IUH - Hướng dẫn tính toán máy & thiết bị lạnh

Cho máy lạnh hoạt động với chu trình có các thông số sau, Q0 = 24 kW p [bar] t [oC] v [m3/kg] h [kJ/kg] s [kJ/kg.K] 1' 2,908 - 10 0,41769 1449,29 5,7514 1 2,908 - 5 0,42759 1461,84 5,7986 2 15,549 118 1715,11 5,7986 2' 15,549 40 0,08345 1489,61 5,1532 3' 15,549 40 386,43 3 15,549 35 0,00017 362,58 1,5547 4 2,908 - 10 362,58 1. Tính chọn động cơ – máy nén piston của 1 nhà sản xuất nào đó, ghi rõ thông số kỹ thuật, kích thước 2. Chọn thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí của 1 nhà sản xuất nào đó, ghi rõ thông số kỹ thuật, kích thước. 3. Chọn thiết bị bay hơi trực tiếp làm lạnh không khí của 1 nhà sản xuất nào đó, ghi rõ thông số kỹ thuật, kích thước 4. Chọn van tiết lưu nhiệt loại Castel hoặc Danfoss Bài số 2 (Chu trình quá lạnh, quá nhiệt một cấp – NH3), Năng suất lạnh Q 0 = 36 kW Thông số này có thể Sv phải tự tra bảng hoặc đồ thị như trong môn học K

Bài tập Máy và TB lạnh Cho máy lạnh hoạt động với chu trình có các thông số sau, Q0 = 24 kW

1' 2,908 - 10 0,41769 1449,29 5,7514

1 2,908 - 5 0,42759 1461,84 5,7986

2' 15,549 40 0,08345 1489,61 5,1532

3 15,549 35 0,00017 362,58 1,5547

1 Tính chọn động cơ – máy nén piston của 1 nhà sản xuất nào đó, ghi rõ thông số kỹ thuật, kích thước

2 Chọn thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí của 1 nhà sản xuất nào đó, ghi rõ thông số kỹ thuật, kích thước

3 Chọn thiết bị bay hơi trực tiếp làm lạnh không khí của 1 nhà sản xuất nào đó, ghi

rõ thông số kỹ thuật, kích thước

4 Chọn van tiết lưu nhiệt loại Castel hoặc Danfoss

Bài số 2 (Chu trình quá lạnh, quá nhiệt một cấp – NH3), Năng suất lạnh Q 0 = 36 kW

Thông số này có thể Sv phải tự tra bảng hoặc đồ thị như trong môn học Kỹ Thuật Lạnh Cơ Sở

Điểm nút

Áp suất; P(bar) 2,9 2,9 15,6 15,6 15,6 2,9

Enthanpy; h (kJ/kg) 1750,7 1775,6 1998 690,6 641,7 641,7 Entropy: s (kJ/kg.K) 6,85 6,85

Thể tích; v (m3/kg) 0,438

1 Tính chọn động cơ – máy nén piston của 1 nhà sản xuất tùy chọn, ghi rõ thông số

kỹ thuật, kích thước

2 Chọn thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí của 1 nhà sản xuất tùy chọn, ghi

rõ thông số kỹ thuật, kích thước

3 Chọn thiết bị bay hơi trực tiếp làm lạnh không khí của 1 nhà sản xuất tùy chọn, ghi

rõ thông số kỹ thuật, kích thước

4 Chọn van tiết lưu nhiệt loại Castel hoặc Danfoss

Giải bài 3 (Chu trình hồi nhiệt R134A), Q 0 = 18 kW

Thông số này có thể Sv phải tự tra bảng hoặc đồ thị như trong môn học Kỹ Thuật Lạnh Cơ Sở

Điểm nút

Nhiệt độ; 0C -20 -5 57 35 20,5 -20

Áp suất; P(bar) 1,3 1,3 8,9 8,9 8,9 1,3

Enthanpi; h (kJ/kg) 386,5 398,8 441 249 236,7 236,7

Entropy: s (kJ/kg.K) 1,788

Thể tích; v (m3/kg) 0,158

1 Tính chọn động cơ – máy nén piston của 1 nhà sản xuất tùy chọn, ghi rõ thông số

kỹ thuật, kích thước

2 Chọn thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí của 1 nhà sản xuất tùy chọn, ghi

rõ thông số kỹ thuật, kích thước

3 Chọn thiết bị bay hơi trực tiếp làm lạnh không khí của 1 nhà sản xuất tùy chọn, ghi

rõ thông số kỹ thuật, kích thước

4 Chọn van tiết lưu nhiệt loại Castel hoặc Danfoss

Điểm nút

Enthanpi; h (kJ/kg) 356,5 369 410,8 273,2 238 238 Entropy: s (kJ/kg.K) 1,6728 1,6728

Thể tích; v (m3/kg) 0,071

Tính chọn máy nén theo yêu cầu (VÍ DỤ)

3.3.1 Chọn chế độ làm việc

Môi chất R404A được lựa chọn bởi vì sự phù hợp với ứng dụng kho lạnh và các ứng dụng làm lạnh nhiệt độ thấp khác, hơn nữa R404 A là môi chất tiết kiệm năng lượng

Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh t0:

t0 = tb - ∆t0

tb – Nhiệt độ buồng lạnh, tb = 2℃

∆t0 – chênh nhiệt độ buồng và nhiệt độ bay hơi Sử dụng dàn lạnh bay hơi trực tiếp nên

∆t0 = 8 ÷ 13, chọn ∆t0 = 10

t0 = 2 − 10 = − 8℃

Nhiệt độ ngưng tụ tk:

Với dàn ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí

tk = t1 + ∆tk

t1 – Nhiệt độ môi trường không khí xung quanh dùng cho tính toán nhiệt tại địa phương, kho lạnh đặt tại Long An t1 = t tt = 𝑡𝑡𝑏𝑚𝑎𝑥 +𝑡 𝑚𝑎𝑥

2 = 31 +35

2 = 33℃

∆tk – Chênh nhiệt độ, với dàn ngưng giải nhiệt gió ∆tk = 7 ÷ 10, chọn ∆tk = 8

tk = 33 + 8 = 41℃

Chọn ∆𝑡𝑞𝑙 quá lạnh

Gọi là chu trình quá lạnh khi nhiệt độ của môi chất lạnh trước khi đi vào van tiết lưu nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ Khi độ quá lạnh càng lớn thì nhiệt độ đi vào van tiết lưu càng thấp, năng suất lạnh càng lớn cho nên đây là điều người ta mong muốn nhất và tìm mọi phương pháp thực hiện

Với môi chất là freon chọn ∆𝑡𝑞𝑙 = 10K

Chọn ∆𝑡𝑞𝑛 quá nhiệt

Gọi là chu trình quá nhiệt khi nhiệt độ hơi hút về máy nén lớn hơn nhiệt độ bay hơi Nếu nhiệt độ hơi hút càng lớn thì áp suất, nhiệt độ sau nén sẽ càng cao, năng suất lạnh

sẽ giảm xuống Điều này có hại cho hệ thống lạnh không mong muốn xảy ra Tuy nhiên trong quá trình hệ thống hoạt động hiện tượng quá nhiệt này không thể tránh khỏi, vì vậy người ta cố gắng giữ cho ∆𝑡𝑞𝑛 này ở mức thấp nhất và gần với nhiệt độ sôi nhất Với môi chất là freon R404A thì ∆𝑡𝑞𝑛 = 10 ÷ 15K, chọn 10K

3.3.2 Thông số làm việc

Thông số làm việc ban đầu, tra bảng tính chất vật lí của R404A

t0 = - 8℃ => p0 = 4,626 bar

tk = 41℃ => pk = 18,734 bar

Tỷ số nén:

𝜋 = pk

p0 = 18,734 4,626 = 4,05 Như vậy với môi chất Freon 𝜋 ≤ 12 chọn máy nén Piston 1 cấp.[8]

3.3.4 Tính toán chu trình

Thông số các điểm nút

P, bar 4,626 4,626 18,734 18,734 18,734 4,712

h, KJ/Kg 363,8 372,42 402,41 265,6 247,9 247,9

v, m3/kg 0,0433

Bảng thông số trạng thái các điểm nút

• Năng suất lạnh riêng q0, kJ/kg

q0 = h1 - h4 = 363,8 – 247,9 = 115,9 kJ/kg

• Năng suất lạnh riêng thể tích qv, kJ/m3

qv = q0

V1 = 115,9 0,0433 = 2676,68 kJ/m3

• Công nén riêng l, kJ/kg

l = h2− h1′ = 402,41 − 372,42 = 29,99 kJ/kg

• Năng suất nhiệt riêng qk, kJ/kg

qk = h2− h3′ = 402,41 − 247,9 = 154,51 kJ/kg

• Hệ số lạnh lý thuyết

ε = q0

l = 115,9 29,99 = 3,86

3.4 Tính chọn máy nén

• Lưu lượng môi chất lạnh m, kg/s

m = Q0

q 0 = 6 115,9 = 0,05228 kg/s

• Năng suất thể tích thực tế máy nén Vtt, m3/s

Vtt = mtt v1 = 0,05228 0,0433 = 0,00226 m3/s

• Hiệu suất thể tích của máy nén λ

λ = [ P0 − ΔP0

P 0 – c (Pk + ΔPk

p 0 − p0 − Δp0

p 0 ) ] T0

T k

c – Thể tích không gian chết, c = 0,03 – 0,05, chọn 0,04

Δp0 – Hiệu áp suất ở cụm van hút Δp0 = 0,05 bar

Δpk – Hiệu áp suất ở cụm van nén Δpk = 0,1 bar

Thay vào:

λ = [4,626−0,05

4,626 - 0,04 × ( 18,734+0,1

4,626 - 4,626−0,05

4,626 ) ] × 265

314 = 0,886

• Thể tích nén lí thuyết

Vlt = Vtt

λ = 0,00226 0,886 = 0,00255 m3/s = 9,18 m3/h

• Hiệu suất nén

𝜂𝑖 = λ.w + bt0 = T0

Tk + 0,001.t0 = 265

314 + 0,0025 × (-8) = 0,864

• Công nén lý thuyết Ns

Ns = m.l = m (h2 - h1′) = 0,05228 × (402,41 – 372,42) = 1,568 kW

• Công nén hữu ích Ne

Ni = Ns

η i = 1,568 0,864 = 1,81 kW

𝑁𝑒 = 𝑁𝑖 + 𝑁𝑚𝑠 Công nén ma sát nhỏ quá có thể bỏ qua, vậy 𝑁𝑖 = 𝑁𝑒

Công nén hiệu dụng

Nel = Ne

ηtd ηel = 1,81

1 ×0,90 = 2 kW Hiệu suất truyền động ηtd đối với các loại máy nén kín và nửa kín tổn thất bằng không

Hiệu suất động cơ điện ηel = 0,8 ÷ 0,95, chọn 0,90

• Công suất động cơ lắp đặt Nlđ

• 𝐶ℎọ𝑛 ℎệ 𝑠ố 𝑑ự 𝑝ℎò𝑛𝑔 1,6

Nlđ = (1.1 – 2.1) Nel = 1,6 × 2,0 = 3,2 kW 𝐶ℎọ𝑛 ℎệ 𝑠ố 𝑑ự 𝑝ℎò𝑛𝑔 1,5

Nlđ = 1,5 × 2,0 = 3 kW

Với hệ số dự phòng 1,25

1 Tính chọn thiết bị ngưng tụ

Chọn dàn ngưng tụ giải nhiệt gió cưỡng bức nhờ quạt, sử dụng môi chất R

Diện tích trao đổi nhiệt:

𝐹 = Qk

k ∆ttb Trong đó:

Qk – công suất ngưng tụ

K – hệ số truyền nhiệt, loại ống xoắn có cánh trao đổi nhiệt không khí môi chất

sử dụng là Freon, k = 43 W/m2

∆ttb – chênh nhiệt độ môi chất và môi trường

∆ttb = tw2 − tw1

ln tk − tw1 tk− tw2

tw1 - nhiệt độ không khí môi trường, 32℃

tw2 – nhiệt độ không khí ra môi trường, độ chên lệnh nhiệt độ không khí vào ra thiết bị

∆𝑡 = 6 − 10𝐾, chọn 7K, như vậy nhiệt độ ra 39℃ (đề cho)

tk – nhiệt độ ngưng tụ môi chất, 41℃

Thay vào :

∆ttb = 39−32

ln41−3241−39 ≈ 5K Như vậy:

𝐹 = 9700 43×5 = 45.1 m2 𝐷ự𝑎 𝑣à𝑜 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑜𝑔𝑒 (đề 𝑐ℎ𝑜) 𝑐ℎọ𝑛 𝑑à𝑛 𝑛à𝑜 𝑐ó 𝑑𝑖ệ𝑛 𝑡í𝑐ℎ 𝑡𝑟𝑎𝑜 đổ𝑖 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 𝑏ằ𝑛𝑔

ℎ𝑜ặ𝑐 𝑔ầ𝑛 𝑛ℎấ𝑡 𝑔ℎ𝑖 𝑣à𝑜 𝑏à𝑖 𝑙à𝑚

2 Tính chọn dàn lạnh

- Diện tích bay hơi:

𝐹 = Q0

k ∆ttb Trong đó:

K – Hệ số truyền nhiệt thiết bị, với kho lạnh dương chọn K = 17,5 W/m2 (bài cho)

Q0 – Công suất lạnh yêu cầu W

∆ttb – Hiệu nhiệt độ trung bình logarit K

∆ttb = ∆tmax − ∆t min

ln∆tmax

∆tmin

Nhiệt độ buồng 2℃ (đề cho)

Nhiệt độ không khí vào dàn lạnh lấy cao hơn nhiệt độ buồng một khoảng từ 2-6 ℃, chọn nhiệt độ vào 5℃ (đề cho)

Nhiệt độ bay hơi ở dàn lạnh là -8℃ (bài cho)

Như vậy:

∆tmax = 5 − (−8) = 13

∆tmin = 2 − (−8) = 10

∆ttb =13 − 10

ln1310

= 11,44

Thay vào:

𝐹 = 6060 17,5×11,4= 30,38 m2

𝐷ự𝑎 𝑣à𝑜 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑜𝑔𝑒 (đề 𝑐ℎ𝑜) 𝑐ℎọ𝑛 𝑑à𝑛 𝑛à𝑜 𝑐ó 𝑑𝑖ệ𝑛 𝑡í𝑐ℎ 𝑡𝑟𝑎𝑜 đổ𝑖 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 𝑏ằ𝑛𝑔

ℎ𝑜ặ𝑐 𝑔ầ𝑛 𝑛ℎấ𝑡 𝑔ℎ𝑖 𝑣à𝑜 𝑏à𝑖 𝑙à𝑚

3 Tính lưu lượng nước giải nhiệt qua bình ngưng tụ hoặc lưu lượng không khí giải nhiệt qua dàn ngưng tụ

* Lưu lượng nước qua bình ngưng

Lưu lượng nước được xác định theo công thức sau

Gn = Qk

C n ρ n Δ t , 𝑚3/s (6-17)

Cn - Nhiệt dung riêng của nước; Cn = 4,186 kJ/kg.K

ρn - Khối lượng riêng của nước; ρn = 1000 kg/m3

Δt – Độ chênh lệch nhiệt độ nước vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ; Δt = 4 – 6 0K

* Lưu lượng không khí qua dàn ngưng

Lưu lượng không khí được xác định theo công thức sau

Gkk = Qk

Cn - Nhiệt dung riêng của không khí; Cn = 1 kJ/kg.K

ρn - Khối lượng riêng của không khí; ρn = 1,2 kg/m3

Δt – Độ chênh lệch nhiệt độ không khí vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ; Δt = 6 – 10 0K

3 Tính chọn van tiết lưu nhiệt Danfoss hoặc Castel xem lại bài giải trên lớp hoặc bài kiểm tra thường kỳ

Tính chọn van tiết lưu nhiệt danfoss

Để tính chọn van tiết lưu, thông số quan trọng nhất là năng suất lạnh danh định, thông số này được kiểm định tại nơi sản xuất, chọn van tiết lưu phù hợp là van có năng suất lạnh danh định phù hợp với năng suất lạnh máy nén, thiết bị ngưng tụ, bay hơi, nói tóm phải chọn được năng suất lạnh danh định của van tiết lưu nhiệt phù hợp với năng suất lạnh của toàn bộ hệ thống lạnh thì mới hoạt động an toàn và hiệu quả, có độ tin cậy cao

Hiệu áp suất qua van ; Δp = pk – p0 - ∑Δp, trong đó ∑Δp là tổng tổn thất áp suất trên đường ống, thiết bay ngưng tụ, bay hơi và các thiết bị phụ khác, áp suất tĩnh do chênh lệch

độ cao giữa thiết bị bay hơi và bình chứa môi chất lỏng

∑Δp = Δp1 + Δp2 + Δp3 + Δp4 + Δp5

➢ p2 là áp suất của hơi môi chất cuối tầm nén, khi đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ áp suất môi chất lỏng là p3, tổn thất áp suất ở thiết bị ngưng tụ là Δp1, Nếu không có thông

số tính toán cụ thể có thể lấy theo thực nghiệp từ 0,3 – 0,5 bar

➢ Môi chất lỏng từ trạng thái 3 ra khỏi thiết bị ngưng tụ sau khi đi qua một loạt thiết

bị như bình chứa cao áp, ống, van, phin lọc, mắt gas, van điện từ, áp suất tổn thất là

Δp2, nếu không có các số liệu kích thước cụ thể để tính tổn thất này chặn thì lấy theo

số liệu thực nghiệm là 0,2 – 0,3 bar

➢ Tổn thất áp suất thủy tĩnh do chênh lệch độ cao do dàn bay hơi đặt cao hơn bình chứa là Δp3 lấy theo bảng 4.1

➢ Tổn thất áp suất trong bộ chia môi chất lỏng ( nếu có sử dụng) là Δp4, nếu không

có thông số tính toán cụ thể thì có thể lấy giá trị thực nghiệm là 0,5 bar

➢ Tổn thất áp suất trong dàn bay hơi và ống góp hơi gas là Δp5, nếu không có thông

số tính toán cụ thể thì có thể lấy giá trị thực nghiệm là 0,5 bar

Bảng 4.1 Tổn thất do áp suất tĩnh do chênh lệch độ cao giữa thiết bị bay hơi và bình chứa môi chất lỏng

Môi chất lạnh Tổn thất áp suất tĩnh tính theo độ cao ( Bar)

Cách chọn van tiết lưu nhiệt

Việc tính chọn van tiết lưu nhiệt căn cứ vào các thông số sau :

Tổn thất áp suất trên các thiết bị

Xác định chế độ làm việc của hệ thống lạnh t0, tk po , pk

Tổn thất áp thủy tĩnh

Dựa vào năng suất lạnh Q0, độ quá lạnh Δtql chọn van tiết lưu theo năng suất lạnh danh định

- Năng suất lạnh Q0 của hệ thống lạnh

- Loại môi chất lạnh

- Nhiệt độ bay hơi

- Độ quá lạnh môi chất lỏng trước tiết lưu Δtql

- Hiệu áp suất qua van ; Δp = pk – p0 - ∑Δp

Ví dụ : Chọn van tiết lưu nhiệt Danfoss cho máy lạnh có năng suất bay hơi 18 kW, nhiệt

độ bay hơi -200C, nhiệt độ ngưng tụ +400C, độ quá lạnh 5K, dàn lạnh cao hơn bình chứa cao áp 4m, trong dàn lạnh có sử dụng đầu chia môi chất lỏng và ống góp hơi gas, máy lạnh

sử dụng môi chất R22

Giải: Van tiết lưu được xác định theo các thông số sau ; Q0, Δtql Δp, t0, Môi chất lạnh Trong đó : Q0 = 18 kW, Môi chất lạnh R22, Δtql = 5 K

t0 = -200 C → p0 = 2,5 bar (Xấp xỉ)

tk = + 400C → pk = 15,3 bar ( Xấp xỉ)

Δp = pk – p0 - ∑Δp với ∑Δp = Δp1 + Δp2 + Δp3 + Δp4 + Δp5

Δp1 Không có thông số tính toán, chọn theo thực nghiệm là 0,5 bar

Δp2 Không có thông số tính toán, chọn theo thực nghiệm là 0,3 bar

Δp3 Chọn theo bảng 4.1 là 0,5 bar

Δp4 Không có thông số tính toán, chọn theo thực nghiệm là 0,5 bar

Δp5 Không có thông số tính toán, chọn theo thực nghiệm là 0,5 bar

Vậy : ∑Δp = Δp1 + Δp2 + Δp3 + Δp4 + Δp5 = 0,5 + 0,3 + 0,5 + 0,5 + 0,5 = 2,3 bar

Δp = pk – p0 - ∑Δp = 15,3 – 2,5 – 2,3 = 10,5 bar

Tra bảng dưới ta có : Van TEX 5- 4.5, với Δp = 10 bar, Q0 = 20,8 kW

Δp = 12 bar , Q0 = 21,6 kW, nội suy ta có

Δp = 10,5 bar , Q0 = 21 kW

Với năng suất lạnh đã cho là 18 kW chọn van TEX 5-4.5 ruột số 2 , Q0 = 21 kW, vượt 30% tuy hơi lớn nhưng là phù hợp nhất

Kết luận : Chọn van tiết lưu Danfoss TEX 5 – 4.5 ruột số 2

Bảng 4.1: Hệ số điều chỉnh k theo độ quá lạnh khi chọn van tiết lưu cho R22

Δtql 4K 10K 15K 20K 25K 30K 35K 40K 45K 50K

k 1,00 1,06 1,11 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1,39 1.44

Tính chọn van tiết lưu Castel

Bước 1 : Xác định hiệu áp suất qua van

Δp = pk – p0 - ∑Δp

với ∑Δp = Δp1 + Δp2 + Δp3 bao gồm tổn thất áp suất qua đường ông dẫn lỏng + tổn thất áp suất qua dàn lạnh + tổn thất áp suất trên bộ phân phối

Bước 2: Xác định hiệu nhiệt độ quá lạnh

Δt = tk – tql

Bước 3 : Tra hệ số hiệu chỉnh dựa vào độ quá lạnh

Bước 4: Tính độ giảm năng suất lạnh theo hệ số hiệu chỉnh Ft

ΔQ = Q0 / Ft

Bước 5: Xác định ruột van theo bảng, xác định xem có cần loại có MOP hay không? Xác định xem có cần dùng VTL cân bằng ngoài hay không? Chọn kiểu kết nối?

Giải: Van tiết lưu được xác định theo các thông số sau ; Q0, Δtql Δp, t0, Môi chất lạnh Trong đó : Q0 = 7,16 kW, Môi chất lạnh R404a

Δtql = tk – tql = 30 - 20 = 100C tra bảng với độ quá lạnh là 10K ta có Ft = 1,1

Tính ΔQ = Q0/ Ft = 7,16 / 1,1 = 6,5 kW

T0 = - 80 C → p0 = 4,6 bar, tk = + 410C → pk = 18,7 bar

Δp = pk – p0 - ∑Δp = 18,7 – 4,6 – 1,5 = 12,6 bar

với ∑Δp = Δp1 + Δp2 + Δp3 = 1,5 bar

Tra bảng với Q = 6,5 kW, t0 = - 80C, Δp = 12,6 bar, lựa chọn được ruột van 2204 ( NSL = 7,18 kW)

Lưu ý: NS van phải nhỏ hơn hoặc băng NSL dàn lạnh

Tra bảng sau

Hệ số điều chỉnh năng suất lạnh khi độ quá lạnh lớn hơn 4 độ C