BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG BƠM NHIỆT SỬ DỤNG ỐNG NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG TẬN DỤNG NHIỆT ĐẦU ĐẨY MÁY NÉN
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Ô nhiễm môi trường và sự khan hiếm nguồn năng lượng hóa thạch đang tạo ra một cuộc khủng hoảng toàn cầu, đặt thách thức lên các ngành công nghiệp khi nguồn dự trữ cạn kiệt và nhu cầu tiết kiệm năng lượng trở nên cấp thiết cho mọi thiết bị tiêu thụ điện, đặc biệt là hệ thống điều hòa không khí Tại Việt Nam, sự hiện đại hóa và công nghiệp hóa đi song song với sự xuất hiện mạnh mẽ của các tòa nhà cao tầng ở các thành phố lớn: hàng trăm công trình văn phòng, khách sạn, ngân hàng, trung tâm thương mại và căn hộ mọc lên khiến tiêu thụ năng lượng tăng lên đáng kể Vì vậy, phát triển các giải pháp tiết kiệm năng lượng mang tính chiến lược nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và nâng cao hiệu quả của hệ thống tiêu thụ là nền tảng cho sự phát triển bền vững của nền kinh tế Việt Nam và thế giới.
Tháng 3/2019, Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chương trình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả giai đoạn 2019–2030 Chương trình đề ra mục tiêu tiết kiệm 5–7% tổng tiêu thụ năng lượng quốc gia trong giai đoạn 2019–2025 và 8–10% trong giai đoạn 2019–2030 Tại diễn đàn, nhiều chuyên gia cho rằng ngoài hình thành thói quen tiết kiệm năng lượng, các giải pháp công nghệ mới cũng cần được áp dụng để nâng cao hiệu suất và đẩy lùi công nghệ cũ Ông Nguyễn Quân, Nguyên Bộ trưởng Khoa học Công nghệ, Chủ tịch Hội tự động hóa, cho rằng đã đến lúc nhìn nhận lại việc sử dụng năng lượng nhằm nâng cao hiệu quả của nền kinh tế nói chung Hiện nay, khoảng 30% sản lượng điện dành cho chiếu sáng dân dụng và công cộng; nếu tiết kiệm được một nửa lượng điện tiêu thụ bằng công nghệ đèn LED, thì mức tiết kiệm này sẽ tương đương với việc xây dựng một nhà máy điện hạt nhân công suất khoảng 4.000 MW. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
Hiện nay Việt Nam có khoảng 10 triệu chiếc điều hòa nhiệt độ, và nếu được áp dụng công nghệ mới để tiết kiệm khoảng 10% lượng điện sẽ tạo ra mức tiết kiệm đáng kể; điều hòa là một trong những thiết bị tiêu thụ năng lượng lớn nhất cả nước và nhu cầu nước nóng cho ăn uống, sinh hoạt ngày càng tăng, vì vậy ý tưởng ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt nước trở thành giải pháp tiết kiệm năng lượng tiềm năng Thiết bị trao đổi nhiệt là công nghệ hiện đại đang được nghiên cứu và ứng dụng để gia nhiệt nước trong đời sống, mang lại lợi ích thiết thực cho từng gia đình ở thành phố hay nông thôn khi họ tiêu thụ lượng nước nóng rất lớn Các phương pháp truyền thống như điện, gas hay dầu vừa tiêu thụ năng lượng hóa thạch vừa phát thải khí gây ô nhiễm môi trường, vì vậy chuyển sang hệ thống trao đổi nhiệt để gia nhiệt nước là bước đi có ý nghĩa về mặt tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
Hình 1.1 Biểu đồ so sánh chi phí các loại năng lượng dùng làm nóng nước [1]
Việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt thải từ nước nóng và nguồn năng lượng thừa của thiết bị điều hòa nhiệt độ sẽ tạo ra giải pháp tiết kiệm năng lượng và đóng góp cho sự phát triển kinh tế đất nước Dự án được thực hiện dựa trên sự phân công đề tài và tầm nhìn chiến lược của giáo viên hướng dẫn nhằm giảm tiêu thụ năng lượng và bảo vệ môi trường, từ đó thúc đẩy phát triển kinh tế đất nước bền vững Nhóm em xin thực hiện đề tài này nhằm khai thác tối đa tiềm năng của nhiệt thải, nâng cao hiệu quả gia nhiệt nước nóng và tối ưu hóa hiệu quả năng lượng trong hệ thống.
Đề tài tốt nghiệp mang tựa đề Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống bơm nhiệt sử dụng ống nhiệt và ống lồng để tận dụng nhiệt đầu đẩy của máy nén trong máy điều hòa không khí hai cục, nhằm xây dựng một mô hình bơm nhiệt có hiệu quả chuyển đổi nhiệt cao Mục tiêu là thiết kế và chế tạo hệ thống để thu nhiệt thải từ máy nén, truyền qua ống nhiệt và ống lồng, tăng diện tích tiếp xúc và tối ưu trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh và môi trường, từ đó nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống Bên cạnh đó, nghiên cứu sẽ đánh giá biến thiên của các tham số thiết kế như vật liệu ống nhiệt, kết cấu ống lồng và cấu hình đầu đẩy, bằng cách thử nghiệm mô hình và phân tích dữ liệu Kết quả kỳ vọng là một mô hình khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế, có thể áp dụng cho các hệ thống điều hòa không khí hai cục và làm cơ sở cho mở rộng quy mô của hệ thống bơm nhiệt trong tương lai.
Mục tiêu chọn đề tài
Tìm hiểu về thiết bị trao đổi nhiệt, phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng nhiệt thải và các thiết bị trong hệ thống lạnh
Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống bơm nhiệt sử dụng ống nhiệt ống lồng nhằm tận dụng nhiệt từ đầu đẩy máy nén của một máy điều hòa không khí hai cục Mô hình tập trung vào tối ưu hóa trao đổi nhiệt và hiệu suất năng lượng thông qua cấu trúc ống lồng và nguyên lý hồi nhiệt của bơm nhiệt Việc tận dụng nhiệt từ đầu đẩy máy nén giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn, giảm tiêu thụ điện năng và cải thiện hiệu suất làm lạnh-nóng Các yếu tố thiết kế chủ chốt được xem xét gồm vật liệu ống nhiệt, kích thước và khoảng cách giữa các ống, cũng như cách bố trí hai cục máy nén để đảm bảo tính ổn định và tin cậy.
Kiểm chứng thực nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống gia nhiệt nước trên mô hình thực tế.
Tình hình tiêu thụ điện trong và ngoài nước
1.3.1 Tình hình tiêu thụ điện trong nước
Lượng điện tiêu thụ ở miền Nam ngày càng tăng, khiến thiếu hụt điện trở nên nghiêm trọng Theo thống kê, nhu cầu tiêu thụ điện năm 2018 vượt so với kế hoạch khoảng 2,4 tỷ kWh; nguồn cấp than và các nguồn phát điện khác vẫn chưa đáp ứng đủ cho sản xuất điện, trong khi lưu lượng nước cho các hồ thủy điện ở miền Trung cuối năm ở mức thấp Các nguồn năng lượng tái tạo của Việt Nam như gió, mặt trời, sinh khối và thủy triều được coi là phong phú nhưng vẫn chưa khai thác hết tiềm năng Vì vậy, tiết kiệm điện là một biện pháp thiết essential để giảm áp lực cho hệ thống điện và tăng tính an toàn nguồn điện quốc gia.
1.3.2 Tình hình tiêu thụ điện ngoài nước
Trong năm 2017, tổng lượng điện năng tiêu thụ toàn cầu đạt khoảng 25,551 triệu tỷ kWh, tăng 3,1% so với năm 2016 Cơ cấu nguồn sản xuất điện cho thấy than đá chiếm 38%, khí tự nhiên 23%, thủy điện 16%, điện hạt nhân 10%, dầu 4%, năng lượng tái tạo 8% và nguồn khác 1%.
Sự ấm lên toàn cầu cũng là nguyên nhân gây ra sự gia tăng nhu cầu sử dụng điện của thế giới
Những nghiên cứu nổi bật về hệ thống tiết kiệm năng lượng trên hệ thống lạnh ở
Ở Việt Nam, Nguyễn Đình Vịnh và Hà Đăng Trung đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng tác nhân lạnh R22 và dàn lạnh không khí, nhằm phù hợp với điều kiện khí hậu nước ta Kết quả cho thấy hệ thống có COP từ 3,3 đến 3,8 ở điều kiện môi trường trong nhà 22 °C và độ ẩm 60%, đồng thời tiết kiệm được 65% đến 70% năng lượng tiêu thụ so với bình đun nước nóng bằng điện.
Nghiên cứu của các tác giả cho thấy thu hồi nhiệt thải từ khói lò hơi công nghiệp để gia nhiệt không khí và nước cấp cho lò hơi là biện pháp tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu suất vận hành Kết quả cho thấy khả năng tận dụng nhiệt thải từ khói lò để tăng hiệu suất, giảm tiêu thụ nhiên liệu và bảo vệ môi trường là rất lớn Đối với hệ thống điều hòa không khí, có thể tối ưu bằng cách điều chỉnh nhiệt độ cài đặt ngày đêm, thay đổi lưu lượng không khí theo phụ tải thực tế hoặc áp dụng bơm nhiệt để tiết kiệm năng lượng.
Hai bài báo trình bày nguyên lý làm việc của bơm nhiệt, các phương pháp đánh giá hiệu quả năng lượng và tiềm năng sử dụng bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân để tiết kiệm năng lượng sơ cấp Đồng thời, bài viết làm rõ cách triển khai bơm nhiệt một cách hiệu quả trong các hệ thống nhiệt – lạnh và vai trò của nó trong nâng cao hiệu quả năng lượng Bên cạnh đó, các bài báo đề xuất khả năng kết hợp bơm nhiệt với các nguồn năng lượng mới, năng lượng thu hồi và năng lượng tái sinh nhằm tăng cường hiệu quả của toàn bộ thiết bị và hệ thống nhiệt – lạnh.
Nghiên cứu chế tạo mô hình gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt [6] đã phân tích tổng quan các loại bơm nhiệt đang được sử dụng để làm rõ phạm vi ứng dụng của công nghệ này trong thực tế Báo cáo cũng xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ đến hiệu suất và khả năng gia nhiệt của bơm nhiệt Bên cạnh đó, bài báo tập trung thiết kế, tính toán và chế tạo một mô hình gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt dành cho hộ gia đình nhằm kiểm chứng tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này.
Qua nghiên cứu này, chúng tôi đánh giá hiệu quả kinh tế - xã hội - môi trường của thiết bị nghiên cứu so với các thiết bị điện truyền thống dùng để gia nhiệt nước nóng Nội dung đánh giá gồm chi phí vận hành và hiệu suất năng lượng, lượng phát thải và tác động đến môi trường, cũng như các lợi ích xã hội liên quan đến sự ổn định và an toàn của nguồn nước nóng Kết quả kỳ vọng sẽ cho thấy thiết bị nghiên cứu có tiềm năng giảm chi phí vận hành và mức tiêu thụ năng lượng, đồng thời giảm tác động đến môi trường so với công nghệ gia nhiệt bằng điện truyền thống, từ đó cung cấp cơ sở cho quyết định đầu tư và ứng dụng công nghệ mới. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
Nghiên cứu của Bùi Ngọc Hùng đã nghiên cứu và chế tạo mô hình thu hồi nhiệt thải từ dàn ngưng của máy điều hòa không khí công suất nhỏ để đun nước nóng nhằm tiết kiệm năng lượng, và kết luận việc thu hồi nhiệt thải ngoài việc tiết kiệm năng lượng còn không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các máy điều hòa không khí công suất nhỏ Để tiết kiệm năng lượng trong việc điều hòa không khí và đun nước nóng, bài báo này trình bày việc nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình thu hồi nhiệt thải từ dàn nóng của các máy điều hòa không khí trung tâm để đun nước nóng qui mô công nghiệp phục vụ cho các nhu cầu nước nóng với số lượng lớn như các khách sạn hoặc các nhà máy chế biến thủy sản Mô hình sử dụng dàn trao đổi nhiệt dạng tấm trong đó nước nóng trong bình được bơm tuần hoàn qua dàn trao đổi nhiệt tấm để thu hồi nhiệt thải.
Trên bình diện quốc tế, các nhà khoa học nghiên cứu về thu hồi năng lượng và bảo vệ môi trường đang rất sôi nổi; bài báo của Pinart Mere Cuce và Saffa Riffat thuộc Khoa Kiến trúc và Môi trường Xây dựng, Đại học Nottingham, đưa ra đánh giá toàn diện về ứng dụng hệ thống thu hồi nhiệt trong tòa nhà dựa trên tổng kết các thành tựu trước đó một cách rõ ràng và dễ hiểu Bài viết mô tả chi tiết nguyên lý làm việc và thành phần của hệ thống, trình bày các công nghệ thu hồi nhiệt điển hình hiện nay với các ứng dụng xây dựng, lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng cho các công nghệ khác nhau, đồng thời đánh giá hiệu suất nhiệt động lực học và tác động môi trường Hơn nữa, tác động của hệ thống thu hồi nhiệt đối với môi trường được xem xét và viễn cảnh tương lai của hệ thống này cũng được cân nhắc trong nghiên cứu Tóm lại, các nghiên cứu cho thấy hệ thống thu hồi nhiệt rất hứa hẹn trong việc giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu cho tòa nhà, từ đó đóng góp đáng kể vào việc giảm lượng khí thải nhà kính.
Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu nhằm giảm lượng điện năng tiêu thụ của máy điều hòa không khí và máy nước nóng Việc sử dụng ống nhiệt dao động để thu hồi nhiệt thải từ thiết bị ngưng tụ dạng ống-vỏ đã được thực hiện bởi Bùi Ngọc Hùng và các cộng sự.
Các nghiên cứu cho thấy tính khả thi và hiệu quả kinh tế của hệ thống thu hồi nhiệt thải từ máy điều hòa không khí P Sathiamurthi và P.S Srinivasan kết luận rằng hệ thống này có thể thu nhiệt thải từ một máy điều hòa không khí trung tâm công suất 16 tấn lạnh để cung cấp nước nóng cho sinh hoạt của 600 sinh viên trong ký túc xá Trong lĩnh vực dân dụng, M L Rahman, Chin Wai Meng và Adrian Ng nghiên cứu hệ thống thu hồi nhiệt thải để đun nước nóng từ máy điều hòa không khí dân dụng, sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống đồng quấn quanh vỏ bình nước nóng và kết luận rằng nhiệt độ nước có thể được tăng từ 30°C lên 75°C trong vòng 8 giờ máy điều hòa hoạt động.
Nhu cầu sử dụng nước nóng trong và ngoài nước
Nhu cầu sử dụng nước trên thế giới hiện nay rất cao, nó được thể hiện qua bảng sau:
Bảng 1.1 Bảng mức tiêu thụ nước nóng cho mỗi đầu người cho một số nơi [12]
1.5.1 Nhu cầu nước sử dụng nước nóng trong nước:
Nhiệt độ trung bình của nước nóng được sử dụng trong hộ gia đình tại Việt Nam là khoảng 45°C Theo [13], nhu cầu sử dụng nước nóng được thống kê ở mức trung bình, với sự biến thiên giữa các hộ gia đình và vùng miền Các yếu tố ảnh hưởng đến nhu cầu gồm thói quen sinh hoạt, quy mô hộ gia đình và cấu hình hệ thống cấp nước, và các thông tin thống kê này giúp thiết kế và vận hành hệ thống nước nóng dân dụng hiệu quả hơn.
- Tiêu thụ trung bình: 40 lít/người/ngày
- Tiêu thụ trung bình cao: >60 lít/người/ngày
- Tiêu thụ trung bình thấp: > 30 lít/người/ngày
1.5.2 Nhu cầu sử dụng nước nóng ngoài nước:
Lượng nước trung bình mỗi người ở Anh sử dụng là 150 lít mỗi ngày, bao gồm nước nóng và nước lạnh Trong đó nước nóng chiếm khoảng 30% tổng lượng nước tiêu thụ, tương đương khoảng 45 lít mỗi người mỗi ngày Nước nóng được tiêu thụ cho các hoạt động với mức trung bình là: 4 lít cho máy giặt, 35 lít cho tắm và 10 lít cho rửa mặt, rửa tay và rửa chén Như vậy tổng lượng nước nóng cho các hoạt động này là 49 lít, cho thấy có sự chênh lệch nhỏ so với 30% của tổng lượng nước mỗi ngày.
- Tiêu thụ trung bình: 49 lít/người/ngày
- Tiêu thụ trung bình cao: > 65 lít/người/ngày
- Tiêu thụ trung bình thấp: >30 lít/người/ngày
Thông tin trên dựa theo thống kê của chính phủ BERR năm 2005 [14] Hiện nay lượng tiêu thụ đó đã tăng lên đáng kể trên mỗi đầu người một ngày
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các tính chất của R134a (CH2F-CF3 Tetrafloetan)
R134a là môi chất lạnh có độ hoàn thiện nhiệt động học tương đối cao, nhưng thua kém so với R12 và R22 Đây là môi chất lạnh mới được sử dụng rộng rãi cho máy lạnh một cấp trong hệ thống điều hòa không khí Vì thành phần hóa học không chứa Clo nên R134a được xem là thân thiện với môi trường, không phá hủy tầng ozone khi rò rỉ Ký tự 'a' trong tên R134a cho biết đây là một đồng phân của chất C2H2F4 [15].
Các tính chất về nhiệt động:
- Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển thấp: p = 1,013 bar; t = -26,2 o C
- Ở nhiệt độ môi trường áp suất ngưng tụ vừa phải: t = 40 0 C; p = 10,1761 bar
- Nhiệt độ tới hạn tương đối cao: tth = 101,15 o C; pth = 40,46 bar
- Nhiệt độ đông đặc điểm 3 pha thấp
- Nhiệt ẩn hóa hơi tương đối lớn, ví dụ r = 269,2 kJ/kg tại -15 o C
- Nhiệt dung riêng đẳng áp vừa phải
R134a có độ nhớt rất nhỏ, thua cả không khí, nên có thể rò rỉ qua các khe hở mà không khí không thể đi qua được Mặc dù độ nhớt của R134a lớn hơn nitơ một chút, khi thử kín nên dùng nitơ khô để phát hiện rò rỉ một cách hiệu quả.
Các tính chất về hóa học:
- Không gây nổ; tuy nhiên ở nhiệt độ cao R134a phân hủy thành chất cực kỳ độc hại như HF
Trong hệ thống làm lạnh sử dụng R134a, dầu bôi trơn chuyên dụng có khối lượng riêng ρ nhỏ hơn khối lượng riêng của lỏng R134a, do đó độ hòa tan dầu trong R134a phụ thuộc vào loại dầu được dùng Ví dụ tại −15 °C, mật độ của lỏng R134a là khoảng 1428,57 kg/m^3 Để tăng khả năng hòa tan dầu và tối ưu hiệu suất hệ thống, người ta thường dùng các loại dầu bôi trơn như POE (polyolester), PAG (polyalkyleneglycol) hoặc PG (polyglycol) Việc chọn đúng loại dầu bôi trơn giúp đảm bảo sự hòa tan dầu, ổn định hệ thống và kéo dài tuổi thọ thiết bị. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
- Không ăn mòn kim loại; R134a là môi chất bền vững về mặt hóa học
- Không hòa tan được nước; do đó có thể tách nước ra khỏi R134a bằng các chất hút ẩm thông dụng
- Khi rò rỉ khó phát hiện: R134a không màu, không mùi, không vị
- Khi rò rỉ không làm hỏng các sản phẩm cần bảo quản lạnh
Các tính chất về sinh lý: Độc hại
Các tính chất về kinh tế: Hiện tại còn đắt tiền, dễ kiếm
Các tính chất về môi trường: Là môi chất thân thiện với môi trường.
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống gồm hai ống có đường kính khác nhau được lồng vào nhau, tạo thành ống trong và khoảng không gian giữa hai ống Một lưu chất chảy bên trong ống trong, còn lưu chất kia lưu thông ở khu vực khoang giữa hai ống Sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất diễn ra qua bề mặt ống trong bị ống ngoài bao bọc, giúp truyền nhiệt hiệu quả từ dòng lưu chất này sang dòng lưu chất kia.
2.2.1 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống thẳng Ống lồng ống thẳng là loại thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng tương đối phổ biến trong thiết bị TĐN kiểu ống lồng ống bởi vì nó có cấu tạo tương đối đơn giản, gồm có ống lồng thẳng bên ngoài bao bọc ống thẳng bên trong, ống trong nối với nhau bởi các cút cong, còn ống bên ngoài sẽ được nối với nhau bởi các đầu chuyển hướng và các chắn ba, chúng có thể lắp ghép bằng rắc co nối hoặc là các bích nối tùy thuộc vào công suất của tải
Hình 2.1 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống thẳng [16]
2.2.2 Ống lồng ống cong, xoắn
Thiết bị ống lồng dạng hình xoắn tròn gồm các ống có kích thước lớn nhỏ lồng vào nhau được định vị tâm sao cho khoảng cách giữa chúng luôn đều và sau đó được uốn cong Mặc dù quá trình chế tạo phức tạp, thiết bị này mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt cao và tiết kiệm diện tích mặt bằng lắp đặt Ở loại thiết bị này, hai môi chất sẽ di chuyển cưỡng bức trong không gian hình xoắn có bán kính cong R; môi chất ở bên trong hình thành một dòng tuần hoàn phụ nhờ lực ly tâm, dòng phụ mạnh hơn làm tăng độ rối và từ đó tăng cường trao đổi nhiệt lên đáng kể.
Hình 2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống cong, xoắn [17]
2.2.3 Ống lồng ống elipse, chữ nhật
Loại ống lồng này có cấu tạo tương tự ống lồng dạng hình tròn xoắn, nhưng khi ghép vào nhau chúng được uốn thành khuôn hình elip Nhờ biên dạng elip, dòng môi chất có thể di chuyển qua các đoạn uốn, tại các vị trí ngoặt và chuyển hướng mà không bị cản trở, từ đó tối ưu hóa lưu lượng và giảm lực cản trong hệ thống ống lồng.
Hình 2.3 mô tả thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống ellipse Đối với các loại ống lồng ống vuông hoặc hình chữ nhật, việc tạo rối của dòng môi chất trong quá trình lưu thông sẽ lớn hơn, từ đó tăng cường tỏa nhiệt đối lưu Môi chất bên trong có những nhánh dòng đột ngột xuất hiện nhiều lần do các kích thước có định dạng khác nhau tại các góc, kéo dài thời gian tiếp xúc giữa hai dòng và hình thành một dòng tuần hoàn phụ để tăng khả năng tạo rối, từ đó nâng cao trao đổi nhiệt ở cả hai phía của môi chất.
Hình 2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống chữ nhật [19]
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn
Đây là thiết bị truyền nhiệt được sử dụng sớm nhất trong công nghiệp, có cấu tạo gồm hai bộ phận chính là ống xoắn và thân thiết bị Thành ống xoắn là bề mặt truyền nhiệt, vì vậy vật liệu làm ống xoắn phải có hệ số dẫn nhiệt cao như đồng, nhôm hoặc kẽm Thân thiết bị có dạng hình trụ kín hoặc hở, vật liệu làm thân thường là thép.
Hình 2.5 Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn [20]
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Tính toán chu trình máy lạnh 1 cấp
Hình 3.1 Đồ thị lg p – h và T – s của chu trình máy lạnh 1 cấp
3.1.1 Chọn các thông số làm việc của hệ thống
Chế độ làm việc của một hệ thống được đặc trưng bởi bốn nhiệt độ sau:
- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất;
- Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh;
- Nhiệt độ quá lạnh lỏng trước van tiết lưu;
- Nhiệt độ hơi hút về máy nén
Theo tài liệu [15-Tr.13] ta chọn nhiệt độ các điểm đặc trưng như sau:
- Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 52 0 C
- Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh: t0 = 6 0 C
- Nhiệt độ quá lạnh lỏng trước van tiết lưu t4 = 45 0 C
- Nhiệt độ hơi hút về máy nén t1 = 11 0 C
3.1.2 Tính toán chu trình hệ thống lạnh
Bảng 3.1 Thông số các điểm nút của chu trình Điểm t ( 0 C) p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kg.độ)
Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h1 – h5 = 406,85 – 270 = 136,85 (kJ/kg) Lưu lượng môi chất tuần hoàn trong trong hệ hệ thống:
Với: Q0 = 3800 w (công suất lạnh lý thuyết của máy lạnh 1,5 HP)
Tính toán trao đổi nhiệt qua ống xoắn
Chọn thông số làm việc của thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn:
+ Lưu lượng G3 = 20 (lít/giờ) = 20/3600 (kg/s)
Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng nước từ 30 0 C lên 45 0 C
3600 4,174 10 3 (45 − 30) = 347,83 (𝑤) Chọn ống trao đổi nhiệt
Bảng 3.2 Bảng thông số ống đồng cuộn PC của Toàn Phát [21]
Tra catalogue ống đồng cuộn PC của Toàn Phát:
- Chọn ống có kích thước đường kính ngoài là: d1 = 7,94 mm
- Tra catalogue chọn độ dày ống đồng là δ1 = 0,51 mm
- Ta được đường kính trong là
Tính diện tích trao đổi nhiệt
- Q là nhiệt lượng nước nhận được từ 30 0 C lên 45 0 C,
- k là hệ số truyền nhiệt W/m 2 K,
- Δttb: Độ chênh nhiệt độ logarit trung bình
Theo tài liệu [22-Tr.28], do ống có chiều dày mỏng (𝑑 1 /𝑑 1𝑡𝑟 = 1,14 < 1,4) nên quá trình truyền nhiệt trong vách trụ coi là vách phẳng, lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo công thức:
Trong phân tích truyền nhiệt qua ống trao đổi nhiệt, hai hệ số trao đổi nhiệt giữa môi chất và bề mặt ống được nhắc đến là hệ số trao đổi nhiệt bên trong và hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài, đều có đơn vị W/m^2K Các hệ số này cho biết khả năng trao đổi nhiệt ở hai mặt của ống và được dùng để đánh giá hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống Đồng thời, λ là hệ số dẫn nhiệt của ống đồng, có đơn vị W/mK, với giá trị λ = 401 W/mK theo tài liệu [23-Tr.2], cho thấy ống đồng có khả năng dẫn nhiệt cao và ảnh hưởng lớn đến sự truyền nhiệt trong hệ thống.
3.2.1 Hệ số tỏa nhiệt của R134a chảy bên trong ống là α 1 :
Chọn nhiệt độ môi chất R134a vào và ra khỏi ống xoắn là: t1 = 56 0 C, t2 = 36 0 C Nhiệt độ trung bình của R134a là:
Với nhiệt độ này ta tra bảng thông số vậy lý chất lỏng R134a ở trạng thái bão hòa ta có:
Lưu lượng R134a cần làm lạnh qua ống xoắn với ∆𝑡 0 = 56 – 36 = 20 0 C:
Ta có lưu lượng của R134a trong ống xoắn là
Vì 𝑅𝑒 𝑓1 = 1,11 × 10 4 > 1 × 10 4 theo tài liệu [24-Tr.217] nên chât lỏng chuyển động rối trong ống, theo công thức ta có:
Lấy nhiệt độ trung bình bề mặt của ống bằng với nhiệt của môi chất ta được ttb 51 0 C nên Prr1 = Prr2 = 3,532
R134a chuyển động trong ống xoắn nên: 𝜀 2 = 1 + 1,77 𝑑 1𝑡𝑟
Với R là bán kính vòng xoắn Chọn chu vi mỗi vòng xoắn là 50 cm ta được R = 8 cm
3.2.2 Hệ số trao đổi nhiệt của nước bên ngoài ống α 2 :
Nhiệt độ của nước là: 𝑡 𝑓 = 30 0 C Nhiệt độ bề mặt ngoài của ống là tw và nhiệt độ của nước xung quanh bề mặt ngoài của ống chọn tw = 50 °C
Với nhiệt độ t = 40 °C ta tra bảng thông số vậy lý của nước trên đường bão hòa ta có:
Theo tiêu chuẩn Grashoft ta có:
Với 𝑅𝑎 2 = 3,114 × 10 6 , dòng chảy trong trường hợp này là dòng chảy tầng, tra bảng 10.1 [5-Tr215] ta tỡm được C = 0,54 và n = ẳ
0.00794 = 1814 W/𝑚 2 K Thay vào công thức k ta được:
3.2.3 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình
Hình 3.2 Đồ thị hiệu số nhiệt độ trung bình của thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn.
3.2.4 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
526,47 × 8,25 = 0,08 𝑚 2 Chiều dài đoạn ống xoắn:
Tính chọn bình chứa nước
Chọn bình nước có các thông số sau:
- Dung tích bình nước: V = 20 lít
- Đường kính trong bình nước: d = 185 mm
Hệ số hiệu quả năng lượng
Hệ số hiệu quả năng lượng của hệ thống lạnh:
Với: Công có ích là công suất lạnh khi máy chạy đủ tải Q0 = 3800 w
Công suất điện của máy lạnh 1,5 HP khi chạy đủ tải Qđ 50 w
Hệ số hiệu quả năng lượng khi kết hợp hệ thống lạnh với hệ thống gia nhiệt nước:
1150 = 3,61 Với công có ích là công suất lạnh và công làm nóng nước:
* Nhận xét: COP 2 > COP 1 do đó việc kết hợp hệ thống lạnh với hệ thống gia nhiệt nước sẽ giúp tiết kiệm năng lượng hơn
HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống
Hình 4.1 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống
1 Máy nén; 2 Thiết bị ngưng tụ; 3 Thiết bị tiết lưu;
4 Thiết bị bay hơi; 5 Thiết trao đổi nhiệt ống lồng ống;
Khi môi chất lạnh rời máy nén ở áp suất cao và nhiệt độ cao, nó đi vào thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Tại đây, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra giữa môi chất lạnh ở bên trong ống và môi chất lưu thông ở vùng giữa hai ống; môi chất lạnh bên trong nhả nhiệt, làm cho môi chất ở phía ngoài nhận nhiệt và bay hơi Hơi môi chất sau đó được đưa vào bộ trao đổi nhiệt tiếp theo để tiếp tục chu trình làm lạnh.
Trong hệ thống trao đổi nhiệt, ống xoắn được dùng để gia nhiệt nước trong bình Môi chất trao đổi nhiệt sau khi truyền nhiệt cho nước nhả nhiệt và ngưng tụ, rồi quay trở về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Dựa trên nguyên lý đối lưu tự nhiên, chu trình trao đổi nhiệt lặp lại liên tục, tạo thành một vòng kín giúp quá trình gia nhiệt diễn ra ổn định và hiệu quả.
Chế tạo hệ thống
Tên vật tư Hình ảnh
Dàn lạnh Ống nước uPVC ỉ200 Ống đồng ỉ6, ỉ8, ỉ10, ỉ16 Đồng hồ đo áp suất
Bơm chân không Đồng hồ nạp gas
Bộ dụng cụ nông, loe, cắt ống đồng
Chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống
Hình 4.2 Chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống
Chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn
Hình 4.3 Chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn
Chế tạo bình trao đổi nhiệt bằng ống nhựa uPVC
Hình 4.4 Chế tạo bình nước trao đổi nhiệt
Sử dụng sắt V5 để làm giá đỡ cho hệ thống
Hình 4.5 Lắp giá đỡ cho hệ thống
Lắp dàn lạnh của hệ thống lên giá đỡ
Hình 4.6 Lắp đặt dàn lạnh
Bọc cách nhiệt cho bình chứa nước, tránh việc trao đổi nhiệt với môi trường
Hình 4.7 Bọc cách nhiệt và lắp đặt bình chứa nước
Kết nối đường ống cấp nước và xả nước cho bình chứa nước
Hình 4.8 Kết nối đường ống nước
Mô hình hệ thống được chế tạo hoàn chỉnh
Hình 4.9 Mô hình hoàn chỉnh
Phương pháp thực nghiệm
Kiểm tra nước cấp, nước cấp vào phải điềm đầy bình chứa, ghi chép thông số nhiệt độ nước cấp vào
Kiểm tra và ghi chép nhiệt độ nước trong bình ở các điểm đáy bình, giữa bình và ở đỉnh bình; nhiệt độ môi trường
Kiểm tra nguồn điện, bật CB và remote cho dàn lạnh hoạt động theo nhiệt độ yêu cầu
Trong quá trình máy nén hoạt động, hệ thống được kiểm tra và ghi nhận sự thay đổi áp suất tại thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, nhằm đánh giá hiệu suất và độ an toàn Nhiệt độ môi chất vào và ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống được đo liên tục, cùng với nhiệt độ môi chất vào và ra khỏi ống xoắn để phân tích trao đổi nhiệt Cường độ dòng điện của hệ thống được giám sát nhằm đảm bảo vận hành ổn định và ngăn ngừa quá tải Nhiệt độ nước trong bình cũng được kiểm tra, giúp tối ưu hóa quy trình và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Việc kiểm tra và ghi chép các thông số được thực hiện sau mỗi 15 phút
Khi nước đạt nhiệt độ mục tiêu, tiến hành xả nước và cấp nước đồng thời cho bình Điều chỉnh lưu lượng nước cấp sao cho nhiệt độ nước ra luôn duy trì ở mức nhiệt độ yêu cầu.
Dữ liệu thu được từ hệ thống thực nghiệm được nghiên cứu tại Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Thời gian thực hiện được bắt đầu từ 8 giờ 30 phút và kết thúc lúc 19 giờ 30 phút cho mỗi ngày Các thông số gồm áp suất, nhiệt độ, điện năng tiêu thụ và lưu lượng nước được thu thập và xử lý bằng phần mềm Excel để phục vụ cho phân tích và đánh giá hiệu quả hệ thống.
Bảng thông số thực nghiệm
Bảng 4.1 Bảng ghi thông số vận hành của hệ thống
Trong hệ thống điều hòa hoặc máy lạnh, các tham số nhiệt độ t1–t6 được theo dõi để tối ưu hóa quá trình làm lạnh và tiết kiệm năng lượng Tại t1 là nhiệt độ môi trường, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất trao đổi nhiệt với dàn lạnh hoặc dàn nóng Nhiệt độ nước cấp t2 xác định biên độ nhiệt cho quá trình làm lạnh, trong khi nhiệt độ nước ra t3 cho biết chất làm lạnh đang được làm lạnh như thế nào Nhiệt độ môi chất ra khỏi máy nén t4 cho thấy trạng thái nén và áp suất, còn nhiệt độ môi chất ra khỏi ống nhiệt t5 cho thấy hiệu quả trao đổi nhiệt ở bộ phận trao đổi nhiệt Nhiệt độ môi chất vào ống xoắn t6 và nhiệt độ môi chất ra khỏi ống xoắn t6 ghi lại sự thay đổi nhiệt độ khi môi chất đi qua cuộn xoắn, từ đó giúp đánh giá chu trình làm lạnh và điều chỉnh tải nhằm tối ưu hiệu suất.
I: Cường độ dòng điện của hệ thống
Khi chạy thực nghiệm hệ thống, các thông số đo đạt được thể hiện qua các bảng thông số sau:
Bảng 4.2 Bảng thông số vận hành khi SET nhiệt độ phòng 17 0 C
60 28,9 27 44,6 63,7 44,3 44,9 32,1 5,5 Bảng 4.3 Bảng thông số vận hành khi SET nhiệt độ phòng 19 0 C
Bảng 4.4 Bảng thông số vận hành khi SET nhiệt độ phòng 21 0 C
60 32,8 31,4 46,5 64,6 48,6 51,6 34,9 5,5 Bảng 4.5 Bảng thông số vận hành khi SET nhiệt độ phòng 23 0 C
Bảng 4.6 Bảng thông số vận hành khi SET nhiệt độ phòng 25 0 C
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Thông số chạy thực nghiệm
5.1.1 Sự ảnh hưởng của chế độ làm lạnh lên nhiệt độ đầu đẩy máy nén và nhiệt độ nước ra
Sự ảnh hưởng của chế độ làm lạnh lên nhiệt độ đầu đẩy máy nén và nhiệt độ nước ra được thể hiện qua các đồ thị sau:
Hình 5.1 Nhiệt độ nước ra và nhiệt độ đầu đẩy của máy nén khi SET nhiệt độ làm lạnh tại 17 0 C
Thời gian (Phút) Nước ra
Nhiệt đầu đẩy của máy nén
Hình 5.2 Nhiệt độ nước ra và nhiệt độ đầu đẩy của máy nén khi SET nhiệt độ làm lạnh tại 19 0 C
Thời gian (Phút) Nước ra
Nhiệt đầu đẩy của máy nén
Hình 5.3 Nhiệt độ nước ra và nhiệt độ đầu đẩy của máy nén khi SET nhiệt độ làm lạnh tại 21 0 C
Thời gian (Phút) Nước ra
Nhiệt đầu đẩy của máy nén
Hình 5.4 Nhiệt độ nước ra và nhiệt độ đầu đẩy của máy nén khi SET nhiệt độ làm lạnh tại 23 0 C
Thời gian (Phút) Nước ra
Nhiệt đầu đẩy của máy nén
Hình 5.5 Nhiệt độ nước ra và nhiệt độ đầu đẩy của máy nén khi SET nhiệt độ làm lạnh tại 25 0 C
Thời gian (Phút) Nước ra
Nhiệt đầu đẩy của máy nén
Khi SET nhiệt độ làm lạnh là 17 0 C thì sau 60 phút nhiệt độ nước đạt được là 44,6
0C với lưu lượng 20 lít/giờ
Khi SET nhiệt độ làm lạnh lần lượt tăng dần từ 19, 21, 23 và 25 0 C thì sau 60 phút nhiệt độ nước đạt được lần lượt là 45,8 0 C, 46,5 0 C, 46,8 0 C, 47 0 C với cùng lưu lượng
=> Thời gian làm nóng nước đến nhiệt độ yêu cầu không ảnh hưởng bởi nhiệt độ SET
Nhiệt độ nước nhận được phụ thuộc duy nhất vào nhiệt độ đầu đẩy của máy nén trong hệ thống Trong quá trình vận hành, nhiệt độ đầu đẩy của máy nén có xu hướng tăng lên theo thời gian, và sự tăng này sẽ khiến nhiệt độ nước nhận được tăng lên tương ứng.
5.1.2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến nhiệt đầu đẩy máy nén
Khi nhiệt độ làm lạnh của phòng được giữ ở mức cố định và nhiệt độ môi trường được thay đổi, sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đối với nhiệt đầu đẩy của máy nén được thể hiện qua bảng số liệu đi kèm Bảng này cho thấy cách nhiệt độ môi trường tác động lên nhiệt đầu đẩy và cho phép phân tích mối quan hệ giữa điều kiện xung quanh và hiệu suất vận hành của hệ thống nén khí, từ đó hỗ trợ tối ưu hóa quá trình làm lạnh dựa trên điều kiện khí hậu ngoài trời.
Bảng 5.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường tới nhiệt độ đầu đẩy của máy nén
Ở nhiệt độ môi trường 28,3°C, nhiệt độ đầu đẩy của máy nén là 63,7°C Khi nhiệt độ môi trường tăng lên 34,5°C, nhiệt độ đầu đẩy tăng lên 64,9°C, cho thấy nhiệt độ đầu đẩy của máy nén có sự nhạy cảm với nhiệt độ môi trường và tăng nhẹ khi nhiệt độ môi trường tăng.
=> Khi nhiệt độ môi trường tăng thì nhiệt độ đầu đẩy máy nén tăng theo
Khi nhiệt độ môi trường tăng thì tk cao Khi nhiệt độ ngưng tụ tăng sẽ ảnh hưởng tới máy nén, do đó nhiệt độ đầu đẩy tăng theo
=> Từ đây ta thấy nhiệt độ nước ra cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của môi trường.
Hệ số tiết kiệm năng lượng thực
Sau 60 phút vận hành, máy lạnh cho thấy hoạt động ổn định khi cường độ dòng điện đạt 5,5 A Tuy nhiên, nhiệt độ môi trường ảnh hưởng khiến nhiệt độ nước ra thay đổi, từ đó tác động đến hệ số COP và hiệu suất làm lạnh của hệ thống.
𝑄 đ Với Q0= 3800 w ( công suất lạnh khi máy chạy đủ tải)
Qđ = 1150 w ( công suất điện khi máy chạy đủ tải)
Bảng 5.2 COP theo nhiệt độ môi trường
Hình 5.6 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến hệ số tiết kiệm năng lượng
* Nhận xét: Kết quả thực nghiệm cho ta thấy rằng tại nhiệt độ môi trường là 28,3
0C thì COP đạt giá trị cao nhất là 3,7 và tại nhiệt độ 32,8 0 C thì COP đạt giá trị thấp nhất là 3,63
Nhiệt độ môi trường (độ C)