Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu tính toán thực nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2/R32

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu tính toán thực nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2/R32" nhằm tính toán, thiết kế hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất tầng trên R32, tầng dưới CO2; Lắp đặt được hệ thống máy lạnh ghép tầng sử dụng hai môi chất CO2/R32 hoạt động ổn định; Thu được các thông số nhiệt động của chu trình máy lạnh ghép tầng nhằm đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu tính toán thực nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2/R32

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG MÁY LẠNH GHÉP TẦNG DÙNG MÔI CHẤT CO2/R32 MÃ SỐ: SV2020-151 SKC 0 0 7 3 7 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG MÁY LẠNH GHÉP TẦNG DÙNG MÔI CHẤT CO2/R32 SV2020 - 151 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Trường Giang 16147023 TP Hồ Chí Minh, 07/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG MÁY LẠNH GHÉP TẦNG DÙNG MÔI CHẤT CO2/R32 SV2020 - 151 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Nguyễn Trường Giang Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa:16147CL2 Năm thứ: 4 / Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn PGS.TS Đặng Thành Trung TP Hồ Chí Minh, 07/2020
MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................ 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... 7 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ................................................ 9 1. Thông tin chung: ........................................................................................................... 9 2. Mục tiêu đề tài: ............................................................................................................. 9 3. Tính mới và sáng tạo: ................................................................................................... 9 4. Kết quả nghiên cứu: .................................................................................................... 10 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: ................................................................................................. 10 PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ................................................. 1 1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước: ......................................................................... 1 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước: ........................................................................ 1 2. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................... 3 3. Mục tiêu đề tài: ............................................................................................................. 4 4. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 4 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 5 PHẦN NỘI DUNG ............................................................................................................. 6 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 6 1.1. Giới thiệu về môi chất lạnh CO2 ........................................................................... 6 1.2. Giới thiệu về môi chất R32.................................................................................... 7 1.3. Hệ thống lạnh ghép tầng ........................................................................................ 9 1.4. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống ............................................................ 10 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH GHÉP TẦNG SỬ DỤNG MÔI CHẤT CO2/R32 ...................................................................................... 11 2.1. Các yêu cầu thiết kế của hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2/R32 .. 11 2.2. Tính toán hệ thống lạnh ghép tầng ...................................................................... 13 2.2.1. Tầng Thấp (Sử dụng môi chất CO2) ............................................................. 14 2.2.2. Tầng Cao (Sử dụng môi chất R32) ............................................................... 18 2.3. Tính toán thiết kế thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi ghép tầng.................................... 21 2.4. Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống ............................................... 28
2.5. Tính toán cách nhiệt cách ẩm .............................................................................. 29 2.5.1. Tính cách nhiệt cách ẩm cho buồng lạnh ..................................................... 29 2.5.2. Tính cách nhiệt cách ẩm cho thiết bị trao đổi nhiệt...................................... 30 CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM ..................................... 30 3.1. Bản thiết kế hệ thống lạnh ghép tầng .................................................................. 32 3.2. Chế tạo Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt kiểu ống lồng ống ........................................... 33 3.2. Tính chọn các thiết bị trong hệ thống .................................................................. 34 3.2.1. Thiết bị bay hơi ( Dàn lạnh ) ........................................................................ 34 3.2.2. Cụm dàn ngưng ( Tầng cao hệ thống ghép tầng ) ........................................ 35 3.3. Mô hình sau khi lắp đặt ....................................................................................... 36 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................... 37 4.1. Phương pháp thực nghiệm ................................................................................... 37 4.2. Chuẩn bị dụng cụ ................................................................................................. 37 4.3 Kết quả thực nghiệm............................................................................................. 38 4.3.1. Điểm nút thực nghiệm CO2/R32: ................................................................. 38 4.3.2. Tính toán nhiêt:............................................................................................. 40 4.3.3. Số liệu thực nghiệm thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi ......................................... 43 4.3.4. Số liệu thực nghiệm dàn lạnh ....................................................................... 45 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 46 1. Kết Luận ..................................................................................................................... 46 2. Kiến Nghị ................................................................................................................... 46 PHẦN TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 47 PHẦN PHỤ LỤC .............................................................................................................. 48
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số các điểm nút của chu trình lạnh CO2 .................................................. 14 Bảng 2.2 Hệ số dẫn nhiệt của CO2 và không khí [14] ....................................................... 17 Bảng 2.3 Thông số dàn lạnh Micro .................................................................................... 17 Bảng 2.4 Thông số các điểm nút của chu trình lạnh R32 .................................................. 18 Bảng 2.5 Hệ số dẫn nhiệt của R32 và không khí ............................................................... 20 Bảng 2.6 Thông số dàn ngưng ........................................................................................... 20 Bảng 4.1 Thông số trạng thái các điểm nút thực nghiệm của Chu trình lạnh CO2 ............ 38 Bảng 4.2 Thông số trạng thái các điểm nút thực nghiệm Chu trình lạnh R32 .................. 39 Bảng 4.3 So sánh các Thông số Tính toán Thực nghiệm và Lý thuyết ............................. 42 Bảng 4.4 Số liệu nhiệt độ thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi ...................................................... 43 Bảng 4.5 Số liệu nhiệt độ gió vào và ra Dàn lạnh.............................................................. 45
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Đồ thị p-h của môi chất R744 [6] ......................................................................... 7 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý (trái) và đồ thị Lgp-h (phải) của hệ thống lạnh ghép tầng [7] ... 9 Hình 1.3 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống [8] ...................................................... 10 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2/R32 .............. 13 Hình 2.2 Đồ thị p-h chu trình lạnh CO2 [11] ..................................................................... 14 Hình 2.3 Máy nén Sanden công suất 500W ...................................................................... 15 Hình 2.4 Đồ thị p-h chu trình lạnh R32 [11] ..................................................................... 18 Hình 2.5 Hình ảnh minh họa cho thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống [13] .............. 21 Hình 2.6 Hình ảnh hướng môi chất di chuyển trong thiết bị ............................................. 23 Hình 2.7 Hình ảnh thiết kế thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi .................................................... 28 Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế hệ thống lạnh ghép tầng ............................................................... 32 Hình 3.2 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống ........................................................... 33 Hình 3.3 Hình ảnh dàn lạnh kênh micro ............................................................................ 34 Hình 3.4 Dàn lạnh kênh micro thực tế ............................................................................... 34 Hình 3.5 Cụm dàn ngưng Daikin ....................................................................................... 35 Hình 3.6 Hình ảnh thực tế hệ thống ghép tầng CO2/R32 .................................................. 36 Hình 4.1 Đồ thị p-h chu trình lạnh CO2 thực nghiệm [6] .................................................. 38 Hình 4.2 Đồ thị p-h chu trình R32 thực nghiệm [6] .......................................................... 39 Hình 4.3 Biểu đồ nhiệt độ môi chất CO2 vào và ra thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi ............... 43 Hình 4.4 Biểu đồ nhiệt độ môi chất R32 vào và ra thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi ............... 44 Hình 4.5 Biểu đồ nhiệt độ gió vào và ra dàn lạnh .............................................................. 45
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT I. Chữ Latin a - Hệ số khuếch tán nhiệt 𝑐𝑝 - Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp C - Chu vi d, D - Đường kính F - Diện tích h, i - Enlthanpy k - Hệ số truyền nhiệt L - Công 𝐿𝑒 - Kích thước xác định l - Chiều dài N - Công suất G - Lưu lượng khối lượng 𝑔 - Gia tốc trọng trường p - Áp suất Q - Dòng nhiệt truyền q - Mật độ dòng nhiệt 𝑟 - Ẩn nhiệt hoá hơi R - Bán kính s - Entropy v - Thể tích riêng V - Thể tích t - Nhiệt độ bách phân (°C) GWP - Hệ số nóng lên toàn cầu ODP - Hệ số tiềm năng suy giảm tầng Ozon COPtn - Hệ số làm lạnh thực nghiệm COPlt - Hệ số làm lạnh lý thuyết
II. Ký tự Hi Lạp 𝛼 - Cường độ toả nhiệt đối lưu 𝛿 - Độ dày 𝜀𝑅 - Hệ số ảnh hưởng của ống cong η - Hiệu suất 𝜆 - Hệ số dẫn nhiệt 𝜇 - Độ nhớt động lực học 𝜈 - Độ nhớt động học 𝜌 - Khối lượng riêng φ - Độ ẩm (%) Л - Tỉ số nén III. Các tiêu chuẩn đồng dạng 𝛼𝐿 𝑒 𝑁𝑢 = - Tiêu chuẩn Nusselt 𝜆 𝜈 𝑃𝑟 = - Tiêu chuẩn Prandtl 𝑎 𝜔𝐿 𝑒 𝑅𝑒 = - Tiêu chuẩn Raynolds 𝜈
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu tính toán thực nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2/R32. - Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Trường Giang Mã số SV: 16147023 - Lớp: 16147CL2 Khoa: Đào tạo Chất lượng cao - Thành viên đề tài: STT Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 Đặng Gia Huy 16141355 16147CL2 Đào tạo Chất lượng cao 2 Lai Nguyễn Hoàng Phúc 16147073 16147CL2 Đào tạo Chất lượng cao - Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn PGS.TS Đặng Thành Trung 2. Mục tiêu đề tài: - Tính toán, thiết kế hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất tầng trên R32, tầng dưới CO2. - Lắp đặt được hệ thống máy lạnh ghép tầng sử dụng hai môi chất CO2/R32 hoạt động ổn định. - Thu được các thông số nhiệt động của chu trình máy lạnh ghép tầng nhằm đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống. 3. Tính mới và sáng tạo: Thiết lập hệ thống ghép tầng sử dụng CO2/R32 và thiết kế, chế tạo thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi kiểu ống lồng ống, từ đó đưa ra các thông số điểm nút thực nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả làm việc của hệ thống.
4. Kết quả nghiên cứu: Sau một thời gian nghiên cứu thì đề tài đã đạt được những kết quả sau: - Chế tạo thành công thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi trong hệ thống kiểu ống lồng ống. - Vận hành hệ thống đạt được nhiệt độ yêu cầu như khi tính toán lý thuyết. - Chế tạo hệ thống đủ độ bền, có thể kiểm soát được tính chất nhiệt động của CO2, cụ thể là áp suất nén cao. 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Ngày nay, vấn đề môi trường ngày càng được coi trọng. Sự ra đời của các loại môi chất lạnh thân thiện với môi trường cùng với các hệ thống ngày càng nhiều dẫn tới việc những hệ thống đang sử dụng môi chất lạnh truyền thống sẽ có nguy cơ bị loại bỏ. Các môi chất lạnh truyền thống như HCFC, HFC, CFC vốn được biết đến là những chất gây phá hủy tầng ozone và là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra biến đổi khí hậu toàn cầu. Với những ưu điểm vượt trội CO2 là môi chất làm lạnh tự nhiên, không cháy, không có tiềm năng làm suy giảm ozone (ODP = 0) và có hệ số nóng lên toàn cầu thấp (GWP = 1), việc sử dụng CO2 làm môi chất lạnh đang được nghiên cứu ngày càng nhân rộng. Do đó, việc phát triển các loại thiết bị sử dụng môi chất lạnh CO2 đang có tiềm năng rất lớn. Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên)
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ và tên)
Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước: PGS.TS Đặng Thành Trung [1] và các đồng nghiệp đã tiến hành thực nghiệm về quá trình quá lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 với thiết bị bay hơi kênh mini. Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống khi có quá trình quá lạnh sẽ cao hơn so với hệ thống không có quá trình quá lạnh. Với quá trình quá lạnh, COP của hệ thống thu được là 4,97 khi hệ thống ở áp suất 77 bar và nhiệt độ bay hơi là 15ºC. Còn khi không có quá trình quá lạnh, thì COP cho trường hợp này chỉ thu được là gần 1,59 (thấp hơn cả hệ thống điều hòa không khí thông thường). Người ta đề xuất rằng hệ thống điều hòa không khí CO2 nên được vận hành với áp suất dao động từ 74-77 bar và nhiệt độ bay hơi dao động từ 10-15ºC ở chế độ siêu tới hạn, điều này sẽ cho hiệu quả và độ an toàn cao hơn. ThS. Nguyễn Trọng Hiếu cùng các cộng sự [2] nghiên cứu về môi chất CO2 được sử dụng trong thiết bị bay hơi kênh micro và đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi này được xác định bằng phương pháp mô phỏng số. Một số kết quả về trường nhiệt độ, trường vận tốc và áp suất đã được thể hiện. Nhiệt độ đầu ra của CO2 trong trường hợp 1,6 g/s cao hơn giá trị thu được trong trường hợp 3,2g/s. Bên cạnh đó, tổn thất áp suất qua thiết bị bay hơi kênh micro là không đáng kể, từ 38,164 bar xuống 38 bar. Thêm vào đó, các kết quả này đồng thuận với các nghiên cứu liên quan. 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Sanz-Kock cùng các cộng sự [3] đã đánh giá thực nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất R134a/CO2. Nhóm nghiên cứu trình bày đánh giá thử nghiệm của một nhà máy làm lạnh ghép tầng R134a/CO2 được thiết kế cho nhiệt độ bay hơi thấp trong các ứng dụng làm lạnh thương mại. Cơ sở phương pháp thử nghiệm là kết hợp hai chu trình sử dụng máy nén hơi một cấp được điều khiển bởi máy nén nửa kín và được ghép nhiệt bằng hai bộ trao đổi nhiệt dạng tấm được hàn song song, được điều khiển bằng van tiết lưu điện tử. Sự bay hơi theo đánh giá thực nghiệm (ở 45 trạng thái – hoạt động ổn định) bao gồm nhiệt độ bay hơi từ -40 đến 30oC và ngưng tụ từ 30 đến 50oC. Trong mỗi trạng thái hoạt động ổn định, nhóm nghiên cứu đã tiến hành quét nhiệt độ ngưng tụ của chu trình GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 1 PGS.TS Đặng Thành Trung
Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học máy ở tầm thấp với sự thay đổi tốc độ của máy nén nhiệt độ cao. Ở đây, hiệu suất năng lượng của hệ thống được phân tích, tập trung vào nhiệt độ ở đầu đẩy của máy nén. Lee cùng các cộng sự [4] đã nghiên cứu phân tích nhiệt động lực học của nhiệt độ ngưng tụ tối ưu của thiết bị ngưng tụ trong hệ thống máy lạnh ghép tầng CO2/NH3. Nghiên cứu này đã phân tích nhiệt động lực học một hệ thống làm lạnh ghép tầng sử dụng carbon dioxided và ammonia làm môi chất lạnh, để xác định nhiệt độ ngưng tụ tối ưu của thiết bị ngưng tụ theo các thông số thiết kế khác nhau, để tối đa hóa COP và giảm thiểu sự phá hủy exergy của hệ thống. Các thông số thiết kế bao gồm: nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ và chênh lệch nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ của hệ thống ghép tầng. Các kết quả thống nhất chặt chẽ với dữ liệu thử nghiệm được báo cáo. Nhiệt độ ngưng tụ tối ưu của thiết bị ngưng tụ tăng với TC, TE và ΔT. COP tối đa tăng theo TE, nhưng giảm khi TC hoặc ΔT tăng lên. Hai mối tương quan hữu ích mang lại nhiệt độ ngưng tụ tối ưu của thiết bị ngưng tụ và COP tối đa tương ứng được trình bày. Song cùng các cộng sự [5] đã nghiên cứu so sánh hiệu suất giữa bơm nhiệt R134a/CO2 kết hợp và bơm nhiệt ghép tầng R134a/CO2 để sưởi ấm không gian. Họ so sánh và nghiên cứu về ảnh hưởng của nước nóng và nhiệt độ môi trường xung quanh trên hai hệ thống. Hiệu suất của các hệ thống R134a/CO2 kết hợp và ghép tầng R134a/CO2 để sưởi ấm không gian đã được nghiên cứu và so sánh trong các điều kiện vận hành cụ thể. Một mô hình toán học đã được phát triển cho mục đích này và đã được xác minh bằng dữ liệu thử nghiệm. Ảnh hưởng của các thông số chính như nhiệt độ nước cấp cho bộ hồi nhiệt, nhiệt độ nước cấp và nhiệt độ môi trường xung quanh, đến hiệu suất của hai hệ thống đã được nghiên cứu thêm. Kết quả cho thấy các tầng và hệ thống kết hợp có các điều kiện ứng dụng thích hợp khác nhau. Hệ thống khác hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ môi trường thấp trong khi hệ thống kết hợp hoạt động tốt hơn trong điều kiện nhiệt độ môi trường cao và chênh lệch nhiệt độ nước nóng cao giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống. Một mối tương quan đã được thiết lập và một hệ số điều kiện vận hành đã được đề xuất để xác định hệ thống nào sẽ được sử dụng cho bất kỳ điều kiện làm việc nhất định nào. GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 2 PGS.TS Đặng Thành Trung
Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học 2. Lý do chọn đề tài Trong quy mô công nghiệp hiện tại, người ta thường ứng dụng các chu trình hệ thống lạnh để tạo ra nhiệt độ thấp cho các nhu cầu sản xuất khác nhau như trữ đông, bảo quản lạnh sản phẩm trong quá trình xuất nhập khẩu, chế biến thực phẩm và nông sản, chế biến thuỷ hải sản…. Nhưng khi yêu cầu cần nhiệt độ âm hơn cho các mục đích sử dụng đặc biệt, điển hình như công nghệ sinh học, bảo quản máu và các chế phẩm máu, bảo quản gen; công nghệ dầu khí; kỹ thuật hoá học, hoá lỏng khí tự nhiên… Thì ta phải sử dụng những chu trình hệ thống lạnh đặc biệt; mà chu trình hệ thống lạnh ghép tầng là một trong những lựa chọn khả dĩ. Máy lạnh ghép tầng có đặc điểm: + Là hệ thống máy lạnh có nhiều tầng, mỗi tầng là một hệ thống máy lạnh hoàn chỉnh. + Các tầng vận hành độc lập nên môi chất ở các tầng có thể khác nhau. + Môi chất tầng dưới có nhiệt độ đông đặc nhỏ hơn nhiều so với môi chất tầng trên. + Thiết bị ngưng tụ của tầng dưới được ghép với thiết bị bay hơi của tầng trên tạo thành cụm Ngưng tụ - Bay hơi đặc trưng của hệ thống này. Trong thực tế, vẫn có thể sử dụng chu trình máy lạnh 2 và 3 cấp để tạo ra nhiệt độ thấp nhưng vì hạn chế về phạm vi nhiệt độ mà sử dụng chúng sẽ bị nhiều nhược điểm như áp suất ngưng tụ quá cao hay áp suất bay hơi quá thấp, hiệu quả sử dụng năng lượng thấp, … dễ gây hư hỏng các thiết bị trong chu trình. Còn đối với máy lạnh ghép tầng, khi chọn sử dụng ta sẽ được những ưu điểm sau: + Có thể đưa nhiệt độ buồng lạnh âm rất sâu, thường được ứng dụng phổ biến trong khoảng nhiệt độ -50oC đến -100oC. + Ở mỗi tầng có thể sử dụng máy lạnh nhiều cấp để tăng hiệu suất làm lạnh. + Nếu 2 hệ thống lạnh gồm một hệ thống có nhiều cấp và một hệ thống có nhiều tầng thì hệ thống ghép tầng sẽ đạt độ lạnh sâu hơn. + Áp suất vận hành trong máy lạnh ghép tầng sẽ không quá cao ở thiết bị ngưng tụ và không quá thấp ở thiết bị bay hơi. GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 3 PGS.TS Đặng Thành Trung
Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học Máy lạnh ghép tầng thường sẽ ưu tiên sử dụng cặp môi chất gồm tầng trên là Freon, tầng dưới là CO2. Bởi vì CO2-R744 là một chất không màu, không mùi và có sẵn trong không khí tự nhiên. CO2 được sinh ra thông qua quá trình tự nhiên bao gồm vòng tuần hoàn cacbon thông qua việc hô hấp của động vật và việc lên men các hợp chất hữu cơ. Nó cũng được sinh ra từ các hiện tượng tự nhiên khác như hoạt động của núi lửa và sản phẩm của quá trình cháy. Bên cạnh đó, yêu cầu giảm thiểu thải môi chất lạnh đã làm cho các nhà sản xuất phải tìm kiếm một sự thay thế mới: cacbon dioxit – CO2. Sự cần thiết một môi chất lạnh hướng tới bền vững đã làm tăng những áp lực này lên thị trường. Hơn nữa, lí do chuyển từ HFCs sang CO2 là rất nhiều. Ưu tiên hàng đầu vẫn là các vấn đề về môi trường phải tuân theo các nghị định quốc tế về việc hạn chế sử dụng HCFCs và HFCs, tiếp đó là 2 trị số ODP (Ozon Depletion Potential - làm suy giảm tầng Ozon) và GWP (Global Warming Potential - làm nóng toàn cầu hay hiệu ứng nhà kính); 2 trị số này đối với CO2 là ODP = 0, GWP = 1, nên R744 được xem là môi chất của tương lai. Trong thế kỷ XXI, khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, các nhu cầu sử dụng nhiệt độ thấp, âm sâu hơn trong thực tế ngày càng nhiều để đáp ứng cho nhiều mục đích khác nhau. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển hệ thống máy lạnh ghép tầng là cần thiết để hệ thống này được sử dụng phổ biến rộng rãi với những ưu điểm mà nó có. 3. Mục tiêu đề tài: - Tính toán, thiết kế hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất tầng trên R32, tầng dưới CO2. - Lắp đặt được hệ thống máy lạnh ghép tầng sử dụng hai môi chất CO2/R32 hoạt động ổn định. - Thu được các thông số nhiệt động của chu trình máy lạnh ghép tầng nhằm đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng quan tài liệu. - Phương pháp lý thuyết – Phương pháp giải tích. - Phương pháp thực nghiệm. GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 4 PGS.TS Đặng Thành Trung
Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là hệ thống máy lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2/R32. - Các thông số nhiệt động. - Năng suất lạnh. - Công suất nhiệt. - Hệ thống lạnh ghép tầng có năng suất lạnh khoảng 1kW ở nhiệt độ phòng lạnh -26oC, vận hành tại TP Hồ Chí Minh. Hệ thống lạnh này sử thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi kiểu ống lồng ống. GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 5 PGS.TS Đặng Thành Trung
Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Giới thiệu về môi chất lạnh CO2 Trên thị trường hiện nay có rất nhiều môi chất lạnh có tính chất vật lý, cũng như khả năng tiết kiệm điện rất tốt, nhưng mỗi môi chất cũng có nhưng nhược điểm riêng biệt khiến cho chúng vẫn chưa là toàn diện về mọi mặt. Bên cạnh các môi chất chất lạnh hiện nay, môi chất lạnh CO2 được các nhà nghiên cứu trên thế giới mệnh danh là môi chất lạnh của tương lai bởi nó là một loại khí có sẵn trong tự nhiên được tạo ra thông qua quá trình tự nhiên. Bên cạnh đó, CO2 còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực làm chất chữa cháy, tạo môi trường lý tưởng để bảo quản thực phẩm, tạo gas trong các loại nước ngọt. CO2 là chất không màu, không mùi ở nồng độ thấp, không độc hại nhưng sẽ gây ngạt thở ở nồng độ 10% trở lên. CO2 là môi chất làm lạnh tự nhiên, không cháy, không có tiềm năng suy giảm Ozone (ODP = 0) và có hệ số nóng lên toàn cầu thấp (GWP = 1). Áp suất hơi của nó cao hơn và có công suất làm lạnh lớn hơn gấp 3-10 lần khi so với các môi chất CFC, HCFC. Khí CO2 sẽ kết tinh thành đá khô ở điểm ba pha (nhiệt độ -56,6°C và áp suất 5,2 bar), ở trạng thái đá khô, CO2 có nhiệt độ làm lạnh là -78,4°C. Ngoài ra, ở điểm ba pha khí CO2 có thể tồn tại ở hai trạng thái lỏng – hơi cùng một lúc, khác với các môi chất lạnh truyền thống hiện tại. Điểm tới hạn của CO2 là 31°C như hình 1.1 , rất thấp so với các môi chất lạnh khác và áp suất bay hơi của CO2 cao hơn so với các môi chất lạnh truyền thống. Ở điều kiện bình thường áp suất tĩnh của CO2 là khoảng 70 bar. Chính vì điều này, môi chất CO2 đòi hỏi phải có một hệ thống lạnh chịu áp lực cao để đáp ứng các yêu cầu cơ bản của nó. Khi đã đáp ứng được hệ thống lạnh chịu được áp lực cao thì CO2 là môi chất lạnh có nhiều tiềm năng để phát triển trong tương lai. Hệ thống CO2 hoạt động ở áp suất cực cao và năng động. Ngay cả khi tắt hệ thống, áp suất tĩnh của CO2 vẫn rất cao. CO2 có thể thay thế oxy nếu được giải phóng với số lượng quá mức (nó nặng hơn không khí và có thể tụ lại), và do đó phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa để ngăn chặn sự giải phóng và hít phải lượng lớn CO2. GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 6 PGS.TS Đặng Thành Trung
Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học Hình 1.1 Đồ thị p-h của môi chất R744 [6] * Ưu điểm: - Giá thành sản xuất thấp và dễ dàng tìm kiếm. - Có khả năng tương thích và kết hợp tốt với các loại dầu bôi trơn. - Năng suất làm lạnh cao so với một số môi chất khác. - Khả năng ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực làm lạnh sâu. * Nhược điểm: - Hệ thống có nguy cơ rò rỉ cao. Do đó thiết kế của các hệ thống CO2 có cấu tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao. - Các thiết bị trong hệ thống cần được kiểm định an toàn thường xuyên do chúng phải làm việc ở áp lực cao. 1.2. Giới thiệu về môi chất R32 R32 là loại môi chất công nghệ mới nhầm thay thế môi chất R22 và R410a. R32 hay còn gọi là HFC32 (Difluoromethane) là một hợp chất hữu cơ có công thức hóa học CH2F2. Loại môi chất mới này đạt được tiêu chuẩn khí thải GWP (550) thấp hơn nhiều lần so với GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 7 PGS.TS Đặng Thành Trung
Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học R410a (1980) giúp giảm lượng khí thải lên đến 75%, đáp ứng được yêu cầu bảo vệ môi trường, chống được sự gia tăng nhiệt dẫn đến hiệu ứng nhà kính. Mặc dù có nhiều loại môi chất lạnh, nhưng R32 là môi chất làm lạnh mới nhận được nhiều sự quan tâm nhất hiện nay. Bởi vì R32 truyền tải nhiệt rất hiệu quả, có thể giảm tiêu thụ điện năng lên đến xấp xỉ 10% so với máy điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh R22. R32 được kiểm định là loại môi chất rất dễ cháy, nhưng chỉ dễ cháy với nồng độ rất lớn, nên đối với điều hòa không khí gia đình thì R32 cũng rất an toàn so với các loại môi chất cũ. * Ưu điểm: - Tiết kiệm điện. - Hiệu suất cao. - Giảm hiệu ứng nhà kính, bảo vệ môi trường. * Nhược điểm: - Giá thành đắt. - Dễ cháy ở nồng độ cao. GVHD: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn Trang 8 PGS.TS Đặng Thành Trung