Báo cáo tổng kết đề tài - Nghiên cứu, tính toán, chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống điều hòa hai mảnh khi có hoặc không có quá lạnh - Quá nhiệt với môi chất lạnh hiện nay R410A, R32

lượng góp phần vào việc bảo vệ nguồn tài nguyên khoáng sản và môi trường. Các quốc gia hiện nay đang phải đối mặt với tình trạng thiếu hụt năng lượng và chi phí dành cho năng lượng ngày càng tăng, đồng thời các doanh nghiệp cũng gặp nhiều khó khăn trong việc đảm bảo đáp ứng các nguồn năng lượng phục vụ cho những mục tiêu tăng trưởng và phát triển.  Do đó chúng ta cần có phương pháp giám sát và quản lý nhằm sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng, hạn chế về mức thấp nhất các tổn thất và lãng phí trước khi chúng ta bước thêm bước tái sử dụng một cách tối ưu và tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo hay năng lượng thay thế Kinh tế phát triển, đời sống của người dân dần được cải thiện về nhiều mặt, vậy nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng trong đời sống. Hệ thống điều hòa không khí chiếm tỉ trọng tiêu thụ điện năng lớn vì vậy việc nghiên cứu tiết kiệm năng lượng trong hệ thống điều khí đóng vai trò thiết yếu, các hãng điều hòa lớn không ngừng đẩy mạnh việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới vào hệ thống nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều hòa không khí và tiết kiệm năng lượng. Ở đề tài này tác giả đã nghiên cứu quá lạnh trong hệ thống lạnh nhằm nâng cao hệ số làm lạnh COP trung bình khi quá lạnh 10C thì COP của hai môi chất R32 và R410A tăng lên trung bình 1% từ đó ta nâng cao được hệ số làm lạnh và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống lạnh. Trong đề tài này tính toán cụ thể từ lý thuyết cho đến chế tạo mô hình thực nghiệm cho hai môi chất lạnh mới hiện nay đó là R32 và R410A hai môi chất này có tính chất hóa học tương đồng nhau nhưng công nén và tính chất vận hành bảo trì bảo dưỡng khác nhau hoàn toàn. Vì vậy đề tài này đóng góp những kiến thức rất cần thiết cho sinh viên ngành Nhiệt để nghiên cứu sâu hơn về việc tiết kiệm năng lượng cho hệ thống lạnh, giúp cho các kỹ thuật viên vận hành bảo trì, bảo dưỡng hệ thống lạnh am hiểu hơn về hai loại môi chất này. Hiện tại các nước phát triển đã nghiên cứu và ứng dụng sâu rộng hai loại môi chất mới này vào hầu hết tất cả các hệ thống lạnh hiện nay vì hai môi chất này có tính nhiệt động rất tốt và cơ bản nhất là thân thiện với môi trường, không làm hỏng tầng O3. Các môi lạnh cũ như R22 trên thế giới đã cấm dùng nhưng riêng nước ta và các nước có kinh tế còn chậm phát triển vẫn dùng đến 2040 thì sẽ cấm hoàn toàn và thay vào đó là dùng hai loại môi chất mới là R32 và R410A. Trong hệ thống lạnh việc quá lạnh và quá nhiệt không phải là những vấn đề mới nhưng được nghiên cứu tính toán so sánh cho hai môi chất mới này là chưa nhiều tác giả nghiên cứu, riêng ở Việt Nam thì càng mới, nên đề tài này hi vọng sẽ góp phần nhỏ trong khối kiến thức khổng lồ của nhân loại về chuyên ngành Nhiệt máy lạnh. CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết về điều hòa không khí đã phát triển từ rất lâu nhưng mãi đến đầu thế kỷ XIX mới phát triển và dần dần hoàn thiện phát triển mạnh mẽ kể từ sau thế chiến thứ 2. Hiện nay điều tiết không khí đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật và đời sống trên thế giới. Đặc biệt đối với khí hậu nóng ẩm của Việt Nam chúng ta thì kỹ thuật điều tiết không khí càng có vai trò quan trọng trong đời sống và khoa học kỹ thuật. 1.1 Tổng quan về quá lạnh – quá nhiệt hệ thống điều hòa không khí 1.1.1 Ngoài nước Vấn đề quá lạnh và quá nhiệt được các tác giả trên thế giới nghiên cứu và phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm lạnh của hệ thống. Đầu tiên năm 1975 Reistad người Mỹ mở đầu cho việc nghiên cứu lợi dụng năng lượng hữu ích [1], sau này rất nhiều tác giả trên thế giới cũng nghiên cứu phân tích đối với năng lượng và năng lượng hữu ích. Các nhà nghiên cứu kết hợp với các chuyên gia để thực hiện ứng dụng năng lượng hữu ích này, đồng thời thành lập những bộ phận chuyên nghiên cứu ứng dụng quá trình nhiệt động. Ví dụ như Jaber và nhiều tác giả khác vận động và thành lập các bộ phần phân tích và ứng dụng năng lượng [2]. Dincer ...thành lập bộ phận lợi dụng năng lượng hữu ích vào thực tế ở Saudi Arabia [3]. Vào năm 1902 hệ thống điều hòa không khí hiện đại đầu tiên được phát triển bởi một kỹ sư trẻ tên là Willis Haviland Carrier. Ban đầu hệ thống được thiết kế để làm giảm độ ẩm của không khí trong xưởng in của một công ty bằng cách thổi không khí qua ống ướp lạnh. Không khí được làm mát khi nó đi qua các đường ống lạnh hơi ẩm trong không khí bị làm lạnh và ngưng tụ lại thành nước ngưng và dễ dàng lấy ra ngoài lúc này không khí trở lên khô hơn. Quá trình làm giảm độ ẩm trong nhà máy đã tạo ra một lợi ích phụ là giảm nhiệt độ không khí và một công nghệ mới đã được sinh ra. Đó là công nghệ điều hòa không khí. 1.1.2 Trong nước Chưa tìm thấy các tác giả khác đăng bài ngoại trừ bài của chính tác giả Hoàng Thành Đạt (2017), Tính toán phân tích quá trình quá lạnh đối với hệ thống lạnh, tạp chí khoa học công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 11(120)2017 – quyển 2; Hoàng Thành Đạt và Hồ Trần Anh Ngọc đăng trong hội nghị khoa học toàn quốc được tổ chức tại Đại học Bách Khoa Đại học Đà Nẵng. Điều hòa không khí ngày nay hầu như có mặt trên tất cả các hộ gia đình và các tòa nhà cao tầng từ những hệ thống điều hòa công suất lớn như hệ thống điều hòa trung tâm water chiller, VRV cho đến các hệ thống điều hòa không khí hai mảnh nhỏ gọn phục vụ cho các căn hộ và gia đình ở khắp mọi nơi trên thế giới có chức năng điều tiết không khí về mặt nhiệt độ, độ ẩm và độ trong sạch của không khí phù hợp với nhu cầu sản xuất và cuộc sống của con người. 1.2 Hệ thống điều hòa không khí trung tâm Là hệ thống mà khâu không khí được xử lý về nhiệt độ và độ ẩm tại một trung tâm (AHU, OHU) sau đó được dẫn theo hệ thống kênh dẫn gió đến các hộ tiêu thụ gọi là hệ thống điều hoà trung tâm. Hệ thống điều hoà trung tâm có thể làm lạnh nước ở nhiệt độ thấp thích hợp sau đó được bơm nước lạnh đến các FCU để trao đổi nhiệt làm lạnh không khí tại các hộ tiêu thụ. Hình 1.1. Dàn trao đổi nhiệt của AHU Hệ thống điều hòa không khí trung tâm có công suất lớn thích hợp cho các tòa nhà có không gian lắp đặt lớn. Đối với hệ thống điều hòa trung tâm do xử lý nhiệt ẩm tại một nơi duy nhất nên chỉ thích hợp cho các phòng lớn, đông người. Hình 1.2. Cụm máy nén trục vít và bình ngưng tụ nằm ngang Hình 1.3. Bơm dẫn nước lạnh hệ điều hòa trung tâm Water Chiller Đối với các tòa nhà làm việc, khách sạn, công sở .. là các đối tượng có nhiều phòng nhỏ với các chế độ hoạt động khác nhau, không gian lắp đặt bé, tính đồng thời làm việc không cao thì hệ thống này không thích hợp. 1.3 Hệ Thống điều hòa không khí hai mảnh Hệ thống điều hòa không khí hai mảnh thông thường thì chỉ có một dàn nóng và một dàn lạnh, hai dàn này được kết nối với nhau qua hệ thống ống đồng, dàn lạnh được đặt trong phòng theo nhu cầu sử dụng, còn dàn nóng thì đặt ở ngoài trời để tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Công suất của loại điều hòa này không cao thông thường từ 9000 BTU/h cho đến 36000 BTU/h, nguyên lý hoạt động và cấu tạo được thể hiện hình sau: Hình 1.4. Nguyên lý cấu tạo của máy điều hòa hai mảnh Các nhãn hiệu điều hòa hiện nay được dung phổ biến tại Việt Nam cũng trên thế giới như Carrier, Toshiba, Panasonic, Daikin, LG, Mitsubishi, Electrolux Sau đây một số hình ảnh về dây chuyền chế tạo máy điều hòa không khí Daikin: Hình 1.5. Dây chuyền sản xuất máy điều hòa hai mảnh 1.4 Quá lạnh – quá nhiệt trong hệ thống lạnh 1.4.1 Quá lạnh trong hệ thống lạnh Điều hòa không khí tiêu hao năng lượng rất lớn trong các công trình kiến trúc chiếm gần 60% [4] , chính yếu là các hệ thống điều hòa lớn như hệ thống điều hòa trung tâm water chiller. Như vậy chủ yếu chúng ta điều chỉnh tổ hợp hệ thống tổ hợp máy điều hòa, độ chênh nguồn nhiệt cao thấp tương đối lớn ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống lạnh. Đồng thời để đáp ứng được phụ tải nhiệt thì máy nén phải thường xuyên hoạt động trong điều kiện phụ tải nhiệt lớn, tiêu hao năng lượng lớn đồng thời hệ thống làm việc trong điều kiện nặng nề. Vì vậy việc giảm độ chênh nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh cụ thể giảm nhiệt độ của môi chất cao áp sau khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ bằng phương pháp quá lạnh sẽ đem lại kết quả là nâng cao hiệu suất của hệ thống lạnh [5]. Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh không có quá lạnh Những năm gần đây, trong nước và ngoài nước đã có rất nhiều công trình nghiên cứu đối với hệ thống lạnh nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống lạnh. Kỹ thuật quá lạnh đã được ứng dụng khá phổ biến ở nhiệt độ trung bình và thấp nhằm tiết kiệm năng lượng cho hệ thống lạnh. Một số phương pháp thường dùng để quá lạnh như sau: Dùng nhiệt độ môi trường để quá lạnh, trao đổi nhiệt với đường hút về máy nén để tiến hành quá lạnh, cải tạo hệ thống bằng cách tăng thêm bộ phận trao đổi nhiệt để quá lạnh, dùng thiết bị trao đổi nhiệt để quá lạnh [6-8]. Một số kết quả và kết luận quan trọng đã được đưa ra nâng cao được hiệu suất của hệ thống lạnh, đạt được hiệu quả cao của việc tiết kiệm năng lượng. Có một số thiết bị do thiết kế diện tích trao đổi nhiệt thiếu nên môi chất ngưng tụ không hoàn toàn dẫn đến làm tổn thất tiết lưu như hệ thống lạnh. Ở nội dụng này chủ yếu nghiên cứu dùng môi chất lạnh R32 và R410A cho hệ thống lạnh, dùng thiết bị quá lạnh, tiến hành tính toán phân tích lý thuyết và thực nghiệm. Đưa ra được kết quả tính toán và các thông số ảnh hưởng đến hệ số làm lạnh của hệ thống lạnh. 1.4.2 Quá nhiệt trong hệ thống lạnh Hơi của môi chất lạnh được nhận nhiệt hóa hơi tại thiết bị sinh hơi thông qua đường ống hút để đến máy nén, trên đường hút về máy nén thì bị quá nhiệt, độ quá nhiệt này ảnh hường đến hệ số làm lạnh, công tiêu tốn và nhiệt độ cuối tầm nén của hệ thống như thế nào thì cần phải tính toán và phân tính cụ thể, những lợi ích và tác hại của việc quá nhiệt đối với môi chất Freon nói chung và môi chất mới nói riêng như R32 và R410A nhằm nâng cao hệ số làm lạnh của chu trình và đảm bảo tính an toàn của hệ thống. Hình 1.7. Quá nhiệt thu hồi nhiệt Lợi ích của việc quá nhiệt là khi môi chất được hút về máy nén để thực hiện quá trình nén đoạn nhiệt tại máy nén thì môi chất tiếp tục nhận nhiệt từ môi trường xung quanh và nhiệt độ trên đường hút về máy nén, nhiệt độ của máy nén nên môi chất còn ở các dạng giọt ẩm nhận nhiệt bay hơi và trở thành hơi quá nhiệt hỗ trợ đắc lực cho thiết bị bay hơi khi bay hơi không kịp, đồng thời đảm bảo hơi hút về máy nén hoàn toàn là hơi không còn lỏng để đảm bảo máy nén không bị thủy kích khi làm việc nâng cao độ an toàn của máy nén và của toàn hệ thống. 1.5 Môi chất lạnh R32 và R410A 1.5.1 Môi chất lạnh R32 Môi chất lạnh R32 (Difluoromethane), công thức hóa học CH2F2 còn được gọi là HFC-32, là một hợp chất hữu cơ giống dihalogenoalkane. Công thức hóa học CH2F2. Môi chất lạnh R32 không độc hại, ODP bằng 0, GWP gấp 675 lần so với carbon dioxide, dựa trên khung thời gian 100 năm, nó được sử dụng trong các hệ thống lạnh - bơm nhiệt, có hiệu suất nhiệt tuyệt vời. Học giả Fujino và cộng sự [9] đã phân tích các đặc tính truyền nhiệt của R32 trong ống nằm ngang. Kết quả cho thấy, so với R22, hệ số truyền nhiệt của R32 trong quá trình bay hơi của ống trơn tăng 50% và quá trình ngưng tụ tăng 40%. Tài liệu [10] phân tích cụ thể hiệu quả giảm phát thải và lợi ích tiết kiệm năng lượng của R32 thay thế R22 trong điều hòa không khí gia đình, thương mại và so sánh với R410A, R290, R161 v.v. Hình 1.8. Gas lạnh R32 Đặc tính vật lý nhiệt, hiệu suất nhiệt, đặc tính bảo vệ môi trường, an toàn, tính sẵn có của thị trường v.v. So với R1234yf, R410A và R290, tất cả đều tin rằng R32 là một chất làm lạnh thay thế đầy hứa hẹn. Daikin [11] đã thực hiện các tính toán mô phỏng và so sánh thử nghiệm của R32 và R22 vào đầu năm 1995. Kết quả cho thấy rằng COP của hệ thống R32 tăng khoảng 4,1% so với hệ thống R22. Hình 1.9. Đồ thị T-h của môi chất R32 Hình 1.10. Đồ thị T-s của môi chất R32 Hình 1.11. Đồ thị p-v của môi chất R32 1.5.2 Môi chất lạnh R410A Gas R410A Hình 1.12. Gas lạnh R32 Môi chất lạnh R410A có công thức hóa học là: CH2F2/CHF2CF2 là hỗn hợp đồng sôi 50% của R32 và 50% của R125 được biểu thị dưới bản sau đây: R32 R410A Công thức CH2F2 CH2F2/CHF2CF2 Thành phần Gas đơn chất Tỉ lệ 50:50; R32:R125 Nhiệt độ sôi -51,70C -51,70C Chỉ số hủy tầng Ozone (ODP) 0 0 Chỉ số hiệu ứng nhà kính (GWP) 675 2090 Tính chất cháy Hơi dễ cháy A2L Không gây cháy A1 Tính độc hại 0 0 Gas R410A được nghiên cứu để thay thế gas lạnh cũ là R22, gas R410A làm việc với áp suất cao hơn khoảng 60% gas R22. R410A khó cháy hơn các loại gas trước đó, tính độc hại cũng ít hơi nên mức độ an toàn khi sử dụng R410A hơn nhiều. Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và Enthalpy, Entropy của môi chất R410A Hình 1.13. Đồ thị T-h của môi chất R410A Hình 1.14. Đồ thị T-h của môi chất R410A Hình 1.15. Đồ thị p-v của môi chất R410A 1.6 Kết luận Hai loại môi chất lạnh mới trên đáp ứng được các yêu cầu về môi chất lạnh, về yêu cầu kỹ thuật và môi trường. Hai môi chất này đã được cả thế giới tin dùng. Mỗi loại gas có công thức hóa học khác nhau nhưng một điều cần phân biệt rõ là R32 là đơn chất còn R410A là hỗn hộp đồng sôi 50:50 của R32 và R125. CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VỀ QUÁ LẠNH – QUÁ NHIỆT TRONG HỆ THỐNG LẠNH Đối với hệ thống lạnh việc tính toán nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số làm lạnh COP đóng vai trò quan trọng, các yếu tố nào ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến hệ số làm lạnh, mức độ ảnh hưởng bao nhiêu phần trăm sẽ được tính toán phân tích cụ thể ở chương này như mức độ quá lạnh, độ quá lạnh ảnh hưởng như thế nào? ảnh hưởng bao nhiêu? khi quá lạnh và không quá lạnh thì hệ số COP của hệ thống thay đổi bao nhiêu? Tương tự như vậy đối với yếu tố quá nhiệt và không quá nhiệt. 2.1 Sơ đồ nguyên lý, nguyên lý làm việc, đồ thị và tính toán cho hệ thống khi không quá lạnh và quá nhiệt 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý, nguyên lý làm việc, đồ thị và tính toán cho hệ thống khi không quá lạnh a) Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh khi không quá lạnh Trên sơ đồ nguyên lý thể hiện: I- máy nén lạnh; II- thiết bị ngưng tụ; III- tiết lưu; IV- thiết bị bay hơi Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống khi không quá lạnh b) Nguyên lý làm việc hệ thống Hơi môi chất bão hòa ẩm sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi (IV) ở trạng thái áp suất và nhiệt độ thấp được máy nén lạnh hút về máy nén và được nén đoạn nhiệt lên áp suất và nhiệt độ cao trở thành hơi quá nhiệt được đưa vào thiết bị ngưng tụ, tại thiết bị ngưng tụ môi chất được làm mát nhờ môi trường làm mát (nước hoặc không khí) ngưng tụ thành lỏng cao áp, lỏng cao áp ra khỏi thiết bị bay hơi tiếp tục đi vào van tiết lưu (III). Quá trình tiết lưu diễn ra, áp suất và nhiệt độ giảm xuống đến trạng thái tại thiết bị bay hơi, lỏng hạ áp được đưa vào thiết bị bay hơi, tại đây môi chất nhận nhiệt của môi trường làm lạnh bay hơi và được hút về máy nén tiếp tục chu trình làm lạnh. c) Đồ thị lgp-h và T-s Hình 2.2 biểu diễn các quá trình nhiệt động trên đồ thị lgp-h và T-s bao gồm các quá trình sau: 1-2: Nén đoạn nhiệt tại máy nén 2-3-4: Ngưng tụ đẳng áp đẳng nhiệt hơi môi chất tại thiết bị ngưng tụ 4-5: Tiết lưu tại thiết bị tiết lưu 5-1: Bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt tại thiết bị bay hơi Hình 2.2. Đồ thị lgp-h Hình 2.3. Đồ thị T-s d) Tính toán chu trình khi không quá lạnh Đơn vị khối lượng lạnh riêng , kJ/kg (1) Trong đó: h1: Entanpi của hơi bão hòa trước khi hút về máy nén, kJ/kg h5: Entanpi của lỏng cao áp sau khi quá lạnh, kJ/kg Đơn vị khối lượng lạnh thể tích , kJ/kg (2) Trong đó: v1: Thể tích riêng tại điểm 1, m3/kg Công lý thuyết , kJ/kg (3) Trong đó: h2: Entanpi của hơi quá nhiệt ra khỏi máy nén, kJ/kg Công chỉ thị (4) Trong đó: : Hiệu suất chỉ thị của máy nén Phụ tải nhiệt ở thiết bị ngưng tụ , kJ/kg (5) Trong đó: h4: Entanpi của lỏng cao áp, kJ/kg Hệ số làm lạnh của chu trình không quá lạnh COP0 (6) 2.1.2 Sơ đồ nguyên lý, nguyên lý làm việc, đồ thị và tính toán hệ thống khi quá lạnh a) Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh khi quá lạnh Trên hình 2.3 thể hiện: I- máy nén lạnh; II- thiết bị ngưng tụ; III- thiết bị quá lạnh; IV- thiết bị bay hơi Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống khi quá lạnh b) Nguyên lý làm việc hệ thống Nguyên lý làm việc của hệ thống có quá lạnh cơ bản cũng y như hệ thống không quá lạnh nhưng chỉ khác biệt ở chỗ là lỏng cao áp sau khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ trước khi đi vào tiết lưu thì được quá lạnh tại thiết bị (III) giảm nhiệt độ nhưng áp suất không thay đổi. Quá trình giảm nhiệt độ này được thực hiện thông qua nhiều cách đã trình bày ở chương 1. c) Đồ thị lgp-h và T-s Hình 2.5. Đồ thị lgp-h Hình 2.6. Đồ thị T-s Hình 2.5, 2.6 biểu diễn các quá trình nhiệt động trên đồ thị lgp-h và T-s bao gồm các quá trình sau: 1-2: Nén đoạn nhiệt tại máy nén 2-3-4: Ngưng tụ đẳng áp đẳng nhiệt hơi môi chất tại thiết bị ngưng tụ 4-4’: Quá lạnh tại thiết bị quá lạnh 4-5: Tiết lưu tại thiết bị tiết lưu 4’-5’: Tiết lưu tại thiết bị tiết lưu 5-1: Bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt tại thiết bị bay hơi d) Tính toán chu trình khi quá lạnh Đơn vị khối lượng lạnh riêng (7) Trong đó: h1: Entanpi của hơi bão hòa trước khi hút về máy nén, kJ/kg h4’: Entanpi của lỏng cao áp sau khi quá lạnh, kJ/kg h5’: Entanpi của lỏng sau khi tiết lưu từ trạng thái 4’ đến 5’, kJ/kg Đơn vị khối lượng lạnh thể tích (8) Trong đó: v1: Thể tích riêng tại điểm 1, m3/kg Công lý thuyết (9) Trong đó: Wsub: Công thực hiện chu trình khi có quá lạnh, kJ/kg W0: Công thực hiện chu trình khi không quá lạnh, kJ/kg Công chỉ thị (10) Trong đó: : Hiệu suất chỉ thị của máy nén Đơn vị phụ tải nhiệt ở thiết bị ngưng tụ (11) Trong đó: h4: Entanpi của lỏng cao áp trước khi quá lạnh, kJ/kg Đơn vị phụ tải nhiệt ở thiết bị quá lạnh (12) Hệ số làm lạnh của chu trình không quá lạnh COP0 (13) Hệ số làm lạnh của chu trình có quá lạnh COPsub (14) COPi chỉ thị: (15) So với chu trình không quá lạnh thì chu trình có quá lạnh lượng làm lạnh tăng lên: , COP tăng lên (16) Trong đó: m0: Lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống, kg/s 2.1.3 Tính toán và phân tích kết quả khi quá lạnh đối với R32 và 410A Tính cho môi chất lạnh thường dùng trong hệ điều hòa không khí R32, R410A. Để thuận tiện cho việc tính toán ta giả định: Hệ thống hoạt động với các thông số ổn định; Nhiệt độ ngưng tụ được chọn trong khoảng 40~50℃, nhiệt độ bay hơi trong khoảng -5~5℃; Không tính tổn thất nhiệt, tổn thất lưu động và tổn thất trao đổi nhiệt với môi trường trên đường ống; Hiệu suất làm việc của máy nén là 0,8. 2.1.3.1 Độ quá lạnh ảnh hưởng đến hệ thống khi nhiệt độ ngưng tụ thay đổi a) Độ quá lạnh ảnh hưởng đến qo-sub với nhiệt độ bay hơi t0 = 5℃, nhiệt độ ngưng tụ tk = 40℃. Hình 2.7 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá lạnh và năng suất lạnh riêng. Môi chất R32 có năng suất lạnh riêng lớn hơn môi Chất R410A, khi độ quá lạnh tăng lên 20℃ thì cả hai môi chất R32, R410A có qo-sub tăng lên tương ứng 16,4% và 21,5%. Như vậy, khi độ quá nhiệt tăng lên thì cả hai môi chất đều tăng lên nhưng R410A có độ tăng lên nhanh hơn R32 là 5,1%. Hình 2.7. Ảnh hưởng độ quá lạnh đến qo-sub b) Độ quá lạnh ảnh hưởng đến Wsub với nhiệt độ bay hơi t0 = 5℃, nhiệt độ ngưng tụ tk = 40℃. Hình 2.8 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá lạnh và công nén riêng chu trình. Môi chất R32 có công nén lớn môi chất R410A, lớn hơn 31.4%. Khi độ quá lạnh tăng lên thì cả hai môi chất R32, R410A có Wsub không thay đổi. Hình 2.8. Ảnh hưởng độ quá lạnh đến Wsub c) Độ quá lạnh ảnh hưởng đến COPsub Với nhiệt độ bay hơi t0 = 5℃, nhiệt độ ngưng tụ tk = 40℃. Hình 2.9 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá lạnh và hệ số làm lạnh của chu trình COPsub. Khi không có quá lạnh thì R32 có hệ số làm lạnh lớn hơn R410A. Khi độ quá lạnh tăng lên 20℃ thì cả hai môi chất R32, R410A có COPsub tăng lên tương ứng 16,41% và 21,57%. Như vậy, khi độ quá lạnh tăng lên thì cả hai môi chất đều tăng lên nhưng R410A có độ tăng nhanh hơn R32 là 5,16%. Hình 2.9. Ảnh hưởng độ quá lạnh đến COPsub 2.1.3.2 Độ quá lạnh ảnh hưởng đến hệ thống khi nhiệt độ bay hơi thay đổi a) Độ quá lạnh ảnh hưởng đến qo-sub Với nhiệt độ bay hơi t0 = -5℃, nhiệt độ ngưng tụ tk = 45℃ Hình 2.10 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá lạnh và năng suất lạnh riêng. Môi chất R32 có năng suất lạnh riêng lớn hơn môi chất R410A, lớn hơn 53,01%. Khi độ quá lạnh tăng lên 20℃ thì cả hai môi chất R32, R410A có qo-sub tăng lên tương ứng 17,5% và 24,15%. Như vậy, khi độ quá tăng lên thì cả hai môi chất đều tăng lên nhưng R410A có độ tăng lên nhanh hơn R32 là 6,65%. Hình 2.10. Ảnh hưởng độ quá lạnh đến qo-sub b) Độ quá lạnh ảnh hưởng đến Wsub với nhiệt độ bay hơi t0 = -5℃, nhiệt độ ngưng tụ tk = 45℃ Hình 2.11 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá lạnh và công thức thực hiện chu trình. Môi chất R32 có công nén lớn hơn công nén của môi chất R410A, lớn hơn 47,34%. Khi độ quá lạnh tăng lên thì cả hai môi chất R32, R410A có W không thay đổi. Hình 2.11. Ảnh hưởng độ quá lạnh đến Wsub b) Độ quá lạnh ảnh hưởng đến COPsub với nhiệt độ bay hơi t0 = -5℃, nhiệt độ ngưng tụ tk = 45℃ Hình 2.12 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá lạnh và hệ số làm lạnh của chu trình COPsub. Khi không có quá lạnh thì R32 có hệ số làm lạnh lớn hơn R410A. Khi độ quá lạnh tăng lên 20℃ thì cả hai môi chất R32, R410A có COPsub tăng lên tương ứng 17,77% và 22,68%. Như vậy, khi độ quá lạnh tăng lên thì cả hai môi chất đều tăng lên nhưng R410A có độ tăng lên nhanh hơn R32 là 4,91%. Hình 2.12. Ảnh hưởng độ quá lạnh đến COPsub 2.2 Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, nguyên lý làm việc và tính toán cho hệ thống khi quá nhiệt 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý, nguyên lý làm việc, đồ thị và tính toán hệ thống khi quá nhiệt a) Sơ đồ nguyên lý Trên hình 2.13 thể hiện: I- máy nén lạnh; II- thiết bị ngưng tụ; III- van tiết lưu; IV- thiết bị bay hơi; V- thiết bị quá nhiệt Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý hệ thống khi quá nhiệt b) Nguyên lý làm việc hệ thống Hơi môi chất bão hòa ẩm sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi (IV) ở trạng thái áp suất và nhiệt độ thấp được đưa qua thiết bị quá nhiệt (V) được cấp nhiệt để trở thành hơi quá nhiệt sau đó được máy nén lạnh hút về máy nén và được nén đoạn nhiệt lên áp suất và nhiệt độ cao trở thành hơi quá nhiệt được đưa vào thiết bị ngưng tụ, tại thiết bị ngưng tụ môi chất được làm mát nhờ môi trường làm mát (nước hoặc không khí) ngưng tụ thành lỏng cao áp, lỏng cao áp ra khỏi thiết bị bay hơi tiếp tục đi vào van tiết lưu (III) tại đây quá trình tiết lưu diễn ra, áp suất và nhiệt độ giảm xuống lỏng hạ áp được đưa vào thiết bị bay hơi, nơi đây môi chất nhận nhiệt của môi trường làm lạnh bay hơi và được hút về máy nén tiếp tục chu trình làm lạnh. c) Đồ thị lgp-h và T-s Hình 2.14. Đồ thị lgp-h Hình 2.15. Đồ thị T-s Hình 2.14, 2.15. Biểu diễn các quá trình nhiệt động trên đồ thị lgp-h và T-s bao gồm các quá trình sau: 1-1’: Quá nhiệt tại thiết bị quá nhiệt 1-2 : Nén đoạn nhiệt tại máy nén 1’-2’: Nén đoạn nhiệt tại máy nén khi quá nhiệt hơi hút 2’-3-4: Ngưng tụ đẳng áp đẳng nhiệt hơi môi chất tại thiết bị ngưng tụ 4-5: Tiết lưu tại thiết bị tiết lưu 5-1: Bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt tại thiết bị bay hơi d) Tính toán chu trình khi quá nhiệt Đơn vị khối lượng lạnh riêng (17) Trong đó: h1’: Entanpi của hơi quá nhiệt trước khi hút về máy nén, kJ/kg h4: Entanpi của lỏng cao áp, kJ/kg h5’: Entanpi của lỏng sau khi tiết lưu, kJ/kg Công lý thuyết (18) Công khi quá nhiệt (19) Trong đó: h1: Entanpi của hơi bão hòa khi ra khỏi thiết bị bay hơi, kJ/kg h2: Entanpi của hơi quá nhiệt sau khi ra khỏi máy nén, kJ/kg h2’: Entanpi của hơi quá nhiệt sau khi ra khỏi máy nén khi quá nhiệt hơi hút, kJ/kg Công chỉ thị (20) Trong đó: : Hiệu suất chỉ thị của máy nén Đơn vị phụ tải nhiệt ở thiết bị ngưng tụ (21) Đơn vị phụ tải nhiệt ở thiết bị quá nhiệt (22) Hệ số làm lạnh của chu trình không quá nhiệt COP0 (23) Hệ số làm lạnh của chu trình có quá nhiệt COPheat (24) 2.2.2 Phân tích kết quả tính toán khi quá quá nhiệt 2.2.2.1 Độ quá nhiệt ảnh hưởng đến hệ thống khi nhiệt độ bay hơi t0 = 5℃, nhiệt độ ngưng tụ tk = 45℃. a) Độ quá nhiệt ảnh hưởng đến qo-heat Hình 2.16. Ảnh hưởng độ quá nhiệt đến qo-heat Hình 2.16 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá nhiệt và năng suất lạnh riêng. Môi chất R32 có năng suất lạnh riêng lớn hơn môi chất R410A 33,9%. Khi độ quá lạnh tăng lên 20℃ thì cả hai môi chất R32, R410A có q0-heat tăng lên tương ứng 13,3% và 10,9%. Như vậy, khi độ quá nhiệt tăng lên thì cả hai môi chất đều tăng lên tương đương nhau. b) Độ quá nhiệt ảnh hưởng đến Wheat Hình 2.17 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá nhiệt và công nén riêng chu trình. Môi chất R32 có công nén lớn môi Chất R410A, lớn hơn 31.8%. Khi độ quá nhiệt tăng lên thì cả hai môi chất R32, R410A có Wheat tăng lên tương ứng 13,7% và 13,2%. Hình 2.17. Ảnh hưởng độ quá lạnh đến Wsub c) Độ quá nhiệt ảnh hưởng đến COPsub Hình 2.18. Ảnh hưởng độ quá nhiệt đến COPheat Hình 2.18 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá nhiệt và hệ số làm lạnh của chu trình COPheat. Từ hình ta nhận thấy R32 có hệ số làm lạnh lớn hơn R410A 2,9%. Khi độ quá nhiệt tăng lên 20℃ thì cả hai môi chất R32, R410A có COPheat giảm xuống tương ứng 2,9% và 1,9%. Đối với môi chất R410A khi quá độ quá nhiệt tăng 5℃ thì COPheat giảm xuống rõ rệt rồi sau đó độ quá nhiệt tăng lên thì COPheat giảm không đáng kể. 2.2.2.2 Độ quá nhiệt ảnh hưởng đến hệ thống khi nhiệt độ bay hơi t0 = -5℃, nhiệt độ ngưng tụ tk = 45℃. a) Độ quá nhiệt ảnh hưởng đến qo-heat Hình 2.19 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá nhiệt và năng suất lạnh riêng. Môi chất R32 có năng suất lạnh riêng lớn hơn môi chất R410A 34,6%. Khi độ quá lạnh tăng lên 20℃ thì cả hai môi chất R32, R410A có q0-heat tăng lên tương ứng 9,6% và 10,1%. Như vậy, khi độ quá nhiệt tăng lên thì cả hai môi chất đều tăng lên tương đương nhau. Hình 2.19. Ảnh hưởng độ quá nhiệt đến qo-heat b) Độ quá nhiệt ảnh hưởng đến Wheat Hình 2.20 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá nhiệt và công nén riêng chu trình. Môi chất R32 có công nén lớn môi Chất R410A, lớn hơn 32.2%. Khi độ quá nhiệt tăng lên thì cả hai môi chất R32, R410A có Wheat tăng lên tương ứng 12,2% và 12,0%. Hình 2.20. Ảnh hưởng độ quá lạnh đến Wsub c) Độ quá nhiệt ảnh hưởng đến COPsub Hình 2.21 thể hiện mối quan hệ giữa độ quá nhiệt và hệ số làm lạnh của chu trình COPheat. Từ hình ta nhận thấy R32 có hệ số làm lạnh lớn hơn R410A 3,3%. Khi độ quá nhiệt tăng lên 20℃ thì cả hai môi chất R32, R410A có COPheat giảm xuống tương ứng 2,0% và 1,0%. Đối với môi chất R410A khi quá độ quá nhiệt tăng 5℃ thì COPheat giảm xuống rõ rệt rồi sau COPheat tăng nhẹ trở lại. Hình 2.21. Ảnh hưởng độ quá nhiệt đến COPheat 2.3 Kết luận - Qúa lạnh So với chu trình không quá lạnh thì chu trình có quá lạnh lượng làm lạnh tăng lên: Khi độ quá lạnh tăng lên thì năng suất lạnh riêng q0-sub tăng lên, công thực hiện chu trình không thay đổi Môi chất R32 có hệ số làm lạnh COPsub cao hơn R410A Khi độ quá lạnh tăng lên thì cả hai môi chất có COPsub đều tăng lên nhưng môi chất R410A có độ tăng nhanh hơn R32. Ở nhiệt độ càng thấp môi chất R410A có độ ảnh hưởng nhiều hơn. - Quá nhiệt Khi độ quá nhiệt tăng lên thì năng suất lạnh riêng q0-sub tăng lên, công thực hiện chu trình tăng lên Môi chất R32 có hệ số làm lạnh COPheat cao hơn R410A Khi độ quá nhiệt tăng lên thì cả hai môi chất có COPsub đều giảm xuống nhưng môi chất R410A có độ giảm nhanh hơn R32. Khi quá nhiệt thì công và năng suất lạnh riêng đều tăng nhưng do công tăng nhanh hơn nên COPheat giảm xuống CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO MÔ HÌNH - CHẠY THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Từ cơ sở lý luận và tính toán lý thuyết quá lạnh và quá nhiệt nhưng trong điều kiện cho phép chỉ chế tạo mô hình thí nghiệm hệ thống điều hòa không khí hai mảnh có thiết bị quá lạnh bổ trợ để quá lạnh cho hệ thống. 3.1 Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Trên sơ đồ nguyên lý thể hiện: I- máy nén lạnh; II- thiết bị ngưng tụ; III- tiết lưu; IV- thiết bị bay hơi Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống có quá lạnh 3.1.2 Mô hình hệ thống máy điều hòa không khí 2 mảnh có quá lạnh Tính chọn máy điều hòa không khí với công suất lạnh là 9000BTU/h, dàn lạnh và dàn nóng trao đổi nhiệt cưỡng bức thông qua quạt lồng sóc cho dàn lạnh và quạt hướng trục cho dàn ngưng tụ, hệ quá lạnh bổ trợ quá lạnh lỏng cao áp được chọn cho phù hợp với việc hạ nhiệt độ lỏng cao áp trước khi đi tiết lưu Hình 3.2. Mô hình hệ thống điều hòa không khí 2 mảnh khi có quá lạnh a) Dàn Lạnh Hình 3.3. Cấu tạo bên trong dàn lạnh của điều hòa không khí Cấu tạo dàn lạnh gồm cụm ống đồng môi chất đi bên trong ống là nơi để môi chất nhận nhiệt của môi trường cần làm lạnh bay hơi, hay nói cách khác là nơi để làm lạnh không khí phục vụ cho điều hòa không khí. Bên ngoài ống đồng là các cánh tản nhiệt mỏng được bọc xung quanh làm nhiệm vụ tăng thêm diện tích trao đổi nhiệt làm lạnh. Bên trong dàn lạnh tích hợp bo dàn lạnh điều khiển hệ thống lạnh như tăng giảm nhiệt độ, tốc độ quạt và các chế độ làm lạnh. b) Máy nén lạnh Hầu hết tất các hệ thống lạnh vừa và nhỏ đặc biệt là điều hòa không khí và tủ lạnh thì hầu như dùng máy nén kính, tùy thuộc vào từng hãng mà cấu tạo bên trong khác nhau để cho phù hợp với môi trường làm việc của hệ thống. Trên mỗi máy nén được bảo vệ quá dòng thông qua tecmic. Hình 3.4. Máy nén kín cho điều hòa không khí c) Dàn nóng Mục đích của dàn nóng là trao đổi nhiệt giúp cho môi chất lạnh ở áp suất và nhiệt độ cao ngưng tụ thành lỏng cao áp để đi tiết lưu, môi trường làm mát ngưng tụ ở đây là không khí được một quạt hướng trục hút vào làm mát dàn ngưng xong đẩy không khí nóng ra môi trường bên ngoài. Cấu tạo cũng tương tự như dàn lạnh gồm cụm ống đồng môi chất lạnh đi bên trong ống đồng, bên ngoài ống đồng là các cánh tản nhiệt nhằm mực đích tăng cường bề mặt trao đổi nhiệt giúp cho dàn nóng hoàn thành tốt nhiệm vụ là ngưng tụ hoàn toàn hơi quá nhiệt môi chất từ máy nén đến, đảm bảo không để nhiệt độ dàn ngưng tụ tăng quá cao dẫn đến môi chất không ngưng tụ hoàn toàn, hệ thống làm việc với hiệu suất COP thấp dẫn đến tiêu hao năng lượng lớn. Hình 3.5. Cấu tạo dàn nóng cho máy không điều hòa không khí 2 mảnh d) Thiết bị quá lạnh Mục đích của thiết bị quá lạnh là quá lạnh lỏng cao áp sau khi ra khỏi dàn nóng trước khi đi tiết lưu nhằm giảm tổn thất tiết lưu nâng cao hệ số làm lạnh COP, như hình bên dưới