Mơ hình sơ bộ bộ trao đổi nhiệt micro

Trang 43

CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM

4.1. Thiết lập mơ hình hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 4.1.1. Thiết lập mơ hình thực nghiệm 4.1.1. Thiết lập mơ hình thực nghiệm

Việc thiết lập mơ hình hệ thống và vận hành nhằm thu thập các thông số nhiệt động như nhiệt độ và áp suất của các điểm nút để xác định được các giá trị năng suất lạnh, công suất nhiệt và công nén của các tầng. Việc thu thập các thông số dựa trên việc sử dụng các thiết bị đo như: đồng hồ đo áp suất, cảm biến nhiệt độ, thiết bị đo lưu lượng. Mơ hình thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng lý thuyết được thể hiện như Hình 4.1 và xây dựng mơ hình sơ bộ bằng phần mềm AutoCAD 3D như Hình 4.2.

Trang 44

4.1.2. Quy trình vận hành hệ thống thực nghiệm

Bước 1: Kiểm tra nguồn điện, bảo đảm điện áp có sai số khơng q 2% so với điện áp vận hành.

Bước 2: Loại bỏ các vật cản xung quanh hệ thống, kiểm tra đường ống và mở các van.

Bước 3: Khởi động quạt thiết bị bay hơi tầng dưới CO2.

Bước 4: Khởi động tầng trên R134a. Quan sát dòng khởi động, đồng hồ áp suất đầu hút, đầu đẩy máy nén R134a đến khi nhiệt độ đầu hút đạt khoảng 3 bar.

Bước 5: Khởi động tầng dưới CO2.

Trang 45 Bước 6 : Tiến hành lấy dữ liệu các thông số: áp suất, nhiệt độ tại các vị trí điểm nút của cả hai tầng trên và dưới.

Bước 7 : Sau khi đạt các thông số vận hành, tiến hành dừng hệ thống. Tắt tầng dưới CO2 trước sau đó tắt tầng trên R134a và cuối cùng tắt quạt thiết bị bay hơi CO2.

4.2. Các thiết bị chính của hệ thống 4.2.1. Máy nén tầng thấp CO2 4.2.1. Máy nén tầng thấp CO2

Máy nén tầng thấp CO2 có nhiệm vụ hút hơi mơi chất lạnh có áp suất thấp, nhiệt độ thấp tại thiết bị bay hơi tầng thấp và nén thành hơi ở trạng thái có áp suất cao, nhiệt độ cao. Sau đó hơi mơi chất lạnh sẽ được đẩy vào thiết bị ngưng tụ (bộ trao đổi nhiệt kênh micro). Máy nén tầng thấp CO2 có cơng suất là 550W như Hình 4.3.

Hình 4. 3: Máy nén CO2 tầng thấp

4.2.2. Bộ trao đổi nhiệt kênh micro

Bộ trao đổi nhiệt kênh micro được sử dụng để truyền năng lượng nhiệt từ hai dịng mơi chất khác nhau mà không cần tiếp xúc với nhau, mà thông qua các tấm kim loại mỏng. Dịng mơi chất sử dụng bộ trao đổi nhiệt làm thiết bị ngưng tụ đi từ trên đi xuống và ngược lại đối với thiết bị bay hơi. Bộ trao đổi nhiệt kênh micro như Hình 4.4.

Trang 46

Hình 4. 4: Bộ trao đổi nhiệt kênh micro [53]

Dưới đây là một số thông số thiết bị:

 Model: D22L.

 Số tấm: 16.

 A = 10 + 1,19.16 = 29,04mm.

 Nhiệt độ thấp nhất và cao nhất khi vận hành: -196°C ÷ 200°C.

 Áp suất tối đa: 45 bar.

 Khối lượng: 1,49 kg.

Trang 47

4.2.3. Thiết bị tiết lưu tầng thấp CO2

Thiết bị tiết lưu tầng thấp CO2 có nhiệm vụ làm giảm áp suất, giảm nhiệt độ của môi chất xuống trạng thái bay hơi ở áp suất và nhiệt độ thấp hơn. Thiết bị tiết lưu cịn có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng mơi chất lạnh đi vào thiết bị bay hơi để thực hiện việc làm lạnh. Thiết bị tiết lưu tầng thấp CO2 như Hình 4.5.

Hình 4. 5: Van tiết lưu tay tầng thấp CO2

4.2.4. Thiết bị bay hơi tầng thấp CO2

Thiết bị bay hơi ống mini tầng thấp CO2 có nhiệm vụ làm giảm nhiệt độ khơng gian cần làm lạnh bằng cách đưa mơi chất lạnh CO2 có nhiệt độ thấp, áp suất thấp vào không gian cần làm lạnh, tại đây môi chất lạnh sẽ nhận nhiệt trong không gian làm lạnh và chuyển trạng thái từ hơi bão hòa ẩm thành trạng thái hơi bão hịa khơ. Thiết bị bay hơi tầng thấp CO2 như Hình 4.6.

Trang 48

4.2.5. Máy nén tầng cao R134a

Máy nén tầng cao R134a là thiết bị có nhiệm vụ hút hơi mơi chất lạnh có áp suất thấp, nhiệt độ thấp ở bộ trao đổi nhiệt kênh micro, và nén lên thành hơi ở trạng thái áp suất cao, nhiệt độ cao. Sau đó thực hiện q trình đẩy hơi mơi chất lạnh vào thiết bị ngưng tụ ở tầng cao. Máy nén R134a như Hình 4.7.

Hình 4. 7: Máy nén tầng cao R134a

4.2.6. Thiết bị ngưng tụ tầng cao R134a

Mơi chất R134a ở trạng thái hơi có áp suất cao, nhiệt độ cao sau khi vào thiết bị ngưng tụ sẽ trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh để chuyển sang trạng thái lỏng bão hịa có áp suất cao và nhiệt độ cao. Thiết bị ngưng tụ như Hình 4.8.

Trang 49

4.2.7. Thiết bị tiết lưu tầng cao R134a

Thiết bị tiết lưu tầng cao là một loại van tiết lưu bằng tay. Thiết bị này có nhiệm vụ là làm giảm lượng mơi chất lạnh R134a ở trạng thái áp suất cao, nhiệt độ cao xuống trạng thái có áp suất thấp, nhiệt độ thấp. Van tiết lưu tầng cao như Hình 4.9.

Hình 4. 9: Van tiết lưu tay tầng cao R134a

Hệ thống sau khi tiến hành việc kiểm tra và lắp đặt xong sẽ hồn thiện như Hình 4.10.

Trang 50

4.3. Các thiết bị đo

4.3.1. Đồng hồ đo áp suất

Để tăng thêm độ chính xác khi đo các giá trị áp suất tại các điểm nút thì hệ thống lạnh đã sử dụng đồng thời hai loại đồng hồ đo áp suất đó là: Bộ số hóa tín hiệu áp suất và đồng hồ áp suất chân sau.

Bộ số hóa tín hiệu áp suất là một thiết bị điện tử sử dụng module Adruino nhận tín hiệu Analog từ cảm biến Sensys (PTEH0001BCMG 4 – 20mA), xử lý tín hiệu sau đó hiển thị lên màn hình LCD. Bộ số hóa tín hiệu áp suất như Hình 4.11.

Hình 4. 11: Bộ số hóa tín hiệu áp suất

Thơng số kỹ thuật của bộ số hóa tín hiệu áp suất:

 Phạm vi đo: 0  100 bar.

 Nhiệt độ hoạt động: -40  1250C.

 Nguồn cấp: DC 9 – 30V.

 Sai số: 0,05%.

Đồng hồ áp suất chân sau dùng để đo các giá trị áp suất tại đầu hút và đầu đẩy của máy nén cũng như các vị trí đặt đồng hồ khác, các giá trị áp suất hiển thị trên mặt đồng hồ như Hình 4.12 là áp suất dư.

Trang 51 Thông số kỹ thuật:

 Áp suất đo tối đa cho phép 0 – 150 bar.

 Cấp chính xác: 1,6.

 Kích thước đường kính mặt đồng hồ: 60 mm.

4.3.2. Đồng hồ đo nhiệt độ

Đồng hồ đo nhiệt độ như Hình 4.13 là một thiết bị điện tử dùng để đo các thông số nhiệt độ của các điểm nút tầng trên R134a và được hiển thị trên màn hình LCD từ module cảm biến DHT.

 Điện áp hoạt động: 5V DC.

 5 nút nhấn cho người sử dụng tùy chọn làm các nút menu điều khiển.

 Nút RST dùng để reset chương trình cho Arduino. Module cảm biến DHT đo nhiệt độ:

 Độ phân giải: 1°C.

 Độ chính xác: ±2℃.

 Dải đo: 0°C ~ 50°C.

Trang 52 Đo nhiệt độ các thông số điểm nút tầng dưới CO2 sử dụng thêm đồng hồ đo nhiệt độ Extech như Hình 4.14.

Thơng số kỹ thuật của máy đo nhiệt độ tiếp xúc kiểu K, J Extech 421509:

 Hãng sản xuất: Extech - Mỹ.

 Model: 421509.

 Xuất xứ: Đài Loan.

 Dải đo kiểu K: -328 đến 2501oF (-200 đến 1372oC).

 Dải đo kiểu J: -346 đến 2192oF (-210 đến 1200oC).

 Tuổi thọ pin: 100h hoạt động, Pin 9V.

 Kích thước/trọng lượng: 192x91x52.5mm/365g.

 Sai số: ±0.05%.

Đo thông số các điểm nút của tầng dưới CO2 sử dụng đồng hồ đo nhiệt độ có đầu dị DS-1 như Hình 4.15.

Trang 53

Hình 4. 15:Đồng hồ đo nhiệt độ có đầu dị DS-1

Đồng hồ đo nhiệt độ như Hình 4.15 có đầu dị DS-1 dùng để đo các điểm nút của chu trình CO2 có các thơng số kĩ thuật như sau:

 Model: DS-1.

 Hiển thị thời gian: 1:00 đến 12:59.

 Dải nhiệt độ đo: -500C (-580F) ~ +700C (1580F).

 Sai số: ± 10C.

 Độ phân giải hiển thị: ˃ -200C là 0,10C; ≤ -200C là 1.00C.

 Nguồn cấp: DC 1.5V no.7 AAA.

 Kích thước: 117,5×30×27,2 mm.

 Kích thước màn hình LCD: 33×12 mm.

 Chiều dài dây đo: 1,5 m.

4.3.3. Thiết bị đo lưu lượng

Thiết bị đo lưu lượng được thiết kế dựa trên nguyên lý phân tán nhiệt và đo chính xác lưu lượng thể tích của mơi chất mà khơng phụ thuộc vào nhiệt độ. Thiết bị đo cảm biến có hai cảm biến nhiệt độ điện trở bạch kim như Hình 4.16.

Trang 54 Thơng số đặc trưng của thiết bị đo lưu lượng:

 Nhiệt độ làm việc: -400C – 450C.

 Áp suất làm việc: 40 bar.

 Nguồn cấp: DC 24V, AC 220V.

 Độ ẩm tương đối: 20 – 90%.

 Sai số:  1  2,5%.

Hình 4. 16: Thiết bị đo lưu lượng CO2

Thiết bị đo lưu lượng mơi chất R134a kiểu Turbine flow meter như Hình 4.17. Thông số kỹ thuật của Turbine flow meter:

 Model No: DGTT-015S.

 Hãng sản xuất: DIGITAL FLOW CO., LTD.

 Xuất xứ: KOREA.

 Độ chính xác: ±0.5%.

 Áp suất làm việc tối đa: 500 Kg/cm2.

 Nhiệt độ chất lỏng và môi trường xung quanh: -40 đến 80 0C.

 Phạm vi tốc độ dòng chảy: 400-5.000 L/H.

 Đơn vị xung: 0,0027 L/P (361 P/L).

Trang 55

Hình 4. 17: Thiết bị đo lưu lượng mơi chất R134a

4.3.4. Ampe kìm

Ampe kìm dùng để đo dòng điện của máy nén tầng cao R134a và tầng thấp CO2

như Hình 4.18.

Thơng số kỹ thuật đặc trưng:

 Thang đo điện áp tối đa: 600V.

 Thang đo dòng điện AC tối đa: 400A.

 Thang đo nhiệt độ: (-200C) – (+600C).

 Độ chính xác:  2%.

Hình 4. 18: Ampe kìm

4.3.5. VOM

VOM là một thiết bị dùng để đo và kiểm tra tình trạng hoạt động hiện tại của các thiết bị điện cũng như các nguồn điện áp cấp cho hệ thống và các thiết bị điện sử dụng trên hệ thống. Thiết bị đo như Hình 4.19.

Trang 56 Thông số kỹ thuật đặc trưng:

 Thang đo điện áp DC, AC tối đa: 1000V.

 Thang đo điện trở: 1500×10K.

 Độ chính xác: 2%.

Các dụng cụ đo và sai số của các thiết bị dùng trong hệ thống được tổng hợp trong Bảng 4.1.

Bảng 4. 1: Tổng hợp các dụng cụ đo và sai số

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 môi trường là 29oC, sử dụng bộ trao đổi nhiệt kênh micro để cho môi chất R134a ở tầng cao giải nhiệt cho môi chất CO2 ở tầng thấp. Quá 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. Thơng 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)