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 hịa 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 q lạnh (nhiệt độ trước tiết lưu) xác định theo công 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: Thông 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 - Lưu lượng mơi chất tuần hồn qua hệ thống: m2 = 𝑄0(𝑅134𝑎)
𝑞0(𝑅134𝑎) = 2,467
160 = 0,015 kg/s
Trang 32 - Thể tích hút thực tế Vtt (R134a):
Vtt (R134a) = m2 . v1’ = 0,015. 0,0675 = 1,01×10-3 m3/s - Công máy nén lạnh:
N2 = m2 . l2 = 0,015 . 24 = 0,36 kW - Công suất nhiệt:
Qk(R134a) = m2 . qk(R134a) = 0,015 . 178 = 2,67 kW - Hệ số lạnh của chu trình:
ε2 = 𝑄0(𝑅134𝑎)
𝑁2 = 2,467
0,36 = 6,8
TH2: Trường hợp khơng sử dụng hồi nhiệt:
Ta có: qo’ = h1 – h5 = 400 – 256 = 144 (kJ/kg) l’ = h2 – h1’ = 434 - 410 = 24 (kJ/kg) ε2’ = 𝑞𝑜′ 𝑙′ =144 24 = 6 < 6,8
Vậy sử dụng hồi nhiệt sẽ có hệ số làm lạnh cao hơn.
3.3.3. Chọn thiết bị cho hệ thống a. Chọn động cơ máy nén 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 7–25 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 33 + 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 = 2+273
39+273 + 0,001. 2 = 0,88
+ 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 = 0,88.0,95.1.0,95 =0,79
Vậy công suất điện của động cơ máy nén R134a: Nđc = 1,1 . 𝑁
𝜂 = 1,1 . 0,36
0,79 = 501 W
Kết luận: Với thể tích hút thực tế Vtt (R134a) = 1,01×10-3 m3/s và cơng suất động cơ máy nén Nđc = 501 W. Vậy ta chọn máy nén có cơng suất 3/4HP R134a NEK6214Z, có các thơng số như sau là đáp ứng được hệ thống thiết kế:
- Điện áp hoạt động: 208 – 230 V AC/ 50Hz – 1 pha. - Môi chất làm việc: R134a.
- Giới hạn áp suất làm việc: 20,2 bar.
Với máy nén R134a 3/4HP, qua tính tốn xác định lại các giá trị như sau: - Năng suất lạnh Q0 (R134a) = 2,467 kW.
- Công suất nhiệt Qk (R134a) = 2,67 kW. - Công máy nén lạnh: N(R134a) = 0,36 kW.
- Lưu lượng mơi chất tuần hồn trong hệ thống: m2 = 0,015kg/s.
b. Tính chọn thiết bị ngưng tụ
Môi chất lạnh vào thiết bị ngưng tụ nhả nhiệt từ hơi quá nhiệt sau khi ra khỏi máy nén thành lỏng cao áp rồi đưa vào van tiết lưu. Thiết bị giải nhiệt cũng được phân chia thành nhiều loại, nhưng chủ yếu là phân loại theo môi trường giải nhiệt
Trang 34 như: khơng khí, nước, các chất khác… Ở đây, ta sử dụng loại thiết bị ngưng tụ giải nhiệt khơng khí đối lưu cưỡng bức.
Diện tích trao đổi nhiệt của dàn ngưng khơng khí được xác định theo công thức 8–1 và 8–4 trang 260 – 261 tài liệu [50].
F = 𝑄𝑘
𝑘.∆𝑡𝑡𝑏
Trong đó:
F: Diện tích trao đổi nhiệt dàn bay hơi (m2).
k: Hệ số truyền nhiệt, W/m2.k.
Qk = 2,467 kW: Cơng suất nhiệt của chu trình.
Δttb: Độ chêch lệch nhiệt độ trung bình lgarit. Ta có:
- Nhiệt độ mơi chất vào dàn ngưng: t1’ = 52°C. - Nhiệt độ môi chất ra dàn ngưng: t1’’= 39°C.
Giả thiết:
- Sử dụng dàn ngưng giải nhiệt cho máy nén 1HP để giải nhiệt cho máy nén 3/4HP.
- Nhiệt độ khơng khí vào thiết bị ngưng tụ: t2’= tmt = 29°C. Ta chọn nhiệt độ khơng khí ra thiết bị ngưng tụ: t2’' = 32°C.
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 công 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 thơng 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 môi 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 môi 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 môi 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