Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất co2 cho hệ thống điều hoà không khí

Để góp phần vào việc tìm các thiết bị giải nhiệt phù hợp và hiệu quả dành cho môi chất CO2, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

CO2 CHO HỆ THỐNG ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

CO2 CHO HỆ THỐNG ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ

- Tính toán chọn thiết bị cho hệ thống.

- Nghiên cứu, lắp đặt thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất CO2.

- Thực nghiệm lấy thông số tính toán và rút ra nhận xét

2 Sản phẩm của đề tài

- Kết quả tính toán và phân tích thông số.

- Mô hình hệ thống điều hoà không khí sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống

của môi chất CO2

3 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 21/10/2022

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/02/2023

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ

THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP.Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 02 năm 2023

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

( Dành cho giảng viên hướng dẫn )

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ NGƯNG

TỤ KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG SỬ DỤNG MÔI CHẤT CO2 CHO HỆ THỐNG

ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ

Họ tên sinh viên: 1 Đoàn Quốc Khánh MSSV: 17147150

3.Lâm Nguyễn Triệu Tiến MSSV: 19147249 Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt Mã ngành đào tạo: 52510206

Họ và tên GVHD: TS Đoàn Minh Hùng

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy) 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2.2 Nội dung đồ án:

(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3 Kết quả đạt được:

2.4 Những tồn tại (nếu có):

3 Đánh giá:

4 Kết luận:

 Được phép bảo vệ

 Không được phép bảo vệ

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần,

hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng

buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

TP.HCM, ngày tháng 02 năm 2023

Giảng viên hướng dẫn ((Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ

THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP.Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 02 năm 2023

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

( Dành cho giảng viên hướng dẫn )

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ NGƯNG

TỤ KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG SỬ DỤNG MÔI CHẤT CO2 CHO HỆ THỐNG

ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ

Họ tên sinh viên: 1 Đoàn Quốc Khánh MSSV: 17147150

3.Lâm Nguyễn Triệu Tiến MSSV: 19147249 Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt Mã ngành đào tạo: 52510206

Họ và tên GVHD: TS Đoàn Minh Hùng

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy) 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3 Kết quả đạt được:

2.4 Những tồn tại (nếu có):

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần,

hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng

buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

7 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

( Dành cho giảng viên hướng dẫn )

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ NGƯNG

TỤ KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG SỬ DỤNG MÔI CHẤT CO2 CHO HỆ THỐNG

ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ

Họ tên sinh viên: 1 Đoàn Quốc Khánh MSSV: 17147150

2 Nội dung đồ án:

(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

5 Câu hỏi:

6 Đánh giá:

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc

quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế. 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

TỤ KIỂU ỐNG LỒNG ỐNG SỬ DỤNG MÔI CHẤT CO2 CHO HỆ THỐNG

ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ

Họ tên sinh viên: 1 Đoàn Quốc Khánh MSSV: 17147150

3.Lâm Nguyễn Triệu Tiến MSSV: 19147249Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt Mã ngành đào tạo: 52510206

Sau khi điều chỉnh theo những góp ý và nhận xét của các thầy là giảng viên hướngdẫn, giảng viên phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ thì đồ án tốt nghiệp

đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 02 năm 2023

LỜI CẢM ƠN

Sau bốn năm học tập tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ ChíMinh, chúng em xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy, cô trong Bộmôn Công nghệ kỹ thuật Nhiệt – Điện lạnh đã quan tâm và giúp đỡ để chúng em có thể điđến chặng đường cuối cùng của quãng đời sinh viên Trong quá trình học tại trườngchúng em đã thầy cô chỉ dạy không chỉ những kiến thức chuyên ngành mà còn nhữngkiến thức hữu dụng cho bản thân và đời sống Nhờ đó, chúng em trang bị được khối kiếnthức nền để vận dụng vào việc hoàn thành đồ án, không chỉ vậy kiến thức ấy còn giúpchúng em trong công việc sau này

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy TS Đoàn Minh Hùng,thầy đã định hướng đề tài, trực tiếp hướng dẫn, chỉ dạy chúng em từ những bước đầu tiêncủa đồ án tốt nghiệp này Đôi khi trong quá trình làm đồ án có những vấn đề phát sinhkhiến chúng em hết sức bối rối, không có hướng giải quyết thì lúc ấy thầy là người khôngngại bỏ thời gian và công sức để giải đáp, đưa ra những giải pháp để chúng em có thể tiếptục hoàn thành đồ án tốt nghiệp Chúng em cũng cảm ơn gia đình và bạn bè rất nhiều vì

đã là chỗ dựa tinh thần cho chúng em những lúc khó khăn nhất

Trong quá trình thực hiện đồ án chắc chắn chúng em không thể tránh khỏi nhữngthiếu sót Chúng em rất mong nhận được những nhận xét và ý kiến của các thầy, cô đểchúng em có thể hoàn thiện bài luận hơn và rút kinh nghiệm cho bản thân sau này

Chúng em xin trân trọng cảm ơn các thầy cô đã bỏ thời gian xem đồ án của chúng em!Cuối cùng, nhóm chúng em xin gửi quý thầy cô lời chúc sức khỏe và thành công! Xin trân trọng cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Lý do chọn đề tài

Xã hội ngày càng phát triển, quá trình đô thị hoá, công nghiệp hoá đang diễn ra mạnh

mẽ trên thế giới Theo một số dự báo, tới năm 2050 gần 70% dân số thế giới sẽ sốngtrong các đô thị, vì thế nhu cầu sử dụng điều hoà, làm lạnh cũng theo đó mà tăng lên, cácthiết bị liên quan đến hệ thống cũng được nâng cấp và phát triển và phù hợp hơn

Chính vì nhu cầu đó, môi chất lạnh – dòng máu của các hệ thống lạnh cũng ngàycàng được sử dụng nhiều hơn Tuy nhiên, chúng ta đang đối mặt với sự giảm lượng ôzôntrong khí quyển, mà chủ yếu sự suy giảm trong tầng bình lưu đang là điều cảnh báo đốivơi nhân loại, nhắc nhở chúng ta phải có những hành động cụ thể bảo vệ tầng ôzôn và đócũng là mối quan tâm của ngành lạnh và điều hòa không khí, nơi sở hữu nhiều nhất cácCFC, HCFC làm suy giảm tầng ôzôn một khi nó được xả vào khí quyển

Nhận thấy được mối nguy đó, bắt đầu từ những năm 1987 cho đến nay, đã có nhiềuhội nghị quốc tế gồm nhiều quốc gia tham dự đã đưa ra các cam kết hạn chế và kiểm soátcác môi chất lạnh nếu nó có chỉ số làm suy giảm tầng ôzon ODP (ODP – OzonDepletion Potential) lớn hơn không và khuyến khích sử dụng các môi chất lạnh được sửdụng lâu dài gồm các môi chất lạnh có ODP = 0 và có trị số GWP (GWP – GlobalWarming Potentia) khả năng làm nóng toàn cầu thấp

Với môi chất lạnh CO2 (R744) được xem là môi chất lạnh của tương lai bởi nó có trị

số ODP=0, GWP=1, là gas lạnh có sẵn trong tự nhiên, không mùi, chi phí rẻ và thân thiệnvới con người Việc nghiên cứu phát triển và đưa ra các giải pháp phù hợp và hiệu quảcho các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng môi chất CO2 ngày càng được các nhà khoa họcthực hiện nhằm đưa môi chất này sớm được đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới

Để góp phần vào việc tìm các thiết bị giải nhiệt phù hợp và hiệu quả dành cho môi

chất CO2, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm

thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất CO2 cho hệ thống điều hoà không khí” để đưa ra một giải pháp, góp phần cho sự nghiên cứu sau này.

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Môi chất CO2 là một môi chất còn khá mới tại Việt Nam nhưng ở nước ngoài thìhiện nay đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu khá nhiều Các quá trình nghiên cứu, thựcnghiệm đã đóng góp tích cực cho mọi lĩnh vực trong đời sống vì đây là môi chất của

“tương lai” với với rất nhiều những cải tiến, một môi chất thân thiện với con người vàmôi trường Nhưng CO2 có những đặc tính mà các môi chất khác không có Dưới đây làmột số bài báo liên quan nhóm đã tìm hiểu để làm cơ sở thực hiện đề tài này

RodrigoLlopis [1] cùng các cộng sự đã nghiên cứu về phương pháp quá lạnh CO2

để nâng cao hiệu suất cho hệ thống lạnh có sử dụng môi chất CO2 và đạt được kết quảkhả quan: Cải thiện 12% hiệu quả của tổng thể của bộ trao đổi nhiệt bên trong, 22% với

bộ quá nhiệt Economizers, …Bài viết đã xem xét một cách toàn diện các nghiên cứu gầnđây coi việc quá lạnh là một cách để nâng cấp hiệu suất của các chu trình làm lạnh CO2.Nghiên cứu này được thực hiện theo các bước như sau: Đầu tiên, thảo luận và đưa ra các

mô tả về các khía cạnh nhiệt động học của quá trình quá lạnh trong các chu trình làm lạnhCO2; Thứ hai, các kết quả và kết luận chính của các cuộc khảo sát gần đây được phântích trong hai nhóm lớn: các phương pháp quá lạnh bên trong và các phương pháp làmlạnh phụ bên ngoài Cuối cùng, đánh giá tổng hợp tình trạng hiện tại của nghệ thuật vàchỉ ra các dòng nghiên cứu xứng đáng với sự phát triển trong tương lai

P Aranguren [2] cùng cộng sự đã nghiên cứu, thực nghiệm chu trình nén sử dụngmôi chất CO2 bao gồm một thiết bị quá lạnh tại đầu ra của thiết bị Nghiên cứu này chothấy được COP của hệ thống đã tăng lên đáng kể khi bộ quá lạnh được thiết kế và vậnhành một cách đúng kỹ thuật Cơ sở thí nghiệm được nghiên cứu đã được thực nghiệmtrong các điều kiện môi trường không đổi (30 °C và độ ẩm tương đối là 55%) và duy trìnhiệt độ bay hơi ở -10 °C; trong khi điện áp cung cấp cho các mô-đun nhiệt điện và điệntrở nhiệt của bộ trao đổi nhiệt nằm ở bộ làm mát phụ nhiệt điện đã được sửa đổi bằngthực nghiệm trong khi điện áp cung cấp cho các mô-đun nhiệt điện và điện trở nhiệt của

bộ trao đổi nhiệt nằm ở bộ làm mát phụ nhiệt điện đã được sửa đổi bằng thực nghiệm.Điện áp cung cấp cho các quạt đặt tại các bộ trao đổi nhiệt này đã được điều chỉnh, điềunày có nghĩa là độ lệch hiệu suất nhiệt của các bộ trao đổi nhiệt và sự thay đổi về mứctiêu thụ điện năng của thiết bị làm mát Kết quả cho thấy mức tăng thử nghiệm trên COP

là 11,3% trong khi công suất làm mát tăng 15,3% khi các mô-đun nhiệt điện được cungcấp 2 V và quạt 9 V Ngoài ra, tầm quan trọng của việc tối ưu hóa điện áp cung cấp chocác mô-đun nhiệt điện và đến mức tiêu thụ phụ của bộ làm mát phụ nhiệt điện được đềcập trong nghiên cứu này

MazyarKarampour [3] cùng cộng sự đã nghiên cứu các tính năng tích hợp và tiêntiến nhất của các hệ thống tăng áp xuyên tới hạn CO2 Mục tiêu chính là xác định các giảipháp hứa hẹn nhất về tác động hiệu quả năng lượng Đầu tiên, hiệu suất của các tính năngđược sửa đổi và chức năng tích hợp đã được so sánh với hệ thống CO2 tiêu chuẩn và cácgiải pháp điều hòa không khí và sưởi ấm thay thế Sau đó, hiệu suất của hệ thống CO2hiện đại đã xác định được so sánh với các giải pháp làm lạnh gián tiếp dựa trên dòng thácchất làm lạnh tự nhiên và DX dựa trên HFC/HFO và các giải pháp làm lạnh gián tiếp hoạtđộng ở vùng khí hậu lạnh và ấm Kết quả chỉ ra rằng thu hồi nhiệt hai giai đoạn, bay hơi

ngập nước, nén song song và tích hợp điều hòa không khí là những tính năng hứa hẹnnhất của hệ thống CO2 tích hợp hiện đại Hệ thống nhỏ gọn và thân thiện với môi trườngnày là giải pháp tiết kiệm năng lượng nhất ở vùng khí hậu lạnh và cũng là giải pháp hiệuquả ở vùng khí hậu ấm áp, với hiệu quả tương đương với các hệ thống HFC/HFO DXtheo tầng và HFC/HFO, nhưng không có giới hạn hiện tại hoặc tiềm năng.

Lorentzen và Petterson [4] đã đánh giá khả năng sử dụng bộ trao đổi nhiệt trong hệthống trên tới hạn CO2 Hwang và cộng sự [5] cho thấy các kết quả thực nghiệm và nghiêncứu mô phỏng bao gồm các giai đoạn mở rộng và chu kỳ giai đoạn kép Groll và cộng sự[6] thực hiện phân tích số của chu trình kép thay đổi tỷ số nén của mỗi giai đoạn nén.Bhattacharyya và cộng sự [7] cho thấy một nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống ghép tầng CO2/ C3H8 để làm mát và sưởi ấm [8] Kim và cộng sự đã tổng kết những cải tiến về hiệu suấtcủa các hệ thống dựa trên CO2 và các ứng dụng của chúng Họ đã cung cấp một đánh giáquan trọng về tài liệu và thảo luận về các xu hướng và đặc điểm quan trọng trong sự pháttriển của công nghệ CO2 trong các ứng dụng làm lạnh

Deng và cộng sự [9] đã mô tả một phân tích lý thuyết về chu trình làm lạnh giãn nởcủa vòi phun CO2 trên tới hạn, sử dụng vòi phun làm thiết bị giãn nở chính thay vì vangiãn nở Youngming và cộng sự [10] đã xây dựng và thử nghiệm hệ thống làm lạnh carbondioxide hấp thụ nén ướt Fernández-Seara và cộng sự [11] đã phân tích hệ thống lạnh ghéptầng nén - hấp thụ coi CO2 và NH3 là chất làm lạnh trong giai đoạn nén và cặp NH3 – H2Otrong giai đoạn hấp thụ và đánh giá khả năng cấp nguồn cho hệ thống lạnh ghép tầngbằng hệ thống đồng phát Lee và cộng sự [12] đã thực hiện một phân tích nhiệt động lựchọc về nhiệt độ ngưng tụ tối ưu của bình ngưng – ghép tầng trong hệ thống lạnh ghéptầng CO2 / NH3 Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của hiệu suất máy nén đẳng entropy

và giới hạn thực tế của nhiệt độ xả máy nén không được tính đến và hiệu quả sử dụngkhông được đánh giá Phạm vi của nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phân tích cácthông số thiết kế và vận hành của hệ thống làm mát ghép tầng CO2 / NH3 và ảnh hưởngcủa nó đối với COP của hệ thống và hiệu suất sử dụng Ý nghĩa thống kê của từng tham

số được đánh giá đã được phân tích Hơn nữa, nghiên cứu tối ưu hóa các thông số này đãđược đưa vào để cho thấy COP cao nhất Cuối cùng, một cuộc thảo luận về ảnh hưởngcủa hiệu suất đẳng entropy của máy nén đối với hệ thống tối ưu COP được trình bày

Gulloa [13] cùng các cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất của các thiết bị làm lạnh sửdụng môi chất CO2 đã được nghiên cứu cho một cửa hàng thực phầm bán lẽ ở các vùngChâu Âu với khí hậu đa dạng Kết quả cho thấy, so sánh giữa môi chất R404A được sửdụng rộng rãi hiện nay với môi chất R774 đang trong quá trình nghiên cứu thì các kết quảcho 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% trênkhắp châu Âu Bài báo này còn cho ta thấy giới hạn hiệu suất năng lượng thường gặp bởicác hệ thống làm lạnh R744 qua mức tăng nhiệt độ ngoài trời biến mất với sự trợ giúpcủa máy phun Cuối cùng, cuộc điều tra còn chứng mình là sử dụng các máy phun songsong cho hệ thống R744 sẽ đem lại hiệu suất cao hơn và thiên thiện với ngành thực phẩmbán lẽ ở Châu Âu Với những hiệu quả về mặt năng lượng trong bất kỳ môi trường khíhậu ở Châu Âu, môi chất R774 đã chứng mình về những tiềm năng của bản thân trongngành công nghiệp lạnh.

Baheta [14] cùng các cộng sự của mình đã tiến hành nghiên cứu hiệu suất của chutrình 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 nhiệtđộng lực học Sau đó, mô hình được mô phỏng cho các thông số khác nhau được điềukhiển để điều tra hiệu suất chu trình Duy trì các thông số vận hành khác liên tục COPcao nhất là 3,24 ở áp suất làm mát khí 10 MPa Nó cũng đã được quan sát thấy rằng chutrình phù hợp cho ứng dụng điều hòa không khí hơn chu trình làm lạnh, khCOP tăng khinhiệt 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 chutrình làm lạnh CO2

Ying [15] cùng các cộng sự của mình đã thiết kế các bộ trao đổi nhiệt dạng ốngxoắn áp dụng trong một máy bơm nhiệt CO2 siêu tới hạn với các bộ làm mát khí đã đượcnghiên cứu Ảnh hưởng về số lượng của các ống bên trong thiết bị trao đổi nhiệt và độchênh lệch áp suất đã được thảo luận bằng các buổi thí nghiệm và phân tích lý thuyết Độchênh lệch áp suất CO2 tăng mạnh với sự gia tăng số lượng ống bên trong bên trong bộlàm mát khí Nhiệt độ đầu ra của nước của bộ làm mát khí có thể được tăng lên bằng cáchtăng tốc độ dòng lạnh, nhiệt độ đầu vào của nước và giảm tốc độ dòng nước làm mát Tuynhiên, 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 cảithiện

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

PGS TS Đặng Thành Trung [16] cùng các cộng sự đã tiến hình thực nghiệm về hệthống điều hòa không khí CO2 với thiết bị bay hơi kênh mini 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 hệthống không có quá trình quá lạnh Với quá trình quá lạnh, COP của hệ thống thu được là4.97 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 hệthống điều hòa không khí thông thường) Người ta đề xuất rằng hệ thống điều hòa khôngkhí CO2 nên được vận hành với áp suất dao động từ 74-77 bar và nhiệt độ bay hơi daođộng 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 và Th S Võ Kim Hằng [17] đã thực hiện thí nghiệm về sựthay đổi hình dạng và kích thước của thiết bị bay hơi kênh Mini để tăng khả năng làmmát của chu trình điều hòa CO2 Hai thiết bị bay hơi kênh Mini có cùng diện tích truyềnnhiệt được thiết kế với độ dài kênh khác nhau Trong nghiên cứu này, nhiệt độ môitrường 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 khảnăng làm mát của thiết bị bay hơi E2 (chiều dài ngắn hơn) tốt hơn 6,6 lần so với côngsuất của thiết bị bay hơi (chiều dài dài hơn): nhiệt độ không khí đầu ra của E2 thấp hơn1,40C so với Ngoài ra, sự phân bố nhiệt độ của thiết bị bay hơi E2 tốt hơn so với thiết bịbay hơi Nghiên cứu cũng kết luận rằng COP của E2 lớn hơn 0,22 lần so với kết quả thuđược

ThS Nguyễn Trọng Hiếu [18] cùng các cộng sự đã nghiên cứu một thí nghiệm về một

hệ máy lạnh sử dụng môi chất CO2 với các bộ trao đổi nhiệt ống đồng Trong nghiên cứunày, máy nén và bộ làm mát đã được thử nghiệm với phương pháp thủy lực để xác địnhnhiệt độ bị biến dạng và bị phá hỏng Kết quả cho thấy máy nén thông thường không phùhợp 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 vớiCOP của hệ thống điều hòa không khí thương mại hiện nay

Từ các kết quả tổng quan trên, nhóm nhận thấy trong tình hình thế giới ô nhiễm trầmtrọng như hiện nay thì CO2 là một môi chất tiềm năng có thể thay thế được các môi chấtlạnh khác nhưng các nghiên cứu hiện nay còn chưa rõ Vì vậy, nhóm nghiên cứu này thực

sự cần thiết

1.4 Mục tiêu đề tài

Từ các thông tin ở các bài báo khoa học, các nghiên cứu trong và ngoài nước, nhómnhận thấy việc nghiên cứu về thiết bị ngưng tụ dành cho môi chất CO2 ở hệ thống điềuhoà không khí còn khá ít và cho ra nhiều kết quả chưa khả quan, vì vậy nhóm quyết địnhchọn đề tài này và đưa ra các mục tiêu chính

- Tính toán thiết kế và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống cho hệ

thống điều hoà không khí sử dụng môi chất CO2

- Xác định năng suất giải nhiệt của thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống cho hệ

thống sau khi đã thực nghiệm và đưa ra kiến nghị

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp đánh giá tài liệu: Dựa vào các bài báo khoa học, các nghiên cứu từ trước

để phản biện và cung cấp cơ sở lý luận cho bài nghiên cứu của nhóm

Phương pháp tính toán: Tính toán lý thuyết dựa vào các thông số, dữ liệu đã có

Phương pháp thực nghiệm: Dựa vào số liệu thu được thông qua các lần vận hành môhình sau đó phân tích và đánh giá

Phương pháp phân tích dữ liệu: Phân tích, tính toán các điểm nút, chu trình nhiệt độngcủa hệ thống

1.6 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài

1.6.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong đồ án bao gồm:

- Thiết bị ngưng tụ dạng ống lồng ống sử dụng nước giải nhiệt cho hệ thống lạnh một

cấp sử dụng môi chất CO2 (R744)

- Hệ thống điều hoà không khí sử dụng môi chất CO2 (R744)

1.6.2 Giới hạn đề tài

Giới hạn đề tài:

- Địa điểm thực nghiệm tại TP Hồ Chí Minh.

- Máy nén piston CO2 kín có công suất 550W.

- Thiết bị trao đổi nhiệt gồm dàn lạnh thông thường và thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng

ống giải nhiệt bằng nước

- Tháp giải nhiệt có công suất 130W.

- Các thông số cần nghiên cứu bao gồm: áp suất và nhiệt độ tại các điểm nút của hệ

thống, nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ và hệ số truyền nhiệt của thiết bị

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Cơ sở truyền nhiệt

Khoa học truyền nhiệt nghiên cứu quá trình truyền nhiệt năng xảy ra giữa các vật cónhiệt độ khác nhau Truyền nhiệt không chỉ tìm cách giải thích những nguyên nhân tạonên quá trình này mà còn dự đoán mức độ trao đổi nhiệt năng sẽ xảy ra dưới các điềukiện ấy Năng lượng được truyền dưới dạng dòng nhiệt không thẻ đo lường trực tiếpnhưng có thể xác định được thông qua một đại lượng vật lý có thể đo lượng đó là nhiệt độ(thông số biểu thị mức độ nóng lạnh của một vật) Dòng nhiệt luôn truyền từ vùng cónhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp nên có thể tìm nó thông qua sự chênh lệch nhiệt độtrong hệ, nghĩa là dòng nhiệt sẽ xảy ra khi tồn tại gradien nhiệt độ trong hệ [19]

Các bài toán về xác định dòng nhiệt và sự phân bố nhiệt độ là những vấn đề quantrọng trong các ngành khoa học kỹ thuật nói chung, trong thiết kê các thiết bị trao đổinhiệt như lò hơi, dàn ngưng, làm mát động cơ… Việc xác định chính xác mức độ truyềnnhiệt của các thiết bị trong cả mảng nóng là mảng lạnh có ảnh hưởng quan trọng đến kếtcấu và kích thước của nó

Qua nhiều nghiên cứu và thực nghiệm, người ta chứng minh được rằng truyền nhiệt làmột quá trình phức tạp xảy ra đồng thời bởi ba dạng trao đổi nhiệt cơ bản là: trao đổinhiệt bằng dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt dạng đối lưu và troa đổi nhiệt bức xạ

2.1.1 Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là một dạng truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độthấp do sự truyền động năng hoặc va chạm của các phân từ và nguyên tử

Hiện nay, để tính toán và phân tích trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, người ta dựa vào hệ

số dẫn nhiệt [W/m], hệ số này đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật, nó phụ thuộcvào áp suất, nhiệt độ và được xác định bằng thực nghiệm Quá trình truyền nhiệt có thểđược định lượng theo các phương trình tỷ lệ thích hợp Phương trình tốc độ trong chế độtruyền nhiệt này dựa trên định luật dẫn nhiệt của Fourier

2.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

Trao đổi nhiệt đối lưu xảy ra khi chất lỏng chảy qua bề mặt vật rắn có sự chênh lệchnhiệt độ giữa bề mặt tw và môi trường chất lỏng tf, giữa bề mặt và chất lỏng sẽ có quátrình trao đổi nhiệt được gọi là quá trình trao đổi nhiệt đối lưu (hoặc toả nhiệt đối lưu)

Nếu sự chuyển dịch của chất lỏng là do nhân tạo (do tác động của bơm, quạt, máy nén )thì được gọi là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức Nếu sự chuyển động của chất lỏng tạonên bởi lực nâng, do sự chênh lệch khối lượng riêng (mà nguyên nhân gây ra là do chênhlệch nhiệt độ) thì quá trình này được gọi là đối lưu tự do.

Trong kỹ thuật, để tính toán trở nên đơn giản trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưungười ta thường dùng công thức:

Q = αF(tw – tf) Trong đó, α [W/m2độ] là cường độ trao đổi nhiệt đối lưu Để tính toán, phân tích một cách hoàn thiện để tìm hệ số này là một vấn đề phức tạp, do đó nghiên cứu bằng thực nghiệm đóng một vai trò rất quan trọng,

2.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau và đặt cách xa nhau trong môi trường chân khôngthì sự truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt đối lưu không tồn tại Trong trườnghợp này sự truyền nhiệt giữa các vật xảy ra là nhờ trao đổi nhiệt bức xạ Các vật luônphát năng lượng bức xạ truyền trong chân không dưới dạng những photon rời rác theo lýthuyết Planck

Năng lượng bức xạ phát ra của vật tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối lũy thừa bậc 4 Ví dụ vậtđen (Vật hoàn toàn hấp thụ và bức xạ) với diện tích bề mặt F ở nhiệt độ bề mặt là T1 đượcđặt trong một hệ khép kín ở nhiệt độ tuyệt đối T2, vật đen sẽ phát ra năng lượng bức xạtổng cộng là F σ.T14 và hấp thụ năng lượng bức xạ tổng cộng F σ.T24, do vậy năng lượngtrao đổi bề mặt của hệ là:

Khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2 tương đối nhỏ so với trị số T1 thì phương trình

có thể viết lại dưới dạng khác như sau:

Q= φ12.F σ.( T1 - T2)( T1 + T2).( T12+ T22)

= φ12.F σ.4T1 ( T1 - T2)

Hoặc = (φ12.4σ.T1).( T1 - T2)

Đặt:

qbx= φ12.4σ.T13

qbx được gọi là hệ số trao đổi nhiệt bức xạ, phương trình có thể viết dưới dạng

q= qbx.( T1 - T2) áp dụng với điều kiện ( T1 - T2)/( T1)<<1

2.2 Tổng quan về môi chất CO2 (R744)

2.2.1 Tính chất vật lý

Carbon dioxide hay carbonic oxide (tên gọi khác: thán khí, anhydride carbonic, khícarbonic) là một hợp chất ở điều kiện bình thường có dạng khí trong khí quyển Trái Đất,bao gồm một nguyên tử carbon và hai nguyên tử oxy Là một hợp chất hóa học được biếtđến rộng rãi, nó thường xuyên được gọi theo công thức hóa học là CO2 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 Các loài thực vật hấp thụ carbon dioxide trong quá trình quanghợp, và sử dụng cả carbon và oxy để tạo ra các carbohydrat Ngoài ra, thực vật cũng giảiphóng oxy trở lại khí quyển, oxy này sẽ được các sinh vật dị dưỡng sử dụng trong quátrình hô hấp, tạo thành một chu trình Nó có mặt trong khí quyển Trái Đất với nồng độthấp và tác động như một khí gây hiệu ứng nhà kính

Hình 2.1 Sơ đồ vùng chuyển pha của môi chất CO2

Mỗi một chất, trong một điều kiện nhất định, đều tồn tại ở một trạng thái nào đó trong

ba trạng thái cơ bản là rắn, lỏng, khí Giản đồ hình (2.1) thể hiện các vùng trạng thái củaCO2 ứng với từng điều kiện khác nhau Từ giản đồ ta nhận thấy điểm tới hạn ở áp suất72.9 atm và nhiệt độ 31.10C và điểm dưới tới hạn tương ứng là 5.11 atm và -56,60C

mùi như nước mía thiu hoặc mùi cồn Loại thứ hai là CO2 tinh khiết, được áp dụng nhiều

nạp vào hệ thống để đảm bảo độ tinh khiết của môi chất

2.2.2 Đá khô

Hình 2.2 Đá khô dạng khối

Đá khô là một dạng rắn của CO2, khác với các loại đá thông thường chúng ta uống,

giãn nở nhanh và nhanh chóng bị đóng lại dưới áp suất cao (khoảng 60 tấn Phần tuyếtđược nén lại tạo thành những viên đá Nhiệt độ của đá khói rất thấp, rất lạnh (khoảng -78,9°C) Ở áp suất bình thường, đá khói không nóng chảy qua dạng lỏng mà thăng hoathành dạng khí, tạo làn sương mù dày đặc đó là lý do nó được gọi là đá khô

Khi đưa đá khô vào bình kín ở nhiệt độ và áp suất môi trường, nó thăng hoa từ thể rắnthành thể khí, thể tích khí CO2 trong bình dần tăng dẫn đến áp lực vào thành bình càngtăng Áp dụng tính chất này, nhóm sử dụng bình chứa chịu được áp lực cao để chứa CO2

và đưa khí CO2 tinh khiết vào hệ thống Cấu tạo chi tiết và cách nạp gas được đề cập ởcác chương sau

2.3 Chu trình lạnh một cấp

2.3.1 Chu trình một cấp sử dụng van tiết lưu thực hiện hành trình khô

a) Định nghĩa: Hành trình khô là hành trình nén của máy nén hút hơi bão hòa khô hay

hơi quá nhiệt

b) Sơ đồ nguyên lý, đồ thị, chu trình lý thuyết.

Chu trình lý thuyết: Hơi bão hòa khô từ thiết bị bay hơi IV đi đến máy nén, nén đoạnnhiệt, đẳng entropy theo quá trình 1-2 trở thành hơi quá nhiệt cao áp, tiêu tốn ngoại công

l Môi chất với thông số trạng thái 2 đi vào thiết bị ngưng tụ II, ngưng tụ đẳng áp theoquá trình 2-3, nhả nhiệt qk thành lỏng hoàn toàn (lỏng bão hòa khô với thông số trạng thái3) Lỏng cao áp với thông số trạng thái 3 đi đến van tiết lưu III và tiết lưu đẳng enthalpythành hơi bão hòa ẩm hạ áp với thông số trạng thái 4 Với thông số trạng thái 4 môi chất

đi vào cụm thiết bị bay hơi IV và bình tách lỏng V nhận nhiệt qo đẳng áp, đẳng nhiệt đếnthông số trạng thái 1 rồi quay trở về máy nén I Cứ thế chu trình tiếp diễn

I-Máy nén; II-Thiết bị ngưng tụ; III-Van tiết lưu; IV-Thiết bị bay hơi.

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy ở máy nén I; 2-3: quá trình ngưng tụ đẳng

áp ở thiết bị ngưng tụ II; 3-4: quá trình tiết lưu đẳng enthalpy ở van tiết lưu III; 4-1: quá trình bay hơiđẳng áp ở thiết bị bay hơi IV.

c) Tính toán các điểm nút của chu trình

1) Công nén: l = h2 - h1

2) Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = h2 - h3

3) Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h1 - h4

4) Hệ số làm lạnh: =

Hình 2.3 Hình máy lạnh 1 cấp dùng van tiết lưu