CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2 Tổng quan về môi chất R744-CO2
2.1.1 Đặc điểm của CO2
Carbon dioxide là một chất khí khơng màu có sẵn trong tự nhiên và được tạo ra trong q trình hơ hấp của hầu hết các sinh vật sống cũng như tạo ra bởi nhiều q trình cơng nghiệp như đốt các nhiên liệu hóa thạch để tạo ra năng lượng, trong khí quyển CO2 chiếm khoảng 0.04%. Khi hít thở CO2 ở nồng độ cao (nguy hiểm do có nguy cơ bị ngạt) tạo ra vị chua trong miệng, chát ở cổ họng và mũi do sự hòa tan của CO2 với nước bọt tạo thành axit yếu Axit cacbonic.
Tỷ trọng riêng của CO2 ở 25°C là 1,98 kg/m3, nặng khoảng 1,5 lần so với khơng khí, tan nhiều trong nước, nhiệt độ càng thấp và áp suất càng cao thì độ tan CO2 vào nước càng lớn, ở -78°C CO2 ngưng tụ thành các tinh thể màu trắng gọi là băng khơ. Đây là khí khơng duy trì sự sống và sự cháy và có vai trị quan trọng đối với sự sống trên trái đất.
Hình 2.1. Đồ thị trạng thái của CO2 + Vùng 1: CO2 ở thể khí + Vùng 1: CO2 ở thể khí
+ Vùng 2: CO2 ở thể rắn
+ Vùng 3: CO2 ở trạng thái siêu tới hạn (supercritical fluid) khi cả nhiệt độ và áp suất bằng hoặc lớn hơn điểm tới hạn 73,8 bar và 31°C. Trong trạng thái này, CO2 có cả hai
SV2020-02 27
tính chất của chất khí và chất lỏng. Trong hệ thống lạnh, R744 siêu tới hạn sẽ không ngưng tụ cho đến khi áp suất giảm xuống dưới áp suất tới hạn
Dựa trên đồ thị trạng thái như thể hiện ở Hình 2.1. chúng ta có thể xác định nhiệt độ tới hạn của R744 là 31,1 ° C. Nhiệt độ tới hạn thấp có nghĩa là R744 khơng thể được sử dụng hiệu quả trong chu trình làm lạnh dưới tới hạn đơn giản vì thiết bị ngưng tụ sẽ không truyền nhiệt trên nhiệt độ tới hạn. Do đó, thiết bị ngưng tụ sẽ khơng hiệu quả và nhiều tổn thất có thể xảy ra. Hơn nữa, ở nhiệt độ gần nhiệt độ tới hạn nhưng thấp hơn nhiệt độ, có sự giảm mạnh của entanpy hóa hơi dẫn đến giảm công suất sưởi và giảm hiệu suất hệ thống.
2.2.2 Tính chất của mơi chất lạnh R744-CO2
Trong các ứng dụng liên quan tới kỹ thuật lạnh, CO2 là một trong những môi chất lạnh tự nhiên có thể sử dụng như lưu chất hoạt động trong nhiều ứng dụng vì nó thân thiện với mơi trường và có khả năng truyền nhiệt tốt.
Mơi chất lạnh CO2 trong kỹ thuật lạnh được gọi là R744. Mơi chất lạnh R744 các tính chất rất khác so với các môi chất lạnh thông thường. Nếu các môi chất lạnh dạng Hydro- cacbon có thể dễ cháy hay Amoniac có khả năng gây độc thường chỉ sử dụng ở những nhà máy lớn thì với yêu cầu giảm thiểu thải môi chất lạnh gây ảnh hưởng đến môi trường hiện nay, yêu cầu cấp thiết là cần có một mơi chất lạnh hướng tới sự bền vững và R744 chính là mơi chất tối ưu hơn cả.
Các đặc tính nổi bật nhất của mơi loại mơi chất thân thiện này là CO2 là môi chất làm lạnh tự nhiên, khơng cháy, khơng có tiềm năng suy giảm Ozon (ODP = 0) và có hệ số nóng lên tồn cầu thấp (GWP = 1). Áp suất hơi của nó cao hơn và có cơng suất làm lạnh (22,545 KJ/m3 ở 0℃) lớn hơn gấp 3-10 lần khi so với các mơi chất CFC, HCGC. Khi nhìn vào sơ đồ vùng chuyển pha của môi chất R744. Ta thấy nhiệt độ và áp suất tới hạn của môi chất R744 là 73,8 bar và 31,1℃. Còn nhiệt độ và áp suất cho điểm ba thể là - 57℃ và 4,2 bar. Tương ứng, với áp suất bão hòa ở 0℃ là 35 bar. Chênh lệch áp suất ở 0℃ đối với CO2 là 0,47 [17] cao hơn nhiều so với áp suất của chất lỏng thơng thường. Hình 2.2. và Hình 2.3. thể hiện đồ thị nhiệt độ - entropy (T-s) và áp suất – enthalpy (p- h) của môi chất R744.
SV2020-02 28
Hình 2.2. Đồ thị T-s của mơi chất R744
SV2020-02 29
2.2.3 Ưu nhược điểm của môi chất CO2 Một số ưu điểm của môi chất CO2: Một số ưu điểm của môi chất CO2:
R744 có khả năng làm lạnh cao do cơng suất làm lạnh theo thể tích cao. Điều này có tác động tích cực tới thể tích qt của máy nén cũng như kích thước các đường ống và bộ trao đổi nhiệt
Khả năng truyền nhiệt tốt ở thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ do áp suất và khối lượng riêng lớn. Điều này cho phép chênh lệch nhiệt độ thấp giữa môi chất và khơng khí, do đó hiệu suất hệ thống được cải thiện, cũng như có thể sử dụng các thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ có kích thước nhỏ hơn.
Hồn tồn tương thích với dầu bơi trơn thơng thường và khơng ăn mịn hầu hết cá vật liệu chế tạo máy.
Độc tính thấp và khơng bắt lửa.
Khơng tốn kém để sản xuất. Sẵn có ở khắp mọi nơi, khơng phụ thuộc vào bất kỳ nguồn cung cấp độc quyền nào; khơng có u cầu tái chế, mức giá rất thấp.
Chỉ số GWP khơng đáng kể, do đó trong trường hợp rị rỉ tác động trực tiếp đến việc biến đổi khí hậu rất thấp.
Một số nhược điểm của môi chất CO2:
Các hệ thống lạnh dùng R744 thường có áp lực hoạt động cao và có khả năng rị rỉ lớn. Do đó, các thành phần của hệ thống lạnh dùng R744 cần thiết được thiết kế đặc biệt. Các hệ thống lạnh dùng R744 cần có máy nén đặc biệt vì cơng suất lạnh cao.
Chi phí đầu tư và lắp đạt cho Các hệ thống R744 thường cao hơn so với các hệ thống lạnh khác.
Hệ thống R744 rất nhạy cảm với ơ nhiễm nước và đặc biệt có thể hình thành các hợp chất bất thường khi có sự rị rỉ trong thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng.
2.3 Cơng thức tính tốn liên quan
SV2020-02 30
V = v.F ( m3/s)
Lưu lượng khối lượng
G = .V ( kg/s)
Cơng thức nhiệt động học:
Hình 2.4. Sơ đồ ngun lý hệ thống điều hịa khơng khí CO2
Cơng thức nhiệt động tính tốn năng suất lạnh, công nén, COP,... trong hệ thống điều hịa khơng khí CO2 dựa trên sơ đồ nguyên lý như thể hiện ở hình 2.4.
Cơng nén đoạn nhiệt để nén G kg môi chất lạnh từ trạng thái 1 đến trạng thái 2:
N = G.(i2 - i1)
Năng suất giải nhiệt cho G kg môi chất lạnh tại thiết bị ngưng tụ:
Q2-3= G.(i2 – i3)
Năng suất lạnh của G kg môi chất lạnh tại thiết bị bay hơi:
Qo = G.(i1 – i4)
Hệ số hiệu quả năng lượng của chu trình lạnh:
COP = Qo
N =
G.(i1 – i4) G.(i2 - i1)
SV2020-02 31
CHƯƠNG 3: MÁY VÀ THIẾT BỊ HỆ THỐNG
Hệ thống được nhóm sử dụng trong nghiên cứu này là một hệ thống lạnh hoàn chỉnh đầy đủ các thiết bị hiện đại để vận hành và đo lường. Hệ thống sử dụng môi chất CO2 - một môi chất mới đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Hệ thống sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu ngập giải nhiệt nước và gió, một dàn bay hơi kênh mini. Thực nghiệm được tiến hành đo đạt từ nhiều phương pháp: dùng cảm biến nhiệt độ loại thường, thiết bị đo nhiệt độ loại extech, cảm biến nhiệt độ micro.
3.1 Máy nén
Máy nén lạnh là bộ phận quan trọng nhất trong các hệ thống lạnh nén hơi. Máy nén lạnh có nhiệm vụ: liên tục hút hơi môi chất lạnh sinh ra ở thiết bị bay hơi để nén lên áp suất cao nhiệt độ cao và đẩy vào thiết bị ngưng tụ.
Hình 3.1. Máy nén Dorin CD 200 – Model 180H Một số bộ phận trên máy nén: Một số bộ phận trên máy nén:
A - Kính xem dầu F - Sưởi dầu các-te máy
B - Nút nạp dầu DL - Van dịch vụ đầu đẩy
C - Đầu nối áp suất thấp SL - Van dịch vụ đầu hút
D - Đầu nối áp suất cao LPSV - Van an toàn thấp áp
SV2020-02 32
Máy nén lạnh CO2 được sử dụng ở đây là máy nén CO2 Dorin CD 200 – Model 180H như thể hiện ở Hình 3.1. Máy nén thuộc loại máy nén piston, nửa kín, được cấp nguồn 3 pha, điện áp 380V và tần số 50Hz
3.2 Thiết bị bay hơi kênh mini
Thiết bị bay hơi có chức năng làm lạnh, giúp giảm nhiệt đối tượng cần làm lạnh. Nhiệt độ khơng khí được hấp thụ vào dàn lạnh và được chuyển tới dàn nóng để đưa ra môi trường.
Thiết bị bay hơi sử dụng cho nghiên cứu này là dàn bay hơi kênh Mini. Kích thước như thể hiện ở bảng.
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật dàn bay hơi kênh Mini
Thông số Dàn ống Mini E2
Kích thước thiết bị (mm) 540x360x200
Diện tích truyền nhiệt (m2) 4,5
Cơng suất lạnh (kW) 4,0
Số ống bên trong dàn 34
Số kênh bên trong ống 34x10
Đường kính kênh (mm) 1,6 x 1,2
Số dãy cánh nhôm tản nhiệt 35
Kích thước cánh nhơm (mm) 20 x 8 x 0,2
Số pass ống 4
Dàn bay hơi có cấu tạo từ các ống dẹp bằng nhơm có các kênh nhỏ bên trong để dẫn mơi chất bên trong với kích thước khác nhau, dàn cũng có các cánh đều chế tạo bằng nhơm. Dàn lạnh đã được thử nghiệm với phương pháp kiểm tra thủy lực không làm hỏng hoặc biến dạng ở áp suất 90 bar. Dàn lạnh kênh mini được thể hiện ở Hình 3.2.
SV2020-02 33
Hình 3.2. Các thơng số kích thước dàn mini
3.3 Thiết bị ngưng tụ
Nhiệm vụ chính của thiết bị ngưng tụ là làm ngưng tụ hơi quá nhiệt của môi chất sau nén thành trạng thái lỏng. Thiết bị ngưng tụ là một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ thống lạnh, ảnh hưởng quyết định đến áp suất và nhiệt độ ngưng tụ và do đó ảnh hưởng đến hiệu quả và độ an toàn làm việc của toàn hệ thống lạnh. Một hình dàn ngưng tụ được thể hiện ở Hình 3.3., thiết bị này có cơng suất nhiệt 4200W.
SV2020-02 34
Chu trình giải nhiệt cho mơi chất ở thiết bị ngưng tụ như Hình 3.5. bắt đầu khi môi chất ở trạng thái hơi quá nhiệt ở áp suất cao, nhiệt độ cao sau khi ra khỏi máy nén đi vào thiết bị ngưng tụ. Mơi chất đi vào dàn nóng qua bộ chia gas lạnh sẽ đi theo 4 đường ống nhỏ đường kính ngồi 4mm và đường kính trong của ống là 2.78mm.
Nước được bơm hút từ bể chứa nước đưa theo đường ống nước lên nắp của dàn và sẽ bắt đầu chảy xuống thông qua ống nước được thiết kế các lỗ so le nhau. Tiếp theo nước sẽ đi xuống tấm làm mát (Cooling Pad) như Hình 3.4. và được quạt hút hút nhiệt thải ra môi trường giúp làm giảm nhiệt độ nước. Nước giải nhiệt sau khi được giảm nhiệt độ qua tấm làm mát sẽ rơi xuống giải nhiệt cho gas lạnh đang đi trong đường ống đồng và nước này sẽ rơi lại xuống bể chứa nước và tiếp tục q trình giải nhiệt.
Mơi chất lạnh trên 4 đường ống đồng nhỏ sau khi được giải nhiệt bằng nước sẽ được đi vào ống góp và khỏi thiết bị ngưng tụ tiếp tục chu trình hệ thống lạnh.
SV2020-02 35
Hình 3.5. Hình thực tế thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước và gió
3.4 Van tiết lưu
Quá trình tiết lưu là một quá trình khơng thuận nghịch có thể hiểu đơn giản là dịng lưu chất chuyển động qua một lỗ bị thu hẹp đột ngột, tổn thất nhiệt lượng giữa môi chất và mơi trường rất nhỏ do q trình diễn ra rất nhanh.
Nhiệm vụ của van tiết lưu:
Môi chất lạnh được ngưng tụ đẳng áp chuyển sang dạng lỏng sau khi đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ sẽ đi qua các khe nhỏ của van tiết lưu. Kết quả là sau khi qua van tiết lưu, môi chất lạnh sẽ có áp suất thấp và nhiệt độ thấp. Van tiết lưu cũng có khả năng điều chỉnh được lượng môi chất vào dàn lạnh tùy theo nhu cầu sử dụng, nhiệt độ phòng.
Van tiết lưu được chọn sử dụng là loại van tiết lưu Danfoss sản xuất. Van được chế tạo bằng thép với diện tích mặt cắt ngang 16mm2 như thể hiện ở Hình 3.6.
SV2020-02 36
CHƯƠNG 4: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ CO2
4.1 Tính tốn thiết bị ngưng tụ
Chọn thơng số khí hậu tại TP. HCM Nhiệt độ t1= 330C
Độ ẩm φ1=60 %
Nhiệt độ nhiệt kế ướt Tư= 26,8
Nhiệt độ ngưng tụ Tk=Tư + 0,75= 27,5 (nhiệt độ nước giải nhiệt Tn=Tư + 0.75= 27,5). Tra theo bảng catalog ống đồng Toàn Phát chọn ống đồng có
Dngồi= 0.004 m Dtrong= 0,00278 m
Thông số lý thuyết các điểm nút của chu trình hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng mơi chất R744 được xác định và thể hiện ở Bảng 4.1.
Bảng 4.1. Thơng số lý thuyết chu trình điều hịa khơng khí CO2
Điểm P (bar) t (°C) h (kJ/kg) 1’ 40,7 12 438,57 2 73 56,5 461,55 2’ 73 30,5 362,5 3 73 30,5 309,72 3’ 73 29,5 292,31 4 40,7 6 292,31 1 40,7 6 426,69
Để đảm bảo hoạt động của chu trình dưới tới hạn của hệ thống điều hịa khơng khí CO2 Tth=30.90C. Thì nhóm nghiên cứu chọn nhiệt độ ngưng tụ Tk=30,50C tại áp suất
SV2020-02 37
Pk= 73 bar. Tại thiết bị ngưng tụ diễn ra hai quá trình. Quá trình 2 đến 2’ là quá trình giải nhiệt cho môi chất và nhiệt độ môi chất giảm từ (56,5 0C xuống 30,5 0C) đẳng áp. Quá trình 2’ đến 3 là q trình ngưng hơi đẳng nhiệt, đẳng áp để mơi chất chuyển từ dạng hơi sang dạng lỏng bão hòa. Tuy nhiên, để đảm bảo độ chính xác trong q trình nghiên cứu, được thực hiện một cách tối ưu thì nhóm thêm q trình q lạnh từ 3 đến 3’ có nhiệt độ giảm, áp suất không đổi.
Máy nén sử dụng trong nghiên cứu là máy nén Dorin CD200 - Model 180H
Ta chọn chu trình lý thuyết theo phần mềm Dorin cho loại máy nén 180H với các thông số đầu vào:
t0 = 6 0C; tk =30,5 0C Tsuperheat = 6 0C Tsubcooling = 1 0C
Tra bảng Catalogue của máy nén, ta được lưu lượng khối lượng: G=97.6 kg/h =0,02711 kg/s
Tf= 𝑡2+𝑡𝑘
2 =56,5+30,5
2 = 43,5 0C (Nhiệt độ trung bình)
SV2020-02 38
- Ở áp suất Pk=73 bar ứng với tk=30,50C ta tra bảng đồ thị nhiệt động của CO2 được: h2’= 309,72 kJ/kg, h’’=h3 =362,5 kJ/kg
- Ở áp suất Pk= 73 bar ứng với t2=56,5 0C tra bảng đồ thị nhiệt động của CO2 được h2=461,55 kJ/kg
- Ở áp suất Pk= 73 bar ứng với nhiệt độ t3’ = 29,5 0C, tra bảng đồ thị nhiệt động của CO2 ta được h3’ = 292,31 kJ/kg
Q2’3=Gco2.∆𝑖= 0,02711. 52,78 = 1,4309 KW Q22’=Gco2. ∆𝑖2 = 0,02711. 99,05 = 2,6852KW Q33’ = GCO2 . ∆𝑖3 = 0,02711 . 17,41 = 0,4720 Kw
Quá trình 2’ đến 3 là q trình ngưng hơi có nhiệt độ tk= 30,5 và áp suất không đổi.
Tra bảng hơi bão hòa của CO2 tại nhiệt độ 29,4390C (Nhiệt độ tb của nước và mơi chất), ta có: ρ= 656,05 Kg/m3 𝜆 = 0,079138w/m.độ ϑ= 0,00076895.10-4 m2/s αco2= 0,72.√ 𝑟𝜌𝑔𝜆3 𝜗𝑑(𝑡𝑠−𝑡𝑤) 4 Trong đó: g- Gia tốc trọng trường, m/s2
r- Nhiệt ẩn hóa hơi J/kg độ
𝜆- Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng, w/m.độ 𝜌- Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3
SV2020-02 39
Các thông số vật lý nhiệt chọn theo tm=1
2 (ts+tw), nhiệt ẩn hóa hơi r cho theo nhiệt độ bão hịa ts
Tra bảng đồ thị CO2 ta được r = 52,78.103 J/kg. độ.
αco2 =0,72 .√ 52,78.103. 656,05 .9,81.(0,079138)3
0,00076895.10−4.0,00278.(30,5−28,378) 4
= 3160,2254w/m2. độ
Hình 4.2. Quá trình trao đổi nhiệt ngưng tụ giữa nước và CO2
Quá trình nhiệt ẩn là quá trình ngưng tụ từ hơi bão hịa khơ về lỏng bão hịa có nhiệt độ tk=30,50C, q trình nhiệt ẩn:
Áp dụng công thức tỏa nhiệt đối lưu