Trang 35 Quá trình trao đổi nhiệt của dàn ngưng của mơi chất R134avà khơng khí được miêu tả như hình 3.5. Từ đó suy ra:
Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình lgarit theo cơng thức trang 282 tài liệu [50]:
ttb = ∆𝑡𝑚𝑎𝑥− ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑙𝑛∆𝑡𝑚𝑎𝑥 ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 Với: - Δtmax= t1’ – t2’’ = 52 – 32 = 20°C. - Δtmin = t1’’ – t2’ = 39 – 29 = 10°C.
Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình lgarit của thiết bị là: ttb = ∆𝑡𝑚𝑎𝑥− ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑙𝑛∆𝑡𝑚𝑎𝑥 ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = 20 − 10 𝑙𝑛20 10 = 14,43 K
Hệ số truyền nhiệt k tra theo bảng 8-6 tài liệu [50] ta có: k = 30 W/m2.K Như vậy, diện tích trao đổi nhiệt dàn ngưng:
F𝑅134𝑎 = 𝑄𝑘
𝑘.∆𝑡𝑡𝑏 =2,467.1000
30 .14,43 = 5,69 m2
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 cơng 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 công 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 mơi 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 công 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: