Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết đưa ra phương trình để tính toán thiết kế các kích thước quan trọng của ejector dựa vào các thông số vận hành và năng suất lạnh. Kết quả phân tích cũng cho thấy rằng, không thể sử dụng ejector R134a được thiết kế cho chu trình ejector đơn để sử dụng cho chu trình kết hợp.
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 141-146 Thiết kế ejector làm việc chu trình lạnh kết hợp ejector – máy lạnh có máy nén Design of an Ejector Working in Combined Ejector - Vapor Compressor Refrigeration Cycle Nguyễn Trung Kiên, Lê Chí Hiệp* Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh, Việt Nam * Email: lechihiep@hcmut.edu.vn Tóm tắt Trong báo này, chương trình tính tốn thiết kế ejector làm việc chu trình lạnh kết hợp ejector – máy lạnh có máy nén phát triển Mơi chất làm việc tiểu chu trình nén R134a mơi chất làm việc tiểu chu trình nén R410A Ảnh hưởng điều kiện vận hành suất lạnh hệ thống xem xét Kết tính tốn cho thấy tỷ lệ diện tích tăng nhiệt độ phát sinh nhiệt độ trung gian tăng; giảm nhiệt độ ngưng tụ nhiệt độ bay tăng Khi nhiệt độ phát sinh, ngưng tụ, trung gian bay 80 °C, 34 °C, 15 °C, °C, tỷ lệ diện tích tính tốn 8,55 khơng phụ thuộc vào suất lạnh Bài báo đưa phương trình để tính tốn thiết kế kích thước quan trọng ejector dựa vào thông số vận hành suất lạnh Kết phân tích cho thấy rằng, sử dụng ejector R134a thiết kế cho chu trình ejector đơn để sử dụng cho chu trình kết hợp Từ khóa: Ejector, chu trình kết hợp, tỷ lệ diện tích Abstract In this paper, a calculation program is developed to design ejector working in a combined ejector – vapor compression refrigeration cycle R134a is selected as the refrigerant for the ejector sub-cycle, and R410A is selected for the compressor sub-cycle The effect of operating conditions and cooling capacity are examined The results show that the area ratio increases with the increasing of generator temperature and intercooler temperature; and decreases with the increasing of condenser temperature and evaporator temperature When the generator temperature, condenser temperature, intercooler temperature and evaporator temperature are 80 °C, 34 °C, 15 °C, °C respectively, the area ratio is 8.55 and independent with cooling capacity The design equations of significant dimensions based on operating conditions and cooling capacity are also introduced The results show that R134a ejetor which is designed for simple ejector cycle is not suitable for combined cycle Keywords: Ejector, combine cycle, area ratio Giới thiệu * Việc thiết kế tối ưu ejector nhằm làm tối thiểu hóa tính bất thuận nghịch q trình xảy bên ejector [4] Trong nhiều năm gần đây, cơng nghệ làm lạnh điều hịa khơng khí ejector gây nhiều ý Chu trình ejector sử dụng nguồn lượng đầu vào nhiệt vận hành lượng mặt trời nguồn nhiệt thải công nghiệp So với chu trình máy lạnh hấp thụ, chu trình ejector sử dụng thiết bị gọn nhẹ, đơn giản chi phí vận hành thấp nhiều Nhược điểm chu trình ejector COP thấp [1,2] Vì lý đó, người ta kết hợp chu trình ejector chu trình máy lạnh máy nén nhằm nâng cao COP so với chu trình ejector đơn đồng thời giảm thiểu điên tiêu thụ máy nén so với chu trình máy nén đơn [1,3] Trong tất hệ thống máy lạnh ejector, việc thiết kế ejector đóng vài trị quan trọng Mơ hình thiết kế ejector sử dụng rộng rãi mơ hình Huang cộng [5] Bên cạnh việc phân tích lý thuyết, tác giả làm thực nghiệm với 11 ejector R141b để kiểm chứng Tác giả đưa vào thơng số hiệu suất dịng lưu động, hiệu suất dịng lơi cuốn, hệ số hịa trộn để làm cho mơ hình tính tốn phù hợp với thực nghiệm Một công cụ thiết kế ejector chi tiết đề xuất ESDU [6], tổ chức kỹ thuật có trụ sở Vương Quốc Anh Cả mơ hình Huang cơng [5] mơ hình ESDU [6] sử dụng giả thiết khí lý tưởng mơi chất làm việc ejector M Ouzzane Z Aidoum [7] đưa mơ hình phân tích lý thuyết thiết kế ejector dựa vào số Mach Tác giả đánh giá thiết kế buồng hịa trộn có ảnh hưởng lớn đến hiệu làm việc ISSN: 2734-9381 https://doi.org/10.51316/jst.149.etsd.2021.1.2.24 Received: February 11, 2020; accepted: September 28, 2020 141 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 141-146 ejector cách kiểm soát mức độ gia tăng áp suất đột ngột buồng hòa trộn ejector A Khalil, M Fatouh, E Elgendy [8] đưa mơ hình lý thuyết thiết kế chu trình ejector đơn làm việc với môi chất R134a Ảnh hưởng điều kiện vận hành đến hiệu suất hệ thống tác giả phân tích kỹ Trong báo này, mơ hình thiết kế ejector cho chu trình kết hợp ejector – máy lạnh máy nén giới thiệu Môi chất sử dụng cho tiểu chu trình ejector R134a mơi chất sử dụng cho tiểu chu trình nén R410A Ảnh hưởng điều kiện vận hành xem xét đồng thời phương trình biểu diễn mối quan hệ kích thước hình học ejector thơng số vận hành thiết lập Hình Đồ thị T-s chu trình kết hợp ejector – máy lạnh có máy nén Các q trình hệ thống kết hợp sau: Phân tích hệ thống + Quá trình 1-2-3: trình xảy bên ejector, chi tiết trình thể rõ hình 2.1 Nguyên lý hệ thống Hình trình bày sơ đồ nguyên lý chu trình kết hợp ejector – máy lạnh máy nén Hệ thống vận hành mức áp suất khác từ cao xuống thấp gồm áp suất phát sinh, áp suất ngưng tụ, áp suất trung gian áp suất bay Bình phát sinh sau nhận nhiệt lượng từ mơi trường ngồi làm bay môi chất lạnh Môi chất lạnh áp suất cao phun vào ejector lôi dịng mơi chất áp suất thấp từ bình trung gian hịa trộn để vào bình ngưng Mơi chất lạnh sau ngưng tụ bình ngưng có phần bơm bình phát sinh phần qua van tiết lưu để bay bình trung gian Ở tiểu chu trình nén hơi, mơi chất lạnh từ bình bay máy nén đẩy lên áp suất cao ngưng tụ bình trung gian sau qua van tiết lưu trở bình bay tạo thành chu trình khép kín + Q trình 3-4: mơi chất lạnh khỏi ejector ngưng tụ sau bình ngưng + Q trình 4-5: mơi chất lạnh qua van tiết lưu để chuẩn bị vào bình trung gian Đây trình đẳng entanpi + Q trình 5-2: mơi chất lạnh qua bình trung gian, nhận nhiệt từ tiểu chu trình nén bay trước vào ejector + Quá trình 4-6: mơi chất lạnh bơm bình phát sinh Đây trình đẳng entropy + Quá trình 6-1: mơi chất lạnh bình phát sinh gia nhiệt để bay trước vào ejector + Quá trình 7-8-9-10: trình xảy chu trình lạnh nén thơng thường Hình trình bày trình xảy bên ejector Các trình diễn sau [8, 9]: + Hơi mơi chất lạnh bão hịa áp suất cao phun vào ejector, áp suất giảm dẫn qua ống phun sơ cấp (được thiết kế theo kiểu ống Laval) Cùng lúc đó, tốc độ dịng lưu chất tăng đạt tốc độ âm cổ ống (điểm “co”) + Áp suất sau tiếp tục giảm tốc độ dịng mơi chất tiếp tục tăng lên cực đại cửa ống phun (điểm “r”) Tại đây, mơi chất từ bình trung gian bị vào ejector bắt đầu trình hòa trộn (điểm “ht”) + Tại gần cuối buồng hòa trộn, sóng xung kích pháp tuyến (shock) xảy (điểm “s”), áp suất tăng đột tốc độ dòng lưu chất giảm xuống tốc độ âm Hình Sơ đồ nguyên lý chu trình kết hợp ejector – máy lạnh có máy nén Hình trình bày đồ thị T-s chu trình hệ thống kết hợp với điểm tương ứng hình + Sau áp suất tiếp tục tăng tốc độ âm giảm khỏi ống khuếch tán 142 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 141-146 Thông lượng khối lượng dòng bị cửa (điểm “r”): G= 2r c2 r = v2 r ( i2 − i2 r ) = v2 r 2η ( i2 − i2 r, de ) v2 r (2) đó: i2r,de = f(s2, Pr) entaipi đẳng entropy mơi chất vị trí “r” dịng bị cuốn; s2, i2 entropy entanpi môi chất điểm 2; i2r, c2r, ν2r entanpi, tốc độ thể tích riêng dịng bị vị trí “r” Áp suất cửa ống phun Pr lặp G2r đạt giá trị cực đại Theo giả thiết: Pht = Pr Q trình hịa trộn tình tốn dựa phương trình bảo tồn khối lượng mơ-men: Hình Các trình xảy ejector 2.2 Các giả thiết i1r + ωi2 r = (1 + ω ) iht (3) c1r + ω c2 r =+ (1 ω ) cht (4) đó: + i1r = f(s1, Pr) entanpi dòng lưu động Các giả thiết sử dụng để xây dựng mơ hình tính tốn: vị trí “r”;= c1r ( i1 − i1r ) tốc độ dịng lưu + Mơ hình chiều, dịng chảy ổn định, đoạn nhiệt Mơi chất vào khỏi ejector trạng thái bão hòa động cửa ống phun; iht, cht entanpi tốc độ dòng hòa trộn + Tốc độ dịng mơi chất vào ống phun tốc độ dịng mơi chất khỏi ống khuếch tán thức: cht= + Q trình hịa trộn hai dòng lưu xảy buồng hòa trộn, vị trí “r” đến vị trí “ht” Q trình hòa trộn xem xảy áp suất không đổi (Pht = Pr) [7] ω= Thông lượng khối lượng dòng lưu động cổ ống (điểm “co”): vco m2 m1 (6) Phương trình cân lượng bình phát sinh, bình ngưng tụ, bình trung gian, bình bay hơi, bơm mơi chất lỏng máy nén: 2.4 Các phương trình 2η1 ( i1 − ico , de ) 2η kt ( i3 − iht , de ) (5) Tỷ lệ ejector tỷ số lưu lượng khối lượng dòng bị dòng lưu động: + Hiệu suất ống phun ống hút chọn 0,9 [2] (η1 = η2 = 0,9) Hiệu suất trình khuếch tán chọn 0,8 [2] (ηkt = 0,8), hiệu suất bao gồm trình tăng áp shock trình tăng áp ống khuếch tán [10] ( i1 − ico ) = vco ( i3 − iht )= đó: iht,de = f(sht, P3) entanpi đẳng entropy dòng hòa trộn; sht = f(iht, Pht) entropy dòng hòa trộn; i3, P3 lượt entanpi áp suất điểm + Dòng bị đạt tốc độ âm vị trí “r” cco G= = co vco Tốc độ dòng hòa trộn tính theo cơng (1) = Q ps m1 ( i1 − i6 ) (7) Qnt = ( m1 + m2 )( i2 − i5 ) (8) m7 ( i10 − i7 = ) m2 ( i2 − i5 ) (9) = Qbh m7 ( i9 − i8 ) đó: ico,de = f(s1, Pco) entanpi đẳng entropy môi chất điểm “co”; s1, i1 entropy entanpi môi chất điểm 1; ico, cco, νco entanpi, tốc độ thể tích riêng dịng lơi vị trí “co” Wb= m1 ( i6 − i4 = ) m1 ( P6 − P4 ) v4 Wmn m7 ( i10 − i9 ) = (10) (11) (12) đó: ký hiệu Q, W, m, P đại diện cho công suất nhiệt, công thiết bị, lưu lượng khối lượng dòng lưu chất áp suất lưu chất; ký hiệu chân: 1, 2, , 10 đại diện cho vị trí điểm chu Áp suất môi chất cổ ống Pco lặp Gco đạt giá trị cực đại 143 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 141-146 trình hình 2; ký hiệu chân: ps, nt, bh, b, mn phát sinh, ngưng tụ, bay hơi, bơm, máy nén Áp dụng phương trình (3) (4) tính iht cht nhờ vào ω tính tốn xác thực tài liệu [1] Đường kính cổ ống phun, cửa ống phun đường kính thân ống tính theo công thức sau: = d co Aco = 4m1 π Gco (13) d1r = A1r = 4m1v1r π c1r (14) = d ht Aht = ( m1 + m2 ) vht π π π π cht Tính sht iht,de Từ suy i3 nhờ vào ηkt Từ Qbh entanpi điểm chu trình, tính m7 Từ phương trình (9) tính m2 Sau từ tỷ lệ ω tính m1 10 Sau có đầy đủ thơng số sử dụng cơng thức (13 – 16) để tính tốn kích thước Kết bàn luận Hình - trình bảy ảnh hưởng nhiệt độ phát sinh, ngưng tụ, trung gian, bay ảnh hưởng suất lạnh đến việc thiết kế kích thước quan trọng ejector Các giá trị chuẩn lấy để vẽ đồ thị hình Tps = 80 °C, Tnt = 34 °C, Ttg = 15 °C, Tbh = °C, Qbh = 3,5 kW Khi xem xét ảnh hưởng thơng số thơng số thay đổi, thơng số cịn lại giữ ngun (15) đó: A, d tiết diện đường kính ống điểm xét Tỷ lệ diện tích tỷ số diện tích mặt cắt buồng hịa trộn diện tích mặt cắt cổ ống: Aht d ht = At dt 2.5 Phương pháp 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ phát sinh = TLDT (16) Khi nhiệt độ phát sinh tăng, kích thước ejector thiết kế giảm, điều thông lượng khối lượng dòng lưu động cổ ống tăng lên Tỷ lệ diện tích tăng từ 5,81 lên 8,61 nhiệt độ phát sinh thay đổi khoảng 60 °C-100 °C Dựa vào phương trình trên, kết hợp với đồ thị hình 3, chương trình tính tốn xây dựng dựa phần mềm EES Môi chất chọn cho tiểu chu trình ejector R134a tiểu chu trình nén R410A Các thơng số đầu vào bao gồm Qbh (0,5-5 kW lạnh), Tps (60-100 °C), Tnt (30-40 °C), Ttg (10-20 °C), Tbh (0-10 °C), ΔTtg = °C thông số hiệu suất Chương trình tính tốn thiết kế thơng số ejector đường kinh cổ ống phun, đường kính cửa ống phun đường kính thân ống Các phân tích chi tiết cho chu trình lạnh tích hợp R134a - R410A mơ hình tính tốn tỷ lệ ω tham khảo tài liệu [1] Các kích thước phụ khác lựa chọn theo khuyến cáo ESDU [6] Thủ tục tính tốn thực sau: Hình Ảnh hưởng nhiệt độ phát sinh đến việc thiết kế kích thước ejector Lựa chọn môi chất thông số đầu vào (Tps, Tnt, Tbh, Ttg, η1, η2, ηkt) 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ Tính tốn thơng số nhiệt động điểm dựa vào nhiệt độ phát sinh điều kiện bão hòa khô Khi nhiệt độ ngưng tụ tăng, áp suất ngưng tụ tăng lên áp suất phát sinh bay không đổi Điều làm cho tỷ lệ nén (tỷ lệ áp suất ngưng tụ áp suất bay hơi) tăng lên Do đó, cơng suất phát sinh phải tăng lưu lượng khối lượng qua ống phun tăng lên Điều đòi hỏi phải thiết kế ống phun có kích thước lớn hơn, tỷ lệ diện tích tăng lên (Tiết diện buồng hịa trộn tăng lên khơng đáng kể) Tỷ lệ diện tích giảm từ 10,19 xuống 7,0 nhiệt độ ngưng tụ thay đổi khoảng 30 °C - 40 °C Tính tốn thơng số nhiệt động điểm dựa vào nhiệt độ trung gian điều kiện bão hịa khơ Tính tốn Pco, ico,de từ phương trình (1) Từ hiệu suất ống phun η1 suy ico Tính tốn Pr, i2r,de từ phương trình (2) Từ hiệu suất ống hút η2 suy i2r Tính i1r từ Pr tính c1r từ i1r 144 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 141-146 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ đến việc thiết kế kích thước ejector Hình Ảnh hưởng nhiệt độ bay đến việc thiết kế kích thước ejector Hình Ảnh hưởng nhiệt độ trung gian đến việc thiết kế kích thước ejector Hình Ảnh hưởng Qbh đến kích thước ejector 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ trung gian 3.6 Thiết kế ejector Khi nhiệt độ trung gian tăng lên, thông lượng khối lượng dịng bị tăng lên làm cho kích thước thiết kế ống bị giảm Mặc dù kích thước khơng quan trọng, đóng góp vào việc làm giảm kích thước buồng hịa trộn ảnh hưởng chung đến tồn kích thước khác ejector Tỷ lệ lôi tăng từ 7,39 lên 9,09 điều kiện thí nghiệm Xu hướng biến đổi tỷ lệ diện tích tương tự xu hướng biển đổi tỷ lệ (xu hướng biến đổi tỷ lệ trình bày [1], [8]) Điều do, thay công thức (13), (15) vào công thức (16), ta được: 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ bay Từ kết hình – 8, ta thấy suất lạnh điều kiện vận hành có ảnh hưởng lớn đến đến việc thiết kế ejector Vì lý đó, cần thiết phải thiết lập mối quan hệ tương quan kích thước ejector biến số Phương trình hồi quy tuyến tính đa biến đường kính cổ ống phun, đường kính cửa ống phun đường kính buồng hịa trộn ejector có dạng sau: TLDT = Mặc dù thiết bị bay khơng nằm tiểu chu trình ejector, ảnh hưởng đến việc thiết kế ejector Nhiệt độ bay tăng lên làm cho lưu lượng qua bình bay giảm lưu lượng toàn hệ thống giảm, dẫn đến việc giảm kích thước thiết kế ejector Tỷ lệ diện tích giảm từ 8,56 xuống 6,27 khoảng xét Gco vht m1 + m2 Gco vht = (1 + ω ) cht m1 cht D = f (Tps , Tnt , Tbh , Ttg , Qbh ) 3.5 Ảnh hưởng suất lạnh a0 + a1Tps + a2Tnt + a3Tbh + a4Ttg + a5Qbh Khi suất lạnh hệ thống tăng lên, giá lưu lượng khối lượng tuần hịa hệ thống tăng, làm tăng kích thước thiết kế ejector Tỷ lệ diện tích trường hợp khơng thay đổi (bằng 8,55) Với hệ số cho bảng 145 (17) (18) JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 141-146 Tài liệu tham khảo Bảng Hệ số hồi quy phương trình (18) Kích thước Đường kính cổ ống phun dco Các hệ số [1] T K Nguyen and C H Le, Thermodynamic analysis of an ejector–vapour compressor cascade refrigeration system, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol 141, pp 2189-2200, 2020 https://doi.org/10.1007/s10973-020-09635-6 R2 a0 = 2,172316×10-3 84,98% a1 = - 6,051767×10-5 [2] G K Alexis and E K Karayiannis, A solar ejector cooling system using refrigerant R134a in the Athens area, Renewable Energy, vol 30, pp 1457-1469, 2005 https://doi.org/10.1016/j.renene.2004.11.004 a2 = 1,437332×10-4 a3 = -7,965921×10-6 a4 = -8,541482×10-5 [3] R Ben Mansour, M Ouzzane, and Z Aidoun, Numerical evaluation of ejector-assisted mechanical compression systems for refrigeration applications, International journal of refrigeration, vol 43, pp 3649, 2014 https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2014.04.010 a5 = 5,542732×10-4 Đương kính cửa ống phun d1r a0 = 3,609567×10-3 a1 = -1,045933×10 87,00% -4 a2 = 2,882167×10-4 [4] W Pridasawas and P Lundqvist, An exergy analysis of a solar-driven ejector refrigeration system, Solar energy, vol 76, pp 369-379, 2004 https://doi.org/10.1016/j.solener.2003.11.004 a3 = -7,376264×10-5 a4 = -1,886310×10-4 a5 = 1,125799×10-3 Đường kính buồng hịa trộn ejector dht a0 = 4,651666×10-3 a1 = -9,910666×10 [5] B J Huang, J M Chang, C P Wang, and V A Petrenko, A 1-D analysis of ejector performance, International journal of refrigeration, vol 22, pp 354-364, 1999 https://doi.org/10.1016/S0140-7007(99)00004-3 89,71% -5 a2 = 2,431008×10-4 [6] ESDU, Jet pumps, Data item 86030, ESDU International Ltd, 1986 a3 = -1,151184×10-4 [7] a4 = -1.328218×10-4 a5 = 1,385460×10-4 Kết luận M Ouzzane and Z Aidoun, Model development and numerical procedure for detailed ejector analysis and design, Applied Thermal Engineering, vol 23, pp 2337–2351, 2003 https://doi.org/10.1016/S1359-4311(03)00208-4 [8] A Khalil, M Fatouh, and E Elgendy, Ejector design and theoretical study of R134a ejector refrigeration cycle, International Journal of refrigeration, vol 34, pp 1684-1698, 2011 https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2011.01.005 Bài báo trình bày chương trình tính tốn thiết kế ejector làm việc chu trình lạnh kết hợp ejector - máy lạnh máy nén với cặp môi chất R134a - R410A tương ứng tiểu chu trình Các kết phân tích cho thấy nhiệt độ phát sinh, nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ trung gian, nhiệt độ bay suất lạnh ảnh hướng đến việc thiết kế tối ưu kích thước ejector Phương trình (18) cho thấy mối quan hệ kích thước ejector điều kiện vận hành suất lạnh hệ thống Phương trình (18) cho thấy: khơng thể sử dụng ejector R134a thiết kế làm việc chu trình đơn để lắp vào chu trình kết hợp [9] W Chen, C Shi, S Zhang, H Chen, D Chong, and J Yan, Theoretical analysis of ejector refrigeration system performance under overall modes, Applied Energy, vol 185, pp 2074-2084, 2017 https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.01.103 [10] J Chen, H Havtun, and B Palm, Investigation of ejectors in refrigeration system: Optimum performance evaluation and ejector area ratios perspectives, Applied Thermal Engineering, vol 64, pp 182-191, 2014 https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.12.034 146 ... https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2011.01.005 Bài báo trình bày chương trình tính tốn thiết kế ejector làm việc chu trình lạnh kết hợp ejector - máy lạnh máy nén với cặp môi chất R134a - R410A tương ứng tiểu chu trình Các kết phân tích... kỹ Trong báo này, mơ hình thiết kế ejector cho chu trình kết hợp ejector – máy lạnh máy nén giới thiệu Môi chất sử dụng cho tiểu chu trình ejector R134a mơi chất sử dụng cho tiểu chu trình nén. .. thời phương trình biểu diễn mối quan hệ kích thước hình học ejector thơng số vận hành thiết lập Hình Đồ thị T-s chu trình kết hợp ejector – máy lạnh có máy nén Các q trình hệ thống kết hợp sau: