Báo cáo khoa học: "ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ BAY HƠI VÀ NHIỆT ĐỘ NGƯNG TỤ TỚI NĂNG SUẤT LẠNH BẰNG PHƯƠNG TRÌNH CLELAND"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

317
lượt xem 23
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Bài báo trình bày việc ứng dụng phương trình Cleland vào việc tính toán và đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ tới năng suất của chu trình lạnh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ BAY HƠI VÀ NHIỆT ĐỘ NGƯNG TỤ TỚI NĂNG SUẤT LẠNH BẰNG PHƯƠNG TRÌNH CLELAND"

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ BAY HƠI VÀ NHIỆT ĐỘ NGƯNG TỤ TỚI NĂNG SUẤT LẠNH BẰNG PHƯƠNG TRÌNH CLELAND NGUYỄN MẠNH HÙNG Bộ môn Kỹ thuật nhiệt - Khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bày việc ứng dụng phương trình Cleland vào việc tính toán và đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ tới năng suất của chu trình lạnh. Summary: The article presents the application of the Cleland’s equation in evaluation the impacts of condensing and evaporation temperature on cooling capacity. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Như đã biết, hiện nay việc tính toán chu trình lạnh vẫn chủ yếu dựa vào phương pháp tra bảng hoặc đồ thị với độ chính xác không cao. Bên cạnh đó, khi nhiệt độ ngưng tụ hoặc bay hơi thay đổi vì một lý do nào đó sẽ làm thay đổi năng suất lạnh (đối với máy lạnh) và thay đổi năng suất nhiệt (đối với bơm nhiệt). Việc đánh giá những thay đổi này nhằm phục vụ cho việc điều chỉnh năng suất lạnh, tự động hoá còn chưa có những kết quả phù hợp và chính xác khi tính toán sơ đồ lạnh bằng bảng hoặc đồ thị. CK Theo [1] và [5] thì khi nhiệt độ ngưng tụ tk tăng, năng suất lạnh riêng q0 giảm; khi nhiệt độ bay hơi t0 giảm thì q0 giảm. Khi nhiệt độ ngưng tụ giảm 10C, năng suất lạnh tăng 1,5%, tiêu tốn điện năng giảm 1%, khi nhiệt độ bay hơi tăng 10C thì năng suất lạnh tăng khoảng 4% và tiêu tốn điện năng giảm khoảng 1%. Trong bài báo này, tác giả sử dụng phương trình của Cleland và các hệ số của Leducq đã nêu trong [4] để xác định bằng lý thuyết mức độ thay đổi năng suất lạnh riêng q0 theo sự thay đổi của nhiệt độ bay hơi t0 và nhiệt độ ngưng tụ tk. II. NỘI DUNG 2.1. Phương trình Cleland tính các thông số nhiệt động của môi chất lạnh - Áp suất bão hoà: pbh = exp[a1 - a2/(tbh + a3)] , bar (1) trong đó nhiệt độ bão hoà tbh tính theo đơn vị 0C. tbh = a2/(lnpbh - a1) - a3 , 0C - Nhiệt độ bão hoà: (2) 2 3 - Entanpy lỏng: hl = a4 + a5t + a6t + a7t , J/kg (3) trong đó t - nhiệt độ môi chất, 0C, hl = 200 kJ/kg ở 00C. - Entanpy hơi bão hoà: hhbh = h0 + a12 , J/kg (4) h0 = a8 + a9tbh + a10 t 2 + a11 t 3 , J/kg (5) với bh bh Các hệ số ai xin tham khảo ở [2, 4].
2.2. Năng suất lạnh tính theo phương trình Cleland Trong bài báo này, chúng ta đề cập đến sự phụ thuộc của năng suất lạnh trong chu trình lạnh một cấp (hình 1). Hình 1. Chu trình lạnh một cấp trên đồ thị lgp-h. Chu trình lạnh một cấp được biểu diễn bởi các điểm cơ bản 1-2-3-4 trên đồ thị lgp-h. - Năng suất lạnh riêng khối lượng: q0 = i1 - i4 = i1 - i3 = hhbh(t0) - hlbh(tk) (6) Sử dụng (3), (4) và (5) ta được: q0 = (h0 + a12) - (a4 + a5t + a6t2 + a7t3) = [(a8 + a9t0 + a10 t 0 + a11 t 3 ) + a12] - (a4 + a5tk + a6 t 2 + a7 t 3 ) 2 (7) 0 k k 2.3. Sự phụ thuộc của năng suất lạnh riêng q0 theo nhiệt độ bay hơi t0 Có thể dễ dàng nhận thấy, theo hình 1, khi nhiệt độ bay hơi t0 tăng, năng suất lạnh riêng CK khối lượng q0 tăng. Để đánh giá mức độ thay đổi của năng suất lạnh riêng q0 theo độ thay đổi của nhiệt độ bay hơi t0, ta sử dụng phương trình (7) và biểu diễn q0 trên đồ thị với các hệ số ai trong [2, 4] cho một số môi chất lạnh tự nhiên. Để thuận tiện cho việc đánh giá, ở đây ta xét 3 trường hợp tk không thay đổi và lần lượt bằng 30, 35 và 400C. Các kết quả cho ở hình 2, 4 và 5. tk = 30 doC tk = 35 doC tk = 40 doC 1110 qo (kJ/kg) 1080 1050 -20 -10 0 10 to (doC) Hình 2. Sự phụ thuộc năng suất lạnh riêng q0 vào nhiệt độ bay hơi t0 trong chu trình lạnh 1 cấp NH3.
Theo kết quả thu được với môi chất lạnh NH3, ta thấy rằng: - Trường hợp nhiệt độ ngưng tụ tk = 300C + khi nhiệt độ bay hơi t0 = -200C, q0 = 1091,76 kJ/kg + khi nhiệt độ bay hơi t0 = -100C, q0 = 1103,86 kJ/kg, tăng so với q0(-200C) là 1,10%. + khi nhiệt độ bay hơi t0 = 50C, q0 = 1118,40 kJ/kg, tăng so với q0(-200C) là 2,44%. Như vậy, năng suất lạnh q0 không thay đổi nhiều theo độ thay đổi nhiệt độ bay hơi t0. Hình 3 thể hiện mức độ tăng q0 (%) khi t0 tăng 10C ứng với các trường hợp nhiệt độ tk lần lượt bằng 30, 35 và 400C (môi chất lạnh là NH3). Ví dụ, khi tk = 300C, t0 = -100C, nếu tăng t0 lên 1 độ, tức t0 = -90C thì trên đồ thị hình 3, dóng từ trục hoành với t0 = -100C gặp đường ứng với tk = 300C, dóng sang trục tung, ta được độ tăng q0 là 0,10035%. Trị số này chỉ bằng 1/10 so với dự đoán về độ tăng năng suất lạnh q0 trong [1] và [5]. Chú ý, hình 3 có thể sử dụng để tra độ giảm năng suất lạnh q0 theo độ giảm t0. tk = 30 doC tk = 35 doC 0.13 tk = 40 doC 0.12 0.11 Do tang qo, % 0.10 0.09 CK 0.08 0.07 -20 -15 -10 -5 0 5 to (doC) Hình 3. Độ tăng (%) năng suất lạnh riêng q0 khi nhiệt độ bay hơi t0 tăng 1 độ trong chu trình lạnh 1 cấp NH3. tk = 30 doC tk = 30 doC tk = 35 doC tk = 35 doC 300 tk = 40 doC tk = 40 doC 0.48 295 0.46 290 285 0.44 280 Do tang qo, % 0.42 275 qo (kJ/kg) 270 0.40 265 260 0.38 255 0.36 250 245 0.34 240 -20 -15 -10 -5 0 5 -20 -15 -10 -5 0 5 to (doC) to (doC) a) b) Hình 4. Sự phụ thuộc năng suất lạnh riêng q0 vào nhiệt độ bay hơi t0 (a) và độ tăng (%) q0 khi nhiệt độ bay hơi t0 tăng 1 độ (b) trong chu trình lạnh 1 cấp C3H8 (R290).
tk = 30 doC tk = 30 doC tk = 35 doC tk = 35 doC 0.0 tk = 40 doC tk = 40 doC 160 -0.1 -0.2 150 Do tang qo, % -0.3 qo (kJ/kg) 140 -0.4 -0.5 130 -0.6 120 -0.7 -20 -15 -10 -5 0 5 -20 -15 -10 -5 0 5 to (doC) to (doC) a) b) Hình 5. Sự phụ thuộc năng suất lạnh riêng q0 vào nhiệt độ bay hơi t0 (a) và độ giảm (%) q0 khi nhiệt độ bay hơi t0 tăng 1 độ (b) trong chu trình lạnh 1 cấp CO2 dưới điểm tới hạn (R744). Hình 4 và 5 biểu diễn sự phụ thuộc của q0 (kJ/kg) vào nhiệt độ bay hơi t0 ứng với các trường hợp nhiệt độ ngưng tụ là 30, 35 và 400C của môi chất lạnh C3H8 (R290) và CO2 (R744). Có thể nhận thấy rằng, đối với R290, khi t0 tăng 10C trong khoảng từ -200C đến 50C, độ tăng q0 (ứng với tk = 30, 35 và 400C) lớn nhất CK chỉ đạt ở mức xấp xỉ 0,5%. Nhưng đối với chu trình lạnh 1 cấp sử dụng môi chất là CO2 thì lại có sự khác biệt, khi t0 tăng, q0 lại giảm. Điều này có thể giải thích một cách đơn giản bằng đồ Hình 6. Đồ thị p-h của CO2 thị p-h của CO2 (hình 6). to = -30 to = -25 to = -30 to = -20 1140 to = -25 0.470 to = -15 to = -20 0.465 to = -10 to = -15 to = -10 0.460 0.455 1080 Do giam qo, % qo (kJ/kg) 0.450 0.445 0.440 0.435 1020 0.430 0.425 0.420 20 30 40 50 25 30 35 40 45 tk (doC) tk (doC) a) b) Hình 7. Sự phụ thuộc năng suất lạnh riêng q0 vào nhiệt độ ngưng tụ tk (a) và độ giảm q0 (%) khi nhiệt độ ngưng tụ tk tăng 10C trong chu trình lạnh 1 cấp NH3.
2.4. Sự phụ thuộc của năng suất lạnh riêng q0 theo nhiệt độ ngưng tụ tk Trong mục này ta xét sự thay đổi của năng suất lạnh riêng q0 khi t0 không đổi và tk thay đổi bằng cách sử dụng phương trình (7). Thực hiện tính toán tương tự mục 2.3 và biểu diễn trên đồ thị đối với chu trình lạnh 1 cấp sử dụng một số môi chất lạnh tự nhiên. Các kết quả thu được thể hiện trên các hình từ 7 và 8. Dễ dàng nhận thấy rằng, độ tăng q0 của NH3 khi tk giảm 1 độ chỉ vào khoảng dưới 0,5%, còn đối với C3H8 là trên dưới 1%. to = -30 to = -30 to = -25 to = -25 1.35 to = -20 to = -20 300 to = -15 to = -15 1.30 to = -10 to = -10 290 1.25 280 1.20 270 Do giam qo, % 1.15 qo (kJ/kg) 260 1.10 250 1.05 240 1.00 230 0.95 220 0.90 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 tk (doC) tk (doC) a) b) Hình 8. Sự phụ thuộc năng suất lạnh riêng q0 vào nhiệt độ ngưng tụ tk (a) và độ giảm q0 (%) khi nhiệt độ ngưng tụ tk tăng 10C trong chu trình lạnh 1 cấp C3H8. 2.5. Một số nhận xét khác Ta có thể thấy: độ thay đổi năng suất lạnh q0 phụ thuộc vào môi chất. Môi chất có năng suất lạnh riêng thể tích lớn thì độ thay đổi nhỏ, năng suất lạnh riêng thể tích nhỏ thì mức độ thay CK đổi lớn hơn. Bên cạnh đó, theo các hình 2, 4(a) và 5(a) có thể nhận thấy rằng khi giữ nguyên t0 và tăng tk thì năng suất lạnh giảm khá rõ. Kết luận này có thể thu được ngay từ mục 2.3. Ngoài ra, đối với các môi chất lạnh khác, ta có thể sử dụng các quan hệ toán học đơn giản được suy ra từ phương trình Cleland sau đây để xác định sự thay đổi q0 theo t0 và tk. - Biến thiên năng suất lạnh riêng khối lượng theo nhiệt độ bay hơi t0: ∂q 0 ∂h hbh ∂h lbh ( t k ) = - (8) ∂t 0 ∂t 0 ∂t 0 Biến thiên entanpy lỏng bão hoà theo nhiệt độ bão hoà: dh lbh = (a4 + a5tbh + a6 t 2 + a7 t 3 )' = a5 + 2a6 + 3a7 t 2 (9) bh bh bh dt bh Biến thiên entanpy hơi bão hoà theo nhiệt độ bão hoà: dh hbh = (a8 + a9tbh + a10 t 2 + a11 + a12)' = a9 + 2a10tbh (10) bh dt bh Vậy, sự phụ thuộc của năng suất lạnh riêng khối lượng q0 vào nhiệt độ t0: dq 0 dh hbh = = a9 + 2a10tbh (11) dt 0 dt 0
Sử dụng phương trình (7) và cách tiến hành tương tự như trên ta sẽ thu được biểu thức biến thiên của q0 theo một thông số tk và cả 2 thông số t0, tk. III. KẾT LUẬN Bằng cách sử dụng phương trình Cleland và các hệ số của Leducq để tính toán mức độ thay đổi năng suất lạnh q0 theo nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ, ta thấy rằng với các môi chất lạnh tự nhiên - môi chất thân thiện với môi trường trong xu hướng hiện nay - khi giữ nguyên nhiệt độ ngưng tụ và thay đổi nhiệt độ bay hơi đi 1 độ C (và ngược lại), năng suất lạnh thay đổi không nhiều như [1, 5] dự đoán. Mức độ thay đổi lớn nhất trong phạm vi nhiệt độ phổ biến là 0,5%. Tuy nhiên, cần chú ý trường hợp riêng của dioxide carbon (CO2 - R744). Việc xác định sự thay đổi của năng suất lạnh riêng thể tích theo nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ như đã được trình bày trong bài báo này là một trong những cơ sở cho việc tính toán, điều chỉnh tự động hệ thống lạnh . Tài liệu tham khảo [1]. Nguyễn Đức Lợi. Kỹ thuật lạnh cơ sở. Nhà xuất bản Giáo dục, Hà nội, 2005. [2]. Natural working fluids' 98 (IIR - Gustav Lorentzen Conference, Oslo Norway). [3]. Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tuỳ. Môi chất lạnh. Nhà xuất bản Giáo dục, Hà nội, 1996. [4]. Nguyễn Mạnh Hùng. Tính toán chu trình lạnh hai cấp, hai tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn theo phương trình Cleland. Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, số 3/2008. [5]. Nguyễn Đức Lợi. Giáo trình Kỹ thuật lạnh (cơ sở và ứng dụng). Nhà xuất bản Bách khoa - Hà nội, 2008♦ CK