2.3.1. Tính chất vật lý
Carbon dioxide (CO2) là một loại khí trong suốt (ở điều kiện khí quyển) không có mùi đặc biệt khi nồng độ là dưới mức nghẹt thở. Khoảng 0,04% không khí trong khí quyển là CO2, do đó CO2 đang ở nồng độ khoảng 380 phần triệu (ppm) trong không khí. Không khí thở ra từ cơ thể có CO2 nồng độ khoảng 4%.
Dựa vào sơ đồ vùng chuyển pha như thể hiện ở Hình 2.1, chúng ta có thể xác định nhiệt độ tới hạn của R744 là 31,1°C. Nhiệt độ tới hạn thấp có nghĩa là R744 không thể được sử dụng hiệu quả trong chu trình làm lạnh dưới tới hạn đơn giản vì thiết bị ngưng tụ sẽ không truyền nhiệt trên nhiệt độ tới hạn. Do đó, thiết bị ngưng tụ sẽ không hiệu quả và nhiều tổn thất có thể xảy ra. Hơn nữa, ở nhiệt độ gần nhiệt độ tới hạn nhưng thấp hơn nhiệt độ, có sự giảm mạnh của entanpy hóa hơi dẫn đến giảm công suất sưởi và giảm hiệu suất hệ thống.
Hình 2.1. Sơ đồ vùng chuyển pha R744
Vùng 1: CO2 ở thể khí Vùng 2: CO2 ở thể rắn
Vùng 3: CO2 ở trạng thái siêu tới hạn (supercritical fluid) khi cả nhiệt độ và áp suất bằng hoặc lớn hơn điểm tới hạn 31oC và 73,8 bar. Trong trạng thái này, CO2 có cả hai tính chất của chất khí và chất lỏng.
Sơ đồ vùng chuyển pha không bị giới hạn bởi nhiệt độ tới hạn vì nhiệt lượng tỏa ra thông qua sự trượt nhiệt độ. Thiết bị ngưng tụ trong chu trình chuyển pha được thay thế
bằng thiết bị làm mát khí vì không có quá trình ngưng tụ diễn ra mà thay vào đó là quá trình làm mát khí. Lướt nhiệt độ này là lợi thế đặc biệt là trong các ứng dụng như sưởi ấm nước và sưởi ấm không khí (ví dụ: quy trình sấy khô) vì hiệu quả liên quan. Phạm
vi nhiệt độ trong đó làm lạnh R744 có thể hoạt động trong hoạt động chuyển hóa là cao nhất khi so sánh với các chất làm lạnh đối lưu khác, tức là -50°C đến 120°C. Nhược
điểm duy nhất với chu kỳ chuyển tiếp cho R744 là áp suất cao. Áp suất tới hạn của R744 là 73,7 bar.
Nếu R744 được vận hành thông qua chu kỳ chuyển pha, thì áp suất cao của nó sẽ ở trên 73,7 bar, khá cao. Điều này đòi hỏi một thiết kế thiết bị có thể xử lý một áp lực cao như vậy. Áp suất cao có những ưu điểm riêng (ví dụ: thiết bị và thiết kế nhỏ gọn) và nhược điểm (thiết bị tốn kém và các vấn đề an toàn). Tuy nhiên, với những tiến bộ công nghệ hiện nay, áp lực này không phải là mối quan tâm lớn.
2.3.2. Ưu, nhược điểm của CO2
* Ưu điểm:
Có sẵn ở khắp mọi nơi, không phụ thuộc vào nguồn cung cấp đặc quyền nào, giá thành sản xuất thấp, không yêu cầu tái chế.
Tính chất vật lý của CO2 được đánh giá cao thuận lợi cho việc làm mát, có năng
suất lạnh riêng cao.
Có khả năng tương thích và kết hợp tốt với các loại dầu bôi trơn.
Có độ chênh áp thấp trong đường ống làm việc và trên thiết bị trao đổi nhiệt. Ví dụ sự tác động của đường hút dài và đường lỏng rất nhỏ.
Ít độc và không bắt lửa.
Không gây ăn mòn với tất cả các loại vật liệu.
* Nhược điểm:
Hệ thống có nguy cơ rò rỉ cao. Do đó thiết kế của các hệ thống R744 có cấu tạo phức tạp dẫn đến giá thành khá cao.
Các thiết bị trong hệ thống cần được kiểm định an toàn thường xuyên do chúng phải làm việc ở áp lực cao.
2.4. Ứng dụng của CO2 trong công nghiệp lạnh
R744 trong lĩnh vực điều hòa không khí đã trở thành tâm điểm của các nghiên cứu bởi cả các tổ chức nghiên cứu và ngành công nghiệp vì nhu cầu cao cho và các yêu cầu cho các lựa chọn thay thế HFC. Hàng năm, nhu cầu mua máy lạnh dân dụng hơn 40 triệu bộ, các sản phẩm thúc đẩy tăng thị trường hơn dự kiến. Mối quan tâm về môi trường trong ứng dụng này là nhiều hơn tập trung vào các tác động gián tiếp của khí thải do sử dụng năng lượng, hơn về tác động trực tiếp của rò rỉ môi chất lạnh. Do đó, vấn đề đạt hiệu quả năng lượng là hết sức quan trọng. Qua nhiều nghiên cứu cho thấy các kết quả đầy hứa hẹn với việc áp dụng R744 trong hệ thống điều hòa không khí. Các thiết bị với chất làm lạnh một chiều đang hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả hơn so với máy lạnh hai chiều.
2.5 Công thức tính toán liên quan
Mối tương quan giữa lưu lượng gió và tốc độ gió:
Lưu lượng thể tích:
V = v.F ( m3/s) Lưu lượng khối lượng
G = .V ( kg/s)
Trong đó: F là diện tích mặt cắt ngang của quạt: F = r2 , m2
là khối lượng riêng của môi chất, kg/m3 v tốc độ quạt m/s
Trong quá trình thực nghiệm này tất các các thông số như F, giữ nguyên vận tốc gió thay đổi nên ta xem như việc thay đổi lưu lượng là thay đổi vận tốc gió trong quá trình thực nghiệm.
Công thức nhiệt động học:
Công nén đoạn nhiệt:
Năng suất giải nhiệt tại thiết bị ngưng tụ: Năng suất lạnh tại thiết bị bay hơi:
CHƯƠNG 3 : THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM
Trong nghiên cứu này, nhóm sử dụng là một hệ thống lạnh hoàn chỉnh đầy đủ các thiết bị hiện đại để vận hành và đo lường. Hệ thống sử dụng môi chất CO2 - một môi chất mới đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới đã và đang quan tâm nghiên cứu. Hệ thống sử dụng một thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi và một dàn bay hơi kênh mini. Thực nghiệm được tiến hành đo đạt từ nhiều phương pháp: dùng cảm biến nhiệt độ loại thường, thiết bị đo nhiệt độ loại extech, cảm biến nhiệt độ micro, cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất.
3.1. Thiết kế mô hình và hệ thống thực nghiệm3.1.1. Thiết kế mô hình 3.1.1. Thiết kế mô hình
Nghiên cứu được thực nghiệm dựa trên hai mô hình thiết bị bay hơi là dàn bay hơi kênh Mini. Kích thước mô hình được thể hiện như bảng 3.1. Dàn bay hơi có cấu tạo từ các ống dẹp bằng nhôm có các kênh nhỏ bên trong để dẫn môi chất bên trong với kích thước khác nhau, dàn cũng có các cánh đều chế tạo bằng nhôm được thể hiện như Hình 3.1. Dàn lạnh đã được thử nghiệm với phương pháp kiểm tra thủy lực không làm hỏng hoặc biến dạng ở áp suất 90 bar. Bảng 3.1 tóm tắt thông số kỹ thuật cuả các dàn bay hơi.
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật dàn bay hơi Mini
Thông số
Kích thước thiết bị (mm) Diện tích truyền nhiệt (m2) Công suất lạnh (kW) Số ống bên trong dàn Số kênh bên trong ống Đường kính kênh (mm) Số dãy cánh nhôm tản nhiệt Kích thước cánh nhôm (mm) Số pass ống
Hình 3.1. Dàn bay hơi kênh Mini
3.1.2. Hệ thống thực nghiệm
Hệ thống thí nghiệm là một hệ thống lạnh dùng môi chất R744 để tìm ra năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất R744 theo thời gian. Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm được thể hiện ở Hình 3.2. Thiết bị ngưng tụ thực tế cũng được thể hiện ở Hình 3.3.
Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm
a – Máy nén lạnh; b – thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi ; c – Van tiết lưu; d – Dàn bay hơi kênh Mini; Trong đó: 1, 2, 3, 4 là các điểm đo nhiệt độ và áp suất.
Hình 3.3 Thiết bị ngưng tụ thực nghiệm thực tế
(1) Lồng quạt ; (2) Giá đỡ; (3) Bể chứa nước; (4) Khung chắn; (5) Tấm làm mát; (6) Mái che;
(7)Ống phun nước; (8) Van chặn; (9) Bơm nước; (10) Quạt; (11) Ống cấp nước; (12)Ống đồng; (13) Van xả nước; (14) Ống thủy; (15) Co ống; (16) Môi chất vào; (17) Môi chất ra
Nguyên lý làm việc của hệ thống lạnh như sau: Van chặn phía thiết bị bay hơi kênh Mini mở. Môi chất lạnh R744 ở trạng thái hơi quá nhiệt được máy nén lạnh hút vào, thực hiện quá trình nén đoạn nhiệt môi chất lên áp suất cao và đi vào thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi. Sau đó, tại thiết bị ngưng tụ nước sẽ làm mát môi chất, không khí sẽ làm mắt nước. Tiếp đó, môi chất lạnh tiếp tục đi qua van tiết lưu thực hiện quá trình tiết lưu đẳng Entanpy. Sau khi qua van tiết lưu, môi chất đi vào thiết bị bay hơi kênh Mini làm lạnh không khí. Ở đây, các thông số nhiệt động và độ ẩm của không khí được ghi nhận bởi các thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm. Hơi bão hòa từ thiết bị bay hơi bị quá nhiệt và được máy nén hút về để hoàn thành chu trình. Chu trình cứ vậy tiếp diễn. Đối với các điểm chính nhiệt động lực của chu kỳ này, 5 cảm biến nhiệt độ và 4 đồng hồ đo áp suất được lắp đặt để đo các thông số vận hành.
3.2. Các thiết bị trong thực nghiệm3.2.1. Máy nén 3.2.1. Máy nén
Máy nén là trái tim của chu trình làm lạnh. Chu trình bắt đầu khi máy nén hút khí lạnh, áp suất thấp từ thiết bị bay hơi. Chức năng duy nhất của máy nén điều khiển động cơ là "nén" môi chất lạnh, tăng nhiệt độ và áp suất để khi ra khỏi máy nén dưới dạng khí nóng, áp suất cao. Máy nén được sử dụng trong thực nghiệm là máy nén lạnh CO2 được sản xuất bởi hãng Dorin với model CD 180H. Máy nén thuộc loại máy nén piston, nửa kín, cấp nguồn 3 pha, điện áp 380V và tần số 50Hz được thể hiện như Hình 3.4.
Hình 3.4. Máy nén Dorin sử dụng trong nghiên cứu 3.2.2 Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi
Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ ngưng tụ gas quá nhiệt sau máy nén thành môi chất lạnh trạng thái lỏng. Quá trình làm việc của thiết bị ngưng tụ có ảnh hưởng quyết định đến áp suất và nhiệt độ ngưng tụ và do đó ảnh hưởng đến hiệu quả và độ an toàn làm việc của toàn hệ thống lạnh. Trong nghiên cứu này, nhóm sử dụng thiết bị ngưng tụ trong đó kết hợp cả nước và không khí để giải nhiệt, thiết bị kiểu đó vai trò của nước và không khí có khác nhau: nước sử dụng để giải nhiệt cho môi chất lạnh và không khí giải nhiệt cho nước được gọi là thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi.
Hình 3.5. Dàn ngưng tụ kiểu bay hơi thực tế
Môi chất sau khi được nén lên áp suất cao, nhiệt độ cao được đưa vào thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi với hệ thống 4 bộ ống xoắn (được đặt ngập hoàn toàn trong nước) thông qua bộ chia gas và được ngưng tụ đến van tiết lưu. Thiết bị được làm mát từ hệ thống nước phun thông qua các vòi phun được phân bố đều ở phía trên xuống tấm giải nhiệt nước (cooling pad) được thể hiện như Hình 3.5.
3.2.3. Van tiết lưu
Tiết lưu là một quá trình không thuận nghịch trong đó ''dòng lưu chất chuyển động qua một lỗ bị thu hẹp đột ngột'' và được tiến hành rất nhanh, nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường rất bé. Ảnh thực van tiết lưu được thể hiện như Hình 3.6.
Hình 3.6. Van tiết lưu
Van tiết lưu có 2 nhiệm vụ:
Sau khi đi qua dàn làm mát, môi chất lạnh dạng lỏng với áp suất cao và nhiệt độ cao, sẽ đi qua các khe nhỏ của van tiết lưu. Kết quả là sau khi qua van tiết lưu, môi chất lạnh sẽ có áp suất thấp và nhiệt độ thấp.
Van tiết lưu sẽ điều chỉnh lượng môi chất lạnh được vào dàn lạnh, tùy thuộc vào nhiệt độ trong phòng.
3.2.4. Dàn bay hơi kênh mini
Dàn bay hơi có chức năng làm lạnh không khí đi qua nhó nhờ vào quạt. Nhiệt độ không khí được hấp thụ vào dàn lạnh và được chuyển tới dàn nóng để đưa ra môi trường. Ảnh thực Dàn bay hơi mini được thể hiện như Hình 3.7 .
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
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 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.