Tính tốn chu trình

CHƯƠNG 5 TÍNH CHỌN MÁY NÉN VÀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

5.3 Tính tốn chu trình

5.3.1 Chọn chu trình

Chọn chu trình quá lạnh quá nhiệt do: - Khi quá lạnh, năng suất lạnh sẽ tăng lên.

- Khi quá nhiệt, nguy cơ hút phải chất lỏng giảm, nguy cơ va đập thuỷ lực giảm. - Tuy nhiên, khi quá nhiệt, nhiệt độ cuối tầm nén tăng. Điều này đặc biệt nguy hiểm với máy lạnh NH3, vì máy lạnh NH3 có nhiệt độ cuối tầm nén cao.

5.3.2 Chọn nhiệt độ bay hơi

Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ trong buồng lạnh t0 = tb - t0

Trong đó : tb là nhiệt độ buồng lạnh, tb = -200C

t0 là hiệu nhiệt độ yêu cầu t0: 7 – 10℃

Chọn t0 = 10℃⇒t0 = -20 – 10 = -30℃

5.3.3 Chọn nhiệt độ ngưng tụ

 Thiết bị ngưng tụ của hệ thống lạnh có tác nhân làm mát là lấy từ nguồn nước ngầm qua hệ thống xử lý là tuần hồn khép kín qua tháp giải nhiệt.

Nhiệt ngưng tụ : tk = tw2 + tk Trong đó :

- tw2: nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ

- tk : hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu, tk = 5  80C.

• Nhiệt độ nước đầu ra và đầu vào chênh lệch nhau từ 2  60C và phụ thuộc vào kiểu bình ngưng. Chọn loại bình ngưng ống vỏ nằm ngang, ∆t = 5℃

tw2 = tw1 + 50C

Trong đó: tw1 là nhiệt độ nước vào bình ngưng

• Khi sử dụng nước tuần hoàn qua tháp tải nhiệt lấy nhiệt độ nước vào bình ngưng cao hơn nhiệt độ nhiệt kế bầu ướt từ 3 ÷ 5℃, chọn 3℃

Ta có : tw1 = tư + 3 = 34 + 3 = 37℃ Suy ra tw2 = 37 + 5 = 42℃

tk = tw2 + 3 = 42 + 3 = 45℃

Với tk = 45℃ => ρk = 17,21 (bar)

5.3.4 Chọn nhiệt độ quá lạnh

tqllà nhiệt độ môi chất lỏng trước khi đi vào van tiết lưu, Δtql = 3-5°C, chọn Δtql = 3oC

tql=tw1+Δt ql=37+3=400C

5.3.5 Chọn nhiệt độ hơi quá nhiệt

tqn là nhiệt độ của hơi trước khi vào máy nén, Δtqn = 5-15°C tqn = t0 + Δtqn, chọn 5℃ tqn = -30 + 5¿-25℃ 5.3.6 Tính cấp nén của chu trình Tỷ số nén của chu trình : π=ρk ρ0=1,194617,21 =14,4 Mà tỷ số nén lớn nhất đối với R717 là πmax = 9

5.3.7 Xây dựng đồ thị và lập bảng các điểm nút

 Đặc điểm của chu trình:

- Có thêm bình trung gian làm mát ống xoắn;

- Có một van tiết lưu chính và một van tiết lưu phụ, nối song song; - Áp suất trung gian tối ưu (ε→max): Ptg =√2 Po. Pk

- Chu trình này ứng dụng phổ biến cho mơi chất Amoniac

 Các quá trình:

1 – 2 quá trình nén đoạn nhiệt hơi hút từ áp suất bay hơi p0 lên áp suất trung gian ptg 2 – 3 quá trình làm mát trung gian

3– 4 quá lạnh

4 – 5 quá trình nén đoạn nhiệt hơi hút từ áp suất trung gian ptg lên áp suất bay ngưng tụ pk

5 – 6 quá trình ngưng tụ

6 – 7 đi qua van tiết lưu 1, giảm áp suất đến áp suất trung gian 6 – 10 quá nhiệt

10 – 11 đi qua van tiết lưu 2, giảm áp suất đến áp suất bay hơi 11 – 1 quá trình bay hơi

 Nguyên lý làm việc

Môi chất lạnh NH3 sau khi ra khỏi dàn bay hơi (1) sẽ được máy nén hạ áp hút và nén lên đến áp suất trung gian (2) rồi đẩy vào bình làm mát trung gian. Tại đây, hơi mơi chất lạnh được làm mát từ (2) xuống điểm (3) sau đó được sục vào đáy của bình trung gian ống xoắn và tiến hành truyền nhiệt cho NH3 dạng lỏng chứa sẵn trong bình. Mơi chất lạnh nhận nhiệt và bay hơi ở trạng thái hơi bão hịa khơ (4≡8¿được máy nén cao áp hút, nén từ áp suất trung gian đến áp suất ngưng tụ (5). Môi chất lạnh đi vào dàn ngưng tụ, thải nhiệt cho môi trường làm mát và ngưng tụ thành trạng thái lỏng (6). Sau đó, lỏng mơi chất lạnh chia làm 2 nhánh:

phần nhỏ đi qua van tiết lưu 1 (7) vào bình làm mát trung gian, phần lớn đi qua ống xoắn để quá nhiệt lần thứ 2 (10). Môi chất lạnh đi qua van tiết lưu 2 (11) vào dàn bay hơi để sinh ra năng suất lạnh.

 Đồ thị log P-h:

 Thông số các điểm nút: 1) Áp suất trung gian :

- Ptg =√2 Po. Pk = √21,1946.17,21 = 4,5342 (bar) Suy ra nhiệt độ trung gian: ttg = 1,97°C

2) Chọn nhiệt độ quá lạnh trong bình trung gian ống xoắn t6 = 4,97oC cao hơn nhiệt độ trong bình trung gian 3 oC.

Điểm nút t, °C P, bar h, kJ/kg V, m3/kg 1’ -30 1,946 1422,47 0,962 1 -25 1,195 1433,93 0,985 2 65,98 4,5342 1614,76 - 3=8 1,97 4,5342 1461,60 0,280 4 100,654 17,21 1650,58 - 5’ 45 17,21 396,96 - 5 40 17,21 372,93 - 6 4,97 17,21 204,10 - 7 1,97 4,5342 373,41 - 9 1,97 4,5342 204,26 - 10 -30 1,1946 204,26 - 5.3.8 Tính cấp áp thấp

1) Năng suất lạnh riêng:

2) Công nén riêng:

l1= h2 – h1= 1614,76 - 1433,93 = 180,83 (kJ/kg) 2) Lưu lượng hơi thực tế:

m1 = Qq00=1218,05150,12 =0,123(kg s ) 3) Thể tích hút thực tế của máy nén: Vtt = m1. V1= 0,123.0,985 = 0,121 (m3/s) 4) Tỉ số nén: - có HA = ptgp0= 4,44 1,1946=3,72

tra theo đồ thị trên ta được λ = 0.76 5) Thể tích hút lý thuyết cấp hạ áp

Vlt =Vttλ =0,121

0,76 =0,159(m3

s )

7) công nén đoạn nhiệt:

Ns = m1 x l1 = 0,123 x 180,83= 22,242 (kW) 8) Hiệu suất chỉ thị: i = TTtg0+b׿=243 274+0,001×(−30)=0,857 9) Cơng suất chỉ thị: Ni = Ns ηi =22,2420.857 =25,95(kW) 10) Công suất ma sát: Nms = Vtt x Pms = 0,121 x 55 = 6,655 (kW)

11) Cơng suất hữu ích ( trên trục máy nén) Ne = Ni + Nms = 25,95 + 6,655 = 32,605 (kW) 12) Công suất tiếp điện cấp hạ áp:

Nel = Ne

ηtđ .ηdc

Trong đó: ηtđlà hiệu suất truyền động của khớp, đai… Chọn ηtđ=¿0.95 ηdc là hiệu suất động cơ ηdc = 0.80 – 0.95. Chọn ηdc = 0.85

Nên: Nel = 0.95×32,6050.85=40,38(kW) 13) Lựa chọn máy nén:

Máy nén lạnh là bộ phận quan trọng nhất trong các hệ thống lạnh nén hơi. Máy nén có nhiệm vụ liên tục hút hơi mơi chất lạnh sinh ra ở thiết bị bay hơi để nén lên áp suất cao, nhiệt độ cao đẩy vào thiết bị ngưng tụ. Máy nén phải có năng suất hút đủ lớn để duy trì được áp suất bay hơi p0 (tương ứng với nhiệt độ bay hơi t0) đạt yêu cầu ở thiết bị bay hơi và có áp suất đầu đẩy đủ lớn để đảm bảo áp suất trong thiết bị ngưng tụ đủ cao tương ứng với nhiệt độ môi trường làm mát.

Dựa vào thể tích hút lý thuyết Vlt = 0,159 (m3/s) và năng suất lạnh thực tế của máy nén Q0 = 150,12 (kW) ta chọn máy nén pittong II220 của Nga theo OST.26.03- 943-77

 Nguyên lý hoạt động

- Máy nén khí piston được hoạt động dựa theo nguyên lý thay đổi thể tích, quy trình nén của thiết bị được thực hiện giữ khí vào một khơng gian khép kín và giam thể tích của khí, áp suất của khí nhờ đó sẽ được tăng lên. Khi áp suất cao hơn so với áp suất ngưng tụ hơi thì khí sẽ được đưa ra khỏi khơng gian khép kín này. Và dựa trên ngun tắc di chuyển của một piston lên xuống trong xilanh.

- Không khí được hút trực tiếp từ bên ngồi qua bộ lọc khí đến piston tiến hành nén khí và đẩy ra bình chứa khí nén. Khí nén chỉ được nén một lần duy nhất, thanh truyền tay quay được nối với piston giúp piston có thể tịnh tiến.

- Khi piston đi sang phải V tăng dần, lúc này P giảm thì van nạp sẽ mở ra, khơng khí bên ngồi sẽ đi vào bên trong xi lanh để thực hiện quá trình nạp khí.

- Và ngược lại, khi piston đi sang trái, khơng khí trong xi lanh được nén, P tăng, van nạp sẽ đóng, cho đến khi giá trị P tăng cao hơn sức căng lị xo; thì van xả tự động mở, khí nén sẽ đi qua van xả theo đường ống đến bình chứa khí (hay cịn gọi là bình tích áp). Và kết thúc một chu kỳ làm việc.

• Các thơng số của máy nén - Năng suất lạnh: 276 kW - Số xilanh: 8

- Đường kính của pittong: 115 mm - Thể tích hút lý thuyết: 16,7 x 10-2 m3/s - Kích thước: 1110 x 1140 x 890 mm - Khối lượng: 1000 kg

- Thể tích hút thực tế của máy nén theo thực tế: 0,167 m3/s • Số lượng máy nén

Z= V¿

V¿MN=0.159 0.167=0.95 Nên chọn 1 máy nén

5.3.9 Tính cấp cao áp

1) Lưu lượng thực tế qua máy nén cao áp:

m3= m1 xhh2−h8−h79 = 0,123 x 1,296 = 0,159 kg/s 2) Công nén riêng: l3= h4 – h3= 1650,58 – 1461,60 = 188,98 kj/kg 3) Thể tích hút thực tế cấp cao áp: VttCA = m3 x V3 = 0,159 x 0,280 = 0,045 m3/s 4) Hệ số cấp của máy nén: CA = ptgpk =16,5198 4,44 =3,721 - tra đồ thị trên được λCA = 0,76

5) Thể tích hút lý thuyết cấp cao áp:

VltCA = VttCAλCA =0,045

0,76 =0,059(m3

s )

6) Công nén đoạn nhiệt:

Ns = m3 x l3 = 0,123 x 188, 98= 23,245 (kW) 7) Hiệu suất chỉ thị: ηi = T0 Tk+b.ttg=315,2274 +0,001x1=0,87 8) Công suất chỉ thị: Ni = Nηis=23,245 0.87 =26,72(kW) 9) Công suất ma sát: Nms = Vtt x Pms = 0,045 x 55 = 2,475 kW 10) Cơng suất hữu ích:

Ne = Ni + Nms = 26,72 + 2,475 = 29,195 kW 11) Công suất tiếp điện của máy nén cao áp

Nel = Ne

ηtđ .ηdc

Trong đó: ηtđlà hiệu suất truyền động của khớp, đai… Chọn ηtđ=¿0.95 ηdc là hiệu suất động cơ ηdc = 0.80 – 0.95. Chọn ηdc = 0.85

nên Nel = 0,95.0,8529,195 =36,15kW

- Công suất tổng cao áp và hạ áp: 40,38 + 36,15 = 76,53 kW 12) Lựa chọn thiết bị

Chọn máy nén II110 có các thông số kỹ thuật: - Năng suất lạnh: 138 kW

- Số xilanh: 4

- Đường kính của pittong: 115 mm - Thể tích hút lý thuyết: 8,35 x 10-2 m3/s - Kích thước: 950 x 900 x 800 mm - Khối lượng: 770 kg

- Thể tích hút thực tế của máy nén theo thực tế: 0,0835 m3/s • Số lượng máy nén

Z= V¿

V¿MN=0.08350.059 =0.7 Nên chọn 1 máy nén

13) Nhiệt thải ở bình ngưng:

Qk = m3 x (h4-h5) = 0,159 x (1650,58 – 372,93) = 203,15 kW 5.4 Tính chọn thiết bị ngưng tụ cho hệ thống lạnh

Thi t b ng ng t trong h th ng l nh là các thi t b trao i nhi t b m t,ế ị ư ụ ệ ố ạ ế ị đổ ệ ề ặ

trong ó h i mơi ch t l nh có áp su t và nhi t cao sau máy nén đ ơ ấ ạ ấ ệ độ được làm mát b ng khơng khí, n c hay các ch t l ng nhi t th p khác ng ng t thành thằ ướ ấ ỏ ệ độ ấ để ƣ ụ ể

l ng.ỏ

Quá trình ng ng t luôn kèm theo hi n t ng t a nhi t, nói cách khác làư ụ ệ ượ ỏ ệ

n u không ế được làm mát liên t c thì quá trình ng ng t s d ng l i, m c ích làụ ư ụ ẽ ừ ạ ụ đ

bi n h i môi ch t l nh thành th l ng c ng không th c hi n ế ơ ấ ạ ể ỏ ũ ự ệ được. Do tác nhân l nh là Amoniac nên phù h p v i tính ch t c a môi ch t các ng trao i nhi tạ để ợ ớ ấ ủ ấ ố đổ ệ

th ng là ng ng có cánh nhơm l ng vào ho c cu n trên b m t ngoài c a ngườ ố đồ ồ ặ ố ề ặ ủ ố

t ng c ng kh n ng truy n nhi t t phía amoniac.

để ă ườ ả ă ề ệ ừ

5.4.1 Xác định hiệu số nhiệt độ log trung bình (Δttb)

- Hiệu số nhiệt độ logarit trung bình được tính theo cơng thức:

∆ ttb=∆ tmax−∆ tmin

ln∆tmax

∆ tmin

Trong đó:

- ∆tmax là hiệu nhiệt độ lớn nhất

∆tmax = tk – tw1 = 45 – 37 = 8°C - ∆tmin là hiệu nhiệt độ nhỏ nhất

∆tmin = tk – tw2 = 45 – 42 = 3°C

 Hiệu nhiệt độ Logarit: ∆ ttb=8−3 ln 8

3

=5,097° C

5.4.2 Xác định nhiệt tải của thiết bị ngưng tụ

Ở phần chọn máy nén, ta tính được: Qk = 203,15 kW

5.4.3 Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F

thuật lạnh-Nguyễn Văn Hưng, tr.159)  Diện tích bề mặt truyền nhiệt F:

F = k × ΔttbQk =203,15×800×5,097103=49,82(m2)

5.4.4 Lựa chọn thiết bị

Tra bảng 6.1, Giáo trình kỹ thuật lạnh – Nguyễn Đức Lợi, tr127 chọn bình ngưng tụ KTT2-65

- Diện tích bề mặt ngồi: 65m2 - Đường kính ống: 600mm

- Chiều dài : Chiều rộng : Chiều cao = 5520 : 910 : 1000 (mm) - Số ống: 216

- Thể tích giữa các ống: 0.885m3 - Khối lượng: 2430kg

 Nguyên lý hoạt động

Hơi mơi chất có nhiệt độ cao, áp suất cao theo đường số (5) đi vào bình và chiếm tồn bộ khơng gian bên ngồi ống trao đổi nhiệt. Tại đây môi chất nhả nhiệt cho nước làm mát chuyển động cưỡng bức bên trong ống, ngưng tụ thành lỏng cao áp, sau đó chảy xuống dưới theo đường số (14) đi ra ngoài.

 Ta chọn thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm nằm ngang vì nó có ưu điểm sau: - Phụ tải nhiệt lớn nên ít tiêu hao kim loại, thiết bị trao đổi nhiệt gọn nhẹ, kết cấu chắc chắn.

- Làm mát bằng nước ít phụ thuộc vào thời tiết nên máy hoạt động ổn định hơn. - Dễ vệ sinh về phía nước làm mát.

5.4.5 Xác định lượng nước làm mát cho thiết bị ngưng tụ

Lượng nước làm mát có thể tính theo cơng thức:

Vn = C × p× ΔtwQk = 4,19x1000203,15x(42−37)=¿1,74 x 10-4 (m3/s) Trong đó: C là nhiệt dung riêng của nước, C = 4.19 kJ/kg.K ρ là khối lượng riêng của nước, ρ = 1000kg/m3 5.5 Tính và chọn thiết bị bay hơi

Chọn thiết bị bay hơi kiểu dàn lạnh khơng khí đối lưu cưỡng bức. Vì nó được sử dụng để làm lạnh trực tiếp khơng khí mà khơng cần qua chất tải lạnh. Mặt khác, loại này cũng dễ vệ sinh và tránh hiện tượng nứt ống do chất lỏng đóng băng.

Ngồi ra, dàn lạnh khơng khí có quạt gió cịn có một số ưu điểm khác như:

 Có thể bố trí ở trong buồng hoặc ngồi buồng lạnh.

 Ít tốn thể tích bảo quản sản phẩm.

 Ít tốn nguyên, vật liệu.

Dàn bay hơi thường được chế tạo bằng đồng hoặc thép. Thông thường, các dàn bay hơi đều được làm cánh nhôm hoặc cánh thép. Dàn lạnh có vỏ bao bọc, có quạt, ống khuyếch tán gió, khay hứng nước ngưng, điện trở xả băng, quạt tùy loại thiết bị mà có thể là quạt ly tâm hoặc là quạt hướng trục.

 Cấu tạo thiết bị bay hơi đối lưu cưỡng bức:

 Nguyên lý hoạt động:

Lỏng mơi chất tiết lưu bình theo đường mơi chất vào (4), đi vào các ống trao đổi nhiệt (5), nhận nhiệt của từ mơi trường bên ngồi sơi, hóa hơi. Hơi mơi chất sau đó theo đường số (4) ra ngồi. Quạt (1) gió tuần hồn gió cưỡng bức với phịng làm lạnh, cánh trao đổi nhiệt (6) giúp tăng hiệu quả trao đổi nhiệt.

Ta có:

- Nhiệt độ phịng lạnh đơng: tf = −20oC

- Chọn nhiệt độ nước vào dàn lạnh là: tn1 = −19oC - Chọn nhiệt độ nước ra dàn lạnh là: tn2 = −21oC - Tổng năng suất lạnh là: Qo = 150,12 kW - Hiệu nhiệt độ:

Δtmax = tn1 − to = −19 + 30