Đề tài nghiên cứu khoa học: Tính toán lý thuyết hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và 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

K

C

S

0

0

3

9

5

9

TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT HỆ THỐNG LẠNH GHÉP TẦNG DÙNG MÔI CHẤT CO2 VÀ R32

MÃ SỐ: SV2020-146

S KC 0 0 7 4 1 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020

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

ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT HỆ THỐNG LẠNH GHÉP TẦNG

DÙNG MÔI CHẤT CO2 VÀ R32

SV2020 – 146

Chủ nhiệm đề tài:

Cao Thị Cẩm Vân - MSSV: 16147110

TP. Hồ Chí Minh, 08/2020

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

ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT HỆ THỐNG LẠNH GHÉP TẦNG

DÙNG MÔI CHẤT CO2 VÀ R32

SV2020 – 146

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật - Ứng dụng

SV thực hiện: Cao Thị Cẩm Vân Nam, Nữ: Nữ

Dân tộc: Kinh

Lớp, khoa: 16147CL3 Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo:4

Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt

Người hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Thành Trung

TP Hồ Chí Minh, 08/2020

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

MỤC LỤC

MỤC LỤC ................................................................................................................... i

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... iv

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU........................................................................................ v

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ....................................... vii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................. 1

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................... 1

1.1.1. Trong nước ............................................................................................... 1

1.1.2. Ngoài nước ............................................................................................... 1

1.2. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 3

1.3. Mục tiêu đề tài................................................................................................. 4

1.4. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu ............................................................ 4

1.5. Giới hạn đề tài ................................................................................................. 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 5

2.1. Tổng quan về CO2 ........................................................................................... 5

2.1.1. Ưu điểm .................................................................................................... 6

2.1.2. Nhược điểm: ............................................................................................. 6

2.2. Tổng quan về R32 ........................................................................................... 6

2.2.1. Ưu điểm .................................................................................................... 7

2.2.2. Nhược điểm .............................................................................................. 7

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH GHÉP TẦNG SỬ DỤNG MÔI CHẤT CO2 VÀ R32 ............................................................................. 8

3.1 Tính toán các giá trị nhiệt độ ban đầu ............................................................ 8

3.1.1 Tính toán nhiệt độ ngưng tụ ở tầng cao (dùng môi chất R32) ................ 9

3.1.2 Tính toán nhiệt độ bay hơi tầng thấp (dùng môi chất CO2) ................... 9

3.1.3 Tính toán nhiệt độ ở thiết bị trao đổi nhiệt ............................................. 9

3.2. Tính toán tầng thấp (dùng môi chất CO2) ..................................................... 9

3.2.1. Tính toán, thiết lập thông số các điểm nút.............................................. 9

3.2.2. Tính chọn máy nén ................................................................................ 11

3.2.3. Tính chọn thiết bị bay hơi .................................................................... 12

3.3. Tính toán tầng cao (dùng môi chất R32) ..................................................... 14

3.3.1 Tính toán, thiết lập thông số các điểm nút............................................. 14

3.3.2. Tính chọn thiết bị ngưng tụ ................................................................... 16

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

3.4. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ngưng tụ - bay hơi kiểu ống lồng ống...... 18

3.4.1. Hệ số tỏa nhiệt của môi chất R744 (CO2) ............................................. 19

3.4.2. Hệ số tỏa nhiệt của môi chất R32 .......................................................... 22

3.4.3. Diện tích bộ trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống ....................................... 23

3.5. Tính cách nhiệt, cách ẩm cho hệ thống ........................................................ 23

3.5.1. Tính cách nhiệt cho tường bao buồng lạnh .......................................... 24

3.5.2. Tính cách nhiệt, cách ẩm ở thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống .. 25

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................ 27

4.1. Phương pháp thực nghiệm ........................................................................... 27

4.2. Chuẩn bị vật dụng ........................................................................................ 27

4.3 Hình ảnh thực nghiệm ................................................................................... 27

4.4. Điểm nút thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32 ....................................................................................................................... 27

4.5. Kết quả so sánh lý thuyết và thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32 ........................................................................................... 31

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ....................................................................................... 34

5.1 Kết luận .......................................................................................................... 34

5.2. Kiến nghị ....................................................................................................... 34

PHỤ LỤC ................................................................................................................. 35

Phụ lục 1. Hình ảnh dụng cụ sử dụng cho việc ghi chép số liệu thực nghiệm ... 35

Phụ lục 2. Hình ảnh thực nghiệm ...................................................................... 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 40

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các thông số trạng thái lý thuyết của chu trình lạnh CO2 ............................ 10

Bảng 3.2 Hệ số dẫn nhiệt của CO2 và không khí [11] ............................................... 13

Bảng 3.3 Thông số dàn lạnh Micro ............................................................................ 13

Bảng 3.4 Các thông số trạng thái lý thuyết của chu trình lạnh R32 ............................ 15

Bảng 3.5 Hệ số dẫn nhiệt của R32 và không khí [11] ................................................ 17

Bảng 3.6 Thông số dàn ngưng ống đồng cánh nhôm.................................................. 17

Bảng 3.7 Kết cấu và các số liệu của lớp cách nhiệt .................................................... 24

Bảng 4.1 Thông số trạng thái thực nghiệm của chu trình lạnh CO2 ............................ 27

Bảng 4.2 Thông số trạng thái thực nghiệm của chu trình lạnh R32 ............................ 28

Bảng 4.3 Bảng so sánh các thông số vận hành lý thuyết và thực nghiệm của hệ thống

lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32 ................................................................. 32

Bảng 4.4 Bảng so sánh các thông số nhiệt động lý thuyết và thực nghiệm của hệ thống

lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32 ................................................................. 32

Bảng 4.5 Bảng so sánh COP hệ thống ....................................................................... 32

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Đồ thị p-h của môi chất R744 [7] .................................................................. 6

Hình 2.2 Đồ thị p-h của môi chất R32 [7].................................................................... 7

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị p-h của hệ thống lạnh ghép tầng dùng ................. 8

Hình 3.2 Đồ thị p-h chu trình lạnh CO2 lý thuyết [7] ................................................ 10

Hình 3.3 Máy nén SRCACA của hãng SANDEN...................................................... 11

Hình 3.4 Sơ đồ lưu động của dòng môi chất CO2 và không khí ................................. 13

Hình 3.5 Dàn lạnh kênh micro dùng môi chất CO2. ................................................... 14

Hình 3.6 Đồ thị p-h chu trình lạnh R32 lý thuyết [7] ................................................. 15

Hình 3.7 Sơ đồ lưu động của dòng môi chất R32 và không khí ................................. 17

Hình 3.8 Cụm dàn nóng dùng môi chất R32 của hãng Dakin..................................... 18

Hình 3.9 Sơ đồ lưu động của dòng môi chất CO2 và R32 .......................................... 19

Hình 3.10 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống .................................................. 23

Hình 4.1 Đồ thị p-h chu trình lạnh CO2 thực nghiệm [7] ........................................... 28

Hình 4.2 Đồ thị p-h chu trình R32 thực nghiệm [7] ................................................... 29

Hình 4.3 Đồ thị p-h của chu trình lý thuyết (trái) và chu trình thực nghiệm (phải) tầng

thấp dùng môi chất CO2 ............................................................................................. 31

Hình 4.4 Đồ thị p-h của chu trình lý thuyết (trái) và chu trình thực nghiệm (phải) tầng

cao dùng môi chất R32 .............................................................................................. 31

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU

Ký hiệu Latin

11: Điểm nút ở trạng thái hơi bão hòa khô của tầng cao (dùng môi chất R32)

1′1: Điểm nút ở trạng thái hơi quá nhiệt của tầng cao (dùng môi chất R32)

21: Điểm nút ở trạng thái hơi quá nhiệt của tầng cao (dùng môi chất R32)

31: Điểm nút ở trạng thái lỏng sôi của tầng cao (dùng môi chất R32)

41: Điểm nút ở trạng thái hơi bão hòa ẩm của tầng cao (dùng môi chất R32)

12: Điểm nút ở trạng thái hơi bão hòa khô của tầng thấp (dùng môi chất CO2)

1′2: Điểm nút ở trạng thái hơi quá nhiệt của tầng thấp (dùng môi chất CO2)

22: Điểm nút ở trạng thái hơi quá nhiệt của tầng thấp (dùng môi chất CO2)

32: Điểm nút ở trạng thái lỏng sôi của tầng thấp (dùng môi chất CO2)

42: Điểm nút ở trạng thái hơi bão hòa ẩm của tầng thấp (dùng môi chất CO2)

Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp

C: Chu vi

D, d: Đường kính ống

dxoắn: Đường kính vòng xoắn thiết bị ống lồng ống

F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

f: Diện tích tiết diện ngang

G: Lưu lượng khối lượng

g: Gia tốc trọng trường

h: Enthalpy

k: Hệ số truyền nhiệt

L: Công nén

l: Chiều dài

Ne: Công suất điện

p: Áp suất

q: Mật độ dòng nhiệt

Qk: Công suất tỏa nhiệt

Qo: Năng suất lạnh

r: Nhiệt ẩn hóa hơi

s: Entropy

T: Nhiệt độ

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

𝑡𝑚𝑡: Nhiệt độ môi trường 𝑡𝑊1: Nhiệt độ không khí trước khi vào thiết bị giải nhiệt 𝑡𝑊2 : Nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị giải nhiệt 𝑡𝑘1: Nhiệt độ ngưng tụ tầng cao (dùng môi chất R32) 𝑡01: Nhiệt độ bay hơi tầng cao (dùng môi chất R32) 𝑡𝑘2: Nhiệt độ ngưng tụ tầng thấp (dùng môi chất CO2) 𝑡02: Nhiệt độ bay hơi tầng thấp (dùng môi chất CO2) ∆𝑡𝑡𝑏: Nhiệt độ trung bình logarit

v: Thể tích riêng

GWP: Chỉ số làm trái đất nóng lên của môi chất.

COP: Hệ số hiệu quả năng lượng.

ODP: Hệ số tiềm năng suy giảm tầng Ozon

Ký hiệu Hi Lạp

α: Cường độ tỏa nhiệt đối lưu

𝛼𝑞𝑛: Hệ số tỏa nhiệt khi quá nhiệt

𝛼𝑏ℎ: Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng

𝛼𝑠𝑚: Hệ số tỏa nhiệt khi sôi màng

𝜈: độ nhớt động học của không khí

δ: Độ dày cánh

𝜀𝑅: Hệ số ảnh hưởng của ống cong

η: Hiệu suất tổng

ρ: Khối lượng riêng

μ: Độ nhớt động lực học

ω: tốc độ dòng

λ: Hệ số dẫn nhiệt

φ: Độ ẩm

Л: Tỉ số nén

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

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: Tính toán lý thuyết hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32.

- Chủ nhiệm đề tài: Cao Thị Cẩm Vân Mã số SV: 16147110

- Lớp: 16147CL3 Khoa: Đào Tạo Chất Lượng Cao

- Thành viên đề tài:

STT Họ và tên MSSV Lớp Khoa

Lê Minh Đăng 16147017 16147CL3 CLC 1

Phạm Nguyễn Phương Nam 16147060 16147CL3 CLC 2

- Người hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Thành Trung

2. Mục tiêu đề tài:

Sau khi tổng hợp các công trình nghiên cứu liên quan, từ đó tạo ra động lực nghiên

cứu của đề tài “Tính toán lý thuyết hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32”

với mục tiêu tìm ra các thông số điểm nút của chu trình, đồng thời chọn và thiết kế các

thiết bị chính cho hệ thống.

3. Tính mới và sáng tạo:

Đưa ra các thông số nhiệt động lý thuyết cũng như thực nghiệm của chu trình lạnh

ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32 một cách cụ thể.

4. Kết quả nghiên cứu:

Các thông số lý thuyết về hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32.

Xử lý số liệu thực nghiệm và so sánh với các thông số lý thuyết.

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:

Hiện nay, tình trạng ô nhiễm môi trường càng ngày càng tăng cao. Vì vậy các quốc

gia kêu gọi tìm ra các giải pháp để hạn chế ô nhiễm. Cho nên việc sử dụng môi chất CO2

là việc cần thiết, vì nó thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và có thể là một

môi chất lạnh tiềm năng trong tương lai.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Ngày 10 tháng 07 năm 2020

SV chịu trách nhiệm chính

thực hiện đề tài

(kí, họ và tên)

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề

tài:

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………....

Ngày 10 tháng 07 năm 2020

Người hướng dẫn

(kí, họ và tên)

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1. Trong nước

- ThS. Nguyễn Trọng Hiếu [1] trong nghiên cứu này, 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 3,2 g/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.

- PGS.TS Đặng Thành Trung [2] 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.

1.1.2. Ngoài nước

- Yu và cộng sự [3] đã đánh giá cải tiến hiệu suất của hệ thống điều hòa không

khí ô tô sử dụng hỗn hợp CO2-propane làm chất làm lạnh. Mục đích chính của công việc

này là nâng cao hiệu suất năng lượng của hệ thống điều hòa không khí ô tô CO2. Phân

tích lý thuyết đã chứng minh rằng hỗn hợp CO2 và propane có thể cải thiện hiệu suất

của nó, do đó, các thí nghiệm đã được thực hiện để xem các hiệu ứng của các phần khối

lượng CO2-propane khác nhau của 100/0, 90/10, 80/20, 70/30, 60/40, 50/50 về hiệu suất

của hệ thống ở các nhiệt độ môi trường xung quanh khác nhau và vận tốc gió phía trước

của bộ làm mát khí. Kết quả thực nghiệm cho thấy xu hướng tương tự với những xu

hướng từ kết quả lý thuyết. Nó đã được chứng minh rằng dưới cùng tốc độ máy nén, hệ

thống COP đạt cao nhất ở 60% khối lượng CO2, cao hơn 29,4% so với hệ thống CO2

1

nguyên chất và thậm chí đạt được mức độ tương đương của hệ thống R134a, áp suất tối

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

ưu và nhiệt độ xả giảm lên đến tối đa 40% và 47°C trong phạm vi nghiên cứu. Hơn nữa,

so sánh được thực hiện dưới cùng khả năng làm mát bằng cách điều chỉnh tốc độ máy

nén đối với phần khối lượng CO2 khác nhau, kết quả chứng minh rằng việc sử dụng hỗn

hợp CO2-propane mang lại mức tăng COP tối đa 22% ngay cả khi công suất làm mát

không đổi. Một thuật toán điều khiển áp suất cao tối ưu mới cho chu kỳ hỗn hợp CO2-

propane siêu tới hạn đã được phát triển dựa trên dữ liệu thực nghiệm trong khoảng lệch

5%.

- Ahammed và cộng sự [4] cho rằng một hệ thống lạnh CO2 siêu tới hạn thích

hợp cho việc thanh trùng đồng thời và làm lạnh sữa trong một nhà máy sữa đã được

phân tích. So sánh hiệu suất được thực hiện giữa các hệ thống CO2 với ejector (RCEP)

và một hệ thống CO2 thông thường không có ejector (CRCP). Kết quả thu được cho các

sắp xếp khác nhau của bộ trao đổi nhiệt bên trong (IHX) trong dòng chảy với một bộ

trao đổi nhiệt sữa tái sinh (HXD) để thu hồi nhiệt. Từ kết quả, điều kiện hoạt động tối

ưu cho tốc độ dòng chảy sữa tối đa cụ thể thu được. Kết quả cho thấy RCEP1, sử dụng

một bộ phun và bộ trao đổi nhiệt bên trong giữa hai bộ làm mát khí, cung cấp năng suất

tốt hơn khoảng 13% so với CRCP. Điều tra về tiêu thụ năng lượng sơ cấp của hệ thống

CO2 và các hệ thống chuyển tiếp được sử dụng trong nhà máy sữa thông thường để thanh

trùng cho thấy một lợi nhuận đáng kể trong tiết kiệm năng lượng cho RCEP.

- Wang cùng cộng sự [5] đã có báo cáo về sự kết hợp giữa ống mao dẫn và nguồn

làm lạnh trên một máy nước nóng bơm nhiệt nguồn CO2 nhỏ. Trong bài này, một mô

hình nhiệt động lực học dựa trên một máy nước nóng bơm nhiệt nguồn CO2 nhỏ được

đề xuất và thảo luận. Tính hữu ích của mô hình nằm trong khả năng chọn điểm vận hành

tốt nhất cho hệ thống. Hơn nữa, sự kết hợp tối ưu của hình học ống mao dẫn và nguồn

làm lạnh có thể được dự đoán bởi mô hình được đề xuất. Về vấn đề này, các thử nghiệm

thực nghiệm có liên quan đã được tiến hành để xác nhận các kết quả mô phỏng. Dữ liệu

thử nghiệm cho thấy mô hình có độ chính xác tương đối tốt dựa trên đơn vị được thử

nghiệm. So sánh với các kết quả mô phỏng, chiều dài của ống mao dẫn đã được rút ngắn

khoảng 8,77% và lượng chất làm lạnh tối ưu tăng khoảng 5% theo các điều kiện cụ thể.

Ngoài ra, nghiên cứu thực nghiệm cho thấy giảm 3,7% (260g) chất làm lạnh có thể dẫn

đến hệ số giảm nhiệt (COPheat) khoảng 3,1% và 103,7% (280g) có thể giảm COPheat

2

khoảng 0,346%. Phương pháp công thức thực nghiệm và phương pháp vận hành được

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

đánh giá có thể được sử dụng để tính toán lượng chất làm lạnh tối ưu trên hệ thống máy

nước nóng bơm nhiệt nguồn CO2 nhỏ với sai số nhỏ hơn 5,55%.

- Một phân tích nhiệt động lực học của Getu và Bansal [6] đối với hệ thống làm

lạnh ghép tầng dùng cacbon dioxit, ammonia (R744, R717) được trình bày trong bài viết

này để tối ưu hóa các thông số thiết kế và vận hành của hệ thống. Các thông số thiết kế

và vận hành được xem xét trong nghiên cứu này bao gồm (1) nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt

độ quá lạnh, nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ quá nhiệt trong tầng nhiệt độ cao amoniac

(R717), (2) chênh lệch nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng và (3) nhiệt độ bay

hơi, quá nhiệt , ngưng tụ và quá lạnh trong tầng nhiệt độ thấp cacbon dioxit (R744). Một

phân tích hồi quy đa tuyến đã được sử dụng về mặt nhiệt độ quá lạnh, quá nhiệt, bay

hơi, ngưng tụ và chênh lệch nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt để phát triển các biểu thức

toán học cho COP đạt tối đa, nhiệt độ bay hơi tối ưu của R717 và tỷ lệ lưu lượng khối

lượng tối ưu của R717 so với R717 R744 trong hệ thống khác.

1.2. Lý do chọn đề tài

Ngành công nghiệp lạnh phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây đã cho ra đời

nhiều thiết bị mới với năng suất làm lạnh cao, thân thiện với môi trường. 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 kéo theo một khối lượng lớn các

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. Việc sử dụng CO2 làm môi chất lạnh đang được nghiên cứu ngày càng nhân

rộng. Lí do chuyển từ HFCs sang CO2 là rất nhiều. Trước hết trong số đó là các vấn đề

về môi trường tuân theo các nghị định quốc tế (Nghị định thư Montreal và Kyoto) và

gần đây là các ban hành pháp lí của chính phủ Mỹ (Clean Air Act…), các nước khác

(Luật của hội đồng F-gas Châu Âu) để hạn chế sử dụng HCFCs và HFCs. Các luật này

gây tác động lên các nhà kinh doanh đang sử dụng HFC và cho họ thêm về ràng buộc

kinh tế để chuyển hướng sử dụng, không chỉ là hình phạt cho việc làm tăng khí thải và

mà là một lịch trình loại bỏ dần sự sản xuất chúng. Trong suốt cả thập kỉ qua sự cần thiết

giảm thiểu sử dụng môi chất lạnh HFC của các hệ thống siêu thị đang tăng lên rõ ràng.

Trong những năm cuối đó, thế hệ tiếp theo của các hệ thống năng lượng tự nhiên thứ hai

3

(Second Nature systems) đang thâm nhập thị trường và mấu chốt nằm ở chỗ sử dụng

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

CO2. Từ các tổng quan trên, việc nghiên cứu tính toán lý thuyết hệ thống lạnh ghép tầng

dùng môi chất CO2 và R32 là rất cần thiết.

1.3. Mục tiêu đề tài

Sau khi tổng hợp các công trình nghiên cứu liên quan, từ đó tạo ra động lực nghiên

cứu của đề tài “Tính toán lý thuyết hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32”

với mục tiêu tìm ra các thông số điểm nút của chu trình, đồng thời chọn và thiết kế các

thiết bị chính cho hệ thống.

1.4. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu

- Phương pháp tổng quan: Tổng hợp các công trình nghiên cứu có liên quan, từ đó

đưa ra động lực nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, xác định được đối tượng, phạm vi

nghiên cứu.

- Phương pháp thiết kế: lựa chọn thiết bị phù hợp dựa trên các thông số tính toán.

- Phương pháp thực nghiệm: vận hành hệ thống lấy dữ liệu để so sánh.

- Phương pháp phân tích dữ liệu: từ các số liệu thu được, tiến hành phân tích các quá

trình nhiệt động để đưa ra các kết luận.

1.5. Giới hạn đề tài

Đối tượng tính toán, thiết kế: Hệ thống lạnh ghép tầng với tầng cao dùng môi chất

lạnh R32 và tầng thấp sử dụng môi chất R744 (CO2) với năng suất lạnh khoảng 1kW,

4

nhiệt độ phòng lạnh yêu cầu là -26℃ và lắp đặt tại TP.Hồ Chí Minh.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Tổng quan về CO2

Carbon dioxide (CO2) hay còn gọi là môi chất lạnh R744 là chất khí không màu,

không mùi, không gây cháy và gần như không có độc. Tuy nhiên CO2 nặng hơn không

khí và có khả năng gây nghẹt thở nếu toàn bộ không khí bị chiếm bởi khí CO2. Khí CO2

hòa tan với nước sẽ tạo ra acid carbonic, khi được làm lạnh ở thể rắn sẽ hình thành đá

khô. CO2 là chất khí luôn ở trong điều kiện chuẩn nhưng có thể chuyển sang pha lỏng

hoặc rắn ở nhiệt độ thấp hay áp suất cao. CO2 còn là chất khí thân thiện với môi trường

vì không góp vào hiện tượng nóng lên toàn cầu (GWP = 1) và không gây phá hủy tầng

ozone.

Tuy nhiên, áp suất hoạt động cực cao của R744 và các mối nguy hiểm liên quan đến

nồng độ CO2 có khả năng cao trong cabin xe hoặc môi trường làm việc có nghĩa là chất

làm lạnh này phải được sử dụng cẩn thận. CO2 dù ở trạng thái rắn hoặc lỏng đều là các

môi chất lạnh quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm. CO2 lỏng

(R744 hay R-744) được tái sử dụng sau khi con người nhận ra mức độ gây biến đổi khí

hậu của môi chất R134a. Các tính chất vật lý của R744 thích hợp cho các ứng dụng về

giải nhiệt, làm lạnh và các ứng dụng liên quan đến gia nhiệt hay yêu cầu công suất làm

mát thể tích cao. Để đạt đủ nhu cầu sử dụng, người ta thường phải nén CO2 lên áp suất

đến 130bar , do vậy vật liệu thiết kế cho hệ thống vận hành bằng R744 (được sản xuất

loạt trong công nghiệp) phải có độ bền rất cao để chịu áp lực.

Hệ thống R744 hoạt động ở áp suất cực cao và năng động. Ngay cả khi tắt hệ thống,

áp suất tĩnh của R744 vẫn rất cao. R744 có thể thay thế oxy nếu được giải phóng với số

lượng quá mức, và do đó phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa để ngăn chặn sự giải

phóng và hít phải lượng lớn R744.

5

Đồ thị p-h của môi chất R744 thể hiện ở Hình 2.1:

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Hình 2.1 Đồ thị p-h của môi chất R744 [7]

2.1.1. Ưu điểm

- Công suất làm lạnh cao.

- 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.

- HCFC dần được thay thế bởi môi chất lạnh CO2 một cách nhanh chóng.

2.1.2. 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.

2.2. Tổng quan về R32

Môi chất R32 hay còn gọi là HFC32 (Difluoromethane) là một hợp chất hữu cơ có

công thức hóa học CH2F2. R32 loại môi chất đạt được tiêu chuẩn khí thải GWP (550).

Môi chất R32 được phát minh nhằm thay thế các dòng môi chất cũ như môi chất R22,

môi chất R410. Môi chất lạnh R32 là môi chất lạnh thế hệ mới không chứa chất gây suy

giảm tầng ozone và tác động làm nóng trái đất thấp. Áp suất môi chất R32 này dao động

từ 120 Psi nhưng tùy thuộc và nhiệt độ môi trường , áp suất tĩnh từ 240 tới 245 Psi.

6

Đồ thị p-h của môi chất R32 thể hiện ở Hình 2.2:

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Hình 2.2 Đồ thị p-h của môi chất R32 [7]

2.2.1. Ưu điểm

- Môi chất R32 có thành phần đơn chất đạt tiêu chuẩn khí thải GWP (550) thấp

hơn so với môi chất R410A (1980) giảm lượng khí thải 75% đáp ứng yêu cầu bảo vệ

môi trường, giảm thiểu hiệu ứng phá hủy tầng Ozon, giảm hiệu ứng nhà kính.

- Hiệu suất lạnh lớn hơn hẳn (hơn 1,6 lần R410A, hơn 6,1 lần R22) nên sử dụng

môi chất R32 sẽ tiết kiệm năng lượng hơn , tiết kiệm khối lượng môi chất nạp thêm hơn.

- Làm lạnh nhanh, sâu hơn hẳn R22, R410.

- Máy lạnh sử dụng môi chất R32 có chỉ số COP (coefficient of peformance)

lên tới 6,1 lần, góp phần tiết kiệm năng lượng.

2.2.2. Nhược điểm

- Khó lắp đặt, bảo trì hơn cần thợ có chuyên môn và tay nghề.

- Giá thành cao.

7

- Môi chất R32 được kiểm định là loại môi chất lạnh dễ cháy.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH GHÉP TẦNG SỬ

DỤNG MÔI CHẤT CO2 VÀ R32

3.1 Tính toán các giá trị nhiệt độ ban đầu

Nguyên lý hoạt động của chu trình được thể hiện ở hình 3.1: ở đây hệ thống là hệ

thống lạnh ghép tầng gồm 2 chu trình lạnh khác nhau sử dụng 2 loại môi chất khác nhau.

Đầu tiên, ta sẽ xét chu trình lạnh tầng thấp sử dụng môi chất CO2, CO2 ở trạng thái hơi

quá nhiệt đi vào máy nén thực hiện quá trình nén đoạn nhiệt, CO2 được nén lên áp suất

cao và nhiệt độ cao sẽ đi vào thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng để nhả nhiệt đẳng áp. Sau

đó, môi chất ở trạng thái lỏng bảo hòa đi vào van tiết lưu thực hiên quá trình tiết lưu

đẳng enthalpy, lúc này môi chất có áp suất thấp và nhiệt độ thấp đi vào thiết bị bay hơi,

ở đây môi chất sẽ nhận nhiệt đẳng áp từ môi trường để bốc hơi và quay trở về máy nén

để tiếp tục chu trình. Tiếp theo, ta xét chu trình lạnh ở tầng cao sử dụng môi chất R32,

ở chu trình lạnh này cũng tương tự như chu trình lạnh tầng cao sử dụng môi chất CO2,

nhưng nhiệm vụ của chu trình lạnh này là đi giải nhiệt cho môi chất CO2 ở trạng thái áp

suất cao, nhiệt độ cao.

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị p-h của hệ thống lạnh ghép tầng dùng

môi chất R32 và CO2

Hình 3.1 thể hiện sơ đồ máy lạnh ghép tầng. Chu trình tầng cao ký hiệu là 11, 21, 31,

41 và chu trình tầng thấp ký hiệu là 12, 22, 32, 42. Thiết bị bay hơi của tầng cao đồng thời

là thiết bị ngưng tụ của tầng thấp được gọi là thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống ghép

tầng. Với tầng cao dùng môi chất là R32, tầng thấp dùng môi chất là CO2 (R744), năng

8

suất lạnh yêu cầu: 𝑄0/𝐶𝑂2 = 1 𝑘𝑊 và nhiệt độ phòng yêu cầu: tp = -26 °𝐶.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

3.1.1 Tính toán nhiệt độ ngưng tụ ở tầng cao (dùng môi chất R32)

Hệ thống dùng thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí.

Chọn nhiệt độ môi trường ở thành phố Hồ Chí Minh: 𝑡𝑚𝑡 = 31 °𝐶 ( có mái che).

Chọn nhiệt độ không khí trước khi vào thiết bị giải nhiệt bằng nhiệt độ môi

trường nên: 𝑡𝑊1 = 𝑡𝑚𝑡 = 31°𝐶.

Nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị ngưng tụ: 𝑡𝑊2 = 𝑡𝑊1 + (3 ÷ 5) [8] = 31 + 5 = 36°𝐶

Nhiệt độ ngưng tụ: 𝑡𝑘1 = 𝑡𝑊2 + ∆𝑡𝑘 𝑉ớ𝑖 ∆𝑡𝑘 = (5 ÷ 15)°𝐶 là hiệu nhiệt độ giữa môi chất lạnh và không khí [8]. Vậy 𝑡𝑘1= 36 + 5 = 41 °𝐶.

3.1.2 Tính toán nhiệt độ bay hơi tầng thấp (dùng môi chất CO2)

𝑡02 = 𝑡𝑏 − ∆𝑡0 [8]

Với 𝑡02: nhiệt độ bay hơi tầng thấp.

𝑡𝑏: nhiệt độ buồng lạnh yêu cầu.

∆𝑡0: là hiệu nhiệt độ yêu cầu ∆𝑡0 = 8 ÷ 13°𝐶 [8].

Vậy 𝑡02 = −26 − 10 = −36 °𝐶.

3.1.3 Tính toán nhiệt độ ở thiết bị trao đổi nhiệt

𝑡𝑘1 − 𝑡01 = 𝑡𝑘2 − 𝑡02 [9]  41 - 𝑡01 = 𝑡𝑘2 - (-36)  𝑡𝑘2 + 𝑡01 = 5 (1) Vì hệ thống dùng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống nên:

∆𝑡 = 𝑡𝑘2 − 𝑡01 = 5 (2) Với ∆𝑡 là độ chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tầng thấp

và nhiệt độ bay hơi của môi chất ở tầng cao trong thiết bị trao đổi nhiệt.

Từ (1) và (2)  { 𝑡𝑘2 = 5°𝐶 𝑡01 = 0 °𝐶

3.2. Tính toán tầng thấp (dùng môi chất CO2)

3.2.1. Tính toán, thiết lập thông số các điểm nút

Tra bảng hơi bão hòa CO2 [7] ta được:

𝑡𝑘2 = 7°𝐶 => 𝑝𝑘2 = 39,7 𝑏𝑎𝑟

9

𝑡02 = −36℃ => 𝑝02 = 11,6 𝑏𝑎𝑟

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Do tổn thất nhiệt trên đường ống từ thiết bị bay hơi đến đầu hút máy nén, nên

trong hệ thống sẽ tồn tại độ quá nhiệt nhất định ∆tqn = 5 ÷ 15oC [8]. Vì thế nhiệt độ tại đầu hút máy nén là: 𝑡ℎ2 = 𝑡02 +∆tqn = 𝑡02 + (5 ÷ 15) oC = -36 + 6 = -30 oC

Hình 3.2 Đồ thị p-h chu trình lạnh CO2 lý thuyết [7]

Bảng 3.1 Các thông số trạng thái lý thuyết của chu trình lạnh CO2

Điểm nút Trạng thái t (°C) p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) v(m3/kg)

Hơi bão hòa khô Hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt -36 -30 55 11,6 11,6 39,7 436 442 500 2,03 2,05 2,05 0,033 0,034 0,013

Lỏng bão hòa 5 39,7 212 1,04 0,001

Hơi bão hòa ẩm -36 11,6 212 1,08 0,01

12 1′2 22 32 42

1

Năng suất lạnh riêng: 𝑞𝑜/𝐶𝑂2 = ℎ12 − ℎ42 = 436 − 212 = 224 (kJ/kg) Công suất nhiệt riêng: 𝑞𝑘/𝐶𝑂2 = ℎ22 − ℎ32 = 500 − 212 = 288 (kJ/kg) Công nén riêng: 𝑙𝐶𝑂2 = ℎ22 − ℎ1′2 = 500 − 442 = 58 (kJ/kg)

224

𝑄0/𝐶𝑂2 𝑞0/𝐶𝑂2

10

= 0,00446 (𝑘𝑔/𝑠) = Lưu lượng CO2: 𝐺𝐶𝑂2 =

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Công suất nhiệt: 𝑄𝑘/𝐶𝑂2 = 𝐺𝐶𝑂2. 𝑞𝑘/𝐶𝑂2 = 0,00446 . 288 = 1,28 (𝑘𝑊) Công nén lý thuyết: 𝐿𝐶𝑂2 = 𝐺𝐶𝑂2. 𝑙𝐶𝑂2 = 0,00446 . 58 = 0,258 (𝑘𝑊) = 258 (𝑊)

39,7

Ta có tỉ số nén của chu trình tầng thấp:

11,6

𝑃𝑘 𝑃0

Л = = = 3,4

Vậy ta chọn chu trình máy nén 1 cấp.

Do thực tế máy nén dùng cho hệ thống CO2 với nhãn hiệu SADEN này là loại

chuyên dụng trong cấu tạo đặc biệt có hai cấp nén trong một block kín nên hoàn toàn

đáp ứng được.

𝐿

3.2.2. Tính chọn máy nén

𝜂

(công thức 7-25) [8]. Công suất điện động cơ: 𝑁𝑒 =

Trong đó:

L: Công nén lý thuyết của máy nén.

𝜂: hiệu suất tổng (𝜂 = 0,5 ÷ 0,65). Chọn 𝜂 = 0,65.

0,258

Vậy công suất máy điện máy nén là:

𝐿𝐶𝑂2 𝜂

0,65

= = 0,4 𝑘𝑊 = 400 𝑊 𝑁𝑒2 =

Vậy ta chọn máy nén có công suất 500 W model SRCACA của hãng SANDEN

(Hình 3.3), có các thông số như sau là đáp ứng được hệ thống thiết kế.

11

Hình 3.3 Máy nén SRCACA của hãng SANDEN

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Thông số kỹ thuật của máy nén:

- Công suất: 500W.

- Serial : 0004041120A.

- Điện áp hoạt động: 220 – 240vAC/50Hz – 1Phase.

- Môi chất làm việc: R –744.

- Dầu: PZ68S.

3.2.3. Tính chọn thiết bị bay hơi

Thiết bị bay hơi có nhiệm vụ nhận nhiệt từ không khí làm bay hơi môi chất lỏng.

Để nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt ta sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng microchanel.

𝑄0 𝑘∆𝑡

[10]. Diện tích trao đổi nhiệt được tính theo công thức: 𝐹 =

Trong đó :

F: Diện tích trao đổi nhiệt trong thiết bị bay hơi, m2.

k: Hệ số truyền nhiệt, W/m2K.

Qo: Năng suất lạnh của chu trình, kW.

∆𝑡: Độ chêch lệch nhiệt độ trung bình logarit, °C.

ln

Δ𝑡𝑚𝑎𝑥−Δ𝑡𝑚𝑖𝑛 Δ𝑡𝑚𝑎𝑥 Δ𝑡𝑚𝑖𝑛

[10] Δ𝑡 =

Ta có:

Nhiệt độ không khí ra thiết bị bay hơi: tf1 = -30°C.

Nhiệt độ không khí vào thiết bị bay hơi: tf2 = tmt = 31°C.

Nhiệt độ bay hơi của CO2: to = -36°C.

12

Các thông số trên được thể hiện trên Hình 3.4:

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Hình 3.4 Sơ đồ lưu động của dòng môi chất CO2 và không khí

Khi đó:

Δ𝑡𝑚𝑎𝑥 = tf2 – to= 31 – (–36) = 67°C

Δ𝑡𝑚𝑖𝑛 = tf1 – to= –30 – (–36) = 6°C

Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit của thiết bị là:

Δ𝑡 = = = 25°C ln ln 67 − 6 67 6 Δ𝑡𝑚𝑎𝑥 − Δ𝑡𝑚𝑖𝑛 Δ𝑡𝑚𝑎𝑥 Δ𝑡𝑚𝑖𝑛

Hệ số truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt được tính bằng công thức sau:

+

+

1 𝛿 𝜆

1 𝛼𝑘𝑘

1 𝛼𝐶𝑂2

𝑘 = (𝑊/𝑚2𝐾) [10]

Từ tài liệu [11], ta chọn hệ số dẫn nhiệt như Bảng 3.2 :

Bảng 3.2 Hệ số dẫn nhiệt của CO2 và không khí [11]

Môi chất CO2(αCO2) Không khí (αkk)

Hệ số dẫn nhiệt (W/m2K) 25000 106

Bảng 3.3 Thông số dàn lạnh Micro

Chiều dày ống của TBTĐN Micro δ (mm) 0,35

13

Hệ số dẫn nhiệt λ ( Nhôm ) (W/mK) 237

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Hệ số truyền nhiệt:

1 . 1000

1 𝑘 = = = 105,5 ( ) 𝑊 𝑚2𝐾 + + + + 1 𝛿 𝜆 1 106 0,35 . 10−3 237 1 25000 1 𝛼𝑘𝑘 1 𝛼𝐶𝑂2

𝑄0/𝐶𝑂2 𝑘∆𝑡

105,5 . 25

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 𝐹 = = = 0,379 m2.

Vậy ta chọn dàn lạnh ống đồng cánh nhôm kênh micro với các thông số được

thể hiện ở Hình 3.5.

Hình 3.5 Dàn lạnh kênh micro dùng môi chất CO2.

3.3. Tính toán tầng cao (dùng môi chất R32)

Ở đây ta sử dụng một hệ thống lạnh khác để giải nhiệt cho môi chất CO2, cụ thể là

hệ thống lạnh 1 cấp dùng môi chất R32. Thiết bị kết nối giữa hai hệ thống là thiết bị trao

đổi nhiệt kiểu ống lồng ống. Đòi hỏi hệ thống lạnh môi chất R32 phải có năng suất lạnh

). lớn hơn ta chọn sơ bộ bằng 1,2 lần nhiệt lượng tỏa ra từ thiết bị giải nhiệt (𝑄𝑘/𝐶𝑂2

= 1,2 .1,28 = 1,53(𝑘𝑊). Năng suất lạnh hệ thống R32 : 𝑄0/𝑅32 = 1,2. 𝑄𝑘/𝐶𝑂2

3.3.1 Tính toán, thiết lập thông số các điểm nút

Tra bảng hơi bão hòa R32 [7] ta được:

𝑡𝑘1 = 41 °𝐶 => 𝑝𝑘1 = 25 𝑏𝑎𝑟

𝑡01 = 0°𝐶 => 𝑝01 = 8,1 𝑏𝑎𝑟

Nhiệt độ quá nhiệt : 𝑡ℎ1 = 𝑡01 + (5 ÷ 15) oC = 0 + 10 = 10oC (trang 208 -tài liệu

14

[8]).

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Hình 3.6 Đồ thị p-h chu trình lạnh R32 lý thuyết [7]

Bảng 3.4 Các thông số trạng thái lý thuyết của chu trình lạnh R32

Điểm nút Trạng thái 𝐭°𝐂 p (bar) h (𝐤𝐉/𝐤𝐠) s (kJ/kg.K) v (𝐦𝟑/𝐤𝐠)

Hơi bão hòa khô 0 8,1 515 2,15 0,0434 11

Hơi quá nhiệt 10 8,1 530 2,2 0,05 1′1

Hơi quá nhiệt 76 25 576 2,2 0,018 21

Lỏng sôi 41 25 277 1,26 0,0011 31

Lỏng chưa sôi 36 25 250 1,23 0,001 3′1

Hơi bão hòa ẩm 0 8,1 250 1,24 0,092 41

= 1,2 .1,28 = 1,53(kW)

265

Q0/R32 q0/R32

Năng suất lạnh: Q0/R32 = 1,2. Qk/CO2 Năng suất lạnh riêng: q0/R32 = h11 − h41 = 515 − 250 = 265 (kJ/kg) 1,53 = 0,0058 (kg/s) = Lưu lượng R32: GR32 =

15

Công suất nhiệt riêng: qk/R32 = h21 − h31 = 576 − 277 = 299 (kJ/kg) Công suất nhiệt: Qk/R32 = GR32. qk/R32 = 0,0058 . 299 = 1,73 (kW) Công nén riêng: lR32 = h21 − h1′1 = 576 − 530 = 46 (kJ/kg) Công nén lý thuyết: LR32= GR32. lR32 = 0,0058 . 46 = 0,266(kW) = 266W

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

𝐿

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

𝜂

(công thức 7-25) [8] Công suất điện động cơ: 𝑁𝑒 =

Trong đó:

L: Công nén lý thuyết của máy nén.

𝜂: hiệu suất tổng (𝜂 = 0,5 ÷ 0,65). Chọn 𝜂 = 0,65.

0,266

Vậy công suất máy điện máy nén là:

𝐿𝑅32 𝜂

0,65

= = 0,409 𝑘𝑊 = 409 𝑊 𝑁𝑒1 =

1

COP hệ thống tính bằng công thức sau, theo tài liệu [9]:

0,258+0,266

𝑄02 𝐿𝐶𝑂2+𝐿𝑅32

𝐶𝑂𝑃 = = = 1,9

3.3.2. Tính chọn thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ trao đổi nhiệt giữa nhiệt độ môi chất và nhiệt độ

không khí. Ta có, diện tích trao đổi nhiệt được tính theo công thức 8 – 1 trang 260 tài

𝑄𝑘 𝑘∆𝑡

liệu [8]: 𝐹 =

Trong đó:

F: Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ, m2.

k: Hệ số truyền nhiệt, W/m2K.

Qk: Công suất nhiệt của chu trình, kW.

∆𝑡 : Độ chêch lệch nhiệt độ trung bình logarit, °C.

ln

Δ𝑡𝑚𝑎𝑥−Δ𝑡𝑚𝑖𝑛 Δ𝑡𝑚𝑎𝑥 Δ𝑡𝑚𝑖𝑛

[8] Δ𝑡 =

Theo các thông số ở mục 3.1.1 ta có:

Nhiệt độ không khí ra thiết bị ngưng tụ: tw2= 36°C.

Nhiệt độ không khí vào thiết bị ngưng tụ: tw1= 31°C.

16

Nhiệt độ R32 vào dàn ngưng: 𝑡21 = 76°C. Nhiệt độ ngưng tụ của R32: 𝑡𝑘1 = 41°C. Các thông số này được biểu diễn trên Hình 3.7:

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Hình 3.7 Sơ đồ lưu động của dòng môi chất R32 và không khí

Từ sơ đồ lưu dộng của R32 và không khí trên hình 3.7, ta thấy:

Δ𝑡𝑚𝑎𝑥 = 𝑡21– tw2=76 – 36= 40°C Δ𝑡𝑚𝑖𝑛 = 𝑡𝑘1– tw1= 41 – 31 = 10°C Vậy độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit của thiết bị là:

ln

40−10 40 10

Δ𝑡 = = 22°C.

Bảng 3.5 Hệ số dẫn nhiệt của R32 và không khí [11]

Môi chất R32(αR32) Không khí (αkk)

Hệ số dẫn nhiệt (W/m2K) 1800 28

Bảng 3.6 Thông số dàn ngưng ống đồng cánh nhôm

Chiều dày ống của TBTĐN δ (mm) 0,7

Hệ số dẫn nhiệt λ ( Đồng ) (W/mK) 394

Hệ số truyền nhiệt:

1,73 . 1000

1 𝑘 = = = 27,6 ( ) 𝑊 𝑚2𝐾 + + + + 1 28 0,0007 394 1 1800 1 𝛿 𝜆 1 𝛼𝑘𝑘 1 𝛼𝑅32

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 𝐹 =

= 2,85m2

=

𝑄𝑘 𝑘∆𝑡

27,6 . 22

17

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Với các thông số đã tính toán:

- Nhiệt độ không khí ra thiết bị ngưng tụ: tw2= 36°C.

- Nhiệt độ không khí vào thiết bị ngưng tụ: tw1= 31°C.

- Nhiệt độ R32 vào dàn ngưng: 𝑡21 = 76°C. - Nhiệt độ ngưng tụ của R32: 𝑡𝑘1 = 41°C. - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = 2,85m2.

Đối với chu trình lạnh tầng cao sử dụng môi chất R32 với các thông số trên, cụ

thể với Qo= 1,53 kW để đơn giản hóa vấn đề chọn máy nén cũng như dàn nóng phù hợp,

ta chọn cụm dàn nóng của máy lạnh 2 cục dân dụng với năng suất lạnh tương ứng với

Qo. Theo catalogue của Daikin ta chọn được cụm dàn nóng có mã hiệu

ARKC25UAVMV như Hình 3.8.

Thông số của dàn nóng:

- Năng suất lạnh: 2,5 kW (1,0 – 3,2) kW.

- Máy nén Swing dạng kín công suất 500W.

- Môi chất R32.

Hình 3.8 Cụm dàn nóng dùng môi chất R32 của hãng Dakin

3.4. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ngưng tụ - bay hơi kiểu ống lồng ống

Theo cái thông số tính toán ở trên ta có:

18

Nhiệt độ môi chất CO2 vào thiết bị: 𝑡22 = 55℃. Nhiệt độ môi chất CO2 ra thiết bị: 𝑡𝑘2 = 5℃. Nhiệt độ bay hơi môi chất R32: 𝑡02 = 0℃.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Các thông số này được biểu diễn trên Hình 3.9:

Hình 3.9 Sơ đồ lưu động của dòng môi chất CO2 và R32

Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit:

(55 − 0) − (5 − 0) Δ𝑇 = = = 21𝑜𝐶 ln 𝑙𝑛 (55 − 0) (5 − 0) Δ𝑇𝑚𝑎𝑥 − Δ𝑇𝑚𝑖𝑛 Δ𝑇𝑚𝑎𝑥 Δ𝑇𝑚𝑖𝑛

Ta chọn:

- Cho môi chất R744 chảy trong ống với d = 4mm.

- Cho môi chất R32 chảy ngoài ống với D = 8mm.

- Với độ dày ống 𝛿 = 0,7𝑚𝑚.

3.4.1. Hệ số tỏa nhiệt của môi chất R744 (CO2)

a. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng

Theo tài liệu [10], hệ số tỏa nhiệt khi ngưng được tính theo công thức dưới

1 4

đây:

] 𝛼𝑛𝑔 = 0,729 [ 𝑔. 𝑟. 𝜌. 𝜆3 𝜈. 𝑑 (𝑡𝑠 − 𝑡𝑤)

Ta có:

ts = 0,5(55 + 5) = 30 oC.

tw = 0,5(0 + 5) = 2,5 oC.

19

 𝑡𝑚= 16,25°C.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Với tm = 16,25 oC, tra bảng thông số vật lý của R744 [7] được:

𝜌 = 176,21 𝑘𝑔/𝑚3: Khối lượng riêng của màng chất lỏng.

𝜆 = 0,030575 (𝑊/𝑚𝐾): Hệ số dẫn nhiệt của màng chất lỏng.

𝜇

𝜇 = 17,515. 10−6 (Pa.s): Độ nhớt động lực học của màng chất lỏng.

𝜌

17,515.10−6 176,218

= 9,94. 10−8 𝑚2/𝑠: Độ nhớt động học của màng chất 𝜈 = =

lỏng.

Tra bảng thông số vật lý của R744 ở pha hơi [7] với ts = 30oC, ta được:

𝑟 = 𝑖′′ - 𝑖′ = 365,13 – 304,55 = 60,58 kJ/kg: Ẩn nhiệt hoá hơi.

Ta chọn:

𝑔 = 9,81 m/𝑠2: Gia tốc trọng trường.

𝐿𝑒 = 𝑑 = 0,004 m: đường kính ống.

1

1

4

4=0,729 [

Vậy ta được:

9,81 . 60,58 . 1000 . 176,21 . 0,0305753 9,94 . 10−8 . 0,004 (30 − 5)

𝑔 . 𝑟 . 𝜌 . 𝜆3 ] 𝜈 . 𝑑 (𝑡𝑠 − 𝑡𝑤)

] 𝛼𝑛𝑔 = 0,729 [

= 540,023 𝑊/𝑚2𝐾

b. Hệ số tỏa nhiệt đối lưu

𝜇

Ta có tf = 30 oC, tra bảng thông số vật lý của R744 [7] được: 𝜌𝑓 = 593,3 𝑘𝑔/𝑚3: Khối lượng riêng của CO2. 𝜆𝑓 = 95,4. 10−3 𝑊/𝑚𝐾: Hệ số dẫn nhiệt của CO2. 𝜇 = 43,810−6 Pa.s: Độ nhớt động lực học của CO2.

𝜌

43,810−6 593,3

= = 7,38. 10−8 𝑚2/𝑠: Độ nhớt động học của CO2. 𝜈𝑓 =

𝜔 = = = 4,754. 10−3 𝜋(2. 10−3)2 . 4,754. 10−3 𝜋(2. 10−3)2 . 1 593,3 1 𝜌𝑓 𝐺𝐶𝑂2 𝐹𝐶𝑂2

= 0.6376 m/s: Tốc độ trung bình của CO2.

0,6376 .0,004

Tiêu chuẩn Reynolds:

7,38.10−8 = 34560,387

𝜔𝑑 𝜈𝑓

= 𝑅𝑒𝑓 =

Tiêu chuẩn Pradtl:

𝜇𝑓.𝑐𝑝 𝜆𝑓

20

= 16,225 𝑃𝑟𝑓 =

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Tra bảng thông số vật lý của R744 ở thể lỏng [7] với tw = 5oC, ta được:

𝜇𝑤.𝑐𝑝 𝜆𝑤

= 2,37 𝑃𝑟𝑤 =

0,5

Tiêu chuẩn Grashof:

0,5 Gr = √𝑅𝑒

= 11,944 . 108 = √34560,387

Tiêu chuẩn Rayleigh:

. 16,255 = 19,414 . 109

Ra = Gr. Prf = 11,944 . 108

Ta có: 2×107 < Ra < 1013 => dòng chảy rối.

0,8 . Prf

Tiêu chuẩn Nuselt:

0,43 (

𝑃𝑟𝑓 𝑃𝑟𝑤

16,225

Nu = 0,021 . Ref )0,25

2,37

= 0,021 . 34560,3870,8 . 16,2250,43 ( )0,25 = 481,19

0.004

𝑑

Hệ số ảnh hưởng của ống cong:

0.07

𝑅

= 1 + 1,77 = 1,1 𝜀𝑅 = 1 + 1,77.

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu:

𝑁𝑢 . 𝜆𝑓 𝑑

481,19 . 95,4 . 10−3 0,004

= 1,1. = 12624,02 𝛼𝑡𝑛 = 𝜀𝑅.

Áp dụng công thức (8-99), trang 880, sách Heat Trasfer, Gregory Nellis,

Sanford Klein [12].

𝐹𝑠ℎ = 𝐿𝑠ℎ 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒

Với

: Tỉ lệ dự đoán của thiết bị trao đổi nhiệt cho quá nhiệt. 𝐹𝑠ℎ = 0,2

: Chiều dài yêu cầu cho quá nhiệt. 𝐿𝑠ℎ = 𝐹𝑠ℎ. 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒

: Chiều dài ống. 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒:

Áp dụng công thức (8-112), trang 883, sách Heat Trasfer, Gregory Nellis,

Sanford Klein [12]:

𝐹𝑠𝑎𝑡 = 𝐿𝑠𝑎𝑡 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒

𝑉ớ𝑖 :

: Tỉ lệ dự đoán của thiết bị trao đổi nhiệt cho bão hoà. 𝐹𝑠𝑎𝑡 = 0,7

: Chiều dài yêu cầu cho bão hoà. 𝐿𝑠𝑎𝑡 = 𝐹𝑠𝑎𝑡. 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒

21

: Chiều dài ống. 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Vậy:

- Phần diện tích trao dổi nhiệt của ống lồng ống từ hơi quá nhiệt xuống hơi

bão hoà khô của 𝐶𝑂2 là: 𝐹𝑛𝑔 = π. d. 𝐿𝑠ℎ = π. d. 0,2𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒

- Phần diện tích trao dổi nhiệt của ống lồng ống từ hơi bão hoà khô thành

lỏng bão hoà của 𝐶𝑂2 là: 𝐹𝑡𝑜ả 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 = π. d. 𝐿𝑠𝑎𝑡 = π. d. 0,7𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒

𝛼𝐶𝑂2 = 𝛼𝑛𝑔 . 𝐹𝑛𝑔 + 𝛼𝑡𝑛 . 𝐹𝑡𝑛 𝐹𝑛𝑔 + 𝐹𝑡𝑛

= 𝛼𝑛𝑔 . π . d . 0,2 . 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒 + 𝛼𝑡𝑛 . π . d . 0,7. 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒 π. d. 0,2𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒 + π. d. 0,7𝐿𝑡𝑢𝑏𝑒

= = 𝛼𝑛𝑔. 0,2 + +𝛼𝑡𝑜ả 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡. 0,7 0,2 + 0,7 540,2 . 0,2 + 12624,1 . 0,7 0,9

= 9938,8 𝑊/𝑚2𝐾

3.4.2. Hệ số tỏa nhiệt của môi chất R32

Ở đây ta sẽ xét môi chất toả nhiệt khi sôi màng. R32 sôi ở nhiệt độ 𝑡𝑓 = 0𝑜𝐶 8,1310 bar. Nhiệt độ vách  𝑡𝑣 = 0,5(55 + 5) = 30𝑜𝐶.  𝑡𝑡𝑏 = 0,5(0 + 30) = 15𝑜𝐶.

Từ bảng thông số vật lí của R32 [7] ta có:

𝜆ℎ = 𝜆′′ = 13,59. 10−3 W/mK: Hệ số dẫn nhiệt của R32. 𝜌ℎ = 𝜌′′ = 35,5 kg/𝑚3: Khối lượng riêng của hơi trong bọt R32. 𝑣ℎ = 𝑣′′ = 3,45. 10−7 𝑚2/s: Độ nhớt động học của R32. 𝑐𝑝ℎ = 𝑐𝑝′′ = 1,485 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾: Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp R32. 𝑟 = 287,8. 103 𝐽/𝑘𝑔: Nhiệt ẩn hoá hơi của R32.

𝑟∗ = 𝑟 + 0,5𝑐𝑝(𝑡𝑣 − 𝑡𝑓) = 283,1425. 103 + 0,5.1,493375. 103(37,5 − 0)

= 311939 𝐽/𝑘𝑔

Với 𝑟∗ : Ẩn nhiệt hoá hơi hiệu quả, nó có tính đến sự quá nhiệt của hơi

trong lớp màng.

𝜌𝑓 = 𝜌′ = 996.1 kg/𝑚3: Khối lượng riêng của lớp chất lỏng bao quanh bọt.

4 𝛼 = 0,62 √

3(𝜌𝑓 − 𝜌ℎ)𝑔𝑟∗ 𝑣ℎ𝐷(𝑡𝑣 − 𝑡𝑓)

𝜆ℎ = 332 𝑊/𝑚2𝐾

22

Vậy 𝛼𝑅32 = 332 𝑊/𝑚2𝐾.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

3.4.3. Diện tích bộ trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống

Hệ số truyền nhiệt tính theo công thức dưới đây, theo tài liệu [10]:

𝑘 = = = 321 (𝑊/𝑚2𝐾 ) + + + + 1 99387,8 1 0,0007 394 1 332 1 𝛿 𝜆 1 𝛼𝑅32 1 𝛼𝐶𝑂2

Trong đó:

- δ : dộ dày ống (m).

- λ : hệ số tuyền nhiệt của ống đồng (W/m.K).

1,35 . 103 321 . 29,38

𝑄0𝑅32 𝐾 . ∆𝑡𝑡𝑏

Tổng diện tích truyền nhiệt: F = = 0,143 m2. =

Ống trong có kích thước d  4mm.

=> Chu vi ống C   . d =  0,004 = 0,0126 (m).

Ống ngoài có kích thước d  8mm.

=> Chu vi ống C   . d =  0,008 = 0,025 (m).

0,143

Độ dài ống xoắn:

0,0126

𝐹 𝐶(4𝑚𝑚)

L = = = 11,4 m

=> Chọn L = 12m.

Đường kính mỗi vòng xoắn:

dxoắn = 100mm = 0,1m.

=> Cxoan   . dxoắn =  0,1 = 0,314(m)

12

Số vòng cần uốn dạng lò xo:

0,314

𝐿 𝐶𝑥𝑜ắ𝑛

n = = = 38,2 vòng

Hình 3.10 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống => Chọn n = 39 vòng.

3.5. Tính cách nhiệt, cách ẩm cho hệ thống

Chiều dày lớp cách nhiệt được xác định theo hai yêu cầu cơ bản:

- Vách ngoài kết cấu bao che không được phép đọng sương, nghĩa là độ dày của

lớp cách nhiệt phải đủ lớn để nhiệt độ bề mặt vách ngoài lớn hơn nhiệt độ đọng sương

của môi trường.

23

- Chọn chiều dày cách nhiệt sao cho giá thành một đơn vị lạnh là tiết kiệm nhất.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

3.5.1. Tính cách nhiệt cho tường bao buồng lạnh

a. Tính chiều dày lớp cách nhiệt

𝑛

Xác định chiều dày lớp cách nhiệt theo công thức tài liệu [10]:

𝑖=1

− ( + ∑ + )] 𝛿𝑐𝑛 = 𝜆𝑐𝑛 [ 1 𝑘 1 𝛼1 𝛿𝑖 𝜆𝑖 1 𝛼2

Trong đó:

𝛿𝑐𝑛 - Độ dày yêu cầu của lớp cách nhiệt (m).

𝜆𝑐𝑛 - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt (W/mK). k - Hệ số truyền nhiệt (W/m2K).

𝛼1 - Hệ số tỏa nhiệt của môi trường bên ngoài (phía nóng) tới môi trường

cách nhiệt (W/m2K).

𝛼2 - Hệ số tỏa nhiệt của vách buồng lạnh vào buồng lạnh (W/m2K).

𝛿𝑖 - Bề dày của lớp vật liệu xây dựng thứ i (m).

𝜆𝑖 - Hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu xây dựng thứ i (W/mK).

Kết cấu và các số liệu của lớp cách nhiệt được trình bày trong Bảng 3.7:

Bảng 3.7 Kết cấu và các số liệu của lớp cách nhiệt

STT Lớp Vật liệu 𝜹 (𝒎) 𝛌 (W/mK)

1 Mica 0,005 0,58

2 Polyurethan 0,019 𝛿𝑐𝑛

Hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao (theo bảng 3-7 trang 86, tài liệu [8])

có: 𝛼1 = 23,3 𝑊/𝑚2𝐾.

Hệ số tỏa nhiệt bề mặt trong của buồng lạnh lưu thông không khí cưỡng bức

mạnh (theo bảng 3-7 trang 86, tài liệu [8]) có: 𝛼2 = 10,5 𝑊/𝑚2𝐾.

Đối với phòng trữ đông thì nhiệt độ trong phòng là -26℃. Tra bảng 3-3 trang 84

[8] với nhiệt độ phòng -26℃ tính cho vách bao ngoài, ta có hệ số truyền nhiệt tối ưu

qua tường:𝑘𝑡ư = 0,21 W/m2.

24

− ( + + )] = 0,08𝑚 𝛿𝑐𝑛 = 0,019 [ 1 0,21 1 23,3 0,005 0,58 1 10,5

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

b. Kiểm tra đọng sương

Nếu bề mặt ngoài của tường bao đọng sương thì ẩm sẽ dễ xâm nhập vào phá

hủy lớp cách nhiệt. Để tránh hiện tượng đọng sương xảy ra thì nhiệt độ bề mặt ngoài

tường bao phải lớn hơn nhiệt độ đọng sương của môi trường. Theo công thức (3-7),

trang 87, tài liệu [8] ta có hệ số truyền nhiệt đọng sương làm chuẩn là:

, 𝑊 𝑚2𝐾⁄ 𝑘𝑠 = 0,95. 𝛼1. 𝑡𝑛 − 𝑡𝑠 𝑡𝑛 − 𝑡𝑓

Với: - 𝛼1 = 23,3 𝑊⁄𝑚2𝐾: hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao che.

- tf : Nhiệt độ trong buồng lạnh,℃.

- tn = 31 ℃: Nhiệt độ môi trường ngoài.

- ts = 28 ℃: Nhiệt độ đọng sương của môi trường, tra theo đồ thị t-d với

nhiệt độ môi trường t = 31℃ và độ ẩm 𝜑 = 85% [8].

Điều kiện để vách ngoài không đọng sương theo biểu thức (3-8), trang 87, tài

liệu [8] sẽ là: 𝑘𝑡𝑡 ≤ 𝑘𝑠.

Ứng với 𝛿𝑐𝑛 ta sẽ tính được hệ số truyền nhiệt thực tế:

1 = 0,23 𝑊 𝑚2𝐾⁄ 𝑘𝑡𝑡 = + + + 1 23,3 0,005 0,58 0,08 0,019 1 10,5

= 1,2 𝑘𝑠 = 0,95 . 23,3 31 − 28 28 − (−26)

Ta có: 𝑘𝑡𝑡 = 0,23 < 𝑘𝑠 = 1,2

Vậy không có hiện tượng đọng sương trên bề mặt ngoài của tường bao phòng.

3.5.2. Tính cách nhiệt, cách ẩm ở thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống

a. Tính chiều dày lớp cách nhiệt

Chọn vật liệu cách nhiệt là mút xốp Polyurethan có hệ số dẫn nhiệt là: 0,019

W/mK.

Hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao (theo bảng 3-7 trang 86 [8]) có:

𝛼1 = 23,3 𝑊/𝑚2𝐾.

Hệ số tỏa nhiệt bề mặt trong của buồng đối lưu tự nhiên (theo bảng 3-7 trang

86, tài liệu [8]) có: 𝛼3 = 8 𝑊/𝑚2𝐾.

Đối với phòng trữ đông thì nhiệt độ trong phòng là - 26 ℃. Tra bảng 3-3 trang

25

84, tài liệu [8] với nhiệt độ phòng - 26℃ tính cho vách bao ngoài, ta có hệ số truyền

nhiệt tối ưu qua tường: 𝑘𝑡ư = 0,427 W/m2. GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

− ( + + )] = 0,04𝑚 𝛿𝑐𝑛 = 0,019 [ Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học 1 0,427 1 23,3 0,0007 203,5 1 8

b. Kiểm tra đọng sương

Nếu bề mặt ngoài của tường bao đọng sương thì ẩm sẽ dễ xâm nhập vào phá

hủy lớp cách nhiệt. Để tránh hiện tượng đọng sương xảy ra thì nhiệt độ bề mặt ngoài

tường bao phải lớn hơn nhiệt độ đọng sương của môi trường. Theo công thức (3-7),

trang 87, tài liệu [8], ta có hệ số truyền nhiệt đọng sương làm chuẩn là:

, 𝑊 𝑚2𝐾⁄ 𝑘𝑠 = 0,95 𝛼1 𝑡𝑛 − 𝑡𝑠 𝑡𝑛 − 𝑡𝑓

Với: 𝛼1 = 23,3 𝑊⁄𝑚2𝐾: hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao che.

tf : Nhiệt độ trong buồng lạnh,℃.

tn = 31℃: Nhiệt độ môi trường ngoài.

ts = 28 ℃: Nhiệt độ đọng sương của môi trường, tra theo đồ thị t-d, với

nhiệt độ môi trường t = 31℃ và độ ẩm 𝜑 = 85%.

Điều kiện để vách ngoài không đọng sương theo biểu thức (3-8), trang 87, tài

liệu [8] sẽ là: 𝑘𝑡𝑡 ≤ 𝑘𝑠.

- Ứng với 𝛿𝑐𝑛 ta sẽ tính được hệ số truyền nhiệt thực tế:

= 0,44 𝑊 𝑚2𝐾⁄ 𝑘𝑡𝑡 = + + + 1 0,0007 203,5 1 23,3 0,04 0,019 1 8

- Hệ số truyền nhiệt đọng sương:

= 2,1 𝑘𝑠 = 0,95 . 23,3 . 31 − 28 31 − 0

Ta thấy rằng: 𝑘𝑡𝑡 = 0,44 < 𝑘𝑠 = 2,1

26

Vậy không có hiện tượng đọng sương trên bề mặt ngoài của thiết bị.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

4.1. Phương pháp thực nghiệm

Quá trình thực hiện lấy 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 ống lồng ống đạt khoảng

0oC 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 môi chất CO2 sau tiết lưu không giảm thì tiến hành siết tiết lưu 1

lần.

- Khi độ chênh nhiệt độ giữa gió vào và gió ra dàn lạnh xấp xỉ bằng 0 thì tiến

hành nhả tiết lưu sau đó siết lại ngay do nghi nhờ dàn bị đóng băng không thể trao đổi

nhiệt. Việc nhả - siết tiết lưu để làm tan băng dàn lạnh.

- Khi nhiệt độ bay hơi tầng thấp đạt -36oC thì dừng hệ thống. Kết thúc quá trình

lấy số liệu thực nghiệm.

4.2. Chuẩn bị vật dụng

Để ghi lại các số liệu thực nghiệm một cách chính xác thì cần có các dụng cụ như:

cảm biết nhiệt độ, cảm biến áp suất, ampe kiềm, laptop, camera, ... Hình ảnh về các vật

dụng được thể hiện ở Phụ lục 1.

Các thông số nhiệt độ và áp suất thực nghiệm của từng điểm nút của tầng cao

và tầng thấp tại thời điểm nhiệt độ phòng đạt -26 oC như yêu cầu thiêt kế được ghi

4.3 Hình ảnh thực nghiệm

lại bằng hình ảnh để minh chứng (tham khảo tại Phụ lục 2).

4.4. Điểm nút thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32

Bảng 4.1 Thông số trạng thái thực nghiệm của chu trình lạnh CO2

Điểm nút Trạng thái t (°C) p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) v(m3/kg)

Hơi bão hòa khô -36 11,5 437 2,05 0,033

Hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt Lỏng bão hòa -29,1 54,1 4,3 11,5 39 39 444 498 219 2,05 2,05 1,07 0,033 0,013 0,001

27

Hơi bão hòa ẩm -36 11,5 219 1,11 0,011 12 1′2 22 32 42

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Hình 4.1 Đồ thị p-h chu trình lạnh CO2 thực nghiệm [7]

Bảng 4.2 Thông số trạng thái thực nghiệm của chu trình lạnh R32

Điểm nút Trạng thái t (°C) p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) v(m3/kg)

Hơi bão hòa khô 0 8,1 518 2,15 0,045

Hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt Lỏng bão hòa 11,1 69,9 36,7 8,1 22,9 22,9 523 568 258 2,2 2,18 1,23 0,05 0,018 0,0011

28

Hơi bão hòa ẩm 0 8,1 258 1,25 0,011 11 1′1 21 31 41

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Hình 4.2 Đồ thị p-h chu trình R32 thực nghiệm [7]

*Tính toán nhiệt tầng thấp CO2:

Ta có: ICO2 = 1,8 (A) - Áp dụng công thức tính công suất dòng điện:

N𝑒/CO2= U.I.cosφ (Chọn cosφ = 0,95)

= 220.1,8.0,95

= 376,2 (W)

- Công nén thực nghiệm:

0,244

LCO2 = Ne. 0,65 = 244 (W) - Lưu lượng CO2 thực nghiệm:

498−444

LCO2 ℎ2−ℎ1′

= = 0,0045 (kg/s) GCO2 =

- Năng suất lạnh thực nghiệm:

Q0/CO2 = GCO2. (h1 – h4) = 0,0045. (437 – 219) = 0,98 (kW)

- Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị giải nhiệt:

29

Q𝑘/CO2 = GCO2. (h2 – h3) = 0,0045. (498 – 219) = 1,26 (kW)

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

* Tính toán nhiệt tầng cao R32:

Ta có: IR32 = 1,86 (A)

Áp dụng công thức tính công suất dòng điện:

Ne/R32 = U.I.cosφ (Chọn cosφ = 0,95)

= 220.1,86.0,95

= 388,74 (W)

- Công nén thực nghiệm:

LR32 = Ne.0,65 = 253 (W)

0,253

- Lưu lượng R32 thực nghiệm:

568−523

𝐿𝑅32 ℎ2−ℎ1′

GR32 = = = 0,0056 (kg/s)

- Năng suất lạnh thực nghiệm:

Qo/R32 = GR32. (h1 – h4) = 0,0056. (518 – 257) = 1,46 (kW)

- Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị giải nhiệt:

Qk/R32 = GR32. (h2 – h3) = 0,0056. (568 – 257) = 1,7 (kW)

- Năng suất lạnh thực nghiệm của hệ thống:

𝑄0/𝐶𝑂2 = Gkk. cp. Δtkk = ρkk. Squạt. vkk. cpkk. Δtkk

Ta có:

tgió ra = -30oC

tgió vào = -26,6oC

Dquạt = 0,28 m

vquạt = 3,2 m/s

Từ tgió ra = -30oC  ρkk = 1,453 (kg/m3)

cpkk = 1,103 (kJ/kg, K)

𝑄0/𝐶𝑂2= Gkk.cp.Δtkk = ρkk. Squạt. vkk. cpkk. Δtkk

0,282 4

= 1,453. 𝜋 . 3,2.1,013. [(−30) − (−26)] = 0,98 (kW)

0,98

- Hệ số hiệu suất thực nghiệm của hệ thống lạnh ghép tầng:

0,244 + 0,253

𝑄0/𝐶𝑂2 𝐿𝐶𝑂2+𝐿𝑅32

30

COP = = = 1,97

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

4.5. Kết quả so sánh lý thuyết và thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi

chất CO2 và R32

Từ kết quả lý thuyết ở mục 3.1 và kết quả thực nghiệm ở mục 4.5 ta có các kết quả

so sánh thể hiện trên đồ thị (Hình 4.3 và Hình 4.4) và bảng so sánh (Bảng 4.3, Bảng

4.4 và Bảng 4.5).

Hình 4.3 Đồ thị p-h của chu trình lý thuyết (trái) và chu trình thực nghiệm (phải) tầng

thấp dùng môi chất CO2

Hình 4.4 Đồ thị p-h của chu trình lý thuyết (trái) và chu trình thực nghiệm (phải) tầng

31

cao dùng môi chất R32

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Bảng 4.3 Bảng so sánh các thông số vận hành lý thuyết và thực nghiệm của hệ thống

lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32

Tầng cao R32

Tầng thấp CO2

Thông số

Lý thuyết Thực nghiệm Sai lệch Lý thuyết Thực nghiệm Sai lệch

Nhiệt độ t0

Nhiệt độ tk

-36 oC -36 oC 0% 0 oC 0 oC 0%

Nhiệt độ đầu đẩy

5 oC 4,3oC 13% 41 oC 36,7 oC 10%

Nhiệt độ đầu hút

55oC 54,1 oC 1,6% 78 oC 69,9 oC 10%

Áp suất p0

-30oC -29,1 oC 3% 10 oC 11,1 oC 11%

Áp suất pk

11,6 bar 11,5 bar 0,8% 8,1 bar 8,1 bar 0%

39,7 bar 39 bar 1,7% 25 bar 22,9 bar 8,4%

Bảng 4.3 cho thấy các thông số thực nghiệm so với lý thuyết có mức sai lệch không quá

13%.

Bảng 4.4 Bảng so sánh các thông số nhiệt động lý thuyết và thực nghiệm của hệ thống

lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32

Thông số

Công nén Lưu lượng

Chu trình

Năng suất lạnh

Công suất nhiệt

Ký hiệu

QO (kW) Qk (kW) L (W) G (kg/s)

Lý thuyết

1 1,28 258 0,00446

Tầng thấp CO2

Thực nghiệm

0,98 1,26 244 0,0045

Sai lệch

2% 1,6% 5% 1%

Lý thuyết

1,53 1,73 266 0,0058

Tầng cao R32

Thực nghiệm

1,46 1,7 253 0,0056

Sai lệch

4,5% 1,7% 4,9% 3,4%

Các thông số thực nghiệm so với lý thuyết có mức sai lệch từ 1-5% được trình bày

trong Bảng 4.4.

Bảng 4.5 Bảng so sánh COP hệ thống

32

Lý thuyết 1,9 COP hệ thống Thực nghiệm 1,97 Sai lệch 3,7%

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Bảng 4.5 cho thấy hệ thống thực nghiệm hoạt động đạt hiệu quả năng lượng cao hơn

3,7% so với lý thuyết.

Từ các kết quả so sánh, tuy các thông số thực nghiệm có sai lệch vo với lý thuyết

nhưng đều theo hướng tích cực, điều này giúp kéo dài tuổi thọ máy nén và giảm áp lực

33

cho các thiết bị trong hệ thống.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

5.1 Kết luận

Sau thời gian tiếp cận và nghiên cứu đề tài “Tính toán lý thuyết hệ thống lạnh ghép

tầng dùng môi chất CO2 và R32”, nhóm đã đạt được các kết quả như sau:

1. Tìm ra các thông số trạng thái, năng suất lạnh, công suất nhiệt, công nén, lưu

lượng môi chất của mỗi tầng. Đặc biệt, tìm ra hệ số hiệu quả năng lượng của toàn hệ

thống là COP = 1,9.

2. Xử lý số liệu thực nghiệm và so sánh với kết quả lý thuyết, nhận thấy mức sai

lệch không quá 13%.

3. Chọn được các thiết bị chính cho hệ thống, bao gồm máy nén CO2 500W, dàn

lạnh kênh micro, cụm dàn ngưng của hãng Daikin cũng như tính toán thiết kế thiết bị

trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống với chiều dài 12m.

5.2. Kiến nghị

Qua các kết quả trên, nhóm kiến nghị: tiến hành thiết lập, chế tạo hệ thống thực

34

nghiệm để nghiên cứu sâu về quá trình hoạt động cũng như hiệu quả của hệ thống.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

PHỤ LỤC

Phụ lục 1. Hình ảnh dụng cụ sử dụng cho việc ghi chép số liệu thực nghiệm

Cảm biến nhiệt độ

Áp kế

35

Ampe kiềm

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Laptop

Phụ lục 2. Hình ảnh thực nghiệm

36

Áp suất đầu hút máy nén CO2 Áp suất đầu đẩy máy nén CO2

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Áp suất ngưng tụ CO2 Áp suất bay hơi CO2

37

Nhiệt độ gió ra dàn lạnh

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Các giá trị nhiệt độ thực tế tầng CO2

Với:

t2: Nhiệt độ trước tiết lưu tầng CO2

t3: Nhiệt độ sau tiết lưu tầng CO2

t4: Nhiệt độ gió vào dàng lạnh tầng CO2

Các giá trị nhiệt độ thực tế

Với:

t1: Nhiệt độ đầu hút máy nén CO2

t6: Nhiệt độ đầu hút máy nén R32

38

t7: Nhiệt độ sau tiết lưu tầng R32

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

Các giá trị nhiệt độ thực tế tầng R32

Với:

T5: Nhiệt độ gió ra dàn nóng R32

T6: Nhiệt độ gió vào dàn nóng R32

T7: Nhiệt độ trước tiết lưu tầng R32

T8: Nhiệt độ đầu đẩy máy nén R32

Các giá trị nhiệt độ thực tế

Với:

T9: Nhiệt độ đầu đẩy máy nén CO2

39

T10: Nhiệt độ môi trường

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

Báo cáo Nghiên Cứu Khoa Học

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Binbin Yu, Dandong Wang, Cichong Liu, Fuzheng Jiang, Jiangping Chen, Junye

Shi, Performance improvements evaluation of an automobile air conditioning system

using CO2-propane mixture as a refrigerant, International Journal of Refrigeration ,

Vol 88, 2018, pages 172-181

[2] Md. Ezaz Ahammed, Souvik Bhattacharyya, M. Ramgopal, Analysis of CO2 based

refrigeration systems with and without ejector for simultaneous pasteurization and

chilling of milk, International Journal of Refrigeration, Vol 95, 2018, Pages 61-72

[3] Dong Wang, Yuehong Lu, Leren Tao, Optimal combination of capillary tube

geometry and refrigerant charge on a small CO2 water-source heat pump water

heater, International Journal of Refrigeration, Vol 88, 2018, pages 626-636.

[4] H.M. Getu, P.K. Bansal, Thermodynamic analysis of an R744–R717 cascade

refrigeration system, International Journal of Refrigeration Volume 31, Issue 1,

January 2008.

[5] Peihua Li, J.J.J. Chen, Stuart Nurris, Review of flow condensation of CO2 as a

refrigerant, International Journal of Refrigeration, Vol 72, 2016, pages 53-73.

[6] J. Pettersent, A. Hafner and G. Skaugen. Development of compact heat exchangers

for CO2 air-conditioning systems. S1NTEF Energy Research. Vol. 2 I. No. 3. pp.

180 - 193, 1998.

[7] Tài liệu 2017 ASHRAE Handbook-Fundamentals.

[8] Nguyễn Đức Lợi “Giáo trình hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh” Nhà xuất bản Khoa

học và Kỹ thuật, Hà Nội 2005.

[9] Lê Xuân Hòa “Giáo trình kỹ thuật lanh” Đai học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.

[10] Hoàng Đình Tín “Cơ sở Truyền nhiệt và Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt” Nhà xuất

bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.

[11] PGS. TS Đặng Thành Trung, Nghiên cứu chế tạo hệ thống điều hòa không khí dùng

thiết bị bay hơi kênh mini và môi chất lạnh CO2 nhằm tiết kiệm năng lượng và bảo

vệ môi trường (Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp bộ), 03/2018.

40

[12] Gregory Nellis, Sanford Klein, Heat Trasfer.

GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung

S

K

L

0

0

2

1

5

4