Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống bơm nhiệt sử dụng ống nhiệt, ống lồng ống tận dụng nhiệt đầu đẩy máy nén của máy điều hòa không khí 2 cục đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Ngày nay, ô nhiễm môi trường và hạn chế của năng lượng hóa thạch đã trở thành một cuộc khủng hoảng toàn cầu Các ngành công nghiệp đang đối mặt với nguy cơ thiếu năng lượng và nguồn dự trữ gần cạn kiệt, khiến việc tiết kiệm năng lượng trở nên cần thiết, đặc biệt trong các thiết bị tiêu thụ năng lượng như hệ thống điều hòa không khí Tại Việt Nam, sự phát triển công nghiệp hóa và hiện đại hóa đã dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ của các tòa nhà cao tầng, phục vụ cho văn phòng, khách sạn, ngân hàng và trung tâm thương mại Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng, do đó, phát triển hệ thống sử dụng năng lượng tiết kiệm là chiến lược quan trọng cho sự phát triển kinh tế của đất nước và toàn cầu.

Vào tháng 3/2019, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt Chương trình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả giai đoạn 2019 – 2030, với mục tiêu tiết kiệm 5 - 7% tổng tiêu thụ năng lượng toàn quốc từ 2019 - 2025 và 8 - 10% từ 2019 - 2030 Các chuyên gia nhấn mạnh rằng, bên cạnh việc hình thành thói quen tiết kiệm năng lượng, cần áp dụng công nghệ mới để nâng cao hiệu suất tiết kiệm, loại bỏ công nghệ cũ Ông Nguyễn Quân, Nguyên Bộ trưởng Bộ Khoa học Công nghệ, cho rằng đã đến lúc cần xem xét lại việc sử dụng năng lượng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế Hiện tại, khoảng 30% sản lượng điện dành cho chiếu sáng có thể tiết kiệm một nửa nếu sử dụng công nghệ đèn LED, tương đương với việc không cần xây dựng một nhà máy điện hạt nhân công suất khoảng 4000 MW.

Việc sử dụng điều hòa nhiệt độ ngày càng phổ biến với khoảng 10 triệu chiếc trên toàn quốc, và nếu áp dụng công nghệ mới giúp tiết kiệm 10% điện năng, sẽ tạo ra một con số tiết kiệm đáng kể Nhu cầu sử dụng nước nóng cho sinh hoạt và ăn uống tăng cao, dẫn đến việc phát triển thiết bị trao đổi nhiệt (heat exchanger) để tiết kiệm năng lượng Công nghệ này không chỉ hiện đại mà còn đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi Trong đời sống hàng ngày, thiết bị trao đổi nhiệt gia nhiệt nước đóng vai trò quan trọng, khi mà mỗi gia đình, dù ở thành phố lớn hay nông thôn, đều tiêu thụ một lượng nước nóng lớn Các phương pháp truyền thống như sử dụng điện, gas hay dầu không chỉ tiêu tốn năng lượng hóa thạch mà còn gây ra tác động tiêu cực đến 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 hệ thống điều hòa không chỉ giúp gia nhiệt nước nóng mà còn mang lại giải pháp hiệu quả cho việc tiết kiệm năng lượng Điều này không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn thúc đẩy phát triển kinh tế đất nước Dưới sự hướng dẫn chiến lược của giáo viên, nhóm em quyết tâm thực hiện đề tài này nhằm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.

Đề tài tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống bơm nhiệt sử dụng ống nhiệt ống lồng ống" tập trung vào việc tận dụng nhiệt từ đầu đẩy máy nén của máy điều hòa không khí 2 cục Mô hình này không chỉ mang lại hiệu suất cao mà còn góp phần vào việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

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

Mô hình hệ thống bơm nhiệt được thiết kế và chế tạo sử dụng ống nhiệt ống lồng ống, tận dụng nhiệt đầu đẩy của máy nén trong máy điều hòa không khí 2 cục.

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 tại miền Nam Việt Nam đang gia tăng đáng kể, dẫn đến tình trạng thiếu hụt điện nghiêm trọng Nhu cầu tiêu thụ điện năm 2018 vượt kế hoạch 2,4 tỷ kWh, trong khi nguồn cung than không đáp ứng đủ cho sản xuất điện, và lượng nước về các hồ thủy điện ở miền Trung cũng giảm Mặc dù Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn về năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, sinh khối và thủy triều, nhưng vẫn chưa được khai thác hiệu quả Do đó, việc tiết kiệm điện trở nên vô cùng cần thiết.

1.3.2 Tình hình tiêu thụ điện ngoài nước

Năm 2017, tổng lượng điện năng tiêu thụ toàn cầu đạt 25,551 triệu tỷ kWh, tăng 3,1% so với năm 2016 Trong đó, than đá chiếm 38% trong tổng sản xuất điện, khí tự nhiên 23%, thủy điện 16%, điện hạt nhân 10%, dầu 4%, năng lượng tái tạo 8% và 1% từ các nguồn khác.

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

Nguyễn Đình Vịnh và Hà Đăng Trung đã nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng tác nhân lạnh R22 và dàn lạnh không khí phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam Kết quả cho thấy thiết bị này có hệ số hiệu suất (COP) đạt từ 3,3 đến 3,8 trong môi trường 22 °C và độ ẩm 60%, giúp tiết kiệm từ 65% đến 70% năng lượng tiêu thụ so với bình đun nước nóng điện.

Nguyễn Công Vinh và Nguyễn Lê Châu Thành đã nghiên cứu việc tận dụng nhiệt thải từ khói lò hơi công nghiệp để gia nhiệt cho không khí và nước cấp, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng Việc thu hồi nhiệt thải này không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn góp phần bảo vệ môi trường Nghiên cứu cho thấy, việc điều chỉnh nhiệt độ cài đặt của máy điều hòa trong suốt cả ngày và đêm, cũng như thay đổi lưu lượng không khí theo nhu cầu thực tế, hoặc sử dụng bơm nhiệt, có thể mang lại lợi ích năng lượng đáng kể.

Hai bài báo này trình bày nguyên lý hoạt động và phương pháp đánh giá hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt, nhấn mạnh khả năng tiết kiệm năng lượng sơ cấp trong nền kinh tế quốc dân Bên cạnh đó, bài báo cũng đề cập đến việc kết hợp bơm nhiệt với các nguồn năng lượng mới, năng lượng thu hồi và tái sinh nhằm nâng cao hiệu quả cho các hệ thống nhiệt - lạnh.

Nghiên cứu chế tạo mô hình gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt đã tổng quan các loại bơm nhiệt hiện nay và phạm vi ứng dụng thực tế của chúng Bài báo tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ đối với hiệu suất của bơm nhiệt Đồng thời, nghiên cứu cũng tiến hành tính toán và chế tạo mô hình gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt cho hộ gia đình nhằm kiểm chứng tính khả thi và hiệu quả của giải pháp này.

Nghiên cứu này sẽ đánh giá hiệu quả kinh tế, xã hội và môi trường của thiết bị nghiên cứu so với các thiết bị sử dụng điện truyền thống trong việc gia nhiệt nước nóng.

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 tiết kiệm năng lượng, đồng thời khẳng định rằng việc thu hồi nhiệt không ảnh hưởng đến hoạt động của máy Bài báo này trình bày nghiên cứu thiết kế mô hình thu hồi nhiệt thải từ dàn nóng của máy điều hòa không khí trung tâm nhằm cung cấp nước nóng cho các nhu cầu lớn như khách sạn và nhà máy chế biến thủy sản Mô hình sử dụng dàn trao đổi nhiệt dạng tấm, trong đó nước nóng được bơm tuần hoàn qua dàn để thu hồi nhiệt thải hiệu quả.

Các nhà khoa học quốc tế đang tích cực nghiên cứu về thu hồi năng lượng và bảo vệ môi trường, với bài viết của Pinart Mere Cuce và Saffa Riffat từ Đại học Nottingham cung cấp một cái nhìn tổng quan về ứng dụng hệ thống thu hồi nhiệt trong tòa nhà Bài báo đánh giá các thành tựu trước đó một cách rõ ràng, mô tả chi tiết nguyên lý làm việc và các thành phần của hệ thống thu hồi nhiệt, đồng thời trình bày công nghệ hiện tại trong lĩnh vực này bao gồm lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng hiệu suất nhiệt động lực học Ngoài ra, tác động môi trường của hệ thống cũng được xem xét, cùng với triển vọng tương lai của nó trong nghiên cứu Nghiên cứu cho thấy hệ thống thu hồi nhiệt có tiềm năng lớn trong việc giảm tiêu thụ nhiên liệu cho tòa nhà, góp phần quan trọng vào việc giảm hiệu ứng nhà kính trong khí quyển.

Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm giảm thiểu lượng điện năng tiêu thụ của máy điều hòa không khí và máy nước nóng Một trong những giải pháp hiệu quả là sử dụng ống nhiệt dao động để thu hồi nhiệt thải từ thiết bị ngưng tụ dạng ống - vỏ, nghiên cứu này được thực hiện bởi Bùi Ngọc Hùng cùng các cộng sự.

Hệ thống điều hòa không khí đã được nghiên cứu bởi P.Sathiamurthi và PSS.Srinivasan, cho thấy tính khả thi và hiệu quả kinh tế của việc thu hồi nhiệt thải từ máy điều hòa trung tâm công suất 16 tấn lạnh để cung cấp nước nóng cho 600 sinh viên trong ký túc xá Đồng thời, M L Rahman, Chin Wai Meng và Adrian Ng cũng đã nghiên cứu hệ thống thu hồi nhiệt thải từ máy điều hòa dân dụng, sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống đồng quấn bên ngoài bình nước nóng, và kết luận rằng có thể nâng nhiệt độ nước từ 30°C lên 75°C trong vòng 8 giờ hoạt động của máy điều hòa.

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 sử dụng trong hộ gia đình ở Việt Nam là 45 ℃ trong suốt cả năm Theo thống kê, nhu cầu sử dụng nước nóng trong các hộ gia đình được ghi nhận ở mức trung bình đáng chú ý.

- 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:

Trung bình, mỗi người ở Anh sử dụng khoảng 150 lít nước mỗi ngày, bao gồm cả nước nóng và lạnh, trong đó nước nóng chiếm 30% Cụ thể, máy giặt tiêu thụ khoảng 4 lít nước nóng, tắm sử dụng 35 lít, và các hoạt động như rửa mặt, rửa tay, rửa chén cần khoảng 10 lít nước nóng Nhu cầu sử dụng nước nóng của người dân Anh được thống kê cụ thể như trên.

- 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 hiệu suất nhiệt động cao, chỉ thua R12 và R22, thường được sử dụng cho máy lạnh một cấp trong hệ thống điều hòa không khí Đặc biệt, R134a là môi chất thân thiện với môi trường vì không chứa clo trong thành phần hóa học, do đó không gây hại cho tầng ozon khi bị rò rỉ Ký hiệu “a” trong R134a chỉ ra rằng đây là một đồng phân của C2H2F4.

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 thấp, nhỏ hơn không khí, cho phép nó rò rỉ qua các khe hở mà không khí không thể xâm nhập Mặc dù độ nhớt của R134a lớn hơn một chút so với nitơ, nhưng khi thử kín, cần sử dụng nitơ khô để đảm bảo 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

Dầu bôi trơn chuyên dụng có khối lượng riêng nhỏ hơn khối lượng riêng của lỏng R134a, ví dụ tại -15 oC, khối lượng riêng của R134a là 1428,57 kg/m³ Độ hòa tan của dầu bôi trơn phụ thuộc vào loại dầu sử dụng, thường là dầu polyolester (POE), polyalkylenglycol (PAG) hoặc polygycol (PG) để đảm bảo khả năng hòa tan tốt.

- 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 bao gồm hai ống với đường kính khác nhau, trong đó một lưu chất chảy trong ống trong và lưu chất còn lại chảy trong không gian giữa hai ống Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra qua bề mặt của ống trong, được bảo vệ bởi ống ngoài.

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 hình xoắn tròn được cấu tạo từ các ống lớn và nhỏ lồng vào nhau, với khoảng cách đều nhau và được uốn cong trong quá trình chế tạo Mặc dù quy trình chế tạo phức tạp, nhưng thiết bị này mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt cao và tiết kiệm diện tích lắp đặt Trong thiết bị, hai môi chất chuyển động cưỡng bức trong không gian hình xuyến với bán kính cong R Sự chuyển động của môi chất bên trong do lực ly tâm tạo ra dòng tuần hoàn phụ, làm tăng tính rối và nâng cao cường độ trao đổi nhiệt.

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 ống này có cấu tạo giống như ống lồng ống hình tròn xoắn, nhưng sau khi lồng vào nhau, chúng được uốn theo hình dạng elipse Biên dạng elipse giúp dòng môi chất di chuyển dễ dàng qua các vị trí ngoặt mà không gặp trở ngại.

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống vuông hay hình chữ nhật tạo ra sự rối dòng môi chất lớn hơn, từ đó tăng cường quá trình tỏa nhiệt đối lưu Môi chất di chuyển bên trong sẽ gặp các kích thước khác nhau ở các góc, dẫn đến sự thay đổi đột ngột trong dòng chảy, kéo dài thời gian tiếp xúc giữa hai dòng và hình thành một dòng tuần hoàn phụ Điều này không chỉ làm tăng khả năng tạo rối mà còn cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt giữa hai phía 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

Thiết bị truyền nhiệt đầu tiên trong công nghiệp bao gồm hai phần chính: ống xoắn và thân thiết bị Ống xoắn được làm từ vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao như đồng, nhôm, hoặc kẽm, giúp tối ưu hóa khả năng truyền nhiệt Thân thiết bị thường có hình dạng trụ, được chế tạo từ thép để đảm bảo độ bền và hiệu suất hoạt động.

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], ống có chiều dày mỏng (𝑑 1 /𝑑 1𝑡𝑟 = 1,14 < 1,4) cho phép coi quá trình truyền nhiệt trong vách trụ như vách phẳng Do đó, hệ số truyền nhiệt k có thể được tính theo công thức.

Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và bên ngoài ống trao đổi nhiệt được ký hiệu là ∝ 1 và ∝ 2, có đơn vị tính là W/𝑚²K Hệ số dẫn nhiệt của ống đồng được ký hiệu là λ, với giá trị λ = 401 W/m.K.

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;

Môi chất sau khi rời khỏi máy nén với áp suất và nhiệt độ cao sẽ đi vào thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Tại đây, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra giữa môi chất lạnh bên trong ống và môi chất bên ngoài, khiến môi chất bên trong nhả nhiệt, trong khi môi chất bên ngoài hấp thụ nhiệt và bay hơi Hơi môi chất sau đó sẽ tiếp tục đi vào bộ trao đổi.

Hệ thống sử dụng 22 ống xoắn để gia nhiệt nước trong bình, trong đó môi chất sẽ trao đổi nhiệt với nước, nhả nhiệt và ngưng tụ Sau đó, môi chất trở về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, tạo ra chu trình lặp lại theo nguyên lý đối lưu tự nhiên.

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

Sau khi máy nén hoạt động, cần kiểm tra và ghi chép sự thay đổi áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, cũng như nhiệt độ của môi chất vào và ra khỏi thiết bị này Đồng thời, cần theo dõi nhiệt độ môi chất vào và ra khỏi ống xoắn, cường độ dòng điện của hệ thống, và nhiệt độ nước trong bình.

Việc kiểm tra và ghi chép các thông số được thực hiện sau mỗi 15 phút

Khi nước đạt đến nhiệt độ mong muốn, hãy xả nước và đồng thời cấp nước cho bình Điều chỉnh lưu lượng nước cấp để đảm bảo nhiệt độ nước ra luôn đạt yêu cầu.

Dữ liệu thu được từ hệ thống thực nghiệm tại Khoa Cơ Khí Động Lực - Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh được nghiên cứu từ 8 giờ 30 đến 19 giờ 30 trong suốt các ngày Các thông số như áp suất, nhiệt độ, điện năng tiêu thụ và lưu lượng nước được thu thập và xử lý bằng phần mềm Excel.

Bảng thông số thực nghiệm

Bảng 4.1 Bảng ghi thông số vận hành của hệ thống

Trong quá trình hoạt động của hệ thống, các nhiệt độ quan trọng được xác định như sau: t1 là nhiệt độ môi trường, t2 là nhiệt độ nước cấp, t3 là nhiệt độ nước ra, t4 là nhiệt độ môi chất ra khỏi máy nén, t5 là nhiệt độ môi chất ra khỏi ống nhiệt, t6 là nhiệt độ môi chất vào ống xoắn và t7 là nhiệt độ môi chất ra khỏi ống xoắn Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và hiệu quả của hệ thống.

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 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

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

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 chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ đầu đẩy của máy nén Khi máy nén hoạt động, nhiệt độ đầu đẩy tăng lên theo thời gian, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ của nước.

5.1.2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến nhiệt đầu đẩy máy nén

Khi duy trì nhiệt độ làm lạnh phòng không đổi và thay đổi nhiệt độ môi trường, ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến nhiệt đầu đẩy của máy nén được thể hiện rõ qua bảng dưới đây.

Bảng 5.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường tới nhiệt độ đầu đẩy của máy nén

Khi nhiệt độ môi trường đạt 28,3 °C, nhiệt độ đầu đẩy của máy nén là 63,7 °C Tuy nhiên, khi nhiệt độ môi trường tăng lên 34,5 °C, nhiệt độ đầu đẩy cũng tăng theo, đạt 64,9 °C.

=> 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 hoạt động ổn định, máy lạnh duy trì cường độ dòng điện ở mức 5,5A Tuy nhiên, nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến nhiệt độ nước ra, dẫn đến sự biến đổi của hệ số COP.

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)

Tiêu đề	Thiết Kế, Chế Tạo Mô Hình Hệ Thống Bơm Nhiệt Sử Dụng Ống Nhiệt, Ống Lồng Ống Tận Dụng Nhiệt Đầu Đẩy Máy Nén Của Máy Điều Hòa Không Khí 2 Cục
Trường học	Trường Đại Học Kỹ Thuật
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp

Định dạng
Số trang	56
Dung lượng	2,42 MB