(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Trong giai đoạn phát triển kinh tế và công nghiệp hóa hiện đại, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là những vấn đề cấp thiết được xã hội quan tâm sâu sắc, đặc biệt là giới nghiên cứu khoa học Ngành công nghiệp nhiệt lạnh tiêu thụ nhiều năng lượng với các hệ thống điều hòa không khí cho tòa nhà, khu chung cư, trường học, trung tâm thương mại và cả trong các nhà máy phục vụ các nhu cầu nóng lạnh như đông lạnh hải sản, trữ đông, sản xuất bánh kẹo, sấy gỗ và cà phê Việc sử dụng các thiết bị trao đổi nhiệt—từ những mẫu treo tường nhỏ gọn đến các hệ thống công suất lớn trong các nhà máy nhiệt điện—là yếu tố then chốt nhằm tối ưu hóa hiệu quả năng lượng và giảm tác động tới môi trường.
Môi chất lạnh là chất tuần hoàn trong hệ thống lạnh, có nhiệm vụ hấp thụ nhiệt của buồng lạnh bằng quá trình bay hơi ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp, rồi thải nhiệt ra môi trường ở áp suất và nhiệt độ cao Môi chất lạnh lý tưởng là những chất không gây hại cho con người, không độc hại với môi trường, không cháy nổ và dễ phát hiện rò rỉ Hiện nay chưa có ga lạnh hoàn hảo, mỗi loại gas lạnh đều có ưu điểm và nhược điểm riêng; khi chọn một ga lạnh cho một ứng dụng cụ thể, mục tiêu là tận dụng nhiều ưu điểm và hạn chế nhược điểm Theo đó, ga lạnh CO2 xuất hiện như một lựa chọn mới CO2 là ga lạnh không mùi, tồn tại tự nhiên nên được xem là thân thiện với con người; về môi trường, GWP của CO2 tương đối thấp và bằng 1, nên so với nhiều ga lạnh khác có thể là một lựa chọn có lợi về mặt môi trường.
CO2 tác động trong thời hạn 100 năm được lấy làm mốc để so sánh, GWP CO2 = 1 thì của các HFC đạt tới hàng nghìn như HFC134a là 1.600, HFC410A là 2.340
Nhằm nắm bắt xu hướng công nghệ hiện đại, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng thiết bị trao đổi nhiệt với môi chất lạnh mới theo nhiều hướng Trong đó, một hướng đáng chú ý là sử dụng thiết bị bay hơi kênh mini kết hợp CO2 làm môi chất lạnh để dần thay thế các loại môi chất lạnh fluorocarbon hiện nay Việc áp dụng thiết bị bay hơi kênh mini giúp thu nhỏ kích thước thiết bị mà vẫn duy trì hiệu quả trao đổi nhiệt cao, mật độ truyền nhiệt lớn và chi phí chế tạo, lắp đặt hợp lý Đồng thời, khi CO2 được sử dụng phổ biến trong hệ thống lạnh thay cho các môi chất lạnh hiện nay, lượng fluorocarbon giảm đi và lượng khí thải fluorocarbon ra môi trường được hạn chế.
Nhằm góp phần cho những giải pháp này, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài
“Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO 2 ” để đáp ứng xu thế hiện nay.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Đã có nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về môi chất CO2 và dàn lạnh kênh mini, cho thấy các kết quả thực nghiệm và lý thuyết đóng góp cho khoa học nhằm phát triển môi chất thân thiện với con người và môi trường cũng như tối ưu hóa hiệu suất làm việc Những nghiên cứu này tạo nền tảng cho đề tài và cung cấp dữ liệu để đánh giá ưu nhược điểm của các môi chất trong hệ dàn lạnh Dưới đây là một số bài báo liên quan mà nhóm đã tham khảo để làm cơ sở thực hiện đề tài.
Gupta và Dasgupta phân tích hệ thống lạnh CO2 trong môi trường Ấn Độ và các thách thức liên quan Họ đã phát triển một mô hình toán học cho toàn bộ hệ thống lạnh CO2 và đánh giá hiệu suất ở các điều kiện vận hành khác nhau trên ba vùng khí hậu của Ấn Độ, trong đó có ảnh hưởng của công suất quạt Kết quả cho thấy công suất quạt ảnh hưởng đáng kể đến COP ở vùng nhiệt độ cao tại Ấn Độ; sự biến đổi công suất quạt chủ yếu phụ thuộc vào vận tốc không khí và ít bị ảnh hưởng bởi số lượng hay cách sắp xếp của bộ làm mát COP cải thiện 5–10% khi vận tốc không khí được giữ ở mức tối ưu, với phạm vi 1–2 m/s được xem là tối ưu trong phân tích Việc thiết kế máy nén chuyên dụng cho từng vùng nhiệt độ rất quan trọng, cho thấy hiệu suất nén nhiệt độ lạnh tăng khoảng 10% từ 60% lên 70%, đồng thời COP tăng khoảng 33% Bài báo cũng nhắc lại tầm quan trọng của môi chất CO2 trong việc thiết kế các hệ thống một cách tối ưu ở các môi trường khác nhau.
Trong nghiên cứu của Bansal [2], môi chất lạnh CO2 đã được chứng minh thành công và được xem là một trong những lựa chọn tiềm năng cho các hệ thống làm lạnh sâu trong ngành thực phẩm, lạnh công nghiệp và cả hoạt động giải trí Hiện nay, CO2 đang nhận được sự quan tâm đáng kể như một giải pháp thay thế cho các môi chất lạnh truyền thống, nhờ khả năng kết hợp hiệu suất và tác động môi trường được cải thiện.
CO2 đã chứng tỏ tính thương mại nổi bật trong lĩnh vực lạnh nhờ các thiết kế phổ biến như hệ thống lạnh ghép tầng và hệ thống lạnh siêu tới hạn, cùng với nhiều mẫu thiết kế và biến thể được phát triển cho các trường hợp sử dụng cụ thể Bài báo trình bày nguyên tắc cơ bản của môi chất lạnh CO2 và các nguyên lý vận hành của hệ thống lạnh CO2, đồng thời giới thiệu các ứng dụng thực tế của CO2 trong công nghiệp lạnh, từ tối ưu hiệu suất năng lượng đến nâng cao khả năng chịu tải và giảm chi phí vận hành.
CO2 trong các hệ thống làm lạnh sâu Đồng thời, còn có một vài thảo luận về việc phân
Ba khía cạnh của nhiệt động lực học được đề cập gồm: nguyên lý nền tảng và các ứng dụng giúp tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống, sự vô hại và an toàn của các ứng dụng nhiệt động lực học đối với con người, và các thách thức cũng như triển vọng thực hiện cho các nghiên cứu và thiết kế mới Nhìn nhận sự vô hại của nhiệt động lực học khi tiếp xúc với con người giúp đảm bảo an toàn và tin cậy khi triển khai công nghệ vào thực tiễn Tuy nhiên vẫn tồn tại nhiều thách thức như tối ưu hóa chi phí, hiệu suất và khả năng mở rộng, đòi hỏi nghiên cứu sâu để chuyển các khái niệm thành thiết kế khả thi Những phân tích này mở ra cơ hội cho các nghiên cứu và thiết kế mới dựa trên nhiệt động lực học, đồng thời định hình lộ trình phát triển công nghệ một cách bền vững và an toàn.
Ge [3] đã thiết kế hai bộ làm mát khí CO2 với hai cấu trúc khác nhau và tích hợp chúng vào một thiết bị thử nghiệm của hệ thống lạnh CO2 để quan sát hiệu suất qua các buổi thử nghiệm Hai mẫu được triển khai theo hai mô hình: mô hình phân tán (mô hình chi tiết) và mô hình tập trung (mô hình đơn giản) Mẫu phân tán được dùng để dự đoán chi tiết các nhiệt độ chất lỏng hoạt động, tốc độ truyền nhiệt cục bộ và ảnh hưởng của sắp xếp mạch ống Tốc độ quạt có thể điều chỉnh nhằm kiểm soát sự quá lạnh và độ chênh lệch nhiệt độ của bộ làm mát khí Khi kích thước bộ trao đổi nhiệt lớn, quạt tốc độ cao được xem là hợp lý Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi tỉ lệ không khí là cách hiệu quả nhất để kiểm soát và giảm thiểu độ chênh lệch nhiệt độ của bộ làm mát khí, dù mức giảm là không lớn.
Peủarrocha và các cộng sự đề xuất một chiến lược kiểm soát và tối ưu hóa thời gian thực dựa trên mô hình thực tế cho các nhà máy lạnh sản xuất CO2, nhằm đảm bảo đáp ứng nhu cầu làm mát và theo dõi liên tục các điều kiện vận hành để đạt hiệu quả tối đa Cách tiếp cận của họ cho phép thu được phản hồi với chỉ ba phép đo và kiểm soát mức mở của van nén cùng tốc độ của máy nén, từ đó giảm thiểu tiêu thụ điện năng của máy nén thay vì tối đa hóa hệ số hiệu suất và loại bỏ một số cảm biến; họ chứng minh bằng toán học rằng hai phương pháp này là tương đương Họ cho biết tối đa hóa COP cho CO2 ở các nhà máy siêu tới hạn hoạt động với tải nhiệt không đổi là tương đương với việc giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng của máy nén, từ đó hỗ trợ thuật toán điều khiển toán học Đề xuất này có thể áp dụng cho bất kỳ hệ thống CO2 siêu tới hạn từ các nhà máy lạnh với một số thông số chung.
Jeong cùng các đồng nghiệp [5] đã nghiên cứu ứng dụng điều hòa không khí vào giải nhiệt thiết bị công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) Các cơ sở ICT đang phát triển nhanh; đồng thời, nhiệt sinh ra trên mỗi đơn vị diện tích ở một trung tâm dữ liệu, nơi các máy chủ và bộ định tuyến được tập trung, là một vấn đề nghiêm trọng về làm mát Nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu suất và đặc điểm của hệ thống trao đổi nhiệt làm mát tại chỗ cho máy chủ, sử dụng CO2 làm chất làm việc nhằm ngăn chặn sự hình thành điểm nóng và giảm tiêu thụ điện năng.
4 Năng lượng tiêu thụ của một hệ thống điều hòa không khí thông thường được đánh giá thông qua các thí nghiệm và mô phỏng được thực hiện tại trung tâm dữ liệu Kết quả cho thấy, đối với tốc độ dòng truyền nhiệt, các kết quả thử nghiệm và mô phỏng nằm trong phạm vi sai số ±5% ở trạng thái hai pha.
Pettersent cùng các cộng sự đã nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt cho hệ thống điều hòa không khí trên phương tiện giao thông và một số thiết bị lạnh dân dụng; chất làm lạnh tự nhiên CO2 ở dạng áp suất cao hiện đang được đánh giá cho các ứng dụng này và các bộ trao đổi nhiệt hiệu quả đang được phát triển và điều tra Bộ trao đổi nhiệt CO2 được thiết kế cho dòng chất làm lạnh có khối lượng cao và sử dụng ống có đường kính nhỏ hoặc ống vi kênh được ép đùn, với hệ số truyền nhiệt của CO2 cao hơn fluorocarbons nên có thể giảm diện tích bề mặt bên trong cần dung thứ Cả hai cấu trúc, ống tròn mở rộng bằng ống kính nhỏ và các đơn vị vi kênh hàn, đã được chế tạo và thử nghiệm thành công Kết quả cho thấy các bộ trao đổi nhiệt của CO2 rất nhỏ gọn và cạnh tranh với dòng HFC/HCFC ban đầu về kích thước vật lý, khối lượng trao đổi và hiệu suất nhiệt Việc giảm kích thước ống và đa dạng hóa thiết kế có thể làm giảm kích thước so với thiết bị HFC-134a.
Yun và cộng sự đã tiến hành phân tích số học cho một thiết bị bay hơi dành cho hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2, và mô phỏng bộ trao đổi nhiệt kênh micro bằng phương pháp thể tích hữu hạn Dựa trên sự so sánh hiệu suất giữa bộ trao đổi nhiệt kênh mini và bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh thiết kế cho CO2, họ đề xuất tối ưu hóa sự bố trí các khu vực (khối) và vận tốc không khí đầu vào cho bộ trao đổi nhiệt kênh mini, dựa trên các yếu tố như kích thước thiết bị, điều kiện không khí ở đầu ra và công suất yêu cầu.
Kau và cộng sự đã xác định áp suất cao của một chu trình lạnh - lạnh siêu tới hạn thực hiện bằng phương pháp đồ họa Khi các điều kiện vận hành khác nhau được xem xét, việc sử dụng một hàm điều khiển hữu ích có thể giúp tối ưu hóa vận hành hệ thống Áp dụng mô hình mô phỏng trạng thái ổn định như được trình bày dẫn đến một phương trình điều khiển đơn giản, cho phép tối ưu áp suất cao của CO2 siêu tới hạn trong chu trình làm lạnh, với điều kiện là thông tin về trao đổi nhiệt và máy nén được cung cấp trong ví dụ của bài báo này.
Có 5 tùy chọn có sẵn cho người dùng Vì áp suất cao phụ thuộc không chỉ vào nhiệt độ môi trường mà còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố vận hành khác, việc kích hoạt đồng thời tất cả các hàm điều khiển gần đúng có thể làm COP giảm, dẫn đến hiệu suất hệ thống không tối ưu Để tối ưu COP và hiệu suất vận hành, nên chọn lọc và cấu hình các hàm điều khiển phù hợp với điều kiện thực tế thay vì bật tất cả các hàm cùng lúc.
Gulloa và các cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất của các thiết bị làm lạnh sử dụng môi chất CO2 (R744) cho một cửa hàng thực phẩm bán lẻ ở châu Âu với khí hậu đa dạng và kết quả cho thấy hệ thống lạnh dùng R744 tiết kiệm năng lượng từ 3% đến 37,1% so với hệ thống dùng môi chất R404A ở cùng công suất trên khắp châu Âu; bài báo cũng cho thấy giới hạn hiệu suất năng lượng thường gặp ở các hệ thống làm lạnh R744 tại nhiệt độ ngoài trời tăng lên có thể bị loại bỏ nhờ sự hỗ trợ của máy phun, và nghiên cứu chứng minh việc dùng máy phun song song cho hệ thống R744 sẽ mang lại hiệu suất cao hơn và thuận lợi cho ngành thực phẩm bán lẻ ở châu Âu; với hiệu quả về mặt năng lượng trong mọi môi trường khí hậu ở châu Âu, môi chất R744 cho thấy tiềm năng lớn cho ngành công nghiệp lạnh.
Baheta và các cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất của chu trình làm lạnh CO2 siêu tới hạn với các tham số vận hành khác nhau và đánh giá COP của chu trình Chu trình được mô hình hóa dựa trên các khái niệm nhiệt động lực học và sau đó được mô phỏng với các tham số điều khiển nhằm điều tra hiệu suất, trong khi các tham số vận hành khác được giữ ở mức ổn định để so sánh COP Kết quả cho thấy COP cao nhất đạt 3,24 khi áp suất làm mát khí đạt 10 MPa; đồng thời chu trình phù hợp cho ứng dụng điều hòa không khí hơn cho chu trình làm lạnh, khi COP tăng lên khi nhiệt độ thiết bị bay hơi tăng Mô phỏng được thực hiện bằng chương trình Excel và các kết quả có thể được dùng trong thiết kế chu trình làm lạnh CO2.
Tình hình nghiên cứu trong nước
PGS.TS Đặng Thành Trung cùng các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm hệ thống điều hòa không khí CO2 với thiết bị bay hơi kênh mibi, áp dụng quá trình quá lạnh Kết quả cho thấy quá trình quá lạnh làm tăng hiệu suất hệ thống so với khi không có quá lạnh Cụ thể, COP đạt 4.97 ở áp suất 77 bar và nhiệt độ bay hơi 15ºC; trong khi ở chế độ không quá lạnh, COP chỉ đạt khoảng 1.59, thấp hơn cả hệ thống điều hòa không khí thông thường Từ kết quả này, người ta đề xuất vận hành hệ thống ở giới hạn áp suất dao động 74-77 bar và nhiệt độ bay hơi dao động 10-15ºC ở chế độ siêu tới hạn để tăng hiệu quả và an toàn.
PGS.TS Đặng Thành Trung cùng các cộng sự đã so sánh tốc độ trao đổi nhiệt giữa một bộ trao đổi nhiệt thông thường và một bộ trao đổi nhiệt kênh micro Kích thước của bộ trao đổi nhiệt kênh micro chỉ bằng 64% so với bộ trao đổi nhiệt thông thường theo thông số từ nhà sản xuất Kết quả cho thấy tốc độ truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh micro cao hơn 145 W, gần bằng với hiệu suất của bộ tản nhiệt scooter Trong quá trình thí nghiệm, việc sử dụng nước làm môi chất cho hiệu suất truyền nhiệt cao hơn so với dung dịch etylen Các kết quả tương đồng với các nghiên cứu liên quan.
PGS.TS Đặng Thành Trung và Th.S Võ Kim Hằng đã thực hiện thí nghiệm nhằm khảo sát sự thay đổi hình dạng và kích thước của thiết bị bay hơi kênh Mini để tăng khả năng làm mát của chu trình điều hòa CO2 Hai thiết bị bay hơi kênh Mini có cùng diện tích truyền nhiệt nhưng được thiết kế với độ dài kênh khác nhau Nhiệt độ môi trường thí nghiệm cho cả hai thiết bị được giữ ở 32,5°C; áp suất làm mát và áp suất bay hơi lần lượt là 77 bar và 42 bar Kết quả cho thấy thiết bị bay hơi E2 (chiều dài ngắn hơn) có khả năng làm mát tốt hơn 6,6 lần so với thiết bị bay hơi dài hơn, nhiệt độ không khí đầu ra của E2 thấp hơn 1,4°C; đồng thời sự phân bố nhiệt độ trên thiết bị bay hơi E2 cũng được tối ưu hơn.
13 với thiết bị bay hơi Nghiên cứu cũng kết luận rằng COP của E2 lớn hơn 0,22 lần so với kết quả thu được từ
ThS Nguyễn Trọng Hiếu cùng các cộng sự đã trình bày thí nghiệm về hệ thống điều hòa không khí CO2 với các bộ trao đổi nhiệt bằng đồng Trong nghiên cứu này, máy nén và bộ làm mát được thử nghiệm bằng phương pháp thủy lực để xác định nhiệt độ bị biến dạng và hư hỏng Kết quả cho thấy máy nén thông thường không phù hợp để sử dụng ở áp suất cao, do COP của chu kỳ rất thấp (chỉ 0,5) Với máy nén CO2, chu kỳ có thể đạt COP 3,07 ở nhiệt độ bay hơi 10°C, giá trị tương đương với COP của hệ thống điều hòa không khí thương mại hiện nay.
Từ các kết quả tổng quan trên, nhóm nhận thấy việc nghiên cứu Năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 còn nhiều hạn chế và chưa rõ ràng Vì vậy, nghiên cứu này thực sự cần thiết.
Mục tiêu đề tài
Thông qua các bài báo khoa học, các công trình nghiên cứu trước nhận thấy rằng việc xác định năng suất lạnh cho hệ thống còn hạn chế và chưa rõ ràng, từ đó nhóm xác định được cho nhóm mục tiêu chính của đề tài:
- Xác định được các thông số nhiệt động tại các điểm nút trong hệ thống điều hòa không khí CO2
- Xác định được năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 dùng dàn lạnh kênh mini.
Phương pháp thực hiện đề tài
Phương pháp tổng quan tài liệu dựa trên việc thu thập và phân tích có hệ thống các nguồn có độ tin cậy cao, bao gồm bài báo khoa học, đề tài luận văn tốt nghiệp và các văn bản, tài liệu nghiên cứu liên quan đến môi chất lạnh Quá trình này giúp xác định xu hướng nghiên cứu, các khoảng trống kiến thức và mức độ nhất quán của thông tin giữa các nguồn, từ đó tổng hợp thành một khung kiến thức cô đọng và dễ tra cứu cho nghiên cứu của bạn Kết quả tổng quan hỗ trợ xác định phương pháp tiếp cận, định hình giả thuyết và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo dựa trên bằng chứng từ các nguồn đã công bố Đồng thời, quá trình đánh giá chất lượng nguồn, trích dẫn đúng chuẩn và tối ưu hóa từ khóa liên quan đến môi chất lạnh được thực hiện nhằm tăng khả năng xuất hiện trên các công cụ tìm kiếm và phục vụ cho mục tiêu SEO.
CO2 nêu rõ được mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phương pháp lý thuyết: tính toán và sử dụng phần mềm thiết kế hỗ trợ
Phương pháp thực nghiệm: so sánh, đối chiếu với kết quả thực tế
Phương pháp phân tích dữ liệu: Nghiên cứu và phân tích các quá trình nhiệt động dựa vào các kết quả thu được trước đó.
Giới hạn đề tài
Hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 với thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và gió cùng với dàn lạnh kênh mini có công suất lạnh 4200W, phù hợp với điều kiện nhiệt độ môi trường tại TP Hồ Chí Minh.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết
Truyền nhiệt thường diễn ra từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp hơn, và có thể được xác định thông qua chênh lệch nhiệt độ trong hệ, tức là dòng nhiệt sẽ xuất hiện khi tồn tại gradient nhiệt độ trong hệ Truyền nhiệt làm thay đổi năng lượng bên trong của cả hai hệ thống liên quan theo Định luật nhiệt động lực học thứ nhất Các kỹ sư cũng xem xét việc chuyển khối lượng của các loại hóa chất khác nhau, lạnh hoặc nóng, để đạt được sự truyền nhiệt hiệu quả Mặc dù các cơ chế này có đặc điểm riêng biệt, chúng thường xảy ra đồng thời trong cùng một hệ thống.
Việc nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ trong hệ là yếu tố then chốt của truyền nhiệt, đóng vai trò là nhiệm vụ chủ đạo trong tính toán thiết kế và kiểm tra Nắm vững quy luật trao đổi nhiệt cho phép ta tăng hoặc giảm sự trao đổi nhiệt giữa các vật tùy theo yêu cầu thực tế Trong nghiên cứu truyền nhiệt, ta vẫn dựa trên hai định luật của nhiệt động học: định luật thứ nhất để xác định cân bằng năng lượng và định luật thứ hai để xác định hướng của quá trình truyền nhiệt Truyền nhiệt là một lĩnh vực kỹ thuật nhiệt liên quan đến tạo dựng, sử dụng, chuyển đổi và trao đổi năng lượng nhiệt giữa các hệ thống vật lý Các cơ chế truyền nhiệt được phân loại thành dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ và truyền năng lượng bằng thay đổi pha.
Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao sang vùng nhiệt độ thấp thông qua sự truyền động năng và va chạm giữa các phần tử và nguyên tử của vật chất Độ dẫn nhiệt, ký hiệu λ hoặc k, thể hiện khả năng nội tại của vật liệu để truyền nhiệt và được coi là một tham số vật lý quan trọng trong mô hình truyền nhiệt Quá trình này có thể được mô tả bằng các phương trình tỷ lệ phù hợp; ở chế độ truyền nhiệt, tốc độ truyền nhiệt tuân theo định luật dẫn nhiệt của Fourier Điều này cho thấy lưu lượng nhiệt tỉ lệ thuận với gradient nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, giúp đánh giá và dự báo hành vi nhiệt của vật liệu trong các ứng dụng kỹ thuật.
Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp qua một vật liệu, được định nghĩa là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích của vật liệu có độ dày xác định khi hai mặt của tấm chịu sự chênh lệch nhiệt độ ΔT Độ dẫn nhiệt của vật liệu, ký hiệu k, cho biết khả năng dẫn nhiệt và được mô tả qua công thức Q/t = k A ΔT / L cho một tấm có độ dày L và diện tích A Nhờ hiểu đúng về độ dẫn nhiệt, người ta có thể thiết kế vật liệu và hệ thống nhiệt hiệu quả hơn, tối ưu hóa khả năng cách nhiệt hoặc tản nhiệt tùy mục đích sử dụng.
2.1.3 Trao đổi nhiệt đối lưu
Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình truyền nhiệt giữa chất lỏng và bề mặt vật rắn, được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng Đối lưu, hay truyền nhiệt đối lưu, là hình thức chủ yếu của sự truyền nhiệt trong chất lỏng và khí, khi nhiệt di chuyển từ nơi này sang nơi khác qua các dòng chất lỏng chuyển động Sự chênh lệch mật độ chất lỏng tạo ra dòng đối lưu, và chính dòng đối lưu này mang theo nhiệt lượng để phân phối tới các khu vực khác nhau.
Đối lưu được phân thành hai loại chính: đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức Đối lưu tự nhiên xảy ra khi sự phân bố nhiệt làm mật độ của chất lỏng hoặc chất khí không đồng đều, sinh ra lực đẩy nổi và gây ra dòng chảy mà không có sự tác động của thiết bị bên ngoài (ví dụ khói bốc lên hoặc gió thổi qua các bề mặt nóng) Đối lưu cưỡng bức là dòng chảy được tạo ra bởi ngoại lực như quạt, bơm hoặc máy thổi Sự khác biệt cơ bản nằm ở nguồn động lực: đối lưu tự nhiên dựa vào chênh lệch mật độ và lực nổi, còn đối lưu cưỡng bức dựa vào tác động của thiết bị ngoài để thúc đẩy dòng chất.
2.1.4 Trao đổi nhiệt bức xạ
Truyền nhiệt bức xạ là hình thức liên quan đến việc trao đổi năng lượng bức xạ giữa
Quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ gồm hai giai đoạn chính: ở giai đoạn 1, nhiệt năng của vật thể thứ nhất được biến thành các sóng điện từ và được phát xạ ra không gian; ở giai đoạn 2, các sóng điện từ này gặp vật thể thứ hai và bị hấp thụ để biến thành nhiệt năng, một phần bị phản xạ lại và một phần có thể xuyên qua vật thể.
Khác với dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt bức xạ không đòi hỏi sự tiếp xúc giữa hai vật thể và có thể diễn ra ngay cả khi hai vật thể ở trong môi trường chân không Năng lượng nhiệt được truyền qua bức xạ thông qua photon, nên quá trình này không cần chất dẫn hay chất lỏng ở giữa Vì đặc tính này, trao đổi nhiệt bức xạ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống hoạt động ở chân không hoặc giữa các vật thể cách xa nhau.
2.1.5 Giới thiệu chung về môi chất lạnh CO 2
CO2 (carbon dioxide) là một loại khí trong suốt, không màu và không có mùi đặc trưng ở điều kiện khí quyển bình thường Trong khí quyển, CO2 chiếm khoảng 0,04% thể tích, tương đương khoảng 380 phần triệu (ppm) Khí thở ra từ cơ thể có nồng độ CO2 cao hơn, khoảng 4% trong khí thở ra.
Dựa vào sơ đồ vùng chuyển pha được thể hiện ở Hình 2.1, chúng ta có thể xác định nhiệt độ tới hạn của R744 là 31,1°C Nhiệt độ tới hạn thấp có nghĩa là R744 khó được sử dụng hiệu quả trong chu trình làm lạnh dưới tới hạn đơn giản vì thiết bị ngưng tụ sẽ không truyền nhiệt ở nhiệt độ tới hạn, làm giảm hiệu quả ngưng tụ và gây thất thoát năng lượng Hơn nữa, khi làm việc ở nhiệt độ gần nhiệt độ tới hạn, hiệu suất của chu trình giảm và nguy cơ vận hành bất thường của thiết bị ngưng tụ tăng lên.
16 thấp hơn nhiệt độ, có sự giảm mạnh của entanpy hóa hơi dẫn đến giảm công suất sưởi và giảm hiệu suất hệ thống
Hình 2.1 Sơ đồ vùng chuyển pha R744 Vùng 1: CO2 ở thể khí
Vùng 3: CO2 ở trạng thái siêu tới hạn (supercritical fluid) khi cả nhiệt độ và áp suất bằng hoặc lớn hơn điểm tới hạn 31 o C và 73,9 bar Trong trạng thái này, CO2 có cả hai tính chất của chất khí và chất lỏng
R744, hay CO2, trong chu trình chuyển pha không bị giới hạn bởi nhiệt độ tới hạn vì nhiệt lượng tỏa ra thông qua sự trượt nhiệt độ (temperature glide) Thiết bị ngưng tụ được thay thế bằng thiết bị làm mát khí, vì ở chu trình này không có quá trình ngưng tụ mà thay vào đó là quá trình làm lạnh khí Lợi thế về lưới nhiệt độ này là đặc biệt cho các ứng dụng như sưởi ấm nước và sưởi ấm không khí (ví dụ quy trình sấy khô), mang lại hiệu quả liên quan Phạm vi nhiệt độ mà làm lạnh R744 có thể hoạt động tối ưu nhất trong chu trình chuyển pha transcritical so với các chất làm lạnh đối lưu khác, từ -50°C đến 120°C Nhược điểm duy nhất của chu trình chuyển pha cho R744 là áp suất cao, với áp suất tới hạn của R744 là 73,9 bar.
Vận hành R744 qua chu kỳ chuyển pha đòi hỏi thiết kế thiết bị chịu áp lực cao, với áp suất tối đa có thể lên tới 73,9 bar Áp suất cao mang lại những lợi ích riêng như thiết bị và hệ thống nhỏ gọn, thiết kế tối ưu, nhưng cũng đi kèm chi phí thiết bị đắt đỏ và các vấn đề an toàn Tuy vậy, nhờ các tiến bộ công nghệ hiện nay, áp lực này không còn là mối quan tâm lớn đối với các hệ thống làm lạnh và điều hòa dùng CO2.
2.1.5.2 Ưu, nhược điểm của CO 2
Có sẵn ở khắp mọi nơi, không phụ thuộc vào nguồn cung cấp đặc quyền nào, giá thành sản xuất thấp, không yêu cầu tái chế
Tính chất vật lý của CO2 được đánh giá cao thuận lợi cho việc làm mát, có năng suất lạnh riêng cao
Có khả năng tương thích và kết hợp tốt với các loại dầu bôi trơn
Độ chênh áp thấp trong đường ống làm việc và trên thiết bị trao đổi nhiệt là hiện tượng phổ biến, đặc biệt khi hệ thống có đường hút dài và đường kính ống nhỏ Sự tác động của đường hút dài và đường ống có đường kính nhỏ làm tăng tổn thất áp suất, làm giảm lưu lượng và hiệu quả trao đổi nhiệt Để khắc phục, cần tối ưu hóa thiết kế đường hút, cải thiện kích thước đường ống và xác định thông số vận hành phù hợp nhằm duy trì chênh áp ở mức tối ưu và đảm bảo hiệu suất hệ thống.
Ít độc và không bắt lửa
Không gây ăn mòn với tất cả các loại vật liệu
Hệ thống có nguy cơ rò rỉ cao Do đó thiết kế của các hệ thống R744 có cấu tạo phức tạp dẫn đến giá thành khá cao
Các thiết bị trong hệ thống cần được kiểm định an toàn thường xuyên do chúng phải làm việc ở áp lực cao
2.1.5.3 Ứng dụng của CO 2 trong công nghiệp lạnh
Trong lĩnh vực điều hòa không khí, R-744 (CO2) đã trở thành tâm điểm nghiên cứu của cả các tổ chức khoa học lẫn ngành công nghiệp do sự cấp thiết của các lựa chọn thay thế HFC và nhu cầu thị trường ngày càng tăng Hàng năm, thị trường máy lạnh dân dụng tiêu thụ hơn 40 triệu bộ, thúc đẩy tăng trưởng và mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi các công nghệ làm lạnh thay thế Mối quan tâm về môi trường trong ứng dụng này tập trung nhiều hơn vào tác động gián tiếp của việc tiêu thụ năng lượng hơn là tác động trực tiếp từ rò rỉ chất làm lạnh; vì vậy, tối ưu hóa hiệu quả năng lượng trở thành yếu tố then chốt Qua nhiều nghiên cứu, kết quả triển vọng với việc áp dụng R-744 cho hệ thống điều hòa không khí được ghi nhận, cho thấy các thiết bị làm lạnh một chiều vận hành tin cậy và hiệu quả hơn so với hệ thống hai chiều.
2.1.5.4 Công thức tính toán liên quan
Hệ số tối ưu a và b: a = Pk/P0 ; b = Pk/Peri
Pk: Áp suất đầu đẩy; Pk = 73,8 bar Po: Áp suất đầu hút
Công thức nhiệt động học:
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hòa không khí CO2
Tính toán lý thuyết
2.2.1 Tính toán thiết bị ngưng tụ
Chọn thông số khí hậu tại TP HCM cho điều hòa cấp 3
Nhiệt độ nhiệt kế ướt Tư = 26,8℃
Nhiệt độ nước giải nhiệt Tn = 27,5℃
Tra theo bảng catalogue ống đồng Toàn Phát chọn ống đồng có:
Thông số lý thuyết các điểm nút của chu trình hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất R744 được xác định và thể hiện ở Bảng 4.1
Bảng 2.1 Thông số lý thuyết chu trình điều hòa không khí CO2 Điểm P (bar) t (°C) h (kJ/kg)
1 40,7 6 427 Để đảm bảo hoạt động của chu trình dưới tới hạn của hệ thống điều hòa không khí
CO2 Tth0,9 0 C Thì nhóm nghiên cứu chọn nhiệt độ ngưng tụ Tk0,5 0 C tại áp suất
Pk = 73 bar Tại thiết bị ngưng tụ diễn ra hai quá trình chính: quá trình 2 đến 2’ là giải nhiệt cho môi chất với nhiệt độ giảm từ 56,5 °C xuống 30,5 °C, đẳng áp; quá trình 2’ đến 3 là ngưng hơi đẳng nhiệt, đẳng áp để môi chất chuyển từ dạng hơi sang dạng lỏng bão hòa Tuy nhiên, để đảm bảo độ chính xác trong quá trình nghiên cứu, nhóm đã tối ưu bằng cách thêm quá trình quá lạnh từ 3 đến 3’ với nhiệt độ giảm và áp suất không đổi.
Máy nén sử dụng trong nghiên cứu là máy nén Dorin CD200 - Model 180H
Ta chọn chu trình lý thuyết theo phần mềm Dorin cho loại máy nén 180H với các thông số đầu vào: t0 = 6 0 C; tk 0,5 0 C
Tra catalogue của hãng, ta được lưu lượng khối lượng:
Hình 2.3 Chu trình điều hòa không khí của môi chất lạnh R744 trên đồ thị p-h
- Tại áp suất Pks bar ứng với tk0,5 0 C ta tra bảng đồ thị nhiệt động của CO2 được: h2 ’= 362 kJ/kg, h’=h3 10 kJ/kg
- Tại áp suất Pk= 73 bar ứng với t2V,5 0 C tra bảng đồ thị nhiệt động của CO2 được h2F1 kJ/kg
- Tại áp suất Pk= 73 bar ứng với nhiệt độ t3’ = 29,5 0 C, tra bảng đồ thị nhiệt động của CO2 ta được h3’ = 292 kJ/kg
Quá trình 2 ’ đến 3 là quá trình ngưng hơi có nhiệt độ t k = 30,5℃ và áp suất không đổi
Tra bảng hơi bão hòa của CO2 tại nhiệt độ 29,439 0 C (Nhiệt độ tb của nước và môi chất), ta có: ρ= 656,05 kg/m3
Trong đó: g- Gia tốc trọng trường, m/s 2 r- Nhiệt ẩn hóa hơi J/kg độ
𝜆- Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng, w/m.độ
𝜌- Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3
𝜗- Độ nhớt động học của chất lỏng, m 2 /s
Các thông số vật lý nhiệt chọn theo tm= 1
2 (ts+tw), nhiệt ẩn hóa hơi r cho theo nhiệt độ bão hòa ts
Tra bảng đồ thị CO2 ta được r = 52,78.10 3 J/kg độ αco2 =0,72 √ 52,78.10 3 656,05 9,81.(0,079138) 3
Hình 2.4 Quá trình trao đổi nhiệt ngưng tụ giữa nước và CO2
Quá trình nhiệt ẩn là quá trình ngưng tụ từ hơi bão hòa khô sang lỏng bão hòa tại nhiệt độ xác định Trong quá trình ngưng tụ, nhiệt lượng được giải phóng khi pha đổi từ hơi sang lỏng, và nhiệt độ của hệ có thể không đổi cho đến khi quá trình ngưng tụ kết thúc Nhiệt ẩn đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và phân tích trao đổi nhiệt, đặc biệt ở các hệ thống làm lạnh và công nghiệp liên quan đến quá trình ngưng tụ Để ước lượng lượng nhiệt được tỏa ra trong quá trình nhiệt ẩn, người ta áp dụng công thức tỏa nhiệt đối lưu để mô tả sự trao đổi nhiệt giữa chất lỏng và môi trường xung quanh và từ đó tối ưu hiệu suất quá trình.
- Qk: nhiệt lượng truyền qua bề mặt trong một đơn vị thời gian, W
- α: Hệ số tỏa nhiệt trên bề mặt, w/m 2 độ
- F: diện tích bề mặt tỏa nhiệt, m 2
- ∆t: Độ chênh nhiệt độ trung bình, 0 C
Chiều dài của ống đồng cần thiết là (ống có Dngoài = 0,004m, Dtrong=0,00278m)
Từ đó ta suy ra: Đối với quá trình nhiệt ẩn Q2’3:
Quá trình 2 đến 2’ là quá trình giảm nhiệt độ đẳng áp
- Hệ số dẫn nhiệt 𝜆= 0,030873 w/mk
4𝑥𝜋.0,00278 2 203,19 = 5,4953m/s Vận tốc chia cho 4 vì trong dàn ngưng nhóm thiết kết 4 đường ống đồng hình lò xo song song nhau
0,00060298.10 −4 %3357,2258 >10000 => Chảy rối Quá trình giảm nhiệt độ từ 56,5 0 C xuống 30,5 0 C Môi chất trong trường hợp này là hơi quá nhiệt Ta xem như không khí
Quá trình 3-3’ là quá trình quá lạnh, có áp suất p k = 73 bar và nhiệt độ giảm từ 30,5 0 C xuống còn 29,5 0 C
- Hệ số dẫn nhiệt 𝜆= 0,082039w/mk
- Nhiệt độ bề mặt tw = 28,846 0 C => Prw = 4,9447
Ta có Re = 65584,4421 > 10000 => chảy rối
Tại quá trình này thì đi từ lỏng bão hòa về lỏng quá lạnh nên ta chọn công thức
3,14 0,00278 = 4 m Tổng chiều dài ống đồng cần lắp đặt:
So sánh với thực tế: 32,6459
2.2.2 Tính toán thiết bị bay hơi
Tính dàn bay hơi theo phương pháp chọn:
Các thông số ban đầu của dàn bay hơi:
- Chiều cao cánh hc = 8mm
- Chiều rộng cánh Bf = 2,2 mm
- Chiều dày của cánh 𝛿 𝐶 = 0,16 mm
- Nhiệt độ không khí vào t1 = 26 0 C, 𝜑 1 = 55%
- Nhiệt độ không khí ra t2 = 16 0 C, 𝜑 2 = 85%
- Diện tích cánh truyền nhiệt trên 1m ống Fc:
: Diện tích một phía của cánh hình chữ nhật, mm 2 ; n c
- Diện tích phần ống không làm cánh ứng với 1m chiều dài ống Foc:
- Tổng diện tích bề mặt (truyền nhiệt) ngoài ứng với 1m ống Fk:
- Tổng diện tích bề mặt trong ứng với 1m ống Ftr:
3,7699.10 −3 = 17,56 Ở nhiệt độ 12 0 C, áp suất 40,7 bar Tra bảng hơi quá nhiệt của CO2,ta đươc h1’C8 kJ/kg, h3’= h4 = 292 kJ/kg
- Năng suất lạnh của dàn bay hơi:
- Diện tích trao đổi nhiệt của Thiết bị bay hơi:
Trong đó: Q0: năng suất lạnh của thiết bị bay hơi W
K: Hệ số truyền nhiệt tổng (W/m 2 K)
∆𝑡 𝑙𝑜𝑔 : Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit
Hệ số truyền nhiệt tổng: k = 1
𝛼 𝐶𝑂2 : Hệ số tỏa nhiệt của CO2
𝛼 𝐴𝑖𝑟 : Hệ số tỏa nhiệt của Không khí
𝜆 𝐴𝑙 : hệ số dẫn nhiệt của Nhôm
𝛿: Bề dày thành thiết bị
- Tính hệ số tỏa nhiệt của Không khí
- Nhiệt độ trung bình của dòng không khí qua dàn lạnh
-Với tk = 21 0 C tìm được thông số vật lý của không khí như sau: Thông số vật lý của không khí khô (trang 518 TL Truyền nhiệt):
- Tốc độ hứng dòng 𝜔 0 thường chọn từ 2 - 4 m/s, ở đây chọn sơ bộ 𝜔 0 = 2,5 m/s, vậy tốc độ qua chỗ hẹp nhất 𝜔 𝑚𝑎𝑥 sẽ là:
- Diện tích chỗ hẹp nhất không khí lưu thông qua:
- Diện tích hứng dòng ứng với chiều 1m chiều dài:
15,154 10 −6 = 285,54 Khi làm lạnh dòng không khí qua dàn lạnh, cường độ tỏa nhiệt đối với cánh tấm phẳng có thể dùng công thức sau:
Sc – bước cánh, m dng – đường kính ngoài của ống, m
H – chiều cao cánh, m ω – tốc độ dòng qua chỗ hẹp nhất, m/s
𝜈 – Độ nhớt động học của không khí, m 2 /s
𝜆 – hệ số dẫn nhiệt của không khí, W/m.K
Do sử dụng dàn lạnh mini, chùm ống được bố trí song song, cánh hình chữ nhật nên ta có hệ số như sau:
Tại t1= 26 0 C tại độ ẩm bảo hòa 100% -> p1bh = 0,03133 bar
Tại t2 = 16 0 C tại độ ẩm bảo hòa 100% -> p2bh = 0,01733 bar
𝜆: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm cánh, W/m.k
Chọn vật liệu làm cánh là nhôm nên 𝜆#7 W/m.k
Cánh làm Dàn bay hơi mini là cánh hình chữ nhật
Do sự phân bố nhiệt độ nên hệ số toả nhiệt không đồng đều trên toàn bộ bề mặt cánh Theo kinh nghiệm chọn hệ số 𝜓 = 0,85
Kết quả tính toán α_air = 88,67 W/m^2·°C cho quá trình trao đổi nhiệt với không khí, gần đúng với biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa đường kính thủy lực và hệ số cường độ tỏa nhiệt về phía không khí Trong tính toán này đường kính thủy lực d_ng = 2 mm (2000 μm).
Hình 2.5 Đồ thị thể hiện sự liên hệ giữa đường kính thủy lực với hệ số truyền nhiệt
Sau khi so sánh, kết quả tính toán hệ số truyền nhiệt được xác nhận là phù hợp với đường kính thủy lực, nên có thể áp dụng công thức tính hệ số tỏa nhiệt của ống thông thường cho thiết bị ống mini Việc này giúp chuẩn hóa tính toán tỏa nhiệt cho các thiết bị ống nhỏ và hỗ trợ tối ưu thiết kế, dự báo hiệu suất và hiệu quả truyền nhiệt trong hệ thống.
- Hệ số tỏa nhiệt khi sôi trong ống 𝛼 𝐶𝑂2 :
+ Tốc độ khối lượng vm:
Theo chiều dòng chảy có 10 hàng ống (n2 = 10), số dãy ống môi chất vào có 6 dãy
(60 ống), môi chất tuần hoàn trong 1 hàng có lưu lượng Ga = 16,27 kg/h
Trong nghiên cứu cường độ tỏa nhiệt phía trong ống, ký hiệu αCO2 được xác định để lựa chọn công thức tính toán phù hợp Để chọn công thức tính αCO2 một cách chính xác, cần xác định mối quan hệ giữa tốc độ khối lượng vm và tốc độ tới hạn vcm Việc làm rõ quan hệ này làm cơ sở cho việc xây dựng và áp dụng công thức tính αCO2, từ đó tối ưu hóa mô hình tỏa nhiệt bên trong ống và cải thiện độ tin cậy của kết quả tính toán.
Trong thiết kế này, sơ bộ chúng ta giả thiết vm < vcm (giả thiết này sẽ được kiểm nghiệm lại ở phần sau) Trong trường hợp này 𝛼 𝐶𝑂2 được tính:
𝑐 7 𝜇 Trong đó 𝜇 là phân tử lượng của môi chất, với R744 thì 44, 01 Hệ số e = 10,1 (Trang 450 TL Truyền nhiệt) c được định nghĩa như sau:
Trong đó: tb: Nhiệt độ điểm sôi tiêu chuẩn, với R744 tb = -78,52 o C (Bảng 15.6, TL[8]) to: Nhiệt độ môi chất sôi và hoá hơi trong dàn bay hơi, chọn to = 6 o C
Biến thiên nhiệt độ tại dàn bay hơi được thể hiện trong Hình 2.6 Khi nhiệt độ không khí trong phòng ở trạng thái ổn định là 26°C và hệ thống vận hành ổn định, nhiệt độ không khí vào dàn bay hơi là 26°C, còn nhiệt độ không khí ra khỏi dàn bay hơi là 16°C.
- Tính hệ số truyền nhiệt k xét theo bề mặt ngoài:
Xét đến nhiệt trở dẫn nhiệt thì hệ số truyền nhiệt sẽ được tính theo công thức:
Trong đó: : Chiều dày vách ống nhôm, 𝛿 𝐴𝑙 = 0,4 𝑚m
: Hệ số dẫn nhiệt của ống nhôm, 𝜆 𝐴𝑙 = 237 W/m 2 độ
- Mật độ dòng nhiệt tính quy về bề mặt trong của ống là qtr:
11,28.10 −3 +0,0468𝑞 𝑐𝑜2 −0,7 14,427 W/m 2 Giải phương trình trên ta được 𝑞 𝑐𝑜2 = 22075,025 W/m2
Với 𝑞 𝑐𝑜2 = 22075,025 W/m 2 , xác định lại hệ số 𝛼 𝑐𝑜2 , k:
Kiểm định lại giả thiết 𝑣 𝑚 > 𝑣 𝑐𝑚 ta thấy:
𝑣 𝑐𝑚 : tốc độ khối lượng tới hạn
Ta thấy 𝑣 𝑚 < 𝑣 𝑐𝑚 nên gia thiết ban đầu của bài là đúng
Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi
2.2.3 Tính toán năng suất lạnh của hệ thống theo lý thuyết
Lưu lượng môi chất qua máy nén theo catalogue của máy nén Dorin
Công nén đoạn nhiệt để nén G kg môi chất lạnh từ trạng thái 1’ đến trạng thái 2:
Năng suất giải nhiệt cho G kg môi chất lạnh tại thiết bị ngưng tụ:
Năng suất lạnh của G kg môi chất lạnh tại thiết bị bay hơi:
Hệ số hiệu quả năng lượng COP của chu trình lạnh:
THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM
Thiết kế mô hình và hệ thống thực nghiệm
Nghiên cứu được thực nghiệm dựa trên hai mô hình dàn bay hơi kênh Mini, với kích thước mô hình được trình bày trong Bảng 3.1 Dàn bay hơi được chế tạo từ các ống dẹp bằng nhôm với các kênh nhỏ để dẫn môi chất, có các kích thước khác nhau, và dàn còn được trang bị các cánh bằng nhôm như thể hiện trong Hình 3.1 Dàn lạnh đã được thử nghiệm với phương pháp kiểm tra thủy lực mà không làm hỏng hoặc biến dạng ở áp suất 90 bar Bảng 3.1 tóm tắt đầy đủ các thông số kỹ thuật của các dàn bay hơi.
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật dàn bay hơi Mini
Thông số Dàn ống Mini
Kích thước thiết bị (mm) 540x360x200 Diện tích truyền nhiệt (m 2 ) 4,5
Số ống bên trong dàn 34
Số kênh bên trong ống 34x10 Đường kính kênh (mm) 1,6 x 1,2
Số dãy cánh nhôm tản nhiệt 35
Kích thước cánh nhôm (mm) 20 x 8 x 0,2
Hình 3.1 Dàn bay hơi kênh Mini 3.1.2 Hệ thống thực nghiệm
Hệ thống thí nghiệm lạnh sử dụng môi chất R744 nhằm xác định năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí vận hành với R744 theo thời gian Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm và thiết bị ngưng tụ thực tế được thể hiện trong Hình 3.2.
Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm hệ thống
Trong hệ lạnh, các thành phần chính được liệt kê gồm máy nén lạnh (a), thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước và gió (b), van tiết lưu (c) và dàn bay hơi kênh Mini (d); trong đó 1, 2, 3, 4 là các điểm đo nhiệt độ và áp suất nhằm theo dõi và kiểm soát quá trình nén, ngưng tụ, hạ áp và bay hơi để tối ưu hiệu suất và an toàn vận hành.
Hình 3.3 Thiết bị ngưng tụ thực nghiệm thực tế
Trong một hệ thống làm mát công nghiệp, các thành phần chính gồm Lồng quạt và Quạt đặt trên Giá đỡ và Khung chắn để cố định và bảo vệ, Bể chứa nước cung cấp nguồn nước cho quá trình làm mát và được bảo vệ bởi Mái che; Tấm làm mát giúp tăng cường trao đổi nhiệt Nước cấp qua Ống cấp nước được đưa tới Bơm nước, đẩy qua Ống phun nước và phân phối nhờ Ống đồng cùng Co ống tới các đầu phun Van chặn và Van xả nước được lắp đặt để kiểm soát dòng chảy và thoát nước khi cần Các Ống thủy và các Co ống kết nối giữa các bộ phận, trong khi Môi chất vào và Môi chất ra xác định luồng chất làm mát vào và ra khỏi hệ thống, đảm bảo vòng tuần hoàn liên tục và hiệu quả làm mát.
Nguyên lý làm việc của hệ thống lạnh được mô tả như một chu trình đóng: van chặn nhánh thiết bị bay hơi mở, môi chất lạnh R-744 ở trạng thái hơi quá nhiệt được máy nén hút vào, nén lên áp suất và nhiệt độ cao trước khi vào thiết bị ngưng tụ; tại đây, nước làm mát môi chất lạnh và không khí làm mát nước giúp quá trình ngưng tụ diễn ra hiệu quả Sau đó, môi chất đi qua van tiết lưu thực hiện quá trình tiết lưu đẳng áp và hạ nhiệt độ, đưa vào kênh Mini bay hơi để làm lạnh không khí; tại khu vực này, các thông số nhiệt động và độ ẩm của không khí được ghi nhận bởi cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm Hơi bão hòa từ thiết bị bay hơi bị quá nhiệt được máy nén hút trở lại để hoàn thành chu trình, chu trình sẽ tiếp diễn liên tục Để giám sát vận hành, hệ thống lắp đặt 5 cảm biến nhiệt độ và 4 đồng hồ đo áp suất tại các điểm quan trọng của chu kỳ.
Các thiết bị trong thực nghiệm
Máy nén là trái tim của chu trình làm lạnh, bắt đầu khi máy nén hút khí lạnh ở áp suất thấp từ thiết bị bay hơi Chức năng chính của máy nén là nén môi chất lạnh, làm nhiệt độ và áp suất tăng lên để khi ra khỏi máy nén ở dạng khí nóng, áp suất cao Trong thực nghiệm, máy nén lạnh CO2 được sản xuất bởi hãng Dorin, model CD 180H, là loại piston, nửa kín, cấp nguồn 3 pha, điện áp 380V và tần số 50Hz, được thể hiện như Hình 3.4.
Hình 3.4 Máy nén Dorin sử dụng trong nghiên cứu
3.2.2 Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước và gió
Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ ngưng tụ gas quá nhiệt sau máy nén thành chất làm lạnh ở trạng thái lỏng Quá trình vận hành của ngưng tụ ảnh hưởng đến áp suất và nhiệt độ ngưng tụ, từ đó tác động tới hiệu suất và độ an toàn của toàn hệ thống lạnh Trong nghiên cứu này, nhóm sử dụng thiết bị ngưng tụ kết hợp nước và không khí để giải nhiệt, với nước chịu trách nhiệm giải nhiệt cho môi chất lạnh còn không khí giải nhiệt cho nước, được gọi là thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước–gió.
Hình 3.5 trình bày dàn ngưng tụ giải nhiệt nước và gió: môi chất sau khi nén ở áp suất và nhiệt độ cao được đưa vào thiết bị ngưng tụ, nơi có 4 bộ ống xoắn đi qua bộ chia gas để ngưng tụ và tiến tới van tiết lưu Quá trình làm mát được thực hiện bởi hệ thống phun nước, với các vòi phun phân bố đều ở phía trên phun xuống tấm giải nhiệt nước (cooling pad) như thể hiện trong Hình 3.5.
Tiết lưu là một quá trình không thuận nghịch, trong đó dòng lưu chất chuyển động qua một lỗ bị thu hẹp đột ngột và diễn ra với tốc độ rất nhanh; nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường là rất nhỏ Ảnh van tiết lưu được thể hiện như Hình 3.6.
Hình 3.6 Van tiết lưu Danfoss
Van tiết lưu có 2 nhiệm vụ:
Trong chu trình làm lạnh, môi chất lạnh ở dạng lỏng có áp suất và nhiệt độ cao đi qua các khe của van tiết lưu Quá trình giãn nở qua van tiết lưu khiến áp suất giảm xuống và nhiệt độ hạ xuống đáng kể, nên sau khi qua van tiết lưu môi chất lạnh có áp suất thấp và nhiệt độ thấp.
Van tiết lưu sẽ điều chỉnh lượng môi chất lạnh được vào dàn lạnh, tùy thuộc vào nhiệt độ trong phòng
3.2.4 Thiết bị bay hơi kênh mini
Dàn bay hơi có chức năng làm lạnh không khí đi qua nhờ quạt, làm cho nhiệt độ không khí giảm khi tiếp xúc với dàn lạnh Nhiệt lượng của không khí được hấp thụ bởi dàn lạnh và truyền sang môi chất lạnh, sau đó được đưa tới dàn nóng để thải nhiệt ra môi trường Ảnh thực của dàn bay hơi mini được thể hiện như Hình 3.7.
Hình 3.7 Dàn bay hơi kênh mini
3.2.5 Đồng hồ hiển thị áp suất
Hiển thị áp suất vận hành cho hệ thống lạnh, giúp theo dõi và điều chỉnh quá trình làm lạnh một cách hiệu quả Mô hình thực nghiệm sử dụng bốn đồng hồ đo áp suất: áp suất hút, áp suất đầu đẩy, áp suất trước tiết lưu và áp suất sau tiết lưu, phục vụ việc ghi nhận đầy đủ các tham số của chu trình lạnh Ảnh các đồng hồ hiển thị được thể hiện như Hình 3.8.
Hình 3.8 Đồng hồ cảm biến áp suất
3.2.6 Đồng hồ đo nhiệt độ
Trong mô hình thực nghiệm này, nhiệt độ của điểm cần đo được hiển thị rõ ràng Mô hình sử dụng hai loại cảm biến để theo dõi và so sánh nhiệt độ, nhằm đánh giá sự tương đồng và khác biệt giữa chúng trong quá trình thử nghiệm Các cảm biến được thể hiện như Hình 3.9 và Hình 3.10, cung cấp cái nhìn trực quan về vị trí lắp đặt và phương pháp đo trong hệ thống.
Thiết bị đo nhiệt độ thường DS-1
- Thiết bị đo nhiệt độ với đầu dò DS-1 là thiết bị được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ hệ thống lạnh
- Các thông số kỹ thuật như sau:
Dãy nhiệt độ hoạt động: -50 0 C ÷70 0 C
Hình 3.9 Thiết bị đo nhiệt độ thường có dầu dò DS-1
Thiết bị đo nhiệt độ Extech
Thiết bị đo nhiệt độ Extech loại 421509 có hai kênh đo như hình, được sử dụng trong hệ thống để đo nhiệt độ tại các điểm nút của hệ thống lạnh và được thể hiện trên Hình 3.10 Thiết bị có thể sử dụng với nhiều loại cặp nhiệt khác nhau, như K và J, mang lại sự linh hoạt cho quá trình đo ở nhiều phạm vi nhiệt độ khác nhau.
T, E, R, S, N Cặp nhiệt sử dụng hiện tại trong nghiên cứu này là cặp nhiệt loại K Khi
38 sử dụng cặp nhiệt loại K, thiết bị có phạm vi đo từ -20 250 0 C và độ chính xác: ± 0,75 % rdg
Hình 3.10 Đồng hồ hiển thị nhiệt độ Extech
3.2.7 Thiết bị đo lưu lượng
Nhằm tăng tính chính xác của thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã bổ sung bộ đo lưu lượng Turbine Flow Meter Model DGTT-015S để lấy tín hiệu lưu lượng cho đường hút của máy nén, như được thể hiện trên Hình 3.11.
Các thông số làm việc:
Áp suất tối đa 100 bar
Dãy nhiệt độ môi chất :-40 -150 0 C
Hình 3.11 Cảm biến lưu lượng Turbine Flow Meter DGTT-015S
Biến tần là thiết bị thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ để điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp và loại bỏ sự phụ thuộc vào hộp số cơ khí Nó sử dụng các linh kiện bán dẫn đóng ngắt tuần tự dòng điện vào các cuộn dây, sinh ra từ trường xoay và làm quay động cơ Trong nghiên cứu này, nhóm còn sử dụng thêm biến tần VFD-L 0,4 kW được thể hiện như Hình 3.12 để hỗ trợ việc điều chỉnh tốc độ động cơ, điều khiển quạt và bơm một cách chính xác nhằm tối ưu hóa nhiệt độ ngưng tụ của môi chất dưới điểm tới hạn.
Hình 3.12 Biến tần sử dụng trong điều khiển tốc độ quạt, bơm
Cảm biến áp suất 100 Bar Sensys M5256-C3079E-100BG được sử dụng song song với đồng hồ đo áp suất, như thể hiện ở Hình 3.13 và Hình 3.14 Việc kết hợp hai thiết bị này nhằm tối ưu hóa quá trình thực nghiệm và giảm sai số giữa giá trị áp suất thực nghiệm so với kết quả đo bằng đồng hồ đo áp suất thông thường.
- Các thông số làm việc:
Thân được làm bằng vật liệu thép không gỉ
Dãy nhiệt độ hoạt động: -40 – 125 0 C
Hình 3.13 Cảm biến áp suất thực tế
Hình 3.14 Bộ hiển thị áp suất được kết nối với cảm biến áp suất
Thiết bị đo tốc độ gió AVM-03 được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm này và được thể hiện trong Hình 3.15 Ngoài đo tốc độ gió, thiết bị còn tích hợp cặp nhiệt loại K để đo nhiệt độ; tuy nhiên nhóm nghiên cứu không sử dụng chức năng đo nhiệt độ của lưu tốc kế do dãy nhiệt độ đo của thiết bị chỉ từ 0 đến 60 °C Lưu tốc kế đo tốc độ gió trong phạm vi từ 0,0 đến 45,0 m/s, với sai số là ±3%.
41 Hình 3.15 Lưu tốc kế AVM-03