Tính toán bộ gia nhiệt chu trình lạnh điều hòa nhiệt độ hoán cải tận dụng nguồn năng lượng có nhiệt độ thấp ■ PGS.. DƯƠNG XUÂN QUANG Trường Đại học Hàng hải Việt Nam TÓM TĂT: Bài báo giớ
Trang 1Tính toán bộ gia nhiệt chu trình lạnh điều hòa nhiệt độ hoán cải tận dụng nguồn năng lượng có nhiệt độ thấp
■ PGS TS LÊ VĂN ĐIỂM; ThS NGUYỄN MẠNH CHIỂU; TS DƯƠNG XUÂN QUANG
Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
TÓM TĂT: Bài báo giới thiệu kết quả tính toán quá
trình cấp nhiệt chu trình lạnh máy điều hòa nhiệt độ
hoán cải nhờ tận dụng nguồn năng lượng có chất
lượng thấp như năng lượng mặt trời Bộ nhận nhiệt
được tính toán dựa trên yêu cầu về tải lạnh, có tính
đến mức độ tận dụng năng lượng lấytừ nước nóng
tạo ra nhờcác bộ hâm năng lượng mặt trời dân dụng.
TỪ KHÓA: Chu trình lạnh nén hơi, điều hòa năng
lượng mặt trời, hệ số hiệu quả (COP).
ABSTRACT: The paper introduces modelling
of hybrid single-stage vapor-compression air-
conditioning refrigeration cycle with an introduction
of a heat addition to reduce compression work by
utilizing low qualityheatsource such assolar energy
Calculations of heat addition based of cooling load
requirement, taking into account power reduction
thanks to energy addedfrom hot water produced by
home solar water heater
KEYWORDS: Vapor-compression refrigeration
cycle, hybrid solar refrigeration cycle, coefficient of
performance (COP).
1.
ĐẶTVẤNĐỂ
Sự phát triển kinh tế ở Việt Nam những năm gần đây
đã kéo theo nhu cấu ngày càng tăng về tiện nghi cho
con người, trong đó có nhu cầu vể điểu hòa không khí
Những tòa nhà nhỏ hay hộ gia đình thường sử dụng các
máy điều hòa độc lập dạng dàn nóng và dàn lạnh độc lập
(split-type) Chi phí năng lượng là vấn đề lớn nhất khi sử
dụng điều hòa không khí Việc nghiên cứu tận dụng năng
lượng mặt trời cho điều hòa nhiệt độ vì vậy thu hút được sự
quan tâm nghiên cứu Các hệ thống điều hòa theo nguyên
lý hấp thụ hay sử dụng pin mặt trời bước đấu được ứng
dụng Mặc dù vậy, hiệu quả mang lại còn chưa tương xứng
với chi phí đầu tứ [2,3,4],
Nhằm tận dụng năng lượng từ nguồn chất lượng thấp,
đề xuất hoán cải chu trình lạnh truyền thống với sự bổ sung
bộ tận dụng nhiệt đặt sau máy nén như trên Hình 1.1
I-2Ệ
Din nrurự • Ixi OM
bìnỊ-ÀontUn
v«n
đúntt
Hình 1.1: Sơ đồ chu trình lạnh hoán cải
Nguyên lý hoạt động của chu trình như sau: Môi chất sau khi ra khỏi máy nén được đưa tới bộ gia nhiệt Tại đây, môi chất nhận nhiệt từ nước nóng, nhiệt độ và áp suất tăng lên, trước khi được đưa đến dàn ngưng tụ Tại dàn ngưng
tụ, van tiết lưu và dàn bay hơi, môi chất thực hiện các quá trình giống như đối với chu trình nguyên thủy Nước nóng trong két có thể lấy từ bộ hâm năng lượng mật trời hoặc được tạo bởi các nguồn nhiệt thải khác
2 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH HOÁN CÀI
Với chu trình có bổ sung bộ gia nhiệt, hiệu quả tiết kiệm năng lượng phụ thuộc vào điểm trung gian là giao điểm của quá trình nén thực trong máy nén và quá trình cấp nhiệt Với mục tiêu giữ năng suất lạnh không đổi, có thể tính toán chu trình hoán cải với các thông số môi chất sau dàn bay hơi và trước dàn ngưng tụ không thay đổi so với chu trình nguyên thủy
Để tiện so sánh, thực hiện tính toán chu trình nguyên thủy với hệ thống điểu hòa nhiệt độ 9000 BTU/h FTC25NV1V/RC25NV1V của Hãng Daikin cho kết quả như
ở Hình 2.1 và Báng 2.1 Việc tính toán chu trình lạnh và mô
phỏng quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện trên phần mém EES (Engineering Equation Solver)
Bảng 2.1 Thông số trạng thái của chu trình cơ sở
Trang 23 416,9 1700 1,693 44,3
So sánh một số thông số giữa chu trình hoán cải và chu trình nguyên thủy như ở Bảng 2.3
Bảng 2.3 So sánh chu trình nguyên thủy và hoán cải với áp suất
trung gian 1150kPa
Hình 2.1: Đồ thị P-h của chu trình cơ sở
Để có cơ sở đánh giá mức độ hiệu quả của việc gia
nhiệt và tính chọn chiều dài ống của bộ gia nhiệt, giả thiết
chọn máy nén sao cho áp suất sau máy nén đạt 1.150 kPa
(khoảng giữa 550 và 1.700 kPa) Tính toán chu trình hoán
cải như vậy cho kết quả như ở Hình 2.2 và Bảng 2.2
Bảng 2.2 Thõng sô chu trình hoán cải với áp suất trung gian
1.150 kPa
3 TÍNH TOÁN BỘ GIA NHIỆT
Để có cơ sở lựa chọn điểm trung gian và quá trình gia nhiệt, thực hiện tính toán mô phỏng chu trình với quá trình trao đổi nhiệt ở các giá trị áp suất trung gian khác nhau
Để tính toán bộ gia nhiệt, lựa chọn ống dạng ruột gà hoặc chữ u đặt trong két nước nóng Để đơn giản cho việc tính toán, áp dụng một số giả thuyết sau:
-Chọn ống đồng có đường kính trong bằng ống đẩy của máy nén để đảm bảo dòng chảy ổn định
- Nhiệt độ nước trong két là 85°c và không đổi
- Nhiệt độ và áp suất của môi chất cuối quá trình nhận nhiệt giống như đối với chu trình nguyên thủy
Việc tính toán trao đổi nhiệt giữa nước nóng và hơi môi chất áp dụng các công thức sau:
Công suất trao đổi nhiêt [5]:
ộhx = /i.A.âTLM7.D(fcW) (1)
Trong đó:
- A - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: A = n.d.Lhx
- bTLMTD - Độ chênh nhiệt độ trung bình lôgarít:
LỵẬmax L - Ằlmin
lnAT _LAl max
min
- h Hệ SỐ truyền nhiệt đối lưu: h = Với Re > 10000, 0.7 < P < 160, trị số Nusselt xác định' r : theo công thức sau [5]:
Chiểu dài ốnq gia nhiệt được xác định theo công thức:
h-x h.&T LMTD.n.d
Hệ số tiết kiệm năng lượng của máy nén:
'-save
h2N-hi
Trong đó: h2N và h2 - Lần lượt là enthalpy cuối quá trình
nén của chu trình hoán cải và chu trình nguyên thủy
4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả tính toán một số thông số chu trình hoán cải, công suất trao đổi nhiệt và chiểu dài ống bộ gia nhiệt như
ở Bảng 4.1.
Bang 4.1 Sự thay đổi các thông số theo áp suất trung gian
^Tlmtd
Trang 3P2 [kPa] [kw] COP T2 [°C] [kW] L h« [ml E„„ Ío/°1
Việc hoán cải chu trình lạnh bằng cách điều chỉnh tỷ
số nén của máy nén và bổ sung quá trình gia nhiệt cho
phép giảm đáng kể công tiêu thụ, nhờ đó cải thiện hệ số
làm lạnh, trong khi vẫn giữ nguyên công suất lạnh Việc
duy trì áp suất sau quá trình gia nhiệt không thay đổi so
với chu trình nguyên thủy cũng cho phép giữ nguyên kết
câu dàn ngưng tụ
Hình 4.1: Thay đổi các thõng số theo áp suất trung gian
;«■
JZ
c
ọ>
C
-o
40
□
o
4| -, - ,
■ d= 12 mm
- A d= 16 mm
'''O.
'n.
"O 'O.
'O- 'tk "D? 'A,
'-O ■Lk
"04
600 800 1000 1200 1400 1600 1800
p2(kPa)
Hình 4.2: Chiều dài ống gia nhiệt theo áp suất trung gian
Quan hệ giữa công suất tiêu thụ cho máy nén, hệ số
hiệu quả (COP) và công suất truyền nhiệt phụ thuộc vào áp
suất trung gian được chỉ ra ở Hình 4.1 Dẻ thấy, công suất
tiêu thụ giảm dần, khi mà công suất nhận nhiệt của môi
chất tăng lên Điểu này đạt được khi tăng diện tích trao
đổi nhiệt của ống gia nhiệt Hình 4.2 mò tả sự thay đổi của
chiểu dài ống gia nhiệt theo áp suất trung gian với một số
ống có đường kính trong khác nhau Kết quả cho thấy, ở
cùng một áp suất trung gian, sử dụng ống có đường kính
lớn hơn cần ống có chiều dài lớn hơn Điểu này là do hệ số
trao đổi nhiệt đối lưu của công chất lạnh giảm xuống khi
lưu lượng của công chất làm lạnh không đổi và ống lớn
hơn Như vậy, việc lựa chọn quá trình gia nhiệt tối ưu cần
hài hòa giữa việc chọn tỷ số nén của máy nén và chiều dài
ống gia nhiệt Có thể lựa chọn máy nén có tỷ số nén sao
cho áp suất sau máy nén trong khoảng P2 = 1.000 - 1.200
kPa Ngoài ra, cường độ trao đổi nhiệt còn phụ thuộc vào
trữ lượng cùa nguồn nhiệt tạo ra nước nóng
Hình 4.3: Hiệu quá tiết kiệm năng luợng
Hình 4.3 mô tả mức độ tiết kiệm năng lượng phụ
thuộc vào áp suất trung gian Khi tăng mức độ trao đổi nhiệt thì mức độ tiết kiệm năng lượng cũng tăng theo, về mặt lý thuyết, hệ số tiết kiệm năng lượng có thể tăng đến 100%, nghĩa là thay thế hoàn toàn quá trình nén bằng quá trình trao đổi nhiệt.Tuy nhiên, thực tế là không thể, vì máy nén còn có chức năng ngăn cách chu trình thành phẩn thấp áp và cao áp và cung cấp năng lượng tạo ra dòng lưu động của môi chất Ngoài ra, việc tăng hệ số tiết kiệm năng lượng đóng nghĩa với tăng mức độ cồng kểnh của hệ thống Việc chọn áp suất trung gian trong khoảng 1.000 - 1.200 kPa cũng là hợp lý khi đảm bảo hệ sổ tiết kiệm năng lượng trong khoảng 30 - 45%
Nhằm đánh giá khả năng tận dụng năng lượng, có thể tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cũng như loại môi trường mà bộ gia nhiệt làm việc, ví dụ như thay thế nước bằng dầu hoặc tận dụng khí thải từ các máy nhiệt
Lởi cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Hàng hải Việt Nam trong Đề tài mã số DT20-21.25
Tài liệu tham khảo
[1] s K Wang (2001), Handbook of Air Conditioning
and Refrigeration, McGraw-Hill Education.
[2] , Kaidir, Mulyanef and Burmawi (Dec 2018),
Performance Study on Solar Hybrid Air-Conditioning System for Residential Water Heating, MATEC Web Conf., vol.248,
no.10, p.01003
[3] , M Khalaji Assadi, s I Gilani and T c Jun Yen (Jan 2016), Design a solar hybrid air conditioning compressor
system, MATEC Web Conf., vol.38, p.02001.
[4] Lê Văn Điểm, Nguyễn Mạnh Chiều (2020), Tính
toán chu trình lạnh điều hòa nhiệt độ tận dụng nguồn năng lượng có nhiệt độ thấp, Tạp chí Khoa học và Công nghệ
Hàng hải, số 64, tr.10-13
[5] A J Ghajar and D Yunus A Cengel (2014), Heat and
Mass Transfer: Fundamentals and Applications, McGraw-Hill
Education
Ngày nhận bài: 21/6/2021 Ngày chấp nhận đăng: 18/7/2021 Người phản biện: TS.Thẩm Bội Châu
TS Cao Ngọc Vi