △t=4℃ 220 210 △t=2℃ △t=6℃ 155 qsub(kJ/kg 190 180 To=5℃ 170 To=0℃ 160 To=-5℃ 150 To=-10℃ 140 qsub (kJ/kg) 200 150 145 140 135 -10 130 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Độ lạnh (℃) Hình Tk=40℃, biểu thị mối quan hệ qsub với độ lạnh T0 thay đổi -8 -6 -4 -2 Nhiệt độ bay (℃) Hình Quan hệ T0 công suất lạnh độ nhiệt thay đổi ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 34 △t=0℃ 32 △t=2℃ 158 Wsub(kJ/kg) △t=6℃ 143 △t=8℃ 138 133 123 118 △t=6℃ 40 22 20 -6 -4 -2 Hình Quan hệ cơng lý thuyết T0 với thay đổi độ lạnh △t=0℃ 7.0 △t=2℃ 6.5 △t=4℃ △t=6℃ △t=8℃ 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 40 42 44 46 48 50 52 54 Nhiệt độ ngưng tụ (℃) 56 Hình 10 Mối quan hệ COPsub Tk với thay đổi độ lạnh 4.5.2 Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ đến qsub với độ lạnh thay đổi Từ Hình 11 ta nhận thấy, nhiệt độ ngưng tụ tăng lên cơng suất lạnh hệ thống giảm xuống trung bình 1% Nhiệt độ ngưng tụ từ 40℃ đến 56℃ đơn vị lạnh khối lượng riêng giảm trung bình từ - 1,3% Đồng thời nhiệt độ ngưng tụ cao cơng suất lạnh giảm nhanh 34 △t=0℃ 32 △t=2℃ 48 50 52 54 56 △t=4℃ 30 Wsub(kJ/kg) 4.5 Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ đến hệ số COPsub 4.5.1 Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ đến hệ số COP sub với độ nhiệt thay đổi Nhiệt độ bay T0 = 5℃, chọn độ lạnh △t: 0℃, 2℃, 4℃, 6℃, 8℃ Tính tốn phân tích nhiệt độ khỏi thiết bị ngưng tụ COPsub Từ Hình 10 ta nhận thấy nhiệt độ ngưng tụ tăng lên COPsub giảm xuống Ở nhiệt độ ngưng tụ từ 40℃ đến 48℃ COPsub giảm xuống trung bình 23%, nhiệt độ ngưng tụ từ 48℃ đến 56℃ COPsub giảm xuống trung bình 21% Nhiệt độ ngưng tụ thấp COPsub cao, đồng thời tốc độ COPsub tăng nhanh 6.0 46 4.5.3 Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ đến Wsub với độ lạnh thay đổi Từ Hình 12 ta nhận thấy nhiệt độ ngưng tụ tăng lên cơng lý thuyết vịng tuần hồn tăng lên Độ lạnh tăng lên không ảnh hưởng đến công nén Nhiệt độ bay (℃) 7.5 44 Hình 11 Quan hệ Tk qsub với thay đổi độ lạnh 26 -8 42 Nhiệt độ ngưng tụ (℃) △t=8℃ 24 COPsup 148 128 30 -10 △t=2℃ △t=4℃ △t=4℃ 28 △t=0℃ 153 qsub (kJ/kg) 4.4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ bay đến công lý thuyết Wsub với độ lạnh khác Từ Hình ta nhận thấy nhiệt độ bay tăng lên cơng lý thuyết giảm xuống rõ rệt Nhiệt độ bay tăng lên 1℃ cơng giảm xuống trung bình 2,07% Độ lạnh tăng lên không ảnh hưởng đến tăng lên hay giảm xuống công 31 △t=6℃ △t=8℃ 28 26 24 22 20 40 42 44 46 48 50 52 Nhiệt độ ngưng tụ (℃) 54 56 Hình 12 Quan hệ nhiệt độ ngưng tụ công nén với thay đổi độ lạnh Kết luận 1）Quá lạnh lỏng cao áp trước vào tiết lưu nâng cao hệ số làm lạnh COPsub chu trình 2) Ở nhiệt độ bay cao ảnh hưởng độ lạnh COPsub lớn hơn, đồng thời nhiệt độ ngưng tụ cao, lỏng cao áp lạnh giúp nâng cao hệ số làm lạnh chu trình cách rõ rệt 3) Các kết tính tốn cho thấy q trình q lạnh lỏng khơng ảnh hưởng đến cơng nén chu trình 4) Đối với hệ thống có q lạnh, nâng cao hệ số làm lạnh chu trình thực việc tiết kiệm lượng cho hệ thống lạnh, góp phần bảo vệ mơi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abdel-Nahi D Y, Zubair, S M, Abdelrehman, et al., Regression analysis of a residentian air conditioning energy consumption at Dahahran, Saudi Arabia, ASHRAE Transactions 199, 96, pp 223-232 [2] Qureshi B A, Zubair S M., “Mechanical sub - Cooling vapor compression system - Current status and future direction”, International journal of Refrigeration [J], 2013 [3] Bila Ahmed Qureshi, Syed M Zubair., “The effect of refrigerant combinations on performance of a vapor compression refrigeration system with dedicated mechanical sub – cooling”, International journal of Refrigeration [J], 35, 2012, pp 47-57 [4] Đinh Văn Thuận, Võ Chí Chính, Hệ thống máy thiết bị lạnh, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004 (BBT nhận bài: 02/10/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 24/10/2017) ... cao áp lạnh giúp nâng cao hệ số làm lạnh chu trình cách rõ rệt 3) Các kết tính tốn cho thấy q trình q lạnh lỏng khơng ảnh hưởng đến cơng nén chu trình 4) Đối với hệ thống có lạnh, nâng cao hệ số... Độ lạnh ảnh hưởng đến qsub với nhiệt độ ngưng tụ thay đổi Hình biểu thị mối quan hệ độ lạnh công suất lạnh hệ thống Kết thể độ lạnh tăng 1℃ cơng suất lạnh hệ thống tăng trung bình 1,06% Độ q lạnh. .. h1 Bảng Tính tuần hồn COP Hệ số làm lạnh chu trình COP: COP lý thuyết: 29 =COP0 h5 h5' h2 h1 (14) Hình T0 = 5℃, mối quan hệ độ lạnh với COPsub Hình thể hệ số làm lạnh COPsub với độ lạnh nhiệt