CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
3.4. Hệ số COP của hệ thống
Sau khi tính tốn các thơng số nhiệt động của hệ thống lạnh ghép tầng với tầng thấp dùng môi chất CO2 và tầng cao dùng môi chất R134a, suy ra hệ số hiệu suất (COP) của hệ thống theo công thức là:
COP = 𝑄0(𝐶𝑂2)
𝑁𝑅134𝑎+ 𝑁𝐶𝑂2 = 1,98
0,36 + 0,38 = 2,7
3.5. Tính toán sơ bộ bộ trao đổi nhiệt micro
Tính tốn sơ bộ trong trường hợp sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm kênh micro loại D22L của Danfoss với các thông số cho sẵn như Bảng 3.5 [55]:
Bảng 3. 5: Thông số của bộ trao đổi nhiệt kênh micro
Chiều dài mỗi tấm của kênh micro δ (mm) 312
Hệ số dẫn nhiệt λVL (W/mK) 16,2
Ta có:
Nhiệt lượng trao đổi ở thiết bị giải nhiệt: Qk = 2,467 kW.
Nhiệt độ môi chất CO2 vào bộ trao đổi nhiệt là t1’ = 51oC.
Trang 36
Nhiệt độ môi chất R134a vào vàra bộ trao đổi nhiệt là t2’ = t2’’ = 2oC. Lượng nhiệt trao đổi Qk của bộ trao đổi nhiệt được xác định bằng phương trình truyền nhiệt 1-19 [43]:
Ta có: Qk = k.F.∆t
k: Hệ số truyền nhiệt của kênh micro.
F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị bị. ∆t: Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình lgarit.
- Bộ trao đổi nhiệt kênh micro dạng tấm, tính hệ số truyền nhiệt k theo công thức 13.9 [42]: k = 1 1 αR134a + δ λ𝑉𝐿 + 1 αCO2 (W/m2. K)
Trong đó: αR134a: Hệ số tỏa nhiệt về phía mơi chất lạnh R134a, W/m2.K. λVL: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu bộ micro, W/m.K.
αCO2: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu về phía mơi chất lạnh CO2, W/m2K. δ: Chiều dày tấm của bộ trao đổi nhiệt kênh micro (m).
Tính hệ số tỏa nhiệt αR134a
Hệ số tỏa nhiệt αR134a khi sôi bọt xác định theo công thức 10.10 tài liệu [42]:
R134a = 𝑏3 . ( 𝜆 2
𝑣.𝜎.𝑇𝑠) .∆𝑡2
Ta có: Áp suất sơi của mơi chất R134a 3,14 bar; Tra bảng thông số vật lý của R134a [47], suy ra: Nhiệt độ sôi của môi chất là: ts = 2oC.
Xét môi chất toả nhiệt khi sôi bọt (trang 218) tài liệu [42], ta có: 5oC t = tw – ts 22,2oC
Chọn nhiệt độ vách tw = 8oC.
Từ nhiệt độ sôi ts = 2oC, tra bảng thông số vật lý của R134a [47] ta có:
Hệ số dẫn nhiệt λ = 91,1.10-3 W/m.K.
Sức căng bề mặt σ = 11,27.10-3 N/m.
Trang 37
Khối lượng riêng của lỏng 𝜌𝑓 = 1288,1 kg/m3.
Độ nhớt động lực 𝜇 = 264,3 𝜇Pa.s. Độ nhớt động học υ = 2,05.10-7 m2/s.
Hệ số tỏa nhiệt αCO2 khi sôi bọt xác định theo công thức 10.10 tài liệu [42]:
R134a = 𝑏3 . ( 𝜆 2 𝑣.𝜎.𝑇𝑠) .∆𝑡2 Với b là hệ số và được xác định: b = 0,075.[1 + 10.( ⍴ℎ ⍴𝑓 − ⍴ℎ)23 ] = 0,075.[1+10.( 15,47 1288,1− 15,47)23 ] = 0.1146
Thay hệ số b vào hệ số toả nhiệt αR134a:
R134a = 𝑏3 .( 𝜆 2 𝑣.𝜎.𝑇𝑠) .∆𝑡2= 0,11463 . ( (91,1.10 −3)2 2,05.10−7.11,27.10−3.(2+273)) . (8-2)2 = 707,75 (W/m2.K)
Tính hệ số tỏa nhiệt αCO2
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu về phía mơi chất CO2 được xác định theo cơng thức:
CO2 tỏa nhiệt = 𝑁𝑢𝑓.𝜆𝑓
𝑑 d = 1,1mm là bề rộng khe hẹp.
Hệ số Nusselt xác định theo công thức 8.7 tài liệu [42]: Nuf = 0,021.Ref0,8.Prf0,43.(Prf
Prw)0,25
Ta có: nhiệt độ vào và ra lần lượt là 51 oC và 7oC.
Suy ra, nhiệt độ trung bình của mơi chất trong bộ trao đổi nhiệt: tf = 0,5.(51 + 7) = 29oC
Chọn tf = 29oC.
Từ tf = 29oC, tra bảng thông số vật lý của CO2 [47] ta có:
Khối lượng riêng của lỏng: 𝜌𝑓 = 629,4 kg/m3.
Nhiệt dung riêng đẳng áp: Cpf = 16,95 kJ/kgK.
Hệ số dẫn nhiệt: λf = 85,2.10-3 W/m.K.
Độ nhớt động lực 𝜇f = 47,5 𝜇Pa.s.
Trang 38 Tốc độ trung bình của mơi chất CO2 được xác định theo công thức:
ω = 𝑉
𝐹 (m/s)
với V = m1/ 𝜌𝑓: lưu lượng thể tích của chất lỏng qua mặt cắt (m3/s). F: diện tích mặt cắt (m2).
Phần tỏa nhiệt của môi chất trong thiết bị trao đổi nhiệt có diện tích u cầu được xác định như sau, theo tài liệu [54]:
Fsh =
L𝑞𝑢á 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 𝐿𝑡ấ𝑚
Trong đó:
Fsh = 0,2 : Tỉ lệ dự đốn diện tích q nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt cho quá nhiệt.
Lquá nhiệt = Fquá nhiệt. Ltấm : Chiều dài yêu cầu cho quá nhiệt.
Ltấm : chiều dài tấm.
Diện tích mặt cắt phần trao đổi nhiệt của môi chất CO2 trong bộ trao đổi nhiệt là:
F = d.Lquá nhiệt
Với d = 0,0019m : chiều rộng mặt cắt. Ltấm = 0,312m: chiều dài tấm bộ micro. Lquá nhiệt = 0,2.Ltấm= 0,0624
Diện tích mặt cắt là: F = 0,0019 . 0,0624 = 1,18.10-4 m2 Suy ra: ω = 0,00904
629,4 . 1,18.10−4 = 0,12 (m/s)
Các tiêu chuẩn đồng dạng trong cơ học được xác định theo tài liệu [42].
Tiêu chuẩn Reynolds: Ref = 𝜔𝐿𝑒
𝑣𝑓 = 0,12 .0,0624
7,54.10−8 = 99310 Với Ref > 104 nên chất lỏng chảy rối.
Tiêu chuẩn Prantl: Prf = 𝜇𝑓.𝐶𝑝𝑓
𝜆𝑓 = 47,5.10
−6.16,95.103
85,2.10−3 = 9,44 Nhiệt độ vách của môi chất CO2: tw = 8oC.
Từ tw = 8oC, tra bảng thông số vật lý của CO2 [47] ta có:
Trang 39
Hệ số dẫn nhiệt: λw = 100,6.10-3 W/m.K.
Độ nhớt động lực 𝜇w = 85,8 𝜇Pa.s. Tiêu chuẩn Prantl: Prw = 𝜇𝑤.𝐶𝑝𝑤
𝜆𝑤 = 85,8.10
−6.2,875.103
100,6.10−3 = 2,45 Suy ra : Nuf = 0,021. 993100,8.9,440,43.(9,44
2,45)0,25 = 768,25 Vậy hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của CO2:
CO2tỏa nhiệt = 768,25. 85,2.10 −3
0,0019 = 34449 W/m2K
Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của môi chất CO2 được xác định theo công thức 9.4 tài liệu [42].
CO2ngưng = 1,14. ( 𝑔𝑟𝜌𝜆3 𝜐.𝑑(𝑡𝑠−𝑡𝑤))
1/4
Với g = 9.81 m/s2 : gia tốc trọng trường
ts = 7oC : nhiệt độ của hơi bão hòa ứng với áp suất ngưng tụ 41,7 bar Chiều dài yêu cầu cho ngưng được xác định theo công thức tài liệu [54] Lngưng = Fngưng . Ltấm : Chiều dài yêu cầu cho ngưng.
Fngưng = 0,7 : Tỉ lệ dự đoán của thiết bị trao đổi nhiệt cho ngưng Suy ra: Lngưng = 0,7.0,312 = 0,2184m
Ta chọn: tw = 5oC: nhiệt độ bề mặt tấm
Nhiệt độ trung bình: tm = 0,5.(ts + tw) = 0,5.(7+5) = 6oC Tra bảng thông số vật lý của CO2 ở trạng thái bão hòa [47]:
Khối lượng riêng: ρm = 889,4 kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt: λm = 103,1.10-3 W/m.K.
Độ nhớt động học: vm = 10,01.10-8 m2/s
r = 212,07 kJ/kg : hệ số ẩn nhiệt hóa hơi Suy ra, hệ số tỏa nhiệt khi ngưng là:
CO2 = 1,14. [9,81.212,07.103.889,4.(103,1.10−3)3
10,01.10−8.0,2184.(6−5) ]1/4 = 3537 W/m2K
Diện tích yêu cầu cho quá nhiệt và ngưng tụ của thiết bị trao đổi nhiệt được xác định như sau, theo tài liệu [54]:
Trang 40 Fsh =
L𝑞𝑢á 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 𝐿ố𝑛𝑔
Trong đó:
Fsh = 0,2 : Tỉ lệ dự đốn diện tích q nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt cho quá nhiệt.
Lquá nhiệt = Fquá nhiệt. Ltấm : Chiều dài yêu cầu cho quá nhiệt.
Ltấm : chiều dài tấm
Fngưng = L𝑛𝑔ư𝑛𝑔
𝐿𝑡ấ𝑚
Trong đó:
Fngưng = 0,7 : Tỉ lệ dự đoán của thiết bị trao đổi nhiệt cho ngưng
Lngưng = Fngưng . Ltấm : Chiều dài yêu cầu cho ngưng.
Hệ số tỏa nhiệt của mơi chất R134a có thể xác định như sau:
R134a = 𝑞𝑢á 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡.F𝑞𝑢á 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 + 𝑛𝑔ư𝑛𝑔.F𝑛𝑔ư𝑛𝑔
F𝑞𝑢á 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡+ F𝑛𝑔ư𝑛𝑔
với F = d. L: diện tích trao đổi nhiệt
Phần diện tích trao đổi nhiệt cho q trình tỏa nhiệt là: Fquá nhiệt = d. Lquá nhiệt = d. 0,2. Ltấm
Phần diện tích trao đổi nhiệt cho q trình ngưng tụ là: Fngưng = d. Lngưng = d. 0,7. Ltấm
Suy ra:
CO2 = tỏa nhiệt.d.0,2.Ltấm + ngưng.d.0,7.Ltấm
d.0,2.Ltấm+ d.0,7.Ltấm
= tỏa nhiệt.0,2 + ngưng.0,7
0,2+ 0,7
= 34449.0,2 + 3537.0,7
0,2+ 0,7
= 10406 W/m2K
Bảng 3. 6: Hệ số tỏa nhiệt của CO2 và hệ số tỏa nhiệt của R134a
Môi chất CO2 R134a
Trang 41 Với các giá trị hệ số tỏa nhiệt sau khi tính tốn (Bảng 3.6), ta tính tốn được hệ số truyền nhiệt là: k = 1 1 αR134a + δ λVL + 1 αCO2 = 1 1 707,75+ 0,00119 16,2 + 1 10406 = 631,91 (W/m2. K)
Độ chênh nhiệt độ trung bình lgarit được xác định theo cơng thức trang 282 [50]:
△ t = ∆tmax − ∆tmin ln∆t∆tmax
min
Trong đó:
Δtmax - Độ chênh lớn nhất nhiệt độ của các chất lỏng tại điểm cuối của bề mặt trao đổi nhiệt.
Δtmin - Độ chênh bé nhất nhiệt độ của các chất lỏng tại điểm cuối của bề mặt trao đổi nhiệt.
Quá trình trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt của môi chất R134avà CO2 được miêu tả như Hình 3.6. Từ đó suy ra:
∆tmax = tCO2,vào – tR134a,ra = 51 – 2 = 49oC ∆tmin = tCO2,ra – tR134a,vào = 7 – 2 = 5oC
Suy ra, độ chênh nhiệt độ trung bình lgarit:
Trang 42 △ t = ∆tmax − ∆tmin ln∆t∆tmax min = 49 − 5 ln (495 ) = 19,27K Ta có:
Vậy diện tính bề mặt trao đổi nhiệt là:
F = Q
k. ∆t=
2,467.1000
631,93 . 19,27= 0,21 m 2
Hình 3.7 phác thảo sơ bộ mơ hình vẽ bằng phần mềm AutoCAD 3D và kích thước của bộ trao đổi nhiệt kênh micro.
Trang 43
CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM
4.1. Thiết lập mơ hình hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 4.1.1. Thiết lập mơ hình thực nghiệm 4.1.1. Thiết lập mơ hình thực nghiệm
Việc thiết lập mơ hình hệ thống và vận hành nhằm thu thập các thông số nhiệt động như nhiệt độ và áp suất của các điểm nút để xác định được các giá trị năng suất lạnh, công suất nhiệt và công nén của các tầng. Việc thu thập các thông số dựa trên việc sử dụng các thiết bị đo như: đồng hồ đo áp suất, cảm biến nhiệt độ, thiết bị đo lưu lượng. Mơ hình thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng lý thuyết được thể hiện như Hình 4.1 và xây dựng mơ hình sơ bộ bằng phần mềm AutoCAD 3D như Hình 4.2.
Trang 44
4.1.2. Quy trình vận hành hệ thống thực nghiệm
Bước 1: Kiểm tra nguồn điện, bảo đảm điện áp có sai số không quá 2% so với điện áp vận hành.
Bước 2: Loại bỏ các vật cản xung quanh hệ thống, kiểm tra đường ống và mở các van.
Bước 3: Khởi động quạt thiết bị bay hơi tầng dưới CO2.
Bước 4: Khởi động tầng trên R134a. Quan sát dòng khởi động, đồng hồ áp suất đầu hút, đầu đẩy máy nén R134a đến khi nhiệt độ đầu hút đạt khoảng 3 bar.
Bước 5: Khởi động tầng dưới CO2.
Trang 45 Bước 6 : Tiến hành lấy dữ liệu các thông số: áp suất, nhiệt độ tại các vị trí điểm nút của cả hai tầng trên và dưới.
Bước 7 : Sau khi đạt các thông số vận hành, tiến hành dừng hệ thống. Tắt tầng dưới CO2 trước sau đó tắt tầng trên R134a và cuối cùng tắt quạt thiết bị bay hơi CO2.
4.2. Các thiết bị chính của hệ thống 4.2.1. Máy nén tầng thấp CO2 4.2.1. Máy nén tầng thấp CO2
Máy nén tầng thấp CO2 có nhiệm vụ hút hơi mơi chất lạnh có áp suất thấp, nhiệt độ thấp tại thiết bị bay hơi tầng thấp và nén thành hơi ở trạng thái có áp suất cao, nhiệt độ cao. Sau đó hơi mơi chất lạnh sẽ được đẩy vào thiết bị ngưng tụ (bộ trao đổi nhiệt kênh micro). Máy nén tầng thấp CO2 có cơng suất là 550W như Hình 4.3.
Hình 4. 3: Máy nén CO2 tầng thấp
4.2.2. Bộ trao đổi nhiệt kênh micro
Bộ trao đổi nhiệt kênh micro được sử dụng để truyền năng lượng nhiệt từ hai dịng mơi chất khác nhau mà không cần tiếp xúc với nhau, mà thông qua các tấm kim loại mỏng. Dịng mơi chất sử dụng bộ trao đổi nhiệt làm thiết bị ngưng tụ đi từ trên đi xuống và ngược lại đối với thiết bị bay hơi. Bộ trao đổi nhiệt kênh micro như Hình 4.4.
Trang 46
Hình 4. 4: Bộ trao đổi nhiệt kênh micro [53]
Dưới đây là một số thông số thiết bị:
Model: D22L.
Số tấm: 16.
A = 10 + 1,19.16 = 29,04mm.
Nhiệt độ thấp nhất và cao nhất khi vận hành: -196°C ÷ 200°C.
Áp suất tối đa: 45 bar.
Khối lượng: 1,49 kg.
Trang 47
4.2.3. Thiết bị tiết lưu tầng thấp CO2
Thiết bị tiết lưu tầng thấp CO2 có nhiệm vụ làm giảm áp suất, giảm nhiệt độ của môi chất xuống trạng thái bay hơi ở áp suất và nhiệt độ thấp hơn. Thiết bị tiết lưu cịn có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng mơi chất lạnh đi vào thiết bị bay hơi để thực hiện việc làm lạnh. Thiết bị tiết lưu tầng thấp CO2 như Hình 4.5.
Hình 4. 5: Van tiết lưu tay tầng thấp CO2
4.2.4. Thiết bị bay hơi tầng thấp CO2
Thiết bị bay hơi ống mini tầng thấp CO2 có nhiệm vụ làm giảm nhiệt độ khơng gian cần làm lạnh bằng cách đưa mơi chất lạnh CO2 có nhiệt độ thấp, áp suất thấp vào không gian cần làm lạnh, tại đây môi chất lạnh sẽ nhận nhiệt trong không gian làm lạnh và chuyển trạng thái từ hơi bão hòa ẩm thành trạng thái hơi bão hịa khơ. Thiết bị bay hơi tầng thấp CO2 như Hình 4.6.
Trang 48
4.2.5. Máy nén tầng cao R134a
Máy nén tầng cao R134a là thiết bị có nhiệm vụ hút hơi mơi chất lạnh có áp suất thấp, nhiệt độ thấp ở bộ trao đổi nhiệt kênh micro, và nén lên thành hơi ở trạng thái áp suất cao, nhiệt độ cao. Sau đó thực hiện q trình đẩy hơi mơi chất lạnh vào thiết bị ngưng tụ ở tầng cao. Máy nén R134a như Hình 4.7.
Hình 4. 7: Máy nén tầng cao R134a
4.2.6. Thiết bị ngưng tụ tầng cao R134a
Môi chất R134a ở trạng thái hơi có áp suất cao, nhiệt độ cao sau khi vào thiết bị ngưng tụ sẽ trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh để chuyển sang trạng thái lỏng bão hịa có áp suất cao và nhiệt độ cao. Thiết bị ngưng tụ như Hình 4.8.
Trang 49
4.2.7. Thiết bị tiết lưu tầng cao R134a
Thiết bị tiết lưu tầng cao là một loại van tiết lưu bằng tay. Thiết bị này có nhiệm vụ là làm giảm lượng môi chất lạnh R134a ở trạng thái áp suất cao, nhiệt độ cao xuống trạng thái có áp suất thấp, nhiệt độ thấp. Van tiết lưu tầng cao như Hình 4.9.
Hình 4. 9: Van tiết lưu tay tầng cao R134a
Hệ thống sau khi tiến hành việc kiểm tra và lắp đặt xong sẽ hồn thiện như Hình 4.10.
Trang 50
4.3. Các thiết bị đo
4.3.1. Đồng hồ đo áp suất
Để tăng thêm độ chính xác khi đo các giá trị áp suất tại các điểm nút thì hệ thống lạnh đã sử dụng đồng thời hai loại đồng hồ đo áp suất đó là: Bộ số hóa tín hiệu áp suất và đồng hồ áp suất chân sau.
Bộ số hóa tín hiệu áp suất là một thiết bị điện tử sử dụng module Adruino nhận tín hiệu Analog từ cảm biến Sensys (PTEH0001BCMG 4 – 20mA), xử lý tín hiệu sau đó hiển thị lên màn hình LCD. Bộ số hóa tín hiệu áp suất như Hình 4.11.
Hình 4. 11: Bộ số hóa tín hiệu áp suất
Thơng số kỹ thuật của bộ số hóa tín hiệu áp suất:
Phạm vi đo: 0 100 bar.
Nhiệt độ hoạt động: -40 1250C.
Nguồn cấp: DC 9 – 30V.
Sai số: 0,05%.