Tính toán lý thuyết hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và r32

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về CO 2

Carbon dioxide (CO2), hay còn gọi là môi chất lạnh R744, là một khí không màu, không mùi, không cháy và gần như không độc Mặc dù CO2 nặng hơn không khí và có thể gây nghẹt thở khi chiếm lĩnh không gian, nhưng nó hòa tan trong nước tạo ra acid carbonic và có thể chuyển thành đá khô khi được làm lạnh Ở điều kiện chuẩn, CO2 tồn tại dưới dạng khí, nhưng có thể chuyển sang pha lỏng hoặc rắn ở nhiệt độ thấp hoặc áp suất cao Đặc biệt, CO2 được xem là chất khí thân thiện với môi trường, không góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu (GWP = 1) và không gây hại cho tầng ozone.

Áp suất hoạt động cao của R744 và nguy cơ từ nồng độ CO2 trong cabin xe hoặc môi trường làm việc đòi hỏi sự cẩn trọng khi sử dụng chất làm lạnh này CO2, ở cả trạng thái rắn và lỏng, là môi chất lạnh quan trọng, đặc biệt trong ngành công nghiệp thực phẩm R744 được tái sử dụng sau khi nhận ra tác động tiêu cực của R134a đối với biến đổi khí hậu Các tính chất vật lý của R744 phù hợp cho giải nhiệt, làm lạnh và các ứng dụng gia nhiệt cần công suất làm mát lớn Để đáp ứng nhu cầu, CO2 thường phải được nén lên áp suất 130bar, vì vậy vật liệu thiết kế cho hệ thống R744 cần có độ bền cao để chịu áp lực.

Hệ thống R744 hoạt động với áp suất cao và năng động, ngay cả khi tắt, áp suất tĩnh vẫn duy trì ở mức cao R744 có khả năng thay thế oxy khi bị giải phóng quá mức, do đó cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa để ngăn chặn sự giải phóng và hít phải lượng lớn R744 Đồ thị p-h của môi chất R744 được thể hiện trong Hình 2.1.

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung 6

Hình 2.1 Đồ thị p-h của môi chất R744 [7]

- Công suất làm lạnh cao

- Giá thành sản xuất thấp và dễ dàng tìm kiếm

- Có khả năng tương thích và kết hợp tốt với các loại dầu bôi trơn

- HCFC dần được thay thế bởi môi chất lạnh CO2 một cách nhanh chóng

- Hệ thống có nguy cơ rò rỉ cao Do đó thiết kế của các hệ thống CO2 có cấu tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao

- Các thiết bị trong hệ thống cần được kiểm định an toàn thường xuyên do chúng phải làm việc ở áp lực cao.

Tổng quan về R32

Môi chất R32, hay HFC32 (Difluoromethane), có công thức hóa học CH2F2 và đạt tiêu chuẩn khí thải GWP là 550 R32 được phát minh để thay thế các môi chất cũ như R22 và R410, là môi chất lạnh thế hệ mới không chứa chất gây suy giảm tầng ozone và có tác động làm nóng trái đất thấp Áp suất của R32 dao động từ 120 Psi, tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường, với áp suất tĩnh từ 240 tới 245 Psi Đồ thị p-h của môi chất R32 được thể hiện trong Hình 2.2.

Hình 2.2 Đồ thị p-h của môi chất R32 [7]

Môi chất R32 có chỉ số GWP (550) thấp hơn nhiều so với R410A (1980), giúp giảm lượng khí thải lên đến 75% Điều này không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn bảo vệ môi trường mà còn góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kính và bảo vệ tầng Ozon.

Môi chất R32 có hiệu suất lạnh vượt trội, cao hơn 1,6 lần so với R410A và hơn 6,1 lần so với R22, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm khối lượng môi chất cần nạp thêm.

- Làm lạnh nhanh, sâu hơn hẳn R22, R410

- Máy lạnh sử dụng môi chất R32 có chỉ số COP (coefficient of peformance) lên tới 6,1 lần, góp phần tiết kiệm năng lượng

- Khó lắp đặt, bảo trì hơn cần thợ có chuyên môn và tay nghề

- Môi chất R32 được kiểm định là loại môi chất lạnh dễ cháy

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH GHÉP TẦNG SỬ DỤNG MÔI CHẤT CO 2 VÀ R32

Tính toán các giá trị nhiệt độ ban đầu

Nguyên lý hoạt động của chu trình lạnh ghép tầng được mô tả qua hình 3.1, bao gồm hai chu trình lạnh sử dụng hai loại môi chất khác nhau Chu trình lạnh tầng thấp sử dụng CO2, bắt đầu với CO2 ở trạng thái hơi quá nhiệt vào máy nén, nơi thực hiện quá trình nén và tăng áp suất, nhiệt độ Sau đó, CO2 được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt để nhả nhiệt đẳng áp Môi chất lỏng bảo hòa tiếp tục đi vào van tiết lưu, thực hiện quá trình tiết lưu đẳng enthalpy, trước khi vào thiết bị bay hơi, nơi nó nhận nhiệt từ môi trường và bốc hơi trở lại máy nén Đồng thời, chu trình lạnh tầng cao sử dụng môi chất R32 có nhiệm vụ giải nhiệt cho CO2 ở trạng thái áp suất và nhiệt độ cao.

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị p-h của hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất R32 và CO2

Hình 3.1 thể hiện sơ đồ máy lạnh ghép tầng Chu trình tầng cao ký hiệu là 11, 21, 31,

Hệ thống ghép tầng gồm các chu trình tầng thấp ký hiệu 12, 22, 32, 42, với thiết bị bay hơi của tầng cao cũng là thiết bị ngưng tụ của tầng thấp, được gọi là thiết bị trao đổi nhiệt Tầng cao sử dụng môi chất R32, trong khi tầng thấp sử dụng CO2 (R744) Năng suất lạnh yêu cầu đạt 1 kW với nhiệt độ phòng yêu cầu là -26 °C.

3.1.1 Tính toán nhiệt độ ngưng tụ ở tầng cao (dùng môi chất R32)

Hệ thống dùng thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí

Nhiệt độ môi trường tại thành phố Hồ Chí Minh được xác định là 31 °C với mái che Do đó, nhiệt độ không khí trước khi vào thiết bị giải nhiệt cũng nên được chọn là 31 °C.

Nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị ngưng tụ: 𝑡 𝑊 2 = 𝑡 𝑊 1 + (3 ÷ 5) [8]

𝑉ớ𝑖 ∆𝑡 𝑘 = (5 ÷ 15)°𝐶 là hiệu nhiệt độ giữa môi chất lạnh và không khí [8] Vậy 𝑡 𝑘 1 = 36 + 5 = 41 °𝐶

3.1.2 Tính toán nhiệt độ bay hơi tầng thấp (dùng môi chất CO 2 )

Với 𝑡 02 : nhiệt độ bay hơi tầng thấp

𝑡 𝑏 : nhiệt độ buồng lạnh yêu cầu

∆𝑡 0 : là hiệu nhiệt độ yêu cầu ∆𝑡 0 = 8 ÷ 13°𝐶 [8]

3.1.3 Tính toán nhiệt độ ở thiết bị trao đổi nhiệt

Vì hệ thống dùng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống nên:

Độ chênh lệch nhiệt độ ∆𝑡 giữa nhiệt độ ngưng tụ của môi chất ở tầng thấp và nhiệt độ bay hơi của môi chất ở tầng cao trong thiết bị trao đổi nhiệt là yếu tố quan trọng trong quá trình trao đổi nhiệt.

Tính toán tầng thấp (dùng môi chất CO 2 )

3.2.1 Tính toán, thiết lập thông số các điểm nút

Tra bảng hơi bão hòa CO2 [7] ta được:

Do tổn thất nhiệt trên đường ống từ thiết bị bay hơi đến đầu hút máy nén, hệ thống sẽ có độ quá nhiệt nhất định trong khoảng ∆tqn = 5 ÷ 15 o C Do đó, nhiệt độ tại đầu hút máy nén được tính là: 𝑡 ℎ 2 = 𝑡 0 2 + ∆tqn = -36 + 6 = -30 o C.

Hình 3.2 Đồ thị p-h chu trình lạnh CO2 lý thuyết [7]

Bảng 3.1 Các thông số trạng thái lý thuyết của chu trình lạnh CO2 Điểm nút Trạng thái t (°C) p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) v(m 3 /kg)

Năng suất lạnh riêng: 𝑞 𝑜/𝐶𝑂 2 = ℎ 1 2 − ℎ 4 2 = 436 − 212 = 224 (kJ/kg)

Công suất nhiệt riêng: 𝑞 𝑘/𝐶𝑂 2 = ℎ 2 2 − ℎ 3 2 = 500 − 212 = 288 (kJ/kg)

Công nén riêng: 𝑙 𝐶𝑂 2 = ℎ 2 2 − ℎ 1′ 2 = 500 − 442 = 58 (kJ/kg)

Ta có tỉ số nén của chu trình tầng thấp: Л = 𝑃 𝑘

11,6= 3,4 Vậy ta chọn chu trình máy nén 1 cấp

Máy nén CO2 SADEN là loại chuyên dụng với thiết kế đặc biệt, bao gồm hai cấp nén trong một khối kín, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho hệ thống.

Công suất điện động cơ: 𝑁 𝑒 = 𝐿

L: Công nén lý thuyết của máy nén

Vậy công suất máy điện máy nén là:

0,65 = 0,4 𝑘𝑊 = 400 𝑊 Vậy ta chọn máy nén có công suất 500 W model SRCACA của hãng SANDEN (Hình 3.3), có các thông số như sau là đáp ứng được hệ thống thiết kế

Hình 3.3 Máy nén SRCACA của hãng SANDEN

Thông số kỹ thuật của máy nén:

- Điện áp hoạt động: 220 – 240vAC/50Hz – 1Phase

3.2.3 Tính chọn thiết bị bay hơi

Thiết bị bay hơi có chức năng hấp thụ nhiệt từ không khí để làm bay hơi môi chất lỏng Để tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt, việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng microchannel là giải pháp hiệu quả.

Diện tích trao đổi nhiệt được tính theo công thức: 𝐹 = 𝑄 0

F: Diện tích trao đổi nhiệt trong thiết bị bay hơi, m 2 k: Hệ số truyền nhiệt, W/m 2 K

Qo: Năng suất lạnh của chu trình, kW

∆𝑡: Độ chêch lệch nhiệt độ trung bình logarit, °C Δ𝑡 = Δ𝑡 𝑚𝑎𝑥 −Δ𝑡 𝑚𝑖𝑛 ln Δ𝑡𝑚𝑎𝑥 Δ𝑡𝑚𝑖𝑛

Nhiệt độ không khí ra thiết bị bay hơi: tf1 = -30°C

Nhiệt độ không khí vào thiết bị bay hơi: t f2 = t mt = 31°C

Nhiệt độ bay hơi của CO2: t o = -36°C

Các thông số trên được thể hiện trên Hình 3.4:

Hình 3.4 Sơ đồ lưu động của dòng môi chất CO2 và không khí

Khi đó: Δ𝑡 𝑚𝑎𝑥 = t f2 – t o = 31 – (–36) = 67°C Δ𝑡 𝑚𝑖𝑛 = t f1 – to= –30 – (–36) = 6°C Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit của thiết bị là: Δ𝑡 =Δ𝑡 𝑚𝑎𝑥 − Δ𝑡 𝑚𝑖𝑛 lnΔ𝑡 𝑚𝑎𝑥 Δ𝑡 𝑚𝑖𝑛 g − 6 ln67 6

Hệ số truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt được tính bằng công thức sau:

Từ tài liệu [11], ta chọn hệ số dẫn nhiệt như Bảng 3.2 :

Bảng 3.2 Hệ số dẫn nhiệt của CO2 và không khí [11]

Môi chất CO 2 (α CO2 ) Không khí (α kk )

Bảng 3.3 Thông số dàn lạnh Micro

Chiều dày ống của TBTĐN Micro δ (mm) 0,35

Hệ số dẫn nhiệt λ ( Nhôm ) (W/mK) 237

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 𝐹 = 𝑄 0/𝐶𝑂2

105,5 25= 0,379 m 2 Vậy ta chọn dàn lạnh ống đồng cánh nhôm kênh micro với các thông số được thể hiện ở Hình 3.5

Hình 3.5 Dàn lạnh kênh micro dùng môi chất CO2.

Tính toán tầng cao (dùng môi chất R32)

Chúng tôi sử dụng một hệ thống lạnh 1 cấp với môi chất R32 để giải nhiệt cho môi chất CO2 Thiết bị kết nối giữa hai hệ thống là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống Để đảm bảo hiệu quả, năng suất lạnh của hệ thống R32 cần lớn hơn 1,2 lần nhiệt lượng tỏa ra từ thiết bị giải nhiệt (𝑄 𝑘 /𝐶𝑂2) Do đó, năng suất lạnh của hệ thống R32 được xác định là 𝑄 0/ 𝑅32 = 1,2 𝑄 𝑘.

3.3.1 Tính toán, thiết lập thông số các điểm nút

Tra bảng hơi bão hòa R32 [7] ta được:

𝑡 01 = 0°𝐶 => 𝑝 01 = 8,1 𝑏𝑎𝑟 Nhiệt độ quá nhiệt : 𝑡 ℎ 1 = 𝑡 0 1 + (5 ÷ 15) o C = 0 + 10 = 10 o C (trang 208 -tài liệu [8])

Hình 3.6 Đồ thị p-h chu trình lạnh R32 lý thuyết [7]

/CO2 = 1,2 1,28 = 1,53(kW) Năng suất lạnh riêng: q 0/R32 = h 1 1 − h 4 1 = 515 − 250 = 265 (kJ/kg)

265 = 0,0058 (kg/s) Công suất nhiệt riêng: q k/ R32 = h 2 1 − h 3 1 = 576 − 277 = 299 (kJ/kg)

Công nén riêng: l R32 = h 2 1 − h 1′ 1 = 576 − 530 = 46 (kJ/kg)

Công nén lý thuyết: L R32 = G R32 l R32 = 0,0058 46 = 0,266(kW) = 266W

Bảng 3.4 Các thông số trạng thái lý thuyết của chu trình lạnh R32 Điểm nút Trạng thái 𝐭°𝐂 p (bar) h (𝐤𝐉/𝐤𝐠) s (kJ/kg.K) v (𝐦 𝟑 /𝐤𝐠)

Công suất điện động cơ: 𝑁 𝑒 = 𝐿

L: Công nén lý thuyết của máy nén

Vậy công suất máy điện máy nén là:

0,65 = 0,409 𝑘𝑊 = 409 𝑊 COP hệ thống tính bằng công thức sau, theo tài liệu [9]:

3.3.2 Tính chọn thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi nhiệt giữa môi chất và không khí Diện tích trao đổi nhiệt được xác định theo công thức 𝐹 = 𝑄/𝑘, như được nêu trong tài liệu [8] trang 260.

F: Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ, m 2 k: Hệ số truyền nhiệt, W/m 2 K

Q k : Công suất nhiệt của chu trình, kW

∆𝑡 : Độ chêch lệch nhiệt độ trung bình logarit, °C Δ𝑡 = Δ𝑡 𝑚𝑎𝑥 −Δ𝑡 𝑚𝑖𝑛 ln Δ𝑡𝑚𝑎𝑥 Δ𝑡𝑚𝑖𝑛

Theo các thông số ở mục 3.1.1 ta có:

Nhiệt độ không khí ra thiết bị ngưng tụ: tw2= 36°C

Nhiệt độ không khí vào thiết bị ngưng tụ: tw1= 31°C

Nhiệt độ R32 vào dàn ngưng: 𝑡 2 1 = 76°C

Nhiệt độ ngưng tụ của R32: 𝑡 𝑘 1 = 41°C

Các thông số này được biểu diễn trên Hình 3.7:

Hình 3.7 Sơ đồ lưu động của dòng môi chất R32 và không khí

Từ sơ đồ lưu dộng của R32 và không khí trên hình 3.7, ta thấy: Δ𝑡 𝑚𝑎𝑥 = 𝑡 2 1 – tw2v – 36= 40°C Δ𝑡 𝑚𝑖𝑛 = 𝑡 𝑘 1 – tw1= 41 – 31 = 10°C Vậy độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit của thiết bị là: Δ𝑡 = 40−10 ln 40 10 = 22°C

Bảng 3.6 Thông số dàn ngưng ống đồng cánh nhôm

Chiều dày ống của TBTĐN δ (mm) 0,7

Hệ số dẫn nhiệt λ ( Đồng ) (W/mK) 394

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 𝐹 = 𝑄 𝑘

Bảng 3.5 Hệ số dẫn nhiệt của R32 và không khí [11]

Môi chất R32(α R32 ) Không khí (α kk )

Với các thông số đã tính toán:

- Nhiệt độ không khí ra thiết bị ngưng tụ: t w2 = 36°C

- Nhiệt độ không khí vào thiết bị ngưng tụ: t w1 = 31°C

- Nhiệt độ R32 vào dàn ngưng: 𝑡 2 1 = 76°C

- Nhiệt độ ngưng tụ của R32: 𝑡 𝑘 1 = 41°C

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt là F = 2,85m² Trong chu trình lạnh tầng cao sử dụng môi chất R32 với thông số Qo = 1,53 kW, việc chọn máy nén và dàn nóng phù hợp được đơn giản hóa Do đó, chúng ta lựa chọn cụm dàn nóng của máy lạnh 2 cục dân dụng với năng suất lạnh tương ứng.

Qo Theo catalogue của Daikin ta chọn được cụm dàn nóng có mã hiệu ARKC25UAVMV như Hình 3.8

Thông số của dàn nóng:

- Năng suất lạnh: 2,5 kW (1,0 – 3,2) kW

- Máy nén Swing dạng kín công suất 500W

Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ngưng tụ - bay hơi kiểu ống lồng ống

Theo cái thông số tính toán ở trên ta có:

Nhiệt độ môi chất CO2 vào thiết bị: 𝑡 2 2 = 55℃

Nhiệt độ môi chất CO2 ra thiết bị: 𝑡 𝑘 2 = 5℃

Nhiệt độ bay hơi môi chất R32: 𝑡 0 2 = 0℃

Các thông số này được biểu diễn trên Hình 3.9:

Hình 3.9 Sơ đồ lưu động của dòng môi chất CO2 và R32 Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit: Δ𝑇 = Δ𝑇 𝑚𝑎𝑥 − Δ𝑇 𝑚𝑖𝑛 lnΔ𝑇 𝑚𝑎𝑥 Δ𝑇 𝑚𝑖𝑛

- Cho môi chất R744 chảy trong ống với d= 4mm

- Cho môi chất R32 chảy ngoài ống với D= 8mm

3.4.1 Hệ số tỏa nhiệt của môi chất R744 (CO 2 ) a Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng

Theo tài liệu [10], hệ số tỏa nhiệt khi ngưng được tính theo công thức dưới đây:

Với tm = 16,25 o C, tra bảng thông số vật lý của R744 [7] được:

𝜌 = 176,21 𝑘𝑔/𝑚 3 : Khối lượng riêng của màng chất lỏng

𝜆 = 0,030575 (𝑊/𝑚𝐾): Hệ số dẫn nhiệt của màng chất lỏng

𝜇 = 17,515 10 −6 (Pa.s): Độ nhớt động lực học của màng chất lỏng

176,218 = 9,94 10 −8 𝑚 2 /𝑠: Độ nhớt động học của màng chất lỏng

Tra bảng thông số vật lý của R744 ở pha hơi [7] với ts = 30 o C, ta được:

𝑟 = 𝑖′′ - 𝑖′ = 365,13 – 304,55 = 60,58 kJ/kg: Ẩn nhiệt hoá hơi

= 540,023 𝑊/𝑚 2 𝐾 b Hệ số tỏa nhiệt đối lưu

Ta có tf = 30 o C, tra bảng thông số vật lý của R744 [7] được:

𝜌 𝑓 = 593,3 𝑘𝑔/𝑚 3 : Khối lượng riêng của CO2

𝜆 𝑓 = 95,4 10 −3 𝑊/𝑚𝐾: Hệ số dẫn nhiệt của CO2

𝜇 = 43,810 −6 Pa.s: Độ nhớt động lực học của CO2

593,3 = 7,38 10 −8 𝑚 2 /𝑠: Độ nhớt động học của CO2

593,3 = 0.6376 m/s: Tốc độ trung bình của CO2

Tra bảng thông số vật lý của R744 ở thể lỏng [7] với tw = 5 o C, ta được:

Ta có: 2×10 7 < Ra < 10 13 => dòng chảy rối

Hệ số ảnh hưởng của ống cong:

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu:

0,004 = 12624,02 Áp dụng công thức (8-99), trang 880, sách Heat Trasfer, Gregory Nellis, Sanford Klein [12]

𝐹 𝑠ℎ = 0,2 : Tỉ lệ dự đoán của thiết bị trao đổi nhiệt cho quá nhiệt

𝐿 𝑠ℎ = 𝐹 𝑠ℎ 𝐿 𝑡𝑢𝑏𝑒 : Chiều dài yêu cầu cho quá nhiệt

𝐿 𝑡𝑢𝑏𝑒 : : Chiều dài ống Áp dụng công thức (8-112), trang 883, sách Heat Trasfer, Gregory Nellis, Sanford Klein [12]:

𝐹 𝑠𝑎𝑡 = 0,7 : Tỉ lệ dự đoán của thiết bị trao đổi nhiệt cho bão hoà

𝐿 𝑠𝑎𝑡 = 𝐹 𝑠𝑎𝑡 𝐿 𝑡𝑢𝑏𝑒 : Chiều dài yêu cầu cho bão hoà

- Phần diện tích trao dổi nhiệt của ống lồng ống từ hơi quá nhiệt xuống hơi bão hoà khô của 𝐶𝑂 2 là: 𝐹 𝑛𝑔 = π d 𝐿 𝑠ℎ = π d 0,2𝐿 𝑡𝑢𝑏𝑒

- Phần diện tích trao dổi nhiệt của ống lồng ống từ hơi bão hoà khô thành lỏng bão hoà của 𝐶𝑂 2 là: 𝐹 𝑡𝑜ả 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 = π d 𝐿 𝑠𝑎𝑡 = π d 0,7𝐿 𝑡𝑢𝑏𝑒

3.4.2 Hệ số tỏa nhiệt của môi chất R32 Ở đây ta sẽ xét môi chất toả nhiệt khi sôi màng

Từ bảng thông số vật lí của R32 [7] ta có:

𝜆 ℎ = 𝜆 ′′ = 13,59 10 −3 W/mK: Hệ số dẫn nhiệt của R32

𝜌 ℎ = 𝜌 ′′ = 35,5 kg/𝑚 3 : Khối lượng riêng của hơi trong bọt R32

𝑣 ℎ = 𝑣 ′′ = 3,45 10 −7 𝑚 2 /s: Độ nhớt động học của R32

𝑐𝑝 ℎ = 𝑐𝑝 ′′ = 1,485 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾: Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp R32

𝑟 = 287,8 10 3 𝐽/𝑘𝑔: Nhiệt ẩn hoá hơi của R32

= 311939 𝐽/𝑘𝑔 Với 𝑟 ∗ : Ẩn nhiệt hoá hơi hiệu quả, nó có tính đến sự quá nhiệt của hơi trong lớp màng

𝜌 𝑓 = 𝜌 ′ = 996.1 kg/𝑚 3 : Khối lượng riêng của lớp chất lỏng bao quanh bọt

3.4.3 Diện tích bộ trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống

Hệ số truyền nhiệt tính theo công thức dưới đây, theo tài liệu [10]:

- λ : hệ số tuyền nhiệt của ống đồng (W/m.K)

Tổng diện tích truyền nhiệt: F = 𝑄 0𝑅32

321 29,38 = 0,143 m 2 Ống trong có kích thước d  4mm

=> Chu vi ống C   d =  0,004 = 0,0126 (m) Ống ngoài có kích thước d  8mm

=> Chu vi ống C   d =  0,008 = 0,025 (m) Độ dài ống xoắn:

=> Chọn L = 12m Đường kính mỗi vòng xoắn: dxoắn = 100mm = 0,1m

Số vòng cần uốn dạng lò xo: n = 𝐿

Tính cách nhiệt, cách ẩm cho hệ thống

Chiều dày lớp cách nhiệt được xác định theo hai yêu cầu cơ bản:

Vách ngoài của công trình phải được thiết kế sao cho không xảy ra hiện tượng đọng sương, điều này có nghĩa là lớp cách nhiệt cần có độ dày đủ lớn để đảm bảo nhiệt độ bề mặt vách ngoài luôn cao hơn nhiệt độ điểm sương trong môi trường.

- Chọn chiều dày cách nhiệt sao cho giá thành một đơn vị lạnh là tiết kiệm nhất

Hình 3.10 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống

3.5.1 Tính cách nhiệt cho tường bao buồng lạnh a Tính chiều dày lớp cách nhiệt

Xác định chiều dày lớp cách nhiệt theo công thức tài liệu [10]:

𝛿 𝑐𝑛 - Độ dày yêu cầu của lớp cách nhiệt (m)

𝜆 𝑐𝑛 - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt (W/mK) k - Hệ số truyền nhiệt (W/m 2 K)

𝛼 1 - Hệ số tỏa nhiệt của môi trường bên ngoài (phía nóng) tới môi trường cách nhiệt (W/m 2 K)

𝛼 2 - Hệ số tỏa nhiệt của vách buồng lạnh vào buồng lạnh (W/m 2 K)

𝛿 𝑖 - Bề dày của lớp vật liệu xây dựng thứ i (m)

𝜆 𝑖 - Hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu xây dựng thứ i (W/mK)

Kết cấu và các số liệu của lớp cách nhiệt được trình bày trong Bảng 3.7:

Bảng 3.7 Kết cấu và các số liệu của lớp cách nhiệt STT Lớp Vật liệu 𝜹 (𝒎) 𝛌 (W/mK)

Hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao (theo bảng 3-7 trang 86, tài liệu [8]) có: 𝛼1 = 23,3 𝑊/𝑚 2 𝐾

Hệ số tỏa nhiệt bề mặt trong của buồng lạnh lưu thông không khí cưỡng bức mạnh được xác định là 𝛼2 = 10,5 W/m²K Nhiệt độ trong phòng trữ đông đạt -26℃, theo thông tin từ bảng 3-3 trang 84.

[8] với nhiệt độ phòng -26℃ tính cho vách bao ngoài, ta có hệ số truyền nhiệt tối ưu qua tường:𝑘 𝑡 ư = 0,21 W/m 2

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung 25 b Kiểm tra đọng sương

Để ngăn ngừa hiện tượng đọng sương trên bề mặt ngoài của tường bao, nhiệt độ bề mặt phải cao hơn nhiệt độ đọng sương của môi trường, nhằm bảo vệ lớp cách nhiệt khỏi ẩm ướt Theo tài liệu [8], hệ số truyền nhiệt đọng sương được xác định theo công thức (3-7) trên trang 87.

𝑡 𝑛 − 𝑡 𝑓 , 𝑊 𝑚⁄ 2 𝐾 Với: - 𝛼1 = 23,3 𝑊⁄𝑚 2 𝐾: hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao che

- tf : Nhiệt độ trong buồng lạnh,℃

- tn = 31 ℃: Nhiệt độ môi trường ngoài

Nhiệt độ đọng sương của môi trường được xác định là 28 ℃ khi nhiệt độ môi trường là 31℃ và độ ẩm đạt 85% [8] Để đảm bảo vách ngoài không bị đọng sương, cần thỏa mãn điều kiện 𝑘 𝑡𝑡 ≤ 𝑘 𝑠 theo biểu thức (3-8), trang 87, tài liệu [8] Dựa trên 𝛿𝑐𝑛, chúng ta có thể tính toán hệ số truyền nhiệt thực tế.

Vậy không có hiện tượng đọng sương trên bề mặt ngoài của tường bao phòng

3.5.2 Tính cách nhiệt, cách ẩm ở thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống a Tính chiều dày lớp cách nhiệt

Chọn vật liệu cách nhiệt là mút xốp Polyurethan có hệ số dẫn nhiệt là: 0,019 W/mK

Hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao (theo bảng 3-7 trang 86 [8]) có:

Hệ số tỏa nhiệt bề mặt trong của buồng đối lưu tự nhiên (theo bảng 3-7 trang

86, tài liệu [8]) có: 𝛼3 = 8 𝑊/𝑚 2 𝐾 Đối với phòng trữ đông thì nhiệt độ trong phòng là - 26 ℃ Tra bảng 3-3 trang

84, tài liệu [8] với nhiệt độ phòng - 26℃ tính cho vách bao ngoài, ta có hệ số truyền nhiệt tối ưu qua tường: 𝑘 𝑡 ư = 0,427 W/m 2

Để ngăn ngừa hiện tượng đọng sương trên bề mặt ngoài của tường bao, cần đảm bảo nhiệt độ bề mặt này cao hơn nhiệt độ đọng sương trong môi trường Việc này rất quan trọng vì nếu bề mặt tường bao bị đọng sương, độ ẩm sẽ dễ dàng xâm nhập và phá hủy lớp cách nhiệt Theo tài liệu [8], hệ số truyền nhiệt đọng sương được xác định theo công thức (3-7) trên trang 87.

Để tính toán điều kiện không đọng sương trên vách ngoài của buồng lạnh, ta sử dụng công thức 𝑡 𝑛 − 𝑡 𝑓 , 𝑊 𝑚⁄ 2 𝐾 với hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của tường bao che 𝛼1 = 23,3 𝑊⁄𝑚 2 𝐾 Nhiệt độ trong buồng lạnh được ký hiệu là tf, trong khi nhiệt độ môi trường ngoài tn là 31℃ và nhiệt độ đọng sương ts là 28℃, được tra cứu theo đồ thị t-d với t = 31℃ và độ ẩm 𝜑 = 85% Theo điều kiện không đọng sương được nêu trong biểu thức (3-8), trang 87 tài liệu [8], ta có ktt ≤ ks.

- Ứng với 𝛿𝑐𝑛 ta sẽ tính được hệ số truyền nhiệt thực tế:

- Hệ số truyền nhiệt đọng sương:

Vậy không có hiện tượng đọng sương trên bề mặt ngoài của thiết bị

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Phương pháp thực nghiệm

Quá trình thực hiện lấy số liệu thực nghiệm:

- Lấy tất cả các gí trị nhiệt độ và áp suất khi chưa khởi động hệ thống

- Chạy hệ thống R32, khi nhiệt độ môi chất R32 vào ống lồng ống đạt khoảng

0 o C bắt đầu khởi động máy nén CO2

- Các giá trị nhiệt độ, áp suất, dòng điện được ghi lại 5 phút một lần

- Khi nhiệt độ môi chất CO2 sau tiết lưu không giảm thì tiến hành siết tiết lưu 1 lần

Khi chênh lệch nhiệt độ giữa gió vào và gió ra của dàn lạnh gần bằng 0, cần nhả tiết lưu rồi siết lại ngay để kiểm tra xem dàn có bị đóng băng hay không Hành động này giúp làm tan băng và khôi phục khả năng trao đổi nhiệt của dàn lạnh.

- Khi nhiệt độ bay hơi tầng thấp đạt -36 o C thì dừng hệ thống Kết thúc quá trình lấy số liệu thực nghiệm.

Chuẩn bị vật dụng

Để đảm bảo ghi chép số liệu thực nghiệm chính xác, cần sử dụng các dụng cụ như cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, ampe kìm, laptop và camera Hình ảnh minh họa cho các dụng cụ này có thể được tìm thấy trong Phụ lục 1.

Hình ảnh thực nghiệm

Tại thời điểm nhiệt độ phòng đạt -26 o C, các thông số nhiệt độ và áp suất thực nghiệm của từng điểm nút ở tầng cao và tầng thấp đã được ghi lại bằng hình ảnh để làm minh chứng, chi tiết có thể tham khảo tại Phụ lục 2.

Điểm nút thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và

Bảng 4.1 Thông số trạng thái thực nghiệm của chu trình lạnh CO2 Điểm nút Trạng thái t (°C) p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) v(m 3 /kg)

Hình 4.1 Đồ thị p-h chu trình lạnh CO2 thực nghiệm [7]

Bảng 4.2 Thông số trạng thái thực nghiệm của chu trình lạnh R32 Điểm nút Trạng thái t (°C) p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) v(m 3 /kg)

Hình 4.2 Đồ thị p-h chu trình R32 thực nghiệm [7]

*Tính toán nhiệt tầng thấp CO 2 :

- Áp dụng công thức tính công suất dòng điện:

- Lưu lượng CO2 thực nghiệm:

- Năng suất lạnh thực nghiệm:

- Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị giải nhiệt:

* Tính toán nhiệt tầng cao R32:

Ta có: IR32 = 1,86 (A) Áp dụng công thức tính công suất dòng điện:

- Năng suất lạnh thực nghiệm:

- Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị giải nhiệt:

- Năng suất lạnh thực nghiệm của hệ thống:

𝑄 0/𝐶𝑂 2 = Gkk cp Δtkk = ρkk Squạt vkk cpkk Δtkk

Ta có: tgió ra = -30 o C tgió vào = -26,6 o C

Từ tgió ra = -30 o C  ρkk = 1,453 (kg/m 3 ) cpkk = 1,103 (kJ/kg, K)

𝑄 0/𝐶𝑂 2 = Gkk.cp.Δtkk = ρkk Squạt vkk cpkk Δtkk

- Hệ số hiệu suất thực nghiệm của hệ thống lạnh ghép tầng:

Kết quả so sánh lý thuyết và thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO 2 và R32

Dựa trên kết quả lý thuyết từ mục 3.1 và kết quả thực nghiệm ở mục 4.5, chúng ta có thể thấy các kết quả so sánh được thể hiện rõ ràng qua đồ thị (Hình 4.3 và Hình 4.4) cùng với các bảng so sánh (Bảng 4.3, Bảng 4.4 và Bảng 4.5).

Hình 4.3 Đồ thị p-h của chu trình lý thuyết (trái) và chu trình thực nghiệm (phải) tầng thấp dùng môi chất CO2

Hình 4.4 Đồ thị p-h của chu trình lý thuyết (trái) và chu trình thực nghiệm (phải) tầng cao dùng môi chất R32

Bảng 4.3 Bảng so sánh các thông số vận hành lý thuyết và thực nghiệm của hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32

Tầng thấp CO 2 Tầng cao R32

Lý thuyết Thực nghiệm Sai lệch Lý thuyết Thực nghiệm Sai lệch

Bảng 4.3 trình bày các thông số thực nghiệm so với lý thuyết, cho thấy nhiệt độ t0 đạt -36 oC, nhiệt độ tk là 5 oC, và nhiệt độ đầu đẩy là 55 oC Nhiệt độ đầu hút ghi nhận là -30 oC Về áp suất, p0 là 11,6 bar và pk là 39,7 bar Mức sai lệch giữa các giá trị thực nghiệm và lý thuyết không vượt quá 13%, cho thấy độ chính xác cao trong các phép đo.

Bảng 4.4 Bảng so sánh các thông số nhiệt động lý thuyết và thực nghiệm của hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32

Công suất nhiệt Công nén Lưu lượng

Ký hiệu QO (kW) Qk (kW) L (W) G (kg/s)

Các thông số thực nghiệm so với lý thuyết có mức sai lệch từ 1-5% được trình bày trong Bảng 4.4

Bảng 4.5 Bảng so sánh COP hệ thống

Lý thuyết Thực nghiệm Sai lệch

Bảng 4.5 cho thấy hệ thống thực nghiệm hoạt động đạt hiệu quả năng lượng cao hơn 3,7% so với lý thuyết

Mặc dù các thông số thực nghiệm có sai lệch so với lý thuyết, nhưng chúng đều mang tính tích cực, góp phần kéo dài tuổi thọ của máy nén và giảm áp lực cho các thiết bị trong hệ thống.

Tiêu đề	Tính Toán Lý Thuyết Hệ Thống Lạnh Ghép Tầng Dùng Môi Chất CO2 Và R32
Tác giả	Cao Thị Cẩm Vân
Người hướng dẫn	PGS.TS. Đặng Thành Trung
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ kỹ thuật Nhiệt
Thể loại	báo cáo nghiên cứu khoa học
Năm xuất bản	2020
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	52
Dung lượng	5,87 MB