Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2 đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

Pettersent cùng các cộng sự [6] đã nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt cho các hệ thống điều hòa không khí của các phương tiện giao thông và cho một số loại thiết bị lạnh dân dụng đơn thuần.. D

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 12

1.4 Mục tiêu đề tài 13

1.5 Phương pháp thực hiện đề tài 13

1.6 Giới hạn đề tài 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Cơ sở lý thuyết 14

2.1.1 Cơ sở truyền nhiệt 14

2.1.2 Dẫn nhiệt 14

2.1.3 Trao đổi nhiệt đối lưu 15

2.1.4 Trao đổi nhiệt bức xạ 15

2.1.5 Giới thiệu chung về môi chất lạnh CO2 15

2.1.5.1 Tính chất vật lý 15

2.1.5.2 Ưu, nhược điểm của CO2 17

2.1.5.3 Ứng dụng của CO2 trong công nghiệp lạnh 17

2.1.5.4 Công thức tính toán liên quan 17

2.2 Tính toán lý thuyết 18

2.2.1 Tính toán thiết bị ngưng tụ 18

2.2.2 Tính toán thiết bị bay hơi 23

2.2.3 Tính toán năng suất lạnh của hệ thống theo lý thuyết 30

CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM 31

3.1 Thiết kế mô hình và hệ thống thực nghiệm 31

3.1.1 Thiết kế mô hình 31

3.1.2 Hệ thống thực nghiệm 32

3.2 Các thiết bị trong thực nghiệm 34

3.2.1 Máy nén 34

3.2.2 Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước và gió 34

3.2.3 Van tiết lưu 35

3.2.4 Thiết bị bay hơi kênh mini 36

3.2.5 Đồng hồ hiển thị áp suất 36

3.2.6 Đồng hồ đo nhiệt độ 37

3.2.7 Thiết bị đo lưu lượng 38

3.2.8 Biến tần 39

3.2.9 Cảm biến áp suất 39

3.2.10 Lưu tốc kế 40

CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 42

4.1 Quy trình thực nghiệm 42

4.2 Các kết quả thực nghiệm và tính toán 43

4.2.1 Thông số thực nghiệm thu được 43

4.2.2 Quy trình tính toán 43

4.2.3 Tính toán chu trình 49

4.3 Nhận xét kết quả thực nghiệm 50

4.4 Thực nghiệm hệ số tối ưu trong hệ thống lạnh CO2 51

4.4.1 Với vận tốc gió v = 1,78 m/s ở dàn lạnh 51

4.4.2 Với vận tốc gió v = 2,88 m/s ở dàn lạnh 56

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

5.1 Kết luận 61

5.2 Kiến Nghị 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC 66

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ Latinh

a: Hệ số khuếch tán nhiệt

A: Hệ số hấp Thụ

B: Chiều rộng, m

c: Nhiệt dung riêng khối lượng [J/kgK]

cp: Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp [J/kgK]

C: Hệ số bức xạ

dng: Đường kính ngoài của ống, [m]

dtr : Đường kính trong của ống, [m]

D: Hệ số xuyên qua

E: Khả năng bức xạ bán cầu

E: Khả năng bức xạ đơn sắt

F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt m2

f: Diện tích tiết diện ngang

k: Hệ số truyền nhiệt

lc: Chiều dài của cánh, m

G: Lưu lượng khối lượng ( hoặc khối lượng)

Quy ước ký hiệu quốc tế

GWP: Chỉ số làm trái đất nóng lên của môi chất

HFC: Được xem là môi chất lạnh thế hệ thứ 3 Với các môi chất lạnh gốc điển hình như HFC134A (R134a), HFC410A (R410A)

COP: (Coeffcient Of Performance) Hệ số hiệu quả năng lượng

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1.Đồ thị biểu diễn các mối tương quan 11

Hình 2.1 Sơ đồ vùng chuyển pha R744 16

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hòa không khí CO2 18

Hình 2.3 Chu trình điều hòa không khí của môi chất lạnh R744 trên đồ thị p-h 20

Hình 2.4 Quá trình trao đổi nhiệt ngưng tụ giữa nước và CO2 21

Hình 2.5 Đồ thị thể hiện sự liên hệ giữa đường kính thủy lực với hệ số truyền nhiệt 27

Hình 2.6 Biến thiên nhiệt độ tại dàn bay hơi 29

Hình 3.1 Dàn bay hơi kênh Mini 32

Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm hệ thống 32

Hình 3.3 Thiết bị ngưng tụ thực nghiệm thực tế 33

Hình 3.4 Máy nén Dorin sử dụng trong nghiên cứu 34

Hình 3.5 Dàn ngưng tụ giải nhiệt nước và gió 35

Hình 3.6 Van tiết lưu Danfoss 35

Hình 3.7 Dàn bay hơi kênh mini 36

Hình 3.8 Đồng hồ cảm biến áp suất 37

Hình 3.9 Thiết bị đo nhiệt độ thường có dầu dò DS-1 37

Hình 3.10 Đồng hồ hiển thị nhiệt độ Extech 38

Hình 3.11 Cảm biến lưu lượng Turbine Flow Meter DGTT-015S 38

Hình 3.12 Biến tần sử dụng trong điều khiển tốc độ quạt, bơm 39

Hình 3.13 Cảm biến áp suất thực tế 40

Hình 3.14 Bộ hiển thị áp suất được kết nối với cảm biến áp suất 40

Hình 3.15 Lưu tốc kế AVM-03 41

Hình 4.1 Đồ thị p-h tại giá trị nhiệt độ môi trường 34.5oC 45

Hình 4.2 Đồ thị biểu thị sự thay đổi nhiệt độ môi trường theo thời gian 48

Hình 4.3.Đồ thị biểu thị sự thay đổi COP theo thời gian 48

Hình 4.4 Đồ thị biểu thị sự thay đổi năng suất lạnh Q0 theo thời gian 49

Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn a và b theo Pk 51

Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn Po và a theo Pk 52

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn tp và P theo tttl 53

Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn tp và tttl theo tmt 54

Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn a và b theo Po 55

Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn a và b theo Pk 56

Hình 4.11 Đồ thị biểu diễn Po và a theo Pk 57

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn tp và P theo tttl 58

Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn tp và tttl theo tmt 59

Hình 4.14 Đồ thị biểu diễn a và b theo Po 60

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Các GWP của môi chất lạnh gốc HCFC 10

Bảng 2.1 Thông số lý thuyết chu trình điều hòa không khí CO2 19

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật dàn bay hơi Mini 31

Bảng 4.1 Bảng thông số thực nghiệm ngày 31-05-2020 43

Bảng 4.2 Điểm nút của giá trị nhiệt độ t= 34.5oC 44

Bảng 4.3 Bảng điểm nút đồ thị P-h 45

Bảng 4.4 Bảng thông số nhiệt động tại các điểm nút của chu trình 47

Bảng 4.5 Bảng so sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm 50

Bảng 5.1 Tính chất vật lý của CO2 ở thể lỏng và hơi trên đường bão hòa 66

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài

Trong giai đoạn phát triển kinh kế và công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là vấn đề cấp thiết của xã hội được đông đảo mọi người quan tâm, đặc biệt là những nhà nghiên cứu khoa học Trong đó, ngành công nghiệp nhiệt lạnh là một trong những ngành tiêu tốn năng lượng nhiều nhất với các hệ thống nóng, lạnh như điều hòa không khí của các tòa nhà, khu chung cư, trường học, trung tâm thương mại, cũng như trong các nhà máy, xí nghiệp phục vụ nhu cầu nóng lạnh sâu như đông lạnh hải sản, trữ đông, sản xuất bánh kẹo, sấy gỗ, cà phê, Sử dụng những thiết thị trao đổi nhiệt từ loại nhỏ gọn treo tường đến những thiết bị trao đổi nhiệt lớn trong các nhà máy nhiệt điện

Môi chất lạnh hay còn gọi là gas lạnh là chất tuần hoàn trong hệ thống lạnh làm nhiệm vụ hấp thụ nhiệt của buồng lạnh nhờ bốc hơi ở áp suất thấp nhiệt độ thấp và thải nhiệt ra môi trường ở áp suất cao và nhiệt độ cao Môi chất lạnh lý tưởng là môi chất lạnh không gây nguy hiểm cho con người, không độc hại môi trường, không cháy nộ,

dễ dàng phát hiện khi rò rỉ, Hiện nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể tìm ra được ga lạnh lý tưởng, chúng ta chỉ có thể tìm được ga lạnh, có ưu điểm và cả nhược điểm Bởi vậy khi chọn một ga lạnh cho một ứng dụng cụ thể, cần lựa chọn sao cho ga lạnh phát huy được những ưu điểm và hạn chế những nhược điểm của nó Và đó cũng là tiền đề

để ga lạnh CO2 ra đời Ga lạnh CO2 là ga lạnh không mùi, có sẵn trong từ nhiên nên thân thiện với con người Về vấn đề thân thiện môi trường ta có thể lấy GWP của khí

CO2 tác động trong thời hạn 100 năm được lấy làm mốc để so sánh, GWP CO2 = 1 thì của các HFC đạt tới hàng nghìn như HFC134a là 1.600, HFC410A là 2.340

Nắm bắt được xu hướng đó các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng môi chất lạnh mới theo nhiều hướng khác nhau Trong đó, một hướng nghiên cứu mới là sử dụng thiết bị bay hơi kênh mini và sử dụng CO2 làm môi chất lạnh để thay thế cho các loại môi chất lạnh họ Flourocarbon hiện nay Vệc sử dụng thiết bị bay hơi ống mini đã thu nhỏ được kích thước thiết bị mà vẫn có hiệu quả tốt, mật độ truyền nhiệt cao, chi phí chế tạo, lắp đặt hợp lý Đồng thời, khi CO2 được sử dụng phổ biến trong hệ thống lạnh thay cho các môi chất lạnh hiện nay thì lượng Flourocarbon sẽ giảm và lượng CO2 bên ngoài môi trường sẽ giảm đi

Nhằm góp phần cho những giải pháp này, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài

“Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO 2 ” để đáp ứng xu thế hiện nay

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Liên quan tới đề tài thì đã có nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực môi chất CO2 cũng như dàn lạnh kênh mini Các quá trình nghiên cứu, thực nghiệm đã đóng góp tích cực cho khoa học với hi vọng nghiên cứu ra một môi chất thân thiện với con người và môi trường cũng như hiệu suất làm việc tốt nhất Dưới đây

là một số bài báo liên quan nhóm đã tìm hiểu để làm cơ sở thực hiện đề tài

Gupta và Dasgupta [1] đã phân tích về hệ thống lạnh CO2 trong môi trường ở Ấn Độ

và những thử thách liên quan tới nó Một mô hình toán học của bộ làm mát khí đã được phát triển cho toàn bộ hệ thống lạnh CO2 Hiệu suất của hệ thống lạnh CO2 đã được phân tích ở các điều kiện vận hành khác nhau (theo 3 vùng ở Ấn Độ) bao gồm cả công suất quạt Dựa trên các kết quả, đã có một số kết luận sau: Công suất của quạt có ảnh hưởng đáng kể đến COP được ứng dụng ở vùng có nhiệt độ cao, như Ấn Độ Công suất quạt bị thay đổi chủ yếu với vận tốc không khí và không bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự thay đổi về số lượng và cách sắp xếp của bộ làm mát khí COP của hệ thống cải thiện 5% tới 10% bằng cách giữ vận tốc không khí trong phạm vi tối ưu Trong phạm

vi phân tích, vận tốc không khí từ 1 tới 2 m/s được được cho là tối ưu Việc lựa chọn thiết kế máy nén chuyên dụng cho từng vùng nhiệt độ rất là quan trọng Nó cho thấy hiệu suất nén đoạn nhiệt tăng lên 10% tức là từ 60% tới 70%, hệ số COP tăng lên 33% Ngoài ra, bài báo còn nhắc lại về sự quan trọng của môi chất CO2 trong việc thiết kế các hệ thống một cách tôi ưu trong các môi trường khác nhau

Bansal [2] đã thực nghiệm thành công môi chất lạnh Carbon dioxide (CO2) xem như

là một trong những môi chất làm lạnh tiềm năng để sử dụng cho các hệ thống làm lạnh sâu trong ngành thực phẩm và lạnh công nghiệp và hoặc hoạt động giải trí Hiện nay,

CO2 đã chứng tỏ được sự nổi trội về tính thương mại khi CO2 có một số thiết kế khá phổ biến như là hệ thống lạnh ghép tầng, hệ thống lạnh siêu tới hạn Ngoài ra còn có nhiều mẫu thiết kế và một vài biến thể để sử dụng trong một số trường hợp cụ thể Bài báo này cho ta thấy tất cả về các nguyên tắc cở bản và ứng dụng của môi chất lạnh

CO2 trong các hệ thống làm lạnh sâu Đồng thời, còn có một vài thảo luận về việc phân

tích nhiệt động lực học, sự vô hại của nó tới con người cũng như là những thách thức, khả năng thực hiện cho các nghiên cứu và thiết kế mới

Ge [3] đã tiến hành thiết kế 2 bộ làm mát khí CO2 với kết cấu khác nhau và kết nối chúng vào một thiết bị thử nghiệm của một hệ thống lạnh CO2 Thông qua đó, có thể thấy hiệu suất của 2 bộ làm mát này thông qua các buổi thử nghiệm Các mẫu của bộ làm mát khí CO2 được thiết kế theo 2 kiểu là mô hình phân tán (mô hình chi tiết) và

mô hình tập trung (mô hình đơn giản) Mô hình thứ nhất được sử dụng để đưa ra dự đoán chi tiết về các cấu hình nhiệt độ chất lỏng hoạt động, tốc độ truyền nhiệt cục bộ

và các ảnh hưởng của việc xắp sếp mạch ống Hơn nữa, tốc độ quạt có thể được sử dụng để điều chỉnh và kiểm soát sự quá lạnh và độ chênh lệch nhiệt độ của bộ làm mát khí Tuy nhiên, nếu kích thước bộ trao đổi nhiệt, thì quạt tốc độ cao sẽ là một lựa chọn hợp lí Ngoài ra, kết quả mô phỏng cho thấy rằng sự thay đổi tý lệ không khí là cách làm hiệu quả nhất để kiểm soát và giảm thiểu độ chênh lệch nhiệt độ của bộ làm mát khí mặc dù tỷ lệ giảm là không nhiều

Peñarrocha [4] cùng các cộng sự của mình đã đề xuất một chiến lược kiểm soát và tối ưu hóa thời gian thực theo mô hình thực tế cho các nhà máy lạnh sản xuất CO2 đảm bảo bao gồm nhu cầu làm mát và theo dõi liên tục các điều kiện để đạt hiệu quả tối đa Cách tiếp cận của chúng tôi thu được phản hồi chỉ với ba phép đo và kiểm soát mức

mở của van nén và tốc độ của máy nén Chiến lược giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng của máy nén thay vì tối đa hóa hệ số hiệu suất, tránh một số cảm biến, và chúng tôi chứng minh bằng toán học rằng cả hai phương pháp đều tương đương nhau Họ đã chứng minh rằng tối đa hóa COP cho CO2 từ các nhà máy siêu tới hạn hoạt động với tải nhiệt không đổi tương đương với việc giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng trong máy nén, do đó hỗ trợ thuật toán điều khiển toán học Đề xuất này có thể áp dụng cho bất

kỳ CO2 siêu tới hạn từ nhà máy lạnh hiển một số thông số chung

Jeong cùng các đồng nghiệp [5] đã nghiên cứu ứng dụng điều hòa không khí vào giải nhiệt thiết bị công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) Các cơ sở ICT đã phát triển nhanh chóng Đồng thời, nhiệt sinh ra trên một đơn vị diện tích của một trung tâm dữ liệu, nơi các máy chủ và bộ định tuyến được tập trung trong một cơ sở ICT là một vấn

đề cực kỳ nghiêm trọng Do đó, nghiên cứu này nhằm mục đích nghiên cứu hiệu suất

và đặc điểm của hệ thống trao đổi nhiệt làm mát tại chỗ của máy chủ, sử dụng CO2

như là một chất làm việc để ngăn chặn sự xuất hiện của các điểm nóng và giảm điện

năng tiêu thụ của một hệ thống điều hòa không khí thông thường Hệ thống điều hòa không khí này được lắp đặt tại trung tâm dữ liệu với những cuộc thí nghiệm và mô phỏng Kết quả là: Đối với tốc độ dòng truyền nhiệt, các kết quả thử nghiệm và mô phỏng nằm trong phạm vi sai số ± 5% ở trạng thái hai pha

Pettersent cùng các cộng sự [6] đã nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt cho các hệ thống điều hòa không khí của các phương tiện giao thông và cho một số loại thiết bị lạnh dân dụng đơn thuần Sử dụng chất làm lạnh tự nhiên cao áp CO2 hiện đang được đánh giá

để sử dụng trong các ứng dụng như vậy, và các bộ trao đổi nhiệt hiệu quả đang được phát triển và điều tra Bộ trao đổi nhiệt carbon dioxide được thiết kế cho dòng chất làm lạnh có khối lượng cao và sử dụng các ống có đường kính nhỏ hoặc các ống vi kênh fiat được ép đùn Hệ số truyền nhiệt của môi chất lạnh cao hơn so với fluorocarbons,

và do đó giảm diện tích bề mặt bên trong có thể được dung thứ Cả hai bộ trao đổi nhiệt ống tròn mở rộng bằng ống kính nhỏ và các đơn vị loại vi kênh được hàn đã được xây dựng và thử nghiệm thành công Kết quả cho thấy các bộ trao đổi nhiệt của môi chất CO2 rất nhỏ gọn có tính cạnh tranh với dòng HFC / HCFC ban đầu về kích thước vật lý, khối lượng trao đổi và hiệu suất nhiệt Kích thước ống nhỏ hơn và đa dạng có thể giảm kích thước so với thiết bị HFC-134a

Yun cùng cộng sự [7] đã phân tích số học cho thiết bị bay hơi được thiết kế cho hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất là CO2 Các nhà nghiên cứu đã phân tích số học một thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro bằng phương pháp thể tích hữu hạn Dựa trên sự so sánh về hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini và thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống có cánh được thiết kế dùng môi chất là CO2, các nhà nghiên cứu đã đề xuất sự sắp xếp của các khốivà vận tốc không khíđầu vào trong bộ trao đổi nhiệt kênh mini cần phải tối ưu bằng cách xem xét kích thước thiết bị trao đổi nhiệt, điều kiện không khí đầu ra vàcông suất yêu cầu

Kau [8] cùng cộng sự đã xác định cao áp của một chu trình lạnh - lạnh siêu tới hạn được thực hiện với phương pháp đồ họa Nếu các điều kiện vận hành khác nhau có để được xem xét, việc sử dụng một chức năng điều khiển hữu ích Áp dụng mô hình mô phỏng trạng thái ổn định như trình bày ở đây dẫn đến một phương trình điều khiển đơn giản, áp suất cao tối ưu của một CO2 quá hạn tới chu trình làm lạnh, với điều kiện là thông tin cho nhiệt trao đổi và máy nén, như được đưa ra trong ví dụ của bài báo này

có sẵn Bởi vì áp suất cao không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, việc sử dụng tất cả hàm điều khiển gần đúng dẫn đến COP sẽ thấp hơn

Gulloa [9] cùng các cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất của các thiết bị làm lạnh sử dụng môi chất CO2 đã được nghiên cứu cho một cửa hàng thực phầm bán lẽ ở các vùng Châu Âu với khí hậu đa dạng Kết quả cho thấy, so sánh giữa môi chất R404A được sử dụng rộng rãi hiện nay với môi chất R774 đang trong quá trình nghiên cứu thì các kết quả cho thấy so với hệ thống sử dụng môi chất R404A thì hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh R744 trên cùng một công suất sẽ tiết kiệm năng lượng hơn từ 3% đến 37,1% trên khắp châu Âu Bài báo này còn cho ta thấy giới hạn hiệu suất năng lượng thường gặp bởi các hệ thống làm lạnh R744 qua mức tăng nhiệt độ ngoài trời biến mất với sự trợ giúp của máy phun Cuối cùng, cuộc điều tra còn chứng mình là sử dụng các máy phun song song cho hệ thống R744 sẽ đem lại hiệu suất cao hơn và thiên thiện với ngành thực phẩm bán lẽ ở Châu Âu Với những hiệu quả về mặt năng lượng trong bất kỳ môi trường khí hậu ở Châu Âu, môi chất R774 đã chứng mình về những tiềm năng của bản thân trong ngành công nghiệp lạnh

Baheta [10] cùng các cộng sự của mình đã tiến hành nghiên cứu hiệu suất của chu trình làm lạnh nén CO2 siêu tới hạn cho các thông số khác nhau và đánh giá COP của

nó Để đạt được điều đó, một chu trình làm lạnh được mô hình hóa bằng các khái niệm nhiệt động lực học Sau đó, mô hình được mô phỏng cho các thông số khác nhau được điều khiển để điều tra hiệu suất chu trình Duy trì các thông số vận hành khác liên tục COP cao nhất là 3,24 ở áp suất làm mát khí 10 MPa Nó cũng đã được quan sát thấy rằng chu trình phù hợp cho ứng dụng điều hòa không khí hơn chu trình làm lạnh, khi COP tăng khi nhiệt độ thiết bị bay hơi tăng lên Mô phỏng được thực hiện bằng chương trình phát triển EXCEL Các kết quả có thể được sử dụng trong thiết kế chu trình làm lạnh CO2

Nguyen B Chien [11] các cộng sự của mình đã chứng minh thành công hệ số truyền nhiệt hai phacủa dòng sôi của R32 (difluoromethane), CO2 (carbon dioxide) và R290 (propan) trong minichannel Dữ liệu thực nghiệm được tiến hành trong các ống thép không gỉ nằm ngang với đường kính trong là 1,5mm Các điều kiện thử nghiệm được thực hiện với nhiệt độ bão hòa được cố định ở 10ºC, thông lượng nhiệt là 10kW/m2

trong khi thông lượng khối lượng thay đổi từ 150 đến 500 kg/m2 Xu hướng này minh họa rằng thông lượng khối lượng có tác dụng nhỏ trên hệ số truyền nhiệt của cả R32

và R290 nhưng ảnh hưởng mạnh mẽ của thông lượng khối lượng trên hệ số truyền nhiệt của CO2 đã được quan sát Hệ số truyền nhiệt của CO2 tăng cùng với sự gia tăng của thông lượng khối lượng Thông lượng khối lượng liên tục được giữ ở mức 400 kg/m2 và 300 kg/m2 cho R32 và R290, tương ứng, trong khi dòng nhiệt thay đổi từ 10 đến 15 kW/m2 Dữ liệu cho thấy hệ số truyền nhiệt bị ảnh hưởng mạnh bởi dòng nhiệt Kết quả cho thấy sự gia tăng hệ số truyền nhiệt của ba chất làm lạnh R290, CO2 và

R32 tỷ lê thuận cùng với sự gia tăng của thông lượng nhiệt

Byrne [12] cùng cộng sự đã thiết kế bơm nhiệt đồng thời sưởi ấm và làm mát đã với mục đích sưởi ấm và làm mát nhà ở sang trọng, khách sạn và các tòa nhà văn phòng Chi phí vận hành và hiệu ứng nhà kính có thể giảm đi bằng cách sử dụng cùng một năng lượng điện để sản xuất nước nóng và lạnh cùng một lúc Đồng thời giảm tổn thất hiệu suất của máy bơm nhiệt không khí trong nước dưới nhiệt độ môi trường xung quanh thấp và đặc biệt là trong quá trình rã đông bằng cách luân phiên giữa thiết bị bay hơi không khí và thiết bị bay hơi nước HPS đã được thiết kế cho HFC và CO2 Các kết quả thu được cho máy nén hiệu quả cao và bộ trao đổi nhiệt hoàn hảo và được liên kết chặt chẽ với các giả định này Chuỗi mùa đông luân phiên cung cấp một giải pháp mới cho rã đông Đặc biệt, nó làm tăng hiệu suất trung bình trong sưởi ấm, và tăng thêm với công suất làm mát cao có sẵn với CO2 CO2 HPS hoạt động tốt hơn bơm nhiệt tiêu chuẩn HFC theo định luật COP đầu tiên và tiêu thụ điện hàng năm và điều này mở ra cánh cửa cho carbon dioxide như một chất lỏng làm việc cho các ứng dụng sưởi ấm không gian

Tsamos cùng các cộng sự [13] đã nghiên cứu mô hình toán học được phát triển dựa trên nền tảng giải quyết các phương trình kỹ thuật (EES), và nó đã được xác nhận với các kết quả thử nghiệm thu được từ thiết bị thực nghiệm tại trung tâm quốc gia Mô hình này được nghiên cứu về việc thiết kế hai dàn làm mát khí khác nhau Chúng được lắp đặt riêng biệt và được tích hợp với mô hình hệ thống làm lạnh CO2 để nghiên cứu ảnh hưởng của thiết kế làm mát khí vào hệ thống COP Mô hình có thể dự đoán các dữ liệu nhiệt độ của môi chất lạnh, sự giảm áp suất qua bộ làm mát khí, không khí và hệ

số trao đổi nhiệt và nhiệt thải Mô hình hệ thống làm lạnh tích hợp đã được phê chuẩn

có thể được sử dụng để tính toán COP của hệ thống Sai số trung bình giữa các giá trị thử nghiệm và mô phỏng được tìm thấy là 7%

Santosa [14] cùng đồng nghiệp đã khảo sát các hệ số truyền nhiệt và môi chất làm lạnh thông thường trong các ống xoắn bằng cách sử dụng Mô hình Động lực học Tính toán (Computational Fluid Dynamics - CFD) Kết quả từ mô hình đã được so sánh với các phép đo thực nghiệm cho thấy một khe ngang trên cánh giữa hàng đầu và hàng thứ hai của ống dẫn có thể làm cải thiện tỷ lệ nhiệt thải của thiết bị làm mát từ 6% đến 8% Điều này có thể dẫn đến áp suất của bộ làm mát khí sẽ thấp hơn, hiệu suất hệ thống làm lạnh cao hơn và diện tích dàn trao đổi nhiệt sẽ nhỏ gọn hơn Hệ số truyền nhiệt đã được nghiên cứu cho các phân đoạn khác nhau của bộ làm mát khí, nó cho thấy xu hướng trong sự thay đổi của hệ thống truyền nhiệt

Marcinichen cùng các đồng nghiệp [15] đã nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của bộ làm mát khí CO2 Với mục tiêu chính là giảm thể tích của mật độ chất lỏng trong bộ làm mát khí Để đạt được điều đó, các tác giả đã tìm các phương pháp, tài liệu về chu trình làm lạnh CO2 và lập ra một chu trình mô phỏng rất chi tiết Sau khi giải quyết về các ảnh hưởng của kích thước ống, lưu lượng thể tích không khí, nồng độ dầu hỗn hợp… Kết quả cho thấy rằng, thể tích và lượng môi chất lạnh được nạp vào đã giảm ít nhất 14% Điều đó cho thấy rằng, hệ thống làm lạnh có thể trở nên nhỏ gọn hơn và nhẹ hơn về trọng lượng Các mô phỏng với dầu cho thấy có tới 6% ảnh hưởng bất lợi đến kích thước của bộ làm mát khí và giảm áp suất CO2 của nó tăng lên đến 2,65 lần khi nồng độ dầu lên tới 3%

Jadhav cùng các cộng sự [16] đã nghiên cứu về các đặc tính dòng chảy của các ống mao cho chất làm lạnh R744 Lấy kết quả của mười sáu mô hình có hệ số ma sát khác nhau so sánh với các kết quả sẵn có Ta lập được biểu đồ dự đoán tốc độ dòng chảy của môi chất lạnh R744 Kết quả này được so sánh với kết quả của Wang và cộng sự dựa trên sai số trung bình, được tính cho các trạng thái khác nhau Người ta nhận thấy sai số bình quân trung bình nằm trong khoảng giới hạn chấp nhận được, tương ứng là 2,2% và 5,7% đối với R744 với mô hình theo hệ số ma sát của Schmidt và Mori và Nakayama Đề xuất cho thấy các mô hình theo hệ số ma sát của Mori và Nakayama và Schmidt là phù hợp nhất cho việc dự báo tốc độ lưu lượng khối lượng của ống mao với các điều kiện hoạt động đã chọn cho môi chất R744 Mô hình hiện tại có thể được sử dụng để thiết kế các ống mao làm việc với chất làm lạnh CO2

Li cùng cộng sự [17] đã nghiên cứu chế tạo bộ làm mát kênh micro kiểu cánh sử dụng môi chất CO2 cho điều hòa không khí ô tô Công suất nhiệt đo được cho bộ làm

mát khí dao động từ 1 đến 6 kW Ảnh hưởng của nhiệt độ và vận tốc không khí đầu vào khác nhau, tốc độ dòng chảy của môi chất lạnh và áp suất vận hành được nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cách các thông số này ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát khí

CO2 Một mô hình được phát triển để mô phỏng thiết bị làm mát Mô hình dự đoán khả năng chịu nhiệt của bộ làm mát khí trong vòng 5% và chênh lệch áp suất môi chất lạnh trong vòng 8% lệch so với dữ liệu thực nghiệm Mô hình đã được xác nhận đã được sử dụng để phân tích tác động của hình học cánh và phân phối không khí không đồng đều

sẽ ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt Dựa trên mô hình đã được xác nhận, tác động của hình học cánh và hiệu suất của việc phân phối khí đã được đánh giá

Khanam [18] cùng các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu phát triển dự án máy nước nóng bơm nhiệt CO2 trong bối cảnh thế giới sẽ giảm HCFC 99,5% vào năm 2020

và cập nhật DOE vào năm 2021 Việc tìm kiếm các sản phẩm năng lượng thân thiện sẽ làm giảm việc chi trả hóa đơn tiền điện cho những hộ gia đình, tiết kiệm hàng kilowatt-giờ phát điện, và giảm thiểu lượng khí thải carbon, gây ra sự đổi mới của nhiều công nghệ tiết kiệm năng lượng Lộ trình đã đưa ra một số thông tin chi tiết thú

vị Các dự án được thực hiện để nâng cao hiệu quả của các thành phần và công nghệ thiết bị Thử nghiệm rộng rãi và đo lường các sáng kiến phát triển đang hướng tới việc tạo điều kiện cho việc ban hành luật hoặc quy định Tuy nhiên, chi phí là một trong những khía cạnh quan trọng nhất trong việc áp dụng công nghệ và tiện ích và các bên liên quan khác cần phải cố gắn trong việc phát triển dự án

Jamali cùng cộng sự của ông [19] đã trình bày sự quan trọng của việc tích hợp chu trình làm lạnh CO2 đối với các modun nhiệt điện trong thiết bị làm mát Máy phát nhiệt điện hai cấp (TEG) đã tạo ra một nguồn nhiệt thải từ bộ làm mát khí Và nguồn nhiệt này được dùng trong bộ làm mát nhiệt điện hai cấp (TEC), và dùng để làm mát môi chất trước khi vào van tiết lưu Áp suất của COP tốt nhất trong cấu hình D giảm khoảng 4% và nhiệt độ của dòng khí mát thoát ra tại điểm COP tốt nhất giảm khoảng 8K Hiệu quả năng lượng tối đa của cấu hình đề xuất trong khi nhiệt độ thiết bị bay hơi

là 5°C là khoảng 19% với áp suất tương ứng 92.31 [bar], giá trị này trong chu trình cơ bản là khoảng 15% với áp suất tương ứng 101.13 [bar]

Ying [20] cùng các cộng sự của mình đã thiết kế các bộ trao đổi nhiệt dạng ống xoắn

áp dụng trong một máy bơm nhiệt CO2 siêu tới hạn với các bộ làm mát khí đã được

nghiên cứu Ảnh hưởng về số lượng của các ống bên trong thiết bị trao đổi nhiệt và độ chênh lệch áp suất đã được thảo luận bằng các buổi thí nghiệm và phân tích lý thuyết

Độ chênh lệch áp suất CO2 tăng mạnh với sự gia tăng số lượng ống bên trong bên trong bộ làm mát khí Nhiệt độ đầu ra của nước của bộ làm mát khí có thể được tăng lên bằng cách tăng tốc độ dòng lạnh, nhiệt độ đầu vào của nước và giảm tốc độ dòng nước làm mát Tuy nhiên, những phương pháp này có thể làm giảm COP Để tăng COP của hệ thống và nhiệt độ thoát nước của bộ làm mát khí, hệ số truyền nhiệt của mặt nước cần phải được cải thiện

Gupta [21] cùng các cộng sự đã nghiên cứu về môi chất lạnh CO2 từ những tác động môi trường có hại của chất làm lạnh thông thường được sử dụng đã tạo ra mối quan tâm trên toàn thế giới trong những năm gần đây Hiệu ứng làm suy giảm tầng ôzôn của các chất làm lạnh chứa hóa chất như brom và clo, gây ra các yếu tố nóng lên toàn cầu

đã dẫn đến các hiệp định quốc tế Những thách thức của việc sử dụng hệ thống này trong môi trường nhiệt độ cao Kết quả cưới cùng là: Áp suất vận hành tối ưu thấp hơn một chút, đặc biệt là ở vùng II và III, khi so sánh với hệ thống lạnh truyền thống Nó cũng kết luận việc sử dụng expander hiệu quả cao làm tăng thêm hiệu suất của hệ thống COP và cải tiến của nó được vẽ với giá trị khác nhau của hiệu quả đẳng hướng của giãn nở

Hyungrae Kim [22] cùng các cộng sự đã nghiên cứu sự truyền nhiệt trong dòng áp suất siêu tới hạn của carbon dioxit (CO2) được kiểm tra bằng cách sử dụng các phần thử nghiệm hình học khác nhau Các phần thử nghiệm là hai ống tròn với đường kính bên trong là 4,4 mm và 9,0 mm tương ứng, và các annulus với một thanh nóng của 8.0

mm OD và một thanh rộng 1 mm Ống 9,0 mm ID cho thấy một đường cong truyền nhiệt tương tự như của ống 4.4 mm ID ở thông lượng cao nhưng sự khác biệt trở nên

rõ ràng tại thông lượng thấp Việc truyền nhiệt dễ bị hư hỏng trong ống lớn hơn 9,0

phát triển đang hướng tới việc tạo điều kiện cho việc ban hành luật hoặc quy định Tuy nhiên, chi phí là một trong những khía cạnh quan trọng nhất trong việc áp dụng công nghệ và tiện ích và các bên liên quan khác cần phải cố gắn trong việc phát triển dự án Kima cùng các cộng sự [24] đã nêu ra vấn đề rằng: ngành công nghiệp làm lạnh, điều hòa không khí và bơm nhiệt đã bị buộc phải thông qua những thay đổi lớn gây ra bởi những hạn chế về chất làm lạnh Việc chuyển sang các chất không chứa clo 'thân thiện với ozone' vẫn chưa kết thúc, vì chất lỏng HCFC vẫn cần phải thay thế, chủ yếu liên quan đến R-22 trong các ứng dụng điều hòa không khí và bơm nhiệt Các chất làm lạnh HFC đã từng được cho là chất thay thế vĩnh viễn có thể chấp nhận được nằm trong danh sách các chất được điều chỉnh do tác động của chúng đối với biến đổi khí hậu Như thể hiện trong Bảng 1.1, các GWP của các HFC (R-134a, R-407C, R-410A) theo thứ tự từ 1300–1900 liên quan đến CO2 với GWP-1; và HFC được bao gồm trong các khí nhà kính được bao phủ bởi nghị định thư Kyoto

Bảng 1.1 Các GWP của môi chất lạnh gốc HCFC

Nỗ lực của con đường này đã mang lại kết quả đáng ngạc nhiên, như minh họa bởi đánh giá này cho trường hợp của CO2 Những điểm chung có chung là họ mang nghiên cứu cơ bản về công nghệ có sự phát triển đã được thúc đẩy trong nhiều thập kỷ bởi mối quan tâm về độ tin cậy và do đó được đặc trưng bởi các cải tiến gia tăng được xây dựng trên một thực nghiệm lớn cơ sở dữ liệu

Tsamos và Ge [25] đã nghiên cứu các đặt tính của môi chất lạnh CO2 dựa vào GWP không đáng kể, không có ODP và các đặc tính vật lý nhiệt, môi chất lạnh CO2 đã trở nên phổ biến trong thập kỷ qua Các hệ thống này có thể được phân loại thành ba loại chính: gián tiếp, thác và tất cả các cấu trúc tăng cường tới hạn của CO2 Bài báo này

khí ống có CO2 với các thiết kế khác nhau trong một hệ thống tăng cường CO2 Hệ thống làm lạnh tích hợp có thể cung cấp các thông số chất lỏng CO2 được xác định tại đầu vào bộ trao đổi nhiệt, qua đó hiệu suất của hệ thống có thể được tính toán Sau đó, các phép đo mở rộng được ghi lại từ giàn thử nghiệm này, với các chỉ dẫn sâu sắc về hiệu suất của hệ thống và các thông số có ảnh hưởng nhất cho tối ưu hóa hệ thống Chúng bao gồm thiết kế trao đổi nhiệt, không khí trên nhiệt độ và tốc độ dòng chảy, điều khiển áp suất siêu tới hạn và dưới tới hạn và điều khiển công suất làm mát, được

mô tả như trong Hình 1.1

Hình 1.1.Đồ thị biểu diễn các mối tương quan Mối tương quan giữa điện năng tiêu thụ của quạt với tốc độ dòng khí (a)

Tương quan giữa áp suất với tốc độ không khí (b)

Kravanja [26] cùng cộng sự đã nghiên cứu một cuộc thực nghiệm toàn diện về hiệu suất truyền nhiệt của CO2, etan và hỗn hợp azeotropic của chúng trong điều kiện siêu tới hạn Một bộ trao đổi nhiệt ống kép được phát triển và thiết lập để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành khác nhau đến hiệu suất truyền nhiệt qua một dãy nhiệt độ (25oC – 90oC) và áp suất (5MPa - 30MPa) Tổng số và hệ số truyền nhiệt siêu tới hạn được thu thập xung quanh điểm quan trọng của chất lỏng được nghiên cứu Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, lưu lượng nước và lực bouncy lên hệ số truyền nhiệt

đã được kiểm tra Ngoài ra, để đánh giá đúng tiềm năng và hiệu suất của hỗn hợp đồng

vị CO2-etan, các hệ số hiệu suất (COP) được tính toán cho chu kỳ làm việc của bơm nhiệt và so với hệ thống chứa độc quyền CO2 Kết quả Tổng số HTC tăng hơn 25% khi tốc độ dòng chảy của nước tăng từ 1L/phút lên đến 2L/phút Gần điểm quan trọng,

tổng giá trị HTC cho azeotropic hỗn hợp rơi giữa tổng giá trị HTC cho CO2 nguyên chất và etan Hiệu suất truyền nhiệt của hỗn hợp azeotropic trong nhiệt trao đổi đã được thỏa đáng

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

PGS.TS Đặng Thành Trung [27] cùng các cộng sự đã tiến hình thực nghiệm về hệ thống điều hòa không khí CO2 với thiết bị bay hơi kênh mibi sử dụng quá trình quá lạnh Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống khi có quá trình quá lạnh sẽ cao hơn so với hệ thống không có quá trình quá lạnh Với quá trình quá lạnh, COP của hệ thống thu được là 4.97 khi hệ thống ở áp suất 77 bar và nhiệt độ bay hơi là 15ºC Còn khi không có quá trình quá lạnh, thì COP cho trường hợp này chỉ thu được là gần 1,59 (thấp hơn cả hệ thống điều hòa không khí thông thường) Người ta đề xuất rằng hệ thống điều hòa không khí CO2 nên được vận hành với áp suất dao động từ 74-77 bar

và nhiệt độ bay hơi dao động từ 10-15ºC ở chế độ siêu tới hạn, điều này sẽ cho hiệu quả và độ an toàn cao hơn

PGS.TS Đặng Thành Trung [28] cùng các cộng sự đã so sánh tốc độ trao đổi nhiệt giữa một bộ trao đổi nhiệt thông thường và một bao đổi nhiệt kênh mini Kích thước

bộ trao đổi nhiệt kênh micro bằng 64% so với kích thước trao đổi nhiệt thông thường

từ nhà sản xuất Kết quả cho thấy, tốc độ truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini

là 145W cao hơn, gần bằng với bộ tản nhiệt scooter Ngoải ra, trong quá trình thí nghiệm đã cho thấy việc sử dụng nước làm môi chất đã cho hiệu suất truyền nhiệt cao hơn so với việc sử dụng dung dịch etylen Các kết quả khá giống so với các nghiên cứu liên quan

PGS.TS Đặng Thành Trung và Th.S Võ Kim Hằng [29] đã thực hiện thí nghiệm về

sự thay đổi hình dạng và kích thước của thiết bị bay hơi kênh Mini để tăng khả năng làm mát của chu trình điều hòa CO2 Hai thiết bị bay hơi kênh Mini có cùng diện tích truyền nhiệt được thiết kế với độ dài kênh khác nhau Trong nghiên cứu này, nhiệt độ môi trường để thí nghiệm cho cả hai thiết bị bay hơi là ở 32,5oC Đối với cả hai trường hợp, áp suất làm mát và áp suất bay hơi lần lượt là 77 bar và 42 bar Kết quả cho thấy khả năng làm mát của thiết bị bay hơi E2 (chiều dài ngắn hơn) tốt hơn 6,6 lần so với công suất của thiết bị bay hơi (chiều dài dài hơn): nhiệt độ không khí đầu ra của E2 thấp hơn 1,4oC so với Ngoài ra, sự phân bố nhiệt độ của thiết bị bay hơi E2 tốt hơn so

với thiết bị bay hơi Nghiên cứu cũng kết luận rằng COP của E2 lớn hơn 0,22 lần so với kết quả thu được từ

ThS Nguyễn Trọng Hiếu [30] cùng các cộng sự đã trình bày thí nghiệm về một hệ thống điều hòa không khí CO2 với các bộ trao đổi nhiệt bằng đồng Trong nghiên cứu này, máy nén và bộ làm mát đã được thử nghiệm với phương pháp thủy lực để xác định nhiệt độ bị biến dạng và bị phá hỏng Kết quả cho thấy máy nén thông thường không phù hợp để sử dụng áp suất cao, do COP của chu kỳ rất thấp (chỉ 0,5) Với máy nén CO2, chu kỳ có thể đạt được COP của 3,07 ở nhiệt độ bay hơi 10°C Giá trị này tương đương với COP của hệ thống điều hòa không khí thương mại hiện nay

Từ các kết quả tổng quan trên, nhóm nhận thấy việc nghiên cứu Năng suất lạnh của

hệ thống điều hòa không khí CO2 còn nhiều hạn chế và chưa rõ ràng Vì vậy, nghiên cứu này thực sự cần thiết

1.4 Mục tiêu đề tài

Thông qua các bài báo khoa học, các công trình nghiên cứu trước nhận thấy rằng việc xác định năng suất lạnh cho hệ thống còn hạn chế và chưa rõ ràng, từ đó nhóm xác định được cho nhóm mục tiêu chính của đề tài:

- Xác định được các thông số nhiệt động tại các điểm nút trong hệ thống điều hòa không khí CO2

- Xác định được năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 dùng dàn lạnh kênh mini

1.5 Phương pháp thực hiện đề tài

Phương pháp tổng quan tài liệu: dựa trên các bài báo nghiên cứu khoa học, đề tài luận văn tốt nghiệp cùng các văn bản, tài liệu đã nghiên cứu được về môi chất lạnh

CO2 nêu rõ được mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Phương pháp lý thuyết: tính toán và sử dụng phần mềm thiết kế hỗ trợ

Phương pháp thực nghiệm: so sánh, đối chiếu với kết quả thực tế

Phương pháp phân tích dữ liệu: Nghiên cứu và phân tích các quá trình nhiệt động dựa vào các kết quả thu được trước đó

1.6 Giới hạn đề tài

Năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 với thiết

bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và gió cùng với dàn lạnh kênh mini có năng suất 4200W, điều kiện nhiệt độ môi trường tại TP Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Cơ sở truyền nhiệt

Sự truyền nhiệt thường là từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp hơn nên

có thể xác định thông qua chênh lệch nhiệt độ trong hệ, nghĩa là dòng nhiệt sẽ xảy ra khi tồn tại Gradien nhiệt độ trong hệ Truyền nhiệt làm thay đổi năng lượng bên trong của cả hai hệ thống liên quan theo Định luật nhiệt động lực thứ nhất Các kỹ sư cũng xem xét việc chuyển khối lượng của các loại hóa học khác nhau, lạnh hoặc nóng, để đạt được sự truyền nhiệt Mặc dù các cơ chế này có các đặc điểm riêng biệt, chúng thường xảy ra đồng thời trong cùng một hệ thống

Do vậy, việc nghiên cứu về sự phân bố nhiệt độ trong hệ là yếu tố quan trọng trong vấn đề truyền nhiệt, đây là nhiệm vụ chính khi tính toán thiết kế cũng như tính toán kiểm tra Nắm vững nội dung của quy luật trao đổi nhiệt chúng ta có thể tăng cường hoặc hạn chế sự trao đổi nhiệt giữa các vật tùy theo yêu cầu của thực tế Khi nghiên cứu về truyền nhiệt, chúng ta vẫn sử dụng định luật thứ nhất và định luật thứ hai của nhiệt động kỹ thuật Dựa vào định luật thứ nhất để xác định cân bằng năng lượng, dựa vào định luật thứ hai để xác định chiều hướng của quá trình truyền nhiệt Truyền nhiệt

là một chuyên môn về kỹ thuật nhiệt liên quan đến việc tạo, sử dụng, chuyển đổi và trao đổi năng lượng nhiệt giữa các hệ thống vật lý Truyền nhiệt được phân loại thành các cơ chế khác nhau, chẳng hạn như dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt, bức xạ nhiệt và truyền năng lượng bằng cách thay đổi pha

2.1.2 Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là một dạng truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt

độ thấp do sự truyền động năng hoặc va chạm các phần tử và nguyên tử

Độ dẫn nhiệt (thường được ký hiệu là 𝜆 hoặc k) đề cập đến khả năng nội tại của vật

liệu để truyền hoặc dẫn nhiệt Quá trình truyền nhiệt có thể được định lượng theo các phương trình tỷ lệ thích hợp Phương trình tốc độ trong chế độ truyền nhiệt này dựa trên định luật dẫn nhiệt của Fourier

Dẫn nhiệt có thể được định nghĩa là lượng nhiệt trên một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích, có thể được dẫn qua một tấm có độ dày bằng đơn vị của một vật liệu nhất định, các mặt của tấm khác nhau bởi một đơn vị nhiệt độ

2.1.3 Trao đổi nhiệt đối lưu

Trao đổi nhiệt đối lưu là một phương thức trao đổi nhiệt xảy ra giữa chất lỏng tiếp xúc bề mặt vật rắn Truyền nhiệt đối lưu, thường được gọi đơn giản là đối lưu, là sự truyền nhiệt từ nơi này sang nơi khác bằng sự chuyển động của chất lỏng Đối lưu thường là hình thức truyền nhiệt chủ yếu trong chất lỏng và khí Sự chênh lệch mật độ chất lỏng sẽ làm xuất hiện những chuyển động tạo thành một dòng đối lưu, đồng thời dòng đối lưu này sẽ mang đi một lượng nhiệt

Người ta phân biệt giữa đối lưu tự nhiên (dòng vật chất chuyển động nhờ nội năng trong chất lỏng, khí ví dụ như ống khói) và đối lưu cưỡng bức (dòng chuyển động do ngoại lực tác dụng, ví dụ như quạt, bơm v.v )

2.1.4 Trao đổi nhiệt bức xạ

Truyền nhiệt bức xạ là hình thức liên quan đến việc trao đổi năng lượng bức xạ giữa

2 hay nhiều vật thể

Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ gồm 2 giai đoạn Ở giai đoạn 1, nhiệt năng của vật thể thứ nhất được biến thành các sóng điện từ và được bức xạ ra ngoài không gian Giai đoạn 2, các sóng điện từ này gặp vật thứ 2 rồi bị hấp thụ và biến thành nhiệt năng, một phần phản xạ lại, và một phần đi xuyên qua vật thể

Khác với dẫn nhiệt với trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt bức xạ cần phải có bề mặt tiếp xúc giữa hai vật thể, trao đổi nhiệt bức xạ có thể trao đổi nhiệt kể cả ở trong môi trường chân không

2.1.5 Giới thiệu chung về môi chất lạnh CO 2

2.1.5.1 Tính chất vật lý

Carbon dioxide (CO2) là một loại khí trong suốt (ở điều kiện khí quyển) không có mùi đặc biệt khi nồng độ dưới mức nghẹt thở Khoảng 0,04% không khí trong khí quyển là CO2, do đó CO2 đang ở nồng độ khoảng 380 phần triệu (ppm) trong không khí Không khí thở ra từ cơ thể có CO2 nồng độ khoảng 4%

Dựa vào sơ đồ vùng chuyển pha như thể hiện ở Hình 2.1 chúng ta có thể xác định nhiệt độ tới hạn của R744 là 31,1°C Nhiệt độ tới hạn thấp có nghĩa là R744 không thể được sử dụng hiệu quả trong chu trình làm lạnh dưới tới hạn đơn giản vì thiết bị ngưng

tụ sẽ không truyền nhiệt trên nhiệt độ tới hạn Do đó, thiết bị ngưng tụ sẽ không hiệu quả và nhiều tổn thất có thể xảy ra Hơn nữa, ở nhiệt độ gần nhiệt độ tới hạn nhưng

thấp hơn nhiệt độ, có sự giảm mạnh của entanpy hóa hơi dẫn đến giảm công suất sưởi

và giảm hiệu suất hệ thống

Hình 2.1 Sơ đồ vùng chuyển pha R744 Vùng 1: CO2 ở thể khí

Vùng 2: CO2 ở thể rắn

Vùng 3: CO2 ở trạng thái siêu tới hạn (supercritical fluid) khi cả nhiệt độ và áp suất bằng hoặc lớn hơn điểm tới hạn 31oC và 73,9 bar Trong trạng thái này, CO2 có cả hai tính chất của chất khí và chất lỏng

Sơ đồ vùng chuyển pha không bị giới hạn bởi nhiệt độ tới hạn vì nhiệt lượng tỏa ra thông qua sự trượt nhiệt độ Thiết bị ngưng tụ trong chu trình chuyển pha được thay thế bằng thiết bị làm mát khí vì không có quá trình ngưng tụ diễn ra mà thay vào đó là quá trình làm mát khí Lưới nhiệt độ này là lợi thế đặc biệt trong các ứng dụng như sưởi ấm nước và sưởi ấm không khí (ví dụ: quy trình sấy khô) vì hiệu quả liên quan Phạm vi nhiệt độ trong đó làm lạnh R744 có thể hoạt động trong hoạt động chuyển hóa cao nhất khi so sánh với các chất làm lạnh đối lưu khác, tức là -50°C đến 120°C Nhược điểm duy nhất với chu kỳ chuyển tiếp cho R744 là áp suất cao Áp suất tới hạn của R744 là 73,9 bar

Nếu R744 được vận hành thông qua chu kỳ chuyển pha, thì áp suất cao của nó sẽ ở trên 73,9 bar, khá cao Điều này đòi hỏi một thiết kế thiết bị có thể xử lý một áp lực cao như vậy Áp suất cao có những ưu điểm riêng (ví dụ: thiết bị và thiết kế nhỏ gọn)

và nhược điểm (thiết bị tốn kém và các vấn đề an toàn) Tuy nhiên, với những tiến bộ công nghệ hiện nay, áp lực này không phải là mối quan tâm lớn

2.1.5.2 Ưu, nhược điểm của CO 2

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

 Có độ chênh áp thấp trong đường ống làm việc và trên thiết bị trao đổi nhiệt Ví

dụ sự tác động của đường hút dài và đường lỏng rất nhỏ

2.1.5.3 Ứng dụng của CO 2 trong công nghiệp lạnh

R744 trong lĩnh vực điều hòa không khí đã trở thành tâm điểm của các nghiên cứu bởi cả các tổ chức nghiên cứu và ngành công nghiệp vì nhu cầu cao và các yêu cầu cho các lựa chọn thay thế HFC Hàng năm, nhu cầu mua máy lạnh dân dụng hơn 40 triệu

bộ, các sản phẩm thúc đẩy tăng thị trường hơn dự kiến Mối quan tâm về môi trường trong ứng dụng này là nhiều hơn tập trung vào các tác động gián tiếp của khí thải do

sử dụng năng lượng, hơn về tác động trực tiếp của rò rỉ môi chất lạnh Do đó, vấn đề đạt hiệu quả năng lượng là hết sức quan trọng Qua nhiều nghiên cứu cho thấy các kết quả đầy hứa hẹn với việc áp dụng R744 trong hệ thống điều hòa không khí Các thiết

bị với chất làm lạnh một chiều đang hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả hơn so với máy lạnh hai chiều

2.1.5.4 Công thức tính toán liên quan

Lưu lượng thể tích:

V = v.F ( m 3 /s) Lưu lượng khối lượng

G = .V ( kg/s)

Hệ số tối ưu a và b:

a = Pk/P0 ; b = Pk/Peri

Pk: Áp suất đầu đẩy; Pk = 73,8 bar Po: Áp suất đầu hút

Công thức nhiệt động học:

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hòa không khí CO2

Công thức nhiệt động tính toán năng suất lạnh, công nén, COP, trong hệ thống điều hòa không khí CO2 dựa trên sơ đồ nguyên lý như thể hiện ở hình 2.4

Công nén đoạn nhiệt để nén G kg môi chất lạnh từ trạng thái 1 đến trạng thái 2:

2.2.1 Tính toán thiết bị ngưng tụ

Chọn thông số khí hậu tại TP HCM cho điều hòa cấp 3

Nhiệt độ t1= 330C

Độ ẩm φ1=60 %

Nhiệt độ nhiệt kế ướt Tư = 26,8℃

Nhiệt độ nước giải nhiệt Tn = 27,5℃

Tra theo bảng catalogue ống đồng Toàn Phát chọn ống đồng có:

Để đảm bảo hoạt động của chu trình dưới tới hạn của hệ thống điều hòa không khí

CO2 Tth=30,90C Thì nhóm nghiên cứu chọn nhiệt độ ngưng tụ Tk=30,50C tại áp suất

Pk= 73 bar Tại thiết bị ngưng tụ diễn ra hai quá trình Quá trình 2 đến 2’ là quá trình giải nhiệt cho môi chất và nhiệt độ môi chất giảm từ (56,5 0C xuống 30,5 0C) đẳng áp Quá trình 2’ đến 3 là quá trình ngưng hơi đẳng nhiệt, đẳng áp để môi chất chuyển từ dạng hơi sang dạng lỏng bão hòa Tuy nhiên, để đảm bảo độ chính xác trong quá trình nghiên cứu, được thực hiện một cách tối ưu thì nhóm thêm quá trình quá lạnh từ 3 đến 3’ có nhiệt độ giảm, áp suất không đổi

Máy nén sử dụng trong nghiên cứu là máy nén Dorin CD200 - Model 180H

Ta chọn chu trình lý thuyết theo phần mềm Dorin cho loại máy nén 180H với các thông số đầu vào:

Hình 2.3 Chu trình điều hòa không khí của môi chất lạnh R744 trên đồ thị p-h

- Tại áp suất Pk=73 bar ứng với tk=30,50C ta tra bảng đồ thị nhiệt động của CO2

Các thông số vật lý nhiệt chọn theo tm=1

2 (ts+tw), nhiệt ẩn hóa hơi r cho theo nhiệt độ bão hòa ts

Hình 2.4 Quá trình trao đổi nhiệt ngưng tụ giữa nước và CO2

Quá trình nhiệt ẩn là quá trình ngưng tụ từ hơi bão hòa khô về lỏng bão hòa có nhiệt

độ tk=30,50C, quá trình nhiệt ẩn:

Áp dụng công thức tỏa nhiệt đối lưu

Q=α.F.∆t

Trong đó:

- Qk: nhiệt lượng truyền qua bề mặt trong một đơn vị thời gian, W

- α: Hệ số tỏa nhiệt trên bề mặt, w/m2 độ

- F: diện tích bề mặt tỏa nhiệt, m2

- ∆t: Độ chênh nhiệt độ trung bình, 0C

Chiều dài của ống đồng cần thiết là (ống có Dngoài = 0,004m, Dtrong=0,00278m)

Re=𝜔.𝑑

𝜗 = 5,4953.0,00278

0,00060298.10−4 =253357,2258 >10000 => Chảy rối Quá trình giảm nhiệt độ từ 56,50C xuống 30,50C Môi chất trong trường hợp này là hơi quá nhiệt Ta xem như không khí

L=L22’ + L2’3 + L33’= 24,075 + 4,5709 + 4 = 32,6459 m

So sánh với thực tế: 32,6459

34 = 0,9602 = 96,02%

Sai số 3,98 %

2.2.2 Tính toán thiết bị bay hơi

Tính dàn bay hơi theo phương pháp chọn:

Các thông số ban đầu của dàn bay hơi:

- Chiều dày của cánh 𝛿𝐶= 0,16 mm

- Nhiệt độ không khí vào t1 = 260C, 𝜑1 = 55%

Ở nhiệt độ 120C, áp suất 40,7 bar Tra bảng hơi quá nhiệt của CO2,ta đươc h1’=438 kJ/kg, h3’= h4 = 292 kJ/kg

- Năng suất lạnh của dàn bay hơi:

Trong đó:

𝛼𝐶𝑂2: Hệ số tỏa nhiệt của CO2

𝛼𝐴𝑖𝑟: Hệ số tỏa nhiệt của Không khí

𝜆𝐴𝑙: hệ số dẫn nhiệt của Nhôm

𝛿: Bề dày thành thiết bị

- Tính hệ số tỏa nhiệt của Không khí

- Nhiệt độ trung bình của dòng không khí qua dàn lạnh

Tại t1= 260C tại độ ẩm bảo hòa 100% -> p1bh = 0,03133 bar

Q: tổng nhiệt lượng truyền

Qs: Nhiệt hiện

𝜆: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm cánh, W/m.k

Chọn vật liệu làm cánh là nhôm nên 𝜆=237 W/m.k

Cánh làm Dàn bay hơi mini là cánh hình chữ nhật

Do sự phân bố nhiệt độ nên hệ số toả nhiệt không đồng đều trên toàn bộ bề mặt cánh Theo kinh nghiệm chọn hệ số 𝜓 = 0,85

𝛼2 = 𝛼𝑜𝑓 𝜂𝑓 𝜓 = 70,90 0,999997 0,85 = 60,27 W/m2.K

𝛼𝑎𝑖𝑟 = 𝛼2 𝜉 = 60,27 1,4712 = 88,67 W/m2.K

Kết quả tính toán 𝛼𝑎𝑖𝑟 = 88,67W/m2 độ, gần đúng với biểu đồ thể hiện mối tương quan giữa đường kính thủy lực và hệ số cường độ tỏa nhiệt về phía không khí, trong tính toán này đường kính thủy lực dng = 2mm = 2000𝜇𝑚

Hình 2.5 Đồ thị thể hiện sự liên hệ giữa đường kính thủy lực với hệ số truyền nhiệt

Sau khi so sánh, ta thấy kết quả tính toán hệ số truyền nhiệt phù hợp với đường kính thủy lực nên ta có thể sử dụng công thức tính hệ số tỏa nhiệt của ống thường tính cho thiết bị ống mini

- Hệ số tỏa nhiệt khi sôi trong ống 𝛼𝐶𝑂2:

+ Cường độ tỏa nhiệt phía trong ống 𝛼𝐶𝑂2:

Để chọn được công thức tính toán 𝛼𝐶𝑂2 cần phải xác định quan hệ giữa tốc độ khối lượng vm với tốc độ tới hạn vcm

Trong thiết kế này, sơ bộ chúng ta giả thiết vm < vcm (giả thiết này sẽ được kiểm nghiệm lại ở phần sau) Trong trường hợp này 𝛼𝐶𝑂2được tính:

𝛼𝐶𝑜2 = 0,9 𝐴2 𝑣𝑚0,1 𝑞𝐶𝑂20,7 /𝑑𝑡𝑟0,54, W/m2độ

Với hệ số:

1,3 2

e c A

(Trang 450 TL Truyền nhiệt)

c được định nghĩa như sau:

273,15273,15

o b

t c t







Trong đó:

tb: Nhiệt độ điểm sôi tiêu chuẩn, với R744 tb = -78,52oC (Bảng 15.6, TL[8])

to: Nhiệt độ môi chất sôi và hoá hơi trong dàn bay hơi, chọn to = 6oC

- Tính hệ số truyền nhiệt k xét theo bề mặt ngoài:

Xét đến nhiệt trở dẫn nhiệt thì hệ số truyền nhiệt sẽ được tính theo công thức:

Với 𝑞𝑐𝑜2 = 22075,025 W/m2, xác định lại hệ số 𝛼𝑐𝑜2, k:

𝛼𝑐𝑜2= 21,3534 22075,0250,7=23452,97 W/m2.độ

88,67 +0,4.10−3237 +23452,971 = 88,32 W/m2.độ

Kiểm định lại giả thiết 𝑣𝑚 > 𝑣𝑐𝑚 ta thấy:

𝑣𝑐𝑚: tốc độ khối lượng tới hạn

𝑣𝑐𝑚 = 0,92 (𝐴2

𝐴1)0,77 𝑞𝑐𝑜20,54=0,92 (0,345

0,0852)0,77 22075,0250,54 =598,655 kg/m2.s

Ta thấy 𝑣𝑚 < 𝑣𝑐𝑚 nên gia thiết ban đầu của bài là đúng

Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi

F= 𝑄0

𝑘.Δ𝑡𝑙𝑜𝑔 = 3660

88,32.14,427=2,87 m2

2.2.3 Tính toán năng suất lạnh của hệ thống theo lý thuyết

Lưu lượng môi chất qua máy nén theo catalogue của máy nén Dorin

624 = 5,865