Điểm nút Trạng thái
1 Hơi quá nhiệt
2 Hơi quá nhiệt
3 Lỏng bão hòa
4 Lỏng chưa sôi
5 Hơi bão hòa ẩm
6 Hơi bão hòa khô
Hình 2.4 Đồ thị p-h chu trình lạnh R32 [6]
- Lưu lượng tuần hoàn trong hệ thống:
Qo/R32= GR32.(h6 – h5)➔ 1,62 = GR32. (515,3 − 273)
- Công nén lý thuyết R32:
LR32 = GR32. (h2 – h1) = 0,0067. (578-524) = 0,3618 kW = 361,8 (W)
- Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị Ngưng tụ:
Qk/R32 = GR32. (h2 – h3) = 0,00655. (578-282) = 1,98 (kW)
2.2.2.2. Chọn thiết bị cho hệ thống R32:
* Chọn máy nén
Tương tự chu trình lạnh CO2, từ các dữ liệu thực tế, ta có thể chọn hiệu
suất điện máy nén (hiệu suất tổng):
η = 0,5 ÷ 0,65
Vậy công suất điện máy nén:
Ne =η =0,3618
0,65 = 556,6 W ( với η = 0,65 )
* Thiết bị ngưng tụ
Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ trao đổi nhiệt giữa nhiệt độ môi chất và nhiệt độ không khí. Ta có, diện tích trao đổi nhiệt được tính theo công thức 8 – 1 trang 260 tài liệu [9]
= ∆
Trong đó:
F: Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ,
m2. k: Hệ số truyền nhiệt, W/m2K.
Qo: Năng suất lạnh của chu trình.
∆ : Độ chêch lệch nhiệt độ trung bình logarit.
Δ =Δ −Δ
lnΔ
Δ
GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 19
Giả sử:
Nhiệt độ không khí ra thiết bị ngưng tụ: tra/không khí = 38°C.
Nhiệt độ không khí vào thiết bị ngưng tụ: tvào/không khí = tmt = 33°C.
Nhiệt độ môi chất vào dàn ngưng: TR32 = 86°C.
Nhiệt độ ngưng tụ: tk= 43°C. Khi đó: Δ = t– tra/không khí = 86 – 38 = 48°C Δ = tk–tvào/không khí= 43–33 = 10°C à / 32= 86 ∆ = 48 = 38 / ℎô ℎí
Vậy độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit của thiết bị là
Môi chất
=
1
2.3. Tính toán thiết kế thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi ghép tầng
Đối với hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2/R32, môi chất CO2 hoạt động
ở áp suất cao nên chúng ta sẽ lựa chọn thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi kiểu ống lồng ống để đảm bảo an toàn và hạn chế mọi sự rò rỉ khi hệ thống hoạt động như hình 2.5.
Hình 2.5 Hình ảnh minh họa cho thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống [8]
Cụ thể hơn trong thiết bị trao đổi nhiệt này, chúng ta sẽ cho môi chất CO2 di chuyển ở
trong ống và môi chất R32 sẽ di chuyển ngoài ống. Hai môi chất này sẽ trao đổi nhiệt với
nhau, mục đích là môi chất R32 có nhiệt độ thấp sẽ giải nhiệt cho môi chất CO2. Trong
thiết bị này xảy ra hai quá trình là môi chất CO2 sẽ nhả nhiệt và ngưng tụ, môi chất R32
Công thức tính dịch tích bề mặt trao đổi nhiệt [9] :
=
∆
Với F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2.
Q: Năng suất lạnh của chu trình, W.
k: Hệ số truyền nhiệt, W/m2K.
∆ : Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, oC.
* ∆ – Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit:
à / 2= 65 ∆ = 65 / 2= 10 ∆ = 10 / 32= 0 à / 32= 0 Δ = Δ − Δ ln
GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 22
* – Hệ số truyền nhiệt 1 k = 1 + δ+ 1 αkk λ α R32 Với:
α 2: Hệ số dẫn nhiệt của môi chất CO2
α 32: Hệ số tỏa dẫn nhiệt của môi chất R32 δ: Độ dày của vật liệu, δ = 0,7 (mm).
λ: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (Đồng), λ = 394(W/mK)
Hệ số tỏa nhiệt của môi chất CO2 của ống lồng ống
R32
CO2
R32
Hình 2.6 Hình ảnh hướng môi chất di chuyển trong thiết bị
* Tính hệ số toả nhiệt khi ngưngcủa CO2
- Áp dụng công thức 9.5, trang 197, Chương 9 Toả
nhiệt khi ngưng hơi, sách Cơ sở Truyền nhiệt và Thiết kế thiết bị tao đổi nhiệt [11]:
3 1/4 = 0,729 [ ( − )] Ta có: = 0,5. (50 + 10) = 30°C = 0,5. (0 + 10) = 5°C ➔ = 17,5°C D R32 d CO2
GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 23
- Tra bảng Thermophysical Properties of Refrigerants R744 (CO2) [6]
với tm = 17,5oC, ta 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 lỏng
176,218
- Tra bảng Thermophysical Properties of Refrigerants R744 (CO2) [6]
với ts = 30oC, ta được:
= i” - i’ = 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
* Tính hệ số toả nhiệt đối lưu khi chảy rối ả ệ
- Áp dụng tiêu chuẩn đồng dạng Nusselt, trang 134, Chương 6 Cơ sở lý luận
đồng dạng, sách Cơ sở Truyền nhiệt và Thiết kế thiết bị tao đổi nhiệt [11]:
Nu = .
Với:
Nu: Tiêu chuẩn Nusselt
: Hệ số toả nhiệt đối lưu ( / 2 )
: Đường kính (m)
: Hệ số dẫn nhiệt ( / )
GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 24
Ta có tf = 30oC
- Tra bảng Thermophysical Properties of Refrigerants R744 (CO2) [6]
với tf = 30oC, ta 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 = =0,6376 .0,004 =34560,38681 7,38.10−8 = . = 16,225
- Tra bảng Thermophysical Properties of Refrigerants R744 (CO2) [6]
với tw = 5oC, ta được: . = = 2,37 = 1 + 1,77. = 1 + 1,770 0.004.07 = 1,1 Với:
R: Bán kính cong của ống xoắn (m)
d: Đường kính trong ống (m)
➔
ả ℎ ệ 2
= 12624,134 W/m2K
GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 25
- 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 của 2là: = 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
=
2
+ ả ℎ ệ
= 9938,8 / 2
GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 26
Hệ số tỏa nhiệt của môi chất R32 của ống lồng ống:
Áp dụng công thức (10.16), trang 224, chương 10 Tỏa nhiệt khi sôi, sách cơ sở Truyền nhiệt và Thiết bị trao đổi nhiệt: [1]
4 ℎ3( − ℎ) ∗
32= 0,62√
ℎ ( − )
- Ở đây ta sẽ xét môi chất toả nhiệt khi sôi màng
R32 sôi ở áp suất 8,1310 bar ➔
= 0
Nhiệt độ vách ➔
= 0,5(55 + 10) = 32,5 ➔ = 0,5(0 + 32,5) = 16,25
- Từ bảng thông số vật lí của R32 Thermophysical Properties of Refrigerants, 2017
ASHRAE Handbook [11] 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 của 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.
= ′ = 996.1 kg/ 3: Khối lượng riêng của lớp chất lỏng bao quanh bọt.
32
Vậy 32 = 332 / 2
=
GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 27
* F – Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
=
2.4. Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống nên ta chọn kích thước ống đồng trong và ống đồng ngoài cụ thể:
- Ống trong có kích thước = 4mm => Chu vi ống C4mm= . = . 0,004 = 0,0126
- Ống ngoài có kích thước = 8mm => Chu vi ống C8mm= . = . 0,008 = 0,025
Với thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống này bề mặt trao đổi nhiệt giữa hai môi chất chính là phần diện tích về mặt của ống đồng phía trong. Để dễ dàng chế tạo thiết bị, chúng ta dựa vào diện tích bề mặt trao đổi nhiệt để tính chiều dài cụ thể của ống đồng với công thức sau: = 4 với: F: : C: Ta đã có F = 0,142m2. ➔ == 0,1434 0,004.
Diện tích về mặt trao đổi nhiệt thiết bị
Chiều dài ống trao đổi nhiệt của thiết bị
Chu vi ống
= 11,4
Vậy ta sẽ lấy chiều dài ống lồng ống là 12m. Từ = 12m, ta sẽ tiến hành quấn ống Với đường kính là 140mm như hình 2.7.
Hình 2.7 Hình ảnh thiết kế
thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi
GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 28
2.5. Tính toán cách nhiệt cách ẩm
Phần cách nhiệt có nhiệm vụ hạn chế dòng nhiệt từ bên ngoài môi trường có nhiệt độ cao hơn truyền vào buồng lạnh (thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệt độ thấp). Mặt khác, do sự chệnh lệch nhiệt độ ở môi trường bên ngoài và nhiệt độ buồng lạnh/thiết bị trao đổi nhiệt, xuất hiện chênh áp suất hơi nước giữa ngoài và trong môi trường được làm lạnh. Áp suất hơi nước môi trường cao, áp suất hơi trong buồng lạnh (thiết bị trao đổi nhiệt thấp) dẫn đến ẩm ngưng đọng lại bề mặt ngoài gây phá huỷ khả năng cách nhiệt, nấm mốc cho vật liệu cách nhiệt. Chính vì vậy, việc bọc cách nhiệt, cách ẩm là cần thiết.
2.5.1. Tính cách nhiệt cách ẩm cho buồng lạnh
* Xác định chiều dày lớp cách nhiệt
Địa điểm lắp đặt: TP. Hồ Chí Minh, Việt Nam Nhiệt độ môi trường:
- tmt = t1
Dựa vào ks kiểm tra độ động sương xác định bề dày cách nhiệt bởi công thức :
=
Với điều kiện hệ số truyền nhiệt k < ks, cùng với điều kiện thực tế buồng lạnh không thể bộc cách nhiệt quá dày nhưng vẫn phải đảm bảo nhiệt độ bề mặt không động sương nên chọn k = 0,5 W/m2K.
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/m2K).
1: Hệ số tỏa nhiệt của môi trường bên ngoài (phía nóng) tới môi trường cách nhiệt (W/m2K).
2: Hệ số tỏa nhiệt của vách buồng lạnh vào buồng lạnh (W/m2K).
: Bề dày của lớp vật liệu xây dựng thứ i (m).
: Hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu xây dựng thứ i (W/mK).
GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 29
Ta chọn1 từ bảng 3-7 Trang 84 [9] ➔1=23,3 (W/m2K). Ta chọn 2 từ bảng 3-7 Trang 84 [9] ➔ 2=10,5
(W/m2K). = 0,032 là thông số từ tấm xốp cách nhiệt cách ẩm PE
=
➔
Vậy chiều dày lớp cách nhiệt bao quanh buồng là 6 cm.
2.5.2. Tính cách nhiệt cách ẩm cho thiết bị trao đổi nhiệt
Để đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị, tránh nhiệt từ bên ngoài xâm nhập vào bên trong thiết bị nên chúng ra sẽ đổ foam cách nhiệt cho thiết bị.
Do thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng có dạng hình trụ nên chúng ta có thể xem bề mặt
ngoài trụ ống là 1 vách phẳng. Độ dày lớp cách nhiệt đó sẽ được tính như sau: Địa điểm lắp đặt: TP. Hồ Chí Minh, Việt Nam Nhiệt độ môi trường:
- tmt = t1 = 33°C
= 0,95
Dựa vào ks kiểm tra độ động sương xác định bề dày cách nhiệt bởi công thức :
=
Với điều kiện hệ số truyền nhiệt k < ks, cùng với điều kiện thực tế thiết bị không thể bộc cách nhiệt quá dày do không có diện tích nhưng vẫn phải đảm bảo nhiệt lượng trong thiết bị không bị thất thoát ra môi trường, cũng như đảm bảo
Với ∑
=1
= 0,06. 10−3 : là bề dày lớp dầu;
= 0,12 W/mK : hệ số dẫn nhiệt của dầu;
= 0,6. 10−3 : bề dày lớp cặn; = 1,5 12 W/mK : hệ số dẫn nhiệt lớp cặn; : bế dày lớp sơn chống rỉ; : hệ số dẫn nhiệt lớp sơn chống rỉ; = 0,7. 10−3 : chiều dày vách ống; = 394 W/mK : hệ số dẫn nhiệt của đồng. ∑ =1
Chiều dày lớp cách nhiệt:
=
= 0,015
CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
3.1. Bản thiết kế hệ thống lạnh ghép tầng
Để tiến hành thiết lập hệ thống thực nghiệm ta dựa vào sơ đồ thiết kế hệ thống như hình 3.1, cũng như lựa chọn các thiết bị chính và thiết bị phụ cho hệ thống.
3.2. Chế tạo Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt kiểu ống lồng ống
Thiết bị quan trọng nhất đối với hệ thống lạnh ghép tầng là thiết bị trao đổi nhiệt giữa hai tầng ở đây chúng ta sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống. Để phù hợp với hệ thống ta sẽ chế tạo thiết bị dự trên thông số đã tính toán thiết kế ở phần tính toán lý thuyết, như hình 3.2.
Thông số tính toán thuyết kế:
- Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = 0,142 m2
- Ống trong có kích thước = 4mm => Chu vi ống C4mm= . = . 0,004 = 0,0126
- Ống ngoài có kích thước = 8mm => Chu vi ống C8mm= . = . 0,008 = 0,025
- Chiều dài ống lồng ống là = 12
Hình 3.2 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống
3.2. Tính chọn các thiết bị trong hệ thống
3.2.1. Thiết bị bay hơi ( Dàn lạnh )
Đối với hệ thống lạnh này ngoài nghiên cứu thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi kiểu ống lồng ống bên cạnh đó còn áp dụng sử dụng dàn lạnh kênh micro nên sau khi tính toán lý
thuyết ta tiến hành chọn dàn lạnh micro theo diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F = 0,367 m2.
Với F = 0,367 m2 ta chọn dàn lạnh micro hình 3.3:
Hình 3.3 Hình ảnh dàn lạnh kênh micro [1]
Các kích thước như hình 3.4 và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt là F = 0,45m2.
3.2.2. Cụm dàn ngưng ( Tầng cao hệ thống ghép tầng )
Với nhiệt lượng Qk của CO2 ( Tầng thấp hệ thống ghép tầng ) nhả ra ở thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi để hấp thụ hết nhiệt lượng Qk đó thì năng suất lạnh của chu trình tầng cao R32 phải đạt được Qo = 1,68 kW. Để đơn giản hóa vấn đề chọn thiết bị máy nén, dàn ngưng ta chọn cụm dàn ngưng của máy lạnh 2 cục dân dụng cụ thể là cụm dàn ngưng của Daikin.
Theo catalogue của daikin ta chọn cụm dàn ngưng của Daikin có mã hiệu ARKC25UAVMV như hình 3.5, với các thông số của dàn ngưng:
- Năng suất lạnh: 2,5 kW (1,0 – 3,2) kW.
- Máy nén Swing dạng kín công suất 500W.
- Môi chất R32.
3.3. Mô hình sau khi lắp đặt
Sau khi lựa chọn các thiết bị trong hệ thống từ các thông số tính toán lý thuyết, tiến hành lắp đặt hệ thống như hình 3.6, cùng cái thiết bị đo để thu thập số liệu thực nghiệm.
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
4.1. Phương pháp thực nghiệm
Quá trình thực hiện thu thập 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 thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi đạt khoảng 0 ÷ 10oC 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 phòng đạt -36oC thì dừng hệ thống. Kết thúc quá trình lấy số liệu thực
nghiệm. 4.2. Chuẩn bị dụng cụ - Cảm biến nhiệt độ. - Cảm biến áp suất. - Laptop. - Ampe kiềm. - Camera.