Trang 20
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ
3.1. Tính toán số liệu sơ bộ
Địa điểm lắp đặt: Xưởng Nhiệt, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, số 1, Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh, Việt Nam.
Thể tích khơng gian cần làm lạnh V = 0,6 × 0,5 × 0,5 (m3). Nhiệt độ mơi trường, có mái che: tmt = 29oC.
Độ ẩm: 74%.
Với tầng trên, dùng môi chất lạnh R134a, hệ thống dùng dàn ngưng tụ giải nhiệt bằng khơng khí.
Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tầng trên xác định theo công thức trang 32 tài liệu [51].
tk = tw + tk
tw là nhiệt độ của môi trường giải nhiệt nên ta lấy tw = tmt = 29oC. tk(R134a) = tmt + tk
Đối với nhiệt độ giải nhiệt bằng gió, hiệu nhiệt độ trung bình giữa mơi chất lạnh ngưng tụ và khơng khí bằng △tk = (10 ÷ 15) oC.
Chọn △tk = 10oC.
Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tầng trên tk(R134a) = tmt + tk = 29 + 10 = 39oC. Nhiệt độ yêu cầu: tyc = -20oC.
Với tầng dưới, dùng môi chất lạnh CO2 và nhiệt độ yêu cầu: tyc = -20oC. Ta có:
Nhiệt độ bay hơi của mơi chất tầng dưới xác định theo công thức trang 204 tài liệu [50]:
t0(CO2) = tyc – t0 [50].
Với dàn bay hơi trực tiếp thì hiệu nhiệt độ tối ưu t0 = 8 – 13oC. Chọn t0 = 10oC.
Nhiệt độ bay hơi của môi chất tầng dưới t0(CO2) = tyc – t0 = -20 - 10 = -30oC. Nhiệt độ ngưng tụ môi chất lạnh tầng dưới tk (CO2), nhiệt độ bay hơi của môi chất tầng trên t0(R134a).
Trang 21 Do khơng có phụ tải lạnh trung gian, nên tk (CO2) và t0(R134a) xác định theo công thức trang 49 tài liệu [51]:
tk(R134a) – t0(R134a) = tk (CO2) – t0(CO2) 39 – t0(R134a) = tk (CO2) - (-30)
tk (CO2) + t0(R134a) = 9 (1)
Độ chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tại tầng thấp CO2
và nhiệt độ bay hơi của môi chất tại tầng cao R134a trong thiết bị trao đổi nhiệt t = 5 ÷ 6 oC [50], chọn t = 5oC.
Suy ra: t = tk (CO2) - t0(R134a) = 5 (2)
Từ (1) và (2) ta suy ra: tk (CO2) = 7oC, t0(R134a) = 2oC.
Vậy, nhiệt độ ngưng tụ môi chất lạnh tầng dưới tk (CO2) = 70C và nhiệt độ bay hơi của môi chất tầng trên t0(R134a) = 20C.
Để khảo sát các thông số nhiệt động của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2, ta tính tốn riêng cho từng tầng bằng các cơng thức tính tốn hệ thống lạnh 1 cấp.
3.2. Tầng dưới môi chất lạnh CO2
Tầng dưới sử dụng môi chất lạnh CO2 làm việc theo các thông số sau: - Môi chất làm việc: CO2.
- Năng suất lạnh yêu cầu: Q0 = 2 kW. - Nhiệt độ ngưng tụ: tk (CO2) = 7oC. - Nhiệt độ bay hơi: t0 (CO2) = -30oC.
- Nhiệt độ quá nhiệt (nhiệt độ hơi hút) tqn là nhiệt độ của hơi trước khi vào máy nén được xác định theo công thức trang 208 tài liệu [50].
tqn= t0+ ∆tqn , với ∆tqn = 5 ÷15 Chọn ∆tqn =10oC.
Nhiệt độ quá nhiệt : tqn = -30 + 10 = -20oC. Với nhiệt độ ngưng tụ: tk (CO2) = 7oC.
Tra bảng tính chất vật lý của hơi và lỏng bão hòa của CO2: [47] Áp suất ngưng tụ pk (CO2) = 4,17 MPa = 41,7 bar.
Trang 22 Tra bảng tính chất vật lý của hơi và lỏng bão hòa của CO2: [47]
Áp suất bay hơi p0(CO2) = 1,43 MPa = 14,3 bar.
3.2.1. Tính cấp nén của chu trình Ta có tỉ số nén của chu trình: Ta có tỉ số nén của chu trình: 𝜋 = 𝑝𝑘(𝐶𝑂2) 𝑝0(𝐶𝑂2) = 41,7 14,3 = 2,9 Do tỷ số nén π= 2,9 9 nên ta chọn chu trình nén 1 cấp
3.2.2. Tính tốn, thiết lập thơng số các điểm nút
Ta có: Bảng 3.1 lả thơng số điểm nút rút ra từ Hình 3.1
Bảng 3. 1: Thông số trạng thái của chu trình tầng dưới mơi chất CO2
Điểm nút t (oC) p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kg.K) v (m3/kg) Trạng thái
1 -30 14,3 439 2 0,027 Hơi bão hịa khơ
1’ -20 14,3 449 2,04 0,028 Hơi quá nhiệt
2 51 41.7 491 2,04 - Hơi quá nhiệt
3 7 41.7 218 1,06 0,008 Lỏng bảo hòa
4 -30 14,3 218 1,09 - Hơi bão hịa ẩm
Trang 23 - Năng suất lạnh riêng:
q0 = h1 – h4 = 439 – 218 = 220 kJ/kg - Công máy nén riêng:
l = h2 – h1’ = 491 – 449 = 42 kJ/kg - Công suất nhiệt riêng:
qk = h2 – h3 = 491 – 218 = 273 kJ/kg - Lưu lượng môi chất qua máy nén: m = 𝑄0 𝑞0 = 2 220 = 0,009 kg/s - Thể tích hút thực tế Vtt (CO2) : Vtt (CO2) = m . v1’ = 0,009. 0,028 = 2,52×10-4 m3/s - Cơng máy nén lạnh: N = m . l = 0,009 . 42 = 0,378 kW - Công suất nhiệt:
Qk = m . qk = 0,009 . 273 = 2,457 kW - Hệ số lạnh của chu trình: ε1 = 𝑄0 𝑁 = 2 0,379 = 5,3 3.2.3. Chọn thiết bị cho hệ thống a. Chọn động cơ máy nén
Ta chọn máy nén gián tiếp thông qua mối liên hệ giữa công suất điện của động cơ máy nén và công nén đoạn nhiệt của máy nén.
Công suất điện của động cơ máy nén được xác định theo công thức 7-23 và 7– 25 tài liệu [50]:
Ndc = k.Nel = k.𝑁
𝜂
Trong đó:
+ k: hệ số làm việc an tồn. k = (1,1 ÷ 2,1) Chọn k = 1,1 do máy hoạt động ổn định.
+ N: Công nén đoạn nhiệt của máy nén.
Trang 24 Với:
+ ηi: hệ số hiệu suất chỉ thị do quá trình nén đoạn nhiệt thực tế khơng phải là q trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch, ηi được xác định theo công thức 7–21 tài liệu [50]:
ηi = 𝑇0
𝑇𝑘 + 0,001. 𝑡0 = −30+273
7+273 + 0,001. (-30) = 0,84
+ ηe: Hệ số hiệu suất cơ học do tổn thất ma sát tại các bề mặt chuyển động (do nhà chế tạo quy định), chọn ηe = 0,95.
+ ηtđ: Hệ số hiệu suất truyền động giữa máy nén và động cơ, vì máy nén kín truyền động trực tiếp nên chọn ηtđ = 1.
+ ηel: Hệ số hiệu suất của động cơ điện, chọn ηel = 0,95. Thay các hệ số hiệu suất vào ta được:
η = 0,84.0,95.1.0,95 =0,76
Vậy công suất điện của động cơ máy nén CO2: Nđc = 1,1 . 𝑁
𝜂 = 1,1 . 0,378
0,76 = 547 W
Kết luận: Với giá trị công suất điện động cơ Nđc = 547 W và thể tích hút thực tế Vtt (CO2) = 2,52×10-4 m3/s nên chọn máy nén piston CO2 kín có cơng suất 550W model SRCACA của hãng SANDEN, có các thơng số như sau là đáp ứng được hệ thống thiết kế:
- Serial: 0004041023B.
- Điện áp hoạt động: 220 – 240vAC/50Hz – 1 pha. - Môi chất làm việc: R744.
- Giới hạn áp suất làm việc: 12MPa.
Với máy nén piston CO2 kín có cơng suất 550W, qua tính tốn xác định lại các giá trị như sau:
- Năng suất lạnh Q0 (CO2) = 1,98 kW. - Công suất nhiệt Qk (CO2) = 2,467 kW. - Công máy nén lạnh: N(CO2) = 0,38 kW.
Trang 25
b. Tính chọn thiết bị bay hơi.
Thiết bị bay hơi thực hiện nhiệm vụ trao đổi nhiệt giữa môi trường cần làm lạnh với hơi mơi chất có áp suất thấp và nhiệt độ thấp.
Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi đối lưu cưỡng bức được xác định theo công thức 8-9 tài liệu [50]:
F = 𝑄0
𝑘.∆𝑡
Trong đó:
F: Diện tích trao đổi nhiệt dàn bay hơi (m2).
k: Hệ số truyền nhiệt, W/m2.K.
Q0: Năng suất lạnh yêu cầu, Q0 = 1,98 kW.
Δt: Độ chêch lệch nhiệt độ trung bình lgarit.
Hệ số truyền nhiệt k xác định theo công thức 13.9 tài liệu [42]: k = 1 1 𝛼𝑘𝑘+ 𝛿 𝜆+ 1 𝛼𝐶𝑂2 (W/m2. K) Trong đó:
αkk: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu về phía khơng khí, W/m2.K.
λ: Hệ số dẫn nhiệt dàn bay hơi, W/m.K.
αCO2: Hệ số tỏa nhiệt về phía mơi chất lạnh CO2, W/m2K.
δ: Chiều dày ống của dàn bay hơi (m). Hệ số tỏa nhiệt về phía mơi chất lạnh CO2:
Dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức, ta xét môi chất toả nhiệt khi sôi bọt (trang 218) [42] , ta có:
5oC t = tw – ts22,2oC
Áp suất sôi của môi chất CO2 14,3 bar; suy ra nhiệt độ sôi là: ts = -30oC Chọn nhiệt độ vách ngoài: tw = -24oC.
Từ nhiệt độ sôi ts = -30oC, tra bảng thơng số vật lý của CO2 [47] ta có:
Hệ số dẫn nhiệt λ = 146,9.10-3 W/m.K.
Trang 26
Độ nhớt động học υ = 1,53.10-7 m2/s.
Khối lượng riêng của hơi 𝜌ℎ = 𝜌′′ = 37,1 kg/m3.
Khối lượng riêng của lỏng 𝜌𝑓 = 𝜌′ = 1075,7 kg/m3.
Hệ số tỏa nhiệt αCO2 khi sôi bọt xác định theo công thức 10.10’ tài liệu [42]:
CO2 = 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.( 37,1 1075,7− 37,1)23 ] = 0,156
Thay hệ số b vào hệ số toả nhiệt αCO2:
CO2 = 𝑏3 .( 𝜆 2 𝑣.𝜎.𝑇𝑠) .∆𝑡2 = 0,1563 . ( (146,9.10 −3)2 1,53.10−7.10,8.10−3.(−30+273)) . (-24+30)2 = 7345 (W/m2.K) Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của khơng khí về phía mơi chất CO2 được xác định theo công thức tài liệu [42] trang 136:
kk = 𝑁𝑢.𝜆
Le Giả sử: Le = d = 0,008mm là đường kính ống.
Mức độ giảm nhiệt của khơng khí trong dàn bay hơi là ∆𝑡 = 5 ÷ 10℃ chọn độ chênh lệch là 50Ctài liệu [50] trang 298.
Nhiệt độ ra khỏi quạt: tkk,ra = tkk,vào -5 = -20 - 5 = -25℃.
Nhiệt độ trung bình của khơng khí trong dàn khi nhiệt độ phịng đạt yêu cầu: tf = 0,5.(-30 + -25) = -27,5oC
Từ tf = -27,5oC, tra bảng thơng số vật lý của khơng khí khơ [42] ta có:
Khối lượng riêng: 𝜌f = 1,438 kg/m3.
Nhiệt dung riêng đẳng áp: Cpf = 1,013 kJ/kgK.
Hệ số dẫn nhiệt: λf = 2,22.10-2 W/m.K.
Độ nhớt động học vf = 11,04.10-6m2/s.
Hằng số Prandt: Prf = 0,721.
Trang 27 Theo tiêu chuẩn Reynolds tài liệu [42] trang 134:
Re= 𝜔𝑓.𝐿𝑒
𝑣𝑓 = 4.0,008
11,04.10−6 = 2898,55 > 1000 Tiêu chuẩn Nusselt xác định theo công thức 8.36 tài liệu [42]:
Nuf = 0,4.Ref0.6.Prf0,36. (𝑃𝑟𝑓
𝑃𝑟𝑤)0,25εψ. εi
Với góc va chạm: ψ=70, suy ra: εψ=0,98. Nhiệt độ vách: tw = -24oC.
Tra bảng thơng số vật lý của khơng khí khơ [42] ta có: Hằng số Prandt: Prw = 0,72.
Suy ra, Nuf = 0,4.2898,550.6.0,7210,36. (0,721
0,72)0,250,98 = 41,64 Hệ số tỏa nhiệt khơng khí qua 1 hàng ống là:
kk(1 hàng ống) = 𝑁𝑢.𝜆
Le =41,64.2,24.10 −2
0.008 = 116,59 W/m2.độ Hệ số tỏa nhiệt trung bình của khơng khí qua chùm ống so le: Chọn số hàng ống: M = 14.
kk = (0,6+0,7+12).116,59
14 = 110,76 W/m2.độ
Hệ số tỏa nhiệt CO2(αCO2) và khơng khí (KK) như Bảng 3.2.
Bảng 3. 2: Hệ số tỏa nhiệt CO2 (CO2) và khơng khí (KK).
Mơi chất CO2 Khơng khí
Hệ số tỏa nhiệt α (W/m2.K) 7345 110,76
Giả sử dàn bay hơi mini có các thơng số như Bảng 3.3:
Bảng 3. 3: Thông số dàn bay hơi
Chiều dày ống của dàn bay hơi δ (mm) 0,7
Đường kính ống (mm) 8
Hệ số dẫn nhiệt λ của đồng (W/m.K) 80,2
Từ các giá trị như Bảng 3.2 và Bảng 3.3, hệ số truyền nhiệt k: Vậy hệ số truyền nhiệt của dàn bay hơi là:
k = 1 1
110,76+ 0,7.10−3
80,2+ 1
7345
Trang 28
t: Độ chênh nhiệt độ trung bình lgarit, được xác định theo cơng thức trang 282 tài liệu [50]:
t = ∆𝑡𝑚𝑎𝑥− ∆𝑡𝑚𝑖𝑛
𝑙𝑛∆𝑡𝑚𝑎𝑥
∆𝑡𝑚𝑖𝑛 Với:
Nhiệt độ môi chất sơi và hố hơi trong dàn bay hơi -30oC.
Nhiệt độ khơng khí trong phịng ban đầu (khơng khí tươi bên ngồi) là 29oC vận hành hệ thống đến khi đạt trạng thái ổn định đạt -20oC là đạt yêu cầu.
Quá trình trao đổi nhiệt của dàn bay hơi của môi chất CO2 và khơng khí được miêu tả như Hình 3.2. Từ đó suy ra:
Δtmax= tkk, vào – tCO2, ra = 29 – (-30) = 59°C Δtmin = tCO2, vào – tKK, vào = -20 – (-30) = 10°C Khi đó, độ chênh nhiệt độ trung bình lgarit:
t = ∆𝑡𝑚𝑎𝑥− ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑙𝑛∆𝑡𝑚𝑎𝑥 ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = 59 − 10 𝑙𝑛59 10 = 27,8K
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi đối lưu cưỡng bức: F = 𝑄0
𝑘.∆𝑡 = 1,98 .1000
109,01 . 27,8 = 0,65 m2
Ta có: Đường kính ống: d = 8mm.
Trang 29 Chọn: bước ống ngang s1 = 20 mm, bước ống dọc s2 = 15mm, chiều dài ống 320mm. Tổng số ống: n = 𝐹 𝜋.𝑑.𝑙 = 0,65 𝜋.0,008.0,32 = 80,82 (ống) Chọn n = 81 ống. Với số hàng ống: M = 14. Suy ra: Số cụm ống: N = 𝑛 𝑀 = 81 14 = 5,7. Chọn số cụm ống là 6. Chiều cao hàng ống: H = M.s2 = 14 . 0,015 = 0,21 (m). Chiều rộng cụm ống: b = N . s1 = 6 . 0,02 = 0,12 (m). Vậy, chọn vỏ thiết bị có H = 0,3m; b = 0,15m.
Hình 3.3 là mơ hình sơ bộ của dàn bay hơi ống mini sau khi tính tốn dựng bằng phần mềm AutoCAD 3D.
Hình 3. 3: Kích thước sơ bộ của dàn bay hơi ống mini (đơn vị: mm)
3.3. Tầng trên môi chất lạnh R134a
Tầng trên sử dụng môi chất lạnh R134a làm việc theo các thông số sau: - Môi chất làm việc: R134a.
- Điều kiện để máy lạnh ghép tầng hoạt động ổn định: Năng suất lạnh yêu cầu: Q0(R134a) = Qk(CO2) = 2,467 kW. - Nhiệt độ ngưng tụ: tk (R134a) = 39oC.
Trang 30 - Nhiệt độ bay hơi: t0 (R134a) = 2oC.
Độ quá nhiệt hơi hút về máy nén:
Nhiệt độ quá nhiệt (nhiệt độ hơi hút) tqn là nhiệt độ của hơi trước khi vào máy nén xác định theo công thức trang 208 tài liệu [50].
tqn= t0+ ∆tqn , với ∆tqn = 10 ÷15. Chọn độ chênh lệch nhiệt độ ∆tqn =10oC.
Nhiệt độ quá nhiệt : tqn = 2 + 10 = 12oC. Với nhiệt độ ngưng tụ: tk (R134a) = 39oC.
Tra bảng tính chất vật lý của hơi và lỏng bão hòa của R134 theo bảng [47]: Áp suất ngưng tụ pk (R134a) = 0,989 MPa = 9,89 bar.
Với nhiệt độ bay hơi: t0(R134a) = 2oC.
Tra bảng tính chất vật lý của hơi và lỏng bão hòa của R134a theo bảng [47]: Áp suất bay hơi p0(R134a) = 0,314 MPa = 3,14 bar.
3.3.1. Tính cấp nén của chu trình Ta có tỉ số nén của chu trình: Ta có tỉ số nén của chu trình: 𝜋 = 𝑝𝑘(𝑅134𝑎) 𝑝0(𝑅134𝑎) = 9,89 3,14 = 3,14 Do tỷ số nén π= 3,14 9 nên ta chọn chu trình nén 1 cấp.
Tính tốn chu trình R134a trong trường hợp chu trình 1 cấp có hồi nhiệt và không hồi nhiệt để đánh giá và lựa chọn chu trình có hiệu quả tốt hơn.
Nhiệt độ quá lạnh (nhiệt độ trước tiết lưu) xác định theo cơng thức trang 130 tài liệu [52], từ đó suy ra:
tql = tk - ∆tql Với: ∆tql = 8 ÷15 [50]
Chọn độ quá lạnh phù hợp ∆tql =10oC. Nhiệt độ quá lạnh : tql = 39 - 10 = 29oC.
3.3.2. Tính tốn, thiết lập thơng số các điểm nút
Trang 31
Bảng 3. 4: Thơng số trạng thái của chu trình tầng dưới mơi chất R134a
Điểm nút t (oC) p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kg.K) v (m3/kg) Trạng thái
1 2 3,14 400 1,72 0,0645 Hơi bão hịa khơ
1’ 12 3,14 410 1,76 0,0675 Hơi quá nhiệt
2 52 9,89 434 1,76 - Hơi quá nhiệt
3 39 9,89 256 1,18 0,00086 Lỏng bảo hòa
3’ 29 9,89 240 1,13 - Lỏng chưa sôi
4 2 3,14 240 1,14 - Hơi bão hòa ẩm
5 2 3,14 256 1,21 - Hơi bão hịa ẩm
TH1: Tính tốn có sử dụng hồi nhiệt:
- Năng suất lạnh riêng:
q0(R134a) = h1 – h4 = 400 – 240 = 160kJ/kg - Công máy nén riêng:
l2 = h2 – h1’ = 434 – 410 = 24 kJ/kg - Công suất nhiệt riêng:
qk(R134a) = h2 – h3 = 434 – 256= 178 kJ/kg