STT TÊN THIẾT BỊ HÌNH ẢNH SAI SỐ
1 Bộ số hóa tín hiệu áp suất 0,05%
2 Đồng hồ đo áp suất chân sau ±1,5%
3 Đồng hồ đo nhiệt độ ±2℃
Trang 57
4 Máy đo nhiệt độ tiếp xúc kiểu K, J
Extech 421509 ±0,05%
5 Đồng hồ đo nhiệt độ có đầu dị DS-
1 10C
6 Thiết bị đo lưu lượng CO2 1 2,5%
7 Thiết bị đo lưu lượng R134a ±0,5%
8 Ampe kìm 2%
Trang 58
CHƯƠNG 5: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
Mơ hình thực nghiệm được vận hành trong điều kiện mơi trường là 29oC, sử dụng bộ trao đổi nhiệt kênh micro để cho môi chất R134a ở tầng cao giải nhiệt cho mơi chất CO2 ở tầng thấp. Q trình chạy máy diễn ra liên tục sao cho phòng đạt nhiệt độ yêu cầu là -20oC.
Hệ thống thí nghiệm này được vận hành theo 2 trường hợp:
- Trường hợp 1, thiết bị tiết lưu tầng thấp CO2 sử dụng van tiết lưu đầu ống 10mm. - Trường hợp 2, thiết bị tiết lưu tầng thấp CO2 sử dụng van tiết lưu đầu ống 6mm. Các thông số như nhiệt độ, áp suất lưu lượng được lấy tại thời điểm đạt nhiệt độ phịng. Sử dụng các thơng số sau khi thu được lúc chạy máy để tiến hành tính tốn kết quả thực nghiệm.
5.1. Tính tốn kết quả thực nghiệm cho trường hợp 1
Vận hành máy trong trường hợp 1 ở chế độ van tiết lưu 10, thời gian phòng đạt được nhiệt độ yêu cầu là -20oC là 95 phút. Lưu lượng môi chất CO2 đi qua máy nén được đo đạc trong trường hợp 1 này 0,012 kg/s = 43,8kg/h. Hệ thống vận hành liên tục cho tới khi đạt được nhiệt độ yêu cầu.
5.1.1. Thông số điểm nút tầng thấp CO2
Các thông số điểm nút thể hiện trên hình 5.1 cho tầng thấp CO2 thể hiện ở bảng 5.1.
Trang 59
Bảng 5. 1: Thông số điểm nút tầng thấp CO2
Điểm nút t (0C) p (bar) h (kJ/kg) Trạng thái
1 -26 17 437 Hơi bão hịa khơ
1’ -10 17 454 Hơi quá nhiệt
2 55 43 497 Hơi quá nhiệt
3 8 43 217 Lỏng bão hòa
4 -28 15 217 Hơi bão hòa ẩm
- Năng suất lạnh riêng:
q0 = h1 – h4 = 437 - 217 = 220 (kJ/kg) - Công nén riêng:
l = h2 – h1’ = 497 – 454 = 43 (kJ/kg) - Công suất nhiệt riêng:
qk = h2 – h3 = 497 – 217 = 280 (kJ/kg) - Năng suất lạnh của hệ thống:
Q0 (CO2) = m1 . q0 = 0,012. 220 = 2,64 (kW) - Công nén của máy nén:
N(CO2) = m1 . l = 0,012. 43 = 0,516 (kW) - Công suất nhiệt:
Qk(CO2) = m1 . qk = 0,012. 280 = 3,36 (kW) - Hệ số lạnh của chu trình:
ε =𝑄0(𝐶𝑂2)
𝑁(𝐶𝑂2) = 2,64
0,516 = 5,1
Trang 60
5.1.2. Thông số điểm nút tầng cao R134a
Hình 5. 2: Đồ thị lgp-h của chu trình tầng cao R134a
Các thơng số thực nghiệm và các điểm nút ở hình 5.2 cho tầng cao R134a được thể hiện ở bảng 5.2.
Bảng 5. 2: Thông số điểm nút tầng cao R134a
Điểm nút t (0C) p (bar) h (kJ/kg) Trạng thái
1 3 3,3 402 Hơi bão hịa khơ
1’ 24 3,3 417 Hơi quá nhiệt
2 62 9,0 445 Hơi quá nhiệt
3 36 9,0 251 Lỏng bão hòa
3’ 32 9,0 246 Lỏng chưa sôi
4 1 3,0 246 Hơi bão hòa ẩm
- Năng suất lạnh riêng:
q0(R134a) = h1 – h4 = 402 – 246 = 156 (kJ/kg) - Công nén riêng:
l2 = h2 – h1’ = 445 – 417 = 28 (kJ/kg) - Công suất nhiệt riêng:
qk(R134a) = h2 – h3 = 445 – 251 = 194 (kJ/kg) - Năng suất lạnh của hệ thống:
Trang 61 Q0(R134a) = Qk(CO2) = 3,36 (kJ/kg)
- Lưu lượng mơi chất tuần hồn qua hệ thống: m2 = 𝑄0(𝑅134𝑎)
𝑞0 = 3,36
156 = 0,022 kg/s - Công suất nhiệt:
Qk(R134a) = m2 . qk = 0,022. 194 = 4,27 (kW) - Công nén của máy nén:
N(R134a) = m2 . l2 = 0,022. 28 = 0,616 (kW) - Hệ số lạnh của chu trình:
ɛ = 𝑄0(𝑅134𝑎)
𝑁(𝑅134𝑎) = 3,36
0,616 = 5,5
Vậy hệ số làm lạnh tầng cao R134a có thể đạt được ở giá trị 5,5.
5.2. Tính tốn kết quả thực nghiệm cho trường hợp 2
Vận hành máy trong trường hợp 2 ở chế độ van tiết lưu 6, thời gian phòng đạt được nhiệt độ yêu cầu là -20oC là 55 phút. Lưu lượng môi chất đi qua máy nén CO2 được đo đạt trong trường hợp 2 là 0,013 kg/s = 46,8 kg/h. Hệ thống vận hành liên tục cho tới khi đạt được nhiệt độ yêu cầu.
5.2.1. Thông số điểm nút tầng thấp CO2
Các thơng số thực nghiệm và hình 5.3 cho tầng thấp CO2 được thể hiện ở bảng 5.3.
Trang 62
Bảng 5. 3: Thông số điểm nút tầng thấp CO2
Điểm nút t (0C) p (bar) h (kJ/kg) Trạng thái
1 -25 17 437 Hơi bão hịa khơ
1’ -12 17 450 Hơi quá nhiệt
2 46 40 487 Hơi quá nhiệt
3 5,5 40 217 Lỏng bão hòa
4 -28 15 217 Hơi bão hòa ẩm
- Năng suất lạnh riêng:
q0 = h1 – h4 = 437 - 217 = 220 (kJ/kg) - Công nén riêng:
l = h2 – h1’ = 487 – 450 = 37 (kJ/kg) - Công suất nhiệt riêng:
qk = h2 – h3 = 487 – 217 = 270 (kJ/kg) - Năng suất lạnh của hệ thống:
Q0 (CO2) = m1 . q0 = 0,013. 220 = 2,86 (kW) - Công nén của máy nén:
N(CO2) = m1 . l = 0,013. 37 = 0,481 (kW) - Công suất nhiệt:
Qk(CO2) = m1 . qk = 0,013. 270 = 3,51 (kW) - Hệ số lạnh của chu trình:
ε =𝑄0(𝐶𝑂2)
𝑁(𝐶𝑂2) = 2,86
0,481 = 5,9
Trang 63
5.2.2. Thông số điểm nút tầng cao R134a
Các thơng số thực nghiệm và các điểm nút ở hình 5.4 cho tầng cao R134a được thể hiện ở bảng 5.4.
Bảng 5. 4: Thông số điểm nút tầng cao R134a
Điểm nút t (0C) p (bar) h (kJ/kg) Trạng thái
1 -2 2,9 398 Hơi bão hịa khơ
1’ 17 2,9 414 Hơi quá nhiệt
2 57 8,6 439 Hơi quá nhiệt
3 35 8,6 251 Lỏng bão hòa
3’ 31 8,6 244 Lỏng chưa sôi
4 -5 2,5 244 Hơi bão hòa ẩm
- Năng suất lạnh riêng:
q0(R134a) = h1 – h4 = 398 - 244= 154 (kJ/kg) - Công nén riêng:
l2 = h2 – h1’ = 439 – 414 = 25 (kJ/kg) - Công suất nhiệt riêng:
qk(R134a) = h2 – h3 = 439 – 251 = 188 (kJ/kg)
Trang 64 - Năng suất lạnh của hệ thống:
Q0(R134a) = Qk(CO2) = 3,51 (kJ/kg)
- Lưu lượng mơi chất tuần hồn qua hệ thống: m2 = 𝑄0(𝑅134𝑎)
𝑞0 = 3,51
154 = 0,022 kg/s - Công suất nhiệt:
Qk(R134a) = m2 . qk = 0,022 . 188 = 4,13 (kW) - Công nén của máy nén:
N(R134a) = m2 . l2 = 0,022 . 25 = 0,55 (kW) - Hệ số lạnh của chu trình:
ɛ = 𝑄0(𝑅134𝑎)
𝑁(𝑅134𝑎) = 3,51
0,55 = 6,3
Vậy hệ số làm lạnh tầng cao R134a có thể đạt được ở giá trị 6,3.
5.3. Nhận xét và đánh giá
Hiệu suất làm lạnh (COP) của hệ thống trong trường hợp 1 sử dụng van tiết lưu 10 là:
COP = 𝑄0(𝐶𝑂2)
𝑁𝑅134𝑎+ 𝑁𝐶𝑂2 = 2,64
0,616+0,516 = 2,3
Hiệu suất làm lạnh (COP) của hệ thống trong trường hợp 2 sử dụng van tiết lưu 6 là:
COP = 𝑄0(𝐶𝑂2)
𝑁𝑅134𝑎+ 𝑁𝐶𝑂2 = 2,86
0,55+0,56 = 2,5
Qua các giá trị tính tốn được, kết hợp với chương 3, lập bảng so sánh các giá trị nhiệt động so với lý thuyết và so với 2 trường hợp như bảng 5.5 và bảng 5.6.
Nhận xét:
- Trong cả hai trường hợp, hệ thống đều vận hành và đạt được nhiệt độ phòng yêu cầu là -20oC. Tuy nhiên, ở trường hợp 2, hệ thống vận hành ở chế độ van tiết lưu 6, phòng đạt nhiệt độ yêu cầu là 55 phút, nhanh hơn 40 phút so với trường hợp 1 dùng chế độ van tiết lưu 10.
Trang 65
Bảng 5. 5: Bảng nhiệt độ, áp suất ngưng tụ và bay hơi
to (oC) tk (oC) Sai số po (bar) pk (bar) Sai số
Lý thuyết CO2 -30 7 14,3 41,7 R134a 2 39 3,14 9,89 Trường hợp 1 CO2 -28 8 10C 15 43 ±1,5% R134a 1 36 ±2℃ 3 9 0,05% Trường hợp 2 CO2 -28 5,5 10C 15 40 ±1,5% R134a -5 35 ±2℃ 2,5 8,6 0,05% Từ Bảng 5.5, rút ra được các nhận xét:
+ Nhiệt độ bay hơi của môi chất CO2 thực tế cao hơn so với nhiệt độ bay hơi của lý thuyết là 2oC. Với môi chất R134a, nhiệt độ bay hơi của môi chất thấp hơn so với tính tốn lý thuyết. Trường hợp 1 thấp hơn 1oC, trường hợp 2 thấp hơn 7oC.
+ Nhiệt độ ngưng tụ ở chu trình CO2 trong trường hợp 1 cao hơn lý thuyết 1oC, trường hợp 2 thấp hơn 1,5oC. Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất R134a thực tế thấp hơn lý thuyết 2oC trong trường hợp 1 và 3oC trong trường hợp 2.
+ Áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ của môi chất R134a trong 2 trường hợp nhỏ hơn so với tính tốn lý thuyết.
+ Độ chênh lệch nhiệt độ của môi chất vào và ra bộ trao đổi nhiệt:
Trường hợp 1: đối với mơi chất R134a có độ chênh lệch là 2oC, đối với mơi chất CO2 có độ chênh lệch là 47oC.
Trường hợp 2: đối với mơi chất R134a có độ chênh lệch là 3oC, đối với mơi chất CO2 có độ chênh lệch là 40,5oC.
+ So sánh 2 bảng thông số điểm nút trong 2 trường hợp (Bảng 5.2 và Bảng 5.4), độ quá nhiệt trong trường hợp 1 là 21K, lớn hơn trường hợp 2 với độ quá nhiệt là 19K. Độ quá nhiệt trong cả 2 trường hợp đều lớn hơn so với lý thuyết.
+ Thiết bị có sai số dẫn đến có sự chênh lệch lưu lượng, nhiệt độ và áp suất. - Qua q trình tính tốn thực tế, lập bảng so sánh với kết quả tính tốn lý thuyết (Bảng 5.6), ta nhận thấy rằng:
Trang 66
Bảng 5. 6: Bảng so sánh các thơng số tính tốn trong lý thuyết và thực tế
Chu trình Thơng số
Lý thuyết Trường hợp 1 Trường hợp 2 CO2 R134a CO2 R134a CO2 R134a Lưu lượng (kg/s) 0,00904 0,015 0,012 0,022 0,013 0,022
Công nén (kW) 0,378 0,36 0,516 0,616 0,481 0,55 Năng suất lạnh (kW) 2 2,467 2,64 3,36 2,86 3,51
Hệ số làm lạnh 5,3 6,8 5,1 5,5 5,9 6,3
COP 2,7 2,3 2,5
+ Đối với chu trình CO2, cơng nén cao hơn so với tính tốn lý thuyết, trường hợp 1 cao hơn 36,5%, trường hợp 2 cao hơn 27,2%. Đối với chu trình R134a, cơng nén ở trường hợp 1 cao hơn 71,1%, ở trường hợp 2 cao hơn 52,7%.
+ Hệ số làm lạnh của hệ thống trong trường hợp 1 thấp hơn 3,7%, tuy nhiên ở trường hợp 2 cao hơn 11,3%.
+ Năng suất lạnh thu được so với lý thuyết cao hơn, trong trường hợp 1 là 1,3 lần và trong trường hợp 2 là 1,4 lần.
+ Chỉ số COP trong trường hợp 1 thấp hơn 15% và trong trường hợp 2 thấp hơn hơn là 7,4%.
Đánh giá:
+ Với vị trí lắp đặt của thiết bị đo lưu lượng là ở sau dàn bay hơi và trước máy nén. Lượng môi chất đi ra khỏi van tiết lưu có vận tốc dịng chảy lớn hơn so với lý thuyết. Tuy nhiên, lượng môi chất đi qua thiết bị đo lưu lượng có sự chênh lệch không đáng kể một phần là do sai số của thiết bị đo lưu lượng tại thời điểm phòng đạt nhiệt độ yêu cầu.
+ Do lưu lượng môi chất từ dàn bay hơi đi về máy nén lớn hơn lưu lượng môi chất đi qua máy nén do đó máy nén sẽ tốn cơng hơn để nén lượng môi chất, dẫn đến tốn thêm thời gian, làm ảnh hưởng đến chỉ số COP của hệ thống.
+ Năng suất lạnh của trường hợp 2 lớn hơn trường hợp 1. Do nhiệt độ bay hơi của tầng R134a giảm nên nhiệt độ ngưng tụ của môi chất CO2 cũng cao hơn nên năng suất lạnh cũng cao hơn.
Trang 67 + Độ quá nhiệt lớn làm gia tăng cơng nén máy nén R134a có thể làm ảnh hưởng tới tuổi thọ của máy nén, ảnh hưởng tới năng suất lạnh của hệ thống, đồng thời làm COP của hệ thống giảm.
+ Bộ trao đổi nhiệt làm việc tốt, hơi môi chất R134a đi vào bộ trao đổi nhiệt giải nhiệt tốt cho môi chất CO2 đạt được giá trị ngưng tụ thấp hơn tính tốn lý thuyết. + Ở cả 2 trường hợp, nhiệt độ phòng đều giảm từ nhiệt độ 29oC xuống -20oC. Tuy nhiên ở chế độ van tiết lưu 6 của trường hợp 2, nhiệt độ phòng giảm xuống nhanh hơn ở chế độ van tiết lưu 10 của trường hợp 1 là 40 phút và chỉ số COP cũng cao hơn trường hợp 1 là 1,09 lần cho nên vận hành hệ thống khi dùng van tiết lưu 6 sẽ giúp hệ thống hoạt động tốt hơn.
Trang 68
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1. Kết luận
Qua q trình thực hiện đề tài, kết quả mà nhóm chúng em đã đạt được gần như mục tiêu đã đề ra bao gồm: đưa ra được các kết quả tính tốn và thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 dùng các bộ trao đổi nhiệt compact, xác định được COP cho hệ thống ghép tầng này và đánh giá hiệu quả của mơ hình hệ thống lạnh ghép tầng so với tính tốn lý thuyết.
Kết quả thực nghiệm thu được trong quá trình vận hành thực tế ở trường hợp 2 thu được đạt giá trị tốt hơn trường hợp 1.
Năng suất lạnh đạt được: Qo = 2,86kW. COP đạt được: 2,5.
Thời gian đạt nhiệt độ yêu cầu: 55 phút.
Các thông số thực nghiệm đều gần phù hợp với kết quả tính tốn lý thuyết. Các kết quả thực nghiệm này sẽ là dữ liệu có giá trị thực tiễn, góp phần giúp ích cho các nghiên cứu về máy lạnh ghép tầng với cặp môi chất R134a/CO2 về sau.
6.2. Kiến nghị
Từ các kết quả thu được và qua q trình tính tốn cho thấy hệ thống đã đạt được những yêu cầu mà các kết quả lý thuyết đã đề ra. Tuy nhiên, đối với những nghiên cứu sau tương tự, nên chọn lại máy nén CO2 để cho hệ thống hoạt động hiệu quả hơn.
Hơn nữa môi chất R134a được xem là mơi chất lạnh có hiệu quả năng lượng khơng cao nên có thể lựa chọn những môi chất lạnh khác cho tầng cao để đạt hiệu quả cao hơn.
Trong q trình thực hiện đề tài, nhóm chúng em vẫn cịn gặp một số hạn chế về mặt thời gian, độ chính xác của thiết bị đo, kĩ năng lắp ráp xây dựng hệ thống và những kiến thức chuyên sâu nên khơng thể tránh khỏi những sai sót. Nhóm thực hiện đề tài chúng em hy vọng sẽ được quý thầy/cô đánh giá góp ý để có thể giúp đề tài được hoàn thiện hơn.
Trang 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Pradeep Bansal, A review e Status of CO2 as a low temperature refrigerant: Fundamentals and R&D opportunities. Department of Mechanical Engineering, The University of Auckland, Private Bag, 92019 Auckland, New Zealand. Applied Thermal Engineering 41 (2012) 18-29.
[2] G. Lorentzen, J. Petterson, A new efficient and environmentally beign system for car air-conditioning, International Journal of Refrigeration 16 (1) (1993) 4– 12. [3] Y. Hwang, H. Huff, R. Preissner, R. Radermacher, CO2transcritical cycles for high temperature application, in: Proceedings of 2001 ASME International Mechanical Engineering Congress in New York, 2001 ỴMECE2001/AES23630 [4] E. Groll, J. Baek, P. Lawless, Effect of pressure ratios across compressors on the performance of the transcritical CO2 cycle with two-stage compression and intercooling, in: Compressor Engineering Conference at Purdue, 2000, pp. 43– 50. [5] S. Bhattacharyya, S. Mukhopadhyay, A. Kumar, R. Khurana, J. Sarkar, Optimization of a CO2–C3H8 cascade system for refrigeration and heating, International Journal of Refrigeration 28 (2005) 1284–1292.
[6] M. Kim, J. Petterson, C. Bullard, Fundamental process and system design issues in CO2vapor compression systems, Progress in Energy and Combustion Science 30 (2004) 119–174.
[7] J. Deng, P. Jiang, T. Lu, W. Lu, Particular characteristics of transcritical CO2 refrigeration cycle with an ejector, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 381– 388.
[8] N. Youngming, C. Jiangping, C. Zhijiu, C. Huanxin, Construction and testing of a wet-compression absorption carbon dioxide refrigeration system for vehicle air conditioner, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 31–36.
[9] J. Fernández-Seara, J. Sieres, M. Vázquez, Compression–absorption cascade refrigeration system, Applied Thermal Engineering 26 (2006) 502–512.
Trang 70 [10] T. Lee, C. Liu, T. Chen, Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade–condenser in CO2/NH3 cascade refrigeration systems, International Journal of Refrigeration 29 (2006) 1100–110.
[11]Hoo-Kyu Oh, Chang-Hyo Son, “Condensation heat transfer characteristics of R- 22, R- 134a and R-410A in a single circular Microtube”, Experimental Thermal and Fluid Science 35 (2011) 706 – 716.
[12] Jatuporn Kaew-On et al, “Condensation heat transfer characteristics of R134a flowing inside minicircular and flattened tubes”, International Journal of Heat and