Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit:
Δ =
Δ − Δ
ln
Ta chọn:
- Cho môi chất R744 chảy trong ống với d = 4mm.
- Cho môi chất R32 chảy ngoài ống với D = 8mm.
- Với độ dày ống = 0,7 .
3.4.1. Hệ số tỏa nhiệt của môi chất R744 (CO2)
a. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng
Theo tài liệu [10], hệ số tỏa nhiệt khi ngưng được tính theo công thức dưới đây: = 0,729 [ Ta có: ts = 0,5(55 + 5) = 30 oC. tw = 0,5(0 + 5) = 2,5 oC. = 16,25°C.
Với tm = 16,25oC, tra bảng thông số vật lý của R744 [7] được:
= 176,21 / 3: Khối lượng riêng của màng chất lỏng. = 0,030575 ( / ): Hệ số dẫn nhiệt của màng chất lỏng.
= 17,515. 10−6 (Pa.s): Độ nhớt động lực học của màng chất lỏng.
= = 17,515.10−6 = 9,94. 10−8 2/ : Độ nhớt động học của màng chất 176,218
lỏng.
Tra bảng thông số vật lý của R744 ở pha hơi [7] với ts = 30oC, ta được:
= ′′ - ′ = 365,13 – 304,55 = 60,58 kJ/kg: Ẩn nhiệt hoá hơi.
Ta chọn: = 9,81 m/ 2: Gia tốc trọng trường. = = 0,004 m: đường kính ống. Vậy ta được: = 0,729 [ = 540,023 / 2
b. Hệ số tỏa nhiệt đối lưu
Ta có tf = 30 oC, tra bảng thông số vật lý của R744 [7] được:
= 593,3 / 3: Khối lượng riêng của CO2.
= 95,4. 10−3 / : Hệ số dẫn nhiệt của CO2. = 43,810−6 Pa.s: Độ nhớt động lực học của CO2.
=
=
= 0.6376 m/s: Tốc độ trung bình của CO2. Tiêu chuẩn Reynolds:
= =0,6376 .0,004 = 34560,387
7,38.10−8
Tiêu chuẩn Pradtl:
= . = 16,225
Tra bảng thông số vật lý của R744 ở thể lỏng [7] với tw = 5oC, ta được:
.
= = 2,37
Tiêu chuẩn Grashof:
Gr =0,5√ =0,5√34560,387 = 11,944 . 108
Tiêu chuẩn Rayleigh:
Ra = Gr. Prf = 11,944 . 108 . 16,255 = 19,414 . 109 Ta có: 2×107 < Ra < 1013 => dòng chảy rối. Tiêu chuẩn Nuselt:
Nu = 0,021 . Ref 0,8. Prf 0,43( )0,25
= 0,021 . 34560,3870,8 . 16,2250,43 (16,225)0,25 = 481,19 2,37
= 1 + 1,77. = 1 + 1,77 00.004.07 = 1,1
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu:
= .
Áp dụng công thức (8-99), trang 880, sách Heat Trasfer, Gregory Nellis, Sanford Klein [12].
Với
ℎ= 0,2
ℎ= ℎ.
:
Áp dụng công thức (8-112), trang 883, sách Heat Trasfer, Gregory Nellis, Sanford Klein [12]:
ớ :
= 0,7 = .
Vậy:
- Phần diện tích trao dổi nhiệt của ống lồng ống từ hơi quá nhiệt xuống hơi bão hoà khô của2 là: = π. d. ℎ = π. d. 0,2
- Phần diện tích trao dổi nhiệt của ống lồng ống từ hơi bão hoà khô thành lỏng bão hoà của2là: ả ℎ ệ = π. d. = π. d. 0,7
= 9938,8 / 2
3.4.2. Hệ số tỏa nhiệt của môi chất R32
Ở đây ta sẽ xét môi chất toả nhiệt khi sôi màng. R32 sôi ở nhiệt độ = 0 8,1310 bar.
Nhiệt độ vách
= 0,5(55 + 5) = 30 .
= 0,5(0 + 30) = 15 .
Từ bảng thông số vật lí của R32 [7] ta có:
ℎ= ′′ = 13,59. 10−3 W/mK: Hệ số dẫn nhiệt của R32.
ℎ= ′′ = 35,5 kg/ 3: Khối lượng riêng của hơi trong bọt R32. ℎ= ′′ = 3,45. 10−7 2/s: Độ nhớt động học của R32.
ℎ = ′′ = 1,485 / : Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp R32.
= 287,8. 103 / : Nhiệt ẩn hoá hơi của R32.
∗= + 0,5 ( − ) = 283,1425. 103 + 0,5.1,493375. 103(37,5 − 0) = 311939 /
Với∗ : Ẩn nhiệt hoá hơi hiệu quả, nó có tính đến sự quá nhiệt của hơi trong lớp màng.
3.4.3. Diện tích bộ trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống
Hệ số truyền nhiệt tính theo công thức dưới đây, theo tài liệu [10]:
=
1
2
Trong đó: - δ : dộ dày ống (m).
- λ : hệ số tuyền nhiệt của ống đồng (W/m.K).
Tổng diện tích truyền nhiệt: F =
Ống trong có kích thước d = 4mm. => Chu vi ống C = π . d = π 0,004 = 0,0126 (m). Ống ngoài có kích thước d = 8mm. => Chu vi ống C = π . d = π 0,008 = 0,025 (m). Độ dài ống xoắn: L = => Chọn L = 12m. Đường kính mỗi vòng xoắn:
dxoắn = 100mm = 0,1m. => Cxoan = π . dxoắn = π 0,1 = 0,314(m) Số vòng cần uốn dạng lò xo: n = ắ => Chọn n = 39 vòng. 3.5. Tính cách nhiệt, cách ẩm cho hệ thống
Chiều dày lớp cách nhiệt được xác định theo hai yêu cầu cơ bản:
- Vách ngoài kết cấu bao che không được phép đọng sương, nghĩa là độ dày của
lớp cách nhiệt phải đủ lớn để nhiệt độ bề mặt vách ngoài lớn hơn nhiệt độ đọng sương của môi trường.
Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học
3.5.1. Tính cách nhiệt cho tường bao buồng lạnha. Tính chiều dày lớp cách nhiệt a. Tính chiều dày lớp cách nhiệt
Xác định chiều dày lớp cách nhiệt theo công thức tài liệu [10]:
=
Trong đó:
- Độ dày yêu cầu của lớp cách nhiệt (m).
- Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt (W/mK).
k - Hệ số truyền nhiệt (W/m2
1 - Hệ số tỏa nhiệt của môi trườ
cách nhiệt (W/m2K).
- Hệ số tỏa nhiệt của vách buồng lạnh vào buồng lạnh (W/m2K).
2
- Bề dày của lớp vật liệu xây dựng th - Hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu xây d
Kết cấu và các số liệu của lớp cách nhiệt được trình bày trong Bảng 3.7:
Bảng 3.7 Kết cấu và các số
Hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao (theo bảng 3-7 trang 86, tài liệu [8]) có: 1 = 23,3 /2 .
Hệ số tỏa nhiệt bề mặt trong của buồng lạnh lưu thông không khí
cưỡng bức mạnh (theo bảng 3-7 trang 86, tài liệu [8]) có: 2 = 10,5 / 2 .
Đối với phòng trữ đông thì nhiệt độ trong phòng là -26℃. Tra bảng 3-3 trang 84
[8] với nhiệt độ phòng -26℃ tính cho vách bao ngoài, ta có hệ số truyền nhiệt tối ưu qua tường: ư = 0,21
Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học
b. Kiểm tra đọng sương
Nếu bề mặt ngoài của tường bao đọng sương thì ẩm sẽ dễ xâm nhập vào phá hủy lớp cách nhiệt. Để tránh hiện tượng đọng sương xảy ra thì nhiệt độ bề mặt ngoài tường bao phải lớn hơn nhiệt độ đọng sương của môi trường. Theo công thức (3-7), trang 87, tài liệu [8] ta có hệ số truyền nhiệt đọng sương làm chuẩn là:
Với: - 1 = 23,3 ⁄ 2 : hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao che.
- tf : Nhiệt độ trong buồng lạnh,℃.
- tn = 31 ℃: Nhiệt độ môi trường ngoài.
- ts = 28 ℃: Nhiệt độ đọng sương của môi trường, tra theo đồ thị t-d với
nhiệt độ môi trường t = 31℃ và độ ẩm = 85% [8]. Điều kiện để vách ngoài không đọng sương theo biểu thức (3-8), trang 87, tài
liệu [8] sẽ là: ≤ .
Ứng với ta sẽ tính được hệ số truyền nhiệt thực tế: =
Ta có: = 0,23 < = 1,2
Vậy không có hiện tượng đọng sương trên bề mặt ngoài của tường bao phòng.
3.5.2. Tính cách nhiệt, cách ẩm ở thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ốnga. Tính chiều dày lớp cách nhiệt a. Tính chiều dày lớp cách nhiệt
Chọn vật liệu cách nhiệt là mút xốp Polyurethan có hệ số dẫn nhiệt là: 0,019
W/mK.
Hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao (theo bảng 3-7 trang 86 [8]) có:
1=23,3 / 2 .
với nhiệt độ phòng - 26℃ tính cho vách bao ngoài, ta có hệ số truyền nhiệt tối ưu qua tường: ư = 0,427 W/m2.
Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học
= 0,019 [
b. Kiểm tra đọng sương
Nếu bề mặt ngoài của tường bao đọng sương thì ẩm sẽ dễ xâm nhập vào phá hủy lớp cách nhiệt. Để tránh hiện tượng đọng sương xảy ra thì nhiệt độ bề mặt ngoài tường bao phải lớn hơn nhiệt độ đọng sương của môi trường. Theo công thức (3-7), trang 87, tài liệu [8], ta có hệ số truyền nhiệt đọng sương làm chuẩn là:
= 0,95
1
Với: 1 = 23,3 ⁄ 2 : hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao che.
tf : Nhiệt độ trong buồng lạnh,℃.
tn = 31℃: Nhiệt độ môi trường ngoài.
ts = 28 ℃: Nhiệt độ đọng sương của môi trường, tra theo
đồ thị t-d, với nhiệt độ môi trường t = 31℃ và độ ẩm = 85%.
Điều kiện để vách ngoài không đọng sương theo biểu thức (3-8), trang 87, tài
liệu [8] sẽ là:≤ .
- Ứng vớita sẽ tính được hệ số truyền nhiệt thực tế:
=
- Hệ số truyền nhiệt đọng sương:
31−28
= 0,95.23,3. 31−0= 2,1
Ta thấy rằng: = 0,44 < = 2,1
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM4.1. Phương pháp thực nghiệm 4.1. Phương pháp thực nghiệm
Quá trình thực hiện lấy số liệu thực nghiệm:
- Lấy tất cả các gí trị nhiệt độ và áp suất khi chưa khởi động hệ thống.
- Chạy hệ thống R32, khi nhiệt độ môi chất R32 vào ống lồng ống đạt khoảng
0oC bắt đầu khởi động máy nén CO2.
- Các giá trị nhiệt độ, áp suất, dòng điện được ghi lại 5 phút một lần.
- Khi nhiệt độ môi chất CO2 sau tiết lưu không giảm thì tiến hành siết tiết lưu 1
lần.
- Khi độ chênh nhiệt độ giữa gió vào và gió ra dàn lạnh xấp xỉ bằng 0 thì tiến
hành nhả tiết lưu sau đó siết lại ngay do nghi nhờ dàn bị đóng băng không thể trao đổi nhiệt. Việc nhả - siết tiết lưu để làm tan băng dàn lạnh.
- Khi nhiệt độ bay hơi tầng thấp đạt -36oC thì dừng hệ thống. Kết thúc quá trình
lấy số liệu thực nghiệm.
4.2. Chuẩn bị vật dụng
Để ghi lại các số liệu thực nghiệm một cách chính xác thì cần có các dụng cụ như: cảm biết nhiệt độ, cảm biến áp suất, ampe kiềm, laptop, camera, ... Hình ảnh về các vật dụng được thể hiện ở Phụ lục 1.
4.3 Hình ảnh thực nghiệm
Các thông số nhiệt độ và áp suất thực nghiệm của từng điểm nút của tầng cao và tầng thấp tại thời điểm nhiệt độ phòng đạt -26 oC như yêu cầu thiêt kế được ghi
lại bằng hình ảnh để minh chứng (tham khảo tại Phụ lục 2).
4.4. Điểm nút thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32
Bảng 4.1 Thông số trạng thái thực nghiệm của chu trình lạnh CO2
Điểm nút Trạng thái
12 Hơi bão hòa khô
1′2 Hơi quá nhiệt
2
2 Hơi quá nhiệt
32 Lỏng bão hòa
Hình 4.1 Đồ thị p-h chu trình lạnh CO2 thực nghiệm [7]
Bảng 4.2 Thông số trạng thái thực nghiệm của chu trình lạnh R32
Điểm nút
11 Hơi bão hòa khô
1′1 Hơi quá nhiệt
21 Hơi quá nhiệt
31 Lỏng bão hòa
4
Hình 4.2 Đồ thị p-h chu trình R32 thực nghiệm [7]
*Tính toán nhiệt tầng thấp CO2:
Ta có: ICO2 = 1,8 (A)
- Áp dụng công thức tính công suất dòng điện:
N /CO2= U.I.cosφ (Chọn cosφ = 0,95)
= 220.1,8.0,95
= 376,2 (W)
- Công nén thực nghiệm:
LCO2 = Ne. 0,65 = 244 (W)
- Lưu lượng CO2 thực nghiệm:
GCO
2
- Năng suất lạnh thực nghiệm:
Q 0/CO
- Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị giải nhiệt:
Q /CO
* Tính toán nhiệt tầng cao
R32: Ta có: IR32 = 1,86 (A)
Áp dụng công thức tính công suất dòng điện:
Ne/R32 = U.I.cosφ (Chọn cosφ = 0,95)
= 220.1,86.0,95
= 388,74 (W)
- Công nén thực nghiệm:
LR32 = Ne.0,65 = 253 (W)
- Lưu lượng R32 thực nghiệm:
GR32 = 32 = 0,253 = 0,0056 (kg/s)
ℎ2−ℎ1′ 568−523
- Năng suất lạnh thực nghiệm:
Qo/R32 = GR32. (h1 – h4) = 0,0056. (518 – 257) = 1,46 (kW) - Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị giải nhiệt:
Qk/R32 = GR32. (h2 – h3) = 0,0056. (568 – 257) = 1,7 (kW) - Năng suất lạnh thực nghiệm của hệ thống:
0/ 2= Gkk. cp. Δtkk = ρkk. Squạt. vkk. cpkk. Δtkk Ta có: tgió ra = -30oC tgió vào = -26,6oC Dquạt = 0,28 m vquạt = 3,2 m/s Từ tgió ra = -30oC ρkk = 1,453 (kg/m3) cpkk = 1,103 (kJ/kg, K) 0/ 2= Gkk.cp.Δtkk = ρkk. Squạt. vkk. cpkk. Δtkk = 1,453. 0,28 42 . 3,2.1,013. [(−30) − (−26)] = 0,98 (kW)
- Hệ số hiệu suất thực nghiệm của hệ thống lạnh ghép tầng:
0,98 COP = 2+ 32 = 0,244 + 0,253 = 1,97 GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung 0/ 2
4.5. Kết quả so sánh lý thuyết và thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi
chất CO2 và R32
Từ kết quả lý thuyết ở mục 3.1 và kết quả thực nghiệm so sánh thể hiện trên đồ thị (Hình 4.3 và Hình 4.4) và bảng 4.4 và Bảng 4.5).
ở mục 4.5 ta có các kết quả
so sánh (Bảng 4.3, Bảng
Hình 4.3 Đồ thị p-h của chu trình lý thuyết (trái) và chu trình thực nghiệm (phải) tầng
thấp dùng môi chất CO2
Hình 4.4 Đồ thị p-h của chu trình lý thuyết (trái) và chu trình thực nghiệm (phải) tầng
Bảng 4.3 Bảng so sánh các thông số vận hành lý thuyết và thực nghiệm của hệ thống
lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32
Thông số
Nhiệt độ t0
Nhiệt độ tk
Nhiệt độ đầu đẩy Nhiệt độ đầu hút Áp suất p0
Áp suất pk
Bảng 4.3 cho thấy các thông số thực nghiệm so với lý thuyết có mức sai lệch không quá 13%.
Bảng 4.4 Bảng so sánh các thông số nhiệt động lý thuyết và thực nghiệm của hệ thống
Chu trình Ký hiệu Tầng thấp CO2 Sai lệch Tầng cao R32 Sai lệch
Các thông số thực nghiệm so với lý thuyết có mức sai lệch từ 1-5% được trình bày trong Bảng 4.4.
Bảng 4.5 cho thấy hệ thống thực nghiệm hoạt động đạt hiệu quả năng lượng cao hơn 3,7% so với lý thuyết.
Từ các kết quả so sánh, tuy các thông số thực nghiệm có sai lệch vo với lý thuyết nhưng đều theo hướng tích cực, điều này giúp kéo dài tuổi thọ máy nén và giảm áp lực cho các thiết bị trong hệ thống.
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN5.1 Kết luận 5.1 Kết luận
Sau thời gian tiếp cận và nghiên cứu đề tài “Tính toán lý thuyết hệ thống lạnh ghép
tầng dùng môi chất CO2 và R32”, nhóm đã đạt được các kết quả như sau:
1. Tìm ra các thông số trạng thái, năng suất lạnh, công suất nhiệt, công nén, lưu
lượng môi chất của mỗi tầng. Đặc biệt, tìm ra hệ số hiệu quả năng lượng của toàn hệ thống là COP = 1,9.
2. Xử lý số liệu thực nghiệm và so sánh với kết quả lý thuyết, nhận thấy mức sai
lệch không quá 13%.
3. Chọn được các thiết bị chính cho hệ thống, bao gồm máy nén CO2 500W, dàn
lạnh kênh micro, cụm dàn ngưng của hãng Daikin cũng như tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống với chiều dài 12m.
5.2. Kiến nghị
Qua các kết quả trên, nhóm kiến nghị: tiến hành thiết lập, chế tạo hệ thống thực nghiệm để nghiên cứu sâu về quá trình hoạt động cũng như hiệu quả của hệ thống.
PHỤ LỤC
Phụ lục 1. Hình ảnh dụng cụ sử dụng cho việc ghi chép số liệu thực nghiệm
Cảm biến nhiệt độ
Áp kế
Laptop
Phụ lục 2. Hình ảnh thực nghiệm
Áp suất ngưng tụ CO2 Áp suất bay hơi CO2
Các giá trị nhiệt độ thực tế tầng CO2 Với:
t2: Nhiệt độ trước tiết lưu tầng CO2
t3: Nhiệt độ sau tiết lưu tầng CO2
t4: Nhiệt độ gió vào dàng lạnh tầng CO2
Các giá trị nhiệt độ thực tế Với:
t1: Nhiệt độ đầu hút máy nén CO2
t6: Nhiệt độ đầu hút máy nén R32
Các giá trị nhiệt độ thực tế tầng R32 Với:
T5: Nhiệt độ gió ra dàn nóng R32 T6: Nhiệt độ gió vào dàn nóng R32 T7: Nhiệt độ trước tiết lưu tầng R32 T8: Nhiệt độ đầu đẩy máy nén R32
Các giá trị nhiệt độ thực tế Với:
T9: Nhiệt độ đầu đẩy máy nén CO2
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Binbin Yu, Dandong Wang, Cichong Liu, Fuzheng Jiang, Jiangping Chen, Junye
Shi, Performance improvements evaluation of an automobile air conditioning