3.5.1. Phụ tải nhiệt thiết bị
Tải nhiệt cho thiết bị dùng để tính toán diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết cho thiết bị bay hơi. Để đảm bảo được nhiệt độ trong buồng ở những điều kiện bất lợi nhất, người ta phải tính toán tải nhiệt cho thiết bị là tổng các tải nhiệt thành phần có giá trị cao nhất. [2-119]
3.5.2. Phụ tải nhiệt máy nén
Tải nhiệt của máy nén được tính toán từ các tải nhiệt thành phần nhưng tùy theo từng loại kho lạnh có thể chỉ lấy một phần tổng của tải nhiệt đó. Cụ thể, tải nhiệt của máy nén được lấy theo bảng dưới đây: [3, 59]
Bảng 3. 4: Tỷ lệ tải nhiệt chọn máy nén
Loại kho Q1 Q2 Q3 Q4 Q5
Kho lạnh bảo quản và kho phân
phối 100% 100 % - 50÷75 % -
Kho bảo quản thịt 85 ÷ 90% - -
Kho bảo quản cá, trung chuyển 100% - -
Kho bảo quản cá của nhà máy chế
biến 85%
- -
Kho bảo quản hoa quả 100% 100% 100%
Kho lạnh nhỏ thương nghiệp và đời
sống 100% 100% 100% 100%
Ta đang tính toán cho kho lạnh bảo quản nên ta sẽ chọn như sau: QMN = 100%Q1 + 100%Q2 + 100%Q3 + 75%Q4 + 100%Q5
= 3,76 + 16,2 + 2,13 + 0,75. 7,27 + 7,27= 35,135 kW Năng suất lạnh máy nén: [2, 120]
(3-26) Trong đó:
+ ktt: hệ số tính đến tổn thất trên đường ống và trong thiết bị. Chọn k = 1,04.
Vậy
Vậy kho lạnh có 2 phòng nên : 2 x 40,6 kW= 81,2 kW ≈ 28 HP cho cả kho.
3.6. Chọn các thông số của chế độ làm việc3.6.1. Phương pháp làm lạnh và môi chất lạnh 3.6.1. Phương pháp làm lạnh và môi chất lạnh 3.6.1.1. Phương pháp làm lạnh
Phương pháp làm lạnh trực tiếp là làm lạnh khô dàn bay hơi đặt trong kho và tại đây lỏng môi chất sẽ nhận nhiệt của môi trường làm lạnh và rồi lên dàn bay hơi dàn không khí. Không khí được đối lưu cưỡng bức nhờ quạt
Ưu điểm:
Thiết bị đơn giản vì không cần vòng tuần hoàn phụ. Tuổi thọ cao, kinh tế hơn vì không phải tiếp xúc với nước.
Vì nhiệt độ giữa kho bảo quản lạnh và dàn bay hơi trực tiếp bao giờ cũng nhỏ hơn nhiệt độ buồng và nhiệt độ bay hơi gián tiếp.
Tổn thất hao lạnh nhỏ khi khởi động, khi làm mát trực tiếp. Thời gian từ khi mở máy đến lúc kho bảo quản đạt nhiệt độ yêu cầu sẽ nhanh hơn.
Nhiệt độ của kho lạnh bảo quản có thể giám sát qua nhiệt độ của môi chất. Nhiệt độ sôi có thể xác định để dòng qua áp bể ở đầu hút máy nén.
Nhược điểm:
Đối với dàn lạnh mà môi chất frêon việc hôi dầu sẽ khó khăn hơn khi mà dàn lạnh đặt xa máy nén.
Với nhiều dàn lạnh việc bố trí phân bố môi chất lạnh đến các dàn lạnh cũng gặp khó khăn và khả năng máy nén rơi vào tình trạng hư rất lớn.
Hệ thống lạnh trực tiếp thường được tự động hoá bao gồm: tự động điều khiển và tự động điều chỉnh, tự động báo hiệu và bảo vệ theo nhiệt độ kho bảo quản và theo chế độ an toàn của máy nén.
\
3.6.1.2. Chọn môi chất cho hệ thống lạnh kho bảo quản lạnh
Trong thực tế bảo quản đối với các hệ thống lạnh dùng cho các kho bảo quản người ta thường dùng môi chất lạnh là các loại khí frêon vì nó không độc hại với người và thực phẩm rau quả. Tuy nhiên các loại khí frêon có môi chất thay thế nó đảm bảo các tính chất nhiệt động học tương tự dùng kho bảo quản do đó ta chọn môi chất lạnh là frêon 22 (R22)
Tính chất của frêon 22 (R22)
Công thức hoá học CHIF2 Kí hiệu: R22
Là chất khí không màu có mùi thơm nhẹ.
Nếu ngưng tụ bằng nước thì nhiệt độ ngưng tụ là tk = 30℃; áp suất ngưng tụ Pk= 14 13 atm (kg/cm2 ).
Nhiệt đội sôi tiêu chuẩn rất tốt nhiệt độ = -40,8℃.
Chỉ khi nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi tiêu chuẩn thì áp suất sôi (bay hơi) mới đạt được áp suất chân không nhỏ hơn áp suất khí quyển.
Các hệ số trao đổi nhiệt kém hơn nước cho nên trong thiết bị người ta phải làm cánh cho thiết bị về phía môi chất đi.
Freon 22 (R22) không hoà tan với nước do đó dễ gây tắc ẩm van tiết lưu.
Freon 22 có tính tẩy rửa, cặn bẩn ở thành thiết bị R22: Không dẫn điện ở thể hơi nhưng dẫn điện ở thể lỏng cho nên không để máy nén kín hút phải lỏng.
Nó bền vững ở nhiệt độ và áp suất làm việc tuy nhiên khi nhiệt độ lớn hơn 500℃
nó bị phân huỷ thành chất phốtghen.
R22 không gây cháy nổ, an toàn khi sử dụng, không độc hại với cơ thể sống và thực phẩm. Nhưng ở nồng độ cao trong không khí gây chết ngạt.
Phạm vi ứng dụng:
Được sử dụng trong các máy lạnh nén hơi 1 cấp và 2 cấp và các máy lạnh ghép tầng.
Được sử dụng trong các máy lạnh làm đông sản phẩm, sản xuất nước đá, máy làm kem, sản xuất rượu bia, các kho bảo quản hoa quả và cả trong lĩnh vực điều hoà không khí.
3.6.2. Chọn các thông số làm việc
Chế độ làm việc của 1 hệ thống lạnh được đặc trưng bởi nhiệt độ sau: Nhiệt đội sôi của tác nhân lạnh t0.
Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tk.
Nhiệt độ quá nhiệt của môi chất hút về máy nén tqn.
3.6.2.1 Nhiệt độ sôi của tác nhân lạnh (℃)
Nhiệt độ sôi tác nhân lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ buồng lạnh dùng để tính toán thiết kế có thể tính theo công thức sau: [2, 204]
t0 = tb – ∆t0 ,0C (3-27) Trong đó:
+ tb : nhiệt độ phòng (buồng) lạnh. + ∆t0: hiệu nhiệt độ yêu cầu,
Đối với dàn bay hơi trực tiếp, nhiệt độ bay hơi thấp hơn nhiệt độ buồng 8 ÷ 13⁰C. Ngày nay, hiệu nhiệt độ tối ưu được coi là Δt0 = 8 ÷ 13⁰C.
Ta chọn Δt0 = 10⁰C.
Vậy : t0 = 12 – 10 = 2⁰C
3.6.2.2 Nhiệt độ ngưng tụ môi chất tk (℃)
Nhiệt độ ngưng tụ tk phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường làm mát của thiết bị ngưng tụ. Thiết bị ngưng tụ bằng nước được tính như sau: [2, 205]
tk = tmt + tk (3-28)
Trong đó:
+ tmt - nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ, ℃
+ tk - hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu.
Đối với dàn ngưng giải nhiệt gió, hiệu nhiệt độ trung bình giữa môi chất lạnh ngưng tụ và không khí bằng 10 ÷ 15⁰C. Chọn Δtk = 10⁰C. [2-tr.206]
tk=38 +10=48 C⁰
3.6.2.3 Nhiệt độ quá lạnh tql
Nhiệt độ quá lạnh tql là nhiệt độ môi chất lỏng trước khi đi vào van tiết lưu. Nhiệt độ quá lạnh càng thấp năng suất lạnh càng lớn, vì vậy người ta cố gắng hạ nhiệt độ quá lạnh xuống càng thấp càng tốt. [2, 206]
Trong đó
+ tmt: nhiệt độ môi trường giải nhiệt. +∆tql : độ quá lạnh (3 ÷ 5ºC). Ta chọn 3ºC.
tql = 38 + 3 = 41ºC
3.6.2.4. Nhiệt độ quá nhiệt tqn
Nhiệt độ quá nhiệt là nhiệt độ của hơi môi chất trước khi vào máy nén . Nhiệt độ hơi hút bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của môi chất.
Mục đích của việc quá nhiệt hơi hút là để bảo vệ máy nén tránh không hút phải lỏng. Nhiệt độ quá nhiệt được tính theo công thức sau: [2, 208]
tqn = t0 + ∆tqn (3-30)
Trong đó:
+ t0: nhiệt độ sôi của môi chất. + ∆tqn: độ quá nhiệt.
Ở môi chất R22, độ quá nhiệt có thể chọn là 10 ÷ 25ºC [2, 208]. Ta chọn 10ºC.
tqn = 2 + 12 = 12 ºC
3.6.2.5 Nhiệt độ hơn hút th
Nhiệt độ hơi hút th là nhiệt độ của hơi trước khi vào máy nén. Nhiệt độ hơi hút bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của môi chất. Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng, người ta bố trí bình tách lỏng và phải đảm bảo hơi hút vào máy nén nhất thiết phải là hơi quá nhiệt. Độ quá nhiệt ở từng loại máy nén và đối với từng loại môi chất có khác nhau. Đặc biệt đối với môi chất freôn R22 khi sôi ở nhiệt độ thấp không nên bố trí độ quá nhiệt quá lớn. [2-tr.208]
th = t0 + (5 ÷ 15)⁰C (3-31)
3.7. Xác định chu trình lạnh
Khi lắp đặt kho lạnh, việc xác định chu trình lạnh là quan trọng nhất. Tỉ số nén Πmax = 9, khi tỉ số này vượt qua giá trị Πmax thì nên dùng chu trình nén 2 hay nhiều cấp.
t0 = 2 ºC => p0 = 531,33 kPa tk = 48ºC => pk = 1857,9 kPa Vậy tỷ số nén là:
Vậy ta chọn máy nén 1 cấp cho hệ thống lạnh sử dụng chu trình hồi nhiệt.
Chu trình máy lạnh Freon 1 cấp hoạt động như sau: Hơi môi chất sinh ra ở thiết bị bay hơi được quá nhiệt sơ bộ (do van tiết lưu nhiệt), đi vào thiết bị hồi nhiệt, thu nhiệt của chất lỏng nóng, quá nhiệt đến t1 rồi được hút vào máy nén. Qua máy nén hơi được nén đoạn nhiệt lên trạng thái 2 và được đẩy vào bình ngưng tụ. Trong bình ngưng tụ, hơi thải nhiệt cho nước làm mát, ngưng tụ lại thành lỏng và được quá lạnh chút ít. Độ quá lạnh ở đây rất nhỏ nên bỏ qua. Lỏng được dẫn vào bình hồi nhiệt. Trong bình hồi nhiệt, lỏng thải nhiệt cho hơi lạnh vừa từ bình bay hơi ra. Nhiệt độ hạ từ t3’, xuống t3. Sau đó lỏng đi vào van tiết lưu, được tiết lưu xuống trạng thái 4 và được đẩy vào thiết bị bay hơi. Trong thiết bị bay hơi, lỏng bay hơi, thu nhiệt của môi trường lạnh. Hơi lạnh được máy nén hút về sau khi qua thiết bị hồi nhiệt. Như vậy vòng tuần hoàn môi chất được khép kín.
Bảng 3. 5: Các thông số trạng thái tại các điểm nút cơ bản của chu trinh
Điểm nút t(0C) p(bar) h (kJ/kg) V (m3/kg) Trạng thái
1' 2 5,3133 250,64 - Hơi bão hòa khô
1 12 5,3133 260,09 0,0473 Hơi quá nhiệt
2 81 18,579 293,68 - Hơi quá nhiệt
3' 48 18,579 105,32 - Lỏng bảo hòa
3 41 18,579 95,87 - Lỏng quá bảo hòa
4 2 5,3133 95,87 - Hơi ấm
3.8. Tính chọn máy nén
Năng suất lạnh riêng khối lượng [3, 64]
(3-32) (kJ/kg)
Năng suất khối lượng thực tế của máy nén (lưu lượng môi chất nén qua máy nén),
[3,65]
(3-33)
3.8.1. Năng suất thể tích thực tế của máy nén
Vtt = mtt.v = 0,24.0,0473 = 0.0114 (m3/s)
3.8.2. Hệ số cấp của máy nén
(3-34) Trong đó :
(3-35)
Ta có:
ΔP0 = ΔP0 = 0,005÷0,01MPa, [2, 216], lấy ΔP0 = ΔPk =0,005 MPa
Đối với máy nén freôn nên m = 0,9÷1,05, lấy m = 1 c – Tỉ số thể tích chết, c = 0,03÷0,05, lấy c = 0,03 Pk = 1,858 MPa P0 = 0,53 Mpa Suy ra = 0,92 (3-36)
3.8.3. Thể tích lý thuyết do piston quét được
- Thể tích hút lý thuyết Vlt [3,66] (3-37) Trong đó : + Vtt : thể tích hút thực tế + λ: hệ số cấp của máy nén. Ta có λ = 0,79. 3.8.4 Hiệu suất nén (3-38)
+ ηi: hệ số kể đến tổn thất trong,hay hiệu suất nén chỉ thị
λw = 0,86
b = 0,025 ( máy nén freon đứng) t0= 2℃
+ ηc: hệ số kể đến tổn thất ma sát của các chi tiết máy nén, ηc = 0,94
+ ηtđ: hệ số kể đến tổn thất do truyền động: khớp nối, đai truyền… Các máy nén kín và nửa kín có ηtđ = 1
+ ηđc: hiệu suất động cơ điện,( 0 ÷ 0,95 ) ηđc = 0,9
� = 0,91 . 0,94. 1 . 0,9 = 0,77
3.8.5 Công nén đoạn nhiệt
Công nén đoạn nhiệt của chu trình được tính theo công thức [2, 216] sau :
(3-39)
3.8.6 Công nén chỉ thị
Là công nén thực do quá trình nén lệch khỏi quá trình nén đoạn nhiệt lý thuyết, [3, 67]
(3-40)
Trong đó:
ηi: hiệu suất chỉ thị
3.8.7 Công nén hiệu dụng
Là công nén có tính đến tổn thất ma sát của các chi tiết máy và được xác định bằng công thức: [3, 67]
Ne = Ni + Nms (3-41)
Nms = Vtt .pms (3-42)
Pms: áp suất ma sát riêng, đối với máy nén Freon thẳng dòng thì Pms = 0,039 ÷ 0,059MPa, chọn Pms = 0,05 MPa = 5.104 N/m2
Nms =0,0114.(5.104) = 570 W = 0,57 (kW) V y : Nậ e = 8,86 +0,57=9,43(kW)
3.8.8 Công suất tiếp điện
Là công suất đo được trên bảng đấu điện, [3, 68]
(3-43) Trong đó:
+ Hiệu suất truyền động của khớp, đai…ηtđ = 1 + Hiệu suất động cơ: ηđc = 0 ÷ 0,95 , chọn ηđc = 0,9
3.8.9 Công suất động cơ lắp đặt
Để đảm bảo an toàn hệ thống lạnh thì động cơ lắp đặt phải có công suất lớn hơn Nel. Động cơ chọn thực tế phải có công suất dự trữ. Thường dự trữ từ 15% đến 20% nhưng cũng có trường hợp động cơ chọn lớn gấp đôi động cơ tính toán để đề phòng máy phải làm việc ở chế độ khắc nghiệt hơn
(3-44) Vậy :
Tra catalog máy nén hãng Copeland [5] môi chất R22 ta chọn máy nén hiệu ZR160KC-TFD cho 1 kho, vậy tổng kho lanh có 2 máy nén hiệu ZR160KC-TFD với thông số kỹ thuật:
Bảng 3. 6 Bảng thông số kĩ thuật của máy nén ZR160KC-TFD
Năng suất lạnh (KW)
Công suất điện (kW) Dòng điện (A) Hiệu điện thế (V) 37,24 11,3 20,3 380-420 3.9 Chọn thiết bị ngưng tụ
Dàn ngưng không khí (giải nhiệt gió) là dàn ngưng là mát bằng không khí tự nhiên hoặc cưỡng bức (dàn ngưng không khí đối lưu tự nhiên chỉ sử dụng cho tủ lạnh gia đình), dùng cho môi chất freôn và amoniăc từ cỡ nhỏ đến cỡ trung và cỡ lớn, đặc biệt cho các hệ thống điều hòa không khí.
Dàn ngưng không khí có các ưu điểm: tiết kiệm nước, không làm ô nhiễm sông hồ và các nguồn nước, không cần tháp giải nhiệt làm mát nước tuần hoàn, bề mặt ít bị bám bẩn. Nhược điểm cơ bản là gây tiếng ồn do quạt, phụ tải nhiệt thấp q = 240 ÷ 300 W/m2 , hệ số truyền nhiệt nhỏ k = 23 ÷ 35 W/m2.K, hiệu nhiệt độ lớn Δt = 8 ÷ 15⁰C. (2,259)
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ được xác định theo công thức:
(2,262)
(m2) (3.45)
Trong đó:
+ F - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2 ;
+ qF - mật độ dòng nhiệt hay còn gọi là phụ tải nhiệt riêng, W/m2. Chọn qF = 260 W/m2
+ Qk - phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ, kW :
Nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ Qk , kW, là lượng nhiệt mà nước làm mát hoặc không khí làm mát phải lấy đi. Đại lượng này cần xác định để tính diện tích bề mặt trao đổi
nhiệt cần thiết của thiết bị ngưng tụ. Qk đôi khi còn được gọi là năng suất nhiệt khi người ta sử dụng nó để đun nước nóng, sưởi… như nguồn nhiệt của bơm nhiệt. (2-219)
Qk = mtt.qk = mtt.(h2 – h3) , kW (3.46) Qk= 0,24.(293,68 - 95,87)= 47,474 (kW) ≈ 17 HP
(m2)
Với nhiệt thải dàn ngưng là 47,474 kW, diện tích trao đổi nhiệt là 182 m2 , Tra catalogue [6] Ta chọn dàn ngưng quạt ký hiệu Kewely FNV-180, với công suất 47 kW, diện tích làm lạnh 180m2 Tương tự, ta chọn 2 cái dàn ngưng quạt Kewely FNV-180 cho 2 phòng lạnh
Bảng 3. 7 Thông số kĩ thuật dàn ngưng FNV-180
Đơn vị FNV-180
Công suất lạnh kW 47
Diện tích trao đổi nhiệt m2 180
Kích thước mm 1800x920x1670
Số lượng quạt cái 2
Đường kính quạt mm 600
Điện áp quạt V 380
Công suất điện quạt kW 2x750
Ta chọn dàn bay hơi quạt trao đổi nhiệt bằng đối lưu cưỡng bức. Tương tự ta chọn dàn bay hơi cho mỗi phòng. Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt được xác định theo công thức: [3,
85]
(3-47)
Trong đó:
+ Q0TB : Tải nhiệt thiết bị, (kW)
+ ∆t: Hiệu nhiệt độ giữa không khí trong buồng lạnh và môi chất lạnh, 0C + k: hệ số truyền nhiệt của dàn lạnh, W/m2K.
Khi tính toán nhiệt độ buồng lạnh ta lấy bằng nhiệt độ bảo quản cộng thệm độ chênh lệch nhiệt độ trong buồng lạnh. Ở đây ta chọn ∆ttb = 2 ºC.