CHƯƠNG 3 TÍNH TỐN PHỤ TẢI LẠNH
4.2 Buồng kết đông IQF
4.2.1 Tính tốn chế độ làm việc và chọn máy nén
Máy nén cho buồng kết đông phải tạo ra năng suất lạnh cần thiết theo tính tốn nhiệt tại chương 3. tính đến hệ số tổn thất lạnh trên đường ống và trong thiết bị của hệ thống lạnh làm lạnh (tham khảo tài liệu [1] trang 120-121):
Qot ổng2má y=kb ×QMN= 1,10,9×59.59=72.84 kW PT 4.30 Vì ta chọn 2 máy IQF nên ta tính cho 1 máy, cơng suất lạnh của 1 máy là
Qo=Qot ổ ng2má y
2 =72.842 =36.42kW Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh
tb: Nhiệt độ trong không gian buồng kết đông. tb = -320C. ∆t0: Hiệu nhiệt độ yêu cầu. chọn ∆t0 = 100C.
Vì vậy ta có:
t0 = -32 - 10 = -420C Nhiệt độ hơi hút về máy nén th
Độ quá nhiệt hơi hút về máy nén là 150C (bao gồm quá nhiệt hữu ích trong dàn bay hơi, quá nhiệt do làm mát máy nén, quá nhiệt do tổn thất trên đường ống)
th = t0 + ∆th = -42 + 15 = -27 ( oC ) Áp suất ngưng tụ Pk và áp suất bay hơi P0
Từ nhiệt độ sôi t0 = - 420C và nhiệt độ ngưng tụ tk = 410C. sử dụng phần mềm coolpack lập trình dựa trên đồ thị lgp - i của R404A ta có:
Pk = 18,74 bar P0 = 1,21 bar Chọn số cấp máy nén. Tỷ số nén: π= pk p0=18,741,21 =15,49 PT 4.31
Do π > 9 nên ta chọn máy nén 2 cấp. với áp suất nén trung gian là:
ptg=√pk×p0=√18,74 ×1,21 =4,76 (bar) Ta có nhiệt độ tại áp suất trung gian của R404A : ttg = -7,90C
Sử dụng phần mềm BITZER chọn máy nén piston nửa kín 2 cấp với các thơng số sau:
- Môi chất lạnh R404A
- Công suất lạnh Qo1 = 36.42 kW - Nhiệt độ bay hơi bão hoà to = -42 oC - Nhiệt độ ngưng tụ bão hoà tk = 41 oC - Nhiệt độ gas đầu hút th = -27 oC - Quá nhiệt hữu ích 5 oK
Vậy ta chọn 2 máy nén S66F-60.2Y-40P để sử dụng cho 2 máy kết đơng IQF
4.2.2 Tính tốn các thông số khi hệ thống hoạt động
Theo như thơng số trên hình, ta có:
- Cơng suất dàn bay hơi Qo1 = 40.4 kW - Công suất điện Nel = 36.7 kW
- Công suất ngưng tụ 79.4 kW Sơ đồ và chu trình máy lạnh
Chọn chu trình máy lạnh hai cấp, một tiết lưu, làm mát trung gian 1 phần và quá lạnh lỏng
Hình 4.3 Sơ đồ và chu trình máy lạnh hai cấp. một tiết lưu. làm mát trung gian một phần có bình q lạnh
Ngun lý hoạt động:
-Hơi mơi chất bão hồ từ trạng thái 1” được quá nhiệt hữu ích đến khi ra khỏi dàn bay hơi có trạng thái 1’, qua tổn thất đường ống và làm mát máy nén để trở thành hơi quá nhiệt ở trạng thái 1 được máy nén hạ áp hút và nén lên trạng thái 2. Hơi sau khi nén hạ áp có trạng thái 2 sẽ hịa trộn với hơi từ bình q lạnh có trạng thái 7 thành trạng thái 3 và đi vào máy nén cao áp. Sau khi nén, hơi có trạng thái 4, ở bình ngưng tụ hơi ngưng tụ thành lỏng ở trạng thái lỏng bão hòa 5’. Từ trạng thái 5’, một phần lỏng được đưa qua van tiết lưu nhiệt TLN tiết lưu xuống áp suất trung gian 6’ để bay hơi làm quá lạnh phần lớn môi chất lỏng cao áp sang điểm 5. Môi chất lạnh từ điểm 5 tiết lưu xuống áp suất bay hơi 6 đưa vào bình bay hơi để bay hơi sinh lạnh. Và như vậy khép kín chu trình lạnh.
+ 1” – 1’: hơi mơi chất được q lạnh hữu ích trong dàn bay hơi.
+ 1’ – 1: hơi môi chất bị tổn thất đường ống và làm mát máy nén trước khi vào đầu hút của máy nén
+ 1 – 2: nén đoạn nhiệt cấp hạ áp từ po lên ptg
+ 2 – 3: hoà trộn giữa hơi sau nén hạ áp với hơi môi chất ở điểm 7 + 3 – 4: nén đoạn nhiệt cấp cao áp từ ptg lên pk
+ 4 – 5’: làm mát ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ. + 5’ – 5: q lạnh mơi chất trong bình q lạnh QL.
+ 5’ – 6’: một phần môi chất lỏng qua TLN để thực hiện quá trình quá lạnh. + 6’ – 7: môi chất ở áp suất trung gian thực hiện quá trình quá lạnh.
+ 6 – 1”: mơi chất lỏng vào bình bay hơi để bay hơi sinh lạnh. khép kính một chu trình lạnh. * Tính tốn chu trình Điểm 1' ': t1' '= t0=¿-42 oC ; x1'=1. Điểm1': t1'=t1' '+5=−37 oC Điểm 1: t1=th=¿ -27 oC ; P1=P0=¿ 1,21bar. Điểm 2: s2=s1; P2=Ptg=¿4,76 (bar).
Điểm 3: tìm được h3' ; P3' = Ptg=¿ 4,76 bar. Điểm 4: s4=s3' P4 = Pk=¿ 18,74 bar.
Điểm 5': p5'=¿ pk= 18,74 bar ; x5' ' = 0. Điểm 7: P7=Ptg=¿4,76 (bar) ; t7 = -7,9 oC Điểm 5: p5 = pk ; t5 = 5,2 oC
Điểm 6: giao điểm giữa po và h6=h5
Điểm 6’: giao điểm giữa ptgvà h6'=h5'
Năng suất lạnh riêng khối lượng :
qo = h1’ – h6 PT 4.32
m1=QO qo
PT 4.33
Cân bằng Entanpi tại điểm hòa trộn:
m4h3=m1h2+m7h7 và m7=m4−m1 →m4 m1= h2- h7 h3- h7 PT 4.34
điểm 3’ xác định qua cân bằng lưu lượng và cân bằng entanpy ở điểm hòa trộn và ở bình quá lạnh:
h3=h7+(h7(h - h5')
7- h5)(h2- h7) PT 4.35
Thay số vào phương trình trên ta có: h3
Sử dụng phần mềm coolpack. ta có bảng giá trị sau:
Bảng 4.25 Các thơng số điểm nút của chu trình lạnh buồng kết đông
Điểm t0C P [Bar] h [kJ/kg] s [kJ/kg.K] v(m3/kg) 1" -42 1.21 342.52 1' -37 1.21 346.31 1 -27 1.21 354.06 1.687 0.1669 2 14.55 4.76 383.27 1.687 0.0469 3 6.26 4.76 375.93 1.662 0.0451
4 58.55 18.74 405.48 1.662 0.0112 5' 41 18.74 265.61 5 5.2 18.74 207.25 6' -7.9 4.76 265.61 6 -42 1.21 207.25 7 -7.9 4.76 363.61 Tính cấp nén hạ áp
Năng suất lạnh riêng (tính cả phần quá nhiệt hữu ích):
q0 = h1’ – h6 = 346.31 – 207.25 = 139.06 (kJ/kg) PT 4.36
Năng suất lạnh thể tích:
qv=qv10 = 833.19 (kJ/m3) PT 4.37 Lưu lượng hơi thực tế qua máy nén hạ áp:
m1=Qo1 qo =40.4139.06 =0,29 kg/s PT 4.38 Thể tích hút thực tế của máy nén hạ áp: VttHA = m1×v1 =0.29×0.1669 = 0.0485 ( m3 s ) PT 4.39 Tỷ số nén hạ áp: Π=ptg p0 = 3.94
Hệ số cấp nén hạ áp (tài liệu [1] trang 239).
λHA= {Po−∆ Po Po −c[(Ptg+∆ Ptg Po )1 m−(Po−∆ Po Po )]}.To Ttg = 0.38 PT 4.40
Trong đó c = 0.04 ; m=1 ; Δpo = Δptg = 0.005 MPa (Δpo = Δptg = 0.005 ÷ 0.01 MPa) (tài liệu [1] trang 215)
Ptg = 4.76 bar = 0.476 Mpa ; Po = 1.21 bar = 0.121 Mpa. To = 273-42 = 231 oK ; Ttg = 273-7.15 = 265.85 oK. Thể tích hút lý thuyết:
VltHA = = 0.1297 (
m3 s )
PT 4.41
Cơng nén đoạn nhiệt:
NsHA=m1×l1=0.26×(383.27−354.06)=8.49(kW) PT 4.42 Hiệu suất chỉ thị: ηi=0,001× t0+TT0 tg=-42× 0.001+231265.85 =0,83 PT 4.43 Cơng suất chỉ thị: Ni=NsHA ηi =8.490.83=10.26 (kW) PT 4.44 Tính cấp nén cao áp
Lưu lượng hơi thực tế qua máy nén cấp cao áp: m4=m1×h7- h5 h7-h5'=0,29×363.61-207.25363.61-265.61=0.46 (kg/s) Thể tích hút thực tế: VttCA = m4×v3 = 0.42 × 0.0451=0.0209 ( m3 s ) Tỷ số nén cao áp = 3.94
Hệ số cấp nén cao áp tính theo cơng thức sau: {Ptg−∆ Ptg Ptg −c[(Pk+∆ Pk Ptg )❑ −(Ptg−∆ Ptg Ptg )]}.TTtg k = 0.65 Trong đó c = 0.04 ; m=1 pk = 18.74 bar ptg = 4.76 bar Δpk = Δptg = 0.005 ÷ 0.01 MPa. Ta chọn Δpk = Δptg = 0.005MPa Tk = 273+41= 314 oK ; Ttg = 273-7.15 = 265.85 oK. Thể tích hút lý thuyết: VltCA = = 0.0231 ( m3 s )
Công nén đoạn nhiệt: NsCA = m4×l2 = 0.47×(h4 – h3) = 0.42×(405.48-375.93) = 13.70 kW Hiệu suất chỉ thị: ηi=0.001×ttg+TTtg k= 0.84 Cơng suất chỉ thị: Ni=NsCA ηi =13.700,84 =16.31 (kW)
4.3 Buồng bảo quản đơng
4.3.1 Tính tốn chế độ làm việc và chọn máy nén
Máy nén cho buồng bảo quản đông phải tạo ra năng suất lạnh cần thiết theo tính tốn nhiệt tại chương 3. tính đến hệ số tổn thất lạnh trên đường ống và trong thiết bị của hệ thống lạnh làm lạnh (tham khảo tài liệu [1] trang 120-121):
Qo=kb ×QMN= 1,10,9×47.44=57.98 kW PT 4.45 Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh
t0 = tb - ∆t0 Trong đó
tb: Nhiệt độ trong không gian buồng bảo quản đông. tb = -180C. ∆t0: Hiệu nhiệt độ yêu cầu. chọn ∆t0 = 100C.
Vì vậy. ta có:
t0 = -18 - 10 = - 280C Nhiệt độ hơi hút về máy nén th
Chọn độ quá nhiệt hơi hút về máy nén là 150C. Như vậy.
th = t0 + ∆th = -28 + 15 = -13 ( oC ) Áp suất ngưng tụ Pk và áp suất bay hơi P0
Từ nhiệt độ sôi t0 = -280C và nhiệt độ ngưng tụ tk = 410C. sử dụng phần mềm coolpack lập trình dựa trên đồ thị lgp - i của R404A ta có:
Pk = 18.74 bar P0 = 2.21 bar
Chọn số cấp máy nén. Tỷ số nén: π= pk p0=18,742.18 =8.60 PT 4.46 Do π < 9 nên ta chọn chu trình 1 cấp
Sử dụng phần mềm BITZER chọn máy nén piston nửa kín 1 cấp với các thơng số sau:
- Mơi chất lạnh R404A
- Công suất lạnh Qo1 = 57.98 kW - Nhiệt độ bay hơi bão hoà to = -28 oC - Nhiệt độ ngưng tụ bão hoà tk = 41 oC - Nhiệt độ gas đầu hút th = -13 oC - Quá nhiệt hữu ích 5 oK
- Ta chọn được máy như hình
Vậy ta chọn 2 máy nén 6FE-44Y-40P mắc song song để sử dụng cho buồng bảo quản đơng, và 1 máy dự phịng.
4.3.2 Tính tốn các thơng số khi hệ thống hoạt động
Theo như thơng số trên hình, ta có:
- Cơng suất dàn bay hơi Qo = 31.3×2 = 62.6 kW - Cơng suất điện Nel = 23.8×2 = 47.6 kW - Cơng suất ngưng tụ Qk = 57.9×2 = 115.8 kW Sơ đồ và chu trình máy lạnh
Chọn chu trình máy lạnh một cấp
Hình 4.5 Sơ đồ và chu trình máy lạnh một cấp
Nguyên lý hoạt động:
Hơi mơi chất bão hồ từ trạng thái 1” được quá nhiệt hữu ích đến khi ra khỏi dàn bay hơi có trạng thái 1’, qua tổn thất đường ống và làm mát máy nén để trở thành hơi quá nhiệt ở trạng thái 1 được máy nén hạ áp hút và nén lên trạng thái 2 và thải nhiệt khi đi qua dàn ngưng. Sau đó mơi chất được tiết lưu về áp suất và nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu. Mơi chất sau đó di chuyển về dàn bay hơi lấy nhiệt từ môi trường. như vậy mơi chất thực hiện hết một chu trình.
+ 1 – 2: hơi môi chất được nén đoạn nhiệt từ lên
+ 2 – 3: hơi mơi chất thải nhiệt ra ngồi và ngưng tụ thành lòng + 3 – 4: tiết lưu đưa lỏng môi chất xuống áp suất bay hơi.
+ 4 –1”: lỏng môi chất lấy nhiệt từ môi trường và bay hơi. +1”– 1’: hơi môi chất được q nhiệt có ích trong dàn bay hơi.
+1’ – 1: hơi mơi chất quá nhiệt do tổn thất trên đường đi và làm mát máy nén
* Tính tốn chu trình Điểm 1' ': t1' '= t0=¿-28 oC ; x1'=1. Điểm 1': t1'=t1' '+5=−23oC ; P1=P0=¿ 2.21 bar. Điểm 1: t1=t1'+10=−13 oC Điểm 2: s2=s1 ; P2=Pk=¿18.74 (bar). Điểm 3: t3= tk=¿ 41oC ; x3'=0. Điểm 4 : p4=¿ po= 2.21 bar ; h4 = h3. Năng suất lạnh riêng khối lượng :
qo = h1’ – h4
→m=QO qo
Sử dụng phần mềm coolpack. ta có bảng giá trị sau:
Bảng 4.26 Các thơng số điểm nút của chu trình lạnh buồng bảo quản đơng
Điểm t0C P [Bar] h [kJ/kg] s [kJ/kg.K] v(m3/kg) 1” -28 2.21 351.52 1’ -23 2.21 355.51 1 -13 2.21 363.62 1.676 0.0945 2 62.83 18.74 410.32 1.676 0.0116 3 41 18.74 265.61 4 -28 2.21 265.61 Tính tốn máy nén
Năng suất lạnh riêng:
q0 = h1’ – h4 = 355.51 – 265.61 = 89.90 (kJ/kg) Năng suất lạnh thể tích:
= 951.32 (kJ/m3) Lưu lượng hơi thực tế qua máy nén :
m=Qo qo=68.289.90 =0.70 kg/s Thể tích hút thực tế của máy nén: Vtt = m × v1 =0.70×0.0945= 0.0658 ( m3 s ) Tỷ số nén: = 8.6 Hệ số cấp nén {Po−∆ Po Po −c[(Pk+∆ Pk Po )1 m−(Po−∆ Po Po )]}.ToT k = 0.35
Trong đó c = 0.04. m=1. Δpo = Δpk = 0.005 MPa (Δpo = Δpk = 0.005 ÷ 0.01 MPa) Pk = 18.74 bar Po = 2.21 bar To = 273-18 = 255 oK; Tk = 273+41 = 314 oK Thể tích hút lý thuyết: Vlt = = 0.1881 ( m3 s )
Công nén đoạn nhiệt:
Ns=m× l1=0.70×(410.32−363.62)=32.52 (kW) Hiệu suất chỉ thị: ηi=0,001×t0+TT0 k=-28×0,001+-28+27341+273 =0,75 Cơng suất chỉ thị: Ni=Nηis=32.520,79 =43.23 (kW)
4.4 Buồng bảo quản lạnh
4.4.1 Tính tốn chế độ làm việc cho máy nén
Máy nén cho buồng bảo quản lạnh phải tạo ra năng suất lạnh cần thiết theo tính tốn nhiệt tại chương 3. tính đến hệ số tổn thất lạnh trên đường ống và trong thiết bị của hệ thống lạnh làm lạnh (tham khảo tài liệu [1] trang 120-121):
Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh t0 = tb - ∆t0 Trong đó
tb: Nhiệt độ trong không gian buồng bảo quản lạnh. tb = 50C. ∆t0: Hiệu nhiệt độ yêu cầu chọn ∆t0 = 100C.
Vì vậy. ta có:
t0 = 5 - 10 = -50C Nhiệt độ hơi hút về máy nén th
Chọn độ quá nhiệt hơi hút về máy nén là 150C. Như vậy.
th = t0 + ∆th = -5 + 15 = 10 ( oC ) Áp suất ngưng tụ Pk và áp suất bay hơi P0
Từ nhiệt độ sôi t0 = -50C và nhiệt độ ngưng tụ tk = 410C. sử dụng phần mềm coolpack lập trình dựa trên đồ thị lgp - i của R404A ta có:
Pk = 18.74 bar P0 = 5.13 bar Chọn số cấp máy nén. Tỷ số nén: π= pp0k=18,745.13 =3.65 PT 4.48 Do π < 9 nên ta chọn chu trình 1 cấp
Sử dụng phần mềm BITZER chọn máy nén piston nửa kín 1 cấp với các thơng số sau:
- Môi chất lạnh R404A
- Công suất lạnh Qo1 = 38.71 kW - Nhiệt độ bay hơi bão hoà to = -5 oC - Nhiệt độ ngưng tụ bão hoà tk = 41 oC - Nhiệt độ gas đầu hút th = 10 oC - Quá nhiệt hữu ích 5 oK
Vậy ta chọn 1 máy nén 4HE-18Y-40P để sử dụng cho buồng bảo quản lạnh, và 1
Hình 4.6 Sử dụng phần mềm chọn máy nén của BITZER để chọn máy nén phù hợp vs yêu cầu của buồng bảo quản lạnh
4.4.2 Tính tốn các thơng số khi hệ thống hoạt động
Theo như thông số trên hình, ta có:
- Cơng suất dàn bay hơi Qo = 44.9 kW - Công suất điện Nel = 17.58 kW - Công suất ngưng tụ Qk = 66.5 kW Sơ đồ và chu trình máy lạnh Chọn chu trình máy lạnh một cấp
Hình 4.7 Sơ đồ và chu trình máy lạnh một cấp
Nguyên lý hoạt động:
Hơi mơi chất bão hồ từ trạng thái 1” được quá nhiệt hữu ích đến khi ra khỏi dàn bay hơi có trạng thái 1’, qua tổn thất đường ống và làm mát máy nén để trở thành hơi quá nhiệt ở trạng thái 1 được máy nén hạ áp hút và nén lên trạng thái 2 và thải nhiệt khi đi qua dàn ngưng. Sau đó mơi chất được tiết lưu về áp suất và nhiệt độ ngưng tụ u cầu. Mơi chất sau đó di chuyển về dàn bay hơi lấy