Nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ bay hơi trong máy lạnh ghép tầng r32 CO2

Nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ bay hơi trong máy lạnh ghép tầng r32 CO2 Nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ bay hơi trong máy lạnh ghép tầng r32 CO2 Nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ bay hơi trong máy lạnh ghép tầng r32 CO2

TÓM TẮT Đề tài tổng quan nghiên cứu liên quan từ đưa hướng nghiên cứu lĩnh vực máy lạnh ghép tầng, cụ thể: “Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt thiết bị Ngưng tụ - Bay máy lạnh ghép tầng R32 – CO2” Tác giả tính tốn, thiết kế chế tạo mơ hình thực nghiệm, tiến hành đo đạc phân tích thực nghiệm từ cho kết sau: - Nhiệt độ buồng lạnh dàn bay CO2 đạt giá trị âm sâu so với mức yêu cầu thiết kế –20 0C (thực tế đạt –25 0C) - Nhiệt độ môi trường thay đổi làm thay đổi đến thông số hệ thống như: điểm nút chu trình, độ chênh lệch nhiệt độ trung bình Logarits, nhiệt lượng trao đổi nhiệt ghép tầng (thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi), cơng suất điện máy nén,… Điển hình, nhiệt độ môi trường thay đổi từ 32,3 – 33,5 0C nhiệt lượng trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay thay đổi giá trị từ 1546,2 W đến 1899 W (Qcascade có giá trị thay đổi theo chiều hướng tăng dần) Tại nhiệt độ 33 0C thực nghiệm cho giá trị Qcascade = 1826,5 W (lý thuyết 1803 W) phù hợp với lý thuyết tính toán hệ thống Sự phân bố nhiệt độ điểm nút chu trình CO2 R32 phù hợp lý thuyết với thực nghiệm Sự chênh lệch nhiệt độ vào khỏi ống trao đổi nhiệt dàn Ngưng Tụ - Bay CO2 tính tốn lý thuyết thực nghiệm khơng nhiều Điển hình, nhiệt độ đầu vào chênh lệch 0,9 0C (lý thuyết 45 0C; thực nghiệm đo 44,1 0C) nhiệt độ đầu chênh lệch 0,4 0C (lý thuyết 10 0C; thực nghiệm đo 9,6 0C) Tuy nhiên, hệ thống có tổn thất áp suất đường ống, máy nén,… Điều dẫn đến chênh lệch áp suất điểm nút chu trình CO2 lý thuyết với thực nghiệm khoảng giá trị từ 0,4 bar đến bar Các kết góp phần quan trọng cho q trình tính toán, thiết kế thiết bị ghép tầng sử dụng môi chất CO2 kết hợp với môi chất lạnh khác Đồng thời nghiên cứu cho cách nhìn tổng quan máy lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2 nhiệt độ tới hạn ix ABSTRACT The thesis has reviewed related studies from which to introduce new research directions in the field of cascade refrigeration systems, namely: “Study on the heat transfer characteristics of the cascade heat exchanger in a R32/CO2 refrigeration system” The author has calculated, designed and manufactured experimental models, conducted measurement and experimental analysis The main results can be summarized as follows: - The cold room temperature has reached lower than the design temperature –20°C (actually reached –25 °C) - The changing ambient temperature with has changed system parameters such as the thermodynamic point, the log mean temperature difference, the heat transfer rate of casade heat exchanger (Condenser – Evaporator), the compressor power input, etc When the ambient temperature changes from 32,3 0C to 33,5 0C, the heat transfer rate of the cascade heat exchanger also changes the value from 1546,2 W to 1899 W At an experimental temperature of 33 °C, the Qcascade value of 1826,5 W (theoretically 1803 W) is consistent with the system theory The temperature distributions of the thermodynamic points of the CO2 and R32 cycles are quite consistent between theory and experiment The CO2 temperature difference between the inlet and the outlet of the cascade heat exchanger by theoretical and experimental methods is not much Typically, the inlet temperature difference is 0,9 0C (the theoretical value is 45 0C compared to the experimental value of 44,1 0C) and outlet temperature difference 0,4 0C (the theoretical value is 10 0C compared to the experimental value of 9,6 0C) However, the refrigeration system has the pressure drop in the pipeline, in the compressor, etc It is leading to the pressure difference of the CO2 cycle between theory and experiment in the range from 0,4 bar to bar The above results have contributed significantly to the calculation and design of the cascade refrigeration system using CO2 and another refrigerant At the same x time, the study also gives the most general overview of the cascade refrigeration system using CO2 at sub-critical temperatures xi MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài nghiên cứu .1 1.2 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu .2 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước: 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước: 1.3 Mục tiêu nghiên cứu: 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu giới hạn đề tài 10 1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu 10 1.4.2 Giới hạn đề tài 10 1.5 Phương pháp nghiên cứu 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Môi chất tải lạnh .11 2.1.1 Môi chất CO2 .11 2.1.2 Môi chất R32 .15 2.2 Lý thuyết máy lạnh ghép tầng 17 2.2.1 Chu trình máy lạnh ghép tầng 17 2.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống 19 2.3 Lý thuyết truyền nhiệt 20 2.3.1 Phương trình cân nhiệt 21 2.3.2.Phương trình truyền nhiệt .21 2.3.3.Độ chênh nhiệt độ trung bình thiết bị trao đổi nhiệt 22 2.3.4 Phương pháp hiệu suất (phương pháp NTU) .22 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM 25 3.1 Tính tốn thiết kế hệ thống máy lạnh ghép tầng 25 xii 3.1.1 Tính tốn tầng thấp môi chất CO2 .28 3.1.2 Tính tốn tầng cao mơi chất R32 33 3.1.3 Tính COP .38 3.1.4 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt Ngưng tụ – Bay R32 – CO2 38 3.2 Thiết lập thực nghiệm: .42 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý 42 3.2.2 Mơ hình thiết bị thực tế: 43 3.2.3 Các thiết bị đo sử dụng: 47 3.3 Quy trình vận hành 49 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 52 4.1 Phân tích thực nghiệm số liệu tầng thấp sử dụng môi chất CO2 54 4.1.1 Sự phân bố nhiệt độ điểm nút chu trình lý thuyết thực nghiệm: .55 4.1.2 Sự chênh lệch áp suất điểm nút chu trình lý thuyết với thực nghiệm: 57 4.2 Tính tốn thực tế tầng cao sử dụng môi chất R32 58 4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến thông số trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay hơi: 61 4.4 Hệ số COP thực nghiệm .65 4.5 So sánh kết sau chạy thực nghiệm 65 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 5.1 Kết luận 67 5.2 Kiến nghị 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 1: ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG ĐẾN CÔNG SUẤT MÁY NÉN 75 PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH NHIỆT ĐỘ PHÒNG LẠNH THU ĐƯỢC 77 xiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT F : Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, [m2 ] f : Diện tích tiết diện ngang, [m2 ] k : Hệ số truyền nhiệt, [W/m2 độ] l : Công nén riêng, [kJ/kg] G : Lưu lượng khối lượng, [kg/s] ρ : Khối lượng riêng, [kg/m3] P : Áp suất, [Pa] q : Mật độ dòng nhiệt, [W/m2] Q : Nhiệt lượng truyền qua thiết bị, [W] q0 : Năng suất lạnh riêng, [kJ/kg] T : Nhiệt độ Kelvin, [K] t : Nhiệt độ Celsius, [0C] v : Thể tích riêng, [m3/kg] V : Thể tích, [m3] h : Entanpi, [kJ/kg] s : Entropi, [kJ/kg.K] α : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu, [W/m2 độ] δ : Bề dày lớp vật liệu, [m] η : Hiệu suất, [%] π : Tỷ số nén  : Hệ số lạnh chu trình  : Hệ số dẫn nhiệt, [W/m.K] ∆t : Độ chênh lệch nhiệt độ, [0C] t : Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, [ 0C] xiv 𝐍dc : COP : GWP : Chỉ số làm Trái Đất nóng lên tồn cầu ODP : Chỉ số phá hủy tầng Ozone CFC : HCFC: Hydrochlorofluorocarbon (CHLOROFLUOROCARBON) Công suất điện động cơ, [kW] (Coeffcient Of Performance) hệ số hiệu lượng Hydrofluorocarbon HFC xv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Mơ tả cấu tạo CO2[34]…………………………………………… 11 Hình 2.2: Đồ thị trạng thái CO2[34]……………………………………….… 12 Hình 2.3: đồ thị lgp - h R744 (carbon dioxide) [46].…………………….…14 Hình 2.4: Đặc tính áp suất - nhiệt độ số môi chất [41]…………….… 14 Hình 2.5: Hướng phát triển mơi chất lạnh [37]……………………………… 16 Hình 2.6: Sơ đồ máy lạnh ghép tầng………………………………………………17 Hình 2.7: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống………………………………20 Hình 2.8: Sự biến thiên nhiệt độ chất lỏng nóng lạnh lưu động song song chiều ngược chiều với đương lượng nước khác nhau[44]…… ………… 22 Hình 2.9: Quan hệ η=ƒ ( Cmin/Cmax , NTU) dạng sơ đồ lưu động[44] .24 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh ghép tầng R32 – CO2…………… 25 Hình 3.2: Đồ thị lg p – h chu trình tầng thấp CO2 (LT)………………………29 Hình 3.3: Các thơng số kênh Micro……………………………………………….33 Hình 3.4: Đồ thị lg p-h chu trình tầng cao R32 (LT)………………………….35 Hình 3.5: Sơ đồ trình trao đổi nhiệt thiết bị Ngưng tụ – Bay hơi………… 38 Hình 3.6: Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống…………………………………….41 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống lạnh ghép tầng R32 – CO2……….42 Hình 3.8: Hình ảnh hệ thống máy lạnh ghép tầng R32 – CO2…………………….43 Hình 3.9: Máy nén CO2 cơng suất 3/5 HP……………………………………… 44 Hình 3.10: Thiết bị bay dạng Microchanel (kênh Micro)…………………… 45 Hình 3.11: Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt khơng khí………………………… 46 Hình 3.12: Van tiết lưu tay……………………………………………………… 46 Hình 3.13: Thiết bị đo nhiệt độ aruno…………………………………………… 47 Hình 3.14: Thiết bị đo nhiệt độ thường……………………………………………47 xvi Hình 3.15: Đồng hồ hiển thị nhiệt độ, độ ẩm mơi trường…………………………48 Hình 3.16: Đồng hồ áp suất R32………………………………………………… 48 Hình 3.17: Đồng hồ áp suất CO2………………………………………………… 49 Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống máy lạnh ghép tầng R32 – CO2… 50 Hình 4.1: Đồ thị lg p – h chu trình tầng thấp dùng CO2………………………55 Hình 4.2: Sự phân bố nhiệt độ điểm nút chu trình tầng thấp CO2……… 56 Hình 4.3: Sự phân bố áp suất điểm nút chu trình tầng thấp CO2 …………57 Hình 4.4: Đồ thị lg p – h chu trình tầng cao R32………………………………58 Hình 4.5: Sự phân bố nhiệt độ điểm nút chu trình tầng cao R32……… 59 Hình 4.6: Sự phân bố áp suất điểm nút chu trình tầng cao R32…………… 60 Hình 4.7: Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ điểm nút trao đổi nhiệt ngưng tụ – bay hơi…………………………………………………………….63 Hình 4.8: Ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường đến độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarits nhiệt lượng trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay (Qcascade)…………….64 Hình 4.9: Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến công suất điện máy nén môi chất CO2, R32………………………………………………………………………76 Hình 4.10: Nhiệt độ phịng lạnh CO2…………………………………………… 77 xvii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Đặc tính nhiệt động CO2, NH3 R22 [35]….………………………13 Bảng 3.1: Thơng số trạng thái chu trình tầng thấp mơi chất CO2 (LT)…… 29 Bảng 3.2: Hệ số tỏa nhiệt CO2 khơng khí[47].………………………….…32 Bảng 3.3: Thơng số chiều dày ống hệ số dẫn nhiệt dàn bay Micro[47]……32 Bảng 3.4: Thơng số trạng thái chu trình tầng cao dùng R32 (LT)…………….34 Bảng 3.5: Các dụng cụ đo, khoảng đo độ xác thiết bị đo…………….49 Bảng 4.1: Một số kết thực nghiệm hệ thống lạnh môi chất CO2…………… 52 Bảng 4.2: Một số kết thực nghiệm hệ thống lạnh môi chất R32…………… 53 Bảng 4.3: Thơng số trạng thái chu trình tầng thấp CO2……………………….55 Bảng 4.4: Thông số trạng thái chu trình tầng cao dùng R32………………….58 Bảng 4.5: Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến thông số trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay hơi………………………………………………………………….62 Bảng 4.6: So sánh kết sau chạy thực nghiệm………… ………… … 65 Bảng 4.7: Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến công suất điện máy nén CO2 , máy nén R32 …………………………………………… ………………………75 xviii [28] H.M Getu, P.K Bansal Thermodynamic analysis of an R744–R717 cascaderefrigeration system Journal homepage: www.elsevier.com/locate/ijrefrig, international journal o frefrigeration 31 (2008) 45 – 54 [29] Alessandro da Silva, Enio Pedone Bandarra Filho, Arthur Heleno Pontes Antunes Comparison of a R744 cascade refrigeration system with R404A and R22 conventional systems for supermarkets Journal homepage: www.elsevier.com/locate/apthermeng, Applied Thermal Engineering 41 (2012) 3035 [30] Qianmei Fua, Jing Dinga, Jiewei Laoa, Wenjun Xie, Weilong Wanga, Jianfeng Lua Numerical Simulation of Heat Transfer Performance between Molten Salt and Supercritical CO2 in Double-pipe Heat Exchanger.10th International Conference on Applied Energy (ICAE2018), 22-25 August 2018, Hong Kong, China, Energy Procedia 158 (2019) 5741–5746 [31] http://www.saythanghoa.asia/du-an/1739-nghien-cuu-che-tao-he-thong-may- lanh-ghep-tang [32] Nguyễn Tấn Dũng, Võ Minh Tâm, Trần Văn Sỹ, Lê Thanh Phong Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống máy lạnh ghép tầng công nghiệp Thư viện Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2004 [33] Hồng Ngọc Đồng; Nguyễn Thành Văn; Lê Minh Trí Nghiên cứu ứng dụng máy lạnh ghép tầng kỹ thuật bảo quản máu chế phẩm từ máu Tạp chí Khoa học Công nghệ ĐHĐN, Số 01(86).2015, trang 12 [34] https://vi.wikipedia.org/wiki/Cacbon_%C4%91i%C3%B4x%C3%ADt [35] https://thietkehethonglanh.com/may-lanh-ghep-tang-NH3/CO2/ [36] https://hvacvn.com/moi-chat-lanh-va-co2/ [37] https://daikin.vn/cong-nghe/gioi-thieu-ga-r32 -moi-chat-the-he-moi-n479.html [38] http://imsvietnam.ac.vn/gas-r32hfc32-ns10 [39] Lê Xn Hịa Giáo trình Kỹ thuật lạnh Thư viện Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2007 73 [40] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy Kỹ thuật lạnh sở NXB Giáo dục, 2007, tr 101,141,142 [41] https://thietkehethonglanh.com/link-download-giao-trinh-may-lanh-nhieu-cap/ [42] Trần Đức Ba, Trần Thu Hà, Nguyễn Văn Tài, Đỗ Hữu Hoàng, Lê Quang Liêm Kỹ thuật lạnh đại cương NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2009, tr 123-128 [43] Hồng Đình Tín Cơ sở truyền nhiệt thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2013 [44] Hồng Đình Tín Cơ sở truyền nhiệt NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2010, tr 312-336 [45] Nguyễn Đức Lợi.Giáo trình hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2005 [46] ASHRAEHandbook-Fundamentals 2017 [47] PGS TS Đặng Thành Trung Nghiên cứu chế tạo hệ thống điều hòa khơng khí dùng thiết bị bay kênh mini môi chất lạnh CO2 nhằm tiết kiệm lượng bảo vệ môi trường, (Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp bộ), 03/2018 74 PHỤ LỤC 1: ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG ĐẾN CÔNG SUẤT MÁY NÉN Qua thiết bị đo nhiệt độ, dòng điện, điện áp…ta có bảng số liệu 4.7 mơ tả ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến công suất điện máy nén CO2 , máy nén R32 hệ thống sau: Bảng 4.7: Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến công suất điện máy nén CO2 , máy nén R32 hệ thống STT tmt (0C) ICO2 (A) IR32 (A) 𝑪𝒐𝒔 U (V) 32,3 1,9 2,1 0,78 220 320,9 360,4 32,4 1,9 2,2 0,78 220 320,9 377,5 32,4 1,9 2,2 0,78 220 320,9 377,5 32,6 1,9 2,3 0,78 220 320,9 394,7 32,7 1,9 2,4 0,78 220 320,9 411,8 32,7 2,0 2,5 0,78 220 343,2 429 32,9 2,0 2,4 0,78 220 343,2 411,8 33,0 2,0 2,4 0,78 220 343,2 411,8 33,0 2,0 2,5 0,78 220 343,2 429 10 33,1 2,0 2,5 0,78 220 343,2 429 11 33,1 2,1 2,6 0,78 220 360,4 446,2 12 33,2 2,1 2,6 0,78 220 360,4 446,2 13 33,3 2,1 2,7 0,78 220 360,4 463,3 14 33,3 2,1 2,6 0,78 220 360,4 446,2 15 33,4 2,1 2,7 0,78 220 360,4 463,3 16 33,5 2,2 2,7 0,78 220 377,5 463,3 17 33,5 2,2 2,8 0,78 220 377,5 480,5 75 PCO2 (W) PR32 (W) Từ bảng số liệu 4.7 ta có đồ thị hình 4.9 biểu diễn thay đổi công suất điện máy nén môi chất CO2, R32 theo nhiệt độ môi trường: 390,0 600,0 37… 380,0 446,2 370,0 46… 429,0 360,0 400,0 360,4 360,4 350,0 500,0 480,5 343,2 340,0 300,0 330,0 320,9 320,9 Công suát máy nén R32 (W) Công suát máy nén CO2 (W) Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến công suất máy nén R32 công suất máy nén CO2 200,0 320,0 310,0 100,0 300,0 0,0 32,3 32,4 32,4 32,6 32,7 32,7 32,9 33 33 33,1 33,1 33,2 33,3 33,3 33,4 33,5 33,5 290,0 Nhiệt độ môi trường (0C) P (CO2) P(R32) Hình 4.9: Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến công suất điện máy nén môi chất CO2, R32 Từ đồ thị 4.9 ta thấy nhiệt độ mơi trường tăng cơng suất điện máy nén có xu hướng tăng dần, cụ thể: nhiệt độ môi trường tăng từ 32,3 – 32,5 C cơng suất điện máy nén CO2 tăng từ 320,9 W đến 377,5 W, môi chất R32 tăng từ 360,4 W đến 480,5 W 76 PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH NHIỆT ĐỘ PHỊNG LẠNH THU ĐƯỢC Nhiệt độ phịng lạnh thiết kế có giá trị -200C, thực nghiệm thu lên đến giá trị -25 0C Điều cho thấy hệ thống ghép tầng đạt hiệu cao việc hạ thấp nhiệt độ phịng lạnh Hình 4.10 thể kết nhiệt độ thu dàn lạnh CO2: Hình 4.10: Nhiệt độ phịng lạnh CO2 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 ... người nghiên cứu tập trung nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt thiết bị Ngưng tụ – Bay máy lạnh ghép tầng R32 – CO2 Đặc tính truyền nhiệt nghiên cứu đề cập đến đại lượng nhiệt độ, độ chênh nhiệt. .. tầng Vì tầng máy lạnh cấp nên có đầy đủ thiết bị như: máy nén, thiết bị bay hơi, thiết bị ngưng tụ, tiết lưu thiết bị phụ phù hợp khác [40] Trong Ngưng tụ ? ?Bay hơi: toàn nhiệt thải thiết bị ngưng. .. chất lạnh R32/ CO2 Từ nghiên cứu liên quan trên, lần cho thấy việc nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt thiết bị Ngưng tụ – Bay máy lạnh ghép tầng R32 – CO2 cần thiết quan trọng 1.3 Mục tiêu nghiên cứu: