CHƯƠNG 2 THÀNH LẬP SƠ ĐỒ, TÍNH TỐN CHU TRÌNH LẠNH
2.5 Tính tốn thiết bị bay hơi
Ta chọn là bình bay hơi ống vỏ R134a: - Năng suất lạnh Q0 = 35 kW;
- Nhiệt độ bay hơi t0 = 2 oC;
- Nhiệt độ nước vào bình bay hơi tnv = 13 oC; - Nhiệt độ nước ra khỏi bình bay hơi tnr = 7 oC; a. Hiệu nhiệt độ trung bình logarit Δttb
Δttb = Δt𝑚𝑎𝑥 − Δt𝑚𝑖𝑛 𝑙𝑛Δt𝑚𝑎𝑥 Δt𝑚𝑖𝑛 = ሺt𝑛𝑣 − t0ሻ−ሺt𝑛𝑟 − t0ሻ 𝑙𝑛ሺt𝑛𝑣 − t0ሻ ሺt𝑛𝑟 − t0ሻ = ሺ13−2ሻ−ሺ7−2ሻ ln ሺ13−27−2ሻ =7,6 K
b. Hệ số truyền nhiệt của bình bay hơi ống vỏ R134a (k):
Tra bảng 8 – 7 / 282. Gíá trị kinh nghiệm của hệ số truyền nhiệt k trong sách HDTKHTL của thầy Nguyễn Đức Lợi, tra được:
k = 350 ÷ 400 W/m2. K Chọn k = 375 W/m2. K
c. Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của bình bay hơi ống vỏ R134a: F = 𝑄0 . 1000
𝑘 . Δt𝑡𝑏 = 35 .1000
375 .7,6 = 12,28 m2
Dựa vào bảng 8 – 9 / 283. Bình bay hơi trong sách HDTKHTL của thầy Nguyễn Đức Lợi, chọn được Bình bay hơi ống vỏ R134a sơi trong ống HTBP – 12,5 có:
23
• Diện tích trao đổi nhiệt : 12,5 m2;
• Đường kính ống : 325 mm;
• Chiều dài ống : 2500 mm:
• Số lượng ống : 98
• Số lối ống : 20
• Sức chứa : 0,0146 m3
Bảng 2.5: So sánh thiết kế bình bay hơi
Thơng số Đơn vị Thông số thiết kế Thông sốcatalog Sai số
Diện tích trao đổi nhiệt
m2 12,5 12,5 0%
2.6 Tính tốn chọn van tiết lưu
• Nhiệt độ bay hơi : t0 = 2oC
• ∆tql = 4oC
• Cơng suất sau van tiết lưu:
Q1=Q0=35 kW
Ta chọn van tiết lưu của hãng Danfoss loại TGE 20 – 16 với catalog bên dưới. Tham khảo qua [4]
24
Bảng 2.6: So sánh thiết kế van tiết lưu:
Thông số Đơn vị Thông số thiết kế Thông số catalog Sai số Công suất
lạnh
kW 35 37,6 0,069%
25
26
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CHI TIẾT FCU
Chọn kích thước của một căn phịng có thể tích của một căn phịng cần làm lạnh được xác định bởi chiều dài, chiều rộng và chiều cao.
3.1 Tính tốn diện tích truyền nhiệt
Hình 3.1: Sơ đồ mặt bằng xưởng Nhiệt
Sau khi khảo sát mặt bằng phịng thí nghiệm kỹ thuật Sấy, ta có:
Phịng thí nghiệm KT Sấy
27
• Chiều rộng = 6m
• Chiều dài = 8m
• Chiều cao = 2.5m
• Độ dày = 110 mm
Hình 3.2: Diện tích phịng thí nghiệm kỹ thuật Sấy 3d 3.1.1 Tính tốn mật độ truyền nhiệt từ vách vào phòng
Hệ số dẫn nhiệt của tường gạch λ = 0,6 W/m.K t1 = 37oC – Nhiệt độ bên ngồi phịng;
t2 = 17oC – Nhiệt độ bên trong phòng;
∆t = t1 – t2 = 37 – 17 = 20 oC
Cơng thức tính mật độ truyền nhiệt qua vách trụ một lớp trong sách Cơ sở truyền nhiệt và Thiết kế Thiết bị trao đổi nhiệt của Thầy Hồng Đình Tín:
q = 𝜆
𝛿. ∆t = 0,6
28
3.1.2 Tính tốn diện tích truyền nhiệt
tmt = 37oC – Nhiệt độ mơi trường trung bình của TP. Hồ Chí Minh tT = 26oC – Nhiệt độ khơng khí vào FCU
tTƯ = 19,5oC – Nhiệt độ bầu ướt Hiệu nhiệt độ trung bình logarit ∆𝑡𝑡𝑏
∆𝑡𝑡𝑏 = ∆tmax−∆tmin ln∆tmax ∆tmin =൫tmt−tT൯−൫tmt−tTƯ൯ lntmt−tT tmt−tTƯ =ሺ37−26,5ሻ−ሺ37−19,5ሻ 𝑙𝑛37−26,537−19,5 = 13,7oC
Với phịng có chiều dài 8m, chiều rộng 6m và chiều cao 2.5m được làm từ tường gạch dày 110 mm và không tiếp xúc trực tiếp với khơng khí bên ngồi nên chọn được hệ số truyền nhiệt k = 2,32 W/m2.K. Năng suất làm lạnh là 35kW
Diện tích truyền nhiệt:
𝐹 = 𝑄0
𝑘.∆𝑡𝑡𝑏 = 35
2,32 .13,7= 1,101 m2
3.2 Chọn FCU
Trong mặt bằng trong phịng được bố trí 4 FCU.
Năng suất lạnh yêu cầu cho mỗi FCU trong phòng : Q0TCyc = 35/4 = 8,75 kW.
FCU là dàn trao đổi nhiệt ống đồng cánh nhơm và quạt gió. Nước chuyển động trong ống, khơng khí chuyển động ngang qua cụm ống trao đổi nhiệt, ở đó khơng khí được trao đổi nhiệt ẩm, sau đó thổi trực tiếp qua một hệ thống kênh gió vào phịng. Dựa vào bảng kết quả tính tốn năng suất lạnh của từng phịng ta chọn FCU.
29
Mã hiệu FCU
Đặc tính đơn vị 006 008
Lưu lượng gió(tốc độ gió trung
bình) m
3/h 744 1153
Quạt dạng Quạt ly tâm lồng sóc
Số lượng quạt cái 2 3
Kích thước quạt mm ɸ144x165,5L
Vật liệu Thép tráng kẽm
Điện nguồn quạt 220V/1Ph/50Hz
Số lượng quạt cái 1 2
Công suất quạt W 63 94
Ống nước vào/ra Inch 3/4''
Ống nước ngưng
42CL A
Đường kính trong của ống 26mm 42VL A Ống mềm đường kính ngồi 20mm VMA
Dàn trao đổi nhiệt ống đồng cánh nhơm gợn sóng
Số dãy ống Dãy 3 3 Mật độ cánh cánh/i n 12 12 Diện tích bề mặt m2 0,15 0,192 Cỡ ống Inch Áp suất làm việc kG/cm2 10kG/cm2 Khối lượng 42 CLA kg 34 38 42VLA kg 31 35 42CMA kg 24 27 Công suất lạnh kW 8,942 12,485
Bởi vì năng suất lạnh tổng QT = 8,942 kW > Q0TCyc = 8,75 kW nên ta có thể chọn được FCU giấu trần kiểu 42CLA – 006 của Hãng Carrier dựa vào trang 95 sách Hướng dẫn thiết kế hệ thống điều hịa khơng khí của thầy Nguyễn Đức Lợi.
30
3.3 Tính tốn số ống, số cánh
Thiết kế dàn làm lạnh khơng khí FCU trong hệ thống điều hịa khơng khí có năng suất lạnh Q0=8,942 kW. Sử dụng ống đồng cánh tấm bằng nhơm có thơng số như sau:
+ Đường kính ngồi của ống: do=0,01 m + Đường kính trong của ống: di=0,0096 m +Bước cánh: Sc=0,003 m
+Bước ống: S1=0,04 m +Bước ống: S2= 0,04 m
Nhiệt độ khơng khí vào: t1=26oC φ1= 55% Nhiệt độ khơng khí ra: t2= 18 oC φ2= 85%
Chùm ống sắp xếp so le dạng tam giác đều, khoảng cách giữa các tâm ống là 40mm.
Hình 3.2.1: Sơ đồ nguyên lí chiều chuyển động của FCU
*Thiết kế và lựa chọn:
- Nhiệt độ trung bình của dịng khơng khí qua dàn lạnh: tk=0,5(t1 + t2) =0,5.(26 + 18) = 22 oC với tk=22oC tìm được thơng số vật lý của khơng khí như sau: ρk= 1,197 kg/m3
λk= 0,02606W/mK νk= 15,248 x 10-6 m2/s
31
Sơ đồ bố trí kết cấu thiết bị thể hiện trên hình vẽ say đây:
Hình 3.3.2: Sơ đồ bố trí kết cấu và chiều chuyển động của FCU
Tốc độ dịng khơng khí 𝜔0 khi đi qua tiết diện ngang ABCD trước dàn ống được gọi là tốc độ hứng gió của thiết bị, khi thiết kế dành lạnh thường chọn
𝜔0= 3-4 m/s [Tài liệu 2]. Tốc độ dịng khơng khí qua chỗ hẹp nhất là tốc độ của dịng qua tiết diện sau khi trừ đi phần choán chỗ của ống và các cánh được gọi là 𝜔𝑚𝑎𝑥, thường chọn tối đa khoảng 7,5 m/s. Trong các dàn lạnh của hệ thống điều hịa khơng khí thường đuyợc làm cánh dày đặc nên tiết diện qua chỗ hẹp nhất chỉ bằng khoảng 0,58-0,6 tiết diện hứng gió của thiết bị.
Ở thiết kế này ta chọn tốc độ hứng gió của thiết bị 𝜔0=4m/s, do đó tốc độ khơng khí qua chỗ hẹp nhất:
32 𝜔𝑚𝑎𝑥 = 𝜔𝑘 = 𝜔0 0,6= 4 0,6= 6,7 𝑚/𝑠 𝑅𝑒𝑘 =𝜔𝑘. 𝑆𝑘 𝑣𝑘 = 6,7.0,003 15,248. 10−6 = 1318,206
Hệ số tỏa nhiệt của cánh
𝛼𝑘 = 𝐶. 𝑆𝑐. ቆ 𝑑0 𝑆𝑐ቇ −0,54 . ቆℎ 𝑆𝑐ቇ −0,14 . 𝑅𝑒𝑓𝑛 = 0,203.0,02606 0,003 . ሺ0,01 0,003ሻ−0,54. ሺ0,01 0,003ሻ−0,14. 1318,2060,65=82,94 W/m2.K Trong đó: Sc – bước cánh, m
do – đường kính ngồi của ống, m h – chiều cao cánh, m
ω – tốc độ dòng qua chỗ hẹp nhất, m/s ν – độ nhớt động học của khơng khí, m2/s λ – hệ số dẫn nhiệt của khơng khí, W/mK
33
Hình 3.3.3: Bố trí chi tiết thơng số ống Hiệu suất cánh:
c =tanh ሺmlሻ
ml
Hình 3.3.4: Thông số chi tiết của ống
𝑙 =𝐴𝐵 2 = 𝐵𝐶 2 𝑡𝑔𝛼 =40 20= 2 => 𝛼 = 63,43 0 𝐵𝐶 = 𝐼𝐶 cos 𝛼 = 20 0,447= 44,74 𝑚𝑚 𝐿 =𝐵𝐶 2 = 44,74 2 = 22,37 𝑚𝑚 𝑙 = ሺ𝑅 − 𝑟ሻ 1 + 0805 lg ቌ1,27𝑅 𝑟0ඨ 𝐿 𝑅− 0,3ቍ = ሺ20 − 10ሻ. 10−31 + 0,805 lg ቌ20 10ඨ 22,37 20 − 0,3ቍ = 0,0129 𝑚
Hệ số dẫn nhiệt của nhôm λ = 203.5 W/m.K
𝑚 = ඨ2. 𝑎
λ. 𝛿𝑐 = ඨ
2.82,94
34 m.l = 52,126.0,0129 = 0,672 ➔ tanh(0,672) = 0,586 Và ta có hiệu suất cánh 𝜂𝑐 =0,586 0,671 = 0,873
Do cường độ toả nhiệt trên toàn bộ bề mặt cánh không đồng đều, thường chọn hệ số không đồng đều = 0,85. Do đó cường độ toả nhiệt của cánh được tính:
𝛼2 = 𝛼𝑘. 𝜂𝑐. = 82,94.0,873.0,85 = 61,54 W/𝑚2. 𝐾 Diện tích cánh của 1 m ống 𝐹𝑐 =2ሺ𝑆1𝑆2− 0,785𝑑0 2ሻ 𝑆𝑐 = 2ሺ0,04.0,04 − 0,785. 0,012ሻ 0,003 = 1.014 ሺ𝑚 2/𝑚ሻ
Diện tích bề mặt ngồi của ống nằm giữa các cánh ứng với 1m ống:
𝐹0𝑐 = 𝜋𝑑0ቆ1 −𝛿𝑐
𝑆𝑐ቇ = 3,14.0,01 ൬1 −
0,0003
0,003 ൰ = 0,028 𝑚
2/𝑚
Tổng diện tích bề mặt ngồi ứng với 1 m ống:
F= Fc + F0c = 1.014 + 0.028= 1.042 m2/m Diện tích bề mặt trong ứng với 1 m ống:
F1= 𝜋𝑑1 = 3.14 x 0.0095=0.029m2/m Hệ số làm cánh: 𝛽 = 𝐹 𝐹1 = 1.042 0,029= 35,93 Hệ số tách ẩm
35
= 1 + 2480𝑑0−𝑑1
𝑡1−𝑡2 = 1 + 24800,01−0,0095
26−18 = 1,155
Các thơng số vật lý như sau:
Vì nhiệt độ bề mặt cascnh thấp hơn nhiệt độ đọng sương của khơng khí nên xảy ra hiện tượng ngưng tụ ẩm trên bề mặt, cường độ tỏa nhiệt tăng lên, do đó cường độ tỏa nhiệt trong trường hợp này được tính
α'kk = ξα2 = 1,155 . 61,54 = 71.0787 W/m2.K
Trong tính tốn thiết kế, nhiệt độ nước vào FCU: 5 - 7 oC, nhiệt độ nước ra FCU: 12 - 13 oC, chọn sơ bộ nhiệt độ trong bình nước lạnh tn = 10°C ( và sẽ kiểm tra lại sau). Ứng với tn = 10oC ta tìm được thơng số vật lý của nước như sau:
𝜌n = 999,7 kg/m3
cpn = 4,192 kJ/kg.K λn = 0,5745 W/m K vn = 1,306.10-6 m2/s Prn = 9,52
Nước lạnh chuyển động trong dàn ống, khi thiết kế thường chọn khoảng 𝜔n = 0,8-1,8 m/s, ở đây ta chọn ωn = 1,1 m/s 𝑅𝑒 = 𝜔𝑛. 𝑑1 𝑣𝑛 = 1,1.0,0095 1,306.10−6 = 8001,53 > 104
Đây là chế độ chảy rối nên:
36
Thông thường ống dài l/d >50 ➔ 𝜀𝑙 = 1
Nun = 0,021.80010,8.9,520,43 = 73,37 Hệ số toả nhiệt về phía nước:
𝛼𝑛 = 𝑁𝑢𝑛λ𝑛
𝑑𝑙 =
73,37 .0,5745
0,0095 = 4436,95 W/𝑚
2. K
Hệ số truyền nhiệt được tính qui về 1 đơn vị diện tích bề mặt ngồi sẽ là:
𝑘 = [ 1
𝛼𝑘𝑘′ + 𝑅𝑏 + ቆ𝑅𝑐𝑛+ 1 𝛼𝑛ቇ 𝛽]
−1
❖ Rb: Nhiệt trở lớp bụi chọn khoảng Rb= 0.0003 m2.K/W .
❖ Rcn: Nhiệt trở lớp cáu nước, tuỳ theo điều kiện chất lượng nước, khoảng
0.0002- 0.0005 m2.K/W, ở đây chọn Rcn = 0.0004 m2.K/W 𝑘 = [ 1 71.0787+ 0,0003 + ൬0.0004 + 1 4436,95 ൰ . 35,93] −1 = 27,145 W/𝑚2. 𝐾
Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai dịng chất lỏng (có thể tính theo trung bình số học vì biến đổi nhiệt độ mỗi loại chất lỏng khơng lớn):
∆t = tkk− tn = 23 − 10 = 13°C
Nhiệt lượng truyền qua 1 m chiều dài ống tính qui về bề mặt ngồi (bề mặt có cánh) qkk = kF∆t = 27,145. 1,042 .13 = 367,706 W/m Tổng chiều dài ống: 𝐿 = 𝑄0 𝑞𝑘𝑘 = 8,942. 103 367,706 = 24,32 ሺ𝑚ሻ
37
Lưu lượng khơng khí qua dàn lạnh:
I1 và I2 tra từ đồ thị t-d từ nhiêt độ khơng khí vào và nhiệt độ khơng khí ra
Gkk = Q0
I1− I2 =
8,942
56 − 46 = 0,8942 kg/s = 3219,12 kg/h
Lưu lượng quạt:
𝑉𝑘𝑘 = 𝐺𝑘𝑘 𝜌𝑘𝑘 =
3219,12
1,197 = 2689,323 𝑚
3/h = 44,822 𝑚3/phút
Diện tích tiết diện ngang chỗ hẹp nhất tương ứng:
𝐹𝑘𝑘 = 𝐺𝑘𝑘
𝜔𝑘𝑘. 𝜌𝑘𝑘 =
0,8942
6,7.1,197= 0,111 𝑚
2
Từ kết quả tính tốn truyền nhiệt chúng ta sơ bộ bố trí kích thước dàn lạnh như sau:
Hình 3.3.5: Sơ đồ bố trí dàn lạnh Số dãy ống theo chiều dòng: n2 = 4
Chiều dài mỗi đoạn ống: b = 1 m
38 𝐿1 = 𝐿 𝑛2 = 24,32 4 = 6,08 Chọn L1 = 7 m
(Tổn thất áp suất nước trên đoạn ống không vượt quá 3mm H2O thường dùng trong thực tế. Nếu ống quá dài cho một dãy ống thì phải phân đoạn để cấp nước lạnh)
Chúng ta phải kiểm tra lại tốc độ k:
𝑓𝑚𝑖𝑛′ = ൫𝑆1− 𝑑0൯. ቆ𝑏 − 𝑏
𝑆𝑐𝛿𝑐ቇ = ሺ0,04 − 0,01ሻ. ൬0,4 − 0,4
0,0030,0003൰
= 0,0108 𝑚2/𝑚
Số đoạn ống trên một dãy là:
𝑛1 =𝐿1
𝑏 =
7
1= 7 ሺđ𝑜ạ𝑛ሻ
Vậy ta chọn n1=7 đoạn ống trên mỗi dãy
Diện tích tiết diện hẹp nhất của thiết bị mà dịng khí lưu động qua Fmin: Fmin = 𝑓𝑚𝑖𝑛′ .n1 = 0,0108.7 = 0,0756 m2
Như vậy kết cấu thiết bị có kích thướt chính như sau: Chiều rộng b = 0,5 m
Chiều cao a= S1 x n1 = 0.04 x 7 = 0.28 m Chiều dày w= S2 x n2 =0.04 x 4 = 0,16 m
39
Hình 3.3.6: Bố trí kích thướt dàn lạnh FCU
3.4 Đánh giá kết quả thiết kế
Từ các tính tốn trên ta có thể so sánh với máy FCU giấu trần kiểu 42CLA – 006 của Hãng Carrier
40
Bảng 3.1 Catalog thiết bị FCU
Ta so sánh với thông số thiết kế với catalog ta thấy số không khác nhiều nên thỏa điều kiên.
41
Bảng 3.2: Thông số so sánh
Đơn vị Thông số thiết kế Thơng số catalog Sai số Đường kính ngồi mm 9,5 9,5 5,26% Công suất làm lạnh kW 8,75 8,942 20%
Lưu lượng gió m3/phút 2689,323 1488 44%
Số dãy Dãy 4 3 25%
Diện tích bề mặt
m2 0,3696 0,150 59%
3.5 Bản vẽ chi tiết FCU
42
Hình 3.4.2 Mặt A và mặt B FCU
43
Hình 3.4.4 Chi tiết bố trí treo FCU
44
45
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1 Kết luận
• Bảng so sánh số liệu
➢ So sánh thiết kế máy nén
Thông số Đơn vị Thông số thiết
kế
Thông số Catalog
Sai số
Công suất lạnh kW 35 37,3 0,61%
Công suất motor kéo
kW 12,301 15 2,7%
➢ So sánh thiết kế dàn ngưng khơng khí
Thơng số Đơn vị Thông số thiết kế Thông số catalog Sai số Diện tích trao
đổi nhiệt
m2 349,279 440 20,61 %
Công suất nhiệt kW 43,695 35 19,89%
➢ So sánh thiết kế van tiết lưu:
Thông số Đơn vị Thông số thiết kế Thông số catalog Sai số Công suất
lạnh
46
➢ Thông số so sánh
Đơn vị Thông số thiết kế Thơng số catalog Sai số Đường kính ngồi mm 9,5 9,5 5,26% Công suất làm lạnh kW 8,75 8,942 20%
Lưu lượng gió m3/phút 2689,323 1488 44%
Số dãy Dãy 4 3 25%
Diện tích bề mặt
m2 0,3696 0,150 59%
Thông qua q trình tính tốn ở trên ta có kết luận hệ thống gồm: Chọn tác nhân lạnh R134a Năng suất lạnh Q=35 (kW)
Chọn máy nén BITZER 4H-2Y
Chọn dàn ngưng quạt kiểu nằm ngang ABM
Chọn bình bình bay hơi ống vỏ R134a sơi trong ống HTBP-12,5 Chọn FCU giấu trần kiểu 42CLA – 006 của Hãng Carrier
Về tổng quan về FCU, đã nêu được khái niệm về điều hồ khơng khí cũng như khái niệm về FCU, ngồi ra tìm hiểu được cấu tạo và nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của FCU. Để tính tốn được chi tiết FCU ta phải tính tốn được chu trình lạnh của hệ thống từ đó ta chọn máy nén, bình ngưng tụ và bình bay hơi dựa vào các thông số nhập vào phần mềm Bitzer.
Trong q trình tính tốn và thiết kế FCU để đảm bảo năng suất yêu cầu, việc tính tốn các thơng số, các tổn thất nhiệt, chu trình lạnh và tính chọn thiết bị địi hỏi sự chính xác và hợp lí. Nó góp phần tiết kiệm các chi phí đầu tư, chi phí vận