TÍNH TOÁN DÀN BAY HƠI HỆ THỐNG MÁY LẠNH GHÉP TẦNG CO2R22

Đề tài:

TÍNH TỐN DÀN BAY HƠI HỆ THỐNG
MÁY LẠNH GHÉP TẦNG CO2/R22

GVHD:

TP.HCM, ngày 21 tháng 5 năm 2023


GVHD:

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ
STT

Họ và tên

MSSV

Nhiệm vụ

Ghi chú

2

Đề tài: Tính tốn dàn bay hơi của máy lạnh ghép tầng CO2/R22


MỤC LỤC
Phần I :Tổng quan.................................................................................................4
1.1 Giới thiệu sơ lược môi chất CO2...............................................................4

1.2 Thiết bị bay hơi.........................................................................................5
Phần II :Tính tốn lý thuyết R22_CO2..................................................................... 5
2.1 Tính tốn lựa chọn các chi tiết của dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức:........5
2.2 Chọn dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức giải nhiệt bằng gió........................7
2.3 Tính tốn truyền nhiệt:...........................................................................11
2.3.1 Cường độ tỏa nhiệt về phía khơng khí..........................................11
2.3.2 Cường độ tỏa nhiệt phía trong ống................................................11
2.4 Tính tốn chọn quạt cho dàn lạnh:..........................................................12
2.5 Cơng suất xả băng...................................................................................13
2.6 Kết luận tính tốn lý thuyết:...................................................................14
Phần III Hệ thống thực tế R32_CO2....................................................................... 15
3.1 Tính tốn sơ bộ dàn lạnh của Hệ thống lạnh ghép tầng CO2 - R32 ở
xưởng nhiệt của trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TPHCM..............................15
3.2 Tính tốn mơ hình thực tại xưởng nhiệt trường ĐH Sư phạm kỹ thuật
TPHCM:
.......................................................................................................................17
Phần IV So sánh lý thuyết với thực tế................................................................17
Tài Liệu kham khảo:...........................................................................................18


Phần I :Tổng quan
1.1 Giới thiệu sơ lược môi chất CO2:
CO2-R744 khơng màu, khơng mùi và có sẵn trong khơng khí tự nhiên.
CO2 được sinh ra thơng qua q trình tự nhiên bao gồm vịng tuần hồn cacbon
thơng qua việc hô hấp của động vật và việc lên men các hợp chất hữu cơ. Nó
cũng được sinh ra từ các hiện tượng tự nhiên khác như hoạt động của núi lửa và
sản phẩm của quá trình cháy.
CO2 (Carbon dioxide) được ra đời và ứng dụng vào ngành công nghiệp làm
lạnh từ cuộc tìm kiến mơi chất lạnh thay thế nhóm HCFC để giảm mức độ phá
hủy môi trường của môi chất lạnh. Theo nghiên cứu của các nhà khoa học trên

thế giới đã chỉ ra rằng: GWP (Global Warming Potential) của khí CO 2 tác động
trong thời hạn 100 năm được lấy làm mốc để so sánh, GWPCO 2 = 1 thì của các
HFC cũng đạt tới hàng nghìn như HFC134a là 1.600, HFC410A là 2.340. Và là
môi chất không cháy, khơng có tiềm năng suy giảm Ozon (ODP=0). Áp suất
hơi của nó cao hơn và có cơng suất làm lạnh (22.545 [kJ/m 3] ở 0℃) lớn hơn
gấp 3- 10 lần khi so với các môi chất CFC, HCFC.










Ưu nhược điểm của môi chất CO2

 Ưu điểm:
Khả năng làm lạnh cao.
Môi chất tự nhiên nên 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
bị thay thế bởi môi chất lạnh CO2 một cách nhanh chóng.
 Nhược điểm:
Hệ thống có nguy cơ rị rỉ cao. Do đó thiết kế của các hệ thống CO2 có cấu
tạo phức tạp dẫn đến giá thành khá cao.
Hệ thống rị rỉ CO2 khơng độc trực tiếp đến con người nhưng có thể gây ngạt.
Các thiết bị trong hệ thống cần được kiểm định an toàn thường xuyên do
chúng phải làm việc ở áp lực cao.

1.2 Thiết bị bay hơi:
Dàn lạnh hay còn gọi là thiết bị bay hơi là bộ phận trao đổi nhiệt
trực tiếp với kho lạnh và nguyên liệu trong hệ thống cấp đơng nói
chung và cụ thể là thiết bị bay hơi của hệ thống lanh ghép tầng R22CO2.
Do công suất hệ thống là 1.6 kW nên chọn phương thức trao đổi
nhiệt chính của dàn lạnh là đối lưu cưỡng bức (dùng quạt).
Đối lưu cưỡng bức là sự truyền dẫn nhiệt năng khi có sự chênh
lệch nhiệt độ. Lượng nhiệt năng trong quá trình trao đổi được gọi là
nhiệt lượng và là một quá trình biến thiên. Quá trình trao đổi nhiệt
diễn ra theo hướng chuyển nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi
có nhiệt độ thấp.

Phần II :Tính tốn lý thuyết R22_CO2
2.1 Tính tốn lựa chọn các chi tiết của dàn bay hơi đối
lưu cưỡng bức:
- Nhiệt độ phòng:
- ∆t = 10 [oC]

tp = -20 [oC]

(sách Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh - Nguyễn Đức Lợi)
- Vận tốc 𝜔 = 3 ÷ 5 [m/s]; chọn   4
(sách Cơ sở truyền nhiệt và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt
- Hồng Đình Tín)
Tk = 12,56 [oC] => P1 = 47,95 [bar]
Tp= -30 [oC]
=> P2 = 14,28 [bar]
Tính tốn các điểm nút trên đồ thị ta có:

Hình 3.1 Sơ đồ các điểm nút trên đồ thị lgP-I của môi chất R744 [5]
Điểm
1
2
3
4
5

toC
-30

p (bar)
14,28

i (KJ/Kg)
437

s (KJ/Kg.K)
2

v (m3/Kg)
0,027

-25
14,28
442
2,02
0,028
62

47,95
499
2,02
0,01
12,56
47,95
231
1,11
0,0012
-30
14,28
231
1,15
0,0093
Bảng 3.1 Thông số các điểm nút trên đồ thị lgP-I của môi chất R744

- Công suất lạnh riêng:
qo = i1 – i4 = 206 [kJ/kg]
- Lưu lượng môi chất trong ống:
G = Qo/qo= 0,0078 [kg/s]
- Hệ số dẫn nhiệt không khí:
λ = 384 [W/moC] [3]
- Hệ số dẫn nhiệt của cánh nhôm:
λn = 203,5 [W/moC] [3]
- Hệ số dẫn nhiệt của tuyết:
λn = 1,2 [W/moC] [3]


Mơi chất

CO2

Khơng khí

Hệ số dẫn nhiệt (w/m2K)

25000

384

Bảng 3.2 Hệ số dẫn nhiệt của CO2 và khơng khí [3]

2.2 Chọn dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức giải nhiệt bằng
gió:
Dựa theo sách cơ sở truyền nhiệt và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt của thầy
Hồng Đình Tín ta chọn:
- Ống đồng:
ϕ = 10 [mm] = do
- Độ dày cánh nhôm:
ρ = 0,2 [mm]
- Bước cánh:
Sc = 10 [mm]
- Số dãy ống theo chiều dòng: N = 7 => Chọn số ống của mỗi dãy n = 13 ống bố
trí theo tam giác đều, khoảng cách các tâm ống S = 0,03 [m]

Hình 4.1 Bố trí ống-cánh của thiết bị bay hơi [1]
Áp suất trong hệ thống:
2Stmin
(Dmax − 0.8tmin)
di = 2 mm

P=

=> Chiều dày ống:
- Số pass: 13


- Độ cao A của dàn bay hơi:
A = n1. S = 13.0,03 = 0,39 [m]
- Độ dày của dàn bay hơi:
B = N. S. cos 300 = 7.0,03. cos 300 = 0,18 [m]
- Chiều dài một dãy ống:
S. Sc
0,03.10
L =
=
= 0,77 [m]
1
0,39
A
=> Số cánh của dàn bay hơi:
1000
. 0,77 = 77 [cánh]
x = nc. L1
10
=
Với nc: số cánh trên 1 [m] ống
- Chiều dài ống đồng:
L = L1. n. N = 0,77.13.7 = 70 [m]
Ở thiết bị bay hơi của dàn lạnh CO2, ta sẽ bố trí ống theo hình tam giác đều:

Hình 4.2 Kiểu bố trí ống theo hình tam giác đều [1]
- Diện tích 1 phía của
lục giác:
𝐵𝑓cánh 𝐵
𝜋
𝑓
0
2
𝑓 = [6. ( ) . ( . cos 60 ) −
] = 600 [𝑚𝑚2]
.𝑑
1𝑐

2
2
4
- Diện tích cánh truyền nhiệt trên 1 [m] ống:

0


𝐹𝑐

1000
= 2𝑓1𝑐 . = [2.600. 10
𝑛𝑐

−6

] = 0,12 [𝑚2⁄𝑚]

10


- Diện tích phần ống khơng làm cánh ứng với 1 [m] chiều dài ống:
𝐹𝑜𝑐 = 𝜋. 𝑑𝑜(1 − 𝑛𝑐. 𝛿𝑐) = 0,0308 [𝑚2⁄𝑚]
- Tổng diện tích bề mặt ngồi ứng với 1 [m] ống:
Fk = Fc + Foc = 0,12 + 0,0308 = 0,151 [m2/m]
=>Tổng diện tích bề mặt ngồi ứng với 1 dãy ống cần tính cho dàn dạnh:
Fk = 0,77.0,151 = 0,0116 [m2/m]
- Tổng diện tích bề mặt ngoài của ống:
Fkt = Fk.L = 0,151.70 = 10,57 [m2]
- Tống diện tích bề mặt trong của ống:
𝐹𝑖 = 𝜋. 𝑑𝑖. 𝐿 = 1,76 [𝑚2]

=> Hệ số làm cánh:

𝐹𝑘𝑡
10,57
𝛽
=
=
1,76 = 6
1
1𝐹𝑖
= (𝑡 + 𝑡 ) = (12,56 − 20) = −3,72 [𝑜𝐶] (1)

𝑡
𝑚

2

𝑤

𝑠

2

Vì khơng có các thơng số và tính chất nhiệt động của CO2 nên ta tính như
R22.
- Tra bảng tính chất vật lý của R22 ở trạng thái bão hịa kết hợp nội suy ta
có:


Bảng 4.1 Các tính chất nhiệt vật lý của R22 lỏng ở trạng thái bão hịa [1]
Ta có kết quả:
𝜌 = 1296,648 [𝑘𝑔⁄𝑚3]
𝜆 = 0,0996 [𝑚. 𝐾]
V = 2,106.10-7 [m2/s]
Hệ số tỏa nhiệt của ống nằm ngang:
4

𝛼 = 0,72.
√

𝜌𝑔𝑟𝜆3
𝑣𝑑(𝑡𝑠−𝑡𝑤)

𝑜

= 83,77 [𝑊/𝑚 2 𝐶]

Cánh lục giác nên ta chọn:
C = 0,205
n = 0,65


2.3 Tính tốn truyền nhiệt:
2.3.1 Cường độ tỏa nhiệt về phía khơng khí:
𝜆
𝑑𝑜 −0,54 ℎ −0,14
𝑛
( )
𝑅𝑒𝑓
)
𝑆
𝑆 (
𝑆

𝛼𝑜𝑓 =
𝐶

Trong đó :
𝑐
𝑐
𝑐
h - Chiều cao
cánh
 - tốc độ dịng khí qua chỗ hẹp nhất [m/s]
 - độ nhớt động học của khơng khí [m2/s]
𝜔. 𝑑𝑜

𝑅𝑒𝑓𝑛 = 𝑣
0,65 10 −0,54
0,0384
4.0,01
=> α
9 −0,14]
=
[0,205.
(
of
) ( 10 )
( 10 )
0,01
−6
11,286.10

2

= 162,06 [W⁄m K]

2.3.2 Cường độ tỏa nhiệt phía trong ống:
1,4

𝛼𝑖 =

𝐴1𝑣𝑚

[1]

0,45

𝑑𝑖

Trong đó:
- Tốc độ khối lượng vm :
𝑣𝑚 =

𝐺
𝜋

𝑘𝑔

0,0078
𝜋

2

2

= 22,17 [

=
𝑁. .
𝑑𝑖 4

Ta có:

7.

4

. (0,008)

𝐴1 =

32
𝐶 7. 𝜇

và:
𝑡𝑜 + 273
𝐶 =𝑡𝑏 + 273
Lãnh chất ở đây là CO2 tra bảng 15.6 ở tài liệu (1) ta có:
tb = -78,52 oC; 𝜇 = 44,01 [𝑔⁄𝑚𝑜𝑙]
−30+273
=> 𝐶 = −78,52+273 = 1,249

=> 𝐴1

32
= 1,2497.44,01 = 0,1533

2

𝑚𝑠

]


Thay vào (1) ta tính được:
𝑊
𝛼𝑖 = 159,2 [

2

𝑚𝐾

]


Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit:
𝑡2 − 𝑡1
= 7,2 [𝑜𝐶]
Δ𝑡 = 𝑡𝑘 − 𝑡2
ln (
)
𝑡𝑘 − 𝑡1
Hệ số truyền nhiệt k theo bề mặt ngoài:
k



 45,4 w / m2K

 1

1

1
 F
(  Ri  ) 2  ( u 


 F
 

i

i

u

e

)(
of

F



F2
 F )

oc

c

c

Trong đó:
of - Hệ số tỏa nhiệt về phía khơng khí
 i - Hệ số tỏa nhiệt của lãnh chất trong ống

Ri - Hệ số bám cáu trên bề mặt của ống, chọn Ri = 0,09 m2oC/kW
F2 , Fc , Foc - lần lượt là tổng diện tích bề mặt ngồi, bề mặt cánh, bề mặt ngồi
phần khơng cánh
 - Hệ số cách ẩm kết băng
 e - Hệ số hiệu chỉnh
, u - lần lượt là hệ số dẫn nhiệt của vách ống cánh nhôm và của tuyết
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:
F

Qo
2
1800
k  45,4.7,2  5,5m
t

2.4 Tính tốn chọn quạt cho dàn lạnh:
Chọn độ ẩm của khơng khí vào dàn lạnh là 95% và ra khỏi dàn lạnh là 90%.
t1 = -30 oC, t2 = -25 oC => Tra bảng phân áp suất khơng khí ẩm bão hịa ta có:
pbh1 = 0,03798 [kPa]
pbh2 = 0,06324 [kPa]
Xem áp suất khí trời:
B = 1,01.102 kPa
Độ chứa hơi của khơng khí:
𝜑. 𝑝𝑏ℎ
𝑑 = 0,622
𝐵 − 𝜑. 𝑝𝑏ℎ


=> d1 = 0,22 [g/kgkkk]

d2 = 0,35 [g/kgkkk]


Entanpi của khơng khí ẩm:
I = 1,01t + d(2500 + 1,84t) [kJ/kg]
=> I1 = -29,76 kJ/kg
I2 = -24,39 kJ/kg
Vì trị số I1 và I2 đều âm nên không ảnh hưởng đến tính tốn thiết kế của thiết
bị trao đổi nhiệt vì khi tính tốn nhiệt lượng chọn theo độ chênh Entanpi.
Lưu lượng gió cấp:
𝑉𝑘

𝑣𝑘𝑄𝑜.3600
(𝐼2−𝐼1)

=

[m3/h]

Với vk = 0,705 [m3/kg] - thể tích riêng của khơng khí ở nhiệt độ trung
bình của gió qua dàn lạnh.
=> Vk = 756,2 [m3/h]
Căn cứ vào lưu lượng này ta chọn hai quạt hướng trục, mỗi quạt có lưu
lượng 375 [m3/h].

2.5 Cơng suất xả băng:
Tốc độ hứng dòng:
𝑉
𝜔𝑜 = 𝑘 = 0,7 [𝑚⁄𝑠]
𝑆.

𝑆𝑐
Khối lượng riêng của tuyết:
𝜌𝑢 = 340|𝑡𝑠|−0,455 + 25. 𝜔𝑜 = 85,83 [𝑘𝑔⁄𝑚3]
𝑑 −𝑑
Lượng ẩm tách:
2
1
) = 1,39. 10−4 [𝑘𝑔⁄𝑠]
𝑊 = ( 𝑉𝑘⁄3600 .
𝑣𝑘 ) (
1000
Chọn chu kì xả băng:

τ = 10 [h]
=> Độ dày bình quân của lớp tuyết ứng với 1 chu kỳ xả băng:
0,8𝑊.𝑐.3600

𝛿𝑢 = 0,5. (

𝜌𝑢.𝐹𝑘𝑡

)=2,2 [mm]

Lượng băng kết đông của một chu kỳ xả đá:
𝐺𝑏 = 𝑊. 3600. 𝑟 = 1,39. 10−4.3600.10= 5 [kg/chu kỳ]
Nhiệt lượng cần để hóa lỏng lượng băng này:
Q = cp. Gb. Δt + Gb. rb = 2,15.5.20 + 5.334 = 1885 [J]
Trong đó:
Cp - Nhiệt dung riêng của băng

rb - Nhiệt nóng chảy của băng
Cơng suất xả băng:
P=

𝑄

𝑡𝑟
Giả sử chọn thời gian xả băng là 15 [phút] ta có:
1885
P=
=> Chọn P = 2 [kW]

15.60

= 2,09 [𝑘𝑊]

2.6 Kết luận tính tốn lý thuyết:
Sau q trình tính tốn, chọn lựa thì thiết bị bay hơi phù hợp cho hệ thống
lạnh ghép tầng CO2/R22 có các thơng số chính như sau:
Đường kính ngồi
ống đồng (d0)

10 [mm]

Số dãy ống (N)

7

2 [mm]

Số ống mỗi dãy (n)

13

Đường kính trong
ống đồng (di)

8 [mm]

Bố trí ống

Tam giác đều

Độ dày cánh nhôm
( 𝜌)

0,2 [mm]

Khoảng cách
tâm ống (S)

0,03 [m]

Bước cánh (Sc)

10 [mm]

Chiều cao dàn (A)

0,39 [m]

Số cánh (x)

77 [cánh]

Chiều dày dàn (B)

0,18 [m]

Chiều dài ống
đồng (L)

70 [m]

Chiều dài 1 dãy
ống (Li)

0,77 [m]

Tổng diện tích bề
mặt ngồi ống (Fkt)

10,57 [m2]

Tổng diện tích bề
mặt trong ống (Fi)

1,76 [m2]

6

Độ chênh nhiệt độ
trung bình logarit
(Δ𝑡)

7,2 [oC]

Độ dày ống đồng

(𝛿)

Hệ số làm cánh
(𝛽)


Hệ số trao đổi
nhiệt (k)

80,29 [W/m.K]

Diện tích
trao đổi nhiệt (F)

2,7 [m2]

Quạt dàn

Loại hướng trục

Số quạt

2

Lưu lượng quạt

375 [m3/h]

Công suất xả băng
(P)

2 [kW]

Phần III Hệ thống thực tế R32_CO2
Tính tốn sơ bộ dàn lạnh của Hệ thống lạnh ghép tầng CO2
- R32 ở xưởng nhiệt của trường ĐH Sư phạm kỹ thuật
TPHCM:
3.1

Hình 8.1 Sơ đồ biểu diễn các điểm nút trên đồ thị I-d mơi chất R744[5]
Tính tốn theo lý thuyết:
Điểm
to C
p (bar)
i (KJ/Kg) s (KJ/Kg.K)
v (m3/Kg)
1
-5
30
432

1,85
0,0125
2
-3
30
440
1,9
0,0129
3
11,2
52
420
1,9
0,006
4
16
52
240
1
0,0012
5
-4,5
32
240
1,04
0,00125
Bảng 8.1 Các thông số tại các điểm nút trên đồ thị I-d môi chất R744
Công suất lạnh riêng:

qo  i1  i4  432  240  192kJ / kg

Lưu lượng môi chất trong ống:

Qo

18

 0,094kg / s
qo 192
1
k
1 
1 (1)
 
 kk  CO 2

L

Tra giáo trình “Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh - Nguyễn Đức Lợi” và tài liệu (4) ta
có các thơng số:
Mơi chất

CO2

Khơng khí

Hệ số dẫn nhiệt ( w/m2 K)

25000

384

Chiều dày ống của TBTĐN Micro δ (mm)

0,35

Hệ số dẫn nhiệt λ (W/mK)

237

Bảng 8.2 Thông số dàn lạnh micro [1]

Từ các thông số trên thay vào (1) ta có:
k

1

3

1
0,35.10
1
25000 
237  384

 378W / m2.K

Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit:
t



t2  t1
o
tk  t2  5,8 C
ln(
)
tk  t1

Năng suất lạnh:
Qo  k.F.t

Trong đó:
F: Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay hơi microchanel, m2
k: Hệ số truyền nhiệt, W/m2K
Qo: Năng suất lạnh của chu trình
Lưu
g
lượng
i

ó

cấp :


=> F 

Qo k.t

0

378.5,8  0,82m

180
vk Q0 .3600 3
k
V 
(I2  I ) m / h

2

1

3

Với vk = 0,705 [m /kg] - thể tích riêng của khơng khí ở nhiệt độ trung bình của
gió qua dàn lạnh.
I1 = -29,76 [kJ/kg]
I2 = -24,39 [kJ/kg]
3
=> Vk = 850,7 [m /h]

Tính tốn mơ hình thực tại xưởng nhiệt trường ĐH Sư
phạm kỹ thuật TPHCM:
3.2

 Cơng suất lạnh: Qo = 1,8 [kW]
 Diện tích trao đổi nhiệt:
F = 2.(h - 0,5).[(a - x) + (b - y)] = 2.0,095.(0,345 + 0,345) = 0,131 [m2]

Trong đó: a - chiều ngang của TBTĐ nhiệt
b - chiều rộng của TBTĐ nhiệt
x - tổng bề dày của lớp vỏ bọc nằm ngang
y - tổng bề dày của lớp vỏ bọc thẳng đứng
h - chiều cao của thiết bị trao đổi nhiệt
 Lưu lượng quạt:
Vk  v.A 
3,5

(D  d ) 2 .

4
3,5.

(0,28  0,11)2

.
0,0794m3
4

Phần IV So sánh lý thuyết với thực tế:
Thông số
Lý Thuyết
Năng suất lạnh Qo
1,8 [kW]
Diện tích trao đổi
0,82 [m2]
nhiệt
Lưu lượng quạt
850,7 [m3/h]

/ s  286m3 / h

Thực tế
1,8 [kW]
0,131 [m2]
286 [m3/h]