CHƯƠNG 3 : THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM
3.2. Các thiết bị trong thực nghiệm
3.2.5. Đồng hồ hiển thị áp suất
Hiển thị áp suất cần vận hành hệ thống lạnh. Mô hình thực nghiệm sử dụng 4 đồng hồ đo áp gồm đồng hồ đo áp suất hút, áp suất đầu đẩy, áp suất trước tiết lưu và áp suất sau tiết lưu. Ảnh thực các đồng hồ hiển thị được thể hiện như Hình 3.8.
Hình 3.8. Đồng hồ cảm biến áp suất 3.2.6. Đồng hồ đo nhiệt độ suất 3.2.6. Đồng hồ đo nhiệt độ
Hiển thị nhiệt độ điểm cần đo. Mô hình thực nghiệm này nhóm sử dụng 2 loại cảm biến để theo dõi và so sánh nhiệt độ. Các loại cảm biến được thể hiện như Hình 3.9.
Thiết bị đo nhiệt độ thường DS-1
- Thiết bị đo nhiệt độ với đầu dò DS-1 là thiết bị được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt
độ hệ thống lạnh.
- Các thông số kỹ thuật như sau:
Dãy nhiệt độ hoạt động: -500C ÷700C Sai số: ±10C
Thiết bị đo nhiệt độ Extech
Thiết bị đo nhiệt độ Extech loại 421509 với hai kênh đo như hình, được sử dụng trong hệ thống để đo nhiệt độ các điểm nút trong hệ thống lạnh được thể hiện trên Hình 3.10. Thiết bị có thể sử dụng được với nhiều loại cặp nhiệt khác nhau: K, J, T, E, R, S,
N.Cặp nhiệt sử dụng hiện tại trong nghiên cứu này là cặp nhiệt loại K. Khi sử dụng cặp nhiệt loại K, thiết bị có phạm vi đo từ -20 250 0C và độ chính xác: ± 0,75 % rdg.
Hình 3.10. Đồng hồ hiển thị nhiệt độ Extech
3.2.7. Thiết bị đo lưu lượng
Nhằm đảm bảo tính chính xác trong thực nghiệm, nên nhóm nghiên cứu chọn thêm bộ đo lưu lượng Turbine Flow Mater Model: DGTT 015S để lấy tín hiệu lưu lượng về đường hút máy nén được thể hiện như Hình 3.11.
Các thông số làm việc: Áp suất tối đa 100 bar
Hình 3.11. Cảm biến lưu lượng Turbine Flow Meter DGTT-015S
3.2.8. Biến tần
Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ. Trong nghiên cứu này, nhóm sử dụng thêm biến tần VFD-L 0,4 kW được thể hiện như Hình 3.12 để giúp cho việc diều chỉnh tốc độ động cơ điều khiển quạt và bơm được chính xác nhằm điều chỉnh tối ưu hóa nhiệt độ ngưng tụ môi chất dưới điểm tới hạn.
3.2.9. Cảm biến áp suất
- Cảm biến áp suất 100 Bar Sensys M5256 -C3079E- 100BG được sử dụng song song với đồng hồ đo áp suất được thể hiện như Hình 3.13 và Hình 3.14. Mục đích của việc sử dụng này là nhầm tối ưu hóa thực nghiệm, nhằm giảm sai sót trong quá trình đo
giá trị áp suất thực nghiệm so với việc sử dụng đồng hồ đo áp suất thông thường.
- Các thông số làm việc:
Pham vi đo: 0-100 bar
Thân được làm bằng vật liệu thép không gỉ Dãy nhiệt độ hoạt động: -40 – 125 0C
Hình 3.13. Cảm biến áp suất thực tế
3.2.10. Lưu tốc kế
Thiết bị đo tốc độ gió với model AVM-03 được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm này được thể hiện như Hình 3.15. Ngoài việc đo tốc độ gió, thiết bị còn được tích hợp cặp nhiệt loại K để đo nhiệt độ. Tuy nhiên trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu không sử dụng chức năng đo nhiệt độ của lưu tốc kế do dãy nhiệt độ đo của thiết bị chỉ từ 0 tới 60 0C. Lưu tốc kế đo tốc độ gió trong phạm vi từ 0,0 tới 45,0 m/s, với sai số là ± 3%.
Hình 3.15. Lưu tốc kế AVM-03
CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM4.1. Quá trình thực nghiệm 4.1. Quá trình thực nghiệm
4.1.1 Chuẩn bị thực nghiệm:
Bước 1: Kiểm tra an toàn khu vực thực nghiệm.
Bước 2: Kiểm tra nước cấp trong Cooling pad (Yêu cầu là nước phải ngập hoàn toàn ống xoắn trong thùng chứa).
Bước 3: Kiểm tra và ghi áp suất của đồng hồ đo áp suất tại các điểm. Bước 4: Kiểm tra đóng/mở các van chặn.
Bước 5: Kiểm tra van tiết lưu.
Bước 6: Kiểm tra nguồn điện cấp cho máy nén, quạt dàn làm mát, quạt dàn bay hơi, nguồn cấp cho máy tính và bộ thu và nhận dữ liệu.
4.1.2 Tiến hành thực nghiệm:
Bước 1: Bật CB cấp nguồn cho hệ thống.
Bước 2: khởi động biến tần điều khiển quạt và bơm thiết bị ngưng tụ và chỉnh tốc độ theo yêu cầu của thực nghiệm.
Bước 3: Bật quạt dàn lạnh mini.
Bước 4: Bật khởi động máy nén, bắt đầu vận hành hệ thống.
Bước 5: Đợi cho hệ thống chạy ổn định, người vận hành bắt đầu điều chỉnh van tiết lưu cho áp suất lên áp suất mong muốn (thông thường là 73 bar).
Bước 6: Đợi hệ thống chạy ổn định 15 phút ghi số liệu một lần. Sau đó tăng tốc độ quạt lên dần 2 > 2,5 > 3 > 3,5 m/s và đợi ghi lại thông số.
Bước 7: Cứ 30 phút ghi thông số thực nghiệm lại một lần.
Lưu ý: trong quá trình thực hiện thực nghiệm phải thường xuyên theo dõi và kiểm tra đồng hồ đo áp suất xem kim chỉ có tăng áp bất thường, xem mực nước trong thùng chứa tại Cooling pad qua ông thủy để đảm bảo an toàn cho hệ thống.
4.1.3 Kết thúc thực nghiệm
Bước 1: Tắt máy nén. Bước 2: Tắt máy tính.
Bước 3: Tắt quạt dàn lạnh mini .
Bước 4: Tắt biến tần điều khiển quạt và bơm nước giải nhiệt thiết bị ngưng tụ. Bước 5: Ngắt nguồn cấp cho hệ thống.
Bước 6: Dọn dẹp vệ sinh quanh khu vực thí nghiệm.
4.2. Tính toán thực nghiệm
4.2.1. Thông số thực nghiệm thu được
Kết quả thực nghiệm thu được từ ngày 17/3 đến ngày 8/6/2020. Một kết quả thực nghiệm điển hình ngày 31/5/2020 được thể hiện như Bảng 4.1.
Bảng 4.1. Bảng thông số thực nghiệm ngày 31-05-2020
CHẠY DÀN LẠNH MINI ÁP TƯỜNG - KÊNH MINI DÀI (Vận tốc gió ra dàn lạnh : v = 3 m/s) Thời P3 gian 13g30 50 13g45 73,5 14g00 73 14g15 72,5 14g30 72 14g45 71,5 15g00 71 15g15 70,5 15g30 70
Từ Bảng 4.1 (Rút ra nhận xét từ bảng) ta có thể nhận thấy nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến các trạng thái nhiệt động của dàn. Điển hình như nhiệt độ môi chất ra khỏi dàn lạnh, nhiệt độ gió ra dàn lạnh và nhiệt độ phòng lạnh.
4.2.2. Quy trình tính toán
Quá trình thực nghiệm cũng như tính toán của nhóm bao gồm 4 bước được trình bày cụ thể như sau:
Bước 1: Xác định điểm nút của chu trình:
Điểm 2: Từ điểm 1 kẻ đường song song s1 = s2 = const. Điểm cắt của đường p2 với s1=s2 chính là 2. (Trạng thái hơi quá nhiệt ra khỏi máy nén).
Điểm 3: Điểm cắt của p2 và t3 ( trạng thái thoát hơi ra khỏi thiết bị làm mát).
Điểm 4: Từ 3 kẻ đường thẳng h3 = h4 = const. Điểm cắt của p4 = p1 và đường h4 chính là điểm 4. (Trạng thái thoát hơi ẩm của môi chất sau khi qua van tiết lưu).
Bước 2: Xây dựng đồ thị từ các điểm nút của chu trình thu được xác định từ Bước 1.
Bước 3: Lập bảng thông số các điểm nút của chu trình thông qua đồ thị đã xây dựng.
Bước 4: Tính toán các thông số nhiệt động học của chu trình bao gồm: Công nén đoạn nhiệt, công suất nhiệt, năng suất lạnh và hệ số COP của chu trình.
Trong quá trình thực nghiệm nhóm đã vận hành hệ thống điều hòa không khí CO2
giải nhiệt nước và không khí với 7 trạng thái nhiệt độ môi trường với vận tốc gió không đổi 3 m/s. Nên quá trình tính toán nhóm sẽ tính hệ số COP của 7 trạng thái nhiệt độ môi trường theo thời gian để so sánh ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến năng suất lạnh và hệ số hiệu quả năng lượng COP.
Từ các thông số thu thập được từ quá trình thực nghiệm trong Bảng 4.1 ta vẽ được các đồ thị p – h của CO2 các giá trị nhiệt độ. Tương ứng với nhiệt độ 34,5oC tại thời gian 13g45 có các điểm nút của chu trình theo Bảng 4.2.
Bảng 4.2. Điểm nút của giá trị nhiệt độ t= 34.5oC
Hình 4.1. Đồ thị p-h tại giá trị nhiệt độ môi trường 34.5oC (Vào lúc 13g45 ngày 31 tháng 05 năm 2020)
Bảng 4.3. Bảng điểm nút đồ thị P-h
t=34,5oC/13g45
t=34,5oC/14g00
t=33,5oC/14g45
t=33,0oC/15g15
Bảng 4.4. Bảng thông số nhiệt động tại các điểm nút của chu trìnhh h (kJ/kg) 1 2 3 440,96 467,39 297,3 297,3 440.65 466,71 295 440.34 466,62 292,9 292,9 440,20 466,74 290,9 290,9 439,72 465,87 287,6 287,6 440,68 467,28 286 440,24 467,06 285,5 285,5 441,04 468,29 283,9 283.9
Từ Bảng 4.3 ta thấy được ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến các trạng thái nhiệt động của hệ thống điều hòa không khí CO2 giải nhiệt nước và không khí. Từ hình 4.2 đến hình 4.4, điển hình như nhiệt độ môt trường, năng suất lạnh Qo, hệ số hiệu quả năng lượng COP, mối tương quan giữa nhiệt độ môi trường với năng suất lạnh Qo và hệ số COP như sau: khi càng về chiều, nhiệt độ môi trường giảm từ 34,5oC xuống còn 32,5oC, năng suất lạnh Qo tăng theo thời gian tương ứng. Trong khi đó áp suất đẩy giảm và áp suất hút giảm do điều chình van tiết lưu theo chiều hướng giảm lưu lượng nhưng không thay đổi nhiều.
C) 0 ( độ N hi ệt
Hình 4.2. Đồ thị biểu thị sự thay đổi nhiệt độ môi trường theo thời gian
Đồ thị biểu thị sự thay đổi COP theo thời
5.9 5.8 5.7 5.6 CO P 5.5 5.4 5.3 5.2
Sự thay đổi năng suất lạnh theo thời gian (k W ) lạ nh su ất N ăn g
Hình 4.4. Đồ thị biểu thị sự thay đổi năng suất lạnh Q0 theo thời gian
Nhận xét:
Trong khoảng thời gian từ 13g45 đến 15h30 nhiệt độ môi trường tại địa điểm nghiên cứu (Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM, số 1, Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức) ngày 31 tháng 5 năm 2020 giảm từ 34,5oC xuống 32,5oC. Trong khoảng thời gian 1 tiếng 45 phút nhiệt độ giảm 2oC. Trung bình 15 phút, nhiệt độ môi trường giảm 0,29oC.
Tương ứng trong khoảng thời gian trên, hệ số hiệu quả năng lượng COP của hệ thống điều hòa không khí giải nhiệt nước và không khí tăng từ 5,437 lên 5,768. Trong vòng 1 giờ 45 phút, COP tăng 0,331, trung bình cứ mỗi 15 phút COP tăng 0,047.
Tương ứng trong khoảng thời gian trên, năng suất lạnh của hệ thống điều điều hòa không khí CO2 giải nhiệt nước và không khí tăng từ 5,17 kW lên 5,67 kW. Quá trình vận hành cho thấy, năng suất lạnh tăng 0,5kw, trung bình 15 phút, năng suất lạnh tăng 0,071 kW.
4.2.3. Tính toán chu trình
Lưu lượng môi chất qua máy nén dựa vào thông số thực tế qua bộ đo lưu lượng Turbine Flow Meter DGTT-015S :
Năng suất giải nhiệt cho G kg môi chất lạnh tại thiết bị làm mát:
Q2-3= G.(i2 – i3) = 0,0361x(476,39-297,3) = 6,140 (kJ/s) = 6140 (W) Năng suất lạnh của G kg môi chất lạnh tại thiết bị bay hơi:
Qo = G.(i1 – i4) = 0,0361x(440,96-297,3) = 5,186 (kJ/s) = 5186 (W) Hệ số COP của chu trình lạnh:
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ5.1. Kết luận 5.1. Kết luận
Bằng phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 được các kết quả chính yếu như sau:
Sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi (giải nhiệt cho hơi môi chất bằng nước và không khí) giúp chu trình nhiệt động có thể kiểm soát dưới tới hạn mà vẫn phù hợp với yêu cầu nhiệt độ đối với hệ thống điều hòa không khí.
Trong nghiên cứu này giúp cho việc phát triển hướng nghiên cứu mới của việc chạy hệ thống điều hòa không khí CO2 dưới tới hạn ở các nước vùng nhiệt đới. Khi việc chạy hệ thống điều hóa không khí CO2 dưới điểm tới hạn ít được công bố trong các nghiên cứu trước đó.
5.2. Kiến nghị
Nghiên cứu này vẫn còn một số hạn chế về thời gian, độ chính xác của thiết bị đo, các hạn chế của thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi, khi nhóm tự thiết kế và gia công nên không tránh khỏi những sai sót. Do đó, nhóm nghiên cứu rất cần sự góp ý và đánh giá của quý thầy cô để giúp đề tài được hoàn thiện hơn.
Đây là một hướng nghiên cứu mới và có khả năng ứng dụng cao trong thực tế và thân thiện môi trường như sản xuất hệ thống điều hòa không khí trung tâm Water Chiller sử dụng môi chất R744 thay cho môi chất NH3, R22...
Nhóm nghiên cứu kiến nghị các nghiên cứu sau cần làm rõ hơn ảnh huởng của tổn thất áp suất đến thiết bị ngưng tụ bằng thực nghiệm trong đề tài này, cũng như so sánh hiệu quả của năng suất lạnh, hệ số hiệu quả năng lượng giữa dàn lạnh Mini và dàn lạnh thường của các hãng sản xuất trên thị trường. Cũng như nghiên cứu điện năng tiêu thụ để tạo ra 1kW lạnh.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]Jae Seung Lee, Mo Se Kim, Min Soo Kim, Studies on the performance of a CO2
air conditioning system using an ejector as an expansion device, International Journal ofRefigeration, pages 140-152, February 2014.
[2] FangLiu, Eckhard A.Groll, DaqingLi, Modeling study of an ejector expansion
residential CO2 air conditioning system, Energy and Buildings, pages 127-136, October2012.
[3] Andrey Rozhentsev, Chi-Chuan Wang, Some design features of a CO2air conditioner, Applied Thermal Engineering, pages 871-880, June 2001.
[4] Y.B.Tao, Y.L.He, W.Q.Tao, Z.G.Wu, Experimental study on the
performance of
CO2residential air-conditioning system with an internal heat exchanger, Energy Conversion and Management, pages 64-70, January 2010.
[5] Djelloul Azzouzi, Merouane Kelkouli, Fouad Amaryoucef, Parametric study of the wire-on-tube condenser subcooling effect on the performance of vapor compression refrigeration system, Applied Thermal Engineering, pages 528 – 534,2016.
[6]Sung Chul Kim, Jong Phil Won, Min Soo Kim, Effects of operating parameter on
the performance of a CO2 air-conditioning system for vehicles, Applied Thermal Engineering, pages 2408 – 2416, August 2009.
[7] Mihir M.Hazarika, Maddali Ramgopal, Souvik BhattaCharyga, Studies on a transcirtical R744 based summer air-conditioning unit: Impact of refrigerant charge on system performance, International Journal of Refrigeration, pages 22-39, May 2018. [8] Gustavo Pottker, Pega Hrnjak,Experimental Investigation of the effect of condenser subcooling in R134a and R1234yf Air-Conditioning systems with and WithoutInternal Heat Exchanger, International Journal of Refrigeration, pages 104-113, 2015.
[9] Andrea Chesi, Fabio Esposiro, Giovanni Ferrava, Lorenzo Ferrari, Experimental analysis of R44 parallel compression cycle, Applied Energy, pages 274 – 285, 15 December 2014.
refrigeration systems,International Journal of Heat and Mass Transfer, pages 1-10, August 2015.
[11] D.Astrain, A.Merino, L.Catalan, P.Aranguren, M.Araiz, D.Sanchez, R.Cabello,
R.Lopis, Improvements in the cooling capacity and the COP of a transciritical CO2
refriegeration plant operating with a thermoelectric subcooling system, Applied Thermal Engineering, pages 110 – 122, 5 Jun 2019.
[12] Ce Cui, Xiangyu Wei, Yulong Song, Xiang Yin, Feng Cao,Xiaolin, Wang,
Experimental study on the effect of compressor frequency on the performance of a combined tran-critical CO2 system, Applied Thermal Engineering, 31 March 2020.
[13] Liang-Liang Shao, Zi-Yang Zhang, Chun-Lu Zhang, Constrained optimal high
pressure equation of CO2 transcritical cycle, Constrained optimal high pressure equation of CO2 transcritical cycle, pages 173-178, 5 January 2018.
[14] Kasra Aliyon, Mehdi Mehrpooya, Ahmad Hajinezhad, Comparison of
different
CO2 liquefaction processes and exergo economic evaluation of intergreated CO2
liquefactiontion and absorption refrigeration system, Energy Conversion and Management, 1 May 2020.
[15] M.Hussin, M.R.Ismail, M.S. Ahmad cùng các cộng sự, Air-conditoned university laboratories: comparing CO2 measurement for centralized and split-unit system,
Journal of King Saud University-Engineering Sciences, April 2017, Page191-201.
[16] Rin Yun, Yongchan Kim, Chasik Park, Numerical analysis on a micorchanal evaporator designed for CO2 air-conditioning system, Applied Thermal Engineering, June 2007, page 1320-1326.
[17] Jifeng Jin, Jiangping Chen, Zhijiu Chen, Development and validation of a microchannel evaporator model for a CO2, Applied Thermal Engineering, 2011, page 137 – 146.