Nghiên cứu thực nghiệm bộ trao đổi nhiệt ghép tầng tấm micro (micro plate heat exchanger) có năng suất lạnh 2000w

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ Nguyễn Minh Châu, Đặng Thành Trung, Nguyễn Hoàng Tuấn, Đặng Gia Huy, Trần Thế Vinh - Một nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH CHÂU

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT

GHÉP TẦNG TẤM MICRO (MICRO PLATE

HEAT EXCHANGER) CÓ NĂNG SUẤT LẠNH 2000W

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH CHÂU

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT GHÉP TẦNG TẤM MICRO (MICRO PLATE HEAT EXCHANGER) CÓ NĂNG SUẤT LẠNH 2000W

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT - 8520115 Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS ĐẶNG THÀNH TRUNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2022

QUYẾT ĐỊNH ĐỔI TÊN ĐỀ TÀI

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Quê quán: Phước Đông, Cần Đước, Long An Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0355518707 Fax: E-mail: nmchau994@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2013 đến 9/2017

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Nông Lâm, Tp.HCM

Ngành học: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết Kế Hệ Thống Điều Hòa Không Khí

Và Thông Gió Nhà Câu Lạc Bộ Sân Golf Long Biên

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 12/2016 tại Trường Đại Học Nông Lâm, Tp.HCM

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Hào

3 Thạc sĩ

Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2019 đến 10/2022

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ Thuật Nhiệt

Tên luận văn: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT GHÉP

TẦNG TẤM MICRO (MICRO PLATE HEAT EXCHANGER) CÓ NĂNG SUẤT LẠNH 2000W

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 06/11/2022 tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Thành Trung

4 Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh văn bậc 3

5 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp:

Kỹ sư công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, số hiệu: 526444, số vào sổ cấp bằng: 13/2019/ĐHCQ_NLU, ngày cấp 10/04/2019 Nơi cấp: Trường đại học nông lâm TP Hồ Chí Minh

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

Thơi gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

2/2017 – đến nay Công ty TNHH cơ điện

lạnh Bình Minh

Phó trưởng phòng kế hoạch - kỹ thuật

IV CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

Nguyễn Minh Châu, Đặng Thành Trung, Nguyễn Hoàng Tuấn, Đặng Gia Huy, Trần Thế Vinh - Một nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm kênh micro - Tạp Chí Cơ Khí Việt Nam, Số đặc biệt tháng 12/2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan luận văn: “Nghiên cứu thực nghiệm bộ trao đổi nhiệt ghép tầng tấm micro (Micro Plate Heat Exchanger) có năng suất lạnh 2000W” là công

trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 202…

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Tiếp theo tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn bộ các thầy cô Bộ Môn Công Nghệ Nhiệt – Điện Lạnh, khoa Cơ Khí – Động Lực trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh cùng các thầy cô ở trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức quý báu và những kinh nghiệm thực tiễn trong suốt những năm học vừa qua

Cuối cùng xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể lớp KTN19B, gia đình, bạn bè, người thân và đồng nghiệp đã luôn động viên, quan tâm, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài Mặc dù học viên đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn vẫn còn một số hạn chế về công nghệ, thiết bị, độ chính xác và kiến thức chuyên sâu

vì thế không tránh được những sai sót Học viên rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô

TÓM TẮT

Quá trình thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt tấm micro thông qua các phương pháp tổng quan tài liệu, tính toán

lý thuyết và thực nghiệm ở 3 trường hợp ứng với 2 nhiệt độ môi trường khác nhau

29 và 33 oC, nghiên cứu đã đạt được một số kết quả như sau:

➢ Trường hợp 1 (nhiệt độ môi trường khoảng 29 oC): COP hệ thống đạt cao nhất là 2,24 trong khi đó Δtcascade đạt giá trị thấp nhất 1,7 oC Điều này cho thấy rằng trong 3 trường hợp thì trường hợp 1 hệ thống hoạt động hiệu quả nhất và hiệu suất trao đổi nhiệt là tốt nhất khi so với 2 trường hợp còn lại,

➢ Trường hợp 2 (nhiệt độ môi trường khoảng 33 oC): COP hệ thống và

Δtcascade lần lượt là 1,81 và 3,2oC tương ứng thấp hơn 5% và 9,4% so với [44] Các giá trị này chứng tỏ ở cùng 1 điều kiện hoạt động mức độ hiệu quả của hệ thống và hiệu suất trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt tấm micro và bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống là chênh lệch không đáng kể

➢ Trường hợp 3 (nhiệt độ môi trường khoảng 33 oC): COP hệ thống và

Δtcascade lần lượt là 1,88 và 4,4 oC tương ứng thấp hơn 37,7% và 36,4%

so với [43] Điều này chứng tỏ mô hình thực nghiệm hoạt động kém hiệu quả hơn [43] tuy nhiên hiệu suất trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt tấm micro là tốt hơn rất nhiều

ABSTRACT

Experimental process of R134a/CO2 cascade refrigeration system using the micro plate heat exchanger through document review, theoretical calculations and experimental methods in 3 cases with 2 different ambient temperatures 29 and 33

oC, the study achieved some results as follows:

➢ Case 1 (ambient temperature is about 29 oC): System COP reached the highest at 2,24, while Δtcascade reached the lowest value of 1,7oC This shows that in 3 cases: case 1 system operates most efficiently, and heat exchanger efficiency is the best when compared to the other 2 cases

➢ Case 2 (ambient temperature is about 33 oC): System COP and Δtcascade are 1,81 and 3,2 oC, respectively, are 5% and 9.4% lower than [44] This proves that under the same operating conditions, the efficiently level of the system and the heat exchange efficiency of the micro plate heat exchanger and the double tube heat exchanger is negligible

➢ Case 3 (ambient temperature about 33 oC): System COP and Δtcascade are 1,88 and 4,4 oC respectively, are 37,7% and 36,4% lower than [43] This proves that the experimental model operates less efficiently as [43] but the heat exchange efficiency of the micro plate heat exchanger is much better

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH ĐỔI TÊN ĐỀ TÀI i

LÝ LỊCH KHOA HỌC ix

LỜI CAM ĐOAN xi

LỜI CẢM ƠN xii

TÓM TẮT xiii

MỤC LỤC xv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xviii

DANH MỤC CÁC HÌNH xx

DANH MỤC CÁC BẢNG xxii

Chương 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2

1.2.1 Các nghiên cứu về CO2 và hệ thống lạnh ghép tầng 2

1.2.2 Các nghiên cứu về tấm micro 15

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 16

1.3.1 Các nghiên cứu về CO2 và hệ thống lạnh ghép tầng 16

1.3.2 Các nghiên cứu về tấm micro 18

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 20

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 20

1.6 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 20

1.6.1 Nội dung nghiên cứu 20

1.6.2 Phương pháp nghiên cứu 21

Chương 2 22

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22

2.1 Chất làm lạnh CO2 22

2.1.1 Giới thiệu về CO2 22

2.1.2 Tính chất nhiệt – vật lý của CO2 22

2.2.1 Giới thiệu về R134a 25

2.2.2 Tính chất nhiệt – vật lý của R134a 26

2.3 Hệ thống lạnh ghép tầng 27

2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt tấm micro 28

2.5 Hệ số truyền nhiệt tổng 29

2.5.1 Hệ số tỏa nhiệt của chất làm lạnh trong thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ 30 2.5.2 Hệ số tỏa nhiệt của chất làm lạnh trong thiết bị bay hơi - ngưng tụ ghép tầng tấm micro 30

2.6 Phương trình truyền nhiệt 32

2.7 Phương trình cân bằng nhiệt 33

Chương 3 35

THIẾT KẾ VÀ THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM 35

3.1 Tính toán thiết kế hệ thống lạnh ghép tầng 35

3.1.1 Tính toán cho chu trình CO2 36

3.1.2 Tính toán cho chu trình R134a 39

3.1.3 Tính toán chọn thiết bị trao đổi nhiệt 42

3.1.4 Tính COP 53

3.2 Thiết lập thực nghiệm 53

3.3 Các thiết bị chính của hệ thống 56

3.4 Các thiết bị đo 59

Chương 4 63

CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 63

4.1 Thông số nhiệt động chu trình cho 3 trường hợp 63

4.2 So sánh các thông số nhiệt động của trường hợp 1 và lý thuyết 67

4.2.1 So sánh điểm nút của trường hợp 1 (TH1) và lý thuyết 67

4.2.2 So sánh Q0, Qk, L, ε và COP hệ thống của trường hợp 1 và lý thuyết 67

4.3 So sánh các thông số nhiệt động của trường hợp 2 và [44] 68

4.3.1 So sánh điểm nút của trường hợp 2 (TH2) và [44] 68

4.3.2 So sánh Q0, Qk, L, ε và COP hệ thống của trường hợp 2 và [44] 69

4.4 So sánh các thông số nhiệt động của trường hợp 3 và [43] 70

4.4.1 So sánh điểm nút của trường hợp 3 (TH3) và [43] 70

4.4.2 So sánh công nén L và COP hệ thống của trường hợp 3 và [43] 71

4.5 So sánh chênh lệch nhiệt độ ghép tầng 71

Chương 5 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

5.1 Kết luận 73

5.2 Kiến nghị 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 83

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

𝑚̇ : Lưu lượng khối lượng, [kg/s]

𝑚̈ : Lưu lượng khối lượng/một đơn vị diện tích, [kg/s.m2]

V : Thể tích, [m3]

v : Thể tích riêng, [m3/kg]

Q : Nhiệt truyền qua thiết bị, [W]

q : Mật độ dòng nhiệt, [W/m2]

qo : Năng suất lạnh riêng, [kJ/kg]

A : Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, [m2]

ρ : Khối lượng riêng, [kg/m3]

Nđc : Công suất động cơ điện, [kW]

COP : Hệ số công suất

GWP : Chỉ số ấm dần lên toàn cầu ODP : Chỉ số suy giảm tầng ozon CRS : Hệ thống lạnh ghép tầng HTC : Chu trình nhiệt độ cao LTC : Chu trình nhiệt độ thấp CHX : Bộ trao đổi nhiệt ghép tầng

HX : Bộ trao đổi nhiệt Cond : Ngưng tụ

Evap : Bay hơi Sys : Hệ thống Amb : Môi trường

CFCs : chlorofluorocarbons

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: CRS hấp thụ/CO2 trên tới hạn [10] 5 Hình 1.2: Hệ thống lạnh ghép tầng CO2/R600a [15] 7 Hình 1.3: Hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NO2 trên tới hạn một đầu phun mở rộng mới (NEETCR) cho các ứng dụng lạnh nhiệt độ thấp [18] 8 Hình 1.4: Hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3 với đầu phun mở rộng [20] 9 Hình 1.5: Hệ thống lạnh ghép tầng R1234ze/CO2 với đầu phun chạy bằng năng lượng mặt trời [25] 11 Hình 1.6: Sơ đồ chu trình Rankine hữu cơ (ORC) dùng toluene kết hợp với CRS dùng NH3/CO2 [26] 12 Hình 2.1: Sơ đồ pha của CO2 [48] 23 Hình 2.2: Đồ thị log p -h của CO2 [48] 23 Hình 2.3: So sánh tương quan áp suất – nhiệt độ của CO2 và các chất làm lạnh khác [48] 24 Hình 2.4: Đồ thị log p -h của R134a [49] 26 Hình 2.5: (a) Sơ đồ nguyên lý và (b) đồ thị p-h của CRS [50] 27 Hình 2.6: Bộ trao đổi nhiệt tấm micro 28 Hình 2.7: Phân bố nhiệt độ trao đổi nhiệt dòng cùng chiều [51] 33 Hình 2.8: Phân bố nhiệt độ trao đổi nhiệt dòng ngược chiều [51] 33 Hình 3.1: Đồ thị P-h của chu trình CO2 theo lý thuyết 37 Hình 3.2: Đồ thị P-h của chu trình R134a theo lý thuyết 40 Hình 3.3: Biến thiên nhiệt độ tại dàn bay hơi CO2 44 Hình 3.4: Biến thiên nhiệt độ tại dàn ngưng R134a 46 Hình 3.5: Biến thiên nhiệt độ tại bộ trao đổi nhiệt ghép tầng 50 Hình 3.6: Mô hình dòng bộ trao đổi nhiệt ghép tầng tấm micro 51 Hình 3.7: Bản vẽ chi tiết bộ trao đổi nhiệt tấm micro [62] 52 Hình 3.8: Hình dạng tấm [63] 52 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý CRS R134a/ CO2 [45] 53

Hình 3.10: Mô hình thực nghiệm CRS R134a/CO2 với bộ trao đổi nhiệt ghép tầng loại tấm micro 54 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mô hình thực nghiệm CRS R134a/CO2 với bộ trao đổi nhiệt ghép tầng loại tấm micro 55 Hình 3.12: Máy nén CO2 57 Hình 3.13: Bộ trao đổi nhiệt tấm micro 57 Hình 3.14: Thiết bị ngưng tụ R134a 58 Hình 3.15: Thiết bị bay hơi CO2 58 Hình 3.16: Van tiết lưu tay R134a 59 Hình 3.17: Đồng hồ đo lưu lượng CO2 59 Hình 3.18: Đồng hồ đo áp suất loại Adruino 60 Hình 3.19: Đồng hồ đo áp suất loại chân sau 61 Hình 3.20: Đồng hồ đo nhiệt độ loại cảm biến micro 61 Hình 3.21: Đồng hồ đo nhiệt độ tiếp xúc K, J Extech 62 Hình 4.1: Đồ thị P-h của TH1 65 Hình 4.2: Đồ thị P-h của TH2 65 Hình 4.3: Đồ thị P-h của TH3 66 Hình 4.4: Nhiệt độ bề mặt phòng lạnh từ camera nhiệt 83 Hình 4.5: Nhiệt độ bề mặt máy nén CO2 từ camera nhiệt 83 Hình 4.6: Nhiệt độ bề mặt dàn ngưng tu R134a từ camera nhiệt 84 Hình 4.7: Bộ trao đổi nhiệt tấm micro 84 Hình 4.8: Thử bền thuỷ lực ở áp suất 65 Kg/cm2 85 Hình 4.9: Mô hình thực nghiệm hệ thống 85

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: COP và công suất lạnh tối ưu [5] 3 Bảng 1.2: Kết quả của 2 nhóm nghiên cứu Amaris [8] và Tsamos [9] 4 Bảng 1.3: Kết quả của 2 nhóm nghiên cứu Rezayan [16] và Nasruddin [17] 7 Bảng 1.4: Kết quả nghiên cứu của Minglu [34] 15 Bảng 1.5: Loại bộ trao nhiệt ghép tầng trong các nghiên cứu 19 Bảng 2.1: Tính chất vật lý của CO2 [48] 25 Bảng 2.2: Tính chất vật lý của R134a [49] 26 Bảng 3.1: Thông số trạng thái của chu trình CO2 theo lý thuyết 37 Bảng 3.2: Thông số trạng thái của chu trình R134a theo lý thuyết 40 Bảng 4.1: Thông số nhiệt động chu trình CO2 theo thực nghiệm 63 Bảng 4.2: Thông số nhiệt động chu trình R134a theo thực nghiệm 64 Bảng 4.3: Năng suất lạnh, công suất nhiệt, công nén, hệ số lạnh và COP hệ thống cho 3 trường hợp 66 Bảng 4.4: Thông số nhiệt động của TH1 và lý thuyết (LT) 67 Bảng 4.5: Năng suất lạnh, công suất nhiệt, công nén, hệ số lạnh và COP hệ thống của trường hợp 1 (TH1) và lý thuyết 67 Bảng 4.6: Thông số nhiệt động của TH2 và [44] 69 Bảng 4.7:Năng suất lạnh, công suất nhiệt, công nén, hệ số lạnh và COP hệ thống của trường hợp 2 (TH2) và [44] 69 Bảng 4.8:Thông số nhiệt động chu trình CO2 và R134a của TH3 và CO2 và R32 của [43] 70 Bảng 4.9: Công nén và COP hệ thống của trường hợp 3 (TH3) và [43] 71 Bảng 4.10: Nhiệt độ ghép tầng của các nghiên cứu 71

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiệu ứng nhà kính tăng cao, tầng ozon bị ảnh hưởng nặng nề là một trong những vấn đề cấp thiết được quan tâm hàng đầu trên toàn thế giới Nguyên nhân dẫn đến hiện trạng này là do ô nhiễm môi trường, khí thải công nghiệp, chất thải sinh hoạt Và trong số đó không thể không nhắc đến khí thải từ các chất làm lạnh của hệ thống điều hòa không khí dân dụng cũng như hệ thống lạnh công nghiệp Trong thực tế R32 và R290 ít được sử dụng rộng rãi do tính dễ cháy của nó, còn

CO2 có rất nhiều trong tự nhiên, trong hệ thống lạnh nén một giai đoạn CO2 có COP thấp nhất so với các chất làm lạnh truyền thống như R22 Nhưng CO2 cho thấy ưu điểm vượt trội trong các hệ thống lạnh ghép tầng Những năm gần đây trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về hệ thống lạnh ghép tầng cũng như CO2điều này phần nào cho thấy tầm quan trọng của CO2 trong ngành lạnh của thế giới

Bộ trao đổi nhiệt là một thiết bị cực kỳ quan trọng trong các hệ thống lạnh nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như động cơ xăng, diesel, hệ thống sản xuất điện, hệ thống lạnh, Với sự phát triển cuả khoa học, kỹ thuật các

bộ trao đổi nhiệt với các kênh micro đã được chế tạo để dần dần thay thế các bộ trao đổi nhiệt truyền thống với kích thước lớn chiếm khá nhiều không gian lắp đặt, hiệu quả trao đổi nhiệt kém Với ưu điểm thiết kế nhỏ gọn, giảm tổn thất áp suất vừa chiếm ưu thế về tỷ lệ cũng như hiệu quả truyền nhiệt làm cho nó ngày càng trở nên được ưa chuộng và phổ biến Tuy nhiên, ứng dụng của nó trong hệ thống lạnh ghép tầng là chưa nhiều

Do đó việc nghiên cứu hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng của bộ trao đổi nhiệt tấm micro ở nước ta sẽ là một nổ lực đáng ghi nhận đóng góp không chỉ cho ngành lạnh ở Việt Nam mà còn tạo ra cơ sở, điều kiện, động lực để tiếp tục phát triển những hệ thống lạnh ghép tầng mới, hiểu quả cao hơn cho trên thế giới

Vì vậy việc cần làm lúc này là đẩy mạnh nghiên cứu, thiết kế để tạo ra một hệ thống lạnh ghép tầng hiệu quả cao để đáp ứng nhu cầu trong công nghiệp nước nhà đồng thời rút ngắn khoảng cách tri thức so với thế giới Và việc chọn đề tài là tính toán, thiết kế, lắp đặt một hệ thống điều hòa không khí ghép tầng sử dụng cặp môi chất CO2/R134a với bộ trao đổi nhiệt ghép tầng tấm micro (Micro plate heat exchanger) giúp ta có thể hiểu thêm về khí HFCs, ứng dụng môi chất CO2 và đặc điểm truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt ghép tầng này dùng trong ngành lạnh

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.2.1 Các nghiên cứu về CO 2 và hệ thống lạnh ghép tầng

Trong những năm gần đây thì ứng dụng của CO2 xuất hiện ngày càng nhiều trong các hệ thống lạnh đặc biệt là hệ thống lạnh ghép tầng Dưới đây là một số nghiên cứu liên quan đã được công bố rộng rãi trên thế giới

Zhang cùng cộng sự [1] đã tiến hành đánh giá lý thuyết hiệu quả bộ trao đổi nhiệt bên trong trong chu trình làm lạnh CO2 trên tới hạn có sử dụng ejector Kết quả cho thấy tỷ lệ hút và hiệu suất của ejector tăng, áp suất phục hồi giảm dưới cùng 1 điều kiện áp suất khí làm mát

Manjili cùng cộng sự [2] đã sử dụng phần mềm Engineering Equation Slover (EES) để phân tích nhiệt động lực học và exergetic của chu trình làm lạnh CO2trên tới hạn 2 cấp dùng 2 ejector, quá trình nén hơi được thực hiện trong 2 giai đoạn mỗi đường nén hơi gồm ejector riêng biệt Kết quả cho thấy COP được cải thiện từ 20% - 80% so với chu trình thông thường

Liu cùng cộng sự [3] đã phân tích nhiệt động lực học của chu trình làm lạnh

CO2 trên tới hạn tích hợp bộ quá lạnh nhiệt điện và ejector để so sánh với 2 chu trình CO2 trên tới hạn độc lập: (1) với bộ quá lạnh nhiệt điện và (2) với ejector Kết quả chỉ ra hiệu suất của chu trình tích hợp tăng 39,34% tương ứng với áp suất

xả giảm 8,01% dưới điều kiện hoạt động nhiệt độ bay hơi 5oC và nhiệt độ làm mát bên ngoài là 40oC

Nakagawa cùng cộng sự [4] đã phân tích thực nghiệm ảnh hưởng của bộ trao đổi nhiệt trong của chu trình làm lạnh CO2 trên tới hạn 2 cấp có ejector và so sánh

nó với hệ thống làm lạnh thông thường Thực nghiệm được thực hiện ở áp suất và nhiệt độ hoạt động khác nhau cho 3 trường hợp: không có bộ trao đổi nhiệt bên trong, bộ trao đổi nhiệt bên trong 30 cm, bộ trao đổi nhiệt bên trong 60 cm Kết quả cho thấy hệ thống có ejector và bộ trao đổi nhiệt bên trong 60 cm có COP lớn nhất tăng đến 27% so với hệ thống thông thường

Nebot - Andres cùng cộng sự [5] đã dùng thực nghiệm để xác định điều kiện làm việc tối ưu của hệ thống lạnh CO2 trên tới hạn tích hợp cơ chế quá lạnh Hệ thống thử nghiệm ở các điều kiện áp suất và quá lạnh khác nhau để thu được COP tối ưu trong điều kiện nhiệt độ môi trường 25 oC, 30,4 oC, 35,1 oC và mức độ bay hơi từ -15,6 oC đến -4,1 oC COP và công suất lạnh tối ưu được thể hiện trong

Bảng 1.1

Bảng 1.1: COP và công suất lạnh tối ưu [5]

Nhiệt độ glycol, oC COP tối ưu Công suất lạnh tối ưu, kW

Chen cùng cộng sự [7] đã khảo sát thực nghiệm hệ thống làm lạnh CO2 trên tới hạn với roto kép và máy nén làm mát trung gian cho ôtô Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống gần tương đương với hiệu suất của chu trình cơ bản ở điều kiện nhiệt độ môi trường xung quanh là 35 °C, trong khi đó nó có tính ưu việt vượt trội

trong điều kiện 45 °C, với mức tăng 19,8% công suất làm lạnh tối đa và tăng 12,8% COP tương ứng

Amaris cùng cộng sự [8] và Tsamos cùng cộng sự [9] đã cùng nghiên cứu so sánh cho ba hệ thống: tăng áp R744 (1), tăng áp R744 với máy nén song song (2)

và CRS R717/R744 (3) cho những ứng dụng bán lẻ thực phẩm Trong khi nhóm của Amaris điều tra về hiệu suất dựa trên định luật nhiệt động 1 và 2 thì nhóm của Tsamos phân tích hiệu suất năng lượng ở những điều kiện khí hậu khác nhau Kết

quả của 2 nhóm nghiên cứu được thể hiện qua Bảng 1.2

Bảng 1.2: Kết quả của 2 nhóm nghiên cứu Amaris [8] và Tsamos [9]

Hệ

thống

Siêu thị trung bình (145 kW)

Cửa hàng tiện lợi (30 kW)

Siêu thị trung bình (145 kW)

Cửa hàng tiện lợi (30 kW)

Phạm vi COP tốt nhất

Phạm vi COP tốt nhất

London (MWh)

Cyrpus (MWh)

London (MWh)

Cyrpus (MWh)

kế theo hai chiến lược tối ưu đó Hiệu suất của thiết kế được so sánh dựa trên kết quả mô phỏng bằng Aspen Plus Kết quả cho thấy hệ thống được đề xuất có hiệu suất tốt ở nhiệt độ làm lạnh thấp Áp suất cao theo FCP lớn hơn FNG Đầu tư và lợi nhuận của thiết kế tối ưu theo FCP nhiều hơn so với FNG

Hình 1.1: CRS hấp thụ/CO 2 trên tới hạn [10]

Sanz – Kock [11] cùng cộng sự tiến hành thực nghiệm đánh giá CRS R134a/CO2 được thiết kế cho TEvap thấp trong các ứng dụng lạnh thương mại Đánh giá thử nghiệm (45 trạng thái ổn định) bao gồm TEvap từ -40 đến -30 oC và

TCond từ 30 đến 50 oC Kết quả cho thấy ΔtCHX thay đổi từ 3,3 đến 5,3 oC, sự thay đổi cấp độ trung gian tạo ra các biến thể COP tối đa là 6%, công suất lạnh trong phạm vi từ 4,5 kW (TEvap là -40 oC và TCond là 40oC) đến 7,5 kW (TEvap là -30 oC

và TCond là 30oC), COP trong phạm vi từ 1,05 (TEvap -40 oC và TCond là 40oC) đến 1,65 (TEvap là -30 oC và TCond là 30oC)

Aminyavari cùng cộng sự [12] đã phân tích exergetic, kinh tế, môi trường và tối ưu hóa đa mục tiêu CRS CO2/NH3 bằng cách sử dụng phương pháp genetic

algorithm để đạt được các thông số thiết kế tối ưu (hiệu quả exergetic và tổng tỉ lệ chi phí) sau đó dùng phương pháp ra quyết định TOPSIS Kết quả tối ưu hóa đã chứng minh khi so sánh với một hệ thống 50 kW thì thiết kế đã chọn cho hiệu quả exergetic là 45,89% trong khi tổng tỉ lệ chi phí là 0,01099 US$/s, dẫn tới tổng chi phí hằng năm là 277,070 US$

Patel cùng cộng sự [13] đã phân tích hiểu quả tối ưu hóa và so sánh CRS sử dụng cặp môi chất NH3/CO2 và C3H8/CO2 Vấn đề tối ưu hóa được xây dựng dựa trên tổng chi phí hằng năm và sự phá hủy exergy là nhỏ nhất bằng cách sử dụng thuật toán tiềm kiếm truyền nhiệt Bốn tham số chính là: TEvap, TCond, nhiệt độ nén

ở LTC và ΔtCHX được chọn làm biến quyết định, sau đó dùng phương pháp ra quyết định TOPSIS.So sánh kết quả cho thấy cặp C3H8/CO2 cung cấp chi phí thấp hơn 5,33% và phá hủy exergy cao hơn 6,42% so với cặp NH3/CO2

Sanchez cùng cộng sự [14] đã đánh giá năng lượng và phân tích tác động của môi trường của CRS R134a/R744 được nâng cấp từ những chất GWP thấp như R152a, R1234ze(E), R290, R1270 trong HTC Kết quả cho thấy dùng những chất

có GWP thấp thì tiêu thụ năng lượng cao hơn cụ thể là ở nhiệt độ nhiệt thải là 31,6oC tăng 14,7% và 3,4% đối với R1270 và R152a tương ứng Những mức nhiệt

độ khác cũng tương tự Đối với khối lượng chất làm lạnh nạp giảm trung bình 58,5% và cao nhất là 68,5%

Sobieraj cùng cộng sự [15] đã nghiên cứu thực nghiệm CRS tự động CO2600a phân tách pha hiệu quả cao cho hệ thống lạnh đẳng nhiệt – nhiệt độ thấp, sơ

/R-đồ thể hiện trong Hình 1.2 Kết quả cho thấy hệ thống rất nhạy cảm với lượng nạp

môi chất lạnh Với lượng nạp thấp thì hệ thống hoạt động không chính xác do điểm thắt xảy ra ở đầu cuối của bên nóng và lạnh của HE Lượng nạp cao thì công suất tiêu thụ tăng và COP giảm TEvap gần đẳng nhiệt là có khả năng đối với hỗn hợp CO2/R600a ở 1 giá trị của độ khô Nhiệt độ trượt tối đa là 2,9 K với TEvaptrung bình -59,5 °C với độ khô ở đầu ra là 0,646

Hình 1.2: Hệ thống lạnh ghép tầng CO 2 /R600a [15]

Rezayan cùng cộng sự [16] đã tối ưu hóa kinh tế nhiệt và phân tích exergy của CRS với cặp môi chất CO2/NH3 và Nasruddin cùng cộng sự [17] cũng thực hiện mục đích tương tự đối với CRS với C3H8 trong HTC và hỗn hợp C2H6/CO2 trong LTC Hai nghiêm cứu được thực hiện cho hệ thống 40 kW, kết quả tối ưu được

trình bài trong Bảng 1.3

Bảng 1.3: Kết quả của 2 nhóm nghiên cứu Rezayan [16] và Nasruddin [17]

Nghiên cứu TCond

HTC ( o C)

T Evap

LTC ( o C)

Tỷ lệ phá hủy exergy

kW Rezayan [16] 56,27 -56 -8,095 3,446 109242 49,723

J - Bộ trao đổi nhiệt

K - Đồng hồ đo lưu lượng

L, P - Van tiết lưu

M, O - Kính xem gas

N - Thiết bị bay hơi V1, V2 - Van cho bộ hồi nhiệt

R - Van tách dầu

tính FORTRAN Kết quả mô phỏng cho thấy NEETCR tiêu thụ năng lượng ít hơn nhưng COP cao hơn gần 9,16% so với trên tới hạn có ejector mở rộng (EETCR)

Và hiệu quả tối đa của định luật thứ hai của NEETCR và EETCR lần lượt là 36,68% và 33,54%

Hình 1.3: Hệ thống lạnh ghép tầng CO 2 /NO 2 trên tới hạn một đầu phun mở

rộng mới (NEETCR) cho các ứng dụng lạnh nhiệt độ thấp [18]

Logesh cùng cộng sự [19] đã phân tích thành công hiệu suất của CRS với ba cặp môi chất khác nhau là: R134a/R23, R410A/R23, R404A/R170 trong phạm vi quá nhiệt là 10oC và quá lạnh là 5oC Sự thay đổi TCond là từ 30 đến 50°C ở HTC trong khi TEvap trong LTC thay đổi trong khoảng -70 đến -50°C Hiệu suất máy nén đã được giả định là 0,7 trong suốt quá trình thử nghiệm Kết quả cho thấy cặp R134a /R170 có COP lớn hơn và lưu lượng khối lượng thấp hơn trong các cặp chất nghiên cứu

Dokandari cùng cộng sự [20] đã đánh giá hiệu suất của CRS CO2/NH3 với ejector mở rộng mới dựa trên định luật nhiệt động 1 và 2 bằng cách nghiên cứu

tác động của ba thông số thiết kế là TCond, TEvap và chênh lệch nhiệt độ ở bộ trao đổi nhiệt Kết quả cho thấy COP tối đa, hiệu quả định luật 2 tối đa cao hơn trung bình lần lượt 7% và 5% trong khi đó tỷ lệ phá hủy exergy thấp hơn khoảng 8% so

với hệ thống thông thường Sơ đồ thể hiện trong Hình 1.4

Hình 1.4: Hệ thống lạnh ghép tầng CO 2 /NH 3 với đầu phun mở rộng [20]

Dopazo cùng cộng sự [21] đã phân tích các thông số thiết kế và vận hành của CRS CO2/NH3 và ảnh hưởng của chúng đối với COPSys và hiệu suất hoạt động Phân tích được thực hiện dựa trên một mô hình toán học xác thực bằng cách sử dụng dữ liệu thử nghiệm Kết quả cho thấy COP tăng 70% khi TEvap CO2 từ -55oC đến -30oC Khi TEvap CO2 tăng thì ảnh hưởng của các thông số khác đến COP cũng tăng COP giảm 45% khi TCond NH3 tăng từ 25oC đến 50oC COPSys giảm 9% khi

ΔtCHX từ 3oC đến 6oC

Dopazo cùng cộng sự [22] đã đề cập đến việc thiết kế, xây dựng và đánh giá thực nghiệm trong điều kiện tĩnh của CRS nguyên mẫu sử dụng CO2 và NH3, để

cung cấp cho tủ đông dạng tấm nằm ngang công suất 9 kW (công suất lạnh danh nghĩa) ở 50 oC TEvap Kết quả từ thực nghiệm có công suất 9,45 kW, cao hơn 5,0%

so với thiết kế Chênh lệch TCond CO2 giữa kết quả thực nhiệm và kết quả từ các nghiên cứu trước tối đa là 2,4%

Bingming cùng cộng sự [23] đã khảo sát thực nghiệm hiệu suất của CRS

NH3/CO2 với máy nén trục vít đôi để so sánh hệ thống NH3 hai giai đoạn và hệ thống NH3 một giai đoạn có hoặc không có bộ tiết kiệm Kết quả cho thấy CRS

NH3/CO2 có COP tốt nhất khi TEvap dưới -40 oC Với sự gia tăng của ΔtCHX, công suất lạnh gần như giảm tuyến tính và COPSys giảm nhanh hơn công suất lạnh Mức

độ quá nhiệt CO2 tăng lên dẫn đến giảm công suất lạnh và COP của chu trình CO2

và hệ thống giảm tuyến tính Độ quá nhiệt của CO2 từ 10oC và 23oC, độ lệch của COP hệ thống, COP chu trình CO2 và công suất lạnh nhỏ hơn 3%, 6% và 1,5%, tương ứng

Dybey cùng cộng sự [24] đã phân tích nhiệt động lực học của CRS R744/R1270 trên tới hạn cho những ứng dụng làm lạnh và gia nhiệt dựa trên nhiệt

độ tối ưu, COP lớn nhất, lưu lượng khối lượng R744 và R1270 Các thông số thiết

kế gồm TEvap LTC, nhiệt độ gas lạnh và ΔtCHX Kết quả phân tích cho thấy hiệu suất nhiệt của CRS R744/R1270 trên tới hạn tốt hơn so với CRS dưới tới hạn và cũng tốt hơn CRS N2O/CO2 trên tới hạn Khi nhiệt độ trung gian cao, khó có thể

có được TEvap như thiết kế Kết quả của phân tích đề nghị giữ nhiệt độ trung gian

ít hơn hơn 13,18oC để đạt được hiệu suất tối ưu của hệ thống Sự gia tăng ΔtCHXlàm giảm COPSys còn COP ở LTC và HTC là không đổi khi giữ nhiệt độ phân tích trong khoảng 3oC đến 5oC COP tăng lớn nhất khi TEvap tăng và giảm khi TCond và

ΔtCHX giảm

Li cùng cộng sự [25] đã phân tích ảnh hưởng của khí hậu đối với CRS R1234ze/CO2 với ejector chạy bằng năng lượng mặt trời, sơ đồ thể hiện ở Hình 1.5 để so sánh với hệ thống lạnh thông thường với ejector chạy bằng năng lượng

mặt trời Kết quả chỉ ra với sự gia tăng TEvap R1234ze thì tỷ số phun tăng và công suất lạnh hệ thống CRS tăng Với sự giảm Δt truyền nhiệt thì COP CRS giảm Khi

diện tích bộ thu nhỏ, công suất tiêu thụ của CRS ít hơn nhiều so với hệ thống phun Khi diện tích bộ thu lớn hơn, hệ thống phun hiệu quả hơn Đối với CRS được đề xuất, với việc tăng diện tích bộ thu, tiêu thụ năng lượng của máy nén CO2 và máy nén phụ giảm, trong khi công suất tiêu thụ của bơm R1234ze tăng cho đến khi tiêu thụ điện của máy nén phụ giảm xuống không Chu kỳ phun chỉ đáp ứng 53% tải lạnh, trong khi CRS đáp ứng hầu hết tải lạnh khoảng 89% với diện tích bộ thu 15

m2 cho tải làm mát điều kiện ở Tianjin

Hình 1.5: Hệ thống lạnh ghép tầng R1234ze/CO 2 với đầu phun chạy bằng năng

lượng mặt trời [25]

Lizarte cùng cộng sự [26] đã nghiên cứu các tham số của chu trình Rankine hữu cơ (ORC) dùng toluene kết hợp với CRS dùng NH3/CO2 cho các ứng dụng

TEvap thấp trong khoảng từ -55oC đến -30oC, sơ đồ Hình 1.6 Nghiên cứu tham số

và phân tích hồi quy đã được thực hiện để mô tả đặc tính của hệ thống và ước tính COPSys và hiệu quả exergetic hệ thống Giá trị cao nhất của COPSys và exergetic

hệ thống được tính toán là 0,79 và 31,6%, tương ứng với TEvap ORC là 315 oC và

255 oC, tương ứng Các nguồn năng lượng nhiệt tái tạo từ 100 đến 350 oC có thể được sử dụng để vận hành cơ sở, do đó giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và phát thải CO2 Cơ sở độc lập này có thể là một phương án khả thi để khai thác năng lượng nhiệt cấp thấp và trung bình ở những nơi nguồn cung cấp điện không đáng tin cậy

Hình 1.6: Sơ đồ chu trình Rankine hữu cơ (ORC) dùng toluene kết hợp với

CRS dùng NH 3 /CO 2 [26]

Ma cùng cộng sự [27] đã đánh giá hiệu suất và phân tích tối ưu hóa CRS

CO2/NH3 với CHX loại thiết bị bay hơi – ngưng tụ dạng màng Kết quả phân tích nhiệt động lực học của hệ thống đề xuất cho thấy COP được cải thiện do chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn được cung cấp bởi CHX này Hơn nữa, mô hình dựa trên phương pháp hiệu quả NTU (số đơn vị truyền nhiệt) được phát triển bằng cách xem xét hạn chế của tổng độ dẫn nhiệt Mô hình đã phát triển sau đó được sử dụng

để kiểm tra ảnh hưởng của các tham số chính lên cấu hình hệ thống theo điều kiện COP tối đa Kết quả thu được cho thấy, khi hệ COPSys được tối đa hóa, tỷ lệ phân

bố độ dẫn nhiệt bị chi phối chủ yếu bởi sự chênh lệch nhiệt độ của ba nhiệt bộ trao đổi và các hệ số hiệu quả của thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi

Massuchetto cùng cộng sự [28] đã phân tích hiệu suất của CRS với 3 cặp môi chất khác nhau: R744/R1270, R744/R717 và R744/RE170 Tham số phân tích đầu vào gồm: thành phần hỗn hợp, TCond CHX Tham số đầu ra là: công suất máy nén, lưu lượng khối lượng chất làm lạnh, tỷ lệ phá hủy exergy, hiệu quả exergetic và COP Hệ thống cho COP tối đa khi xem xét 100 kW tải lạnh cố định ở dàn bay hơi Sau khi tối ưu hóa, COP tăng từ 18% lên 32% khi so với chất làm lạnh tinh khiết Hỗn hợp R744/RE170 cho kết quả tốt nhất với COP là 2,34, tăng hiệu quả exergetic lên đến 30% và giảm lưu lượng khối lượng chất làm lạnh trong khoảng

từ 6% đến 34%, công suất máy nén từ 20% đến 23% và tỷ lệ phá hủy exergy giảm khoảng 31% đến 36%

Zhang cùng cộng sự [29] khảo sát thực nghiệm hiệu suất của CRS khi R1270/CO2 với máy nén được được thiết kế đặc biệt dành cho R1270 (không tìm thấy trên thị trường) để so sánh với CRS R1270/CO2 nguyên mẫu thông thường Kết quả cho thấy với TCond và TEvap của hệ thống ghép tầng, khi TEvap của R1270 giảm (từ −7 °C đến −19 °C), COP của hệ thống ghép tầng tăng lên Hiệu suất đẳng hướng của máy nén R1270 giảm từ 78,5% xuống 74,7% khi TEvap của R1270 tăng

từ −19° C lên −7 °C

Llopis cùng cộng sự [30] đã phân tích và định lượng các ảnh hưởng do việc sử dụng bộ trao đổi nhiệt bên trong (IHX) tại chu trình CO2 dưới tới hạn trong CRS HFC-134a/CO2 kết hợp thiết bị làm mát khí tại đầu ra của máy nén nhiệt độ thấp

để so sánh với CRS HFC-134a/CO2 không có bộ trao đổi nhiệt bên trong ở TEvap

từ 40 đến 30oC và TCond từ 30 đến 50 oC Kết quả thử nghiệm khẳng định rằng IHX làm giảm một chút công suất lạnh nhưng nó có thể tăng COP tổng thể lên đến 3,7%

Silva cùng cộng sự [31] đã so sánh hiệu quả năng lượng và hiệu suất khí hậu của ba hệ thống lạnh trong siêu thị: (CRS CO2/HFC404A) với CO2 cho hoạt động dưới tới hạn và HFC404A trong giai đoạn nhiệt độ cao (bơm lưu thông để làm

lạnh bình thường và giãn nở trực tiếp để làm lạnh sâu), và 2 hệ thống lạnh giãn nở trực tiếp HFC404A và HCFC22 Hệ thống CRS có chi phí chất làm lạnh ít hơn một nửa so với các hệ thống khác Một yếu tố quan trọng là tổng GWP trong trường hợp rò rỉ, trong đó là tác động của bầu khí quyển của CRS hoạt động với

CO2 ít hơn nhiều so với hai hệ thống giãn nở trực tiếp

Wang cùng cộng sự [32] đã đề xuất hệ số công suất tối ưu thông qua tìm kiếm nhiệt độ trung gian thực tối ưu cho CRS R134a/CO2 dựa vào điều kiện cố định và thay đổi của ( Tamb, nhiệt độ và lưu lượng khối lượng, nhiệt độ cài đặt, tốc độ máy nén) Kết quả thu được COP tối ưu ở nhiệt độ trung gian -2,29 oC, tốc độ máy nén

ở HTC và LTC lần lượt là 12 Hz và 24 Hz Còn đối với điều kiện công suất lạnh

cố định, tốc độ máy nén ban đầu ở HTC và LTC lần lượt là 20 Hz và 21 Hz thì COP tối ưu và nhiệt độ trung gian tương ứng lần lượt là 1,54 và -13,5 oC

Han cùng cộng sự [33] đã thực hiện nghiên cứu đặc điểm phủ sương của bộ trao đổi nhiệt ống – cánh của hệ thống bơm nhiệt ghép tầng ở nhiệt độ ngoài trời

từ -18 oC đến 6 oC và độ ẩm tương đối từ 70% đến 90% Kết quả thực nghiệm cho thấy lượng sương thay đổi tuyến tính theo thời gian và độ ẩm tương đối ngoài trời ảnh hưởng lớn đến chất lượng sương Một chỉ số mới được đưa ra từ thực nghiệm

là “hệ số tạo sương”, cái mà biểu thị hàm lượng hơi ẩm trong tiềm năng tạo sương

Và hệ số tạo sương được tìm thấy trong thực nghiệm là 0,0389 đến 0,05 g.m-2.s-1(g/kg)-1 và giá trị trung bình là 0,0446 g.m-2.s-1 (g/kg)-1 dùng để dự đoán chất lượng tạo sương trong điều kiện nhiệt độ ngoài trời thay đổi

Minglu cùng cộng sự [34] đã phân tích thực nghiệm của khớp nối nhiệt trong tích trữ năng lượng nhiệt dựa vào chu kỳ rã đông đảo chiều của hệ thống bơm

nhiệt ghép tầng nguồn không khí Kết quả được trình bày trong Bảng 1.4

Bảng 1.4: Kết quả nghiên cứu của Minglu [34]

Nhiệt lượng % tổng nhiệt tiêu

từ PCM-HE 35,7 đến 45,2 -3 đến -15 75 đến 85

1.2.2 Các nghiên cứu về tấm micro

Bộ trao đổi nhiệt tấm micro là xu thế của tương lai không những có kích thước nhỏ gọn mà còn có tỷ lệ truyền nhiệt cao tuy nhiên nó vẫn chưa được dùng trong các hệ thống lạnh ghép tầng Dưới đây là một số nghiên cứu về bộ trao đổi nhiệt tấm micro trên thế giới

Vajdi cùng cộng sự [35] đã đánh giá số lượng Beryllium oxide (BeO) làm vật liệu thay thế cho bộ HX tấm micro Mục đích của bài báo là đánh giá khả năng của BeO khi nó là một đại diện để chế tạo bộ HX micro Một chuỗi các mô phỏng

số được thực hiện bằng phần mềm COMSOL để khảo sát truyền nhiệt trong HX micro làm bằng BeO Kết quả thu được so với dữ liệu thực nghiệm của HX làm bằng alumina cho thấy Beo có hiệu quả truyền nhiệt cao hơn alumina Truyền nhiệt được tăng cường xấp xỉ 100% so với alumina ở lưu lượng khối lượng 97,3 kg/h Sự cải thiện đáng kể này là do độ dẫn nhiệt cao của BeO

Liu cùng cộng sự [36] đã dùng thực nghiệm để mô hình hóa dòng 2 pha và hiệu suất truyền nhiệt sôi đối lưu trong HX micro với passage thẳng và chữ V Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt tăng khi tăng lưu lượng ở cả 2 mô hình dòng chảy Trong passage thẳng, ảnh hưởng của mật độ dòng nhiệt tỷ lệ nghịch đến hệ số truyền nhiệt Ngoài ra, đối với passage thẳng do 1 phần hiện tượng khô xảy ra trong điều kiện gia nhiệt thấp nên làm giảm đáng kể hiệu quả truyền nhiệt Đối với passage chữ V, màng chất lỏng bị kéo ở góc giao giữa tấm trên và dưới bởi lực căng bề mặt và chất lỏng bổ sung trở lại bề mặt gia nhiệt từ những passage V khác, không có hiện tượng khô 1 phần do đó hệ số truyền nhiệt tuân theo các mối tương quan thông thường

Deng cùng cộng sự [37] đã thiết kế, mô hình hóa, mô phỏng và thử nghiệm

HX tấm micro hai vùng sử dụng cả chất làm mát động cơ và R134a sử dụng cho động cơ nén khí tự nhiên để tiếp nhiên liệu ở áp suất 250bar Các mô phỏng số được thực hiện bằng cách sử dụng ANSYS Fluent sử dụng các phép ngoại suy để ước tính độ giảm áp suất như một hàm của tốc độ dòng chảy và các phương pháp đối xứng để khảo sát sự truyền nhiệt Sự sụt giảm áp suất được xác định bằng thực nghiệm và sự truyền nhiệt được khảo sát thông qua các thử nghiệm Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp với dữ liệu thực nghiệm chứng tỏ tính hợp lệ của các phương pháp ngoại suy và đối xứng được áp dụng

Longo cùng cộng sự [38] tìm truyền nhiệt và giảm áp suất ma sát trong quá trình ngưng tụ của HFO1234yf bên trong HX tấm hàn thông qua nhiệt độ bão hòa, mật độ dòng khối và hơi quá nhiệt của lưu chất Hệ số truyền nhiệt ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ bão hòa và ảnh hưởng lớn bởi mật độ dòng khối Ở mật độ dòng khối thấp (<20 kg/m2.s) hệ số truyền nhiệt không phụ thuộc vào mật độ dòng khối và ngưng tụ được điều khiển bởi trọng lực Đối với mật độ dòng khối cao (>20 kg/m2.s) hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào mật độ dòng khối và ngưng tụ đối lưu cưỡng bức xảy ra Hệ số truyền nhiệt ngưng tụ của hơi quá nhiệt cao hơn từ 8-11% so với hơi bão hòa HFO1234yf thể hiện hệ số truyền nhiệt thấp hơn (10-12%) và giảm áp suất ma sát thấp hơn (10-20%) so với HFC134a trong cùng điều kiện hoạt động

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

1.3.1 Các nghiên cứu về CO 2 và hệ thống lạnh ghép tầng

Do sự hạn chế và cơ sở vật chất cùng với quá trình làm lạnh bằng CO2 hay hệ thống lạnh ghép tầng còn quá mới mẻ với tình hình phát triển của ngành lạnh trong nước Nên những nghiên cứu liên quan còn rất hạn chế, dưới đây là những nghiên cứu rất đáng ghi nhận về làm lạnh bằng CO2 xuất hiện trong một vài năm trở lại đây phần lớn của nhóm nghiên cứu ở trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố

Hồ Chí Minh do thầy PGS.TS Đặng Thành Trung và các cộng sự cùng thực hiện