4.1. Phương pháp thực nghiệm
Quá trình thực hiện thu thập số liệu thực nghiệm:
- Lấy tất cả các gí trị nhiệt độ và áp suất khi chưa khởi động hệ thống.
- Chạy hệ thống R32, khi nhiệt độ môi chất R32 vào thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi đạt khoảng 0 ÷ 10oC bắt đầu khởi động máy nén CO2.
- Các giá trị nhiệt độ, áp suất, dòng điện được ghi lại 5 phút một lần.
- Khi nhiệt độ phịng đạt -36oC thì dừng hệ thống. Kết thúc quá trình lấy số liệu thực nghiệm. 4.2. Chuẩn bị dụng cụ - Cảm biến nhiệt độ. - Cảm biến áp suất. - Laptop. - Ampe kiềm. - Camera.
4.3 Kết quả thực nghiệm
4.3.1. Điểm nút thực nghiệm CO2/R32:
Hệ thống ghép tầng CO2/R32 tiến hành chạy thực nghiệm với kích thước buồng lạnh (0,6m x 0,5m x 0,5m), trong điều điện nhiệt độ môi trường 33°C, từ số liệu thực nghiệm đưa ra thơng số trạng thái chu trình lạnh CO2 như bảng 4.1 và thể hiện trên đồ thị p-h hình 4.6, cũng như thơng số trạng thái chu trình lạnh R32 được thể hiện ở bảng 4.2 và trên đồ thị p-h hình 4.7:
Bảng 4.1 Thông số trạng thái các điểm nút thực nghiệm của Chu trình lạnh CO2
Điểm nút Trạng thái t (°C) P (bar) v(m3/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kgK)
1 Hơi quá nhiệt -29,1 11,5 0,033 444 2,05
2 Hơi quá nhiệt 54,1 39 0,013 498 2,05
3 Lỏng bão hòa 7,9 39 0,00113 219 1,07
4 Hơi bão hòa ẩm -36 11,5 0,011 219 1,11
5 Hơi bão hịa khơ -36 11,5 0,0335 437 2,03
Bảng 4.2 Thông số trạng thái các điểm nút thực nghiệm Chu trình lạnh R32
Điểm nút Trạng thái t (°C) p (bar) v(m3/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kgK)
1 Hơi quá nhiệt 11,1 8,1 0,05 526 2,2
2 Hơi quá nhiệt 69,9 22,9 0,018 566 2,18
3 Lỏng bão hòa 36,7 22,9 0,0011 275 1,23
4 Hơi bão hòa ẩm 0 8,1 0,011 275 1,25
5 Hơi bão hịa khơ 0 8,1 0,045 510 2,15
4.3.2. Tính tốn nhiêt:
Dựa vào thơng số trạng thái các điểm nút thu được từ quá trình chạy thực nghiệm, xác định thông số nhiệt động của hai CO2 (tầng dưới) và môi chất R32 (tầng trên).
*Chu trình lạnh tầng thấp CO2:
Ta có: 𝐼𝐶𝑂2 = 1,8 (A)
- Áp dụng cơng thức tính cơng suất dòng điện:
𝑁𝑒/𝐶𝑂2= U.I.cosφ (Chọn cosφ = 0,95) = 220.1,8.0,95 = 376,2 (W)
- Công nén thực nghiệm:
Chọn hiệu suất động cơ η = 0,65
𝐿𝐶𝑂2 = Ne.η = 376,2 . 0,65 = 244,5 (W)
- Lưu lượng CO2 thực nghiệm:
𝐺𝐶𝑂2= 𝐿𝐶𝑂2
ℎ2−ℎ1 = 0,2415
498−444 = 0,00447 (kg/s)
- Năng suất lạnh thực nghiệm:
𝑄𝑜/𝐶𝑂2= 𝐺𝐶𝑂2.(h5 – h4) = 0,00447. (437 – 219) = 0,97 (kW)
- Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi:
𝑄𝑘/𝐶𝑂2 = 𝐺𝐶𝑂2. (h2 – h3) = 0,00447. (498 – 219) = 1,247 (kW)
- Hệ số hiệu suất thực nghiệm:
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑂2 = ℎ5−ℎ4
ℎ2−ℎ1 = 437−215
498−444 = 4,037
* Chu trình lạnh tầng cao R32:
Ta có: IR32 = 1,86 (A)
- Áp dụng cơng thức tính cơng suất dịng điện:
Ne/R32 = U.I.cosφ ( Chọn cosφ = 0,95 ) = 220.1,86.0,95
- Công nén thực nghiệm:
Chọn hiệu suất động cơ η = 0,65
LR32 = Ne.η = 388,74 . 0,65 = 252,68 (W)
- Lưu lượng R32 thực nghiệm:
GR32 = 𝐿𝑅32
ℎ2−ℎ1 = 0,263
566−526 = 0,00657 (kg/s)
- Năng suất lạnh thực nghiệm:
Qo/R32 = GR32. (h5 – h4) = 0,00657. (510 – 275) = 1,54 (kW)
- Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị giải nhiệt :
Qk/R32 = GR32. (h2 – h3) = 0,00657. (566 – 275) = 1,911 (kW)
- Hệ số hiệu suất thực nghiệm:
COPR32 = ℎ5−ℎ4
ℎ2−ℎ1 = 510−257
566−256 = 5,875
- Năng suất lạnh thực nghiệm của hệ thống:
Qo hệ thống = Gkk. cp. Δtkk = ρkk. Squạt. vkk. cpkk. Δtkk Ta có: tgió ra = -30oC tgió vào = -28oC Dquạt = 0,32m vquạt = 4 m/s Từ tgió ra = -30oC ➔ ρkk = 1,453 (kg/m3) cpkk = 1,103 (kJ/kg, K) Qo hệ thống = Gkk.cp.Δtkk = ρkk. Squạt. vkk. cpkk. Δtkk = 1,453. 𝜋0,322 4 . 4.1,103. [(−30) − (−28)] = 0,95 (kW)
- Hệ số hiệu suất thực nghiệm của hệ thống:
COPhệ thống = 𝑄𝑜 ℎệ 𝑡ℎố𝑛𝑔
𝐿𝐶𝑂2 +𝐿𝑅32 = 0,95
Bảng 4.3 So sánh các Thơng số Tính tốn Thực nghiệm Và Lý thuyết
Thực nghiệm Lý Thuyết
Chu trình
Thơng số Tầng Thấp CO2 Tầng Cao R32 Tầng Thấp CO2 Tầng Cao R32
Lưu lượng ( 𝒌𝒈
𝒔 ) 𝐺𝐶𝑂2 = 0,00477 GR32 = 0,00657 𝐺𝐶𝑂2 = 0,004754 GR32 = 0,0067
Công nén lý thuyết (W) 𝐿𝐶𝑂2 = 244,5 LR32 = 252,68 𝐿𝐶𝑂2 = 320 LR32 = 361,8
Năng suất lạnh (kW) 𝑄𝑜/𝐶𝑂2= 0,97 Qo/R32 = 1,54 𝑄𝑜/𝐶𝑂2= 1,0 Qo/R32 = 1,62
Nhiệt lượng nhả ra ở
thiết bị giải nhiệt (kW) 𝑄𝑘/𝐶𝑂2= 1,247 Qk/R32 = 1,911 𝑄𝑘/𝐶𝑂2= 1,35 Qk/R32 = 1,98
COP 𝐶𝑂𝑃𝐶𝑂2 = 4,037 𝐶𝑂𝑃𝑅32= 5,875 𝐶𝑂𝑃𝐶𝑂2= 3,125 𝐶𝑂𝑃𝑅32= 4,478
COP Hệ thống COPhệ thống = 1,91 COPhệ thống = 1,467
* Nhận xét: Từ bảng 4.3 so sánh các thơng số tính tốn thực nghiệm và lý thuyết:
- Công nén lý thuyết cao hơn công nén thực nghiệm dẫn đến năng suất lạnh và COP của hai môi chất trong thực nghiệm hiệu quả hơn so với lý thuyết.
- Nhiệt lượng nhả ra phía CO2 (Qo/CO2 = 1,247 kW) nhỏ hơn với nhiệt lượng R32 (Qo/R32 = 1,54 kW) cho thấy dự tính ban đầu Qo/R32 sẽ lớn hơn Qo/CO2 là hồn tồn chính xác, cũng như thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi hoạt động đúng nhiệm vụ là nơi hai môi chất trao đổi nhiệt với nhau.
4.3.3. Số liệu thực nghiệm thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi
Thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi kiểu ống lồng ống chạy thực nghiệm trong chế độ tầng trên R32 vận hành trước để tạo môi trường giải nhiệt với nhiệt độ bay hơi t = (0 ÷ 10) oC và tầng dưới CO2 vận hành sau, thu được bảng số liệu như bảng 4.4:
Bảng 4.4 Số liệu nhiệt độ thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi
Hệ thống lạnh ghép tầng CO2/R32 Thời Gian Bắt Đầu Môi chất CO2 vào thiết bị NT-BH Môi chất CO2 ra thiết bị NT-BH Môi chất R32 vào thiết bị NT-BH Môi chất R32 ra thiết bị NT-BH 0 28,7 28,7 28,7 28,7 10 35,6 6,9 5,9 10,3 20 34,3 7,0 5,6 9,9 30 34,9 8,5 6,0 10,9 40 36,7 7,9 6,1 12,7 50 37,0 7,0 4,6 12,5 60 37,4 6,7 4,7 12,1 70 42,0 7,2 4,0 12,0 80 45,1 7,9 3,9 11,8 90 47,2 8,2 2,0 11,7 100 50,0 7,4 0,7 11,0 110 51,7 8,6 0,6 11,9 120 54,1 7,9 0,0 11,1
* Nhận xét:
- Về phía tầng cao R32, chênh lệch nhiệt độ trước và sau khi ra khỏi thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi duy trì khoảng ∆t = 4,3 ÷ 11oC là mơi trường có nhiệt độ lý tưởng để thực hiện nhiệm vụ giải nhiệt cho môi chất CO2, thể hiện rõ ở biểu đồ hình 4.4.
- Về phía tầng thấp CO2, van tiết lưu sử dụng trong hệ thống là van tiết lưu tay và do chế độ vận hành nên nhiệt độ đầu đẩy tăng dần theo thời gian được môi chất R32 thu nhiệt giảm xuống khoảng nhiệt độ ngưng tụ ∆t = 7 ÷ 8,6oC cho ta thấy thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi đã chế tạo hoạt động rất hiệu quả ngoài mong đợi, thể hiện rõ ở biểu đồ hình 4.3.
4.3.4. Số liệu thực nghiệm dàn lạnh
Dàn lạnh được sử dụng trong hệ thống là dàn lạnh kênh Micro với tốc độ gió lớn nhất v = 4 m/s thu được bảng số liệu như bảng 4.5:
Bảng 4.5 Số liệu nhiệt độ gió vào và ra Dàn lạnh
Thời Gian Nhiệt Độ Gió Vào Dàn Lạnh (°C) Nhiệt Độ Gió Ra Dàn Lạnh (°C)
0 26,6 24,4 10 9,4 6,6 20 1,5 -1,2 30 1,1 -1,1 40 2,3 -1,2 50 -4,5 -7,5 60 -9,7 -11,0 70 -15,1 -17,9 80 -19,1 -21,0 90 -21,0 -23,0 100 -25,2 -26,6 110 -27,0 -28,0 120 -28,0 -30,0 * Nhận xét:
- Nhiệt độ gió ra khỏi dàn lạnh đạt -30°C và nhiệt độ phòng đạt -28°C hiệu quả hơn nhiệt độ phòng thiết kế là -26°C, chênh lệch nhiệt độ ∆t = 1÷3 °C, thể hiện rõ ở biểu đồ hình 4.5.
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết Luận
Sau một thời gian thực hiện thì đề tài “Nghiên cứu tính tốn thực nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2/R32” ở điều kiện dưới tới hạn đã được nghiên cứu và đạt kết quả, cũng như chế tạo được thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi kiểu ống lồng ống.
Trong q trình thực hiện nhóm đã tổng hợp kiến thức từ bài tính tốn chu trình lạnh ghép tầng để làm cơ sở cho bài tính tốn thiết kế thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống. Bằng các phương pháp tính tốn dựa trên cơ sở lý thuyết nhóm tổng hợp được các kiến thức liên quan để tạo tiền đề thực hiện tiếp đề tài thực nghiệm.
Dựa vào kết quả thực nghiệm nhóm đã thu được các kết luận và có thể tóm tắt như sau: 1. Nhiệt độ phòng đạt -28oC với COP hệ thống cao ở điều kiện áp suất nén của CO2 là 41 bar tốt hơn so với nhiệt độ phòng yêu cầu là tf = -26oC ứng với nhiệt độ bay hơi của môi chất CO2 là - 36OC.
2. Thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi kiểu ống lồng ống hoạt động ổn định với hai môi chất CO2/R32. Nhiệt độ môi chất R32 ở tầng cao tại đầu vào thiết bị đạt 0oC thực hiện tốt nhiệm vụ giải nhiệt cho nhiệt độ môi chất CO2 ở tầng thấp là 54,1oC.
3. Hệ số COPtn = 1,94 của hệ thống khi chạy thực nghiệm so với khi tính tốn lý thuyết đạt kết quả khả quan hơn (COPlt = 1,467).
2. Kiến Nghị
Trên cơ sở thực nghiệm, việc nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng đề tài này bằng việc sử dụng CO2 với các loại môi chất khác trong hệ thống ghép tầng là cần thiết để ta có cái nhìn tổng thể hơn về hệ thống này, đồng thời so sánh hiệu quả làm việc cũng như khả năng làm lạnh giữa các hệ thống với nhau để có thể đưa ra phương án lựa chọn tối ưu nhất cho mục tiêu tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
Do sự hạn chế về thời gian và năng lực nên nhóm em cịn nhiều thiếu sót trong việc cải tiến mơ hình thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đề nghị có thể tìm ra kiểu thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi khác có thể khắc phục được nhược điểm khó vệ sinh của kiểu ống lồng ống.
PHẦN TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Thanhtrung Dang, Chihiep Le, Hieu Nguyen, Mmse Editor, A Study on the COP of CO2 Air Conditioning System with Minichannel Evaporator Using Subcooling Process, Researchgate, March 2017.
[2] Tankhuong Nguyen, Tronghieu Nguyen, Minhhung Doan, Thanhtrung Dang, An Experiment on a CO2 Air Conditioning System with Copper Heat Exchangers, International Journal of Advanced Engineering, Management and Science Vol 03 Issue12, 2016.
[3] Carlos Sanz-Kock, Rodrigo Llopis, Daniel Sánchez, Ramón Cabello, Enrique Torrella, Experimental evalution of a R134a/CO2 cascade refrigeration plant, (2014).
[4] Tzong-Shing Lee, Cheng-Hao Liu, Tung-Wei Cheng, Thermodynamics analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO2/NH3 cascade refrigeration systems, (2006).
[5] Alok Manas Dubey, Suresh Kumar, Ghansyam Das Agrawal, Thermodynamics analysis of transcritical CO2/propylene (R744/R1270) cascade system for cooling and heating applications, (2014).
[6] Thermophysical Properties of Refrigerants, 2017 ASHRAE Handbook.
[7] Sách Kỹ Thuật Lạnh Cơ Sở của PGS,TS Nguyễn Đức Lợi – PGS.TS Phạm Văn Tùy. [8] Một số hình ảnh internet.
[9] Sách Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh - Nguyễn Đức Lợi.
[10] K,M,Tsamos, P,Gullo, Y,T,Ge, Idew Santosa, S,A,Tassou, A,Hanfner Performance investigation of the CO2 gas cooler, designs and its integration with the refrigeration system, Energy Procedia,Vol 123, 2017, Pages 265–272.
[11] Cơ Sở Truyền Nhiệt và Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt của Thầy Hồng Đình Tín. [12] Sách Heat Trasfer, Gregory Nellis, Sanford Klein.
[13] Yulong Song, Dongzhe Li, Dongfang Yang, Lei Jin, Feng Cao, Xiaolin Wang,
Performance Comparison between the Combined R134a/CO2 Heat Pump and Cascade R134a/CO2 Heat Pump for Space Heating, (2017).
[14] Giáo Trình Kỹ Thuật Lạnh của Thầy Lê Xn Hịa. [15] Một số tài liệu tham khảo trên internet.
PHẦN PHỤ LỤC Phụ lục: Dụng cụ thu thập số liệu thực nghiệm
Hình ảnh cảm biến đo nhiệt độ
Hình ảnh ồng hồ đo áp suất