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 Dàn ống Mini
Kích thước thiết bị (mm) 540x360x200
Diện tích truyền nhiệt (m2) 4,5
Công suất lạnh (kW) 4,0
Số ống bên trong dàn 34
Số kênh bên trong ống 34x10
Đường kính kênh (mm) 1,6 x 1,2
Số dãy cánh nhôm tản nhiệt 35
Kích thước cánh nhôm (mm) 20 x 8 x 0,2
32 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 3.2.
33
a – Máy nén lạnh; b – thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước và gió; 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. Sau đó, tại thiết bị ngưng tụ nước sẽ làm mát môi chất, không khí sẽ làm mát 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.
34
3.2. Các thiết bị trong thực nghiệm 3.2.1. 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 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 giải nhiệt nước và gió
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, vai trò của nước và không khí trong thiết bị ngưng tụ 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 giải nhiệt nước và gió.
35 Hình 3.5. Dàn ngưng tụ giải nhiệt nước và gió
Môi chất sau khi được nén lên áp suất cao, nhiệt độ cao được đưa vào thiết bị ngưng tụ như Hình 3.5. với hệ thống 4 bộ ống xoắn 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 van tiết lưu được thể hiện như Hình 3.6.
36 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. Thiết bị 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.
Hình 3.7. Dàn bay hơi kênh mini
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 các đồng hồ hiển thị được thể hiện như Hình 3.8.
37 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 sử dụng 2 loại cảm biến để theo dõi và so sánh nhiệt độ. Các cảm biến được thể hiện như Hình 3.9. và 3.10.
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
Hình 3.9. Thiết bị đo nhiệt độ thường có dầu dò DS-1
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
38 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
Dãy nhiệt độ môi chất :-40 -1500C
39
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.
Hình 3.12. Biến tần sử dụng trong điều khiển tốc độ quạt, bơm
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
40 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
Hình 3.14. Bộ hiển thị áp suất được kết nối với cảm biến áp suất
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%.
41 Hình 3.15. Lưu tốc kế AVM-03
42
CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 4.1. Quy trình thực nghiệm
a. Chuẩn bị thực nghiệm:
Bước 1: Kiểm tra an toàn khu vực thực nghiệm.
Bước 2: Kiểm tra nước cấp trong thiết bị ngưng tụ (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. Bước 4: Kiểm tra đóng/mở các van chặn.
Bước 5: Kiểm tra van tiết lưu.
Bước 6: Kiểm tra nguồn điện cấp cho máy nén, quạt dàn ngưng tụ, quạt dàn bay hơi, nguồn cấp cho máy tính và bộ thu và nhận dữ liệu.
b. Tiến hành thực nghiệm:
Bước 1: Bật CB cấp nguồn cho hệ thống.
Bước 2: khởi động biến tần điều khiển quạt và bơm thiết bị ngưng tụ và chỉnh tốc độ theo yêu cầu của thực nghiệm.
Bước 3: Bật quạt dàn lạnh mini.
Bước 4: Bật khởi động máy nén, bắt đầu vận hành hệ thống.
Bước 5: Đợi cho hệ thống chạy ổn định, người vận hành bắt đầu điều chỉnh van tiết lưu cho áp suất lên áp suất mong muốn (thông thường là 73 bar).
Bước 6: Đợi hệ thống chạy ổn định 15 phút ghi số liệu một lần. Sau đó tăng tốc độ quạt lên dần 2 > 2,5 > 3 > 3,5 m/s và đợi ghi lại thông số.
Bước 7: Cứ 30 phút ghi thông số thực nghiệm lại một lần.
Lưu ý: trong quá trình thực hiện thực nghiệm phải thường xuyên theo dõi và kiểm tra đồng hồ đo áp suất xem kim chỉ có tăng áp bất thường, xem mực nước trong thùng chứa tại Cooling pad qua ông thủy để đảm bảo an toàn cho hệ thống.
c. Kết thúc thực nghiệm
Bước 1: Tắt máy nén. Bước 2: Tắt máy tính.
Bước 3: Tắt quạt dàn lạnh mini.
Bước 4: Tắt biến tần điều khiển quạt và bơm nước giải nhiệt thiết bị ngưng tụ. Bước 5: Ngắt nguồn cấp cho hệ thống.
43
4.2. Các kết quả thực nghiệm và tính toán 4.2.1. Thông số thực nghiệm thu được 4.2.1. Thông số thực nghiệm thu được
Kết quả thực nghiệm thu được từ ngày 17/3 đến ngày 8/6/2020. Một kết quả thực nghiệm điển hình ngày 31/5/2020 được thể hiện như Bảng 4.2.
Bảng 4.1. Bảng thông số thực nghiệm ngày 31-05-2020
CHẠY DÀN LẠNH MINI ÁP TƯỜNG - KÊNH MINI (Vận tốc gió ra dàn lạnh : v = 3 m/s) Thời gian Áp suất trước TL Áp suất đầu hút Áp suất sau TL T trước TL T hút T sau TL T gió ra DL T vào DN T ra DN T phòng T mt 13g30 50 50,5 50 29 34,5 13g45 73,5 39,5 41,5 30,6 16 7,6 17,9 67,0 29,8 28 34,5 14g00 73 39,5 40,5 30,3 15,8 7,2 17,2 67,2 28,8 28 34,5 14g15 72,5 39 40,5 30 15 6,5 17,3 67,1 28,7 27,5 34 14g30 72 38,5 39,5 29,7 14,3 6,2 18,6 66,0 28,5 27 34 14g45 71,5 38,5 39 29,3 14 5,6 19 65,9 28,8 27 33,5 15g00 71 38 39 29 13,5 4,9 19,8 63,9 28,9 27,5 33 15g15 70,5 37,5 38,5 28,8 13,1 4,5 20,5 63 28,1 27 33 15g30 70 37 38 28,5 13 4,0 20,5 62,8 28,2 27 32,5
Từ Bảng 4.1. ta có thể nhận thấy nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến các trạng thái nhiệt động của dàn. Điển hình như nhiệt độ môi chất ra khỏi dàn lạnh, nhiệt độ gió ra dàn lạnh và nhiệt độ phòng lạnh.
4.2.2. Quy trình tính toán
Quá trình thực nghiệm cũng như tính toán của nhóm bao gồm 4 bước được trình bày cụ thể như sau:
Bước 1: Xác định điểm nút của chu trình:
Điểm 1: Điểm cắt của p1 và đường nhiệt độ t1. (Trạng thái hơi hút vào máy nén). Điểm 2: Từ điểm 1 kẻ đường song song s1 = s2 = const. Điểm cắt của đường p2 với s1=s2 chính là 2. (Trạng thái hơi quá nhiệt ra khỏi máy nén).
Điểm 3: Điểm cắt của p2 và t3 ( trạng thái thoát hơi ra khỏi thiết bị làm mát). Điểm 4: Từ 3 kẻ đường thẳng h3 = h4 = const. Điểm cắt của p4 = p1 và đường h4 chính là điểm 4. (Trạng thái thoát hơi ẩm của môi chất sau khi qua van tiết lưu).
44
Bước 2: Xây dựng đồ thị từ các điểm nút của chu trình thu được xác định từ Bước 1.
Bước 3: Lập bảng thông số các điểm nút của chu trình thông qua đồ thị đã xây dựng.
Bước 4: Tính toán các thông số nhiệt động học của chu trình bao gồm: Công nén đoạn nhiệt, công suất nhiệt, năng suất lạnh và hệ số COP của chu trình.
Trong quá trình thực nghiệm nhóm đã vận hành hệ thống điều hòa không khí CO2
giải nhiệt nước và không khí với 7 trạng thái nhiệt độ môi trường với vận tốc gió không đổi 3 m/s. Nên quá trình tính toán nhóm sẽ tính hệ số COP của 7 trạng thái nhiệt độ môi trường theo thời gian để so sánh ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến năng suất lạnh và hệ số hiệu quả năng lượng COP.
Từ các thông số thu thập được từ quá trình thực nghiệm trong Bảng 4.1 ta vẽ được các đồ thị p – h của CO2 các giá trị nhiệt độ. Tương ứng với nhiệt độ 34,5oC tại thời gian 13g45 có các điểm nút của chu trình theo Bảng 4.2.
Bảng 4.2. Điểm nút của giá trị nhiệt độ t= 34.5oC
Điểm P(bar) t(oC) t= 34.5oC 1 39,5 16 2 73,5 64,27 3 73,5 30,6 4 41,5 6,7
45 Hình 4.1. Đồ thị p-h tại giá trị nhiệt độ môi trường 34.5oC
(Vào lúc 13g45 ngày 31 tháng 05 năm 2020)
Bảng 4.3. Bảng điểm nút đồ thị P-h Điểm P(bar) t(oC) t=34,5oC/13g45 1 39,5 16 2 73,5 64,3 3 73,5 30,6 4 41,5 6,7 t=34,5oC/14g00 1 39,5 15,8 2 73 63,5 3 73 30,3 4 40,5 5.8 t=34,0oC/14g15 1 39 15 2 72,5 63,1 3 72,5 30 4 40,5 5,8 t=34,0oC/14g30 1 38,5 14,3 2 72 62,8 3 72 59,7 4 39,5 4,8
46 t=33,5oC/14g45 1 38,5 14 2 71,5 61,8 3 71,5 29,3 4 39 4,3 t=33,0oC/15g00 1 38,5 14 2 71 62,3 3 71 29 4 39 4.3 t=33,0oC/15g15 1 37,5 13,1 2 70,5 61,8 3 70,5 28,8 4 38,5 3,8 t=32,5oC/15g30 1 37 13 2 70 62,2 3 70 28,5 4 38 3,3
47 Bảng 4.4. Bảng thông số nhiệt động tại các điểm nút của chu trình
h (kJ/kg) s (kJ/kg.K) t (oC) COP q_0 (W) q_k (W) l (kJ/h) Qo (kW) 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4